Nghiên cứu đánh giá giải pháp móng cọc trên nền đất yếu cho công trình xây dựng có xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất trên địa bàn tp. Quảng Ngãi

Sự cần thiết của đề tài Với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày ở nông so với mặt đất tự nhiên, xu thế sử dụng móng cọc bê tông cốt thép dưới các công trình xây dựng ở khu vực thành p

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH TÙNG

Phản biện 2: TS LÊ KHÁNH TOÀN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 04 tháng

05 năm 2019

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa

Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại

học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày ở nông so với mặt đất tự nhiên,

xu thế sử dụng móng cọc bê tông cốt thép dưới các công trình xây dựng ở khu vực thành phố Quảng Ngãi trở nên phổ biến Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các khu dân cư mới và các khu cụm công nghiệp được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều và không ít trường hợp phải hình thành trên nền trước kia là vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn nền để vượt lũ Sự cố kết của đất yếu dưới nền đắp làm gây ra ma sát âm tác dụng lên móng cọc dưới các công trình xây dựng tại các khu này Hiện tượng này làm giảm sức chịu tải của cọc, làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc và có thể gây mất ổn định cho công trình

Ở khía cạnh khác, một trong những ưu điểm chính của kết cấu móng cọc

là khả năng chịu tải lớn, so với các loại móng khác như móng nông Ngoài ra, độ

ổn định khi sử dụng móng cọc cũng tốt hơn so với móng nông Tuy nhiên, nhược điểm của kết cấu móng cọc là có giá thành xây dựng khá cao, và chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng giá thành công trình Vì vậy trong thực tế, để việc thiết kế và thi công móng cọc vừa đảm bảo độ bền, độ ổn định, cũng như đảm bảo giá thành cạnh tranh, thì việc thiết lập và giải các bài toán tối ưu thiết kế cho kết cấu móng cọc là một vấn đề quan trọng cần được quan tâm nghiên cứu Vì vậy, nghiên cứu có thể giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết cấu móng cọc, trong đó hàm mục tiêu bao gồm cực tiểu thể tích móng cọc (gồm cọc và đài cọc) và độ lún của móng cọc Biến thiết kế bao gồm chiều dài cọc Lc và đường kính cọc Dc Ràng buộc về giới hạn khả năng chịu tải Pmax và ràng buộc về giới hạn độ lún Smax

Chính các lý do nêu trên, nội dung: “Nghiên cứu đánh giá giải pháp móng cọc trên nền đất yếu cho công trình xây dựng có xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất trên địa bàn TP Quảng Ngãi” được tác giả lựa chọn làm đề tài luận

văn của học viên

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định sự ảnh hưởng của ma sát âm khi tính toán móng cọc, đặc biệt trong trường hợp nền đất yếu (ví dụ như ở Khu vực thành phố Quảng Ngãi)

- Đánh giá độ tính cậy khi xét đến yếu tố đầu vào ngẫu nhiên khi tính toán móng cọc, so sánh trường hợp không kể đến và có kể đến ảnh hưởng ma sát âm khi tính toán móng cọc

- Giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết cấu móng cọc, trong đó hàm mục tiêu bao gồm cực tiểu thể tích móng cọc (gồm cọc và đài cọc) và độ lún của móng cọc Biến thiết kế bao gồm chiều dài cọc Lc và đường kính cọc Dc

Ràng buộc về giới hạn khả năng chịu tải Pmax

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Móng cọc và các tham số đầu vào ngẫu nhiên

- Phạm vi nghiên cứu: Ảnh hưởng của hiện tượng ma sát âm khi tính toán móng ở hai địa chất thiộc thành phố Quảng Ngãi

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính toán móng cọc có kể đến và không kế đến ảnh hưởng của ma sát âm

- Nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy, phương pháp mô phỏng Monte Carlo

- Tính toán áp dụng với một số nền đất cụ thể tại khu vực tỉnh Quảng Ngãi và áp dụng mô phỏng Monte Carlo để tính xác suất phá hủy

- So sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị

5 Cấu trúc của luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về giải pháp móng cọc cho công trình xây dựng dân dụng

trên nền đất yếu ở địa bàn thành phố Quảng Ngãi

Chương 2: Cơ sở khoa học thiết kế, lựa chọn giải pháp móng cọc trên nền

đất yếu cho công trình xây dựng tại thành phố Quảng Ngãi

Chương 3: Đánh giá giải pháp móng cọc trên nền đất yếu ở thành phố

Quảng Ngãi khi xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Ở ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ

1.2 SƠ LƯỢC VỀ MÓNG CỌC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

1.3 NHẬN XÉT SƠ BỘ VỀ NỀN ĐẤT Ở THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI

Với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày ở nông so với mặt đất tự nhiên, xu thế sử dụng móng cọc bê tông cốt thép dưới các công trình xây dựng ở khu vực thành phố Quảng Ngãi trở nên phổ biến Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các khu dân cư mới và các khu cụm công nghiệp được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều và không ít trường hợp phải hình thành trên nền trước kia là vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn nền để vượt lũ Sự cố kết của đất yếu dưới nền đắp làm gây ra ma sát âm tác dụng lên móng cọc dưới các công trình xây dựng tại các khu này Hiện tượng này làm giảm sức chịu tải của cọc, làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc và có thể gây mất ổn định cho công trình

1.4 KẾT LUẬN

Trong chương này, luận văn đã trình bày những khái niệm sơ lược và cấu tạo

về móng cọc các công tình xây dựng Tuy nhiên, trong các thiết kế móng hiện nay thường bỏ quan việc ảnh hưởng của ma sát âm - là tác nhân làm giảm khả năng chịu tải trọng của cọc, vì vậy trong thiết kế tính toán móng cọc nếu bỏ qua ma sát

âm là rất nguy hiểm cho công trình

Bên cạnh đó, các tham số đầu vào khi tính toán móng cọc như: chỉ tiêu cơ lý đất nền, tải trọng tác động… sẽ không mang giá trị tất định, mà sẽ dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế ban đầu tuân theo một qui luật phân phối xác suất nhất định Sự dao động này làm cho ứng xử đầu ra của kết cấu cũng dao động và đôi khi vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến phá hoại kết cấu móng

Trong chương tiếp theo, luận văn sẽ trình bày cơ sở khoa học các vấn đề này

để tiến hành các tính toán cụ thể trong chương 3

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KHOA HỌC THIẾT KẾ, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TẠI THÀNH

PHỐ QUẢNG NGÃI 2.1 YÊU CẦU CHUNG VỀ CÔNG TÁC THIÊT KÊ NỀN MÓNG

2.1.1 Ý nghĩa công tác thiết kế nền móng

Khi tính toán, thiết kế và xây dựng công trình, phải làm sao đảm bảo thỏa

mãn ba yêu cầu sau:

- Bảo đảm sự làm việc bình thường của công trình trong quá trình xây dựng

và sử dụng lâu dài sau này

- Bảo đảm ổn định về mặt cường độ và biến dạng của từng kết cấu cũng như

toàn bộ công trình

- Bảo đảm thời gian xây dựng ngắn nhất với giá thành hợp lý nhất

2.1.2 Nội dung công tác thiết kế nền móng

Trong tính toán thiết kế nền móng công trình, người ta chủ yếu tính theo

trạng thái giới hạn (TTGH) Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá kết

cấu không còn thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với nó khi thiết kế [2, 7]

2.2 CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ CÔNG TÁC

THIẾT KẾ NỀN MÓNG

* Công tác khảo sát địa kỹ thuật

- Khảo sát địa kỹ thuật là một phần của công tác khảo sát xây dựng thực hiện

nhằm đánh giá điều kiện địa chất công trình, dự báo sự biến đổi và ảnh hưởng của

chúng đối với công trình xây dựng trong quá trình xây dựng và sử dụng công

trình

Khảo sát địa kỹ thuật bao gồm khảo sát địa chất công trình và quan trắc địa

kỹ thuật

- Điều kiện địa chất công trình bao gồm đặc điểm địa hình, địa mạo; cấu trúc

địa chất; đặc điểm kiến tạo; đặc điểm địa chất thuỷ văn; đặc điểm khí tượng - thuỷ

văn; thành phần thạch học; các tính chất cơ - lý của đất, đá; các quá trình địa chất

tự nhiên, địa chất công trình bất lợi

- Điểm thăm dò là vị trí mà tại đó khi khảo sát thực hiện công tác khoan, đào,

thí nghiệm hiện trường (xuyên, cắt, nén tĩnh, nén ngang, thí nghiệm thấm ), đo

địa vật lý

2.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ QUẢNG

NGÃI

2.3.1 Đặc điểm địa hình

Thành phố Quảng Ngãi có địa hình khá bằng phẳng, trong vùng nội thành có núi, sông tạo nên môi trường sinh thái tốt, có mực nước ngầm cao, địa chấn ổn định

2.3.2 Đặc tính địa chất công trình

Địa hình ở đây thuộc vùng đồng bằng của tỉnh Quảng Ngãi Đất đá ở đây

có nguồn gốc trầm tích các lớp đất đá ở đây đến độ sâu yêu cầu khảo sát chủ yếu

là lớp sét pha, sét pha lẫn sạn sỏi, cát hạt trung, đá phong hóa mạnh thành sét pha, theo tài liệu tham khảo dưới chúng là nền đá gốc granit, nền đất thiên nhiên ở đây tương đối cứng, ổn định

2.3.3 Phân vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi

Vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi chia ra làm 2 khu vực đó là

khu vực địa chất yếu thường nằm ở vị trí ruộng trũng, ao, hồ, đầm lầy có dạng nền đất đắp (san nền) và khu vực có địa hình khá cao, địa chất tốt

2.4 QUY TRÌNH TÍNH TOÁN MÓNG CỌC

Quy trình tính toán móng cọc thông thường trải qua các bước sau :

2.4.1 Sơ bộ chọn kích thước tiết diện cọc

a Chọn chiều sâu chôn móng (h m )

0 min

- Để đầu cọc không bị dịch chuyển và cột không bị uốn ta phải đặt cọc ở độ sâu

sao cho đủ ngàm vào đất h m > h min x 0.7

b Chọn vật liệu và kích thước cọc

2.4.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo độ bền vật liệu làm cọc

Sức chịu tải tính toán của cọc theo điều kiện làm việc được xác định công thức (Theo TCXD 195 : 1997)

Xác định số lượng cọc theo công thức:

0

tt tt

c

sb

N n

2.4.6 Tính toán móng cọc

2.4.7 Kiểm tra sức chịu tải cọc theo điều kiện sau :

Qmaxtt Q tt và Qmin > 0

2.4.8 Tính lún cho móng cọc đài đơn (theo trang thái giới hạn thứ hai)

Nhờ ma sát giữa mặt xung quanh cọc và đất, tải trọng của móng được truyền trên diện tích rộng hơn, xuất phát từ mép ngoài cọc tại đáy đài và nghiêng một góc được tính như sau:

- Định nghĩa hiện tượng ma sát âm [8, 13]

Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đóng vào trong tầng đất

có tính nén lún hoặc đất vừa mới đắp mà mũi cọc đặt trong tầng đất chặt Sẽ xảy ra đồng thời quá trình lún của đất và cọc sau khi đóng cọc và đặt tải Ngay sau khi đóng

và trong quá trình đóng cọc, một phần tải được đất kháng lại do lực dính của đất và cọc Tuy nhiên khi quá trình cố kết xảy ra nó sẽ truyền toàn bộ tải lên mũi cọc Trong một số trường hợp độ lún của đất có thể lớn hơn của cọc, sự chuyển vị tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm

Theo quy phạm Việt Nam Theo TCXD 205-1998, ma sát âm làm giảm khả năng chịu tải của cọc nhất là đối với cọc nhồi, do đó cần xem xét khả năng xuất hiện của

nó khi tính toán sức chịu tải của cọc trong các trường hợp sau:

+ Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích cổ đại và trầm tích kiến tạo

+ Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng của trọng lực

+ Tăng ứng suất hữu hiệu trong đất do mực nước ngầm bị hạ thấp

+ Tôn nền do quy hoạch có chiều dày lớn hơn 1m

+ Phụ tải trên nền kho lớn hơn 20 KN/m2

+ Sự giảm thể tích của đất do chất hữu cơ trong đất bị phá hủy

2.10 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP

MÔ PHỎNG MONTE CARLO

Trong quá trình thiết kế các công trình xây dựng, nhiều dữ liệu tính toán đầu vào sẽ không mang giá trị cố định, mà sẽ dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế ban đầu và thường tuân theo một qui luật phân phối xác suất cố định Những thay đổi

có thể do yếu tố tự nhiên hoặc do yếu tố con người Điều này dẫn đến ứng xử đầu ra của kết cấu cũng dao động theo một qui luật phân phối xác suất, và sẽ có một số trường hợp ứng xử đầu ra vượt quá giới hạn cho phép được định trước như: chuyển vị vượt quá chuyển vị cho phép, ứng suất vượt quá ứng suất cho phép,…Xác suất các trường hợp ứng xử đầu ra vượt quá giới hạn cho phép được gọi là xác suất không an toàn của kết cấu hay xác suất phá hủy của kết cấu Khi đó, việc xác định xác suất phá hủy của kết cấu khi có sự dao động ngẫu nhiên của các yếu tố đầu vào được gọi là bài toán phân tích độ tin cậy của kết cấu [3, 4, 6]

2.10.1 Tổng quan về lý thuyết tính toán độ tin cậy

Bước đầu tiên trong việc tính toán độ tin cậy hay xác suất phá hủy của một kết cấu là chọn tiêu chuẩn an toàn hay phá hoại của phần tử hoặc kết cấu được xem xét

cụ thể, các tham số tải trọng hay sức bền thích hợp, được gọi là biến cơ bản X i, và quan hệ chức năng của chúng phù hợp với tiêu chuẩn áp dụng [5, 9] Về mặt toán học, hàm công năng cho mối quan hệ này có thể được mô tả bởi:

M =g(X 1 , X 2 ,…., X n ) (2.36)

2.10.2 Các bước cơ bản của bài toán phân tích độ tin cậy của kết cấu

Tổng quát, một bài toán phân tích độ tin cậy cho kết cấu bao gồm các bước sau [10]:

b1 Xác định hàm trạng thái giới hạn

Hàm trạng thái gới hạn là ngưỡng an toàn cho phép của kết cấu, và được thiết lập dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế đã qui định trước hoặc do nhà thiết kế đặt ra như: ứng suất cho phép của vật liệu, chuyển vị cho phép của kết cấu,…Tuỳ vào yêu cầu của thiết kế và mức độ quan trọng của công trình mà người thiết kế có thể lựa chọn một hoặc nhiều hàm trạng thái giới hạn để đánh giá

Hàm trạng thái giới hạn được đại điện bởi hai thành phần và có dạng như sau:

g(x) = R(x) – Q(x) (2.44)

b2 Lựa chọn biến ngẫu nhiên

- x i là một giá trị được chọn bất kỳ của biến ngẫu nhiên thứ i

- ∆x i là số gia của biến và thông thường được chọn rất bé

Dựa vào kết quả phân tích độ nhạy, người thiết kế sẽ chọn các biến ngẫu nhiên

có độ nhạy lớn để tiến hành phân tích độ tin cậy

b3 Xác định các thông số cần thiết của biến ngẫu nhiên

2.10.3 Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo Simulation (MCS)

100

f

n P

Bản chất của phương pháp này là xây dựng tương tự xác suất hoặc phục hồi đại lượng được nghiên cứu, hiện thực nó một cách ngẫu nhiên và xem kết quả nhận được như lời giải gần đúng của bài toán Độ chính xác của các kết quả nhận được phụ

thuộc vào số lần thử nghiệm N và càng chính xác khi N càng lớn Như đã biết, sai số

của phương pháp Monte Carlo tỷ lệ với C / N , với C là một hằng số nào đó, nghĩa là

để giảm sai số 10 lần thì phải tăng N lên 102

lần

2.11 KẾT LUẬN

Trong chương này, đã trình bày sơ lược và một số phương pháp tính toán độ tin cậy để xác định rõ về mức độ tin cậy đối với kết cấu móng cọc công trình xây dựng, trong chương 3 sẽ trình bày tính toán móng cọc chịu ảnh hưởng của ma sát âm dựa theo lý thuyết độ tin cậy

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Ở THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI KHI XÉT ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CỦA SỐ LIỆU NỀN ĐẤT

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Như đã phân tích ở chương 2, địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi chia ra

làm 2 khu vực đó là khu vực địa chất yếu thường nằm ở vị trí ruộng trũng, ao, hồ, đầm lầy có dạng nền đất đắp (san nền) và khu vực có địa hình khá cao, địa chất tốt Trong đó, với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày ở nông so với mặt đất tự nhiên, xu thế sử dụng móng cọc bê tông cốt thép dưới các công trình xây dựng ở khu vực Quảng Ngãi trở nên phổ biến Bên cạnh đó, các khu dân cư mới và các khu cụm công nghiệp được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều và không ít trường hợp phải hình thành trên nền trước kia là vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn nền để vượt lũ Sự cố kết của đất yếu dưới nền đắp làm

gây ra ma sát âm tác dụng lên móng cọc dưới các công trình xây dựng tại các khu này Hiện tượng này làm giảm sức chịu tải của cọc, làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc và có thể gây mất ổn định cho công trình

3.2 BÀI TOÁN 1: Phân tích móng cọc trên nền đất yếu - ảnh hưởng hiện tượng

ma sát âm

Thông số bài toán

Chúng ta xét ảnh hưởng của ma sát âm sự làm việc của cọc đơn bê tông cốt thép (BTCT) cạnh 30x30cm, dài 30m, gồm 3 đoạn cọc nối lại, cọc được đóng vào tầng đất

có các thông số địa chất như sau:

Bảng 3.1 Số liệu địa chất

Thông số Ký hiệu Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4

Dung trọng tự nhiên γ đn (kN/m 3 ) 16 20 192 19.6 Dung trọng đẩy nổi γ đn (kN/m 3 ) 6 10 9.2 9.6 Module đàn hồi E (kN/m 2 ) 2000 7000 15000 17000

55 30

0.69 10 0.3 0.3 2.65 10

Tra theo bảng tra của Vesic ta được: N q =13.5; N c =24.31; N γ= 14.9

Cường độ đất nền dưới mũi cọc:

'

3 9.1 24.31 257.2 13.5 9.6 0.3 14.9 3.981 10

i

f

S B

E

Lưu ý: Ở đây chúng ta có 4 lớp đất (1, 2, 3, 4) và chiều sâu mực nước ngầm nằm ở

độ sâu -5m, tức là nằm giữa lớp đất 1, vì vậy để thuận tiện ta chia lớp đất 1 thành 02 phần : nằm trên (1a) và dưới (1b) mực nước ngầm Chúng ta có bảng tính các giá trị

; C=24.5;

γ=10 ; H 2 =5.6 185.4 23.74 3.51 0.0117 Lớp 3: φ=27 o

; C=6; γ=9.2 ;

H 3 =1.5 220.3 78.52 2.78 0.0085 Lớp 4: φ=27,2 o

- Xác định chiều dài của cọc chịu ma sát âm

Chiều sâu ảnh hưởng đến ma sát âm

- Xác định sức chịu tải của cọc khi không có ma sát âm

Sức chịu tải cực hạn ban đầu khi chưa có khối đắp :

3 3.98 10 0.3 0.3 358.24

a

Q Q

Q

- Xác định sức chịu tải của cọc khi có xét ma sát âm do nền đất yếu

Xét lớp đất 1 chiều dày 17,9m với chiều sâu đoạn ma sát âm trong lớp đất này là

z = 8.66m lớn hơn chiều sâu mực nước ngầm, vì vậy chúng ta có thể chia cọc thành

03 đoạn như sau

+ Đoạn ma sát âm dài 5m (trên mực nước ngầm)