Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Hệ Số Sức Kháng Cọc Đơn Chịu Tải Dọc Trục Trong Công Trình Cầu

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu hệ số sức kháng cọc đơn chịu tải dọc trục trong công trình cầu bằng lý thuyết độ tin cậy.

• Tác giả: Ngô Văn Thùy
• Người hướng dẫn: TS. Lê Bá Khánh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng Cầu, hầm
• Đề tài: Nghiên cứu hệ số sức kháng của cọc đơn chịu tải dọc trục trong công trình cầu bằng lý thuyết độ tin cậy
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ số sức kháng cọc đơn

Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định hệ số sức kháng cọc đơn chịu tải dọc trục trong công trình cầu bằng cách áp dụng lý thuyết độ tin cậy. Phương pháp này được so sánh với phương pháp cổ điển sử dụng hệ số tải trọng đơn thuần, cho thấy tính ưu việt trong việc đánh giá độ an toàn của kết cấu. Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 dựa trên phương pháp LRFD (Load and Resistance Factor Design) của AASHTO 1998, nhưng các hệ số này được xác định dựa trên điều kiện tự nhiên và trình độ thi công của Mỹ, không hoàn toàn phù hợp với điều kiện Việt Nam. Do đó, nghiên cứu này nhằm đề xuất một hệ số sức kháng phù hợp hơn cho các công trình cầu tại Việt Nam, đặc biệt là ở vùng Bạc Liêu.

1.1. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp thống kê và lý thuyết để tính toán hệ số sức kháng. Dữ liệu được thu thập từ các thí nghiệm hiện trường và kết quả đóng cọc thực tế. Phương pháp phân tích độ tin cậy được áp dụng để đánh giá sự biến thiên của các yếu tố như tải trọng, tính chất vật liệu và điều kiện đất nền. Các phương pháp tính toán như FORM (First Order Reliability Method) và SORM (Second Order Reliability Method) được sử dụng để nâng cao độ chính xác của kết quả.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và thi công các công trình cầu tại Việt Nam. Việc đề xuất một hệ số sức kháng phù hợp giúp đảm bảo an toàn kết cấu, đồng thời tối ưu hóa chi phí xây dựng. Nghiên cứu cũng góp phần vào việc cập nhật và hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế cầu tại Việt Nam, đặc biệt là trong bối cảnh hội nhập quốc tế.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết độ tin cậy, bao gồm các khái niệm về xác suất, đại lượng ngẫu nhiên và quy luật phân phối xác suất. Các phương pháp tính toán như FORM và SORM được sử dụng để phân tích độ tin cậy của kết cấu. Ngoài ra, nghiên cứu cũng áp dụng các phương pháp ước lượng nửa thực nghiệm để xác định sức chịu tải dọc trục của cọc, dựa trên kết quả thí nghiệm hiện trường và các công thức tính toán truyền thống như Schmertmann SPT và 22TCN18-79.

2.1. Lý thuyết xác suất và thống kê

Nghiên cứu sử dụng các khái niệm cơ bản của lý thuyết xác suất như sự kiện, đại lượng ngẫu nhiên, hàm phân phối xác suất và các tham số như kỳ vọng, phương sai. Các quy luật phân phối phổ biến như phân phối chuẩn và phân phối chuẩn tắc được áp dụng để mô hình hóa sự biến thiên của tải trọng và sức kháng của cọc.

2.2. Phương pháp tính toán độ tin cậy

Các phương pháp FORM và SORM được sử dụng để tính toán chỉ số độ tin cậy β, đại diện cho mức độ an toàn của kết cấu. Phương pháp Hasofer-Lind và Rackwitz-Fiessler được áp dụng để giải quyết các bài toán phi tuyến trong phân tích độ tin cậy. Nghiên cứu cũng xem xét mối tương quan giữa các biến ngẫu nhiên để nâng cao độ chính xác của kết quả.

III. Kết quả nghiên cứu và đánh giá

Nghiên cứu đã xác định được hệ số sức kháng phù hợp cho cọc đơn chịu tải dọc trục trong các công trình cầu tại vùng Bạc Liêu. Kết quả cho thấy sự chênh lệch đáng kể giữa sức chịu tải tính toán và thực tế, đặc biệt khi áp dụng các công thức từ tiêu chuẩn AASHTO. Nghiên cứu đề xuất sử dụng các phương pháp tính toán truyền thống của TCXD 205:1998 để nâng cao độ tin cậy của kết quả dự báo sức chịu tải của cọc.

3.1. Phân tích kết quả tính toán

Kết quả tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc được so sánh với kết quả thực tế từ các thí nghiệm đóng cọc hiện trường. Sự chênh lệch giữa hai giá trị này được phân tích để đánh giá độ tin cậy của các phương pháp tính toán. Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của chỉ số độ tin cậy mục tiêu T đến hệ số sức kháng.

3.2. Đề xuất và kiến nghị

Nghiên cứu đề xuất sử dụng các phương pháp tính toán truyền thống của TCXD 205:1998 trong thiết kế móng cầu theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05. Đồng thời, cần thu thập thêm số liệu và áp dụng phương pháp xử lý thống kê chặt chẽ để xác định hệ số sức kháng phù hợp với điều kiện Việt Nam. Nghiên cứu cũng khuyến nghị mở rộng áp dụng phương pháp này cho các loại cọc khác như cọc khoan nhồi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.

3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Những vấn đề còn tồn tại. Vấn đề cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.

6 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết xác định sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo 22TCN272-05. Tải trọng dọc trục của cọc.

Ước lượng nửa thực nghiệm sức kháng của cọc. Ước tính sức kháng của cọc dựa trên thí nghiệm hiện trường. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo công thức Schmertmann SPT………. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo 22TCN18-79.

Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết xác suất thống kê. Một số khái niệm. Sự kiện, sự kiện loại trừ nhau, xác suất. Đại lượng ngẫu nhiên.

Quy luật phân phối xác xuất của đại lượng ngẫu nhiên. Bảng phân bố xác suất. Hàm phân phối xác suất. Hàm mật độ xác suất.

Các tham số của đại lượng ngẫu nhiên. Phương sai. Hàm phân phối điển hình trong lý thuyết xác suất. Phân phối chuẩn.

Phân phối chuẩn tắc. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phƣơng pháp tính độ tin cậy. Khái niệm về phân tích độ tin cậy. Phương pháp gần đúng mức 1 (FORM), mức 2 (SORM).

Phương pháp Hasofer-Lind. Phương pháp biến đổi Rackwitz-Fiessler. Mối tương quan giữa các biến ngẫu nhiên. 36 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG CHO CỌC Ở VÙNG BẠC LIÊU 3.

Khả năng chịu tải dọc trục của cọc đƣợc áp dụng cho công trình thực tế……………………………………………………………………………. Mô tả tuyến đường An Phúc – Gành Hào…………………………………37 3. Sức chịu tải của cọc từ kết quả tính toán…………………………………. Sức chịu tải của cọc xác định từ kết quả đóng cọc ngoài hiện trường….

Xác định hệ số sức kháng…………………………………………………. Đánh giá, bàn luận kết quả. 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO….

58 - ix - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Agross : Diện tích hữu hiệu cần thiết tiết diện chịu nén Anet : Diện tích hữu hiệu cần thiết tiết diện chịu kéo Ap : Diện tích mũi cọc As : Diện tích bề mặt thân cọc ASD : Allowable stress design – Thiết kế theo ứng suất cho phép BTCT : Bê tông cốt thép BTN : Bê tông nhựa C : Lực nén Cu : Lực dính kết COVQD : Biến thiên của tĩnh tải COVQL : Biến thiên hoạt tải. COVR : Biến thiên của sức kháng xác định theo kết quả tính và kết quả đóng cọc. DA : Chiều sâu ngàm thực tế Db : Chiều rộng xuyên trong tầng chịu lực DC : Chiều sâu ngàm đủ D(X) : Phương sai của đại lượng ngẫu nhiên X Eh : Tỷ lệ phần trăm năng lượng hữu ích của thiết bị E(X) : Kỳ vọng của đại lượng ngẫu nhiên X F : Diện tích tựa của cọc [f0] : Ứng suất cho phép [f]c : Ứng suất cho phép khi chịu nén fi : Lực ma sát giới hạn của các lớp đất fio : sức kháng bên (chưa hiệu chỉnh) của phần cọc trong lớp đất tốt ở đoạn cuối [f]t : Ứng suất cho phép khi chịu kéo fu : Ứng suất bền F(x) : Hàm phân phối xác suất -x- f(x) =F’(x) : Hàm mật độ xác suất fy : Ứng suất chảy HL – 93 : Hoạt tải xe ô tô thiết kế LRFD : Load and resistance factor design – Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng li : Chiều dày các lớp riêng rẽ mà cọc, cột ống…xuyên qua m2 : Hệ số điều kiện làm việc N : Số đếm SPT đo được (Búa/300mm) _ N : Số đếm búa trung bình (chưa hiệu chỉnh) dọc theo thân cọc (Búa/300mm) N60 : Số nhát đập để ống SPT đi được 30cm đã hiệu chỉnh về 60% năng lượng hữu ích trong thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT P(E) : Xác suất xuất hiện sự kiện E pf : Xác suất hỏng Pi : Độ lệch của xác suất thứ i ps : Xác suất an toàn QD : Tĩnh tải QL : Hoạt tải Qp : Sức kháng đỡ mũi cọc Qs : Sức kháng đỡ thân cọc qp : Sức kháng đỡ đơn vị mũi cọc qs : Sức kháng đỡ đơn vị thân cọc Qult : Sức kháng đỡ của 1 cọc đơn qLC : sức kháng mũi ở mặt phân lớp qp : sức kháng mũi hiệu chỉnh qT : sức kháng mũi (chưa hiệu chỉnh) tính ở mũi cọc RH : Cường độ giới hạn của nền đất ở mặt phẳng của mũi cọc Rm : Là sức chịu tải theo đất nền của cọc thu được từ kết quả đóng cọc hiện trường - xi - Rp : Là sức chịu tải theo đất của cọc từ công thức tính toán SF : Hệ số an toàn Su : Cường độ kháng cắt không thoát nước T : Lực kéo U : Chu vi mặt cắt ngang thân cọc, cột ống X : Đại lượng ngẫu nhiên : Hệ số dính : Chỉ số độ tin cậy : Hàm phân phối chuẩn tiêu chuẩn : Góc ma sát trong qp : Hệ số sứ qui định qs : Hệ số sứ thân qui định : Giá trị trung bình (Kỳ vọng toán) : Độ lệch chuẩn R : Hệ số thể hiện độ phân tán của số liệu D : Hệ số cho tĩnh tải L : Hệ số cho hoạt tải - xii - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Sức chịu tải theo đất nền của cọc BTCT theo cách tính Schmertmann…12 Bảng 2.3: Lực ma sát giới hạn tính bằng T/m2…………………………………….4: Hệ số i…………………………………………………………………15 Bảng 2.5: Bảng phân phối xác suất……………………………………………….6: Bảng các giá trị hữu hạn đếm được của đại lượng ngẫu nhiên X………21 Bảng 2.7: Bảng các giá trị vô hạn đếm được của đại lượng ngẫu nhiên X……….1: Sức chịu tải cọc theo đất nền từ kết quả tính toán………………………45 Bảng 3.2: Sức chịu tải thực tế của cọc từ kết quả đóng cọc ngoài hiện trường……46 Bảng 3.3: Tính toán các tham số của đại lượng ngẫu nhiên……………………….4: Quan hệ giữa hệ số sức kháng và T từ kết quả tính toán…………….52 - xiii - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 2.2 - Hiệu chỉnh sức kháng………………………………………………….3 - Hàm phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên rời rạc…………….4 - Hàm phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên liên tục……………19 Hình 2.5 - Hàm mật độ xác suất……………………………………………………20 Hình 2.6 - Hàm phân phối xác suất của phân phối chuẩn………………………….7 - Hàm mật độ của phân phối chuẩn tắc………………………………….8 - Phương trình mặt phá hoại…………………………………………….9 - Ý nghĩa hình học của chỉ số độ tin cậy β……………………………….10 - Điểm thiết kế tính toán trên mặt phá hoại…………………………….11 - Quá trình lặp của thuật toán Hasofer-Lind……………………………33 Hình 2.12 – Biểu đồ phân bố xác suất Rm/Rp theo 22TCN 272-05……………….13 – Biểu đồ phân bố xác suất Rm/Rp theo Schmertmann SPT…………….14 – Biểu đồ phân bố xác suất Rm/Rp theo 22 TCN18-79…………………49 Hình 2.15 – Quan hệ giữa hệ số sức kháng và T theo 22 TCN 272-05………….16 – Quan hệ giữa hệ số sức kháng và T theo Schmertmann SPT……….17 – Quan hệ giữa hệ số sức kháng và T theo 22TCN 18-79……………. Lý do chọn đề tài Sự phát triển về triết lý thiết kế trong ngành xây dựng cầu là quá trình thay đổi quan điểm thiết kế theo trình tự như sau: Thời kỳ trước năm 1960 các tiêu chuẩn thiết kế được soạn thảo theo phương pháp thiết kế ứng suất cho phép (ASD): Ta gọi ứng suất nguy hiểm (ký hiệu f0) là trị số, ứng với nó vật liệu được xem là phá hoại.

Đối với vật liệu dẻo f0 = fy, đối với vật liệu dòn f0 = fu (fy - ứng suất chảy; fu - ứng suất bền). Trong thực tế, vật liệu là không đồng nhất và tải trọng có thể vượt quá tải trọng thiết kế, điều kiện làm việc của kết cấu hay chi tiết chưa được xem xét đầy đủ, các giả thiết tính toán chưa đúng với sự làm việc của kết cấu. Vì thế ta không thể tính toán với f0. Chúng ta phải chọn một hệ số an toàn SF (lớn hơn 1) để xác định ứng suất cho phép [f] và dùng trị số [f] để tính toán [1].

[f] ≤ [f0] / SF Để chọn hệ số an toàn SF được chính xác, người ta phải chọn nhiều hệ số theo từng nguyên nhân dẫn đến không an toàn của công trình, có thể kể đến [2]: - Hệ số kể đến độ đồng nhất của vật liệu. - Hệ số kể đến sự vượt quá của tải trọng thiết kế. - Hệ số kể đến sự làm việc tạm thời hay lâu dài. Khi phương pháp thiết kế ứng suất cho phép ra đời, hầu hết các cầu được xây dựng là giản đơn hoặc vòm, nội lực chủ yếu chỉ chịu kéo hoặc nén với giả thiết ứng suất phân bố đều trên toàn tiết diện [1].

Với giả thiết các cấu kiện liên kết với nhau bằng chốt và kết cấu là tĩnh định, việc phân tích cho thấy các cấu kiện thường chỉ chịu kéo hoặc nén. Diện tích hữu hiệu cần thiết (Anet) của một thanh chịu kéo có ứng suất phân bố đều được xác định đơn giản chịu lực kéo T cho ứng suất kéo cho phép [f]t. Agross ≥ (hiệu ứng tải trọng)/(ứng suất cho phép) = C/[f]c Phương pháp này đã được áp dụng trong những năm 60 của thế kỷ trước đã thiết kế thành công nhiều cầu dàn tĩnh định nhịp lớn. Ngày nay, các cầu tương tự được xây dựng nhưng chúng không còn là tĩnh định vì chúng không được liên kết bằng chốt.

Do đó, ứng suất trong các cấu kiện không còn phân bố đều nữa [3]. Nhược điểm: Mỗi tải trọng trong tổ hợp có tầm quan trọng ngang nhau từ góc độ tính biến thiên của tải trọng. Không có sự lưu ý về khả năng có thể xảy ra khi mà tải trọng tác dụng lớn hơn dự kiến trùng ngẫu nhiên với khả năng chịu tải của vật liệu kém hơn so với dự định. Thiết kế theo độ tin cậy (thiết kế theo trạng thái giới hạn): Dựa trên cơ sở của lý thuyết xác suất và quá trình ngẫu nhiên.

Khái niệm về TTGH: Một trạng thái giới hạn là trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay một bộ phận nào đó không hoàn thành được nhiệm vụ của thiết kế đề ra. Sẽ là không kinh tế nếu thiết kế một cầu mà chẳng có bộ phận nào, chẳng bao giờ bị hư hỏng. Do đó cần xác định đâu là chấp nhận được trong rủi ro của xác suất phá hủy trong thời gian khai thác của công trình.