Nghiên cứu thực nghiệm sức chịu tải dọc trục cọc bê tông cốt thép trên đất đỏ bazan tại Pleiku

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thực nghiệm sức chịu tải dọc trục bê tông cốt thép trên đất đỏ bazan tại Pleiku, mang lại những kết quả đáng chú ý.

• Tác giả: Đinh Công Quyết
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Sỹ Hùng
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ sức chịu tải dọc trục cọc bê tông cốt thép trong đất đỏ Bazan ở Pleiku
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặc điểm địa chất đất đỏ bazan ở Plei ku
• 1.1.1. Đặc điểm thủy văn
• 1.1.2. Đặc điểm khí hậu
• 1.1.3. Các quá trình địa chấn động lực công trình
• 1.1.4. Sự phân bố theo vùng và độ sâu
• 1.1.5. Bản đồ địa chất, mặt cắt địa chất TP. Plei ku, Gia Lai
• 1.1.6. Cấu trúc, cấp phối
• 1.2. Móng cọc cho các công trình cao tầng ở Plei ku
• 1.2.1. Thống kê sơ bộ số lượng các công trình cao tầng và phương án móng
• 1.2.2. Một số vấn đề về sức chịu tải cọc liên quan đến đất đỏ Bazan
• 1.3. Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• 1.3.1. Các nghiên cứu về đất đỏ Bazan ở Pleiku và các loại đất tương tự khác
• 1.3.2. Các nghiên cứu về móng cọc BTCT có nền đất gần với đất đỏ Bazan
• 1.3.3. Một số nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng nhóm
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình vật lý thu nhỏ
• 2.1.1. Cơ sở lý thuyết của các thí nghiệm nén tĩnh cọc
• 2.1.1.1. Qui trình gia tải nén tĩnh cọc
• 2.1.1.2. Phân tích kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc
• 2.1.2. Thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ tại hiện trường
• 2.2. Cơ sở xác định sức chịu tải cọc trong các TCVN
• 2.2.1. Tính toán sức chịu tải theo TCVN 10304:2014
• 2.2.1.1. Tính toán sức chịu tải theo vật liệu cọc
• 2.2.1.2. Tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền
• 2.2.1.3. Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc
• 2.2.2. Tính toán sức chịu tải theo Thí nghiệm hiện trường TCVN 9393: 2012
• 2.2.2.1. Phạm vi áp dụng
• 2.2.2.2. Thiết bị thí nghiệm
• 2.2.2.3. Chuẩn bị thí nghiệm
• 2.2.2.4. Quy trình gia tải
• 2.3. Hệ số nhóm cọc
• 2.3.1. Một số công thức xác định hệ số nhóm
• 2.3.1.1. Công thức hệ số nhóm của Converse – Labarre (1941)
• 2.3.1.2. Công thức hệ số nhóm của Sayed và Bakeer (1992)
• 2.3.1.3. Công thức hệ số nhóm của Das (1998)
• 2.4. Cơ sở lý thuyết liên quan sức chịu tải cọc trong Plaxis
• 2.4.1. Phần mềm Plaxis 3D Foundation
• 2.4.2. Các mô hình tính toán của Plaxis
• 2.4.2.1. Mô hình Linear Elastic
• 2.4.2.2. Mô hình Mohr – Coulomb (MC)
• 2.4.2.3. Mô hình Hardening – Soil (HS)
• 2.4.2.4. Mô hình đất mềm – Soft Soil model (SS)
• 2.4.3. Chọn mô hình tính toán phù hợp
• 2.4.4. Các công thức sử dụng trong Mohr Coulomb
• 2.4.5. Xác định thông số cho mô hình
• 2.4.5.1. Thông số độ cứng
• 2.4.5.2. Thông số sức chống cắt
• 2.4.6. Phân tích thoát nước, không thoát nước
• 2.4.6.1. Phân tích thoát nước
• 2.4.6.2. Phân tích không thoát nước
• 3. CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG TRÊN ĐẤT ĐỎ BAZAN
• 3.1. Các thí nghiệm thực hiện
• 3.2. Công tác lấy và chuẩn bị mẫu
• 3.2.1. Vị trí lấy mẫu
• 3.2.2. Thời gian lấy mẫu
• 3.2.3. Độ sâu lấy mẫu
• 3.2.4. Công tác khoan và xuyên tiêu chuẩn SPT
• 3.2.5. Công tác lấy mẫu và bảo quản mẫu đất
• 3.3. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của nền đất
• 3.3.1. Phân tích các chỉ tiêu cơ lý nền đất
• 3.3.2. Cấu trúc nền và tổng hợp tính chất cơ lý đất
• 3.4. Các thí nghiệm về sự phụ thuộc chỉ tiêu cơ lý vào độ ẩm
• 3.4.1. Thí nghiệm kháng cắt
• 3.4.2. Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn (22TCN 333 : 06)
• 4. CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH TRÊN CỌC ĐƠN VÀ NHÓM CỌC
• 4.1. Chương trình thí nghiệm
• 4.2. Công tác chuẩn bị
• 4.2.1. Vị trí thí nghiệm
• 4.2.2. Chuẩn bị mẫu cọc Bê tông cốt thép
• 4.2.3. Thiết bị gia tải
• 4.3. Quy trình thí nghiệm
• 4.3.1. Thí nghiệm cọc đơn
• 4.3.1.1. Mô hình thí nghiệm
• 4.3.1.2. Quy trình gia tải
• 4.3.2. Thí nghiệm nhóm cọc (5 cọc)
• 4.3.2.1. Mô hình thí nghiệm
• 4.3.2.2. Quy trình gia tải
• 4.4. Kết quả thí nghiệm
• 4.4.1. Kết quả thí nghiệm cọc đơn
• 4.4.2. Kết quả thí nghiệm nhóm cọc
• 4.4.3. Một số so sánh 2 thí nghiệm (TN1; TN2)
• 4.5. Phân tích kết quả thí nghiệm
• 4.5.1. Kết quả sức chịu tải cọc đơn và nhóm cọc từ thí nghiệm hiện trường
• 4.5.2. So sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết
• 4.5.2.1. Tính sức chịu tải Rc,u1 theo TCVN 10304:2014
• 4.5.2.2. Tính hệ số nhóm cọc
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM BẰNG PLAXIS
• 5.1. Thiết lập mô hình và số liệu đầu vào
• 5.1.1. Chọn mô hình tính toán
• 5.1.2. Dữ liệu đầu vào
• 5.1.3. Cọc bê tông cốt thép
• 5.1.4. Tải trọng tác dụng
• 5.2. Tính toán các mô hình
• 5.2.1. Mô hình cọc đơn
• 5.2.1.1. Trình tự thiết lập mô hình
• 5.2.1.2. Kết quả tính toán và so sánh với kết quả thực nghiệm
• 5.2.2. Mô hình nhóm cọc
• 5.2.2.1. Trình tự thiết lập mô hình
• 5.2.2.2. Kết quả tính toán và so sánh với kết quả thực nghiệm
• 5.2.3. Tính toán sức chịu tải cọc theo độ ẩm
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 6.1. Các kết quả nghiên cứu
• 6.1.1. Về chỉ tiêu cơ lý của đất đỏ bazan và sự biến đổi theo mùa (độ ẩm W)
• 6.1.2. Về sức chịu tải của cọc và nhóm cọc và sự biến đổi theo mùa (độ ẩm W)
• 6.2. Các hạn chế của đề tài
• 6.3. Kiến nghị
• 6.3.1. Về khảo sát địa chất
• 6.3.2. Về thiết kế móng
• 6.3.3. Về phương án nhà cao tầng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu sức chịu tải cọc bê tông cốt thép

Nghiên cứu sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép trên đất đỏ bazan ở Pleiku là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực xây dựng. Đất đỏ bazan có những đặc điểm riêng biệt, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của cọc. Việc hiểu rõ về sức chịu tải cọc bê tông cốt thép sẽ giúp các kỹ sư thiết kế và thi công hiệu quả hơn. Đề tài này không chỉ mang lại giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong các công trình xây dựng tại khu vực Tây Nguyên.

1.1. Đặc điểm địa chất đất đỏ bazan ở Pleiku

Đất đỏ bazan ở Pleiku có cấu trúc địa chất đặc trưng với độ cứng và tính chất cơ lý biến đổi theo mùa. Mùa khô, đất cứng chắc, trong khi mùa mưa, đất trở nên mềm yếu. Điều này ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng việc khảo sát địa chất là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu sức chịu tải cọc

Nghiên cứu sức chịu tải cọc bê tông cốt thép không chỉ giúp xác định khả năng chịu tải của cọc mà còn giúp tối ưu hóa thiết kế móng cho các công trình cao tầng. Việc này giúp tiết kiệm chi phí xây dựng và đảm bảo an toàn cho công trình. Đặc biệt, trong bối cảnh phát triển đô thị tại Pleiku, việc nghiên cứu này càng trở nên cấp thiết.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu sức chịu tải cọc

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về sức chịu tải cọc bê tông cốt thép, nhưng việc áp dụng các phương pháp này trên đất đỏ bazan vẫn gặp nhiều thách thức. Đặc điểm địa chất phức tạp và sự biến đổi của các chỉ tiêu cơ lý theo mùa là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải cọc

Sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất, độ ẩm, và cấu trúc cọc. Đất đỏ bazan có độ rỗng lớn và dung trọng khô bé, điều này làm giảm khả năng chịu tải của cọc. Việc xác định các yếu tố này là rất quan trọng trong thiết kế.

2.2. Khó khăn trong khảo sát địa chất

Khảo sát địa chất trên đất đỏ bazan gặp nhiều khó khăn do tính chất biến đổi của đất theo mùa. Việc lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu cơ lý cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của kết quả. Điều này đòi hỏi các kỹ thuật và thiết bị hiện đại.

III. Phương pháp nghiên cứu sức chịu tải cọc bê tông cốt thép

Để nghiên cứu sức chịu tải cọc bê tông cốt thép, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các thí nghiệm trong phòng và hiện trường là những phương pháp chính được sử dụng để xác định sức chịu tải của cọc.

3.1. Thí nghiệm nén tĩnh cọc

Thí nghiệm nén tĩnh cọc là phương pháp phổ biến để xác định sức chịu tải dọc trục của cọc bê tông cốt thép. Thí nghiệm này được thực hiện trên mô hình thu nhỏ và trong điều kiện thực tế để so sánh kết quả. Kết quả thí nghiệm sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế.

3.2. Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis

Phần mềm Plaxis được sử dụng để mô phỏng sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép trong điều kiện đất đỏ bazan. Mô phỏng này giúp dự đoán chính xác hơn về hành vi của cọc dưới tải trọng và so sánh với kết quả thí nghiệm thực tế.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về sức chịu tải cọc bê tông cốt thép trên đất đỏ bazan đã chỉ ra rằng có sự khác biệt rõ rệt giữa các chỉ tiêu cơ lý của đất theo mùa. Những kết quả này có thể được áp dụng trong thiết kế và thi công các công trình cao tầng tại Pleiku.

4.1. Kết quả thí nghiệm sức chịu tải cọc

Kết quả thí nghiệm cho thấy sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép trên đất đỏ bazan có sự biến đổi lớn theo độ ẩm. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng cọc đơn có sức chịu tải cao hơn so với nhóm cọc trong điều kiện đất này.

4.2. Ứng dụng trong thiết kế móng cọc

Các kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng trong thiết kế móng cọc cho các công trình cao tầng tại Pleiku. Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí mà còn đảm bảo an toàn cho công trình trong điều kiện đất đỏ bazan.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu sức chịu tải cọc bê tông cốt thép trên đất đỏ bazan ở Pleiku đã cung cấp nhiều thông tin quý giá cho ngành xây dựng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu thêm để hoàn thiện hơn.

5.1. Những hạn chế của nghiên cứu

Mặc dù đã đạt được nhiều kết quả, nhưng nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế như số lượng mẫu thí nghiệm còn ít và chưa đa dạng. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để khẳng định tính chính xác của các kết quả.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải cọc bê tông cốt thép trên đất đỏ bazan. Việc áp dụng công nghệ mới và các phương pháp thí nghiệm hiện đại sẽ giúp nâng cao độ chính xác của các kết quả nghiên cứu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Pleiku thuộc tỉnh Gia Lai đang trong tiến trình đô thị hóa mạnh mẽ nhằm mở rộng hạ tầng công trình hiện đại, với hàng loạt dự án nhà cao tầng quy mô từ 7 đến 15 tầng xuất hiện liên tục như Khách sạn Hoàng Anh Gia Lai cao 11 tầng hay Tòa nhà Đức Long Tower cao 15 tầng. Tuy nhiên, điều kiện địa chất công trình tại khu vực Tây Nguyên đặc trưng bởi tầng đất đỏ bazan phong hóa dày từ 20m đến 30m, có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé và độ thấm nước cao. Đặc biệt, khu vực chịu ảnh hưởng của khí hậu cao nguyên nhiệt đới gió mùa với lượng mưa trung bình năm vượt 2.500 mm ở sườn Tây Trường Sơn, khiến biên độ dao động mực nước ngầm theo mùa đạt từ 10m đến 20m. Sự thay đổi độ ẩm theo mùa khiến nền đất chuyển biến phức tạp từ trạng thái nửa cứng vào mùa khô sang trạng thái dẻo mềm vào mùa mưa, làm suy giảm nghiêm trọng ma sát thành cọc và sức kháng mũi.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xác định quy luật biến đổi các chỉ tiêu cơ lý của đất đỏ bazan theo độ ẩm, đánh giá sức chịu tải dọc trục của cọc đơn và nhóm cọc bê tông cốt thép thông qua thí nghiệm nén tĩnh mô hình thu nhỏ tại hiện trường xã Diên Phú, thành phố Pleiku. Nghiên cứu thực hiện khảo sát địa chất ở độ sâu 10m và kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn 3D trên phần mềm Plaxis. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm sai số dự báo lún công trình từ 15% đến 25%, đồng thời hỗ trợ các đơn vị tư vấn tối ưu hóa chiều dài cọc, tiết kiệm khoảng 10% đến 20% chi phí xây dựng móng cho các dự án cao tầng tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng bộ các lý thuyết cơ học đất và nền móng hiện đại nhằm làm sáng tỏ cơ chế làm việc của cọc trong nền đất bất đẳng hướng theo mùa. Trọng tâm lý thuyết bao gồm:

• Tiêu chuẩn bền Mohr-Coulomb kết hợp định luật Hooke về đàn hồi tuyến tính: Mô hình sử dụng 5 thông số đầu vào gồm mô-đun đàn hồi Young, hệ số Poisson, lực dính hiệu quả, góc ma sát trong và góc giãn nở để mô tả trạng thái ứng suất - biến dạng của đất bazan.
• Lý thuyết tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền và vật liệu: Dựa trên hệ thống Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10304:2014 và TCVN 5574:2012, áp dụng các công thức giải tích kinh điển của Meyerhof và Viện Kiến trúc Nhật Bản để dự báo sức kháng mũi cọc và ma sát thành cọc theo chỉ số xuyên tiêu chuẩn.
• Lý thuyết hiệu ứng nhóm cọc: Vận dụng các công thức giải tích của Converse-Labarre (1941), Sayed - Bakeer (1992) và Das (1998) nhằm xác định hệ số nhóm cọc, phản ánh sự tương tác qua lại của bầu ứng suất ma sát giữa các cọc lân cận khi chịu tải dọc trục.
• Các khái niệm then chốt: Sức chịu tải cực hạn của cọc, chuyển vị giới hạn đầu cọc, áp lực tiền cố kết, và hệ số tương tác nhóm cọc trong điều kiện thoát nước và không thoát nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được triển khai theo quy trình phối hợp chặt chẽ giữa khảo sát hiện trường, thí nghiệm trong phòng và mô phỏng số học:

• Nguồn dữ liệu và chọn mẫu: Khoan khảo sát 3 hố khoan sâu 10m (tổng chiều sâu 30m) tại Khu đô thị xã Diên Phú, thành phố Pleiku bằng phương pháp khoan guồng xoắn khô. Thu thập 15 mẫu đất nguyên dạng (cứ 2m lấy 1 mẫu) theo đúng quy định của tiêu chuẩn TCVN 2683:2012 để phục vụ thí nghiệm cơ lý trong phòng.
• Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn hiện trường: Thực hiện 15 điểm thí nghiệm SPT dọc theo thân hố khoan với khoảng cách 2m/lần bằng tạ chuẩn 63,5 kg rơi tự do ở độ cao 76 cm nhằm xác định chính xác số búa N.
• Thí nghiệm nén tĩnh cọc mô hình thu nhỏ: Chế tạo cọc bê tông cốt thép tiết diện 100x100x2500 mm gồm cọc đơn và nhóm 5 cọc. Sử dụng quy trình thử tải nhanh theo TCVN 9393:2012 với các cấp gia tải từ 10% đến 25% tải trọng thiết kế, giữ tải mỗi cấp từ 10 đến 15 phút bằng hệ kích thủy lực và phản lực đối trọng gầm máy đào kết hợp tấm bê tông.
• Lý do lựa chọn mô hình thu nhỏ và Plaxis 3D: Mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ giúp giảm hơn 70% chi phí chế tạo hệ phản lực lớn so với thử cọc kích thước thật, triệt tiêu sai số do hiện tượng từ biến kéo dài. Mô phỏng phần tử hữu hạn Plaxis 3D Foundation giúp kiểm chứng đa chiều mối quan hệ tải trọng - chuyển vị và phân tích độ nhạy của đất nền theo độ ẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã làm rõ bản chất địa kỹ thuật và ứng xử chịu tải của móng cọc bê tông cốt thép trong nền đất đỏ bazan Pleiku thông qua các kết quả định lượng chuẩn xác:

• Phân bố hạt và tính chất cơ lý: Tầng đất đỏ bazan khảo sát tại độ sâu 10m có tính đồng nhất cao, sản phẩm phong hóa tàn tích gồm 75% đến 80% hạt bụi sét và 20% đến 25% hạt cát mịn. Đất ở trạng thái nửa cứng đến dẻo cứng, độ trương nở thể tích và tính nén lún ở mức trung bình.
• Độ ổn định của chỉ số SPT: Kết quả 15 thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn tại 3 hố khoan cho thấy chỉ số N dao động ổn định trong khoảng từ 12 đến 16 búa, đạt giá trị trung bình là 14 búa trên toàn bộ chiều sâu 10m.
• Mức độ suy giảm sức chịu tải theo độ ẩm: Khi độ ẩm tự nhiên của đất bazan tăng cao trong mùa mưa, lực dính kết c và góc ma sát trong phi suy giảm mạnh (góc ma sát giảm xuống mức 17 độ 45 phút). Hệ số ma sát bên giữa cọc và đất giảm rõ rệt, khiến sức chịu tải cực hạn của cọc đơn giảm khoảng 30% đến 35% so với mùa khô.
• Hệ số nhóm cọc thực nghiệm: Thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình nhóm 5 cọc đài cao cho thấy chuyển vị đài cọc gia tăng nhanh khi tải trọng vượt ngưỡng đàn hồi, hệ số hiệu ứng nhóm cọc thực nghiệm tương thích chặt chẽ với công thức thực nghiệm của Sayed - Bakeer với sai lệch dưới 8%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế suy giảm khả năng chịu lực của đất đỏ bazan bắt nguồn từ cấu trúc rỗng xốp chứa các liên kết xi măng hóa tự nhiên. Khi nước mưa thâm nhập, màng nước liên kết làm tan rã các cầu nối khoáng vật sét, làm giảm mạnh ứng suất pháp hữu hiệu và gia tăng áp lực nước lỗ rỗng cục bộ.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa thông qua hệ thống biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị (P-S), biểu đồ chuyển vị - thời gian (S-t), biểu đồ tương quan lực dính theo độ ẩm (c-W) và góc ma sát theo độ ẩm (phi-W). Khi so sánh đường cong P-S giữa thí nghiệm nén tĩnh hiện trường và kết quả mô phỏng Plaxis 3D, độ dốc và điểm uốn phá hoại biểu diễn sự tương đồng vượt trội với độ sai lệch chuyển vị chỉ dao động trong khoảng 5% đến 10%. Điều này khẳng định rằng mô hình Mohr-Coulomb hoàn toàn đủ năng lực mô tả sát thực tế hành vi cơ học của cọc bê tông cốt thép nếu các thông số thí nghiệm cắt và nén lún được hiệu chỉnh đúng theo độ ẩm mùa mưa bất lợi nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao chất lượng khảo sát, thiết kế và thi công móng cọc cho các công trình cao tầng trên đất đỏ bazan tại Gia Lai, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

• Chuẩn hóa thời điểm khảo sát địa chất: Các đơn vị tư vấn khảo sát phải tiến hành công tác lấy mẫu và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT ưu tiên vào giai đoạn mùa mưa (từ tháng 5 đến tháng 10). Giải pháp này giúp xác định đúng các chỉ tiêu cơ lý thấp nhất của đất nền, hạn chế nguy cơ lún lệch công trình trên 95%.
• Tích hợp hệ số điều chỉnh độ ẩm vào tính toán thiết kế: Đội ngũ kỹ sư kết cấu cần áp dụng hệ số suy giảm ma sát bên từ 0,65 đến 0,75 vào công thức tính toán sức chịu tải cọc theo TCVN 10304:2014 khi dự báo tải trọng cho mùa mưa. Thực hiện mô phỏng kiểm tra trên phần mềm Plaxis 3D trong vòng 1 đến 3 tháng trước khi phê duyệt thiết kế kỹ thuật.
• Lựa chọn giải pháp móng cọc xuyên sâu qua tầng phong hóa: Các nhà thầu thi công cần đưa mũi cọc xuống độ sâu từ 20m đến 25m đối với các công trình trên 10 tầng để tựa vào lớp đất bazan đặc sít hoặc phong hóa dở. Kiểm soát độ lún giới hạn đầu cọc không vượt quá 10% kích thước tiết diện cọc theo TCVN 9393:2012.
• Xây dựng hệ thống rãnh gom và tiêu thoát nước mặt: Chủ đầu tư và ban quản lý dự án phải thi công hoàn chỉnh rãnh thoát nước và hào cách ly nước mặt trong bán kính 15m đến 20m quanh hố móng ngay trong 30 ngày đầu tiên của giai đoạn chuẩn bị công trường, ngăn chặn hiện tượng ngấm ướt gây sụt giảm cường độ nền đất quanh đài cọc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật phong phú cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nắm bắt phương pháp lựa chọn thông số cơ lý đầu vào chuẩn xác, ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D để thiết kế móng cọc đơn và nhóm cọc tiết kiệm, đảm bảo độ an toàn chịu lực.
• Kỹ sư khảo sát và chuyên viên phòng thí nghiệm LAS-XD: Tiếp cận quy trình khoan guồng xoắn không dùng dung dịch, phương pháp bảo quản 15 mẫu đất nguyên dạng và kỹ thuật thí nghiệm nén tĩnh nhanh hiện trường chuẩn xác.
• Chủ đầu tư và Ban quản lý dự án tại Tây Nguyên: Sở hữu cơ sở khoa học tin cậy để thẩm tra phương án móng cọc bê tông cốt thép tiết diện 250x250 mm hoặc 300x300 mm, giúp tối ưu hóa 15% tổng mức đầu tư phần ngầm cho các tòa nhà từ 7 đến 15 tầng.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Xây dựng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ và phân tích hiệu ứng nhóm cọc trong nền đất bazan đặc thù.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao sức chịu tải của cọc trong đất đỏ bazan lại suy giảm mạnh vào mùa mưa? Đất bazan tại Pleiku chứa từ 75% đến 80% hạt bụi sét với độ rỗng lớn. Khi mùa mưa kéo dài với lượng mưa hơn 2.500 mm, độ ẩm tăng cao làm bão hòa các lỗ rỗng, phá vỡ liên kết kết tinh giữa các hạt khoáng tàn tích, làm góc ma sát trong giảm xuống còn khoảng 17 độ và làm giảm ma sát thành cọc hơn 30%.

• Vì sao nghiên cứu lại lựa chọn mô hình vật lý thu nhỏ thay vì thử nghiệm cọc thật? Thí nghiệm trên cọc mô hình thu nhỏ kích thước 100x100x2500 mm giúp tiết kiệm trên 70% kinh phí thi công đối trọng, loại bỏ tải trọng đối trọng khổng lồ gây phá hoại nền đất yếu bề mặt, đồng thời giúp quy trình thử tải nhanh diễn ra an toàn và kiểm soát tốt tính đồng nhất địa tầng.

• Mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis 3D có phản ánh chính xác ứng xử của cọc không? Mô hình Mohr-Coulomb hoàn toàn phù hợp với đất bazan Pleiku khi cung cấp đủ 5 thông số đàn dẻo cơ bản. Sai lệch chuyển vị giữa mô phỏng Plaxis 3D và nén tĩnh thực nghiệm chỉ từ 5% đến 10%, cho phép các kỹ sư ứng dụng nhanh chóng mà không đòi hỏi các thí nghiệm ba trục phức tạp.

• Trị số xuyên tiêu chuẩn SPT trung bình của đất đỏ bazan tại Pleiku đạt bao nhiêu? Kết quả quan trắc thực tế tại 15 vị trí thuộc 3 hố khoan sâu 10m ở xã Diên Phú ghi nhận chỉ số SPT phân bố rất đồng đều, dao động từ 12 đến 16 búa và đạt giá trị trung bình là 14 búa, đại diện cho trạng thái đất dẻo cứng đến nửa cứng.

• Chiều sâu hạ cọc khuyến nghị cho nhà cao tầng tại Pleiku là bao nhiêu mét? Dựa trên thống kê các công trình tiêu biểu như Khách sạn Hoàng Anh Gia Lai và Chung cư Hoàng Anh Gia Lai, chiều sâu hạ cọc bê tông cốt thép tối ưu dao động từ 15m đến 25m nhằm vượt qua tầng phong hóa mặt và tựa vào lớp đất có cường độ chịu tải ổn định.

Kết luận

• Đã thiết lập bức tranh địa chất công trình chi tiết tại Pleiku với lớp đất phong hóa bazan dày trên 10m, chỉ số SPT trung bình đạt 14 búa và thành phần bụi sét chiếm 75% đến 80%.
• Xác định quy luật suy giảm cường độ kháng cắt và sức chịu tải cọc trên 30% khi đất chuyển sang trạng thái bão hòa nước trong mùa mưa.
• Thực hiện thành công thí nghiệm nén tĩnh mô hình thu nhỏ cọc đơn và nhóm 5 cọc bê tông cốt thép (100x100x2500 mm), kiểm chứng cơ chế làm việc của đài cọc và hiệu ứng nhóm.
• Xây dựng mô hình số Plaxis 3D Foundation với độ chính xác cao, khống chế sai số chuyển vị dưới 10% so với dữ liệu thực nghiệm nén tĩnh hiện trường.
• Đề xuất hệ thống giải pháp toàn diện từ khảo sát địa chất mùa mưa đến thiết kế móng cọc sâu 20m đến 25m cho các tòa nhà cao tầng tại khu vực Tây Nguyên.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm quý giá và quy trình mô phỏng số chuẩn hóa cho cọc bê tông cốt thép trong nền đất bazan. Trong vòng 6 đến 12 tháng tới, các nghiên cứu tiếp theo nên mở rộng phân tích mô hình móng cọc chịu tải trọng ngang và động đất kích thích cấp 5,5 độ Richter. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm hãy áp dụng ngay các khuyến nghị trong luận văn để nâng cao chất lượng và độ an toàn cho mọi công trình xây dựng tại Pleiku.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN Trong chương này tác giả chủ yếu nghiên cứu, tìm kiếm các thông tin về đặc điểm địa chất đất đỏ bazan ở thành phố Plei ku. Tổng hợp các công trình có thi công móng cọc ở thành phố Plei ku từ trước đến nay, một số vấn đề về móng cọc liên quan đến đất đỏ Bazan. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đất đỏ bazan ở Pleiku và cọc BTCT trong điều kiện đất đỏ Bazan.1 Đặc điểm địa chất đất đỏ bazan ở Plei ku.1 Đặc điểm thủy văn. - Trong các thành tạo phun trào bazan, nước dưới đất tồn tại trong hệ thống khe nứt và các lỗ rổng của các thành tạo đá góc bazan và vỏ phong hóa của chúng.

Nước thường có nguồn góc ngấm trực tiếp từ nước mưa. - Động thái mực nước thay đổi theo mùa, biên độ dao động mực nước trong năm đạt khoảng 10m đến 20m. Trong vỏ phong hóa bazan, nước thường là nước ngầm (không áp). - Kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy nước trong thành tạo bazan thuộc loại siêu nhạt đến nhạt và thường không có tính ăn mòn bê tông.2 Đặc điểm khí hậu.

Gia Lai thuộc vùng khí hậu cao nguyên nhiệt đới gió mùa, dồi dào về độ ẩm, có lượng mưa lớn, không có bão và sương muối. Khí hậu chia làm 2 mùa rõ rệt, mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 và kết thúc vào tháng 10; mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Vùng Tây Trường Sơn có lượng mưa trung bình năm từ 2.500 mm, vùng Đông Trường Sơn từ 1. Nhiệt độ trung bình năm là 22 – 25°C.3 Các quá trình địa chấn động lực công trình.

- Động đất: Theo sơ đồ phân vùng động đất Trung và Nam Trung Bộ (Nguyễn Đình Xuyên và nhóm nghiên cứu, 1994), khu vực TP. Plei ku thuộc vùng động đất 3 cấp Mmax = 5,1 – 5,5 độ richter, sâu h = 10 - 15km. Nhìn chung, chấn tâm động đất nông, song có thể xảy ra tai biến do động đất kích thích [3]. Vì vậy trong quá trình xây dựng cần chú ý các biện pháp kháng chấn cần thiết.

- Các quá trình chấn động khác: Các quá trình địa chất ngoại sinh thường chỉ là các rãnh xói, dòng tạm thời nhỏ xuất hiện trong mùa mưa, chúng ít ảnh hưởng đến công trình xây dựng.4 Sự phân bố theo vùng và độ sâu. Tại Tây nguyên nói chung và TP. Pleiku nói riêng, có địa chất đặc trưng chủ yếu là đất đỏ Bazan (hình 1. Vị trí địa lý kéo dài từ phía tây tỉnh Gia Lai đến phía nam tỉnh Kon Tum, có diện tích khá lớn.

Diện phân bố bazan này có dạng tương đối đẳng thước bao bọc xung quanh TP. Plei ku,thuộc tỉnh Gia Lai. Có độ cao trung bình từ 700 – 800m so với mực nước biển. Các đá bazan Miocen giữa phân bố chủ yếu từ độ cao 700m trở xuống và thường tập trung trong các trũng tương đối bằng phẳng tạo nên các cao nguyên bazan thoải nghiêng dần về phía biên giới Việt Lào ở phía Tây và giảm dần về phía Nam.

Độ cao giảm dần từ 700m ở phía bắc của dải bazan này đến 200m ở phía Tây và 300m ở phía Nam. Đất đỏ Bazan ở Tây nguyên 1.5 Bản đồ địa chất, mặt cắt địa chất TP. - Bản đồ địa chất Plei ku, theo cục Bản đồ địa chất Việt Nam (online version 2. Mặt cắt địa chất của các thành tạo phun trào bazan ở đây là sự xen kẹp các lớp bazan phong hóa dở với các lớp đá gốc bazan chưa bị phong hóa (hình 1.

Bản đồ và mặt cắt địa chất TP. Plei ku, Gia Lai 5 1.6 Cấu trúc, cấp phối. Đất đỏ Bazan ở Plei ku có nhiều điểm khác biệt so với các đất ở vùng khác. Một số điểm khác biệt căn bản giữa đất đỏ Bazan với đất các vùng khác là: - Về mặt cấu trúc địa chất, địa điểm xây dựng thuộc diện phân bố của các thành tạo phun trào bazan.

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, bazan trong khu vực TP. Pleiku là kết quả của các đợt phun trào khác nhau ứng với các khoảng thời gian tạo thành khác nhau. - Về mặt cấp phối: Đất, đá bazan thường có cấu tạo khối, xen kẹp các lớp bazan đặc sít và bazan lỗ hổng. Sản phẩm phong hóa triệt để của đá bazan tạo thành các lớp đất loại sét (sét, sét pha) tương đối đồng nhất.

Tổng bề dày các thành tạo bazan trong khu vực đạt vài trăm mét, trong đó bề dày lớp vỏ phong hóa phía trên cùng có chiều dày từ 20m đến 30m.2 Móng cọc cho các công trình cao tầng ở Plei ku. Ở thành phố Pleiku hiện tại rất ít nhà cao tầng nhưng sẽ phát triển nhiều trong tương lai ( hình 1. Trung tâm TP.1 Thống kê sơ bộ số lượng các công trình cao tầng và phương án móng. Các công trình nhà cao tầng và phương án móng ở Plei ku.

6 TIẾT DIỆN NĂM SỐ LOẠI MÓNG ĐỘ SÂU TT TÊN CÔNG TRÌNH CỌC THI TẦNG CỌC CỌC (m) ( mm) CÔNG Ngân hàng BIDV 1 10 Cọc BTCT 250x250 20 2010 Gia Lai Khách sạn Hoàng 2 11 Cọc BTCT 250x250 20 2009 Anh Gia Lai Trụ sở Hoàng Anh 3 12 Cọc BTCT 250x250 20 2009 Gia Lai Công ty Điện lực 4 7 Cọc BTCT 250x250 20 2010 Gia Lai Công ty Kinh 5 doanh Hàng xuất 10 Cọc BTCT 250x250 20÷25 2010 khẩu Quang Đức Chung cư Hoàng 6 12 Cọc BTCT 300x300 20÷25 2011 Anh Gia Lai Tòa nhà Đức Long 7 15 Cọc BTCT 300x300 20÷25 2011 Tower Móng bè 8 Trụ Sở Hải Quan 8 2014 BTCT Chi cục thuế tỉnh 9 8 Cọc BTCT Ø500; Ø400 15÷25 2015 Gia Lai 10 Cổng Quốc Môn 33m Cọc BTCT 300x300 15÷15,5 2016 Gia lai là một tỉnh miền núi nghèo, tốc độ phát triển chậm so với các tỉnh và thành phố khác, việc sử dụng móng cọc cho các tòa nhà cao tầng trong những năm qua tương đối hạn chế. Các công trình sử dụng móng cọc BTCT nhìn chung tương đối ổn định, chưa xảy ra các sự cố nứt gãy, hiện tượng lún sau thời gian sử dụng không đáng kể. Theo đồ án quy hoạch đến năm 2020 thành phố Plei ku sẽ trở thành đô thị loại I, tỉnh Gia Lai sẽ đầu tư rất nhiều công trình để nâng cấp thành phố. Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, môi trường đầu tư thuận lợi, chắc chắn trong tương lai sự phát triển nhà cao tầng sẽ rất lớn, tương xứng với tầm vóc của một thành phố loại I trực thuộc tỉnh Gia Lai.2 Một số vấn đề về sức chịu tải cọc liên quan đến đất đỏ Bazan - Đất bazan: là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sụt.

7 - Sự phụ thuộc lớn của chỉ tiêu cơ lý vào độ ẩm thể hiện rỏ nhất là theo mùa: Mùa khô lượng mưa ít, đất khô cứng, khả năng chịu lực của đất vào mùa khô rất tốt. Tuy nhiên vào mùa mưa, độ ẩm trong đất tăng làm cho nền đất yếu, hệ số ma sát giữa cọc và nền đất giảm rất nhanh, khả năng chịu lực của nền đất rất yếu. Vì vậy khi thiết kế nền móng cần lưu ý đến độ ẩm của nền đất để tính toán cho đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Kết luận: Với sự phát triển nhà cao tầng ở thành phố Pleiku ngày một nhiều, được xây dựng trên nền địa chất đất đỏ Bazan tương đối ổn định.

Tuy nhiên hàm lượng sét trong đất đỏ Bazan tương đối nhiều, khi đất có độ ẩm lớn (vào mùa mưa), khả năng chịu tải của cọc sẽ giảm mạnh. Vì vậy vấn đề đặt ra là khi thiết kế móng cho công trình là: Nên chọn thời điểm khảo sát vào 2 mùa (mùa mưa và mùa khô). Tuy nhiên nếu điều kiện không cho phép thì nên chọn mùa mưa để khảo sát, vì lúc này độ ẩm lớn, các chỉ số lực dính (c) và góc ma sát (φ) sẽ giảm, khả năng chịu tải của cọc sẽ giảm so với mùa khô, lúc này kết quả tính toán sẽ chính xác và an toàn hơn.3 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước.1 Các nghiên cứu về đất đỏ Bazan ở Pleiku và các loại đất tương tự khác. Hiện nay các nghiên cứu về đất đỏ Bazan ở trên thế giới và ở Việt Nam rất ít.

Đặc biệt là nền đất Bazan ở Pleiku càng ít hơn. Để có tài liệu nghiên cứu, tác giả phải tìm hiểu rất nhiều nghiên cứu về các loại đất tương tự trong và ngoài nước như: Tác giả Văn Hữu Tập nghiên cứu “Đặc điểm địa hình đất đỏ bazan trong mối quan hệ với sử dụng và bảo vệ đất”[5]. Tác giả chỉ nói đến vấn đề đặc điểm địa hình của vùng đất đỏ bazan ở Plei ku, chưa đi sâu nghiên cứu về đặc điểm địa chất của vùng đất này. Tác giả Phạm Thế Trịnh, với nghiên cứu “đặc điểm sử dụng đất đỏ bazan (ferralsols) tỉnh Đắk Lắk”, sở khoa học và công nghệ Đăk Lăk – năm 2012 [6].

Ở đây tác giả cũng chỉ nói về: Điều kiện hình thành đất đỏ bazan; một số quá trình 8 biến đổi đất đỏ bazan; và đặc điểm của từng nhóm đất đỏ bazan. Tác giả cũng không đi sâu nghiên cứu đến đặc điểm địa chất để xây dựng công trình. Phan Dũng, với nghiên cứu “Phương pháp Xaratov để dự báo sức chịu tải dọc trục của cọc đóng”[7]. Bài viết này chỉ giới hạn trình bày về sức chịu tải của cọc đóng dựa trên các tham số vật lý – cơ học của đất nền mà cọc xuyên qua.

Không chỉ có thế, cách tính này còn cho phép xây dựng các đường cong tải lún của cọc, là một công cụ cần thiết và hữu ích giúp phân tích chuyển vị – nội lực của cọc cũng như móng cọc. Tiếc rằng, các tác giả của phương pháp Xaratov đã không có bất kỳ hướng dẫn hay khuyến nghị nào về các phương pháp thí nghiệm đất hợp lý để bảo đảm độ tin cậy của kết quả dự báo.2 Các nghiên cứu về móng cọc BTCT có nền đất gần với đất đỏ Bazan. Các nghiên cứu về móng cọc BTCT trên thế giới và ở Việt Nam tương đối nhiều, tuy nhiên nghiên cứu móng cọc trên đất bazan thì rất ít, một số công trình nghiên móng cọc BTCT gần với nền đất bazan ở Pleiku như: Tác giả Nguyễn Huy Hoàn và Nguyễn Dũng đã nghiên cứu “Một số vấn đề trong tính toán sức chịu tải cọc đóng theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05” [8].