Nghiên cứu đánh giá khả năng chuyển vị ngang của đầu cọc ép trong quá trình thi công hố móng trong điều kiện đất yếu khu vực thành phố cần thơ

Do lớp đất yếu nằm ngay trên bề mặt mặt đất cùng với một số khu vực có địa hình phân cắt, trong quá trình đào hố móng thi công, dưới tác dụng của áp lực ngang của đất và các thiết bị thi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

LÂM NGUYỆT DUYÊN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHUYỂN VỊ NGANG CỦA ĐẦU CỌC ÉP TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG HỐ MÓNG TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẤT YẾU KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 12 – 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

-

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÂM NGUYỆT DUYÊN MSHV: 12144654

Ngày, tháng, năm sinh:12/10/1987 Nơi sinh: CẦN THƠ

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (CT) Mã ngành: 605861

I TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHUYỂN VỊ NGANG ĐẦU CỌC ÉP TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG HỐ MÓNG TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẤT YẾU KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Đánh giá khả năng chuyển vị ngang của cọc trong quá trình thi công nền móng

công trình

- Ước lượng mức độ chuyển vị ngang của đầu cọc

- So sánh kết quả tính toán từ phần mềm Plaxis 2D và 3D, từ đó tìm ra các biện pháp thi công hợp lý

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 23/7/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 23/12/2013

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Tp.Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS BÙI TRƯỜNG SƠN PGS TS VÕ PHÁN

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Luận văn tốt nghiệp được hoàn thành không những từ nổ lực bản thân học

viên mà còn nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của quý thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè

thân hữu

Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy Bùi Trường Sơn, người đã

giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong thời gian thực hiện Luận văn, giúp cho học viên có

được những kiến thức hữu ích làm nền tảng cho việc học tập và công tác sau này

tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong thời gian học viên thực hiện Luận văn

khóa 2011, Đặc biệt là Ban Cán Sự lớp đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học

và thực hiện luận văn

Cuối cùng, xin cám ơn gia đình và các bạn bè thân hữu, nhất là hai người

bạn thân của tôi đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và thực hiện

Luận văn

Học viên

TRÌNH THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

Lớp đất yếu tại khu vực thành phố Cần Thơ khá dày và nằm ngay tại bề mặt Ngoài ra, công trình nhà cao tầng thường có tầng hầm Việc khai đào hố móng gây chênh lệch áp lực đất và áp lực đất có thể gây nghiêng cọc Cọc nghiêng do áp lực đất và tải trọng thiết bị thi công gây lệch tâm Sử dụng chương trình mô phỏng quá trình thi công cho thấy đầu cọc bị chuyển vị ngang vượt quá giá trị cho phép

Kết quả phân tích cho phép đánh giá mức độ chuyển vị ngang của đầu cọc trong quá trình thi công, từ đó có thể chọn lựa biện pháp thi công phù hợp tránh hiện tượng lệch tâm

SOIL IN CAN THO CITY

Soft soil in Can Tho City area is quite thick and located right at the surface

In addition, there are under floors in high building Excavation pit causes the difference pressure soil and it makes piles incline Inclined piles by soil pressure and load of construction equipment Using simulation program shows the contruction process is the horizontal displacement of pile head exceed the allowable value

The analytical results allow assessment of horizontal displacement of pile head during the construction process, which can select reasonable construction methods avoid the eccentricity

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và dưới sự hướng

dẫn của TS Bùi Trường Sơn

Các kết quả, số liệu, tham khảo trong luận văn là trung thực và rõ ràng nguồn

gốc

  

Trang Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ

Lời cảm ơn

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CỌC TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG HỐ MÓNG…… 3

1.1 Phân tích kết quả thí nghiệm và tính toán cọc trong đất rời chịu tác dụng tải trọng ngang 3

1.2 Phân tích kết quả thí nghiệm cọc trong đất dính chịu tác dụng tải trọng ngang 9

1.3 Một số hình ảnh về sự cố cọc nghiêng lệch trong quá trình thi công đào 13

1.4 Nhận xét và nhiệm vụ luận văn 16

CHƯƠNG 2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ VIỆC ƯỚC LƯỢNG MỨC ĐỘ CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CỌC 17

2.1 Tính toán cọc chịu tải tác dụng của tải trọng ngang 17

2.2 Kết quả nghiên cứu và phân tích chuyển vị ngang của cọc 23

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng lên đặc điểm và giá trị chuyển vị ngang của cọc 27

2.4 Nhật xét chương .32

CHƯƠNG 3 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ VÀ KHẢ NĂNG LỆCH TÂM CỦA CỌC KHI THI CÔNG HỐ MÓNG 34

3.1 Đặc điểm điều kiện địa chất công trình ở Thành phố Cần Thơ và khu vực xây dựng 34

3.1.1 Điều kiện địa chất công trình ở Thành Phố Cần Thơ 34

3.1.2 Điều kiện địa chất công trình ở khu vực xây dựng 35

3.2 Mô phỏng khả năng lệch tâm của cọc trong hố móng khi đang thi công trong trường hợp thực tế 41

3.2.1 Mô phỏng đánh giá chuyển vị ngang của cọc do khai báo hố móng theo sơ đồ bài toán phẳng 41

3.3 Kết luận chương .61

KẾT LUẬN 62

KIẾN NGHỊ 62

Tài liệu tham khảo 64

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, nhu cầu xây dựng công trình cao tầng ngày càng nhiều, ở các khu

đô thị Tại Cần Thơ, khu vực có tốc độ phát triển nhanh như Quận Cái Răng, Quận Bình Thủy Do khu vực này có lớp đất yếu với bề dày khá lớn nằm ngay trên bề mặt đất, biện pháp móng cọc thường được chọn lựa trong tính toán thiết kế và thi công các công trình Tải trọng của công trình thông qua hệ thống móng cọc được truyền xuống các lớp đất tốt ở bên dưới

Trong quá trình thi công móng cọc, cọc được ép vào đất sau khi tiến hành san lấp mặt bằng và chiều cao san lấp thường khá lớn Do lớp đất yếu nằm ngay trên bề mặt mặt đất cùng với một số khu vực có địa hình phân cắt, trong quá trình đào hố móng thi công, dưới tác dụng của áp lực ngang của đất và các thiết bị thi công, cọc có thể bị chuyển vị và lệch tâm Thực tế cho thấy có hàng loạt bãi cọc bị lệch tâm do chuyển vị ngang với biên độ khá lớn Nguyên nhân của việc lệch tâm hàng loạt cọc ở khu vực đất yếu được giải thích ban đầu là do san lấp, quá trình thi công khi đào hố móng và tải trọng thường xuyên của các thiết bị thi công Do

những nguyên nhân trên, luận văn tập trung vào “Nghiên cứu đánh giá khả năng

chuyển vị ngang của đầu cọc trong quá trình thi công hố móng trong điều kiện đất yếu khu vực Thành phố Cần Thơ” Điều này có ý nghĩa thiết thực phục vụ cho công

tác xây dựng ở khu vực có đất yếu như ở Cần Thơ trong thiết kế biện pháp thi công đào sâu

2 Mục đích, nhiệm vụ

Mục đích nghiên cứu là làm tăng thêm vốn kiến thức và sự hiểu biết về ảnh hưởng của việc thi công hố móng trong đất yếu tác động đến cọc trong hố móng trong quá trình đào hố móng Dùng phần mềm Plaxis 2D và 3D để mô phỏng và phân tích chuyển vị ngang của đầu cọc trong quá trình thi công hố móng trong điều kiện đất yếu khu vực Thành phố Cần Thơ, các kết quả phân tích sẽ được so sánh với nhau, từ đó rút ra kết quả, kinh nghiệm và biện pháp thi công hợp lý

Nhiệm vụ của đề tài chủ yếu tập trung vào các vấn đề chính sau:

+ Đánh giá khả năng chuyển vị ngang của cọc trong quá trình thi công nền móng công trình

+ Ước lượng mức độ chuyển vị ngang của đầu cọc

+ So sánh kết quả tính toán từ phần mềm Plaxis 2D và 3D, từ đó tìm

ra các biện pháp thi công hợp lý

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực hiện chọn lựa ở đây là:

+ Tổng hợp, phân tích các kết quả, nghiên cứu đánh giá chuyển vị ngang của cọc

+ Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng quá trình thi công gây chuyển vị đầu cọc khi khai đào hố móng

+ Trên cơ sở phân tích mô phỏng bằng mô hình sofl soil, rút ra các phân tích và kiến nghị các biện pháp thi công hợp lý nhằm tránh gây chuyển vị đầu cọc quá lớn

4 Ý nghĩa khoa học và kinh tế xã hội của đề tài:

Ngày nay, Thành Phố Cần Thơ là thành phố trực thuộc trung ương, và là trung tâm kinh tế văn hóa chính trị của ĐBSCL (Tây Nam Bộ) Do đó nhu cầu về

cơ sở hạ tầng cũng như các công trình cao tầng đặc biệt là các công trình tầng hầm, trong quá trình đào hố móng thi công, dưới tác dụng của áp lực ngang của đất, rất nhiều cọc bị chuyển vị và lệch tâm làm mất độ an toàn của công trình, nên việc đánh giá mức độ chuyển vị của cọc trong phạm vi cho phép là rất cần thiết

Xuất phát từ một số sự cố trong quá trình thi công móng cọc, cọc bị chuyển

vị lệch tâm quá giới hạn cho phép trong quá trình thi công, công trình bị sự cố trong những năm gần đây đã tạo nên những yêu cầu cấp bách phải nhanh chóng nghiên cứu phương pháp tính toán dự báo chuyển vị ngang của cọc để có giải pháp thiết kế

và thi công hợp lý Do vậy, kết quả nghiên cứu của đề tài có thể giúp các kỹ sư thiết

kế, thi công dự tính được khả năng nghiêng cọc và tìm các biện pháp khắc phục Do

đó đề tài này có ý nghĩa thực tiễn cao trong điều kiện đất yếu là loại đất phổ biến trên bề mặt ở vùng ĐBSCL điển hình là khu vực đất yếu ở Thành Phố Cần Thơ

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CỌC TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG HỐ MÓNG

được đặt trong các tầng trầm tích Holocen (phù sa mới) và Pleistocene (phù sa cổ) Khu vực đầu cọc trong đa số các trường hợp nằm trong các lớp đất rời (cát có kích thước và độ chặt khác nhau) hoặc đất loại sét trạng thái từ nửa cứng đến cứng Trong phần tổng quan, chúng tôi tiến hành tổng hợp một số kết quả thí nghiệm và tính toán cọc chịu tác dụng lực ngang Có thể thấy rằng trong bài toán này, các tác giả chọn lựa quan hệ σ – u để làm cơ sở chính cho việc phân tích và thiết lập các mối quan hệ

1.1 Phân tích kết quả tính toán cọc trong đất rời chịu tác dụng tải trọng ngang

Trên cơ sở các kết quả tính toán của nhiều nhà nghiên cứu có thể thấy rằng đặc điểm quan trọng nhất trong tính toán cọc chịu tải trọng ngang là hệ số độ bền theo phương ngang k, hệ số này được sử dụng rộng rãi trong tính toán cọc chịu tải trọng ngang Hệ số k phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ sâu, giá trị chuyển vị, đặc điểm thay đổi đặc trưng cơ lý của đất nền và độ cứng chống uốn của cọc, kích thước cọc

Kết quả tính toán cho thấy biểu đồ hệ số độ bền theo phương ngang theo độ sâu dưới tác dụng của lực ngang thường không lớn đối với các loại cọc có độ cứng khác nhau, có đặc điểm gần tuyến tính và có thể tính theo lý thuyết đàn hồi trong phạm vi (u/l<0.05) Ở đây u – giá trị chuyển vị ngang; l – chiều dài cọc

Từ việc phân tích các quan hệ giữa phản lực nền và chuyển vị (Hình 1.1), nhận thấy rằng dạng các biểu đồ “phản lực nền-chuyển vị” gần giống nhau và có thể thể hiện bằng một loại hàm số với các thông số khác nhau

Hình 1.1 Biểu đồ biến dạng phi tuyến gần với quan hệ thiết lập (1.1) theo kết quả thí nghiệm cọc (dài 2m, loại A 0.237 và loại B 0.273m, moment chống uốn

8660 KPa.m 4 ) trong cát chặt vừa (a) và trong cát rời (b) với các độ sâu khác nhau

Từ kết quả thí nghiệm thể hiện ở hình 1.1 có thể rút ra một số nhận xét phân tích như sau:

 Biểu đồ  - u có tính chất phi tuyến, rõ ràng nhất là ở gần bề mặt

 Các quan hệ theo độ sâu có dạng đường cong xa dần với trục tung, tương ứng chính là sự giảm dần hệ số nền theo phương ngang khi giá trị chuyển

vị tăng

 Các biểu đồ biến dạng có dạng đường cong dần dần tiếp cận với giá trị áp lực giới hạn nào đó lim, giá trị này tăng theo độ sâu

 Khi tăng đường kính cọc tức là tăng diện chịu tải, giá trị phản lực giảm

 Góc nghiêng ban đầu k0 của biểu đồ -u hay hệ số nền ban đầu tỷ lệ nghịch với kích thước ngang của cọc

Phương trình đường cong biểu diễn quá trình phi tuyến phải phù hợp với kết quả thực nghiệm, gần với thực tế và thoả các điều kiện: thứ nhất, đoạn đầu của đường cong -u (ở các cấp tải trọng bé) cần có độ chính xác cao đủ để mô tả phần biến dạng đàn hồi và thoả điều kiện đạo hàm di/du khi u0; thứ hai, biểu đồ biến dạng nhận đường nằm ngang với giá trị tới hạn cho trước ult làm đường tiệm cận

Đối với đất rời,theo một số tác giả, quan hệ giữa chuyển vị và phản lực theo phương ngang có thể biểu diễn bằng biểu thức sau:

( )

) ( ) ( ) (

) ( )

(

0

z u z k z

z k z

ult(z): giá trị áp lực giới hạn, đạt đến khi chuyển vị đủ lớn

u(z): chuyển vị của cọc tại độ sâu z

Ưu điểm của quan hệ (1.1) là chỉ cần một đường cong là có thể mô tả được trạng thái giới hạn và chưa đạt đến giới hạn Phương trình đường cong có chứa các đặc trưng biến dạng (k0) và độ bền (ult) Áp lực ngang giới hạn lên đất nền và hệ số

độ bền là những thông số đầu vào cơ bản của đường quan hệ -u [2]

Kết quả tính toán cho thấy rằng hệ số độ bền ngang ban đầu k giảm khi kích thước cọc tăng Hệ số độ bền ban đầu k0 (z)=lim (u,z) khi u  0 sử dụng cho các loại cọc có độ cứng khác nhau theo biểu đồ dạng tam giác theo độ sâu

Giới hạn đường thẳng biểu đồ -u bằng giá trị chuyển vị tương đối

u0/l =0.025 và xem biểu đồ thay đổi k0 (z) theo độ sâu có dạng tam giác, xác định giá trị của chúng tại độ sâu z=1m cho cọc loại A Với chuyển vị cho trước, ta có: k0

(z=1m)=49 N/cm3 Nhân giá trị k0 và kích thước theo phương ngang của cọc: 4,9x27,3=1340 N/cm2 Giá trị k0xd – dao động trong phạm vi không đáng kể cho các loại cọc khác nhau trong nền cát Để thuận tiện chọn K0=k0 x d Ở đây: K0 - hệ

số phản lực ban đầu Hệ số K0 có thể được xem không đổi và không phụ thuộc vào đặc trưng cơ lý của đất nền cũng như tải trọng ngoài Hệ số độ bền ban đầu k0 tỷ lệ nghịch với kích thước cọc, điều này phù hợp với các giả thuyết của lý thuyết bán không gian đàn hồi tuyến tính và kết quả thực nghiệm

L Risa và một số tác giả khác cho rằng K0=K01 x z, ở đây: K01–gradient hệ

số phản lực theo phương ngang phụ thuộc độ chặt của đất và dao động trong phạm

vi từ 5 – 40 N/cm3

Có thể chọn giá trị hệ số nền thay thế cho giá trị K01 trong tính toán áp dụng:

Bảng 1.1 Hệ số nền K cho các loại đất theo một số tác giả

Cát rời Cát chặt vừa Cát chặt

Độ ẩm tự nhiên

Dưới nước

Độ ẩm tự nhiên

Dưới nước

Độ ẩm tự nhiên

Dưới nước

Từ thực nghiệm, Brome B.B, Reese L.C và một số tác giả khác cho rằng sức kháng của đất phía trước cọc chịu tải trọng ngang khác với áp lực bị động tính toán theo sơ

đồ cổ điển

Từ các nghiên cứu ứng suất giới hạn lên đất có thể lưu ý rằng tất cả các lời giải đều có đặc điểm bán thực nghiệm và trên cơ sở sự phá hoại của đất được mô phỏng bằng nêm trượt ở vùng gần bề mặt hoặc bằng lăng thể trượt (Hình 1.2a và 1.2b) Bên dưới độ sâu tới hạn zcr, sự phá hoại xảy ra ở mặt phẳng ngang trong điều kiện chảy dẻo (Hình 1.3)

Từ kết quả thực nghiệm, có thể nhận thấy rằng lăng trượt trồi có dạng ổn định và trên mặt phẳng có dạng elip hay cong tròn Trong tính toán gần đúng phản lực ngang giới hạn của đất pultu tương ứng với kết quả thực nghiệm có thể chấp nhận lăng trượt trồi có dạng bao gồm tam giác mỏng có bề rộng d và hai bán cầu hình thành lăng thể trượt trong mặt phẳng đối xứng nghiêng so với phương đứng một góc

 (Hình 1.2b) Theo G.I.Glyshkov, biểu thức xác định pultu có dạng:

c d

c tg z d

1, 2: hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc 

: góc trượt trồi, xác định bằng phương trình:

5 0 2 cos

2 sin )

độ bền của đất Để tính toán phản lực giới hạn của đất pult có thể chấp nhận giả thiết dạng các đường mặt trượt theo mặt phẳng ngang tương tự như các đường mặt trượt khi xảy ra sự mất ổn định của đất dưới móng băng (Hình 1.3b) Trong trường hợp này, phản lực đất: p=(z+q)0, do đó:

] )

( [N q 0 N c d

Lưu ý rằng trong công thức (1.4) không có hệ số N.d/2

So sánh các giá trị thực nghiệm pult với kết quả tính toán cho thấy giá trị áp lực giới hạn theo phương ngang trong phạm vi vùng phân cắt pultd theo công thức (1.4) phù hợp với thực nghiệm Trong vùng trượt trồi có sự khác biệt giữa tính toán

lý thuyết và thực nghiệm Hệ số hiệu chỉnh n0 phụ thuộc vào độ sâu tương đối z/d được rút ra trên cơ sở phân tích kết quả thực nghiệm trong cát và ứng dụng tính toán

pultu theo (1.2):

2 0

) ( 1

5 2 1

d z

Hình 1.2: Sơ đồ mặt phá hoại của nền đất phía trước cọc chịu tải ngang

Hình 1.3: Sơ đồ phá hoại khối đất trước cọc ở độ sâu lớn (a) và sơ đồ tính

toán xác định khả năng chịu tải ở độ sâu này (b)

1.2 Phân tích kết quả thí nghiệm cọc trong đất dính chịu tác dụng tải trọng ngang

Biểu đồ biến dạng phi tuyến trong việc chọn lựa quan hệ cho cọc chịu tác dụng tải trọng ngang thể hiện thông qua đường cong -u Để phân tích phản ứng của đất dính, quan hệ -u có dạng riêng như sau [1]

) (

) ( ).

( tanh ) ( )

z

z u z k z z

ult ult 



  (1.6) Đường cong này thể hiện gần đúng bằng quan hệ hyperbol

Kết quả thực nghiệm và quan hệ gần đúng theo kinh nghiệm (1.6) thể hiện như ở hình 1.4 Đường liền nét là hệ quả theo (1.6)

Hình 1.4: Biểu đồ thực nghiệm quan hệ biến dạng phi tuyến -u cho các cọc

Kết quả nén tĩnh cọc và thống kê tính toán cho thấy trong đất loại sét trạng thái dẻo mềm đến dẻo nhão, hệ số kháng ban đầu thay đổi theo độ sâu gần với quy luật tuyến tính và có thể biểu diễn theo công thức:

k0(z)=k01.z (1.7)

k01: gradient hệ số k0 theo độ sâu Đối với đất loại sét trạng thái dẻo cứng và cứng để mô tả sự thay đổi hệ số sức kháng ban đầu k0, công thức đề nghị có dạng tổng quát hơn:

k0(z)=k00 + k01.z (1.8)

Ở đây:

k00: giá trị k0 trên bề mặt khi z=0 Đến nay, do số lượng thí nghiệm còn hạn chế nên vẫn chưa thiết lập được phương pháp tổng quát xác định k0 Phương pháp tiếp cận đầu tiên là có thể sử dụng

hệ số phản lực ban đầu như đã nêu K0=k0xd Hệ số này phụ thuộc chủ yếu vào đặc trưng cơ lý của đất và dạng tải trọng ngoài tác dụng Từ đó có thể thấy rằng gradient

hệ số phản lực ngang ban đầu K01[K0(z)=K01xz] phụ thuộc sức kháng cắt không thoát nước của đất loại sét Theo B.B.Browns:

Hệ số phản lực ngang ban đầu K0 trong đất sét cứng ít thấy trong các tài liệu

đã công bố

Gradient hệ số phản lực ngang ban đầu có thể tham khảo theo Bảng 1.2

Bảng 1.2 : Gradient hệ số phản lực ngang ban đầu

K01 (N/cm3) Loại đất

Cọc đóng Cọc khoan nhồi Sét và sét pha dẻo nhão

Theo Matlock H (1980), hệ số phản lực ngang ban đầu trên bề mặt K00 có giá trị giới hạn và có thể xác định bằng biểu thức:

50 00

6 0

từ kết quả thí nghiệm trong phòng và kết quả nén ngang cọc Các tác giả này đưa ra quan hệ hiệu chỉnh giữa quan hệ ứng suất – biến dạng trong thí nghiệm nén không thoát nước bằng máy nén ba trục và biểu đồ biến dạng phi tuyến p – u từ thí nghiệm cọc trong đất loại sét trạng thái từ dẻo đến cứng giá trị biến dạng 50 có thể lấy theo bảng giá trị lực dính không thoát nước

Bảng 1.3 : Giá trị lực dính không thoát nước

Giá trị sức kháng cắt không thoát nước

cu (MPa)

Giá trị biến dạng 50

0 – 0,05 0,05 – 0,1 0,1 – 0,2 0,2 – 0,4

0,02 – 0,01 0,007 0,005 0,004

Thông số quan trọng nhất trong công thức (1.6) là giá trị áp lực ngang giới hạn lên đất ult được nghiên cứu rất nhiều Để xác định ult cho đất dính có thể sử dụng sơ đồ tính toán điều kiện phá hoại nền Ở đây cần xét vùng bề mặt và ở độ sâu nhất định theo chiều dài cọc

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm mô hình cọc chịu tải trọng đứng với kích thước và độ sâu chân cọc khác nhau, khả năng chịu tải của cọc theo

đất nền loại sét như sau (A Skempton) [6], [8]

N tip F(N c c u .l)

ult   (1.11)

Ở đây:

F: diện tích móng

Nc: hệ số khả năng chịu tải, phụ thuộc độ sâu z

: trọng lượng riêng của đất l: chiều sâu chôn cọc Ngoài ra, A Skempton cho rằng ở độ sâu tương đối z/d > 4, hệ số Nc được xem như không đổi và bằng 9, còn khi z/d < 4 giá trị này nhỏ hơn và xấp xỉ 6,0 –6,5 Meyerhoff thì nhận được giá trị gần đúng Nc = 9,3 – 9,8

Kết quả thực nghiệm trên đất loại sét cho thấy không có sự dị hướng rõ ràng, kết quả nén bàn nén theo phương thẳng đứng và phương ngang từ độ sâu 3d trở đi giống nhau nên hoàn toàn có thể sử dụng công thức (1.11) cho tính toán Công thức (1.11) có thể được trình bày ngắn gọn hơn dưới dạng:

ult=Nc.cu (1.12) Theo kết quả quan trắc thực tế trong đất sét bão hòa nước, H Matlock cho rằng đặc điểm của sơ đồ tính toán là giả thuyết về độ sâu tới hạn zcr Ở độ sâu nhỏ hơn zcr, sự phá hoại xảy ra cùng với việc hình thành khối trượt do cọc, mặt trượt bên dưới thì hợp với phương ngang một góc 450 (=450 khi =0) Khi z > zcr (vùng sâu)

sự phá hoại của khối đất gắn liền với biến dạng dẻo Áp lực giới hạn của đất tương ứng với sơ đồ phá hoại này được xác định từ (1.12), còn Nc nhận giá trị từ 7 đến

: trọng lượng riêng đất

J: hệ số thực nghiệm lấy bằng 0,5

Nếu đất dính có sức chống cắt không đổi đến độ sâu (68)d có thể chấp nhận

Nc=9 trong biểu thức (1.13), có thể nhận được công thức xác định độ sâu tới hạn:

5 0 ) (

d z

 (1.14)

Thông thường kết quả thí nghiệm cắt cánh trong đất yếu bão hòa nước khu vực Thành phố Cần Thơ và Đồng bằng sông Cửu Long cho thấy sức kháng cắt tăng theo độ sâu Khi độ bền của đất theo độ sâu có thể biểu diễn bằng quan hệ cu(z)=cu0

+ i..z, có thể xác định độ sâu tới hạn từ phương trình sau:

0 6 ) 6

(

J i

Hình 1.6 Toàn cảnh sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy (Cao  ốc Phường

Thảo Điền, Quận 2, TP. Hồ Chí Minh)

Hình 1.7 Sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy – Cao ốc Khu đô thị mới Phú

Mỹ Hưng, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh

Hình 1.8 Công trình móng trụ cầu sử dụng cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước

Hình 1.9 Sự cố gãy cọc– Công trình 15 tầng, Quận 8, TP. Hồ Chí Minh

1.4 Nhật xét và nhiệm vụ luận văn

Trên cơ sở phân tích các kết quả thực nghiệm và lý thuyết cọc chịu tải ngang trong đất rời và đất dính có thể rút ra một số nhận xét:

- Để mô tả sức kháng ngang của đất kiến nghị sử dụng quan hệ giữa phản lực

và chuyển vị -u thu nhận được ở các độ sâu khác nhau với kích thước cọc khác nhau

- Thông số quan trọng trong biểu đồ -u (p-u) là hệ số kháng ngang ban đầu

k0 và áp lực giới hạn theo phương ngang lên đất ult phụ thuộc đặc trưng cơ lý đất nền

- Trong đất sét yếu, biểu đồ thay đổi hệ số k0 có thể có dạng tam giác theo độ sâu (từ kết quả cắt cánh hiện trường)

Do khu vực Thành phố Cần Thơ và vùng lân cận có lớp đất yếu phổ biến trên bề mặt, khả năng chịu tải của loại đất này không cao, giá trị các hệ số k0, K0 rất

bé Thực tế nhiều công trình cho thấy hầu hết các cọc đều bị chuyển vị theo phương ngang trong quá trình thi công Trong một số các trường hợp, độ lệch tâm của cọc vượt quá giá trị giới hạn cho phép Nguyên nhân lệch tâm của cọc chủ yếu là do biện pháp thi công và ảnh hưởng của tải trọng lớp đất đào Nhiệm vụ của đề tài trong trường hợp này là :

+ Đánh giá khả năng chuyển vị ngang của cọc trong quá trình thi công nền móng công trình

+ Ước lượng mức độ chuyển vị ngang của đầu cọc

+ Đánh giá giá trị chuyển vị của cọc từ đó tìm ra các biện pháp hợp lý

CHƯƠNG 2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ VIỆC ƯỚC

LƯỢNG MỨC ĐỘ CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CỌC

2.1 Tính toán cọc chịu tải tác dụng của tải trọng ngang

Sơ đồ tính toán cọc chịu tải trọng ngang:

Gọi L là chiều dài cọc, chịu tải phương ngang Q, và mômen M lý thuyết Winkler trong môi trường đàn hồi có dạng biểu thức:

) (

) /

m y

m kN C

z y z

b dz

x d I

Hình 2.1: Sơ đồ cọc chịu tải trọng ngang

Lời giải phương trình trên cho ta biểu thức sau:

* Chuyển vị ngang đầu cọc:

I E

Ml I E

Hl l y

b b

n

2 3

2 0

3 0 0 0

Ml I E

Hl

b b

0

2 0 0

- M, H giá trị tính toán của mô men uốn và lực cắt tại đầu cọc

- y0 chuyển vị ngang của tiết diện ngang cọc (m) ở mặt đất với cọc đài cao, ở mức

đáy đài đối với cọc đài thấp xác định theo công thức:

HM

HH M H

- 0 góc xoay của tiết diện ngang cọc (rad) ở mặt đất với cọc đài cao, ở mức đáy đài

đối với cọc đài thấp xác định theo công thức:

MM

MH M

H  

- M0 và H0 trị tính toán của mô men uốn và lực cắt H0 = H(T), M0 = M.l0 (Tm)

- HH chuyển vị ngang của tiết diện cọc (m/T) bởi lực H0 = 1

- HM chuyển vị ngang của tiết diện cọc (1/T) bởi lực M0 = 1

1

A I

E b

bd HM

A0, B0, C0 những hệ số không thứ nguyên lấy theo bảng 2.2 tùy thuộc vào chiều sâu

tính đổi Le của phần cọc trong đất

Bảng 2.2: Giá trị các hệ số A 0 , B 0 , C 0

* Mômen trong cọc:

3

0 3 0 3 0 3

0

3 E Iy A E I B M C H D M

bd b

bd b

bd

* Lực cắt trong cọc:

4 0 4 0 4 0 4

0

0

0 -0.001 -0.002

1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

0 0.100 0.200 0.300 0.400 0.5

-0.005 -0.011 -0.020 -0.034 -0.055

0.999 0.998 0.996 0.992 0.985

0.500 0.600 0.699 0.799 0.897 1.0

-0.083 -0.122 -0.173 -0.238 -0.319

0.975 0.960 0.938 0.907 0.866

0.994 1.090 1.183 1.273 1.358 1.5

-0.420 -0.543 -0.691 -0.867 -1.074

0.861 0.739 0.646 0.530 0.385

1.437 1.507 1.566 1.612 1.640 2.0

2.2

2.4

2.6

-1.295 -1.693 -2.141 -2.621

-1.314 -1.906 -2.663 -3.600

0.207 -0.271 -0.941 -1.877

1.646 1.575 1.352 0.917 2.8

3.0

3.5

4.0

-3.108 -3.541 -3.919 -1.614

-4.718 -6.000 -9.544 -11.78

-3.480 -4.688 -10.34 -17.92

0.197 -0.891 -5.854 -15.07

0

0 -0.003 -0.021

0

0

0 -0.001 -0.003

1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.5

-0.042 -0.072 -0.114 -0.171 -0.243

-0.008 -0.016 -0.030 -0.051 -0.082

0.999 0.994 0.997 0.989 0.980 1.0

-0.333 -0.443 -0.575 -0.730 -0.910

-0.125 -0.183 -0.259 -0.356 -0.479

0.967 0.946 0.917 0.876 0.821 1.5

-1.116 -1.350 -1.643 -1.906 -2.227

-0.630 -0.815 -1.036 -1.299 -1.608

0.747 0.652 0.529 0.374 0.181 2.0

2.2

2.4

2.6

-1.484 -2.125 -2.339 -2.427

-2.578 -3.360 -4.228 -5.140

-1.966 -2.489 -3.973 -5.355

-0.057 -0.692 -1.592 -2.821 2.8

3.0

3.5

4.0

-2.346 -1.969 1.074 9.244

-6.023 -6.765 -6.789 -0.358

-6.990 -8.840 -13.69 -15.61

-4.445 -6.520 -13.826 -23.140

1 2

v p

M nM

M M

Mp, Mv - mômen do tải trọng thường xuyên tại mũi cọc và tải trọng tạm thời

n - hệ số lấy bằng 2.5 trường hợp những công trình quan trọng: khi Le  2.5 lấy n=4, khi Le  5 lấy n=2.5 và Le nằm giữa nội suy

- Móng một hàng cọc chịu tải ngang lệch tâm thì n = 4

1

I E

H C

I E

M B

A y z K

b bd b

bd bd

e bd

0 0.100 0.200 0.300 0.400

0 0.005 0.020 0.045 0.080

0

0 0.001 0.005 0.011 0.5

0.500 0.600 0.700 0.799 0.899

0.125 0.180 0.245 0.320 0.405

0.021 0.036 0.057 0.085 0.121 1.0

0.997 1.095 1.192 1.287 1.379

0.499 0.604 0.718 0.841 0.974

0.167 0.222 0.288 0.365 0.456 1.5

1.468 1.553 1.633 1.706 1.770

1.115 1.264 1.421 1.584 1.752

0.560 0.678 0.812 0.961 1.126 2.0

2.2

2.4

2.6

0.735 0.575 0.347 0.033

1.823 1.887 1.874 1.755

1.924 2.272 2.609 2.907

1.308 1.720 2.105 2.724 2.8

3.0

3.5

4.0

-0.385 -0.928 -2.928 -5.853

1.490 1.037 -1.272 -5.940

3.128 3.225 2.463 -0.927

3.288 3.858 4.980 4.548

2.2 Kết quả nghiên cứu và phân tích chuyển vị ngang của cọc

Cọc ở trong một lớp đất yếu chủ yếu chịu mômen ngang, áp lực ngang phát triển giữa cọc và đất dẫn đến xuất hiện mômen uốn và truyền xuống dọc theo thân cọc Hiện tượng này là do một phần tải ngang và do không có sự ma sát giữa đất yếu và cọc gây mômen dọc theo cọc

Một số chỉ dẫn tính toán và phân tích trong các trường hợp được trình bày trong các kết quả nghiên cứu của Franx và Boonstra (1948), Hayman và Boersma (1961), Hayman (1965), Leussink và Wens (1969) và Nicu et al (1971), một số

tổng kết các trường hợp khác thực hiện bởi Marche và Lacroix (1972) Trong hầu hết các trường hợp, cọc ở vị trí tiếp giáp của cầu nơi chuyển vị ngang của đất xuất

hiện từ công trình đường đắp cao trên đất mềm yếu [8,9,10]

Leussink và Wens (1969) đã mô tả thí nghiệm trên một cọc gần khu vực đường đắp cao với mômen ngang đủ lớn dẫn đến nguyên nhân phá vỡ cấu trúc của cọc

Từ một ví dụ của trường hợp đã được ghi lại, Marche và Lacroix (1972) cố gắng thử tìm quan hệ tỷ lệ chuyển vị ngang của cọc trên vùng đất đắp với quan hệ uốn dọc của cọc (Hình 2.2) và tỷ lệ gia tăng chuyển vị ngang với sự gia tăng uốn dọc cọc De Beer và Wallays (1972) mô tả quan hệ này bằng phương pháp đơn giản xác định mômen uốn và lực trong cọc khi chất tải không đối xứng một nơi xung quanh cọc Ito và Matsui (1975) đã phát triển lý thuyết phân tích lực trong một hàng

cọc trong đất biến dạng trên cơ sở lý thuyết đàn hồi [9,10]

Vấn đề lý thuyết phân tích một cọc đơn trong vùng đất đang xét làm chuyển

vị vùng đất kế bên được đưa ra bởi Poulus (1973) và được mô tả sau đây Phân tích này là sự mở rộng của các mô tả phân tích lúc trước cho một phần kế bên của tải trọng cọc, trong đó bao gồm co giãn tức thời và sự co giãn của vùng kế bên của đất tại bề mặt giữa cọc và đất được xem như là nguyên nhân Tuy nhiên, nên nhấn mạnh nguyên tắc của việc phân tích được mô tả trong tài liệu có thể áp dụng cho những loại đất có các đặc tính tương tự, ví dụ theo phản lực đất nền Một số thí nghiệm để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của mômen và chuyển

vị của cọc và một số ghi nhận liên quan đến giá trị của các thông số đất được yêu cầu như là các thông số đầu vào cho những vấn đề thực tế Các kết quả được sử dụng so sánh nhằm làm rõ các tương quan giữa quan trắc thực tế và tính toán lý thuyết

Cọc thẳng đứng được giả định có chiều dày d và chiều dài L và có hằng số

EpIp dọc theo thân cọc, cọc được chia làm n+1 phần tử, tất cả phần tử có chiều dài như nhau là , ngoại trừ các phần tử ở đỉnh và mũi có chiều dài là /2 (Hình 2.2) Đất trong phân tích được giả định là đẳng hướng lý tưởng, đàn hồi, có môđun (E) và

hệ số Poisson () đó là các thông số có thật đại diện cho đất Ứng suất phát triển giữa cọc và đất được giả định như là một phản ứng bình thường tại bề mặt của cọc Ứng suất cắt giữa đất và các mặt của cọc được xem như không có

Hình 2.2 Cọc trong đất chịu mômen

Một giải pháp cho vấn đề này đạt được bằng sự dịch chuyển lớn tương thích giữa cọc và đất liền kề Chuyển vị cọc phát triển cộng với sự uốn cong đều của dải đất

Sự phân bố chuyển vị

Kết quả tính toán và mô phỏng được thể hiện như ở hình 2.2 và 2.3 Trong

đó, chuyển vị và mômen của cọc có một đầu tự do và một đầu ngàm theo các điều kiện biên và sự phân bố chuyển vị dọc theo thân cọc Trong cả ba trường hợp, chuyển vị lớn nhất đều giống nhau Trong quan hệ uốn của cọc, như các trường hợp đang xét, chuyển vị ở đầu cọc phụ thuộc vào tỷ lệ độ lớn của áp lực và độ lớn của chuyển vị đất trên bề mặt Mômen lớn nhất trong cọc rõ nhất khi mặt cắt chuyển vị đều Mômen có khuynh hướng giảm khi mặt cắt chuyển vị đất có khuynh hướng phân phối theo hình tam giác với chuyển vị zero tại nền của lớp và chuyển vị lớn nhất tại đỉnh của lớp Trong trường hợp sau, chuyển vị của cọc và đất là đồng nhất, nếu cọc được giữ lại tại đỉnh hoặc cột tại đỉnh và không có mômen trong cọc

Hình 2.3 Ảnh hưởng của điều kiện biên lên giá trị chuyển vị và mômen của cọc

Hình 2.4 Sự phân bố chuyển vị đất dọc theo thân cọc

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng lên đặc điểm và giá trị chuyển vị ngang của cọc

Kết quả nghiên cứu thể hiện ở hình 2.5 cho thấy sự khác nhau trong chuyển

vị và phân phối mômen dọc theo cọc có đầu tự do với sự gia tăng của chuyển vị đất Trong trường hợp này, những điều kiện duy trì khả năng chịu uốn cho đến khi chuyển vị đất lớn nhất đạt khoảng 0.4d Chuyển vị đất càng lớn, khả năng chịu uốn

có khuynh hướng được đánh giá cao cả độ lệch và mômen của cọc, mặc dù sự khác nhau giữa các khả năng chịu uốn và những vấn đề bao gồm là không lớn, thậm chí tầm quan trọng lớn của chuyển vị đất (sm/d = 0.9) Như hình 2.5 mô tả trong một vài trường hợp, đặc biệt bao gồm những quan hệ uốn của cọc và chuyển vị nhỏ của đất Việc phân tích độ uốn phải đầy đủ hoặc trường hợp xấu nhất, nó cũng có thể cung cấp độ uốn và mômen của cọc

Hình 2.5 Chuyển vị và vùng chuyển vị ngang dọc theo thân cọc

Ảnh hưởng của đường kính cọc lên đặc điểm và giá trị chuyển vị ngang của cọc

Xét trường hợp, đường kính của cọc thay đổi với chiều dài cọc không đổi, khi đó tỷ số L/d thay đổi và hệ số uốn của cọc KR luôn thay đổi Ví dụ tiêu biểu mô

tả ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính cọc như mô tả ở hình 2.6 So sánh cho thấy đó là tác động chính của sự thay đổi đường kính làm giảm hệ số KR Như vậy, giá trị L/d ảnh hưởng rất lớn đến đặc điểm và giá trị chuyển vị ngang của cọc

Hình 2.6 Ảnh hưởng của đường kính cọc lên đặc điểm và giá trị chuyển vị ngang

của cọc

Những giải pháp đã nói ở trên cho trường hợp môđun biến dạng của đất E là hằng số và vùng áp lực py trong lớp đất Đặc điểm chuyển vị của một đoạn cọc trong đất với E và py thay đổi tuyến tính với giá trị thấp nhất là 0 tại bề mặt như mô

tả trong hình 2.7 Trong trường hợp này, hệ số uốn của cọc được định nghĩa như KN

= EpIp/NhL5, nơi Nh là tỷ lệ của sự tăng của môđun ban đầu với chiều sâu Xét giá trị của KN, chuyển vị của cọc mô tả xuất hiện tương tự như các trường hợp E không đổi, nhưng đối với 1 cọc với giá trị KR lớn Ví dụ, mô tả chuyển vị cho KN = 10-3