Xây dựng phương pháp xác định lực cản công tác của thiết bị hạ ống vách thép thi công cọc nhồi bằng phương pháp ép - xoay

Bài viết xây dựng phương pháp xác định lực cản công tác của thiết bị hạ ống vách thép bằng phương pháp Ép - Xoay là một thiết bị tiên tiến và phổ biến trên thế giới nhằm phục vụ cho công tác tính toán, thiết kế, khai thác sử dụng và làm chủ thiết bị này trong điều kiện nước ta.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LỰC CẢN CÔNG TÁC CỦA THIẾT BỊ HẠ ỐNG VÁCH THÉP THI CÔNG CỌC NHỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP - XOAY Phạm Văn Minh1*, Nguyễn Tiến Nam2, Phạm Quang Dũng3 Tóm tắt: Thiết bị hạ ống vách thép thi công cọc nhồi đất yếu ứng dụng rộng rãi giới; Việt Nam loại thiết bị quan tâm đầu tư nghiên cứu ứng dụng Bài báo xây dựng phương pháp xác định lực cản công tác thiết bị hạ ống vách thép phương pháp Ép - Xoay thiết bị tiên tiến phổ biến giới nhằm phục vụ cho cơng tác tính tốn, thiết kế, khai thác sử dụng làm chủ thiết bị điều kiện nước ta Từ khóa: Phương pháp Ép - Xoay; thiết bị hạ ống vách cọc nhồi; cọc ống thép Determine method for resistance of equipment casing by rotary Press - in Abstract: Equipment casing in the weak ground have been widely applied and used in the world; Meanwhile, in Vietnam this is a new type of equipment, that have been started to study for research and application This paper research methods for determining resistance of equipment casing by Rotary Press-in This is an advanced and popular equipment in the world The paper is suggested for the purpose of calculating, designing, exploiting and using this equipment in our country Keywords: Rotary Press-in; equipment casing; steel pipe piles Nhận ngày 10/5/2017, sửa xong 9/6/2017, chấp nhận đăng 23/6/2017 Received: May 10,2017; revised: June 9,2017; accepted: June 23,2017 Đặt vấn đề Thi công cọc nhồi phương pháp sử dụng ống vách toàn hố khoan áp dụng điều kiện đất yếu có điều kiện địa chất phức tạp, cho phép đảm bảo cọc nhồi có chất lượng độ tin cậy cao; phương pháp nhà thầu nước áp dụng nước ta số cơng trình lớn có điều kiện địa chất phức tạp như: Cầu Mỹ Thuận, Cầu Cần Thơ,… Trong năm gần tập đoàn lớn Nhật Bản (Nippon Steel Corporation, J-SPIRAL STEEL PIPE) tổng công ty xây dựng nước (Tổng cơng ty Thăng Long) có thỏa thuận hợp tác sản xuất cọc ống thép, ống vách thép cọc nhồi, chuyển giao công nghệ thiết bị thi công cọc nhồi ống vách thép, cọc ống thép nước ta [1,2] Máy hạ ống vách thép cọc nhồi toàn hố khoan dùng để thi công hạ ống vách thép cọc nhồi (cọc ống thép), nhờ thiết bị cơng tác (TBCT) có hai cấu dẫn động ép xoay mà ống vách chuyển động vào lòng đất theo hình xoắn ốc TBCT loại nhỏ lắp máy sở máy khoan cọc nhồi dạng gầu ngoạm dạng gầu xoay tròn dùng để thi cơng ống vách có đường kính nhỏ (nhỏ 2m), loại máy tận dụng nguồn động lực trọng lượng thân máy sở để dẫn động giữ ổn định cho TBCT Ống vách sau hạ xuống lòng đất, đất ống moi lên để tạo thành lỗ khoan (tùy theo cách thi công mà đất ống moi lên trình hạ sau hạ xong ống đất moi lên) Đối với ống vách có đường kính lớn (từ 2÷4 m) sử dụng TBCT trang bị trạm nguồn thủy lực kèm để dẫn động (do công suất máy sở không đủ) sử dụng đối trọng (thường khối thép) để giữ ổn định cho máy [3] Trong điều kiện Việt Nam loại máy đầu tư mua sắm tồn có giá thành cao Do với loại máy hạ ống vách cọc nhồi loại nhỏ cần phải tính tốn thiết kế chế tạo TBCT, để trang bị máy sở có sẵn đem lại hiệu kinh tế kỹ thuật cao Còn máy hạ ống vách cọc nhồi loại lớn cần bước nghiên cứu tìm hiểu để làm chủ cơng nghệ, thiết bị, khai thác sử dụng hiệu máy sở đến thiết kế, chế tạo nước TS, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng ThS, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng PGS.TS, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng *Tác giả E-mail: phamkhanhminh@gmail.com TẬP 11 SỐ 07 - 2017 145 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Bài báo nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định lực cản ống vách thép hạ phương pháp Ép - Xoay dựa số liệu thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) xuyên tiêu chuẩn (SPT); làm sở phục vụ cho q trình tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị hạ ống vách thép cọc nhồi, lựa chọn máy sở, làm chủ công nghệ thiết bị, khai thác sử dụng cách hiệu thiết bị hạ ống vách thép phương pháp Ép-Xoay nước ta Xây dựng phương pháp xác định lực cản ống vách thép cọc nhồi hạ phương pháp Ép - Xoay Trong công nghệ hạ ống vách thép phương pháp Ép - Xoay ống vách thép hạ xuống hai chuyển động đồng thời ép theo phương đứng xoay mặt phẳng nằm ngang, hạ ống vách chịu tác dụng lực cản mũi lực cản thành bên áp lực đất tác dụng lên ống gây ra, thành phần lực cản tổng hợp thành lực cản dọc theo phương thẳng đứng N mơ men cản mặt phẳng ngang M Mơ hình xác định thành phần lực cản tác dụng lên ống vách thép có chiều cao cột đất ống h, trình bày (Hình 1) Lực cản N phân tích thành lực cản theo phương thẳng đứng mũi ống vách Nb lực cản theo phương thẳng đứng bề mặt ống vách Ns (bên bên ngồi ống): Mơ men cản M phân tích thành mơ men cản trượt mũi ống vách Mb, mô men cản trượt bề mặt ống vách Ms (bề mặt bên bên ống): a) (1) (2) b) c) d) Hình Mơ hình xác định lực cản tác dụng lên ống vách thép a) Sơ đồ cân lực; b) Phân tố diện tích ống theo phương dọc trục (z); c) Sơ đồ thành phần ứng suất đất tác dụng lên ống vách trình hạ; d) Áp lực đất tác dụng lên thành ống vách, e) Vận tốc bề mặt ống - Giá trị Nb cơng thức (1) tính tốn theo phương pháp Lehane Xu [4,5] có kể đến ảnh hưởng khối đất bên thành ống vách thay đổi trạng thái đất mũi ống vách ép xuống (3) với qb cường độ sức kháng mũi ống vách tính theo cơng thức sau: (4) đó: qbp = 0,6qc, qbin = (0,6-0,45k)qc, Ar = 1-(d/D) (Hình 1b) qc sức kháng mũi trung bình đất lấy theo thí nghiệm trường CPT [4] đơn vị (MPa); d D đường kính ngồi ống vách đơn vị (m) Giá trị hệ số k xác định theo công thức thực nghiệm sau: (5) Thơng thường tính qb theo công thức: (6) với Ar,p = – k(d/D) , trường hợp ống vách có đường kính lớn ta có: (7) - Lực cản theo phương thẳng đứng lực cản trượt phân bố thành bên ống vách gây gồm hai thành phần: Nis lực cản theo phương thẳng đứng khối đất bên tác dụng lên thành ống vách Nsp lực cản theo phương thẳng đứng thành ống vách, ta có: 146 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG (8) Do ống hình tròn có đường kính khơng đổi nên phân tố diện tích bề mặt ngồi ống tính sau (Hình 1b): dA = πDdz, lực cản trượt phân bố tác dụng lên bề mặt ống τs, lực cản trượt tác dụng lên diện tích dA là: (9) Ứng với loại đất τs xác định theo công thức Coulomb [6]: (10) đó: σ’h ứng suất hữu hiệu theo phương ngang (Hình 1d); δs góc ma sát đất thành ống vách thép; cc lực dính kết cấu đất thành ống vách thép lấy theo thí nghiệm trường CPT [4] Gọi vr vận tốc dài mặt phẳng ngang, v vận tốc trượt vd vận tốc theo phương thẳng đứng điểm B bề mặt ống vách (Hình 1e) α góc vận tốc trượt vận tốc dài theo phương ngang tanα = vd/vr Khi ta có đường trượt ma sát đơn vị (Hình 2) lực cản theo phương thẳng đứng ứng suất tiếp bề mặt ống vách tính theo cơng thức: (11) Do ống vách xuyên qua n lớp đất nên ta lấy σ’hi giá trị ứng suất hữu hiệu trung bình lớp đất thứ i, δsi góc ma sát lớp đất thứ i thành ống vách thép, cci lực dính kết cấu đất thứ i thành ống vách (Hình 3) (các đại lượng lấy từ thí nghiệm CPT [7]) cơng thức (11) viết thành: (12) đó: hi chiều dày lớp đất thứ i Bằng cách tương tự lực cản ma sát theo phương thẳng đứng lớp đất lòng ống vách Nis xác định cơng thức: (13) đó: σ’hp ứng suất hữu hiệu theo phương ngang tải trọng cột đất đáy ống vách; δsp góc ma sát lớp đất đáy cột thành ống vách thép; cp lực dính kết cấu lớp đáy cột đất thành ống vách thép; hp chiều cao cột đất hữu hiệu đáy ống vách lấy theo kinh nghiệm 0,8h [4, 5]: Hình Đường trượt ma sát đơn vị Hình Ứng suất hữu hiệu tác dụng lên ống vách xuyên qua nhiều lớp đất - Mô men cản mặt phẳng ngang mũi ống vách: Xét phân tố diện tích mặt cắt đáy ống vách dA = 2πrdr, với r (r = d/2 ÷ D/2) với khoảng cách tâm ống đến mặt mặt ngồi ống vách (Hình 1b) Lực ma sát trượt phân tố đất mũi ống vách tính theo cơng thức: (14) Mơ men ma sát phân tố diện tích tâm mặt cắt là: ống là: (15) Từ cơng thức (15) lấy tích phân xác định mô men cản lực ma sát trượt tác dụng lên mũi TẬP 11 SỐ 07 - 2017 147 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG (16) đó: qb lấy theo cơng thức (6) (7) δsp lấy theo công thức (13) - Mô men cản mặt phẳng ngang thành ống vách: (17) + Mô men cản bề mặt ngồi ống vách Msp xác định theo cơng thức: (18) Tương tự biến đổi công thức (13) ta có: (19) đó: hi, σ’hi, δsi, cci n lấy theo công thức (12) + Mô men cản bề mặt ống vách Mis xác định theo công thức: (20) Tương tự biến đổi cơng thức (13) ta có: (21) đó: hp, δsp, σ’hp, cp lấy theo công thức (13) Kết luận Bài báo xây dựng mơ hình phương pháp xác định lực cản ống vách thép hạ phương pháp Ép - Xoay theo thí nghiệm trường xuyên tĩnh (CPT) xuyên tiêu chuẩn (SPT) công cụ khảo sát đất đơn giản phổ biến Trên sở cung cấp thơng số đầu vào phục vụ cho cơng tác tính tốn thiết kế TBCT hạ ống vách thép (cọc ống thép) thi công cọc nhồi đất yếu, góp phần nâng cao trình độ đội ngũ cán thiết kế, khai thác sử dụng hiệu loại thiết bị nước ta Trên sở phương pháp xác định lực cản ống vách thép hạ phương pháp Ép - Xoay nghiên cứu khảo sát quy luật biến đổi lực cản tác dụng lên ống vách thép đường kính ống vách; tốn có ý nghĩa quan trọng trình thiết kế khai thác sử dụng, giúp cho xác định giới hạn làm việc TBCT điều kiện công suất dẫn động máy sở đất Tài liệu tham khảo Katayama T., Nguyễn Thị Tuyết Trinh, (2007), “Áp dụng móng cọc ống thép Việt Nam”, Tạp chí Cầu đường Việt Nam, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation (2015), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ kết cấu thép cho công trình giao thơng Việt Nam, Hà Nội Nippon Sharyo, Casing rotator supertop, Japan Lehane B.M., Schneider J.A., Xu X., (2005), “The UWA-05 method for prediction of axial capacity of driven piles in sand”, Proceedings of the 1st International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, 683-690 Xu X., Lehane B.M., Schneider J.A (2005), “Evaluation of end-bearing capacity of open-ended piles driven in sand from CPT data”, Proceedings of the 1st International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, 725-731 Nguyễn Văn Thơ, Nguyễn Ngọc phúc, cs (2013), Cơ học đất tập 1, NXB Xây dựng TCVN 9352-2012, Đất xây dựng - phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT), Bộ Khoa học Công nghệ TCVN 9351:2012, Đất xây dựng - phương pháp thí nghiệm trường - thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), Bộ Khoa học Công nghệ 148 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 ... định lực cản ống vách thép cọc nhồi hạ phương pháp Ép - Xoay Trong công nghệ hạ ống vách thép phương pháp Ép - Xoay ống vách thép hạ xuống hai chuyển động đồng thời ép theo phương đứng xoay mặt... tạo thi t bị hạ ống vách thép cọc nhồi, lựa chọn máy sở, làm chủ công nghệ thi t bị, khai thác sử dụng cách hiệu thi t bị hạ ống vách thép phương pháp Ép -Xoay nước ta Xây dựng phương pháp xác định. .. phương pháp xác định lực cản ống vách thép hạ phương pháp Ép - Xoay nghiên cứu khảo sát quy luật biến đổi lực cản tác dụng lên ống vách thép đường kính ống vách; tốn có ý nghĩa quan trọng trình thi t