Luận văn Phân tích các yếu tố ảnh hưởng và cơ sở xác định các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh

130 trang phuongnguyen 2830

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Phân tích các yếu tố ảnh hưởng và cơ sở xác định các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_van_phan_tich_cac_yeu_to_anh_huong_va_co_so_xac_dinh_ca.pdf

Nội dung text: Luận văn Phân tích các yếu tố ảnh hưởng và cơ sở xác định các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGÔ CHÂU PHƯƠNG PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM MÃ SỐ: 62.58.02.05.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội-2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGÔ CHÂU PHƯƠNG PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM MÃ SỐ: 62.58.02.05.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Đức Nhiệm 2. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long Hà Nội-2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Ngô Châu Phương
ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của quý thầy, cô trường Đại học Giao thông Vận tải, tôi đã hoàn thành luận án Tiến sĩ Kỹ thuật “Phân tích các yếu tố ảnh hưởng và cơ sở xác định các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh”. V ới tình cảm chân thành, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Cầu hầm - Trường đại học Giao thông vận tải, các cán bộ quản lý và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh đã nhận được những góp ý, trao đổi bổ ích trong quá trình thực hiện luận án từ quý giáo sư, nhà khoa học, chuyên gia trong và ngoài Trường; sự quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về khảo sát thu thập tài liệu của lãnh đạo các cơ quan đơn vị và các đồng nghiệp trong ngành; sự động viên, khích lệ của bạn bè và người thân. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu này. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Đức Nhiệm và PGS.TS Nguyễn Ngọc Long đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi hiệu chỉnh và hoàn thiện luận án./. Hà Nội, ngày 16 tháng 06 năm 2014 NGHIÊN CỨU SINH Ngô Châu Phương
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN xiii MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN 5 1.1. CỌC KHOAN NHỒI VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ HẠ TẦNG 5 1.1.1. Khái niệm chung, đặc điểm kết cấu và công nghệ đặc trưng 5 1.1.2. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở trong và ngoài nước 7 1.1.2.1. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trên thế giới 7 1.1.2.2. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở Việt Nam 8 1.1.3. Hiện trạng và đặc điểm sử dụng cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM. 10 1.1.3.1. Hiện trạng sử dụng cọc khoan nhồi trong xây dựng công trình ở khu vực Tp.HCM 10 1.1.3.2. Đặc điểm cấu trúc địa chất và phân vùng địa kỹ thuật ở khu vực Tp.HCM 12 1.1.4. Một số đặc điểm kết cấu, công nghệ cọc khoan nhồi ở Việt Nam 15 1.1.4.1. Công tác khảo sát địa chất cho thiết kế cọc khoan nhồi 16 1.1.4.2. Công tác thiết kế cọc khoan nhồi 18 1.1.4.3. Công tác thi công cọc khoan nhồi 18 1.1.4.4. Các phương pháp kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi 19
iv 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) 20 1.2.1. Các khái niệm và thuật ngữ trong tính toán thiết kế 20 1.2.2. Lịch sử phát triển các triết lý thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế 21 1.2.2.1. Cơ sở triết lý thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD) 22 1.2.2.2. Cơ sở triết lý thiết kế theo tải trọng phá hoại (LSD; LFD) 22 1.2.2.3. Cơ sở triết lý thiết kế theo trạng thái giới hạn (thế hệ đầu, TTGH) 22 1.2.2.4. Cơ sở triết lý thiết kế theo Lý thuyết độ tin cậy (RBD) 23 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) 23 1.2.3. Tính toán thiết kế cọc khoan nhồi trong định dạng các bộ tiêu chuẩn LRFD hiện hành 25 1.3. PHÂN TÍCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG CHO CỌC KHOAN NHỒI MỐ TRỤ CẦU Ở NƯỚC NGOÀI TRÊN CƠ SỞ ĐẢM BẢO ĐỘ TIN CẬY 25 1.4. PHÂN TÍCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LRFD VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU Ở VIỆT NAM 28 1.5. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI 30 1.5.1. Một số tồn tại trong tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ 22TCN272-05 và AASHTO LRFD 2012 (2007) 30 1.5.2. Một số tồn tại của các công trình nghiên cứu khoa học liên quan 31 1.6. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 32 1.7. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 Chương 2. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 33 2.1. CÁC KHÁI NIỆM VÀ THUẬT NGỮ CHUNG 33 2.1.1. Các định nghĩa và thuật ngữ trong lý thuyết xác suất thống kê 33 2.1.2. Các định nghĩa và thuật ngữ trong lý thuyết độ tin cậy 34
v 2.2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THỐNG KẾ CỦA BIẾN NGẪU NHIÊN 36 2.2.1. Lựa chọn loại biến (mẫu) ngẫu nhiên thống kê và xác định cỡ mẫu tối thiểu 37 2.2.2. Phương pháp kiểm định loại bỏ những số liệu bất thường 39 2.2.3. Ước lượng sơ bộ các tham số đặc trưng của biến gộp ngẫu nhiên tương đối 39 2.2.4. Phương pháp kiểm định phân phối xác suất phù hợp cho biến gộp ngẫu nhiên 40 2.2.5. Phương pháp hiệu chỉnh đặc trưng thống kê cho biến gộp ngẫu nhiên 41 2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY 44 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MỐ TRỤ CẦU 46 2.4.1. Phương pháp xác định hệ số sức kháng phù hợp với hệ số an toàn theo triết lý thiết kế ứng suất cho phép (ASD) 47 2.4.2. Phương pháp xác định hệ số sức kháng theo phương pháp mômen thứ cấp bậc nhất (FOSM) 48 2.4.3. Phương pháp xác định hệ số sức kháng theo phương pháp độ tin cậy bậc nhất (FORM) 52 2.4.4. Phương pháp xác định hệ số sức kháng theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo (MCS) 53 2.5. ĐỀ XUẤT TRÌNH TỰ VÀ MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU 55 2.6. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2 57 Chương 3. PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU Ở KHU VỰC TP.HCM 58 3.1. CÁC YẾU TỐ BẤT ĐỊNH VÀ ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA HIỆU ỨNG TẢI CẦU ĐƯỜNG BỘ 59 3.2. CÁC YẾU TỐ BẤT ĐỊNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN DỰ TÍNH SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI 61 3.3. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP DỰ TÍNH SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MỐ TRỤ 63 3.3.1. Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 và AASHTO LRFD 2012 65
vi 3.3.2. Theo tiêu chuẩn TCXDVN 205-98 và JRA 2002-SHB_Part IV 65 3.4. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỰC HẠN THỰC ĐO CHO CỌC KHOAN NHỒI 67 3.5. PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CHO BIẾN GỘP SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU THEO CƯỜNG ĐỘ ĐẤT NỀN Ở KHU VỰC TP.HCM 68 3.5.1. Khảo sát thu thập cơ sở dữ liệu thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục phục vụ nghiên cứu 68 3.5.2. Phân tích đặc trưng thống kê dữ liệu 72 3.6. ĐỀ XUẤT ĐẶC TRƯNG THỐNG KẾ CỦA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG 81 3.7. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 3 83 Chương 4. NGHIÊN CỨU ĐỊNH CHUẨN VÀ ĐỀ XUẤT HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU THEO ĐIỀU KIỆN CƯỜNG ĐỘ ĐẤT NỀN Ở KHU VỰC TP.HCM 85 4.1. LỰA CHỌN, ĐỀ XUẤT CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY MỤC TIÊU CHO THIẾT KẾ CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU 85 4.1.1. Khái niệm về việc thiết lập chỉ số độ tin cậy mục tiêu 85 4.1.2. Phân tích, đánh giá chỉ số độ tin cậy mục tiêu (t) trong các tiêu chuẩn thiết kế, công trình nghiên cứu và đề xuất chọn t cho thiết kế cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu 87 4.2. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI MÓNG MỐ TRỤ CẦU 89 4.3. SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HỆ SỐ SỨC KHÁNG TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ HIỆN HÀNH VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỦA LUẬN ÁN 95 4.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 4 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 PHỤ LỤC 114
vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi 5 Hình 1.2. Mô hình làm việc của cọc khoan nhồi 5 Hình 1.3. Bản đồ phân vùng địa kỹ thuật Tp.HCM, tỷ lệ 1:50.000 13 Hình 1.4. Quá trình khảo sát, thiết kế và thi công của cọc khoan nhồi 16 Hình 1.5. Đồ thị hàm mật độ phân phối xác suất của hiệu ứng tải (Q) và sức kháng (R) 24 Hình 2.1. Hàm mật độ xác suất tích lũy của biến gộp sức kháng. 42 Hình 2.2. Đồ thị các hàm mật độ xác suất phân phối chuẩn của sức kháng, R (biến gộp sức kháng, λR), hiệu ứng tải, Q (biến gộp hiệu ứng tải, λQ) và quãng an toàn, G 45 Hình 2.3. Đồ thị hàm mật độ xác suất phân phối loga chuẩn của quãng an toàn (G) 46 Hình 2.4. Sơ đồ khối tóm tắt trình tự các bước phân tích xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi trên cơ sở đảm bảo mức độ chỉ số độ tin cậy mục tiêu 56 Hình 3.1. Sơ đồ các yếu tố ảnh hưởng đến xác định hệ số sức kháng (φ) 59 Hình 3.2. Đồ thị quan hệ tải trọng thử và độ lún (xác định sức kháng đỡ cọc khoan nhồi thực đo 68 Hình 3.3. Sơ họa 24 vị trí thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM 70 Hình 3.4. Biểu đồ quan hệ giữa sức kháng thực đo (Rtd) và sức kháng dự tính (Rdt) 75 Hình 3.5. Đồ thị hàm mật độ phân phối và kiểm định phân phối cho biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtRO88-272) 76 Hình 3.6. Các hàm phân phối tích lũy gần đúng (chuẩn, loga, loga hiệu chỉnh) của biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtRO88-272) 76 Hình 3.7. Đồ thị hàm mật độ phân phối và kiểm định phân phối cho biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtOR99-AL12) 77 Hình 3.8. Các hàm phân phối tích lũy gần đúng (chuẩn, loga, loga hiệu chỉnh) của biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtOR99-AL12) 77 Hình 3.9. Đồ thị hàm mật độ phân phối và kiểm định phân phối cho biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtSNIP-205) 78
viii Hình 3.10. Các hàm phân phối tích lũy gần đúng (chuẩn, loga, loga hiệu chỉnh) của biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtSNIP-205) 78 Hình 3.11. Đồ thị hàm mật độ phân phối và kiểm định phân phối cho biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtSHB4-JRA02) 79 Hình 3.12. Các hàm phân phối tích lũy gần đúng (chuẩn, loga, loga hiệu chỉnh) của biến gộp sức kháng, R (Rtd/RdtSHB4-JRA02) 79 Hình 4.1. Mối quan hệ giữa độ tin cậy và các chi phí xây dựng, khai thác 86 Hình 4.2. Đồ thị quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt và hệ số sức kháng, theo phương pháp FORM với các đặc trưng thống kê biến gộp sức kháng không hiệu chỉnh) 91 Hình 4.3: Đồ thị quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt và hệ số sức kháng, (theo phương pháp FORM với các đặc trưng thống kê của biến gộp sức kháng được hiệu chỉnh theo phương pháp Best fit to tail) 91 Hình 4.4: Đồ thị quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt và hệ số sức kháng, (theo phương pháp Monte Carlo (MCS) với các đặc trưng thống kê biến gộp sức kháng không hiệu chỉnh) 92 Hình 4.5: Đồ thị quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt và hệ số sức kháng, (theo phương pháp Monte Carlo (MCS) với các đặc trưng thống kê của biến gộp sức kháng được hiệu chỉnh theo phương pháp Best fit to tail) 92 Hình 4.6: Đồ thị quan hệ giữa sức kháng thực đo và sức kháng thiết kế với hệ số sức kháng theo tiêu chuẩn thiết kế 99 Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa sức kháng thực đo và sức kháng thiết kế với kết quả nghiên cứu hệ số sức kháng của luận án 99
ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi trên thế giới 8 Bảng 1.2. Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi ở Việt Nam 9 Bảng 1.3. Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi ở Khu vực Tp.HCM 11 Bảng 1.4. Tên khu địa kỹ thuật, đặc điểm cấu trúc nền và địa chất 14 Bảng 1.5. Thống kê một số tồn tại trong tiêu chuẩn thiết kế cầu thiết kế cầu đường bộ 22TCN272-05 và AASHTO LRFD 2012 (2007) 31 Bảng 2.1. Hằng số C liên quan đến xác suất sai lầm loại I và II 38 Bảng 2.2. Giá trị các hệ số sức kháng phù hợp với các giá trị hệ số an toàn, các tỉ số QD/QL khác nhau và γD =1,25, γL =1,75 48 Bảng 3.1. Hệ số sức kháng đỡ cọc khoan nhồi cho 4 phương pháp dự tính sức kháng64 Bảng 3.2. Tóm tắt công thức tính sức kháng đỡ dọc trục danh định đơn vị của CKN theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 và AASHTO LRFD 2012 66 Bảng 3.3. Tóm tắt công thức tính sức kháng đỡ danh định đơn vị của cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn TCXDVN 205-98 và JRA 2002-Part IV 67 Bảng 3.4. Thống kê đặc điểm của 24 cọc khoan nhồi thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục 70 Bảng 3.5. Bảng tổng hợp số liệu khảo sát thu thập kết quả thí nghiệm thử tải tĩnh cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM và so sánh với một số công trình nghiên cứu của tác giả nước ngoài 72 Bảng 3.6. Thống kê cấu tạo cọc khoan nhồi, sức kháng đỡ thực đo, danh định dự tính và đặc trưng thống kê biến gộp sức kháng đỡ cọc khoan nhồi (λR) theo 4 phương pháp dự tính cho 24 cọc thí nghiệm thử tải tĩnh 73 Bảng 3.7. Tổng hợp so sách kết quả phân tích đặc trưng thống kê với một vài nghiên cứu khác ở nước ngoài 80
x Bảng 3.8. Bảng tóm tắt đề xuất đặc trưng thống kê của các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số sức kháng đỡ trục cọc khoan nhồi theo điều kiện cường độ đất nền 82 Bảng 4.1. Đề xuất mức độ chỉ số độ tin cậy mục tiêu (βt), xác suất sự cố cho phép [Pf] cho thiết kế móng cọc khoan nhồi theo điều kiện cường độ đất nền. 88 Bảng 4.2. Kết quả xác định hệ số sức kháng ( ) cho 4 phương pháp dự tính sức kháng từ các đặc trưng thống kê biến gộp tải trọng và sức kháng tương ứng với chỉ số độ tin cậy mục tiêu, βt 90 Bảng 4.3. Bảng tổng hợp so sánh hệ số sức kháng giữa kết quả nghiên cứu của luận án với một số kết quả nghiên cứu và tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước 93 Bảng 4.4. Bảng liệt kê các hệ số sức kháng theo tiêu chuẩn thiết kế (φtc) và kết quả nghiên cứu của luận án (φnc) theo 4 phương pháp dự tính và điều kiện đất nền 96 Bảng 4.5. Thống kê sức kháng đỡ thiết kế dự tính, đặc trưng thống kê biến gộp sức tk kháng thiết kế của cọc khoan nhồi (λ R) theo 4 phương pháp dự tính với hệ số sức kháng theo tiêu chuẩn và độ tin cậy tương ứng 97 Bảng 4.6. Thống kê sức kháng đỡ thiết kế dự tính, đặc trưng thống kê biến gộp sức tk kháng đỡ thiết kế của cọc khoan nhồi (λ R) theo 4 phương pháp dự tính với kết quả nghiên cứu hệ số sức kháng của luận án và độ tin cậy tương ứng 100
xi THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Ý nghĩa AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội giao thông và vận tải đường bộ Mỹ) ASD Allowable Stress Design (Thiết kế theo ứng suất cho phép) FHWA Federal Highway Administration (Cục Quản lý Đường bộ Liên bang Mỹ) GTVT Giao thông vận tải JCSS Joint Committee on Structural Safety (Ủy ban Liên hiệp về an toàn kết cấu) JRA Japan Road Association (Hiệp hội Đường bộ Nhật Bản) KCCT Kết cấu công trình CKN Cọc khoan nhồi LRFD Load and Resistance Factor Design (Thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng) LFD Load Factor Design (Thiết kế theo hệ số tải trọng) NCHRP The National Cooperative Highway Research Program (Chương trình nghiên cứu quốc gia về đường bộ) TTGH Trạng thái giới hạn BCB Biến cơ bản BNN Biến ngẫu nhiên ĐLNN Đại lượng ngẫu nhiên BGNN Biến gộp ngẫu nhiên tương đối (không thứ nguyên) BFTT Best Fit To Tail (Phương pháp hiệu chỉnh hàm (đường) phân phối thực nghiệm gần đúng cho phù hợp với các giá trị thực ở vùng đuôi của phân phối) [33], [34]. PPXS Phân phối xác suất PPTL Phân phối xác suất tích lũy ĐTC Độ tin cậy, hay xác suất làm việc an toàn RBD Reliability-Based Design methodology (Phương pháp thiết kế theo độ tin cậy) FOSM First-Order, Second-Moment (Phương pháp mô men thứ cấp
xii Thuật ngữ Ý nghĩa bậc nhất) FORM First-Order, Reliability Method (Phương pháp độ tin cậy bậc nhất) MCS Monte Carlo Method (Phương pháp mô phỏng Monte Carlo) RO88-272 Phương pháp Reese&O'Neill (1988) trong tiêu chuẩn 22TCN272-05 (xác định sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu) OR99-AL12 Phương pháp O'Neill&Reese (1999) trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2012 (2007) SNIP-205 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn của Nga, SNIP 2.02.03- 85 trong tiêu chuẩn TCXDVN205-98 SHB4-JRA02 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn của Nhật, JRA 2002- SHB_Part IV
xiii CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Ý nghĩa, cách tính Hiệu ứng tải trọng danh định dự tính (hoặc thực đo) do tải trọng và tác động của Q ( Qdti , tải trọng tổng hoặc thứ i gây ra cho kết cấu (như: lực dọc trục, mômen, lực cắt, Qtdi) chuyển vị, ) Đại lượng ngẫu nhiên hiệu ứng tải trọng tổng, hiệu ứng tĩnh tải và hiệu ứng hoạt Q , Q , Q D L tải (gọi tắt là biến tải trọng tổng, biến tĩnh tải và biến hoạt tải) QDdt , QDtd Hiệu ứng tĩnh tải danh định dự tính và thực đo QLdt ,QLtd Hiệu ứng hoạt tải danh định dự tính và thực đo Hiệu ứng tải trung bình thực đo của tải trọng tổng, Q =  Q Qdt , với  Q : giá trị Q (Q) trung bình của biến gộp tải trọng tổng (λQ) Hiệu ứng tải trung bình thực đo của tĩnh tải, Q D =  D QDdt , với  D : giá trị Q D (D) trung bình của biến gộp tĩnh tải (λD) Hiệu ứng tải trung bình thực đo của hoạt tải, Q L =  L QLdt , với  L là giá trị Q L (L) trung bình của biến gộp hoạt tải (λL) Biến gộp ngẫu nhiên tương đối của hiệu ứng tải trọng tổng (gọi tắt là biến gộp λQ tải trọng), là tỉ số giữa giá trị thực đo và dự tính (λQ =Qtdi /Qdti) Biến gộp ngẫu nhiên tương đối của hiệu ứng tĩnh tải (gọi tắt là biến gộp tĩnh λD tải), là tỉ số giữa giá trị thực đo và dự tính (λD =QDtdi /QDdti) Biến gộp ngẫu nhiên tương đối của hiệu ứng hoạt tải (gọi tắt là biến gộp hoạt λL tải), là tỉ số giữa giá trị thực đo và dự tính (λL =QLtdi /QLdti)  Q ,  D ,  L Giá trị trung bình của biến gộp tải trọng tổng (λQ), tĩnh tải (λD) và hoạt tải (λL) σQ , σD, σL, Độ lệch chuẩn của biến tải trọng tổng (Q), tĩnh tải (QD) và hoạt tải (QL) σλQ , σλD, σλL, Độ lệch chuẩn của biến gộp tải trọng tổng (λQ), tĩnh tải (λD) và hoạt tải (λL) VQ , VD , VL Hệ số biến thiên của biến tải trọng tổng (Q), tĩnh tải (QD) và hoạt tải (QL) VλQ ,VλD , Hệ số biến thiên của biến gộp tải trọng tổng (λQ), tĩnh tải (λD) và hoạt tải (λL) VλL R (Rdti , Sức kháng đỡ dọc trục danh định dự tính (hoặc thực đo) của cọc khoan nhồi Rtdi) móng mố trụ cầu theo điều kiện đất nền của cọc thứ i (gọi tắt là sức kháng) R Đại lượng ngẫu nhiên sức kháng tổng (gọi tắt là biến sức kháng) Rdt , Rtd Sức kháng danh định dự tính và thực đo Sức kháng trung bình thực đo của cọc khoan nhồi, R =  R Rdt , với  R : giá trị R (R) trung bình của biến gộp sức kháng (λR) Biến gộp ngẫu nhiên tương đối của sức kháng đỡ tổng (gọi tắt là biến gộp sức λR kháng), là tỉ số giữa giá trị thực đo và dự tính (λR =Rtdi /Rdti) σR , VR Độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến sức kháng (R) Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến gộp sức kháng  L , σλD, VλR (λR)
xiv Ký hiệu Ý nghĩa, cách tính G Đại lượng ngẫu nhiên của quãng an toàn, G=R-Q (gọi tắt là biến G) G, σG , VG Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến, G X Biến ngẫu nhiên (có giá trị là tuyệt đối hay tương đối) xi Giá trị thứ i trong tập dữ liệu (mẫu) của biến X  Tập dữ liệu hay là tập mẫu khảo sát X , X , VX Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến X lnx , lnx Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn theo loga của biến X P(E) Xác suất của sự kiện E f(.) Hàm mật độ xác suất (Probability Density Function), gọi tắt là hàm mật độ Hàm phân phối tích lũy (Cumulative Fistribution Function), gọi tắt là hàm phân F(.) phối f(R), f(Q), Hàm mật độ của biến sức kháng (R), biến tải trọng (Q), biến quãng an toàn (G) f(G), f(X) và biến X F(R), F(Q), Hàm phân phối của biến sức kháng (R), biến tải trọng (Q), biến quãng an toàn F(G), F(X) (G) và biến X Hệ số an toàn áp dụng cho trạng thái giới hạn khi sử dụng phương pháp thiết kế FS theo ứng suất cho phép (ASD) n Số lượng các phép thử thống kê (cỡ mẫu, số lượng đối tượng trong tập dữ liệu) Pf Giá trị xác suất sự cố (hư hỏng) Ps Giá trị xác suất không sự cố hay độ tin cậy Ptrue Giá trị xác suất sự cố thực tế Biến phân phối chuẩn hóa (có giá trị trung bình bằng không và độ lệch chuẩn Z bằng 1) β Chỉ số độ tin cậy β t Chỉ số độ tin cậy mục tiêu γQ , γD , γL Hệ số tải trọng tổng, hệ số tĩnh tải và hoạt tải. η Hệ số liên quan đến độ dư thừa, tính dẻo và tính quan trọng. Hệ số sức kháng đỡ tổng dọc trục cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu (gọi tắt là hệ φ số sức kháng) Φ(.) Hàm phân phối chuẩn hóa
MỞ ĐẦU Bằng việc nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực nền móng công trình, luận án đã đề nghị mô hình xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu trên cơ sở đặc trưng thống kê của tỷ số giữa giá trị thực đo và giá trí dự tính của hai đại lượng sức kháng (R) và hiệu ứng tải (Q). Từ đó, qua phân tích xác định đặc trưng thống kê của đại lượng sức kháng dựa trên 24 bộ số liệu thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục cọc khoan nhồi, thi công theo phương pháp ướt (trong vữa sét) trong nền đất hỗn hợp loại dính và rời ở khu vực Tp.HCM và vận dụng các số liệu khác, luận án đã xác định được hệ số sức kháng cho bốn phương pháp tính toán sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện cường độ đất nền: 1) Phương pháp của Nga trong TCXDVN 205-98: φ=0,73; 2) Phương pháp của Nhật (JRA 2002 SHB -Part IV): φ=0,61; 3) Phương pháp Reese&O'Neill (1988): φ=0,54 và 4) Phương pháp O'Neill&Reese (1999): φ=0,53. Lý do chọn đề tài luận án: Cọc khoan nhồi là cọc bê tông cốt thép được đúc tại lỗ khoan trong đất nền. Tuy công nghệ cọc khoan nhồi đã được sử dụng đầu tiên cho Tòa thị chính thành phố Kansas, Mỹ (1890), đến đầu những năm 1950 mới được sử dụng phổ biến trên thế giới [21], [43], ở Việt Nam vào đầu những năm 1990 cho công trình cầu Việt Trì (Phú Thọ) [24], nhưng lý thuyết tính toán thiết kế bao gồm các nội dung dự tính sức kháng, độ lún, lại phát triển chậm hơn. Mãi đến năm 1960-1970, thông qua các chương trình nghiên cứu về thử tải tĩnh với quy mô lớn, tốn nhiều chi phí của Whitaker & Cooke (1966), Reese (1978) và Kulhawy (1989) [76] mới giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về sự làm việc thực tế của cọc khoan nhồi và đến nay một số phương pháp dự tính sức kháng danh định đã được nghiên cứu đề xuất. Trong tính toán thiết kế theo phương pháp LRFD, hệ số sức kháng đỡ dọc trục cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu là hệ số xét đến sự sai lệch ngẫu nhiên,
2 khó dự đoán chính xác sức kháng đỡ thực tế so với kết quả dự tính sức kháng đỡ theo lý thuyết nhằm đảm bảo an toàn và tin cậy cho kết cấu móng. Cách tiếp cận để giải bài toán này là xác định quy luật phân bố thống kê của hai đại lượng ngẫu nhiên sức kháng đỡ (R-khả năng) và hiệu ứng tải trọng (Q-tác động), từ đó thông qua phân tích độ tin cậy của quãng an toàn (G=R-Q) với độ tin cậy mục tiêu hay chỉ số độ tin cậy mục tiêu cho trước sẽ xác định được hệ số sức kháng đỡ này. Một trong những hướng được quan tâm trong lĩnh vực tính toán thiết kế cọc khoan nhồi trên thế giới là xác định lại các hệ số sức kháng phù hợp với các phương pháp dự tính sức kháng danh định để thiết kế cọc khoan nhồi theo triết lý thiết kế xác suất (LRFD, độ tin cậy) trên cơ sở các đặc trưng thống kê của hai đại lượng ngẫu nhiên không chắc chắn: hiệu ứng tải (Q) và sức kháng (R). Các kết quả nghiên cứu đã từng bước được sử dụng để cập nhật, bổ sung đưa vào các bộ tiêu chuẩn, chỉ dẫn thiết kế của các nước tiến tiến ở châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và đặc biệt là ở Mỹ. Ở Việt Nam, trong hơn hai thập kỷ qua, cùng với sự phát triển kết cấu hạ tầng có quy mô lớn (cầu, nhà cao tầng, ) trên nền đất yếu hoặc trong các đô thị, móng cọc khoan nhồi đã và đang trở thành một trong những giải pháp móng cọc thường được lựa chọn nhất. Mặc dù việc áp dụng tiêu chuẩn thiết cầu 22TCN272-05 (được biên soạn dựa trên tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998-ấn bản lần thứ hai) đã được sử dụng ở Việt Nam trên 12 năm tính từ bản thử nghiệm 22TCN272-01, nhưng đến nay vẫn chưa có bất kì dự án hoặc đề tài nào nghiên cứu tổng kết, phân tích và đánh giá sự khác biệt giữa những quy định trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD và thực tiễn xây dựng ở Việt Nam nhằm xác định lại các hệ số sức kháng của các phương pháp dự tính sức kháng để thiết kế cọc khoan nhồi theo triết lý thiết kế xác suất (LRFD, độ tin cậy). Bởi vì, thực tế hai đại lượng hiệu ứng tải (Q) và sức kháng (R) phụ thuộc rất nhiều yếu tố, mà sự thay đổi của các yếu tố này chủ yếu là do đặc thù của vùng miền, lãnh thổ, đặc điểm kết cấu công trình trên nền đất yếu và đặc biệt là công nghệ và trình độ thi công cọc khoan nhồi cho mố trụ cầu. Điều này ảnh hưởng đến độ tin cậy của
3 cọc khoan nhồi có thể cao hoặc thấp hơn mức độ của độ tin cậy mục tiêu xác lập trong các tiêu chuẩn thiết kế. Do vậy, để đảm bảo sự làm việc an toàn cho công trình thì các hệ số sức kháng đỡ cần thiết phải được nghiên cứu và xác định lại trên cơ sở xem xét một cách đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng như: đặc trưng của đất nền quanh cọc, kích thước cọc, trình độ công nghệ thi công, tính bất định của phương pháp dự tính sức kháng danh định và đặc trưng thống kê của hiệu ứng tải phù hợp với điều kiện Việt Nam nói chung và ở khu vực Tp.HCM nói riêng. Trong thực tiễn áp dụng, cũng có nhiều dự án đã phân tích đánh giá khả năng chịu tải giữa lý thuyết và thực tế thí nghiệm thử tải với một vài cọc đơn lẻ, nên chưa có cơ sở xác định lại các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu trên cơ sở phân tích đặc trưng thống kê và phân tích độ tin cậy theo lý thuyết tiên tiến hiện nay. Do vậy, việc khảo sát thu thập các hồ sơ thí nghiệm thử tải từ các dự án thực tế với số lượng đủ lớn để làm cơ sở xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu nói riêng trên cơ phân tích độ tin cậy đang là vấn đề thời sự được các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam quan tâm. Đó chính là lý do mà nghiên cứu sinh chọn đề tài để nghiên cứu. Tên đề tài luận án “Phân tích các yếu tố ảnh hưởng và cơ sở xác định các hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh”. Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu xác định hệ số sức kháng theo điều kiện cường độ đất nền tương ứng với các phương pháp dự tính sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu trong một số tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Đối tượng nghiên cứu: Cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu. Phạm vi nghiên cứu: Sức kháng dự tính và sức kháng thực tế từ hồ sơ thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM trên nền đất hỗn hợp loại dính và rời (cát, cát pha, sét, bùn sét, sét pha, ), thi công theo phương pháp ướt; nghiên cứu xác định hệ số sức kháng chung theo điều kiện cường độ đất nền cho bốn phương pháp dự tính sức kháng đỡ dọc trục cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu: 1) Phương pháp của Nga trong TCXDVN 205-98; 2) Phương pháp của Nhật (JRA 2002 SHB -Part IV); 3) Phương pháp
4 Reese&O'Neill (1988) và 4) Phương pháp O'Neill&Reese (1999). Các vấn đề nghiên cứu về quy luật phân bố thống kê tải trọng động, hệ số sức kháng đỡ chung cho các loại nền đất, địa phương và loại công trình khác cũng như hệ số sức kháng đỡ dọc bên thân cọc, mũi cọc là những vấn đề lớn chưa thực hiện ở luận án này và được đề xuất cho hướng nghiên cứu tiếp theo. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ứng dụng lý thuyết tiên tiến về phân tích thống kê và độ tin cậy, đề nghị mô hình xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu trên cơ sở đặc trưng thống kê của tỷ số giữa giá trị thực đo và giá trí dự tính của hai đại lượng sức kháng (R) và hiệu ứng tải (Q); - Luận án đã phân tích xác định đặc trưng thống kê của tỷ số giữa giá trị thực đo và giá trị dự tính sức kháng; xác định hệ số sức kháng cho bốn phương pháp dự tính sức kháng cọc khoan móng mố trụ cầu từ 24 bộ hồ sơ thí nghiệm thử tải tĩnh cọc khoan nhồi trong nền đất loại đất hỗn hợp dính và rời ở khu vực Tp.HCM và các số liệu vận dụng khác. - Luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo trong công tác nghiên cứu thiết kế và thi công đánh giá sức kháng đỡ cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực Tp.HCM và có thể cho các vùng có địa chất tương tự. Bố cục luận án: bao gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị như sau: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Nghiên cứu phương pháp xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi theo lý thuyết độ tin cậy; Chương 3: Phân tích đặc trưng thống kê của các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện cường độ đất nền trong điều kiện khu vực Tp.HCM; Chương 4: Nghiên cứu đề xuất hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện đất nền cho đất hỗn hợp loại dính và rời ở khu vực Tp.HCM.
5 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. CỌC KHOAN NHỒI VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ HẠ TẦNG 1.1.1. Khái niệm chung, đặc điểm kết cấu và công nghệ đặc trưng Cọc khoan nhồi của móng mố, trụ cầu hay gọi tắt là cọc khoan nhồi (CKN, Drilled Shafts, Bored Piles): Là một bộ phận của móng mố, trụ cầu; được thi công bằng cách đổ bê tông trong lỗ khoan sẵn có hoặc không có cốt thép với đường kính đến 5m, chiều dài đến trên 100m và sức chịu tải đến trên 3.000 tấn. Cọc khoan nhồi tiếp nhận các tải trọng (hiệu ứng tải trọng, Q) từ bệ móng rồi truyền xuống đất nền xung quanh và mũi cọc [1], [21], [76]. Cọc khoan nhồi có thể là cọc có tiết diện hình trụ không đổi trong suốt chiều dài cọc, loại cọc này được gọi là cọc khoan nhồi đơn giản; hay có hình trụ khoan bình thường nhưng khi gần đến đáy thì dùng gầu đặc biệt để mở rộng đáy hố khoan (Hình 1.1), cũng có thể sử dụng một lượng nhỏ thuốc nổ để mở rộng đáy; ngoài mở rộng đáy còn mở rộng nhiều đợt ở thân cọc để tăng sức chịu tải của cọc [1], [21], [76]. ị ị i c n v n c - Hiệu ứng tải ỗ ọ áy ọ ươ n 2 đ đơ o l ầ nh v thép ạ trọng a sét khoa ố đị khoan ữ khoan ng khoan khoan tim c ỗ ỗ ộ ị ỗ ỗ ỗ ỗ i v l r y ồ ng c ở o l á ồ R - Sức kháng ạ áy l áy l nh v đ bê tông t khoan ll khoan đ t l đ ỗ n thi công c Đị usâul g của cọc khoan đỗ n ệ ừ ề n đặ 1. ộ đế áy l p ng r c kháng bên nh miêng l nhồi ắ đ i và thu h ố ở ứ đị t u khoan t S ươ n 9. L a sét đặ n m ổ - đầ nh vách và khoan t sinh mtrachi ữ ả t p ệ ể ữ đị ắ ắ idânglênt n ơ ổ a v àki u khoan có cánh m ử ữ 2. B 7. Kho 10. L bê tông t i r R - Sức kháng bên đầ s trong v ổ ỗ đỗ sinh v ng vách và hoàn thi ng vách gi o l c ố ệ êtôngtu ố ạ ụ i b ồ ạ 11. Th p t ỗ 6. Thay a, v ế Đ ử 3. H ir ổ 12. -Sức kháng mũi 13. Ti 5. Khoan t a sét-bentonite gi 14. Thu h đơn vị ữ 8. Th - Sức kháng mũi 4. Rót v Q ≤ R = Rs+Rp Hình 1.1. Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi Hình 1.2. Mô hình làm (có mở rộng đáy cọc) việc của cọc khoan nhồi
6 Dựa vào đặc điểm môi trường khoan tạo lỗ, giữ ổn định thành lỗ khoan và đúc cọc trong nền đất, công nghệ thi công cọc khoan nhồi được phân thành bốn phương pháp: khô, ướt, có ống vách và hỗn hợp [24], [33], [76]. Chi tiết các khái niệm này như sau: - Phương pháp thi công cọc khoan nhồi khô (Dry Construction Method): Là phương pháp khoan tạo lỗ và đúc cọc trong môi trường khô. Áp dụng cho nền đất tốt và không có nước ngầm. - Phương pháp thi công cọc khoan nhồi ướt hay còn gọi là phương pháp ướt (Wet Construction Method, Wet (slurry): bentonite, water): Khoan tạo lỗ và đúc cọc trong môi trường nước hoặc bùn khoan (slurry- bentonite) và có một đoạn ống vách ngắn tạm ở miệng lỗ khoan. Áp dụng cho nền đất dính, rời và có mực nước ngầm cao. - Phương pháp thi công CKN có ống vách (Casing Construction Method): Khoan tạo lỗ và đúc cọc hoàn toàn trong ống vách tạm (có sử dụng nước hoặc bùn khoan để chống bẹp ống vách). Phương pháp này áp dụng cho điều kiện địa chất phức tạp (bùn lỏng, cát chảy, hang động cáctơ, ) mà phương pháp ướt khó có thể thi công tốt. - Phương pháp thi công CKN hỗn hợp (ống vách-ướt, Combined): là phương pháp hỗn hợp của 2 phương pháp thi công có ống vách và ướt. Áp dụng cho điều kiện địa chất phức tạp ở tầng trên (hoặc trên sông nước). Dựa vào đặc điểm chịu lực của cọc khoan nhồi theo điều kiện đất nền, cọc khoan nhồi được phân làm 3 loại: cọc chống, cọc ma sát và đồng thời cả ma sát và chống [1], [21], [76]. Chi tiết các khái niệm này như sau: - Cọc khoan nhồi ma sát và chống (Combination Friction and Bearing Bored Pile): Sức chịu tải hay sức kháng của cọc, R, có được từ cả hai sức kháng bên, Rs, và sức kháng mũi cọc, Rp, xem Hình 1.2. - Cọc khoan nhồi chống (Bearing Bored Pile, Point-Bearing Bored Pile): Cọc chỉ chống và ngàm vào tầng đá ở mũi cọc (trên tầng đá là đất bùn yếu, hữu cơ). Sức kháng của cọc (R) có được chủ yếu từ sức kháng mũi cọc (Rp) và một phần nhỏ sức kháng bên của đất đá quanh mũi cọc (Rs). - Cọc khoan nhồi ma sát (cọc khoan nhồi treo, Friction Bored Pile): Cọc xuyên qua các tầng đất chịu tải trung bình đến tốt và tầng đất ở mũi cọc
7 chịu tải kém. Sức kháng của cọc (R) có được chủ yếu từ sức kháng bên cọc (Rs) (do lực ma sát (sức kháng bên đơn vị, qs) giữa cọc và đất nền xung quanh cọc). Ưu điểm của cọc khoan nhồi: có thể áp dụng rộng rãi với các loại đất nền như: Đất sét, đất cát, đất sỏi sạn, đất sỏi cuội, đá phong hóa, đá nguyên khối. Thích hợp với các loại kết cấu như: móng nhà cao tầng; móng cầu: cầu dầm giản đơn, cầu dầm liên tục, cầu vòm, cầu khung, cầu dây văng, dây võng, Có thể thi công được cả chỗ nước sâu. Đường kính mặt cắt có thể đến 5m, chiều dài cọc có thể hơn 100m. Một lợi thế lớn nhất của cọc nhồi đó là phương pháp khoan, cho phép hạn chế đến mức tối đa ảnh hưởng do rung động cũng như tiếng ồn đối với một số công trình lân cận đã được xây dựng hoặc khu dân cư đông đúc. Giá thành hạ: Tiết kiệm kinh phí xây dựng. Trong quá trình thi công vẫn có thể kiểm tra lại địa tầng, từ đó căn cứ vào địa chất thực tế mà có thể điều chỉnh chiều dài và đường kính cọc. Nhược điểm của cọc khoan nhồi: Tác nghiệp tại hiện trường nhiều, khó thi công theo phương pháp lắp ghép, công xưởng hóa; còn dùng nhiều đến lao động chân tay, chất lượng cọc phụ thuộc rất nhiều vào trình độ và kinh nghiệm của công nhân; sau khi cọc đúc xong, công tác kiểm tra đánh giá chất lượng cọc tương đối khó khăn. Quá trình thi công còn tồn tại một số vấn đề khó xử lý như: Sụt lở thành vách, không rửa sạch lỗ khoan, mất dung dịch trong lỗ khoan, không rút được ống vách lên, 1.1.2. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở trong và ngoài nước 1.1.2.1. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trên thế giới Trong khoảng gần 20 năm qua và hiện nay, có rất nhiều công trình cầu lớn, đường cao tốc, metro, trên thế giới đều sử dụng cọc khoan nhồi làm móng trụ cầu chính hoặc mố trụ nhịp dẫn như Cầu Millau-Pháp (2004), mỗi tháp chính sử dụng 4 cọc khoan nhồi đường kính 5,0m/7m-mở rộng đáy, chiều dài đến 15m, mũi cọc ngàm vào đá; Cầu Russky-Nga (2012), mỗi tháp chính sử dụng 120 cọc khoan nhồi đường kính 2,0m, chiều dài đến 77m, mũi cọc ngàm vào đá; Cầu SuTong-Trung Quốc (2007), mỗi tháp chính sử dụng 131 cọc khoan nhồi đường kính 2,8m, chiều dài đến 116m; Tuyến đường bộ cao tốc 2 Bangkok-Thái Lan (2000), sử dụng 8.480 cọc khoan nhồi đường kính 1,2m, chiều dài đến 60m, xem Bảng 1.1.
8 Bảng 1.1. Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi trên thế giới Chiều dài Đặc điểm cọc khoan nhồi Dự án-Địa điểm/Năm STT (cao) công Ghi Chú xây dựng Số cọc Đ.Kính (m) C.Dài (m) trình Cầu Neak Loeung- 1 2,2Km 148 1,0; 1,2; 2,5 55-62 Cambuchia/2011-2015 Cầu Rama VIII-Thái 2 2,45Km 766 0,5-1,5 21-54 Lan/1999-2002 Đường cao tốc GD2 3 Bangkok-Thái 55Km 8.480 1,2 60 Lan/1990-2000 Cầu Penang 2- 4 16.4km 146 1,5; 2,0; 2,2 85-120 Malaysia/2008-2013 Cầu InChoen 2-Hàn 32/1 tháp 5 11,66Km 1,8; 2,4; 3,0 35-40 Quốc/2005-2009 chính Cầu SuTong-Trung 131/ 6 32,4Km 2,8/2,4 108-116 Quốc/2003-2007 1 tháp chính Cầu Stonecutters- Hong 7 1,6Km 108 2,0; 2,8 45-70 Kong/2004-2009 Đường sắt cao tốc Taipei 8 đến Kaohsiung-Đài 326Km 8.200 2,0 60 Loan/2000-2004 9 Cầu Oshiba-Nhật/1997 470m 56 1,0; 2,0 6,5-36 Cầu Russky-Nga/2008- 120/1 tháp 10 1,886Km 2,0 46-77 2012 chính Cầu Millau-Pháp/2001- 4/ 1 tháp 11 2,5Km 5,0/7,0 10-15 2004 chính Cầu John James 12 6,44Km 2,4 53-55 Audubon-Mỹ/2011 Cầu Benicia Martinez- 13 2.7 km 99 2,1 61 Mỹ/2007 Cầu Anthony Falls, 14 đường I-35W-Mỹ/2007- 371m 109 1,2; 2,1; 2,4 8-29 2008 Cầu Mullica-Mỹ/2008- 15 347m 24 2,4 43-55 2012 Nguồn: Internet 1.1.2.2. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở Việt Nam Trong hơn 20 năm qua và hiện nay, hầu như các giải pháp móng cho công trình giao thông, dân dụng và công nghiệp có quy mô lớn hoặc xây dựng trong đô thị ở Việt Nam đều sử dụng móng cọc khoan nhồi. Cụ thể như Cầu Việt trì- Vĩnh Phúc (1992), sử dụng 36 cọc khoan nhồi đường kính 1,3m, chiều dài đến 29m; Cầu Nhật Tân-Hà Nội (2014), bên cạnh sử dụng móng cọc ống thép dạng giếng cho các trụ tháp chính còn sử dụng đến 950 cọc khoan nhồi đường kính
9 1,5m, chiều dài đến 42m; Cầu Rồng-Đà Nẵng (2013), sử dụng 157 cọc khoan nhồi đường kính 1,5~2,0m, chiều dài đến 36m; Cầu Cần Thơ (2010), sử dụng 240 cọc khoan nhồi đường kính 1,2~2,5m, chiều dài đến 95m; Cầu Vàm Cống (2013-2017) sử dụng 690 cọc khoan nhồi đường kính 1,5~2,5m, chiều dài đến 116m; Tuyến Cao tốc Sài Gòn-Trung Lương (2010), sử dụng 4.898 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~2,0m, chiều dài đến 60m; Tuyến Metro số 1, Bến Thành- Suối Tiên, Tp.HCM (2012-2018), sử dụng trên 3.500 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~2,0m, chiều dài đến 78m; Cao ốc Royal City-Hà Nội (2013) sử dụng 2.815 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~1,5m, chiều dài đến 64m; Tòa nhà ESTELLA-Tp.HCM (2008), sử dụng 283 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~1,2m, chiều dài đến 84m và còn nhiều dạ án điển hình khác như ở Bảng 1.2 và 1.3. Bảng 1.2. Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi ở Việt Nam Đặc điểm cọc khoan Chiều dài Ghi Chú Dự án-Địa điểm/Năm nhồi STT (cao) công xây dựng Đ.Kính C.Dài trình Số cọc (m) (m) Cầu Việt Trì-Vĩnh 1 372,88m 36 1,3 29 Phúc/1990-1992 81 cọc có hiện tượng bê Cầu Thanh Trì-Hà 1,0;-1,5; tông không đồng nhất hoặc 2 3.084m 1.339 50~57 Nội/2002-2007 2,0 thiếu bê tông ở chiều dài 1- 5m đoạn mũi cọc. Sạt lở thành lỗ khoan, Bê Cầu Vĩnh Tuy-Hà 3 3.690 m >216 2,0 53 tông mũi cọc bị xốp ở Trụ Nội/2005-2010 25 Cầu Vĩnh Thịnh-Hà 4 Nội-Vĩnh Phúc/2011- 4.480m 662 1,5; 2,0 50 2014 Cầu Nhật Tân-Hà 5 3.900 m 950 1,5 38~42 Nội/2009-2014 Cầu Cà Rồ-Đường nối 6 Cầu Nhật Tân-Nội 336m 280 1,0 27~42 Bài/2012-2014 Cầu Đông Trù-Hà 7 1,14km >504 1,5; 2,0 40 Nội/2006-2014 Cầu Thanh An (Gói A), 8 Cao tốc HN-HP-Hải 195m >108 1,5; 2,060-75 Phòng/2011-2013 Cầu cạn Vành đai 3 9 2,5km 544 1,0; 1,5 38-53 (Gói 2)-Hà Nội/ Tòa nhà Royal City-Hà 1,0; 1,2; 10 2.815 64 Nội/2010-2013 1,5 Cầu Quảng Hải 2- sự cố sụt lún cọc khi đổ bê 11 285m 20 1,2 49-50 Quảng Bình/2003-2009 tông (do hạng ngầm karst)
10 Đặc điểm cọc khoan Chiều dài Ghi Chú Dự án-Địa điểm/Năm nhồi STT (cao) công xây dựng Đ.Kính C.Dài trình Số cọc (m) (m) Sự cố sạt lở thành vách, có cọc công tác thổi rửa vệ Cầu Thuận Phước-Đà sinh mũi cọc tới 10 ngày 12 1,856 Km 116 1,5; 2,5 50-74 Năng/2003-2009 và khối lượng vữa bơm vào cũng gấp 3-4 lần khối lượng tính toán Cầu Rồng-Đà 13 666m 157 1,5; 2,036 Năng/2009-2013 Cầu Ng Văn Trỗi-Trần 14 thị Lý-Đà Năng/2009- 731m 173 1,5; 2,043-68 2013 Cầu Gò Găng-Bà Rịa 1,0; 1,5; 15 1,152Km 70 Vũng Tàu/2005-2008 2,0 Cầu Cổ Chiên-Bến Tre- 1,5 – 67 – 16 1599m >246 Trà Vinh/2013-2016 1,8 107 Cầu Mỹ Thuận-Vĩnh 17 1,535Km 40 2.5 74-100 Long/1997-2000 Cầu Cần Thơ/2004- 18 2,750Km 240 1.2-2.5 60-95 2010 Cầu Vàm Cống-Đồng 19 Tháp-An Giang/2013- 2,97 km 690 1,5; 2,5 64-116 2017 Cầu Cao Lãnh-Đồng 20 2,02 km 295 1,5; 2,558-117 Tháp/2013-2017 Cầu Năm Căn-Cà 21 817m 1,2; 1,895-101 Mau/2012-2014 Nguồn: Internet và [24] 1.1.3. Hiện trạng và đặc điểm sử dụng cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM. 1.1.3.1. Hiện trạng sử dụng cọc khoan nhồi trong xây dựng công trình ở khu vực Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những thành phố năng động và phát triển bậc nhất ở Việt Nam, nên trong thời gian qua có rất nhiều dự án công trình dân dụng, giao thông có quy mô lớn sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi. Điển hình như Tòa nhà Everich II, Q.7, Tp.HCM (2010) sử dụng 406 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~2,0m, chiều dài đến 95m; Đại lộ Đông tây Tp.HCM (2011), sử dụng 1.167 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~1,5m, chiều dài đến 57m; Cầu Sài Gòn 2- Tp.HCM (2013) sử dụng 324 cọc khoan nhồi đường kính 1,2~2,0m, chiều dài đến 79m, (Xem Bảng 1.3 và Bảng 3.4).
11 Bảng 1.3. Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi ở Khu vực Tp.HCM Đặc điểm cọc khoan Chiều dài Ghi Chú Dự án-Địa điểm/Năm nhồi STT (cao) công xây dựng Đ.Kính C.Dài trình Số cọc (m) (m) Cầu Vượt Lê Thánh Tôn 1 nối dài -Tp.HCM/1997- 0,6; 1,645-49 2002 Sự cố: không hạ hết được Cầu Bình Điền- 2 40 1,0 33-37 chiều dài lồng thép theo Tp.HCM/1998-2000 thiết kế Cao tốc Tp.HCM-Long Hiện tượng cát chảy dẫn 1,2; 1,5; 3 Thành-Dầu Giây/2009- 55 km >4.014 48-78 đến sập vách ngăn ở cầu 2,0 2015 Long Thành. Cầu Sài Gòn 2- 4 987m 324 1,2; 2,055-79 Rơi gầu khoan Tp.HCM/2012-2013 Sự cố: cọc bị thối mũi với Đại lộ Đông tây 1,0; 1,2; 5 21.89 km >1.167 55-57 chiều dài đoạn thối lớn Tp.HCM/2005-2011 1,5; nhất là 5m Cầu Phú Mỹ- 6 2,031Km 532 0,9-2,1 53-75 Tp.HCM/2007-2008 Cầu Bình Lợi- 7 975 m 102 1,5 70 Tp.HCM/2008-2013 Metro số 1, Bến Thành- Sự cố: rơi lồng thép, trồi 1,0; 1,2; 8 Suối Tiên, 19,7 km >3.500 26-78 lòng thép, sai lệch vị trí tim 1,5 Tp.HCM/2012-2018 cọc 0,5m Cao tốc Sài Gòn-Trung 1,0; 1,2; 9 61,9km 4.898 40-60 Lương/2004-2010 2,0 Khách sạn Amara -Q.3, Sự cố: bùn lắng đọng nhiều 10 1,0 40 Tp.HCM ở đáy lỗ khoan Tòa nhà ESTELLA-Q.2, 11 283 1,0; 1,278-84 Tp.HCM/2008 Tòa nhà Everich II, Q.7, 12 406 1,0; 2,060-95 Tp.HCM/2010 Cao ốc Sài Gòn M&C- 13 Q.1, Tp.HCM/2008- 122 1,0; 2,5104 2009 Lotte Mart Bình Dương, H.Thuận An, Bình 1,0; 1,2; 14 Dương (gần lưu vực 190 49-51 1,5 sông Sài Gòn)/2012- 2013 Nguồn: Internet và [24] Qua Bảng 1.3 và Bảng 3.4, nhận thấy, đặc điểm sử dụng cọc khoan nhồi ở đây có chiều dài cọc lớn (trung bình 60m, lớn nhất 104m), thi công cọc theo phương pháp ướt (trong vữa sét), thân cọc xiên qua tầng đất yếu dày, mũi cọc
12 tựa trên nền đất rời (cát) hoặc dính (sét), chiều cao mực nước ngầm lớn. Các đặc điểm này được xem là những nguyên nhân khách quan dẫn đến các sự cố cho cọc khoan nhồi làm suy giảm chất lượng và khả năng chịu tải mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong quản lý, sử dụng các trang thiết bị thi công hiện đại và trình độ tay nghề. 1.1.3.2. Đặc điểm cấu trúc địa chất và phân vùng địa kỹ thuật ở khu vực Tp.HCM Bản đồ phân vùng địa kỹ thuật phân chia vùng nghiên cứu ra các diện tích có những đặc điểm tương đồng về điều kiện địa chất công trình. Các nguyên tắc của phân vùng địa chất công trình đáp ứng được mục đích của phân vùng địa kỹ thuật nên cũng được áp dụng cho bản đồ này. Vì vậy, bản đồ phân vùng địa kỹ thuật được xây dựng trên nền bản đồ phân vùng địa chất công trình, trong đó chú trọng hơn đến yếu tố cấu trúc nền đất. Ở cấp bản đồ địa chất công trình tỉ lệ 1:50.000, đơn vị phân vùng địa chất công trình là miền, vùng và khu. [27]. Theo quan điểm địa chất công trình có 3 tầng cấu trúc như sau [27]: Tầng cấu trúc trên: Là lớp phủ trên cùng của tầng cấu trúc phủ Cenozoi có bề dày không lớn (<40m). Gồm ba tập trầm tích Holocen dưới - giữa (Q21-2), Holocen giữa trên (Q22-3) và Holocen trên (Q23). Có thời gian thành tạo trẻ nhất nên mức độ cố kết của đất là kém nhất, không thích hợp làm nền tự nhiên cho các loại công trình. Cần áp dụng những giải pháp xử lý, gia cố móng thích hợp, tốn kém. Tầng cấu trúc giữa được cấu thành bởi các thành tạo trầm tích Pleistocen (Q1), Pliocen (N22 và N21), và Miocen muộn (N13), phát triển rộng và sâu trên diện tích nghiên cứu. Các trầm tích có thời gian thành tạo lâu, mức độ cố kết tốt, thích hợp làm nền cho các công trình. Tầng cấu trúc dưới được cấu tạo nên bởi các thành hệ lục nguyên carbonat tuổi Jura sớm, các thành hệ trầm tích lục nguyên phun trào Jura muộn – Creta và thành hệ granitoit kiềm vôi tuổi Creta muộn. Tầng cấu trúc dưới chỉ có ý nghĩa làm vật liệu xây dựng như sét gạch ngói, phụ gia xi măng từ các sản phẩm phong hóa của chúng và đá xây dựng. Từ 22 khu địa chất công trình, dựa theo trật tự cấu trúc của các phức hệ thạch học (đơn nguyên tính toán) từ trên xuống dưới, trong đó chú trọng đến bề dày của từng phức hệ (tương quan giữa các lớp nền trên và dưới về thành phần
13 thạch học và bề dày). Bản đồ phân vùng địa kỹ thuật ở Tp.HCM được phân thành 12 khu địa kỹ thuật như Hình 1.4 và chú thích như Bảng 1.4. [27] Hình 1.3. Bản đồ phân vùng địa kỹ thuật Tp.HCM, tỷ lệ 1:50.000
14 Bảng 1.4. Tên khu địa kỹ thuật, đặc điểm cấu trúc nền và địa chất Khu- Đặc điểm cấu trúc nền và địa chất công trình Màu sắc Lớp 1: sét pha trạng thái dẻo mềm (phân bố đến độ sâu 8 m); lớp 2: chủ yếu là cát pha, sét pha xen kẽ, dẻo đến nửa cứng (đô sâu từ 8-14m); lớp 3: cát DA1 mịn, trung, cát pha chặt vừa (14-23m); lớp 4: sét cứng (24-32m); lớp 5: cát pha, cứng (24-32m) Lớp 1: bùn sét, sét pha, nửa cứng (phân bố đến độ sâu 6m); lớp 2: chủ yếu DA2 là sét pha chứa sạn, nhiều nơi gặp laterit (độ sâu từ 6-12 m); lớp 3: cát pha dẻo (12-19m). Lớp 1: sét nửa cứng (sâu đến 2m); lớp 2: sét cứng, lẫn sạn laterit (phân bố 3-9m); lớp 3: cát pha, có nơi gặp sét pha nửa cứng (độ sâu từ 9-13m); lớp DA3 4: cát mịn, chặt vừa (8-30m); lớp 5: cát pha dẻo (10-38 m); lớp 6: cát trung, chặt vừa (17-38 m) Lớp 1: bùn sét (độ sâu từ 5-10m); lớp 2: sét pha, dẻo (6m); lớp 3: cát pha, dẻo đến dẻo cứng (8-10m); lớp 4a: cát trung, chặt vừa đến chặt (12-15m); DA4 lớp 4b: sét pha, nửa cứng (độ sâu 11m); lớp 5a: sét pha nửa cứng (17-21 m); lớp 5b: sét cứng (dày hơn 10m); lớp 6: cát chặt vừa đến chặt (từ 21m trở xuống) Lớp 1: sét pha lẫn sạn laterit (độ sâu từ 2-3m); lớp 2: sét pha, nửa cứng (3- 17m); lớp 3: cát, cát pha, chặt vừa đến chặt (10-30m); lớp 4a: cát pha, dẻo DA5 đến nửa cứng (26-32m); lớp 5: sét nửa cứng đến cứng (20-30m trở xuống). Lớp bề mặt: sét pha cứng (dầy 1 m); lớp 1: sét pha chứa sạn laterit, dẻo mềm đến cứng (2-3m); lớp 2: sét pha, nửa cứng (sâu 4-10m); lớp 3: sét pha, DB1 nửa cứng (10-16m); lớp 4: cát mịn đến trung, chặt vừa đến chặt (7-30m); lớp 5: sét cứng (30-34m). Lớp 1: bùn sét (phân bố đến 10m); lớp 2: sét (sâu 10-19m); lớp 3: cát mịn DC1 (từ 20m trở xuống). Lớp 1: sét pha xen sạn laterit, nửa cứng (sâu 2-3m); lớp 2: sét pha, nửa cứng (sâu 2-11m); lớp 3a: lớp cát, chặt vừa (7-20m); lớp 3b: cát pha, dẻo DC2 mềm đến nửa cứng (12-16m). Lớp 5: cát pha lẫn sạn sỏi, nửa cứng đến cứng (15-22m); Lớp 6: cát pha nửa cứng (24-40m); lớp 7: sét cứng (40m trở xuống). Lớp 1: bùn sét dày (17-40m); lớp 2: cát, cát pha (15-36m); lớp 3: lớp sét, DC3 sét pha, dẻo cứng đến nửa cứng (17-45m); lớp 4: cát pha, dẻo đến nửa cứng (26-37m); lớp 5: cát mịn, chặt vừa (35-70m) Lớp 1: lớp bùn dày 12-25m; lớp 2: sét, sét pha, dẻo mềm (12-20m và 26- DC4 28m); lớp 3: cát, cát pha (22-28m); lớp 4: cát pha, sét pha dẻo đến nửa cứng (26-36m); lớp 5: cát trung chặt vừa (37-53m); lớp 6: cát mịn, chặt vừa (35-70m) Lớp 1: thấu kính cát dày từ 2-5m; lớp 2: bùn sét (phân bố từ bề mặt đến 17- 27m); lớp 3: sét pha, dẻo mềm đến dẻo cứng (22-28m); lớp 4: cát pha dẻo DC5 (23-27m); lớp 5: sét pha, dẻo (28-31m); lớp 6: cát trung đến thô chặt vừa (phân bố 31-37m) EG Khu DKT đặc biệt. Có tính chất hết sức phức tạp.
15 Như vậy, việc dựa vào bản đồ phân vùng địa kỹ thuật đã có ở khu vực Tp.HCM để phân vùng địa kỹ thuật cho công nghệ thiết kế và thi công cọc khoan nhồi là rất thuận lợi. Dựa vào Hình 1.3 và Bảng 1.4 thì đa phần tầng đất mà cọc xuyên qua có đặc điểm là đất hỗn hợp loại dính và rời đan xen nhau, các lớp đất có khả năng chịu lực từ yếu, trung bình và đến tốt. 1.1.4. Một số đặc điểm kết cấu, công nghệ cọc khoan nhồi ở Việt Nam Trong gần 30 năm qua, việc áp dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi, đã trở nên phổ biến cho các công trình xây dựng có quy mô lớn như các tòa nhà cao tầng, đặc biệt là các cầu lớn vượt sông, các loại kết cấu cầu trong đô thị hoặc trên nền đất yếu có chiều dày lớn, Móng cọc khoan nhồi có những tính năng ưu việt hơn các loại móng cọc khác ở chỗ có khả năng chịu được tải trọng lớn, có khả năng mở rộng đường kính và chiều dài cọc đến mức tối đa, thi công tương đối nhanh và ít gây ra ảnh hưởng chấn động do thi công đến các công trình lân cận. Do đặc điểm của công nghệ thi công và đặc điểm làm việc của kết cấu móng cọc, nên chất lượng hay sức kháng của cọc khoan nhồi phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: công tác khảo sát địa chất công trình – xác định chính xác các lớp đất trong đất nền cùng với các chỉ tiêu cơ lý, đặc biệt là lớp chống mũi cọc; Công tác tính toán thiết kế – lựa chọn công thức tính toán, các tham số đầu vào, các điều kiện biên; công tác quản lý chất lượng và công nghệ, kinh nghiệm thi công. Cọc khoan nhồi có thể áp dụng rộng rãi với các loại đất nền như: Đất sét, đất cát, đất sỏi sạn, đất sỏi cuội, đá phong hóa, đá nguyên khối; thích hợp với các loại kết cấu như: móng nhà cao tầng; móng cầu: cầu dầm giản đơn, cầu dầm liên tục, cầu vòm, cầu khung, cầu dây văng, dây võng, Có thể thi công được cả chỗ nước sâu. Đường kính mặt cắt có thể đến 2,5m, chiều dài cọc có thể hơn 100m. Trong quá trình thi công vẫn có thể kiểm tra lại địa tầng: có thể căn cứ vào địa chất thực tế mà có thể điều chỉnh chiều dài và đường kính cọc. Tuy nhiên, việc sử dụng cọc khoan nhồi cũng có những hạn chế do việc bố trí thi công từ tạo lỗ đến đặt cốt thép, đổ bê tông đều tại hiện trường, chất lượng
16 cọc phụ thuộc rất nhiều vào thiết bị, công nghệ, trình độ và kinh nghiệm của công nhân. Thông qua trình tự các công việc khảo sát, thiết kế và thi công [43] (Hình 1.2) cùng các phương pháp hay lý thuyết dự tính sức kháng đỡ dọc trục cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu sẽ nhận thấy tính phức tạp của công nghệ này tương đồng với nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự sai lệch giữa lý thuyết và thực tế. Những nội dung chi tiết được nêu ở các mục 1.3.1 đến 1.3.4 dưới đây. Khảo sát, thí nghiệm hiện trường Cường độ & các Phân tích động thông số đặc trưng Phân tích tĩnh của cọc khoan Đánh giá tải địa chất cọc khoan trọng của kết cấu bên trên Loại cọc khoan/ Kết quả thí nghiệm Phương pháp thi trong phòng công Yêu cầu tải trọng của kết Biến dạng và độ Sức kháng đỡ dọc trục cấu bên trên lún cọc khoan đơn/nhóm Thiết kế Kiểm tra • Cấu tạo • Vật liệu • Chi tiết Giám sát và Thi công cọc • Quá trình • Thi công • C.tác khoan QL C.Lượng khoan • Đ.nhất Bêtông - K.tra thiết kế/thay đổi Hoàn thành thi • Thử tải động ? Đạt công cọc • Thử tải tĩnh khoan nhồi + Hình 1.4. Quá trình khảo sát, thiết kế và thi công của cọc khoan nhồi 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 sông, 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 không 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
17 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 công trình phục vụ cho công tác thiết kế và thi công 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 công trình; đặc điểm địa tầng, tiêu chuẩn thiết kế và giai đoạn triển khai công trình. Nội dung chủ yếu là khoan lấy mẫu, thí nghiệm hiện trường, thí nghiệm trong phòng. Lấy mẫu nguyên dạng và không nguyên dạng. Đo mực nước, lấy mẫu nước thí nghiệm xác định thành phần hóa học, đánh giá ăn mòn bê tông. 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 toán của các tiêu chuẩn hiện hành. Tuy nhiên, vẫn còn một số tồn tại sau: + Khối lượng công tác khảo sát còn 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 không hợp lý và đôi khi khối lượng thí nghiệm trong phòng thực hiện không đầy đủ; + Công 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, không 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
18 lớn, nhiều khi lựa chọn giải pháp kỹ thuật, công nghệ thi công chưa chính xác, chưa dự báo được các sự cố thi công 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 mô hình (phương pháp) dự tính sức kháng đỡ cọc khoan nhồi, các mô 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 mô 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 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 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 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
19 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 cố ở cọc khoan nhồi. Rõ nhất và điển hình nhất là sự cố ở 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 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, 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 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
20 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
21 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 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 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
22 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 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: z Rn Rn Điều kiện: Qi (dạng khác: Q ) (1.1) i 1 FS K trong đó: • Rn: Cường độ (sức kháng) danh định (có thứ nguyên như ứng 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. z Điều kiện:  iQi Rn (1.2) i 1 trong đó Rn, Qi, i, z như giải thích ở công 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 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.
23 z Điều kiện (dạng chung):  iQi m.k.Rn F (1.3) i 1 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{Q R |[0,T ]} (1.4) và xác suất bị phá hoại hoặc gặp sự cố: Pf P{Q R |[0,T ]} (1.5) trong đó P{Q R |[0,T ]}là xác suất để không xảy ra sự cố (hư hỏng, Q<R) trong khoảng thời gian khai thác, T; P{Q R |[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): Ps [Ps ], hoặc Pf [Pf ] (1.6) Tính Ps và Pf : P f (Q) f (R)dQdR f (1.7) Q R P f (Q) f (R)dQdR s (1.8) Q R 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)
24 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 độ 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). f(Q), f(R) f(R) f(Q) Q Q R R R Q, R Qk tk tk k 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: Qtk  .Qk (với  1) để P(Q Qtk ) rất nhỏ (1.11) Rtk .Rk (với 1) để P(R Rtk ) rất nhỏ (1.12) Sự cố (TTGH) chỉ xảy ra với xác suất rất nhỏ = P(Q Qtk ).P(R Rtk ) (1.13) Các giá trị γ, φ được định chuẩn căn cứ theo độ tin cậy hay chỉ số độ 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.
25 z Điều kiện (dạng chung):  iQi Rn (1.14) i 1 • 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 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 thể đặc trưng bằng số, không tương quan với nhau.
26 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 (LRFD, TTGH). Ngoài ra cũng còn có thể nêu thêm cả mức độ 0 (Level 0), trong đó, phương pháp theo mức độ 0 là phương pháp truyền thống hay “phương pháp ấn định” (deterministic design methods), sử dụng các giá trị đặc trưng về khả năng và tác động theo phương pháp truyền thống thông thường [23]. Việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính toán đối với kết cấu công trình và xây dựng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng đang được nhiều quốc gia, tổ chức quốc tế và nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Trong những năm gần đây, một số công trình nghiên cứu điển hình về việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích đánh giá và xây dựng hệ thống tiêu chuẩn thiết kế đối với kết cấu công trình như: 1. Năm 1953, tác giả Streletxki N. S., đã sử dụng lý thuyết độ tin cậy để làm cơ sở của phương pháp luận xây dựng triết lý thiết kế kết cấu công trình theo TTGH với các định dạng tiêu chuẩn thiết kế xuất hiện trong những năm 1960-1970 (Quy trình thiết kế cầu theo TTGH của Liên Xô: CH 200.62, CH 365.67). Bolotin V. V. [91] đã công bố những công trình nghiên cứu mà sau này được coi như nền móng của lý thuyết độ tin cậy đối với kết cấu công trình hiện đại. Tác giả Rzhanixin A. R. [93] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi đồng thời tải trọng và sức kháng đến tuổi thọ cũng như độ tin cậy của kết cấu công trình theo các sơ đồ đơn giản không đòi hỏi những tính toán quá phức tạp. Rzhanixin A. R. cũng là người đã đưa ra khái niệm xác suất bảo đảm không bị phá hoại cũng như công thức tính xác suất này. 2. Các công trình nghiên cứu về xác định hệ số an toàn cho các tiêu chuẩn thiết kế ở khu vực châu Âu-Bộ tiêu chuẩn Eurocode dựa trên cơ sở phân tích độ tin cậy. Chủ yếu được thực hiện bởi các tác giả ở châu Âu, có thể kể đến các công trình tiêu biểu của Faber M. H., Sorensen J.D. (2002) [50], trong đó đã đề cập đến nhiều vấn đề như mối liên hệ giữa độ tin cậy và hệ số an toàn; Các vấn đề cần phải giải quyết trong việc định lập tiêu chuẩn; Lý thuyết tối ưu và việc
27 xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu; Kiến nghị các nội dung cơ bản trong việc định lập tiêu chuẩn. 3. Các kết quả nghiên cứu về xác định hệ số số tải trọng hệ số sức kháng cho kết cấu phần trên trong các tiêu chuẩn thiết kế dựa trên cơ sở phân tích độ tin cậy như Nowak A.S. (1999) [74] đã công bố trong công trình nghiên cứu số 368 thuộc Chương trình nghiên cứu cấp quốc gia của Mỹ (National Coperrative Highway Research Program - NCHRP) về việc định lập tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD). 4. Các công trình nghiên cứu về xác định hệ số sức kháng cho kết cấu móng cọc trong tiêu chuẩn thiết kế (LRFD) dựa trên cơ sở phân tích độ tin cậy. Chủ yếu được thực hiện bởi các tác giả ở Mỹ, gồm một số công trình tiêu biểu sau: Paikowsky et al. (2004), đã xác định hệ số sức kháng của cọc khoan dựa trên cơ sở dữ liệu thử tải của Trường Đại học Florida, FHWA và nghiên cứu O'Neill. [75], [77]. Các hệ số sức kháng đại diện cho tổng sức kháng danh định và sức kháng thành bên và được hiệu chỉnh cho cọc khoan trong các điều kiện đất nền khác nhau theo các biện pháp thi công khác nhau. Để phản ánh sự thay đổi của hệ số tải trọng và phương pháp thiết kế trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD, Allen (2005) [34] đã hiệu chỉnh lại các hệ số sức kháng của cọc khoan nhồi dựa trên cơ sở dữ liệu trong các tài liệu trước phù hợp với tiêu chuẩn ASD thông qua phân tích độ tin cậy theo phương pháp Monte Carlo [29], [35], [42], [76], [77]. Yang et al. (2008) với việc sử dụng 19 dữ liệu thí nghiệm hộp Osterberg (O-cell) ở Kansas, Colorado và Missouri [76], [87] đã hiệu chỉnh hệ số sức kháng của sức kháng thành bên xác định theo phương pháp O’Neill và Reese. Năm 2009, dựa trên dữ liệu thí nghiệm cọc khoan sắp xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới trong công trình nghiên cứu NCHRP 24-17, Liang và Li đã hiệu chỉnh hệ số sức kháng của cọc khoan sử dụng phương pháp O’Neill và Reese trên cơ sở phân tích độ tin cậy theo phương pháp Monte Carlo [66], [76]. Như vậy, việc định chuẩn các hệ số sức kháng đề xuất trong tiêu chuẩn AASHTO đã được bắt nguồn chủ yếu dựa trên sự phù hợp với hệ số an toàn khi thiết kế theo phương pháp ASD với việc xem xét các phân tích độ tin cậy cơ sở được Paikowsky thực hiện [29], [77]. Mặc dù khái niệm về LRFD đã được thiết
28 lập, nhưng các hệ số trong tiêu chuẩn AASHTO đến thời điểm đó chưa hoàn toàn thể hiện khái niệm này một cách đầy đủ [33]. Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu phát triển bổ sung một cách hợp lý phương pháp LRFD áp dụng cho kết cấu bên dưới bằng cách xác định các hệ số sức kháng cho phù hợp với điều kiện đất nền khác nhau [36], [37], [42], [64], [66], [70], [71], [74], [77], [86]. Việc sử dụng các móng cọc khoan để chịu tải trong công trình cầu và các công trình xây dựng khác được áp dụng rộng rãi. Khi kết cấu bên trên rất nhạy cảm với các chuyển vị của kết cấu phần dưới, cần thiết phải sử dụng móng cọc khoan để đảm bảo được sự làm việc bình thường của kết cấu bên trên. Khi thiết kế theo các phương pháp FHWA, sức kháng danh định của cọc khoan được xác định bằng độ lớn của tải trọng gây ra chuyển vị ở đầu cọc bằng 5% đường kính cọc nếu cọc không bị lún chìm trước khi chuyển vị [30], [46]. Hiện nay, các tiêu chuẩn AASHTO LRFD (các ấn bản 2007, 2012) đưa ra hệ số sức kháng dọc trục (φ) có giá trị trong phạm vi 0,40 – 0,60 với chỉ số độ tin cậy () = 3,0 cho cọc khoan nhồi trong trường hợp sử dụng nhóm 2-4 cọc với các điều kiện đất nền khác nhau [29]. Theo AASHTO, hệ số sức kháng cho móng chỉ có một cọc đơn thì giảm 20% tương ứng với chỉ số độ tin cậy là 3,5. Tuy nhiên, trong các phiên bản AASHTO LRFD trước 2007 thì các hệ số sức kháng được đưa ra chủ yếu dựa trên sự phù hợp với hệ số an toàn theo phương pháp ASD [33]. 1.4. PHÂN TÍCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LRFD VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU Ở VIỆT NAM Lý thuyết độ tin cậy được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam từ đầu những năm 1980. Từ một số các nhà khoa học được đào tạo từ nước ngoài trở về, qua các Hội thảo khoa học, các Seminar tại các Viện nghiên cứu và các Trường Đại học, lý thuyết độ tin cậy đối với kết cấu công trình được áp dụng vào thực tế xây dựng Việt Nam. Có thể nói, lý thuyết độ tin cậy đã được nghiên cứu ứng dụng trong phân tích, đánh giá kết cấu công trình và giảng dạy trong các trường đại học phổ biến ở Việt Nam. Thời gian qua, có một số luận án tiến sĩ kỹ thuật và
29 luận án thạc sỹ đã nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và lý thuyết xác suất thống kê để đánh giá độ tin cậy đối với kết cấu công trình, đánh giá công nghệ thi công bê tông cho các công trình cầu lớn ở Việt Nam v.v Hiện tại chưa có đề tài luận án tiến sĩ hay công trình nghiên cứu khoa học cụ thể nào về nghiên cứu xác định hệ số sức kháng đỡ cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo lý thuyết độ tin cậy. Tuy vậy, cũng có một số luận văn cao học và bài báo đề cập nghiên cứu về phân tích đánh giá một số tồn tại của lý thuyết, phương pháp dự tính sức kháng của móng cọc nói chung và cọc khoan nhồi mố trụ cầu nói riêng trong một số tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như sau: - Một số luận văn cao học: Phương pháp hệ số tải trọng và sức kháng trong thiết kế cọc (đóng, ép) chịu tải trọng dọc trục của tác giả Đặng Thị Thanh Thùy (2011) [22]; Phân tích, đánh giá một số vấn đề về tính toán cọc và móng cọc theo Tiêu chuẩn TCXD 208:1998 và Tiêu chuẩn 22 TCN 272–05 của tác giả Ngô Thị Thanh Hương (2005) [16]. - Một số bài báo khoa học: Trịnh Việt Cường (2012) [15], Trình bày kết quả bước đầu về xác định hệ số sức kháng tương ứng với một số phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc đóng, ép trong tiêu chuẩn thiết kế móng cọc TCXD 205: 1998; Trịnh Việt Cường, Đặng Thị Thanh Thùy (2011), “Đánh giá hệ số sức kháng cho một số phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc dịch chuyển lớn trong điều kiện đất nền Việt Nam”, Tuyển tập báo cáo - Hội nghị khoa học Viện KHCN Giao thông vận tải, Hà Nội; Bùi Đức Lâm (2009), Báo cáo tổng kết đề tài “Lựa chọn phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc ma sát phù hợp với điều kiện Việt Nam”, Bộ Xây dựng; Xác định sức kháng ma sát đơn vị dọc thân cọc qua thí nghiệm đo biến dạng dọc trục của tác giả Vũ Thanh Hải & Phạm Quang Hưng (2010); Một số vấn đề trong tính toán sức chịu tải cọc đóng theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 của tác giả Nguyễn Huy Hoàn & Nguyễn Dũng (2006); Một vài suy nghĩ về dự báo sức chịu tải cọc khoan nhồi đường kính lớn thi công theo phương pháp truyền thống của tác giả Nguyễn Bảo Huân (2008).
30 1.5. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI Qua nghiên cứu tổng quan về một số vấn đề liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án như nêu trên, nghiên cứu sinh nhận thấy còn một số tồn tại mà luận án cần tập trung nghiên cứu giải quyết như sau: 1.5.1. Một số tồn tại trong tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ 22TCN272-05 và AASHTO LRFD 2012 (2007) Hiện nay, ngay cả trong các ấn bản của tiêu chuẩn AASHTO LRFD (1998- 2012) vẫn chưa có sự thống nhất giữa điều kiện đất nền trong phương pháp dự tính sức kháng đỡ so với bảng tra hệ số sức kháng đỡ của cọc khoan nhồi như: điều kiện đất nền trong các phương pháp dự tính là nhóm đất dính (Cohesive Soil), đất rời (Cohesionless Soil), nhưng trong bảng tra hệ số sức kháng lại không quy định cho nhóm đất này. Do vậy, khi áp dụng trong thiết kế phải vận dụng loại đất gần nhất được quy định, đó là đất sét (Clay) cho đất dính, đất cát (Sand) cho đất rời. Trong 22TCN272-05 (AASHTO LRFD 1998-2004) có giới thiệu năm phương pháp dự tính sức kháng đỡ cọc khoan nhồi theo điều kiện đất nền cho đất dính và rời của năm tác giả (từ những năm 1974-1988), không quy định hệ số sức kháng cho đất cát và sai lệch kết quả dự tính giữa các phương pháp là khá lớn. Đến phiên bản tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 thì năm phương pháp này được thay thế bằng một phương pháp dự tính sức kháng đỡ cọc khoan nhồi của O'Neill&Reese (1999). [1], [28]; Trong 22TCN272-05 (AASHTO LRFD 1998-2004) không quy định cụ thể về cách xác định sức kháng đỡ cực hạn từ kết quả thử tải tĩnh cọc khoan nhồi theo điều kiện đất nền (cọc bị phá hoại). Trong khi đó, từ AASHTO LRFD 2007 đã quy định sức kháng đỡ cực hạn (phá hoại) bằng cấp tải thử ứng với độ lún bằng năm phần trăm đường kính cọc (5%D) hoặc ứng với cấp tải thử mà cọc khoan nhồi bị lún chìm. Các hệ số sức kháng của AASHTO LRFD các phiên bản 1998-2004 (22TCN272-05), và ngay cả ở phiên bản 2007 cũng chủ yếu dựa vào các đặc trưng thống kê sức kháng cọc khoan nhồi ở một số bang ở Mỹ, nên sẽ không hoàn toàn phù hợp và chuẩn xác ở điều kiện vận dụng khác như ở Việt Nam.
31 Mặc dù, sau 10/2007 tất cả các hệ số sức kháng đã được nghiên cứu cập nhật, nhưng AASHTO vẫn khuyến cáo: các hệ số sức kháng không phải là những giá trị chuẩn mực cho tất cả các bang của Mỹ và rõ ràng càng không phải là chuẩn xác cho những quốc gia ngoài Mỹ, trong đó có Việt Nam. Bảng 1.5. Thống kê một số tồn tại trong tiêu chuẩn thiết kế cầu thiết kế cầu đường bộ 22TCN272-05 và AASHTO LRFD 2012 (2007) AASHTO LRFD 2012 Vấn đề tồn tại 22TCN272-05 (2007) Phương pháp dự tính sức 05 phương pháp từ những 01 phương pháp kháng đỡ cho đất dính và rời năm trước 1988 O'Neill&Reese (1999) Hệ số sức kháng không quy Đất cát, đất dính và rời Đất dính và rời định cho: Năm áp dụng chính thức 2005 2007 Xác định sức kháng đỡ cực Có nhiều phương pháp 5% đường kính cọc hoặc hạn từ thử tải tĩnh theo TCXDVN269-2002 cọc lún chìm Các hệ số sức kháng không phải là những giá trị chuẩn Khuyến cáo khi sử dụng các mực cho tất cả các bang của Mỹ và rõ ràng càng không hệ số sức kháng phải là chuẩn xác cho những quốc gia ngoài Mỹ, trong đó có Việt Nam 1.5.2. Một số tồn tại của các công trình nghiên cứu khoa học liên quan Đối với công trình nghiên cứu về hiệu chuẩn hệ số sức kháng đỡ cho móng sâu của nhóm tác giả Paikowsky và cộng sự (2004): Chưa đề cập đến hệ số sức kháng của phương pháp O'Neill&Reese (1999), chỉ mới đề cập đến phương pháp Reese&O'Neill (1988) cho điều kiện đất hỗn hợp cát và sét trên cơ sở 44 kết quả thử tải cọc khoan nhồi ở bang Forida. Liang (2009) Đã đề xuất hệ số sức kháng cho phương pháp O'Neill&Reese (1999), nhưng chỉ đề xuất cho điều kiện đất cát, đất sét ở Mỹ. Murad và cộng sự (2013): Đã đề xuất hệ số sức kháng cho phương pháp O'Neill&Reese (1999) cho điều kiện đất hỗn hợp loại dính và rời ở bang Louisiana&Mississipi trên cơ sở 34 kết quả thử tải cọc khoan nhồi, nhưng có đến 26 giá trị ngoại suy kết quả thử tải tĩnh do chưa thử đến phá hoại cọc. Trong nước vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào liên quan đến mục tiêu nghiên cứu của luận án này. Từ các vấn đề tồn tại nêu trên, việc nghiên cứu xác định hệ số sức kháng của phương pháp dự tính sức kháng cho cọc khoan nhồi trên cơ sở phân tích độ tin cậy đang là vấn đề thời sự được các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt
32 Nam quan tâm. Đây là lý do chính để nghiên cứu sinh chọn đề tài nghiên cứu này với mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án như mục 1.6 và 1.7. 1.6. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả dự tính sức kháng của bốn phương pháp dự tính sức kháng so với sức kháng thực tế hiện trường của cọc khoan nhồi theo điều kiện đất nền ở khu vực Tp.HCM. Có nghĩa là nghiên cứu xác định đặc trưng thống kê của tỷ số giữa sức kháng thực đo và dự tính (biến gộp sức kháng, λR); Nghiên cứu cơ sở xác định hệ số sức kháng và đề nghị hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện cường độ đất nền ở khu vực Tp.HCM cho bốn phương pháp dự tính sức kháng. 1.7. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu cơ sở xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu bằng lý thuyết xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy tiên tiến. Cụ thể, từ việc khảo sát thu thập 24 bộ hồ sơ thí nghiệm thử tải tĩnh cọc khoan nhồi ở khu vực Tp.HCM, tiến hành nghiên cứu xác định đặc trưng thống kê của tỷ số giữa sức kháng thực đo và dự tính (biến gộp sức kháng, λR); từ đó nghiên cứu xác định hệ số sức kháng cho bốn phương pháp dự tính sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu trên cơ sở phân tích độ tin cậy.
33 Chương 2. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG ĐỠ DỌC TRỤC CỌC KHOAN NHỒI THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY Với triết lý thiết kế theo phương pháp xác suất (LRFD, độ tin cậy) thì khái niệm về hệ số sức kháng là hệ số xét đến 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 (tay nghề, 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]. Như vậy, để xác định hệ số sức kháng đỡ dọc trục theo điều kiện cường độ đất nền trên cơ sở phân tích độ tin cậy thì cần phải có phương pháp luận phân tích đặc trưng thống kê biến ngẫu nhiên (cho hiệu ứng tải trọng và sức kháng) và phương pháp phân tích xác định hệ số sức kháng trên cơ sở phân tích độ tin cậy. 2.1. CÁC KHÁI NIỆM VÀ THUẬT NGỮ CHUNG 2.1.1. Các định nghĩa và thuật ngữ trong lý thuyết xác suất thống kê [13], [17], [19] Tập mẫu, , là tập hợp tất cả các kết quả thử nghiệm mẫu gọi là tập mẫu. Hàm số được xác định từ kết quả xử lý số liệu của tập mẫu nói trên là hàm thực nghiệm. Cỡ mẫu, n, là số lượng các kết quả thử nghiệm mẫu trong tập mẫu gọi là cỡ mẫu. Sự kiện, E, là kết quả thu được của quá trình thử nghiệm đối với mỗi mẫu.
34 Ký hiệu P(.) là xác suất của sự kiện. Giả thiết E là sự kiện và  là tập mẫu thì P(E) bằng xác suất của sự kiện E và P() bằng xác suất của các sự kiện ứng với toàn bộ tập mẫu. Như vậy, 0 P(E) 1 và P() =1. Hàm trạng thái giới hạn: Một hàm g của các biến cơ bản biểu thị trạng thái giới hạn khi g (X1, X2 Xn) = 0; g > 0 thể hiện trạng thái an toàn và g < 0 thể hiện trạng thái không an toàn [14], [17], [19]. Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên X ký hiệu f(X) là xác suất để các biến ngẫu nhiên X nhận giá trị nhỏ hơn số thực x, tức là f(x) = P(X<x), x R. Hàm phân phối tích lũy của biến ngẫu nhiên X, ký hiệu F(X) là đạo hàm bậc nhất của hàm mật độ xác suất f(X). 2.1.2. Các định nghĩa và thuật ngữ trong lý thuyết độ tin cậy Hệ thống các khái niệm về lý thuyết độ tin cậy nói chung có thể được chia thành bốn nhóm sau: các khái niệm về đối tượng nghiên cứu; các khái niệm về trạng thái của đối tượng; các khái niệm về tính chất của đối tượng; các đặc trưng của độ tin cậy. Trong luận án chỉ lựa chọn trích dẫn một số khái niệm, định nghĩa và thuật ngữ cơ bản nhất liên quan đến độ tin cậy của kết cấu đã được định nghĩa trong tiêu chuẩn ISO2394-1998 và trình bày trong các tài liệu [14], [17], [19] Kết cấu công trình: Sự tổ hợp có liên kết của các bộ phận (cấu kiện) với nhau nhằm tạo ra một khối vững chắc. Sự cố (hư hỏng): Không đủ khả năng chịu tải hay không đủ khả năng phục vụ của một kết cấu hay cấu kiện. Tính bất định (không chắc chắn) thống kê: Tính bất định liên quan đến độ chính xác của sự phân bố và việc xác định các thông số [14], [17], [19]. Độ tin cậy của kết cấu, cấu kiện (Reliability for Structures): Là một khái niệm tổng thể bao gồm các mô hình tác động, các nguyên tắc thiết kế, độ tin cậy thành phần, phản ứng và độ bền của kết cấu, trình độ tay nghề, các quy trình quản lý chất lượng và các quy định của nhà nước, tất cả các yếu tố đều phụ thuộc lẫn nhau. Định nghĩa ngắn gọn về độ tin cậy: Khả năng của một kết cấu
35 hay một cấu kiện có thể thỏa mãn các yêu cầu quy định, bao gồm cả tuổi thọ thiết kế. [14] Chỉ số độ tin cậy,  : Một sự thay thế cho xác xuất sự cố ( Pf ) được định -1 -1 nghĩa bởi  = - (Pf), trong đó  (.) là nghịch đảo của hàm phân phối chuẩn hóa [14], [17], [19]. Độ tin cậy mục tiêu hay chỉ số độ tin cậy mục tiêu (t) có nghĩa là độ tin cậy hay chỉ số độ tin cậy có xét đến: 1) Nguyên nhân và dạng hư hỏng của một kết cấu hay cấu kiện, nó có thể bị sụp đổ một cách đột ngột, trước đó không được cảnh báo để cần thiết với độ tin cậy cao hơn nhằm hạn chế những hậu quả có thể xảy ra; 2) Những hậu quả có thể xảy ra là rủi ro về sinh mạng, thương tổn, thiệt hại về kinh tế và mức độ ảnh hưởng đến xã hội; 3) Phí tổn, mức độ nỗ lực và các biện pháp cần thiết nhằm giảm thiểu nguy cơ hư hỏng; 4) Các điều kiện môi trường và xã hội ở từng vùng [14], [17], [19]. Biến cơ bản: Là một trong những đại lượng đặc trưng cho hiệu ứng tải (hiệu ứng lực, mô tả những tác động tải trọng và ảnh hưởng của môi trường), các tính chất của vật liệu, bao gồm cả tính chất của đất và các đại lượng hình học [14], [19]. Biến ngẫu nhiên: Là biến cơ bản có đủ số liệu để xử lý tìm ra được các đặc trưng bằng số của chúng và khẳng định nó thuộc loại phân phối thống kê nào, do đó phải thoả mãn các tiêu chuẩn phù hợp của lý thuyết thống kê. Trong thống kê hay sử dụng biến ngẫu nhiên tuyệt đối (có thứ nguyên) và tương đối (không thứ nguyên) [14], [19]. - Biến ngẫu nhiên tuyệt đối: Là biến ngẫu nhiên biểu hiện mức độ quy mô, khối lượng (giá trị có thứ nguyên) của hiện tượng (đại lượng) nghiên cứu trong điều kiện thời gian và địa điểm cụ thể. Ý nghĩa: làm cơ sở đầu tiên để phân tích thống kê, tính các giá trị của biến cơ bản ngẫu nhiên tương đối [13]. - Biến gộp ngẫu nhiên tương đối: Là biến ngẫu nhiên biểu hiện quan hệ so sánh (tỷ lệ) giữa hai mức độ của hiện tượng nghiên cứu. Đó có thể là kết quả của việc so sánh giữa 2 mức độ cùng loại nhưng khác nhau về điều kiện thời
36 gian và không gian hoặc giữa 2 mức độ khác loại nhưng có liên quan với nhau. Ý nghĩa: biến gộp ngẫu nhiên được sử dụng rộng rãi để nêu lên thuộc tính chung có đặc trưng thống kê của 2 hiện tượng nghiên cứu trong điều kiện lịch sử nhất định. Trong khi biến gộp ngẫu nhiên tuyệt đối chỉ mới khái quát được quy mô, khối lượng của hiện tượng thì biến gộp ngẫu nhiên giúp nhận thức sâu về đặc điểm của hiện tượng nghiên cứu [13]. Biến gộp ngẫu nhiên tương đối hiệu ứng tải trọng (biến gộp ngẫu nhiên tải trọng, λQ, Load Effect Bias Factor): Là giá trị của biến gộp ngẫu nhiên, biểu thị tỷ số giữa hiệu ứng tải thực đo và hiệu ứng tải danh định dự tính theo mô hình (phương pháp). Dùng biến gộp ngẫu nhiên tải trọng để mô tả thuộc tính chung của một phương pháp dự tính hiệu ứng tải dưới tác động của các nhóm loại tải trọng [13], [33], [74], [77]. Biến gộp ngẫu nhiên tương đối sức kháng (biến gộp ngẫu nhiên sức kháng, λR, Resistance Bias Factor): Là giá trị của biến gộp ngẫu nhiên, biểu thị tỷ số giữa sức kháng thực đo (thử tải) và sức kháng danh định dự tính theo mô hình. Dùng biến gộp ngẫu nhiên sức kháng để mô tả thuộc tính chung của một phương pháp dự tính sức kháng danh định từ các đặc trưng của vật liệu, đất nền và kích thước của nhóm loại cấu kiện [13], [33], [74], [77]. 2.2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THỐNG KẾ CỦA BIẾN NGẪU NHIÊN Để phân tích đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên gồm các tham số đặc trưng (giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, hệ số biến thiên, ) và quy luật phân phối xác suất, có thể thực hiện theo trình tự sau: - Lựa chọn loại biến ngẫu nhiên thống kê và xác định cỡ mẫu tối thiểu; - Biểu diễn các giá trị nghiên cứu của biến ngẫu nhiên ở dạng dãy số thống kê; - Loại bỏ những số liệu bất thường; - Ước lượng sơ bộ các tham số đặc trưng của biến ngẫu nhiên với giả định tuân theo luật phân bố chuẩn;
37 - Kiểm định, xác định dạng phân phối xác suất phù hợp cho phân phối thực nghiệm của biến ngẫu nhiên; - Chuẩn xác lại các tham số đặc trưng thống kê của biến ngẫu nhiên với dạng phân phối xác suất phù hợp nhất. 2.2.1. Lựa chọn loại biến (mẫu) ngẫu nhiên thống kê và xác định cỡ mẫu tối thiểu Theo lý thuyết xác suất thống kê, thường có 2 loại biến ngẫu nhiên như sau [13]: - Biến ngẫu nhiên tuyệt đối (mẫu định lượng): là biến quan tâm đến các yếu tố về lượng (có thứ nguyên), như kính thước, trọng lượng, khả năng, ; - Biến ngẫu nhiên tương đối (mẫu định tính): là biến chỉ quan tâm đến đặc tính chung nào đó của tập mẫu (không thứ nguyên). Với mục tiêu chính của luận án là xác định hệ số sức kháng đỡ cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện cường độ đất nền của phương pháp dự tính sức kháng trên cơ sở phân tích độ tin cậy. Như vậy, có thể chọn loại biến thống kê là biến ngẫu nhiên tương đối, biến này thể hiện thuộc tính chung là tỉ lệ dự đoán của phương pháp tính nào đó, là tỉ số giữa giá trị thực đo chia cho giá trị dự tính. Để ước tính cỡ mẫu (số đối tượng) cần thiết cho một công trình nghiên cứu, ngoài thể loại nghiên cứu, cần phải có 3 số liệu: xác suất sai lầm loại I, loại II và hệ số ảnh hưởng. Số lượng cỡ mẫu là hàm số của ba thông số này. Gọi n là số lượng cỡ mẫu cần thiết, α là xác suất sai lầm loại I, θ là xác suất sai lầm loại II (tức 1- θ là Lực kiểm định), hệ số ảnh hưởng là ES, thì công thức chung để ước tính cỡ mẫu là [25]: ()z zC2 n /2 (2.1) ()(ES)/ 22 trong đó:
38 - σ và zα/2, zθ: là độ lệch chuẩn chung và độ lệch chuẩn với xác suất sai lầm α, θ từ phân phối chuẩn; - ɛ: Sai số cho phép (chấp nhận); - C: là hằng số liên quan đến xác suất sai lầm loại I và loại II, tra ở bảng 2.1 Về xác suất sai lầm, thông thường một nghiên cứu chấp nhận sai lầm loại I khoảng 1% hay 5% (tức α = 0,01 hay 0,05), và xác suất sai lầm loại II khoảng θ = 0,1 đến θ = 0,2 (tức lực kiểm định từ 0,8 đến 0,9). Mỗi trường hợp gắn liền với một hằng số zα/2 và zθ như vừa đề cập. Hai hằng số này có thể tóm gọn bằng 2 công thức C = (zα/2 + zθ) . C được xác định bởi luật phân phối chuẩn như trình bày trong bảng 2.1 dưới đây. Chẳng hạn như nếu muốn α = 0,05 và θ = 0,2 thì hằng số C là 7,85. Bảng 2.1. Hằng số C liên quan đến xác suất sai lầm loại I và II [25] θ = 0,20 θ = 0,10 θ = 0,05 α = (Lực kiểm định =0,80) (Lực kiểm định=0,90) (Lực kiểm định=0,95) 0,10 6,15 8,53 10,79 0,05 7,85 10,51 13,00 0,01 13,33 16,74 19,84 Với một số phương pháp dự tính sức kháng đỡ cọc khoan nhồi chấp nhận sai số dự tính trung bình khoảng 50% (=1/FS, FS=2: hệ số an toàn) với khoảng tin cậy 0,95 (tức α=0,05) và θ = 0,2. Các nghiên cứu trước cho biết độ lệch chuẩn của biến gộp ngẫu nhiên sức kháng từ 0,27-0,74 [33], [77]. Như vậy, hệ số ảnh hưởng là: ES = 0,5/0,74 = 0,456 và hằng số C = 7,85. Áp dụng công thức (2.1) để ước tính cỡ mẫu cần thiết cho nghiên cứu: 7,85 n 17,2 17(mâu) ()0,5 / 0,74 2 Với cỡ mẫu tính được tối thiểu là 17 và đối chiếu với khuyến cáo của Murad (2013) [33], số cọc thử nghiệm tối thiểu cho vùng nghiên cứu là lớn hơn hoặc bằng 20 cọc. Do vậy, với 24 bộ hồ sơ thí nghiệm thử tải tĩnh nén dọc trục cọc khoan nhồi, thi công theo phương pháp ướt (vữa sét) trong nền đất hỗn hợp loại dính và
39 rời ở khu vực Tp.HCM có thể coi là đủ cơ sở tin cậy cho phân tích nghiên cứu nhằm đáp ứng mục tiêu của luận án đề ra. 2.2.2. Phương pháp kiểm định loại bỏ những số liệu bất thường Có nhiều phương pháp kiểm định loại bỏ những số liệu bất thường (cực đại hoặc cực tiểu, Outlier) như phương pháp dựa vào giả định phân phối chuẩn, dựa vào số trung vị; phương pháp phi tham số, phương pháp Smirnov, Grab và Dixon. Tuy nhiên, trong số này đơn giản nhất là phương pháp phi tham số [13], [19], [25]. Trình tự kiểm định loại bỏ những số liệu bất thường của phương pháp phi tham số (Non-Parametric Method) cho biến ngẫu nhiên X (Biến X không cần tuân theo luật phân phối chuẩn) như sau: + Tìm giá trị phần trăm, x25% của biến X; + Tìm giá trị phần trăm, x75% của biến X; + Tính độ khác biệt (Dkb) giữa x75% và x25% bằng công thức: Dkb = x75% – x25% (2.2) + Tính giá trị thấp của biến, L (Lower): L = x25% - 1,5Dkb (2.3) + Tính giá trị cao của biến, U (Upper): U = x75% + 1,5Dkb (2.4) Nếu trong dãy số x1, x2, x3, ., xn của biến X có số nào thấp hơn giá trị L hay cao hơn U, thì có thể xem đó là những số liệu bất thường cần loại bỏ. 2.2.3. Ước lượng sơ bộ các tham số đặc trưng của biến gộp ngẫu nhiên tương đối Theo lý thuyết xác suất thống kê, có thể tính các tham số đặc trưng của biến gộp ngẫu nhiên λ như sau: Với n cọc thí nghiệm thử tải có các giá trị hiệu ứng tải thực đo (xtdi) và sức kháng dự tính danh định (xdti), lần lượt tính λi thứ i: λi =xtdi/xdti (2.5)
40 Tính giá trị trung bình (  ), độ lệch chuẩn (σλ) và hệ số biến thiên (Vλ):  =∑λi/n (2.6) (-)  2   i (2.7)  n -1 Vλ =σλ/  (2.8) trong đó: xtdi: Hiệu ứng tải hoặc sức kháng đỡ cọc khoan nhồi thực đo thứ i (từ kết quả thử tải). xdti: Hiệu ứng tải hoặc sức kháng đỡ cọc khoan nhồi danh định dự tính thứ i, được tính từ một phương pháp dự tính hiệu ứng tải hoặc sức kháng đỡ cọc khoan nhồi trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. 2.2.4. Phương pháp kiểm định phân phối xác suất phù hợp cho biến gộp ngẫu nhiên Để biết một biến có phù hợp (tuân theo) với luật phân phối lý thuyết (chuẩn, loga hay phân phối khác), có hai nhóm phương pháp để kiểm tra: phương pháp thứ nhất là dùng biểu đồ, và phương pháp hai là dùng phương pháp kiểm định thống kê (như Anderson-Darling, Kolmogorov-Smirnov, Shapiro- Wilk, Pearson chi-square, ) [17], [19], [25]. Phương pháp biểu đồ: kiểm tra trực tiếp trên biểu đồ thanh, biểu đồ mật độ phân phối và biểu đồ so sánh tần số quan sát và kì vọng của biến chuẩn hóa (Z), cụ thể kiểm tra như sau: - Xem biểu đồ với đường cong chuẩn có dạng hình chuông đối xứng, tần số cao nhất nằm ngay giữa và các tần số thấp dần nằm ở 2 bên. Giá trị trung bình gần bằng trung vị và hệ số bất đối xứng gần bằng không. - Kiểm tra xem phân bố của phân phối thực nghiệm có phù hợp với luật phân phối chuẩn hay phân phối khác bằng phương pháp biểu đồ. Nếu là phân phối thực nghiệm là phân phối chuẩn khi các số liệu thực tế có quan hệ tuyến tính với kỳ vọng của biến chuẩn hóa (Z).
41 Nhóm phương pháp kiểm định thống kê: như phương pháp Anderson- Darling, Kolmogorov-Smirnov, Shapiro-Wilk, Pearson chi-square, Nếu phân phối thực nghiệm phù hợp với phân phối lý thuyết giả định (chuẩn hay loga, ) khi mức xác suất phù hợp (P) có giá trị lớn hơn 0,05. Khuyên dùng phương pháp Anderson-Darling hoặc Kolmogorov-Smirnov khi cỡ mẫu lớn hơn 50, phương pháp Shapiro-Wilk hoặc Pearson chi-square khi cỡ mẫu nhỏ hơn 50 [13]. Lý thuyết của Pearson chi-square (khi bình phương) [17], [19], [25], [32]. Ví dụ kiểm tra giả thiết tập mẫu xi có phân phối xác suất F(x) được thực hiện sau: - Chia khoảng giá trị có thể của tập mẫu xi thành k khoảng rời nhau S1, S2, , Sk. m - Đếm mi số các mẫu rơi vào khoảng Si, mni i 1 k ()mnp 2 - Tính tổng  2  ii i 1 npi trong đó: pi – giá trị lý thuyết của xác suất trong khoảng thứ i; n – số lượng mẫu thử. - Với giá trị cho trước, tra bảng phân phối 2 theo bậc tự do (k-s-1) xác 2 22 định được k 1 ( ) sao cho P kk 11  () . 22 - Nếu   k 1() ta bác bỏ giả thiết cho rằng tập mẫu xi có phân phối xác 22 suất F(x). Nếu   k 1() thì tập mẫu xi có phân phối xác suất F(x), tức là XFx (). 2.2.5. Phương pháp hiệu chỉnh đặc trưng thống kê cho biến gộp ngẫu nhiên Đối với kết cấu nền móng công trình thì quy luật phân phối xác suất của biến gộp ngẫu nhiên này thường phù hợp hoặc gần phù hợp với luật phân phối chuẩn hoặc loga chuẩn [34], [66], [77]. Do vậy, dưới đây sẽ trình bày tóm tắt hai phương pháp hiệu chỉnh đặc trưng thống kê cho dạng phân phối loga do Allen (2005) [34] đề xuất với nguyên tắc hiệu chỉnh và lựa chọn: Dựa trên đồ thị các
42 hàm xác suất tích lũy mô phỏng để xem xét sự phù hợp theo 1 trong 2 trường hợp, 1) Phù hợp với toàn bộ dữ liệu thu thập (Phương pháp FTAD -Fit To All Data) hoặc 2) chỉ cần phù hợp với vùng có giá trị bé của đuôi phân phối (Phương pháp Best fit to tail) (hình 2.1): 1 2 3 Hình 2.1. Hàm mật độ xác suất tích lũy của biến gộp sức kháng [33], [34]. 1) Phương pháp mô phỏng hàm mật độ xác suất thực nghiệm phù hợp với toàn bộ dữ liệu (FTAD -Fit To All Data): là phương pháp xây dựng hàm mật độ xác suất thực nghiệm gần đúng (trung bình) chú trọng đến sự phù hợp với số liệu thực đo ở tất cả các điểm trên đồ thị. Trình tự thực hiện phương pháp này như sau: - Bước 1: Vẽ biểu đồ mật độ xác suất tích lũy cho tập mẫu khảo sát (dạng điểm), là biểu đồ quan hệ giữa giá trị thực của tập mẫu khảo sát với biến phân phối chuẩn hóa, Z. Có thể dựng biểu đồ này bằng phần mềm Excel; - Bước 2: Thiết lập hàm (đường) mật độ xác suất tích lũy mô phỏng (gần đúng) cho phân phối chuẩn (đường số 1, quan hệ tuyến tính) và cho phân phối loga (đường cong số 2, quan hệ loga). Cách thực hiện: trên biểu đồ trong phần
43 mềm Excel, vào hộp hội thoại vẽ biểu đồ, chọn lệnh vẽ thêm 2 đường mô phỏng (Add Trendline) cho tập mẫu; - Bước 3: Quan sát, kiểm tra 2 hàm mật độ xác suất tích lũy số 1 và 2 này so với các điểm giá trị thực (khảo sát), hàm nào phù hợp (phù hợp có nghĩa là đại diện cho nhiều giá trị thực nhất) thì sẽ được chọn. Nếu biến gộp ngẫu nhiên phù hợp với luật phân phối loga chuẩn thì tính lại các tham số đặc trưng thống kê bằng cách lấy loga cho tập mẫu rồi tính các tham số đặc trưng thống kê như ở mục 2.1.2, ngoài ra có tính gần đúng dựa trên các tham số đã ước tính của phân phối chuẩn như sau [34]: 1 2  ln( ) (2.9) ln 2 ln  22  ln  ln(V 1) (2.10)  ln  Vln  (2.11) ln  trong đó: μlnλ , σlnλ , Vlnλ: giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến gộp ngẫu nhiên, λ theo phân phối loga.  , σλ , Vλ : giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên của biến gộp ngẫu nhiên, λ, theo phân phối chuẩn. Trong trường hợp nhận thấy hai hàm mật độ xác suất số 1 và 2 này có sự không phù hợp ở vùng đuôi của phân phối thì có thể hiệu chỉnh hàm mật độ xác suất tích lũy thực nghiệm theo phương pháp Best Fit To Tail (như mục 2) bên dưới. 2) Phương pháp mô phỏng hàm mật độ xác suất tích lũy thực nghiệm phù hợp với những điểm cuối của đồ thị (BFTT - Best Fit To Tail): là phương pháp dựng hàm xác suất tích lũy thực nghiệm gần đúng có chú trọng đến sự phù hợp với một số giá trị thực ở vùng đuôi của đồ thị. Trình tự thực hiện như sau: - Tiếp Bước 3 của phương pháp FTAD, bổ sung thêm hàm mật độ xác suất tích lũy thực nghiệm hiệu chỉnh gần đúng số 3 với nguyên tắc xét đến sự phù hợp với một số giá trị thực ở vùng đuôi của đồ thị;