Tổng quan nghiên cứu

Móng cọc là giải pháp nền móng phổ biến cho các công trình cao tầng hiện nay, đặc biệt tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Việc xác định chính xác sức chịu tải của cọc là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế móng nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình. Theo ước tính, các phương pháp truyền thống như thí nghiệm nén tĩnh hoặc thử động biến dạng lớn (PDA) tuy chính xác nhưng tốn kém thời gian và chi phí. Trong khi đó, các công thức thực nghiệm hiện hành thường thiếu độ chính xác do không phản ánh đầy đủ điều kiện thi công và địa chất thực tế.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu mối tương quan giữa lực ép cọc (Pep) và sức chịu tải cực hạn của cọc (Rcu) trong quá trình thi công ép cọc, nhằm ước lượng sức chịu tải ngay khi dừng ép. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu nhật ký ép cọc, kết quả thử tĩnh và mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D từ ba dự án thực tế tại TP. Hồ Chí Minh: chung cư C1, C2; dự án DQH; và dự án Centre Mall. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các loại cọc bê tông ứng lực trước PHC D500, D600 với sức chịu tải thiết kế từ 65 đến 250 tấn, trong giai đoạn từ đầu năm 2021 đến giữa năm 2021.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công thức tương quan Rcu = f(ln(P), L) giúp ước lượng sức chịu tải cọc dựa trên lực ép và chiều sâu ép, từ đó hỗ trợ kiểm soát chất lượng thi công, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và tiết kiệm chi phí thử nghiệm hiện trường. Đồng thời, nghiên cứu đánh giá các thông số quan trọng trong thi công như Lmin, Lmax, Pmin, Pmax, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý dự án xây dựng móng cọc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng dùng để mô phỏng ứng xử đất nền, với các thông số chính gồm mô đun đàn hồi Young (E), hệ số Poisson (ν), lực dính hữu hiệu (c'), góc ma sát trong hữu hiệu (φ'), và góc giản nở (ψ). Mô hình này cho phép đánh giá biến dạng và sức kháng của đất dưới tác động của cọc ép.

  • Công thức tính sức chịu tải cọc theo TCVN 10304:2014: Bao gồm các phương pháp tính dựa trên chỉ tiêu cơ lý đất, cường độ đất nền và kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT. Công thức tổng quát xác định sức chịu tải cực hạn Rcu là tổng sức kháng mũi và sức kháng hông của đất tác dụng lên cọc.

  • Lý thuyết tương quan và hồi quy tuyến tính đa biến: Sử dụng hệ số tương quan Pearson để đánh giá mối quan hệ giữa lực ép cọc và sức chịu tải, đồng thời xây dựng mô hình hồi quy đa biến để biểu diễn công thức tương quan Rcu = f(ln(P), L).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu lực ép cọc theo chiều sâu được thu thập từ nhật ký ép cọc tại các dự án chung cư C1, C2; DQH; Centre Mall. Kết quả thử tĩnh cọc và thông số địa chất từ các hố khoan khảo sát cũng được sử dụng làm cơ sở so sánh và kiểm chứng.

  • Phương pháp phân tích: So sánh giá trị sức chịu tải tính toán từ các công thức thực nghiệm với dữ liệu lực ép cọc thực tế. Mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D được áp dụng để mô phỏng và kiểm chứng kết quả ước lượng sức chịu tải. Phân tích hồi quy đa biến được thực hiện để xây dựng công thức tương quan giữa Rcu, ln(Pep) và chiều sâu ép L.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm thu thập dữ liệu, phân tích số liệu, mô phỏng Plaxis 3D và xây dựng công thức tương quan.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Dữ liệu được thu thập từ hàng trăm cọc ép tại ba dự án lớn, đại diện cho các điều kiện địa chất và kỹ thuật thi công khác nhau tại TP. Hồ Chí Minh, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mối quan hệ giữa lực ép cọc và sức chịu tải cọc: Kết quả phân tích cho thấy sức chịu tải cực hạn Rcu có mối liên hệ chặt chẽ với lực ép cọc Pep theo chiều sâu L, được biểu diễn bằng công thức hồi quy đa biến dạng:

$$ R_{cu} = a + b \cdot \ln(P_{ep}) + c \cdot L $$

với hệ số tương quan Pearson r đạt khoảng 0.85, cho thấy mối tương quan tích cực và có ý nghĩa thống kê.

  1. Độ chính xác của công thức tương quan: So sánh giá trị Rcu tính từ công thức tương quan với kết quả thử tĩnh cho thấy sai số trung bình dưới 10%, trong khi so với mô hình Plaxis 3D sai số dưới 12%. Điều này chứng tỏ công thức đề xuất có khả năng ước lượng sức chịu tải cọc hiệu quả trong thực tế.

  2. Phân bố lực ép và chiều sâu ép trong các dự án: Tại dự án DQH, chỉ có khoảng 0.3% cọc ép đúng chiều sâu thiết kế, 81.5% cọc ngắn hơn thiết kế và 18.3% cọc ép sâu hơn thiết kế. Tỷ lệ lực ép cọc khi dừng ép so với tải trọng thiết kế (Pep/Ptk) đạt trung bình 93.6%. Tại dự án Thanh Vũ Medic, 95.5% cọc ép đúng chiều sâu thiết kế với tỷ lệ Pep/Ptk trung bình 76.2%. Dự án Centre Mall có tỷ lệ cọc ép đúng chiều sâu thiết kế là 33%, với 42.3% cọc ép sâu hơn thiết kế.

  3. Đánh giá các thông số kỹ thuật trong thi công: Các thông số Lmin, Lmax, Pmin, Pmax được đánh giá dựa trên dữ liệu thực tế và công thức tương quan, giúp kiểm soát chất lượng thi công và đảm bảo sức chịu tải phù hợp với thiết kế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mối tương quan tích cực giữa lực ép cọc và sức chịu tải cọc xuất phát từ cơ chế truyền tải lực của cọc ép vào đất nền, trong đó lực ép phản ánh trực tiếp sức kháng của đất tại các lớp địa chất khác nhau theo chiều sâu. Sự khác biệt về chiều sâu ép và lực ép giữa các dự án phản ánh tính đa dạng của điều kiện địa chất và kỹ thuật thi công.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào mối quan hệ giữa sức chịu tải và chỉ tiêu đất nền, nghiên cứu này bổ sung quan điểm mới khi khai thác dữ liệu lực ép cọc trong quá trình thi công, giúp ước lượng sức chịu tải nhanh chóng và chính xác hơn. Việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D làm cơ sở kiểm chứng cũng nâng cao độ tin cậy của công thức tương quan.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố lực ép theo chiều sâu, biểu đồ so sánh Rcu tính toán và thử tĩnh, cũng như bản đồ mặt bằng phân bố lực ép và chiều sâu ép trong từng dự án, giúp trực quan hóa sự phân bố và đánh giá chất lượng thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công thức tương quan Rcu = f(ln(P), L) trong quản lý thi công: Chủ đầu tư và nhà thầu nên sử dụng công thức này để ước lượng sức chịu tải cọc ngay trong quá trình ép, giúp phát hiện kịp thời các cọc không đạt yêu cầu và điều chỉnh biện pháp thi công phù hợp.

  2. Kiểm soát các thông số kỹ thuật Lmin, Lmax, Pmin, Pmax: Cần thiết lập hệ thống giám sát chặt chẽ các thông số này trong quá trình thi công để đảm bảo cọc đạt chiều sâu và lực ép theo thiết kế, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và tăng độ bền công trình.

  3. Tăng cường thử nghiệm hiện trường có chọn lọc: Mặc dù công thức tương quan giúp ước lượng nhanh, nhưng vẫn cần thực hiện thử tĩnh và PDA cho một số cọc đại diện nhằm kiểm chứng và hiệu chỉnh công thức, đảm bảo độ chính xác và an toàn.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ thi công: Đào tạo về kỹ thuật ép cọc, đọc và phân tích nhật ký ép cọc, sử dụng phần mềm mô phỏng như Plaxis 3D để nâng cao chất lượng thi công và quản lý dự án.

  5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai ngay trong giai đoạn thi công đại trà, ưu tiên áp dụng tại các dự án có quy mô lớn và yêu cầu kỹ thuật cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế móng và kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu cung cấp công thức và phương pháp ước lượng sức chịu tải cọc dựa trên dữ liệu thi công thực tế, hỗ trợ thiết kế móng chính xác và hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công móng cọc: Giúp kiểm soát chất lượng thi công, đánh giá nhanh sức chịu tải cọc trong quá trình ép, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng: Cung cấp công cụ đánh giá và giám sát tiến độ, chất lượng thi công móng cọc, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và chi phí phát sinh.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Tài liệu tham khảo về phương pháp nghiên cứu, mô hình phân tích và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực móng cọc và địa kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần ước lượng sức chịu tải cọc ngay trong quá trình thi công?
    Ước lượng ngay giúp phát hiện sớm các cọc không đạt yêu cầu về chiều sâu hoặc lực ép, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời, tránh ảnh hưởng đến chất lượng và tiến độ công trình.

  2. Công thức tương quan Rcu = f(ln(P), L) có áp dụng được cho mọi loại cọc không?
    Công thức được xây dựng dựa trên dữ liệu cọc bê tông ứng lực trước PHC D500, D600 tại TP. Hồ Chí Minh, nên phù hợp với điều kiện địa chất và loại cọc tương tự. Với loại cọc khác hoặc khu vực khác, cần hiệu chỉnh hoặc nghiên cứu bổ sung.

  3. Phương pháp thử tĩnh và PDA có ưu điểm gì so với công thức thực nghiệm?
    Thử tĩnh và PDA cung cấp kết quả chính xác, phản ánh thực tế sức chịu tải cọc, trong khi công thức thực nghiệm thường mang tính ước lượng và có sai số do không phản ánh đầy đủ điều kiện thi công và địa chất.

  4. Mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis 3D mô phỏng ứng xử đất nền và cọc dưới tải trọng ép, giúp kiểm chứng kết quả ước lượng sức chịu tải từ công thức tương quan và thử tĩnh, nâng cao độ tin cậy của nghiên cứu.

  5. Làm thế nào để kiểm soát các thông số Lmin, Lmax, Pmin, Pmax trong thi công?
    Cần thiết lập hệ thống giám sát lực ép và chiều sâu ép liên tục, sử dụng nhật ký ép cọc và thiết bị đo đạc chính xác, đồng thời đào tạo nhân sự vận hành và giám sát kỹ thuật để đảm bảo các thông số nằm trong giới hạn thiết kế.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công công thức tương quan giữa sức chịu tải cọc Rcu với lực ép cọc Pep và chiều sâu ép L, với hệ số tương quan cao và sai số thấp so với thử tĩnh và mô hình Plaxis 3D.
  • Nghiên cứu chỉ ra sự khác biệt đáng kể về chiều sâu ép và lực ép giữa các cọc trong cùng dự án, phản ánh tính đa dạng của điều kiện địa chất và kỹ thuật thi công.
  • Công thức tương quan giúp ước lượng nhanh sức chịu tải cọc ngay trong quá trình thi công, hỗ trợ kiểm soát chất lượng và giảm chi phí thử nghiệm hiện trường.
  • Đề xuất các giải pháp kiểm soát thông số kỹ thuật Lmin, Lmax, Pmin, Pmax và tăng cường đào tạo, giám sát thi công nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn công trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu áp dụng công thức cho các loại cọc và khu vực địa chất khác, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán và giám sát thi công móng cọc.

Hành động ngay: Các nhà quản lý dự án và kỹ sư thi công nên áp dụng công thức tương quan và các khuyến nghị trong nghiên cứu để nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công móng cọc.