Đánh giá độ tin cậy bài toán sức chịu tải cọc khoan nhồi

ĐẠI HỌC QUỔC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN NGỌC TUẤN ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY BÀI TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã SỐ: 60580211 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH - Tháng 07 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS TRÀN TUẨN ANH Cán chấm nhận xét 1: PGS TS NGUYỄN MINH TÂM Cán chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN NGỌC PHÚC Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày 18 tháng năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm: Chủ tịch hội đồng: GS TS TRẰN THỊ THANH Thư ký hội đông: TS LÊ TRỌNG NGHĨA Phản biện 1: PGS TS NGUYỄN MINH TÂM Phản biện 2: TS NGUYỄN NGỌC PHÚC TS ĐÓ THANH HẢI ủy viên: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận vãn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữ (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG GS TS Trần Thị Thanh PGS TS Nguyễn Minh Tâm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN NGỌC TUẤN MSHV: 1570053 Ngày, tháng, năm sinh: 04/07/1992 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 60580211 TÊN ĐỀ TÀI I Đánh giá độ tin cậy toán sức chịu tải cọc khoan nhồi II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Cơ sở lý thuyết độ tin cậy, phương pháp xác định số độ tin cậy (P) xác suất phá hủy (Pf) : mô Monte Carlo (MCS), phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc (FORM) phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc hai (SORM) Đánh giá độ tin cậy toán sức chịu tải cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn sở mơ thí nghiệm nén tĩnh cọc Kết hợp phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) với ba phương pháp: MCS, FORM SORM Áp dụng thiết kế Box-Behnken (BBD) tối ưu hóa số lượng mẫu thí nghiệm thực nghiệm yếu tố toàn phần ba mức Đánh giá độ tin cậy toán sức chịu tải cọc theo phương pháp giải tích với sức kháng mũi cực hạn xác định phương pháp Terzaghi&Peck Vesic (1977) Phương pháp đánh giá độ tin cậy áp dụng mô Monte Carlo (MCS) So sánh ảnh hưởng hệ số biến động thông số sức chống cắt đất tải trọng chân cột đến số độ tin cậy toán sức chịu tải cọc khoan nhồi Tính tốn tối ưu hóa sức chịu tải cọc khoan nhồi sở phân tích độ nhạy thơng số sức chống cắt phân tích ngược độ tin cậy Xác định giá trị trung bndr(kỳ vọng) đại lượng ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ tin cậy để đảm bảo yêu cầu p > PT=3.09 III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/06/2017 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Trần Tuấn Anh TP HCM, ngày tháng năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ PGS TS Trần Tuấn Anh PGS TS Lê Bá Vinh PGS TS Nguyễn Minh Tâm LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, nổ lực thân, tác giả nhận giúp đỡ chân thành từ Quý Thầy Cô, bậc đàn anh trước, đồng nghiệp bạn Trước tiên, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Trần Tuấn Anh, người Thầy gợi mở ý tưởng đề tài tận tình hướng dẫn suốt khoảng thời gian từ lúc phôi thai đến luận văn hoàn thành Xin gởi lời tri ân đến Quý Thầy Cô Bộ môn Địa móng, Q Thầy Cơ Khoa Kỹ thuật Xây dựng Đại học Bách Khoa TP.HCM tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức từ tác giả sinh viên đại học đến học viên cao học Xin gởi lời cảm ơn đến ThS Đặng Xuân Vinh có nhiều chia sẻ giúp tác giả hiểu rõ chất đề tài Con xin gởi lời cảm ơn thiêng liêng Ba , Mẹ, dì Dung với hai em Tú, Vi ủng hộ niềm động viên lớn suốt thời gian qua Mong thành luận văn quà gởi đến người Với hiểu biết thân, chắn khơng tránh khỏi sai sót thực luận văn, kính mong Q Thầy Cơ, bạn bè góp ý chân thành để tác giả hoàn thiện thêm kiến thức TP HCM, ngày 18 tháng năm 2017 Học viên Trần Ngọc Tuấn TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài: “ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY BÀI TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI” • Tóm tắt: Luận văn đánh giá độ tin cậy toán sức chịu tải cọc khoan nhồi cơng trình Chi cục thuế quận Phú Nhuận Biến ngẫu nhiên khảo sát thông số sức chống cắt đất tải trọng chân cột giả định tuân theo phân phối chuẩn Hệ số biến động (COV) khảo sát thông số sức chống cắt COVđất=10% 20%, tải trọng khảo sát khoảng COVtải =10-30% Hàm trạng thái giới hạn xác định dựa yêu cầu hạng thái giới hạn cực hạn (ƯLS) Mục tiêu tác giả đánh giá xác suất phá hủy với số độ tin cậy toán sức chịu tải cực hạn cọc sở kết thí nghiệm nén tĩnh mô hên phần mềm Plaxis 2D-Axisymmetry Tác giả sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp với ba phương pháp đánh giá độ tin cậy: mô Monte Carlo (MCS), phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc (FORM) phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc hai (SORM) Bộ liệu 82 mẫu yếu tố toàn phần ba mức hai trường hợp khảo sát (COVđất =10% COVđất =20%) tối ưu hóa sở thiết kế Box- Behnken (BBD) với khoảng tin cậy 95% Đối với phương pháp giải tích, tác giả sử dụng mơ Monte Carlo đánh giá độ tin cậy toán với sức kháng mũi xác định phương pháp Terzaghi&Peck phương pháp Vesic (1977) Tác giả đề xuất thuật tốn xác định giá trị trung bình biến ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ tin cậy (sau phân tích độ nhạy) để đạt độ tin cậy yêu cầu pT Ket cho thấy số số độ tin cậy với xác suất phá hủy thông số cần thiết, bổ sung cho hệ số an toàn (FS) việc giúp người kỹ sư chủ động, khách quan xem xét ảnh hưởng biến động ngẫu nhiên biến đầu vào đến mức độ an toàn Cuối cùng, tác giả khẳng định đánh giá độ tin cậy toán sức chịu tải cọc khoan nhồi có phương pháp rõ ràng áp dụng thực tế SUMMARY OF THESIS Title: “ESTIMATING THE RELIABILITY OF BEARING CAPACITY PROBLEM OF A BORED PILE” Abstract: This thesis estimates the reliability of bearing capacity problem of a bored pile at “The Tax Office of Phu Nhuan District” The survey’s random variables which are shear strength of soil (c’,cp’) and loads, are assumed to follow the normal distribution The coefficient of variation (COV) of soil are COVsoil =10% and 20% while the coefficient of variation of loads increases in the range of COVioads = 10%~30% Limit state function is determined based on the requừements of Ultimate Limit State (ULS) The author’s objective is to estimate the probability of failure and the reliability index of the ultimate load-carrying capacity This purpose is achieved through the pile load test which is simulated using Plaxis 2D- Axisymmetry software The author applies the Response Surface Method (RSM) combined with three methods of estimating the reliability including: Monte Carlo Simulation (MCS), First Order Reliability Method (FORM), and Second Order Reliability Method (SORM) The full three-level factorial design with 82-sample data of two cases (COVsoil =10% and COVsoil =20%) is optimized using Box- Behnken designs (BBD) with 95% confidence interval For mathematical analyses, the author applies Monte Carlo Simulation to estimate the reliability index where the load carried at the pile point is determined using Terzaghi&Peck’s method and Vesic’s method (1977) The author suggests an algorithm to determine the mean value of random variables which mostly influence the reliability index (after the sensitivity analysis), to achieve the target reliability index pT Results indicate the reliability index and the probability of failure are essential parameters which complement the factor of safety (FS) This will help engineers to be proactive and objective when considering the effects of the random fluctuation of the input variables to levels of safety In the end, the author affirms the methods of estimating the reliability of bearing capacity problem of a bored pile are clear and can be applied in reality LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: luận văn đề tài nghiên cứu thực thân, thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Tuấn Anh Tất số liệu, kết tính tốn, phân tích đánh giá luận văn hồn tồn trung thực Tôi cam đoan chịu trách nhiệm sản phẩm nghiên cứu TP HCM, ngày 18 tháng năm 2017 Học viên Trần Ngọc Tuấn i MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Phạm vi nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TÔNG QUAN 1.1 Các cơng trình nghiên cứu giới 1.2 Các cơng trình nghiên cứu nước .ố CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sức chịu tải cực hạn theo tiêu cường độ đất 2.1.1 Sức chịu tải cực hạn ma sát bên đất cọc Qs 2.1.2 2.2 Sức chịu tải cực hạn kháng mũi Qp 2.1.2.1 Xác định qp theo phương pháp Terzaghi & Peck 2.1.2.2 Xác định qp theo phương pháp Vesic (1977) Độ tin cậy 10 2.2.1 Các bước phân tích độ tin cậy 14 2.2.1.1 Xác định hàm trạng thái giới cho toán sức chịu tải cọc khoan nhồi 14 2.2.1.2 Lựa chọn biến ngẫu nhiên 15 2.2.1.3 Xác định tham số cần thiết quy luật phân phối biến ngẫu nhiên 15 2.2.1.4 2.2.2 2.3 Tiến hành phân tích độ tin cậy 18 Các phương pháp đánh giá độ tin cậy 18 2.2.2.1 Phương pháp mô Monte Carlo (MCS) 18 2.2.2.2 Phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc (FORM) 19 2.2.2.3 Phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc hai (SORM) 22 Phương pháp bề mặt đáp ứng thiết kế Box-Behnken 25 2.3.1 Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) 25 ii 2.3.2 2.4 Thiết kế Box-Behnken (BBD) 26 Kiểm định giả thiết thống kê 28 2.4.1 So sánh phương sai (F - Test Two - Sample for Variances) 28 2.4.2 Phân tích phương sai yếu tố (Anova: Single Factor) 29 2.4.3 Kiểm định tập mẫu liệu tuân theo phân phối chuẩn 30 2.5 Phân tích độ nhạy 32 2.6 Xác định sức chịu tải giới hạn cọc đơn từ kết thử nghiệm trường tải trọng tĩnh ép dọc trục 34 2.6.1 Theo phương pháp đồ thị 34 2.6.2 2.7 Theo giới hạn chuyển vị quy ước 35 Mơ hình đất 35 2.7.1 Mơ hình Mohr-Coulomb 35 2.7.2 Mơ hình Hardening-Soil 36 CHƯƠNG ÚNG DỤNG VÀO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ 38 3.1 Giới thiệu công trình điều kiện địa chất 38 3.1.1 Giới thiệu cơng trình Chi cục thuế Quận Phú Nhuận 38 3.1.2 Điều kiện địa chất 39 3.2 Mặt đài móng khảo sát, tải trọng tác dụng, thông số cọc 41 3.3 Đánh giá độ tin cậy toán sức chịu tải cọc khoan nhồi cách sử dụng RSM phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 2D - Axisymmetty 42 3.3.1 Trình tự kết hợp RSM với phương pháp đánh giá độ tin cậy 42 3.3.2 Mơ thí nghiệm nén tĩnh phần mềm thương mại Plaxis 2D - Axisymmetty 44 3.3.3 Xác định sức chịu tải cực hạn cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn 53 3.3.4 Chỉ số độ tin cậy xác suất phá hủy 55 3.3.4.1 Biến động thông số sức chống cắt 10% (COVđất = 10%) 55 3.3.4.2 Biến động thông số sức chống cắt 20% (COVđất = 20%) 70 3.3.5 Nhận xét 76 3.4 Đánh giá độ tin cậy toán sức chịu tải cọc khoan nhồi theo phương pháp giải tích sử dụng phương pháp mô Monte Carlo 76 iii 3.4.1 Trình tự đánh giá độ tin cậy kết kiểm định phân phối chuẩn 76 3.4.2 Chỉ số độ tin cậy xác suất phá hủy 80 3.4.2.1 Biến động thông số sức chống cắt 10% (COVđất = 10%) 80 3.4.2.2 Biến động thông số sức chống cắt 20% (COVđất = 20%) 81 3.4.3 Nhận xét 82 3.5 So sánh ảnh hưởng từ hệ số biến động sức chống cắt tải trọng đến kết độ tin cậy, xác suất phá hủy 82 CHƯƠNG TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY THƠNG SỐ SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT VÀ PHÂN TÍCH NGƯỢC ĐỘ TIN CẬY 83 4.1 Đặt vấn đề 83 4.2 Thuật tốn phân tích ngược độ tin cậy 83 4.3 Kết hợp phân tích độ nhạy phân tích ngược độ tin cậy với RSMFORM để xác định Px(*) 86 4.4 Kết 87 4.5 Nhận xét 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC SỨC CHỊU TẢI CỰC HẠN CỦA CỌC 98 PHỤ LỤC SO SÁNH GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH CỦA BIẾN NGÃU NHIÊN ĐƯỢC XÁC ĐỊNH TỪ THUẬT TOÁN MỤC 4.2 VÀ ví DỤ 5.7 THUỘC TÀI LIỆU “RELIABILITY OF STRUCTURES” 130 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 136 -67- 4.354458 0.310945 |vg(ơ* )| = 1777.261 0.104480 1.315883 0.535951 ’ 4.485603 0.055081 0.025277 0.045207 0.098105 g (ỉ7*) = -1.647 X1O“6 -68Chỉ số độ tín cậy theo FORM: ftpORM = Ml = ||t/* II = J(171*/+(17Ỉ;2+ +(171*0/ = 6.421 Xác suất phá hủy theo FORM: Pf,FORM ~0FORM ^-