Tổng quan nghiên cứu

Thí nghiệm nén tĩnh cọc là phương pháp quan trọng để đánh giá giá trị tải trọng giới hạn của cọc trong xây dựng nền móng. Tại TP.HCM, các dự án như Hà Đô Centrosa Garden và Trung tâm thương mại dịch vụ Đông Sài Gòn đã thực hiện thí nghiệm nén tĩnh với các cọc khoan nhồi có đường kính từ 800 mm đến 1200 mm và chiều dài trên 60 m. Kết quả thí nghiệm cho thấy tải trọng thí nghiệm đạt từ 200% đến 300% tải trọng thiết kế, tạo điều kiện thuận lợi để phân tích quan hệ tải trọng – độ lún đầu cọc.

Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, tải trọng thí nghiệm chưa đạt tới giá trị giới hạn phá hoại, gây khó khăn trong việc xác định trực tiếp tải trọng giới hạn. Do đó, việc ngoại suy quan hệ tải trọng – độ lún đầu cọc bằng các hàm số toán học là cần thiết để dự đoán chính xác tải trọng giới hạn. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá giá trị tải trọng giới hạn của cọc dựa trên các phương pháp ngoại suy, kết hợp các hàm số toán học và tiêu chuẩn phổ biến như 90% Brinch Hansen, nhằm nâng cao độ chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế tại TP.HCM.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc từ các dự án tại TP.HCM trong giai đoạn 2017-2018. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp các phương pháp đánh giá tải trọng giới hạn phù hợp, giúp tối ưu thiết kế móng cọc, giảm thiểu rủi ro và chi phí xây dựng, đồng thời nâng cao độ an toàn công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về quan hệ tải trọng – độ lún đầu cọc trong thí nghiệm nén tĩnh, áp dụng các mô hình toán học để ngoại suy đường cong này nhằm xác định tải trọng giới hạn. Hai lý thuyết chính được sử dụng gồm:

  1. Phương pháp 90% Brinch Hansen: Xác định tải trọng giới hạn là tải trọng tại đó độ lún đầu cọc gấp đôi độ lún khi tải trọng đạt 90% giá trị giới hạn. Phương pháp này phù hợp với các trường hợp thí nghiệm đến phá hoại.

  2. Lý thuyết hàm số xấp xỉ: Sử dụng các hàm số toán học như hàm phân thức hệ số mẫu (1/Q = a + b/S), hàm phân thức hệ số tử (Q = a + b/S), hàm lũy thừa, hàm logarit và hàm số mũ để mô hình hóa quan hệ tải trọng – độ lún. Các hàm số này được phân tích đặc trưng toán học như điểm cực trị và đường tiệm cận để lựa chọn giá trị tải trọng giới hạn phù hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: tải trọng giới hạn (Qu), độ lún đầu cọc (S), hàm số ngoại suy, sai số trung bình bình phương, hệ số tương quan (R²), và các phương pháp xác định tải trọng giới hạn truyền thống như Offset Limit, Chin-Kondner, De Beer, Decourt, Mazurkiewicz, Fuller & Hoy, Butler & Hoy, Vander Veen và phương pháp độ cong.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc từ hai dự án lớn tại TP.HCM: Hà Đô Centrosa Garden (cọc A111, đường kính 1200 mm, chiều dài 60.2 m) và Trung tâm thương mại dịch vụ Đông Sài Gòn (cọc TP2, đường kính 800 mm, chiều dài 63.75 m). Tổng số mẫu phân tích là khoảng 2 cọc với các chu kỳ gia tải đạt từ 200% đến 300% tải trọng thiết kế.

Phương pháp phân tích sử dụng hồi quy phi tuyến và bình phương cực tiểu để xác định các hệ số của hàm số ngoại suy. Các hàm số được lựa chọn dựa trên đặc trưng toán học và mức độ phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, đánh giá qua hệ số tương quan R². Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2021, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và so sánh với các phương pháp truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác của các phương pháp truyền thống: Đối với cọc A111, các phương pháp Offset Limit, De Beer, 90% Brinch Hansen, Fuller & Hoy, Butler & Hoy và phương pháp độ cong cho kết quả tải trọng giới hạn rất gần với giá trị thực nghiệm, sai số trong khoảng ±3%. Ví dụ, tải trọng giới hạn thực nghiệm là 1575-1620 Tấn, các phương pháp này cho kết quả từ 1573 Tấn đến 1586 Tấn, sai số tối đa 2%.

  2. Phương pháp ngoại suy hàm số xấp xỉ: Hàm phân thức hệ số mẫu (1/Q = a + b/S) và hàm phân thức hệ số tử (Q = a + b/S) cho phép mô hình hóa tốt đường cong tải trọng – độ lún với hệ số tương quan cao, phù hợp với các dạng đường cong có độ dốc thay đổi từ từ hoặc độ lún ban đầu không đáng kể.

  3. Phân tích cọc TP2: Các phương pháp truyền thống cho kết quả tải trọng giới hạn dao động từ 761 Tấn đến 877 Tấn, trong khi tải trọng thực nghiệm là 768-832 Tấn. Phương pháp De Beer và Fuller & Hoy cho sai số thấp nhất, lần lượt -1% và 0% so với tải trọng thực nghiệm.

  4. Phương pháp Vander Veen không xác định được tải trọng giới hạn trong cả hai trường hợp, cho thấy hạn chế khi áp dụng với dữ liệu thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy các phương pháp truyền thống và hàm số ngoại suy đều có khả năng đánh giá tải trọng giới hạn cọc với độ chính xác cao, tuy nhiên mức độ phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm đường cong tải trọng – độ lún của từng cọc. Phương pháp 90% Brinch Hansen và hàm phân thức hệ số mẫu đặc biệt phù hợp với các trường hợp đường cong có độ dốc thay đổi từ từ trước khi phá hoại, trong khi hàm phân thức hệ số tử thích hợp với các trường hợp độ lún ban đầu nhỏ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả tương đồng với báo cáo của ngành về việc sử dụng hàm số toán học để ngoại suy tải trọng giới hạn, đồng thời bổ sung thêm các phương pháp mới dựa trên đặc trưng hàm số như điểm cực trị và đường tiệm cận. Việc áp dụng các hàm số này giúp khắc phục hạn chế khi thí nghiệm chưa đạt tải trọng phá hoại, nâng cao độ tin cậy trong thiết kế móng cọc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tải trọng giới hạn theo từng phương pháp và bảng tổng hợp sai số, giúp trực quan hóa mức độ phù hợp và lựa chọn phương pháp tối ưu cho từng trường hợp cụ thể.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp hàm phân thức hệ số mẫu và hệ số tử trong đánh giá tải trọng giới hạn cọc tại các dự án xây dựng ở TP.HCM, nhằm nâng cao độ chính xác khi thí nghiệm chưa đạt tải trọng phá hoại. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án hiện tại và tương lai. Chủ thể thực hiện: các kỹ sư thiết kế và giám sát thi công.

  2. Kết hợp tiêu chuẩn 90% Brinch Hansen với các hàm số ngoại suy để xác định tải trọng giới hạn trong trường hợp thí nghiệm đến phá hoại, giúp đảm bảo an toàn và tối ưu chi phí. Thời gian áp dụng: trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: các đơn vị tư vấn thiết kế và kiểm định.

  3. Xây dựng phần mềm hỗ trợ tính toán và phân tích dữ liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc dựa trên các hàm số và phương pháp đã nghiên cứu, giúp tự động hóa quy trình đánh giá tải trọng giới hạn. Thời gian phát triển: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ xây dựng.

  4. Đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật về các phương pháp ngoại suy và phân tích dữ liệu thí nghiệm nén tĩnh, nâng cao năng lực áp dụng thực tế. Thời gian tổ chức: hàng năm. Chủ thể thực hiện: các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế móng cọc: Nắm bắt các phương pháp đánh giá tải trọng giới hạn chính xác, áp dụng trong thiết kế móng công trình lớn, giảm thiểu rủi ro và chi phí.

  2. Chuyên gia giám sát thi công: Hiểu rõ quy trình thí nghiệm nén tĩnh và cách phân tích dữ liệu để kiểm soát chất lượng thi công móng cọc.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Tham khảo các mô hình toán học và phương pháp phân tích dữ liệu thực nghiệm, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

  4. Các đơn vị tư vấn và kiểm định công trình: Áp dụng các phương pháp ngoại suy để đánh giá chính xác tải trọng giới hạn, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong kiểm định móng cọc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần ngoại suy quan hệ tải trọng – độ lún đầu cọc?
    Khi thí nghiệm nén tĩnh không đạt tải trọng phá hoại, việc ngoại suy giúp dự đoán tải trọng giới hạn chính xác, tránh phải gia tải quá mức gây hư hại cọc hoặc công trình.

  2. Phương pháp 90% Brinch Hansen áp dụng trong trường hợp nào?
    Phương pháp này phù hợp với thí nghiệm nén tĩnh cọc đã đạt hoặc gần đạt tải trọng phá hoại, giúp xác định tải trọng giới hạn dựa trên độ lún tương ứng.

  3. Hàm phân thức hệ số mẫu và hệ số tử khác nhau thế nào?
    Hàm phân thức hệ số mẫu (1/Q = a + b/S) phù hợp với đường cong có độ dốc thay đổi từ từ, còn hàm phân thức hệ số tử (Q = a + b/S) thích hợp với đường cong có độ lún ban đầu nhỏ.

  4. Phương pháp Vander Veen có hạn chế gì?
    Phương pháp này không xác định được tải trọng giới hạn trong một số trường hợp thực tế do không phù hợp với dạng đường cong tải trọng – độ lún của cọc khoan nhồi tại TP.HCM.

  5. Làm thế nào để lựa chọn phương pháp ngoại suy phù hợp?
    Cần xem xét đặc điểm đường cong tải trọng – độ lún, điều kiện thí nghiệm và mục tiêu đánh giá để chọn hàm số và phương pháp có hệ số tương quan cao, phù hợp với dữ liệu thực tế.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã áp dụng thành công các hàm số toán học và phương pháp 90% Brinch Hansen để ngoại suy và đánh giá tải trọng giới hạn cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh tại TP.HCM.
  • Phương pháp hàm phân thức hệ số mẫu và hệ số tử cho kết quả phù hợp với các dạng đường cong tải trọng – độ lún khác nhau, nâng cao độ chính xác dự báo tải trọng giới hạn.
  • Các phương pháp truyền thống như Offset Limit, De Beer, Fuller & Hoy cũng cho kết quả gần với thực tế, có thể kết hợp sử dụng để kiểm chứng.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện quy trình đánh giá tải trọng giới hạn cọc, hỗ trợ thiết kế và thi công móng cọc an toàn, hiệu quả.
  • Đề xuất phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán và đào tạo chuyên sâu nhằm ứng dụng rộng rãi các phương pháp trong thực tế xây dựng.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các phương pháp nghiên cứu trong các dự án xây dựng tại TP.HCM và mở rộng nghiên cứu cho các loại cọc khác. Độc giả và chuyên gia trong ngành được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng công trình.