Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, việc xác định chính xác sức chịu tải của cọc khoan nhồi và cọc barrette là một vấn đề then chốt nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình. Theo báo cáo của ngành, thí nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng dọc thân cọc đã được áp dụng tại một số công trình lớn như Royal Tower (TP. Hồ Chí Minh) và các dự án tại Hà Nội, tuy nhiên phạm vi ứng dụng còn hạn chế. Phương pháp thử tải tĩnh Osterberg, được phát triển từ đầu những năm 1980, đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế và được áp dụng thành công tại Việt Nam trong đánh giá sức chịu tải của cọc có kích thước lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất quy trình xác định quy luật ứng xử của ma sát bên (t-z) và mũi cọc (q-z) dựa trên kết quả thí nghiệm Osterberg và nén tĩnh kết hợp quan trắc biến dạng bằng strain gages. Nghiên cứu tập trung phân tích đường truyền tải trọng trong cọc, xác định quan hệ chuyển vị với sức kháng đơn vị t-z và q-z của các lớp đất, đồng thời so sánh kết quả với các phương pháp tính toán giải tích và mô phỏng phần tử hữu hạn nhằm đánh giá độ tin cậy của phương pháp. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn tại các công trình thực tế ở TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ năm 2015 đến 2018.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn phương pháp tính toán sức chịu tải cọc phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam, góp phần nâng cao độ chính xác trong thiết kế và nghiệm thu công trình, đồng thời giảm thiểu chi phí thử nghiệm và rủi ro kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết đường truyền tải trọng trong cọc và mô hình quan hệ t-z, q-z giữa ma sát bên, sức kháng mũi và chuyển vị cọc.

  1. Lý thuyết đường truyền tải trọng trong cọc: Dựa trên nguyên lý lực dọc trong cọc bị khử dần bởi ma sát bên, tải trọng tại độ sâu z được xác định theo công thức:

$$ Q(z) = P - \sum f_i \Delta L_i $$

trong đó $P$ là tải trọng đầu cọc, $f_i \Delta L_i$ là tổng sức kháng ma sát từ đầu cọc đến độ sâu $z_i$.

  1. Mô hình quan hệ t-z và q-z: Mô hình này mô phỏng cọc như một chuỗi các phần tử đàn hồi phi tuyến, trong đó ma sát bên (t-z) và sức kháng mũi (q-z) được biểu diễn như các lò xo đàn hồi phi tuyến. Các hàm t-z, q-z được xác định dựa trên kết quả thí nghiệm và mô hình lý thuyết, phản ánh mối quan hệ phi tuyến giữa chuyển vị và sức kháng.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Ma sát bên đơn vị (t-z): Lực ma sát trên một đơn vị diện tích mặt bên cọc theo chuyển vị dọc trục.
  • Sức kháng mũi đơn vị (q-z): Lực kháng tại mũi cọc theo chuyển vị mũi.
  • Module đàn hồi pháp tuyến (EA): Thể hiện độ cứng dọc thân cọc, xác định từ biến dạng đo được.
  • Đường truyền tải trọng: Phân bố tải trọng dọc thân cọc, phản ánh sự huy động sức kháng ma sát và mũi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm hiện trường tại các công trình ở TP. Hồ Chí Minh, bao gồm:

  • Thí nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng dọc thân cọc sử dụng strain gages.
  • Thí nghiệm Osterberg với hộp tải trọng O-cell được lắp đặt trong cọc.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các cọc khoan nhồi và cọc barrette có kích thước lớn, với số liệu biến dạng và tải trọng được ghi nhận ở nhiều độ sâu khác nhau dọc thân cọc.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xử lý số liệu thí nghiệm bằng các phương pháp thống kê để xác định đường truyền tải trọng.
  • Phân tích ngược theo phương pháp Fellenius để xác định quy luật t-z và q-z.
  • So sánh kết quả với mô phỏng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 3D và tính toán giải tích qua phần mềm Unipile.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2017 đến tháng 05/2018, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, xử lý và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định đường truyền tải trọng trong cọc: Kết quả thí nghiệm cho thấy tải trọng dọc thân cọc giảm dần theo độ sâu do ma sát bên được huy động. Ví dụ, tại công trình Royal Tower, ma sát bên được huy động hoàn toàn khi chuyển vị cọc đạt khoảng 8 mm, chiếm tới 70% tổng sức chịu tải (khoảng 4200 kN trên tổng 6000 kN).

  2. Quy luật t-z và q-z: Quan hệ giữa ma sát bên đơn vị và chuyển vị (t-z) cũng như sức kháng mũi và chuyển vị (q-z) được xác định phi tuyến, phù hợp với các hàm mô hình như Chin-Kondner, Ratio và Exponential. So sánh với tiêu chuẩn API 2005, kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt đáng kể, đặc biệt ở các lớp đất sét và cát có đặc tính địa chất phức tạp.

  3. Độ chính xác của mô phỏng và tính toán: Phân tích bằng phần mềm Unipile dựa trên quy luật t-z, q-z cho kết quả sức chịu tải cọc tương đồng với thí nghiệm thực tế, sai số trong khoảng 5-10%. Mô phỏng Plaxis 3D cũng cho thấy khả năng mô phỏng biến dạng và phân bố tải trọng phù hợp với số liệu thực nghiệm, tuy nhiên cần hiệu chỉnh module đàn hồi để tăng độ chính xác.

  4. Ảnh hưởng của module đàn hồi cọc: Module đàn hồi pháp tuyến EA được xác định từ biến dạng dọc thân cọc thay đổi theo điều kiện thi công và loại cọc, dao động trong khoảng 15-25 GPa, ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính toán sức chịu tải và phân bố tải trọng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và tiêu chuẩn API 2005 chủ yếu do đặc điểm địa chất Việt Nam có nhiều lớp đất phức tạp, độ chặt và độ ẩm biến đổi lớn, làm thay đổi cơ chế truyền tải lực trong cọc. Việc áp dụng các hàm t-z, q-z phù hợp với từng lớp đất giúp mô hình hóa chính xác hơn ứng xử thực tế của cọc.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo của Fellenius và các tác giả khác về việc huy động ma sát bên hoàn toàn ở chuyển vị khoảng 8 mm và sự phát triển sức kháng mũi theo chuyển vị mũi cọc. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố tải trọng dọc thân cọc, biểu đồ quan hệ t-z, q-z theo độ sâu và tải trọng, giúp trực quan hóa quá trình huy động sức kháng.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp tính toán sức chịu tải cọc phù hợp, giảm thiểu sai số thiết kế và tăng độ tin cậy cho các công trình xây dựng tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình xác định hàm t-z, q-z từ thí nghiệm hiện trường: Khuyến nghị các đơn vị thi công và thiết kế sử dụng quy trình phân tích ngược dựa trên dữ liệu strain gages và thí nghiệm Osterberg để xác định chính xác quy luật ứng xử của cọc, nâng cao độ tin cậy trong tính toán sức chịu tải.

  2. Sử dụng phần mềm Unipile kết hợp mô phỏng Plaxis 3D: Đề xuất áp dụng song song hai công cụ này để mô phỏng đường truyền tải trọng và biến dạng cọc, giúp kiểm chứng và hiệu chỉnh kết quả tính toán trong vòng 6 tháng đầu triển khai dự án.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực thử nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng: Các đơn vị kiểm định cần được trang bị thiết bị strain gages và đào tạo kỹ thuật viên vận hành, nhằm mở rộng phạm vi áp dụng thí nghiệm hiện đại này trong 1-2 năm tới.

  4. Điều chỉnh hệ số an toàn thiết kế dựa trên đặc điểm địa chất thực tế: Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất điều chỉnh hệ số an toàn trong thiết kế cọc khoan nhồi và barrette phù hợp với đặc điểm địa chất Việt Nam, giảm thiểu chi phí và tăng hiệu quả công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình: Giúp hiểu rõ hơn về cơ chế truyền tải lực trong cọc, lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam, nâng cao độ chính xác trong thiết kế móng.

  2. Đơn vị thi công và kiểm định móng cọc: Áp dụng quy trình thí nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng và thí nghiệm Osterberg để đánh giá chính xác sức chịu tải cọc, đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về ứng xử ma sát bên và mũi cọc, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng: Tham khảo để cập nhật và điều chỉnh các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến thử tải cọc, phù hợp với thực tế địa chất và công nghệ thi công tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp thí nghiệm Osterberg là gì và ưu điểm ra sao?
    Phương pháp Osterberg sử dụng hộp tải trọng O-cell đặt trong cọc để tạo tải tĩnh, cho phép xác định chính xác sức kháng ma sát bên và sức kháng mũi mà không cần tải trọng lớn trên mặt đất. Ưu điểm là giảm tải trọng thử, tăng độ an toàn và phù hợp với cọc kích thước lớn.

  2. Tại sao cần kết hợp thí nghiệm nén tĩnh với đo biến dạng dọc thân cọc?
    Việc đo biến dạng dọc thân cọc giúp xác định chính xác phân bố tải trọng và ma sát bên theo độ sâu, từ đó đánh giá mức độ huy động sức kháng và cơ chế truyền tải lực trong cọc, vượt trội so với thí nghiệm nén tĩnh truyền thống chỉ đo tải đầu cọc.

  3. Quy luật t-z và q-z có ý nghĩa gì trong thiết kế cọc?
    Quy luật t-z và q-z mô tả mối quan hệ phi tuyến giữa ma sát bên, sức kháng mũi và chuyển vị cọc, giúp mô phỏng chính xác ứng xử thực tế của cọc dưới tải trọng, từ đó cải thiện độ chính xác trong tính toán sức chịu tải và độ lún.

  4. Phần mềm Unipile và Plaxis 3D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Unipile dùng để phân tích đường truyền tải trọng dựa trên quy luật t-z, q-z, còn Plaxis 3D mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá biến dạng và ứng xử cọc trong điều kiện địa chất phức tạp. So sánh kết quả giữa hai phần mềm giúp đánh giá độ tin cậy của phương pháp.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thi công?
    Các đơn vị thi công và thiết kế nên áp dụng quy trình thí nghiệm và phân tích dữ liệu theo đề xuất, đồng thời sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm tra và hiệu chỉnh thiết kế móng, đảm bảo phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật.

Kết luận

  • Đã xác định được quy luật ứng xử ma sát bên (t-z) và sức kháng mũi (q-z) của cọc khoan nhồi và cọc barrette dựa trên thí nghiệm Osterberg và nén tĩnh kết hợp đo biến dạng bằng strain gages.
  • Kết quả thí nghiệm và phân tích cho thấy ma sát bên được huy động hoàn toàn ở chuyển vị khoảng 8 mm, trong khi sức kháng mũi phát triển dần theo chuyển vị mũi cọc.
  • Phương pháp phân tích ngược theo Fellenius và mô phỏng bằng phần mềm Unipile, Plaxis 3D cho kết quả phù hợp với thực tế, sai số trong khoảng 5-10%.
  • Nghiên cứu góp phần đề xuất quy trình tính toán sức chịu tải cọc phù hợp với đặc điểm địa chất Việt Nam, nâng cao độ tin cậy và hiệu quả thiết kế.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm mở rộng phạm vi thí nghiệm, đào tạo kỹ thuật viên và cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật trong vòng 1-2 năm tới nhằm ứng dụng rộng rãi kết quả nghiên cứu.

Quý độc giả và các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các nghiên cứu dựa trên luận văn này để nâng cao chất lượng công trình và hiệu quả đầu tư.