Luận án tiến sĩ: Khả năng chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hóa nứt nẻ - Trường Đại học Giao thông Vận tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ ĐỨC TIẾN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 12/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ ĐỨC TIẾN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm Mã số : 62.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Ngọc Long PGS. Bùi Tiến Thành Hà Nội - 12/2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2019 Tác giả Lê Đức Tiến ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long và PGS.TS Bùi Tiến Thành.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải, lãnh đạo khoa Công trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, bộ môn Cầu Hầm đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2019 Tác giả Lê Đức Tiến iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

II MỤC LỤC. III MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ. Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi.

Giới thiệu chung. Thi công cọc khoan nhồi. Tổng kết địa chất của khu vực miền Trung đặc trƣng của lớp đá phong hóa nứt nẻ. Định nghĩa và đặc điểm của lớp đất trung gian IGM.

Tổng quan một số phƣơng pháp tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong nền đá phong hóa nứt nẻ tại Việt nam. Tính sức kháng theo nền và biến dạng của cọc khoan nhồi trong tầng phong hóa nứt nẻ theo tiêu chuẩn cầu đường bộ TCVN 11823-10:2017 [5]. Dự tính độ lún của cọc khoan trong tầng phong hóa nứt nẻ dưới tác dụng của tải trọng dọc trục. Tính toán sức kháng cọc khoan nhồi đặt trong tầng phong hóa nứt nẻ dựa theo các nghiên cứu nước ngoài.

Kết luận chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HOÁ NỨT NẺ. Tổng quan về các phƣơng pháp xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi có gắn các thiết bị đo dọc theo thân cọc tại Việt nam. Tổng quan về các phƣơng pháp xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi có gắn các thiết bị đo dọc theo thân cọc trên thế giới.

Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Ấn Độ. Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Nashville (Mỹ). Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Kazakhstan. Thí nghiệm thử tải cọc khoan nhồi tại Maylaysia.

Thí nghiệm thử tải cọc khoan tại Đài Loan. Nghiên cứu bố trí thí nghiệm hiện trƣờng sức chịu tải của cọc. Kết luận chƣơng 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG NÉN TĨNH VÀ NHỔ CỌC CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ.

Nghiên cứu công thức tính toán lý thuyết dự tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ. Tính toán theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Một số hướng dẫn tính toán theo các tiêu chuẩn nước ngoài và một số nghiên cứu khác. Thí nghiệm hiện trƣờng xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi.

Điều kiện địa chất cầu Ái Tử. Giới thiệu tổng quan về thí nghiệm. Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục. Thí nghiệm nhổ cọc.

Nghiên cứu theo phân tích ngƣợc kết hợp lí thuyết và kết quả đo đạc trong quá trình thí nghiệm. Sức chịu tải của cọc theo lý thuyết. Sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm. Giải thích kết quả.

Thí nghiệm siêu âm. Kết luận chƣơng 3. 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. Lựa chọn phần mềm tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi vào tầng phong hóa nứt nẻ.

Tính toán theo mô hình phần mềm FB-Pier. Phần mềm FB-Pier, giới thiệu và phân tích nguyên lí. Mô hình tính toán. Kết quả tính toán.

So sánh kết quả tính toán giữa FB-Pier và kết quả thí nghiệm thực tế. Kết quả tính toán bằng phần mềm FB-Pier. Dự tính theo phần mềm Fb-pier. Kết luận chƣơng 4.113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.114 TÀI LIỆU THAM KHẢO.114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ.

121 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1-1: Cấu tạo cọc khoan nhồi móng cầu Kiền (Hải Phòng).7 Hình 1-2 Phân loại công nghệ khoan tạo lỗ.8 Hình 1-3: Một số mẫu đá phiến sét.10 Hình 1-4: Hệ số α với loại địa chất trung gian giữa đất và đá IGM [30].17 Hình 1-5: Thông số n của thành hố nhẵn trong hố khoan nền đá mềm IGM [41].21 Hình 1-6: Hệ số α cho IGM (O’Neill và cộng sự, 1996-1999)[41].24 Hình 1-7: Quan hệ giữa hệ số M và độ sụt của bêtông cọc nhồi (O’Neill [42]).24 Hình 1-8: Giá trị n trường hợp thành nhẵn.26 Hình 1-9: Quan hệ giữa Ncs với góc nghiêng ω và sức kháng cắt.31 Hình 2-1: Cấu tạo thiết bị đo biến dạng – Model 491.35 Hình 2-2 Biến dạng ứng với từng cấp tải trọng theo độ sâu.36 Hình 2-3: Đường truyền tải trong cọc. 37 Hình 2-4:Mô hình phân tích Plaxis.37 Hình 2-5: Kết quả thử tĩnh và Plaxis.38 Hình 2-6: Biểu đồ so sánh kết quả.38 Hình 2-7: Điều kiện địa chất điển hình tại vị trí cọc thí nghiệm và sơ đồ bố trí thiệt bị đo (strain gauges) trên cọc. 40 Hình 2-8: Lực dọc thân cọc cho toàn bộ các cấp tải trọng.40 Hình 2-9: Lực dọc thân cọc trong các lớp địa chất khác nhau.41 Hình 2-10: Vị trí thí nghiệm tại Mỹ. 42 Hình 2-11: Bố trí thiết bị đo.43 Hình 2-12: Vị trí thí nghiệm và lỗ khoan.

43 Hình 2-13: Tỉ lệ thu hồi lõi khoan. 44 Hình 2-14: Chỉ số RQD tại theo độ sâu.44 Hình 2-15: Cường độ mẫu đá theo độ sâu.45 Hình 2-16: Thiết bị thi công.45 Hình 2-17: Vị trí gắn Thiết bị thí nghiệm.46 Hình 2-19: Sức kháng ma sát đơn vị và chuyển vị tương ứng.47 Hình 2-20: Sức chịu tải và chuyển vị.48 Hình 2-21: Sức chịu tải và chuyển vị.49 Hình 2-22: Thí nghiệm nén tĩnh cọc.50 vi Hình 2-23: Điều kiện địa chất tại vị trí thí nghiệm và chi tiết bố trí thiết bị đo.51 Hình 2-24: Thiết bị thí nghiệm O-cell.51 Hình 2-25: Phân bố tổng lực thiết kế lên cọc PTP-1 và PTP-2 theo phương pháp O-cell .52 Hình 2-26: Đường cong tải trong – lún của thí nghiệm cọc khoan.52 Hình 2-27: So sánh kết quả thí nghiệm O-cell và nén tĩnh.52 Hình 2-28: Thí nghiệm nén tĩnh cho cọc theo phương pháp gắn các thiết bị đo chuyển vị và biến dạng dọc theo thân cọc khoan nhồi.53 Hình 2-29: Phương pháp thí nghiệm dùng phương pháp mới đo chuyển vị của cọc.54 Hình 2-30: Một số hình ảnh bố trí thiết bị đo theo lồng cốt thép.54 Hình 2-31: Bố trí thiết bị đo loại mới cho cọc có đường kính 750mm và chiều dài = 47. 55 Hình 2-32: Biểu đồ phân bố lực tác dụng theo chiều sâu.55 Hình 2-33: Bố trí thí nghiệm trên mặt đứng.55 Hình 2-34: Bố trí thí nghiệm trên bằng, các vị trí gắn đầu đo trên mặt bằng.56 Hình 2-35: Thiết bị đo biến dạng của thanh cốt thép.56 Hình 2-36: Thiết bị đo biến dạng của cọc.57 Hình 2-37: Phân bố sức kháng thân cọc theo chiều sâu.58 Hình 2-39: Bố trí các thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp đầu đo biến dạng dọc theo thân cọc. 58 Hình 2-40: Hình ảnh thiết bị đo biến dạng gắn vào lồng cọc khoan nhồi.59 Hình 3-1: Biểu đồ xác định hệ số sức chịu tải mũi cọc.67 Hình 3-2: Hình trụ lỗ khoan tại vị trí cầu Ái Tử.71 Hình 3-3: Bố trí các thiết bị đo dọc theo lồng cốt thép.76 Hình 3-4: Thiết bị đo chuyển vị đầu cọc.76 Hình 3-5: Thiết bị đo biến dạng của cọc.77 Hình 3-6 Thiết bị đo biến dạng bê tông.78 Hình 3-7 Các thiết bị đo và dây nối sau khi lắp vào lồng cốt thép.78 Hình 3-8: Sơ đồ bố trí thiết bị đo.79 Hình 3-9: Sơ đồ bố trí thiết bị đo.79 Hình 3-10 Thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế tại Cầu Ái Tử.85 vi Hình 3-11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nhổ cọc.86 Hình 3-12 Thí nghiệm nhổ cọc thực tế tại Cầu Ái Tử.87 Hình 3-13 Biểu đồ sức kháng ma sát dọc theo thành cọc theo độ sâu với các cấp tải trọng khi nén tĩnh.

92 Hình 3-14: Biểu đồ lực tác dụng theo độ sâu với các cấp tải trọng khi nén tĩnh.92 Hình 3-15: Biểu đồ tải trọng độ lún thí nghiệm nén tĩnh.92 Hình 3-16: Biểu đồ sức kháng ma sát dọc theo thành cọc theo độ sâu với các cấp tải trọng khi nhổ cọc. 93 Hình 3-17: Biểu đồ tải trọng độ lún thí nghiệm nhổ cọc.93 Hình 4-1: Mô hình hoá cọc đường khoan nhồi.98 Hình 4-2: Mô hình hoá móng cọc trong Geo 5.99 Hình 4-3: Kết quả tính toán cho móng cọc khoan nhồi.99 Hình 4-4: Bảng thiết lập dữ liệu mô hình cho chương trình tính toán.101 Hình 4-5: Mô hình cho phần tử cọc (Pile).101 Hình 4-6: Bảng điều khiển và thiết lập mô hình các lớp đất (Lớp 1).103 Hình 4-7: Chỉ tiêu của lớp đất thứ nhất.103 Hình 4-8: Mô hình lớp đất thứ 2 (Sét pha/Bùn).104 Hình 4-9: Các chỉ tiêu của lớp thứ 2.104 Hình 4-10: Bảng mô hình lớp đất thứ 3.105 Hình 4-11:: lớp đất số 3.105 Hình 4-12: Mô hình lớp đất thứ 4.106 Hình 4-13: Chỉ tiêu của lớp. 106 Hình 4-14: Mô phỏng tải trọng và quá trình gia tải thí nghiệm Nén tĩnh.108 Hình 4-15: Biểu đồ độ lún từng vị trí của cọc qua các cấp tải.109 Hình 4-16: Độ lún các vị trí trên cọc qua các cấp tải.110 Hình 4-17: Mô hình tính toán bằng phần mềm FB-Pier.110 Hình 4-18: Kết quả so sánh tính toán phần mềm FB-Pier với kết quả thực tế.111 Hình 4-19: Kết quả so sánh tính toán phần mềm FB-Pier.111 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Phạm vi thích dụng của các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ.9 Bảng 1-2: Phân loại đá theo cường độ theo Attewell & Farmer 1976[34].10 Bảng 1-3: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Đà Nẵng [11].