Phân Tích Sức Kháng Cọc Trong Nền Đá Phong Hóa: Luận Văn Thạc Sĩ Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Tổng hợp kiến thức Phân Tích Sức Kháng Cọc Trong Nền Đá Phong Hóa, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả trong chuyên ngành

• Tác giả: Nguyễn Như Ý
• Người hướng dẫn: TS. Lại Văn Quí
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân Tích Sức Kháng Cọc Trong Nền Đá Phong Hóa
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• Bối cảnh và tính cấp thiết của đề tài
• Phạm vi nghiên cứu
• Mục tiêu nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Tính mới của nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình chung
• 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu sức kháng cọc khoan nhồi trong đá phong hóa
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG CỌC KHOAN NHỒI TRONG NỀN ĐÁ PHONG HÓA
• 2.1. Tổng quan về đá phong hóa
• 2.2. Phương pháp dự báo sức chịu tải cọc trên nền đá phong theo các công thức từ các công bố khoa học
• 2.3. Dự báo sức kháng cọc dựa trên kết quả nén tĩnh cọc
• 2.4. Dự báo sức kháng cọc bằng mô hình Hoek – Brown với PLAXIS 3D
• 2.4.1. Tiêu chí bền Hoek – Brown
• 2.4.2. Mô hình vật liệu Hoek – Brown của PLAXIS 3D
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH SỨC KHÁNG CỌC KHOAN NHỒI TRONG NỀN ĐÁ PHONG HÓA
• 3.1. Thông số đầu vào
• 3.1.1. Thông tin công trình
• 3.1.2. Thông tin địa chất đất nền
• 3.1.3. Thí nghiệm nén tĩnh cọc
• 3.1.4. Mô hình tính toán
• 3.2. Kết quả tính toán
• 3.2.1. Kết quả từ mô hình
• 3.2.2. Xác định sức chịu tải cực hạn từ biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún
• 3.2.3. Dự báo sức kháng cọc trong đá theo phương pháp đề xuất FHWA
• 3.2.4. So sánh kết quả tính toán
• 3.3. Khảo sát các thông số
• 3.3.1. Khảo sát giá trị GSI
• 3.3.2. Khảo sát giá trị mi
• 3.3.3. Khảo sát giá trị qu
• 3.3.4. Tổng kết giá trị khảo sát
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC

Tóm tắt

I. Bối cảnh và tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực xây dựng, sức kháng cọc là một yếu tố quan trọng quyết định đến độ an toàn và ổn định của công trình. Việc sử dụng cọc khoan nhồi trong nền đá phong hóa đã trở thành một giải pháp phổ biến cho các công trình có tải trọng lớn. Tuy nhiên, việc dự báo sức kháng cọc trong điều kiện địa chất này vẫn còn nhiều vấn đề chưa được thống nhất. Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như TCVN 10304:2014 không đề cập cụ thể đến tính toán sức kháng cọc trong nền đá phong hóa, gây khó khăn trong việc áp dụng cho các công trình thực tế. Hơn nữa, nhiều nghiên cứu trước đó chỉ đưa ra các phương pháp dự báo dựa trên kết quả thí nghiệm ở những khu vực cụ thể, chưa có sự kiểm chứng toàn diện. Do đó, việc nghiên cứu và phân tích sức kháng cọc trong nền đá phong hóa là cần thiết để cung cấp những thông tin hữu ích cho các kỹ sư và nhà thiết kế trong quá trình lập kế hoạch và thực hiện công trình.

II. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích sức kháng cọc khoan nhồi chịu tải dọc trục trong nền đá phong hóa yếu. Các số liệu khảo sát được thu thập từ các công trình thực tế và kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc sẽ được sử dụng để mô phỏng ứng xử của cọc. Đặc biệt, phần mềm PLAXIS 3D sẽ được áp dụng để mô hình hóa và phân tích, nhằm xác định các thông số ảnh hưởng đến sức kháng cọc. Nghiên cứu cũng sẽ so sánh các kết quả từ mô hình với kết quả thực nghiệm để kiểm chứng tính chính xác của phương pháp. Điều này không chỉ giúp làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cọc mà còn tạo ra cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực địa kỹ thuật.

III. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định và phân tích sức kháng cọc khoan nhồi trong nền đá phong hóa yếu. Qua đó, nghiên cứu sẽ mô phỏng ứng xử của cọc bằng phần mềm PLAXIS 3D, kiểm chứng kết quả với các thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế. Nghiên cứu cũng sẽ đề xuất các thông số phù hợp cho việc dự báo sức kháng cọc trong giai đoạn thiết kế ban đầu, đặc biệt là trong các điều kiện khảo sát địa chất còn hạn chế. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp những thông tin quý giá cho các kỹ sư trong việc lựa chọn phương pháp thiết kế và dự báo sức kháng cọc một cách chính xác hơn.

IV. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sẽ được thực hiện thông qua ba phương pháp chính: thu thập và phân tích số liệu khảo sát, tổng hợp lý thuyết tính toán sức kháng cọc khoan nhồi, và mô phỏng ứng xử của cọc bằng phần mềm PLAXIS 3D. Các số liệu về đặc điểm tính chất của nền đá phong hóa sẽ được thu thập từ các công trình thực tế và kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc. Sau đó, các lý thuyết hiện có sẽ được áp dụng để dự báo sức kháng cọc và so sánh với các kết quả thực nghiệm để đánh giá tính chính xác của phương pháp. Phương pháp này không chỉ giúp làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cọc mà còn cung cấp cơ sở cho việc phát triển các tiêu chuẩn thiết kế trong tương lai.

V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu này không chỉ bổ sung vào kho tàng kiến thức về sức kháng cọc trong nền đá phong hóa mà còn có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Kết quả nghiên cứu sẽ giúp các kỹ sư và nhà thiết kế có thêm thông tin để đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc thiết kế và thi công các công trình. Hơn nữa, việc sử dụng phần mềm PLAXIS 3D để mô phỏng ứng xử của cọc sẽ mở ra hướng đi mới trong việc áp dụng công nghệ hiện đại vào lĩnh vực địa kỹ thuật, từ đó nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong thiết kế. Nghiên cứu cũng sẽ tạo cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này, góp phần phát triển các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế phát triển các công trình nhà cao tầng và hạ tầng giao thông quy mô lớn hiện nay, giải pháp móng cọc khoan nhồi đường kính từ 1.2 m đến 2.0 m với tải trọng thiết kế từ 1500 tấn đến hơn 3000 tấn luôn đóng vai trò trọng yếu trong việc truyền tải trọng công trình xuống các tầng địa chất sâu. Tuy nhiên, tại các khu vực duyên hải miền Trung và miền Bắc Việt Nam, đặc biệt là Hải Phòng và Đà Nẵng, điều kiện địa chất thường xuất hiện các tầng đá phong hóa nằm chuyển tiếp giữa tầng đất mềm bên trên và tầng đá gốc rắn chắc bên dưới. Thực tế thiết kế hiện nay cho thấy tiêu chuẩn nền móng hiện hành TCVN 10304:2014 chưa có chỉ dẫn định lượng cụ thể cho cọc ngàm vào đá phong hóa mà chỉ dừng lại ở tính toán mũi cọc tựa trên đá nguyên vẹn, dẫn đến sự chênh lệch kết quả tính toán giữa các tiêu chuẩn quốc tế lên đến 20 lần.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là phân tích cơ chế ứng xử và xác định sức kháng dọc trục của cọc khoan nhồi trong nền đá phong hóa thông qua mô hình số phần tử hữu hạn PLAXIS 3D kết hợp chuẩn phá hoại Hoek - Brown, có đối chứng với kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc ngoài hiện trường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cọc khoan nhồi đường kính 1.5 m, chiều dài 65 m, ngàm vào tầng đá sét bột kết phong hóa mạnh tại một dự án cao tầng ở Hải Phòng trong giai đoạn từ tháng 09/2023 đến tháng 01/2024. Đóng góp của luận văn mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, giúp tối ưu hóa từ 15% đến 25% chiều dài ngàm cọc, kiểm soát độ lún đầu cọc dưới ngưỡng an toàn 40 mm và cung cấp quy trình lựa chọn bộ thông số đầu vào đáng tin cậy cho kỹ sư thiết kế ngay trong giai đoạn lập dự án ban đầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai hệ thống lý thuyết nền tảng trong cơ học đá và địa kỹ thuật công trình. Đầu tiên là tiêu chí phá hoại phi tuyến Hoek - Brown hiệu chỉnh năm 2002, mô tả trạng thái ứng suất giới hạn của khối đá nứt nẻ thông qua phương trình ứng suất chính kết hợp các tham số đặc trưng: chỉ số độ bền địa chất GSI, cường độ kháng nén đơn trục đá nguyên trạng qu, hằng số vật liệu mi và hệ số xáo trộn D. Đi kèm với đó là mô hình xác định mô đun biến dạng khối đá Erm theo tương quan của Hoek và Diederichs (2006) nhằm phản ánh chính xác sự suy giảm độ cứng của khối đá so với mẫu nguyên trạng trong phòng thí nghiệm.

Thứ hai, nghiên cứu kế thừa khung phân tích sức kháng cọc dọc trục theo mô hình ba giai đoạn làm việc của Kulhawy và Carter (1992) được trình bày trong tiêu chuẩn CIRIA 181 và mô hình dự báo sức kháng thân - sức kháng mũi theo chuyển vị phi tuyến của báo cáo FHWA-RD-95-172. Ba khái niệm trung tâm được chuẩn hóa bao gồm: sức kháng ma sát bên đơn vị faa có xét đến tỷ số mô đun Em/Ei, sức kháng mũi giới hạn qb theo độ lún tương đối của mũi cọc, và chỉ số chất lượng đá RQD dùng để đánh giá mức độ nứt nẻ cấu trúc tầng địa chất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm của luận văn được thu thập từ hồ sơ khảo sát địa chất chuyên sâu và kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc thử nghiệm TN05 có đường kính 1.5 m, chiều dài 65 m, đoạn ngàm trong đá phong hóa dài 12.8 m tại thành phố Hải Phòng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ chuỗi số liệu đo đạc lún - tải trọng qua 2 chu kỳ gia tải với tải trọng thử lớn nhất đạt 200% tải thiết kế, tương đương 3000 tấn (30,000 kN), cùng các mẫu lõi khoan đá tại cao độ -52.17 m để thí nghiệm xác định chỉ số RQD đạt 20% đến 50% và cường độ nén đơn trục qu đạt 10.17 MPa. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm lấy các phân tầng đá sét bột kết mang tính đại diện cao nhất cho hiện tượng phong hóa nhiệt đới.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn không gian 3 chiều trên phần mềm PLAXIS 3D là khả năng mô phỏng đồng thời tính phi tuyến, sự phân bố ứng suất tiếp xúc giữa bê tông cọc và đá, cũng như quá trình huy động từng phần của ma sát thân và sức kháng mũi theo từng cấp tải. Mô hình sử dụng phần tử khối volume 3D cho cọc bê tông có mô đun đàn hồi 31,500 MPa, mô hình Hardening Soil cho các tầng đất bên trên và mô hình Hoek - Brown cho tầng đá phong hóa với kích thước lưới mô hình tổng thể đạt 20 m x 20 m x 75 m. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, mô phỏng và hiệu chỉnh số liệu được thực hiện chặt chẽ trong khoảng thời gian 4 tháng, từ tháng 09/2023 đến tháng 12/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu mô phỏng số và so sánh trực tiếp với số liệu hiện trường mang lại bốn phát hiện then chốt sau:

Thứ nhất, mô hình PLAXIS 3D sử dụng tiêu chí Hoek - Brown tái hiện chính xác ứng xử tải trọng - độ lún của cọc thực tế. Tại cấp tải trọng 3000 tấn, độ lún đầu cọc từ mô hình đạt 18.5 mm, bám sát giá trị đo đạc nén tĩnh hiện trường là 19.2 mm, với mức sai lệch chỉ khoảng 3.6%.

Thứ hai, cơ chế phân bổ tải trọng cho thấy sức kháng ma sát bên dọc đoạn cọc ngàm trong đá phong hóa đóng vai trò chủ đạo, huy động tới 68% tổng sức chịu tải cực hạn của cọc, trong khi sức kháng mũi chỉ bắt đầu phát huy rõ rệt khi độ lún đầu cọc vượt quá ngưỡng 15 mm.

Thứ ba, khảo sát độ nhạy của chỉ số GSI từ 10 đến 40 cho thấy sức kháng cực hạn của cọc tăng mạnh từ 2580 tấn lên 3575 tấn, tương ứng mức tăng trưởng 38.5%, khẳng định cấu trúc nứt nẻ của khối đá là yếu tố chi phối trực tiếp đến độ cứng tương đương của hệ móng.

Thứ tư, khi thay đổi cường độ nén đơn trục qu từ 1.0 MPa lên 5.0 MPa, sức chịu tải cực hạn của cọc tăng vọt 52.4%, trong khi biến thiên hằng số mi từ 5 đến 20 chỉ làm tăng sức kháng khoảng 18.2%, chứng minh qu là thông số có mức độ ảnh hưởng quyết định nhất đến sức kháng cắt tiếp xúc cọc - đá.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua hệ thống đồ thị quan hệ tải trọng - độ lún (đường cong P-S), biểu đồ phân bố lực dọc theo chiều sâu thân cọc và các bảng ma trận so sánh sức kháng theo từng biến số. Dạng đường cong phi tuyến trên đồ thị thể hiện rõ ba pha làm việc: pha đàn hồi tuyến tính dưới 50% tải thiết kế, pha trượt dẻo cục bộ dọc thân cọc từ 50% đến 150% tải, và pha huy động sức kháng mũi khi đạt tải trọng cực hạn.

Khi so sánh với các phương pháp giải tích truyền thống, phương pháp đề xuất của báo cáo FHWA-RD-95-172 cho kết quả dự báo sức kháng cọc thấp hơn thực tế khoảng 14.2%, mang tính an toàn cao nhưng có thể gây lãng phí chiều dài ngàm. Ngược lại, việc áp dụng công thức Mohr - Coulomb thông thường nếu không hiệu chỉnh lực dính và góc ma sát trong theo ứng suất giam hãm sẽ đánh giá thấp sức kháng bên tới hơn 30%. Luận văn đã chứng minh rằng công thức chuyển đổi thực nghiệm GSI = RQD/2 kết hợp với giá trị mi tra bảng từ 6 đến 8 cho đá sét bột kết mang lại độ tin cậy vượt trội, hoàn toàn tương thích với điều kiện khảo sát địa kỹ thuật còn hạn chế tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế và độ an toàn cho móng cọc khoan nhồi trong nền đá phong hóa, luận văn đưa ra bốn nhóm giải pháp cụ thể:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình xác định thông số địa kỹ thuật đầu vào trong giai đoạn thiết kế cơ sở bằng cách áp dụng công thức ước tính GSI = RQD/2 cho các tầng đá phong hóa nứt nẻ mạnh và lựa chọn mi trong khoảng 6 đến 8 đối với đá trầm tích sét bột kết. Mục tiêu giảm sai số dự báo sức kháng cọc xuống dưới 10%. Kế hoạch thực hiện áp dụng ngay từ quý 1 năm 2024 bởi các đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu - địa kỹ thuật.

Thứ hai, ứng dụng mô hình số phần tử hữu hạn PLAXIS 3D với mô hình Hoek - Brown để kiểm tra tương tác cọc - đá trước khi tiến hành khoan cọc đại trà. Mục tiêu tối ưu hóa chiều dài ngàm đá giảm từ 1.5 m đến 3.0 m trên mỗi tim cọc, giúp tiết kiệm từ 12% đến 18% chi phí khoan phá đá và vật liệu bê tông. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư địa kỹ thuật thuộc ban quản lý dự án và nhà thầu chính trong giai đoạn chuẩn bị thi công.

Thứ ba, nâng cấp chất lượng công tác khảo sát hiện trường bằng việc yêu cầu các đơn vị khoan khảo sát ghi nhận chi tiết tỷ lệ phục hồi mẫu nòng đôi, đo đạc chỉ số RQD chính xác cho từng hiệp khoan 1.0 m và thực hiện tối thiểu 5 mẫu nén đơn trục qu có hiệu chỉnh tỷ lệ chiều dài trên đường kính mẫu L/D cho mỗi hố khoan ngàm đá. Mục tiêu đạt độ tin cậy dữ liệu địa chất trên 95%. Thời gian áp dụng trong suốt giai đoạn khảo sát địa kỹ thuật chi tiết.

Thứ tư, kiến nghị các cơ quan chuyên trách thuộc Bộ Xây dựng và các viện nghiên cứu chuyên ngành biên soạn phụ lục hướng dẫn tính toán cọc trong tầng địa chất trung gian IGM để bổ sung vào tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10304 trong lộ trình từ năm 2024 đến năm 2026, tạo hành lang pháp lý thống nhất cho toàn ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn là nguồn tham khảo chuyên sâu và thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chính trong ngành xây dựng:

Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và kết cấu công trình: Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết và các bảng tra cứu thực dụng để lựa chọn bộ thông số Hoek - Brown từ hồ sơ khảo sát cơ bản, phục vụ trực tiếp công tác mô phỏng PLAXIS 3D và tính toán tối ưu hóa chiều dài ngàm cọc cho các dự án cao tầng tải trọng trên 1500 tấn.

Chủ đầu tư và ban quản lý dự án bất động sản: Tài liệu mang lại góc nhìn kinh tế kỹ thuật rõ ràng, giúp chủ đầu tư kiểm soát giải pháp thiết kế móng cọc, rút ngắn tiến độ thi công khoan cọc từ 10% đến 15% và tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí xây dựng phần ngầm mà vẫn đảm bảo an toàn tuyệt đối.

Nhà thầu thi công nền móng và đơn vị thí nghiệm cọc: Cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc để phân tích, đánh giá biểu đồ nén tĩnh cọc ngoài hiện trường, kiểm chứng độ huy động ma sát thành bên và sức kháng mũi cọc trong các tầng đá có mức độ phong hóa phức tạp.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Đóng vai trò là tài liệu học thuật giá trị cao về ứng xử cơ học của đá phong hóa, phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng và phân tích đối chiếu giữa các hệ thống tiêu chuẩn quốc tế như FHWA, CIRIA và TCVN.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 chưa tối ưu khi tính toán cọc trong đá phong hóa? Tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 chủ yếu tập trung vào nền đất và chỉ quy định sức kháng mũi tựa trên nền đá nguyên vẹn không phong hóa. Khi gặp đá phong hóa mềm yếu có chỉ số SPT lớn hơn 50 búa nhưng nứt nẻ nhiều, tiêu chuẩn chưa có công thức tính sức kháng bên, dẫn đến việc bỏ qua thành phần ma sát thân chiếm tới 60% đến 70% tổng sức kháng cọc.

Làm thế nào để xác định chỉ số GSI khi hồ sơ địa chất chỉ có RQD? Trong điều kiện khảo sát hạn chế, kỹ sư có thể áp dụng tương quan thực nghiệm được kiểm chứng trong luận văn: GSI = RQD/2 đối với đá phong hóa nứt nẻ mạnh. Đối với khối đá ít phong hóa hơn, công thức GSI = RQD/2 + 1.5 nhân với chỉ số điều kiện khe nứt Jcond89 sẽ mang lại kết quả chuẩn xác với độ tin cậy trên 90%.

Thông số nào của đá phong hóa ảnh hưởng lớn nhất đến sức chịu tải của cọc? Kết quả khảo sát độ nhạy khẳng định cường độ nén đơn trục qu và chỉ số độ bền khối đá GSI là hai thông số quyết định nhất. Khi qu tăng từ 1.0 MPa lên 5.0 MPa, sức kháng cọc tăng vọt 52.4%, trong khi GSI tăng từ 10 lên 40 giúp tăng sức chịu tải thêm 38.5%, vượt trội hoàn toàn so với ảnh hưởng của thông số mi.

Tại sao nên dùng mô hình Hoek - Brown thay vì Mohr - Coulomb trong PLAXIS 3D khi mô phỏng đá? Mô hình Mohr - Coulomb giả định mặt bao phá hoại tuyến tính và đòi hỏi lực dính c cùng góc ma sát trong, vốn rất khó xác định chính xác cho khối đá nứt nẻ. Ngược lại, mô hình Hoek - Brown mô tả chính xác bản chất phi tuyến và sự suy giảm độ cứng của khối đá thông qua các thông số trực quan như qu, GSI và mi.

Độ ngàm cọc vào đá phong hóa bao nhiêu là hợp lý để đảm bảo an toàn và kinh tế? Dựa trên kết quả phân tích phân bố tải trọng của cọc đường kính 1.5 m, chiều dài ngàm vào tầng đá phong hóa tối ưu thường dao động từ 3 đến 6 lần đường kính cọc (khoảng 4.5 m đến 9.0 m). Chiều dài này cho phép huy động trọn vẹn sức kháng bên trước khi sức kháng mũi đạt giới hạn đàn hồi.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết triệt để bài toán dự báo sức kháng của cọc khoan nhồi trong nền đá phong hóa thông qua mô hình số PLAXIS 3D với năm kết luận trọng tâm:

• Chuẩn hóa thành công quy trình mô phỏng ứng xử cọc khoan nhồi chịu tải dọc trục trong nền đá phong hóa bằng tiêu chí bền Hoek - Brown, đạt độ chính xác cao với sai số dưới 4% so với kết quả thử tải tĩnh 3000 tấn tại Hải Phòng.
• Làm sáng tỏ cơ chế truyền tải trọng trong đá phong hóa, khẳng định sức kháng ma sát bên dọc đoạn ngàm đá đóng góp từ 65% đến 70% tổng sức kháng cực hạn của cọc.
• Xác lập định lượng mức độ ảnh hưởng của bộ thông số khối đá, trong đó cường độ nén qu và chỉ số GSI đóng vai trò chi phối hàng đầu đối với sức chịu tải cọc.
• Đề xuất công thức quy đổi thực dụng GSI = RQD/2 và bộ thông số mi từ 6 đến 8, giải quyết điểm nghẽn thiếu hụt dữ liệu khảo sát trong giai đoạn thiết kế ban đầu.
• Mở ra giải pháp tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật rõ nét, giúp giảm từ 15% đến 25% chiều dài ngàm cọc mà vẫn kiểm soát độ lún đầu cọc nằm trong giới hạn an toàn công trình.

Các bước triển khai tiếp theo cần tập trung mở rộng cơ sở dữ liệu trên nhiều dạng thạch học đá phong hóa khác nhau như đá granit và cát kết tại các vùng địa chất miền Trung trong giai đoạn 2024-2025. Hãy tham khảo toàn văn nghiên cứu và ứng dụng ngay phương pháp luận này vào các dự án cao tầng thực tế để nâng cao chất lượng thiết kế và tối ưu hóa chi phí đầu tư xây dựng nền móng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 = DLf 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.