Luận văn thạc sĩ: Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong kỹ thuật xây dựng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng phân tích sức chịu tải cọc khoan nhồi với yếu tố độ tin cậy, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Đặng Xuân Vinh
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Tuấn Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: Đánh Giá Sức Chịu Tải Của Cọc Khoan Nhồi Có Xét Đến Yếu Tố Độ Tin Cậy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu về sức chịu tải cọc khoan nhồi là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Cọc khoan nhồi thường được sử dụng để xây dựng các công trình trên nền đất yếu, và việc xác định chính xác sức chịu tải của chúng là rất cần thiết. Đề tài này sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc, bao gồm cả ma sát xung quanh cọc và sức kháng của đất dưới mũi cọc. Một vấn đề đáng lưu ý là sự không chắc chắn của các thông số địa chất, do đó, việc áp dụng các kỹ thuật địa chất và các hệ số an toàn trong thiết kế là điều cần thiết. Đặc biệt, các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam yêu cầu phải tính toán sức chịu tải thiết kế với các hệ số an toàn cụ thể, tuy nhiên, cơ sở khoa học cho các hệ số này vẫn chưa được nghiên cứu một cách thấu đáo.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh xây dựng hiện đại, phương án móng cọc là lựa chọn phổ biến cho các công trình cao tầng. Đặc biệt, cọc khoan nhồi là phương án được ưu tiên cho các công trình trên nền đất yếu. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cả chỉ tiêu cường độ của đất nền và các điều kiện thi công. Tuy nhiên, tính không chắc chắn trong các thông số địa chất có thể dẫn đến sai lệch trong tính toán sức chịu tải, từ đó ảnh hưởng đến độ an toàn của công trình. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết của việc nghiên cứu và đánh giá sức chịu tải một cách khoa học và đáng tin cậy.

1.2 Tình hình nghiên cứu

Nghiên cứu về sức chịu tải cọc đã được thực hiện trên toàn cầu với nhiều phương pháp khác nhau. Tại Việt Nam, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích sức chịu tải có thể giúp cải thiện tính chính xác trong thiết kế. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sức chịu tải của cọc khoan nhồi có sự biến thiên lớn do các yếu tố như điều kiện địa chất và phương pháp thi công. Do đó, việc sử dụng các phương pháp phân tích độ tin cậy sẽ giúp đánh giá chính xác hơn khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi.

II. Cơ sở lý thuyết

Để đánh giá sức chịu tải cọc khoan nhồi, cần phải hiểu rõ các khái niệm cơ bản liên quan đến cọc và đất nền. Sức chịu tải của cọc được xác định dựa trên sự kết hợp giữa ma sát xung quanh cọc và sức kháng của đất dưới mũi cọc. Theo TCVN 10304:2014, sức chịu tải cực hạn của cọc được tính toán dựa trên các thông số như cường độ sức kháng của đất và diện tích tiết diện ngang của cọc. Việc áp dụng các mô hình tính toán như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) qua phần mềm Plaxis sẽ giúp mô phỏng chính xác khả năng chịu tải của cọc trong điều kiện thực tế.

2.1 Sức chịu tải của cọc

Sức chịu tải của cọc khoan nhồi được xác định thông qua các công thức tính toán cụ thể. Theo đó, sức chịu tải cực hạn của cọc được tính bằng tổng sức kháng từ ma sát xung quanh và sức kháng dưới mũi cọc. Các yếu tố như cường độ đất nền, chiều dài cọc và diện tích tiết diện cũng ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải. Việc xác định các thông số này cần dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và các phương pháp thí nghiệm hiện trường để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế.

2.2 Lý thuyết độ tin cậy

Lý thuyết độ tin cậy trong xây dựng giúp đánh giá khả năng chịu tải của cọc trong bối cảnh có sự không chắc chắn của các thông số đầu vào. Để thực hiện phân tích độ tin cậy, cần xác định hàm trạng thái giới hạn và các biến ngẫu nhiên liên quan đến sức chịu tải. Phân tích này không chỉ giúp đánh giá độ an toàn của cọc mà còn cung cấp thông tin cần thiết để tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu rủi ro trong thi công.

III. Kết quả số liệu

Trong nghiên cứu này, các kết quả thu được từ thí nghiệm hiện trường và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis đã cho thấy sự biến thiên đáng kể trong sức chịu tải cọc khoan nhồi. Các thông số địa chất như cường độ ma sát và sức kháng mũi cọc có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự không đồng bộ trong sức chịu tải của hai thành phần này có thể dẫn đến những rủi ro trong thiết kế. Việc áp dụng các phương pháp phân tích độ tin cậy cho phép đánh giá chính xác hơn về khả năng chịu tải của cọc trong điều kiện thực tế.

3.1 Phân tích ngược quá trình thí nghiệm

Phân tích ngược quá trình thí nghiệm bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục cho thấy rằng sức chịu tải thực tế của cọc khoan nhồi thường thấp hơn so với giá trị tính toán lý thuyết. Điều này cho thấy sự cần thiết phải có các phương pháp điều chỉnh trong thiết kế để đảm bảo an toàn cho công trình. Các thông số địa chất cần được cập nhật thường xuyên để phản ánh đúng tình hình thực tế, từ đó cải thiện độ chính xác trong tính toán sức chịu tải.

3.2 Đánh giá bài toán thiết kế móng cọc

Đánh giá bài toán thiết kế móng cọc theo trạng thái giới hạn I cho thấy rằng việc xem xét độ tin cậy trong thiết kế có thể giúp tối ưu hóa sức chịu tải của cọc. Các hệ số an toàn được áp dụng hiện nay cần được xem xét lại dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết độ tin cậy. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc đánh giá sức chịu tải cọc khoan nhồi là một quá trình phức tạp, đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố khác nhau. Các kết quả thu được từ mô phỏng và thí nghiệm hiện trường đã cung cấp những thông tin quý giá cho việc thiết kế móng cọc. Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp phân tích độ tin cậy hiện đại hơn và áp dụng công nghệ mới vào quá trình thi công để nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong xây dựng.

4.1 Hướng nghiên cứu tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc khoan nhồi, đặc biệt là trong các điều kiện địa chất phức tạp. Việc áp dụng công nghệ mô phỏng tiên tiến và các phương pháp phân tích độ tin cậy sẽ giúp cải thiện độ chính xác trong thiết kế và thi công. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu thực nghiệm để xác thực các mô hình lý thuyết đã được đề xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Phương án móng cọc là phương án được sử dụng khá phổ biến trong thiết kế các công trình nhà cao tầng. Trong đó, phương án móng cọc khoan nhồi thường được lựa chọn cho các công trình cao tầng xây dựng trên các nền đất yếu. Sức chịu tải của cọc bao gồm hai thành phần: ma sát xung quanh cọc và sức kháng của đất dưới mũi cọc. Cả hai thành phần này đều chịu tác động trực tiếp của các chỉ tiêu cường độ đất nền như lực dính c, góc ma sát  v.v và ảnh hưởng tới sức chịu tải của cọc.

Tuy nhiên, do tính không chắc chắn của các thông số địa chất đầu vào do các yếu tố: quá trình lấy mẫu không còn nguyên dạng, bị xáo trộn, tính chính xác của các thiết bị thí nghiệm, kỹ năng, trình độ của người thí nghiệm v.v, sẽ dẫn đến các thông số địa chất sẽ bị dao động, từ đó sức chịu tải của cọc cũng sẽ dao động. Để loại trừ các yếu tố không chắc chắn về các thông số địa chất, tải trọng tác dụng lên công trình v.v, các tiêu chuẩn Viêt Nam hiện hành đã đưa vào các hệ số an toàn trong quá trình thiết kế. Cụ thể hơn, trong bài toán thiết kế móng cọc, qui phạm xây dựng quy định sức chịu tải thiết kế phải kể đến các hệ số an toàn FSs=1.0 đối với thành ma sát của cọc và FSp=2.0 đối với thành phần sức kháng mũi của cọc. Ngoài ra, các hệ số an toàn còn được thể hiện thông qua các hệ số vượt tải cho các tải trọng v.

Tuy nhiên, cơ sở khoa học cho những hệ số an toàn này chưa được nguyên cứu, phân tích thấu đáo và việc áp dụng trong thực tế vẫn chủ yếu phụ thuộc nhiều vào ý kiến chủ quan của người thiết kế. Do đó, việc sử dụng các hệ số an toàn này trong thiết kế chưa thể đánh giá đúng ảnh hưởng của sự thay đổi ngẫu nhiên của các thông số đầu vào, từ đó có thể dẫn đến việc thiết kế dư, gây lãng phí hoặc đôi khi thiếu an toàn. Sự xảy ra không đồng thời của sức chịu tải cực hạn của hai thành phần ma sát quanh thân cọc và sức kháng mũi cũng là một vấn đề đáng quan tâm. Do vậy, cần có những nghiên cứu đánh giá sức chịu tải của cọc có xét đến độ tin cậy của các thông số đầu vào, sự làm việc chung của hai thành phần sức chịu tải cực hạn.

Do đó, mục tiêu đề ra của luận văn là đánh giá sức chịu tải - 10 - của cọc khoan nhồi có xét đến độ tin cậy của các thông số địa chất, từ đó đánh giá độ tin cậy của bài toán thiết kế móng cọc khoan nhồi.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Cho đến nay, đã có nhiều nghiên cứu dựa trên lý thuyết độ tin cậy được thực hiện nhằm dự đoán khả năng chịu tải của cọc khoan theo nhiều khía cạnh khác nhau. Một số công trình tiêu biểu có thể kể đến như:  Zhang và cộng sự (2005) [1] đã sử dụng phương pháp phân tích độ tin cậy bậc nhất FORM để phân tích độ tin cậy sức chịu tải của cọc khoan nhồi xét đến tiêu chuẩn phá hoại, hệ số tải và kháng tải.  Zhao và cộng sự (2007) [2] đã sử dụng 46 kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) phân tích độ tin cậy sức chịu tải của cọc khoan nhồi và đưa ra kết luận chỉ số độ tin cậy sức chịu tải của cọc có đường kính lớn thì lớn hơn cọc có đường kính nhỏ.  Luo và Juang (2012) [3] đã phân tích độ tin cậy sức chịu tải cọc khoan nhồi với sự biến thiên không gian trong nền cát, các biến số tuân theo quy luật phân bố lognormal, sử dụng phương pháp phân tích độ tin cậy bậc nhất FORM để phân tích độ tin cậy sức chịu tải.

 Ching và cộng sự (2009) [4] đã dùng kết quả kiểm tra khả năng chịu tải của 57 cọc khoan nhồi ở nhiều nơi thuộc Đài Loan để phân tích độ tin cậy khả năng chịu tải trọng thẳng đứng tới hạn của 57 cọc khoan nhồi.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, một số công trình về đánh giá độ tin cậy và tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy đã được nghiên cứu và phát triển. Trong đó có thể kể đến như:  Võ Thị Mộng Tuyền (2012) [5] trong luận văn cao học đề cập đến bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm Mindlin có gân gia cường. - 11 -  Hồ Hữu Vịnh và cộng sự (2013) [6] đã nguyên cứu và phân tích độ tin cậy của kết cấu vỏ gia cường gân sử dụng mạng thần kinh nhân tạo kết hợp với phương pháp mô phỏng Monter Carlo.  Nguyễn Thời Trung và cộng sự (2014) [7] trong nghiên cứu “Phân tích độ tin cậy trong xây dựng: tổng quan, thách thức và triển vọng” đã trình bày tổng quan và tầm quan trọng của phân tích độ tin cậy kết cấu trong ngành xây dựng tại Việt Nam.

 Nguyễn Minh Thọ và cộng sự (2014) [8] trong nghiên cứu “Đánh giá độ tin cậy bài toán thiết kế móng cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm”.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của Luận văn là mô hình tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm thương mại Plaxis. Từ đó đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi có xét đến yếu tố độ tin cậy của các thông số địa chất, cũng đánh giá độ tin cậy bài toán thiết kế móng cọc khoan nhồi.4 Phạm vi nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu của luận văn được thực hiện trong các phạm vi sau: - Các thông số địa chất thay đổi bao gồm c, ; - Xem các vật liệu đồng nhất; - Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi có xét đến yếu tố độ tin cậy của một công trình cụ thể. - 12 - CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sức chịu tải của cọc 2.1 Công thức chung xác định sức chịu tải của cọc Theo phụ lục G.1 TCVN 10304:2014 [9], sức chịu tải cực hạn của cọc được tính theo công thức sau: Rc ,u  qb Ab  u  fi li (2.1) trong đó: qb: là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc; Ab: là diện tích tiết diện ngang mũi cọc; u: là chu vi tiết diện ngang cọc; fi: là cường độ sức kháng trung bình (ma sát đơn vị) của lớp đất thứ i trên thân cọc; li: là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ i.2 Sức chịu tải của cọc theo các chỉ tiêu cường độ của đất nền Theo phụ lục G.2) trong đó: N’c, N’q là các hệ số sức chịu tải của đất dưới mũi cọc; q’,p là áp lực hiệu quả lớp phủ tại cao trình mũi cọc (có trị số bằng ứng suất pháp hiệu quả theo phương đứng do đất gây ra tại cao trình mũi cọc).

Theo phụ lục G.2 TCVN 10304:2014 [10], Cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc fi có thể xác định như sau: fi    cu ,i (2.3) trong đó: - 13 - cu,i: là cường độ sức kháng không thoát nước của lớp đất dính thứ i; α: là hệ số phụ thuộc vào đặc điểm lớp đất nằm trên lớp dính, loại cọc và phương pháp hạ cọc, cố kết của đất trong quá trình thi công và phương pháp xác định cu. Khi không đầy đủ những thông tin này có thể tra α trên biểu đồ hình 2.1 Biểu đồ xác định hệ số  Đối với đất rời, cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc trong lớp đất cát thứ i: , fi  ki  v , z tg i (2.4) trong đó: ki: là hệ số áp lực ngang của đất lên cọc, phụ thuộc vào loại cọc: cọc chuyển vị (đóng, ép) hay cọc thay thế (khoan nhồi hoặc barrette); ,  v , z : là ứng suất pháp hiệu quả theo phương đứng trung bình trong lớp đất thứ i; i: là góc ma sát giữa đất và cọc, thông thường đối với cọc bê tông i lấy bằng góc ma sát trong của đất i, đối với cọc thép i lấy bằng 2i/3. - 14 - Theo công thức (2.4) thì càng xuống sâu, cường độ sức kháng trên thân cọc càng tăng. Tuy nhiên nó chỉ tăng đến độ sâu giới hạn ZL nào đó bằng khoảng 15 lần đến 20 lần đường kính cọc, d, rồi thôi không tăng nữa.

Vì vậy cường độ sức kháng trên thân cọc trong đất rời có thể tính như sau: , Trên đoạn cọc có độ sâu nhỏ hơn ZL , fi  k v , z , Trên đoạn cọc có độ sâu bằng và lớn hơn ZL , fi  k v , zL Bảng 2.1: Giá trị các hệ số k, ZL và N’q cho cọc trong đất cát , k Nq Trạng thái Độ chặt tương đối ZL Cọc Cọc đất D D Cọc khoan Cọc khoan đóng nhồi và đóng nhồi và barrette barrette Rời Từ 0.3 60 25 Chặt vừa Từ 0.2 Xác định sức chịu tải giới hạn của cọc đơn từ kết quả thử nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục Theo mục 4.3 TCVN 9393:2012[12] sức chịu tải giới hạn của cọc đơn được xác định bằng các phương pháp sau: 2.1 Theo phương pháp đồ thị Sức chịu tải giới hạn được xác định dựa trên hình dạng đường cong quan hệ tải trọng chuyển vị S= f(P), lgS = f(lgP), trong nhiều trường hợp cần kết hợp với các đường cong khác như S= f(lgt), P= f(S/lgt)… Tùy thuộc vào đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn được xác định một trong hai trường hợp sau:  Trường hợp 1: Khi hình đường cong có điểm uốn rõ ràng: sức chịu tải giới hạn được xác định trực tiếp trên đường cong, là tải trọng ứng với điểm có đường - 15 - cong bắt đầu thay đổi độ dốc đột ngột hoặc đường cong gần như song song với trục chuyển vị  Trường hợp 2: Khi đường cong thay đổi chậm, rất khó hoặc không thể xác định chính xác điểm uốn, sức chịu tải giới hạn được xác định theo các phương pháp đồ thị khác nhau Tùy thuộc vào quy trình gia tải, loại cọc thí nghiệm và điều kiện đất nền, có thể áp dụng một trong các phương pháp đồ thị sau đây để xác định sức chịu tải giới hạn của cọc cụ thể như sau:  Phương pháp DeBeer, Phương pháp Chin, phương pháp 80% của Brinch Hansen là phương pháp thích hợp xác định sức chịu tải từ kết quả thí nghiệm theo quy trình gia tải tốc độ chậm.