TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN TRỌNG TRUNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC CHO NHÀ CAO TẦNG THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOTOBORY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN TRỌNG TRUNG KHÓA: 2017-2019 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC CHO NHÀ CAO TẦNG THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOTOBORY Chun nghành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC NGUÔN XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN TS.NGUYỄN NGỌC THANH HÀ NỘI – 2019 LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, đặc biệt Thầy, Cô Khoa Sau đại học tận tình dạy bảo tơi suốt thời gian học tập Trường Đồng thời, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Giáo viên hướng dẫn - PGS.TS Nguyễn Đức Nguôn dành nhiều thời gian tâm huyết, tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè đồng nghiệp quan tâm, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập làm luận văn Mặc dù cố gắng thực luận văn phạm vi khả cho phép, nhiên tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tơi mong nhận đóng góp q Thầy, Cơ bạn để tơi hồn thiện kiến thức có bước nghiên cứu bổ sung, phát triển Hà Nội, Ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Trọng Trung LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Hà Nội, Ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Luận văn Danh mục hình Luận văn Danh mục bảng biểu Luận văn Danh mục sơ đồ Luận văn MỞ ĐẦU * Lý chọn đề tài * Mục đích nghiên cứu * Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Phương pháp nghiên cứu * Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Cấu trúc luận văn NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP CỌC BÊ TÔNG CHO NHÀ CAO TẦNG 1.1 Tình hình xây dựng nhà cao tầng Việt Nam [17] 1.2 Vai trò móng cọc nhà cao tầng 1.3 Các giải pháp móng cọc cho nhà cao tầng 1.3.1 Móng cọc sử dụng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn [14] a Cọc bê tông cốt thép thường b Cọc bê tông ly tâm dự ứng lực c Các biện pháp thi công cọc bê tông ly tâm ƯLT 11 1.3.2 Móng sử dụng bê tơng cốt thép đổ chỗ[14] 16 a Móng cọc khoan nhồi [14] 16 b Móng cọc Barrette [14] 17 1.3.3 Nhận xét giải pháp móng cọc sử dụng cho nhà cao tầng 19 Chương CƠ SỞ ÁP DỤNG CỌC BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOTOBORY 20 2.1 Khái niệm cọc ống bê tông ly tâm dự ứng lực thi công cọc bê tông ly tâm ứng lực trước phương pháp Sotobory 20 2.1.1.Khái niệm cọc ống bê tông ly tâm dự ứng lực 20 2.1.2.Khái niệm thi công cọc bê tông ly tâm ứng lực trước phương pháp Sotobory 22 2.2 Quy trình sản xuất cọc ly tâm nhà máy [17] 23 2.3 Tính tốn sức chịu tải cọc theo vật liệu [2] 28 2.4 Tính toán sức chịu tải cọc theo đất [6] 29 2.5 Giải pháp thi công cọc ống ly tâm ứng lực trước cho nhà cao tầng phương pháp Sotobory 32 2.5.1 Nội dung yêu cầu kỹ thuật phương pháp thi công 32 a Nội dung: 32 b Yêu cầu kỹ thuật [1]: 32 2.5.2 Máy thi công vật liệu cọc [1] 35 a Máy thiết bị thi công: 35 b Vật liệu cọc: 35 2.5.3 Tổ chức thi công kỹ thuật thi công phương pháp Sotobory 36 a Tổ chức thi công 36 b Kỹ thuật thi công khoan thả 36 c Giám sát nghiệm thu [1] 48 2.6 Đề xuất quy trình ứng dụng cọc bê tơng ly tâm dự ứng lực thi công phương pháp Sotobory cho nhà cao tầng 53 Chương TÍNH TỐN ÁP DỤNG CỌC BÊ TƠNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC VÀO MỘT CƠNG TRÌNH CAO TẦNG CỤ THỂ TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI 55 3.1 Giới thiệu cơng trình cụ thể điều kiện địa chất thủy văn 55 3.1.1 Giới thiệu cơng trình 55 3.1.2 Điều kiện khí hậu, khí tượng 55 3.1.3 Điều kiện địa chất thuỷ văn 55 3.1.4 Điều kiện địa chất cơng trình 56 3.2 Lựa chọn giải pháp cọc bê tông ly tâm ứng lực trước thi công phương pháp Sotobory có vữa bê tơng chèn thân cọc khoan nhồi vào tính tốn móng cơng trình 67 3.2.1 Tính tốn sức chịu tải theo vật liệu cọc 67 a Sức chịu tải vật liệu cọc bê tông ly tâm ứng lực trước 67 b Sức chịu tải vật liệu cọc khoan nhồi 69 c Nhận xét sức chịu tải cọc theo vật liệu cọc bê tông ly tâm ƯLT cọc khoan nhồi 71 3.2.2 Tính tốn sức chịu tải theo tiêu lý đất 71 a Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước 71 b Cọc khoan nhồi 74 3.2.3 Nhận xét hai phương án cọc phương diện sức chịu tải 76 3.2.4 Đánh giá so sánh chi phí hai phương án cọc 77 3.2.5 Đánh giá so sánh tiến độ thi công 01 cọc khoan nhồi 01 cọc bê tông ly tâm ứng lực trước thi công phương pháp Sotobory 80 3.3 Nghiên cứu cải tiến thay vữa bê tông chèn thân cọc vữa xi măng cát để giám chi phí thời gian thi cơng: 81 3.3.1 Yêu cầu kỹ thuật [1]: 81 3.3.2 Máy thi công vật liệu cọc [1] 82 a Máy thiết bị thi công 82 b Vữa chèn thân vữa mũi cọc 83 3.3.3 Tổ chức thi công kỹ thuật thi công 84 a Tổ chức thi công (tương tự chèn thân cọc vữa bê tông) 84 b Kỹ thuật thi công 84 Giám sát nghiệm thu [1] 91 3.3.4 Tính tốn sức chịu tải theo vật liệu 93 3.3.5 Tính tốn sức chịu tải theo tiêu lý đất 93 3.3.6 Nhận xét sức chịu tải cọc bê tông ly tâm ứng lực trước thi công phương pháp Sotobory dùng vữa bê tông chèn thân dùng xi măng đất chèn thân 96 3.3.7 Đánh giá so sánh chi phí phương án dùng vữa bê tông chèn thân phương án dùng xi măng đất chèn thân 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 Kết luận 99 Kiến nghị 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ chữ viết tắt Giải nghĩa ƯLT Ứng lực trước TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam BTLT ƯLT Bê tông ly tâm ứng lực trước BTCT Bê tông cốt thép TVGS Tư vấn giám sát SCT Sức chịu tải SPT Thín nghiệm xuyên tiêu chuẩn PHC Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước cường độ cao HK Hố khoan DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Hình 1.1 Cọc bê tơng cốt thép đúc sẵn Hình 1.2 Ép tĩnh cọc theo phương pháp cổ điển Hình 1.3 Thi cơng đóng cọc Hình 1.4 Thi cơng ép cọc Robot Hình 1.5 Thi cơng khoan ép cọc Hình 1.6 Thi cơng khoan thả cọc Hình 2.1 Cọc bê tơng ly tâm ứng suất trước Hình 2.2 Kiểm tra vật liệu đầu vào Hình 2.3 Quét dầu chống dính vào khn Hình 2.4 Gia cơng lồng thép lắp lồng thép vào khn Hình 2.5 Rải bê tơng vào khn Hình 2.6 Kéo căng thép Hình 2.7 Quay ly tâm cọc Hình 2.8 Dưỡng hộ cọc lò lò cao áp Hình 2.9 Kiểm tra chất lượng cọc Hình 2.10 Cọc bê tơng ly tâm ứng lực trước thi cơng phương pháp Sotobory Hình 2.11 Hàn tole vào mặt bích cọc Hình 2.12 Khoan tạo lỗ dịch vụ Hình 2.13 Hàn nối cọc lỗ khoan phục vụ Hình 2.14 Định vị máy khoan Hình 2.15 Khoan mồi hạ ống vách Hình 2.16 Ống Tremie Hình 2.17 Lắp ống Tremie Hình 2.18 Đổ bê tơng Hình 2.19 Hạ cọc đến vị trí neo giữ Hình 2.20 Xoay ghì hạ cọc đến cao độ mũi cọc thiết kế Hình 2.21 Neo giữ cọc cao độ thiết kế Hình 3.1 Mặt cắt ngang cọc bê tông ly tâm PHC-600 88 độ mũi khoan (m/phút), liệu lưu giữ máy tính, in để kiểm sốt thơng qua máy in +Tại trạm trộn, xi măng nước trộn theo tỷ lệ thiết kế u cầu, tồn q trình lập trình thực tự động điều khiển PLC Tồn bồn trộn đặt lên loadcell, tín hiệu từ gửi thị hình đồng thời máy in in tất thông số như: tỷ lệ số lượng xi măng nước mẻ trộn, thời gian trộn Hình 3.8: Cảm biến loadcell 9 Hình 3.9: Màn hình thị 9 89 Hình 3.10: Phiếu kiểm sốt chất lượng vữa trộn 9 + Tại máy khoan có gắn thiết bị kiểm sốt chất lượng điều khiển PLC gồm: đo lưu lượng vữa, đo chiều sâu khoan… tất thông số hiển thị máy tính đặt cabin điều khiển Hình 3.11: Bộ đo lưu lượng vữa 9 90 Hình 3.12: Màn hình thị thơng số khoan 9 Giải thích thơng số hiển thi hình: + 0.8 : tốc độ khoan (mét/phút); + 4.08: độ sâu thời điểm khoan (mét); + 102 : lưu lượng vữa bơm cần số 1(lít/phút); + 135 : lưu lượng vữa bơm cần số (lít/phút); + 46: Tổng số lít vữa bơm cọc (lít); + 48 : Tổng số lít vữa bơm cọc (lít) Hình 3.13: Phiếu kiểm sốt chất lượng cọc 9 91 Giải thích thong số phiếu in (từ trái qua phải): + M: chiều sâu khoan (m); + M/MIN: tốc độ khoan (m/ min) + L1/MIN: lưu lượng vữa bơm mũi (l/ min); + L1: tổng lượng vữa bơm mũi đoạn theo chiều sâu khoan (l); + LIT/MIN: lưu lượng vữa bơm mũi (l/min); + L2: tổng lượng vữa bơm mũi đoạn theo chiều sâu khoan (l) Bước 7: Hạ cọc vào lỗ khoan - Sau kết thúc trình bơm vữa thân cọc lần 02 tiến hành rút cần khoan khỏi lỗ khoan bơm nước rửa cần khoan (công tác hạ tương tự thi công bê tông chèn thân cọc) Giám sát nghiệm thu [1]  Yêu cầu chung (tương tự thi công vữa bê tông chèn thân cọc)  Công tác hàn nối cọc (tương tự thi công vữa bê tông chèn thân cọc)  Cơng tác khoan - Phải kiểm sốt tốc độ khoan, tốc độ kéo cần khoan cho phù hợp với điều kiện thi công để tránh sập thành hố khoan - Vữa chèn thân vữa mũi cọc tuân thủ theo khối lượng thiết kế kết hợp với điều kiện thực tế - Vữa chèn thân cọc phải đầy, có tượng sụt giảm vữa chèn thân cọc phải bơm bổ sung xác định nguyên nhân để xử lý - Cấp phối vữa chèn thân vữa mũi cọc phải kiểm soát nghiệm thu theo yêu cầu thiết kế 92 - Việc xác định tầng đất chịu tải tham khảo giá trị dòng điện thiết bị động lực xoay đầu khoan kết hợp thông số lực xoay trực tiếp đầu khoan khoan cọc thử - Trường hợp khoan xảy tượng khác thường, số thể công suất thiết bị khoan tăng cao đột ngột phải xin ý kiến xử lý bên liên quan  Công tác xoay hạ cọc (tương tự thi công vữa bê tông chèn thân cọc)  Yêu cầu nghiệm thu - Khi khoan tạo lỗ phải xác định tim cọc gửi tim cọc theo trục vng góc Khi hạ cọc phải ln đo khoảng cách đến tim gửi Giá trị lệch tâm cọc cho phép khơng vượt q gía trị đưa Bảng 4, TCVN7201:2015 – Khoan hạ cọc bê tơng ly tâm-thi cơng nghiệm thu, trừ có yêu cầu khác thiết kế - Phải xác định độ nghiêng cần khoan máy trắc đạc Độ nghiêng cuối hạ cọc không vượt tiêu chuẩn cho phép - Cần nắm bắt lớp địa chất, quan sát đất khoan tình trạng hạ cọc, đặc biệt cuối trình khoan phải kiểm tra vị trí mũi khoan vị trí mũi cọc, tránh làm xáo trộn đất hay khoan sâu - Kiểm tra độ sâu hạ cọc so với độ sâu khoan vào tầng đất tốt - Kiểm soát lớp đất mũi cọc + So sánh tương quan cột địa tầng với thay đổi số thể công suất thiết bị khoan để xác định địa tầng + So sánh đất khoan với địa tầng báo cáo khảo sát địa chất  Vữa chèn thân cọc vữa mũi cọc 93 - Kiểm soát chất lượng vữa tỷ lệ nước/xi măng, khối lượng riêng vữa cường độ nén vữa - Cường độ nén vữa giá trị trung bình mẫu thời điểm mẫu 28 ngày ứng với loại cấp phối sử dụng Việc kiểm tra cường độ vữa tối thiểu tổ mẫu (3 mẫu) - Mẫu kiểm tra cường độ nén vữa chèn hơng lấy từ vữa trào hạ cọc lấy trực tiếp từ trạm trộn Cường độ nén mẫu vữa 28 ngày không nhỏ 0,5 N/mm2 trừ có yêu cầu khác thiết kế - Khối lượng thí nghiệm vữa tuân thủ theo Bảng TCVN7201:2015 – Khoan hạ cọc bê tông ly tâm-thi công nghiệm thu, trừ có yêu cầu khác thiết kế 3.3.4 Tính tốn sức chịu tải theo vật liệu Cọc bê tông cọc ly tâm ứng lực trước thi công theo phương pháp Sotobory dùng vữa xi măng chèn thân tính tương tự nhứ với dùng vữa bê tơng chèn thân 3.3.5 Tính tốn sức chịu tải theo tiêu lý đất Cọc bê tông cọc ly tâm ứng lực trước thi công theo phương pháp khoan tạo lỗ trước kết hợp vữa chèn thân cọc (bao gồm lòng cọc) sau: - Đoạn mũi cọc lấp đầy vữa xi măng mác 200 - Đoạn thân cọc lấp đầy vữa xi măng đất với hàm lượng xi măng đất trộn vữa 175kg/m3 Như vây, khoảng trống thành cọc đất hoàn trả lại xi măng đất tốt đất nguyên thổ để an tồn tính tốn khơng tính lớp xi măng đất chèn thân Sức chịu tải theo đất cọc tính tốn cọc treo loại, hạ phương pháp đóng ép (đoạn mũi cọc 94 lấp đầy vữa xi măng mác 200 nên diện tích cọc tựa đất lấy diện tích tiết diện ngang mũi cọc đặc, đường kính cọc hồn thành đường kính cọc ly tâm).Trị riêng sức chịu tải trọng nén cực hạn Rc,u, tính kN, xác định tổng sức kháng đất mũi cọc thân cọc: Trị riêng sức chịu tải trọng nén cực hạn Rc,u, tính kN, xác định tổng sức kháng đất mũi cọc thân cọc: Rc ,u   c   cq qb Ab  u   cf f i li  Trong đó: c hệ số điều kiện làm việc cọc đất, c = 1; qb cường độ sức kháng đất mũi cọc, tra theo Bảng 2, tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 – Móng cọc-Tiêu chuẩn thiết kế, u chu vi tiết diện ngang thân cọc; fi cường độ sức kháng trung bình lớp đất thứ “i” thân cọc, tra theo Bảng 3, tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 – Móng cọc-Tiêu chuẩn thiết kế; Ab diện tích cọc tựa lên đất, đoạn mũi cọc lấp đầy vữa xi măng mác 200 nên lấy diện tích tiết diện ngang mũi cọc đặc; li chiều dài đoạn cọc nằm lớp đất thứ “i”; cq cf tương ứng hệ số điều kiện làm việc đất mũi thân cọc có xét đến ảnh hưởng phương pháp hạ cọc đến sức kháng đất, tra theo Bảng 4, tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 – Móng cọc-Tiêu chuẩn thiết kế; + Với lớp thứ dày 1.2m: đất lấp, bỏ qua tính tốn + Với lớp thứ dày 2m: 95  Ab1   0.72 /  0.38m  U1   0.7  2.20m  Tại hố khoan HK1, tra bảng với mũi cọc độ sâu 3.2m thuộc lớp đất số ta được: qb1 = 2000kPa  Tại hố khoan HK1, tra bảng với thành cọc độ sâu 3.2m thuộc lớp đất số ta được: f1 = 35kPa  Thành phần ma sát: Q f  u1 cf f1l1  2.2 1 35   153.9kN  Thành phần kháng mũi mũi cọc dừng lớp đất này: Q p1   cq qb1 Ab1  1 2000  0.38  769.7 kN Tính tốn tương tự với phân lớp đất khác, hố khoan khác ta bảng tính tốn sức chịu tải theo đất cọc đây: Bảng 3.25: Bảng tính sức chịu tải cọc bê tông ly tâm ứng lực trước thi công phương pháp khoan thả theo đất nền, chèn thân xi măng đất Lớp 2 2 4 4 5 5 Sâu Dày   cf fi (kPa) (m) (m) cq 1.2 1.2 3.2 1.0 1.0 35.0 5.2 1.0 1.0 40.0 7.2 1.0 1.0 43.0 9.2 1.0 1.0 45.0 10.5 1.3 1.0 1.0 46.0 12.5 1.0 1.0 68.5 14 1.5 1.0 1.0 70.6 15.5 1.5 1.0 1.0 72.0 16.8 1.3 1.0 1.0 74.2 18.2 1.4 1.0 1.0 76.5 20.2 1.0 1.0 79.0 22.2 1.0 1.0 82.1 24.2 1.0 1.0 84.9 qb (kPa) 2000 2800 3000 3433 3500 11100 11460 11700 12024 4464 4800 4976 5136 Qfi (kN) Qb (kN) 153.9 329.9 519.0 716.9 848.4 1,149.7 1,382.6 1,620.1 1,832.2 2,067.7 2,415.1 2,776.1 3,149.5 769.7 1,077.6 1,154.5 1,321.2 1,347.0 4,271.8 4,410.3 4,502.7 4,627.4 1,717.9 1,847.3 1,915.0 1,976.6 Rc,u (kN) 924 1407 1674 2038 2195 5421 5793 6123 6460 3786 4262 4691 5126 96 5 26.2 28.2 29.2 31.2 33.2 2 2 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 87.7 90.5 91.9 94.7 97.5 5296 5456 5536 14392 14712 3,535.1 3,933.1 4,135.1 4,349.5 4,563.8 2,038.1 2,099.7 2,130.5 5,538.7 5,661.8 5573 6033 6266 9888 10226 Như vậy, đến độ sâu khoảng 29m vào lớp cát hạt trung chặt, sức chịu tải cọc bê tông thi công phương pháp Sotobory theo đất 6200kN, tương đương sức chịu tải cọc theo vật liệu cọc 3.3.6 Nhận xét sức chịu tải cọc bê tông ly tâm ứng lực trước thi công phương pháp Sotobory dùng vữa bê tông chèn thân dùng xi măng đất chèn thân Bảng 3.26: Bảng so sánh sức chịu tải cọc ly tâm ƯLT dùng bê tông chèn thân dung xi măng đất chèn thân STT Loại cọc PHC-D700 (Vữa chèn thân bê tông) PHC-D700 (Vữa xi măng đất) SCT Vật liệu (kN) SCT theo đất (KN) Ghi Khi hạ cọc sâu 28m 6100 6600 Khi hạ cọc sâu 29 m 6100 6200 3.3.7 Đánh giá so sánh chi phí phương án dùng vữa bê tông chèn thân phương án dùng xi măng đất chèn thân Bảng 3.27: Bảng tính tốn chi phí xây dựng cho cọc bê tông ly tâm D700 thi công theo phương pháp khoan thả, chèn thân xi măng đất STT Hạng mục công việc Khoan tạo lỗ, đường kính lỗ khoan 850mm (bao gồm đánh khuấy tạo xi măng đất trình rút cần khoan lên) Đơn vị Khối lượng Đơn giá Thành tiền m 29.00 747,519 21,678,037 97 10 Cung cấp cọc PHC-D700 dài 07m (02 cọc) m 14.00 810,000 11,340,000 Cung cấp cọc PHC-D700 dài 8m m 9.00 810,000 7,290,000 Nối cọc ống BTCT, đường Mối kính D600 nối 2.00 250,000 500,000 Vữa xi măng cường độ 20Mpa rót đoạn mũi cọc m3 1.21 2,148,000 2,604,782 Vữa xi măng cường độ 10Mpa rót thành lòng cọc m3 7.50 Xúc đất lên phương tiện để vận chuyển đổ 100m3 0.16 2,049,595 337,282 Vận chuyển đất thải ngồi cơng trường, đổ thải nơi quy định 100m3 0.16 10,931,173 1,798,840 Lấp cát vàng hạt trung đầu cọc m3 1.54 250,000 385,000 Sản xuất, lắp đặt, tháo dỡ ống vách cọc khoan nhồi cạn, đường kính cọc