Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu khả năng chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hóa nứt nẻ

Luận án tiến sĩ phân tích khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hóa nứt nẻ, cung cấp kiến thức chuyên sâu cho ngành xây dựng.

• Tác giả: Lê Đức Tiến
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Chịu Tải Cọc Khoan Nhồi Đặt Trong Tầng Đá Phong Hóa Nứt Nẻ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ
• 1.1. Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HOÁ NỨT NẺ
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG NÉN TĨNH VÀ NHỔ CỌC CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG PHONG HÓA NỨT NẺ THEO PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ SO SÁNH ĐỐI CHỨNG VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

Tóm tắt

I. Tổng quan về sức chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hóa nứt nẻ

Cọc khoan nhồi là một trong những giải pháp quan trọng trong xây dựng công trình chịu tải trọng lớn. Đặc biệt, trong điều kiện địa chất phức tạp như tầng đá phong hóa nứt nẻ, việc xác định khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi trở nên cần thiết. Cọc khoan nhồi thường được sử dụng trong các công trình như cầu, hầm và nhà cao tầng. Đường kính cọc thường từ 800 đến 2500 mm, với chiều dài từ 30 đến 50 m. Việc thi công cọc khoan nhồi yêu cầu nhà thầu có kinh nghiệm và năng lực trong việc xử lý các sự cố có thể xảy ra trong quá trình thi công. Đặc biệt, chất lượng bê tông là yếu tố quyết định đến sức chịu tải của cọc. Các tiêu chuẩn hiện hành như TCVN 10304:2014 và TCVN 11823-10:2017 đã đưa ra các quy định cụ thể về chất lượng bê tông và quy trình thi công. Tuy nhiên, việc áp dụng các tiêu chuẩn này trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ vẫn còn nhiều thách thức.

1.1 Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi

Cọc khoan nhồi là một giải pháp thi công phổ biến trong xây dựng, đặc biệt là trong các công trình có tải trọng lớn. Cọc được thi công bằng cách khoan lỗ và đổ bê tông trực tiếp vào lỗ khoan. Đặc điểm nổi bật của cọc khoan nhồi là khả năng chịu tải tốt và khả năng thích ứng với các điều kiện địa chất khác nhau. Trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ, cọc khoan nhồi có thể gặp phải những khó khăn trong việc xác định sức chịu tải do tính chất không đồng nhất của lớp đất đá. Việc nghiên cứu và đánh giá khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi trong điều kiện này là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng.

II. Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm đánh giá sức chịu tải cọc khoan nhồi

Để đánh giá khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hóa nứt nẻ, cần phải áp dụng các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Các phương pháp lý thuyết bao gồm phân tích và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu trước đây, trong khi các phương pháp thực nghiệm bao gồm thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc. Thí nghiệm nén tĩnh giúp xác định sức kháng mũi cọc và thân cọc, trong khi thí nghiệm nhổ cọc cho phép đánh giá sức chịu tải tổng thể của cọc. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ được so sánh với các mô hình tính toán để xác định độ chính xác của các phương pháp tính toán hiện hành. Việc áp dụng các tiêu chuẩn như TCVN 11823-10:2017 trong việc tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và an toàn cho các công trình.

2.1 Tổng quan về các phương pháp xác định sức chịu tải

Các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi có thể chia thành hai nhóm chính: phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết thường dựa trên các công thức tính toán dựa trên các thông số địa chất và tải trọng tác động lên cọc. Trong khi đó, phương pháp thực nghiệm bao gồm các thí nghiệm tại hiện trường như thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc. Các thí nghiệm này cung cấp dữ liệu thực tế về sức chịu tải của cọc trong điều kiện địa chất cụ thể. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm sẽ giúp nâng cao độ tin cậy trong việc đánh giá khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi, đặc biệt là trong các điều kiện phức tạp như đá phong hóa nứt nẻ.

III. Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường nén tĩnh và nhổ cọc

Nghiên cứu thực nghiệm là một phần quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi. Các thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc được thực hiện tại hiện trường giúp xác định chính xác sức kháng của cọc trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ. Thí nghiệm nén tĩnh cho phép đo đạc ứng suất và biến dạng dọc theo thân cọc, từ đó xác định được mô hình làm việc của cọc trong nền đất. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ được phân tích để đưa ra các nhận định về ứng xử của cọc khoan nhồi trong điều kiện địa chất cụ thể. Việc thực hiện các thí nghiệm này không chỉ giúp xác định sức chịu tải mà còn cung cấp thông tin quý giá cho việc điều chỉnh các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

3.1 Thí nghiệm nén tĩnh

Thí nghiệm nén tĩnh là phương pháp phổ biến để xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi. Trong thí nghiệm này, tải trọng được tác động lên cọc cho đến khi đạt đến giới hạn chịu tải. Các thiết bị đo được lắp đặt để ghi nhận ứng suất và biến dạng dọc theo thân cọc. Kết quả từ thí nghiệm nén tĩnh sẽ cho phép xác định sức kháng mũi cọc và sức kháng bên, từ đó đánh giá tổng thể khả năng chịu tải của cọc trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ. Việc phân tích kết quả thí nghiệm sẽ giúp đưa ra các khuyến nghị cho thiết kế và thi công cọc khoan nhồi trong tương lai.

IV. Phân tích sức chịu tải cọc khoan nhồi theo phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ trong việc phân tích sức chịu tải của cọc khoan nhồi. Phương pháp này cho phép mô phỏng hành vi của cọc trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ một cách chi tiết và chính xác. Bằng cách sử dụng phần mềm như FB-Pier, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng mô hình tính toán để dự đoán sức chịu tải của cọc dựa trên các thông số địa chất và tải trọng tác động. Kết quả từ mô hình FEM sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm để xác định độ chính xác của phương pháp. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp nâng cao độ tin cậy trong việc đánh giá khả năng chịu tải mà còn cung cấp cơ sở để điều chỉnh các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

4.1 Mô hình hóa cọc khoan nhồi

Mô hình hóa cọc khoan nhồi bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho phép phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc. Các thông số như kích thước cọc, tính chất vật liệu và điều kiện địa chất được đưa vào mô hình để dự đoán hành vi của cọc dưới tải trọng. Kết quả từ mô hình sẽ được so sánh với các thí nghiệm thực tế để xác định tính chính xác của phương pháp. Việc sử dụng FEM trong phân tích sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ sẽ giúp cải thiện quy trình thiết kế và thi công cọc, đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị như sau: Chƣơng 1: Tổng quan về sức chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hóa nứt nẻ Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm đánh giá sức chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hoá nứt nẻ Chƣơng 3: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường nén tĩnh và nhổ cọc của cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ. Chƣơng 4: Phân tích sức chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng phong hóa nứt nẻ theo phương pháp phần tử hữu hạn và so sánh đối chứng với kết quả nghiên cứu thực nghiệm hiện trường. Kết luận và kiến nghị của luận án. luan an 5 CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ 1. Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi 1. Giới thiệu chung Cọc khoan nhồi là một giải pháp cho các công trình chịu tải trọng lớn. Cọc khoan nhồi được áp dụng rộng rãi vào các loại hình công trình như nhà cao tầng, công trình cầu, hầm và các công trình cảng biển.

Công nghệ thi công cọc khoan nhồi đòi hỏi nhà thầu phải có đủ năng lực và kinh nghiệm về nhân lực, thiết bị, quy trình thi công và các ứng xử khi xảy ra các sự cố trong quá trình thi công cọc khoan nhồi. Đường kính cọc khoan nhồi thường D= 800÷2500 mm (có thể lên tới 3000÷4000 mm) và tối thiểu không được nhỏ hơn 750mm, chiều dài cọc thường từ 30÷50m (có thể đến 100m). Bê tông cọc khoan nhồi được đổ trực tiếp tại hiện trường theo phương pháp đổ bê tông trong nước, do đó các yêu cầu về chất lượng của bê tông phải đặc biệt quan tâm. Về cấp phối bê tông: Xi măng, cát, đá, nước trước khi đưa vào sản xuất bê tông phải được kiểm tra về chất lượng theo các quy định hiện hành: Đá sử dụng kích cỡ 5~20 mm cường độ 600- 800kg/cm2.8 và dùng xi măng portland.

Nước không có tạp chất và muối theo đúng quy định của quy trình chế tạo bê tông hiện hành. Phụ gia có thể dùng loại kéo dài thời gian sơ ninh và duy trì độ lưu động. Nếu bê tông được đổ dưới nước thì phải đạt yêu cầu kỹ thuật về bê tông dưới nước. Phải thiết kế cấp phối đúng quy trình quy phạm hiện hành và bảo đảm các yêu cầu của vữa bê tông khi đổ bê tông dưới nước, như: Độ sụt: 16~18 cm; Cường độ bê tông dưới nước: theo yêu cầu của thiết kế; Thời gian duy trì độ lưu động > 40 phút, trong thời gian này độ sụt không dưới 15 cm.

Cũng như việc thiết kế cấp phối bê tông khác, phải đúc mẫu và ép thử cường độ trước khi cấp bê tông. Kết quả thí nghiệm tỷ lệ phối trộn phải được luan an 6 duyệt mới đưa ra sử dụng. Việc thiết kế cấp phối bê tông phải đảm bảo cường độ bê tông, độ sụt (độ linh động) trước khi đổ, thời gian sơ ninh của bê tông cũng như thời gian duy trì độ sụt. Cấp phối bê tông phải nhuyễn để việc đổ bê tông được thuận tiện, tránh gây tắc ống dẫn trong khi đổ.

Để đảm bảo các yêu cầu của bê tông đổ cọc khoan nhồi cần phải sử dụng phụ gia siêu dẻo có độ tin cậy cao. Ví dụ yêu cầu về thiết kế cấp phối bê tông như sau: Cường độ đến 28 ngày: Theo yêu cầu thiết kế. Thời gian ninh kết : 4 giờ Độ sụt : 17.5 Hàm lượng xi măng: ≥ 350 kg Đường kính cốt liệu thô không lớn hơn 50 mm hoặc 1/3 cự ly mép cốt thép chủ, thường sử dụng đá 1 ~ 2. luan an 7 H nh 1-1: Cấu tạo cọc khoan nhồi móng cầu Kiền (Hải Phòng) 1.

Thi công cọc khoan nhồi - Các bước trong thi công cọc khoan nhồi : 1. Khoan tạo lỗ; 2. Gia công và hạ lồng cốt thép; 3. Đổ bê tông cọc và hoàn thiện Việc lựa chọn công nghệ cọc khoan nhồi chính là việc lựa chọn công nghệ khoan tạo lỗ.

Các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ được trình bày ở Bảng 1. Việc lựa chọn loại hình công nghệ khoan tạo lỗ phụ thuộc vào các tiêu chí sau: luan an 8 Điều kiện mặt bằng khu vực thi công: Mặt bằng thi công cụ thể là thi công trên cạn hay thi công dưới nước. Nếu là thi công dưới nước thì thi công trên sàn cứng hay đắp đảo hoặc thi công trên hệ nổi… Nếu là thi công trên cạn cần phải xét đến mặt bằng khu vực thi công, hệ thống cấp thoát nước, đường thi công… Tĩnh không phạm vi thi công cũng như các công trình xây dựng liền kề cũng hết sức quan trọng. Điều kiện địa chất thuỷ văn: Cụ thể là các lớp đất đá cọc xuyên qua, cao độ mực nước ngầm, hiện tượng cát chảy.

Năng lực của máy móc thiết bị: Phạm vi thích dụng của các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ được trình bày ở Hình 1-2 (Phạm vi thích dụng của các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ). Đối với các công trình lớn để đảm bảo tiến độ thi công có thể sử dụng nhiều loại hình công nghệ để phát huy thế mạnh của mỗi loại. Ví dụ như các trụ dưới sông cầu Đuống sử dụng máy khoan vách xoay kẹp lắc, còn các trụ trên cạn sử dụng máy khoan gầu xoay. TẠO LỖ BẰNG THỦ CÔNG MÁY KHOAN VÁCH XOAY KIỂU XOAY TRÕN TẠO LỖ BẰNG MÁY MÓC MÁY KHOAN VÁCH XOAY KIỂU KẸP LẮC TẠO LỖ TRONG ỐNG VÁCH TẠO LỖ KHÔNG SỬ DỤNG ỐNG VÁCH MÁY KHOAN GUỒNG XOẮN (CHỈ CÓ VÁCH TẠM) MÁY KHOAN GẦU XOAY KHOAN THEO NGUYÊN LÝ TUẦN HOÀN NGƯỢC H nh 1-2 Phân loại công nghệ khoan tạo lỗ luan an 9 ảng 1-1: Phạm vi thích dụng của các loại h nh công nghệ khoan tạo lỗ Khoan vách xoay Khoan giữ vách bằng dung dịch Điều kiện địa chất thuỷ văn Khoan Kiểu xoay Khoan gầu Khoan phản rticle.

Kiểu kẹp lắc guồng tròn xoay tuần hoàn xoắn Đất yếu ở giữa hoặc đáy cọc xx xx x x x Lớp cát mịn ở giứa thân cọc xx xx o o o Cuội sỏi d < 100 mm xx xx x x x Cuội sỏi d > 100 mm xx xx o o x Đá tảng xx xx o o o Lớp đất chịu lực xx xx o x x N > 50 Đá phong hoá xx o o x o Đá cứng 200 MPa xx o o o o Mực nước ngầm cao xx xx o o o Lớp đá nghiêng xx x o o o Chiều sâu khoan ≥ 60 m 40 m 57 m 100 m 35 m Đường kính Φ800÷ 3000 Φ800÷ 2000 Φ800÷ 2000 Φ800÷ 4000 Φ300÷ 800 Độ thẳng đứng 1/500 1/200 1/100 1/100 1/100 Chú thích: xx: Thích hợp x : Tốt o : Không thích hợp 1. Tổng kết địa chất của khu vực miền Trung đặc trƣng của lớp đá phong hóa nứt nẻ. Để tổng kết địa chất khu vực miền trung, nghiên cứu sinh đã tiến hành khảo sát, thu thập số liệu, tài liệu cho Đà Nẵng, Quảng Trị và Quảng Bình. Thông thường đá được phân loại theo bảng 1-2 dựa vào cường độ của nó.

Khi xét đến mức độ phong hóa của đá tại khu vực Đà Nẵng có thể dựa vào các tiêu chí RQD như bảng 1-3[11]. luan an 10 ảng 1-2: Phân loại đá theo cường độ theo Attewell & Farmer 1976[34] Dải cƣờng độ TT Phân loại Dạng đá đặc trƣng (MPa) 1 Rất yếu 10~20 Các đá trầm tích phong hóa và nén kém chặt 2 Yếu 20~40 Đá schist, các đá trầm tích liên kết kém 3 Trung 40~80 Các đá trầm tích nén chặt và 1 vài loại đá bình macma hạt thô kém đặc 4 Rắn 80~160 Các đá macma nén chặt và một vài loại đá biến chất và cát kết hạt mịn 5 Rất rắn 160~320 Đá quartzite, đá macma hạt mịn đặc H nh 1-3: Một số mẫu đá phiến sét ảng 1-3: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Đà Nẵng [11] Phân bố của tầng đá phiến phong hóa nặng Tên cầu Tên đá SPT RQD Chiều dày lớp Cầu Đỏ QL1A Phiến sét - 0% 24m Cầu Quá Giáng QL1A Phiến sét - 0~10% >36.5m Cầu Cổ Cò Phiến sét vôi 50~100 0% >22.5m Cầu Nguyễn Tri Phương Phiến sét - 0~27% 29m luan an 11 Phân bố của tầng đá phiến phong hóa nặng Tên cầu Tên đá SPT RQD Chiều dày lớp Cầu Hòa Phước Phiến sét vôi 70~100 0% 52.5m Cầu Trần Thị Lý Phiến sericit - 10~30% 36.7m Cầu số 1 Hòa Xuân Phiến >100 0~10% >30m Cầu Km5 đường vành Phiến sét >50 0% >10m đai ảng 1-4: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Quảng Bình. Phân bố của tầng đá phong hóa nặng Tên cầu Tên đá SPT RQD Chiều dày lớp Cầu Sao Vàng Đá vôi - 10-20% 2,5-7,3m Đá cát, bột kết - 8-15% 1,4-6,2m Cầu vượt đường sắt Đá vôi - 20-30% 2,8-4,4m ảng 1-5: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Quảng Trị [12]. Phân bố của tầng đá phong hóa nặng Tên cầu Tên đá SPT RQD Chiều dày lớp Cầu Sông Hiếu, Đông Hà Đá vôi - 15-25% 20,5-27,5m Cầu Khe Lược, Đông Hà Đá vôi - 0-10% 0,45-0,9m Cầu Đường Phường 2, Đá cát kết - 0% 5,0-7,3m Đông Hà Cầu Quy Thiện, Hải Đá sét kết - 0-12% 11,6-13,7m Lăng luan an 12 Phân bố của tầng đá phong hóa nặng Tên cầu Tên đá SPT RQD Chiều dày lớp Cầu An Mô, Triệu Phong Phiến sét - 5-18% 1,8-9,1m Cầu Thành Cổ Đá cát - - <25% 1,1-10,2m sét kết Cầu Nhan Biều Đá cát - - 0-15% 10,8-13,7m sét kết Cầu Lai Phước Đá cát - - 8-20% 5,5-7,0m bột kết Cầu Bến Lội Đá cát - - 0% 2,2-2,4m bột kết Cầu Ái Tử Đá bột kết - 0% 1,8-5,6m Cầu Phước Mỹ Đá cát - - 0% 1,1-2,0m bột kết Cầu Lai Phước 2 Đá bột kết - 0-18% 2,8-3,1m Cầu Ái Tử 2 Đá bột kết - 0-20% 3,4-7,3m Từ số liệu thu thập được thông qua kết quả khảo sát địa chất của các công trình cầu thực tế ở khu vực miền Trung theo bảng 1-3 đến bảng 1-5 đưa ra được kết luận như sau: Địa chất khu vực miền Trung và tỉnh Quảng Trị có cấu tạo tầng phủ tương đối mỏng chiều dày từ 1- 5,0m tiếp đến tầng đá phong hóa nứt nẻ có chiều dày tương đối từ 4-25m có thể đại diện cho toàn bộ tầng địa chất ở khu vực này trước khi đi qua tầng địa chất đá phong hóa vừa với chiều dày chưa xác định.