Báo cáo Địa kỹ thuật - Trắc địa: Phân tích ảnh hưởng của đường kính, khoảng cách của cánh vít và cường độ trụ đất xi măng đến sự làm việc của cọc ATT

Báo cáo Địa kỹ thuật - Trắc địa: Phân tích ảnh hưởng của đường kính, khoảng cách của cánh vít và cường độ trụ đất xi măng đến sự làm việc của cọc ATT phân tích ảnh hưởng của đường kính, khoảng cách của cánh vít và cường độ trụ đất xi măng trong kết cấu cọc vít ATT nhằm tìm ra mối liên hệ giữa chúng để làm căn cứ cho việc lựa chọn thông số kỹ thuật ban đầu của cọc trong tính toán thiết kế. Mặc dù ra đời sau các loại cọc khác nhưng cọc vít ATT hiện đang được áp dụng khá rộng rãi ở Nhật Bản.

ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG KÍNH, KHOẢNG CÁCH CỦA CÁNH VÍT VÀ CƯỜNG ĐỘ TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ATT TS NGUYỄN GIANG NAM, TS PHẠM QUYẾT THẮNG Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Bài báo phân tích ảnh hưởng đường kính, khoảng cách cánh vít cường độ trụ đất xi quanh ống thép bị phá hoại Lúc lại ma sát ống thép sức chịu tải cánh vít (hình 3) P măng kết cấu cọc vít ATT nhằm tìm mối liên hệ chúng để làm cho việc lựa chọn thông số kỹ thuật ban đầu cọc tính tốn thiết kế Mặc dù đời sau loại cọc khác cọc vít ATT áp dụng rộng rãi Nhật Bản Gần đây, công nghệ nghiên cứu triển khai áp dụng Việt Nam Tuy nhiên, chứng nhận chất lượng công nghệ Bộ trưởng Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng, Giao thông Du lịch Nhật Bản số 2529-1 TACP 0165; số 2528-1 TACP 0166; số 2527-1 TACP 0167 [3] cho cọc vít ATT đưa thơng số kỹ thuật tiêu chuẩn cọc vít ATT dựa kinh nghiệm mà chưa đề cập đến mối liên hệ chúng cụ thể cho việc lựa chọn thơng số kỹ thuật Vì vậy, việc tìm hiểu, xác định quan hệ thơng số kỹ thuật cọc giúp cho công tác thiết kế sau dễ dàng hiệu Cọc vít ATT (Asahi Kasei Tenox Technology Column) cọc phức hợp tạo thành sau hạ ống thép có cánh vào lịng trụ đất xi măng chế tạo theo phương pháp trộn sâu (hình 1) Về bản, cọc kết hợp cọc vít truyền thống trụ đất xi măng Với cọc vít truyền thống, nghiên cứu Zhang D (1999) [3] Narasimha Rao (1989) [3], cho thấy làm việc cọc phụ thuộc vào đường kính khoảng cách cánh vít Narasimha Rao cộng (1999) [3] xác định tỷ số S/D < cọc vít làm việc theo mơ hình tính tốn theo mặt hình trụ bao quanh cánh vít S/D >2 dùng mơ hình tính theo sức chịu tải cánh vít (hình 2.) Từ hình thấy với khoảng cách cánh vít nhỏ, đất xung quanh cọc giới hạn mặt cánh vít cịn ngun vẹn, mặt phá hoại cọc mặt trụ bao xung quanh cánh vít Xét đoạn cọc giới hạn hai cánh vít, tăng khoảng cách cánh vít, tổng ma sát thành bên đoạn cọc tăng lên chiều dài tăng, cường độ đất xung quanh cọc khơng thay đổi, q giới hạn trụ đất bao Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 L  L s L s q d D Dc Hình Mơ hình cọc vít ATT Hình Ảnh hưởng khoảng cách cánh tới làm việc cọc vít thơng thường (Narasimha Rao cộng sự, 1989) 57 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Ảnh hưởng khoảng cách đường kính cánh vít cho thấy phân làm việc cọc vít thành hai mơ hình tính tốn: Mơ hình tính tốn theo mặt hình trụ bao quanh cánh vít sức chịu tải cánh vít (hình 2) P P q L s S q S L s S q q D D Hình Mơ hình tính tốn theo sức chịu tải cánh vít (trái) mặt hình trụ bao quanh cánh vít (phải) (Narasimha Rao 1991)[3] Tương tự cọc vít truyền thống, mơ hình sử dụng để tính tốn sức chịu tải cọc vít ATT mô so với đất ban đầu, cường độ sau gia cố tăng từ 10 đến 20 lần tùy theo tỷ lệ xi măng (xem bảng 1) hình mặt hình trụ bao quanh cánh vít (hình 3) Tuy nhiên, lúc vật liệu xung quanh ống thép khơng cịn đất cọc vít thơng thường mà đất gia cố xi măng với tỷ lệ khác Gia cố xi măng với Như vậy, tỷ số L/D trường hợp cần phải xem xét lại để đảm bảo tận dụng khả chịu lực vật liệu xung quanh cọc đồng thời đảm bảo để cọc làm việc theo mơ hình tính tốn sức chịu tải sử tỷ lệ định làm tăng đáng kể cường độ vật liệu dụng dẫn thiết kế Bảng Cường độ chịu nén số đất gia cố xi măng (TCVN 9403:2012)[1] Cường độ kháng nén trục (kG/cm ) Đặc trưng đất tự nhiên Loại đất Địa điểm gk 58 xám xám hữu xám hữu LL LP % % % IP cu 7% XM 12% XM Hà Nội Nam Hà 1,30 - 45 41 37 - 24 - 13 - 0,16 - 28 ngày 3,36 - Hà Nội - 62 36 23 13 0,23 - - 7,39 9,42 Hà Nội - 35 35 27 0,21 - - 4,28 4,82 Hà Nội - 30 30 19 11 0,23 3,00 4,07 - - Hà Nội 1,60 52 37 24 13 0,10 0,61 0,66 2,13 2,50 Hà Nội - 51 - - - 0,10 - - 2,39 2,55 Hà Nội - 95 62 40 22 0,21 - - 0,51 0,82 g/cm Sét pha Cát pha Sét pha đen Sét pha nâu Sét pha Sét pha Sét xanh Đất sét W kG/cm 90 ngày 3,97 2,24 28 ngày 4,43 - 90 ngày 4,48 3,21 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Cường độ kháng nén trục (kG/cm ) Đặc trưng đất tự nhiên Loại đất Sét pha Bùn sét hữu Bùn sét hữu Sét pha Cát pha Sét Địa điểm gk W LL LP g/cm3 % % % Hà Nội 1,43 37 30 19 11 Hà Nội gw 1,51 74 54 35 Hà Nội gw 1,54 - 54 1,35 36 1,35 1,16 Hải Dương Hải Dương Hải Phòng IP cu 7% XM 12% XM 0,32 28 ngày - 90 ngày - 28 ngày 11,0 90 ngày 19,0 19 0,39 - - - 1,22 36 18 0,19 - - 0,42 0,50 27 18 - 6,18 6,50 9,13 9,53 26 27 19 - 3,55 4,21 6,75 7,92 50 46 28 18 0,28 1,63 1,85 3,01 3,95 kG/cm2 Phân tích ảnh hưởng đường kính, khoảng cách cánh vít cường độ trụ đất xi măng: P P  L s L L s L L s p  d  p L q d d D D Dc Dc Hình Mơ hình làm việc sức kháng bên thân cọc theo cân lực a) Xác định ảnh hưởng đường kính cánh vít đường kính trụ xi măng đất Trong dẫn thiết kế cọc vít ATT, lực ma sát thành xác định thông qua quan hệ ma sát thành đơn vị e có từ kết thí nghiệm nén tĩnh cọc với cường độ nén trục ( = 0.8qu+10 cho đất sét  = 10N+50 cho đất cát) Từ mơ hình tính tốn hình 3b nhận thấy xảy trường hợp sau: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 Trường hợp 1: Đường kính cánh vít nhỏ so với đường kính trụ đất xi măng Tải trọng tác dụng đạt đến cực hạn mặt phá hoại xảy mặt trụ bao quanh cánh vít cọc vít truyền thống mặt tiếp xúc trụ đất xi măng đất chưa bị phá hoại Trường hợp 2: Đường kính cánh vít đủ lớn Lúc này, tổng lực cắt giới hạn mặt trụ bao quanh cánh vít mặt bên cọc gần dẫn đến tận dụng tối đa khả chịu lực vật liệu 59 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Vì vậy, để tận dụng tối đa khả chịu lực vật liệu xung quanh cọc ứng suất mặt tính tốn quy ước (mặt trụ bao quanh cánh vít) phải thỏa mãn điều kiện cho tổng lực ma sát mặt quy ước phải lực ma sát bao quanh cọc (trong trường hợp cánh vít lớn giá trị giới hạn tính tốn sức chịu tải cần lấy giá trị nhỏ hai giá trị trên) Hình Biểu đồ xác định ma sát thành đơn vị cọc nằm đất sét [2]  s DL   p Dc L (1) L – Khoảng cách cánh vít (m); Trong đó: N – Chỉ số SPT trung bình; s – Lực ma sát đơn vị mặt phá hoại hình trụ quy ước bao quanh cánh vít (xem hình hình 6): p - Hệ số chiết giảm lực dính trụ đất – xi Sét: Cát  s  0.8qu  10 (kN/m ); (Nspt trung bình đất dính sau:  22.5):  s  10 N  50 (kN/m2); p p Cu  25 kN/m d = 1.0 p – Lực ma sát đơn vị cọc đất: Sét: măng với đất xung quanh lấy theo API (1984) cho Cu  75 kN/m d = 0.5 25 < Cu < 75 nội suy qu (kN/m ); Từ (1) xác định mối liên hệ D Dc: Cát (Nspt trung bình  22.5): Theo AIJ 2001[4]  p  (5.9  4.5) N (kN/m2) lấy giá trị trung bình  p  5.9 N (kN/m2); qu – Cường độ nén trục đất sét xung quanh thân cọc qu = 2cu (kN/m ); D – Đường kính cánh vít (m); Dc – Đường kính trụ đất xi măng (m); 60 Đất sét:  qu D  Dc 2(0.8qu  10) (2) Đất cát: D 5.9 N  Dc (10 N  50) (3) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình Biểu đồ xác định ma sát thành đơn vị cọc nằm đất cát [2] Cu  75 kN/m2 d = 0.5 Như vậy, cơng thức (2) (3) giúp xác định sơ đường kính trụ đất xi măng đường kính cánh vít để tận dụng tối đa khả chịu lực vật liệu xung quanh cọc, tránh trường hợp chọn đường kính trụ đất xi măng to so với khả chịu tải 25 < Cu < 75 nội suy d – Lực ma sát đơn vị ống thép hỗn hợp xi măng đất: thực tế cọc Sét:  d   d 3(0.8qu  10) / (kN/m2) b) Xác định ảnh hưởng đường kính khoảng cách cánh vít Cát:  d   d 3(10 N  50) / (kN/m2) Mơ hình tính tốn hình cho thấy, để đảm bảo cọc làm việc theo mơ hình mặt trụ bao quanh cánh vít (mơ hình tính tốn sức chịu tải cọc σ – Áp lực tác dụng lên cánh vít lấy cường độ yêu cầu trụ đất xi măng quy định dẫn thiết kế cọc vít ATT vít ATT) vật liệu bao quanh ống thép phải khơng bị phá hoại Nghĩa là, tổng lực ma sát gây trụ đất xi măng đất bên phải nhỏ lực ma sát ống thép trụ đất xi măng cộng với lực nén tác dụng lên trụ vật liệu bao quanh ống thép theo mơ hình hình 3:  (D2  d )    d  dL   p Dc L (4)   3(0.8qu  10) (kN/m2) Cát:   3(10 N  50) (kN/m2) d – Đường kính ngồi ống thép (m); N – Chỉ số SPT trung bình; Các thơng số D, Dc L, qu lấy công thức (1) Đất cát ( Nspt trung bình  22.5): (D  d ) L 3(10 N  50) (5.9 NDc   d d) 3(10 N  50) Triển khai công thức (4): Đất sét: ( D2  d ) L qu 3(0.8qu  10) ( p Dc   d d) 2 Sét: 3(0.8qu  10) (5) Trong đó: d - Hệ số chiết giảm lực dính ống thép (6) Cơng thức (5) (6) đảm bảo cho trụ vật liệu bao quanh ống thép không bị phá hoại làm thay đổi mô hình tính tốn ban đầu Khoảng cách cánh vít phụ thuộc vào đất xung quanh cọc, phụ thuộc vào đường kính trụ đất xi măng, đường kính cánh vít đường kính ống thép hỗn hợp xi măng đất tạm lấy theo API (1984) cho đất dính sau: Cu  25 kN/m d = 1.0 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 Thơng số kỹ thuật cánh vít tính theo cơng thức (2) (5) cho số liệu địa chất bảng trình bày bảng 61 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bảng Thông số kỹ thuật cánh vít ứng với số loại đất Cường độ kháng nén trục (kG/cm ) cu Loại đất 12% XM Địa điểm kG/cm Sét pha Sét pha đen Sét pha nâu Sét pha Bùn sét Bùn sét Sét xám xám hữu hữu L (m) D/Dc (Dc=0.7m D=0.5m d=0.2m) 90 ngày Hà Nội 0,16 4,48 0,45 12,29 Hà Nội 0,23 9,42 0,49 3,70 Hà Nội 0,21 4,82 0,48 4,43 Hà Nội 0,32 19,0 0,48 4,43 Hà Nội 0,39 1,22 0,49 2,59 Hà Nội 0,19 0,50 0,47 2,39 Hải Phòng 0,28 3,95 0,47 5,72 Kết luận kiến nghị Khoảng cách cánh vít đường kính cánh vít phụ thuộc vào đất xung quanh cọc, phụ thuộc vào cường độ, đường kính trụ đất xi măng đường kính ống thép đường kính trụ đất xi măng cọc vít ATT sau chọn giá trị nhỏ TÀI LIỆU THAM KHẢO TCVN 9403: 2012 Gia cố đất yếu - Phương pháp trụ đất xi măng Mơ hình định kết tính tốn sức chịu tải cọc vít truyền thống nói chung cọc vít ATT nói riêng, để đảm bảo cho cọc vít ATT làm việc theo mơ hình dẫn thiết kế cần phải lưu ý đến mối quan hệ đường kính, khoảng cách cánh vít cường độ trụ đất xi măng Các công thức từ (2) đến (6) thiết lập sử dụng để chọn sơ chịu lực cọc vít ATT“ Viện KHCN Xây dựng, Cơng ty Asahi Kasei, Tập đồn TENOX trường đại học Giao thông Vận tải tiến hành năm 2013 lịch Nhật Bản số 2529-1 TACP 0165; số 2528-1 TACP 0166; số 2527-1 TACP 0167 cho cọc vít ATT Khi thiết kế cần ý đến hệ số chiết giảm cường độ vị trí tiếp xúc ống thép trụ xi măng đất (d) để có độ tin cậy cao Do ma sát thành đơn vị cọc nằm đất sét đặc biệt cọc nằm cát tính theo giá trị SPT dao động miền tương đối lớn nên thơng số đường kính khoảng cách cánh vít thay AJI 2001Recommendations for Design of Building Foundations R FRANK Etude théorique du comportement des pieux sous charge vertical introduction de la dilatance Rapport de recherche No 46 1975 đổi theo Khi lực ma sát bên cọc vít ATT ứng với đường kính cánh vít lớn giá trị giới hạn cơng thức (2) (3) sức chịu tải tính tốn lý thuyết lớn sức chịu tải cọc có đường kính 62 Bản dịch chứng nhận chất lượng công nghệ Bộ trưởng Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng, Giao thông Du thông số kỹ thuật cọc thiết kế trụ đất xi măng, điều khó xảy Vì vậy, để an tồn, q trình thiết kế cần kiểm tra hai giá trị sức chịu tải cọc có đường kính Báo cáo tổng kết “Kết nghiên cứu chung khả ZHANG, D Predicting capacity of helical screw piles in Alberta soils M.Sc thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, 1999 U.S Army Corps of Engineers; Engineer Manual, EM 1110-1-1905, 1992 Ngày nhận bài:2/6/2014 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 ... nghị Khoảng cách cánh vít đường kính cánh vít phụ thuộc vào đất xung quanh cọc, phụ thuộc vào cường độ, đường kính trụ đất xi măng đường kính ống thép đường kính trụ đất xi măng cọc vít ATT sau...ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Ảnh hưởng khoảng cách đường kính cánh vít cho thấy phân làm việc cọc vít thành hai mơ hình tính tốn: Mơ hình tính tốn theo mặt hình trụ bao quanh cánh vít sức... hoại làm thay đổi mơ hình tính tốn ban đầu Khoảng cách cánh vít phụ thuộc vào đất xung quanh cọc, phụ thuộc vào đường kính trụ đất xi măng, đường kính cánh vít đường kính ống thép hỗn hợp xi măng