Tổng quan nghiên cứu

Khả năng chịu tải của cọc là yếu tố then chốt trong thiết kế móng cọc cho các công trình xây dựng có tải trọng vừa và lớn. Theo tiêu chuẩn TCVN 10304:2014, việc tính toán sức chịu tải cọc phải dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng, hiện trường và thí nghiệm kiểm tra như nén tĩnh. Tuy nhiên, thực tế nhiều dự án hiện nay chủ yếu sử dụng kết quả thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) theo công thức của Viện Kiến trúc Nhật Bản, bỏ qua các phương pháp khác được quy định trong tiêu chuẩn. Luận văn tập trung phân tích, đánh giá và lựa chọn phương pháp tính sức chịu tải cọc hợp lý dựa trên các kết quả thí nghiệm trong phòng, hiện trường và thí nghiệm nén tĩnh kiểm tra.

Mục tiêu nghiên cứu gồm: đánh giá sức chịu tải cọc theo kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường; phân tích khả năng chịu tải cọc từ kết quả thí nghiệm kiểm tra; lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình sử dụng cọc bê tông ứng suất trước, đường kính 500 mm, chiều dài 42 m, thi công bằng phương pháp ép tại khu vực Tp. Thủ Đức và Tp. Hồ Chí Minh với địa chất tương đồng.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học quan trọng trong việc cung cấp tài liệu tham khảo, đánh giá độ tin cậy của các phương pháp tính toán sức chịu tải cọc, từ đó góp phần nâng cao chất lượng thiết kế và thi công móng cọc, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho các công trình xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công thức tổng quát xác định sức chịu tải cọc: Sức chịu tải cực hạn $R_{c,u}$ được tính bằng tổng sức kháng của đất dưới mũi cọc và sức kháng ma sát bên trên thân cọc theo công thức: $$ R_{c,u} = q_p A_b + u \sum f_i l_i $$ trong đó $q_p$ là cường độ sức kháng đất dưới mũi cọc, $A_b$ diện tích tiết diện ngang mũi cọc, $u$ chu vi tiết diện ngang cọc, $f_i$ cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc lớp thứ $i$, $l_i$ chiều dài đoạn cọc trong lớp đất thứ $i$.

  • Phương pháp tính sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu cơ lý và cường độ đất nền: Áp dụng các hệ số điều kiện làm việc của đất và cọc, dựa trên đặc trưng cơ lý như cường độ cắt không thoát nước, chỉ số sệt, góc ma sát trong, dung trọng đất.

  • Phương pháp tính sức chịu tải cọc theo kết quả thí nghiệm hiện trường: Bao gồm thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), xuyên tĩnh (CPT), thử động (PDA), cắt cánh (VST), nén ngang trong hố khoan (PMT). Mỗi phương pháp có công thức và hệ số hiệu chỉnh riêng biệt dựa trên đặc điểm địa chất và loại cọc.

  • Phương pháp phân tích kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc: Sử dụng các phương pháp biểu đồ như Offset Limit, Chin-Kondner, De Beer, Decourt, Brinch Hansen, Mazurkiewicz, Fuller và Hoy, Butler và Hoy để xác định tải trọng giới hạn từ đường cong tải trọng - chuyển vị.

Các khái niệm chính bao gồm: sức kháng mũi cọc ($q_b$), sức kháng ma sát thân cọc ($f_i$), hệ số điều kiện làm việc ($\gamma_c, \gamma_{cq}, \gamma_{cf}$), chỉ số SPT ($N_p$), cường độ sức kháng cắt không thoát nước ($c_u$), và các hệ số chuyển đổi từ kết quả thí nghiệm sang sức chịu tải cọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ dự án xây dựng tại khu vực Tp. Thủ Đức và Tp. Hồ Chí Minh, với các thí nghiệm trong phòng và hiện trường đầy đủ, bao gồm thí nghiệm cơ lý đất, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), xuyên tĩnh (CPT), nén ngang (PMT), thử động (PDA) và thí nghiệm nén tĩnh cọc.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Tính toán sức chịu tải cọc theo từng phương pháp dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường.

  • Áp dụng các phương pháp biểu đồ để xác định tải trọng giới hạn từ thí nghiệm nén tĩnh cọc.

  • So sánh kết quả tính toán với kết quả thí nghiệm nén tĩnh kiểm tra để đánh giá độ tin cậy của từng phương pháp.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các cọc bê tông ứng suất trước, đường kính 500 mm, chiều dài 42 m, thi công bằng phương pháp ép. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của dự án có đầy đủ dữ liệu thí nghiệm. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2021, bao gồm thu thập dữ liệu, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chịu tải cọc theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh lớn hơn giá trị thiết kế: Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cho thấy sức chịu tải cọc vượt giá trị thiết kế khoảng 20-30%, minh chứng qua các phương pháp biểu đồ như Offset Limit và Chin-Kondner.

  2. Kết quả tính toán sức chịu tải từ thí nghiệm hiện trường phù hợp với thí nghiệm nén tĩnh: Các phương pháp tính dựa trên thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) và nén ngang trong hố khoan (PMT) cho kết quả sức chịu tải cọc tương đồng với thí nghiệm nén tĩnh, sai số trong khoảng 5-10%.

  3. Phương pháp tính sức chịu tải cọc từ thí nghiệm trong phòng có độ chính xác thấp hơn: Tính toán dựa trên chỉ tiêu cơ lý và cường độ đất nền thường cho kết quả sức chịu tải thấp hơn 15-25% so với thí nghiệm nén tĩnh, do không phản ánh đầy đủ điều kiện hiện trường.

  4. Phương pháp thử động PDA cung cấp kết quả sức chịu tải cọc tương đối chính xác: Kết quả thử động với độ chối dư thực tế Sa ≥ 0,002 m cho sức chịu tải cọc gần với kết quả thí nghiệm nén tĩnh, sai số dưới 10%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân kết quả thí nghiệm nén tĩnh cao hơn giá trị thiết kế là do các phương pháp tính toán thiết kế thường áp dụng hệ số an toàn và các giả định bảo thủ nhằm đảm bảo an toàn công trình. Kết quả thí nghiệm hiện trường như CPT và PMT phản ánh chính xác hơn đặc tính đất tại vị trí cọc, do đó phù hợp với thí nghiệm nén tĩnh kiểm tra.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này tương đồng với báo cáo của ngành xây dựng cho thấy phương pháp thí nghiệm hiện trường và nén tĩnh là các công cụ đánh giá sức chịu tải cọc đáng tin cậy. Việc sử dụng kết quả thí nghiệm trong phòng cần được cân nhắc kỹ lưỡng do có thể không phản ánh đúng điều kiện thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sức chịu tải cọc theo từng phương pháp tính và thí nghiệm nén tĩnh, cũng như bảng tổng hợp sai số tương đối giữa các phương pháp. Điều này giúp minh bạch và dễ dàng đánh giá mức độ tin cậy của từng phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp thí nghiệm nén tĩnh cọc làm chuẩn kiểm tra sức chịu tải cọc tại hiện trường: Động thái này giúp đảm bảo độ chính xác và an toàn trong thiết kế móng cọc, nên thực hiện trong giai đoạn thi công và kiểm tra chất lượng.

  2. Ưu tiên sử dụng kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) và nén ngang (PMT) để tính toán sức chịu tải cọc: Các phương pháp này cho kết quả gần với thí nghiệm nén tĩnh, giúp giảm sai số thiết kế, nên áp dụng trong vòng 6 tháng đầu triển khai dự án.

  3. Hạn chế sử dụng kết quả thí nghiệm trong phòng làm cơ sở duy nhất để tính sức chịu tải cọc: Do độ chính xác thấp hơn, cần kết hợp với các phương pháp hiện trường để nâng cao độ tin cậy, đặc biệt với các công trình có yêu cầu kỹ thuật cao.

  4. Sử dụng thử động PDA như phương pháp bổ trợ trong đánh giá sức chịu tải cọc: Phương pháp này phù hợp cho các công trình có điều kiện thi công phức tạp, giúp đánh giá nhanh và chính xác trong vòng 3 tháng.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật về các phương pháp thí nghiệm và phân tích sức chịu tải cọc: Đảm bảo áp dụng đúng quy trình và phân tích chính xác, góp phần nâng cao chất lượng công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế móng cọc: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực nghiệm giúp lựa chọn phương pháp tính toán sức chịu tải cọc phù hợp, nâng cao độ chính xác thiết kế.

  2. Chuyên gia khảo sát địa kỹ thuật: Tham khảo các phương pháp thí nghiệm trong phòng và hiện trường, cách phân tích kết quả để đánh giá chính xác đặc tính đất và sức chịu tải cọc.

  3. Nhà thầu thi công móng cọc: Hiểu rõ các phương pháp kiểm tra chất lượng cọc tại hiện trường, từ đó điều chỉnh quy trình thi công nhằm đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật.

  4. Cơ quan quản lý và kiểm định xây dựng: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong việc đánh giá, kiểm tra và phê duyệt các phương pháp tính toán và thí nghiệm sức chịu tải cọc trong các dự án xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc thường lớn hơn giá trị thiết kế?
    Kết quả thí nghiệm nén tĩnh phản ánh sức chịu tải thực tế của cọc tại hiện trường, trong khi giá trị thiết kế thường áp dụng hệ số an toàn và giả định bảo thủ để đảm bảo an toàn công trình, dẫn đến giá trị thiết kế thấp hơn.

  2. Phương pháp thí nghiệm nào cho kết quả sức chịu tải cọc chính xác nhất?
    Thí nghiệm nén tĩnh cọc được xem là phương pháp chuẩn xác nhất, kết hợp với thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) và nén ngang (PMT) cũng cho kết quả rất phù hợp với thực tế.

  3. Có thể chỉ sử dụng kết quả thí nghiệm trong phòng để tính sức chịu tải cọc không?
    Không nên chỉ dựa vào thí nghiệm trong phòng vì kết quả có thể không phản ánh đúng điều kiện hiện trường, nên kết hợp với các phương pháp thí nghiệm hiện trường để tăng độ tin cậy.

  4. Thử động PDA có ưu điểm gì trong đánh giá sức chịu tải cọc?
    Thử động PDA giúp đánh giá nhanh sức chịu tải cọc dựa trên độ chối dư thực tế, phù hợp với các công trình có điều kiện thi công phức tạp và cần kiểm tra nhanh.

  5. Làm thế nào để lựa chọn phương pháp tính sức chịu tải cọc phù hợp cho dự án?
    Cần căn cứ vào đặc điểm địa chất, loại cọc, điều kiện thi công và yêu cầu kỹ thuật của dự án. Kết hợp các phương pháp thí nghiệm trong phòng, hiện trường và kiểm tra nén tĩnh để đánh giá toàn diện và lựa chọn phương pháp phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã tổng hợp và phân tích các phương pháp tính sức chịu tải cọc dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng, hiện trường và thí nghiệm nén tĩnh kiểm tra.
  • Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc cho thấy sức chịu tải thực tế lớn hơn giá trị thiết kế khoảng 20-30%, phản ánh tính bảo thủ trong thiết kế.
  • Phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) và nén ngang (PMT) cho kết quả sức chịu tải cọc phù hợp với thí nghiệm nén tĩnh, trong khi thí nghiệm trong phòng có độ chính xác thấp hơn.
  • Đề xuất ưu tiên sử dụng thí nghiệm nén tĩnh, CPT, PMT và thử động PDA trong đánh giá sức chịu tải cọc để nâng cao độ tin cậy và hiệu quả thiết kế.
  • Các bước tiếp theo gồm triển khai áp dụng các phương pháp đề xuất trong dự án thực tế, đào tạo kỹ thuật viên và cập nhật tiêu chuẩn thiết kế móng cọc phù hợp với kết quả nghiên cứu.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý xây dựng nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và an toàn công trình móng cọc.