Luận văn Phân tích tính toán sức chịu tải của cọc thi công theo công nghệ mới Japan Pile (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Phân tích tính toán sức chịu tải của cọc thi công theo công nghệ mới Japan Pile (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN ÐỨC VIỆT PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THI CÔNG THEO CÔNG NGHỆ MỚI “JAPAN PILE NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 S K C0 0 4 8 9 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC VIỆT PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THI CÔNG THEO CÔNG NGHỆ MỚI “JAPAN PILE” NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC VIỆT PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THI CÔNG THEO CÔNG NGHỆ MỚI “JAPAN PILE” NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 Hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN VĂN TIẾNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
4. LÝ LỊCH CÁ NHÂN I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Đức Việt Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01 – 06 – 1988 Nơi sinh: Phú Yên Quê quán: Hòa Đồng, Tây Hòa, Phú Yên Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Hòa Đồng, Tây Hòa, Phú Yên. Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: E-mail: ducvietspkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo: Nơi học (trường, thành phố) : Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 06/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: -i-
5. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Công việc đảm Thời gian Nơi công tác nhiệm Công ty Cổ phần Tư vấn xây 04/2011 – 06/2015 Kỹ sư xây dựng dựng điện 3 Trường đại học Xây dựng 07/2015 – nay Kỹ sư xây dựng miền Trung -ii-
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Nguyễn Đức Việt -iii-
7. LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Trần Văn Tiếng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty Cổ phần Phan Vũ, phòng Las XD711- Công ty Cổ phần Tư vấn khảo sát kiểm định xây dựng Trường Sơn, đồng gửi lời cảm ơn đến Ths. Phù Nhật Truyền và phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm kiếm thông tin và số liệu để hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn tất cả người thân trong gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn. Vì kiến thức và thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Nguyễn Đức Việt -iv-
8. TÓM TẮC LUẬN VĂN Trước nhu cầu cấp thiết của mô phỏng số, xây dựng mô phỏng sự làm việc của cọc bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation phần nào hỗ trợ việc tính toán, kiểm tra lý thuyết tính toán. Công nghệ thi công khoan thả, sử dụng cọc bê tông ly tâm đúc sẵn kết hợp vữa xi măng đất. Trong luận văn này, tác giả áp dụng lý thuyết cận Ruess của vật liệu composite để xác định các đặc trưng của lớp vật liệu tương đường từ hỗn hợp vữa xi măng đất. So sánh với kết quả thí nghiệm thực tế và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D V8.5 cho thấy việc áp dụng lý thuyết trên là hợp lý. Mô hình MC được chọn là mô hình ứng xử đặc trưng của đất. Đồng thời, trong luận văn này tác giả đã tiến hành thí nghiệm xác định các đặc trưng cho mẫu vữa theo đúng tỷ lệ trộn yêu cầu của công trình. Kết quả mô phỏng đem so sánh với kết quả thí nghiệm nén tĩnh thực tế cho thấy quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc ở hai trường hợp gần như nhau, chứng tỏ phương pháp xây dựng mô phỏng cọc là đáng tin cây. Với kết quả mô phỏng đạt được, kết hợp với lý thuyết tính toán thiết kế cọc, áp dụng cho việc dự đoán khả năng ứng dụng của công nghệ khoan thả cọc (Basic method) vào các vùng địa chất phức tạp như TP.HCM. -v-
9. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục vi Danh sách các từ viết tắt x Mục lục hình xiv Mục lục bảng biểu xvi Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố: 1 1.1.1. Giới thiệu chung: 1 1.1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 2 1.1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước: 3 1.1.4. Tình hình nghiên cứu nước ngoài: 4 1.2 Mục đích của đề tài: 4 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài: 4 1.3.1. Nhiệm vụ: 4 -vi-
10. 1.3.2. Giới hạn: 5 1.4 Phương pháp nghiên cứu: 5 Chương 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ THI CÔNG KHOAN THẢ CỌC VÀ TỔNG QUAN ĐỊA CHẤT TP.HCM 6 2.1 Đánh giá các phương pháp thi công cọc truyền thống: 6 2.1.1. Cọc khoan nhồi: 6 2.1.2. Cọc ép: 7 2.2 Giới thiệu về phương pháp thi công khoan thả cọc (Basic method) 8 2.2.1. Tóm lược quy trình thi công: 8 2.2.2. Một số hình ảnh thi công thực tế tại công trường: 10 2.3 Ưu, khuyết điểm của phương pháp khoan thả cọc (Basic method): 14 2.3.1. Ưu điểm: 14 2.3.2. Khuyết điểm: 15 2.4 Tổng quan địa chất một số vùng ở khu vực TP.HCM: 16 2.4.1. Địa chất quận 1: 16 2.4.2. Địa chất quận 2: 17 2.4.3. Địa chất quận Bình Thạnh: 18 2.4.4. Địa chất quận 6: 19 2.4.5. Địa chất quận Thủ Đức: 20 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 3.1 Mô hình ứng xử đất: 21 3.2 Mô hình ứng xử của cọc: 26 3.3 Mô hình ứng xử của hỗn hợp vữa xi măng – đất: 26 3.3.1. Đặc trưng vật liệu tương đương: 26 3.3.2. Kiểm chứng lý thuyết tính toán: 27 3.4 Tính toán thiết kế cọc khoan thả theo phương pháp Basic: 28 -vii-
11. Chương 4: XÂY DỰNG MÔ PHỎNG SỐ 32 4.1 Thí nghiệm nén xác định đặc trưng vật liệu cho mẫu vữa xi măng: 32 4.2 Mô phỏng 2D ứng xử của hỗn hợp vữa xi măng – đất: 34 4.2.1. Dữ liệu đầu vào: 34 4.2.2. Mô hình mẫu: 35 4.2.3. Kết quả mô phỏng: 36 4.2.4. Kết luận: 38 4.3 Mô phỏng 3D cho cọc khoan thả: 39 4.3.1. Các thông số đầu vào: 39 4.3.2. Xây dựng mô hình cọc: 41 4.3.3. Kết quả mô phỏng: 43 4.3.4. So sánh quan hệ tải trọng chuyển vị từ mô phỏng với thí nghiệm nén tĩnh tải cọc: 44 4.3.5. Kết luận: 45 Chương 5: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG VÀO MỘT SỐ VÙNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP.HCM 47 5.1 Quận 6: 47 5.1.1. Thiết kế cọc: 47 5.1.2. Xây dựng mô hình cọc: 48 5.1.3. Kết quả mô phỏng: 50 5.1.4. Nhận xét: 51 5.2 Quận Tân Phú: 52 5.2.1. Thiết kế cọc 52 5.2.2. Xây dựng mô hình cọc: 53 5.2.3. Kết quả mô phỏng: 55 5.2.4. Nhận xét: 56 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 -viii-
12. 6.1 Kết luận: 57 6.2 Kiến nghị: 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 63 Phụ lục 1: Một số hình ảnh và kết quả nén mẫu vữa xi măng 63 Phụ lục 2: Kết quả mô phỏng 2D ứng xử của hỗn hợp vữa xi măng – đất 69 Phụ lục 3: Kết quả mô phỏng 3D cho cọc khoan thả 73 -ix-
13. DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT MC Mô hình Morh – Coulomb HS Mô hình Hardening – Soil SS Mô hình Soft – Soil SSC Mô hình Soft – Soil – Creep q Độ lệch ứng suất 1, 2, 3 Các ứng suất theo phương chính ’ Ứng suất hữu hiệu ε Biến dạng dọc trục Eref Module đàn hồi của đất nền CD Thí nghiệm 3 trục thoát nước CU Thí nghiệm 3 trục không thoát nước SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn CPT Thí nghiệm xuyên tĩnh N Giá trị thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn cu Lực dính của thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước  hệ số Poisson của đất Gref Module cắt -x-
14. Eoed Module biến dạng cref Lực dính Góc ma sát trong  Góc giãn nở γsat Dung trọng bão hòa của đất γunsat Dung trọng tự nhiên của đất Rinter Hệ số giảm cường độ tại bề mặt tiếp xúc S1 Diện tích của phần vật liệu xi măng Rp Sức chịu tải mũi Rao Thành phần sức chịu tải đáy mũi. Rf Thành phần sức chịu tải hông mũi. α Hệ số khả năng chịu tải của cọc Pfs Sức chịu tải hông của cọc do ma sát trong đất cát fs Ma sát bên trong lớp đất cát Ls Tổng chiều dài của cọc trong đất cát D Đường kính cọc. β Hệ số kháng ma sát của cọc trong đất cát Ns Giá trị trung bình của thí nghiệm SPT của lớp đất cát xung quanh thân cọc -xi-
15. Pfc Sức chịu tải hông của cọc do ma sát trong đất sét fc Ma sát bên trong lớp đất sét Lc Tổng chiều dài của cọc trong đất sét γ Hệ số kháng ma sát của cọc trong đất sét. qu Giá trị cường độ nén nhỏ nhất của đất sét xung quanh cọc Axisymmetry Đối xứng trục Linear Elastic Đàn hồi tuyến tính N/X Tỷ lệ trộn nước và xi măng của hỗn hợp vữa xi măng h Chiều dày lớp đất W Độ ẩm của đất γ Dung Trọng tự nhiên của đất γ’ Dung trọng đẩy nổi n Độ rỗng c Lực dính φ Góc ma sát trong σp Ứng suất tiền cố kết Etđ Mô đun đàn hồi của vật liệu tương đương νtđ Hệ số poisson của vật liệu tương đương l Chiều dài cọc -xii-
16. Pmax Sức chịu tải lớn nhất của cọc Ptk Sức chịu tải thiết kế của cọc Ap Diện tích tiết diện mũi cọc -xiii-
17. MỤC LỤC HÌNH Hình Trang Hình 1: Thiết bị và dụng cụ thi công 8 Hình 2: Thi công cọc theo phương pháp Basic 9 Hình 3: Định vị tim cọc trước khi khoan 10 Hình 4: Khoan dẫn 10 Hình 5: Khoan kết hợp đánh nhuyễn đất 11 Hình 6: Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước 11 Hình 7: Trộn vữa xi măng và lấy mẫu thử 12 Hình 8: Công tác hạ cọc 12 Hình 9: Hàn nối cọc 13 Hình 10: Đưa cọc đến độ sâu thiết kế, neo cọc 13 Hình 11: Quan hệ ứng suất, biến dạng dọc trục mô hình MC 22 Hình 12: Các mặt bao phá hoại mô hình MC trong không gian ứng suất chính 23 Hình 13: Phân tích cọc thi công theo công nghệ Basic 28 Hình 14: Sức chịu tải mũi của cọc 29 Hình 15: So sánh quan hệ ứng suất biến dạng mẫu 1, 2 tỷ lệ N/X = 0.6 33 Hình 16: So sánh quan hệ ứng suất biến dạng mẫu 1, 2,3 tỷ lệ N/X = 1.5 33 Hình 17: Định dạng mẫu cho mô hình 35 Hình 18: Mô hình mẫu bằng Plaxis 2D 35 Hình 19: So sánh quan hệ ứng suất, biến dạng giữa mô phỏng và thí nghiệm mẫu A4-8 36 Hình 20: So sánh quan hệ ứng suất, biến dạng giữa mô phỏng và thí nghiệm mẫu A6-4 36 Hình 21: So sánh quan hệ ứng suất, biến dạng giữa mô phỏng và thí nghiệm mẫu A11-8 37 -xiv-
18. Hình 22: So sánh quan hệ ứng suất, biến dạng giữa mô phỏng và thí nghiệm mẫu A12-4 37 Hình 23: So sánh quan hệ ứng suất, biến dạng giữa mô phỏng và thí nghiệm mẫu A12-5 38 Hình 24: Hình trụ hố khoan 41 Hình 25: Cấu tạo cọc 41 Hình 26: Các lớp vật liệu 42 Hình 27: Các phase mô hình 42 Hình 28: Quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc từ mô phỏng theo từng chu kỳ 43 Hình 29: So sánh quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc theo mô phỏng và thực nghiệm chu kỳ 1 44 Hình 30: So sánh quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc theo mô phỏng và thực nghiệm chu kỳ 2 44 Hình 31: So sánh quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc theo mô phỏng và thực nghiệm chu kỳ 3 45 Hình 32: Quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc mô phỏng công trình Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu 50 Hình 33: Quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc mô phỏng công trình Khu căn hộ cao tầng Packsimex 55 Hình 34: Trộn vữa xi măng 63 Hình 35: Kiểm tra lại kích thước mẫu 63 Hình 36: Cân mẫu 64 Hình 37: Chuẩn bị nén mẫu 64 Hình 38: Kết quả ghi nhận được sau khi nén mẫu 65 -xv-
19. MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng Trang Bảng 1: Đặc trưng đất nền công trình khách sạn Quê Hương, Q1 16 Bảng 2: Đặc trưng đất nền công trình Thảo Điền Complex Building, Q2 17 Bảng 3: Đặc trưng đất nền công trình Căn hộ City Garden, Q. Bình Thạnh 18 Bảng 4: Đặc trưng đất nền công trình Trụ sở làm việc ngân hang Á Châu, Q6 19 Bảng 5: Đặc trưng đất nền công trình Chung cư Quang Thuận, Q.Thủ Đức 20 Bảng 6: Giá trị ước lượng hệ số Poisson của đất 24 Bảng 7: Hệ số Rinter 25 Bảng 8: So sánh Mô đun đàn hồi tương đương từ lý thuyết và thực nghiệm 27 Bảng 9: Dữ liệu đầu vào cho mô phỏng phần 2D 34 Bảng 10: Đặc trưng đất nền hố khoan HK3 – Trung tâm thương mại Intresco 39 Bảng 11: Mô đun đàn hồi tương đương của hỗn hợp xi măng đất Trung tâm thương mại Intresco 40 Bảng 12: Hệ số nở hông tương đương của hỗn hợp xi măng đất Trung tâm thương mại Intresco 40 Bảng 13: Mô đun đàn hồi tương đương của hỗn hợp xi măng đất Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu 48 Bảng 14: Hệ số nở hông tương đương của hỗn hợp xi măng đất Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu 49 Bảng 15: Đặc trưng đất nền HK2 - Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu 50 Bảng 16: Mô đun đàn hồi tương đương của hỗn hợp xi măng đất Khu căn hộ cao tầng Packsimex 53 Bảng 17: Hệ số nở hông tương đương của hỗn hợp xi măng đất Khu căn hộ cao tầng Packsimex 53 Bảng 18: Đặc trưng đất nền HK2 - Khu căn hộ cao tầng Packsimex 54 -xvi-
20. Bảng 19: Biến dạng dọc trục mẫu 1 tỷ lệ N/X = 0.6 66 Bảng 20: Biến dạng dọc trục mẫu 2 tỷ lệ N/X = 0.6 66 Bảng 21: Biến dạng dọc trục mẫu 1 tỷ lệ N/X = 1.5 67 Bảng 22: Biến dạng dọc trục mẫu 2 tỷ lệ N/X = 1.5 68 Bảng 23: Biến dạng dọc trục mẫu 3 tỷ lệ N/X = 1.5 68 Bảng 24: So sánh biến dạng dọc trục từ mô phỏng và thí nghiệm mẫu A4-8 69 Bảng 25: So sánh biến dạng dọc trục từ mô phỏng và thí nghiệm mẫu A6-4 70 Bảng 26: So sánh biến dạng dọc trục từ mô phỏng và thí nghiệm mẫu A11-8 71 Bảng 27: So sánh biến dạng dọc trục từ mô phỏng và thí nghiệm mẫu A12-4 72 Bảng 28: So sánh biến dạng dọc trục từ mô phỏng và thí nghiệm mẫu A12-5 73 Bảng 29: So sánh chuyển vị đầu cọc từ mô phỏng và thí nghiệm thử tải công trình Trung tâm thương mại – Cao ốc văn phòng Intressco 73 Bảng 30: Chuyển vị đầu cọc từ mô phỏng công trình Trụ sở làm việc ngân hàng Á Châu, Q.6, TP.HCM 75 Bảng 31: Chuyển vị đầu cọc từ mô phỏng công trình khu căn hộ cao tầng Packsimex, Q.Tân Phú, TP.HCM 76 -xvii-
21. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố: 1.1.1. Giới thiệu chung: Theo tiến trình phát triển của công nghiệp xây dựng, các công trình ngày càng có quy mô lớn hơn, có kích thước, chiều cao, tải trọng ngày càng lớn và được xây dựng tại các khu vực có địa chất bất lợi, những phương án móng truyền thống như móng đơn, móng băng, móng bè không còn đáp ứng được khả năng chịu lực. Vì vậy cần phải có phương án móng an toàn hơn, có khả năng làm việc tốt hơn. Hiện nay, phương án móng sâu được sử dụng phổ biến cho các công trình nhà cao tầng, xây dựng trên nền đất yếu, phương án này sử dụng cọc nhồi đổ tại chỗ và cọc bê tông đúc sẵn. Tuy mỗi loại cọc tồn tại những ưu và nhược điểm của nó nhưng việc người thiết kế quyết định sử dụng phương án nào cần phải dựa theo điều kiện cụ thể của từng công trình về quy mô, đặc điểm của công trình, cấu tạo địa tầng, chiều sâu hạ cọc cũng như khả năng thi công của thiết bị hiện có. Tập đoàn Japan Pile đã đưa ra loại cọc thi công theo phương pháp khoan thả (Basic, Hyper – Mega) để tăng khả năng chịu lực của cọc, đồng thời kết hợp những ưu điểm và khắc phục khuyết điểm của 2 phương án cọc trên. Khoan thả là phương pháp thi công sử dụng công nghệ khoan dẫn cọc bê tông ly tâm đúc sẵn kết hợp hỗn hợp vữa xi măng – đất tại mũi và xung quanh cọc, nhằm tăng sức chịu tải mũi và hông cọc. Phương pháp này đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là Nhật Bản. -1-