BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Vũ Thanh Hải
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ SỨC MANG TẢI CỦA
CỌC KHOAN NHỒI BỊ KHUYẾT TẬT
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Ngành
: Kỹ thuật xây dựng Công trình ngầm
Mã số
: 60.58.02.04
CB hướng dẫn
: PGS. TS. Đoàn Thế Tường
Hà Nội - 2014
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu đánh giá sức mang tải của cọc khoan
nhồi bị khuyết tật”, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm là
công trình nghiên cứu riêng của tôi. Luận văn đã sử dụng thông tin từ
nhiều nguồn tư liệu khác nhau, các thông tin có sẵn đã được trích rõ
nguồn gốc.
Tác giả luận văn:
Vũ Thanh Hải
MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN VĂN ................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..........................................................................ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ............................................................... iv
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỌC KHOAN NHỒI ........................................... 4
1.1. Lịch sử phát triển của cọc khoan nhồi ........................................................... 4
1.1.1. Trên thế giới .................................................................................................. 4
1.1.2. Tại Việt Nam .................................................................................................. 4
1.2. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi ............................................................... 5
1.2.1. Công nghệ thi công cọc đào khô .................................................................... 5
1.2.2. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách giữ thành .............. 6
1.2.3. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi có sử dụng dung dịch giữ thành ............. 7
1.3. Các phương pháp dự báo sức chịu tải cọc khoan nhồi ................................. 9
1.3.1. Sự làm việc của cọc dưới tác động của tải trọng dọc trục .............................. 9
1.3.2. Các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi........................... 10
1.3.2.1. Sức chịu tải theo vật liệu ........................................................................... 10
1.3.2.2. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm xuyên tĩnh CPT ................ 10
1.3.2.3. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT ...... 12
1.3.2.4. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của đất nền . 12
1.3.2.5. Sức kháng bên của thành cọc khoan nhồi trong đất cát (Nhóm đất cát có
N60 ≤ 50) 12
1.4. Các phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi ... 14
1.4.1. Thí nghiệm PDA ......................................................................................... 14
1.4.2. Thí nghiệm nén tĩnh cọc .............................................................................. 18
2.6. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 45
CHƯƠNG 3. DỰ BÁO VÀ XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC
KHOAN NHỒI BỊ KHUYẾT TẬT ....................................................................... 47
3.1. Cơ sở của phương pháp dự báo sức mang tải của cọc khoan nhồi khuyết
tật
................................................................................................................... 47
3.2. Ví dụ tính toán .............................................................................................. 48
3.2.1. Các giả thiết cơ bản ..................................................................................... 52
3.2.2. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh ......................................................................... 52
3.2.3. Các thông số vật liệu cọc và khuyết tật ........................................................ 54
3.2.4. Dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi ...................................................... 55
3.3. Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc và khuyết tật ....................................... 58
3.4. Dự báo theo phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis) .................................. 62
3.4.1. Thông số vật liệu, nền đất tính toán ............................................................. 63
3.4.2. Kết quả kiểm tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn ................................ 64
3.4.3. Kết quả tính toán đối với cọc bị khuyết tật ................................................... 65
3.4.3.1. Kết quả tính toán đối với cọc bị khuyết tật tại mũi cọc .............................. 65
3.4.3.2. Kết quả tính toán đối với cọc bị khuyết tật tại thân cọc – Khuyết tật vật liệu
cọc
................................................................................................................... 67
3.4.3.3. Kết quả tính toán đối với cọc bị khuyết tật tại thân cọc – khuyết tật giảm tiết
diện cọc ................................................................................................................. 71
3.5. Ảnh hưởng của vị trí khuyết tật đến độ suy giảm sức chịu tải cực hạn của
cọc
Ec
km2
Mô đun đàn hồi của vật liệu
Es
kN/m2
Mô đun đàn hồi của nền đất
-
Hệ số nở hông Poisson
m3
Khối lượng riêng của vật liệu
km3
Trọng lượng riêng của vật liệu
-
Số SPT được chuẩn hóa 60% năng lượng.
ii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Quan hệ giữa Su và Ir, Nc...................................................................... 13
Bảng 1.2: Hệ số hư hỏng của cọc theo thí nghiệm PDA ......................................... 17
Bảng 1.3: Hệ số cản động Case ............................................................................ 17
Bảng 1.4: Tỷ lệ phân bố các loại khuyết tật trong cọc ............................................ 24
Bảng 3.1:Các trường hợp tính toán với khuyết tật tại mũi cọc................................ 49
Bảng 3.2: Các trường hợp tính toán với khuyết tật giảm độ bền bê tông cọc .......... 50
Bảng 3.3: Các trường hợp tính toán với khuyết tật giảm tiết diện thân cọc............. 51
Bảng 3.4: Bảng kết quả thí nghiệm nén tĩnh .......................................................... 53
Bảng 3.5: Bảng thông số độ bền của vật liệu khuyết tật ......................................... 55
Bảng 3.6: Bảng thông số đặc trưng cơ lý của nền đất ............................................. 56
Bảng 3.7: Khả năng chịu tải của vật liệu khuyết tật ............................................... 58
Bảng 3.8: Các trường hợp khuyết tật giảm tiết diện ............................................... 59
Bảng 3.9: Bảng tổng hợp sức kháng bên cực hạn tại các vị trí có khuyết tật .......... 59
Bảng 3.10 : Sơ bộ sức chịu tải cực hạn của cọc bị khuyết tật tại mũi cọc ............... 60
Bảng 3.11: Sơ bộ sức chịu tải cực hạn của cọc bị khuyết tật giảm độ bền bê tông cọc
tại thân cọc ............................................................................................................ 60
Bảng 3.12: Sơ bộ sức chịu tải cực hạn của cọc khoan nhồi bị khuyết tật giảm tiết
diện tại thân cọc..................................................................................................... 61
Bảng 3.13: Sơ bộ sức chịu tải cực hạn của cọc khoan nhồi bị khuyết tật giảm tiết
diện tại thân cọc (tiếp theo).................................................................................... 62
Bảng 3.14: Sơ đồ nền đất - cọc trong phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis)......... 63
Bảng 3.15: Thông số bê tông đưa vào tính toán với mô hình Morh - Coulomb ...... 63
Hình 1.9: Phương pháp xác định tải trọng giới hạn theo Davisson ......................... 21
Hình 1.10: Diễn dịch kết quả thí nghiệm nén tính theo tốc độ biến dạng dựa theo
hiện trường cọc khoan nhồi phường Phú Thượng – Tây Hồ - Hà Nội. ................... 22
Hình 1.11: Khuyết tật tại thân cọc ......................................................................... 23
Hình 1.12: Tỷ lệ phân bố khuyết tật trong cọc ....................................................... 24
Hình 1.13: Sơ đồ phân bố tải trọng theo chiều sâu cọc – với tải trọng giới hạn được
xác định bằng 1840T thì giá trị sức kháng mũi chỉ khoảng 100T ........................... 25
Hình 2.1: Các loại khuyết tật trong cọc .................................................................. 27
Hình 2.2: Nguyên nhân gây ra loại khuyết tật dạng B ............................................ 28
Hình 2.3: Nguyên nhân gây ra khuyết tật dạng C ................................................... 29
Hình 2.4: Quy trình đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi ....................................... 30
Hình 2.5: Quá trình truyền và phản xạ sóng theo thời gian và độ sâu ..................... 32
Hình 2.6: Biều đồ phân tích theo tần số giao động ................................................. 32
Hình 2.7: Mô hình phân tích cọc bị khuyết tật ....................................................... 33
Hình 2.8: Thông số phân tích theo tần số dao động ................................................ 34
Hình 2.9: Kết quả phân tích khuyết tật bằng phần mềm PITWAP .......................... 36
Hình 2.10: Biểu đồ xung siêu âm truyền qua vùng bê tông không có khuyết tật..... 37
Hình 2.11: Biểu đồ xung siêu âm đi qua vùng bê tông có khuyêt tật ...................... 37
Hình 2.12: Sự suy giảm của vận tốc truyền xung trong vùng có khuyết tật ............ 38
v
Hình 2.13: Sơ đồ bố trí ống siêu âm và hình dạng khuyết tật giả định khi một
phương truyền sóng có khuyết tật .......................................................................... 39
Hình 2.14: Quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông cọc và vận tốc truyền sóng
trong cọc ............................................................................................................... 40
Hình 2.15: Biểu đồ quan hệ giữa cường độ sóng siêu âm và cường độ chịu nén của
bê tông cọc ............................................................................................................ 41
Hình 2.16: Sơ đồ vị trí đầu phát và đầu thu sóng siêu âm trong phương pháp CSLT
Hình 3.16: Biểu đồ vận tốc khi bề mặt cọc bình thường (a) và khi bị dập vỡ (b) .... 75
1
MỞ ĐẦU
1. Tính thực tiễn của đề tài
Từ đầu những năm 1990, Việt Nam chuyển sang nền kinh tế thị trường thì các
nhà cao tầng, nhà máy, cầu lớn được xây dựng. Giải pháp cọc khoan nhồi đường kính
lớn được coi là một giải pháp nền móng hiệu quả để chịu lực cho các công trình lớn.
Vì vậy, cọc khoan nhồi ngày càng được áp dụng tại Việt Nam. Ước tính hàng năm tại
nước ta thi công từ 50000 – 70000 mét dài cọc khoan nhồi đường kính lớn từ 0,8 đến
2,5 m.
Cọc khoan nhồi được thi công trong các điều kiện địa chất phức tạp phải xuyên
qua các lớp đất yếu đến rất yếu, việc đổ bê tông gặp rất nhiều khó khăn cùng với các
yếu tố bất lợi khác có thể gây ra các khuyết tật trong cọc. Trong thực tế thi công, khá
nhiều các khuyết tật trong cọc khoan nhồi đã nảy sinh như cọc bị rỗ, đứt đoạn, trôi cốt
thép, mũi cọc lẫn bùn đất .v.v. Công tác kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi đã được
đầu tư chú trọng do hiện nay đa số các máy móc thi công cọc khoan nhồi tại nước ta
đều là máy qua sử dụng được nhập khẩu về, trình độ thi công còn yếu. Bộ Xây Dựng
đã ban hành các tiêu chuẩn hướng dẫn thi công và nghiệm thu cọc khoan nhồi như tiêu
chuẩn TCXDVN 326:2004, TCXDVN 359:2005 .v.v. Hiện nay tại Việt Nam đã áp
dụng các phương pháp thí nghiệm như phương pháp siêu âm, phương pháp biến dạng
nhỏ, phương pháp khoan lấy lõi để đánh giá mức độ toàn vẹn của cọc. Do đó chất
lượng của cọc khoan nhồi ngày càng được cải thiện, việc phát hiện khuyết tật trong
cọc ngày càng chính xác.
Khuyết tật trong cọc khoan nhồi là khó tránh khỏi và là rủi ro trong quá trình thi
công. Công tác kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi chỉ được tiến hành sau khi cọc đã
được đổ bê tông một khoảng thời gian làm cho bê tông cọc đã phát triển cường độ và
các cọc lân cận đã được thi công khiến cho việc thi công bổ xung cọc khá khó khăn.
khoan nhồi bị khuyết tật và nền đất dưới tác dụng của tải trọng dọc trục. Từ kết quả
phân tích, tính toán cho các trường hợp khác nhau, rút ra kết luận cho nội dung thực
hiện nghiên cứu.
6. Bố cục luận văn
Bố cục của luận văn này gồm ba phần chính là phần Mở đầu, phần Nội dung và
phần Kết luận. Tác giả xin tóm tắt 3 chương trong phần Nội dung của luận văn như
sau:
3
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về cọc khoan nhồi. Các phương pháp thi công,
khuyết tật thường gặp đối với cọc khoan nhồi trong thi công.
Chương 2: Giới thiệu về các phương pháp thí nghiệm xác định vị trí và đặc
trưng của khuyết tật.
Chương 3: Dự báo và xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi bị khuyết tật.
7. Các kết quả đạt được
Làm rõ ảnh hưởng của khuyết tật đến sự làm việc và sức chịu tải của cọc khoan
nhồi chịu tải trọng dọc trục. Xây dựng được một quy trình đánh giá tổng quát sức chịu
tải của cọc khi bị khuyết tật
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỌC KHOAN NHỒI
1.1. Lịch sử phát triển của cọc khoan nhồi
1.1.1. Trên thế giới
Móng cọc khoan nhồi đầu tiên được ghi nhận sử dụng vào những năm 1920.
Ban đầu, cọc khoan nhồi được gọi là “Giếng chìm Chicago” hay “Giếng chìm Gow”.
Tại những vùng có lớp đất phía trên yếu như là Chicago, Cleveland, London, và San
nhồi trong xây dựng ở nước ta phát triển mạnh chủ yếu vì cọc khoan nhồi có các ưu
điểm cơ bản như: Thiết bị đơn giản, thi công dễ dàng, đầu tư ít. Sử dụng cọc khoan
nhồi đã đẩy nhanh được tiến độ thi công, có tác dụng lớn trong việc hạ giá thành xây
dựng. Cọc khoan nhồi là giải pháp móng tất yếu phải được áp dụng cho các công trình
xây dựng với tải trọng lớn, tập trung. Hiện nay, cọc nhồi được sử dụng đặc biệt phổ
biến ở nước ta với tất cả các loại hình của nó từ cọc khoan nhồi đến cọc barrette và cọc
khoan nhồi rửa, bơm gia cường đáy... Xu hướng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu
khi nhu cầu về nhà ở cao tầng ở các đô thị ngày một lớn.
1.2. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi
Có nhiều phương pháp thi công cọc khoan nhồi nhưng tất cả các phương pháp thi
công đều được phân loại theo 3 loại công nghệ thi công sau đây:
-
Công nghệ thi công đào khô
-
Công nghệ thi công tạo lỗ khoan có vách giữ thành hố khoan
-
Công nghệ thi công tạo lỗ khoan có sử dụng dung dịch giữ thành hố khoan
Việc lựa chọn công nghệ thi công phụ thuộc vào điều kiện địa chất, tính kinh tế
và điều kiện thi công của từng nhà thầu. Nếu điều kiện địa chất tốt, mực nước ngầm ở
dưới sâu thì công nghệ thi công đào khô là đơn giản và hiệu quả nhất. Ngược lại,
chúng ta phải dùng ống vách và dung dịch giữ thành để đảm bảo ổn định của hố
khoan.
1.2.1. Công nghệ thi công cọc đào khô
Công nghệ thi công cọc đào khô được sử dụng trong nền đất không bị sập đổ trong và
có thể được đặt vĩnh viễn hoặc tạm thời trong quá trình thi công. Có hai cách để hạ
ống vách vào nền đất:
-
Ống vách kín mũi (đầu ống có nắp bản lề khép kín) – quá trình hạ ống là quá
trình lèn chặt đất nền xung quanh.
-
Ống vách đầu hở - quá trình hạ ống là quá trình cắt đất để xuống sâu, và sau đó
phải đào lấy đất trong ống vách lên.
Phương pháp thi công sử dụng ống vách bảo đảm chất lượng cọc, ít phải xử lý,
không sợ sụt lở thành hố khoan, không phải dùng betonite trong quá trình thi công
thích hợp cho các lớp sét, bùn, cát chặt vừa và các lớp đất đắp. Không sử dụng được
trong vùng có lớp cát vừa, cát thô, cuội sỏi. Tuy nhiên, việc sử dụng ống vách có thể
làm giảm sức kháng bên của cọc do thành nhẵn hơn so với khi đổ bê tông không có
ống vách. Do đó, khi tính toán cọc khoan nhồi làm việc như cọc ma sát thì hạn chế sử
dụng phương pháp hạ ống vách toàn phần để thi công mà ta nên sử dụng công nghệ thi
công giữ thành bằng dung dịch.
1.2.3. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi có sử dụng dung dịch giữ thành
8
Khi hố khoan hoặc các loại đất yếu nằm dưới mực nước ngầm hoặc cọc khoan
nhồi phải khoan xuống rất sâu mà biện pháp sử dụng ống vách không khả thi thì
phương pháp khoan sử dụng dung dịch giữ thành được sử dụng.
Hình 1.3: Quy trình thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch giữ thành: (a): Đặt ống
tương đối giữa đất và cọc nhỏ hơn 0,5 inch.
-
Thành phần sức kháng do đất nằm bên dưới mũi cọc bị nén ép sinh ra phản lực
của đất dưới mũi cọc lên cọc gọi là kháng mũi Qp. Sự phá hoại trượt hoàn toàn của đất
nền dưới mũi cọc rất khó xảy ra, hơn nữa giả thiết sự phá hoại này cũng mang tính quy
ước.
Hình 1.4: Sự làm việc của cọc khoan nhồi
10
Qu min(Qdn , Pvl )
1.2
Giá trị sức chịu tải cực hạn của cọc khoan nhồi là giá trị nhỏ hơn của sức kháng
do đất nền và khả năng chịu lực về vật liệu của cọc.
Trong đó: :
Qu: Giá trị sức chịu tải cực hạn của cọc
Pvl: Khả năng chịu lực về vật liệu cọc.
Qdn: Sức kháng cực hạn của đất nền.
1.3.2. Các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi
1.3.2.1. Sức chịu tải theo vật liệu
Sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo vật liệu cọc sẽ được tính toán dựa trên
cường độ của vật liệu làm cọc. Đối với cọc khoan nhồi, sức chịu tải theo vật liệu giới
hạn khi ứng suất trong cọc không vượt quá giá trị 0,3fc. Tuy nhiên, trong thí nghiệm
1.3.2.2. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm xuyên tĩnh CPT
Cách tính sức chịu tải cực hạn đơn vị của cọc khoan nhồi do Alsamman [6,tr 87]
đưa ra trong luận án tiến sỹ của mình năm 1995 theo chỉ tiêu thí nghiệm CPT căn cứ
trên những tính toán ngược dựa vào thí nghiệm nén tĩnh như sau :
a. Sức kháng bên
fi 0,85qc
-
Trong đất dính:
(bar)
nếu qc > 37,8 bar.
1.1
11
fi 0, 0025qc
-
(bar)
nếu qc < 37,8 bar.
1.2
fi 1,3
bar
nếu qc > 189 bar.
1.7
1.8
b. Sức kháng mũi:
-
Trong đất dính:
q p 0, 27(q vo ) (bar)
cb
-
1.9
Trong đất rời:
(bar)
q 0,15q
p
cb
nếu qc ≤ 94,5 bar
q p 14, 2 0,075( q 94,5) (bar) nếu 94,5 < qc ≤ 283,4 bar
Q 120 NAp N As (T)
dn
tb
Trong đó:
1.14
AP: Diện tích mũi cọc (m2)
As: Diện tích xung quanh cọc trong phần đất rời (m2).
N: Chỉ số SPT trung bình trong phạm vi 1D dưới mũi cọc và 4D trên mũi
cọc.
Ntb: Chỉ số SPT trung bình dọc thân cọc.
1.3.2.4. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của đất nền
a. Sức kháng bên
Sức kháng bên đơn vị cực hạn không thoát nước của cọc trong đất dính được dự
báo theo công thức dưới đây:
fi Su
(bar)
1.15
Nếu cọc khoan nhồi có đường kính d = 0.7 ÷ 1.8m; đất không quá yếu (Su ≥ 50
kPa) thì Chen và Kulhawy cho rằng ( [6], tr113):
Với 1,5 (m) đoạn cọc đầu tiên:
α = 0.
và
1.17
Trong đó:
min(N 60 ,15)
x[1.5 0.2445 z ]
15
và 0.25 1.2
N60
: Kết quả thí nghiệm SPT được chuẩn hóa theo 60% năng lượng.
Đối với lớp đất cát sỏi hoặc sỏi có N60 ≥ 15 thì sức kháng bên của cọc khoan nhồi
tính tương tự với công thức như trên với hệ số β được điều chỉnh như sau:
[2 0.15z0.75 ]
và 0.25 1.8
b) Sức kháng mũi
Sức kháng mũi của của cọc khoan nhồi được tính toán theo công thức:
q p N c Su
(bar)
1.18
48
150
8.0
96
250
8.7
192
300
8.9
Copyright: Tài liệu đại học ©