CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Tình hình chung Móng cọc khoan nhồi với ưu điểm về sức chịu tải và có thể thi công độ sâu lớn thường được lựa chọn là giải pháp nền móng với các công trình có cao tầng hay các dự án nằm trên vùng địa chất cho lớp đất yếu dày. Khi cọc cắm vào nền đá phong hóa việc thiết kế dự báo sức kháng của cọc còn nhiều quan điểm chưa được thống nhất.
Các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành được dùng phổ biến chưa có chỉ dẫn tính toán cụ thể, bộ thông số từ kết quả khảo sát đá còn hạn chế chưa đủ thông tin phục vụ cho công tác tính toán và thiết kế 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu sức kháng cọc khoan nhồi trong đá phong hóa Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc TCVN 10304:2014 [13] được dùng phổ biến để dự báo sức kháng của cọc (cả cọc khoan nhồi và cọc đóng ép) trong nền đất, trong các lớp đá chỉ đề cập đến tính toán sức kháng mũi cọc tựa trên nền đá không phong hóa thông qua các công thức số (7), (8) và (9). Thực tế với điều kiện khí hậu đặc trưng nhiệt đới ẩm gió mùa của nước ta, những tầng đá phong hóa nằm giữa các tầng đất và đá là rất phổ biến nên khi gặp điều kiện địa chất này thì không thể áp dụng TCVN 10304:2014 [1] để tính toán thiết kế. Chưa kể thành phần sức kháng bên cũng không được chỉ dẫn tính toán, dẫn đến nhiều dự án khi gặp điều kiện cọc chịu kéo sẽ gây khó khăn cho việc tính toán và lựa chọn phương án móng cọc tối ưu Báo cáo CIRIA 181 [5] được áp dụng phổ biến ở các nước châu Âu hướng dẫn thiết kế cọc trong đá yếu, báo cáo chủ yếu tập trung trình bày ứng xử cọc chịu tải dọc trục thông qua tương quan giữa độ cứng vật liệu cọc và đá.
Báo cáo đưa ra 4 phương pháp thiết kế cho dự báo sức kháng cọc chịu tải dọc trục. Trong đó áp dụng cho đá yếu đẳng hướng theo đề xuất Kulhawy và Carter (1992) nêu lên lý thuyết tính toán cọc làm việc theo 3 giai đoạn. Các giai đoạn trên được thể hiện qua biểu đồ hình bên dưới như sau: -4- Hình 1.1 Các giai đoạn làm việc của cọc theo Kulhawy và Carter (1992) Bộ thông số cơ bản của mô hình cũng gồm các thông số về chiều dài cọc, đường kính cọc, vật liệu cọc, cường độ kháng nén của đá qu, chỉ số chất lượng đá RQD (một số thông số khác như mô đun biến dạng khối đá Em, hệ số Poisson có thể lấy sơ bộ dựa trên các nghiên cứu trước đã được công bố). Mô hình của báo cáo CIRIA 181 xây dựng trên mô hình đá đẳng hướng, nên khi áp dụng cho các loại đá phân phiến cần kể thêm hệ số giảm cường độ qu (thường khoảng từ 2.5) phụ thuộc vào góc lệch giữa phương của lực và chiều của thớ đá trong thế nằm tự nhiên theo [2].
Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ ban đầu, việc có được thông tin về thế nằm tự nhiên là tương đối khó khăn do nhiều vùng có các lớp đá nằm sâu bên dưới Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017 phần 10 [3] có đề cập chỉ dẫn tính toán sức kháng cọc trong nền đá mềm yếu IGM (IGM - Intermediate geomaterial chỉ nhóm địa chất nằm trung gian giữa tính chất của đất và đá) trong phần phụ lục B. Phương pháp được đề ra trong tiêu chuẩn dựa trên phương pháp được công bố trong báo cáo FHWA-RD-95-172 [2]. Báo cáo FHWA-RD-95-172 đã đưa ra 3 nhóm đá chính cho nghiên cứu của mình, trong đó đối với các loại đá có tính dính -5- (nhóm 1 và 2) báo cáo đã đề xuất phương trình tương quan giữa đường chuyển vị của cọc theo cấp tải trọng qua 2 giai đoạn như sau: - Giai đoạn 1: Cọc làm việc trong giai đoạn đàn hồi, trước khi xảy ra biến dạng trượt giữa bề mặt tiếp xúc cọc và đá, thể hiện theo phương trình (1.1) D2 Q t = DLf f aa + qb (1.1) 4 - Giai đoạn 2: Bắt đầu có xuất hiện biến dạng trượt, sử dụng quan hệ phi tuyến để mô tả theo phương trình (1.2) D2 Q t = DLK f f aa + qb (1.2) 4 Trong đó các hệ số f , K f , q b phụ thuộc vào chuyển vị mũi cọc theo các công thức (1. Sức kháng cọc bằng tổng từng phần của sức kháng bên và sức kháng mũi cọc, sức khánh thành phần phụ thuộc vào chuyển vị ở mũi cọc.
Các thông số khác sẽ được trình bày cụ thể hơn ở phần sau. Bộ thông số cơ bản của báo cáo này cũng tương tự như báo cáo CIRIA 181, tuy nhiên đối với đá sét bột kết mô hình được xây dựng trên các số liệu thực tế cho điều kiện địa chất này nên có thể xem xét bỏ qua giảm cường độ qu do góc lệch của thớ đá theo [3]. Điều này phù hợp cho điều kiện khảo sát thông số đá còn hạn chế q b = w t 0.5) f + 2n − 1 Các tầng đá phong hóa ở nước ta cũng rất phổ biến, đặc biệt khu vực duyên hải miền trung và bắc bộ. Nghiên cứu của Nguyễn Trung Sơn về tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi trên nền đá phiến phong hóa nặng trên địa bàn thành phố Đà Nẵng [4], cũng đã nêu ra những vướng mắc về tính toán sức chịu tải trong nền đá phong hóa với các tiêu chuẩn hiện hành.
Bài nghiên cứu đã đưa ra được bảng so sánh sự -6- chênh lệch sức chịu tải cọc khi tính toán theo các công thức từ các tiêu chuẩn khác nhau. Từ bảng thông số thấy được mức độ chênh lệch giữa các kết quả khá lớn (Lớn nhất lên đến 20 lần). Do đó, việc lựa chọn 1 tiêu chí phù hợp dựa trên địa chất là điều cần thiết trong việc thiết kế dự báo sức kháng của cọc. Bài nghiên cứu của Nguyễn Trung Sơn cũng chỉ dừng lại ở mức là so sánh sự chênh lệch kết quả khi áp dụng tính toán giữa các tiêu chuẩn khác nhau.1: Bảng so sánh giá trị sức chịu tải cọc khoan nhồi theo báo cáo [4] Với sự phổ biến của các phần mềm phần tử hữu hạn hiện nay, cho phép mô phỏng ứng xử của đất thông qua các mô hình đất với bộ thông số yêu cầu kèm theo.
Đây cũng là một công cụ có thể dùng để đối chiếu với các công thức lý thuyết, kết quả hiện trường (Kết quả nén tĩnh cọc). Bài nghiên cứu của Lê Đức Tiến [5] là một tiêu biểu cho việc áp dụng mô hình phần tử hữu hạn như đã nêu. Báo cáo sử dụng phần mềm Fb-pier để kiểm chứng với số liệu thí nghiệm nén, kéo tĩnh cọc cho cầu Ái Tử, Quảng Trị trong nền đá bột kết sét phong hóa mạnh. Theo [5], kết quả mô phỏng và thực tế có sự chênh lệch ít ở mức độ chấp nhận được.
Về sức kháng bên chênh lệch giữa mô hình và nén tĩnh chưa đến 10%, còn sức kháng mũi có sự chênh lệch lớn lên đến 30%. Qua phần phân tích, tác giả đã để đề ra hệ số điều chỉnh đối với các công thức đề xuất trong TCVN 11823:2017. Đối với sức kháng bên đề xuất theo công thức q s = 0.81q s,11823 và sức kháng mũi theo q b = 0. Trong đó: Các hệ số 0.78 là các hệ số đề xuất của của Lê Đức Tiến, q s,11823 , q b,11823 là các công thức đề xuất trong TCVN 11823:2017.
Hiểu đơn giản thông qua các kết quả mô mình và số liệu nén tĩnh tác giả đề xuất giảm 19% giá trị sức kháng bên và giảm 22% giá -7- trị sức kháng mũi khi tính toán theo tiêu chuẩn cầu đường bộ. Nghiên cứu cũng là một nguồn tài liệu để tham khảo cho các nghiên cứu sau. Tuy nhiên, các số liệu chỉ sử dụng cho duy nhất một trường hợp theo số liệu thí nghiệm khu vực cầu Ái Tử để đề xuất các hệ số giảm. Nên cần thêm nhiều nghiên cứu trong điều kiện này để có thể áp dụng phổ biến cho thiết kế ở nhiều dự án khác Hình 1.2 Sử dụng mô hình PB-pier để mô phỏng tính toán sức chịu tải cọc trong nền đá phong hóa mạnh theo [5] Hình 1.3 So sánh quan hệ tải trọng – độ lún giữa kết quả nén tĩnh cọc và mô phỏng bằng phần mềm PB-pier trong báo cáo [5] -8- Hình 1.4 So sánh quan hệ tải trọng – độ lún giữa kết quả thí nghiệm nhổ cọc và mô phỏng bằng phần mềm PB-pier trong báo cáo [5] Nghiên cứu của Lưu Gia Trung và cộng sự [2] cũng trình bày về tính sức kháng của cọc khoan nhồi trong đá phiến bột sét theo các tiêu chuẩn khác nhau như tiêu chuẩn việt Nam (TCVN 10304:2014), tiêu chuẩn anh (Báo cáo CIRIA 181), tiêu chuẩn Mỹ (Báo cáo FHWA-RD-95-712) và so sánh với kết quả nén tĩnh cọc.
Nghiên cứu dựa trên kết quả nén tĩnh của 2 cọc thí nghiệm TN01 và TN05 với chiều dài cọc khác nhau. Cọc TN1 do chiều dài ngàm vào đá ngắn (1.5m) nên chưa đạt Ptk như kỳ vọng, cọc TN05 được bổ sung với chiều dài ngàm vào đá lớn hơn đến 12. Báo cáo so sánh chênh lệch giá trị tính toán giữa các các tiêu chuẩn. Kết quả tính toán theo FHWA là tương đối phù hợp với kết quả nén tĩnh.
Kết quả tính toán với sai lệch với số liệu cọc thí nghiệm TN05 1.2: Kết quả so sánh sức kháng của cọc giữa các tiêu chuẩn và kết quả nén tĩnh cọc TN01 theo nghiên cứu của Lưu Gia Trung [2] -9- Bảng 1.3: Kết quả so sánh sức kháng của cọc giữa các tiêu chuẩn và kết quả nén tĩnh cọc TN05 theo nghiên cứu của Lưu Gia Trung [2] Có rất nhiều nghiên cứu và chỉ dẫn có thể tham khảo để tính toán sức kháng của cọc trong nền đá phong hóa yếu, nhưng cũng còn nhiều vấn đề cần thảo luận và nghiên cứu thêm. Một số tài liệu đề xuất tính toán dự đoán sức kháng của cọc đòi hỏi bộ thông số của đá chưa phù hợp với điều kiện khảo sát thực tế của các công trình dân dụng công nghiệp (chủ yếu về đá chỉ có kết quả khảo sát qu và RQD). Các nghiên cứu đã nêu cũng chỉ dừng lại ở mức độ so sánh kết quả nén tĩnh ở một dự án cụ thể với các công thức giải tích, hay so sánh thêm với mô phỏng mô hình cho trường hợp đó, chưa khái quát hóa vấn đề để tham khảo và áp dụng rộng rãi cho các công trình khác.
