Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào

Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào, cung cấp nghiên cứu chuyên sâu về tác động địa kỹ thuật.

• Tác giả: Hoàng Xuân Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Luận văn tập trung vào phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào. Vấn đề này ngày càng trở nên cấp thiết do sự gia tăng các sự cố liên quan đến cọc bị nghiêng lệch hoặc phá hoại trong quá trình thi công hố đào. Đặc biệt, trong điều kiện đất yếu, chuyển vị ngang của đất có thể gây ra mômen uốn lớn, dẫn đến gãy cọc. Nghiên cứu này nhằm cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn để hạn chế các sự cố này.

1.1. Sự cố cọc bị nghiêng lệch

Các sự cố cọc bị nghiêng lệch thường xảy ra khi thi công hố đào trong đất yếu. Ví dụ, tại công trình Trạm phân phối xi măng Hiệp Phước, khoảng 80% cọc bị nghiêng lệch do lớp bùn nhão dày 21m. Tương tự, tại cao ốc Phường Thảo Điền, Quận 2, TP.HCM, nhiều cọc bị gãy khúc, gây thiệt hại lớn. Các sự cố này đều có điểm chung là đất yếu gây chuyển vị ngang, tạo mômen uốn vượt quá khả năng chịu lực của cọc.

1.2. Mục đích nghiên cứu

Mục đích của luận văn là phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào, đặc biệt là khi cọc chưa chịu tải trọng dọc trục. Nghiên cứu này nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của chuyển vị đất đến mômen uốn và chuyển vị của cọc, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc. Phần mềm PLAXIS 3D Foundation được sử dụng để mô hình hóa quá trình thi công hố đào và dự đoán ứng xử của cọc. Các mô hình đất như Mohr-Coulomb và Hardening Soil được áp dụng để mô tả chính xác hành vi của đất yếu.

2.1. Mô hình phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để phân tích ứng xử của cọc trong quá trình thi công hố đào. Mô hình này cho phép dự đoán chuyển vị ngang và mômen uốn của cọc, từ đó đánh giá nguy cơ phá hoại. Các thông số đầu vào được lấy từ các thí nghiệm địa kỹ thuật và dữ liệu thực tế.

2.2. Mô hình đất và vật liệu

Các mô hình đất như Mohr-Coulomb và Hardening Soil được sử dụng để mô tả hành vi của đất yếu. Mô hình Hardening Soil đặc biệt phù hợp để mô phỏng sự biến dạng của đất trong quá trình thi công hố đào. Các đặc trưng vật liệu của cọc và tường cừ Larsen cũng được xác định để đảm bảo độ chính xác của mô hình.

III. Phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc

Luận văn tiến hành phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc trong đất yếu thông qua các mô phỏng trên phần mềm PLAXIS 3D Foundation. Kết quả cho thấy, chuyển vị ngang của đất gây ra mômen uốn lớn trong cọc, đặc biệt khi khoảng cách từ cọc đến tường hố đào nhỏ. Nghiên cứu cũng chỉ ra mối quan hệ giữa chiều sâu tường và chuyển vị của cọc.

3.1. Chuyển vị ngang và mômen uốn của cọc

Kết quả mô phỏng cho thấy, chuyển vị ngang của đất gây ra mômen uốn lớn trong cọc, đặc biệt khi khoảng cách từ cọc đến tường hố đào nhỏ. Điều này làm tăng nguy cơ phá hoại cọc. Biểu đồ chuyển vị và mômen uốn được thiết lập để xác định vùng cọc bị ảnh hưởng.

3.2. Ảnh hưởng của chiều sâu tường

Nghiên cứu chỉ ra mối quan hệ giữa chiều sâu tường và chuyển vị của cọc. Khi chiều sâu tường tăng, chuyển vị ngang của cọc giảm đáng kể. Điều này giúp đưa ra các giải pháp thiết kế tường hố đào phù hợp để hạn chế ảnh hưởng đến cọc.

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn đã phân tích thành công ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào. Kết quả nghiên cứu cho thấy, chuyển vị ngang của đất gây ra mômen uốn lớn, làm tăng nguy cơ phá hoại cọc. Các giải pháp như tăng chiều sâu tường và kiểm soát khoảng cách cọc đến tường được đề xuất để hạn chế sự cố.

4.1. Giá trị thực tiễn

Nghiên cứu cung cấp các biểu đồ chuyển vị và mômen uốn của cọc, giúp kỹ sư dự đoán và phòng ngừa sự cố. Các giải pháp thiết kế và thi công được đề xuất dựa trên kết quả mô phỏng, giúp tăng độ ổn định của cọc trong quá trình thi công hố đào.

4.2. Hạn chế và hướng phát triển

Luận văn chỉ tập trung vào hố đào được chắn giữ bằng tường cừ Larsen. Các nghiên cứu trong tương lai có thể mở rộng sang các loại tường chắn khác hoặc điều kiện địa chất phức tạp hơn để tăng tính ứng dụng của kết quả nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích nghiên cứu của đề tài. Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài.

Phƣơng pháp nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu. Hạn chế của đề tài. 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN.

Sự cố cọc bị nghiêng lệch trong quá trình thi công hố đào sâu. Ảnh hƣởng hố đào sâu đến công trình lân cận hố đào. Ảnh hƣởng hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào. 22 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

Phân tích phần tử hữu hạn trong PLAXIS. Xuất kết quả. Tạo mô hình. Chia lƣới phần tử.

Mô hình ứng xử của đất. Mô hình Mohr – Coulumb (MC). Mô hình Hardening Soil (HS). Đặc trƣng vật liệu của tƣờng vây cừ Larsen (Sheet pile wall).

Đặc trƣng vật liệu của phần tử dầm (wailing beam). Đặc trƣng vật liệu của phần tử cọc (Pile). Phần tử lò xo (Spring). 41 Chƣơng 3 PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT YẾU ĐẾN CỌC BÊN TRONG HỐ ĐÀO.

Phƣơng pháp tính toán. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào ứng với công trình thực tế. Các đặc điểm cơ bản của công trình. Các thông số và mô hình vật liệu.

Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào ứng với trƣờng hợp thức tế 56 3. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào trong trƣờng hợp không xét ảnh hƣởng tải khối đất lân cận. Phân tích mở rộng xem xét ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào trong trƣờng hợp thay đổi chiều dài ngàm tƣờng ứng với công trình thực tế. Mô hình trong PLAXIS 3D Foundation.

Phân tích kết quả tính toán.76 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ .80 TÀI LIỆU THAM KHẢO .82 LÝ LỊCH KHOA HỌC .84 - ix - DANH MỤC HÌNH Hình 1.1- Các cọc ống bị nghiêng lệch - Trạm phân phối xi măng Hiệp Phƣớc .2 - Toàn cảnh sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy Cao ốc Phƣờng Thảo Điền, Quận 2, TP. Hồ Chí Minh .3 - Sự cố cọc bị nghiêng lệch – Nhà máy xử lý nƣớc thải Bình Chánh .4 - Sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy - Cao ốc Khu đô thị mới Phú Mỹ Hƣng, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh .5 - Công trình móng trụ cầu sử dụng cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trƣớc6 Hình 1.6 - Công trình 13 tầng tại Khu Phú Mỹ Hƣng, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh .7 - Khu vực cọc bị nghiêng lệch – Công trình 13 tầng Khu đô thị mới Phú Mỹ Hƣng, Quận 7, TP.

Hồ Chí Mình .8 - Toàn cảnh hố đào – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP. Hồ Chí Mình .9 - Tƣờng cừ Larsen bị chuyển dịch – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP. Hồ Chí Mình .10 - Cọc bị nghiêng lệch khi tiến hành đào đến cao độ đáy đài - Công trình 15 tầng, Quận 8, TP. Hồ Chí Mình .11 - Mặt cắt ngang hố đào (Finno, 1991) .12 - Tính toán chuyển vị của tƣờng cọc bản và cọc (Finno, 1991) .13 - Bài toán cơ bản của Poulos-Chen (1997) .14 - Đồ thị mối tƣơng quan giữa khoảng cách X - Momen uốn cơ bản và chuyển vị ngang cơ bản .15 - Hệ số điều chỉnh mômen uốn .16 - Hệ số điều chỉnh chuyển vị .17 - Mặt cắt ngang hố đào (Goh, 2003) .18 - Mặt bằng bố trí cọc và máy đo chuyển vị (Goh, 2003) .19 - Kết quả đo chuyển vị ngang của cọc và đất (Goh, 2003) .20 - Kết quả quan trắc và dự đoán bằng BCPILE về chuyển vị và mômen uốn trong cọc (Goh, 2003) .21 - Thiết lập mô hình máy ly tâm (kích thƣớc nguyên mẫu trong ngoặc) bởi Leung (2003) .22 - Thiết lập mô hình máy ly tâm (tất cả kích thƣớc bằng mm) .23 - Mô hình trƣờng hợp I – Tạo mái dốc khi đào (Thasnanipan, 1998) .24 - Mô hình trƣờng hợp II – Sử dụng cọc bản có chống chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) .25 - Mô hình trƣờng hợp III – Sử dụng cọc bản có hai tầng chống tạm chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) .26 - Mô hình trƣờng hợp IV – Sử dụng cọc bản có một tầng chống tạm chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998).27 – Kết quả tính toán mômen uốn và chuyển vị của cọc gần tƣờng cọc bản nhất.

Trƣờng hợp IV.28 - Mô hình 3D của các lớp địa chất (Kok, 2009) .29 - Bản vẽ cho thấy vịt rí gãy cọc của 2 cọc nằm liền kề hố đào (Kok, 2009).30 - Hình ảnh 3 cọc bị gãy (Kok, 2009).31 - Hình ảnh nhóm 6 cọc bị gãy (Kok, 2009) .1 - Yêu cầu tối thiểu của mô hình hố đào (Bakker, 2005) .2 - Các phần tử và nút trong một mô hình 2D. Mỗi nút có hai bậc tự do, đƣợc mô tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn, (Wiberg, 1974).3 - Các bƣớc phân tích phần tử hữu hạn (Wiberg, 1974) .4 - Kết quả chuyển vị với số nút tăng dần trong mô hình 3D, (Hannes và Daniel, 2010) .5 - Mô hình dẻo lý tƣởng .6 - Xác định Eo và E50 qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nƣớc .7 - Xác định E50ref qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nƣớc .8 - Xác định Eoedref qua thí nghiệm nén cố kết (Oedometer) .9 - Hệ trục địa phƣơng của phần tử tƣờng và các đại lƣợng khác .10 - Các đại lƣợng chính của tƣờng cừ Larsen .11 - Thông số cơ bản của tƣờng cừ Larsen .12 - Hệ trục địa phƣơng của phần tử tƣờng và các đại lƣợng khác Larsen 41 Hình 3.1 - Quy trình phân tích .2 – Mặt bằng tổng thể thi công hố đào .3 - Mặt bằng thi công hố đào .4 – Chi tiết cáp neo đầu cừ .5 – Mặt cắt sau khi thi công cọc và tƣờng cừ Larsen .6 – Mặt cắt sau khi thi công đào đến độ sâu -1.8m so với MĐTN .7 – Mặt cắt sau khi thi công đào đến độ sâu -3.8m so với MĐTN .8 - Chi tiết chống xiên trong hầm và neo cáp ngoài hầm .9 - Mô hình 3D của các lớp địa chất .10 - Kích thƣớc cừ Larsen loại IV .11 - Kết quả chuyển vị của cọc ống và cọc đặc có độ cứng tƣơng đƣơng với cọc ống .12 – Mặt bằng vị trí khối đất.13 – Mặt bằng mô hình trong phân tích phần tử hữu hạn .14 – a) Chia lƣới 2D; b) Chia lƣới 3D .15 – Mô hình cọc và tƣờng .16 – Các giai đoạn thi công đào .18 – Biến dạng của hố đào khi đào đến -3.8m so với MĐTN .17– Tổng chuyển vị của đất nền khi đào đến -3.8m so với MĐTN.19 – Tổng chuyển vị theo phƣơng z .20 - a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; .21 - a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; .22 – Mặt bằng cọc đƣợc sử dụng trong phân tích so sánh .23 – Biểu đồ chuyển vị lớn nhất của các cọc theo các giai đoạn thi công đào đất .24 – Biểu đồ Mômen uốn lớn nhất trong các cọc theo giai đoạn thi công .25 - Mặt bằng hàng cọc sử dụng phân tích .26 - Kết quả chuyển vị ngang của cọc với sự gia tăng khoảng cách cọc đến tƣờng .27 – Đồ thị biểu diễn đƣờng cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách cọc đến ngang theo chiều sâu lớn nhất của hố đào .28 - Biểu đồ Moment lớn nhất trong cọc với khoảng cách từ cọc đến tƣờng .29 - Mặt bằng mô hình trong phân tích phần tử hữu hạn .30 - a) Chia lƣới 2D; b) Chia lƣới 3D .31 - a) Đào đến cao độ -1,8m; b) Đào đến cao độ -3,8m .32- a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; .33 - Kết quả chuyển vị ngang của cọc với sự gia tăng khoảng cách cọc đến tƣờng, trƣờng hợp không xét ảnh hƣởng tải đất đắp .34 - Đồ thị biểu diễn đƣờng cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách cọc đến tƣờng theo chiều sâu lớn nhất của hố đào .35 - Biểu đồ Moment lớn nhất trong cọc với khoảng cách từ cọc đến tƣờng trƣờng hợp không có tải đất đắp .36 - Biểu đồ chuyển vị ngang của cọc và khoảng cách cọc theo giai đoạn thi công trong 2 trƣờng hợp có xét ảnh hƣởng của tải đất đắp và không xét ảnh hƣởng tải đất đắp .37- Biểu đồ Mômen uốn lớn nhất trong cọc và khoảng cách cọc trong 2 trƣờng hợp có xét tải đất đắp và không xét tải đất đắp .38 - Đồ thị biểu diễn đƣờng cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách cọc đến ngang theo chiều sâu lớn nhất của hố đào .39 – Mặt cắt hố đào của công trình thực tế .40 – Mô hình cọc và tƣờng có chiều sâu ngàm vào đất thay đổi .41 - Kết quả chuyển vị ngang của cọc với sự gia tăng khoảng cách cọc đến tƣờng, trƣờng hợp thực tế, giai đoạn đào đến -1.42 - Kết quả chuyển vị ngang của cọc với sự gia tăng khoảng cách cọc đến tƣờng, trƣờng hợp thực tế, giai đoạn đào đến -3.43 - Biểu đồ Mômen uốn lớn nhất của cọc khi thay đổi chiều sâu ngàm tƣờng vào đất, giai đoạn đào -3.44 - Đồ thị biểu diễn đƣờng cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách cọc đến ngang theo chiều sâu lớn nhất của hố đào với chiều sâu ngàm tƣờng X=0,4H; 1H; 1,5H; 2H.78 - xiii - DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 - Khả năng chịu mômen của cọc và mômen gây ra trong cọc gần biên hố đào do thi hố đào (Thasnanipan, 1998) .1 - Đặc trƣng vật liệu đất trong mô hình Mohr – Coulumb.2 - Đặc trƣng vật liệu đất trong mô hình Hardening Soil .3 - Đặc trƣng vật liệu của tƣờng cừ Larsen với ứng xử đàn hồi tuyến tính.4 - Đặc trƣng vật liệu của dầm (wailing beam) .5 - Đặc trƣng vật liệu của cọc .1 - Các thông số của cừ Larsen từ nhà sản xuất .2 - Thông số đất nền sử dụng mô hình Mohr – Coulomb (MC) .3 - Thông số cừ Larsen FSP – IV dùng trong mô hình .4 - Đặc trƣng vật liệu của thanh chống xiên và gằng đầu cừ .5 - Đặc trƣng vật liệu của cọc sử dụng trong mô hình .6 – Moment uốn lớn nhất của cọc từ mô hình phần tử hữu hạn 3D và kết quả kiểm tra độ đồng nhất của cọc. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, số lƣợng trƣờng hợp cọc bên trong hố đào mở bị phá hoại ngày càng tăng.