Đề tài Phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào

i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, chúng em xin chân thành cám ơn ban giám hiệu nhà trường Đại Học Lạc Hồng cùng quý thầy cô khoa kỹ thuật công trình đã tạo điều kiện cho chúng em được nghiên cứu khoa học. Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa, thầy đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và luôn quan tâm, động viên tinh thần trong thời gian thực hiện bài báo cáo nghiên cứu khoa học này. Thầy cùng với các thầy cô trong khoa kỹ thuật công trình đã truyền đạt cho chúng em hiểu được phương pháp tiếp cận và giải quyết một vấn đề một cách khoa học, đây là hành trang quý giá mà chúng em sẽ gìn giữ cho quá trình học tập và làm hành trang cho chúng em sau khi ra trường đi làm cũng như học cao hơn nữa. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ chúng em trong thời gian học tập và làm báo cáo nghiên cứu vừa qua. Biên Hòa, ngày 25 tháng 11 năm 2012 Sinh viên ii MỤC LỤC Lời cảm ơn .................................................................................................................. i Mục lục ....................................................................................................................... ii Danh mục hình ........................................................................................................ iv Damh mục bảng....................................................................................................... vii Tóm tắt luận văn ..................................................................................................... ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài .............................................................................. 1 3. Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài ..................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2 5. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 1.1. Sự cố cọc bị nghiêng lệch trong quá trình thi công hố đào sâu .................. 3 1.2. Ảnh hƣởng hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào ....................................... 9 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 17 2.1. Phân tích phần tử hữu hạn trong PLAXIS ................................................ 17 2.1.1. PLAXIS 3D Foundation ........................................................................ 17 2.1.2. Môhình................................................................................................... 18 2.1.3. Tính toán ................................................................................................ 18 2.1.4. Xuất kết quả ........................................................................................... 18 2.2. Tạo mô hình .................................................................................................. 19 2.3. Chia lƣới phần tử ......................................................................................... 20 2.4. Mô hình ứng xử của đất ............................................................................... 22 2.4.1. Mô hình Mohr – Coulumb (MC) ........................................................... 22 2.4.2. Mô hình Hardening Soil (HS) ................................................................ 23 2.5. Đặc trƣng vật liệu của tƣờng vây cừ Larsen (Sheet pile wall) ................. 26 2.6. Đặc trƣng vật liệu của phần tử dầm (wailing beam) ................................ 29 2.7. Đặc trƣng vật liệu của phần tử cọc (Pile) ................................................... 30 2.8. Phần tử lò xo (Spring) .................................................................................. 30 iii Chƣơng 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT YẾU ĐẾN CỌC BÊN TRONG HỐ ĐÀO......................................................... 31 3.1. Phƣơng pháp tính toán ................................................................................ 31 3.2. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào ứng với công trình thực tế … .................................................................................................................... 33 3.2.1. Các đặc điểm cơ bản của công trình ...................................................... 33 3.2.2. Các thông số và mô hình vật liệu .......................................................... 37 3.2.2.1. Thông số đất sử dụng trong mô hình ............................................. 37 3.2.2.2. Thông số tường cừ Larsen .............................................................. 37 3.2.2.3. Thông số thanh chống xiên và giằng đầu cừ Larsen ........................... 41 3.2.3. Thông số cọc sử dụng trong mô hình .................................................... 41 3.2.4. Phụ tải mặt đất ....................................................................................... 44 3.2.5. Điều kiện mực nước ngầm .................................................................... 44 3.2.6.Phân tích ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào ứng với trường hợp thực tế ....................................................................................................................... 45 3.2.6.1. Mô hình trong PLAXIS 3D Foundation ......................................... 45 3.2.6.2. Kết quả tính toán ............................................................................ 47 3.2.7. Phân tích ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào trong trường hợp dời dần khối đất đắp ra xa....................................................................................... 56 3.2.7.1. Mô hình trong PLAXIS 3D Foundation ........................................ 56 3.2.7.2. Kết quả tính toán ............................................................................ 58 3.2.7.3. Phân tích kết quả ............................................................................ 60 3.3. Phân tích mở rộng xem xét ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào trong trƣờng hợp thay đổi chiều dài tƣờng ứng với công trình thực tế ................... 67 3.3.1. Mô hình trong PLAXIS 3D Foundation ................................................ 68 3.3.2. Phân tích kết quả tính toán .................................................................... 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 75 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 75 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 40 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 – Các cọc ống bị nghiêng lệch – Trạm phân phối xi măng Hiệp Phước ..... 3 Hình 1.2 – Toàn cảnh sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy Cao ốc Phường Thảo Điền, Quận 2, TP. Hồ Chí Minh....................................................... 4 Hình 1.3 – Sự cố cọc bị nghiêng lệch – Nhà máy xử lý nước thải Bình Chánh ......... 4 Hình 1.4 – Sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy – Cao ốc Khu đô thị mới Phú Mỹ Hưng, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh ........................................................ 5 Hình 1.5 – Công trình móng trụ cầu sử dụng cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước .......................................................................................................... 6 Hình 1.6 – Công trình 13 tầng tại Khu Phú Mỹ Hưng, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh ... 7 Hình 1.7 – Khu vực cọc bị nghiêng lệch – Công trình 13 tầng Khu đô thị mới Phú Mỹ Hưng, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh ........................................................ 7 Hình 1.8 – Toàn cảnh hố đào – công trình 15 tầng, Quận 8, TP. Hồ Chí Minh ........ 8 Hình 1.9 – Tường cừ Larsen bị chuyển dịch – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP. Hồ Chí Minh .................................................................................................... 8 Hình 1.10 – Cọc bị nghiêng lệch khi tiến hành đào đến cao độ đáy đài - Công trình 15 tầng, Quận 8, TP. Hồ Chí Minh ............................................................ 9 Hình 1.11 – Mô hình trường hợp I – Tạo mái dốc khi đào (Thasnanipan, 1998) ..... 11 Hình 1.12 – Mô hình trường hợp II – Sử dụng cọc bản có chống chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) ................................................................................ 11 Hình 1.13 – Mô hình trường hợp III – Sử dụng cọc bản có hai tầng chống tạm chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998)...................................................... 11 Hình 1.14 – Mô hình trường hợp IV – Sử dụng cọc bản có một tầng chống tạm chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998)...................................................... 12 Hình 1.15 – Kết quả tính toán mômen uốn và chuyển vị của cọc gần tường cọc bản nhất. Trường hợp IV ................................................................................ 13 Hình 1.16 – Mô hình 3D của các lớp địa chất (Kok, 2009) ...................................... 14 Hình 1.17 – Bản vẽ cho thấy vịt trí gãy cọc của 2 cọc nằm liền kề hố đào (Kok, 2009) ........................................................................................................ 15 v Hình 1.18 – Hình ảnh nhóm 3 cọc bị gãy (Kok, 2009) ............................................. 15 Hình 1.19 – Hình ảnh nhóm 6 cọc bị gãy (Kok, 2009) ............................................. 16 Hình 2.1 – Yêu cầu tối thiểu của mô hình hố đào (Bakker, 2005)[8] ....................... 20 Hình 2.2 – Các phần tử và nút trong một mô hình 2D. Mỗi nút có hai bậc tự do, được mô tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn, (Wiberg, 1974)[7] ...... 20 Hình 2.3 – Các bước phân tích phần tử hữu hạn (Wiberg, 1974)[7] ........................ 21 Hình 2.4 – Kết quả chuyển vị với số nút tăng dần trong mô hình 3D, (Hannes và Daniel, 2010) ........................................................................................... 22 Hình 2.5 – Mô hình dẻo lý tưởng .............................................................................. 23 Hình 2.6 – Xác định Eo và E50qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước ...................... 23 Hình 2.7 – Xác định E50 ref qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước ........................... 25 Hình 2.8 – Xác định Eoed ref qua thí nghiệm nén cố kết (Oedometer) ........................ 26 Hình 2.9 – Hệ trục địa phương của phần tử tường và các đại lượng khác................ 26 Hình 2.10 – Các đại lượng chính của tường cừ Larsen ............................................ 27 Hình 2.11 – Thông số cơ bản của tường cừ Larsen .................................................. 28 Hình 2.12 – Hệ trục địa phương của phần tử dầm ................................................... 29 Hình 3.1 – Quy trình phân tích.................................................................................. 32 Hình 3.2 – Mặt bằng tổng thể thi công hố đào .......................................................... 34 Hình 3.3 – Mặt bằng thi công hố đào. ....................................................................... 35 Hình 3.4 – Chi tiết cáp neo đầu cừ ............................................................................ 36 Hình 3.5 – Mặt cắt sau khi thi công cọc và tường cừ Larsen.................................... 36 Hình 3.6 – Mặt cắt sau khi thi công đào đến độ sâu -1,8m so với MĐTN ............... 36 Hình 3.7 – Mặt cắt sau khi thi công đào đến độ sâu -3,8m so với MĐTN ............... 37 Hình 3.8 – Chi tiết chống xiên trong hầm và neo cáp ngoài hầm ............................. 37 Hình 3.9 – Mô hình 3D của các lớp địa chất ............................................................ 38 Hình 3.10 – Kích thước cừ Larsen loại IV ................................................................ 38 Hình 3.11 – Chuyển vị tại các giai đoạn thi công đào của cọc rỗng và cọc đặc ....... 42 Hình 3.12 – Kết quả chuyển vị của cọc rỗng và cọc đặc có độ cứng tương đương.. 43 Hình 3.13 – Mặt bằng vị trí khối đất. ........................................................................ 44 vi Hình 3.14 – Mặt bằng mô hình trong phân tích phần tử hữu hạn ............................. 44 Hình 3.15 – a) Chia lưới 2D;..................................................................................... 45 b) Chia lưới 3D; .................................................................................... 45 Hình 3.16 – Mô hình cọc, tường và hệ neo ............................................................... 46 Hình 3.17 – Các giai đoạn thi công đào .................................................................... 46 Hình 3.18 – Biến dạng của hố đào khi đào đến cao độ -3,8 so với MĐTN ............. 47 Hình 3.19 – Vùng biến biến dạng dẻo ...................................................................... 47 Hình 3.20 – a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; .................................. 48 b) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -3,8m; .................................. 48 Hình 3.21 – a) Moment của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; ..................................... 48 b) Moment của cọc khi đào đến cao độ -3,8m; ..................................... 48 Hình 3.22 – Mặt bằng cọc được sử dụng trong phân tích so sánh ............................ 49 Hình 3.23 – Biểu đồ chuyển vị lớn nhất của các cọc theo các giai đoạn thi công đào đất .......................................................................................................... 50 Hình 3.24 – Biểu đồ moment uốn lớn nhất trong các cọc theo giai đoạn thi công ... 51 Hình 3.25 – Mặt bằng nhóm cọc sử dụng phân tích ................................................ 52 Hình 3.26 – Kết quả chuyển vị ngang của cọc so với quan trắc hiện trường .......... 53 Hình 3.27– Đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách từ cọc đến tường theo chiều sâu lớn nhất hố đào ................................................................................................. 54 Hình 3.28 – Các trường hợp chia lưới 2D; .............................................................. 56 Hình 3.29 – Các trường hợp chia lưới 3D; .............................................................. 57 Hình 3.30 – Các trường hợp chuyển vị; ................................................................... 58 Hình 3.31 – Các trường hợp moment uốn................................................................ 59 Hình 3.32a – Biểu đồ thể hiện hình dáng chuyển vị ngang của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa và trường hợp không có khối đất đắp khi đào -1,8m ............................................................................................ 60 vii Hình 3.32b – Biểu đồ so sánh kết quả chuyển vị ngang lớn nhất của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa và trường hợp không có khối đất đắp khi đào -1,8m ................................................................................ 61 Hình 3.33a – Biểu đồ thể hiện hình dáng chuyển vị ngang của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa và trường hợp không có khối đất đắp khi đào -3,8m ............................................................................................. 62 Hình 3.33b – Biểu đồ so sánh kết quả chuyển vị ngang lớn nhất của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa và trường hợp không có khối đất đắp khi đào -3,8m ................................................................................ 63 Hình 3.34 – Biểu đồ so sánh kết quả moment uốn của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa hố đào và moment kháng uốn của cọc ..................... 65 Hình 3.35 – Biểu đồ so sánh kết quả moment uốn của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa và moment kháng của cọc........................................ 66 Hình 3.36 – Mặt cắt hố đào của công trình thực tế ................................................... 68 Hình 3.37 – Mô hình cọc và tường cừ Larsen có chiều sâu thay đổi....................... 68 Hình 3.38 – Biểu đồ thể hiện hình dáng chuyển vị ngang của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn .............................................................. 69 Hình 3.39 – Biểu đồ so sánh kết quả chuyển vị ngang lớn nhất của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn .................................................. 70 Hình 3.40 – Biểu đồ thể hiện hình dáng chuyển vị ngang của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn .............................................................. 71 Hình 3.41 – Biểu đồ so sánh kết quả chuyển vị ngang lớn nhất của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn ................................................. 71 Hình 3.42 – Biểu đồ moment uốn lớn nhất của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn ....................................................................................... 72 Hình 3.43 – Đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách từ cọc đến tường theo chiều sâu lớn nhất hố đào. . ...................................................................................................... 73 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 – Khả năng chịu moment của cọc và moment gây ra trong cọc gần biên hố đào do thi công hố đào (Thasnanipan, 1998) ........................................... 12 Bảng 2.1 – Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Mohr – Coulumb ......................... 23 Bảng 2.2 – Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Hardening Soil ............................ 25 Bảng 2.3 – Đặc trưng vật liệu của tường cừ Larsen với ứng xử đàn hồi tuyến tính . 27 Bảng 2.4 – Đặc trưng vật liệu của dầm (wailing beam) ........................................... 29 Bảng 2.5 – Đặc trưng vật liệu của cọc ...................................................................... 30 Bảng 3.1 – Các thông số của cừ Larsen từ nhà sản xuất ........................................... 38 Bảng 3.2 – Thông số đất nền sử dụng mô hình Mohr – Coulomb (MC) .................. 39 Bảng 3.3 – Thông số cừ Larsen FSP – IV dùng trong mô hình ................................ 40 Bảng 3.4 – Đặc trưng vật liệu của thanh chống xiên và gằng đầu cừ ....................... 41 Bảng 3.5 – Đặc trưng vật liệu của cọc sử dụng trong mô hình ................................. 43 Bảng 3.6 – Moment uốn lớn nhất của cọc từ mô hình phần tử hữu hạn 3D và kết quả kiểm tra độ đồng nhất của cọc bằng phương pháp biến dạng nhỏ (PIT).. 51 ix TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn trình bày nghiên cứu một công trình ở quận 8, TP. Hồ Chí Minh có cọc bên trong hố đào mở trên đất sét yếu bị phá hoại. Theo báo cáo khảo sát địa chất, công trình có lớp đất yếu dày 25m, từ cao độ -1m đến -26m (so với mặt đất tự nhiên), lớp đất có chỉ số SPT ‘ N ‘≈ 0. Công trình sử dụng cọc ống ly tâm ứng suất trước để chống để kết cấu bên trên. Khi tiến hành đào đất đến cao trình đáy để thi công đài móng thì gặp hiện tượng đất bị đẩy trồi làm cọc chuyển vị và gây moment uốn cho cọc, kết quả là cọc bị nghiên lệch và bị gãy. Sử dụng phần mềm PLAXIS 3D Foundation để phân tích ứng xử của cọc trong suốt quá trình thi công hố đào. Kết quả dự đoán ứng xử của cọc trong suốt quá trình đào sẽ được so sánh với kết quả quan trắc ngoài hiện trường. Những kết quả này rất quan trọng và hữu ích, đặc