L ỜI CẢM ƠN
1.1.4.3. Công tác thi công cọc khoan nhồi
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 đểđổ 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 cốở cọc khoan nhồi. Rõ nhất và điển hình nhất là sự cốở 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 nhỏđể 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 bịđo 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 (Qtk) không được vượt quá 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 sốđộ tin cậy riêng, qua đó đểđạt 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 sốđộ 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:
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 nhưứng suất) của bộ
phận kết cấu công trình;
• Qi: Ứng suất (hiệu ứng tải) danh định trong kết cấu, được tính toán theo tải trọng sử dụng;
• FS (hoặc K): hệ số an toàn; • 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 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. Điều kiện: z n i i iQ R 1 (1.2) trong đó Rn, Qi, i, z như giải thích ở công thức (1.1), γi: hệ số tải trọng của tải trọng thứi.
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 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 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 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, Ps, được xác định: Ps P{QR|[0,T]} (1.4) và xác suất bị phá hoại hoặc gặp sự cố: Pf P{QR|[0,T]} (1.5)
trong đó P{QR|[0,T]}là xác suất để không xảy ra sự cố (hư hỏng, Q<R) trong khoảng thời gian khai thác, T; P{QR|[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 s P P , hoặc Pf [Pf ] (1.6) Tính Ps và Pf : R Q f f Q f R dQdR P ( ) ( ) (1.7) R Q s f Q f R dQdR P ( ) ( ) (1.8)
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) 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 sốđộ 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)
Qk và Rk là các giá trị đặc trưng (danh định) của hiệu ứng tải và sức kháng, xác định theo nguyên lý sau:
Qk: P(Q ≤ Qk)=0.95 (1.9)
Rk: P(R ≥ Rk)=0.95 (1.10)
Qtk và Rtk là các giá trị thiết kế của hiệu ứng tải và sức kháng, được xác
định theo nguyên lý sau:
k tk Q Q . (với 1) để P(QQtk) rất nhỏ (1.11) k tk R R . (với 1) để P(RRtk) rất nhỏ (1.12) Sự cố (TTGH) chỉ xảy ra với xác suất rất nhỏ = P(QQtk).P(RRtk) (1.13) Các giá trịγ, φđược định chuẩn căn cứ theo độ tin cậy hay chỉ sốđộ 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) Qk Qtk Rtk Rk Q, R
Điều kiện (dạng chung): z n i i iQ R 1 (1.14) • trong đó Rn, Qi, i, z, γi như giải thích ở công thức (1.1) và (1.2); φ: hệ số sức kháng.
1.2.3. Tính toán thiết kế cọc khoan nhồi trong định dạng các bộ tiêu
chuẩn LRFD hiện hành
Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, mỗi kết cấu công trình hay cọc khoan nhồi phải thỏa mãn phương trình trạng thái giới hạn chung (1.14). Cụ
thể, điều kiện đảm bảo chịu lực an toàn trong trường hợp chịu lực dọc trục cọc khoan nhồi sẽ là: ∑γiQi≤φRn (1.15) Ở đây: • γi, Qi: Tương ứng là hệ số tải trọng và hiệu ứng tải trọng danh định thứ i gây nên lực dọc tác dụng tại đầu cọc; • φ, Rn: Tương ứng là hệ số sức kháng và sức kháng danh định dọc trục cọc khoan nhồi.
Giá trị của các hệ số tải trọng, γi, và hệ số sức kháng, φ, được quy định trong tiêu chuẩn, tra bảng.
1.3. PHÂN TÍCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG CHO CỌC KHOAN NHỒI MỐ TRỤ CẦU Ở NƯỚC HỆ SỐ SỨC KHÁNG CHO CỌC KHOAN NHỒI MỐ TRỤ CẦU Ở NƯỚC NGOÀI TRÊN CƠ SỞ ĐẢM BẢO ĐỘ TIN CẬY
Theo Uỷ ban Liên hiệp về an toàn kết cấu (Joint Committee on Structural Safety), thiết kế công trình theo phương pháp xác suất được chia làm 3 mức độ để áp dụng:
Mức độ 3 là mức độ chính xác nhất, trong đó xem xét tác động và sức kháng của kết cấu công trình là các quá trình ngẫu nhiên không dừng.
Mức độ 2 xem xét tác động và sức kháng của kết cấu công trình như các
đại lượng ngẫu nhiên hay còn được gọi là phương pháp xác suất. Trong đó, các
đại lượng ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết cấu công trình có thểđặc trưng bằng số, không tương quan với nhau.
Mức độ 1 đánh giá các tác động và các phản ứng của kết cấu qua các hệ số
tải trọng và hệ số sức kháng (hay là hệ số độ tin cậy riêng) hay còn được gọi là phương pháp bán xác suất và đây là cơ sở để xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế
công trình theo trạng thái giới hạn hiện nay ở hầu khắp các nước trên thế giới