So Sánh Sức Chịu Tải Cọc: Phương Pháp Thông Thường Và LRFD Dựa Trên Thí Nghiệm Nén Tĩnh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật xây dựng so sánh sức chịu tải của cọc theo phương pháp thông thường và phương pháp lrfd, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Trần Minh Cường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Châu Ngọc Ẩn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: So sánh sức chịu tải của cọc theo phương pháp thông thường và phương pháp LRFD dựa trên kết quả thí nghiệm nén tĩnh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Sức chịu tải cọc

Sức chịu tải cọc là yếu tố quan trọng trong thiết kế móng cọc, đảm bảo ổn định và an toàn cho công trình. Có hai phương pháp chính để xác định sức chịu tải cọc: phương pháp thông thường và phương pháp LRFD. Phương pháp thông thường dựa trên các công thức kinh nghiệm và hệ số an toàn, trong khi phương pháp LRFD sử dụng hệ số tải trọng và hệ số sức kháng để đảm bảo độ tin cậy cao hơn. Thí nghiệm nén tĩnh là phương pháp thực nghiệm quan trọng để kiểm tra sức chịu tải cọc, cung cấp dữ liệu chính xác cho việc so sánh và đánh giá.

1.1 Sức chịu tải theo vật liệu

Sức chịu tải theo vật liệu (Pvl) được xác định dựa trên cường độ cực hạn của vật liệu làm cọc. Đối với cọc thép, cường độ cực hạn thường lấy từ giới hạn chảy của thép. Đối với cọc bê tông, cường độ cực hạn được xác định từ thí nghiệm nén mẫu bê tông ở ngày thứ 28. Các hệ số an toàn được áp dụng để đảm bảo cọc hoạt động an toàn trong quá trình sử dụng.

1.2 Sức chịu tải theo đất nền

Sức chịu tải theo đất nền (Pdn) phụ thuộc vào sức kháng bên (Qf) và sức kháng mũi (Qp) của cọc. Sức kháng bên là lực ma sát giữa đất và thân cọc, trong khi sức kháng mũi là phản lực của đất tại mũi cọc. Các thí nghiệm hiện trường như thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) được sử dụng để xác định các thông số đất nền.

II. Phương pháp thông thường vs LRFD

Phương pháp thông thường và phương pháp LRFD là hai cách tiếp cận khác nhau trong việc tính toán sức chịu tải cọc. Phương pháp thông thường sử dụng hệ số an toàn cố định, trong khi phương pháp LRFD áp dụng các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng dựa trên phân tích xác suất. Phương pháp LRFD được đánh giá cao hơn về độ tin cậy và khả năng tối ưu hóa thiết kế, đặc biệt trong các công trình phức tạp.

2.1 Phương pháp thông thường

Phương pháp thông thường dựa trên các công thức kinh nghiệm và hệ số an toàn cố định. Các hệ số này thường được xác định từ kinh nghiệm thực tế và các tiêu chuẩn xây dựng. Mặc dù đơn giản và dễ áp dụng, phương pháp này có thể dẫn đến thiết kế quá bảo thủ, gây lãng phí vật liệu.

2.2 Phương pháp LRFD

Phương pháp LRFD (Load and Resistance Factor Design) sử dụng các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng dựa trên phân tích xác suất. Phương pháp này đảm bảo độ tin cậy cao hơn bằng cách xem xét sự biến đổi của tải trọng và sức kháng. Phương pháp LRFD được áp dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn quốc tế như Eurocode và AASHTO.

III. Thí nghiệm nén tĩnh

Thí nghiệm nén tĩnh là phương pháp thực nghiệm quan trọng để xác định sức chịu tải cọc. Thí nghiệm này được thực hiện bằng cách tác dụng tải trọng tĩnh lên cọc và đo lường sự biến dạng của cọc. Kết quả từ thí nghiệm nén tĩnh cung cấp dữ liệu chính xác để so sánh với các phương pháp tính toán lý thuyết.

3.1 Quy trình thí nghiệm

Thí nghiệm nén tĩnh được thực hiện theo các bước gia tải từng cấp, đo lường độ lún của cọc tại mỗi cấp tải. Quá trình này được lặp lại cho đến khi cọc đạt đến trạng thái phá hoại hoặc đạt tải trọng thiết kế. Kết quả thí nghiệm được biểu diễn dưới dạng đồ thị quan hệ giữa tải trọng và độ lún.

3.2 Ứng dụng thí nghiệm

Kết quả từ thí nghiệm nén tĩnh được sử dụng để kiểm tra và hiệu chỉnh các phương pháp tính toán lý thuyết. Thí nghiệm này cũng giúp đánh giá chính xác sức chịu tải thực tế của cọc, đặc biệt trong các điều kiện địa chất phức tạp.

IV. So sánh và đánh giá

Việc so sánh sức chịu tải cọc giữa phương pháp thông thường và phương pháp LRFD dựa trên thí nghiệm nén tĩnh cho thấy sự khác biệt đáng kể về độ chính xác và độ tin cậy. Phương pháp LRFD được đánh giá cao hơn nhờ khả năng tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn trong các điều kiện tải trọng biến đổi.

4.1 Kết quả so sánh

Kết quả từ thí nghiệm nén tĩnh cho thấy phương pháp LRFD có độ chính xác cao hơn so với phương pháp thông thường. Các hệ số tải trọng và sức kháng trong phương pháp LRFD giúp giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa thiết kế.

4.2 Đánh giá thực tiễn

Phương pháp LRFD được khuyến nghị sử dụng trong các công trình lớn và phức tạp, nơi yêu cầu độ tin cậy cao. Tuy nhiên, phương pháp thông thường vẫn có giá trị trong các công trình nhỏ và đơn giản, nơi chi phí và thời gian thiết kế là yếu tố quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO PHƢƠNG PHÁP THÔNG THƢỜNG VÀ PHƢƠNG PHÁP LRFD.1 Sức chịu tải của cọc theo phƣơng pháp thông thƣờng: Sức chịu tải dọc trục của cọc đƣợc phân biệt làm hai loại: - Sức chịu tải theo vật liệu (Pvl); - Sức chịu tải theo đất nền (Pdn); 1.1 Sức chịu tải của cọc theo vật liệu: Sức chịu tải cực hạn (Puvl) sẽ đƣợc tính toán dựa trên cƣờng độ cực hạn của vật liệu. Với cọc thép, cƣờng độ cực hạn của thép thƣờng lấy là giới hạn chảy, đa số các loại thép làm cọc có Rach=248MPa≈ 2500Kg/cm2. Với cọc bêtông, cƣờng độ cực hạn thƣờng lấy là cƣờng độ thí nghiệm ở ngày thứ 28 (R28, còn ký hiệu là f C' ) trên mẫu trụ tròn, và R28 ≈ 25÷35MPa với cọc thƣờng, R28 ≈ 35÷45MPa với cọc ứng suất trƣớc. Trong quá trình cọc sử dụng,thì sức chịu tải cho phép theo vật liệu đƣợc tính dựa trên cƣờng độ cho phép theo AASHTO nhƣ sau:  Cọc thép:[Ru]=(0,25÷0,33)Rach (Rach còn ký hiệu là fy);  Cọc bêtông ứng suất trƣớc :[Rn]=0,33R28-0,27fpe; (fpe là ứng suất kéo trƣớc hữu hiệu sau khi tổn thất,thông thƣờng fpe>5 MPa );  Với cọc bêtông không ứng suất trƣớc thì fpe=0; Trong quá trình đóng cọc,thì cƣờng độ cho phép khi đóng theo AASHTO là:  Cọc thép: Rad=0,9Ra;nhƣ vậy Rad ≈ 220MPa (các loại thép đặc biệt A-572.

A690 hay GR có Rach =345 MPa => Rad ≈ 330MPa);  Cọc bêtông ứng suất trƣớc :  Cƣờng độ chịu nén: Rnd=0,85R28-fpe;  Cƣờng độ chịu kéo: R kd  0, 25 R 28  f pe (các đại lƣợng tính bằng MPa)  Cọc bêtông thƣờng:  Cƣờng độ chịu nén:Rnd =0,85R28;  Cƣờng độ chịu kéo chỉ tính trên diện tích thép:Rad=0,7Rach.Từ đó tính ra đƣợc cƣờng độ chịu kéo tính cho tiết diện cọc :Rkd=FaRad/Ac.2 Sức chịu tải của cọc theo đất nền: Về phƣơng diện sức chịu tải của cọc theo đất nền, cọc đƣợc sử dụng để truyền tải trọng từ kết cấu bên trên xuống nền theo một trong hai (hoặc cả hai) phƣơng thức sau (minh họa hình 1.1): Sức kháng bên Qf (gồm ma sát bên và ma sát lực dính, nhƣng ta vẫn quen gọi là ma sát bên): là phản lực giữa đất xung quanh cọc với phần xung quanh của cọc. Sức kháng mũi Qp: là phản lực giữa đất ở mũi cọc tác dụng lên đầu cọc. Hình 1-1:Sức chịu tải nén của cọc Để đánh giá sức kháng này, ta phải khảo sát nền đất, tiến hành các thí nghiệm hiện trƣờng và trong phòng để xác định các đặc trƣng của nền đất. Sức chịu tải cực hạn (Pu): là tải trọng mà tại đó vật liệu hoặc nền đất tại đó bị phá hoại; Sức chịu tải cho phép ([P]): là tải trọng mà tại đó cọc (công trình) làm việc an toàn (với một hệ số an toàn FS thƣờng lớn hơn 2); 18 “Sức chịu tải cực hạn của cọc là giá trị nhỏ nhất giữa sức chịu tải theo vật liệu và theo nền đất: Pu=min(Pu vl,Pu dn)”  Với cọc nhồi :Ta có thể thiết kế Pu vl ≈ Pu dn;  Với cọc đóng/ép :Để tránh bị phá hoại cọc (nhất là đầu hoặc mũi cọc )trong quá trình hạ cọc,thì cần thiết kế nhƣ sau: Pu=Pu dn (1.1) Pu vl>> Pu dn (Pu vl phải lớn hơn nhiều so với Pu dn ) (1.2 Sức chịu tải của cọc theo phƣơng pháp LRFD Có ba lý do chính để giải thích tại sao phải thêm vào hệ số sức chịu tải và hệ số tải trọng vào tính toán: Sự biến đổi sức chịu tải: sự chịu tải thực tế của cấu kiện công trình luôn khác với giá trị thiết kế ban đầu.

Nguyên nhân chính của sự biến đổi sức chịu là:  Sự biến đổi của cƣờng độ bê tông và cốt thép  Sự khác nhau kích thƣớc hoàn công và kích thƣớc trên bản vẽ thiết kế (kích thƣớc danh định)  Ảnh hƣởng của việc tiến hành đơn giản hóa việc biến đổi các phƣơng trình tính sức chịu đựng của cấu kiện Sự biến đổi các tải trọng: tất cả các tải trọng đều biến đổi theo thời gian và không gian, đặc biệt là các hoạt tải trong môi trƣờng nhƣ sóng, gió, động đất. Ngay kết quả khảo sát tình trạng sử dụng các phòng ở, hầu hết đều có hoạt tải nhỏ hơn quy định, ngoại trừ các buổi liên hoan hoặc sử dụng làm kho chứa tạm thời,… Nhƣ vậy, các tải trọng là biến số ngẫu nhiên cho từng công trình. Do đó ảnh hƣởng của tải trọng và sức chịu của cấu kiện là hai biến ngẫu nhiên nên xác suất xuất hiện một cấu kiện yếu hơn trung bình phải chịu đựng tải lớn hơn trung bình và thậm chí hƣ hỏng có thể xảy ra. Tính toán xác suất các yếu tố an toàn Nếu xem xét phân bố tập hợp sức chịu R của kết cấu hoặc nền trên trục tung.

Sự phân bố của ảnh hƣởng tải trọng tối đa, E, có thể xuất hiện trên kết cấu hoặc nền trong thời gian tồn 19 tại, đƣợc diễn tả trên trục hoành. Sức chịu và ảnh hƣởng tải trọng của cùng một đại lƣợng, thí dụ moment uốn, đƣợc diễn tả cùng tọa độ trục để dễ dàng so sánh nhƣ trong hình 1-2. Đƣờng 450 trong mặt (R, E) phân chia miền an toàn và miền phá hủy. Đặt Z= R-E là giới hạn an toàn, khi Z > 0 kết cấu an toàn, Z ≤ 0 kết cấu bị phá hủy, xác suất hƣ hỏng pf mà sự kết hợp R, E gây ra Z ≤ 0 pf = Prob(Z ≤ 0) Nếu R, E tuân theo quy luật phân phối chuẩn, đặc trƣng bằng: (μR, σR) và (μE, σE) thì Z cũng theo quy luật phân phối chuẩn, đặc trƣng bằng: μZ = μR – μE;  Z   E2   R2 Hình 1-2: Xác xuất an toàn và hƣ hỏng Xác suất phá hủy Pf  P  Z  R  E   0 từ hình 1-3 cho thấy 20 Z  0   Z trong đó: Z  Z Đƣờng cong phân bố sẽ dịch sang phải khi lấy Z , β sẽ tăng lên và vùng chỉ thị Pf sẽ giảm nhỏ lại, do đó Pf là hàm của β.

Từ lý thuyết này, các thành phần cấu thành sức chịu tải của nền đƣợc gán các hệ số tổ hợp hay là hệ số xác suất xuất hiện trong điều kiện đảm bảo an toàn cho công trình, tức là Z = R-E > 0. Hình1-3: Xác xuất hƣ hỏng 21 Với tiêu chuẩn ACI của Mỹ 8 , điều kiện yêu cầu là: Sức chịu ≥ ảnh hƣởng của tải trọng, cụ thể là:gt Sức chịu thiết kế ≥ sức chịu yêu cầu Để xét đến xác suất sức chịu có thể nhỏ hơn tính toán và ảnh hƣởng của tải trọng có thể lớn hơn tính toán, các hệ số sức chịu   1 và các hệ số tải trọng   1 đƣợc đƣa vào công thức  Rn  1S1   2 S2  3 S3 . trong đó: Rn – đại diện cho sức chịu danh định (nominal strength) Si - ảnh hƣởng của tải thứ i Nếu viết điều kiện yêu cầu cho moment tại một mặt cắt cấu kiện M M n  M u   D M D   L M L . trong đó: Mn: Moment kháng danh định, từ danh định chỉ sức chịu này tính theo cấp độ bền bê tông cụ thể và cƣờng độ của cốt thép đƣợc ghi trên bản vẽ thiết kế kỹ thuật.

MD, ML: Moment uốn của tĩnh tải và hoạt tải đã chỉ rõ. M : hệ số sức chịu moment. αD, αL : lần lƣợt là hệ số riêng phần của tĩnh tải và hoạt tải Các phƣơng trình tƣơng tự có thể viết cho lực cắt, V, lực dọc trục, P. V Vn  Vu   DVD   LVL .

P M n  Pu   D PD   L PL . Chỉ số u đƣợc hiểu là sức chịu yêu cầu Một số tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn ACI, ví dụ tại một tiết diện chịu tải D và L thì sức chịu yêu cầu U không đƣợc nhỏ hơn: U = 1,4D + 1,7L Đối với cấu kiện phải chịu lực gió, W, và động đất, E, thì sức chịu yêu cầu còn phải kiểm thêm hai giá trị U và không đƣợc nhỏ hơn: U = 0,75(1,4D + 1,7L) + (1,6W hoặc 1,0E) U = 0,9D + (1,6W hoặc 1,0E) Đối với cấu kiện phải chịu áp lực đất và nƣớc trong đất hoặc áp lực của các vật liệu chứa tƣơng tự áp lực đất, H, thì giá trị U không đƣợc nhỏ hơn: U = 1,4D + 1,7L + 1,7H Đối với cấu kiện phải chịu áp lực chất lỏng, F, thì giá trị U không đƣợc nhỏ hơn: 22 U = 1,4D + 1,7L + 1,7H Nếu cấu kiện chịu va chạm thì lực do va chạm đƣợc cộng vào L. Đối với cấu kiện phải chịu tải do ảnh hƣởng lún lệch, từ biến, co ngót, nhiệt, T, thì giá trị U không đƣợc nhỏ hơn: U = 0,75(1,4D + 1,7L + 1,4T) hoặc: U = 1,05(D + T) Trong tiêu chuẩn Châu Âu (7), (8), tổ hợp tải trọng ngoài việc gán các hệ số riêng phần của tải, luôn đi kèm với các hệ số riêng phần của sức chịu của vật liệu và đất nền. Khi thiết kế xác định kích thƣớc danh định của từng cấu kiện trên cơ sở kiểm tra các trạng thái giới hạn, thi công phải đảm bảo đúng kích thƣớc và chất lƣợng vật liệu cho từng cấu kiện của toàn bộ công trình.

Mặt khác, các vật liệu xây dựng nhƣ thép, bê tông, bê tông cốt thép đều là vật liệu do con ngƣời chế tạo theo công thức và chất lƣợng dù có dao động nhƣng đƣợc kiểm tra kỷ lƣỡng, nên hệ số biến động thƣờng rất nhỏ. Với gỗ đƣợc lựa chọn chủng loại phù hợp, thậm chí ngâm tẩm để đạt chất lƣợng yêu cầu cho công trình. Ngay cả đất làm vật liệu đắp cũng đƣợc lựa chọn từ các mỏ đủ tiêu chuẩn, đắp thành lớp mỏng rồi lu lèn đạt độ chặc thiết kế, nên độ dao động các chỉ tiêu cắt nén đều nằm trong tầm kiểm soát. Trong khi đó đất nền tự nhiên có hệ số biến động v có thể đạt đến 30%.