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

Chia sẻ: Trần Khánh Dư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

294
lượt xem 77
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 nhằm 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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

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”. Với 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 kháng 64 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 kháng thiết kế của cọc khoan nhồi (λtkR) 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 kháng đỡ thiết kế của cọc khoan nhồi (λtkR) 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 Q ( Qdti , Hiệu ứng tải trọng danh định dự tính (hoặc thực đo) do tải trọng và tác động của 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 , QD, QL 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 (λ ) R
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 βt 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.