Phân tích tiến độ thi công nền đường đầu cầu theo ổn định biến dạng nền

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -[ \ - NGUYỄN THANH NAM PHÂN TÍCH TIẾN ĐỘ THI CÔNG NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU THEO ỔN ĐỊNH - BIẾN DẠNG NỀN CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ NGÀNH: 60.58.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -[ \ - NGUYỄN THANH NAM ĐỀ TÀI : PHÂN TÍCH TIẾN ĐỘ THI CÔNG NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU THEO ỔN ĐỊNH - BIẾN DẠNG NỀN CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ NGÀNH 60.58.60 : LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2007 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH -[ \ - Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Châu Ngọc Ẩn Cán chấm nhận xét 1: …………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: …………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày …….tháng …….năm ………………… TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP.Hồ Chí Minh, ngày………… tháng……….năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Nguyễn Thanh Nam Phái Ngày, tháng, năm sinh : 20/05/1981 Nơi sinh : Hà Tónh Chuyên ngành Địa Kỹ thuật Xây dựng MSHV : 00905202 Họ tên học viên : : : Nam I- TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích tiến độ thi công đường đầu cầu theo ổn định - biến dạng II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Phân tích tiến độ thi công đường đầu cầu theo ổn định -biến dạng Nội dung: Chương 1: Cơ sở lý thuyết trạng thái tới hạn Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định đất đắp theo thời gian Chương 3: Giải pháp cọc đất - vôi/ximăng gia cố đất yếu bên đường đầu cầu Chương 4: Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D Tunnel phân tích ổn định biến dạng đường đầu cầu theo giai đoạn thi công Nhận xét, kết luận kiến nghị III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2007 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/11/2007 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS CHÂU NGỌC ẨN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH PGS TS CHÂU NGỌC ẨN TS VÕ PHÁN Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày………tháng………năm 2007 PHOØNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Châu Ngọc Ẩn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô Bộ môn Địa Cơ Nền Móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng tận tình truyền đạt kiến thức quý báu, tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn suốt thời gian vừa qua Xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc tập thể cán bộ, nhân viên Ban Quản lý Dự án Xây dựng ĐHQG TP.HCM tạo điều kiện thuận lợi cho trình học vừa qua Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ có ngày hôm Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2007 Học viên thực Nguyễn Thanh Nam TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tên đề tài:“ Phân tích tiến độ thi công đường đầu cầu theo ổn định biến dạng nền” Hiện nay, xây dựng công trình đất yếu thường hay xảy cố không mong muốn liên quan đến vấn đề ổn định biến dạng công trình Việc khắc phục cố gặp nhiều khó khăn, tốn làm ảnh hưởng đến tiến độ thi công công trình Vì vậy, luận văn tiến hành tính toán, phân tích ổn định biến dạng công trình đường đầu cầu sở làm việc đồng thời hệ công trình Kết phân tích làm việc đồng thời cho phép chọn lựa kết cấu công trình hợp lý giá trị ứng suất biến dạng đất phù hợp với điều kiện thực tế Thesis summary (Master of Science) TOPIC “Analysing the project’s schedule to execute the street infront of the bridge according the stability and deformation of structures on soft soils” SUMMARY Nowadays, construction of structures on soft soils often faces with unexpected stability and deformation problems Remedial works for those problems are often very difficult, costly and slow down project’s schedule Therefore, In the content of this thesis, we perform calculating and analysing the stability and deformation of the street infront of the bridge, which works in the simultaneous combination of pile, concrete plate and the block of covering with soil The results of this analysis help us choosing the structure of the street infront of the bridge more reasonable The value of stresses and deformation of soil foundation will be reasonablily evaluated in the practical working condition MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRẠNG THÁI TỚI HẠN 1.1 Ứng suất môi trường đất .3 1.1.1 Ứng suất hữu hiệu áp lực nước lỗ rỗng .3 1.1.2 Ứng suất trọng lượng thân 1.2 Biến dạng đất 1.3 Lộ trình ứng suất 1.4 Lyù thuyết trạng thái tới hạn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT ĐẮP THEO THỜI GIAN 20 2.1 Khái niệm độ ổn định biến dạng đất 20 2.1.1 Khái niệm ổn định 20 2.1.2 Các chế phá hoại đường đất yếu .21 2.1.2.1 Phá hoại bị lún troài 22 2.1.2.2 Phá hoại bị đẩy ngang 23 2.1.2.3 Phá hoại trượt sâu cung tròn qua thân đường đất 24 2.2 Tính toán ổn định đất yếu đường đắp 25 2.2.1 Các phương pháp tính toán ổn định đất yếu theo điều kiện cân giới hạn lý thuyết đàn hồi .25 2.2.1.1 Đánh giá độ ổn định đất theo tải trọng an toàn (qat) 25 2.2.1.2 Đánh giá độ ổn định đất theo tải trọng cho phép (qtc) 25 2.2.1.3 Đánh giá ổn định đất theo lý thuyết cân giới hạn điểm 26 2.2.2 Tính toán ổn định mái dốc đắp .30 2.2.2.1 Phương pháp phân mảnh - cung trượt tròn 30 2.2.2.2 Điều kiện phá hoại hệ số an toàn 31 2.2.2.3 Sự cân lực .32 2.2.2.4 Điều kiện cân moment 33 2.2.2.5 Phương pháp Fellenius .34 2.2.2.6 Phương pháp cuûa Bishop 34 2.2.2.7 Phương pháp đơn giản hóa Bishop 34 2.3 Phân tích ổn định - trường hợp thi công đợt .36 2.4 Phân tích ổn định trường hợp thi công nhiều đợt .37 2.4.1 Nguyên taéc chung .37 2.4.2 Ứng xử đất 37 2.4.3 Phương pháp xác định giá trị tăng lên cường độ chống cắt 38 2.4.3.1 Đánh giá tăng lên cường độ chống cắt không thoát nước dựa vào quan hệ thực nghiệm 38 2.4.3.2 Xác định tăng cường độ chống cắt không thoát nước dựa vào kết thí nghiệm mẫu đất phòng 43 2.4.3.3 Tóm tắt cách xác định tăng lên cường độ chống cắt đất yếu tải đắp nhiều giai đoạn trình bày 44 CHƯƠNG GIẢI PHÁP CỌC ĐẤT - VÔI/XIMĂNG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BÊN DƯỚI ĐƯỜNG ĐẦU CẦU 45 3.1 Giới thieäu 45 3.2 Phương pháp tính toán cột vôi, cột ciment .49 3.2.1 Khả chịu tải cột đơn 49 3.2.1.1 Khả chịu tải theo phá hoại vật liệu cột 49 3.2.1.2 Khả chịu tải theo đất .60 3.2.2 Khả chịu tải nhóm cột vôi/xi măng .62 3.2.3 Độ lún 64 3.3 Ổn định tổng thể 70 3.3.1 Xác định hoạt tải tính toaùn 70 3.3.2 Xét ổn định tổng thể .71 3.3.3 Tốc độ lún cố kết gia cố 73 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D TUNNEL PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH BIẾN DẠNG NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU THEO CÁC GIAI ĐOẠN THI CÔNG 75 4.1 Giới thiệu công trình điều kiện địa chất công trình .75 4.2 Phân tích ổn định theo biến dạng đất yếu tự nhiên khối đất san lấp chương trình Geo - Slope 78 4.3 Tính toán phương pháp giải tích 82 4.3.1 Giải pháp cọc đất trộn ximăng .82 4.3.2 Tính toán sức chịu tải cọc bê tông cốt thép theo tiêu lý đất (theo mô hình toán Plaxis) 88 4.4 Phân tích kết toán Plaxis .90 4.4.1 Mô hình toán Plaxis 90 4.4.2 Chuyển vị tổng hệ công trình .91 4.4.3 Ổn định biến dạng đất yếu đường đắp 93 4.4.4 Ổn định biến dạng khối đất đắp sau lưng mố trụ cầu .95 4.4.5 Chuyển vị hệ kết cấu mố trụ cầu theo giai đoạn thi công 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 - 92 - Độ lún công trình có giá trị không lớn sau xây dựng Có thể thấy rằng, có mặt hệ cọc đất trộn xi măng gia cố làm giảm đáng kể độ lún đất yếu bên Vùng lún đất yếu đường đắp có giá trị lớn tim đường nằm đáy đắp, độ lún giảm dần từ tim mép đường theo phương ngang dọc đường Chiều sâu vùng lún có giá trị lớn tương đương bề rộng đường Chiều dài đoạn cọc gia cố bị ảnh hưởng nguy hiểm lún đất yếu phân bố phạm vi từ đỉnh cọc đến độ sâu tương đương bề rộng đường Hình 5.8: Hướng chuyển vị toàn hệ công trình đất yếu Vùng đất nằm trước mố trụ cầu chuyển vị trồi hướng sông, đất yếu bên đắp đường cầu lún gây tác dụng đẩy ngang vào vùng đất trước mố - 93 - 4.4.3 Ổn định biến dạng đất yếu đường đắp Kết tính toán mức độ chuyển vị theo giai đoạn thi công thể hình 5.9 Vùng tâm - điểm B Vùng tiếp giáp mố trụ cầu - điểm A Hình 5.9: Chuyển vị đáy khối đắp, vùng tiếp giáp mố trụ cầu (điểm A) vùng tâm (điểm B) Công trình đắp đất yếu biến dạng theo giai đoạn thi công tùy thuộc vào vị trí khác đất yếu Để đánh giá mức độ dịch chuyển không đồng (độ lún lệch) chọn lựa khảo sát giá trị chuyển vị vị trí vùng tiếp giáp mố trụ cầu (điểm A) vùng tâm (điểm B), vị trí điểm chọn lựa khảo sát thể hình 5.2 Trên biểu đồ hình 5.9 độ lún vùng tâm đường theo phương ngang phương dọc (điểm B) có giá trị lớn so với vùng tiếp giáp mố trụ cầu (điểm A) - 94 - Việc đánh giá phạm vi vùng xung yếu khả ổn định đất yếu thể thông qua giá trị mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn: ω= τ max τ gh Với: ω - mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn τ max - giá trị ứng suất tiếp cực đại τ gh - sức chống cắt cực đại điểm xét τ σ Hình 5.10: Sơ đồ xác định mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn điểm đất Như vậy: ω ≤ 1, giá trị ω = đạt ứng suất điểm đạt giá trị tới hạn xảy biến dạng dẻo Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn biểu diễn dạng đường đồng mức Khi đường giới hạn có giá trị mở rộng phát triển lên đến bề mặt xem ổn định, công trình xem phá hoại Như giá trị ω không cho phép thu nhận giá trị hệ số ổn định cụ thể, khu vực giới hạn đường đồng mức với giá trị ω xấp xỉ nhận biết khu vực xung yếu - 95 - Hình 5.11: Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn sau xây dựng công trình thể thông qua đường đồng mức Ban đầu vùng dẻo tập trung chủ yếu bề mặt lớp đất yếu Sau đó, phạm vi vùng mở rộng phía khối đất đắp Hơn nữa, vùng biến dạng dẻo sau giai đoạn bắt đầu phát triển khu vực đầu cọc bên mố trụ cầu đắp tiếp giáp với mố trụ cầu 4.4.4 Ổn định biến dạng khối đất đắp sau lưng mố trụ cầu ¾ Chuyển vị đứng (lún) khối đất đắp sau lưng mố Xét ổn định khối đất đắp sau lưng mố trụ cầu vị trí C tim D mép lớp đất đắp Tại giai đoạn thi công chuyển vị lún tim lớn chuyển vị mép đắp - 96 - Hình 5.12: Đường đồng mức thể biến dạng hệ công trình mặt phẳng tim đường Hình 5.13: Đường đồng mức thể biến dạng hệ công trình mặt phẳng mép đường - 97 - Vùng tim đường - C Vùng mép đường- D Hình 5.14: Chuyển vị theo giai đoạn thi công khối đất đắp sau lưng mố trụ cầu điểm vị trí nằm lớp đất đắp C (mặt phẳng tim nền) D (mặt phẳng mép nền) Xét mặt cắt ngang đường chuyển vị vị trí tim đường (điểm C) có giá trị lớn so với vị trí mép đường (điểm D) Chuyển vị theo mặt cắt ngang đường Hình 5.15: Biểu đồ chuyển vị lún bề mặt đáy lớp đất đắp theo mặt cắt ngang đường - 98 - ¾ Chuyển vị ngang khối đất đắp sau lưng mố: Hình 5.16: Phân vùng chuyển vị ngang hệ công trình Hình 5.17: Chuyển vị ngang vùng - 99 - Vùng chuyển vị ngang lớn khối đất đắp sau lưng mố cầu mặt cắt tim đường Chính tượng đất đắp có xu hướng chuyển vị lớn xa mố cầu gây tượng lún lệch đường đầu cầu vị trí tiếp giáp đường đầu cầu mố cầu 4.4.5 Chuyển vị hệ kết cấu mố trụ cầu theo giai đoạn thi công ¾ Chuyển vị mố trụ cầu đầu cọc đóng Để đánh giá chuyển vị hệ kết cấu mố trụ cầu chọn lựa điểm khảo sát vị trí đầu đỉnh mố trụ cầu (điểm E), vị trí có khả chuyển vị lớn Điểm E - đỉnh mố trụ cầu Hình 5.14: Biểu đồ chuyển vị ngang đỉnh mố trụ cầu (điểm E) theo thời gian Theo giai đoạn thi công, chuyển vị ngang mố cầu tăng dần, dịch chuyển phía đường đầu cầu - 100 - Hình 5.15: Biểu đồ phân vùng chuyển vị ngang cọc sau thi công đắp a) b) c) Hình 5.16: Biểu đồ chuyển vị ngang cọc theo giai đoạn thi công a) Đắp lớp (dày 0.5m) b) Đắp lớp hai (dày 1.5m) c) Đắp lớp (dày 2.5m) - 101 - Cọc bê tông móng mố trụ cầu chủ yếu chịu tác dụng trọng lượng thân mố, trọng lượng xe khối đất đắp Dưới tác dụng áp lực đất đắp đường cọc bị chuyển vị phía sông Khi chuyển vị đầu cọc lớn làm gãy cọc toàn số cọc bị trượt phía sông giá trị chuyển vị lớn làm phá hoại toàn đất bên Chuyển vị cọc thay đổi tỉ lệ thuận theo giai đoạn thi công Sau đó, giá trị có khuynh hướng nhỏ dần theo thời gian Dưới tác dụng áp lực khối đất đắp san lấp, đầu cọc bị chuyển dịch phía sông Ở thời điểm ban đầu, hệ cọc bị dồn ép áp lực nước (áp lực nước lỗ rỗng thặng dư) áp lực đất nở theo phương ngang Sau khoảng thời gian định, áp lực nén vùng trung tâm lớn, đất cố kết theo thời gian, thể tích đất khu vực giảm xuống Sự giảm thiểu thể tích vùng trung tâm làm giảm áp lực theo phương ngang tác dụng vào hệ cọc, độ gia tăng giá trị chuyển vị ngang đầu cọc có khuynh hướng giảm dần - 102 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: - Chiều sâu vùng lún đất yếu bên đương đắp có giá trị nguy hiểm tương đương bề rộng đường - Chiều dài đoạn cọc gia cố bị ảnh hưởng nguy hiểm lún đất yếu phân bố theo chiều sâu phạm vi từ đỉnh cọc đến độ sâu tương đương bề rộng đường - Độ lún ổn định công trình đắp đường đầu cầu đất yếu giảm đáng kể bố trí hệ cọc gia cố đất trộn vôi/ximăng Giá trị độ lún lệch không đáng kể thay đổi không đáng kể theo thời gian - Chuyển vị ngang cọc xuất biến thiên theo giai đoạn thi công, đạt giá trị lớn sau khoảng thời gian định giảm dần theo thời gian - Việc mô đất yếu phần mềm (như Plaxis …) mang tính thực tiễn cao.Tuy nhiên, kết xác toán phụ thuộc nhiều vào số liệu đầu vào, mô hình phân tích Vì vậy, công trình quan trọng đắp đất yếu có đòi hỏi phải khống chế tốc độ đắp cần kết hợp tính toán dự báo phần mềm với công tác quan trắc trường để so sánh, đối chiếu hiệu chỉnh lại kết dự báo theo tính toán để kiểm tra độ (tốc độ) lún, độ (tốc độ) chuyển vị ngang … tạo điều kiện thuận lợi để rút ngắn thời gian thi công công trình Ngoài ra, giúp tiên đoán khối lượng đắp bù lún trình thi công chiều cao bù lún sau thi công - 103 - Kiến nghị: - Khi tính toán công trình đường đầu cầu đắp đất yếu cần xét điều kiện làm việc đồng thời hệ công trình nhằm đánh giá, phân tích trình làm việc đồng thời hệ công trình - Nghiên cứu tính toán chuyển vị, nội lực cọc suốt chiều sâu lớp đất yếu - Các công trình đất yếu cần phải thiết kế hệ thống quan trắc để có số liệu so sánh, hiệu chỉnh tính toán thực tế - 104 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, (2004) [2] Châu Ngọc Ẩn, Nền móng, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, (2005) [3] Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lực, Công trình đất yếu điều kiện Việt Nam, Đại học kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, (2001) [4] Lê Bá Lương, Lê Bá Khánh, Lê Bá Vinh, Tính toán móng công trình theo thời gian, Đại học kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, (2000) [5] D.T.Bergado, J.C.Chai, M.C.Alfaro, A.S.Balasubramaniam, Những biện pháp kó thuật cải tạo đất yếu xây dựng [6] Nguyễn Quang Chiêu, Thiết kế thi công đắp đất yếu [7] Phạm Văn Giáp, Bùi Việt Đông, Bến cảng đất yếu, Nhà xuất xây dựng Hà Nội, (2006) [8] Sổ tay thiết kế đường ôtô [9] Quy trình khảo sát thiết kế đường ô tô đắp đất yếu 22TCN 262-2000 [10] Nền móng đất than bùn – N.N.Morareskul [11] Whitlow, R (1999), Cơ học đất (bản dịch), Nhà xuất Giáo dục [12] Nippon Koei TEDI South , Báo cáo địa chất công trình cầu CầnThơ [13] A Kezdi & Rethati (1988), Handbook of Soil Mechanics, Vol 3, Elsevier Publisher, Budapest - 105 - [14] John Atkinson, An introduction to The mechanics of soil and Foundations [15] James K.Mitchell, Fundamentals of soil behavior [16] Noel Simons and Bruce Menzies, A short course in Foundation Engineering [17] J.Hartíen , W Wolski, Embankment on Oganic Soil [18] N.N.Maslov, Basic Engineering Geology and Soil Mechanics - 106 - BẢNG TÓM TẮT LÝ LỊCH CÁ NHÂN Họ tên: Nguyễn Thanh Nam Sinh ngày: 20 - - 1981 Địa liên lạc: 11/6 ấp Tân Lập, xã Đông Hòa, huyện Dó An, tỉnh Bình Dương Điện thoại: 0908 483 487 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Năm 1999 - 2004: sinh viên Khoa kỹ thuật xây dựng Trường Đại học Bách Khoa Đại học quốc gia TP.HCM Năm 2005 - 2007: học viên cao học ngành Địa kỹ thuật xây dựng Trường Đại học Bách Khoa - Đại học quốc gia TP.HCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC: Năm 2004 đến nay: Ban Quản lý Dự án Xây dựng Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ... I- TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích tiến độ thi công đường đầu cầu theo ổn định - biến dạng II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Phân tích tiến độ thi công đường đầu cầu theo ổn định -biến dạng Nội dung:... ảnh hưởng đến tiến độ thi công công trình Vì vậy, luận văn tiến hành tính toán, phân tích ổn định biến dạng công trình đường đầu cầu sở làm việc đồng thời hệ công trình Kết phân tích làm việc... TÀI : PHÂN TÍCH TIẾN ĐỘ THI CÔNG NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU THEO ỔN ĐỊNH - BIẾN DẠNG NỀN CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ NGÀNH 60.58.60 : LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2007 CÔNG