Tổng quan nghiên cứu

Cọc khoan nhồi có mũi cọc nằm trong đá là giải pháp móng sâu phổ biến cho các công trình chịu tải trọng lớn, đặc biệt trong điều kiện địa chất phức tạp. Tại Việt Nam, việc thiết kế loại cọc này còn nhiều thận trọng do thiếu các nghiên cứu sâu về ứng xử thực tế, dẫn đến thiết kế chưa tối ưu về kinh tế và kỹ thuật. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304-2014, sức kháng mũi cọc được tính toán nhưng sức kháng bên thân cọc trong đất phía trên chưa được xem xét đầy đủ, gây sai lệch trong đánh giá khả năng chịu tải của cọc.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử thực tế của cọc khoan nhồi có mũi cọc nằm trong đá tại khu vực đất rời Nha Trang, Khánh Hòa, với mục tiêu xác định sức kháng bên thân cọc, sức kháng mũi cọc trong đá và sự huy động sức kháng bên cùng sức kháng mũi trong thực tế. Thời gian nghiên cứu từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2018, dựa trên số liệu thực nghiệm tại công trình TROPICANA, số 42 đường Trần Phú, TP. Nha Trang.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, góp phần hoàn thiện lý thuyết tính toán cọc khoan nhồi có mũi cọc nằm trong đá, đồng thời cung cấp cơ sở cho quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc trong các công trình xây dựng tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu giúp nâng cao độ tin cậy thiết kế, tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình tính toán sức kháng cọc khoan nhồi có mũi cọc nằm trong đá, bao gồm:

  • Mô hình sức kháng bên và sức kháng mũi cọc: Sức kháng tổng của cọc gồm thành phần sức kháng bên dọc thân cọc và sức kháng mũi tại phần cọc nằm trong đá, được mô tả qua công thức tổng quát:

$$ N = U \sum (f_{max,i} l_i) + W G_{max} A $$

trong đó $U$ là chu vi cọc, $f_{max,i}$ sức kháng bên đơn vị của lớp thứ i, $l_i$ chiều dài lớp, $W$ phần trăm huy động sức kháng mũi, $G_{max}$ sức kháng mũi đơn vị, $A$ diện tích mặt cắt ngang cọc.

  • Lý thuyết tính sức kháng bên trong đất dính và đất rời: Sử dụng các phương pháp xác định sức kháng bên đơn vị dựa trên đặc tính đất như sức kháng cắt không thoát nước trong đất dính, hệ số ma sát và ứng suất pháp tuyến trong đất rời. Các mô hình đường cong T-z (tỷ lệ sức kháng và chuyển vị) của Reese & O’Neil, Vijayvergiya, Mosher được áp dụng để mô phỏng sự huy động sức kháng bên theo chuyển vị.

  • Lý thuyết tính sức kháng mũi trong đá: Dựa trên các tiêu chuẩn và công thức của Carter & Kulhawy, Horvath & Kenney, AASHTO, kết hợp với chỉ số chất lượng đá RQD, cường độ nén một trục và hệ số giảm cường độ do vết nứt trong đá để xác định sức kháng mũi cọc.

  • Khái niệm huy động sức kháng: Đường cong t(f/fmax) - z(w/Dp) mô tả mối quan hệ giữa tỷ lệ sức kháng huy động và chuyển vị tương đối, giúp đánh giá mức độ huy động sức kháng bên và mũi cọc trong thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp ba phương pháp chính:

  • Phương pháp lý thuyết: Tổng hợp, phân tích các công thức tính toán sức kháng cọc khoan nhồi có mũi cọc nằm trong đá từ các nghiên cứu quốc tế và tiêu chuẩn Việt Nam, điều chỉnh phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam.

  • Phương pháp thực nghiệm: Thu thập số liệu từ thí nghiệm nén tĩnh cọc khoan nhồi tại công trình TROPICANA, Nha Trang. Cọc thí nghiệm có đường kính 1500 mm, chiều dài 51 m, trong đó chiều dài cọc nằm trong đá là 5 m. Đầu đo biến dạng được bố trí tại 7 vị trí dọc thân cọc để đo chuyển vị và ứng suất.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy, so sánh kết quả tính toán lý thuyết với số liệu thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình. Cỡ mẫu là một cọc thí nghiệm với nhiều điểm đo biến dạng, đảm bảo độ tin cậy trong phân tích.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2018, tập trung vào phân tích chi tiết các thành phần sức kháng và mức độ huy động trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định sức kháng bên thân cọc: Kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy sức kháng bên dọc thân cọc trong đất rời và đất dính được huy động không đồng đều theo chiều sâu. Tỷ lệ huy động sức kháng bên đạt khoảng 60-80% tại các lớp đất dày, giảm dần ở các lớp đất yếu xen kẹp. Sức kháng bên đơn vị dao động từ 50 đến 150 kN/m² tùy theo loại đất và độ sâu.

  2. Xác định sức kháng mũi cọc trong đá: Sức kháng mũi cọc được xác định dựa trên cường độ nén một trục của đá, chỉ số RQD và hệ số giảm cường độ do vết nứt. Giá trị sức kháng mũi dao động trong khoảng 15-20 MPa, tương ứng với chiều dài ngàm cọc trong đá 5 m và đường kính 1.5 m. Tỷ lệ huy động sức kháng mũi đạt khoảng 85-90% trong điều kiện thực tế.

  3. So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm: Sự khác biệt giữa kết quả tính toán và số liệu thực nghiệm không vượt quá 10%, cho thấy mô hình tính toán sức kháng bên và mũi cọc phù hợp với điều kiện địa phương. Đường cong t(f/fmax) - z(w/Dp) thể hiện rõ sự huy động sức kháng theo chuyển vị, với mức độ huy động tăng nhanh ở giai đoạn đầu và dần ổn định khi chuyển vị đạt khoảng 10-15 mm.

  4. Ảnh hưởng của đặc tính đá và đất nền: Chất lượng đá (RQD > 75%) và độ chặt đất rời ảnh hưởng lớn đến sức kháng tổng thể của cọc. Đá có nhiều vết nứt và độ phong hóa cao làm giảm sức kháng mũi và sức kháng bên, yêu cầu điều chỉnh hệ số giảm cường độ phù hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự phân bố sức kháng không đồng đều dọc thân cọc là do đặc tính địa chất thay đổi theo chiều sâu, cũng như ảnh hưởng của quá trình thi công và điều kiện tải trọng thực tế. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế như của Reese & O’Neil (1989) và Carter & Kulhawy (1988), đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm tại Việt Nam.

Việc huy động sức kháng mũi cọc cao chứng tỏ phần mũi cọc nằm trong đá đóng vai trò quan trọng trong việc chịu tải trọng dọc trục, trong khi sức kháng bên thân cọc góp phần ổn định và phân phối tải trọng hiệu quả. Kết quả này nhấn mạnh sự cần thiết phải tính toán đồng thời cả hai thành phần sức kháng để đảm bảo thiết kế an toàn và kinh tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố sức kháng bên theo chiều sâu, biểu đồ đường cong t(f/fmax) - z(w/Dp) thể hiện mức độ huy động sức kháng, và bảng so sánh kết quả lý thuyết với thực nghiệm để minh họa độ chính xác của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình tính toán kết hợp sức kháng bên và sức kháng mũi: Các đơn vị thiết kế và thi công nên sử dụng mô hình tính toán tổng hợp để đánh giá chính xác khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi có mũi cọc nằm trong đá, nhằm tối ưu hóa chiều dài cọc và tiết kiệm chi phí.

  2. Tăng cường khảo sát địa chất chi tiết: Trước khi thiết kế, cần thực hiện khảo sát địa chất kỹ lưỡng, đặc biệt xác định chỉ số RQD, cường độ nén một trục và đặc tính đất nền để lựa chọn hệ số giảm cường độ phù hợp, đảm bảo tính chính xác trong tính toán sức kháng.

  3. Triển khai thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế: Khuyến nghị thực hiện thí nghiệm nén tĩnh tại công trình để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình tính toán, đặc biệt với các công trình có yêu cầu tải trọng lớn hoặc địa chất phức tạp. Thời gian thực hiện nên được lên kế hoạch từ giai đoạn thiết kế sơ bộ.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư thiết kế: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lý thuyết và thực hành tính toán cọc khoan nhồi có mũi cọc nằm trong đá, giúp kỹ sư cập nhật kiến thức mới và áp dụng hiệu quả trong công tác thiết kế và thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu móng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm giúp kỹ sư thiết kế móng cọc khoan nhồi có mũi cọc nằm trong đá chính xác, tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn công trình.

  2. Chuyên gia khảo sát địa chất công trình: Thông tin về đặc tính đá, đất nền và các hệ số giảm cường độ hỗ trợ chuyên gia đánh giá chính xác điều kiện địa chất phục vụ thiết kế móng.

  3. Nhà thầu thi công cọc khoan nhồi: Hiểu rõ về ứng xử thực tế của cọc giúp nhà thầu điều chỉnh quy trình thi công, kiểm soát chất lượng và đảm bảo hiệu quả công trình.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về móng cọc khoan nhồi trong điều kiện đá và đất rời.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu sức kháng bên và sức kháng mũi cọc riêng biệt?
    Sức kháng bên và sức kháng mũi cọc chịu tác động khác nhau do đặc tính vật liệu và điều kiện địa chất khác biệt. Việc phân tích riêng giúp đánh giá chính xác khả năng chịu tải tổng thể của cọc, tránh thiết kế thiếu hoặc thừa.

  2. Chỉ số RQD ảnh hưởng thế nào đến sức kháng mũi cọc?
    RQD phản ánh mức độ nứt nẻ và phong hóa của đá. RQD cao (trên 75%) tương ứng với đá chắc, sức kháng mũi lớn; ngược lại RQD thấp làm giảm sức kháng do vết nứt và độ phong hóa tăng.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định sức kháng bên trong đất dính?
    Phương pháp dựa trên sức kháng cắt không thoát nước, sử dụng hệ số chiết giảm và áp dụng các đường cong T-z như của Reese & O’Neil để mô phỏng sự huy động sức kháng theo chuyển vị.

  4. Làm thế nào để kiểm chứng mô hình tính toán với thực tế?
    Thí nghiệm nén tĩnh cọc tại công trình thực tế, đo biến dạng và tải trọng, sau đó so sánh với kết quả tính toán để hiệu chỉnh mô hình cho phù hợp.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các vùng địa chất khác không?
    Kết quả phù hợp nhất với điều kiện đất rời và đá tại khu vực nghiên cứu (Nha Trang). Để áp dụng cho vùng khác cần khảo sát địa chất cụ thể và điều chỉnh hệ số phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã làm rõ cơ chế huy động sức kháng bên và sức kháng mũi cọc khoan nhồi nằm trong đá, cung cấp mô hình tính toán phù hợp với điều kiện Việt Nam.
  • Kết quả thực nghiệm tại công trình TROPICANA chứng minh độ chính xác của mô hình, với sai số dưới 10% so với thực tế.
  • Nghiên cứu nhấn mạnh vai trò quan trọng của đặc tính đá và đất nền trong thiết kế móng cọc, đặc biệt chỉ số RQD và cường độ nén một trục.
  • Đề xuất áp dụng mô hình tổng hợp sức kháng bên và mũi cọc trong thiết kế, đồng thời tăng cường khảo sát địa chất và thí nghiệm thực tế để nâng cao độ tin cậy.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với nhiều công trình khác, đào tạo kỹ sư và phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán chuyên sâu.

Hành động ngay: Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và an toàn công trình, đồng thời phối hợp với chuyên gia địa kỹ thuật để cập nhật dữ liệu địa chất chính xác.