Kiến nghị về sử dụng phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc lấy từ thiết kế theo ứng suất cho phép trong thiết kế theo trạng thái giới hạn

Hệ số an toàn tương đương là một trong những chỉ tiêu đánh giá sự phù hợp của hệ số tin cậy khi chuyển đổi. Bài báo này trình bày một số nhận xét về việc sử dụng một số phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc lấy từ thiết kế theo ứng suất cho phép trong tiêu chuẩn thiết kế móng cọc của Việt Nam và kiến nghị cách xác định hệ số an toàn tương đương.

ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA KIẾN NGHỊ VỀ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC LẤY TỪ THIẾT KẾ THEO ỨNG SUẤT CHO PHÉP TRONG THIẾT KẾ THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN TS TRỊNH VIỆT CƯỜNG Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Kinh nghiệm số quốc gia tiên tiến cho thấy việc chuyển đổi phương pháp cơng thức tính tốn sức chịu tải cọc từ thiết kế theo ứng suất cho phép sang thiết kế theo trạng thái giới hạn vấn đề phức tạp Hệ số an toàn tương đương tiêu đánh giá phù hợp hệ số tin cậy chuyển đổi Bài báo trình bày số nhận xét việc sử dụng số phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc lấy từ thiết kế theo ứng suất cho phép tiêu chuẩn thiết kế móng cọc Việt Nam kiến nghị cách xác định hệ số an toàn tương đương Mở đầu Thiết kế theo ứng suất cho phép theo trạng thái giới hạn 2.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép Trong thiết kế theo ứng suất cho phép, tải trọng tác dụng lên cọc phải đáp ứng điều kiện: Q  Qa  Ru FS (1) đó: Q - tải trọng làm việc cọc (lấy tải trọng tiêu chuẩn); Qa - sức chịu tải cho phép cọc; Những phiên tiêu chuẩn thiết kế móng cọc TCXD 21-72 20TCN 21-86 biên soạn hoàn toàn dựa tiêu chuẩn Liên Xơ, tính tốn sức chịu tải cọc chủ yếu dựa tương quan tiêu vật lý đất với ma sát bên sức chống mũi cọc (thường gọi phương pháp tra bảng) Những phiên sau TCXD 205:1998 TCVN 10304:2014 bổ sung số phương pháp tính tốn sức chịu tải độ lún móng cọc lấy từ tiêu chuẩn tài liệu tham khảo nước khác Nhật Bản Canada Những nội dung đó, đặc biệt số phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc từ kết khảo sát trường, áp dụng rộng rãi thiết kế móng cọc năm vừa qua Ru - sức chịu tải giới hạn cọc, lấy giá trị nhỏ sức kháng đất độ bền kết cấu cọc; Thực tế cho thấy có số vấn đề chưa giải cách hợp lý đưa cơng thức tính tốn từ nguồn tài liệu dựa thiết kế theo ứng suất cho phép vào tiêu chuẩn dựa thiết kế theo trạng thái giới hạn Việt Nam Bài báo trình bày kinh nghiệm chuyển đổi từ thiết kế theo ƯSCP sang TTGH nước số tồn bổ sung số phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc Việt Nam Việc áp dụng hệ số an tồn tương đương chuyển đổi áp dụng điều kiện chưa có nghiên cứu đủ tin cậy dựa xử lý thống kê số liệu thí nghiệm gia tải cọc điều kiện cụ thể Việt Nam 2.2 Thiết kế theo trạng thái giới hạn (TTGH) hệ số an toàn tương đương 16 FS – hệ số an toàn tổng thể Thông thường FS=24, tùy theo loại cọc, đặc điểm cơng trình, phương pháp thi cơng phương pháp kiểm tra sức chịu tải cọc Phương pháp ƯSCP đơn giản, dễ áp dụng việc lựa chọn hệ số an toàn cho thiết kế chủ quan không đưa mức độ tin cậy xác suất phá hoại Tuy khái niệm hệ số an toàn ăn sâu vào tư kỹ sư kết cấu nên việc đánh giá độ an toàn sản phẩm thiết kế dễ dàng đưa giá trị cụ thể hệ số an toàn tổng thể 2.2.1 Nguyên tắc chung thiết kế theo trạng thái giới hạn Thuật ngữ thiết kế theo TTGH sử dụng để phương pháp thiết kế kết cấu khơng vượt giới hạn mà vượt chúng kết cấu không đáp ứng yêu cầu đặt khả chịu tải chuyển vị biến dạng móng Khác với ƯSCP, thiết kế theo TTGH sử dụng hệ số riêng cho tải trọng cho sức chịu tải cọc Thông thường hệ số riêng làm tăng giá trị tải trọng làm giảm Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA sức chịu tải cọc Phần lớn tiêu chuẩn thiết kế móng cọc quốc gia tiên tiến giới áp dụng phương pháp TTGH, đầu Liên Xơ (cũ), sau quốc gia châu Âu muộn quốc gia Mỹ Canada Trong thiết kế cọc theo TTGH cường độ cần đáp ứng quan hệ tải trọng sức chịu tải: Qd   L Qk   R Rk Từ đó, tải trọng truyền lên cọc là: Qd  1,15Qk 2.3.2 Tóm tắt qui định xác định sức chịu tải cọc theo TCVN 10304:2014 Tải trọng dọc trục tính tốn Qd phải đáp ứng điều kiện: Qd  (2) đó: Qd , Qk - trị tính tốn trị tiêu chuẩn tải trọng truyền lên cọc;  L ,  R - hệ số độ tin cậy tải trọng sức chịu tải cọc; Rk - trị tiêu chuẩn sức chịu tải cọc Cách xác định giá trị tải trọng, sức chịu tải cọc hệ số riêng tương ứng qui định tiêu chuẩn Ở Việt Nam nay, tiêu chuẩn có liên quan đến vấn đề TCVN 2737:1995 (đối với tải trọng tác động) TCVN 10304:2014 (đối với thiết kế móng cọc) 2.3 Xác định hệ số an tồn tương đương FS tđ 2.3.1 Tóm tắt qui định tải trọng tác động TCVN 2737:1995 Tiêu chuẩn qui định chi tiết loại tải trọng, giá trị tiêu chuẩn chúng cách xác định giá trị tính tốn tải trọng theo tổ hợp khác Có thể lấy ví dụ tổ hợp tải trọng với hoạt tải: qttd   tt qttc   TH ( ht  dh qhtc  dh   ht nh qhtc  nh ) (4) đó: (6) o Rc ,d n (7) đó: Rc ,d trị tính tốn sức chịu tải trọng nén dọc trục cọc Thay Rc ,d  Rc,k k  Rc ,u vào (7), k có được: Qd   o R  n  k c ,u (8) đó: Rc ,d - trị tính tốn sức chịu tải cọc; Rc , k , Rc ,u - trị tiêu chuẩn trị giới hạn sức chịu tải cọc Quan hệ hai đại lượng Rc , k =  Rc,u ,  hệ số xác định theo điều 7.1.12 TCVN 10304:2014 (Trong báo cáo lấy  =1,0);  ,  n ,  k - hệ số điều kiện làm việc cọc, hệ số tin cậy tầm quan trọng cơng trình hệ số tin cậy theo đất Thay (6) vào (8) biến đổi: Qk   o Rc , u 1,15 n k (9) Từ có hệ số an tồn tương đương để so sánh với thiết kế theo ứng suất cho phép: FS tđ  1,15 n  k  o (10) qttd - tải trọng tính tốn Kinh nghiệm chuyển đổi nước qttc , qhtc dh , qhtc nh - trị tiêu chuẩn Những tiêu chuẩn thiết kế kết cấu giới ban hành Mỹ vào thập kỷ kỷ 20, năm 1910 ACI đưa "Standard Building Regulations for the Use of Reinforced Concrete" “Standard Specification for Structural Steel for Buildings” AISC ban hành vào năm 1923 dựa phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép Đến số quốc gia trì phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép, số có kinh tế lớn Nhật Bản [1], Ấn Độ [2], Đến năm 1950, thiết kế theo trạng thái giới hạn lần đầu đưa vào tiêu chuẩn Liên Xô số nước châu Âu, sau phương pháp dần chấp nhận nhiều quốc gia khác Mỹ Canada vào năm 1980 1990 tĩnh tải, thành phần dài hạn ngắn hạn hoạt tải;  tt ,  htdh ,  ht nh - hệ số độ tin cậy tĩnh tải, thành phần dài hạn ngắn hạn hoạt tải;  TH - hệ số tổ hợp hoạt tải Đối với trường hợp cụ thể xác định d tđ c c c quan hệ: qtt  K ( q tt  q ht  dh  q ht nh ) (5) Theo kinh nghiệm, lấy hệ số cho tải trọng tđ tương đương, theo kinh nghiệm K 1,15 cho kết cấu nhà thường gặp, tức là: qttd  1,15( qttc  q htc  dh  q htc nh ) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 17 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Chuyển đổi tiêu chuẩn từ thiết kế theo ƯSCP sang thiết kế theo TTGH đòi hỏi phải điều chỉnh cách đồng tiêu chuẩn hệ thống Vào đầu năm 1980, Cơ quan Giao thông Vận tải Ontario (Canada) tổ chức biên soạn tiêu chuẩn thiết kế móng cầu hạ tầng theo TTGH Thông qua so sánh tính tốn thiết kế theo ƯSCP TTGH thực số hiệu chuẩn, tiêu chuẩn chấp nhận hệ số giảm (c tanφ) tiêu chuẩn Đan Mạch, với hệ số 0,5 0,8 cho c tanφ Tuy nhiên, tính tốn hiệu chỉnh cho thấy có nhiều chênh lệch kết thiết kế theo phương pháp Một hệ số mới, gọi hệ số điều chỉnh sức kháng sử dụng để cải thiện phù hợp phương pháp cũ Tuy sau ban hành tiêu chuẩn có nhiều ý kiến việc thiết kế theo ƯSCP TTGH chênh lệch nhiều số lớn dự án, đặc biệt tường chắn cao nhóm cọc lớn Nguyên nhân chủ yếu chênh lệch việc áp dụng cách cứng nhắc giá trị hệ số riêng cho sức kháng thay xem xét kinh nghiệm thực tế điều chỉnh hệ số an toàn cho tốn cụ thể móng phương pháp phân tích Các phiên tiêu chuẩn có điều chỉnh bổ sung phương pháp tính tốn hệ số an tồn riêng với mục đích xét đến điều kiện đa dạng đất tải trọng [3] Ở Mỹ, AASHTO tổ chức đầu chuyển đổi từ thiết kế theo ƯSCP sang TTGH, với tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng sức kháng (LRFD) Quá trình chuyển đổi thực thận trọng kéo dài nhiều năm: Vào năm 1994 ban hành phiên LRFD, sau vào năm 1998 2004 ban hành phiên Trong giai đoạn 1994-2007 cho phép tồn song song tiêu chuẩn thiết kế theo ƯSCP LRFD người sử dụng tùy ý lựa chọn áp dụng tiêu chuẩn Tới 2007, tức 13 năm sau ban hành tiêu chuẩn LRFD đầu tiên, tất cơng trình đường cao tốc sử dụng nguồn vốn liên bang Mỹ bắt buộc phải sử dụng tiêu chuẩn Một nội dung quan trọng để áp dụng tiêu chuẩn hiệu chuẩn hệ số riêng tải trọng sức kháng theo phương pháp ƯSCP vốn sử dụng trước bang Bảng trình bày kết so sánh hệ số an toàn tương đương (FStđ) thiết kế theo LRFD với hệ số an toàn thiết kế theo ƯSCP truyền thống Có thể thấy hệ số an tồn tương đương áp dụng LRFD thay đổi theo phương pháp tính tốn có xu hướng cho thấp chút so với ƯSCP Tuy hầu hết trường hợp có FStđ2 đặc biệt giá trị lớn FStđ ứng với tính tốn sức chịu tải cọc từ kết thí nghiệm SPT Kinh nghiệm chuyển đổi từ thiết kế theo ƯSCP sang TTGH Canada Mỹ cho thấy xu hướng chung sản phẩm thiết kế theo phương pháp (TTGH) cần có mức độ an toàn tương đương với kết thiết kế theo phương pháp ƯSCP Nói chung hệ số an toàn phương pháp ƯSCP lấy làm chuẩn mực để đánh giá phù hợp hệ số riêng TTGH chuyển đổi, phương pháp ƯSCP có q trình áp dụng đủ dài, sản phẩm thiết kế thử thách qua thời gian giới chun mơn tích lũy nhiều kinh nghiệm áp dụng phương pháp Bảng Hệ số an toàn tương đương thiết kế theo AASHTO LRFD 1997 so với thiết kế theo ƯSCP [6] Phương pháp xác định sức chịu tải Ma sát đất dính: - Phương pháp  - Phương pháp  - Phương pháp  Sức chống mũi: - Đất dính - Đá Ma sát sức chống mũi cát: - Theo SPT - Theo CPT Ma sát sức chống mũi loại đất: - Nén tĩnh - PDA 18 FStđ thiết kế theo LRFD FS thiết kế theo ƯSCP 2,0 2,9 2,75 2,6 2,0 2,9 2,75 3,2 2,6 2,75 1,8 2,0 2,0 2,25 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Về áp dụng số cơng thức tính tốn có nguồn gốc ngồi tiêu chuẩn Liên Xô Nga tiêu chuẩn thiết kế móng cọc Việt Nam Sự đan xen cơng thức tính tốn theo ƯSCP theo TTGH tiêu chuẩn gây nhầm lẫn Ví dụ người thiết kế sử dụng Ở Việt Nam, cơng thức tính tốn có nguồn gốc từ tài liệu Nhật Bản phương Tây tải trọng tính tốn kết hợp với sức chịu tải cho phép đưa vào tiêu chuẩn thiết kế móng cọc từ cuối năm 1990 áp dụng rộng rãi thực toán trường hợp thiên an toàn tế Một số vấn đề liên quan đến chuyển đổi cơng thức tính tốn theo ƯSCP vào TCXD lượng cần thiết 205:1998 TCVN 10304:2014 trình bày phân tích sau đây, từ đưa nhận xét cọc lấy từ tiêu chuẩn dựa thiết kế theo để xác định số lượng cọc nhóm Kết tính số lượng cọc bố trí nhóm nhiều số 4.2 Các phương pháp tính tốn sức chịu tải ƯSCP TCVN 10304:2014 kiến nghị tương ứng 4.1 Các phương pháp tính tốn sức chịu tải TCVN 10304:2014 chủ yếu chuyển dịch tiêu cọc lấy từ tiêu chuẩn dựa thiết kế theo ƯSCP TCXD 205:1998 chuẩn SP 24.13330.2011 Liên bang Nga, TCXD 205:1998 kế thừa phiên trước tiêu chuẩn thiết kế móng cọc, đồng thời bổ sung nhiều nội dung lấy từ tiêu chuẩn phương Tây Nhật Bản Một số phương pháp tính tốn sử dụng kết thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) sử dụng tiêu cường độ đất lần đầu đưa vào tiêu chuẩn thiết kế móng cọc Việt Nam Có thể lấy ví dụ cơng thức tiêu chuẩn bổ sung số cơng thức tính tốn sức chịu tải cọc theo kết thí nghiệm SPT, CPT theo tiêu học đất So với TCXD 205:1998, tiêu chuẩn thay hệ số an toàn kèm theo cơng thức tính tốn theo ƯSCP hệ số riêng SP 24.13330.2011 Áp dụng công thức (11) để tính tốn FStđ cho kết trình bày bảng Có thể nhận xét: Nhật Bản để tính tốn sức chịu tải Qa (tính - Tấn) theo số liệu SPT: SP 24.13330.2011 Liên bang Nga, Trong tiêu chunhận xét: ày ch tiêu chuẩn tiêu chuẩn bổ sung sdụ tiêu chuẩn Qa  [N a A p  (0,2 N s Ls  c )d ] (11) qui định áp dụng hệ số tin cậy k cho nhiêu chunhận xét: ày ch tiêu chuẩn SP đó: 24.13330.2011 Liên bang Nga, ngồi N a , N s - số SPT đất mũi cọc lớp cát bên thân cọc, búa/30 cm; Ls , Lc - chiều dài đoạn cọc nằm đất cát đất sét, m; tiêu chuẩn bổ sung sdụ tiêu chuẩn na - FS tđ