(Luận văn thạc sĩ) phân tích tính toán sức chịu tải của cọc thi công theo công nghệ mới japan pile

TỔNG QUAN

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

và ngoài nước đã công bố:

Theo sự phát triển của ngành xây dựng, các công trình ngày càng có quy mô lớn và yêu cầu kỹ thuật cao hơn, đặc biệt là khi xây dựng ở những khu vực có địa chất phức tạp Các phương án móng truyền thống như móng đơn, móng băng hay móng bè không còn đủ khả năng chịu lực Do đó, cần thiết phải áp dụng các phương án móng an toàn và hiệu quả hơn để đảm bảo độ bền và ổn định cho công trình.

Hiện nay, móng sâu là giải pháp phổ biến cho các công trình nhà cao tầng trên nền đất yếu, thường sử dụng cọc nhồi đổ tại chỗ và cọc bê tông đúc sẵn Mỗi loại cọc đều có ưu và nhược điểm riêng, do đó, quyết định của người thiết kế về phương án sử dụng cần dựa vào điều kiện cụ thể của từng công trình, bao gồm quy mô, đặc điểm công trình, cấu tạo địa tầng, chiều sâu hạ cọc và khả năng thi công của thiết bị hiện có.

Tập đoàn Japan Pile đã phát triển loại cọc thi công theo phương pháp khoan thả (Basic, Hyper – Mega), nhằm nâng cao khả năng chịu lực của cọc, đồng thời kết hợp những ưu điểm và khắc phục nhược điểm của cả hai phương án cọc này.

Khoan thả là phương pháp thi công tiên tiến sử dụng công nghệ khoan dẫn cọc bê tông ly tâm đúc sẵn, kết hợp với hỗn hợp vữa xi măng – đất tại mũi và xung quanh cọc Mục tiêu của phương pháp này là tăng cường sức chịu tải cho mũi và hông cọc Phương pháp khoan thả đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới, đặc biệt là tại Nhật Bản.

Tại TP.HCM, phương pháp thi công khoan thả cọc đã được áp dụng cho một số công trình Tuy nhiên, để xác định chiều dài và sức chịu tải của cọc phục vụ cho sản xuất đại trà, cần tiến hành thí nghiệm thực tế, điều này tốn nhiều thời gian và chi phí.

Để tiết kiệm thời gian và chi phí, việc sử dụng công cụ hỗ trợ kiểm tra và dự đoán là cần thiết Xây dựng mô hình số là giải pháp hiệu quả, đáp ứng yêu cầu này và ngày càng trở nên cấp thiết trong bối cảnh hiện nay.

1.1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Phương pháp khoan thả cọc (Basic, Hyper – Mega) được Tập đoàn Japan Pile phát minh từ năm 1981 và đã trải qua nhiều năm nghiên cứu về sức chịu tải Dựa trên tiêu chuẩn thiết kế cầu đường, các nhà khoa học của Tập đoàn đã tổng hợp và đưa ra các hệ số kinh nghiệm cho cọc thi công theo phương pháp này Những kết quả nghiên cứu đã được đăng ký tiêu chuẩn cơ sở và được chứng nhận bởi các bộ trưởng của Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng, Bộ Giao thông và Bộ Du lịch Nhật Bản.

Năm 2010, Tập đoàn Japan Pile đã hợp tác với Công ty Cổ phần đầu tư Phan Vũ để chuyển giao công nghệ sản xuất và thi công cọc bê tông ly tâm ứng suất trước bằng phương pháp khoan thả (Basic, Hyper – Mega) tại Việt Nam.

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào việc giới thiệu công nghệ thi công và lý thuyết tính toán sức chịu tải của cọc, dựa trên kết quả nghiên cứu của Tập đoàn Japan Pile.

Yusuke Homma và cộng sự đã nghiên cứu khả năng chịu lực và ứng xử của phần mở rộng đáy cọc kết hợp vữa xi măng – đất Sau khi thi công, phần mũi cọc được kiểm tra khả năng chịu lực và sau đó được đào lên để tiến hành nghiên cứu chuyên sâu Kết quả nghiên cứu cho thấy

- Hỗn hợp vữa xi măng – đất được trộn đều và đồng nhất

- Bề mặt, chiều dày và khả năng chịu lực của phần mũi cọc đáp ứng thiết kế ban đầu

Tác giả Yoshikazu Suzuki và cộng sự đã tiến hành phân tích và tính toán sức chịu tải mũi và ma sát cho cọc thi công theo phương pháp khoan thả Nghiên cứu này cũng xem xét ứng dụng của loại cọc này tại một số công trình ở TP.HCM.

Tác giả Phan Văn Quảng cùng với cộng sự đã nghiên cứu tính ứng dụng của cọc thi công theo phương pháp khoan thả cho nền móng công trình, đặc biệt là trong việc đáp ứng yêu cầu tải trọng cao của nhà cao tầng Bài viết cũng so sánh phương pháp này với phương pháp thi công cọc ACE để làm nổi bật những ưu điểm và khả năng ứng dụng vượt trội của nó.

Tác giả Lữ Triều Dương cùng các cộng sự đã trình bày chi tiết quy trình thi công và tính toán cọc theo phương pháp cơ bản, đồng thời áp dụng thiết kế cho dự án Trung tâm thương mại – văn phòng Intresco tại quận Phú Nhuận, TP.HCM.

Tác giả Phan Văn Quảng đã nghiên cứu phương pháp khoan lấy mẫu và phân tích phần tử hữu hạn để mở rộng mũi xung quanh cọc đốt, được thi công bằng công nghệ Hyper-Mega.

Tác giả Trần Huy Thanh đã áp dụng phương pháp số với phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô hình hóa và tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi Mục tiêu là so sánh kết quả này với các phép tính lý thuyết, từ đó giúp lựa chọn chiều dài cọc đại trà một cách nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và chi phí.

1.1.4 Tình hình nghiên cứu nước ngoài:

Mục đích của đề tài

Nghiên cứu này hướng dẫn xây dựng mô hình số để tính toán cho cọc thi công bằng công nghệ khoan thả, sử dụng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn kết hợp vữa xi măng đất Mô hình này được ứng dụng để thiết kế cọc thích ứng với nhiều loại địa chất khác nhau.

Nhiệm vụ và giới hạn đề tài

Nhiệm vụ của đề tài là phát triển mô hình làm việc của cọc sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation, bao gồm việc xây dựng công thức tính toán đặc trưng vật liệu cho hỗn hợp vữa xi măng - đất, phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của cọc.

Sử dụng kết quả đạt được, ứng dụng tính toán cho một số công trình ở các vùng địa chất khác nhau

Mặc dù công nghệ thi công cọc khoan thả có thể áp dụng cho nhiều loại địa chất khác nhau, bài viết này sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp Basic và ứng dụng của nó tại một số quận ở thành phố Hồ Chí Minh.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài này là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số, nhằm so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó nâng cao độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

Sử dụng lý thuyết cơ học đất và kết quả nghiên cứu khoa học, cùng với hồ sơ khảo sát địa chất khu vực thiết kế, phần mềm Plaxis 3D Foundation được áp dụng để mô phỏng hoạt động của cọc trong điều kiện thực tế.

Kết quả đạt được đem so sánh với kết quả thí nghiệm thử tĩnh tải cọc và hiệu chỉnh mô hình sao cho hai kết quả tương đồng nhau

GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ THI CÔNG KHOAN THẢ CỌC VÀ TỔNG QUAN ĐỊA CHẤT TP.HCM

Đánh giá các phương pháp thi công cọc truyền thống

Cọc khoan nhồi là giải pháp móng phổ biến trong xây dựng nhà cao tầng tại Việt Nam và trên thế giới Được thiết kế để chịu tải trọng lớn, chất lượng cọc là yếu tố then chốt được chú trọng Quy trình thi công, bao gồm kỹ thuật, thiết bị, năng lực của nhà thầu, và sự nghiêm túc trong việc thực hiện quy trình công nghệ, đóng vai trò quyết định đến chất lượng cọc Kinh nghiệm xử lý các tình huống cụ thể cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình thi công.

Cọc có thể được cắm vào lớp đất tốt ở độ sâu lớn, với kích thước có thể điều chỉnh theo yêu cầu tải trọng, mang lại khả năng chịu lực cao Điều này làm cho cọc trở thành giải pháp lý tưởng cho các công trình có tải trọng lớn và nhà cao tầng.

 Khi thi công không gây ra tiếng ồn, rung động lớn.Vì vậy không ảnh hưởng đến các công trình liền kề

 Khó kiểm soát được chất lượng cọc, dễ xảy ra sự cố

 Mặt bằng thi công sình lầy, dơ bẩn

 Chi phí thi công rất lớn, giá thành tăng

Hiện nay, cọc ép tại Tp.HCM chủ yếu được áp dụng cho các công trình quy mô nhỏ, như nhà phố, đặc biệt trong những khu vực có mặt bằng thi công hạn chế và địa chất tương đối tốt.

 Giá thành thi công thấp hơn cọc nhồi

 Việc kiểm soát chất lượng đơn giản và ít tốn kém

 Móng cọc bê tông đúc sẵn bị giới hạn về chiều sâu hạ cọc và kích thước nên khả năng chịu lực không lớn bằng cọc nhồi

Quá trình thi công cọc thường gây ra rung động và tiếng ồn, ảnh hưởng đến các công trình lân cận Để khắc phục nhược điểm của hai loại cọc truyền thống, tập đoàn Japan Pile đã nghiên cứu và phát triển công nghệ thi công cọc khoan thả Công nghệ này sử dụng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn kết hợp với vữa xi măng và đất, mang lại hiệu quả cao hơn trong xây dựng.

Giới thiệu về phương pháp thi công khoan thả cọc (Basic method)

Quy trình thi công cọc theo phương pháp khoan thả (Basic mathod) được thể hiện thu gọn qua các bước sau [5]:

- Thiết bị và dụng cụ thi công:

Hình 1: Thiết bị và dụng cụ thi công

- Quy trình thi công cọc theo phương pháp Basic:

 Bước 1: Định vị cọc, khoan dẫn

 Bước 2: Tạo thân cọc: Đánh nhuyễn đất vùng thân cọc, phụt vữa xi măng áp suất cao, trộn đều hỗ hợp vữa xi măng – đất tạo thân cọc

Bước 3 trong quy trình thi công là tạo mũi cọc, bao gồm việc khoan đến độ sâu thiết kế và xác định vùng mũi cọc Sau đó, tiến hành phụt vữa xi măng áp suất cao để tạo ra hỗn hợp vữa xi măng và đất tại vùng mũi cọc.

 Bước 4: Rút dần cần khoan đồng thời tiếp tục phun vữa xi măng tạo thân cọc

Hình 2: Thi công cọc theo phương pháp Basic

2.2.2 Một số hình ảnh thi công thực tế tại công trường:

Hình 3: Định vị tim cọc trước khi khoan

-11- Hình 5: Khoan kết hợp đánh nhuyễn đất

Hình 6: Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước

-12- Hình 7: Trộn vữa xi măng và lấy mẫu thử

Hình 8: Công tác hạ cọc

Hình 10: Đưa cọc đến độ sâu thiết kế, neo cọc

Ưu, khuyết điểm của phương pháp khoan thả cọc (Basic method)

- Khả năng chịu tải ở mũi cọc khá lớn:

 Có thể khoan xuyên qua các lớp xen kẹp, đưa mũi cọc tựa vào các tầng đất cứng

 Có thể điều chỉnh khả năng chịu tải của cọc bằng đường kính mở rộng ở đáy hố khoan

 Đồng nhất, tăng ổn định công trình

- Ngàm chắc chắn vào lớp đất cứng bởi mũi khoan xoắn

Phương pháp này có thể đưa cọc ngàm vào lớp đất cứng sâu hơn với phương thức đóng và ép cọc, kết quả là sực chịu tải lớn hơn

- Tăng thành phần ma sát:

Phương pháp này làm tăng khả năng ma sát bởi cọc được hạ trong cột xi măng đất

Phương pháp thi công sử dụng máy nổ và thao tác của công nhân tạo ra tiếng ồn tương đương với việc ép cọc bằng máy phát điện Tuy nhiên, phương pháp này giúp giảm thiểu chấn động và tiếng ồn, từ đó hạn chế ảnh hưởng đến môi trường và các công trình lân cận Do đó, nó có thể được áp dụng gần các tòa nhà cao tầng, trong khu đô thị và khu dân cư đông đúc.

- Tự do lựa chọn phương án thiết kế và đạt hiệu quả kinh tế:

Phương pháp này cho phép lựa chọn linh hoạt các phương án và mang lại hiệu quả kinh tế thông qua việc mở rộng đáy kết hợp với vữa xi măng đất.

 Giảm tiến độ thi công, giảm được chi phí

- Vật liệu chất lượng cao và đáng tin cậy:

Cọc được sản xuất tại nhà máy giúp việc kiểm soát, theo dõi và đánh giá chất lượng trở nên đơn giản và thuận tiện Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng có thể dễ dàng được kiểm soát.

- Đòi hỏi mặt bằng thi công rộng để bố trí thiết bị phục vụ (giàn khoan, cẩu hạ cọc, mặt bằng bố trí cọc, mặt bằng pha trộn vữa….)

- Chiều sâu hạ cọc và kích thước bị giới hạn so với cọc khoan nhồi vữa bê tông tươi (do năng lực của thiết bị thi công)

Tổng quan địa chất một số vùng ở khu vực TP.HCM

Khu vực Tp.Hồ Chí Minh nằm trên lớp trầm tích yếu, với nhiều khu đô thị được hình thành trên vùng đầm lầy và phù sa bồi đắp Địa chất xấu dần về hướng lưu vực sông và đầm, với địa tầng phức tạp và các lớp đất tốt nằm sâu dưới mặt đất, ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn phương án nền móng Để tăng sức chịu tải, cần đưa mũi cọc đến tầng địa chất tốt, dẫn đến chiều dài cọc rất lớn Tuy nhiên, chiều dài cọc còn bị hạn chế bởi công nghệ xây dựng hiện tại, do đó cần áp dụng các biện pháp hữu hiệu để tăng cường sức chịu tải của cọc.

Tổng hợp địa chất ở một số quận tại Tp.Hồ Chí Minh:

Vị trí khảo sát tại công trình khách sạn Quê Hương, 177-179, Lê Thánh Tôn, Quận 1 [13]

Bảng 1: Đặc trưng đất nền công trình khách sạn Quê Hương, Q1

Chiều dày (m) Loại đất Trạng thái SPT

1 8.6 Sét pha màu xám xanh - nâu vàng - đỏ Dẻo mềm 5-6

2 10.2 Cát pha sét, màu nâu vàng - xám xanh

3 11.7 Cát hạt mịn đến trung, lẫn bột, màu vàng nhạt - nâu vàng Chặt vừa 13-20

4 6.1 Sét, màu nâu vàng - nâu đỏ Nửa cứng 23-31

5 17.9 Sét, màu vàng - nâu đỏ Cứng 33-40

6 25.5 Cát hạt mịn đến trung, màu nâu vàng - xám xanh Rất chặt 43-57

Nhận xét: Địa chất khu vực này tương đối yếu:

- Lớp đất yếu bao phủ trên bề mặt có độ dày lớn

- Lớp đất tốt xuất hiện khá sâu so với mặt đất tự nhiên

- Với quy mô công trình lớn, mật độ xây dựng cao, cần có giải pháp móng hợp lý để đáp ứng yêu cầu tải trọng công trình

Móng cọc là giải pháp tối ưu cho các công trình, đảm bảo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật Để đạt hiệu quả cao, mũi cọc cần được cắm vào lớp địa chất tốt, như lớp 4 với đặc điểm là sét màu nâu vàng, nâu đỏ và trạng thái nửa cứng.

Vị trí khảo sát tại công trình Thảo Điền Complex Building, số 42 Xuân Thủy, Thảo Điền, An Phú, Quận 2 [14]

Bảng 2: Đặc trưng đất nền công trình Thảo Điền Complex Building, Q2

1 25.5 Bùn sét hữu cơ màu xám đen Nhão 0-2

2 2.4 Á sét màu xám trắng Dẻo nhão 3

3 18.6 Á sét màu nâu vàng đỏ, xám trắng Dẻo cứng 16-18

4 12.5 Cát thô đến mịn, lẫn bột, ít sỏi nhỏ, màu nâu đỏ Chặt 37-49

5 19.7 Cát thô đến mịn, lẫn bột, ít sỏi nhỏ, màu nâu đỏ Rất chặt 55-97

Nhận xét: Địa chất khu vực này rất yếu:

- Lớp đất yếu có bề dày rất lớn

- Lớp đất tốt xuất hiện rất sâu so với mặt đất tự nhiên

- Khu vực này mật đó xây dựng ngày càng lớn, đa số là các công trình nhà cao tầng với yêu cầu tải trọng lớn

Móng cọc là giải pháp tối ưu cho nền móng khu vực này, với yêu cầu mũi cọc phải được cắm vào lớp địa chất chất lượng, cụ thể là lớp 4, bao gồm cát thô đến mịn, có lẫn bột và ít sỏi nhỏ, với màu nâu đỏ.

2.4.3 Địa chất quận Bình Thạnh:

Vị trí khảo sát tại công trình Căn hộ City Garden, Quận Bình Thạnh [15] Bảng 3: Đặc trưng đất nền công trình Căn hộ City Garden, Q Bình Thạnh

1 17.0 Sét màu xàm xanh, xám đen lẫn ít hữu cơ Nhão 0-3

2 4.0 Á sét lẫn ít hữu cơ Dẻo mềm 3-7

3 3.5 Sét màu xám xanh, xám đen, lẫn ít hữu cơ Dẻo mềm 5-9

4 2.0 Cát pha sét mày xám xanh, xám trắng Kém chặt 9-10

5 8.0 Cát pha sét, màu nâu đỏ Chặt 10-22

6 32.5 Sét màu xám xanh Cứng 22-42

7 11.7 Cát pha bụi, màu xám xanh, nâu vàng Rất chặt 42-53

Nhận xét: Vùng này nằm trên lớp trầm tích, phù sa bồi đắp nền địa chất tương đối yếu:

- Lớp đất yếu có bề dày rất lớn

- Lớp đất tốt xuất hiện sâu so với mặt đất tự nhiên

- Khu vực này mật đó xây dựng ngày càng lớn, đa số là các công trình nhà cao tầng với yêu cầu tải trọng lớn

Móng cọc là giải pháp hiệu quả cho nền móng trong khu vực này, với yêu cầu cắm mũi cọc vào lớp địa chất tốt, cụ thể là lớp 5 - cát pha sét màu nâu đỏ và có trạng thái chặt.

Vị trí khảo sát tại công trình Trụ sở làm việc ngân hang Á Châu, số 745 –

Bảng 4: Đặc trưng đất nền công trình Trụ sở làm việc ngân hang Á Châu, Q6

1 3.0 Bùn sét lẫn ít cát mịn, màu xám đen Chảy 0

2 2.0 Sét màu nâu đỏ, xám vàng Dẻo mềm 7-11

3 3.7 Á sét mày xám nâu, vàng Dẻo cứng 11-14

4 31.0 Cát mịn lẫn bột, màu xám vàng, nâu đỏ Chặt vừa 11-16

5 10.9 Sét lẫn ít cát mịn, màu vàng, nâu đỏ Rất cứng 36-59

6 1.2 Á sét màu xám xanh, đốm nâu Cứng 21

7 38.7 Cát hạt mịn đến trung lẫn bột, ít sét, màu xám vàng nâu đỏ

Nhận xét: Vùng có địa chất tương đối tốt:

- Lớp đất yếu phía trên không lớn lắm

- Lớp đất tương đối tốt xuất hiện ở độ sâu 9m so với mặt đất tự nhiên

- Tùy theo yêu cầu về tải trọng của công trình mà chọn phương án móng hợp lý, đảm bảo khả năng chịu lực của nó

2.4.5 Địa chất quận Thủ Đức:

Vị trí khảo sát tại công trình Chung cư Quang Thuận, phường Hiệp Bình Phước, quận Thủ Đức [17]

Bảng 5: Đặc trưng đất nền công trình Chung cư Quang Thuận, Q.Thủ Đức

1 15.5 Bùn sét, màu xám đen Chảy 0-2

2 4.0 Cát pha màu xám Dẻo 16

3 7.0 Cát hạt nhỏ, màu xám trắng Chặt vừa 16-42

4 33.5 Cát hạt nhỏ đến trung, màu xám trắng, vàng nhạt Chặt 21-28

5 10.0 Cát hạt nhỏ đến thô, màu xám trắng Chặt vừa 34-37 Nhận xét: Vùng có địa chất trung bình:

- Lớp đất yếu phía trên không lớn lắm

- Lớp đất tương đối tốt xuất hiện ở độ sâu 19.5m so với mặt đất tự nhiên

Đối với các công trình yêu cầu tải trọng lớn, phương án móng cọc là lựa chọn tối ưu Mũi cọc cần được cắm vào lớp đất thứ 4, bao gồm cát hạt nhỏ đến trung, có màu xám trắng hoặc vàng nhạt và ở trạng thái chặt.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mô hình ứng xử đất

Ứng xử của đất có thể được mô phỏng với độ chính xác khác nhau thông qua việc áp dụng các mô hình đất nền có mức độ phức tạp khác nhau, dựa trên những giả thiết nhất định.

- Đất nền bão hòa và đẳng hướng

- Mực nước ngầm ở trạng thái ổn định

Trong Plaxis 3D Foundation, người dùng có thể mô phỏng ứng xử của đất thông qua nhiều mô hình khác nhau như Morh – Coulomb (MC), Hardening – Soil (HS), Soft – Soil (SS) và Soft – Soil – Creep (SSC) Mặc dù có sự sai số tối đa không quá 10% khi áp dụng các mô hình khác nhau, nhưng do sự phức tạp và đa dạng của các loại đất, tác giả đã chọn mô hình Morh – Coulomb để đơn giản hóa và khái quát hóa trong quá trình lập mô hình.

Mô hình ứng xử Morh – Coulomb được sử dụng để tính toán các ứng xử ban đầu của đất, trong đó đất được coi là vật liệu đàn hồi – dẻo lý tưởng Quá trình làm việc của đất diễn ra theo cách này.

- Trong giai đoạn ban đầu, độ lệch ứng suất q = 1 - 3 còn nhỏ, vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi

- Khi q đạt đến một trị số nào đó (TTGH đàn hồi), sức kháng của đất, ’const, biến dạng,  vẫn tiếp tục tăng

Hình 11: Quan hệ ứng suất, biến dạng dọc trục mô hình MC Các phương trình mặt giới hạn được biểu diễn như sau:

Hình 12: Các mặt bao phá hoại mô hình MC trong không gian ứng suất chính

Các thông số cơ bản của mô hình:

- Eref: Module đàn hồi của đất nền

Module đàn hồi của đất nền thường được xác định thông qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước CD Tuy nhiên, nhiều công trình thực tế không thực hiện thí nghiệm này Do đó, một số tác giả đã sử dụng các thí nghiệm như SPT, CPT và thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước CU để ước lượng giá trị module đàn hồi theo các công thức tương quan.

Theo kết quả thực nghiệm của Michell và Gardner 1975 và Schurtmann 1970

Trong đó: E – Mô đun biến dạng của đất nền

N – Chỉ số thí nghiệm SPT

 Với đất sét cố kết thường: E = 250cu – 500cu (3.5)

 Với đất sét cố kết trước: E = 750cu – 1000cu (3.6) Trong đó: cu – lực dính của thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước

- : hệ số Poisson của đất

Hệ số Poisson thường chọn theo kinh nghiệm [19]

Bảng 6: Giá trị ước lượng hệ số Poisson của đất

Loại đất Hệ số Poisson ν

- Eoed (oedometer): module biến dạng (được xác định từ thí nghiệm nén cố kết)

- γsat: Dung trọng bão hòa của đất

- γ unsat : Dung trọng tự nhiên của đất

- Rinter: Hệ số giảm cường độ tại bề mặt tiếp xúc theo [20], [21] tổng hợp như sau:

Sự tương tác giữa Rinter

Sét – bê tông 0.7 ÷ 1 Đất – vải địa kỹ thuật 0.5 ÷ 0.9 Đất – lưới địa kỹ thuật 1

Mô hình ứng xử của cọc

Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước hoạt động trong giới hạn đàn hồi, và mô hình Linear Elastic được sử dụng để mô phỏng hành vi của nó Các đặc trưng của mô hình này rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và độ bền của cọc.

- γunsat: Trọng lượng riêng của bê tông làm cọc

- Eref: Module đàn hồi của vật liệu làm cọc

- : hệ số Poisson của bê tông

Mô hình ứng xử của hỗn hợp vữa xi măng – đất

Mô phỏng lớp vữa xi măng và đất tạo thành một vật liệu với các đặc trưng tương đương, hoạt động trong môi trường đàn hồi tuyến tính Hình thức Linear Elastic được chọn để mô phỏng ứng xử của lớp vật liệu này, với các đặc trưng mô hình được xác định rõ ràng.

- γunsat: Trọng lượng riêng của vật liệu tương đương

- Eref: Module đàn hồi của vật liệu tương đương

- : hệ số Poisson của vật liệu tương đương

3.3.1 Đặc trưng vật liệu tương đương:

Vữa xi măng đất là một loại vật liệu hỗn hợp, và để đơn giản hóa quá trình mô hình hóa ứng xử, cần kết hợp hai loại vật liệu này thành một vật liệu duy nhất với các đặc trưng vật liệu tương đương.

Sử dụng lý thuyết vật liệu composite [22]:

E L lần lượt là mô đun đàn hồi của hỗn hợp xi măng – đất, vật liệu xi măng và vật liệu đất

 L lần lượt là hệ số Poison của hỗn hợp xi măng – đất, vật liệu xi măng và vật liệu đất

S1: là diện tích của phần vật liệu xi măng

3.3.2 Kiểm chứng lý thuyết tính toán:

Sử dụng số liệu thí nghiệm cọc xi măng đất tại công trình đường liên cảng Cái Mép – Thị Vải [23], [24], [25], vữa xi măng trộn với tỷ lệ N/X = 0.7

Bảng 8: So sánh Mô đun đàn hồi tương đương từ lý thuyết và thực nghiệm

Mô đun đàn hồi E (kPa)

Mô đun đàn hồi tương đương E (kPa)

Chênh lệch (%) Đất Vữa XM Đất Vữa XM TN Lý thuyết

- Chênh lệch giữa kết quả từ lý thuyết tính toán và giá trị thí nghiệm là không lớn (không quá 10%)

- Có thể dùng lý thuyết trên để tìm ra các đặc trưng vật liệu tương đương cho hỗn hợp vữa xi măng - đất

Để áp dụng mô hình tính toán vào xây dựng, cần kiểm tra sự phù hợp của mô hình với kết quả thí nghiệm dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Tính toán thiết kế cọc khoan thả theo phương pháp Basic

Hình 13: Phân tích cọc thi công theo công nghệ Basic

Hình 14: Sức chịu tải mũi của cọc

Rp: Sức chịu tải mũi

R ao : Thành phần sức chịu tải đáy mũi

Rf: Thành phần sức chịu tải hông mũi

Với  là hệ số khả năng chịu tải của cọc

Pfs: Sức chịu tải hông của cọc do ma sát trong đất cát (kN) f s : Ma sát bên trong lớp đất cát (kN/m 2 )

Ls: Tổng chiều dài của cọc trong đất cát (m)

D: Đường kính cọc β: Hệ số kháng ma sát của cọc trong đất cát β = 0.5

Ns: Giá trị trung bình của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT của lớp đất cát xung quanh dọc theo chiều dài thân cọc

P fc : Sức chịu tải hông của cọc do ma sát trong đất sét (kN) fc: Ma sát bên trong lớp đất sét (kN/m 2 )

Chiều dài tổng cộng của cọc trong đất sét (L c) được tính bằng mét, trong khi hệ số kháng ma sát (γ) của cọc trong đất sét cũng đóng vai trò quan trọng Giá trị cường độ nén tối thiểu của đất sét xung quanh cọc (qu) được đo bằng kilonewton trên mét vuông (kN/m²).

XÂY DỰNG MÔ PHỎNG SỐ

Thí nghiệm nén xác định đặc trưng vật liệu cho mẫu vữa xi măng

Trong bài viết này, tác giả mô phỏng quá trình thi công cọc bằng phương pháp khoan thả tại Trung tâm thương mại Intressco Hỗn hợp vữa xi măng được chuẩn bị với tỷ lệ N/X khác nhau cho phần đáy và thân cọc.

Do yêu cầu thí nghiệm nén các mẫu vữa xi măng thực tế tại công trình không đáp ứng đủ các đặc trưng cần thiết, tác giả đã tiến hành đúc mẫu với các tỷ lệ N/X yêu cầu và thực hiện thí nghiệm nén trong phòng Mục đích là xác định các thông số cần thiết cho việc mô hình hóa hỗn hợp vữa xi măng – đất xung quanh cọc Tuy nhiên, do phương pháp trộn khô được sử dụng trong thí nghiệm, kết quả có thể khác biệt so với thực tế, vì vậy chỉ mang tính chất tham khảo cho nghiên cứu.

Kết quả nén mẫu 28 ngày sau khi tiến hành thì nghiệm với hỗn hợp vữa xi măng theo các tỷ lệ trộn trên thu được:

- Hỗn hợp vữa N/X = 0.6: Dùng cho đáy cọc

Mô đun đàn hồi E = 2110000 (kPa)

Hình 15: So sánh quan hệ ứng suất biến dạng mẫu 1, 2 tỷ lệ N/X = 0.6

- Hỗn hợp vữa N/X = 1.5: Dùng cho thân cọc

Mô đun đàn hồi E = 368000 (kPa)

Hình 16: So sánh quan hệ ứng suất biến dạng mẫu 1, 2,3 tỷ lệ N/X = 1.5

Mô phỏng 2D ứng xử của hỗn hợp vữa xi măng – đất

Để giảm thiểu sai số trong việc xây dựng mô hình cọc, cần kiểm tra sự phù hợp của lớp vữa xi măng đất trong mô hình với thực tế Sử dụng phần mềm Plaxis 2D V8.5, chúng tôi đã mô phỏng một số mẫu thí nghiệm dựa trên dữ liệu thí nghiệm cọc xi măng đất tại công trình đường liên cảng Cái Mép – Thị Vải.

Bảng 9: Dữ liệu đầu vào cho mô phỏng phần 2D

Kích thước mẫu thí nghiệm

Kích thước mẫu mô hình Đặc trưng vật liệu Đường kính d

Chiều cao h (mm) Đường kính d (mm)

Trọng lượng riêng γ unsat (kN/m 3 )

Mẫu thí nghiệm được xây dựng bằng phần tử 15 nút dạng đối xứng trục Axisymmetry

Mô hình ứng xử của mẫu: Đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic)

Hình 17: Định dạng mẫu cho mô hình

Hình 18: Mô hình mẫu bằng Plaxis 2D

Số liệu chi tiết xem phần phụ lục đính kèm

Hình 19: So sánh quan hệ ứng suất, biến dạng giữa mô phỏng và thí nghiệm mẫu A4-8

Hình 23: So sánh quan hệ ứng suất, biến dạng giữa mô phỏng và thí nghiệm mẫu A12-5 4.2.4 Kết luận:

Qua kết quả mô phỏng các mẫu thí nghiệm ở trên ta rút ra nhận xét như sau:

Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của mẫu thí nghiệm cho thấy sự khác biệt giữa mô phỏng số và thí nghiệm thực tế, tuy nhiên, sai số này không đáng kể Nguyên nhân của những sai khác này cần được xem xét kỹ lưỡng để cải thiện độ chính xác trong các nghiên cứu tiếp theo.

 Kích thước mẫu được làm tròn trong quá trình xây dựng mô hình

 Vì mô hình ứng xử của mẫu là đàn hồi tuyến tính nên quan hệ ứng suất, biến dạng đi theo đường thẳng tuyến tính

- Mô hình ứng xử của mẫu thí nghiệm được chọn là hợp lý

Lý thuyết tính toán đặc trưng vật liệu tương đương có thể được áp dụng để xây dựng mô hình tính toán cho cọc bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation Việc ứng dụng này giúp nâng cao độ chính xác trong phân tích và thiết kế công trình.

Mô phỏng 3D cho cọc khoan thả

4.3.1 Các thông số đầu vào:

Mô hình tính toán được xây dựng bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation V1.6 cho cọc thuộc dự án Trung tâm thương mại – cao ốc văn phòng – căn hộ Intresco, tọa lạc tại số 146 Nguyễn Văn Trỗi – 223 Hoàng Văn Thụ, quận Phú Nhuận, TP.HCM.

- Thông số đất nền: Sử dụng địa chất tại hố khoan HK3 [26]

Bảng 10: Đặc trưng đất nền hố khoan HK3 – Trung tâm thương mại Intresco Đặc trưng Lớp 1 Lớp 1B Lớp 1C Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Chiều dày h (m) 1.60 3.80 5.60 22.60 29.10 4.20 > 3.1 Độ ẩm W (%) - 24.54 21.47 19.30 19.75 26.91 26.98

(kN/m 3 ) - 9.83 10.32 10.52 10.97 9.50 9.66 Độ rỗng n (%) - 42.30 39.20 37.20 36.70 43.00 43.60 Lực dính c (kPa) - 19.30 19.80 9.30 61.60 6.70 31.60 Góc ma sát φ ( 0 ) - 10 0 46' 11 0 33' 21 0 54' 16 0 24' 25 0 55' 13 0 35'

Mô đun đàn hồi E (kPa) - 5612 5872 11339.7 10191 10994.3 6539.3

- Thông số hỗn hợp vữa xi măng – đất:

Bảng 11: Mô đun đàn hồi tương đương của hỗn hợp xi măng đất Trung tâm thương mại Intresco

Mô đun đàn hồi tương đương Etđ

(kPa) Đất Vữa xi măng Đất Vữa xi măng Đáy 10190 2110000 0.10 0.90 97655.46

Bảng 12: Hệ số nở hông tương đương của hỗn hợp xi măng đất Trung tâm thương mại Intresco

Hệ số nở hông ν Tỷ lệ trộn

(%) Hệ số nở hông tương đương ν tđ Đất Vữa xi măng Đất Vữa xi măng Đáy 0.3 0.22 0.10 0.90 0.23

 Chiều sâu đặt mũi cọc: - 40.0 m

 Mô đun đàn hồi: E = 4.2x10 7 kPa

 Hệ số poisson: 0.2 4.3.2 Xây dựng mô hình cọc:

Hình 24: Hình trụ hố khoan

Hình 26: Các lớp vật liệu

- Các phase khi chạy mô hình:

Hình 27: Các phase mô hình

Tiến hành thí nghiệm nén cọc theo từng cấp tải trọng [27], [28] thu được kết quả (xem bảng chi tiết phần phụ lục đính kèm):

Hình 28: Quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc từ mô phỏng theo từng chu kỳ

Chu kỳ 1Chu kỳ 2Chu kỳ 3

4.3.4 So sánh quan hệ tải trọng chuyển vị từ mô phỏng với thí nghiệm nén tĩnh tải cọc:

Hình 29: So sánh quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc theo mô phỏng và thực nghiệm chu kỳ 1

Hình 30: So sánh quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc theo mô phỏng và thực nghiệm chu kỳ 2

Hình 31: So sánh quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc theo mô phỏng và thực nghiệm chu kỳ 3 4.3.5 Kết luận:

Kết quả so sánh quan hệ tải trọng và chuyển vị của cọc giữa mô phỏng và thực nghiệm qua từng chu kỳ cho thấy một số nhận xét quan trọng.

- Chuyển vị cuối mỗi chu kỳ ở 2 trường hợp là gần như nhau

- Đường cong nén của mỗi chu kỳ ở 2 trường hợp gần trùng nhau

Đường cong nén của các chu trình ở hai trường hợp khác nhau cho thấy khả năng phục hồi biến dạng về trạng thái ban đầu trong mô phỏng diễn ra nhanh hơn, với biến dạng dư sau mỗi chu kỳ nhỏ hơn so với thí nghiệm nén tĩnh tải thực tế Mặc dù sự khác biệt này không lớn, nhưng nguyên nhân của hiện tượng vẫn cần được nghiên cứu thêm để hiểu rõ hơn.

 Trong mô phỏng, đất nền được giả thuyết là đàn hồi – dẻo lý tưởng,

 Hệ số nở hông ν được chọn tương đối theo kinh nghiệm

Phương pháp này có thể được áp dụng để mô phỏng và dự đoán chiều dài cũng như tải trọng thử nghiệm cho cọc thiết kế theo phương án đã đề xuất.

ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG VÀO MỘT SỐ VÙNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP.HCM

Quận 6

Áp dụng địa chất ông trình: Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu [16] Địa chỉ: 747 Hồng Bàng, P6, Q6, Tp.HCM

Công trình: Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu Địa chỉ: 747 Hồng Bàng, P6, Q6, Tp.HCM

Hố khoan: HK1 Đường kính cọc: 0.6 m

Với: α = 320 Hệ số khả năng chịu tải

Ap = 0.2828 Diện tích tiết diện mũi cọc

N p = 40 Giá trị trung bình của TN SPT lớp đất mũi cọc

2 Sức chịu tải hông: a Ma sát trong lớp cát:

Ma sát bên trong lớp đất cát

Ls: Tổng chiều dài của cọc trong lớp đất cát p p p

Chiều sâu Chiều dày Ns fs Pfs Σ

Từ 8.7m đến 39.2m 30.5 13 65.0 3737.41 3737.4 b Ma sát trong lớp sét:

Ma sát bên trong lớp đất sét

L c : Tổng chiều dài của cọc trong lớp đất sét qu = 12.5Nc Cường độ nén nhỏ nhất của đất sét xung quanh cọc

Chiều sâu Chiều dày N c f c P fc Σ

3 Sức chịu tải lớn nhất của cọc:

4 Sức chịu tải thiết kế cho cọc:

5.1.2 Xây dựng mô hình cọc:

- Thông số vữa xi măng đất:

Bảng 13: Mô đun đàn hồi tương đương của hỗn hợp xi măng đất Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu

Bảng 14: Hệ số nở hông tương đương của hỗn hợp xi măng đất Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu

(%) Hệ số nở hông tương đương νtđ Đất Vữa xi măng Đất Vữa xi măng Đáy 0.25 0.22 0.10 0.90 0.22

 Mô đun đàn hồi: E = 4.2x10 7 kPa

Bảng 15 trình bày các đặc trưng của đất nền HK2 tại trụ sở ngân hàng Á Châu, với các lớp đất được phân loại từ lớp 1 đến lớp 7 Chiều dày của từng lớp lần lượt là 3.00m, 2.00m, 3.70m, 31.00m, 10.90m, 1.20m và 38.70m Độ ẩm của các lớp đất cũng được ghi nhận, với lớp 1 có độ ẩm 53.20%, lớp 2 là 26.10%, lớp 3 là 21.30%, lớp 4 là 22.00%, lớp 5 là 18.90%, lớp 6 là 17.80% và lớp 7 là 17.90% Dung trọng tự nhiên của các lớp đất chưa được cung cấp trong bảng.

(kN/m 3 ) 14.80 19.13 19.34 19.03 20.31 20.09 19.89 Dung trọng đẩy nổi γ'

(kN/m 3 ) 5.97 9.56 10.03 9.75 10.74 10.73 10.54 Độ rỗng n (%) 63.10 43.60 40.80 41.40 36.60 36.60 36.60 Lực dính c (kPa) 10.60 28.50 31.20 4.10 57.80 47.60 4.90 Góc ma sát φ ( 0 ) 4 0 30' 13 0 1' 16 0 28' 28 0 33' 21 0 11' 20 0 41' 33 0 00'

Số búa SPT N - 7-16 11-17 11-29 36-66 36.00 31-80 5.1.3 Kết quả mô phỏng:

Hình 32: Quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc mô phỏng công trình Trụ sở nhà làm việc ngân hàng Á Châu

Qua kết quả mô phỏng ở trên có thể rút ra nhận xét như sau:

Trong chu kỳ 1, quá trình nén và đường nén gần như tương đồng, với biến dạng dư ở cuối chu kỳ rất nhỏ và cọc phục hồi biến dạng nhanh chóng Ở giai đoạn này, cọc hoạt động trong miền đàn hồi, với giới hạn đàn hồi lớn, do đó biến dạng dư gần như không đáng kể.

- Ở chu kỳ 2: Cọc làm việc đến ngưỡng dẻo, xuất hiện biến dạng dư ở cuối chu kỳ, đường nén và nén lại có hệ số góc khác nhau

- Ở chu kỳ 3: Biến dạng dư ở cuối chu kỳ tương đối lớn, cọc làm việc trong miền dẻo, khả năng phục hồi biến dạng chậm

Tại tải trọng P = 3Ptk = 1080T, chuyển vị đầu cọc ghi nhận là 63.208mm, tương đương khoảng 10% đường kính cọc, cho thấy cọc đáp ứng yêu cầu chịu tải theo thiết kế Kết luận này khẳng định khả năng chịu tải của cọc là đảm bảo.

 Chiều dài cọc l = 41m với sức chịu tải Ptk = 360T là hợp lý

 Chọn tải trọng ép là P = 1080T

Quận Tân Phú

Áp dụng địa chất ông trình: Khu căn hộ cao tầng Packsimex [29] Địa chỉ: 262/13 - 162/15, Lũy Bán Bích, P.Hòa Thạnh, Q.Tân Phú, Tp.HCM 5.2.1 Thiết kế cọc

Công trình: Khu căn hộ cao tầng Packsimex Địa chỉ: 262/13 - 162/15, Lũy Bán Bích, P.Hòa Thạnh, Q.Tân Phú, Tp.HCM

Hố khoan: HK2 Đường kính cọc: 0.6 m

Với: α = 320 Hệ số khả năng chịu tải

Ap = 0.2828 Diện tích tiết diện mũi cọc

Np = 37 Giá trị trung bình của TN SPT lớp đất mũi cọc

2 Sức chịu tải hông: a Ma sát trong lớp cát:

Ma sát bên trong lớp đất cát

Ls: Tổng chiều dài của cọc trong lớp đất cát

Chiều sâu Chiều dày Ns fs Pfs Σ

Từ 31.0m đến 38.2m 7.2 11.50 57.50 780.47 b Ma sát trong lớp sét: p p p

Ma sát bên trong lớp đất sét

Lc: Tổng chiều dài của cọc trong lớp đất sét qu = 12.5Nc Cường độ nén nhỏ nhất của đất sét xung quanh cọc

Chiều sâu Chiều dày Nc fc Pfc Σ

3 Sức chịu tải lớn nhất của cọc:

Pmax = Rp+Pfs+Pfc = 6797.0 kN

4 Sức chịu tải thiết kế cho cọc:

Ptk =1/3 Rp + 1/2(Pfs+Pfc)= 2840.5 kN

5.2.2 Xây dựng mô hình cọc:

- Thông số vữa xi măng đất:

Bảng 16: Mô đun đàn hồi tương đương của hỗn hợp xi măng đất Khu căn hộ cao tầng Packsimex

Bảng 17: Hệ số nở hông tương đương của hỗn hợp xi măng đất Khu căn hộ cao tầng Packsimex

(%) Hệ số nở hông tương đương ν tđ Đất Vữa xi măng Đất Vữa xi măng Đáy 0.25 0.22 0.10 0.90 0.22

Bảng 18: Đặc trưng đất nền HK2 - Khu căn hộ cao tầng Packsimex Đặc trưng Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Chiều dày h (m) 7.10 10.30 21.60 13.70 17.30 Độ ẩm W (%) 24.60 20.40 17.50 18.80 18.50

Lực dính c (kPa) 42.00 21.20 10.70 80.30 9.40 Góc ma sát φ ( 0 ) 13 0 56' 21 0 34' 29 0 29' 19 0 34' 30 0 11'

Mô đun đàn hồi E (kPa) 7666 8407 87130 11080 14752

Hình 33: Quan hệ tải trọng, chuyển vị của cọc mô phỏng công trình Khu căn hộ cao tầng Packsimex

Qua kết quả mô phỏng ở trên có thể rút ra nhận xét như sau:

Trong chu kỳ 1, quá trình nén và đường nén gần như tương đồng, với biến dạng dư ở cuối chu kỳ rất nhỏ Cọc phục hồi biến dạng nhanh chóng, hoạt động chủ yếu trong miền đàn hồi, nơi mà giới hạn đàn hồi của cọc lớn, dẫn đến biến dạng dư gần như không đáng kể.

- Ở chu kỳ 2: Cọc làm việc đến ngưỡng dẻo, xuất hiện biến dạng dư ở cuối chu kỳ, đường nén và nén lại có hệ số góc khác nhau

- Ở chu kỳ 3: Biến dạng dư ở cuối chu kỳ tương đối lớn, cọc làm việc trong miền dẻo, khả năng phục hồi biến dạng chậm

Tại tải trọng P = 3Ptk = 840T, chuyển vị đầu cọc ghi nhận là 59.55mm, tương đương khoảng 10% đường kính cọc, cho thấy cọc đáp ứng yêu cầu chịu tải theo thiết kế Kết luận rằng cọc đảm bảo khả năng chịu tải.

 Chiều dài cọc l = 40m với sức chịu tải Ptk = 280T là hợp lý

 Chọn tải trọng ép là P = 840T

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	4,23 MB