5. Nội dung nghiên cứu
3.2. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào ứng với công trình thực
3.2.1. Các đặc điểm cơ bản của công trình
Công trình Khu dân cư 15 tầng, Quận 8 – TP. Hồ Chí Minh có quy mô 15 tầng và 1 tầng hầm. Công trình sử dụng móng cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước để chống đỡ kết cấu bên trên. Cừ Larsen loại IV dài 6,0m được dùng để chắn giữ hố đào trong quá trình thi công tầng hầm. Hố đào có kích thước 52,4m×33,9m, thi công bằng biện pháp đào mở.
Các bước thi công:
Bước 1:Thi công ép cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước đường kính
600mm (gồm 3 đoạn, mỗi đoạn dài 12m). Bước 2: Thi công tường cừ Larsen.
Bước 3: Đào đất đến cao độ -1,8m (so với mặt đất tự nhiên (MĐTN). Đào
đến đâu tiến hành giằng đầu cừ đến đó. Vận chuyển đất đi qua lô đất khác.
Bước 4: Đào đất đến cao độ đáy đài là -3,8m (so vớiMĐTN) để thi công
đài móng. Tiến hành đồng thời đào rãnh và mương thoát nước. Đóng cừ neo và thi công chống xiên.
Hình 3.2 – Mặt bằng tổng thể thi công hố đào
Hình 3.3 – Mặt bằng thi công hố đào
36
Hình 3.4 – Chi tiết cáp neo đầu cừ
Hình 3.5 – Mặt cắt sau khi thi công cọc và tường cừ Larsen
Hình 3.7 – Mặt cắt sau khi thi công đào đến độ sâu -3,8m so với MĐTN
Hình 3.8 – Chi tiết chống xiên trong hầm và neo cáp ngoài hầm
3.2.2. Các thông số và mô hình vật liệu
3.2.2.1. Thông số đất sử dụng trong mô hình
Dựa trên cơ sở hồ sơ khảo sát địa chất công trình tác giả tiến hành phân tích và lựa chọn các thông số bền và biến dạng của nền đất để mô phỏng bài toàn hố đào trong chương trình PLAXIS 3D Foundation.
3.2.2.2. Thông số tường cừ Larsen
Hệ tường cừ Larsen FSP – IV được thi công bằng búa rung được đóng tới cao độ -5,35m (so với MĐTN). Dựa vào thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất của cừ
38 SPT N = 0 SPT N = 3 SPT N = 17 SPT N = 49 Đất đắp, dày 1m Bùn sét trạng thái chảy, dày 25m Cát mịn trạng thái chặt vừa, dày 13,9m Bùn sét xen lẫn thấu kính cát trạng thái dẻo, dày 8,5m
Sét trạng thái cứng, dày >11,6m
Larsen FSP – IV ta tiến hành tính toán các thông số của tường trong mô phỏng bằng phần mềm PLAXIS 3D Foundation .
5. Hình 3.9 – Mô hình 3D của các lớp địa chất
Bảng 3.1 – Các thông số của cừ Larsen từ nhà sản xuất
FSP - IV Diện tích mặt cắt ngang cm2 Khối lượng/m kg/m Moment quán tính cm4 Mô đun đàn hồi cm3 Trên m tường 242,5 190 38600 2270
Bảng 3.2 – Thông số đất nền sử dụng mô hình Mohr – Coulomb (MC) Thông số Ký hiệu Đất đắp Lớp 1 Bùn sét – Trạng thái chảy Lớp 2 Bùn sét xen kẹp thấu kính cát – Trạng thái dẻo chảy Lớp 3 Cát – Trạng thái chặt vừa Lớp 4 Sét – Trạng thái cứng Đơn vị Chiều dày - 1,0 25 8,5 13,9 11,6 m
Mô hình vật liệu Model MC MC MC MC MC -
Ứng xử của vật liệu Type Drained Undrained Undrained Drained Undrained -
Dung trọng tự nhiên (unsat.) 18 14.5 16.6 19.5 20.5 kN/m3
Dung trọng bão hòa (sat.) 18 14.5 16.6 19.5 20.5 kN/m3
Hệ số thấm kx=ky=kz 8.64e-2 8.64e-6 8.64E-5 8.64E-3 8.64E-6 m/ngà
y
Môđunđàn hồi Eref 10000 2500 6500 26000 74000 kN/m2
Hệ số Poisson ’ 0.25 0.33 0.3 0.25 0.25 -
Lực dính c’/cu 0.1 9 11 3 52 kN/m2
Góc nội ma sát /u 28 4 6 28 18 o
Góc giãn nở 0 0 0 0 0 o
Hệ số giảm ứng suất tiếp xúc Rinter 1 1 1 1 1 -
40
Tính toán dựa vào các công thức trình bày ở mục 2.5. d = h = 170×2 = 340mm = 0,34m ( ) ( ) ( )
Bảng 3.3 – Thông số cừ Larsen FSP – IV dùng trong mô hình
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Bề rộng d 0,34 m
Trọng lượng riêng 5,6 kN/m3
Loại ứng xử - Linear, non-isotropic -
Môđun đàn hồi E1 24,749.106 kPa
E2 1,237.106 kPa
Môđun cắt G12 1,237.106 kPa
G13 2,496.106 kPa
3.2.2.3. Thông số thanh chống xiên và giằng đầu cừ Larsen
Thanh chống xiên tại góc hố đào và giằng đầu cừ Larsen sử dụng thép hình H300×300×10×15tại cao trình MĐTN, sử dụng thép mác SS400 (CCT42) có mô đun đàn hồi E = 2,1×108
kN/m2, cường độ tính toán f = 2450 kG/cm2
, fv = 1350 kG/cm2.
Bảng 3.4 – Đặc trưng vật liệu của thanh chống xiên và gằng đầu cừ
Thông số Ký hiệu Thanh chống và
giằng đầu cừ Đơn vị Diện tích mặt cắt ngang A 119,8.10-4 m2
Trọng lượng riêng 78,5 kN/m3
Ứng xử của vật liệu - Linear -
Môđun đàn hồi E 2,1.108 kN/m2
Moment quán tính I2 20,4.10-6 m4
I3 0,675.10-6 m4
3.2.3. Thông số cọc sử dụng trong mô hình
Công trình sử dụng móng cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước PHC đường kính 600mm, chiều dày thành ống 100mm. Cọc ống loại A, có diện tích mặt cắt ngang 15.7080mm2, cường độ bê tông cọc là 78,5N/mm2. Cọc sử dụng 6 cây thép đường kính 7,1mm. Sự phá hoại của cọc sẽ dựa vào moment gây nứt cọc là Mcr = 166,8kN.m. Mô đun đàn hồi của bê tông được dùng trong phân tích là 30.000Mpa. Hệ số possion 0,2.
Trong phân tích nếu ta sử dụng mô hình cọc ống thì sẽ tạo ra số phần tử lớn, điều này cần hạn chế trong mô phỏng bằng phần PLAXIS 3D Foundation. Vì khi số phần tử tăng lên đồng nghĩa thời gian và khối lượng tính toán sẽ tăng lên. Để đơn giản hóa trong quá trình phân tích chúng ta đề xuất phương án sử dụng cọc đặc để mô phỏng. Cọc đặc này sẽ có đường kính 600mm bằng đường kính ngoài của cọc ống, mục đích đảm bảo mặt đón lực của 2 cọc là như nhau. Mô đun đàn hồi của bê tông cũng được quy đổi tương đương thông qua công thức:
42 ( ) ( ) ( ) ( ) Trong đó:
Ed – Mô đun đàn hồi của bê tông cọc đặc. Er – Mô đun đàn hồi của bê tông cọc ống. Jd – Moment quán tính cọc đặc.
Jr – Moment quán tính cọc ống. Dn – Đường kính ngoài của cọc. Dt – Đường kính trong của cọc ống.
Chúng ta tiến hành mô phỏng trên PLAXIS 3D Foundation 2 trường hợp sử dụng cọc đặc và cọc ống, trong đó cọc đặc được quy đổi độ cứng tương đương với cọc ống. Biểu đồ chuyển vị của cọc trong 2 trường hợp theo giai đoạn đào, hình 3.12
a b
Hình 3.11 – Chuyển vị tại các giai đoạn thi công đào của cọc rỗng và cọc đặc
a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,2m b) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -2,4m
6. Hình 3.12 – Kết quả chuyển vị của cọc rỗng và cọc đặc có độ cứng tương đương
Nhận xét: Chuyển vị của cọc đặc có độ cứng tương đương với cọc ống cho
kết quả chuyển vị giống với chuyển vị của cọc ống.
Kết luận: Vậy để đơn giản hóa mô phỏng cọc ống trong PLAXIS 3D
Foundation ta có thể quy đổi về cọc đặc với độ cứng tương đương, nhưng không thay đổi đường kính ngoài của cọc để đảm bảo điều kiện đón lực như nhau.
Bảng 3.5 – Đặc trưng vật liệu của cọc sử dụng trong mô hình
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Loại cọc - Massive circular pile
Đường kính cọc d 0,6 M
Trọng lượng riêng 14 kN/m3
Mô đun đàn hồi E 2,41.107 kN/m2
44
3.2.4. Phụ tải mặt đất
Xung quanh công trình có 3 mặt tiếp giáp với đường, khoảng cách từ công trình đến các công trình dân dụng khá xa nên trong luận văn này bỏ qua tải này. Trong quá trình thi công còn có tải của máy thi công, nên phụ tải được lấy là 10 kN/m2 và cách mép ngoài tường cừ Larsen là 2,5m, đặt ở mặt đất tự nhiên (MĐTN). Ngoài ra, khi thi công đào, đất được chuyển và tập kết cách hố đào khoảng 11m trên diện tích 200m2
và cao khoảng 4m nên chúng ta lấy bằng 70kN/m2.
3.2.5. Điều kiện mực nƣớc ngầm
Mực nước ngầm xuất hiện cách MĐTN -1,5m. Toàn bộ hố đào được thực hiện trong lớp đất số bùn sét có hệ số thấm rất bé nên sẽ không xuất hiện dòng thấm từ bên ngoài vào trong hố đào. Nước xuất hiện cục bộ trong hố đào sẽ dùng rãnh thu về các hố và bơm ra ngoài.
3.2.6. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào ứng với trƣờng hợp thực tế.
3.2.6.1. Mô hình trong PLAXIS 3D Foundation
Hình 3.14 – Mặt bằng mô hình trong phân tích phần tử hữu hạn
a) b)
46
Hình 3.16 – Mô hình cọc, tường và hệ neo
a) b)
Hình 3.17 – Các giai đoạn thi công đào
a) Đào đến cao độ -1,8m b) Đào đến cao độ -3,8m
3.2.6.2. Kết quả tính toán
Hình 3.18 – Biến dạng của hố đào khi đào đến cao độ -3,8 so với MĐTN
48
a) b)
Hình 3.20 – a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m;
b) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -3,8m;
a) b)
Hình 3.21 – a) Moment của cọc khi đào đến cao độ -1,8m;
3.2.6.3. Phân tích kết quả tính toán
7. Hình 3.22 – Mặt bằng cọc được sử dụng trong phân tích so sánh
Thực tế ngoài hiện trường vị trí cọc bị nghiêng lệch lớn nhất như trong hình 3.22. Nên trong nghiên cứu này chúng ta chỉ tập trung phân tích kết quả tính toán khu vực trên.
a)Phân tích chuyển vị của cọc
Từ kết quả tính toán của PLAXIS 3D Foundation ta vẽ biểu đồ chuyển vị lớn nhất của các cọc theo các giai đoạn thi công đào đất
Giai đoạn 1: Đào đến cao độ -1,8m (so với MĐTN)
Từ biểu đồ ta thấy, khi tiến hành đào giai đoạn 1 thì các cọc chuyển vị rất nhỏ dao động trong khoảng 7cm đến 8cm. Vị trí chuyển vị lớn nhất của cọc nằm ở cao độ -11m so với MĐTN.
Giai đoạn 2: Đào đến cao độ -3,8m (so với MĐTN)
Từ biểu đồ ta thấy, khi tiến hành đào giai đoạn 2, với tải khối đất lân cận lớn (70kN/m2) gây ra chuyển vị rất lớn cho các nhóm cọc gần tường, chuyển vị lớn nhất tại đỉnh cọc và giảm dần khi xuống sâu phía dưới. Chuyển vị lớn nhất là cọc số 121,
50
122, 123 và 150, có giá trị lần lượt là 101,5cm; 100cm; 105cm và 93,6cm. Các cọc còn lại thì dao động trong khoảng 48‚84cm.
Hình 3.23 – Biểu đồ chuyển vị lớn nhất của các cọc theo các giai đoạn thi công
đào đất b)Phân tích nội lực trong cọc
Trong suốt quá trình đào ứng xử của cọc còn được so sánh với moment kháng nứt của cọc Mcr = 166,8 kN.m. Như vậy, khi moment uốn trong cọc vượt quá giá trị này thì cọc đó xem như bị nứt. Nếu cọc đạt 80%Mcr thì giả định cọc đạt trạng thái giới hạn. Kết quả so sánh được tóm tắt trong Bảng 3.6.
Moment uốn của các cọc trong mô phỏng bằng PLAXIS 3D Foundation cho kết quả lớn hơn 80%Mcr, điều này sẽ dẫn đến cọc bị nứt. Đồng thời cũng phù hợp với kết quả kiểm tra độ đồng nhất của cọc ngoài hiện trường bằng phương pháp biến dạng nhỏ (PIT).
Hình 3.24 – Biểu đồ Moment uốn lớn nhất trong các cọc theo giai đoạn thi công Bảng 3.6 – Moment uốn lớn nhất của cọc từ mô hình phần tử hữu hạn 3D và kết
quả kiểm tra độ đồng nhất của cọc bằng phương pháp biến dạng nhỏ(PIT)
Số thứ tự cọc
Điều kiện làm việc của cọc Kết quả tính toán bằng
PLAXIS 3D Foundation
Kết quả thí nghiệm hiện trƣờng bằng Phƣơng pháp biến dạng nhỏ (PIT)
121 Cọc bị gãy Cọc có khả năng bị nứt hay mối nối không tốt
122 Cọc bị gãy Cọc đồng nhất 123 Cọc bị gãy Cọc bị nứt 124 Cọc bị nứt Cọc đồng nhất 125 Cọc bị nứt Cọc đồng nhất 126 Cọc bị nứt Cọc đồng nhất 150 Cọc bị gãy Cọc bị nứt 151 Cọc bị gãy Cọc bị nứt 152 Cọc bị gãy Cọc bị nứt 153 Cọc bị nứt Cọc bị nứt 154 Cọc bị nứt Cọc bị nứt
52
C) Phân tích chuyển vị của cọc với quan trắc ngoài hiện trường
Chọn nhóm cọc như hình 3.25 (có chuyển vị ngang lớn nhất) để phân tích. Từ bảng kết quả chuyển vị của cọc trong PLAXIS ta vẽ được biểu đồ chuyển vị ngang của hàng cọc (số 150, 151, 152) theo từng giai đoạn thi công hố đào.
Hình 3.25 – Mặt bằng nhóm cọc sử dụng phân tích
Giai đoạn 1: Đào đất đến cao độ -1,8m (so với MĐTN):
- Ta thấy rằng chuyển vị ngang lớn nhất của các cọc tương đối nhỏ, dao dộng từ 4,5cm đến 6,5cm và các cọc càng xa dần tường cừ Larsen thì giá trị chuyển vị càng giảm dần. Các cọc trên có giá trị chuyển vị lớn nhất tại cao độ -11m so với MĐTN, nó gần như nằm ở giữa cao độ của lớp đất yếu. Trong giai đoạn này ta không xét đến quan trắc ngoài hiện trường.
54
Giai đoạn 2: Đào đất đến cao độ -3,8m (so với MĐTN):
- Từ kết quả thấy rằng cọc có chuyển vị ngang lớn nhất của tất cả các cọc đều nằm tại đỉnh cọc (cao độ 0,0m so với MĐTN). Giá trị chuyển vị ngang lớn nhất và giá trị quan trắc của từng cọc là: cọc 150 (chuyển vị 93,4cm - quan trắc 155,7cm); cọc 151 (chuyển vị 83,4cm - quan trắc 148,3cm); cọc 153 (chuyển vị 54,9cm - quan trắc 74,5cm); cọc 154 (chuyển vị 48,6cm - quan trắc 71,3 cm); cọc 155 (chuyển vị 30cm - quan trắc 26,5cm); cọc 156 (chuyển vị 28,7cm - quan trắc 19,4cm); cọc 158 (chuyển vị 21,3cm - quan trắc 13,7cm); cọc 159 (chuyển vị 20,7cm - quan trắc 18,5cm). Ta thấy nhóm cọc 150, 151, 152, 154 có giá trị quan trắc chuyển vị rất khác so với chuyển vị theo mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation vì trong thực tế thì nhóm cọc này đã bị gãy và bị đẩy ra xa, còn theo phần mềm Plaxis thì mô phỏng vật liệu của cọc là đàn hồi tuyến tính nên không bị phá hoại vẫn giữ nguyên hiện trạng của chuyển vị của cọc. Còn nhóm cọc 155, 156, 158, 159 có giá trị chuyển vị xấp xỉ với giá trị quan trắc ngoài hiện trường.
Hình 3.27 – Đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất
của cọc và khoảng cách từ cọc đến tường theo chiều sâu lớn nhất hố đào.
Sử dụng phần mềm excel và kết quả chuyển vị của cọc thì ta nhận thấy vùng ảnh
Kết luận:
Khi sử dụng các thông số đầu vào ở mục 4.2.2 để mô phỏng bằng phần mềm PLAXIS 3D Foundation thì cho kết quả chuyển vị ngang và moment uốn của cọc xấp xỉ với giá trị quan trắc ngoài hiện trường. Như vậy, ta có thể sử dụng bộ thông số này để mở rộng phân tích cho những trường hợp khác.
Với lớp đất yếu dày (bùn sét – trạng thái chảy - 25m) cùng với sự tác động của phụ tải khối đất đắp lớn (70kN/m2) và gần hố đào nên dẫn đến chuyển vị và moment uốn trong cọc phát sinh lớn, cọc vượt quá moment kháng uốn của cọc. Giá trị chuyển vi cực đại tại đỉnh cọc và moment cực đại tại cao độ -16m so với MĐTN.
Vùng ảnh hưởng chuyển vị của cọc bên trong hố đào là khoảng 4,5H (H là chiều sâu của hố đào).
=>Với sự ảnh hưởng như vậy thì chúng ta phải có nhiều giải pháp khắc phục sự cố trên để đảm bảo cho công trình trong quá trình thi công. Do dó giải pháp trước tiên chúng ta xét đến sự dịch chuyển phụ tải khối đất đắp ra xa dần công trình. Phần này sẽ được trình bày trong mục sau.
56
3.2.7. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào trong trƣờng hợp