Nghiên cứu đánh giá giải pháp móng cọc trên nền đất yếu cho công trình xây dựng có xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất trên địa bàn tp. Quảng Ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TÔN LONG MỸ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG CĨ XÉT ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CỦA SỐ LIỆU NỀN ĐẤT TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG CÔNG THUẬT Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH TÙNG Phản biện 2: TS LÊ KHÁNH TOÀN Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 04 tháng 05 năm 2019 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài Với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày nông so với mặt đất tự nhiên, xu sử dụng móng cọc bê tơng cốt thép cơng trình xây dựng khu vực thành phố Quảng Ngãi trở nên phổ biến Cùng với phát triển kinh tế xã hội, khu dân cư khu cụm công nghiệp đầu tư xây dựng ngày nhiều khơng trường hợp phải hình thành trước vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn để vượt lũ Sự cố kết đất yếu đắp làm gây ma sát âm tác dụng lên móng cọc cơng trình xây dựng khu Hiện tượng làm giảm sức chịu tải cọc, làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc gây ổn định cho cơng trình Ở khía cạnh khác, ưu điểm kết cấu móng cọc khả chịu tải lớn, so với loại móng khác móng nơng Ngồi ra, độ ổn định sử dụng móng cọc tốt so với móng nơng Tuy nhiên, nhược điểm kết cấu móng cọc có giá thành xây dựng cao, chiếm tỷ trọng lớn tổng giá thành cơng trình Vì thực tế, để việc thiết kế thi cơng móng cọc vừa đảm bảo độ bền, độ ổn định, đảm bảo giá thành cạnh tranh, việc thiết lập giải tốn tối ưu thiết kế cho kết cấu móng cọc vấn đề quan trọng cần quan tâm nghiên cứu Vì vậy, nghiên cứu giải toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết cấu móng cọc, hàm mục tiêu bao gồm cực tiểu thể tích móng cọc (gồm cọc đài cọc) độ lún móng cọc Biến thiết kế bao gồm chiều dài cọc Lc đường kính cọc Dc Ràng buộc giới hạn khả chịu tải Pmax ràng buộc giới hạn độ lún Smax Chính lý nêu trên, nội dung: “Nghiên cứu đánh giá giải pháp móng cọc đất yếu cho cơng trình xây dựng có xét đến độ tin cậy số liệu đất địa bàn TP Quảng Ngãi” tác giả lựa chọn làm đề tài luận văn học viên Mục tiêu nghiên cứu - Xác định ảnh hưởng ma sát âm tính tốn móng cọc, đặc biệt trường hợp đất yếu (ví dụ Khu vực thành phố Quảng Ngãi) - Đánh giá độ tính cậy xét đến yếu tố đầu vào ngẫu nhiên tính tốn móng cọc, so sánh trường hợp khơng kể đến có kể đến ảnh hưởng ma sát âm tính tốn móng cọc - Giải tốn thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết cấu móng cọc, hàm mục tiêu bao gồm cực tiểu thể tích móng cọc (gồm cọc đài cọc) độ lún móng cọc Biến thiết kế bao gồm chiều dài cọc Lc đường kính cọc D c Ràng buộc giới hạn khả chịu tải Pmax Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Móng cọc tham số đầu vào ngẫu nhiên - Phạm vi nghiên cứu: Ảnh hưởng tượng ma sát âm tính tốn móng hai địa chất thiộc thành phố Quảng Ngãi Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính tốn móng cọc có kể đến không ảnh hưởng ma sát âm - Nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy, phương pháp mơ Monte Carlo - Tính tốn áp dụng với số đất cụ thể khu vực tỉnh Quảng Ngãi áp dụng mô Monte Carlo để tính xác suất phá hủy - So sánh, tổng hợp, nhận xét rút kiến nghị Cấu trúc luận văn Mở đầu Chương 1: Tổng quan giải pháp móng cọc cho cơng trình xây dựng dân dụng đất yếu địa bàn thành phố Quảng Ngãi Chương 2: Cơ sở khoa học thiết kế, lựa chọn giải pháp móng cọc đất yếu cho cơng trình xây dựng thành phố Quảng Ngãi Chương 3: Đánh giá giải pháp móng cọc đất yếu thành phố Quảng Ngãi xét đến độ tin cậy số liệu đất Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP MĨNG CỌC CHO CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Ở ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NỀN, MĨNG 1.1.1 Khái niệm nền, móng a Nền cơng trình b Móng cơng trình 1.1.2 Phân loại nền, móng a Phân loại b Phân loại móng 1.2 SƠ LƯỢC VỀ MĨNG CỌC CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG 1.3 NHẬN XÉT SƠ BỘ VỀ NỀN ĐẤT Ở THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI Với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày nông so với mặt đất tự nhiên, xu sử dụng móng cọc bê tơng cốt thép cơng trình xây dựng khu vực thành phố Quảng Ngãi trở nên phổ biến Cùng với phát triển kinh tế xã hội, khu dân cư khu cụm công nghiệp đầu tư xây dựng ngày nhiều khơng trường hợp phải hình thành trước vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn để vượt lũ Sự cố kết đất yếu đắp làm gây ma sát âm tác dụng lên móng cọc cơng trình xây dựng khu Hiện tượng làm giảm sức chịu tải cọc, làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc gây ổn định cho cơng trình 1.4 KẾT LUẬN Trong chương này, luận văn trình bày khái niệm sơ lược cấu tạo móng cọc cơng tình xây dựng Tuy nhiên, thiết kế móng thường bỏ quan việc ảnh hưởng ma sát âm - tác nhân làm giảm khả chịu tải trọng cọc, thiết kế tính tốn móng cọc bỏ qua ma sát âm nguy hiểm cho cơng trình Bên cạnh đó, tham số đầu vào tính tốn móng cọc như: tiêu lý đất nền, tải trọng tác động… không mang giá trị tất định, mà dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế ban đầu tuân theo qui luật phân phối xác suất định Sự dao động làm cho ứng xử đầu kết cấu dao động vượt giới hạn cho phép, dẫn đến phá hoại kết cấu móng Trong chương tiếp theo, luận văn trình bày sở khoa học vấn đề để tiến hành tính tốn cụ thể chương CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC THIẾT KẾ, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG TẠI THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 2.1 YÊU CẦU CHUNG VỀ CÔNG TÁC THIÊT KÊ NỀN MĨNG 2.1.1 Ý nghĩa cơng tác thiết kế móng Khi tính tốn, thiết kế xây dựng cơng trình, phải đảm bảo thỏa mãn ba yêu cầu sau: - Bảo đảm làm việc bình thường cơng trình q trình xây dựng sử dụng lâu dài sau - Bảo đảm ổn định mặt cường độ biến dạng kết cấu tồn cơng trình - Bảo đảm thời gian xây dựng ngắn với giá thành hợp lý 2.1.2 Nội dung công tác thiết kế móng Trong tính tốn thiết kế móng cơng trình, người ta chủ yếu tính theo trạng thái giới hạn (TTGH) Trạng thái giới hạn trạng thái mà vượt q kết cấu khơng thỏa mãn yêu cầu đề thiết kế [2, 7] 2.2 CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ CƠNG TÁC THIẾT KẾ NỀN MĨNG * Cơng tác khảo sát địa kỹ thuật - Khảo sát địa kỹ thuật phần công tác khảo sát xây dựng thực nhằm đánh giá điều kiện địa chất cơng trình, dự báo biến đổi ảnh hưởng chúng cơng trình xây dựng q trình xây dựng sử dụng cơng trình Khảo sát địa kỹ thuật bao gồm khảo sát địa chất cơng trình quan trắc địa kỹ thuật - Điều kiện địa chất cơng trình bao gồm đặc điểm địa hình, địa mạo; cấu trúc địa chất; đặc điểm kiến tạo; đặc điểm địa chất thuỷ văn; đặc điểm khí tượng - thuỷ văn; thành phần thạch học; tính chất - lý đất, đá; trình địa chất tự nhiên, địa chất cơng trình bất lợi - Điểm thăm dò vị trí mà khảo sát thực cơng tác khoan, đào, thí nghiệm trường (xuyên, cắt, nén tĩnh, nén ngang, thí nghiệm thấm ), đo địa vật lý 2.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 2.3.1 Đặc điểm địa hình Thành phố Quảng Ngãi có địa hình phẳng, vùng nội thành có núi, sơng tạo nên mơi trường sinh thái tốt, có mực nước ngầm cao, địa chấn ổn định 2.3.2 Đặc tính địa chất cơng trình Địa hình thuộc vùng đồng tỉnh Quảng Ngãi Đất đá có nguồn gốc trầm tích lớp đất đá đến độ sâu yêu cầu khảo sát chủ yếu lớp sét pha, sét pha lẫn sạn sỏi, cát hạt trung, đá phong hóa mạnh thành sét pha, theo tài liệu tham khảo chúng đá gốc granit, đất thiên nhiên tương đối cứng, ổn định 2.3.3 Phân vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi Vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi chia làm khu vực khu vực địa chất yếu thường nằm vị trí ruộng trũng, ao, hồ, đầm lầy có dạng đất đắp (san nền) khu vực có địa hình cao, địa chất tốt 2.4 QUY TRÌNH TÍNH TỐN MĨNG CỌC Quy trình tính tốn móng cọc thông thường trải qua bước sau : 2.4.1 Sơ chọn kích thước tiết diện cọc a Chọn chiều sâu chơn móng (hm) hmin tg(450 ) 2Qtt Bđ (2.1) - Để đầu cọc không bị dịch chuyển cột không bị uốn ta phải đặt cọc độ sâu cho đủ ngàm vào đất hm > hmin x 0.7 b Chọn vật liệu kích thước cọc 2.4.2 Xác định sức chịu tải cọc theo độ bền vật liệu làm cọc Sức chịu tải tính tốn cọc theo điều kiện làm việc xác định công thức (Theo TCXD 195 : 1997) Pvl = (RnFb + RanFa) (2.3) 2.4.3 Xác định sức chịu tải cọc theo tính chất lý đất Theo TCXD 205 : 1998 – Phụ lục A Qtc = m(mR qp Ap + u mf fi li) (2.5) 2.4.4 Xác định sức chịu tải cọc theo tiêu cường độ đất (TCVN 205-1998) Sức chịu tải cho phép cọc tính theo cơng thức Qp Ap q p As qs Qs Qa (2.6) FS p FSs FS p FSs Do cọc qua nhiều lớp đất nên công thức mở rộng : Qa Ap q p u FS p ( f sili ) FSs (2.7) 2.4.5 Xác định số cọc, kích thước đài cọc Ứng suất trung bình sơ đáy móng Pn (3d ) sb tb (2.13) Sơ tính diện tích đáy đài: Fsb N tt sb tb tb hd 1.1 (2.14) Xác định số lượng cọc theo công thức: tt c n N0tt Fsb (2.15) 2.4.6 Tính tốn móng cọc 2.4.7 Kiểm tra sức chịu tải cọc theo điều kiện sau : tt Qmax Qtt Qmin > 2.4.8 Tính lún cho móng cọc đài đơn (theo trang thái giới hạn thứ hai) Nhờ ma sát mặt xung quanh cọc đất, tải trọng móng truyền diện tích rộng hơn, xuất phát từ mép ngồi cọc đáy đài nghiêng góc tính sau: tb (2.20) 2.4.9 Tính tốn móng cọc đất yếu có ảnh hưởng tượng ma sát âm - Định nghĩa tượng ma sát âm [8, 13] Đối với cơng trình có sử dụng móng cọc, cọc đóng vào tầng đất có tính nén lún đất vừa đắp mà mũi cọc đặt tầng đất chặt Sẽ xảy đồng thời trình lún đất cọc sau đóng cọc đặt tải Ngay sau đóng q trình đóng cọc, phần tải đất kháng lại lực dính đất cọc Tuy nhiên trình cố kết xảy truyền tồn tải lên mũi cọc Trong số trường hợp độ lún đất lớn cọc, chuyển vị tương đối phát sinh lực kéo xuống tầng đất cọc gọi tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi lực ma sát âm Theo quy phạm Việt Nam Theo TCXD 205-1998, ma sát âm làm giảm khả chịu tải cọc cọc nhồi, cần xem xét khả xuất tính tốn sức chịu tải cọc trường hợp sau: + Sự cố kết chưa kết thúc trầm tích cổ đại trầm tích kiến tạo + Sự tăng độ chặt đất rời tác dụng trọng lực + Tăng ứng suất hữu hiệu đất mực nước ngầm bị hạ thấp + Tôn quy hoạch có chiều dày lớn 1m + Phụ tải kho lớn 20 KN/m2 + Sự giảm thể tích đất chất hữu đất bị phá hủy 2.10 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO Trong q trình thiết kế cơng trình xây dựng, nhiều liệu tính tốn đầu vào khơng mang giá trị cố định, mà dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế ban đầu thường tuân theo qui luật phân phối xác suất cố định Những thay đổi yếu tố tự nhiên yếu tố người Điều dẫn đến ứng xử đầu kết cấu dao động theo qui luật phân phối xác suất, có số trường hợp ứng xử đầu vượt giới hạn cho phép định trước như: chuyển vị vượt chuyển vị cho phép, ứng suất vượt ứng suất cho phép,…Xác suất trường hợp ứng xử đầu vượt giới hạn cho phép gọi xác suất khơng an tồn kết cấu hay xác suất phá hủy kết cấu Khi đó, việc xác định xác suất phá hủy kết cấu có dao động ngẫu nhiên yếu tố đầu vào gọi toán phân tích độ tin cậy kết cấu [3, 4, 6] 2.10.1 Tổng quan lý thuyết tính tốn độ tin cậy Bước việc tính tốn độ tin cậy hay xác suất phá hủy kết cấu chọn tiêu chuẩn an toàn hay phá hoại phần tử kết cấu xem xét cụ thể, tham số tải trọng hay sức bền thích hợp, gọi biến Xi, quan hệ chức chúng phù hợp với tiêu chuẩn áp dụng [5, 9] Về mặt tốn học, hàm cơng cho mối quan hệ mơ tả bởi: M =g(X1, X2,…., Xn) (2.36) 2.10.2 Các bước tốn phân tích độ tin cậy kết cấu Tổng qt, tốn phân tích độ tin cậy cho kết cấu bao gồm bước sau [10]: b1 Xác định hàm trạng thái giới hạn Hàm trạng thái gới hạn ngưỡng an toàn cho phép kết cấu, thiết lập dựa tiêu chuẩn thiết kế qui định trước nhà thiết kế đặt như: ứng suất cho phép vật liệu, chuyển vị cho phép kết cấu,…Tuỳ vào yêu cầu thiết kế mức độ quan trọng cơng trình mà người thiết kế lựa chọn nhiều hàm trạng thái giới hạn để đánh giá Hàm trạng thái giới hạn đại điện hai thành phần có dạng sau: g(x) = R(x) – Q(x) (2.44) b2 Lựa chọn biến ngẫu nhiên g xi g xi g ( xi xi ) g ( xi ) xi (2.45) Trong đó: - xi giá trị chọn biến ngẫu nhiên thứ i - ∆xi số gia biến thông thường chọn bé Dựa vào kết phân tích độ nhạy, người thiết kế chọn biến ngẫu nhiên có độ nhạy lớn để tiến hành phân tích độ tin cậy b3 Xác định thông số cần thiết biến ngẫu nhiên 2.10.3 Phương pháp mô Monte-Carlo Simulation (MCS) n Pf 100 (2.46) N Bản chất phương pháp xây dựng tương tự xác suất phục hồi đại lượng nghiên cứu, thực cách ngẫu nhiên xem kết nhận lời giải gần tốn Độ xác kết nhận phụ thuộc vào số lần thử nghiệm N xác N lớn Như biết, sai số phương pháp Monte Carlo tỷ lệ với C / N , với C số đó, nghĩa để giảm sai số 10 lần phải tăng N lên 102 lần 2.11 KẾT LUẬN Trong chương này, trình bày sơ lược số phương pháp tính tốn độ tin cậy để xác định rõ mức độ tin cậy kết cấu móng cọc cơng trình xây dựng, chương trình bày tính tốn móng cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm dựa theo lý thuyết độ tin cậy CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Ở THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI KHI XÉT ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CỦA SỐ LIỆU NỀN ĐẤT 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Như phân tích chương 2, địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi chia làm khu vực khu vực địa chất yếu thường nằm vị trí ruộng trũng, ao, hồ, đầm lầy có dạng đất đắp (san nền) khu vực có địa hình cao, địa chất tốt Trong đó, với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày nơng so với mặt đất tự nhiên, xu sử dụng móng cọc bê tơng cốt thép cơng trình xây dựng khu vực Quảng Ngãi trở nên phổ biến Bên cạnh đó, khu dân cư khu cụm công nghiệp đầu tư xây dựng ngày nhiều khơng trường hợp phải hình thành trước vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn để vượt lũ Sự cố kết đất yếu đắp làm 10 ' vp ' vp ' i Hi 16 (17.9 5) 10 5.6 9.2 1.5 9.6 275.2 (kN/m ) Cọc ngàm vào lớp 4: φ = 27.20 ; C = 9.1 (kN/m2) Tra theo bảng tra Vesic ta được: Nq=13.5; Nc=24.31; Nγ= 14.9 Cường độ đất mũi cọc: ' vp qp c Nc Nq d N qp 9.1 24.31 257.2 13.5 9.6 0.3 14.9 3.981 103 (kN/m ) Vậy độ lún đất mũi cọc : Sm 3.981 103 0.3 0.88 0.32 0.0563 (m) 17000 Độ lún đất thân cọc Sb B f si i E0i Lưu ý: Ở có lớp đất (1, 2, 3, 4) chiều sâu mực nước ngầm nằm độ sâu -5m, tức nằm lớp đất 1, để thuận tiện ta chia lớp đất thành 02 phần : nằm (1a) (1b) mực nước ngầm Chúng ta có bảng tính giá trị Sbi sau: Bảng 3.2 Tính tốn độ lún lực thân cọc lớp đất Lớp đất Ư/s hữu hiệu theo phương Lực ma sát bên fsi Hệ số ωbi Độ lún lực thân cọc Sbi 40.0 10.06 3.42 0.0049 118.7 17.47 4.29 0.0106 185.4 23.74 3.51 0.0117 220.3 78.52 2.78 0.0085 251.2 74.08 3.42 0.0046 đứng Lớp 1a: φ=6o ; C=9 ; γ=16 ; H1a=5 Lớp 1b: φ=6o ; C=9 ; γ=6 ; H1b=12.9 Lớp 2: φ=27,1o ; C=24.5; γ=10 ; H2=5.6 Lớp 3: φ=27o ; C=6; γ=9.2 ; H3=1.5 Lớp 4: φ=27,2o ; C=9.1; γ=9.6 ; H4=5.0 Sb ' vi Sbi 0.0403 (m) Độ lún toàn cọc S L Sm Sb 0.69 10 5.63 10 4.03 10 10.35 10 (m) 11 - Xác định chiều dài cọc chịu ma sát âm Chiều sâu ảnh hưởng đến ma sát âm S d H1 S pi z 10.35 10 17.9 8.66 (m) 20.05 10 - Xác định sức chịu tải cọc khơng có ma sát âm Sức chịu tải cực hạn ban đầu chưa có khối đắp : Qp q p Ap 3.98 103 0.3 0.3 358.24 (kN) Qs u Qs f s Hi 0.3 10.06 17.47 12.9 23.74 5.6 78.52 1.5 74.08 5.0 Qs 1076.3 (kN) Qa Qs FSs Qp FS p 1076.3 358.24 657.57 (kN) - Xác định sức chịu tải cọc có xét ma sát âm đất yếu Xét lớp đất chiều dày 17,9m với chiều sâu đoạn ma sát âm lớp đất z = 8.66m lớn chiều sâu mực nước ngầm, chia cọc thành 03 đoạn sau + Đoạn ma sát âm dài 5m (trên mực nước ngầm) ' 16 40.0 v1 f s1 sin 60 40 tg(60 ) 10.06 + Đoạn ma sát âm dài (8.66 – 5) = 3.66m (dưới mực nước ngầm) 3.66 ' 16 90.98 v2 fs2 sin 60 90.98 tg(60 ) 14.86 + Đoạn ma sát dương dài (17.9-8.66) = 9.24m 9.24 ' 16 3.66 129.68 v3 fs3 sin 60 129.68 tg(60 ) 18.50 Như : QsMSÂ 0.3 40 10.06 90.98 14.86 129.68 18.5 23.74 5.6 78.52 1.5 74.08 5.0 QsMSÂ 824.85 (kN) 12 QsMSÂ FSs MSÂ a Q Qp FS p 824.85 358.24 531.84 (kN) Độ giảm sức chịu tải cọc xét ma sát âm: Q Qa QaMSÂ 657.57 531.84 125.73 (kN) Kết luận: Khi có kể đến ma sát âm, sức chịu tải cọc giảm 125.73kN (khoảng 19%) trường hợp có phụ tải đất đắp đất yếu 3.3 BAI TOAN : Phân tích đặc trưng thống kê sức chịu tải móng cọc đất yếu xét đến độ tin cậy số liệu đất 3.3.1 Cơ sở lý thuyết Để tính tốn nội lực móng cọc có xét đến tính ngẫu nhiên tiêu đất, theo phân tích phần tổng quan, ta sử dụng phương pháp mơ hình hóa thống kê Trong trường hợp xem xét tiêu lý đất đại lượng ngẫu nhiên, sức chịu tải cọc đại lượng ngẫu nhiên Biến ngẫu nhiên chọn toán tiêu lý lớp đất gồm góc nội ma sát (φ), lực dính (c), dung trọng tự nhiên (γ) Giả định biến ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố chuẩn (normal) với giá trị trung bình (μ) lấy từ bảng 3.1 Hệ số biến thiên (cv) biến ngẫu nhiên lấy khoảng 10% (cv = 0.1) Từ đó, độ lệch chuẩn biến ngẫu nhiên σ = 10%μ Như vậy, với tiêu lý (φ, c, γ) lớp đất nền, có tất 12 biến ngẫu nhiên 3.3.2 Các bước tính tốn Bước 1: Phát sinh dãy Ns giá trị {φ, c, γ}1, {φ, c, γ}2, {φ, c, γ}i…, tuân theo quy luật phân bố chuẩn dựa vào kỳ vọng độ lệch chuẩn biết giá trị φ, c γ Bước 2: Tính tốn giá trị sức chịu tải cọc Q aMSÂ theo trình tự mô tả mục 3.2 Bước 3: Lặp lại Ns lần Bước Bước 2, nhận N giá trị QaMSÂ Bước 4: Kỳ vọng phương sai đại lượng QaMSÂ` tính theo cơng thức MSÂ a Q N N MSÂ si Q i MSÂ s var Q N N i MSÂ si Q N N MSÂ si Q i Bước 5: Xác định độ tin cậy móng cọc phương pháp thống kê Nf với Nf số lần mô mà giá trị QaMSÂ Pmax (xem chi tiết sơ đồ khối Pf N thể hình vẽ 3.2) 13 Hình 3.3 Biểu đồ tần suất xuất giá trị sức chịu tải cọc với trường hợp có xét khơng xét đến ảnh hưởng đất yếu tượng ma sát âm Từ kết mô ta so sánh với giá trị Pmax , kết độ tin cậy (xác suất phá hủy) kết cấu móng hai trường hợp sau: 8000 100% 92.0% - Không xét ma sát âm: Ps Pf 100000 1853 Ps Pf 100% 81.47% - Có xét ma sát âm: 100000 Như vậy, ta thấy móng thiết kế theo tương đối an tồn (>90%), nhiên có kể đến ma sát âm, xác suất an toàn (81.47%) móng cọc nhỏ nhiều trường hợp không xét ma sát âm 3.3.4 Khảo sát độ tin cậy móng cọc thay đổi tải trọng truyền xuống cọc, phụ tải đất đắp mực nước ngầm Trong phần này, thay đổi giá trị tải trọng tác dụng lớn lên cọc (Pmax) , áp lực gây lún phụ tải đất đắp (Pgl) chiều sâu mực nước ngầm (MNN) để quan sát ảnh hưởng yếu tố đến độ tin cậy móng cọc Kết tính tốn cho hai trường hợp thể hình vẽ : 14 Hình 3.4 Khảo sát ảnh hưởng Pmax đến độ tin cậy kết cấu Hình 3.5 Khảo sát ảnh hưởng Pgl đến độ tin cậy kết cấu 15 Hình 3.6 Khảo sát ảnh hưởng MNN đến độ tin cậy kết cấu Nhận xét : i) Trường hợp thay đổi giá trị Pmax tác dụng vào đầu cọc (hình 3.4) thay đổi kết độ tin cậy hai trường hợp (có khơng có MSA), P max lớn độ tin cậy (Ps) kết cấu nhỏ ii) Trường hợp thay đổi phụ tải đất đắp (hình 3.5), nhận thấy kể đến tượng ma sát âm, độ tin cậy cho kết cấu sụt giảm nghiêm trọng Phụ tải đất đắp tăng (áp lực gây lún lớn) sức chịu tải cọc giảm mạnh độ tin cậy kêt cấu móng giảm mạnh Trong đó, trường hợp khơng xét ma sát âm kết độ tin cậy gần không thay đổi, tức không phụ thuộc vào Pgl Từ kết thu được, kết luận ảnh hưởng tượng ma sát âm đến khả chịu tải móng cọc đáng kể Chính vậy, cơng trình có cơng tác san lấp việc kể đến tượng ma sát âm trình thiết kế quan trọng iii) Đối với trường hợp thay đổi chiều sâu mực nước ngầm (hình 3.6), ta nhận thấy tượng ma sát âm ảnh hưởng khoảng định thay đổi mực nước ngầm, giá trị tùy thuộc vào toán khác Với trường hợp xét, chiều sâu mực nước ngầm sâu khoảng 6m kết hai trường hợp 3.4 BAI TOAN : Đánh giá hiệu giải pháp móng cọc thơng qua tốn tối ưu đa mục tiêu 3.4.1 Đặt vấn đề 16 Như biết, ưu điểm kết cấu móng cọc khả chịu tải lớn, so với loại móng khác móng nơng Ngồi ra, độ ổn định sử dụng móng cọc tốt so với móng nơng Tuy nhiên, nhược điểm kết cấu móng cọc có giá thành xây dựng cao, chiếm tỷ trọng lớn tổng giá thành cơng trình Vì thực tế, để việc thiết kế thi cơng móng cọc vừa đảm bảo độ bền, độ ổn định, đảm bảo giá thành cạnh tranh, việc thiết lập giải toán tối ưu thiết kế cho kết cấu móng cọc vấn đề quan trọng nhận quan tâm nhà nghiên cứu giới Tổng quát, toán tối ưu có hay nhiều hàm mục tiêu Tuy nhiên thực tế, hầu hết trường hợp định ln xem xét hòa hợp hai hay nhiều mục tiêu lúc Do đó, việc áp dụng tối ưu hóa đa mục tiêu để tính toán cho kết cấu thiết thực mang lại nhiều lợi ích Lời giải tốn tối ưu hóa đa mục tiêu tập hợp nghiệm tối ưu, thỏa mãn mục tiêu đặt theo tỉ lệ ưu tiên hỗn hợp từ đến tập hợp nghiệm gọi tập nghiệm Pareto 3.4.2 Mơ tả tốn Các thơng số đầu vào số liệu địa chất công trình khu vực thành phố Quảng Ngãi trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4 Số liệu địa chất STT Tính chất đất Dung trọng tự nhiên Dung trọng đẩy Module đàn hồi Lực dính Góc ma sát Hệ số poisson Bề dày lớp đất Đơn vị Bùn sét, chảy Cát pha dẻo Sét pha, dẻo mềm Sét nửa, cứng Cát pha,dẻo T/m3 1.46 1.95 1.95 1.9 2.02 γđn T/m3 0.48 1.01 1.0 0.91 1.06 E T/m2 80.1 805.5 555.7 599.0 1287.6 C T/m2 0.57 0.9 2.65 0.88 Độ 3039’ 22020’ 10047’ 12010’ 24039’ - 0.41 0.28 0.25 0.15 0.28 m 18.5 8.2 3.9 6.7 23.5 Kí hiệu h 17 Bảng 3.5 Tải trọng tính tốn chân cột Tải trọng N (T) Mx (T.m) My (T.m) Qx (T) Tải trọng tính tốn 1050 210 39 25 Tải trọng tiêu chuẩn 913.1 182.6 33.9 21.7 3.4.3 Thiết kế sơ móng cọc a Sơ chọn kích thước tiết diện cọc Chiều sâu chơn móng thỏa mãn điều kiện móng cọc (đài thấp) hmin tg (450 hmin tg (45 ) Qy (T) 18 15.6 2Qtt Bd 3039' x 25 ) 1.46 x 4.8 2.58 (m) Để đầu cọc không bị dịch chuyển cột không bị uốn ta phải đặt cột độ sâu sau cho đủ ngàm vào đất hm > hmin x0.7 (chọn hm = 3(m) Chọn cọc khoan nhồi đường kính d = 0.8(m), mũi cọc nằm lớp đất cát pha, dẻo cao độ -47.5 (m), có chiều dài cọc Lc = 45.0(m), đoạn cọc ngàm vào bệ 0.5(m) Mũi cọc cắm vào lớp thứ có chiều dày 23.5 (m), đất cát pha dẻo Fa Fa xd 3.14 x0.82 0.5024 (m) xD2 x(0.4 0.65)% 3.14 x802 Fa x(0.4 0.65)% 20.09 32.65 (cm ) Chọn 14 Fa = 28.13 (cm2) Fa b Xác định sức chịu tải theo tiêu cường độ đất theo TCXDVN: 205 - 1998 Sức chịu tải cực hạn cọc Qu = Qs + Qp Bảng 3.6 Bảng tính fsi Lớp đất φ 1-sinφ tgφ Hi (m) 3.65 22.33 10.78 12.17 29.21 0.94 0.62 0.81 0.79 0.51 0.06 0.41 0.19 0.22 0.559 15.5 8.2 3.9 6.7 10.2 γi (kN/m3) 4.8 10.1 10.0 9.1 10.6 ' vi (kN/m ) 37.2 115.8 176.7 226.7 311.25 fsi (kN/m) 6.21 35.79 41.36 57.12 89.41 18 c Tính tốn, chọn số lượng cọc, kích thước hình học đài cọc Ứng suất trung bình sơ đáy móng sb tb Qa (3d c ) 2994 (3 x0.8) 2 519.8 (kN/m ) = 51.98 (T/m ) Diện tích sơ đáy đài Fsb N0tt sb tb 1050 23.14 (m2) 51.98 1.1 h tb d Trọng lượng đài đất phủ đài Qsbd 1.1xFsb hd tb 1.1 23.14 152.72 (T) Chọn số lượng cọc cọc Bố trí cọc theo phương : Phương x = cọc ; phương y = cọc Cạnh dài đài móng L = 6.8 (m), cạnh ngắn đài móng B = 4.8 (m) d Kiểm tra móng cọc *) Kiểm tra tải trọng tác dụng lên cọc Lực truyền xuống cọc hàng biên : tt max N tt M y X nen M xttYnenmax tt Qmax nc X i2 Yi tt Qmax tt Qmin tt Qmin Kết luận : 1265.4 75 2.4 260 1.2 9.6 7.2 tt max N tt M y X nen M xttYnenmax X i2 nc 272.98 (T) Yi 1265.4 75 2.4 260 1.2 148.8 (T) 9.6 7.2 tt Qmax 272.98(T) < Qa = 299.4 (T) tt Qmin 148.8 (T) > Vậy : Điều kiện kiểm tra thỏa **) Kiểm tra ổn định khối móng quy ước Bảng 3.7 Bảng tính góc ma sát trung bình Lớp đất hi (m) φ(0) hi x φ 15.5 8.2 3.9 6.7 3.65 22.33 10.78 12.17 56.57 183.13 42.06 81.52 tb (0) 13.8 19 Tổng 10.2 44.5 24.65 251.43 614.71 Bảng 3.8 Xác định trọng lượng lớp đất hi hi(m) Trọng lượng lớp i (T) (T / m3 ) Lớp đất 639.4 15.5 1.46 22.63 2070.6 8.2 1.95 15.99 1463 3.9 1.95 7.605 695.8 6.7 1.9 12.73 1164.8 10.2 2.02 20.61 1885.2 Tổng 85.6 7918.8 Lớp đất thứ tính từ đáy đài móng trở lên dung trọng dung trọng trung bình đất bê tông (T/m3) Trọng lượng thân hệ cọc d x3.14 Nc nc xLc x2.5x 0.82 x3.14 Nc x44.5x2.5x 335.6 (T) Trọng lượng móng khối qui ước Nmq = 7918.8 +335.6 = 8254.4 (T) Lực dọc tiêu chuẩn tâm đáy móng khối quy ước tc N mq N mq N 0tt / 1.15 9167 (T) Mô men tiêu chuẩn tâm đáy khối móng qui ước tc M mq M 0tc Q0tc x(Lc+ hđ) 210 25x44.5 1193 (T.m) 1.15 Độ lệch tâm tiêu chuẩn tc M mq e = 0.13 (m) tc N mq tc M mq Áp lực tiêu chuẩn đáy móng khối quy ước tc N mq =91.93 (T/m2) max 6e Fmq x(1 ) Lmq 20 tc N mq Fmq x(1 max 6e ) Lmq tb =80.11 (T/m2) = 86.02 (T/m2) Cường độ tiêu chuẩn đất móng khối qui ước R tc m1m2 ( ABmq ktc n mq B hi i DCmq ) 1.3x1.1 x(0.757 x9.37 x1.06 4.027 x85.6 6.595 x0.88) Rtc 511 (T/m ) Với tc = 24,650 mq Rtc Tra bảng ta được: A = 0.757; B = 4.027; D = 6.595 Kiểm tra điều kiện max 91.93(T/m2) < Rtc =511 7x1.2=614 (T/m2) 80.11 (T/m2) > tb 86.02 (T/m2) < Rtc = 511 (T/m2) Kết luận : Cường độ đất thỏa mãn điều kiện 3.4.4 Đánh giá giải pháp móng cọc thơng qua tốn tối ưu chi phí khả chịu lực móng cọc Các thơng số toán tiêu lý cường độ đất (γ, c, φ) tải trọng tác động (N, M, Q) xem giá trị tiền định giải toán thiết kế Trong nghiên cứu này, dựa điều kiện thi công thực tế, tác giả chọn hai loại đường kính 1,0m 1,2m để thiết kế ban đầu cho cọc khoan nhồi điển hình Tuy nhiên, thiết kế tối ưu đa mục tiêu, tác giả khảo sát cho tất trường hợp đường kính cọc Dc = {0,6m  1,2m}, để giúp cho người thiết kế có nhiều sở lựa chọn đánh giá phương án thiết kế Sơ đồ tính tốn: 21 Thơng số đầu vào toán Thiết kế tiền định Áp dụng TCVN Vesic (1973) Thiết kế tối ưu đa mục tiêu Giải thuật tối ưu MCS Kết tối ưu Hình 3.8 Sơ đồ khối tính tốn tối ưu Bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết cấu móng cọc trình bày sau: Hàm mục tiêu Min f1(Dc,Lc) = {V(X)}; Min f2(Dc,Lc) = {S(X)} g1(Dc,Lc) = Pmax – Qu