Phân tích sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép trong đất yếu khui vực tp cần thơ

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM ANH DU PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG ĐẤT YẾU KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (60.58.60) LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS TRẦN XUÂN THỌ Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2011 −3− TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM ANH DU Phái: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 02-09-1981 Nơi sinh: CẦN THƠ Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã ngành: 60.58.60 MSHV: 09090294 TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG ĐẤT YẾU KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Luận văn bao gồm nội dung sau: − Tổng quan địa chất sử dụng cọc bê tông cốt thép thành phố Cần Thơ − Cơ sở lý thuyết tính tốn cọc bê tơng cốt thép − Phân tích sức chịu tải cọc bê tơng cốt thép khu vực thành phố Cần Thơ − Kết luận, kiến nghị hướng nghiên cứu NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14-02-2011 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01-07-2011 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN XUÂN THỌ Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TS Trần Xuân Thọ PGS-TS Võ Phán LỜI CẢM ƠN Quá trình học tập trường nỗ lực thân để bổ sung kiến thức, đồng thời tiếp cận với kiến thức Luận văn tốt nghiệp hoàn thành tổng hợp kiến thức học tìm hiểu q trình làm việc Để có kết ngày hôm cho phép em gửi lời biết ơn chân thành đến: TS Trần Xuân Thọ, người hướng dẫn trực tiếp cho em trình thực luận văn ThS Hồng Vĩ Minh, Ks Hồ Chí Linh tạo điều kiện giúp đỡ công tác thu thập số liệu thí nghiệm phịng trường Các thầy, cô môn Địa Nền móng - Khoa Kỹ thuật Xây Dựng - Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh dẫn tận tình truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình em học tập trường Cảm ơn tất anh chị em đồng nghiệp, anh chị em học viên cao học ngành Địa kỹ thuật xây dựng khóa 2009 đóng góp quý báu cung cấp tài liệu tham khảo phục vụ cho trình thực luận văn trình học tập Cuối xin gửi lời biết ơn đến gia đình người tin tưởng, động viên giúp đỡ em suốt q trình học tập cơng tác Do trình độ cịn nhiều hạn chế, chắn đề tài cịn có nhiều thiếu sót, thân em cố gắng hồn thiện q trình làm việc, nghiên cứu mong nhận nhiều ý kiến đóng góp từ thầy bạn đồng nghiệp TP Hồ Chí Minh, Ngày 01 tháng 07 năm 2011 Học viên PHẠM ANH DU TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, tính tốn sức chịu tải cọc chủ yếu dựa vào số liệu thí nghiệm phịng để tính tốn nên cịn tồn nhiều hạn chế điều kiện lấy mẫu trường, vận chuyển bảo quản mẫu việc tiến hành thí nghiệm phịng Vì xây dựng tương quan sức chịu tải cọc từ kết thí nghiệm phịng trường cần thiết Luận văn tập trung phân tích sức chịu tải cọc theo tiêu cường độ đất kết hợp với thí nghiệm xuyên tĩnh CPT, thử tải tĩnh cọc ngồi trường phân tích phần tử hữu hạn (mơ lại q trình thử tải cọc) phần mềm plaxis 3D Tunel Từ việc phân tích kết thí nghiệm, kết nghiên cứu cho thấy: sức chịu tải cọc theo phụ lục B TCXD 205:1998 cho kết sai khác nhiều -15% ÷ +35%, theo thí nghiệm xun tĩnh CPT cho kết gần với thử tải tĩnh trường, thường cho kết lớn thử tĩnh từ 10% ÷ 20% so với kết thử tĩnh cọc; theo phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm plaxis 3D Tunel có chuyển vị chưa phù hợp với thực tế thí nghiệm thử tải tĩnh trường; sức chịu tải trung bình cọc BTCT khu vực thành phố Cần Thơ tiết diện 30÷35cm chiều dài cọc 25÷35m (tùy lớp đất) vào khoảng 50÷60 Với kết thống kê tác giả đề nghị sử dụng hệ số 0.8 tính tốn sức chịu tải cọc kết thí nghiệm xuyên tĩnh CPT với mũi xuyên di động chuẩn Bengemann Hà Lan ABSTRACT Nowadays, when calculating bearing capacity of piles engineers mostly conduct the data from laboratory tests However, this method still remains many drawbacks because the outcomes depend on many conditions such as the way of collecting, transporting, maintaining of soil samples; it also depends on the reliability of experiments Therefore, developing a formula to identify the correlation between construction laboratory experiment and field test in measurement supporting power of piles is a very essential mission The thesis is focused analyzing the loading capacity of the piles to transfer load to the ground regarding on cone penetration test (CPT) experiment, static load test in situ and finite element method (modeling of axial compression test) by Plaxis 3D tunnel software The study has indicated that loading capacity of the piles as in the index B-TCXD 205:1998 showed the significant difference in -15% ÷ +35% The CPT experiment showed the result closed to field test, usually 10%-20% larger than static load test The finite element method using Plaxis 3D Tunnel gives the displacement result which is not agree with field test; average bearing capacity of concrete piles with crossed section of 30÷35cm and length of 25÷35m is around 50÷60 tons in Can Tho City area From the statistic data proposed, the author suggests that the factor of 0.8 should be used to measure the loading capacity of the piles in CPT experiment with the standard penetration cone of Bengemann Nethersland MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA CHẤT VÀ SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP TẠI THÀNH PHỐ CẦN THƠ .4 1.1 Vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên 1.2 Đặc điểm địa chất Tp Cần Thơ 1.3 Các loại cọc bê tông cốt thép sử dụng cho nhà cao tầng Tp Cần Thơ 10 1.3 Xác lập nhiệm vụ phân tích ứng dụng để thiết kế móng cọc ứng với điều kiện phân bố địa chất vùng Tp Cần Thơ 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CỌC BÊ TƠNG CỐT THÉP 13 2.1 Sức chịu tải dọc trục cọc theo độ bền vật liệu 13 2.1.1 Sức chịu tải theo vật liệu cọc BTCT đúc sẵn 13 2.1.2 Sức chịu tải theo vật liệu cọc nhồi 13 2.2 Sức chịu tải dọc trục cọc theo đất .14 2.2.1 Tính sức chịu tải cọc theo tiêu học đất phương pháp tĩnh học 14 2.2.1.1 Sức chịu mũi đất mũi cọc Qp .14 2.2.1.2 Sức chịu tải ma sát xung quanh cọc Qs 20 2.3 Tính sức chịu tải cọc theo kết thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) 30 2.3.1 Mô tả thiết bị thí nghiệm 30 2.3.2 Vận hành thiết bị 31 2.3.3 Tính tốn số liệu thí nghiệm 31 2.3.4 Cách tính LCPC (1982) hay TCXDVN 205-1998 32 2.3.5 Cách tính LCPC cải tiến (1983) .34 2.3.6 Phương pháp Schmertmann (1978) 36 2.3.7 Phương pháp De Ruiter Beringen 37 2.3.8 Cách tính Alsamman cho cọc nhồi 38 2.4 Tính sức chịu tải cọc theo kết thí nghiệm nén tĩnh dọc trục .39 2.4.1 Quy trình thí nghiệm 40 2.4.2 Khai thác kết thí nghiệm .42 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BÊ TƠNG CỐT THÉP KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ .46 3.1 Đặt vấn đề .46 3.2 Giới thiệu cơng trình 46 3.3 Tính tốn sức chịu tải cọc theo tiêu cường độ đất (Phụ lục B - TCXD 205:1998) 49 3.4 Phân tích sức chịu tải cọc theo kết xuyên tĩnh (CPT) .51 3.5 Xác định sức chịu tải cọc theo kết thử tĩnh trường 57 3.6 Phân tích sức chịu tải cọc phương pháp phần tử hữu hạn .62 3.7 So sánh phân tích với kết tính 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .70 TÀI LIỆU THAM KHẢO .72 TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC .74 PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bản đồ hành thành phố Cần Thơ Hình 1.2: Hố khoan địa chất điển hình Cần Thơ Hình 2.1: Sơ đồ chọn chiều dài cọc ngàm vào đất 15 ⎛L ⎞ Hình 2.2: Biểu đồ xác định ⎜ b ⎟ hệ số sức chịu tải đất mũi cọc………… 16 ⎝ D ⎠ cr Hình 2.3: Biểu đồ xác định giá trị hệ số λ .23 Hình 2.4: Biểu đồ xác định giá trị lực ma sát đơn vị fs theo Coyle-Castillo 24 Hình 2.5 Biểu đồ xác định giá trị lực ma sát đơn vị fs theo p*l .26 Hình 2.6: Tương quan qc sức kháng bên đơn vị cọc 34 Hình 2.7: Cách xác định qep 34 Hình 2.8: Đồ thị xác định Kf tính toán ma sát bên cọc đất cát 35 Hình 2.9: Xác định hệ số αc tính tốn ma sát bên cọc đất sét 36 Hình 2.10: Phương pháp tính sức kháng mũi đơn vị theo Schmermann .37 Hình 2.11: Sơ đồ chi tiết đo tải tĩnh cọc đối trọng 39 Hình 2.12: Xác định sức chịu tải cọc cách vẽ tiếp tuyến .44 Hình 2.13: Xác định sức chịu tải cọc với Sgh = 8mm 44 Hình 3.1: Thí nghiệm xun tĩnh cơng trình trường THPT Nguyễn Việt Hồng 52 Hình 3.2: Biểu đồ thí nghiệm xun tĩnh vị trí 01 .53 Hình 3.3: Biểu đồ thí nghiệm xun tĩnh vị trí 02 .54 Hình 3.4: Biểu đồ thí nghiệm xun tĩnh vị trí 03 .55 Hình 3.5: Biểu đồ thí nghiệm xun tĩnh vị trí 04 .56 Hình 3.6: Quan hệ S-P vị trí cọc thử 01_Trường Nguyễn Việt Hồng 59 Hình 3.7: Quan hệ S-P vị trí cọc thử 02_Trường Nguyễn Việt Hồng 60 Hình 3.8: Quan hệ S-P vị trí cọc thử 01_Nhà thi đấu TDTT 60 Hình 3.9: Quan hệ S-P vị trí cọc thử 01_Khoa Thủy Sản 61 Hình 3.10: Quan hệ S-P vị trí cọc thử 01_Ngân hàng phát triển nhà ĐBSCL 61 ref Hình 3.11: Xác định mơđun biến dạng Eoed theo kết tn nén cố kết 62 Hình 3.12: Vẽ nhập số liệu đầu vào mơ hình 3D Tunel 64 Hình 3.13: Chia lưới phần tử 65 Hình 3.14: Chuyển vị mặt cắt ngang vị trí cọc tải trọng 100% .66 Hình 3.15: Chuyển vị mơ hình 3D cọc tải trọng 100% 66 Hình 3.16: Kết tải trọng – chuyển vị cọc theo 3D Tunel 67                                             Qa = Qp Qs + Qa = 924 212 + = 53  Kết luận: sức chịu tải tim cọc 0.3x0.3m dài 25m theo kết thí nghiệm xuyên tĩnh CPT là: + Sức chịu tải cho phép Qa = 53 + Sức chịu tải cực hạn Qu = 114 Tính tốn sức chịu tải cọc BTCT 0.3x0.3m dài 25m theo phụ lục B 205:1998 + Sức kháng mũi: q p  cN c   vp' N q  d p N  Tra bảng φ = 22,43o → Nc = 17,46; Nq = 8,24; Nγ = 7,66 (theo Vesic) Với: c = 28,63 kN/m2;  vp' = 155,34 kN/m3; γ = 8,88 kN/m3; dp = 0,3m qp = 28,63x17,46 + 155,34x8,24 + 8,88x0,3x7,66 = 1800 kN/m2 Qp = Ap.qp = 0,09x1979 = 162 kN + Sức kháng bên: Qs = u∑(li.fsi) Ta có: f s  c a   h' tg a  c a  K s v' tg a (với: ca = c, Ks = – sinφa) Lớp 1: ca = 7,98 kN/m2 f1 = 7,98 + 1,4x7,22(1 – sin6,274o)tg6,274o = 8,96 kN/m2 Lớp 2: ca = 12,67 kN/m2 f2 = 12,67 + (2,8x7,22 + 3,65x5,21)(1 – sin4,682o)tg4,682o = 15,62 kN/m2 Lớp 3: ca = 16,31 kN/m2 f3 = 16,31 + (2,8x7,22 + 7,3x5,21 + 6,2x6,04)(1 – sin12,36o)tg12,36 o = 32,79 kN/m2 Lớp 4: ca = 28,63 kN/m2 f4 = 28,63 + (2,8x7,22 + 7,3x5,21 + 12,4x6,04+ 1,25x8,88)(1 – sin22,43o)tg22,43o = 65,45 kN/m2 Qs = 1,2 x (2,8x8,96 + 7,3x15,62 + 12,4x32,79 + 2,5x65,45) = 851,2 kN + Sức chịu tải cực hạn cọc tính theo cơng thức: Qu = Qs + Qp Qu = 162 kN + 851,2 kN = 1013,2 kN + Sức chịu tải cho phép cọc tính theo cơng thức: Qa = Qs Qp + Qa = 162 851,2 + = 480 kN  Kết luận: sức chịu tải tim cọc 0.3x0.3m dài 28m theo tiêu cường độ đất là: 48 + Sức chịu tải cho phép Qa = 48 + Sức chịu tải cực hạn Qu = 101 THỬ TĨNH CỌC HIỆN TRƯỜNG (02 TIM CỌC) BIỂU ĐỒ QUAN HỆ TẢI TRỌNG (Tấn) – ĐỘ LÚN (mm) _ VỊ TRÍ 01 VỊ TRÍ 02 PHÂN TÍCH BẰNG PTHH – PLAXIS 3D TUNEL (01 TIM CỌC) Mô tính tốn Sơ đồ hình học tốn - Địa chất: chia làm lớp đất dựa theo thông số bên - Cọc vuông (plates) 30x30cm từ cao trình mặt đất tới -25m Tải trọng A = 400 kN Vẽ nhập số liệu đầu vào mơ hình 3D Tunel Tạo lưới phần tử, xác lập điều kiện ban đầu mực nước ngầm, áp lực nước lỗ rỗng tự sinh ứng suất ban đầu đất Chia lưới phần tử Chuyển vị mặt cắt ngang vị trí cọc tải trọng 100% Chuyển vị mơ hình 3D cọc tải trọng 100%  Chuyển vị ứng với tải 100% 6,39mm, tải 200% 12,31mm BIỂU ĐỒ QUAN HỆ TẢI TRỌNG (Tấn) – ĐỘ LÚN (mm)  Kết luận sức chịu tải phương pháp phần tử hữu hạn 53 CƠNG TRÌNH: KHOA THỦY SẢN BIỂU ĐỒ THỬ NGHIỆM XUYÊN TĨNH – VỊ TRÍ 01 VỊ TRÍ 02 Bảng tổng hợp tiêu đất theo kết xuyên tĩnh Cao trình Số lớp đất Chiều dày qc trung bình fs trung bình (m) (m) (kgf/cm ) (kgf/cm2) 0,0 – 1,0 - - - 1,4 – 16,2 15,2 3,182 0,112 16,2 –18,8 2,6 5,500 0,080 18,8 – 27,8 9,0 8,378 0,152 27,8 – 31,4 3,6 16,063 0,419 31,4 – 32,8 1,4 45,853 0,912 32,8 – 39,0 6,2 60,304 1,895 39,0 – 45,0 6,0 49,146 2,338 Vì thiết bị thí nghiệm đo fs nên ta tính ma sát bên trực tiếp không xác định theo sức chống xun đầu mũi qc Tính tốn cho cọc 30x30cm dài 35m + Sức kháng mũi: Ta có qc trung bình 3d 3d cọc là: 60,304 (kgf/cm2) qc = 6030,4 kN/m2       Qp = Ap.qp kc = 0,45 (Với Ap = 0,09 m2) qp = kc.qctb = 0,45x 6030 kN/m2 = 2713 kN/m2 Qp = 0,09 m2 x 2713kN/m2 = 244 kN + Sức kháng bên: Qs = u ∑lsifsi (Với u = 1,2m) Qs = 1,2 x (16,2 x 11,2 + 2,6 x 8,0 + 9,0 x 15,2 + 3,6 x 41,9 + 1,4 x 91,2 + 2,2 x 189,5) = 1241 kN + Sức chịu tải cực hạn cọc tính theo công thức: Qu = Qs + Qp Qu = 1241 + 244 = 1485 kN + Sức chịu tải cho phép cọc tính theo cơng thức: Qa = Qs Qp + Qa = 1241 244 + = 70  Kết luận: sức chịu tải tim cọc 0.3x0.3m dài 35m theo kết thí nghiệm xuyên tĩnh CPT là: + Sức chịu tải cho phép Qa = 70 + Sức chịu tải cực hạn Qu = 148 Tính tốn sức chịu tải cọc BTCT 0.3x0.3m dài 35m theo phụ lục B 205:1998 + Sức kháng mũi: q p  cN c   vp' N q  d p N  Tra bảng φ = 15,43o → Nc = 11,30; Nq = 4,14; Nγ = 2,85 (theo Vesic) Với: c = 23,03 kN/m2;  vp' = 231,5 kN/m3; γ = 8,45 kN/m3; dp = 0,3m qp = 23,03x11,30 + 231,5x4,14 + 8,45x0,3x2,85 = 1337 kN/m2 Qp = Ap.qp = 0,09x1337 = 120 kN + Sức kháng bên: Qs = u∑(li.fsi) Ta có: f s  ca   h' tg a  ca  K s v' tg a (với: ca = 0.7c, Ks = – sinφa) Lớp 1: ca = 22,75 kN/m2 f1 = 22,75 + 0,75x6,53(1 – sin10,93o)tg10,93o = 23,5 kN/m2 Lớp 2: ca = 7,98 kN/m2 f2 = 7,98 + (1,5x6,53 + 4,65x5,19)(1 – sin3,595o)tg3,595o = 10 kN/m2 Lớp 3: ca = 9,68 kN/m2 f3 = 9,68 + (1,5x6,53 + 9,3x5,19 + 8,35x6,59)(1 – sin7,342o)tg7,342 o = 21,4 kN/m2 Lớp 4: ca = 23,03 kN/m2 f4 = 23,03 + (1,5x6,53 + 9,3x5,19 + 16,7x6,59 + 3,75x8,45)(1 – sin15,43o)tg15,43 o = 63,5 kN/m2 Qs = 1,2 x (1,5x23,5 + 9,3x10 + 16,7x21,4 + 7,5x63,5) = 1154 kN + Sức chịu tải cực hạn cọc tính theo công thức: Qu = Qs + Qp Qu = 120 kN + 1154 kN = 1274 kN + Sức chịu tải cho phép cọc tính theo cơng thức: Qa = Qs Qp + Qa = 1154 120 + = 62 kN  Kết luận: sức chịu tải tim cọc 0.3x0.3m dài 35m theo tiêu cường độ đất là: + Sức chịu tải cho phép Qa = 62 + Sức chịu tải cực hạn Qu = 127 THỬ TĨNH CỌC HIỆN TRƯỜNG (05 TIM CỌC) BIỂU ĐỒ QUAN HỆ TẢI TRỌNG (Tấn) – CHUYỂN VỊ (mm)_VỊ TRÍ O1 VỊ TRÍ 02 VỊ TRÍ 03 VỊ TRÍ 04 VỊ TRÍ 05 PHÂN TÍCH BẰNG PTHH – PLAXIS 3D TUNEL (01 TIM CỌC) Mơ tính tốn Sơ đồ hình học toán - Địa chất: chia làm lớp đất dựa theo thông số bên - Cọc vng (plates) 30x30cm từ cao trình mặt đất tới -35m Tải trọng A = 50 kN Vẽ nhập số liệu đầu vào mơ hình 3D Tunel Tạo lưới phần tử, xác lập điều kiện ban đầu mực nước ngầm, áp lực nước lỗ rỗng tự sinh ứng suất ban đầu đất Chia lưới phần tử Chuyển vị mặt cắt ngang vị trí cọc tải trọng 100% Chuyển vị mơ hình 3D cọc tải trọng 100%  Chuyển vị ứng với tải 100% 6,39mm, tải 200% 12,31mm BIỂU ĐỒ QUAN HỆ TẢI TRỌNG (Tấn) – ĐỘ LÚN (mm)  Kết luận sức chịu tải phương pháp phần tử hữu hạn 65 ... quan địa chất sử dụng cọc bê tông cốt thép thành phố Cần Thơ − Cơ sở lý thuyết tính tốn cọc bê tơng cốt thép − Phân tích sức chịu tải cọc bê tông cốt thép khu vực thành phố Cần Thơ − Kết luận, kiến... TÍNH TỐN CỌC BÊ TƠNG CỐT THÉP 2.1 Sức chịu tải dọc trục cọc theo độ bền vật liệu [2][6] 2.1.1 Sức chịu tải theo vật liệu cọc BTCT đúc sẵn Với cọc bê tông cốt thép, sức chịu tải cực hạn cọc theo vật... sâu…), Cọc chịu tải ngang (móng tường chắn, mố cầu…), Cọc chịu tải trọng động (cọc chịu động đất, cọc móng máy…) Trong điều kiện cụ thể đất yếu Cần Thơ, phạm vi đề tài chủ yếu phân tích cọc ma