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 sơng, 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 khơng 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 Thiết kế • Cấu tạo • Chi tiết • Thi cơng Thi công cọc khoan
K.tra thiết kế/thay đổi • Thử tải động • Thử tải tĩnh Giám sát và QL C.Lượng Kiểm tra • Vật liệu • Q trình • C.tác khoan • Đ.nhất Bêtơng - Cường độ & các thông số đặc trưng địa chất Khảo sát, thí nghiệm hiện trường Kết quả thí nghiệm trong phịng ? Đạt Hồn thành thi cơng cọc khoan nhồi +
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 cơng trình phục vụ cho
cơng tác thiết kế và thi cơng 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 cơng trình;
đặc điểm địa tầng, tiêu chuẩn thiết kế và giai đoạn triển khai cơng trình. Nội
dung chủ yếu là khoan lấy mẫu, thí nghiệm hiện trường, thí nghiệm trong phịng. Lấy mẫu ngun dạng và khơng ngun dạng. Đo mực nước, lấy mẫu nước thí
nghiệm xác định thành phần hóa học, đánh giá ăn mịn bê tơng. 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 tốn của các tiêu chuẩn hiện hành. Tuy nhiên, vẫn còn một số tồn tại sau:
+ Khối lượng công tác khảo sát cịn 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 khơng hợp lý và đơi khi khối lượng thí nghiệm trong
phịng thực hiện khơng đầy đủ;
+ Cơng 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,
khơng 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 cơng chưa chính xác, chưa dự báo được các sự cố thi cơng 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 mơ hình (phương pháp) dự tính sức kháng đỡ cọc khoan nhồi, các mơ 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 mơ 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 cơng 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. Cơng nghệ khoan khơ 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 khơng có kinh nghiệm trong thi cơng 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 ngồi 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
cơng 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 tốn thiết kế.
Thơng thường, trong 50 cơng trình có sử dụng cọc khoan nhồi thì đã có 10 cơng trình gặp sự cố ở cọc khoan nhồi. Rõ nhất và điển hình nhất là sự cố ở cọc khoan nhồi của các cơng 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 tơng tính tốn 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 cơng 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 khơng 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 cơng 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, cơng 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 TỐN 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 tốn 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 mơ hình (phương pháp) tính tốn với các thơng 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 tốn 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 tốn từ sự biến thiên các tham số đặc trưng của đất nền quanh cọc, kích thước cọc, trình độ tinh thơng
(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 thơng qua q 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 (Qtk) khơng được vượt q các sức kháng có hệ số riêng (Rtk). 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 cơng 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
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 cơng 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:
Điều kiện: FS R Q n z i i 1 (dạng khác: K R Q n ) (1.1) trong đó:
• Rn: Cường độ (sức kháng) danh định (có thứ nguyên như ứng suất) của bộ phận kết cấu cơng trình;
• Qi: Ứng suất (hiệu ứng tải) danh định trong kết cấu, được tính tốn theo tải trọng sử dụng;
• FS (hoặc K): hệ số an tồn; • i: chỉ số của tải trọng;
• 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 cơng trình chưa bị phá hoại (vẫn duy trì được khả năng làm việc) chừng nào tổ hợp tải trọng tính tốn cịn chưa vượt quá khả năng chịu tải (sức kháng) của bộ phận kết cấu. Điều kiện: z n i i iQ R 1 (1.2)
trong đó Rn, Qi, i, z như giải thích ở cơng thức (1.1), γi: hệ số tải trọng của tải trọng thứ 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 cơng trình và các bộ phận có thể có các Theo q trình chịu tải, kết cấu cơng trình và các bộ phận có thể có các trạng thái khác nhau. TTGH là trạng thái tại đó kết cấu bắt đầu khơng duy trì được khả năng chịu tải (bị phá huỷ); hoặc bất thường, gây khó khăn cho khai
thác. Yêu cầu kết cấu trong q trình làm việc khơng lâm vào bất kỳ một trạng thái giới hạn nào.
Điều kiện (dạng chung): z Q mk RnF i i i . . 1 (1.3)
trong đó Rn, Qi, i, z, γi 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 cơng trình được xem là duy trì khả năng làm