Tài liệu Nghiên cứu lực cản của đất nền lên thành giếng chìm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --------------------------------------- ĐỖ VĂN HOÀNG HÒA NGHIÊN CỨU LỰC CẢN CỦA ĐẤT NỀN LÊN THÀNH GIẾNG CHÌM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD VÀ CN Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --------------------------------------- ĐỖ VĂN HOÀNG HÒA KHÓA: 2013 - 2015 NGHIÊN CỨU LỰC CẢN CỦA ĐẤT NỀN LÊN THÀNH GIẾNG CHÌM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD & CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XD CÔNG TRÌNH DD & CN NGUỜI HUỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN THƯƠNG BÌNH Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Với tấm lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới: Các Thầy giáo, Cô giáo, Cán bộ Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã trực tiếp giảng dạy và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, rèn luyện. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Trần Thương Bình đã nhiệt tình hướng dẫn trong suốt thời gian nghiên cứu, hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong ti u ban luận văn đã cho tôi nh ng đ ng g p qu báu đ hoàn ch nh luận văn này. Hà Nội, ngày 11 tháng 6 năm 2015 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Đỗ Văn Hoàng Hòa LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và c nguồn gốc rõ ràng. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Đỗ Văn Hoàng Hòa MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng, bi u Danh mục hình PHẦN MỞ ĐẦU L do chọn đề tài: .............................................................................................1 Mục đích nghiên cứu: .......................................................................................2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu : ..................................................................2 Phương pháp nghiên cứu: .................................................................................2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: ........................................................3 NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẾNG CHÌM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ GIẾNG CHÌM:…………………………………………………...………….. 4 1.1. Giới thiệu chung về giếng chìm :……………………………………….. 4 1.2. Phân loại giếng chìm :………………………………………..................12 1.2.1. Giếng chìm hộp :……….…………………………………..................12 1.2.2. Giếng chìm mở :………………………………....................................12 1.3. Các nghiên cứu về giếng chìm :……………………………..................12 CHƯƠNG 2. SỰ HÌNH THÀNH VÀ BIẾN ĐỔI LỰC CẢN CỦA ĐẤT KHI HẠ GIẾNG CHÌM………………………………………………..................27 2.1. Lực ngang tác dụng lên thành giếng trong đất :……………………….. 27 2.1.1. Biến dạng của đất đối với sự hình thành áp lực ngang lên giếng chìm :……………………………………………………………………….. 27 2.1.2. Sự biến đổi trạng thái ứng suất do sự tăng ứng suất ngang: .................29 2.2. Áp lực đất lên thành giếng chìm……………………………………….. 41 2.2.1. Áp lực của khối đất tác dụng lên thành giếng ở trạng thái cân bằng tĩnh...................................................................................................................42 2.2.2. Áp lực chủ, bị động và áp lực thực tế tác dụng lên thành giếng tĩnh ...45 2.3. Lực cản động của đất……………………………………………………50 2.3.1. Lực cản ma sát………………………………………………………...50 2.3.2. Lực cản đáy thành giếng……………………………………………...51 2.3.3. Bi u thức lực cản của đất là sức kháng tổng th các thành phần ma sát ở thành và đáy thành giếng.................................................................................55 CHƯƠNG 3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH LỰC CẢN CỦA ĐẤT KHI HẠ GIẾNG CHÌM…………………………………………………………….....57 3.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu lực cản của đất khi hạ giếng vào nền…57 3.1.1. Cấu tạo, quy trình thi công hạ giếng đối với sự hình thành và biến đổi lực cản………………………………………………………………………57 3.1.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đất nền……………………………………68 3.2. Mô hình thí nghiệm……………………………………………………..70 3.2.1. Mục đích, nhiệm vụ của việc xây dựng các mô hình thí nghiệm...…...70 3.2.2. Mô hình thí nghiệm…………………………………………………...72 3.3. Các kết quả thí nghiệm………………………………………………….76 3.3.1. Các kết quả xác định đặc trưng cản…………………………………...76 3.3.2. Kết quả thí nghiệm xác định đặc trưng cản mũi…………....................80 3.4. Áp dụng kết quả nghiên cứu…………………………………………….82 3.4.1. Kết quả nghiên cứu…………...……………………………………….82 3.4.2. So sánh kết quả nghiên cứu với công trình thực tế đã thi công……….84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận…………...……………………………………..………….……….89 Kiến nghị…………...………………………….…………………………….90 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG, BIỂU Số hiệu bảng, Tên bảng, biểu Trang biểu Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Giá trị hệ số biến dạng ngang của các loại đất 29 Quan hệ các đặc trưng biến dạng trạng thái 33 cân bằng giới hạn Bảng xác định hệ số ma sát đất rời 77 Bảng kết quả lực ma sát giữa tấm bê tông với 77 đất rời khi trượt Bảng xác định hệ số ma sát đất dính 78 Bảng kết quả lực ma sát giữa tấm bê tông với 78 đất dính khi trượt Bảng xác định hệ số ma sát đất bùn sét 79 Bảng kết quả lực ma sát giữa tấm bê tông với 79 đất bùn sét khi trượt Bảng 3.7 Bảng số liệu kết quả thí nghiệm với đất cát 81 Bảng 3.8 Bảng số liệu kết quả thí nghiệm với đất sét 82 Xác định lực kháng của đất nền tác dụng thành 83 Bảng 3.9 giếng chìm Bảng 3.10 Bảng giá trị thông số đất nền 84 Bảng 3.11 Bảng giá trị các thông số tính toán 86 DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang Hình 1.1 Thi công giếng chìm công trình Sanyanggang, 6 thành phố Lianyun, tỉnh Giang Tô, Trung Quốc. Hình 1.2a Thi công giếng chìm công trình cầu Bãi Cháy, 7 Quảng Ninh. Hình 1.2b Thi công giếng chìm công trình cầu Bãi Cháy, 7 Quảng Ninh. Hình 1.3a Giếng chìm làm đê chắn sóng công trình 8 Formosa,Vũng Áng, Hà Tĩnh. Hình 1.3b Giếng chìm làm đê chắn sóng công trình 8 Formosa,Vũng Áng, Hà Tĩnh. Hình 1.4 Thi công giếng chìm công trình cầu Thuận 9 Phước, Đà Nẵng. Hình 1.5 Sơ đồ đơn giản hóa thi công giếng chìm của 13 Washington Roebling. Hình 1.6 Các tải trọng trên mặt cắt ngang của giếng 13 Hình 1.7 Sơ đồ tính toán kết cấu dạng vỏ. 16 Hình 1.8 Sơ đồ tính toán vỏ cầu có xét đến liên kết đàn 17 hồi Hình 1.9 Sơ đồ tính toán áp lực lên thành tường chắn. Hình 1.10 Đồ thị giữa Hình 1.11 Neo trong đất a và góc ma sát trong  H 19 23 23 Hình 2.1 Biểu đồ vòng tròn Morth quá trình thay đổi ứng 30 suất ngang Hình 2.2 Biểu đồ vòng tròn Morth quá trình giảm ứng 31 suất ngang Hình 2.3 Quan hệ giữa biến dạng ngang e2 và ứng suất 32 lệch cho các loại đất cát, đất sét và đất sét pha Hình 2.4 Phễu phá hủy của đất nền khi hạ giếng chìm 35 Hình 2.5 Hình đàn nhớt - dẻo – giảm bền 37 Hình 2.6 Biểu đồ Quan hệ  -  khi biến dạng tốc độ 39 không đổi Hình 2.7 Đồ thị biến dạng theo thời gian 40 Hình 2.8 Mô hình lực cản tác dụng lên thành giếng chìm. 41 Hình 2.9 Mô hình nền phân lớp nằm ngang. 43 Hình 2.10 Mô hình nền hai bên thành giếng 1 bên có 44 tường cứng Hình 2.11 Mô hình nền hai bên thành giếng 1 bên có tải M 44 Hình 2.12 Biểu đồ áp lực đất chủ động và áp lực nước lên 46 đốt giếng Hình 2.13 Khối trượt của đất sau thành giếng 46 Hình 2.14 Áp lực đất lên thành giếng chìm 47 Hình 2.15 Đa giác lực tác dụng lên khối trượt 48 Hình 2.16 Đa giác lực tác dụng lên khối trượt 49 Hình 2.17 Mái dốc sau lưng thành giếng nghiêng góc i 50 Hình 2.18 Hình minh họa Varga 53 Hình 2.19 Đáy thành giếng phẳng 54 Hình 2.20 Đáy thành giếng cấu tạo chân dao 55 Hình 3.1 Phối cảnh các đốt của giếng 58 Hình 3.2 Đoạn thành giếng để phân tích tính thép 62 Hình 3.3 Mặt đứng bố trí cốt thép thành giếng chìm 64 Hình 3.4 Mặt bằng bố trí cốt thép thành giếng chìm 64 Hình 3.5 Mô hình xác định các đặc trưng cản ma sát 73 Hình 3.6 Mô hình xác định các đặc trưng kháng mũi 73 Hình 3.7a Mô hình thí nghiệm hiện trường 74 Hình 3.7b Mô hình thí nghiệm hiện trường 75 Hình 3.7c Mô hình thí nghiệm hiện trường 75 Hình 3.7d Mô hình thí nghiệm hiện trường 76 Hình 3.8 Mô phỏng hạ giếng chìm 83 Hình 3.9 Tính toán lực kích hạ giếng theo công thức luận 87 văn 1 PHẦN MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Hiện nay, quá trình đô thị hoá đang bùng nổ ở Việt Nam, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng... Với quĩ đất c hạn, và yêu cầu sử dụng ngày càng nhiều cho các mục đích khác nhau như kinh tế, chính trị, xã hội, an ninh quốc phòng...việc sử dụng không gian ngầm là cần thiết. Với việc hàng loạt các công trình ngầm đô thị như tầng hầm cho các nhà cao tầng, khách sạn, các đường hầm chui qua đường giao thông, các gara ôtô ngầm dưới đất... đang được tri n khai xây dựng ở các thành phố lớn như Hà Nội (tuyến ngầm Kim Mã - ga Hà Nội), thành phố Hồ Chí Minh( bãi đậu xe ngầm công viên Lê Văn Tám , quận 1), Quảng Ninh, Đà Nẵng và các khu đô thị khác trên cả nước. Việc thi công các công trình ngầm luôn là công việc kh khăn và phức tạp. Nh ng vấn đề phức tạp trong thi công công trình ngầm là thi công nh ng hố đào sâu, c độ sâu đến hàng chục mét mà việc gi ổn định và gia cố vách hố đào kh khăn và tốn kém. Nhất là đối với nước ta đất yếu như bùn, các loại đất dính ở trạng thái bão hòa nước c biến dạng lớn, và sức chịu tải thấp gặp rất nhiều ở vùng đồng bằng. Có nhiều phương pháp thi công không gian ngầm được nghiên cứu, phát tri n và sử dụng rộng rãi trên thế giới và từng bước được ứng dụng thành công ở Việt Nam, c th k đến như phương pháp tường trong đất (tường vây hay tường Barrette), cọc khoan nhồi... Các phương pháp k trên c nhiều ưu đi m, cũng như một số nhược đi m. Ở một số nước c công nghệ thi công không gian ngầm phát tri n như Trung Quốc, Nhật Bản, Thuỵ Đi n, Đức... người ta đã áp dụng phương pháp thi công không gian ngầm bằng phương pháp giếng chìm và thu được nhiều hiệu quả. Ưu đi m của phương pháp thi công này là không cần hệ thống cây chống gi thành giếng, không ảnh hưởng đến các công trình lân cận trong quá 2 trình thi công, và ít gây ảnh hưởng đến vệ sinh môi trường. Thi công không gian ngầm bằng phương pháp hạ giếng chìm là một công nghệ thi công không quá phức tạp. Mặc dù vậy, cho đến thời đi m hiện nay nh ng không gian ngầm đã và đang tri n khai ở các đô thị Việt Nam đều không sử dụng công nghệ giếng chìm. Nhưng với hai kỹ thuật cơ bản đổ bê tông thành giếng và hạ giếng thì việc chưa áp dụng ch c th là các vấn đề hạ giếng vào trong đất. Do đ , với nhu cầu không gian ngầm ở các đô thị Việt Nam đang và sẽ rất lớn thì việc nghiên cứu điều kiện đất nền, khả năng áp dụng công nghệ giếng chìm là một thực tế đòi hỏi. Vì vậy, nghiên cứu lực cản của đất nền đối với sự di chuy n thẳng đứng của giếng vào trong nền là cần thiết đ tri n khai công nghệ giếng chìm trong xây dựng không gian ngầm. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: - Làm sáng tỏ bản chất các thành phần lực cản, các yếu tố đất nền cấu tạo giếng ảnh hưởng đến lực cản của đất đến sự di chuy n thẳng đứng của giếng vào trong đất nền nhằm xác lập các cơ sở cho tính toán xác định cấu tạo giếng, thiết kế biện pháp, lập quy trình tổ chức thi công xây dựng không gian ngầm bằng công nghệ giếng chìm Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu : nghiên cứu cấu trúc nền đất, tính chất cơ lí của đất, nghiên cứu sự hình thành lực kháng của đất. - Phạm vi nghiên cứu : yếu tố địa hình, trạng thái ứng suất ban đầu. Phương pháp nghiên cứu: Đ đạt được mục tiêu nghiên cứu nêu trên cần sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp phân tích l thuyết, áp dụng làm sáng tỏ sự hình thành lực kháng của đất lên thành giếng chìm. 3 - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm), làm sáng tỏ lực tiếp xúc bề mặt, mối tương quan gi a lực kháng của đất nền với kết quả xuyên tĩnh ( CPT). Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa thực tiễn : đưa ra một sự lựa chọn thi công không gian ngầm cho Việt Nam. - Ý nghĩa khoa học : làm sáng tỏ ứng suất tiếp gi a thành giếng chìm với đất nền n i riêng, gi a các kết cấu với đất nền n i chung. THÔNG BÁO Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Thực hiện các nội dung nghiên cứu tổng hợp phân tích tài liệu và thí nghiệm xác định các đặc trưng cản của đất. Kết quả phân tích l thuyết và nghiên cứu thực nghiệm đã rút ra một số kết luân như sau: - Nh ng yếu tố ảnh hưởng tới lực cản của đất khi hạ giếng, bao gồm: trạng thái ứng suất ban đầu của đất, đặc tính cơ l của đất nền, kích thước, hình dạng, cấu tạo giếng và quy trình hạ giếng. Trong đ , ảnh hưởng của trạng thái ban đầu và cấu trúc đất nền là rất phức tạp rất kh cho việc tính toán dự báo lực cản khi thiết kế thi công hạ giếng. - Lực cản ma sát khi hạ giếng là lực cản xuất hiện ở thành giếng phụ thuộc vào đặc đi m bề mặt thành giếng và áp lực khối đất sau thành giếng. Lực cản ma sát thành giếng sẽ tăng theo độ sâu hạ giếng và c th được điều ch nh nhờ vào cấu tạo của dao giếng. - Theo độ sâu lực cản ma sát ở thành giếng xem như tăng tuyến tính trong cùng một lớp đất nhưng với các hệ số khác nhau gi a các lớp đất. - Cấu tạo của dao giếng dưới đáy giếng sẽ biến áp lực bị động ở thành ngoài giếng chuy n sang áp lực chủ động nhỏ hơn qua đ giảm lực ma sát lên thành ngoài, nhưng sẽ làm tăng lực cản mũi và lực ma sát lên thành trong của giếng. Do đ , cùng với cấu tạo dao giếng hợp l , đào đất bên trong thành giếng càng sâu sẽ làm giảm lực cản của đất nền đến di chuy n của giếng. - Với cấu tạo nêm không đối xứng của dao giếng lực cản mũi giếng ở một độ sâu được phân tích thành hai thành phần pháp và tiếp tuyến. Do đ , lực càn ở đáy giếng phụ thuộc vào không ch các đặc trưng độ bền mà còn phụ thuộc vào giá trị modul biến dạng. - Lực cản của đất ở mũi giếng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố các đặc trưng kháng cắt và biến dạng của đất ch là một trong các yếu tố, nhưng sự phụ 90 thuộc c bản chất tương tự như sức kháng xuyên đầu mũi của thí nghiệm CPT. Vì thế, kết quả thí nghiệm CPT là số liệu tin cậy nhất cho việc dự báo lực cản của đất trong thiết kế thi công hạ giếng. KIẾN NGHỊ - Nên tiến hành thí nghiệm xuyên tĩnh CPT ở vị trí của tâm thành giếng, trong đ mật độ đi m xuyên lớn với chiều sâu bằng chiều sâu đáy giếng. - Hiệu quả thi công giếng phụ thuộc sự khác biệt gi a đất c chứa dăm sạn và đất không chứa dăm sạn. Do đ , cần c thông tin về đất nền đ phân biệt chúng, tức là bên cạnh nhiều hố xuyên c một hố khoan lấy mẫu. - Lực gia tải thẳng đứng đ thắng lực cản của đất ảnh hưởng đến sự di chuy n thẳng đứng của giếng cần phân bố đều trên thành giếng đ đảm bảo tránh xảy ra hiện tượng nghiêng là tăng lực cản. Do đ , gia tải nên sử dụng lực kích hơn là các khối tải chất lên thành giếng. - Đ đảm bảo thi công hạ giếng hiệu quả và đảm bảo kỹ thuật thì vai trò c tính chất quyết định là lựa chọn tính toán lực nhổ của neo.