Công nghệ neo xoắn trong thi công

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Khảo sát, đánh giá khả năng chịu lực của các dạng neo xoắn dựa trên các thông số chế tạo, đặc trưng cơ lý đất nền, từ đó xem xét tính phù hợp của neo tron

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ NEO XOẮN TRONG CÔNG TÁC THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU

CHO MỘT VÀI KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

KHOA SAU ĐẠI HỌC

CHO MỘT VÀI KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS PHẠM QUANG HƯNG

SỐ ĐẤT ĐẤT NỀN NỀN TỚI TỚI SỨC SỨC CHỊU CHỊU TẢI TẢI CỌC/NEO CỌC/NEO XOẮN XOẮN

ÁP DỤNG CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ Ở VIỆT NAM

4

MỞ ĐẦU

 Hơn 70% sự cố công trình xảy ra là do nguyên nhân địa

kỹ thuật, mà phần nhiều là do chủ quan cũng như không nắm vững được ứng xử giữa công trình với môi trường đất, đá của người thiết kế, chưa có lý thuyết tính toán một cách rõ ràng, phù hợp.

 Theo nguồn tạp chí “Tư vấn Thiết kế, số 03/2006” hiện

nay giải pháp chính giữ ổn định thành hố đào ở Việt Nam chủ yếu vẫn là dùng tường barrette (chiếm 92%) và phương pháp thi công giữ ổn định được phân chia như sau: Chống bằng thép hình chiếm 15%; Topdown chiếm 54%; Neo Neo trong trong đất

đất chiếm chiếm 15 15% %;; Cọc xi măng đất chiếm 8% và không chống chiếm 8%.

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Khảo sát, đánh giá khả năng chịu lực của các dạng neo xoắn dựa trên các thông số chế tạo, đặc trưng cơ lý đất nền, từ đó xem xét tính phù hợp của neo trong việc

áp dụng để giữ ổn định hố đào.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU :

 Nghiên cứu tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ cọc xoắn (Helical Pile) và neo xoắn (Helical Tension Anchor) áp dụng thi công thử nghiệm hố đào sâu cho một vài khu vực có địa chất thích hợp sử dụng giải pháp neo xoắn tại Hà nội

áp dụng để giữ ổn định hố đào.

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Xây dựng cơ cơ sở sở lý lý thuyết thuyết tính tính toán toán hoàn hoàn chỉnh chỉnh cho phương

án neo xoắn để áp dụng thi công các hố đào sâu cho một vài khu vực địa chất ở Hà nội.

 Xây dựng biểu đồ tương quan giữa sức chịu tải của cọc/neo xoắn với độ sâu neo, số lượng tấm xoắn/neo, góc ma sát

xoắn với độ sâu neo, số lượng tấm xoắn/neo, góc ma sát trong.

 Tính toán cụ thể cho một số công trình tại Hà Nội khi áp dụng công nghệ neo xoắn vào thi công tầng hầm, tính lặp để lựa chọn giải pháp kết cấu neo xoắn tối ưu nhất Sử dụng phần mềm như DeepXcav, Geo5 và HeliCAP…trong việc hỗ trợ tính toán.

Phân loại kết cấu neo trong đất kiểu phụt vữa

* Thiết kế bầu neo

a Theo tiêu chuẩn BS 8081:1989 điều 6.2.3.2 & 6.2.5.2 [8]

b Theo Canadian Foundation Engineering Manual [10], mục 26.12.4.1:

KẾT CẤU NEO TRONG ĐẤT KIỂU PHỤT VỮA

c Theo Joseph E.Bowles [14], mục Sheet Pile Walls:

“Cantilevered and Anchored”

* Tính ổn định tổng thể thanh neo

Phụ lục D tiêu chuẩn BS 8081:1989 [8],

MINH HỌA THI CÔNG NEO XOẮN & NEO PHỤT VỮA

ĐẶC TÍNH CỌC/NEO XOẮN

 Cọc/neo xoắn chia làm 2 loại: Vành khuyên/đặc (Round Shaft-RS),

hoặc hình vuông (Square Shaft-SS) được hàn với các tấm xoắn tạo thành một chuỗi xoắn.

 Một cọc neo xoắn có thể có nhiều hơn một tấm

xoắn nằm cách nhau một khoảng cách thích hợp trên

trục trụ thép.

 Đường kính/chiều rộng trục neo thường từ 1½ đến

 Đường kính/chiều rộng trục neo thường từ 1½ đến

3½ inch, chiều dài một phân đoạn thanh neo là 3 đến

10 feet (từ 0.9 đến 3.0m), bề dày điển hình của tấm

xoắn trong khoảng 3/8 đến 1/2 inch (từ 1  2cm),

trong khi đường kính tấm xoắn phổ biến thay đổi

trong phạm vi 6 đến 14 inch (từ 15  36cm).

 Trường hợp đặc biệt có thể chế tạo những tấm

xoắn có kích thước trục neo lên tới 12 inch (0.3 mét)

và đường kính tấm xoắn là 48 inch (khoảng 1.2 mét).

XY Y

Y

CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỌC/NEO XOẮN

Y

X X

XY

Y

X X

XY

XY

Y

NEO ĐẤT & CÁC CƠ SỞ LÝ

THUYẾT TÍNH

CHƯƠNG 2

Trong 20 năm qua, cọc/neo xoắn đã và đang được sử dụng phổ biến với số lượng ngày càng tăng, neo thích hợp để lắp đặt trong nhiều loại đất khác nhau, và có thể

hợp để lắp đặt trong nhiều loại đất khác nhau, và có thể tiếp nhận tải trọng ngay sau khi công việc lắp đặt hoàn thành.

Nội dung chính của chương này, tác giả trình bày những cơ sở tính toán cọc/neo xoắn theo lý thuyết cổ điển của Terzaghi, Kulwahy, Mitsch và Clemence (1985).

PHÂN TÍCH TÍCH SỰ SỰ LÀM LÀM VIỆC VIỆC CỦA CỦA NEO NEO XOẮN XOẮN

Hiện nay trên thế giới, việc dự báo khả năng chịu tải của cọc/neo xoắn thường được căn cứ vào một trong các mô hình sau: Theo Theo lý lý thuyết thuyết tính, tính, theo theo mô mô hình hình thực thực nghiệm

nghiệm và và bán bán thực thực nghiệm nghiệm

Một số câu hỏi được đặt ra trong quá trình nghiên cứu cọc xoắn /neo xoắn:



 Thiết kế có khả năng được cải thiện, nâng cao hay không?

cọc xoắn /neo xoắn:

 Sự bố trí khoảng cách giữa các tấm xoắn của neo như thế nào cho hợp lý? và có khoảng cách tối ưu nhất cung cấp hiệu suất tốt nhất cho việc lắp đặt cũng như tăng khả năng chịu tải của cọc/neo hay không?

dẫn đến việc chế tạo ra các dạng kết cấu khác nhau của neo?

Phương pháp cắt hình trụ

2

Phương pháp dựa vào khả năng chịu lực

3

Phương pháp kinh nghiệm dựa trên

PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC/NEO XOẮN

năng chịu lực của tấm xoắn

đơn

dựa trên tương quan mômen xoắn trong quá trình lắp đặt.

Theo phương pháp này, toàn bộ khối lượng của đất giữa cánh xoắn được giả thiết là huy động hoàn toàn Khả năng chịu lực của một tấm xoắn là tổng hợp của lực kháng cắt dọc trục của đất giữa các tấm xoắn và khả năng chịu lực của tấm xoắn đầu, được xác định từ khả năng chịu lực của 1 tấm xoắn đơn (Mitsch và Clemence,

Q bearing : khả năng chịu tải của cọc trong đất dính ;

Q shaft : sức kháng bên dọc chiều dài của trụ thép ;

SƠ ĐỒ CỦA Mooney (1985) & Narasimha (1991)

Lý tưởng hóa mặt phá hoại trong đất sét dưới tải trọng cực hạn

SƠ ĐỒ CỦA Clemence - NEO TRONG ĐẤT SÉT

(Cọc neo sâu)

(Cọc neo nông)

Sơ đồ làm việc của cọc xoắn khi chịu kéo, Clemence (cọc neo sâu)

Sơ đồ làm việc của cọc xoắn khi chịu kéo,

Clemence (cọc neo nông)

SƠ ĐỒ CỦA Clemence - NEO TRONG ĐẤT CÁT

 Cách tiếp cận ở đây được giả

định rằng khả năng chịu tải của

cọc/neo xoắn sẽ dựa trên các lý

thuyết tổng thể về khả năng

chịu tải của một tấm xoắn đơn.

 Lý thuyết này cho thấy khả

PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO KHẢ NĂNG CHỊU LỰC

CỦA TẤM XOẮN ĐƠN

 Lý thuyết này cho thấy khả

năng chịu tải của một cọc/neo

xoắn sẽ bằng tổng tổng của của khả khả

PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO KHẢ NĂNG CHỊU LỰC

CỦA TẤM XOẮN ĐƠN

1 Theo Canadian Foundation Engineering Manual

và được cho bởi công thức sau:

h

PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO KHẢ NĂNG CHỊU LỰC

CỦA TẤM XOẮN ĐƠN

a Trường hợp neo trong đất rời (Non-Cohesive Soil)

q h

q h

c A

c Trường hợp neo trong các loại đất khác nhau

PHƯƠNG PHÁP KINH NGHIỆM DỰA TRÊN TƯƠNG QUAN MÔ MEN XOẮN TRONG QUÁ TRÌNH LẮP ĐẶT

Nó dựa trên tương quan thống kê của lực kéo neo khác nhau, mômen xoắn cài đặt, hoặc các thông số khác Các phương pháp nghiên cứu những tương quan và các dữ liệu đo được được coi coi như như là là độc độc quyền quyền của của từng từng nhà nhà sản sản xuất Kết quả thu được từ những phương pháp này có tính biến đổi cao.

ult t

tính biến đổi cao.

K tt : hệ số làm việc của mômen, ft 1 1 (m 1 1 );

T : mômen xoắn trong quá trình lắp đặt, ft-lbs (kN-m);

Trong đó:

PHƯƠNG PHÁP KINH NGHIỆM DỰA TRÊN TƯƠNG QUAN MÔ MEN XOẮN TRONG QUÁ TRÌNH LẮP ĐẶT

Giá trị của K t được xác định từ thực nghiệm, thay đổi từ 3ft -1 ÷ 20 ft -1 phụ thuộc vào hình dạng của neo xoắn, khoảng cách giữa các tấm xoắn Được khuyến nghị là

nay được giới hạn cho các tấm xoắn tiêu chuẩn, bước răng 3", chiều dày tấm 3/8", và đường kính tấm 8" - 14" Những sản phẩm sản xuất bên ngoài với các dung sai khác cần được xem xét khi sử dụng các giá trị công bố trên để tra hệ số làm việc mômen K t

THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC

KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐẤT NỀN TỚI SỨC CHỊU TẢI

CỌC/NEO XOẮN

CHƯƠNG 3

các thông số đất nền cụ thể là sự biến thiên góc ma sát các thông số đất nền cụ thể là sự biến thiên góc ma sát trong hoặc lực dính một số khu vực địa chất ở Hà Nội tới sức chịu tải cực hạn của neo C Các ác bài bài toán toán được được đưa đưa ra

ra phân phân tích, tích, cơ cơ sở sở lý lý thuyết thuyết dùng dùng để để tính tính toán toán tác

tác giả giả dựa dựa trên trên lý lý thuyết thuyết của của Terzaghi Terzaghi thông thông qua qua chương

chương trình trình phần phần mềm mềm HeliCAP HeliCAP của của công công ty ty CHANCE® CHANCE® Civil

Civil Construction Construction (USA) (USA)

CHƯƠNG 3

thái đất tới khả năng chịu kéo/nén của neo xoắn.

 Đánh giá ảnh hưởng của độ sâu neo, góc nghiêng neo

Neo trong nền đất cát đồng nhất có

Neo trong nền đất cát đồng nhất có     0 và c = 0 0 và c = 0

 Đánh giá ảnh hưởng của độ sâu neo, góc nghiêng neo

và đường kính neo tới khả năng chịu kéo/nén của neo xoắn.

o

oBài Bài toán toán:: Cọc neo xoắn loại RS4500.337 có các đặc trưng như sau: Chiều dày tấm xoắn 12.7mm, tấm xoắn chế tạo từ thép có cường độ 50 ksi (345 Mpa), Khoảng cách giữa các tấm xoắn là 3D Cọc được neo vào nền đất cát đồng nhất có dung trọng tự nhiên:  = 18 kN/m 3 , mực nước ngầm ở rất sâu.

ĐỒ THỊ QUAN HỆ GIỮA GÓC MA SÁT TRONG CỦA ĐẤT CÁT VỚI SỨC CHỊU KÉO Qu

NEO LOẠI RS4500.337 DÀI 12.0M

ĐỒ THỊ QUAN HỆ GIỮA CHIỀU DÀI CỦA NEO TRONG ĐẤT CÁT  = 300, VỚI SỨC

KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỰC HẠN CỦA NEO LOẠI RS4500.337

(Đường kính tấm xoắn 254mm - 305mm - 356mm)

500 600 700 800

Biểu đồ quan hệ giữa sức chịu tải cực hạn Q u và độ sâu neo từ

KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỰC HẠN CỦA NEO LOẠI RS4500.337 DÀI 12M

(Trường hợp neo theo phương thẳng đứng)

Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa số lượng tấm xoắn/neo với sức

140

329

567

0 200

-356mm -356mm 254mm -305mm

-356mm -356mm

-356mm 254mm -305mm

Neo trong nền đất cát đồng nhất có  = 30 0

ĐỒ THỊ QUAN HỆ GIỮA GÓC NGHIÊNG CỦA NEO VỚI SỨC CHỊU KÉO CỰC HẠN Qu

NEO LOẠI RS4500.337 DÀI 12.0M

 Đánh giá ảnh hưởng sự biến thiên lực dính C u ứng với từng loại đất và trạng thái đất tới khả năng chịu kéo/nén của neo xoắn.

Neo trong nền đất sét đồng nhất có

Neo trong nền đất sét đồng nhất có   = = 0 và c 0 và c   0 0

neo và đường kính neo tới khả năng chịu kéo/nén của neo xoắn trong nền đất sét.

Biểu đồ tương quan giữa sức chịu kéo cực hạn Q u với hệ số cường

độ kháng cắt không thoát nước c u của đất sét, neo loại SS175

KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỰC HẠN CỦA NEO LOẠI SS200 (Đường kính tấm xoắn 254mm - 305mm - 356mm)

Đồ thị tương quan giữa khả năng chịu tải tới hạn Q u của neo xoắn với chiều sâu

neo theo các lý thuyết tính khác nhau, nền sét nửa cứng c u = 80 kPa

KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỰC HẠN Qu CỦA NEO LOẠI SS200 DÀI 12M

(Trường hợp neo theo phương thẳng đứng)

Kết quả khảo sát cho thấy sức chịu tải của neo xoắn (kéo/nén) trong nền đất cát tăng nhanh theo góc ma sát trong của đất Khả năng chịu tải của neo có thể đạt được

là 20T/neo – 50T/neo với hệ số an toàn Fs = 2.0 trường hợp neo vào nền cát hạt trung, chặt vừa có  = 30 0

NHẬN XÉT 1:

Kết quả cũng cho thấy rằng sức chịu tải cực hạn của neo trong nền đất cát đồng nhất cũng tăng lên khi mà chiều dài neo hoặc số lượng tấm xoắn trên neo tăng lên Tuy nhiên thực nghiệm của Meyerhof và Adam (1968) chỉ ra rằng có 1 tỷ lệ tối đa về độ sâu neo (H/D) cr nơi mà cơ chế phá hoại sẽ không phụ thuộc vào độ sâu neo.

NHẬN XÉT 1:

Khảo sát sức chịu tải của neo theo độ sâu neo, kết quả cho thấy sức chịu tải của neo tăng theo góc nghiêng của neo

so với phương nằm ngang Thông thường với các góc neo

từ 20 0  35 0 cho ta sức chịu tải của neo tương đối nhỏ Do vậy trong trường hợp này để tăng sức chịu tải của neo thì cần phải tăng thêm số lượng tấm xoắn trên neo.

cần phải tăng thêm số lượng tấm xoắn trên neo.

Kết quả tính toán khả năng chịu tải của neo xoắn bằng các

lý thuyết tính của Mitsch & Clemence, Terzaghi và phần mềm HeliCAP cho kết quả là khá gần nhau, sai số < 5% giữa các phương pháp tính Nguyên nhân của sự khác nhau là kết quả tính toán của Mitsch & Clemence dựa trên lý thuyết mặt cắt hình trụ còn kết quả tính toán theo Terzaghi và từ chương trình HeliCAP là dựa trên lý thuyết khả năng chịu lực của từng tấm xoắn đơn.

Kết quả tính toán từ chương trình phần mềm HeliCAP cho kết quả nhỏ nhất giữa các phương pháp

và thiên về an toàn Do vậy ta hoàn toàn có đủ cơ sở căn cứ để ứng dụng chương trình cho những tính toán

về sau.

NHẬN XÉT 1:

Với cùng một chiều dài neo và loại neo xoắn, sức chịu tải của neo tăng nhanh theo số lượng tấm xoắn trên neo và độ sâu neo Tuy nhiên việc bố trí quá nhiều tấm xoắn trên neo sẽ làm cho sức chịu tải theo mômen xoắn lắp đặt giảm đi đáng kể.

Sức chịu tải cực hạn của neo trong nền đất sét giữa các lý thuyết tính có sự sai khác nhau.

Nguyên nhân là do phương pháp tính của Terzaghi và chương trình HeliCAP chưa xét đến thành phần sức kháng ma sát dọc theo mặt phá hoại hình trụ và sức kháng sinh ra do sự bám dính giữa bề mặt đất sét và trục trụ thép Điều này dẫn

NHẬN XÉT 2:

bám dính giữa bề mặt đất sét và trục trụ thép Điều này dẫn đến sức chịu tải của neo trong đất sét nếu tính theo phương pháp của Terzaghi sẽ không phụ thuộc vào độ sâu neo mà chỉ phụ thuộc vào cường độ cắt không thoát nước c u

Các công thức xác định sức chịu tải của neo trong đất sét theo Mooney (1985), Narasimha (1991) và Clemence) đưa ra đều chỉ ra rằng độ sâu neo có ảnh hưởng tới sức chịu tải cực hạn của neo thông qua các tham số như : H eff , L c , hệ số bám dính C a Như vậy là hoàn toàn hợp lý.

ÁP DỤNG CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

LÝ THUYẾT VÀO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM HELICAP v2

Số liệu khảo sát địa chất

Xác định lực neo thiết kế

DeepXcav, Geo5, Plaxis…

Điều chỉnh vị trí neo để đảm bảo sự phân phối mômen uốn trong tường

là tốt nhất.

Số lượng tầng neo, vị trí neo

Hệ số an toàn thích hợp

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC THIẾT KẾ NEO XOẮN GIỮ ỔN

ĐỊNH HỐ ĐÀO

NO

Tính ngược lại để tìm ra mô men

xoắn cài đặt tối thiểu

Tiến hành tính toán để chọn lựa kích thước neo thích hợp

Ổn định tổng thể

Đảm bảo khả năng chịu lực

Thử tải neo và thi công đại trà

Hệ số an toàn thích hợp Loại neo tương ứng Thiết bị thi công

Công trình có 2 tầng hầm tại khu vực Văn Quán

Công trình có 2 tầng hầm tại khu vực Văn Quán Hà Đông Hà Đông

DeepXcav, tính toán sơ

bộ cho các giai đoạn

thi công để xác định

lực kéo/nén lớn nhất

của từng tầng neo phải

chịu

Công trình có 2 tầng hầm tại khu vực Văn Quán

Công trình có 2 tầng hầm tại khu vực Văn Quán Hà Đông Hà Đông

Không kể đến ảnh hưởng dòng thấm

Có kể đến ảnh hưởng dòng thấm

Công trình có 2 tầng hầm tại khu vực Văn Quán

Công trình có 2 tầng hầm tại khu vực Văn Quán Hà Đông Hà Đông

Lựa chọn kích thước neo cho tầng chống 1

Công trình có 2 tầng hầm tại khu vực Văn Quán

Lựa chọn kích thước neo cho tầng chống 2

TÒA NHÀ HỖN HỢP AZ LÂM VIÊN

Tòa nhà hỗn hợp AZ Lâm Viên” có kích thước là 40.2m x 42.5m, được xây dựng tại 107 Nguyễn Phong Sắc, phường Dịch Vọng, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Công trình gồm 2 tầng hầm, sàn tầng hầm 1 ở cốt -3.15m, sàn tầng hầm 2 ở cốt - 6.65m.

Lớp 1: Đất lấp và thổ nhưỡng, chiều dày lớp là 1.9m

Lớp 1: Đất lấp và thổ nhưỡng, chiều dày lớp là 1.9m

Lớp 2: Sét xám vàng, trạng thái dẻo cứng chiều dày lớp 4.0m

Lớp 5: Sét pha nâu vàng, trạng thái dẻo cứng bề dày lớp 11.0m

Lớp 6: Sét pha xám vàng, trạng thái dẻo mềm bề dày lớp 2.0m

Lớp 7: Cát hạt trung, sạn sỏi, trạng thái chặt vừa, bề dày chưa xác định

Giả thiết mực nước ngầm nằm dưới đáy hố móng

TÒA NHÀ HỖN HỢP AZ LÂM VIÊN

Biểu đồ nội lực giai đoạn đào đất đến cốt -6.5m (phần mềm Deep Xcav)

trường hợp giả thiết liên kết chống là cứng