Nghiên cứu sức chịu tải của cọc ống thép

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN BẢO DUY NGHIÊN CỨU SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC ỐNG THÉP CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN MINH TÂM Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN Cán chấm nhận xét 2: TS LÊ TRỌNG NGHĨA Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, DHQG Tp HCM ngày 01 tháng 09 năm 2010 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm: GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN TS LÊ BÁ KHÁNH TS BÙI TRƯỜNG SƠN TS LÊ TRỌNG NGHĨA Xác nhận Chủ tịch hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành Chủ tịch hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành 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 01 tháng 07 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN BẢO DUY Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1984 Nơi sinh: Lâm Đồng Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MSHV: 00908541 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC ỐNG THÉP 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tìm hiểu chế làm việc cọc ống thép không bịt mũi đưa sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc ống thép không bịt mũi Áp dụng tính tốn sức chịu tải cọc ống thép cho hai cơng trình thực tế, dựa kết thí nghiệm nén tĩnh tiến hành phân tích lựa chọn phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc ống thép không bịt mũi hợp lý 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/01/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/07/2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN MINH TÂM Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS NGUYỄN MINH TÂM CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS.TS VÕ PHÁN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn đến người góp phần vào thành công ngày hôm Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Minh Tâm hướng dẫn nhiệt tình giúp tơi hồn thành luận văn này, truyền đạt kiến thức q báu, dìu dắt tơi đường học vấn Tôi xin cảm ơn tất thầy cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại học bách Khoa TP.HCM góp ý cho tơi kiến thức bổ ích để hồn thiện luận văn Lời cuối cùng, tơi xin cảm ơn Gia đình bạn bè hỗ trợ tinh thần vật chất, động viên, cổ vũ lúc khó khăn để có ngày hơm Nguyễn Bảo Duy TĨM TẮT LUẬN VĂN Cọc ống thép khơng bịt mũi loại cọc phổ biến dùng cho móng cơng trình cảng biển, cơng trình cầu … có tải trọng lớn, thơng thường cọc ống thép hạ đất rời Ưu điểm móng cọc thép độ tin cậy móng xây dựng cao Ngồi kết cấu móng cịn có khả kháng lại tác dụng lực động đất sóng biển cách hiệu Cho đến móng cọc ống thép chưa áp dụng phổ biến Việt Nam, nhiên có số dự án sử dụng móng cọc ống thép cọc ống thép dạng vịng vây cho cơng tác thi cơng như: dự án Cảng Dung Quất, dự án cầu Bính, dự án cầu Thanh Trì Khi cọc ống đóng vào nền, đất chèn vào cọc q trình đóng cọc, khối đất chèn cản trở hạn chế đất thêm vào cọc Nó biết đến qua cản cọc đóng khả chịu tải cọc ống thay đổi khoảng rộng hiệu ứng chèn đất Ba dạng chèn cọc ống chèn hồn tồn, chèn phần khơng chèn, thực tế cọc ống dạng chèn phần Hiện có số tiêu chuẩn có đưa cơng thức tính tốn sức chịu tải cọc ống thép khơng bịt mũi Thường tiêu chuẩn ước lượng giá trị sức chịu tải cọc hai trường hợp chèn hoàn tồn khơng chèn thơng qua hệ số giảm tải Mục đích luận văn nghiên cứu ảnh hưởng cột đất chèn hình thành cọc ống q trình thi cơng đến sức chịu tải cọc Luận văn đưa bảy phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc ống thép khơng bịt mũi Để phân tích đánh giá tính xác phương pháp trên, tác giả sử dụng cơng trình thực tế sử dụng cọc ống thép khơng bịt mũi Cơ sở việc phân tích đánh giá dựa kết thí nghiệm nén tĩnh cơng trình Kết nghiên cứu cho thấy phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc ống thép không bịt mũi dựa số gia tăng lấp đầy IFR số CPT cho kết hợp lý Với kết đạt cho phép xác định sức chịu tải cọc ống thép khơng bịt mũi cách nhanh chóng hợp lý Từ mở hướng cho việc sử dụng phổ biến cọc ống thép cho cơng trình xây dựng Việt Nam MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Mục đích – ý nghĩa đề tài 1.5 Hạn chế đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CỌC ỐNG THÉP KHÔNG BỊT MŨI 2.1 Giới thiệu 2.2 Sự hình thành cột đất cọc ống 2.3 Ứng xử cọc ống đóng 17 2.4 Ứng xử cọc ống trình thử tĩnh cọc 20 CHƯƠNG 23 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC ỐNG THÉP KHÔNG BỊT MŨI 23 3.1 Giới thiệu 23 3.2 Tính tốn sức chịu tải cọc theo API RP2A 1991 24 3.2.1 Khả chịu tải cực hạn 24 3.2.2 Ma sát bên sức kháng mũi đất dính 24 3.2.3 Ma sát bên sức kháng mũi đất rời 24 3.3 Tính toán sức chịu tải cọc theo FHWA 26 3.3.1 Sức kháng mũi 26 3.3.2 Ma sát bên 28 3.3.3 Nêm chèn cọc ống không bịt mũi 29 3.4 Tính tốn sức chịu tải cọc theo Balan 30 3.5 Tính tốn sức chịu tải cọc theo phương pháp phân tích chiều 32 3.5.1 Ứng xử khơng nước – nước 33 3.5.2 Cố kết khối đất chèn 38 3.6 Tính tốn sức chịu tải theo CPT IFR (Lehane – Ganvin) 40 3.6.1 Cơ sở phương pháp 40 3.6.2 Nội dung phân tích 42 3.6.3 Tính tốn sức chịu tải cọc 49 3.7 Tính tốn sức chịu tải theo IFR (Paik – Salgado) 50 3.7.1 Cơ sở phương pháp 50 3.7.2 Nội dung phân tích 52 3.7.3 Tính tốn sức chịu tải cọc 60 3.8 Tính tốn sức chịu tải theo CPT IFR (Paik – Salgado) 61 CHƯƠNG 65 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC ỐNG THÉP KHƠNG BỊT MŨI 65 4.1 Cơ sở phân tích 65 4.1.1 Khu vực địa chất 65 4.1.2 Khu vực địa chất 68 4.2 Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải cọc ống thép 69 4.2.1 Ảnh hưởng độ chặt, ứng suất ngang ứng suất đứng 69 4.2.2 Ảnh hưởng tính giãn nở đất khối chèn 72 4.2.3 Ảnh hưởng điều kiện thoát nước 76 4.3 Phân tích ảnh hưởng việc lấy đất chèn thêm đất vật liệu khác cọc ống thép 81 4.4 So sánh tương quan cọc ống thép không bịt mũi cọc ống thép bịt mũi 84 4.4.1 Ứng xử tải trọng - độ lún cọc 84 4.4.2 Khả chịu tải mũi bên 85 4.4.3 So sánh khả chịu tải cọc ống thép bịt mũi không bịt mũi 88 4.5 So sánh lựa chọn phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc ống thép 91 4.5.1 Tính tốn sức chịu tải cho khu vực địa chất 91 4.5.2 Tính tốn sức chịu tải cho khu vực địa chất 100 4.5.3 So sánh lựa chọn phương pháp tính toán sức chịu tải cọc 105 CHƯƠNG 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111 5.1 Kết luận 111 5.2 Kiến nghị 111 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Gần có nhiều dự án lớn xây dựng Việt Nam, không dự án xây dựng cầu mà dự án xây dựng cảng biển dân dụng Những cầu nhịp lớn, cơng trình cảng biển chịu tải trọng sóng biển, cơng trình dân dụng cần tải trọng lớn địi hỏi cần phải có kết cấu phần móng phù hợp Tuy nhiên điều kiện địa chất Việt Nam tương đối phức tạp, nói chung địa chất miền Bắc xuất phát từ đồng châu thổ sông Hồng, địa chất miền Trung xuất phát từ dãy núi Trường Sơn địa chất miền Nam xuất phát từ đồng châu thổ sông Cửu Long Do nói vùng có địa chất xấu miền Nam, thứ hai miền Bắc Đó nguyên nhân dẫn đến khó khăn thiết kế thi cơng kết cấu móng cơng ty Tư vấn nhà thầu xây dựng Móng cọc ống thép loại móng phù hợp với điều kiện địa chất nói trên, độ tin cậy móng xây dựng cao Ngồi kết cấu móng cịn có khả kháng lại tác dụng lực động đất sóng biển cách hiệu Cho đến móng cọc ống thép chưa áp dụng phổ biến Việt Nam, nhiên có số dự án sử dụng móng cọc ống thép cọc ống thép dạng vòng vây cho công tác thi công: Dự án Cảng Dung Quất: - Vị trí dự án: Quảng Ngãi - Chủ đầu tư: Ban Quản lý dự án lọc dầu Dung Quất - Tư vấn: Công ty Tư vấn cảng Portcost - Nhà thầu: Cianco 1, Cienco 6, Portcost (Việt Nam) - Kết cấu: Móng cọc ống thép - Nơi áp dụng: Tất trụ - Đặc trưng cọc: Đường kính 609,6mm; Chiều dày:16mm; Chiều dài: 35-45m - Vật liệu làm cọc: SKK 490 (Nhập từ Indonesia) - Nơi gia cơng: Việt Nam - Búa đóng cọc: Búa diêzen Dự án cầu Bính: - Vị trí dự án: Hải Phòng - Chủ đầu tư: Ban Quản lý dự án cầu Hải Phịng - Tư vấn: Cơng ty Tư vấn CHODAI (Nhật Bản), FINNROAD (Phần Lan) , HECO (Việt Nam) - Nhà thầu: Liên danh IHI – Sumitomo Mitsui (Nhật Bản) - Kết cấu: Móng cọc ống thép nhồi bê tông - Nơi áp dụng: Tất trụ cầu trừ trụ tháp - Đặc trưng cọc Đường kính: 800mm; Chiều dày: 12,7mm; Chiều dài: 38-39m - Vật liệu làm cọc: SKK400 (Nhập từ Indonesia) - Nơi gia cơng: Indonesia - Búa đóng cọc: Búa trọng lực Dự án cầu Thanh Trì: - Dự án sử dụng kết cấu vòng cọc ống thép giống kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng Tuy nhiên trường hợp kết cấu vòng vây cọc ống thép dùng cho công tác thi công, chưa phải cọc thật - Chủ đầu tư: Ban Quản lý dự án Thăng Long - Tư vấn: Công ty Tư vấn quốc tế Thái Bình Dương (Nhật Bản), TEDI (Việt Nam) - Nhà thầu:Liên danh Obayashi – Sumitomo Mitsui (Nhật Bản - Kết cấu: Vòng vây cọc ống thép - Nơi áp dụng: Vịng vây thi cơng - Đặc trưng cọc: Đường kính 1200mm; chiều dày: 14mm; chiều dài: 28m - Vật liệu làm cọc: SKY400 (Nhập từ Nhật Bản) - Nơi gia công: Việt Nam - Chương trình tính tốn kết cấu móng: KASETSU- 5X for Window Ver.9.0 CRC Solution Corp - Búa đóng cọc: Búa rung TOMEC 160KW (Nhật Bản) Hiện nước giới cọc ống thép sử dụng rộng rãi cho cơng trình cảng ngồi biển (Hình1.1) Trong q trình hạ cọc, ban đầu đất chèn vào cọc gần chiều sâu hạ cọc, sau chiều sâu hạ cọc tăng, đất chèn bên đủ gây ma sát chống lại tượng đất xâm nhập thêm vào cọc, cọc hình thành nêm chèn Việc tính tốn khả chịu tải cọc ống kể đến hiệu ứng chèn đất vấn đề giải đề tài Hình 1-1: Ứng dụng cọc ống thép cơng trình cảng biển cầu 1.2 Nội dung nghiên cứu Trước vấn đề đặt ra, phạm vi nghiên cứu đề tài tập trung giải nội dung sau: - Tìm hiểu chế làm việc cọc ống thép không bịt mũi - Cơ sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc ống thép khơng bịt mũi - Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải cọc ống thép không bịt mũi Qs  q Ap  5065  0.3562   504.2kN Qd  Qs  Qb  220.8  504.2  725.0kN 4.5.2.2 Tính tốn sức chịu tải cọc theo FHWA Trình tự tính tốn sức chịu tải cọc theo FHWA chương trình DRIVEN nêu phần Sau tính tốn chương trình DRIVEN ta có sức chịu tải cọc sau: 4.5.2.3 Phương pháp Ba Lan Sức kháng ma sát: - Lớp (1 – 2.2m): Giá trị trung bình qc = 4Mpa, K0 = 0.7,  h  18 1.1 0.7  13.9kPa từ Hình B1, Dr = 43% từ Bảng 3.5 qs1,max = 40kPa Chiều sâu tới hạn cho sức kháng ma sát = 5m qs1  1.1/  40  12kPa Từ Bảng 3.2 3.3; Ss = 0.9, b2 = 0.61 N s1  0.61 0.9  13.9  0.356    2.2  18.8kN - Lớp (2.2 – 5m): Giá trị trung bình qc = 23Mpa, K0 = 0.7, 18  2.2   20  0.9 h     0.9  18  2.2  20  0.9     21  9.8  1.9 1.9  2.8  0.7   101 = 43.3 kN/m2 từ Hình B1, Dr = 90% từ Bảng 3.5 qs2,max = 114kPa qs  3.6 / 114  82kPa Từ bảng 3.2 3.3; Ss = 0.8, b2 = 0.37 N s  0.37  0.8  82  0.356  2.8  76.0kN - Lớp (5 – 7m): Giá trị trung bình qc = 43Mpa, K0 = 0.7  h  18   20  1.1   21  9.8   2.9  0.7  63.3 kpa từ Hình B1, Dr = 100% từ Bảng 3.5 qs3,max = 132kPa Từ Bảng 3.2 3.3; Ss = 0.8, b2 = 0.55 N s  0.55  0.8  132  0.356     129.9kN N s   N si  18.8  76.0  129.9  224.7kN Sức kháng mũi: Từ Bảng 3.4, qc,max = 5850kPa hc = 10m (Di = 356mm