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

Chia sẻ: Nhiên Hà | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu là dựa vào nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp phần tử hữu hạn để đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ, áp dụng cho khu vực miền Trung và khu vực Quảng Trị.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng chịu tải cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ

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 : 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Ngọc Long PGS.TS. 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....................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... II MỤC LỤC ............................................................................................................... III MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ .......................................................................... 5 1.1. Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi ................................................................... 5 1.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 5 1.1.2. Thi công cọc khoan nhồi .................................................................................... 7 1.2. Tổng kết địa chất của khu vực miền Trung đặc trƣng của lớp đá phong hóa nứt nẻ. ......................................................................................................................... 9 1.3. Định nghĩa và đặc điểm của lớp đất trung gian IGM...................................... 13 1.4. 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 .......................................................... 15 1.4.1. 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] ................................ 15 1.4.2. Dự tính độ lún của cọc khoan trong tầng phong hóa nứt nẻ dưới tác dụng của tải trọng dọc trục. ............................................................................................................ 19 1.4.3. Tính toán sức kháng cọc khoan nhồi đặt trong tầng phong hóa nứt nẻ dựa theo các nghiên cứu nước ngoài. ........................................................................................ 22 1.5. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................. 34 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HOÁ NỨT NẺ . 35 2.1. 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. ................................................ 35 2.2. 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 ................................................. 38 2.2.1. Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Ấn Độ ...................................... 40 2.2.2. Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Nashville (Mỹ) ......................... 41 2.2.3. Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Kazakhstan .............................. 50 2.2.4. Thí nghiệm thử tải cọc khoan nhồi tại Maylaysia ............................................. 53
iv 2.2.5. Thí nghiệm thử tải cọc khoan tại Đài Loan ....................................................... 55 2.3. Nghiên cứu bố trí thí nghiệm hiện trƣờng sức chịu tải của cọc ...................... 58 2.4. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................. 62 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG NÉN TĨNH VÀ NHỔ CỌC CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ ................................................................................................................... 63 3.1. 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 .............................................................. 63 3.1.1. Tính toán theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành ...................................... 63 3.1.2. Một số hướng dẫn tính toán theo các tiêu chuẩn nước ngoài và một số nghiên cứu khác .................................................................................................................... 65 3.2. Thí nghiệm hiện trƣờng xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi ....................... 71 3.2.1. Điều kiện địa chất cầu Ái Tử ............................................................................ 71 3.2.2. Giới thiệu tổng quan về thí nghiệm .................................................................. 73 3.2.3. Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục............................................................................ 74 3.2.4. Thí nghiệm nhổ cọc.......................................................................................... 85 3.3. Nghiên cứu theo phân tích ngƣợc kết hợp lí thuyết và kết quả đo đạc trong quá trình thí nghiệm ................................................................................................ 89 3.3.1. Sức chịu tải của cọc theo lý thuyết ................................................................... 89 3.3.2. Sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm ................................................................ 89 3.3.3. Giải thích kết quả ............................................................................................. 91 3.4. Thí nghiệm siêu âm ........................................................................................... 96 3.5. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................. 96 CHƢƠNG 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 ...................................................................................................... 98 4.1. Lựa chọn phần mềm tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi vào tầng phong hóa nứt nẻ ..................................................................................................... 98 4.2. Tính toán theo mô hình phần mềm FB-Pier .................................................... 99 4.2.1. Phần mềm FB-Pier, giới thiệu và phân tích nguyên lí ....................................... 99 4.2.2. Mô hình tính toán ........................................................................................... 100
v 4.2.3. Kết quả tính toán ............................................................................................ 109 4.3. So sánh kết quả tính toán giữa FB-Pier và kết quả thí nghiệm thực tế ........ 110 4.3.1. Kết quả tính toán bằng phần mềm FB-Pier ..................................................... 110 4.3.2. Dự tính theo phần mềm Fb-pier...................................................................... 111 4.3. 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 ................... 120 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 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
vii 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 = 47.0m ........................................................................................................................ 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 .............................................. 57 Hình 2-38: Biểu đồ t-z ............................................................................................... 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
viii 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] ....... 10 Bảng 1-4: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Quảng Bình. ........ 11 Bảng 1-5: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Quảng Trị [12] .... 11 Bảng 1-6: Định nghĩa loại đất trung gian theo các tác giả [13, 42] ............................. 13 Bảng 1-7: Đánh giá hệ số αE từ môđun biến dạng ....................................................... 25 Bảng 1-8: Đánh giá hệ số αE từ chỉ tiêu RQD của đá .................................................. 25 Bảng 1-9: Giá trị của s và m [33] ............................................................................... 29 Bảng 1-10: Loại đá để tìm m...................................................................................... 29 Bảng 2-1 Bảng liệt kê các phương pháp xác định độ cứng của cọc [10] ..................... 36 Bảng 2-2: Thống kê sơ bộ thiết bị đo cần thiết cho 1 cọc khoan nhồi ......................... 60 Bảng 3-1: Sức kháng đơn vị ma sát thành cọc [1] ................................................... 64 Bảng 3-2: Sức kháng đơn vị mũi cọc [12] ............................................................... 64 Bảng 3-3: Phân loại đá phong hóa theo giá trị SPT ngoại suy ................................ 65 Bảng 3-4: Sức chịu tải thành bên cực hạn của cọc trong đá ........................................ 66 Bảng 3-5: Quan hệ giữa chất lượng chung và hằng số vật liệu sử dụng trong xác định cường độ phi tuyến của đá ......................................................................................... 69 Bảng 3-6: Mô đun đàn hồi của đá .............................................................................. 69 Bảng 3-7 Số lượng cọc thí nghiệm ............................................................................. 74 Bảng 3-8 Bảng thiết bị cần thiết cho thí nghiệm nén tĩnh cọc ..................................... 74 Bảng 3-9: Chu trình thí nghiệm.................................................................................. 80 Bảng 3-10: Quy trình gia tải cụ thể ............................................................................ 87 Bảng 3-11: Sức kháng ma sát của cọc tại lớp đá phong hóa nứt nẻ ............................. 89 Bảng 3-12: Tóm tắt tổng hợp kết quả đo lún cọc khoan nhồi. ..................................... 89 Bảng 3-13: Tóm tắt kết quả đo chuyển vị cọc khoan nhồi .......................................... 91 Bảng 3-14: So sánh kết quả tính toán theo IGM và kết quả thí nghiệm nén cọc.......... 93 Bảng 3-15 So sánh kết quả tính toán theo IGM và kết quả thí nghiệm nhổ cọc .......... 93 Bảng 3-16 Kết quả thí nghiệm siêu âm cọc tại trụ T6 ................................................. 96 Bảng 4-1 Tham số đầu vào của các lớp đất đá theo mô hình FB-pier ....................... 107
x THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT  RQD (Rock quality Designation): Chỉ số xác định chất lượng đá  IGM (Intermediate Geological Material): lớp địa chất trung gian giữa đất và đá  t-z đường cong ứng suất - biến dạng theo phương thẳng đứng  qu: cường độ nén 1 trục cho mẫu đá  N: chỉ số búa SPT  FB-Pier: phần mềm tính toán cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn  Load cell: thiết bị đo lực  FHWA: Cục quản lý đường bộ liên bang Mỹ  AASHTO-LRFD: Tiêu chuẩn thiết kế của Mỹ
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ở nước ta việc thiết kế cọc khoan nhồi thường tuân thủ theo TCVN 10304 :2014 (áp dụng theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD đối với ngành giao thông vận tải) hoặc TCVN 11823-10:2017. Trong các tiêu chuẩn này việc dự tính sức chịu tải của cọc được chia ra làm hai trường hợp, khi cọc đặt vào đất thì sử dụng các công thức liên quan đến sức kháng của nền đất như góc ma sát trong của đất rời, sức kháng nén có nở hông trong điều kiện không thoát nước qu cho đất dính, sử dụng kết quả thí nghiệm hiện trường như CPT, SPT… còn khi cọc ngàm vào đá thì có thể sử dụng sức kháng nén của đá q u. Tuy nhiên ở những khu vực có chiều dày tầng đá phong hóa tương đối lớn từ: 5m÷25m ví dụ như khu vực miền Trung và tỉnh Quảng Trị, trong nhiều trường hợp cọc khoan nhồi khi thi công vào tầng đá phong hoá mạnh, cường độ nhỏ hơn so với đá nhưng lại lớn hơn nhiều so với đất, lớp đất đá phong hóa nứt nẻ này được gọi là IGM (lớp địa chất trung gian giữa đất và đá), điều này dẫn tới khó khăn trong việc áp dụng tiêu chuẩn tính toán cũng như kiểm tra. Trên thế giới, hiện nay nhiều tác giả đưa ra khái niệm lớp địa chất trung gian giữa đất và đá (Intermediate Geological Material - IGM) vào tính toán thiết kế, như vậy có thể sử dụng kết quả thí nghiệm SPT- N hoặc có thể sử dụng kết quả thí nghiệm nén nở hông qu để xác định sức chịu tải cho cọc trong trường hợp này. Các tiêu chuẩn thiết kế cọc khoan nhồi ở Việt Nam và ngành giao thông vận tải trước đây như: AASHTO-LRFD 1998, tiêu chuẩn Thiết kế cầu 22 TCN- 272-05, móng cọc tiêu chuẩn thiết kế 205-98 của Bộ xây dựng cũng chưa đề cập cụ thể đến phương pháp tính toán sức kháng của cọc khi qua lớp đá phong hoá nứt nẻ (IGM) mà coi như các lớp đất theo các công thức nửa thực nghiệm (đất dính) hoặc công thức dựa trên thí nghiệm hiện trường SPT (đất cát). Tác giả Vũ Công Ngữ cũng giới thiệu loại đất IGM này dựa vào tiêu chuẩn của Mỹ, tuy nhiên chưa trình bày nhiều về việc dự tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi cho lớp đất này. Điều này gây khó khăn cho việc tính toán thiết kế cọc khoan nhồi
2 vào tầng đá phong hoá nứt nẻ. Thí nghiệm nén tĩnh đo biến dạng dọc thân cọc đã được áp dụng từ những năm 1969 cho các cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ở rất nhiều nước trên thế giới để xác định mức độ huy động ma sát bên dọc thân cọc. Đến những năm 1980 các nghiên cứu thực nghiệm trên cọc khoan nhồi cũng được tiến hành, đề xuất các phương pháp phân tích ngược để xác định đường truyền tải trong cọc từ đó xác định được ma sát bên đơn vị cũng như sức kháng mũi đơn vị của cọc. Ngoài ra việc nghiên cứu sức chịu tải của cọc khoan nhồi có đo biến dạng thân cọc cũng được nghiên cứu. Hiện nay, tiêu chuẩn AASHTO-LRFD 2012 hoặc tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-10:2017 (dựa trên AASHTO-LRFD 2010) đã đưa vào định nghĩa lớp địa chất trung gian giữa đất và đá tương tự như lớp đá phong hoá nứt nẻ, tuy nhiên trong thực tế việc tính toán và áp dụng vẫn còn nhiều vấn đề, ngoài ra chưa có nghiên cứu thực nghiệm cho sức chịu tải của cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng đá phong hóa nứt nẻ tại Việt Nam. Vì vậy cần có thêm các nghiên cứu về lý thuyết và thí nghiệm hiện trường về sức kháng của cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ để làm rõ và áp dụng phù hợp trong thiết kế và thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc ở Việt Nam. Do vậy luận án “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ” trình bày kết quả nghiên cứu sức chịu tải cọc khi thi công vào tầng đá phong hoá nứt nẻ ở khu vực Miền Trung và tỉnh Quảng Trị, thông qua kết quả thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc có đo ứng suất, biến dạng theo thân cọc và mũi cọc. Kết quả phân bố ứng suất đo được trong thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc xác định lại mô hình làm việc của cọc trong nền có tầng đá phong hóa nứt nẻ, từ đó đề xuất các kiến nghị để có ứng xử phù hợp khi thiết kế và thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu tải của cọc trong tầng đá phong hóa nứt nẻ. Tên luận án “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ”.
3 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Mục đích nghiên cứu là dựa vào nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp phần tử hữu hạn để đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ, áp dụng cho khu vực miền Trung và khu vực Quảng Trị. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: sức chịu tải của của cọc khoan nhồi khi cọc thi công vào tầng đá phong hóa nứt nẻ ở khu vực miền Trung. - Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thực nghiệm và mô hình để xác định sức chịu tải của của cọc khoan nhồi khi cọc thi công vào tầng đá phong hóa nứt nẻ ở khu vực miền Trung, tập trung cho khu vực Quảng Trị. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết như: phân tích và tổng hợp lý thuyết; - Các phương pháp thí nghiệm hiện trường: thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc khoan nhồi với kích thước thật đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ - Phương pháp phần tử hữu hạn xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ 5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn và những đóng góp mới của luận án - Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án có ý nghĩa khoa học trong việc thực hiện thí nghiệm hiện trường cả thí nghiệm nén và nhổ, gắn các thiết bị đo hiện đại để xác định được sức kháng mũi cọc và thân cọc khoan nhồi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ khu vực miền Trung. - Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Sản phẩm của đề tài góp phần định lượng hóa sức chịu tải của cọc khoan nhồi khi cọc đi qua các tầng đá phong hoá nứt nẻ.
4 - Những đóng góp mới của luận án:  Đã thực hiện được các thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc tại hiện trường có lắp đặt các thiết bị đo đo biến dạng dọc theo thân cọc để xác định sức kháng của cọc khoan nhồi theo đất nền, đưa ra được các nhận định về ứng xử của cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ  Đề xuất sử dụng phần mềm FB-pier để mô hình hóa sự làm việc của cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hóa nứt nẻ, tính toán và so sánh với kết quả thí nghiệm hiện trường  Đề xuất điều chỉnh sức kháng thành bên và mũi cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ (IGM) trong công thức tính sức chịu tải của Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ hiện hành 6. Bố cục của luận án Bao gồm 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.
5 CHƢƠNG 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 1.1.1. 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. Cát có mô-đun =2.4~2.8 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
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  2.5 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.
7 H nh 1-1: Cấu tạo cọc khoan nhồi móng cầu Kiền (Hải Phòng) 1.1.2. 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 1.2 (Phân loại công nghệ khoan tạo lỗ). Việc lựa chọn loại hình công nghệ khoan tạo lỗ phụ thuộc vào các tiêu chí sau:
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