Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình ngầm và nền móng, móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn thi công bằng phương pháp đóng hoặc ép được ứng dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp nhờ ưu điểm về giá thành và quy trình thi công so với cọc khoan nhồi. Tuy nhiên, điều kiện địa chất tại Thành phố Hồ Chí Minh có cấu trúc phức tạp với sự xuất hiện của các lớp thấu kính, lớp sét dẻo cứng đến cứng và các tầng cát dày có chỉ số SPT cao. Quá trình ép cọc thông thường qua các địa tầng này thường gặp sự cố cọc không đạt độ sâu thiết kế, xuất hiện độ chối giả, nứt vỡ cọc (nổ cọc), đồng thời việc dịch chuyển đất do ép cọc chiếm chỗ gây lún sụt, trồi đất và nứt nẻ các công trình lân cận trong đô thị có mật độ xây dựng cao.

Để khắc phục các hạn chế trên, giải pháp hạ cọc qua lỗ khoan dẫn (khoan hạ cọc) được áp dụng nhằm giảm sức kháng của đất trong quá trình hạ cọc. Dù vậy, việc áp dụng biện pháp này tại Việt Nam còn gây băn khoăn về mặt kinh tế - kỹ thuật do thiếu các chỉ dẫn tính toán cụ thể trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành đối với từng loại đất. Mức độ suy giảm sức chịu tải của cọc sau khi khoan dẫn chưa được lượng hóa chính xác, dẫn đến sự thiếu đồng bộ giữa mô hình tính toán lý thuyết và ứng xử thực tế của cọc. Do đó, việc nghiên cứu định lượng ảnh hưởng của công tác thi công khoan hạ cọc đến sức chịu tải của cọc trong điều kiện địa chất không thuận lợi tại Thành phố Hồ Chí Minh là một yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định như sau:

  • Cung cấp cho kỹ sư thiết kế và thi công một công cụ toán học thông qua phần mềm số để dự báo sức chịu tải của cọc cũng như mức độ suy giảm sức kháng của nền đất trong quá trình hạ cọc và sức chịu tải của cọc khi thi công ép qua lỗ khoan dẫn trong điều kiện địa chất không thuận lợi tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Đánh giá sự khác biệt giữa bài toán lý thuyết và biện pháp thi công hạ cọc qua lỗ khoan tạo sẵn thông qua mô phỏng số và thực nghiệm.
  2. Dự báo sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép chế tạo sẵn thi công bằng phương pháp ép có khoan dẫn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cọc tròn bê tông cốt thép chế tạo sẵn được hạ (đóng hoặc ép) vào lỗ khoan dẫn trong khu vực địa chất không thuận lợi tại Thành phố Hồ Chí Minh (các tầng sét cứng, cát dày); sự suy giảm sức kháng của nền đất trong quá trình hạ cọc thông thường và hạ cọc qua lỗ khoan tạo trước có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng tiết diện cọc, có sử dụng dung dịch giữ thành bentonite, đồng thời xét đến ảnh hưởng của công tác khoan dẫn tới sức chịu tải của cọc khi đưa vào làm việc.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Dự báo sức chịu tải khi cọc làm việc ở trạng thái cọc chiếm chỗ một phần (đường kính lỗ khoan nhỏ hơn đường kính cọc) dựa trên phân tích lý thuyết phần tử hữu hạn và phần mềm tự lập trình.
    • Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính lỗ khoan dẫn đến sức kháng của đất, lực ép cọc và sức chịu tải giới hạn của cọc thông qua thí nghiệm nén tĩnh và đo biến dạng thân cọc.
  • Giới hạn nghiên cứu: Chưa xét đến ảnh hưởng của mực nước ngầm; chưa phân tích trường hợp địa tầng bên trên có lớp bùn sét yếu, bùn nhão; nghiên cứu tập trung cho nhóm cọc ma sát (sức kháng ma sát thành chiếm chủ yếu), chưa xét phương án cọc chống tựa trên tầng đá gốc.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Luận án điểm lại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ứng xử của cọc ép, cọc khoan dẫn và kỹ thuật phân tích số:

  • Mabsout và Tassoulas (1994): Nghiên cứu bài toán đóng cọc và tương tác đất - cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến với chuyển vị lớn.
  • Goble và cộng sự: Phát triển các phương pháp phân tích động và tĩnh để đánh giá sức kháng của đất nền trong quá trình hạ cọc.
  • Phan Vũ JSC và Japan Pile (2014): Nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan hạ cọc bê tông ly tâm ứng suất trước tại thị trường Việt Nam, tập trung vào công nghệ thi công và thiết bị hiện trường.
  • Ghose-Hajra và Tavera: Đánh giá ảnh hưởng của việc khoan mồi (pre-drilling/pre-boring) đến sức kháng xuyên của đất và sức chịu tải của cọc đóng trong các tầng đất hạt thô xen kẹp.
  • Rojas (1998, 1999): Đề xuất công thức thực nghiệm xác định tỷ số suy giảm sức chịu tải của cọc khoan dẫn so với cọc không khoan dẫn dựa trên tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang của lỗ khoan và cọc: $$\frac{Q}{Q_0} = 1 - 0{,}8 \left(\frac{A_h}{A}\right)$$ trong đó $Q$ và $Q_0$ lần lượt là sức chịu tải của cọc có khoan dẫn và không khoan dẫn; $A_h$ và $A$ là diện tích lỗ khoan và tiết diện ngang của cọc.
  • Các phương pháp giải tích theo tiêu chuẩn quốc tế: Phương pháp Nordlund/Thurman cho đất cát rời dựa trên hệ số áp lực ngang $K$, hệ số điều chỉnh $C_F$ và góc ma sát tiếp xúc $\delta$; phương pháp $\alpha$ đối với đất sét dựa trên sức kháng cắt không thoát nước $c_u$ ($f_s = \alpha c_u$); phương pháp $\beta$ ($f_s = \beta \sigma'_{v0}$) và phương pháp $\lambda$ ($f_s = \lambda (\sigma'_v + 2c_u)$) trong chỉ dẫn thiết kế AASHTO (2017).
Tiêu chuẩn / Hướng dẫn Cơ quan / Địa phương Quy định đường kính lỗ khoan dẫn ($D_k$) Quy định chiều sâu lỗ khoan dẫn ($L_k$)
TCVN 10304:2014 Bộ Xây dựng Việt Nam $D_k = D$ (cạnh cọc vuông)
$D_k = D - 0{,}05\text{ m}$
$D_k = D - 0{,}15\text{ m}$		 Mũi cọc sâu hơn đáy lỗ tối thiểu $1\text{ m}$
DOTD / AASHTO Indiana (2012) $D_k < D - 0{,}05\text{ m}$ $L - 1{,}5\text{ m}$
Texas (2004) $D_k < D - 0{,}10\text{ m}$ $1{,}5\text{ m} - 2{,}5\text{ m}$
Florida (2013) $D_k = 1{,}2 - 1{,}4 D$ Không quy định cụ thể
Michigan (2003) $D_k < D$ Tối đa $6\text{ m}$
Hawaii (2005) $D_k < D + 0{,}15\text{ m}$ $L - 1{,}5\text{ m}$

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Tại Việt Nam, các đơn vị thi công chủ yếu áp dụng khoan dẫn theo kinh nghiệm hiện trường mà chưa định lượng được mức độ suy giảm sức kháng của thành lỗ khoan và sức chịu tải lâu dài của cọc. Tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 quy định giảm hệ số điều kiện làm việc của đất trên thân cọc $\gamma_{cf}$ từ $0{,}5$ đến $0{,}6$ khi khoan dẫn nhưng chưa phản ánh đầy đủ mối quan hệ giữa đường kính lỗ khoan và các loại đất cát rời xen kẹp. Các phần mềm thương mại địa kỹ thuật phổ biến (như Plaxis, Midas) tại thời điểm nghiên cứu sử dụng phần tử tiếp xúc giới hạn ở bài toán biến dạng bé, chưa mô phỏng sát quá trình cọc trượt và ép giãn đất trong điều kiện biến dạng lớn. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập mô hình số giải bài toán tiếp xúc biến dạng lớn và kiểm chứng qua thực nghiệm mô hình thu nhỏ lẫn hiện trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Ứng xử cơ học đất nền: Sử dụng hệ phương trình liên hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến, xét đến trạng thái tăng bền và ma trận đàn dẻo của đất. Đất nền được mô hình hóa bằng mô hình đàn hồi phi tuyến hyperbol (Duncan-Chang) mô tả ứng xử phi tuyến theo các tham số độ cứng $K_L$, số mũ $n$ và góc ma sát trong $\varphi$.
  • Cơ học tiếp xúc cọc - đất: Mô hình hóa hệ tương tác Cọc - Bề mặt tiếp xúc - Đất nền bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Để mô tả sự trượt tương đối và tách rời giữa thân cọc và đất xung quanh trong điều kiện biến dạng lớn, luận án ứng dụng phương pháp nhân tử Lagrange tăng cường (Augmented Lagrangian Method). Bề mặt tiếp xúc được rời rạc hóa bằng phần tử tiếp xúc đặc thù, khử hiện tượng phụ thuộc vào độ cứng phạt (penalty stiffness) và đảm bảo điều kiện biên không thâm nhập.
  • Rời rạc hóa phần tử hữu hạn: Sử dụng phần tử tứ giác 8 nút đẳng tham số (isoparametric 8-node quadrilateral element) cho môi trường đất nền và thân cọc đối xứng trục, tích phân số Gauss trên miền tứ giác. Hệ phương trình phi tuyến được giải lặp bằng thuật toán Newton-Raphson và Newton-Raphson cải tiến.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp số (Lập trình phần mềm): Xây dựng bộ công cụ phần mềm chuyên dụng mang tên PDC PileS (Pre-Drilled Compression Pile Software). Phần mềm tích hợp thuật toán giải bài toán tiếp xúc phi tuyến biến dạng lớn, tự động chia lưới phần tử hữu hạn, mô phỏng hai giai đoạn: (1) giai đoạn khoan tạo lỗ dẫn có dung dịch giữ thành và (2) giai đoạn ép hạ cọc chiếm chỗ vào trong lỗ khoan.
  • Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm: Chế tạo mô hình thí nghiệm thu nhỏ bao gồm khung gia tải, thùng mẫu đất cát, cọc mô hình có gắn đầu đo biến dạng và hệ thống mũi khoan dẫn có đường kính thay đổi. Tiến hành ép hạ cọc và nén tĩnh kiểm tra sức chịu tải, đo lực ép hạ theo độ sâu.
  • Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Thực hiện trên cọc bê tông ly tâm đúc sẵn tại công trình thực tế ở Thành phố Hồ Chí Minh. Lắp đặt các đầu đo biến dạng (strain gauge) dọc thân cọc, theo dõi liên tục lực ép hạ cọc theo độ sâu, sau đó tiến hành thí nghiệm nén tĩnh gia tải từng cấp để xác định biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún ($P-S$), phân bố lực dọc thân cọc và sức chịu tải giới hạn.

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

  • Dữ liệu địa chất công trình từ 10 dự án thực tế tại các khu vực phức tạp của Thành phố Hồ Chí Minh: Trường THPT Bùi Thị Xuân (Quận 1), Trường Đại học Kiến trúc (Quận 3), Chung cư Ngô Quyền (Quận 5), Chung cư Cộng Hòa Garden (Tân Bình), Cầu vượt Ba Tháng Hai - Nguyễn Tri Phương (Quận 10), Chung cư Phước Bình (Quận 9), Chung cư Phú Thọ (Quận 11), Chung cư Tô Ký (Quận 12), Chung cư Trường Thọ (Thủ Đức), Chung cư Vĩnh Hội (Quận 4), Viện Chấn thương Chỉnh hình - Bệnh viện Quân y 175 (Gò Vấp), Bảo tàng Tôn Đức Thắng (Quận 1).
  • Cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn kỹ thuật: TCVN 10304:2014, AASHTO 2017, các hướng dẫn thiết kế móng cọc của các bang Hoa Kỳ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỌC KHOAN HẠ

Chương này tổng kết đặc điểm địa chất công trình Thành phố Hồ Chí Minh, chia thành 3 tầng cấu trúc:

  • Tầng cấu trúc trên: Trầm tích Holocen (hệ tầng Cần Giờ, Bình Chánh) chủ yếu là bùn sét, đất yếu chứa hữu cơ.
  • Tầng cấu trúc giữa: Trầm tích Pleistocen muộn đến sớm (hệ tầng Nhà Bè, Bình Trưng...) gồm các lớp sét pha dẻo cứng xen kẽ các thấu kính cát chặt, cát pha sạn sỏi thạch anh.
  • Tầng cấu trúc dưới: Đá trầm tích và phun trào Kainozoi, Mesozoi nằm ở độ sâu lớn.

Chương 1 phân tích các hạn chế của phương pháp ép cọc truyền thống khi đi qua các tầng địa chất không thuận lợi (chỉ số $N_{\text{SPT}}$ cao: đất sét $N_{30} > 8$, đất cát $N_{30} > 15$). Tác giả phân tích chi tiết các sự cố kỹ thuật tại các công trình thực tế:

  • Chung cư Phước Bình (Quận 9): Cọc vuông $350 \times 350\text{ mm}$ gặp lớp cát dày kẹp thấu kính sét cứng ở độ sâu $-16{,}4\text{ m}$ đến $-26{,}0\text{ m}$ ($N=16-25$) và lớp cát chặt $-41{,}3\text{ m}$ đến $-54\text{ m}$ ($N=23-46$), gây nổ vỡ đầu cọc; khoan dẫn bằng đường kính nội tiếp không ép được, phải chuyển sang khoan dẫn bằng đường kính ngoại tiếp xuyên hết lớp cát.
  • Công trình Tô Ký Tower (Quận 12): Cọc tròn gặp tầng cát bụi mịn dày xen kẹp thấu kính sét cứng gây độ chối giả; khoan dẫn bằng $2/3$ đường kính cọc vẫn không thể ép xuống, buộc phải khoan dẫn bằng đúng đường kính cọc ($D_k = D$).
  • Bảo tàng Tôn Đức Thắng (Quận 1): Cọc ly tâm D400 thiết kế sâu $-38\text{ m}$, khi ép đến độ sâu $-23\text{ m}$ gặp lớp cát số 5 bị chối không xuống được; xử lý bằng khoan dẫn đường kính D400 đến độ sâu $-36\text{ m}$.
  • Chung cư Phú Thọ (Quận 11): Cọc $350 \times 350\text{ mm}$ ép sâu $32\text{ m}$ bị chối ở độ sâu $10-11\text{ m}$ do gặp tầng cát chặt vừa dày $15-19\text{ m}$; phải khoan dẫn đường kính D350 đến độ sâu $-30\text{ m}$.

Chương 1 cũng tổng quan các phương pháp tính toán sức chịu tải theo TCVN 10304:2014, AASHTO 2017 và chỉ ra sự thiếu hụt các mô hình giải tích mô tả cọc chiếm chỗ một phần khi khoan dẫn.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CỌC KHOAN HẠ

Chương 2 thiết lập các nền tảng toán học và cơ học môi trường liên tục để mô phỏng tương tác cọc - đất:

  • Phân tích các thành phần ứng suất, biến dạng và ma trận đàn dẻo của đất nền dưới tải trọng ép thẳng đứng.
  • Trình bày biểu thức giải tích của mô hình đàn hồi phi tuyến hyperbol mô tả biến dạng phi tuyến của đất xung quanh cọc.
  • Thiết lập phương trình phần tử hữu hạn sử dụng phần tử tứ giác 8 nút đẳng tham số với phép lấy tích phân số Gauss.
  • Xây dựng lý thuyết động học tiếp xúc và các điều kiện ràng buộc biên tiếp xúc giữa mặt cọc và thành hố khoan. Áp dụng phương pháp nhân tử Lagrange tăng cường để mô hình hóa phần tử tiếp xúc trượt, giải quyết bài toán phi tuyến hình học và vật liệu khi cọc chuyển vị lớn trong đất.

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG KÍNH LỖ KHOAN ĐẾN MA SÁT THÀNH CỦA CỌC KHOAN HẠ

Chương 3 trình bày cấu trúc và thuật toán của phần mềm tự lập trình PDC PileS:

  • Xây dựng giao diện nhập dữ liệu hình học, thông số cơ lý đất nền, chia lưới tự động và quản lý quá trình giải phi tuyến bằng phương pháp Newton-Raphson cải tiến.
  • Mô phỏng trạng thái ứng suất của đất qua hai giai đoạn liên tiếp: (1) Trạng thái sau khi khoan tạo lỗ dẫn có dung dịch bentonite giữ thành; (2) Trạng thái cọc ép chiếm chỗ tịnh tiến vào lỗ khoan, gây biến dạng và nén ép đất xung quanh thành hố.
  • Đánh giá độ chính xác của phần mềm PDC PileS qua việc so sánh đối chứng với các lời giải lý thuyết chuẩn và phần mềm kiểm chứng.
  • Phân tích tham số để đánh giá mức độ suy giảm sức kháng ma sát thành cọc theo các tỷ số đường kính lỗ khoan dẫn trên đường kính cọc ($D_k/D$), từ đó rút ra quy luật suy giảm lực ép hạ cọc và ma sát thành theo chiều sâu.

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỌC KHOAN DẪN

Chương 4 thực hiện chương trình thực nghiệm hai cấp độ:

  • Thí nghiệm mô hình thu nhỏ trong phòng:
    • Sử dụng các cọc mô hình hình học thu nhỏ được hạ vào thùng đất mẫu với các đường kính mũi khoan dẫn khác nhau.
    • Theo dõi biến thiên lực ép hạ theo độ sâu và tiến hành thí nghiệm nén tĩnh xác định biểu đồ $P-S$.
    • Mô phỏng lại thí nghiệm trong phòng bằng phần mềm PDC PileS; kết quả cho thấy sự tương đồng cao giữa phân tích số và số liệu đo đạc thực tế về cả lực ép hạ và biểu đồ phân bố lực dọc thân cọc.
  • Thí nghiệm cọc tại hiện trường:
    • Thi công cọc thí nghiệm tại công trình thực tế ở Thành phố Hồ Chí Minh với cọc bê tông ly tâm có lắp đặt hệ thống đầu đo biến dạng dọc thân cọc.
    • Ghi nhận lực ép hạ cọc thực tế theo chiều sâu cho các trường hợp cọc ép thông thường và cọc ép qua lỗ khoan dẫn.
    • Tiến hành thí nghiệm nén tĩnh tĩnh học hiện trường, lập biểu đồ tải trọng - độ lún, ngoại suy sức chịu tải giới hạn và xác định sự phân bố ma sát thành đơn vị dọc theo chiều dài cọc.
    • Lập bảng tổng hợp so sánh kết quả sức chịu tải giữa 3 phương pháp: Tính toán theo tiêu chuẩn (TCVN 10304:2014), Mô phỏng số bằng PDC PileS và Thí nghiệm nén tĩnh hiện trường.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về lý luận và khoa học

  1. Ứng dụng phương pháp Lagrangian tăng cường trong phân tích tương tác cọc - đất: Đã ứng dụng thành công phương pháp hệ số Lagrangian tăng cường vào bài toán tiếp xúc vật liệu để giải bài toán cọc chuyển vị và biến dạng lớn trong đất nền, khắc phục hạn chế chỉ phân tích biến dạng nhỏ của các phần mềm địa kỹ thuật thương mại phổ biến thời điểm thực hiện.
  2. Xây dựng phần mềm số chuyên dụng PDC PileS: Phát triển thành công bộ phần mềm phần tử hữu hạn chuyên dụng (Pre-Drilled Compression Pile Software) có khả năng mô phỏng liên tục quá trình công nghệ từ lúc khoan tạo lỗ có dung dịch giữ thành đến khi ép cọc chiếm chỗ một phần vào đất.
  3. Thiết lập mô hình phân tích sức kháng cọc khoan hạ: Xác định được quy luật biến đổi ứng suất và mức độ suy giảm của sức kháng ma sát thành cọc phụ thuộc vào tỷ số đường kính lỗ khoan dẫn và đường kính cọc ($D_k/D$) trong nền đất dính và đất rời xen kẹp.

Đóng góp mới về thực tiễn và kiến nghị giải pháp

  • Đề xuất hệ số suy giảm sức chịu tải: Đề xuất hệ số suy giảm ma sát thành cho cọc ma sát thi công bằng phương pháp khoan dẫn, hỗ trợ kỹ sư thiết kế chuẩn xác hóa việc dự báo sức chịu tải thay vì sử dụng hệ số giảm tĩnh cứng nhắc theo kinh nghiệm.
  • Quy trình kiểm chứng thực nghiệm: Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm đo biến dạng thân cọc có độ tin cậy cao từ mô hình phòng thí nghiệm và hiện trường xây dựng Thành phố Hồ Chí Minh, minh chứng tính khả thi của việc chọn đường kính khoan dẫn phù hợp để vừa đưa cọc qua các lớp đất khó xuyên (cát chặt, thấu kính sét cứng) vừa tối ưu hóa sức chịu tải còn lại của cọc.
  • Kiến nghị áp dụng: Đề xuất sử dụng phần mềm PDC PileS trong tính toán thiết kế móng cọc khoan hạ tại các dự án đô thị; kiến nghị bổ sung các chỉ dẫn tính toán chi tiết về đường kính và chiều sâu khoan dẫn vào hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu chưa xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và dòng thấm nước ngầm trong quá trình khoan tạo lỗ và ép cọc.
  • Mô hình chưa phân tích trường hợp địa tầng bên trên có lớp bùn sét yếu hoặc bùn nhão có bề dày lớn ảnh hưởng đến độ ổn định thành vách lỗ khoan.
  • Đối tượng nghiên cứu mới chỉ tập trung vào cọc ma sát (thành phần sức kháng bên là chủ yếu), chưa mở rộng cho bài toán cọc chống tựa trên nền đá hoặc tầng cuội sỏi không biến dạng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Bổ sung bài toán tương tác thủy cơ (hydro-mechanical coupling) để đánh giá sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian sau khi ép cọc khoan dẫn.
  • Mở rộng thuật toán phần mềm PDC PileS để phân tích cho các loại tiết diện cọc khác nhau (cọc vuông, cọc chữ H) và mở rộng cho cọc chống chịu tải trọng ngang kết hợp tải trọng đứng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư thiết kế nền móng: Tham khảo phương pháp tính toán, đánh giá mức độ suy giảm ma sát thành khi lựa chọn đường kính lỗ khoan dẫn ($D_k$) phù hợp với từng điều kiện địa tầng, tránh hiện tượng chọn hệ số an toàn quá mức hoặc đánh giá quá cao sức chịu tải cọc.
  • Đơn vị thi công và tư vấn giám sát: Áp dụng các giải pháp xử lý sự cố độ chối giả, nổ cọc khi ép cọc qua các lớp cát dày hoặc thấu kính sét cứng tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và các đô thị có địa chất tương tự; kiểm soát rung chấn và biến dạng nền đất xung quanh.
  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Địa kỹ thuật - Công trình ngầm: Tham khảo cấu trúc thuật toán giải bài toán tiếp xúc biến dạng lớn bằng phương pháp Lagrangian tăng cường, quy trình lập trình phần tử hữu hạn và kỹ thuật bố trí đầu đo biến dạng thân cọc trong thí nghiệm hiện trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công tác ép cọc đúc sẵn thông thường tại Thành phố Hồ Chí Minh hay gặp sự cố nổ cọc hoặc chối giả?

Địa chất Thành phố Hồ Chí Minh có cấu trúc phân tầng phức tạp, thường xuất hiện các lớp cát mịn đến thô có bề dày lớn (chỉ số $N_{\text{SPT}} > 15$) xen kẹp các thấu kính sét cứng ($N_{\text{SPT}} > 8$). Khi ép cọc thông thường, đất dưới mũi và xung quanh cọc bị nén chặt cục bộ làm tăng đột ngột sức kháng xuyên, vượt quá khả năng chịu nén của thân cọc bê tông dẫn đến hiện tượng chối giả hoặc nứt vỡ cọc (nổ cọc) trước khi cọc đạt cao độ thiết kế.

2. Tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 quy định hệ số điều kiện làm việc của đất trên thân cọc ($\gamma_{cf}$) khi khoan dẫn như thế nào?

Theo Bảng 1.2 của TCVN 10304:2014 trích dẫn trong luận án, hệ số điều kiện làm việc của đất trên thân cọc $\gamma_{cf}$ được quy định:

  • Bằng $0{,}5$ khi đường kính lỗ khoan dẫn bằng cạnh cọc vuông ($D_k = D$).
  • Bằng $0{,}6$ khi đường kính lỗ khoan dẫn nhỏ hơn cạnh cọc vuông $0{,}05\text{ m}$ ($D_k = D - 0{,}05\text{ m}$).
  • Bằng $1{,}0$ khi đường kính lỗ khoan nhỏ hơn cạnh cọc vuông hoặc đường kính cọc tròn $0{,}15\text{ m}$ (áp dụng cho móng trụ đường dây tải điện).

3. Công thức thực nghiệm của Rojas (1998) đánh giá sự suy giảm sức chịu tải cọc khoan dẫn được thiết lập ra sao?

Rojas thiết lập công thức thực nghiệm dựa trên tỷ lệ diện tích tiết diện: $$\frac{Q}{Q_0} = 1 - 0{,}8 \left(\frac{A_h}{A}\right)$$ Trong đó $Q$ và $Q_0$ là sức chịu tải của cọc có khoan dẫn và không khoan dẫn; $A_h$ là diện tích tiết diện lỗ khoan dẫn; $A$ là diện tích mặt cắt ngang của thân cọc.

4. Phần mềm PDC PileS do tác giả xây dựng có điểm gì khác biệt so với các phần mềm địa kỹ thuật thương mại thông thường?

Phần mềm PDC PileS ứng dụng phương pháp nhân tử Lagrangian tăng cường vào phần tử tiếp xúc để giải quyết bài toán tiếp xúc phi tuyến biến dạng lớn giữa cọc và đất nền trong quá trình ép cọc tịnh tiến. Điểm khác biệt là phần mềm mô phỏng liên hoàn hai giai đoạn: giai đoạn thay đổi trạng thái ứng suất sau khi khoan tạo lỗ có bentonite và giai đoạn cọc chiếm chỗ một phần ép vào lỗ khoan, điều mà các phần mềm thương mại thời điểm đó bị giới hạn do chỉ giải bài toán tiếp xúc ở mức biến dạng bé.

5. Biện pháp xử lý kỹ thuật tại công trình Bảo tàng Tôn Đức Thắng (Quận 1) đã được thực hiện như thế nào?

Tại dự án Bảo tàng Tôn Đức Thắng, cọc tròn D400 có mũi cọc thiết kế ở cao độ $-38\text{ m}$ (lớp đất số 6). Khi ép cọc thực tế đến độ sâu khoảng $-23\text{ m}$ thì cọc ngập vào tầng cát số 5 khoảng $1{,}0\text{ m}$ và không thể ép xuống tiếp. Đơn vị thiết kế đã quyết định khoan dẫn với đường kính lỗ khoan bằng đường kính cọc ($D_k = 400\text{ mm}$) xuyên hết lớp cát số 5 đến độ sâu $-36\text{ m}$, sau đó ép cọc đến cao độ $-38\text{ m}$. Thí nghiệm thử tải nén tĩnh sau đó chứng minh cọc đạt độ lún và độ hồi phục theo đúng tiêu chuẩn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lương Toàn Hiệp đã giải quyết bài toán đánh giá ảnh hưởng của công nghệ thi công khoan dẫn đến sức chịu tải của cọc đúc sẵn trong điều kiện địa chất phức tạp tại Thành phố Hồ Chí Minh. Bằng việc kết hợp nghiên cứu lý thuyết cơ học tiếp xúc biến dạng lớn, xây dựng phần mềm số chuyên dụng PDC PileS và tiến hành các thí nghiệm nén tĩnh đo biến dạng thân cọc từ mô hình đến hiện trường, công trình đã lượng hóa được quy luật suy giảm ma sát thành theo kích thước lỗ khoan dẫn. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác thiết kế, thi công móng cọc an toàn, kinh tế và đóng góp tư liệu thực nghiệm cho việc hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng công trình ngầm tại Việt Nam.