Mô Phỏng và Thực Nghiệm Xác Định Nứt Dọc Thân Cọc Trong Quá Trình Hạ Cọc Bằng Rô Bốt

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng mô phỏng và thực nghiệm xác định nứt dọc thân cọc trong quá trình hạ cọc bằng rô, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Hoàng Minh Đắc
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Đức Vinh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Xác Định Nứt Dọc Thân Cọc Trong Quá Trình Hạ Cọc Bằng Rô Bốt
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Phỏng Nứt Dọc Cọc Bằng Robot 55 ký tự

Cọc ống ly tâm bê tông ứng suất trước (PHC) được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng chịu lực cao. Loại cọc này sử dụng bê tông cường độ cao (M600-M800) và cốt thép ứng suất trước, đảm bảo chất lượng sản xuất đồng đều. Tuy nhiên, sự cố như nứt dọc thân cọc, vỡ đầu cọc vẫn xảy ra trong quá trình hạ cọc bằng robot, ngay cả khi lực ép chưa đạt thiết kế. Nghiên cứu tập trung vào hiện tượng nứt dọc thân cọc ở vùng xung quanh và dưới ngàm kẹp thân cọc. Việc xác định nguyên nhân chính xác rất phức tạp do nhiều yếu tố kỹ thuật và chủ quan. Theo [4], cọc PHC lần đầu xuất hiện ở Nhật Bản vào những năm 1970 và được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm về khả năng chống uốn, kháng nứt và chiều dài cọc linh hoạt.

1.1. Ưu Điểm Của Cọc PHC Và Ứng Dụng Thực Tế

Cọc PHC có khả năng chống uốn đều, kháng nứt, chiều dài linh hoạt, sản xuất công nghiệp và vận chuyển dễ dàng, phù hợp với địa chất phức tạp. Theo TCVN 7888:2008 [5], cọc PHC được phân thành 3 nhóm A, B, C tương ứng với khả năng chịu lực. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các công trình cao tầng và công trình cảng biển, cầu đường như công trình 246 Nguyễn Cửu Vân (Quận 1, TP.HCM) và Trạm xử lý nước thải KCN Cái Mép (Bà Rịa Vũng Tàu).

1.2. Vấn Đề Nứt Dọc Thân Cọc Một Thách Thức Cần Giải Quyết

Mặc dù có nhiều ưu điểm, sự cố nứt dọc thân cọc vẫn xảy ra trong quá trình thi công ép cọc PHC, đòi hỏi nghiên cứu để xác định nguyên nhân và giải pháp.Tiêu chuẩn TCVN 7888:2008 [5] chưa đề cập đến việc khảo sát và phân tích các vết nứt. Quy trình 22TCN - 289-02 [6] cho rằng nguyên nhân là do áp lực thủy động, nhưng thực tế cho thấy hiện tượng này xuất hiện ngay cả trong nền đất tốt.

II. Thách Thức Xác Định Nguyên Nhân Nứt Cọc Khi Hạ Bằng Robot 59 ký tự

Việc xác định nguyên nhân nứt dọc thân cọc trong quá trình hạ cọc bằng robot là một thách thức lớn do sự phức tạp của các yếu tố ảnh hưởng. Cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố kỹ thuật, chất lượng cọc, điều kiện địa chất và biện pháp thi công. Bài toán đặt ra là cần xây dựng một mô hình mô phỏng quá trình hạ cọc để phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này. Mô hình cần tính đến tương tác giữa cọc và đất nền, cũng như đặc tính vật liệu của cọc bê tông.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Nứt Dọc Thân Cọc

Nguyên nhân gây nứt dọc thân cọc có thể xuất phát từ nhiều yếu tố như: lực ép không đều, độ lệch tâm khi ép, chất lượng bê tông không đảm bảo, ứng suất dư trong cọc, hoặc tương tác phức tạp giữa cọc và đất nền. Theo kinh nghiệm thực tế, áp lực thủy động [6] chỉ là một yếu tố, còn nhiều yếu tố khác cần được xem xét.

2.2. Mô Phỏng Quá Trình Hạ Cọc Giải Pháp Tiếp Cận

Để xác định nguyên nhân gây nứt, cần xây dựng mô hình mô phỏng quá trình ép cọc. Mô hình này cần tính đến các yếu tố như: lực ép, độ lệch tâm, đặc tính vật liệu của cọc và đất nền, và điều kiện biên. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm để đưa ra kết luận chính xác.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Nứt Dọc Cọc 57 ký tự

Nghiên cứu sử dụng cả phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để xác định nguyên nhân nứt dọc thân cọc. Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ATENA để mô hình hóa quá trình hạ cọc bằng robot, phân tích ứng suất và biến dạng trong cọc. Phương pháp thực nghiệm tiến hành thí nghiệm trên cọc thực tế để đo đạc lực ép, biến dạng và sự phát triển của vết nứt. So sánh kết quả từ hai phương pháp này giúp xác định chính xác nguyên nhân gây nứt.

3.1. Phần Mềm ATENA Công Cụ Mô Phỏng Phân Tích Nứt Cọc

Phần mềm ATENA được sử dụng để mô phỏng ứng xử của khối vật liệu bê tông, phân tích ứng suất và biến dạng. Mô hình ba chiều đầy đủ của cọc được xây dựng, bao gồm cả tương tác với đất nền. Theo tác giả, (a) Sơ đồ các quá trình mô phỏng (b) Giao diện chương trình ATENA .

3.2. Các Trường Hợp Mô Phỏng Cọc PHC Bằng Robot

Nghiên cứu khảo sát các trường hợp ép cọc khác nhau: ép đỉnh đúng tâm, ép đỉnh lệch tâm, ép ôm lệch tâm, và ép ôm lệch tâm có tương tác với đất nền. Các điều kiện biên là ngàm và gối lò xo quanh cọc. Việc khảo sát các trường hợp khác nhau giúp đánh giá ảnh hưởng của độ lệch tâm đến sức chịu tải của cọc.

3.3. Vật liệu mô hình cho bê tông

Mô hình vật liệu cho bê tông :Phần tử Microplane(trái) và thành phần ứng suất trên Microplane (phải) được sử dụng, khi cọc được ngàm trong đất nền hoặc gắn lò xo quanh thân cọc. Thép dự ứng lực (cáp ứng suất trước) cũng được mô hình hóa.

IV. Kết Quả Mô Phỏng Và Phân Tích Nguyên Nhân Nứt 58 ký tự

Kết quả mô phỏng cho thấy độ lệch tâm khi thi công cọc là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc. Lệch tâm gây ra các vị trí nén cục bộ, nơi ứng suất có thể đạt đến cường độ lớn nhất, dẫn đến nứt cọc ngay cả khi lực ép chưa đạt giá trị thiết kế. Trong trường hợp ép đúng tâm, cọc không bị phá hoại dù tải trọng ép lớn hơn nhiều. Điều này giải thích tại sao cọc bị nứt khi chưa đạt lực ép thiết kế.

4.1. Độ Lệch Tâm Yếu Tố Chính Gây Nứt Cọc

Độ lệch tâm khi ép cọc tạo ra ứng suất kéo và nén ở hai phía đối xứng qua tâm cọc, dẫn đến phá hoại bắt đầu từ vùng kéo và lan sang vùng nén. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng trong trường hợp ép đúng tâm, cọc không bị phá hoại dù tải trọng ép lớn hơn nhiều so với lực ép thiết kế.

4.2. So Sánh Kết Quả Mô Phỏng Với Thí Nghiệm Thực Tế

Kết quả mô phỏng được so sánh với số liệu thí nghiệm thực tế để xác nhận tính chính xác của mô hình. Sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm củng cố kết luận rằng độ lệch tâm là yếu tố quan trọng gây nứt dọc thân cọc. Các vị trí tập trung ứng suất - OLN được so sánh với số liệu thực nghiệm.

4.3. Ứng xử của bê tông và hình dạng phá hoại đầu cọc

Ứng xử của bê tông và hình dạng phá hoại đầu cọc trường hợp ĐL (ép đỉnh lệch tâm) cho thấy ứng suất tập trung cục bộ. Đường lực - biến dạng phương X, Y, Z trong các trường hợp ép đỉnh và ép ôm lệch tâm cũng được phân tích.

V. Giải Pháp Và Hướng Nghiên Cứu Về Nứt Dọc Thân Cọc 59 ký tự

Nghiên cứu cung cấp quy trình đánh giá và xác định nguyên nhân gây ra sự cố nứt dọc thân cọc. Cần kiểm soát chặt chẽ độ lệch tâm trong quá trình thi công, đảm bảo chất lượng bê tông và thiết kế cọc phù hợp với điều kiện địa chất. Hướng phát triển của đề tài là nghiên cứu các giải pháp gia cố cọc để tăng khả năng chống nứt và tối ưu hóa quy trình hạ cọc bằng robot.

5.1. Kiểm Soát Độ Lệch Tâm Trong Thi Công Ép Cọc

Biện pháp quan trọng để giảm thiểu nguy cơ nứt dọc thân cọc là kiểm soát chặt chẽ độ lệch tâm trong quá trình thi công ép cọc. Cần sử dụng thiết bị định vị chính xác và tuân thủ quy trình thi công nghiêm ngặt.

5.2. Giải Pháp Gia Cố Cọc Tăng Khả Năng Chống Nứt

Nghiên cứu sâu hơn về các giải pháp gia cố cọc, như sử dụng vật liệu composite hoặc tăng cường cốt thép, để tăng khả năng chống nứt. Các giải pháp này cần được đánh giá kỹ lưỡng về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

5.3. Hướng phát triển của đề tài

Hướng phát triển của đề tài là nghiên cứu các giải pháp gia cố cọc để tăng khả năng chống nứt và tối ưu hóa quy trình hạ cọc bằng robot, sử dụng các công cụ sẵn có để đánh giá.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu 1.1 Cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước Cọc ống ly tâm ứng suất trước (PHC) lần đầu tiên xuất hiện ở Nhật Bản từ những năm 1970 [4] và đến nay được sử dụng rộng rãi vì những ưu điểm mà nó mang lại như khả năng chống uốn đều các phương, khả năng kháng nứt, chiều dài cọc linh hoạt, áp dụng sản xuất trên dây chuyền công nghiệp nên kiểm soát được chất lượng cọc, vận chuyển linh hoạt và có thể sử dụng ở những công trình có địa chất phức tạp. Cọc ống ly tâm ứng suất trước có tiết diện hình vành khăn hay hình trụ rỗng với chiều dài và chiều dày thành cọc thay đổi tùy theo từng loại cọc. Cọc sử dụng bê tông có mác không nhỏ hơn M400 dành cho cọc ống ly tâm thường và không nhỏ hơn M600 dành cho dành cho cọc ống ly tâm ứng suất trước.8 minh hoạ cấu tạo điển hình của cọc ống ly tâm ứng suất trước trong đó L là chiều dài cọc, d chiều dày thành cọc, a đầu cọc hoặc đầu mối nối, b mũi cọc hoặc đầu mối nối Các nhà sản xuất cọc hiện nay căn cứ vào địa chất, đặc điểm, quy mô từng công trình mà sản xuất các loại cọc khác nhau, để từ đó người sử dụng có thể chọn lựa tùy theo nhu cầu sử dụng của mình. Theo đó cọc PHC được phân thành 3 nhóm A, B, C tương ứng với khả năng chịu lực theo vật liệu, 1 Hình 1.1: Bản vẽ cọc ống ứng suất trước Hình 1.2: Cấu tạo cọc ống ứng suất trước Bảng 1.3 liệt kê các đặc tính chi tiết sản phẩm cọc PHC của công ty Phan Vũ đang được sử dụng phổ biến trên thị trường.

Trên thế giới cọc PHC đã được sử dụng rộng rãi từ những nước phát triển như USA, Đức,Ý cho đến các nước Đông Nam Á như Thái Lan,Malaysia,Indonesia. Và ở Việt Nam cọc PHC thường được sử dụng trong những công trình nhà cao tầng. Ở Việt Nam, việc sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng lực trước trong các công trình xây dựng khá phổ biến chẳng hạn như Công trình 246 Nguyễn Cửu Vân Quận 1 TP.HCM , công trình Trạm xử lý nước thải KCN Cái Mép tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. Cọc PHC không những được sử dụng phổ biến công trình dân dụng mà còn sử 2 Hình 1.3: Bảng phân loại cọc của công ty Phan Vũ Hình 1.4: Công trình 246 Nguyễn Cửu Vân Quận 1 TP.HCM dụng cho công trình cảng biển cầu đường với những cọc có đường kính lớn như D1000,D1200.

Ngoài ra vì khả năng chịu tải trọng ngang tốt nên được dùng cho các công trình tường chắn đất, đê kè (Hình1.5), thủy lợi, công nghiệp. Hiện nay nhiều nhà máy bê tông :Phan Vũ, Bê tông 6, Bê tông Thủ Đức. đã sản xuất đại trà cọc bê tông ly tâm ứng suất trước, cung cấp nhiều loại cọc với kích thước chủng loại khác nhau với đường kính thay đổi từ φ300 đến φ1200, từ cọc loại A đến loại B loại C phù hợp với điều kiện địa chất của từng công trình. Ngoài những ưu điểm mà cọc PHC mang lại tuy nhiên hiện nay trong quá trình 3 Hình 1.5: Cọc ly tâm dùng làm kè chắn sóng thi công ép cọc PHC đã xuất hiện một số sự cố : nứt dọc thân cọc, phá hoại đầu cọc mà chưa xác định được nguyên nhân (Hình 1.6: Hiện tượng nứt cọc 1.2 Động lực phát triển và hướng nghiên cứu mới Tại Việt Nam đang sử dụng tiêu chuẩn TCVN 7888:2008 [5] để tính toán kiểm tra cường độ theo vật liệu của cọc ly tâm nhưng việc khảo sát và phân tích các vết nứt xuất hiện trong quá trình hạ cọc không được nêu ra.

Tuy nhiên trong 22TCN - 289-02 “Quy trình kỹ thuật thi công và nghiệm thu công trình bến cảng ” Điều 7.9 có nêu rõ hiện tượng nứt dọc thân cọc và cho rằng nguyên nhân là do tác động của áp lực thủy động trong lòng cọc khi hạ cọc trong nước 4 hoặc đất yếu, cốt đai xoắn cấu tạo trong cọc không đủ khả năng chịu tác động của áp lực thủy động trong lòng cọc [6]. Trên thực tế khi thi công hiện tượng này còn xuất hiện ngay cả khi hạ cọc trong nền đất tốt và không có mực nước ngầm chứng tỏ áp lực thủy động được nhắc trong [6] chỉ là một yếu tố tác động đến, còn có những nhận định về biện pháp thi công, về chất lượng cọc, về ảnh hưởng của điều kiện đất nền. Việc mô phỏng để xác định nguyên nhân gây nứt dọc thân cọc là cần thiết, các nội dung được khảo sát sau khi có kết quả được so sánh với các chỉ tiêu đánh giá và so sánh với kết quả thực nghiệm rồi rút ra kết luận.Các nội dung được khảo sát như sau: 1. Ép đỉnh cọc PHC500A-5 ép đúng tâm.

Ép đỉnh cọc PHC500A-5 ép lệch tâm. Ép ôm cọc PHC500A-5 ép lệch tâm. Ép ôm cọc PHC500A-10 ép lệch tâm xét đến cọc làm việc đồng thời với nền.3 Mục tiêu và giới hạn đề tài Mục tiêu khảo sát của đề tài là mô phỏng quá trình ép cọc bằng thiết bị rô bốt, thiết lập được quan hệ phát triển lực và biến dạng của vùng bị ngàm. Từ đó phân tích lực ép giữa các thớ khác nhau của cọc và xác định nguyên nhân gây nứt.

Đối tượng được khảo sát là cọc ƯST có chiều dài 5m liên kết ngàm tại chân cọc và cọc 10m liên kết với đất nền bằng mô hình Winkler. Cọc được sử dụng là cọc của công ty Phan Vũ , kích thước hình học bao gồm đường kính 50cm, chiều dày thành 6,5cm, cọc loại A(Loại cọc thường xuất hiện vết nứt dọc). Không xét đến các yếu tố từ biến, tải trọng động trong mô phỏng, các loại mô hình đất nền khác nhau, không xét đến các mối nối cọc.4 Cấu trúc của luận văn Chương 1 Chương giới thiệu nêu ra những khái niệm và cấu tạo của cọc một cách tổng quát cũng như khả năng ứng dụng trong các ngành xây dựng, đối tượng ý nghĩa và giới hạn của đề tài cũng được nhắc trong chương này. Chương 2 Chương tổng quan trình bày quá trình hạ cọc bằng rô bốt và những sự cố thường gặp trong quá trình hạ cọc trong đó đi sâu vào phân tích sự nứt dọc thân cọc và giải pháp khắc phục ở hiện trường.

Chương 3 Chương mô phỏng trình bày các trường hợp chịu nén của cọc, mô hình vật liệu, tải trọng điều kiện biện, hiệu chỉnh mô hình vật liệu bê tông và ứng dụng của phần mềm Atena vào các mô hình của cọc. Chương 4 Chương kết quả trình bày các chỉ tiêu đánh giá đường cong lực - biến dạng , so sánh với kết quả thực nghiệm từ đó xác định yếu tố gây nứt dọc thân cọc. Chương 5 Chương kết luận trình bày các kết luận cũng như hướng nghiên cứu phát triển đề tài sau này. 6 Chương 2 Tổng quan 2.1 Quy trình hạ cọc bằng máy ép rô bốt Rô bốt tự hành thi công ép cọc là thiết bị được đưa vào Việt nam từ cuối thập niên 1990, ban đầu nó được ứng dụng thi công ép cọc cho các công trình ở khu đô thị Nam Sài Gòn.

Đến nay đã có hàng trăm dàn rô bốt ép cọc hiện diện ở khắp các vùng miền trên toàn Việt Nam. Với khả năng di động tốt việc di chuyển đến vị trí mới khá nhanh và dễ dàng, lực ép rất lớn, thi công đạt năng suất và hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian. Trên thị trường có nhiều loại thiết bị rô bốt ép cọc của các hãng Đức, Mỹ, Trung Quốc, ở Việt Nam sử dụng phổ biến máy ép cọc SUNWARD của Trung Quốc (Hình 2.2) với tải ép có thể trên 800 Tấn. Cấu tạo cơ bản của một rô bốt ép cọc gồm có các phần sau: • Khung cơ bản mang đối trọng • Hệ chân di chuyển • Xi lanh tạo lực ép • Má kẹp truyền lực là bộ phận trung gian truyền lực từ máy ép rô bốt đến cọc, Hình 2.1 minh hoạ một hệ má kẹp điển hình.

Bộ phận này có cấu tạo 7 để ôm quanh hay một phần chu vi cọc tạo lực ma sát ép cọc xuống đất nền. Quá trình ép được chia làm 4 bước như sau: Hình 2.1: Má kẹp(Ngàm kẹp) của máy ép rô bốt Hình 2.2: Máy ép cọc Rô bốt Bước1: Di chuyển máy vào vị trí ép. Đưa đoạn cọc thứ nhất vào vị trí ép, ép đoạn cọc thứ nhất đến cao độ +1.4m so với mặt đất hiện trạng. Bước 2: Cẩu đoạn cọc thứ hai vào giá ép, tỳ lên đoạn cọc 1 ép đến cao độ 0.1m so với mặt đất hiện trạng, tiến hành hàn nối cọc, ép ngập đoạn 1, tương tự ép đoạn 3, ép đoạn 4 đến cao độ 1.3: Bước 1- quá trình hạ cọc Hình 2.4: Bước 2- quá trình hạ cọc Bước 3: Cẩu đoạn cọc thứ 5,.

vào giá ép, căn chỉnh máy ép.Tiến hành ép đoạn thứ 5 đến đảm bảo điều kiện dừng ép thì dừng lại Bước 4: Di chuyển máy đến tim cọc khác tiến hành ép tim cọc tiếp theo lặp lại bước 1. Trong quá trình ép lưu ý Độ thẳng đứng của cọc theo 2 phương , Chiều dài thiết kế của cọc, áp lực ép tại thời điểm kết thúc ép cọc: Pmin < P < Pmax , quy cách tổ hợp các đoạn cọc.5: Bước 3- quá trình hạ cọc Hình 2.6: Bước 4- quá trình hạ cọc 2.2 Các sự cố trong quá trình hạ cọc 2.1 Cọc bị nứt, gãy khi cẩu chuyển Hai tác giả Lâm Thanh Phong và Trần Khánh Hùng [2] đã quan sát quá trình thi công hạ cọc ở các dự án ở Đồng bằng sông Cửu Long và đã liệt kê một số sự cố liên quan đến quá trình cẩu lắp. Trong trường hợp này yếu tố con người đóng vai trò chính. Quá trình cẩu lắp không được chú ý cẩn thận dẫn đến cọc bị va 10 chạm, hay một số đơn vị thi công cho công nhân dùng móc cẩu móc trực tiếp tại hai đầu cọc (Hình 2.7) để cẩu chuyển mà không tính toán kiểm tra vì nghĩ rằng cọc ống BTCT ƯST có độ cứng rất lớn, cọc không thể bị tổn hại.7: Sự cố do cẩu lắp cọc không đúng vị trí 2.2 Cọc bị nghiêng lệch quá mức cho phép Khi kiểm tra độ thẳng đứng của cọc các đơn vị thi công sử dụng máy trắc đạc, con dọi và thước cân bằng, sau từng đoạn cọc ép xuống đơn vị thi công sẽ kiểm tra lại phương thẳng đứng của cọc bằng các dụng cụ trên.

Tuy nhiên việc chủ quan không kiểm tra kỹ độ thẳng đứng của cọc sau từng phân đoạn cọc làm cho các đoạn cọc về sau càng nghiêng lệch so với phương thẳng đứng.