Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng thi công khoan hạ cọc đến sức chịu tải trong địa chất khó khăn tại TP.HCM - Lương Toàn Hiệp

• Tác giả: Lương Toàn Hiệp
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Bá Kế
• Trường học: Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm
• Đề tài: Ảnh hưởng của công tác thi công khoan hạ cọc đến sức chịu tải của cọc trong khu vực địa chất không thuận lợi tại Thành phố Hồ Chí Minh
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thi công khoan hạ cọc và địa chất TP

Thành phố Hồ Chí Minh nằm trên vùng đồng bằng châu thổ sông Cửu Long. Địa chất khu vực này phức tạp. Các lớp đất yếu phân bố không đồng đều. Đất sét mềm, cát lỏng và tầng nước ngầm cao tạo thách thức lớn cho nền móng công trình. Phương pháp thi công khoan hạ cọc được nghiên cứu kỹ trong luận án tiến sĩ của Lương Toàn Hiệp (2021). Phương pháp này kết hợp khoan dẫn trước khi ép cọc vào nền đất. Kỹ thuật giúp giảm rung chấn và tiếng ồn khi thi công trong khu dân cư đông đúc. Địa chất không thuận lợi tại TP.HCM đòi hỏi giải pháp thi công phù hợp. Các lớp đất có SPT dao động từ 2 đến 50. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sức chịu tải của cọc. Nghiên cứu chỉ ra rằng công tác thi công quyết định chất lượng móng cọc. Hiểu rõ đặc điểm địa chất là bước đầu tiên quan trọng.

1.1. Cấu trúc địa chất khu vực TP.HCM

Địa chất TP.HCM gồm nhiều lớp đất khác nhau từ mặt đất đến độ sâu lớn. Lớp trên cùng thường là sét dẻo mềm, có SPT từ 0 đến 10. Kế tiếp là lớp á sét lẫn sạn sỏi laterit với trạng thái dẻo cứng. Các lớp cát mịn đến thô xuất hiện ở độ sâu trung bình. Chỉ số SPT của lớp cát dao động từ 8 đến 28. Lớp đất đáy thường là sét cứng hoặc cát chặt, SPT từ 25 đến 50. Mực nước ngầm cao ảnh hưởng đến quá trình thi công cọc.

1.2. Phương pháp khoan dẫn ép cọc trong xây dựng

Khoan dẫn ép cọc là phương pháp thi công kết hợp hai kỹ thuật. Bước đầu tiên là khoan tạo lỗ dẫn trước khi hạ cọc. Đường kính lỗ khoan thường nhỏ hơn đường kính cọc từ 0,025m đến 0,15m. Độ sâu lỗ khoan dẫn nhỏ hơn độ sâu đặt mũi cọc khoảng 1,5m đến 2,5m. Sau khi khoan dẫn, cọc được ép hoặc đóng vào nền đất. Phần trống giữa cọc và đất nền được lấp đầy bằng cát sạch. Phương pháp này giảm đáng kể lực cản bên trong quá trình thi công.

II. Phân tích ảnh hưởng thi công đến sức chịu tải cọc

Công tác thi công khoan hạ cọc ảnh hưởng trực tiếp đến sức chịu tải của cọc. Trong khu vực địa chất không thuận lợi, ảnh hưởng này càng rõ rệt. Quá trình khoan dẫn làm thay đổi trạng thái ứng suất ban đầu của đất xung quanh cọc. Lực ma sát bên giảm đáng kể sau khi khoan dẫn. Sức chịu tải đầu cọc cũng bị ảnh hưởng do đất đáy bị xáo trộn. Nghiên cứu tại các dự án ở quận 5, quận 9 và quận 10 cho thấy kết quả đáng chú ý. Tại dự án cầu vượt nút giao thông đường 3/2, các lớp đất có SPT từ 2 đến 50. Tại dự án chung cư Phước Bình quận 9, đất nền gồm nhiều lớp yếu đan xen. Phương pháp khoan dẫn giúp kiểm soát quá trình thi công tốt hơn. Tuy nhiên, nếu không kiểm soát đúng kỹ thuật, sức chịu tải giảm nghiêm trọng. Mối quan hệ giữa đường kính lỗ khoan và đường kính cọc là yếu tố then chốt.

2.1. Cơ chế ảnh hưởng của khoan dẫn đến đất nền

Khoan dẫn tạo lỗ hổng trong đất nền trước khi hạ cọc. Quá trình này giải phóng ứng suất ngang quanh thành lỗ khoan. Đất xung quanh bị suy giảm độ cứng do ứng suất hiệu dụng giảm. Nước ngầm có thể xâm nhập vào vùng đất quanh lỗ khoan. Hiện tượng này làm giảm sức kháng cắt của đất. Ma sát bên của cọc giảm từ 20% đến 50% so với cọc ép thông thường. Phần đất đáy lỗ khoan bị xáo trộn làm giảm sức chịu tải đầu cọc.

2.2. Đánh giá thực nghiệm tại các công trình TP.HCM

Các thí nghiệm tải trọng tĩnh được thực hiện tại nhiều dự án ở TP.HCM. Kết quả cho thấy cọc khoan dẫn có sức chịu tải thấp hơn cọc ép truyền thống. Tại khu vực quận 5, cọc khoan dẫn đạt 70% đến 85% sức chịu tải thiết kế. Tại quận 9, tỷ lệ này dao động từ 65% đến 80%. Các phép đo biến dạng cho thấy cọc khoan dẫn có độ lún lớn hơn. Thời gian chờ đợi sau khi khoan dẫn ảnh hưởng đến khả năng phục hồi sức chịu tải. Khoảng thời gian chờ tối ưu là 24 đến 72 giờ.

III. Giải pháp nâng cao sức chịu tải cọc khoan hạ

Nhiều giải pháp được đề xuất để nâng cao sức chịu tải của cọc khoan dẫn. Kiểm soát đường kính lỗ khoan dẫn là biện pháp quan trọng nhất. Theo các tiêu chuẩn quốc tế, đường kính lỗ khoan phải nhỏ hơn đường kính cọc. Quy định của Indiana yêu cầu Dk nhỏ hơn D trừ 0,05m. Montana quy định Dk nhỏ hơn D trừ 0,025m. Độ sâu lỗ khoan dẫn thường nhỏ hơn 1,5m so với độ sâu thiết kế. Sau khi khoan dẫn, việc lấp đầy lỗ khoan bằng cát sạch rất cần thiết. Cát sạch giúp truyền tải trọng từ cọc xuống đất nền hiệu quả hơn. Thời gian chờ đợi giữa khoan dẫn và ép cọc cần được tối ưu hóa. Phương pháp phân tích số bằng phần tử hữu hạn được áp dụng rộng rãi. Phần mềm mô phỏng giúp dự đoán chính xác ứng xử của cọc trong đất yếu. Kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng số cho kết quả đáng tin cậy.

3.1. Quy trình thi công khoan dẫn tối ưu

Quy trình thi công khoan dẫn cần tuân thủ nghiêm ngặt các bước. Bước đầu tiên là khảo sát địa chất chi tiết tại vị trí cọc. Tiếp theo là xác định đường kính và độ sâu lỗ khoan phù hợp. Quá trình khoan dẫn phải kiểm soát tốc độ khoan và dung dịch bentonite. Sau khi khoan xong, kiểm tra độ thẳng đứng và kích thước lỗ khoan. Lấp đầy lỗ khoan bằng cát sạch trước khi hạ cọc. Ép cọc từ từ với tốc độ kiểm soát để tránh phá vỡ cấu trúc đất. Ghi nhận lực ép và biến dạng trong suốt quá trình thi công.

3.2. Ứng dụng phương pháp số trong dự đoán sức chịu tải

Phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng chính xác quá trình thi công cọc. Phần mềm tính toán có khả năng mô hình hóa ứng xử phi tuyến của đất. Mô hình đất Mohr-Coulomb và Hardening Soil được sử dụng phổ biến. Quá trình thi công được mô phỏng từng bước tương ứng với thực tế. Các thông số đất đầu vào được lấy từ kết quả khảo sát địa chất. Kết quả mô phỏng số cho phép dự đoán sức chịu tải với độ chính xác cao. So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy sai số dưới 15%.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn tại TP

Luận án tiến sĩ của Lương Toàn Hiệp đã làm rõ ảnh hưởng của thi công khoan dẫn đến sức chịu tải cọc. Kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và thực tiễn cao. Tại các khu vực địa chất không thuận lợi ở TP.HCM, phương pháp khoan dẫn là lựa chọn hợp lý. Tuy nhiên, cần tuân thủ nghiêm ngặt quy trình kỹ thuật. Đường kính lỗ khoan dẫn phải nhỏ hơn đường kính cọc theo quy định. Độ sâu lỗ khoan không vượt quá 1,5m so với độ sâu đặt mũi cọc. Thời gian chờ đợi sau khoan dẫn cần được tối ưu hóa. Kết hợp phương pháp phân tích số giúp dự đoán và kiểm soát chất lượng thi công. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công móng cọc. Các kết quả áp dụng trực tiếp cho điều kiện địa chất đặc thù của TP.HCM. Công trình nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho kỹ thuật nền móng tại Việt Nam.

4.1. Đóng góp khoa học của đề tài nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu đóng góp nhiều giá trị khoa học quan trọng. Thứ nhất, hệ thống hóa dữ liệu địa chất đặc thù của TP.HCM. Thứ hai, đánh giá định lượng ảnh hưởng của khoan dẫn đến sức chịu tải cọc. Thứ ba, đề xuất quy trình thi công tối ưu cho điều kiện địa chất phức tạp. Thứ tư, xây dựng mô hình số dự đoán sức chịu tải cọc khoan dẫn. Thứ năm, so sánh kết quả tính toán với thực nghiệm tại công trình. Các đóng góp này tạo nền tảng cho nghiên cứu tiếp theo về nền móng sâu.

4.2. Ứng dụng trong thực tế xây dựng TP.HCM

Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trực tiếp trong xây dựng tại TP.HCM. Các công trình cao tầng trong khu vực đất yếu áp dụng phương pháp khoan dẫn. Dự án cầu vượt, hầm chui và công trình ngầm sử dụng kết quả nghiên cứu. Quy trình thi công tối ưu giúp tiết kiệm chi phí và thời gian. Kiểm soát chất lượng thi công giảm thiểu rủi ro cho công trình. Mô hình số hỗ trợ kỹ sư đưa ra quyết định thiết kế chính xác hơn. Ứng dụng thực tế cho thấy sức chịu tải cọc cải thiện từ 10% đến 25%.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG LƯƠNG TOÀN HIỆP ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG TÁC THI CÔNG KHOAN HẠ CỌC ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG KHU VỰC ĐỊA CHẤT KHÔNG THUẬN LỢI TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm Hà Nội, 2021 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG LƯƠNG TOÀN HIỆP ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG TÁC THI CÔNG KHOAN HẠ CỌC ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG KHU VỰC ĐỊA CHẤT KHÔNG THUẬN LỢI TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm Mã số: 9580204 Người hướng dẫn khoa học: 1. Nguyễn Bá Kế - Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng …………………………………………………………. Nguyễn Việt Tuấn - Phân viện Khoa học Công nghệ Xây dựng miền Nam …………………………………………………………. Hà Nội, 2021 i LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên, tập thể Ban Lãnh đạo Viện chuyên ngành; Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng (IBST). Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. Nguyễn Bá Kế, TS. Nguyễn Việt Tuấn – những Thầy giáo trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho Tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của Tôi đang công tác tại Khoa Xây dựng – Đại học Công nghệ Tp.HCM (HUTECH) và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh Lương Toàn Hiệp ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Lương Toàn Hiệp iii MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN .ii LỜI CAM ĐOAN . iii MỤC LỤC . iv DANH MỤC BẢNG BIỂU . viii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ. Lý do chọn đề tài . Tình hình nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . Đối tượng nghiên cứu . Phạm vi nghiên cứu . Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài . Mục tiêu nghiên cứu . Nhiệm vụ nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu . Nội dung nghiên cứu . Những điểm mới và nổi bật của đề tài . 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỌC KHOAN HẠ . Tổng quan địa chất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh . Cấu trúc địa chất khu vực chung. Cấu trúc địa chất tại khu vực không thuận lợi đối với móng cọc ép. Tổng quan về móng cọc ép và một số hạn chế từ việc ép cọc . Móng cọc ép . Một số hạn chế từ việc ép cọc. Tổng quan về phương pháp khoan dẫn ép cọc . Giới thiệu sơ lược . Phương pháp – công nghệ thi công. Ưu điểm và các trường hợp nên áp dụng phương pháp khoan dẫn ép . Phương pháp xác định sức chịu tải của cọc ép hoặc đóng . Phương pháp theo TCVN 10304:2014 . Phương pháp theo AASHTO 2017 . Ảnh hưởng của thi công khoan dẫn đến sức chịu tải của cọc theo tiêu chuẩn thiết kế . Phương pháp phân tích cọc chịu tải trọng đứng theo phương pháp số . 37 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 . 42 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CỌC KHOAN HẠ . Ứng xử của đất nền xung quanh cọc và dưới mũi cọc . Thành phần ứng suất trong đất . Thành phần biến dạng trong đất . Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong đất . Ứng xử tăng bền . Ma trận đàn dẻo . Mô hình đất nền . Giới thiệu mô hình đất nền đàn hồi phi tuyến. Biểu thức của mô hình đàn hồi phi tuyến . Phương pháp phần tử hữu hạn đất nền xung quanh cọc . Phương trình phần tử hữu hạn . Phần tử tấm tứ giác đẳng tham số . Phương pháp phần tử hữu hạn đối với tiếp xúc giữa đất và cọc . Động học tiếp xúc . Sự ràng buộc tại bề mặt tiếp xúc. Mô hình hóa hệ cọc - tiếp xúc - nền đất . Phần tử tiếp xúc . 73 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 . XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG KÍNH LỖ KHOAN ĐẾN MA SÁT THÀNH CỦA CỌC KHOAN HẠ . Xây dựng phần mềm phân tích cọc khoan hạ - PDC PileS (Pre-Drilled Compression Pile Software) . Giới thiệu về phần mềm. Giao diện phần mềm . Giải hệ phương trình . Phương pháp giải bài toán phi tuyến . Giải lặp đối với phần tử tiếp xúc. Chia lưới phần tử . Các tham số trong bài toán phân tích ép cọc . Các đặc trưng đàn hồi và cường độ . Các đặc trưng tiếp xúc giữa cọc và đất nền . Đánh giá độ chính xác của phần mềm PDC PileS . Nghiên cứu sự suy giảm sức kháng của đất . 97 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 . NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỌC KHOAN DẪN . Thí nghiệm mô hình thu nhỏ . Cọc thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm. Quy trình ép hạ mô hình cọc thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh mô hình cọc thí nghiệm . Phân tích mô phỏng thí nghiệm trong phòng bằng phần mềm PDC PileS . Thí nghiệm cọc tại hiện trường . Cọc thí nghiệm. Số liệu địa chất. Thiết bị thí nghiệm. Lắp đặt đầu đo biến dạng . Ép hạ cọc thí nghiệm . Kết quả thí nghiệm nén tĩnh xác định sức chịu tải của cọc . 120 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 . 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ . 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 140 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Địa chất khu vực không thuận lợi với biện pháp thi công cọc ép tại thành phố Hồ Chí Minh .2: Các hệ số điều kiện làm việc của đất cq và cf cho cọc đóng hoặc ép .3: Quy định về đường kính và độ sâu của lỗ khoan dẫn .1: Tham số mô hình đàn hồi phi tuyến . Tọa độ và trọng số của tích phân số trên miền tứ giác . Dữ liệu đặc trưng đất nền . Dữ liệu đặc trưng cọc . Dữ liệu đặc trưng hình học và chia lưới phần tử . Dữ liệu phân tích .5: Miền giá trị điển hình của hệ số Poisson trong điều kiện thoát nước .6: Mô đun đàn hồi không thoát nước của đất sét .7: Mô đun đàn hồi của đất cát .8: Tham số mô đun đàn hồi thoát nước. Góc ma sát của bê tông với một số loại đất cát. Đặc trưng đất nền . Sức chịu tải của cọc dựa trên kết quả nén tĩnh . Tham số tính toán đối với đất cát . Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất . Sức chịu tải của cọc . Tham số tính toán . Sức chịu tải của cọc dựa trên kết quả nén tĩnh . Bảng tổng hợp kết quả phân tích bằng 3 phương pháp . 129 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Bản đồ Địa chất – Khoáng sản Tp. Hồ Chí Minh . Mặt cắt địa chất Chung cư Phước Bình, Quận 9, Tp. Hồ Chí Minh . Sự cố nổ cọc tại dự án . Thi công khoan hạ dự án Tô ký, Quận 12 . Mặt cắt địa chất Bảo tàng Tôn Đức Thắng, Quận 1, Tp. Hồ Chí Minh . Sự cố cọc ép không xuống tại công trình Bảo tàng Tôn Đức Thắng . Công trình: Chung cư Vĩnh Hội , Quận 4 – Tp. Công trình: Trường Đại học Kiến trúc Tp. Thi công khoan dẫn . Thi công ép cọc . Hệ số sức chịu tải mũi cọc . Sức kháng giới hạn mũi cọc . Hệ số CF và Kδ . Đường cong thiết kế của hệ số kết dính của cọc hạ trong đất sét . Mô hình tính toán theo phương pháp mở rộng lỗ khoan . Mô phỏng quá trình ép cọc theo phương pháp mở rộng lỗ khoan . Ứng xử tăng bền của vật liệu . Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng .3: Mặt chảy dẻo mô hình đàn hồi phi tuyến . Quan hệ ứng suất biến dạng theo thí nghiệm ba trục . Chuyển đổi quan hệ ứng suất biến dạng . Xác định tham số KL và n . Phần tử tấm tứ giác 8 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa phương . Bài toán một chiều . Kết cấu với phần tử phạt .10: Mối quan hệ giữa |e| và 1/w. Kết cấu với lực ràng buộc . Mô hình hóa cọc-tiếp xúc-đất nền . Mô phỏng sự tiếp xúc giữa cọc và đất nền . Phần tử tiếp xúc theo phương pháp Lagrange . Hệ tọa độ địa phương của phần tử tiếp xúc . Giao diện phần mềm PDC PileS . Mô hình phần tử hữu hạn . Ứng suất đất nền giai đoạn khoan dẫn . Ứng suất đất nền giai đoạn hạ cọc vào trong lỗ khoan. Sơ đồ khối chương trình . Phương pháp Newton-Raphson (a) và Newton-Raphson cải tiến (b) . Số mô đun theo góc ma sát trong . Mô hình tính toán cọc . So sánh lực ép cọc theo độ sâu . Ma sát thành cọc theo độ sâu . Lực ép cọc theo độ sâu . Hệ số suy giảm ma sát thành . Đầu đo biến dạng . Vị trí đầu đo biến dạng . Cọc trong khuôn đúc và sau khi tháo ván khuôn . Sơ đồ khung thí nghiệm. Các loại mũi khoan với đường kính khác nhau . Cọc thí nghiệm . Lực ép hạ cọc mô hình theo độ sâu trong phòng thí nghiệm . Kết quả thí nghiệm nén tĩnh mô hình cọc: Biểu đồ tải trọng – Độ lún . Lực ép mô hình cọc trong phòng thí nghiệm theo kết quả phân tích bằng phần mềm PDC PileS . So sánh sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh và phân tích theo phần mềm PDC PileS . Biểu đồ phân bố lực dọc thân cọc theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh và phân tích bằng phần mềm PDC PileS . Mặt cắt địa chất và vị trí của cọc thí nghiệm. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm . Sơ đồ bố trí hệ kích thủy lực và hệ đo đạc . Vị trí lắp đặt đầu đo biến dạng . Gắn đầu đo biến dạng vào cọc thí nghiệm . Lực ép hạ cọc thí nghiệm tại hiện trường .