Nghiên cứu khả năng chịu tải cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ ĐỨC TIẾN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HĨA NỨT NẺ Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Chun ngành: Xây dựng cầu hầm Mã số : 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Ngọc Long PGS.TS Bùi Tiến Thành Hà Nội - 12/2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu cá nhân Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2019 Tác giả Lê Đức Tiến ii LỜI CẢM ƠN Luận án thực hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Nguyễn Ngọc Long PGS.TS Bùi Tiến Thành Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn dẫn tận tình đóng góp ý kiến quý báu để giúp thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải, lãnh đạo khoa Cơng trình, Phịng Đào tạo Sau đại học, môn Cầu Hầm tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Cuối bày tỏ cảm ơn đồng nghiệp, gia đình người thân giúp đỡ tơi trình học tập, nghiên cứu Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2019 Tác giả Lê Đức Tiến iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ 1.1 Giới thiệu chung cọc khoan nhồi 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Thi công cọc khoan nhồi 1.2 Tổng kết địa chất khu vực miền Trung đặc trƣng lớp đá phong hóa nứt nẻ 1.3 Định nghĩa đặc điểm lớp đất trung gian IGM 13 1.4 Tổng quan số phƣơng pháp tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi đá phong hóa nứt nẻ Việt nam 15 1.4.1 Tính sức kháng theo biến dạng cọc khoan nhồi tầng phong hóa nứt nẻ theo tiêu chuẩn cầu đường TCVN 11823-10:2017 [5] 15 1.4.2 Dự tính độ lún cọc khoan tầng phong hóa nứt nẻ tác dụng tải trọng dọc trục 19 1.4.3 Tính tốn sức kháng cọc khoan nhồi đặt tầng phong hóa nứt nẻ dựa theo nghiên cứu nước 22 1.5 Kết luận chƣơng 34 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HOÁ NỨT NẺ 35 2.1 Tổng quan phƣơng pháp xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi có gắn thiết bị đo dọc theo thân cọc Việt nam 35 2.2 Tổng quan phƣơng pháp xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi có gắn thiết bị đo dọc theo thân cọc giới 38 2.2.1 Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi Ấn Độ 40 2.2.2 Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi Nashville (Mỹ) 41 2.2.3 Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi Kazakhstan 50 2.2.4 Thí nghiệm thử tải cọc khoan nhồi Maylaysia 53 iv 2.2.5 Thí nghiệm thử tải cọc khoan Đài Loan 55 2.3 Nghiên cứu bố trí thí nghiệm trƣờng sức chịu tải cọc 58 2.4 Kết luận chƣơng 62 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG NÉN TĨNH VÀ NHỔ CỌC CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ 63 3.1 Nghiên cứu cơng thức tính tốn lý thuyết dự tính sức chịu tải cọc khoan nhồi điều kiện đá phong hóa nứt nẻ 63 3.1.1 Tính tốn theo tiêu chuẩn Việt Nam hành 63 3.1.2 Một số hướng dẫn tính tốn theo tiêu chuẩn nước số nghiên cứu khác 65 3.2 Thí nghiệm trƣờng xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi 71 3.2.1 Điều kiện địa chất cầu Ái Tử 71 3.2.2 Giới thiệu tổng quan thí nghiệm 73 3.2.3 Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục 74 3.2.4 Thí nghiệm nhổ cọc 85 3.3 Nghiên cứu theo phân tích ngƣợc kết hợp lí thuyết kết đo đạc q trình thí nghiệm 89 3.3.1 Sức chịu tải cọc theo lý thuyết 89 3.3.2 Sức chịu tải cọc theo thí nghiệm 89 3.3.3 Giải thích kết 91 3.4 Thí nghiệm siêu âm 96 3.5 Kết luận chƣơng 96 CHƢƠNG PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG PHONG HÓA NỨT NẺ THEO PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ SO SÁNH ĐỐI CHỨNG VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG 98 4.1 Lựa chọn phần mềm tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi vào tầng phong hóa nứt nẻ 98 4.2 Tính tốn theo mơ hình phần mềm FB-Pier 99 4.2.1 Phần mềm FB-Pier, giới thiệu phân tích nguyên lí 99 4.2.2 Mơ hình tính tốn 100 v 4.2.3 Kết tính tốn 109 4.3 So sánh kết tính tốn FB-Pier kết thí nghiệm thực tế 110 4.3.1 Kết tính toán phần mềm FB-Pier 110 4.3.2 Dự tính theo phần mềm Fb-pier 111 4.3 Kết luận chƣơng 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 120 PHỤ LỤC 121 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1-1: Cấu tạo cọc khoan nhồi móng cầu Kiền (Hải Phịng) Hình 1-2 Phân loại cơng nghệ khoan tạo lỗ Hình 1-3: Một số mẫu đá phiến sét 10 Hình 1-4: Hệ số α với loại địa chất trung gian đất đá IGM [30] 17 Hình 1-5: Thơng số n thành hố nhẵn hố khoan đá mềm IGM [41] 21 Hình 1-6: Hệ số α cho IGM (O’Neill cộng sự, 1996-1999)[41] 24 Hình 1-7: Quan hệ hệ số M độ sụt bêtông cọc nhồi (O’Neill [42]) 24 Hình 1-8: Giá trị n trường hợp thành nhẵn 26 Hình 1-9: Quan hệ Ncs với góc nghiêng ω sức kháng cắt 31 Hình 2-1: Cấu tạo thiết bị đo biến dạng – Model 491 35 Hình 2-2 Biến dạng ứng với cấp tải trọng theo độ sâu 36 Hình 2-3: Đường truyền tải cọc 37 Hình 2-4:Mơ hình phân tích Plaxis 37 Hình 2-5: Kết thử tĩnh Plaxis 38 Hình 2-6: Biểu đồ so sánh kết 38 Hình 2-7: Điều kiện địa chất điển hình vị trí cọc thí nghiệm sơ đồ bố trí thiệt bị đo (strain gauges) cọc 40 Hình 2-8: Lực dọc thân cọc cho toàn cấp tải trọng 40 Hình 2-9: Lực dọc thân cọc lớp địa chất khác 41 Hình 2-10: Vị trí thí nghiệm Mỹ 42 Hình 2-11: Bố trí thiết bị đo 43 Hình 2-12: Vị trí thí nghiệm lỗ khoan 43 Hình 2-13: Tỉ lệ thu hồi lõi khoan 44 Hình 2-14: Chỉ số RQD theo độ sâu 44 Hình 2-15: Cường độ mẫu đá theo độ sâu 45 Hình 2-16: Thiết bị thi cơng 45 Hình 2-17: Vị trí gắn Thiết bị thí nghiệm 46 Hình 2-19: Sức kháng ma sát đơn vị chuyển vị tương ứng 47 Hình 2-20: Sức chịu tải chuyển vị 48 Hình 2-21: Sức chịu tải chuyển vị 49 Hình 2-22: Thí nghiệm nén tĩnh cọc 50 vii Hình 2-23: Điều kiện địa chất vị trí thí nghiệm chi tiết bố trí thiết bị đo 51 Hình 2-24: Thiết bị thí nghiệm O-cell 51 Hình 2-25: Phân bố tổng lực thiết kế lên cọc PTP-1 PTP-2 theo phương pháp O-cell 52 Hình 2-26: Đường cong tải – lún thí nghiệm cọc khoan 52 Hình 2-27: So sánh kết thí nghiệm O-cell nén tĩnh 52 Hình 2-28: Thí nghiệm nén tĩnh cho cọc theo phương pháp gắn thiết bị đo chuyển vị biến dạng dọc theo thân cọc khoan nhồi 53 Hình 2-29: Phương pháp thí nghiệm dùng phương pháp đo chuyển vị cọc 54 Hình 2-30: Một số hình ảnh bố trí thiết bị đo theo lồng cốt thép 54 Hình 2-31: Bố trí thiết bị đo loại cho cọc có đường kính 750mm chiều dài = 47.0m 55 Hình 2-32: Biểu đồ phân bố lực tác dụng theo chiều sâu 55 Hình 2-33: Bố trí thí nghiệm mặt đứng 55 Hình 2-34: Bố trí thí nghiệm bằng, vị trí gắn đầu đo mặt 56 Hình 2-35: Thiết bị đo biến dạng cốt thép 56 Hình 2-36: Thiết bị đo biến dạng cọc 57 Hình 2-37: Phân bố sức kháng thân cọc theo chiều sâu 57 Hình 2-38: Biểu đồ t-z 58 Hình 2-39: Bố trí thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp đầu đo biến dạng dọc theo thân cọc 58 Hình 2-40: Hình ảnh thiết bị đo biến dạng gắn vào lồng cọc khoan nhồi 59 Hình 3-1: Biểu đồ xác định hệ số sức chịu tải mũi cọc 67 Hình 3-2: Hình trụ lỗ khoan vị trí cầu Ái Tử 71 Hình 3-3: Bố trí thiết bị đo dọc theo lồng cốt thép 76 Hình 3-4: Thiết bị đo chuyển vị đầu cọc 76 Hình 3-5: Thiết bị đo biến dạng cọc 77 Hình 3-6 Thiết bị đo biến dạng bê tông 78 Hình 3-7 Các thiết bị đo dây nối sau lắp vào lồng cốt thép 78 Hình 3-8: Sơ đồ bố trí thiết bị đo 79 Hình 3-9: Sơ đồ bố trí thiết bị đo 79 Hình 3-10 Thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế Cầu Ái Tử 85 viii Hình 3-11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nhổ cọc 86 Hình 3-12 Thí nghiệm nhổ cọc thực tế Cầu Ái Tử 87 Hình 3-13 Biểu đồ sức kháng ma sát dọc theo thành cọc theo độ sâu với cấp tải trọng nén tĩnh 92 Hình 3-14: Biểu đồ lực tác dụng theo độ sâu với cấp tải trọng nén tĩnh 92 Hình 3-15: Biểu đồ tải trọng độ lún thí nghiệm nén tĩnh 92 Hình 3-16: Biểu đồ sức kháng ma sát dọc theo thành cọc theo độ sâu với cấp tải trọng nhổ cọc 93 Hình 3-17: Biểu đồ tải trọng độ lún thí nghiệm nhổ cọc 93 Hình 4-1: Mơ hình hố cọc đường khoan nhồi 98 Hình 4-2: Mơ hình hố móng cọc Geo 99 Hình 4-3: Kết tính tốn cho móng cọc khoan nhồi 99 Hình 4-4: Bảng thiết lập liệu mơ hình cho chương trình tính tốn 101 Hình 4-5: Mơ hình cho phần tử cọc (Pile) 101 Hình 4-6: Bảng điều khiển thiết lập mơ hình lớp đất (Lớp 1) 103 Hình 4-7: Chỉ tiêu lớp đất thứ 103 Hình 4-8: Mơ hình lớp đất thứ (Sét pha/Bùn) 104 Hình 4-9: Các tiêu lớp thứ 104 Hình 4-10: Bảng mơ hình lớp đất thứ 105 Hình 4-11:: lớp đất số 105 Hình 4-12: Mơ hình lớp đất thứ 106 Hình 4-13: Chỉ tiêu lớp 106 Hình 4-14: Mơ tải trọng q trình gia tải thí nghiệm Nén tĩnh 108 Hình 4-15: Biểu đồ độ lún vị trí cọc qua cấp tải 109 Hình 4-16: Độ lún vị trí cọc qua cấp tải 110 Hình 4-17: Mơ hình tính tốn phần mềm FB-Pier 110 Hình 4-18: Kết so sánh tính tốn phần mềm FB-Pier với kết thực tế 111 Hình 4-19: Kết so sánh tính tốn phần mềm FB-Pier 111 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Phạm vi thích dụng loại hình cơng nghệ khoan tạo lỗ Bảng 1-2: Phân loại đá theo cường độ theo Attewell & Farmer 1976[34] 10 Bảng 1-3: Phân bố đá phong hóa nặng vị trí số cầu Đà Nẵng [11] 10 Bảng 1-4: Phân bố đá phong hóa nặng vị trí số cầu Quảng Bình 11 Bảng 1-5: Phân bố đá phong hóa nặng vị trí số cầu Quảng Trị [12] 11 Bảng 1-6: Định nghĩa loại đất trung gian theo tác giả [13, 42] 13 Bảng 1-7: Đánh giá hệ số αE từ môđun biến dạng 25 Bảng 1-8: Đánh giá hệ số αE từ tiêu RQD đá 25 Bảng 1-9: Giá trị s m [33] 29 Bảng 1-10: Loại đá để tìm m 29 Bảng 2-1 Bảng liệt kê phương pháp xác định độ cứng cọc [10] 36 Bảng 2-2: Thống kê sơ thiết bị đo cần thiết cho cọc khoan nhồi 60 Bảng 3-1: Sức kháng đơn vị ma sát thành cọc [1] 64 Bảng 3-2: Sức kháng đơn vị mũi cọc [12] 64 Bảng 3-3: Phân loại đá phong hóa theo giá trị SPT ngoại suy 65 Bảng 3-4: Sức chịu tải thành bên cực hạn cọc đá 66 Bảng 3-5: Quan hệ chất lượng chung số vật liệu sử dụng xác định cường độ phi tuyến đá 69 Bảng 3-6: Mô đun đàn hồi đá 69 Bảng 3-7 Số lượng cọc thí nghiệm 74 Bảng 3-8 Bảng thiết bị cần thiết cho thí nghiệm nén tĩnh cọc 74 Bảng 3-9: Chu trình thí nghiệm 80 Bảng 3-10: Quy trình gia tải cụ thể 87 Bảng 3-11: Sức kháng ma sát cọc lớp đá phong hóa nứt nẻ 89 Bảng 3-12: Tóm tắt tổng hợp kết đo lún cọc khoan nhồi 89 Bảng 3-13: Tóm tắt kết đo chuyển vị cọc khoan nhồi 91 Bảng 3-14: So sánh kết tính tốn theo IGM kết thí nghiệm nén cọc 93 Bảng 3-15 So sánh kết tính tốn theo IGM kết thí nghiệm nhổ cọc 93 Bảng 3-16 Kết thí nghiệm siêu âm cọc trụ T6 96 Bảng 4-1 Tham số đầu vào lớp đất đá theo mơ hình FB-pier 107 ... tra khả chịu tải cọc tầng đá phong hóa nứt nẻ Tên luận án “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ” 3 Mục đích nghiên cứu luận án Mục đích nghiên cứu dựa... Nam Do luận án “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ” trình bày kết nghiên cứu sức chịu tải cọc thi cơng vào tầng đá phong hố nứt nẻ khu vực Miền Trung... Tổng quan sức chịu tải cọc khoan nhồi tầng đá phong hóa nứt nẻ Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết thực nghiệm đánh giá sức chịu tải cọc khoan nhồi tầng đá phong hoá nứt nẻ Chƣơng 3: Nghiên cứu thực nghiệm