Phân tích các yếu tố ảnh hưởng và cơ sở xác định các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố hồ chí minh

THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials Hiệp hội giao thông và vận tải đường bộ Mỹ ASD Allowable Stress Design Thiết kế th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGÔ CHÂU PHƯƠNG

PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỌC KHOAN NHỒI MÓNG

MỐ TRỤ CẦU Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ: 62.58.02.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội-2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGÔ CHÂU PHƯƠNG

PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỌC KHOAN NHỒI MÓNG

MỐ TRỤ CẦU Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ: 62.58.02.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Trần Đức Nhiệm

2 PGS.TS Nguyễn Ngọc Long

Hà Nội-2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Ngô Châu Phương

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của quý thầy, cô trường

Đại học Giao thông Vận tải, tôi đã hoàn thành luận án Tiến sĩ Kỹ thuật “Phân

tích các yếu tố ảnh hưởng và cơ sở xác định các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi

móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh”

Với tình cảm chân thành, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn đến Ban

giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Cầu hầm -

Trường đại học Giao thông vận tải, các cán bộ quản lý và toàn thể quý thầy cô

tham gia giảng dạy đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học

tập và hoàn thành luận án này

Nghiên cứu sinh đã nhận được những góp ý, trao đổi bổ ích trong quá trình

thực hiện luận án từ quý giáo sư, nhà khoa học, chuyên gia trong và ngoài Trường;

sự quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về khảo sát thu thập tài liệu của

lãnh đạo các cơ quan đơn vị và các đồng nghiệp trong ngành; sự động viên, khích

lệ của bạn bè và người thân Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn những sự giúp đỡ

quý báu này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Đức Nhiệm và

PGS.TS Nguyễn Ngọc Long đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi hiệu chỉnh và hoàn

thiện luận án./

Hà Nội, ngày 16 tháng 06 năm 2014

NGHIÊN CỨU SINH

Ngô Châu Phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN xiii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 CỌC KHOAN NHỒI VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ HẠ TẦNG 5

1.1.1 Khái niệm chung, đặc điểm kết cấu và công nghệ đặc trưng 5

1.1.2 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở trong và ngoài nước 7

1.1.2.1 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trên thế giới 7

1.1.2.2 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở Việt Nam 8

1.1.3 Hiện trạng và đặc điểm sử dụng cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM 10

1.1.3.1 Hiện trạng sử dụng cọc khoan nhồi trong xây dựng công trình ở khu vực Tp.HCM 10

1.1.3.2 Đặc điểm cấu trúc địa chất và phân vùng địa kỹ thuật ở khu vực Tp.HCM 12

1.1.4 Một số đặc điểm kết cấu, công nghệ cọc khoan nhồi ở Việt Nam 15

1.1.4.1 Công tác khảo sát địa chất cho thiết kế cọc khoan nhồi 16

1.1.4.2 Công tác thiết kế cọc khoan nhồi 18

1.1.4.3 Công tác thi công cọc khoan nhồi 18

1.1.4.4 Các phương pháp kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi 19

1.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC KHOAN NHỒI TRÊN CƠ SỞ ĐỘ TIN CẬY

THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ SỐ TẢI TRỌNG VÀ HỆ SỐ SỨC KHÁNG (LRFD) 20

1.2.1 Các khái niệm và thuật ngữ trong tính toán thiết kế 20

1.2.2 Lịch sử phát triển các triết lý thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế 21

1.2.2.1 Cơ sở triết lý thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD) 22

1.2.2.2 Cơ sở triết lý thiết kế theo tải trọng phá hoại (LSD; LFD) 22

1.2.2.3 Cơ sở triết lý thiết kế theo trạng thái giới hạn (thế hệ đầu, TTGH) 22

1.2.2.4 Cơ sở triết lý thiết kế theo Lý thuyết độ tin cậy (RBD) 23

1.2.2.5 Cơ sở triết lý thiết kế theo phương pháp các hệ số độ tin cậy riêng hay hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) 23

1.2.3 Tính toán thiết kế cọc khoan nhồi trong định dạng các bộ tiêu chuẩn LRFD hiện hành 25

1.3 PHÂN TÍCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG CHO CỌC KHOAN NHỒI MỐ TRỤ CẦU Ở NƯỚC NGOÀI TRÊN CƠ SỞ ĐẢM BẢO ĐỘ TIN CẬY 25

1.4 PHÂN TÍCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LRFD VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU Ở VIỆT NAM 28

1.5 NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI 30

1.5.1 Một số tồn tại trong tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ 22TCN272-05 và AASHTO LRFD 2012 (2007) 30

1.5.2 Một số tồn tại của các công trình nghiên cứu khoa học liên quan 31

1.6 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 32

1.7 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

Chương 2 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 33

2.1 CÁC KHÁI NIỆM VÀ THUẬT NGỮ CHUNG 33

2.1.1 Các định nghĩa và thuật ngữ trong lý thuyết xác suất thống kê 33

2.1.2 Các định nghĩa và thuật ngữ trong lý thuyết độ tin cậy 34

2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THỐNG KẾ CỦA BIẾN NGẪU

NHIÊN 36

2.2.1 Lựa chọn loại biến (mẫu) ngẫu nhiên thống kê và xác định cỡ mẫu tối thiểu 37

2.2.2 Phương pháp kiểm định loại bỏ những số liệu bất thường 39

2.2.3 Ước lượng sơ bộ các tham số đặc trưng của biến gộp ngẫu nhiên tương đối 39

2.2.4 Phương pháp kiểm định phân phối xác suất phù hợp cho biến gộp ngẫu nhiên

40

2.2.5 Phương pháp hiệu chỉnh đặc trưng thống kê cho biến gộp ngẫu nhiên 41

2.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY 44

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC

CỌC KHOAN NHỒI MỐ TRỤ CẦU 46

2.4.1 Phương pháp xác định hệ số sức kháng phù hợp với hệ số an toàn theo triết lý

thiết kế ứng suất cho phép (ASD) 47

2.4.2 Phương pháp xác định hệ số sức kháng theo phương pháp mômen thứ cấp bậc

CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU 55

2.6 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2 57

Chương 3 PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ SỐ SỨC

KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU Ở KHU

VỰC TP.HCM 58

3.1 CÁC YẾU TỐ BẤT ĐỊNH VÀ ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA HIỆU ỨNG

TẢI CẦU ĐƯỜNG BỘ 59

3.3.2 Theo tiêu chuẩn TCXDVN 205-98 và JRA 2002-SHB_Part IV 65

3.4 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỰC HẠN THỰC ĐO CHO CỌC KHOAN NHỒI 67

3.5 PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CHO BIẾN GỘP SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU THEO CƯỜNG ĐỘ ĐẤT NỀN Ở KHU VỰC TP.HCM 68

3.5.1 Khảo sát thu thập cơ sở dữ liệu thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục phục vụ nghiên cứu 68

3.5.2 Phân tích đặc trưng thống kê dữ liệu 72

3.6 ĐỀ XUẤT ĐẶC TRƯNG THỐNG KẾ CỦA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG 81

3.7 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 3 83

Chương 4 NGHIÊN CỨU ĐỊNH CHUẨN VÀ ĐỀ XUẤT HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU THEO ĐIỀU KIỆN CƯỜNG ĐỘ ĐẤT NỀN Ở KHU VỰC TP.HCM 85

4.1 LỰA CHỌN, ĐỀ XUẤT CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY MỤC TIÊU CHO THIẾT KẾ CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU 85

4.1.1 Khái niệm về việc thiết lập chỉ số độ tin cậy mục tiêu 85

4.1.2 Phân tích, đánh giá chỉ số độ tin cậy mục tiêu (t) trong các tiêu chuẩn thiết kế, công trình nghiên cứu và đề xuất chọn t cho thiết kế cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu 87

4.2 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU 89

4.3 SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HỆ SỐ SỨC KHÁNG TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ HIỆN HÀNH VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỦA LUẬN ÁN 95

4.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 4 102

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

PHỤ LỤC 114

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi 5

Hình 1.2 Mô hình làm việc của cọc khoan nhồi 5

Hình 1.3 Bản đồ phân vùng địa kỹ thuật Tp.HCM, tỷ lệ 1:50.000 13

Hình 1.4 Quá trình khảo sát, thiết kế và thi công của cọc khoan nhồi 16

Hình 1.5 Đồ thị hàm mật độ phân phối xác suất của hiệu ứng tải (Q) và sức kháng (R) 24

Hình 2.1 Hàm mật độ xác suất tích lũy của biến gộp sức kháng .42

Hình 2.2 Đồ thị các hàm mật độ xác suất phân phối chuẩn của sức kháng, R (biến gộp sức kháng, λ R ), hiệu ứng tải, Q (biến gộp hiệu ứng tải, λ Q ) và quãng an toàn, G 45

Hình 2.3 Đồ thị hàm mật độ xác suất phân phối loga chuẩn của quãng an toàn (G) 46

Hình 2.4 Sơ đồ khối tóm tắt trình tự các bước phân tích xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi trên cơ sở đảm bảo mức độ chỉ số độ tin cậy mục tiêu 56

Hình 3.1 Sơ đồ các yếu tố ảnh hưởng đến xác định hệ số sức kháng (φ) 59

Hình 3.2 Đồ thị quan hệ tải trọng thử và độ lún (xác định sức kháng đỡ cọc khoan nhồi thực đo 68

Hình 3.3 Sơ họa 24 vị trí thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM 70

Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ giữa sức kháng thực đo (R td ) và sức kháng dự tính (R dt) 75

Hình 3.5 Đồ thị hàm mật độ phân phối và kiểm định phân phối cho biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtRO88-272) 76

Hình 3.6 Các hàm phân phối tích lũy gần đúng (chuẩn, loga, loga hiệu chỉnh) của biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtRO88-272) 76

Hình 3.7 Đồ thị hàm mật độ phân phối và kiểm định phân phối cho biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtOR99-AL12) 77

Hình 3.8 Các hàm phân phối tích lũy gần đúng (chuẩn, loga, loga hiệu chỉnh) của biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtOR99-AL12) 77

Hình 3.9 Đồ thị hàm mật độ phân phối và kiểm định phân phối cho biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtSNIP-205) 78

Hình 3.10 Các hàm phân phối tích lũy gần đúng (chuẩn, loga, loga hiệu chỉnh) của biến

Hình 4.1 Mối quan hệ giữa độ tin cậy và các chi phí xây dựng, khai thác 86

Hình 4.2 Đồ thị quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt và hệ số sức kháng,  theo

phương pháp FORM với các đặc trưng thống kê biến gộp sức kháng không hiệu chỉnh)

91

Hình 4.3: Đồ thị quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt và hệ số sức kháng, 

(theo phương pháp FORM với các đặc trưng thống kê của biến gộp sức kháng được

hiệu chỉnh theo phương pháp Best fit to tail) 91

Hình 4.4: Đồ thị quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt và hệ số sức kháng, 

(theo phương pháp Monte Carlo (MCS) với các đặc trưng thống kê biến gộp sức kháng

không hiệu chỉnh) 92

Hình 4.5: Đồ thị quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt và hệ số sức kháng, 

(theo phương pháp Monte Carlo (MCS) với các đặc trưng thống kê của biến gộp sức

kháng được hiệu chỉnh theo phương pháp Best fit to tail) 92

Hình 4.6: Đồ thị quan hệ giữa sức kháng thực đo và sức kháng thiết kế với hệ số sức

kháng theo tiêu chuẩn thiết kế 99

Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa sức kháng thực đo và sức kháng thiết kế với kết quả

nghiên cứu hệ số sức kháng của luận án 99

Bảng 1.4 Tên khu địa kỹ thuật, đặc điểm cấu trúc nền và địa chất 14

Bảng 1.5 Thống kê một số tồn tại trong tiêu chuẩn thiết kế cầu thiết kế cầu đường bộ

22TCN272-05 và AASHTO LRFD 2012 (2007) 31

Bảng 2.1 Hằng số C liên quan đến xác suất sai lầm loại I và II 38

Bảng 2.2 Giá trị các hệ số sức kháng phù hợp với các giá trị hệ số an toàn, các tỉ số

QD /Q L khác nhau và γ D =1,25, γ L =1,75 48

Bảng 3.1 Hệ số sức kháng đỡ cọc khoan nhồi cho 4 phương pháp dự tính sức kháng 64

Bảng 3.2 Tóm tắt công thức tính sức kháng đỡ dọc trục danh định đơn vị của CKN

theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 và AASHTO LRFD 2012 66

Bảng 3.3 Tóm tắt công thức tính sức kháng đỡ danh định đơn vị của cọc khoan nhồi

theo tiêu chuẩn TCXDVN 205-98 và JRA 2002-Part IV 67

Bảng 3.4 Thống kê đặc điểm của 24 cọc khoan nhồi thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc

trục 70

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp số liệu khảo sát thu thập kết quả thí nghiệm thử tải tĩnh cọc

khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM và so sánh với một số công trình nghiên cứu của tác

giả nước ngoài 72

Bảng 3.6 Thống kê cấu tạo cọc khoan nhồi, sức kháng đỡ thực đo, danh định dự tính

và đặc trưng thống kê biến gộp sức kháng đỡ cọc khoan nhồi (λ R) theo 4 phương pháp

dự tính cho 24 cọc thí nghiệm thử tải tĩnh 73

Bảng 3.7 Tổng hợp so sách kết quả phân tích đặc trưng thống kê với một vài nghiên

cứu khác ở nước ngoài 80

Bảng 3.8 Bảng tóm tắt đề xuất đặc trưng thống kê của các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số

sức kháng đỡ trục cọc khoan nhồi theo điều kiện cường độ đất nền 82

Bảng 4.1 Đề xuất mức độ chỉ số độ tin cậy mục tiêu (β t ), xác suất sự cố cho phép [P f]

cho thiết kế móng cọc khoan nhồi theo điều kiện cường độ đất nền .88

Bảng 4.2 Kết quả xác định hệ số sức kháng () cho 4 phương pháp dự tính sức kháng

từ các đặc trưng thống kê biến gộp tải trọng và sức kháng tương ứng với chỉ số độ tin

cậy mục tiêu, βt 90

Bảng 4.3 Bảng tổng hợp so sánh hệ số sức kháng  giữa kết quả nghiên cứu của luận

án với một số kết quả nghiên cứu và tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước 93

Bảng 4.4 Bảng liệt kê các hệ số sức kháng theo tiêu chuẩn thiết kế (φ tc) và kết quả

nghiên cứu của luận án (φ nc) theo 4 phương pháp dự tính và điều kiện đất nền 96

Bảng 4.5 Thống kê sức kháng đỡ thiết kế dự tính, đặc trưng thống kê biến gộp sức

kháng thiết kế của cọc khoan nhồi (λ tk R) theo 4 phương pháp dự tính với hệ số sức

kháng theo tiêu chuẩn và độ tin cậy tương ứng 97

Bảng 4.6 Thống kê sức kháng đỡ thiết kế dự tính, đặc trưng thống kê biến gộp sức

kháng đỡ thiết kế của cọc khoan nhồi (λ tk R) theo 4 phương pháp dự tính với kết quả

nghiên cứu hệ số sức kháng của luận án và độ tin cậy tương ứng 100

THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AASHTO American Association of State Highway and Transportation

Officials (Hiệp hội giao thông và vận tải đường bộ Mỹ) ASD Allowable Stress Design (Thiết kế theo ứng suất cho phép)

FHWA Federal Highway Administration (Cục Quản lý Đường bộ Liên

bang Mỹ) GTVT Giao thông vận tải

JCSS Joint Committee on Structural Safety (Ủy ban Liên hiệp về an

toàn kết cấu) JRA Japan Road Association (Hiệp hội Đường bộ Nhật Bản)

KCCT Kết cấu công trình

CKN Cọc khoan nhồi

LRFD Load and Resistance Factor Design (Thiết kế theo hệ số tải

trọng và hệ số sức kháng) LFD Load Factor Design (Thiết kế theo hệ số tải trọng)

NCHRP The National Cooperative Highway Research Program

(Chương trình nghiên cứu quốc gia về đường bộ) TTGH Trạng thái giới hạn

BCB Biến cơ bản

BNN Biến ngẫu nhiên

ĐLNN Đại lượng ngẫu nhiên

BGNN Biến gộp ngẫu nhiên tương đối (không thứ nguyên)

BFTT Best Fit To Tail (Phương pháp hiệu chỉnh hàm (đường) phân

phối thực nghiệm gần đúng cho phù hợp với các giá trị thực ở

vùng đuôi của phân phối) [33], [34]

PPXS Phân phối xác suất

PPTL Phân phối xác suất tích lũy

ĐTC Độ tin cậy, hay xác suất làm việc an toàn

RBD Reliability-Based Design methodology (Phương pháp thiết kế

theo độ tin cậy) FOSM First-Order, Second-Moment (Phương pháp mô men thứ cấp

Thuật ngữ Ý nghĩa

bậc nhất) FORM First-Order, Reliability Method (Phương pháp độ tin cậy bậc

nhất) MCS Monte Carlo Method (Phương pháp mô phỏng Monte Carlo)

RO88-272 Phương pháp Reese&O'Neill (1988) trong tiêu chuẩn

22TCN272-05 (xác định sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu)

OR99-AL12 Phương pháp O'Neill&Reese (1999) trong tiêu chuẩn AASHTO

LRFD 2012 (2007) SNIP-205 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn của Nga, SNIP 2.02.03-

85 trong tiêu chuẩn TCXDVN205-98 SHB4-JRA02 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn của Nhật, JRA 2002-

SHB_Part IV

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

Q ( Q dti ,

Q tdi )

Hiệu ứng tải trọng danh định dự tính (hoặc thực đo) do tải trọng và tác động của

tải trọng tổng hoặc thứ i gây ra cho kết cấu (như: lực dọc trục, mômen, lực cắt,

chuyển vị,…)

Q , Q D , Q L Đại lượng ngẫu nhiên hiệu ứng tải trọng tổng, hiệu ứng tĩnh tải và hiệu ứng hoạt

tải (gọi tắt là biến tải trọng tổng, biến tĩnh tải và biến hoạt tải)

Q Ddt , Q Dtd Hiệu ứng tĩnh tải danh định dự tính và thực đo

Q Ldt ,Q Ltd Hiệu ứng hoạt tải danh định dự tính và thực đo

Q ( Q ) Hiệu ứng tải trung bình thực đo của tải trọng tổng, Q = Q Q dt , với Q: giá trị

trung bình của biến gộp tải trọng tổng (λ Q)

Q D ( D) Hiệu ứng tải trung bình thực đo của tĩnh tải, Q D = D Q Ddt , với D: giá trị

trung bình của biến gộp tĩnh tải (λ D)

Q L ( L) Hiệu ứng tải trung bình thực đo của hoạt tải, Q L = L Q Ldt , với Llà giá trị

trung bình của biến gộp hoạt tải (λ L)

λ Q Biến gộp ngẫu nhiên tương đối của hiệu ứng tải trọng tổng (gọi tắt là biến gộp

tải trọng), là tỉ số giữa giá trị thực đo và dự tính (λ Q =Q tdi /Q dti)

λ D Biến gộp ngẫu nhiên tương đối của hiệu ứng tĩnh tải (gọi tắt là biến gộp tĩnh

tải), là tỉ số giữa giá trị thực đo và dự tính (λ D =Q Dtdi /Q Ddti)

λ L Biến gộp ngẫu nhiên tương đối của hiệu ứng hoạt tải (gọi tắt là biến gộp hoạt

tải), là tỉ số giữa giá trị thực đo và dự tính (λ L =Q Ltdi /Q Ldti)

Q

 , D , L Giá trị trung bình của biến gộp tải trọng tổng (λ Q ), tĩnh tải (λ D ) và hoạt tải (λ L)

σ Q , σ D , σ L , Độ lệch chuẩn của biến tải trọng tổng (Q), tĩnh tải (Q D ) và hoạt tải (Q L)

σ λ Q , σ λ D , σ λ L , Độ lệch chuẩn của biến gộp tải trọng tổng (λ Q ), tĩnh tải (λ D ) và hoạt tải (λ L)

V Q , V D , V L Hệ số biến thiên của biến tải trọng tổng (Q), tĩnh tải (Q D ) và hoạt tải (Q L)

Sức kháng đỡ dọc trục danh định dự tính (hoặc thực đo) của cọc khoan nhồi

móng mố trụ cầu theo điều kiện đất nền của cọc thứ i (gọi tắt là sức kháng)

R Đại lượng ngẫu nhiên sức kháng tổng (gọi tắt là biến sức kháng)

R dt , R td Sức kháng danh định dự tính và thực đo

R( R) Sức kháng trung bình thực đo của cọc khoan nhồi, R = R R dt , với R: giá trị

trung bình của biến gộp sức kháng (λ R)

λ R Biến gộp ngẫu nhiên tương đối của sức kháng đỡ tổng (gọi tắt là biến gộp sức

kháng), là tỉ số giữa giá trị thực đo và dự tính (λ R =R tdi /R dti)

σ R , V R Độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến sức kháng (R)

L

 , σ λ D , V λ R

Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến gộp sức kháng

(λ R)

Ký hiệu Ý nghĩa, cách tính

G Đại lượng ngẫu nhiên của quãng an toàn, G=R-Q (gọi tắt là biến G)

G , σ G , V G Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến, G

X Biến ngẫu nhiên (có giá trị là tuyệt đối hay tương đối)

x i Giá trị thứ i trong tập dữ liệu (mẫu) của biến X

 Tập dữ liệu hay là tập mẫu khảo sát

X ,  X , V X Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến X

lnx ,  lnx Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn theo loga của biến X

P(E) Xác suất của sự kiện E

f(.) Hàm mật độ xác suất (Probability Density Function), gọi tắt là hàm mật độ

F(.) Hàm phân phối tích lũy (Cumulative Fistribution Function), gọi tắt là hàm phân phối

f(R), f(Q),

f(G), f(X) Hàm mật độ của biến sức kháng (R), biến tải trọng (Q), biến quãng an toàn (G) và biến X

F(R), F(Q),

F(G), F(X) Hàm phân phối của biến sức kháng (R), biến tải trọng (Q), biến quãng an toàn (G) và biến X

FS Hệ số an toàn áp dụng cho trạng thái giới hạn khi sử dụng phương pháp thiết kế

theo ứng suất cho phép (ASD)

n Số lượng các phép thử thống kê (cỡ mẫu, số lượng đối tượng trong tập dữ liệu)

P f Giá trị xác suất sự cố (hư hỏng)

P s Giá trị xác suất không sự cố hay độ tin cậy

P true Giá trị xác suất sự cố thực tế

Z Biến phân phối chuẩn hóa (có giá trị trung bình bằng không và độ lệch chuẩn

bằng 1)

β Chỉ số độ tin cậy

β t Chỉ số độ tin cậy mục tiêu

γ Q , γ D , γ L Hệ số tải trọng tổng, hệ số tĩnh tải và hoạt tải

η Hệ số liên quan đến độ dư thừa, tính dẻo và tính quan trọng

φ Hệ số sức kháng đỡ tổng dọc trục cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu (gọi tắt là hệ

số sức kháng)

MỞ ĐẦU

Bằng việc nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực nền móng công trình, luận án đã đề nghị mô hình xác định

hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu trên cơ sở đặc trưng thống kê

của tỷ số giữa giá trị thực đo và giá trí dự tính của hai đại lượng sức kháng (R)

và hiệu ứng tải (Q) Từ đó, qua phân tích xác định đặc trưng thống kê của đại

lượng sức kháng dựa trên 24 bộ số liệu thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục cọc khoan nhồi, thi công theo phương pháp ướt (trong vữa sét) trong nền đất hỗn hợp loại dính và rời ở khu vực Tp.HCM và vận dụng các số liệu khác, luận án đã xác định được hệ số sức kháng cho bốn phương pháp tính toán sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện cường độ đất nền: 1) Phương pháp của Nga trong TCXDVN 205-98: φ=0,73; 2) Phương pháp của Nhật (JRA 2002 SHB -Part IV): φ=0,61; 3) Phương pháp Reese&O'Neill (1988): φ=0,54 và 4) Phương pháp O'Neill&Reese (1999): φ=0,53

Lý do chọn đề tài luận án:

Cọc khoan nhồi là cọc bê tông cốt thép được đúc tại lỗ khoan trong đất nền Tuy công nghệ cọc khoan nhồi đã được sử dụng đầu tiên cho Tòa thị chính thành phố Kansas, Mỹ (1890), đến đầu những năm 1950 mới được sử dụng phổ biến trên thế giới [21], [43], ở Việt Nam vào đầu những năm 1990 cho công trình cầu Việt Trì (Phú Thọ) [24], nhưng lý thuyết tính toán thiết kế bao gồm các nội dung dự tính sức kháng, độ lún,… lại phát triển chậm hơn Mãi đến năm 1960-1970, thông qua các chương trình nghiên cứu về thử tải tĩnh với quy mô lớn, tốn nhiều chi phí của Whitaker & Cooke (1966), Reese (1978) và Kulhawy (1989) [76] mới giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về sự làm việc thực tế của cọc khoan nhồi và đến nay một số phương pháp dự tính sức kháng danh định đã được nghiên cứu đề xuất

Trong tính toán thiết kế theo phương pháp LRFD, hệ số sức kháng đỡ dọc trục cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu là hệ số xét đến sự sai lệch ngẫu nhiên,

khó dự đoán chính xác sức kháng đỡ thực tế so với kết quả dự tính sức kháng đỡ

theo lý thuyết nhằm đảm bảo an toàn và tin cậy cho kết cấu móng Cách tiếp cận

để giải bài toán này là xác định quy luật phân bố thống kê của hai đại lượng

ngẫu nhiên sức kháng đỡ (R-khả năng) và hiệu ứng tải trọng (Q-tác động), từ đó

thông qua phân tích độ tin cậy của quãng an toàn (G=R-Q) với độ tin cậy mục

tiêu hay chỉ số độ tin cậy mục tiêu cho trước sẽ xác định được hệ số sức kháng

đỡ này

Một trong những hướng được quan tâm trong lĩnh vực tính toán thiết kế cọc

khoan nhồi trên thế giới là xác định lại các hệ số sức kháng phù hợp với các

phương pháp dự tính sức kháng danh định để thiết kế cọc khoan nhồi theo triết

lý thiết kế xác suất (LRFD, độ tin cậy) trên cơ sở các đặc trưng thống kê của hai

đại lượng ngẫu nhiên không chắc chắn: hiệu ứng tải (Q) và sức kháng (R) Các

kết quả nghiên cứu đã từng bước được sử dụng để cập nhật, bổ sung đưa vào các

bộ tiêu chuẩn, chỉ dẫn thiết kế của các nước tiến tiến ở châu Âu, Nhật Bản, Hàn

Quốc, Trung Quốc và đặc biệt là ở Mỹ

Ở Việt Nam, trong hơn hai thập kỷ qua, cùng với sự phát triển kết cấu hạ

tầng có quy mô lớn (cầu, nhà cao tầng,…) trên nền đất yếu hoặc trong các đô thị,

móng cọc khoan nhồi đã và đang trở thành một trong những giải pháp móng cọc

thường được lựa chọn nhất Mặc dù việc áp dụng tiêu chuẩn thiết cầu

22TCN272-05 (được biên soạn dựa trên tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998-ấn

bản lần thứ hai) đã được sử dụng ở Việt Nam trên 12 năm tính từ bản thử

nghiệm 22TCN272-01, nhưng đến nay vẫn chưa có bất kì dự án hoặc đề tài nào

nghiên cứu tổng kết, phân tích và đánh giá sự khác biệt giữa những quy định

trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD và thực tiễn xây dựng ở Việt Nam nhằm xác

định lại các hệ số sức kháng của các phương pháp dự tính sức kháng để thiết kế

cọc khoan nhồi theo triết lý thiết kế xác suất (LRFD, độ tin cậy) Bởi vì, thực tế

hai đại lượng hiệu ứng tải (Q) và sức kháng (R) phụ thuộc rất nhiều yếu tố, mà

sự thay đổi của các yếu tố này chủ yếu là do đặc thù của vùng miền, lãnh thổ,

đặc điểm kết cấu công trình trên nền đất yếu và đặc biệt là công nghệ và trình độ

thi công cọc khoan nhồi cho mố trụ cầu Điều này ảnh hưởng đến độ tin cậy của

cọc khoan nhồi có thể cao hoặc thấp hơn mức độ của độ tin cậy mục tiêu xác lập

trong các tiêu chuẩn thiết kế Do vậy, để đảm bảo sự làm việc an toàn cho công

trình thì các hệ số sức kháng đỡ cần thiết phải được nghiên cứu và xác định lại

trên cơ sở xem xét một cách đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng như: đặc trưng của đất

nền quanh cọc, kích thước cọc, trình độ công nghệ thi công, tính bất định của

phương pháp dự tính sức kháng danh định và đặc trưng thống kê của hiệu ứng

tải phù hợp với điều kiện Việt Nam nói chung và ở khu vực Tp.HCM nói riêng

Trong thực tiễn áp dụng, cũng có nhiều dự án đã phân tích đánh giá khả

năng chịu tải giữa lý thuyết và thực tế thí nghiệm thử tải với một vài cọc đơn lẻ,

nên chưa có cơ sở xác định lại các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ

cầu trên cơ sở phân tích đặc trưng thống kê và phân tích độ tin cậy theo lý thuyết

tiên tiến hiện nay Do vậy, việc khảo sát thu thập các hồ sơ thí nghiệm thử tải từ

các dự án thực tế với số lượng đủ lớn để làm cơ sở xác định hệ số sức kháng cọc

khoan nhồi móng mố trụ cầu nói riêng trên cơ phân tích độ tin cậy đang là vấn

đề thời sự được các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam quan tâm Đó

chính là lý do mà nghiên cứu sinh chọn đề tài để nghiên cứu

Tên đề tài luận án “Phân tích các yếu tố ảnh hưởng và cơ sở xác định các

hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí

Minh”

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu xác định hệ số sức kháng theo điều

kiện cường độ đất nền tương ứng với các phương pháp dự tính sức kháng cọc

khoan nhồi móng mố trụ cầu trong một số tiêu chuẩn thiết kế hiện hành

Đối tượng nghiên cứu: Cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu

Phạm vi nghiên cứu: Sức kháng dự tính và sức kháng thực tế từ hồ sơ thí

nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM trên nền đất

hỗn hợp loại dính và rời (cát, cát pha, sét, bùn sét, sét pha, ), thi công theo

phương pháp ướt; nghiên cứu xác định hệ số sức kháng chung theo điều kiện

cường độ đất nền cho bốn phương pháp dự tính sức kháng đỡ dọc trục cọc khoan

nhồi móng mố trụ cầu: 1) Phương pháp của Nga trong TCXDVN 205-98; 2)

Phương pháp của Nhật (JRA 2002 SHB -Part IV); 3) Phương pháp

Reese&O'Neill (1988) và 4) Phương pháp O'Neill&Reese (1999) Các vấn đề

nghiên cứu về quy luật phân bố thống kê tải trọng động, hệ số sức kháng đỡ

chung cho các loại nền đất, địa phương và loại công trình khác cũng như hệ số

sức kháng đỡ dọc bên thân cọc, mũi cọc là những vấn đề lớn chưa thực hiện ở

luận án này và được đề xuất cho hướng nghiên cứu tiếp theo

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Ứng dụng lý thuyết tiên tiến về phân tích thống kê và độ tin cậy, đề

nghị mô hình xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu trên cơ

sở đặc trưng thống kê của tỷ số giữa giá trị thực đo và giá trí dự tính của hai đại

lượng sức kháng (R) và hiệu ứng tải (Q);

- Luận án đã phân tích xác định đặc trưng thống kê của tỷ số giữa giá trị

thực đo và giá trị dự tính sức kháng; xác định hệ số sức kháng cho bốn phương

pháp dự tính sức kháng cọc khoan móng mố trụ cầu từ 24 bộ hồ sơ thí nghiệm

thử tải tĩnh cọc khoan nhồi trong nền đất loại đất hỗn hợp dính và rời ở khu vực

Tp.HCM và các số liệu vận dụng khác

- Luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo trong công tác nghiên

cứu thiết kế và thi công đánh giá sức kháng đỡ cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu

ở khu vực Tp.HCM và có thể cho các vùng có địa chất tương tự

Bố cục luận án: bao gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến

nghị như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nghiên cứu phương pháp xác định hệ số sức kháng cọc khoan

nhồi theo lý thuyết độ tin cậy;

Chương 3: Phân tích đặc trưng thống kê của các yếu tố ảnh hưởng đến sức

kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện cường độ đất nền trong

điều kiện khu vực Tp.HCM;

Chương 4: Nghiên cứu đề xuất hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố

trụ cầu theo điều kiện đất nền cho đất hỗn hợp loại dính và rời ở khu vực

Tp.HCM

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 CỌC KHOAN NHỒI VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ

SỞ HẠ TẦNG

1.1.1 Khái niệm chung, đặc điểm kết cấu và công nghệ đặc trưng

Cọc khoan nhồi của móng mố, trụ cầu hay gọi tắt là cọc khoan nhồi

(CKN, Drilled Shafts, Bored Piles): Là một bộ phận của móng mố, trụ cầu;

được thi công bằng cách đổ bê tông trong lỗ khoan sẵn có hoặc không có cốt

thép với đường kính đến 5m, chiều dài đến trên 100m và sức chịu tải đến trên

3.000 tấn Cọc khoan nhồi tiếp nhận các tải trọng (hiệu ứng tải trọng, Q) từ bệ

móng rồi truyền xuống đất nền xung quanh và mũi cọc [1], [21], [76]

Cọc khoan nhồi có thể là cọc có tiết diện hình trụ không đổi trong suốt

chiều dài cọc, loại cọc này được gọi là cọc khoan nhồi đơn giản; hay có hình trụ

khoan bình thường nhưng khi gần đến đáy thì dùng gầu đặc biệt để mở rộng đáy

hố khoan (Hình 1.1), cũng có thể sử dụng một lượng nhỏ thuốc nổ để mở rộng

đáy; ngoài mở rộng đáy còn mở rộng nhiều đợt ở thân cọc để tăng sức chịu tải

của cọc [1], [21], [76]

Hình 1.1 Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi

(có mở rộng đáy cọc)

Hình 1.2 Mô hình làm việc của cọc khoan nhồi

Q ≤ R = R s +R p

- Hiệu ứng tải trọng

R - Sức kháng của cọc khoan nhồi

Dựa vào đặc điểm môi trường khoan tạo lỗ, giữ ổn định thành lỗ khoan và

đúc cọc trong nền đất, công nghệ thi công cọc khoan nhồi được phân thành bốn

phương pháp: khô, ướt, có ống vách và hỗn hợp [24], [33], [76] Chi tiết các

khái niệm này như sau:

- Phương pháp thi công cọc khoan nhồi khô (Dry Construction

Method): Là phương pháp khoan tạo lỗ và đúc cọc trong môi trường khô Áp

dụng cho nền đất tốt và không có nước ngầm

- Phương pháp thi công cọc khoan nhồi ướt hay còn gọi là phương

pháp ướt (Wet Construction Method, Wet (slurry): bentonite, water):

Khoan tạo lỗ và đúc cọc trong môi trường nước hoặc bùn khoan

(slurry-bentonite) và có một đoạn ống vách ngắn tạm ở miệng lỗ khoan Áp dụng cho

nền đất dính, rời và có mực nước ngầm cao

- Phương pháp thi công CKN có ống vách ( Casing Construction

Method ): Khoan tạo lỗ và đúc cọc hoàn toàn trong ống vách tạm (có sử dụng

nước hoặc bùn khoan để chống bẹp ống vách) Phương pháp này áp dụng cho

điều kiện địa chất phức tạp (bùn lỏng, cát chảy, hang động cáctơ,…) mà phương

pháp ướt khó có thể thi công tốt

- Phương pháp thi công CKN hỗn hợp (ống vách-ướt, Combined): là

phương pháp hỗn hợp của 2 phương pháp thi công có ống vách và ướt Áp dụng

cho điều kiện địa chất phức tạp ở tầng trên (hoặc trên sông nước)

Dựa vào đặc điểm chịu lực của cọc khoan nhồi theo điều kiện đất nền, cọc

khoan nhồi được phân làm 3 loại: cọc chống, cọc ma sát và đồng thời cả ma sát

và chống [1], [21], [76] Chi tiết các khái niệm này như sau:

- Cọc khoan nhồi ma sát và chống (Combination Friction and Bearing

Bored Pile): Sức chịu tải hay sức kháng của cọc, R, có được từ cả hai sức

kháng bên, R s , và sức kháng mũi cọc, R p, xem Hình 1.2

- Cọc khoan nhồi chống (Bearing Bored Pile, Point-Bearing Bored

Pile): Cọc chỉ chống và ngàm vào tầng đá ở mũi cọc (trên tầng đá là đất bùn

yếu, hữu cơ) Sức kháng của cọc (R) có được chủ yếu từ sức kháng mũi cọc (Rp)

và một phần nhỏ sức kháng bên của đất đá quanh mũi cọc (R s)

- Cọc khoan nhồi ma sát (cọc khoan nhồi treo, Friction Bored Pile):

Cọc xuyên qua các tầng đất chịu tải trung bình đến tốt và tầng đất ở mũi cọc

chịu tải kém Sức kháng của cọc (R) có được chủ yếu từ sức kháng bên cọc (R s)

(do lực ma sát (sức kháng bên đơn vị, qs) giữa cọc và đất nền xung quanh cọc)

Ưu điểm của cọc khoan nhồi: có thể áp dụng rộng rãi với các loại đất nền

như: Đất sét, đất cát, đất sỏi sạn, đất sỏi cuội, đá phong hóa, đá nguyên khối

Thích hợp với các loại kết cấu như: móng nhà cao tầng; móng cầu: cầu dầm giản

đơn, cầu dầm liên tục, cầu vòm, cầu khung, cầu dây văng, dây võng, … Có thể

thi công được cả chỗ nước sâu Đường kính mặt cắt có thể đến 5m, chiều dài cọc

có thể hơn 100m

Một lợi thế lớn nhất của cọc nhồi đó là phương pháp khoan, cho phép hạn

chế đến mức tối đa ảnh hưởng do rung động cũng như tiếng ồn đối với một số

công trình lân cận đã được xây dựng hoặc khu dân cư đông đúc

Giá thành hạ: Tiết kiệm kinh phí xây dựng

Trong quá trình thi công vẫn có thể kiểm tra lại địa tầng, từ đó căn cứ vào

địa chất thực tế mà có thể điều chỉnh chiều dài và đường kính cọc

Nhược điểm của cọc khoan nhồi: Tác nghiệp tại hiện trường nhiều, khó

thi công theo phương pháp lắp ghép, công xưởng hóa; còn dùng nhiều đến lao

động chân tay, chất lượng cọc phụ thuộc rất nhiều vào trình độ và kinh nghiệm

của công nhân; sau khi cọc đúc xong, công tác kiểm tra đánh giá chất lượng cọc

tương đối khó khăn Quá trình thi công còn tồn tại một số vấn đề khó xử lý như:

Sụt lở thành vách, không rửa sạch lỗ khoan, mất dung dịch trong lỗ khoan,

không rút được ống vách lên,…

1.1.2 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở trong và ngoài nước

1.1.2.1 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trên thế giới

Trong khoảng gần 20 năm qua và hiện nay, có rất nhiều công trình cầu lớn,

đường cao tốc, metro, trên thế giới đều sử dụng cọc khoan nhồi làm móng trụ

cầu chính hoặc mố trụ nhịp dẫn như Cầu Millau-Pháp (2004), mỗi tháp chính sử

dụng 4 cọc khoan nhồi đường kính 5,0m/7m-mở rộng đáy, chiều dài đến 15m,

mũi cọc ngàm vào đá; Cầu Russky-Nga (2012), mỗi tháp chính sử dụng 120 cọc

khoan nhồi đường kính 2,0m, chiều dài đến 77m, mũi cọc ngàm vào đá; Cầu

SuTong-Trung Quốc (2007), mỗi tháp chính sử dụng 131 cọc khoan nhồi đường

kính 2,8m, chiều dài đến 116m; Tuyến đường bộ cao tốc 2 Bangkok-Thái Lan

(2000), sử dụng 8.480 cọc khoan nhồi đường kính 1,2m, chiều dài đến 60m,

xem Bảng 1.1

Bảng 1.1 Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc

khoan nhồi trên thế giới

Đặc điểm cọc khoan nhồi STT Dự án-Địa điểm/Năm xây dựng (cao) công Chiều dài

trình Số cọc Đ.Kính (m) C.Dài (m)

Ghi Chú

1 Cambuchia/2011-2015 Cầu Neak Loeung- 2,2Km 148 1,0; 1,2; 2,5 55-62

2 Cầu Rama VIII-Thái Lan/1999-2002 2,45Km 766 0,5-1,5 21-54

12 Audubon-Mỹ/2011 Cầu John James 6,44Km 2,4 53-55

13 Cầu Benicia

1.1.2.2 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở Việt Nam

Trong hơn 20 năm qua và hiện nay, hầu như các giải pháp móng cho công

trình giao thông, dân dụng và công nghiệp có quy mô lớn hoặc xây dựng trong

đô thị ở Việt Nam đều sử dụng móng cọc khoan nhồi Cụ thể như Cầu Việt

trì-Vĩnh Phúc (1992), sử dụng 36 cọc khoan nhồi đường kính 1,3m, chiều dài đến

29m; Cầu Nhật Tân-Hà Nội (2014), bên cạnh sử dụng móng cọc ống thép dạng

giếng cho các trụ tháp chính còn sử dụng đến 950 cọc khoan nhồi đường kính

1,5m, chiều dài đến 42m; Cầu Rồng-Đà Nẵng (2013), sử dụng 157 cọc khoan

nhồi đường kính 1,5~2,0m, chiều dài đến 36m; Cầu Cần Thơ (2010), sử dụng

240 cọc khoan nhồi đường kính 1,2~2,5m, chiều dài đến 95m; Cầu Vàm Cống

(2013-2017) sử dụng 690 cọc khoan nhồi đường kính 1,5~2,5m, chiều dài đến

116m; Tuyến Cao tốc Sài Gòn-Trung Lương (2010), sử dụng 4.898 cọc khoan

nhồi đường kính 1,0~2,0m, chiều dài đến 60m; Tuyến Metro số 1, Bến

Thành-Suối Tiên, Tp.HCM (2012-2018), sử dụng trên 3.500 cọc khoan nhồi đường

kính 1,0~2,0m, chiều dài đến 78m; Cao ốc Royal City-Hà Nội (2013) sử dụng

2.815 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~1,5m, chiều dài đến 64m; Tòa nhà

ESTELLA-Tp.HCM (2008), sử dụng 283 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~1,2m,

chiều dài đến 84m và còn nhiều dạ án điển hình khác như ở Bảng 1.2 và 1.3

Bảng 1.2 Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc

khoan nhồi ở Việt Nam

1 Cầu Việt Trì-Vĩnh

Phúc/1990-1992 372,88m 36 1,3 29

2 Cầu Thanh Trì-Hà Nội/2002-2007 3.084m 1.339 1,0;-1,5; 2,0 50~57

81 cọc có hiện tượng bê tông không đồng nhất hoặc thiếu bê tông ở chiều dài 1- 5m đoạn mũi cọc

3 Cầu Vĩnh Tuy-Hà

Nội/2005-2010 3.690 m >216 2,0 53

Sạt lở thành lỗ khoan, Bê tông mũi cọc bị xốp ở Trụ

10 Tòa nhà Royal City-Hà Nội/2010-2013 2.815 1,0; 1,2; 1,5 64

11 Quảng Bình/2003-2009 Cầu Quảng Hải 2- 285m 20 1,2 49-50 sự cố sụt lún cọc khi đổ bê tông (do hạng ngầm karst)

12 Cầu Thuận Phước-Đà Năng/2003-2009 1,856 Km 116 1,5; 2,5 50-74

Sự cố sạt lở thành vách, có cọc công tác thổi rửa vệ sinh mũi cọc tới 10 ngày

và khối lượng vữa bơm vào cũng gấp 3-4 lần khối lượng tính toán

15 Cầu Gò Găng-Bà Rịa Vũng Tàu/2005-2008 1,152Km 1,0; 1,5; 2,0 70

16 Cầu Cổ Chiên-Bến

Tre-Trà Vinh/2013-2016 1599m >246

1,5 – 1,8

Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những thành phố năng động và phát

triển bậc nhất ở Việt Nam, nên trong thời gian qua có rất nhiều dự án công trình

dân dụng, giao thông có quy mô lớn sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi

Điển hình như Tòa nhà Everich II, Q.7, Tp.HCM (2010) sử dụng 406 cọc khoan

nhồi đường kính 1,0~2,0m, chiều dài đến 95m; Đại lộ Đông tây Tp.HCM

(2011), sử dụng 1.167 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~1,5m, chiều dài đến 57m;

Cầu Sài Gòn 2- Tp.HCM (2013) sử dụng 324 cọc khoan nhồi đường kính

1,2~2,0m, chiều dài đến 79m, (Xem Bảng 1.3 và Bảng 3.4)

Bảng 1.3 Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc

khoan nhồi ở Khu vực Tp.HCM

(m)

C.Dài (m)

4 Tp.HCM/2012-2013 Cầu Sài Gòn 2- 987m 324 1,2; 2,0 55-79 Rơi gầu khoan

5 Đại lộ Đông tây

cọc 0,5m

9 Cao tốc Sài Gòn-Trung Lương/2004-2010 61,9km 4.898 1,0; 1,2; 2,0 40-60

10 Khách sạn Amara -Q.3, Tp.HCM 1,0 40 Sự cố: bùn lắng đọng nhiều ở đáy lỗ khoan

Qua Bảng 1.3 và Bảng 3.4, nhận thấy, đặc điểm sử dụng cọc khoan nhồi ở

đây có chiều dài cọc lớn (trung bình 60m, lớn nhất 104m), thi công cọc theo

phương pháp ướt (trong vữa sét), thân cọc xiên qua tầng đất yếu dày, mũi cọc

tựa trên nền đất rời (cát) hoặc dính (sét), chiều cao mực nước ngầm lớn Các đặc

điểm này được xem là những nguyên nhân khách quan dẫn đến các sự cố cho

cọc khoan nhồi làm suy giảm chất lượng và khả năng chịu tải mặc dù đã có

nhiều tiến bộ trong quản lý, sử dụng các trang thiết bị thi công hiện đại và trình

độ tay nghề

1.1.3.2 Đặc điểm cấu trúc địa chất và phân vùng địa kỹ thuật ở khu vực

Tp.HCM

Bản đồ phân vùng địa kỹ thuật phân chia vùng nghiên cứu ra các diện tích

có những đặc điểm tương đồng về điều kiện địa chất công trình Các nguyên tắc

của phân vùng địa chất công trình đáp ứng được mục đích của phân vùng địa kỹ

thuật nên cũng được áp dụng cho bản đồ này Vì vậy, bản đồ phân vùng địa kỹ

thuật được xây dựng trên nền bản đồ phân vùng địa chất công trình, trong đó chú

trọng hơn đến yếu tố cấu trúc nền đất Ở cấp bản đồ địa chất công trình tỉ lệ

1:50.000, đơn vị phân vùng địa chất công trình là miền, vùng và khu [27]

Theo quan điểm địa chất công trình có 3 tầng cấu trúc như sau [27]:

Tầng cấu trúc trên: Là lớp phủ trên cùng của tầng cấu trúc phủ Cenozoi có

bề dày không lớn (<40m) Gồm ba tập trầm tích Holocen dưới - giữa (Q21-2),

Holocen giữa trên (Q22-3) và Holocen trên (Q23) Có thời gian thành tạo trẻ

nhất nên mức độ cố kết của đất là kém nhất, không thích hợp làm nền tự nhiên

cho các loại công trình Cần áp dụng những giải pháp xử lý, gia cố móng thích

hợp, tốn kém

Tầng cấu trúc giữa được cấu thành bởi các thành tạo trầm tích Pleistocen

(Q1), Pliocen (N22 và N21), và Miocen muộn (N13), phát triển rộng và sâu trên

diện tích nghiên cứu Các trầm tích có thời gian thành tạo lâu, mức độ cố kết tốt,

thích hợp làm nền cho các công trình

Tầng cấu trúc dưới được cấu tạo nên bởi các thành hệ lục nguyên carbonat

tuổi Jura sớm, các thành hệ trầm tích lục nguyên phun trào Jura muộn – Creta và

thành hệ granitoit kiềm vôi tuổi Creta muộn Tầng cấu trúc dưới chỉ có ý nghĩa

làm vật liệu xây dựng như sét gạch ngói, phụ gia xi măng từ các sản phẩm

phong hóa của chúng và đá xây dựng

Từ 22 khu địa chất công trình, dựa theo trật tự cấu trúc của các phức hệ

thạch học (đơn nguyên tính toán) từ trên xuống dưới, trong đó chú trọng đến bề

dày của từng phức hệ (tương quan giữa các lớp nền trên và dưới về thành phần

thạch học và bề dày) Bản đồ phân vùng địa kỹ thuật ở Tp.HCM được phân

thành 12 khu địa kỹ thuật như Hình 1.4 và chú thích như Bảng 1.4 [27]

Hình 1.3 Bản đồ phân vùng địa kỹ thuật Tp.HCM, tỷ lệ 1:50.000

Bảng 1.4 Tên khu địa kỹ thuật, đặc điểm cấu trúc nền và địa chất

Lớp 1: sét pha trạng thái dẻo mềm (phân bố đến độ sâu 8 m); lớp 2: chủ yếu

là cát pha, sét pha xen kẽ, dẻo đến nửa cứng (đô sâu từ 8-14m); lớp 3: cát

mịn, trung, cát pha chặt vừa (14-23m); lớp 4: sét cứng (24-32m); lớp 5: cát

pha, cứng (24-32m)

Lớp 1: bùn sét, sét pha, nửa cứng (phân bố đến độ sâu 6m); lớp 2: chủ yếu

là sét pha chứa sạn, nhiều nơi gặp laterit (độ sâu từ 6-12 m); lớp 3: cát pha

dẻo (12-19m)

Lớp 1: sét nửa cứng (sâu đến 2m); lớp 2: sét cứng, lẫn sạn laterit (phân bố

3-9m); lớp 3: cát pha, có nơi gặp sét pha nửa cứng (độ sâu từ 9-13m); lớp

4: cát mịn, chặt vừa (8-30m); lớp 5: cát pha dẻo (10-38 m); lớp 6: cát trung,

chặt vừa (17-38 m)

Lớp 1: bùn sét (độ sâu từ 5-10m); lớp 2: sét pha, dẻo (6m); lớp 3: cát pha,

dẻo đến dẻo cứng (8-10m); lớp 4a: cát trung, chặt vừa đến chặt (12-15m);

lớp 4b: sét pha, nửa cứng (độ sâu 11m); lớp 5a: sét pha nửa cứng (17-21

m); lớp 5b: sét cứng (dày hơn 10m); lớp 6: cát chặt vừa đến chặt (từ 21m

trở xuống)

Lớp 1: sét pha lẫn sạn laterit (độ sâu từ 2-3m); lớp 2: sét pha, nửa cứng

(3-17m); lớp 3: cát, cát pha, chặt vừa đến chặt (10-30m); lớp 4a: cát pha, dẻo

đến nửa cứng (26-32m); lớp 5: sét nửa cứng đến cứng (20-30m trở xuống)

Lớp bề mặt: sét pha cứng (dầy 1 m); lớp 1: sét pha chứa sạn laterit, dẻo

mềm đến cứng (2-3m); lớp 2: sét pha, nửa cứng (sâu 4-10m); lớp 3: sét pha,

nửa cứng (10-16m); lớp 4: cát mịn đến trung, chặt vừa đến chặt (7-30m);

lớp 5: sét cứng (30-34m)

Lớp 1: bùn sét (phân bố đến 10m); lớp 2: sét (sâu 10-19m); lớp 3: cát mịn

(từ 20m trở xuống)

Lớp 1: sét pha xen sạn laterit, nửa cứng (sâu 2-3m); lớp 2: sét pha, nửa

cứng (sâu 2-11m); lớp 3a: lớp cát, chặt vừa (7-20m); lớp 3b: cát pha, dẻo

mềm đến nửa cứng (12-16m) Lớp 5: cát pha lẫn sạn sỏi, nửa cứng đến

Lớp 1: lớp bùn dày 12-25m; lớp 2: sét, sét pha, dẻo mềm (12-20m và

26-28m); lớp 3: cát, cát pha (22-26-28m); lớp 4: cát pha, sét pha dẻo đến nửa

cứng (26-36m); lớp 5: cát trung chặt vừa (37-53m); lớp 6: cát mịn, chặt vừa

(35-70m)

Lớp 1: thấu kính cát dày từ 2-5m; lớp 2: bùn sét (phân bố từ bề mặt đến

17-27m); lớp 3: sét pha, dẻo mềm đến dẻo cứng (22-28m); lớp 4: cát pha dẻo

(23-27m); lớp 5: sét pha, dẻo (28-31m); lớp 6: cát trung đến thô chặt vừa

Như vậy, việc dựa vào bản đồ phân vùng địa kỹ thuật đã có ở khu vực

Tp.HCM để phân vùng địa kỹ thuật cho công nghệ thiết kế và thi công cọc

khoan nhồi là rất thuận lợi

Dựa vào Hình 1.3 và Bảng 1.4 thì đa phần tầng đất mà cọc xuyên qua có

đặc điểm là đất hỗn hợp loại dính và rời đan xen nhau, các lớp đất có khả năng

chịu lực từ yếu, trung bình và đến tốt

1.1.4 Một số đặc điểm kết cấu, công nghệ cọc khoan nhồi ở Việt Nam

Trong gần 30 năm qua, việc áp dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi, đã trở

nên phổ biến cho các công trình xây dựng có quy mô lớn như các tòa nhà cao

tầng, đặc biệt là các cầu lớn vượt sông, các loại kết cấu cầu trong đô thị hoặc

trên nền đất yếu có chiều dày lớn, Móng cọc khoan nhồi có những tính năng

ưu việt hơn các loại móng cọc khác ở chỗ có khả năng chịu được tải trọng lớn,

có khả năng mở rộng đường kính và chiều dài cọc đến mức tối đa, thi công

tương đối nhanh và ít gây ra ảnh hưởng chấn động do thi công đến các công

trình lân cận

Do đặc điểm của công nghệ thi công và đặc điểm làm việc của kết cấu

móng cọc, nên chất lượng hay sức kháng của cọc khoan nhồi phụ thuộc vào rất

nhiều yếu tố như: công tác khảo sát địa chất công trình – xác định chính xác các

lớp đất trong đất nền cùng với các chỉ tiêu cơ lý, đặc biệt là lớp chống mũi cọc;

Công tác tính toán thiết kế – lựa chọn công thức tính toán, các tham số đầu vào,

các điều kiện biên; công tác quản lý chất lượng và công nghệ, kinh nghiệm thi

công

Cọc khoan nhồi có thể áp dụng rộng rãi với các loại đất nền như: Đất sét,

đất cát, đất sỏi sạn, đất sỏi cuội, đá phong hóa, đá nguyên khối; thích hợp với

các loại kết cấu như: móng nhà cao tầng; móng cầu: cầu dầm giản đơn, cầu dầm

liên tục, cầu vòm, cầu khung, cầu dây văng, dây võng, … Có thể thi công được

cả chỗ nước sâu Đường kính mặt cắt có thể đến 2,5m, chiều dài cọc có thể hơn

100m

Trong quá trình thi công vẫn có thể kiểm tra lại địa tầng: có thể căn cứ vào

địa chất thực tế mà có thể điều chỉnh chiều dài và đường kính cọc

Tuy nhiên, việc sử dụng cọc khoan nhồi cũng có những hạn chế do việc bố

trí thi công từ tạo lỗ đến đặt cốt thép, đổ bê tông đều tại hiện trường, chất lượng

cọc phụ thuộc rất nhiều vào thiết bị, công nghệ, trình độ và kinh nghiệm của

công nhân

Thông qua trình tự các công việc khảo sát, thiết kế và thi công [43] (Hình

1.2) cùng các phương pháp hay lý thuyết dự tính sức kháng đỡ dọc trục cọc

khoan nhồi móng mố trụ cầu sẽ nhận thấy tính phức tạp của công nghệ này

tương đồng với nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự sai lệch giữa lý thuyết và thực tế

Những nội dung chi tiết được nêu ở các mục 1.3.1 đến 1.3.4 dưới đây

Hình 1.4 Quá trình khảo sát, thiết kế và thi công của cọc khoan nhồi

1.1.4.1 Công tác khảo sát địa chất cho thiết kế cọc khoan nhồi

Quá trình kiến tạo địa tầng, địa chất là một quá trình ngẫu nhiên, nhất là

những nơi được hình thành từ trầm tích, bồi tích và lũ tích của sông, biển Do

đặc điểm kiến tạo này dẫn đến sự phức tạp của địa tầng, địa chất, cụ thể là có

nhiều lớp đất phân bố không đồng đều, chiều dày, độ sâu và các tính chất cơ lý

của mỗi lớp đất cũng có những khác biệt lớn Mặt khác, do công tác khảo sát địa

Phân tích tĩnh của cọc khoan

Phân tích động cọc khoan Đánh giá tải

trọng của kết cấu bên trên

Yêu cầu tải trọng của kết cấu bên trên

Loại cọc khoan/

Phương pháp thi công

Biến dạng và độ lún Sức kháng đỡ dọc trục cọc khoan đơn/nhóm

K.tra thiết kế/thay đổi

Hoàn thành thi

công cọc

chất là theo xác suất và kết quả thí nghiệm cũng sẽ có những sai lệch so với thực

tế, nên yếu tố địa tầng, địa chất ảnh hưởng rất lớn đến kết quả dự tính sức kháng

của nền móng nói chung và của cọc khoan nhồi nói riêng

Hiện nay, tiêu chuẩn và quy trình khảo địa chất công trình phục vụ cho

công tác thiết kế và thi công móng cọc khoan nhồi bao gồm rất nhiều loại từ

những năm 1987-2012 như: TCVN 4419-1987, 20TCN160-87, 20TCN74-87,

TCVN2683-91, TCVN4195-4202 :1995, TCVN 4195-1995, TCXD 226-1999,

22 TCN 259-2000, 22TCN 355-06, TCXDVN366: 2006 và các tiêu chuẩn nước

ngoài ASTM& AASHTO

Khối lượng công tác khảo sát được xác định dựa vào loại và cấp công trình;

đặc điểm địa tầng, tiêu chuẩn thiết kế và giai đoạn triển khai công trình Nội

dung chủ yếu là khoan lấy mẫu, thí nghiệm hiện trường, thí nghiệm trong phòng

Lấy mẫu nguyên dạng và không nguyên dạng Đo mực nước, lấy mẫu nước thí

nghiệm xác định thành phần hóa học, đánh giá ăn mòn bê tông Các phương

pháp xuyên tĩnh (CPT) cắt cánh, nén ngang trong hố khoan có thể được áp dụng

khi có đất yếu Thí nghiệm xác định tính chất cơ lý đất nền

Như vậy, về cơ bản công tác khảo sát địa chất đã đáp ứng được các yêu cầu

tính toán của các tiêu chuẩn hiện hành Tuy nhiên, vẫn còn một số tồn tại sau:

+ Khối lượng công tác khảo sát còn ít: thường chỉ được chấp thuận với

mức tối thiểu mà các quy trình, tiêu chuẩn quy định; Khi khoan khảo sát có khi

đưa quyết định dừng khoan không hợp lý và đôi khi khối lượng thí nghiệm trong

phòng thực hiện không đầy đủ;

+ Công tác xử lý số liệu, kết quả thí nghiệm chưa nghiêm túc áp dụng

phương pháp chỉnh lý thống kê (được quy định tại tiêu chuẩn 20TCN74-87 và

đã được thay thế bởi tiêu chuẩn TCVN 9153:2012 [2])

+ Việc giám sát và quản lý chất lượng công tác khảo sát địa chất chưa

nghiêm;

+ Chưa đánh giá được sự biến đổi đất nền theo không gian, thời gian,

không phân chia được các khu có đất nền tương tự nên thiết kế điển hình nền

móng cọc chưa thật tối ưu

Do vậy, có thể đánh giá tài liệu khảo sát địa chất có độ chính xác chưa cao

là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến việc dự tính sức kháng có sai số

lớn, nhiều khi lựa chọn giải pháp kỹ thuật, công nghệ thi công chưa chính xác,

chưa dự báo được các sự cố thi công có thể xảy ra

1.1.4.2 Công tác thiết kế cọc khoan nhồi

Trong các tiêu chuẩn hiện hành ở Việt Nam có rất nhiều mô hình (phương

pháp) dự tính sức kháng đỡ cọc khoan nhồi, các mô hình này được nghiên cứu

phát triển từ các điều kiện cụ thể của các nước phát triển (Mỹ, châu Âu, Nhật,

Nga, ) Việc vận dụng các mô hình này vào điều kiện Việt Nam mà đặc biệt là

việc áp dụng các hệ số, bảng biểu trong các tiêu chuẩn thiết kế nhưng chưa có sự

kiểm chứng và hiệu chỉnh phù hợp với thực tế ở Việt Nam là một trong những

yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thiết kế móng cọc khoan nhồi

1.1.4.3 Công tác thi công cọc khoan nhồi [18], [24]

Hiện nay các nhà thầu ở nước ta đã có hơn 30 năm kinh nghiệm đủ khả

năng thi công cọc có độ sâu khoan 100m và đường kính khoan 2,5m Đây cũng

là phạm vi áp dụng tối đa xét về tính kinh tế của cọc khoan nhồi Các nhà thầu

có đủ phương tiện để hạ ống vách đường kính 2,5m có chiều dài đến 120m vào

trong nền đất sét có độ chặt trung bình Công nghệ khoan khô hay trong vữa sét

cắt qua các tầng đất khác nhau đã trở thành quen thuộc đối với các nhà thầu

Công tác đổ bê tông: các nhà thầu đã đủ phương tiện, thiết bị, trạm trộn để đổ bê

tông mác cao, tốc độ cung cấp bê tông đảm bảo tiến độ trong các điều kiện thi

công khác nhau

Do đặc điểm công nghệ thi công cọc khoan nhồi là khoan tạo lỗ trước trong

nền đất; giữ ổn định vách lỗ khoan bằng ống vách, dung dịch bentonite, v.v ,

sau đó lắp đặt lồng cốt thép và tiến hành đúc cọc theo phương pháp đổ bê tông

trong dung dịch bentonite, hoặc trong nước Cho nên, nếu không có kinh nghiệm

trong thi công cũng như thiết kế thì thường gặp rất nhiều sự cố xảy ra và khó

phát hiện

Sự cố là những hiện tượng khác thường xảy ra ngoài dự tính của đơn vị

thiết kế cũng như của đơn vị thi công, dẫn đến những hậu quả làm hư hỏng cọc,

giảm khả năng chịu tải của cọc, v.v Mức độ hư hỏng có thể từ nhỏ đến lớn và

có thể sửa chữa được hoặc không thể mà phải thay thế cọc khác Vì vậy, nếu

công trình nào gặp sự cố thì sẽ gây ra hậu quả rất nghiêm trọng như: làm tăng

giá thành và kéo dài thời gian thi công Đối với sự cố nhẹ hơn, có thể làm cho

khả năng chịu tải thực tế của cọc khoan nhồi sai khác với những dự kiến trong

tính toán thiết kế

Thông thường, trong 50 công trình có sử dụng cọc khoan nhồi thì đã có 10

công trình gặp sự cố ở cọc khoan nhồi Rõ nhất và điển hình nhất là sự cố ở cọc

khoan nhồi của các công trình sau:

Cọc khoan nhồi đường kính d=1000mm, dài 37m của Nhà làm việc 10 tầng

của Tổng Công ty XDCT Giao thông 6 bị sự cố: khối lượng bê tông đổ thực tế

lớn hơn rất nhiều so với khối lượng bê tông tính toán theo kích thước lỗ khoan;

Cọc khoan nhồi đường kính d=1000mm, dài 40m của khách sạn Amara 12

tầng, số 331, Lê văn Sỹ, Q3, TP.HCM; bị sự cố: bùn lắng đọng nhiều ở đáy lỗ

khoan;

Ở cầu Bình Điền, sự cố là: không hạ hết được chiều dài lồng thép theo thiết

kế, và sau đó quyết định cho rút lồng thép lên để thổi rửa lại, nhưng lại không

rút lên được Mặt dù trước khi hạ lồng thép đã có công đoạn thổi rửa và kiểm tra

chiều sâu lỗ khoan Nguyên nhân chủ yếu là do đất vách lỗ khoan bị sụp lở

nhiều trong quá trình hạ lồng thép làm trồi lên đột ngột của đáy lỗ khoan và

chôn vùi một đoạn của lồng thép trong thời gian chờ quyết định xử lý, do đó

lồng thép rút lên không được

1.1.4.4 Các phương pháp kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi [18]

Công nghệ đánh giá chất lượng: cho đến này đã có các công nghệ gamma

để đánh giá độ đồng nhất, siêu âm để đánh giá chất lượng, thử động biến dạng

nhỏ để đánh giá độ nguyên vẹn và thử động biến dạng lớn để đánh giá sức chịu

tải của cọc khoan nhồi và các phương pháp nén tĩnh Ở nước ta, việc thử tải bằng

hộp Osterberg và công nghệ bơm vữa sau (post - grouting) để nâng cao sức chịu

tải cho cọc dài, công nghệ siêu âm để quan trắc hình học lỗ khoan sau khi thi

công tạo lỗ, công nghệ thử tải tĩnh cọc có gắn thiết bị đo biến dạng cũng đã được

áp dụng

Đánh giá sức chịu tải: việc đánh giá này thường dựa vào các chỉ dẫn thiết

kế, trong đó mặc định sức chịu mũi và ma sát thành bên đạt đến một tỷ lệ nhất

định của giá trị giới hạn mà không xét đến ảnh hưởng của chiều dài thân cọc

cũng như tính chất cơ lý của lớp đất mang tải mũi cọc Tỷ lệ thí nghiệm đánh giá

sức chịu tải của cọc trên hiện trường rất thấp do bị hạn chế về kinh phí, và chúng

ta vẫn chưa mạnh dạn áp dụng phổ biến các công nghệ thử tải mới như

Osterberg, Statnamic

1.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC KHOAN NHỒI TRÊN CƠ SỞ ĐỘ

TIN CẬY THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ SỐ TẢI TRỌNG VÀ HỆ SỐ SỨC

KHÁNG LRFD

1.2.1 Các khái niệm và thuật ngữ trong tính toán thiết kế

TTGH cường độ (TTGH cực hạn): là trạng thái nếu tải trọng ngoài tác

động vượt quá sẽ gây ra sập đổ hoặc ở trạng thái cọc khoan nhồi gặp sự cố

Lún chìm (Plunging): Là hiện tượng độ lún của cọc tăng liên tục khi tải

trọng tác dụng (thử tải cọc) không tăng [1], [3], [30]

Hiệu ứng lực hay hiệu ứng tải (Force Effect, Load Effect): Biến dạng,

ứng suất hoặc tổ hợp ứng suất (tức là lực dọc trục, lực cắt, mô men uốn hoặc

xoắn) gây ra do tác động của tải trọng, chuyển vị cưỡng bức hoặc các thay đổi

về thể tích [1], [30]

Sức kháng đỡ dọc trục danh định cọc khoan nhồi (Axially Nominal

Resistance of Single-Drilled Shafts): Sức chịu tải nén dọc trục cọc khoan nhồi,

được dự tính từ mô hình (phương pháp) tính toán với các thông số đầu vào là

kích thước của cọc và các tham số đặc trưng của vật liệu chế tạo cọc hoặc đất

nền quanh cọc [1], [30]

Hệ số tải trọng (Load Factor): Hệ số được xác định dựa trên cơ sở đặc

trưng thống kê về hiệu ứng tải, chủ yếu được tính toán từ sự biến thiên của các

tải trọng, thiếu chính xác trong phân tích và xác suất đồng thời của các loại tải

trọng; nhưng cũng liên quan đến đặc trưng thống kê về sức kháng thông qua quá

trình định chỉnh [1], [30]

Hệ số sức kháng đỡ dọc trục cọc khoan nhồi theo điều kiện cường độ

đất nền (Resistance Factors for Geotechnical Strength Limit State in

Axially Loaded Drilled Shafts): Hệ số được xác định dựa trên cơ sở đặc trưng

thống kê của sức kháng danh định, chủ yếu được tính toán từ sự biến thiên các

tham số đặc trưng của đất nền quanh cọc, kích thước cọc, trình độ tinh thông

(chuyên nghiệp) của con người-thiết bị tham gia các giai đoạn thực hiện dự án

và tính bất định của phương pháp dự tính sức kháng danh định; nhưng cũng liên

quan đến đặc trưng thống kê về hiệu ứng tải thông qua quá trình xác định [1],

[30]

Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD,

Load and Resistance Factor Design) hay phương pháp hệ số độ tin cậy riêng

(partial reliability factor): Là phương pháp thiết kế dựa trên độ tin cậy, khi đó

các hiệu ứng tải có hệ số riêng (Q tk) không được vượt quá các sức kháng có hệ

số riêng (R tk) Thực chất là thiết kế trên cơ sở yêu cầu đảm bảo độ tin cậy Cách

tiếp cận và giải quyết bằng việc sử dụng các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

riêng hay còn gọi là hệ số độ tin cậy riêng, qua đó để đạt được độ tin cậy yêu cầu

[19], [20]

Trong tiêu chuẩn thiết kế theo LRFD, các hệ số tải trọng và sức kháng được

xác định từ một quy trình hiệu chỉnh dựa trên lý thuyết xác suất để có chỉ số tin

cậy đồng đều hơn cho các thành phần khác nhau của hệ thống Các hệ số được

xác định thông qua phân tích độ tin cậy dựa trên xác suất thống kê về tải trọng

và tính năng của kết cấu công trình

1.2.2 Lịch sử phát triển các triết lý thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế

Triết lý thiết kế cầu và các tiêu chuẩn thiết kế đã không ngừng phát triển

trong những năm qua Trước năm 1970, Mỹ (và cả các nước Bắc Âu) chỉ vận

dụng duy nhất một triết lý thiết kế là thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD),

được đưa vào tiêu chuẩn AASHTO đầu tiên, ban hành năm 1931 Bắt đầu từ

năm 1970, triết lý thiết kế mới ra đời được gọi là thiết kế hệ số tải trọng (LFD);

được AASHTO thông qua năm 1970, và được công bố năm 1971 Năm 1994,

AASHTO thông qua tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải

trọng (LRFD) Sự khác biệt chính giữa LFD và LRFD nằm trong các quy trình

hiệu chuẩn hệ số tải trọng và hệ số sức kháng để đạt được mức độ về an toàn

mong muốn tối thiểu Trong tiêu chuẩn LRFD, các hệ số tải trọng và sức kháng

được xác định từ một quy trình hiệu chuẩn dựa trên lý thuyết xác suất để có chỉ

số tin cậy đồng đều hơn cho các thành phần khác nhau của hệ thống hơn so với

trong tiêu chuẩn LFD, vì trong tiêu chuẩn LFD hệ số sức kháng và hệ số tải

trọng xác định chủ yếu dựa vào phán đoán và kinh nghiệm [33]

Các triết lý thiết kế và phương pháp thiết kế tương ứng đã được vận dụng

thiết kế trong thời gian qua như thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD); thiết kế

theo tải trọng phá hoại (LSD; LFD); thiết kế theo trạng thái giới hạn (thế hệ đầu,

TTGH); thiết kế theo Lý thuyết độ tin cậy (RBD) và thiết kế theo phương pháp

các hệ số độ tin cậy riêng hay hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD)

1.2.2.1 Cơ sở triết lý thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD)

Kết cấu công trình đảm bảo duy trì được khả năng làm việc (không bị phá

hoại, hư hỏng ) khi ứng suất trong kết cấu do tải trọng sử dụng (khai thác)

không vượt quá mức ứng suất lớn nhất cho phép:

• z: số dạng tải trọng trong tổ hợp xem xét

1.2.2.2 Cơ sở triết lý thiết kế theo tải trọng phá hoại (LSD; LFD)

Kết cấu công trình chưa bị phá hoại (vẫn duy trì được khả năng làm việc)

chừng nào tổ hợp tải trọng tính toán còn chưa vượt quá khả năng chịu tải (sức

kháng) của bộ phận kết cấu

i i

1.2.2.3 Cơ sở triết lý thiết kế theo trạng thái giới hạn (thế hệ đầu, TTGH)

Theo quá trình chịu tải, kết cấu công trình và các bộ phận có thể có các

trạng thái khác nhau TTGH là trạng thái tại đó kết cấu bắt đầu không duy trì

được khả năng chịu tải (bị phá huỷ); hoặc bất thường, gây khó khăn cho khai

thác Yêu cầu kết cấu trong quá trình làm việc không lâm vào bất kỳ một trạng

thái giới hạn nào

Điều kiện (dạng chung): z Q m k R n F

i i

trong đó R n , Q i , i, z, γ i như giải thích ở công thức (1.1) và (1.2); m, k: các

hệ số xét đến đặc trưng của điều kiện làm việc và vật liệu; F: đặc trưng hình học

của sức kháng

Định dạng các điều kiện tính duyệt như (1.3) được sử dụng trong tiêu chuẩn

22 TCN 18-79 và các tiêu chuẩn của Liên Xô trước đây (CH 200.62,…)

1.2.2.4 Cơ sở triết lý thiết kế theo Lý thuyết độ tin cậy (RBD)

Các đại lượng hiệu ứng tải, Q, và sức kháng, R, về bản chất đều là những

đại lượng ngẫu nhiên Trong so sánh giữa Q và R, tương quan nào cũng có thể

xảy ra với xác suất nào đó Kết cấu công trình được xem là duy trì khả năng làm

việc (không bị phá hoại,…) khi xác suất để không gặp sự cố (TTGH) - Độ tin

cậy - là rất gần với 1

Độ tin cậy, P s, được xác định: P s  P {QR| [ 0 ,T]} (1.4)

và xác suất bị phá hoại hoặc gặp sự cố: P f  P {QR| [ 0 ,T]} (1.5)

trong đó P {QR| [ 0 ,T]}là xác suất để không xảy ra sự cố (hư hỏng, Q<R)

trong khoảng thời gian khai thác, T; P {QR| [ 0 ,T]} là xác suất để xảy ra sự cố

(hư hỏng, Q<R) trong khoảng thời gian khai thác, T

Điều kiện tính duyệt (được quy định bởi tiêu chuẩn thiết kế):

] [ s

Là phương pháp tính toán thiết kế hiện đại, tiên tiến nhất hiện nay; cho

phép xét đến đầy đủ tính chất bất định, ngẫu nhiên của các yếu tố Đòi hỏi phải

có được đầy đủ các số liệu thống kê của tất cả các tham số

1.2.2.5 Cơ sở triết lý thiết kế theo phương pháp các hệ số độ tin cậy riêng

hay hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD)

Thực chất là thiết kế trên cơ sở yêu cầu đảm bảo độ tin cậy Cách tiếp cận

và giải quyết bằng việc sử dụng các hệ số độ tin cậy riêng hay hệ số tải trọng và

hệ số sức kháng (LRFD) (phương pháp bậc 1 và bậc 2 của lý thuyết độ tin cậy)

Hình 1.5 Đồ thị hàm mật độ phân phối xác suất của hiệu ứng tải (Q)

và sức kháng (R)

Q k và Rk là các giá trị đặc trưng (danh định) của hiệu ứng tải và sức kháng,

xác định theo nguyên lý sau:

R k : P(R ≥ R k)=0.95 (1.10)

Q tk và R tk là các giá trị thiết kế của hiệu ứng tải và sức kháng, được xác

định theo nguyên lý sau:

Sự cố (TTGH) chỉ xảy ra với xác suất rất nhỏ = P(QQ tk).P(RR tk) (1.13)

Các giá trị γ, φ được định chuẩn căn cứ theo độ tin cậy hay chỉ số độ tin cậy

cần đạt được

Cơ sở triết lý: Theo quá trình chịu tải, kết cấu công trình (và các bộ phận)

có thể có các trạng thái khác nhau TTGH là trạng thái tại đó kết cấu bắt đầu

không duy trì được khả năng chịu tải (bị phá huỷ); hoặc bất thường, gây khó

khăn cho khai thác Yêu cầu kết cấu trong quá trình làm việc không lâm vào bất

kỳ một trạng thái giới hạn nào

R Q

f(R)

f(Q)

f(Q) , f(R)