NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ EUROCODE ÁP DỤNG PHÂN TÍCH – TÍNH TOÁN CỌC KHOAN NHỒI NHÀ CAO TẦNG TẠI VIỆT NAM

Do nhu cầu phát triển của xã hội, trên một phạm vi diện tích nhất định mà có thể chịuđƣợc tải trọng lớn của các kết cấu công trình bên trên, giải pháp móng cọc khoan nhồi(bored pile) là hữu hiệu và đƣợc sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Để tạo „một tiếng nóichung‟ trong thiết kế, thẩm định và thi công các dự án sử dụng phƣơng án móng cọcnói chung và móng cọc nhồi nói riêng giữa các Quốc Gia với nhau, bộ tiêu chuẩnEurocode cũng nhƣ Eurocode 7 Thiết kế địa kỹ thuật sẽ giải quyết đƣợc vấn đề này.Nhằm để hiểu rõ hơn về tiêu chuẩn Eurocode và việc áp dụng vào thiết kế móng, luậnvăn này sẽ đƣợc trình bày “Nghiên Cứu Tiêu Chuẩn Thiết Kế Eurocode Áp DụngPhân Tích Tính Toán Cọc Khoan Nhồi Nhà Cao Tầng Tại Việt Nam”.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÂM VĂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ EUROCODE &

ÁP DỤNG PHÂN TÍCH – TÍNH TOÁN CỌC KHOAN

NHỒI NHÀ CAO TẦNG TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ix

Chương I 1

TỔNG QUAN VỀ EUROCODE 1

I.1 KẾT CẤU EUROCODE 1

I.2 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO EUROCODE 2

I.3 NHỮNG YÊU CẦU THIẾT KẾ THEO EUROCODE 4

I.4 CÁC TÌNH HUỐNG THIẾT KẾ THEO EUROCODE 5

I.5 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN THIẾT KẾ THEO EUROCODE 6

I.5.1 Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) 6

I.5.2 Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) 9

I.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ NỀN MÓNG THEO EUROCODE 11

I.5.1 Phương pháp thiết kế 1 12

I.5.1.1 Tổ hợp 1: 12

I.5.1.2 Tổ hợp 2: 12

I.5.2 Phương pháp thiết kế 2 13

I.5.3 Phương pháp thiết kế 3 14

Chương II 15

TÁC ĐỘNG, TỔ HỢP TÁC ĐỘNG VÀ ĐỘ BỀN THIẾT KẾ 15

II.1 TÁC ĐỘNG 15

II.1.1 Tổng quan về tác động 15

II.1.2 Tác động thuộc về đất nền 17

II.1.3 Phân biệt giữa tác động có lợi với tác động bất lợi 19

II.1.4 Tác động đặc trưng 19

II.1.5 Hoạt tải đại diện 22

II.1.6 Tác động thiết kế 24

II.1.7 Hệ quả tác động thiết kế 24

II.2 TỔ HỢP TÁC ĐỘNG 29

II.2.1 Trạng thái giới hạn cực hạn ULS 30

II.2.1.1 Tổ hợp tác động cho tình huống thiết kế lâu dài và tạm thời (tổ hợp cơ bản): 31 II.2.1.2 Tổ hợp tác động cho tình huống thiết kế đặc biệt: 33

II.2.1.3 Tổ hợp tác động cho tình huống thiết kế động đất: 34

II.2.2 Trạng thái giới hạn sử dụng SLS 35

II.2.2.1 Tổ hợp đặc trưng: 35

II.2.2.2 Tổ hợp thường xuyên: 36

II.2.2.3 Tổ hợp tựa tĩnh: 37

II.3 ĐỘ BỀN THIẾT KẾ 38

Chương III 40

KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 40

III.1 KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT 40

III.1.1 Tổng quan 40

III.1.2 Khoảng cách điểm khảo sát 41

III.1.3 Độ sâu điểm khảo sát 42

III.2 XỬ LÝ SỐ LIỆU 45

III.2.1 Qui trình đánh giá các thông số địa kỹ thuật 45

III.2.2 Giá trị đặc trưng 49

III.2.3 Thống kê số liệu địa chất 49

III.2.3.1 Thống kê đất nền theo phương ngang: 50

III.2.3.2 Thống kê đất nền theo phương đứng: 55

III.2.4 Giá trị thiết kế của các đại lượng địa kỹ thuật 56

Chương IV 57

KIỂM TRA THEO CƯỜNG ĐỘ 57

IV.1 CƠ SỞ THIẾT KẾ 57

IV.1.1 Hệ quả tác động 57

IV.1.2 Độ bền 58

IV.2 ĐƯA ĐỘ TIN CẬY VÀO THIẾT KẾ 59

IV.2.1 Tác động và hệ quả tác động 61

IV.2.2 Cường độ vật liệu và độ bền 61

IV.2.3 Kích thước hình học 62

IV.2.4 Kiểm tra 63

IV.2.5 Các hệ số riêng 63

IV.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 63

IV.3.1 Phương pháp thiết kế 1 (DA 1) 68

IV.3.2 Phương pháp thiết kế 2 (DA 2) 71

IV.3.3 Phương pháp thiết kế 3 (DA 3) 72

IV.3.4 Lựa chọn phương pháp thiết kế theo các Quốc Gia 73

Chương V 76

KIỂM TRA ỔN ĐỊNH 76

V.1 CƠ SỞ THIẾT KẾ 76

V.2 ĐƯA ĐỘ TIN CẬY VÀO TRONG THIẾT KẾ 77

V.3 ỔN ĐỊNH CÂN BẰNG TĨNH (EQU) 79

V.4 ỔN ĐỊNH ĐẨY NỔI (UPL) 80

V.5 ỔN ĐỊNH ĐẨY TRỒI (HYD) 82

V.5.1 Đẩy trồi thủy lực 82

V.5.2 Hiện tượng ăn mòn (ăn mòn nội tại) 84

V.5.3 Hiện tượng xóa ngầm 84

Chương VI 86

KIỂM TRA THEO BIẾN DẠNG 86

VI.1 CƠ SỞ THIẾT KẾ 86

VI.1.1 Hệ quả tác động 86

VI.1.2 Tiêu chuẩn giới hạn sử dụng 88

VI.2 ĐƯA ĐỘ TIN CẬY VÀO TRONG THIẾT KẾ (kiểm tra biến dạng) 88

VI.3 KIỂM TRA BIẾN DẠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN (Phương pháp khác) 90

VI.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN 92

Chương VII 94

MÓNG CỌC 94

VII.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CỌC 94

VII.2 THÍ NGHIỆM THỬ TẢI TĨNH CỌC 96

VII.3 THÍ NGHIỆM TẢI TRỌNG ĐỘNG CỌC 97

VII.4 BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CỌC 97

VII.5 CỌC CHỊU TẢI DỌC TRỤC 98

VII.5.1 Tổng quát 98

VII.5.2 Đưa độ tin cậy vào thiết kế cọc 98

VII.5.2.1 Phương pháp thiết kế 1 (DA 1) 100

VII.5.2.2 Phương pháp thiết kế 2 (DA 2) 103

VII.5.2.3 Phương pháp thiết kế 3 (DA 3) 105

VII.5.2.4 So sánh các phương pháp thiết kế (DA) dùng thiết kế cọc 107

VII.5.3 Độ bền chịu nén của đất nền (ULS) 108

VII.5.3.1 Tổng quan 108

VII.5.3.2 Độ bền chịu nén cực hạn từ thí nghiệm thử tải tĩnh cọc 109

VII.5.3.3 Độ bền chịu nén cực hạn từ thí nghiệm đất 111

VII.5.3.4 Độ bền chịu nén cực hạn từ kết quả thử tải động 117

VII.5.4 Độ bền chịu kéo của đất nền 118

VII.5.4.1 Những yêu cầu chung 118

VII.5.4.2 Độ bền chịu kéo của cọc đơn 119

VII.5.4.3 Phá hoại khối của nhóm cọc 119

VII.5.5 Kiểm tra chuyển vị móng cọc 120

VII.6 CỌC CHỊU TẢI NGANG 121

VII.6.1 Tổng quan 121

VII.6.2 Độ bền tải ngang từ thí nghiệm thử tải tĩnh 122

VII.6.3 Độ bền tải ngang từ kết quả thí nghiệm đất nền và các thông số cường độ cọc 122 VII.6.4 Chuyển vị ngang 123

VII.7 CỌC LÀM VIỆC TRONG NHÓM 123

VII.8 THIẾT KẾ KẾT CẤU CỌC 125

Chương VIII 127

VÍ DỤ TÍNH TOÁN 127

VIII.1 LÝ TUYẾT TÍNH TOÁN 127

VIII.1.1 Đánh giá sức chịu tải cọc từ thí nghiệm nén tĩnh 127

VIII.1.1.1 Cách xác định sức chịu tải cực hạn cọc từ thí nghiệm nén tĩnh 127

VIII.1.1.2 Cách xác định sức chịu tải thiết kế cọc từ thí nghiệm nén tĩnh 132

VIII.1.2 Đánh giá sức chịu tải cọc từ kết quả thí nghiệm SPT 135

VIII.1.2.1 Theo eurocode 7 135

VIII.1.2.2 Theo Meyerhof (1956) 142

VIII.1.2.3 Theo Nhật Bản 142

VIII.1.2.4 Theo TCXD 195:1997 143

VIII.2 KẾT QUẢ ÁP DỤNG 144

VIII.2.1 Đánh giá sức chịu tải cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc 144

VIII.2.1.1 Sức chịu tải cực hạn cọc 146

VIII.2.1.2 Sức chịu tải thiết kế cọc 146

VIII.2.2 Đánh giá sức chịu tải cọc từ kết quả thí nghiệm SPT 147

BẢNG TRA HỆ SỐ 149

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 160

TÀI LIỆU THAM KHẢO 161

PHỤ LỤC 163

DANH MỤC HÌNH Hình II 1: Xác định giá trị đặc trưng cận dưới (Xk,inf) và cận trên (Xk,sup) dựa trên phân bố chuẩn 21

Hình II 2: Áp dụng hệ số mô hình γSd trong trường hợp phân tích phi tuyến (tác động đơn): (a) Hệ quả tác động tăng nhanh hơn tác động (b) Hệ quả tác động tăng chậm hơn tác động 26

Hình II 3: Áp dụng hệ số mô hình γSd trong trường hợp phân tích phi tuyến (hai tác động) (a) Hệ quả tác động tăng nhanh hơn tác động (b) Hệ quả tác động tăng chậm hơn tác động Ký hiệu „+‟: kết hợp với 27

Hình III 1: Kết cấu nhà cao tầng và các dự án dân dụng khác 42

Hình III 2: Khối đất đắp và mái dốc 43

Hình III 3: Kết cấu dạng đường 43

Hình III 4: Hầm và công trình ngầm 43

Hình III 5: Hố đào 44

Hình III 6: Tường chắn 44

Hình III 7: Móng cọc 45

Hình III 8: Biểu đồ phân bố chuẩn dạng Gause 50

Hình III 9: Hệ số Student t đối với mức độ tin cậy 90%, 95% và 99% 53

Hình IV 1: Qui trình kiểm tra cường độ 60

Hình IV 2: Kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế 1, tổ hợp 1 69

Hình IV 3: Kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế 1, tổ hợp 2 70

Hình IV 4: Kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế 2 71

Hình IV 5: Kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế 3 72

Hình IV 6: Các Quốc Gia lựa chọn phương pháp thiết kế cho mái dốc 74

Hình IV 7: Các Quốc Gia lựa chọn phương pháp thiết kế cho các kết cấu địa kỹ thuật khác (ngoại trừ mái dốc) 75

Hình V 1: Qui trình kiểm tra ổn định (Tham khảo Decoding Eurocode 7, Andrew Bond & Andrew Harris) 78

Hình V 2: Ví dụ hiện tượng đẩy nổi của cống ngầm do nước và lực kéo 82

Hình V 3: Ví dụ hiện tượng đẩy trồi của đáy hố đào (Theo EN 1997-1:2004) 83

Hình V 4: Ví dụ về hiện tượng ăn mòn kết cấu (Theo Decoding EN 7, Andrew Bond) 84

Hình V 5: Ví dụ hiện tượng xóa ngầm trong đất (Theo EN 1997-1:2004) 85

Hình VI 1: Hình minh họa độ lún (s), lún lệch (δs), góc xoay (θ) và biến dạng góc (α) 87

Hình VI 2: Hình minh họa độ võng tương đối (Δ) và tỷ số độ võng (Δ/L) 87

Hình VI 3: Hình minh họa góc nghiêng (ω) và góc xoay tương đối (β) 87

Hình VI 4: Qui trình kiểm tra khả năng sử dụng 89

Hình VI 5: Qui trình kiểm tra khả năng sử dụng (Phương pháp khác) 91

Hình VII 1: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc (Tham khảo Decoding Eurocode 7, Andrew Bond & Andrew Harris) 99

Hình VII 2: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc theo phương pháp thiết kế 1 - tổ hợp 1 (DA 1-1) (tham khảo Decoding Eurocode 7, Andrew Bond & Andrew Harris) 101

Hình VII 3: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc theo phương pháp thiết kế 1 - tổ

hợp 2 (DA 1-2) (tham khảo Decoding Eurocode 7, Andrew Bond & Andrew Harris)

102

Hình VII 4: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc theo phương pháp thiết kế 2 (DA 2) (tham khảo Decoding Eurocode 7, Andrew Bond & Andrew Harris) 104

Hình VII 5: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc theo phương pháp thiết kế 3 (DA 3) (tham khảo Decoding Eurocode 7, Andrew Bond & Andrew Harris) 106

Hình VII 6: Ví dụ đẩy nổi (UPL) của cả nhóm cọc (Theo EN 1997-1:2004) 120

Hình VII 7: Vùng ứng suất dưới mũi cọc của cọc đơn (a) và nhóm cọc (b) 123

Hình VII 8: Kích thước khối móng cọc 124

Hình VIII 1: Phương pháp xác định Qu theo công thức (VIII.1) 128

Hình VIII 2: Phương pháp xác định Qu theo công thức (VIII.3) 128

Hình VIII 3: Ví dụ cách xác định tải cực hạn cọc Qu theo phương pháp Davisson 130

Hình VIII 4: Ví dụ xác định tải cực hạn cọc Qu theo phương pháp De Beer 131

Hình VIII 5: Sơ đồ đánh giá sức chịu tải cọc từ kết quả thử tải tĩnh theo Eurocode 7 133

Hình VIII 6: Biểu đồ tải trọng - chuyển vị theo DIN 4014 139

Hình VIII 7: Sơ đồ đánh giá độ bền cọc từ kết quả thí nghiệm SPT theo Eurocode 7 141

DANH MỤC BẢNG Bảng II 1: Áp dụng hệ số ψ cho hoạt tải đầu tiên và hoạt tải tiếp theo của trạng thái giới hạn cực hạn và trạng thái giới hạn sử dụng 23

Bảng III 1: Khoảng cách điểm khảo sát theo EN 1997-2 41

Bảng III 2: Hệ số biến động δX (COV) của các vật liệu địa kỹ thuật và vật liệu nhân tạo 52

Bảng IV 1: Bảng tổ hợp cho từng phương pháp thiết kế (DA) 67

Bảng IV 2: Bảng tổng hợp thành phần chính được nhân hệ số trong phương pháp thiết kế theo Eurocode 7 68

Bảng VI 1: Giá trị chuyển vị cho phép theo phụ lục H của EN 1997-1 88Bảng VI 2: Bảng tóm tắt các phương pháp xác định độ lún ngoài hiện trường 93

Giải thích một số định nghĩa được sử dụng trong Eurocode và được đưa vào trong Luận Văn này như sau:

Tình huống thiết kế: là điều kiện (tình huống) giả định như là điều kiện thật xảy ra

trong một khoảng thời gian trong tuổi thọ công trình, điều kiện này phải được kiểm tra không đượt vượt qua trạng thái giới hạn tương ứng

Tình huống thiết kế tạm thời: là tình huống xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn

hơn tuổi thọ công trình và xảy ra với xác suất lớn

Tình huống thiết kế lâu dài: là tình huống xảy ra thường xuyên trong suốt tuổi thọ của

công trình

Tình huống thiết kế đặc biệt: là tình huống liên quan đến những điều kiện không mong

muốn xảy ra trong kết cấu, như: cháy, nổ, va chạm hoặc phá hoại cục bộ

Tình huống thiết kế động đất: là tình huống liên quan đến những điều kiện không

mong muốn của kết cấu khi chịu tác động động đất

Tuổi thọ công trình: là một khoản thời gian giả định cho kết cấu hoặc phần tử kết cấu

được sử dụng mà không cần thiết sửa chữa lớn

Trạng thái giới hạn: là trạng thái mà nếu vượt qua thì kết cấu không còn thỏa mãn tiêu

chuẩn thiết kế liên quan

Trạng thái giới hạn cực hạn: là những trạng thái xảy ra sụp đổ hoặc những dạng tương

tự khác của phá hoại kết cấu Là trạng thái tương ứng với khả năng chịu tải lớn nhất của kết cấu hoặc phần tử kết cấu

Trạng thái giới hạn sử dụng: là những trạng thái tương ứng với những điều kiện mà

nếu vượt qua thì những yêu cầu về công năng sử dụng cho kết cấu hoặc phần tử kết cấu sẽ không còn đáp ứng nữa

Trạng thái giới hạn sử dụng không phục hồi: là trạng thái giới hạn sử dụng khi hệ quả

tác động vượt qua những yêu cầu công năng nhất định mà vẫn còn tồn tại khi đã bỏ những tác động đó

Trạng thái giới hạn sử dụng phục hồi: là trạng thái giới hạn sử dụng khi hệ quả tác

động vƣợt qua những yêu cầu công năng nhất định sẽ không còn tồn tại nữa khi đã bỏ những tác động đó

Độ bền: là khả năng chịu tác động của một phần tử hoặc một cấu kiện, hoặc tiết diện

của một phần tử hoặc của cấu kiện của một kết cấu mà không xảy ra cơ chế phá hoại Chẳng hạn, khả năng chịu uốn, khả năng chịu uốn dọc hay khả năng chịu kéo

Tác động (F): tác động có thể là:

- Lực (tải trọng) tác dụng lên kết cấu (tác động trực tiếp);

- Biến dạng cƣỡng bức hoặc gia tốc (dao động) do sự thay đổi độ ẩm, lún lệch hoặc động đất (tác động gián tiếp)

Hệ quả tác động (E): là những hệ quả của tác động trong phần tử kết cấu (chẳng hạn,

nội lực, moment, ứng suất, biến dạng) hoặc toàn bộ kết cấu (chẳng hạn, độ võng, góc xoay)

Tác động địa kỹ thuật: là những tác động truyền lên kết cấu thông qua đất nền, đất đắp

MỞ ĐẦU

1 GIỚI THIỆU

Một trong những yếu tố để đánh giá sự phát triển của một khu vực hay một quốc gia là đánh giá vào sự phát triển của cở sở hạ tầng Sự phát triển kinh tế xã hội kéo theo sự phát triển của ngành xây dựng cơ sở hạ tầng Một quốc gia vững mạnh khi nền kinh tế vững mạnh, đồng nghĩa với việc cơ sở hạ tầng cũng vững mạnh

Trong những năm trở lại đây, sự phát triển về mật độ xây dựng rất nhanh, được ví như

“nấm mọc sau mưa”, đặc biệt là các khu chung cư cao tầng, các cao ốc chọc trời, các loại cầu dây văng nhịp lớn, các công trình thủy lợi, thủy điện qui mô đồ sồ, các công trình ngầm phát triển ngày càng phức tạp,…Các nước trên thế giới nói chung, Việt Nam nói riêng, luôn đòi hỏi cho việc phân tích và lựa chọn giải pháp móng cho các công trình xây dựng vừa kinh tế và vừa bền vững Một trong những giải pháp hữu hiệu cho các công trình lớn là phương án thiết kế móng cọc

Trong thiết kế nền móng, có thể chia làm hai loại là móng nông (shallow foundations)

và móng sâu (hay, móng cọc) (deep foundations hay pile foundations)

Móng nông được sử dụng cho lớp đất gần mặt đất, nơi xuất hiện ứng suất tương đối lớn, đủ chịu được tác động của kết cấu bên trên mà không xảy ra ứng suất phá hoại cho kết cấu do lún Trường hợp này, thường chỉ sử dụng cho những công trình có tác động tương đối nhỏ Đối với những công trình có tác động lớn (như nhà cao tầng, trụ cầu,…) hay những vùng đất có lớp đất bên trên tương đối yếu, thì phương án móng cọc là hữu hiệu, vì cần lớp đất “tốt” hơn để chịu tác động lớn

Tác động của kết cấu bên trên truyền xuống lớp đất “tốt” sâu bên dưới thông qua cọc Cọc là loại cột dài, độ mãnh lớn (long slender columns) Cọc có nhiều loại, tuy nhiên ở Việt Nam thường phổ biến những loại sau: cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi Vật liệu làm cọc có thể là: bê tông, bê tông cốt thép, thép, gỗ,…Với các hình thức thi công như: đóng, ép, khoan nhồi,…

Cọc truyền tải vào đất thông qua hai hình thức: tải phân bố dọc theo thân cọc (pile shaft), hoặc trực tiếp truyền tải lên lớp đất bên dưới thông qua mũi cọc (pile point) Tải đứng phân bố dọc theo thân cọc là ma sát cọc (pile shaft resistance) và tải truyền thực tiếp thông qua mũi cọc là sức chịu tải mũi cọc (pile base resistance)

Cọc chịu tác động đứng (ví dụ, phần lớn các công trình dân dụng như nhà cao tầng có

sử dựng cọc,…), hoặc tác động ngang (ví dụ, các công trình bến cảng, tải ngang là tác động do nước, sóng, tàu,…), hoặc kết hợp giữa tác động đứng với tác động ngang (ví

dụ, cọc dưới chân trụ cầu, vừa chịu tải đứng do tác động giao thông bên trên, vừa chịu

tác động ngang do nước,…) Ngoài ra, cọc còn được thiết kế để chống lật (chống nhổ) cho nhà cao tầng, do xuất hiện lực xô ngang tác dụng lên công trình như gió, động đất

Do nhu cầu phát triển của xã hội, trên một phạm vi diện tích nhất định mà có thể chịu được tải trọng lớn của các kết cấu công trình bên trên, giải pháp móng cọc khoan nhồi (bored pile) là hữu hiệu và được sử dụng phổ biến nhất hiện nay Để tạo „một tiếng nói chung‟ trong thiết kế, thẩm định và thi công các dự án sử dụng phương án móng cọc nói chung và móng cọc nhồi nói riêng giữa các Quốc Gia với nhau, bộ tiêu chuẩn

Eurocode cũng như Eurocode 7 - Thiết kế địa kỹ thuật sẽ giải quyết được vấn đề này

Nhằm để hiểu rõ hơn về tiêu chuẩn Eurocode và việc áp dụng vào thiết kế móng, luận

văn này sẽ được trình bày “Nghiên Cứu Tiêu Chuẩn Thiết Kế Eurocode & Áp Dụng

Phân Tích - Tính Toán Cọc Khoan Nhồi Nhà Cao Tầng Tại Việt Nam”

Việc thiết kế cọc vừa mang tính nghệ thuât (art) vừa mang tính khoa học (science) Tính nghệ thuật được thể hiện thông qua việc lựa chọn loại cọc, phương pháp thi công cọc sao cho phù hợp nhất tương ứng với điều kiện đất nền và tác động công trình Tính khoa học thể hiện ở người kỹ sư - đánh giá ứng xử của cọc khi cọc nằm trong đất và đang làm việc Phương pháp thi công cọc ảnh hưởng rất lớn đến ứng xử của cọc, các ứng xử này thì không thể được đánh giá chính xác thông qua những tính chất cơ lý của cọc và của đất nền nguyên dạng Cần hiểu biết rất rỏ về loại cọc và phương pháp thi công cọc để có thể đánh giá một cách khao học về ứng xử của cọc

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Hiện nay, việc dự đoán sức chịu tải cọc còn mang tính chủ quan, do đó rất khó cho kỹ

sư thiết kế chưa có kinh nghiệm nhiều trong lĩnh vực thiết kế cọc và cũng gây ra nhiều tranh luận về quan niệm tính cọc khi thẩm định và phê duyệt đồ án

Bộ tiêu chuẩn Eurocode nói chung, Eurocode 7 nói riêng được sử dụng rộng rãi ở các nước Châu Âu, đặc biệt là các quốc gia thuộc khối CEN (Anh, Pháp, Đức) Trong tương lai, Eurocode có thể được sử dụng chung cho cả thế giới để thể hiện tính thống nhất hóa và toàn cầu hóa Trong xu hướng mở cửa phát triển với thế giới , Việt Nam

đã - đang - và sẽ có rất nhiều đối tác Châu Âu sang kinh doanh và hợp tác kinh tế, thì việc khuyến khích và đưa tiêu chuẩn Eurocode vào trong tiêu chuẩn Việt Nam là rất phù hợp, rất có lợi cho ta và có thể tạo được tiếng nói chung với thế giới

Bởi nhận ra tầm quan trọng của nó, năm 2006 Bộ Xây Dựng ban hành bộ tiêu chuẩn

Thiết Kế Công Trình Chịu Động Đất - TCXDVN 375 : 2006, do Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng biên soạn Thực chất được chuyển ngữ từ Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake - Resistance và có bổ sung hoặc thay thế các phần mang

tính đặc thù Việt Nam

Cũng kế thừa “tư tưởng” đổi mới ấy, luận văn Thạc Sĩ “Nghiên Cứu Tiêu Chuẩn

Thiết Kế Eurocode & Áp Dụng Phân Tích - Tính Toán Cọc Khoan Nhồi Nhà Cao Tầng Tại Việt Nam” được ra đời Với mục đích, giúp kỹ sư thiết kế hiểu rõ thêm về

tiêu chuẩn Eurocode và ứng dụng vào trong thiết kế móng cọc ở Việt Nam

3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Nghiên cứu và phân tích tiêu chuẩn Eurocode và cụ thể là Eurocode 7 để sử dụng đánh giá và dự đoán sức chịu tải (độ bền) cọc khoan nhồi theo các phương pháp lý thuyết (sử dụng các thông số đất nền như: c, υ, γ, ), phương pháp bán thực nghiệm ngoài hiện trường (như: thí nghiệm SPT, CPT, ) kết hợp với thí nghiệm thử tải tĩnh cọc

So sánh kết quả tính từ các phương pháp được sử dụng phổ biến ở Việt Nam và được

đề cập trong TCXDVN với kết quả đánh giá từ Eurocode

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Sử dụng tiêu chuẩn Eurocode để đánh giá sức chịu tải của các kết cấu nền móng nói chung và móng cọc nhồi nói riêng

Kết hợp và so sánh với các lý thuyết tính toán khác

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC & GIÁ TRỊ THỰC TIỄN

Đề tài “Nghiên Cứu Tiêu Chuẩn Thiết Kế Eurocode & Áp Dụng Phân Tích - Tính

Toán Cọc Khoan Nhồi Nhà Cao Tầng Tại Việt Nam” mang ý nghĩa khoa học cao vì:

- Mang tính thực dụng trong thiết kế

- Phù hợp với phương châm „thống nhất hóa và toàn cầu hóa‟ trong thiết kế xây dựng

- Có thể hạn chế bớt những sai sót trong quá trình khảo sát địa chất và thiết kế nền móng

Chương I

TỔNG QUAN VỀ EUROCODE

Bộ Eurocode gồm 10 tiêu chuẩn sử dụng thiết kế nhà và các công trình dân dụng khác

Bộ tiêu chuẩn này được chia thành 58 phần và các phụ lục kèm theo của các quốc gia

sử dụng Eurocode Nội dung tổng quan về bộ Eurocode này như sau:

Eurocode – Cơ sở thiết kế kết cấu (EN 1990): bao gồm những nguyên tắc và những

yêu cầu về sự an toàn, khả năng sử dụng và tuổi thọ của kết cấu; cung cấp những yêu cầu cơ bản để thiết kế và kiểm tra; đưa ra những chỉ dẫn về độ tin cậy của công trình Eurocode 0 này là nền tảng cho toàn bộ Eurocode

Eurocode 1 – Tác động lên kết cấu (EN 1991): tiêu chuẩn này hướng dẫn sử dụng tác

động trong thiết kế nhà và các công trình dân dụng khác, bao gồm những công trình liên quan đến đất nền

Eurocode 2 – Thiết kế kết cấu bê tông (EN 1992): tiêu chuẩn này sử dụng để thiết kế

bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực cho công trình nhà và các công trình dân dụng khác

Eurocode 3 – Thiết kế kết cấu thép (EN 1993): tiêu chuẩn này sử dụng để thiết kế các

loại kết cấu thép trong các công trình nhà và công trình dân dụng khác

Eurocode 4 – Thiết kế kết cấu hỗn hợp bê tông và thép (EN 1994): tiêu chuẩn này

dùng để thiết kế hỗn hợp bê tông và thép của kết cấu hay bộ phận kết cấu công trình nhà và các công trình xây dựng dân dụng khác

Eurocode 5 – thiết kế kết cấu gỗ (EN 1995): tiêu chuẩn này sử dụng để thiết kế kết cấu

gỗ và những sản phẩm được làm từ gỗ cho công trình nhà và các công trình xây dựng dân dụng khác

Eurocode 6 – Thiết kế kết cấu khối xây (EN 1996): thiết kế toàn bộ khối xây cho kết

cấu và các phần tử kết cấu của nhà và các công trình dân dụng khác

Eurocode 7 – Thiết kế địa kỹ thuật (EN 1997): bao gồm những yếu tố liên quan đến

đất nền khi thiết kế nhà và các công trình dân dụng

Eurocode 8 – Thiết kế kết cấu chịu động đất (EN 1998): dùng để thiết kế và thi công

các công trình nhà và công trình dân dụng khác trong vùng có động đất EN 1998 cung

cấp thêm những qui tắc thiết kế nhằm hỗ trợ thêm những tiêu chuẩn về độ bền cho bê tông, thép, và các loại vật liệu khác

Eurocode 9 – thiết kế kết cấu nhôm (EN 1999): bao gồm việc thiết kế các bộ phận kết

cấu nhôm của nhà và các công trình dân dụng

Nguyên lý thiết kế nhà và các công trình dân dụng theo Eurocode là thiết kế theo trạng thái giới hạn, là sự tách biệt giữa thiết kế theo trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) và trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) Quan niệm nền tảng của trạng thái giới hạn là xác định hoặc là an toàn (mức độ đủ an toàn, còn sử dụng được) hoặc là không an toàn (phá hoại, không còn sử dụng được) Sự tách biệt giữa trạng thái an toàn và không an toàn của kết cấu được gọi là trạng thái giới hạn Nói cách khác, trạng thái giới hạn là

sự lý tưởng hóa các hiện tượng hoặc sự việc không mong muốn xảy ra Nói chung, trạng thái giới hạn là trạng thái mà kết cấu không còn đủ độ an toàn theo tiêu chuẩn thiết kế Mỗi trạng thái sẽ đáp ứng riêng mỗi yêu cầu áp dụng cho từng kết cấu công

trình khác nhau (Trích từ Decoding Eurocode 7, Andrew Bond & Andrew Harris)

Trạng thái giới hạn cực hạn ULS liên quan đến sự an toàn của con người và kết cấu Theo Eurocode 7, trạng thái giới hạn cực hạn bao gồm sự mất cân bằng, biến dạng dư,

sự đứt gãy, mất ổn định và phá hoại do mỏi

Trạng thái giới hạn sử dụng SLS liên quan đến công năng của kết cấu trong quá trình

sử dụng bình thường và mức độ tiện nghi cho con người Trạng thái giới hạn sử dụng

có thể là phục hồi được (chẳng hạn, độ võng) hoặc không phục hồi được (chẳng hạn, khi kết cấu đạt đến giới hạn chảy của vật liệu)

Thiết kế theo trạng thái giới hạn là kiểm tra cả mức độ an toàn và khả năng sử dụng của công trình theo hai trạng thái giới hạn trên Có hai điểm khác biệt chính giữa thiết

kế theo trạng thái giới hạn cực hạn với trạng thái giới hạn sử dụng là: (Trích từ Designers’ Guide to EN 1997-1, R Frank và các đồng nghiệp)

- Nếu vi phạm trạng thái giới hạn cực hạn thì sẽ dẫn đến phá hoại kết cấu và phải dỡ

bỏ công trình hoặc sửa chữa kết cấu công trình; nếu vi phạm trạng thái giới hạn sử dụng thì thường không phải phá bỏ công trình, mà có thể tiếp tục sử dụng lại nếu

bỏ những tác động gây ra sự vi phạm này Tuy nhiên, cũng cần phải xác định rõ giữa trạng thái giới hạn sử dụng phục hồi và không phục hồi

- Tiêu chuẩn trạng thái giới hạn cực hạn liên quan đến những thông số của kết cấu và những tác động có liên quan; trong khi đó tiêu chuẩn trạng thái giới hạn sử dụng lại phụ thuộc vào những yêu cầu của khách hàng và người sử dụng (có thể mang tính

chất chủ quan), cũng như những yêu cầu về thiết bị thi công hoặc những phần tử phi kết cấu (như tường bao che, bồn nước mái, ống khói, hệ thống đường ống nước,…)

Tuy nhiên, không phải bất kỳ hiện tượng hay sự kiện nào cũng dễ dàng phân loại theo trạng thái giới hạn cực hạn hay trạng thái giới hạn sử dụng Chẳng hạn, mức độ dao động sàn nhà của nhà cao tầng khi chịu tác động gió: hiện tượng này rất dễ gây bất lợi đến sức khỏe của con người khi đang làm việc trong tòa nhà và kể cả những vật dụng trong nhà, nhưng vần không gây ra phá hoại kết cấu công trình

Ngoài ra, trong cùng một hiện tượng hay sự kiện xảy ra, người thiết kế phải kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng cho cấu kiện này và cũng phải kiểm tra trạng thái giới hạn cực hạn cho cấu kiện khác Chẳng hạn, khi xảy ra hiện tượng lún móng công trình khi vượt qua giới hạn cho phép, người thiết kế phải kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng cho kết cấu móng và cũng phải kiểm tra lại trạng thái giới hạn cực hạn cho kết cấu bên trên cũng như kết cấu móng bên dưới, bởi vì khi lún rất dễ gây ra nứt của phần tử kết cấu công trình

Sự thay đổi về tác động (là tải trọng tác dụng như: trọng lượng bản thân kết cấu, hoạt tải sử dụng, hoạt tải gió, tải động đất và các loại tải đặc biệt khác như cháy nổ, va chạm, ), sự ảnh hưởng của môi trường và tính chất của kết cấu xảy ra trong suốt quá trình tồn tại của công trình cũng phải được xem xét vào thiết kế bằng cách lựa chọn tình huống thiết kế phù hợp (chẳng hạn như: tình huống lâu dài, tình huống tức thời, tình huống đặc biệt và tình huống động đất), các tình huống này đại diện cho một khoảng thời gian nhất định mà có thể xảy ra trong suốt tuổi thọ công trình Nếu hai hay nhiều tác động độc lập cùng xảy ra đồng thời, thì tổ hợp của chúng cần phải xem xét trong quá trình thiết kế Trong mỗi trường hợp tổ hợp tác động, cần giả định mức độ

và trình tự ảnh hưởng của từng tác động thông qua việc sắp xếp thứ tự tác động của chúng, với mục đích thiết lập đường bao hệ quả tác động (là kết quả của tác dụng tải trọng như: lực dọc, lực cắt, moment, ứng suất, biến dạng) cần xem xét trong quá trình thiết kế

Nếu các trạng thái giới hạn (được xem xét trong thiết kế) phụ thuộc vào thời gian (như: sự thay đổi của tác động và độ bền), thì khi kiểm tra kết cấu phải xét đến yếu tố tuổi thọ công trình Điều này nói lên rằng, hệ quả tác động (theo thời gian, như: trạng thái mỏi của kết cấu) được xem như là một giá trị đặc trưng, giá trị này được tích lũy theo thời gian trong tuổi thọ công trình và cần được xem xét vào trong thiết kế

Để tránh hoặc hạn chế xảy ra trạng thái giới hạn thì người thiết kế cần kiểm tra trạng thái giới hạn theo một hoặc nhiều phương pháp sau:

- Sử dụng phương pháp tính toán;

- Dựa vào kinh nghiệm thiết kế tương ứng với loại tải trọng và điều kiện đất nền tương tự;

- Thí nghiệm bằng mô hình trong phòng thí nghiệm hoặc thí nghiệm thực ngoài công trường; phương pháp này thường được sử dụng trong thiết kế cọc và thiết kế kết cấu neo;

- Phương pháp quan sát

Có 4 yêu cầu cơ bản khi thiết kế công trình theo tiêu chuẩn Eurocode như sau:

1 Một công trình khi được thiết kế và thi công để sử dụng trong tuổi thọ công trình với một mức độ tin cậy nhất định và kinh tế, thì phải đáp ứng được 2 yêu cầu sau:

- Phải chịu được tác động và những ảnh hưởng của tác động trong suốt quá trình sử dụng và thi công (điều này liên quan đến những yêu cầu về thiết kế theo trạng thái giới hạn cực hạn ULS);

- Phải đáp ứng được những công năng sử dụng khi chịu tác động và những ảnh hưởng của tác động (điều này liên quan đến những yêu cầu về thiết kế theo trạng thái giới hạn sử dụng SLS)

2 Thiết kế một công trình phải đảm bảo phù hợp với độ bền kết cấu (khả năng chịu lực của kết cấu), công năng sử dụng và tuổi thọ công trình

3 Trong trường hợp cháy, độ bền kết cấu (khả năng chịu lực của kết cấu) phải đảm bảo những yêu cầu trong một khoảng thời gian nhất định Yêu cầu này nhằm đảm bảo độ an toàn cho người sử dụng, kết cấu phải đảm bảo an toàn trong một khoảng thời gian nhất định để con người có thể thoát ra khỏi công trình mà không ảnh hưởng đến sức khỏe

4 Công trình sẽ được thiết kế và thi công nhằm đảm bảo không bị phá hoại khi chịu tác động của nổ, va chạm và những ảnh hưởng khác do con người, yêu cầu này liên quan đến độ cứng của kết cấu

Ngoài ra, khi thiết kế công trình phải tránh hoặc hạn chế những phá hoại tiềm ẩn cho công trình thông qua một trong những điều kiện sau:

- Tránh, khử hoặc làm giảm đi những bất lợi cho kết cấu khi làm việc;

- Lựa chọn loại kết cấu ít nhạy với những tác động bất lợi;

- Lựa chọn loại kết cấu và cách thức thiết kế phù hợp để đảm bảo phần tử kết cấu sau khi đã bỏ những tác động bất lợi thì vẫn làm việc bình thường hoặc có thể bị phá hoại cục bộ trong phạm vi chấp nhận được;

- Không sử dụng những hệ thống kết cấu có thể bị sụp đổ mà không có cảnh báo trước khi chịu những tác động;

- Cần kết nối các phần tử kết cấu lại với nhau, để có thể làm tăng độ cứng ổn định tổng thể cho công trình

Để đảm ứng được những yêu cầu trên thì cần phải:

- Lựa chọn loại vật liệu phù hợp;

- Thiết kế phù hợp;

- Phải có qui trình kiểm soát riêng biệt trong quá trình thiết kế, sản xuất, thi công và

sử dụng cho một dự án nhất định

Trong thiết kế, các tác động, sự ảnh hưởng của môi trường và tính chất của kết cấu sẽ thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình tồn tại của công trình nên được xem xét bằng cách lựa chọn các tình huống thiết kế đại diện cho một khoảng thời gian xảy ra các hiện tượng bất lợi trên

Theo Eurocode, có 4 tình huống thiết kế được phân loại như sau:

(1) Tình huống lâu dài Tình huống này xảy ra trong điều kiện sử dụng thông thường

của kết cấu Tình huống này có liên quan đến tuổi thọ thiết kế của công trình Tình huống này bao gồm các tác động như: tĩnh tải, gió, hoạt tải sử dụng,

(2) Tình huống tạm thời Tình huống này xảy ra trong điều kiện tạm thời của kết cấu,

chẳng hạn như trong suốt quá trình thi công và sửa chữa công trình Trường hợp này, người thiết kế cần phải xác định giá trị tác động đại diện

(3) Tình huống đặc biệt Tình huống này xảy ra trong các trường hợp không mong

muốn của kết cấu, chẳng hạn: cháy, nổ, va chạm đột ngột và phá hoại cục bộ Tình huống này xảy ra trong một khoảng thời gian tương đối ngắn, nhưng không phải là không xác định được

(4) Tình huống động đất Tình huống này xảy ra khi công trình tồn tại trong khu vực

có xảy ra động đất Những tác động do tình huống này đều gây rất bất lợi đến sự làm việc của kết cấu công trình, có thể làm thay đổi ứng xử của các phần tử kết cấu công trình

Những tình huống thiết kế này nên được lựa chọn để bao gồm tất cả các trường hợp, các nguyên nhân có thể đoán trước được, hoặc sẽ xảy ra trong suốt quá trình thi công

và sử dụng kết cấu Thông thường, tình huống thiết kế tạm thời sử dụng mức độ tin

cậy thấp hơn thông qua sử dụng giá trị hệ số riêng nhỏ hơn so với tình huống thiết kế lâu dài

Cần chú ý rằng, khi sửa chữa công trình người thiết kế cũng cần phải xét đến tất cả các tình huống thiết kế có thể xảy ra

Như là một nguyên lý thiết kế, Eurocode yêu cầu khi thiết kế một kết cấu công trình nào đó thì phải kiểm tra công trình thỏa mãn hai trạng thái giới hạn thiết kế, bao gồm trạng thái giới hạn cực hạn ULS và trạng thái giới hạn sử dụng SLS

I.5.1 Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS)

Trạng thái giới hạn cực hạn liên quan đến sự sụp đổ và những hình thức phá hoại kết cấu tương tự khác, trạng thái này cũng liên quan đến độ an toàn của con người và của kết cấu

EN 1990 xác định ba loại trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) cần kiểm tra khi thiết kế kết cấu, bao gồm: sự mất cân bằng của toàn bộ công trình, của đất nền khi giả định là cứng tổng thể (EQU); phá hoại do biến dạng dư, chuyển đổi cơ cấu làm việc của hệ kết cấu, đứt gãy, hoặc mất ổn định (STR) và phá hoại do mỏi hoặc hiệu ứng thời gian (hay, hiện tượng lão hóa của vật liệu) (FAT) Đối với đất nền, trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) bao gồm: sự phá hoại hoặc biến dạng dư của đất nền (GEO), trong đó cường độ của đất hoặc đá đóng vai trò quan trọng để tạo ra độ bền; sự mất cân bằng của kết cấu hoặc của đất nền do đẩy nổi bởi áp lực nước hoặc những tác động theo phương đứng khác (UPL); hiện tượng đẩy trồi, ăn mòn nội tại và sự xói ngầm trong đất do gradient thủy lực (HYD)

Kiểm tra cân bằng tĩnh (EQU):

Trạng thái giới hạn cực hạn của cân bằng tĩnh (EQU) liên quan đến điều kiện khả năng chịu lực của kết cấu và bao gồm các trạng thái giới hạn như: ổn định lật tổng thể; đẩy nổi và ổn định trượt bề mặt do ma sát Khi kiểm tra kết cấu theo trạng thái EQU thì cần phải giả thiết toàn bộ kết cấu là một khối cứng Tuy nhiên, trong một vài trường hợp, chẳng hạn như biến dạng (hiệu ứng bậc hai) hoặc dao động (hiệu ứng tác động), thì tính chất đàn hồi của kết cấu cũng cần phải được xem xét khi kiểm tra

Sự mất cân bằng tĩnh của kết cấu phụ thuộc vào tác động (bao gồm độ lớn và cách thức phân bố), không phụ thuộc vào cường độ của vật liệu Trạng thái EQU sẽ không xảy ra khi hệ quả tác động thiết kế gây mất cân bằng (mất ổn định tổng thể) Ed,dst nhỏ hơn hoặc bằng hệ quả tác động thiết kế cân bằng (ổn định tổng thể) Ed,stb:

, ,

d dst d stb

Kiểm tra cân bằng tĩnh EQU giả định rằng cường độ của đất nền và kết cấu tạo ra độ

ổn định là không đáng kể Cân bằng tĩnh thường liên quan đến thiết kế kết cấu Trong thiết kế địa kỹ thuật, kiểm tra cân bằng tĩnh EQU chỉ thường áp dụng cho móng trên nền đá và nghiêng về một phía

Kiểm tra phá hoại trong đất (GEO) và trong kết cấu (STR):

Trạng thái giới hạn STR bao gồm phá hoại nội tại hay chuyển vị lớn của kết cấu hoặc phần tử kết cấu, khi đó cường độ của vật liệu kết cấu đóng vai trò quan trọng để chống lại STR Để trạng thái giới hạn STR không xảy ra thì hệ quả tác động thiết kế Ed phải nhỏ hơn hoặc bằng độ bền thiết kế tương ứng Rd:

Trái ngược với thiết kế kết cấu, những tác động địa kỹ thuật và độ bền đất nền không thể tách biệt được: thường thì tác động địa kỹ thuật phụ thuộc vào độ bền đất nền, chẳng hạn, áp lực đất chủ động, và cũng có khi độ bền đất nền lại phụ thuộc vào tác động, chẳng hạn, khả năng chịu tải của móng nông phụ thuộc vào tác động lên móng

Có nhiều cách khác nhau để xét đến mối tương quan giữa các tác động đất nền với độ bền Do đó, EN 1997-1 đề nghị 3 phương pháp thiết kế (DA) để kiểm tra phá hoại trong đất (GEO) và trong kết cấu (STR)

Kiểm tra mỏi (FAT):

Đối với vật liệu, trạng thái giới hạn mỏi (FAT) là hiện tượng lão hóa và sự phá hoại kết cấu cục bộ xảy ra khi vật liệu chịu tải trọng lặp Trạng thái mỏi thường xảy ra đối với kết cấu đường, cầu hay công trình có độ mảnh lớn chịu tác động của tải gió

Kiểm tra đẩy nổi (UPL):

Trạng thái giới hạn cực hạn UPL, do lực đẩy nổi liên quan đến tác động theo phương đứng, nên cần phải kiểm tra độ ổn định của kết cấu khi xảy ra hiện tượng này theo bất phương trình sau:

V d dst, G d dst, Q d dst, G d stb, R d hay E d dst, E d stb, R d (I.3) Theo Eurocode 7 thì tổng tác động thiết kế theo phương đứng (bao gồm tĩnh tải Gd,dst

và hoạt tải Qd,dst) không được lớn hơn trọng lượng bản thân của kết cấu Gd,stb và độ bền thiết kế Rd (là đại lượng tham gia tạo nên độ ổn định cho kết cấu như các thông số đất

nền,…) Eurocode 7-1 lại cho phép xem độ bền đẩy nổi Rd như là tĩnh tải đứng ổn định, do đó có thể viết lại bất phương trình như sau:

G d dst, Q d dst, G d stb, hay E d dst, E d stb, (I.4) Tuy nhiên, bất phương trình này dễ gây hiểu nhầm cho người thiết kế bởi vì giá trị thiết kế phải áp dụng hệ số riêng từ giá trị đặc trưng, mà giá trị hệ số riêng lại khác nhau, tùy thuộc vào loại tác động và cường độ vật liệu, chẳng hạn hệ số riêng cho vật liệu đất nền như γυ = 1.25 ; γcu = 1.4, trong khi đó thì hệ số riêng áp dụng cho tĩnh tải gây ổn định là γG,stb = 0.9 Chính vì đều này mà khi thiết kế, chúng ta cần tách biệt giữa độ bền với tĩnh tải đứng gây ổn định kết cấu để có thể dễ dàng áp dụng hệ số riêng cho phù hợp

Trong thiết kế địa kỹ thuật, những tĩnh tải có lợi như trọng lượng kết cấu và đất nền

Áp lực nước bên dưới kết cấu và những lực đẩy lên bên dưới khác hoặc những lực kéo lên khác là tác động bất lợi Độ bền đẩy trồi là độ bền chống cắt (nếu tính toán thông qua các thông số cường độ kháng cắt), độ bền chịu kéo cọc hoặc độ bền neo Mặt khác, độ bền này có thể xem như là tĩnh tải đứng ổn định Gd,stb và có thể áp dụng hệ số riêng như tĩnh tải, chú ý rằng, trong trường hợp này, cần sử dụng hệ số mô hình khi kiểm tra

Kiểm tra đẩy trồi do dòng thấm trong đất (HYD):

Trạng thái giới hạn cực hạn HYD bao gồm các hiện tượng như đẩy trồi thủy lực, ăn mòn nội tại và xóa ngầm trong đất do gradient thủy lực Việc kiểm tra sự ổn định thủy lực được trình bày theo Eurocode 7 bao gồm hai bất phương trình khác nhau, nhưng lại bổ sung cho nhau Một là bao gồm các thành phần lực và trọng lượng bản thân, lực dòng thấm gây mất ổn định cột đất Sd,dst không được lớn hơn trọng lượng bản thân cột đất G‟d,stb:

d stb u d dst d

Điều này có nghĩa là ứng suất hữu hiệu thiết kế tại chân cột đất không được âm

Hiện tượng ăn mòn nội tại và hiện tượng xóa ngầm thường xảy ra ở bề mặt của kết cấu khi tiếp xúc với đất do sự chênh lệch lớn về Gradient thủy lực tại vị trí tiếp xúc của hai loại vật liệu này

I.5.2 Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS)

Trạng thái giới hạn sử dụng liên quan đến điều kiện sử dụng thông thường của công trình Đặc biệt, chúng liên quan đến công năng của công trình hoặc phần tử kết cấu, mức độ tiện nghi cho người sử dụng và phương thức thi công Trạng thái này có xét đến hệ quả tác động theo thời gian, do đó cần phải phân biệt giữa hai loại trạng thái giới hạn sử dụng sau:

(1) Trạng thái giới hạn sử dụng không phục hồi, là những trạng thái giới hạn tồn tại

lâu dài ngay cả khi đã gỡ bỏ những tác động gây ra trạng thái đó, chẳng hạn: sự phá hoại cục bộ lâu dài hoặc chuyển vị bất lợi lâu dài

(2) Trạng thái giới hạn sử dụng phục hồi, là những trạng thái giới hạn sẽ không còn

tồn tại nữa khi những tác động gây ra chúng được gỡ bỏ, chẳng hạn: vết nứt trong những cấu kiện dự ứng lực, độ võng tạm thời, hoặc độ dao động

Những yêu cầu về khả năng sử dụng của kết cấu cần xét đến yếu tố mức độ vi phạm, tần xuất vi phạm và khoảng thời gian xảy ra vi phạm trạng thái giới hạn Nói chung, có

ba loại trạng thái giới hạn cần áp dụng là:

(1) Không chấp nhận xảy ra vi phạm;

(2) Chấp nhận vi phạm xảy ra trong một giai đoạn và tần xuất nhất định;

(3) Chấp nhận vi phạm xảy ra lâu dài

Những tiêu chuẩn về khả năng sử dụng (SLS) cần kết hợp với những tác động tương ứng với giá trị tác động đặc trưng, giá trị tác động thường xuyên và giá trị tác động tựa tĩnh Khi kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng theo các tình huống thiết kế khác nhau, thì người thiết kế cần phải kiểm tra ba loại tổ hợp tác động theo ba loại trạng thái giới hạn bên trên như sau:

(1) Tổ hợp đặc trưng, nếu như không chấp nhận vi phạm xảy ra;

(2) Tổ hợp thường xuyên, nếu chấp nhận vi phạm xảy ra trong một giai đoạn và tần xuất nhất định;

(3) Tổ hợp tựa tĩnh, nếu chấp nhận vi phạm xảy ra lâu dài

Các trạng thái giới hạn sử dụng này ảnh hưởng đến hình dạng hoặc hiệu quả sử dụng công trình, do đó cần phải xem xét trong thiết kế, có thể tóm tắt như sau:

(1) Biến dạng lớn, chuyển vị, lún và nghiêng đều ảnh hưởng đến hình dạng của công trình, mức độ tiện nghi cho người sử dụng và công năng của công trình, và có thể gây bất lợi cho các cấu kiện hoàn thiện và các phần tử phi kết cấu;

(2) Dao động (bao gồm: gia tốc, biên độ và tần số) đều có thể gây ra bất tiện cho con người và ảnh hưởng đến công năng của công trình

(3) Phá hoại (bao gồm: phá hoại cục bộ và nứt) ảnh hưởng đến hình dạng, tuổi thọ hoặc công năng công trình

Khi thiết kế theo trạng thái giới hạn thì có nghĩa là sẽ cho phép xảy ra trạng thái giới hạn sử dụng với giá trị đủ nhỏ Khi đó, trạng thái giới hạn sử dụng có thể được kiểm tra theo 2 cách như sau:

(1) Bằng cách tính toán hệ số tác động thiết kế Ed (như: biến dạng, lún lệch, dao động,…) và sau đó so sánh với các giá trị giới hạn Cd theo bất phương trình sau:

(2) Bằng phương pháp đơn giản, dựa trên kinh nghiệm tương quan

Các giá trị thiết kế của tác động và tính chất vật liệu thường bằng với giá trị đặc trưng khi sử dụng để kiểm tra theo trạng thái giới hạn sử dụng SLS Trong trường hợp lún lệch, phải sử dụng Module biến dạng đặc trưng cận trên và cận dưới để xem xét các biến đổi cục bộ trong đất

Về mặt lý thuyết, các giá trị biến dạng giới hạn sẽ được chỉ định như là các yêu cầu thiết kế cho mỗi kết cấu móng và tiêu chuẩn sẽ liệt kê các thành phần liên quan khi thiết lập các chuyển vị giới hạn Các giá trị giới hạn cũng có thể được điều chỉnh để phù hợp với thực tế và kinh tế hơn cho từng loại công trình

Có thể thay thế việc kiểm tra khả năng sử dụng bằng tính toán, ta có thể sử dụng một phương pháp đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo rằng cường độ đất nền được huy động đủ

để kiểm soát được chuyển vị nằm trong giới hạn sử dụng cho phép Phương pháp đơn giản này yêu cầu phải có kinh nghiệm so sánh với loại đất nền tương tự và kết cấu tương tự Phương pháp này thường áp dụng cho các loại công trình thông thường và loại móng thông thường trong các điều kiện đất nền tương đối ít phức tạp

I.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ NỀN MÓNG THEO EUROCODE

Dựa vào các biểu thức:

Trong đó, Ed là hệ quả tác động thiết kế; Rd là độ bền thiết kế; Fref là tác động đại diện;

Xk là thông số đất nền đặc trưng; ad là kích thước hình học thiết kế của cấu kiện đang xét; γF, γM và γR lần lượt là các hệ số riêng cho tác động, vật liệu và độ bền

Các biểu thức trên khác nhau về cách phân phối hệ số riêng giữa tác động, tính chất đất nền và độ bền Từ đó, sẽ có các tổ hợp khác nhau theo biểu thức này, do đó cũng

có nhiều cách khác nhau để đưa hệ số riêng vào hàm số E và R của bất phương trình

Ed ≤ Rd, điều này dẫn đến thành lập 3 phương pháp thiết kế (DA) được sử dụng trong

EN 1997-1 Việc lựa chọn phương pháp thiết kế (DA) còn tùy thuộc vào từng Quốc Gia Các vấn đề thiết kế khác nhau sẽ được giải quyết bằng các phương pháp thiết kế khác nhau Việc lựa chọn hệ số riêng theo từng phương pháp thiết kế (DA) cũng tùy thuộc vào từng Quốc Gia

Cách kết hợp các hệ số riêng để rút ra hệ quả tác động thiết kế và độ bền theo bất phương trình Ed ≤ Rd sẽ được trình bày dưới dạng ký hiệu, chẳng hạn, A1 „+‟ M1 „+‟ R1 Nghĩa là, hệ số riêng cho tác động γF hoặc hệ quả tác động γE được trình bày bởi

ký hiệu A và được chỉ định trong phụ lục A của EN 1997-1, ký hiệu „+‟ chỉ rằng chúng được sử dụng tổ hợp với; hệ số riêng γM cho các thông số cường độ (vật liệu) đất nền (ký hiệu M), cũng được trình bày trong phụ lục A của EN 1997-1; hệ số riêng cho độ bền (ký hiệu R) γR, cũng được trình bày trong phụ lục A của EN 1997-1

Qui trình để tổ hợp các hệ số riêng được mô tả bằng ký hiệu ám chỉ rằng một tác động địa kỹ thuật, hay hệ quả tác động địa kỹ thuật sẽ liên quan đến hai hay nhiều hệ số

riêng: An „+‟ Mn Tương tự, độ bền địa kỹ thuật sẽ liên quan đến hai hay nhiều hệ số riêng: Mn „+‟ Rn Tuy nhiên, trong một vài trường hợp, các hệ số riêng này bằng 1.0, chẳng hạn, M1, R1, và R3 Các hệ số riêng này thay đổi tùy thuộc vào từng phương pháp thiết kế (DA)

Khi sử dụng hệ số riêng M1 thì ám chỉ rằng những tham số đất nền thiết kế bằng với tham số đất nền đặc trưng Kết quả là các tác động đất nền thiết kế, hệ quả tác động thiết kế và độ bền thiết kế đều tính toán sử dụng hệ số riêng M1 thì được xem như là tính toán từ các giá trị đặc trưng, vì chúng được tính toán từ các thông số đất nền thiết

kế với hệ số riêng bằng 1.0

Thiết kế sẽ kiểm tra phá hoại trong đất và trong kết cấu tách biệt bằng cách sử dụng hai tổ hợp hệ số riêng khác nhau

Các hệ số riêng được áp dụng cho nguồn gốc phát sinh, chẳng hạn, cho tác động đại diện và cho các thông số cường độ đất nền đặc trưng (như c‟ và tanυ‟ hoặc cu), sử dụng biểu thức Rd = R{γFFrep; Xk/γM; ad}.Tuy nhiên, ngoại trừ thiết kế cọc và neo, có thể sử dụng hệ số riêng cho độ bền để đo hoặc tính toán theo biểu thức Rd = R{γFFrep;

I.5.1.2 Tổ hợp 2:

Các hệ số riêng được tổ hợp theo A2 „+‟ M2 „+‟ R1 Mục đích là để thiết kế an toàn theo các tính chất cường độ đất nền đặc trưng và sự không chắc chắn trong mô hình tính toán, trong khi đó, tĩnh tải thiết kế bằng với tĩnh tải đại diện và hoạt tải bất lợi

thiết kế lớn hơn hoạt tải bất lợi đại diện Vì thế, đối với tác động (hoặc hệ quả tác động), khi tính toán theo tổ hợp 2 thì sử dụng A2 của bảng A.3, phụ lục A trong EN 1997-1 (chẳng hạn, γG = 1.0 đối với tĩnh tải bất lợi và có lợi, γQ = 1.3 đối với hoạt tải bất lợi và γQ = 0 đối với hoạt tải có lợi) Đối với độ bền đất nền, tính toán yêu cầu sử dụng M2 của bảng A.4 và R1 của bảng A.5 đến A.8 và A.12 đến A.14, phụ lục A trong EN 1997-1

Để thiết kế cọc và neo, độ bền thiết kế được tính toán sử dụng M1 của bảng A.4, phụ lục A của EN 1997-1 (γM = 1.0) và hệ số riêng R4 từ bảng A.6 đến A.8 hoặc A.12 của phụ lục A, EN 1997-1 Các tác động bất lợi thiết kế lên cọc và neo cũng được tính toán bằng cách sử dụng hệ số riêng A2 và M2

Trong thiết kế, không phải lúc nào cũng áp dụng tất cả các tổ hợp Thông thường, khi thiết kế địa kỹ thuật thì dùng tổ hợp 2, thiết kế kết cấu dùng tổ hợp 1 Vì vậy, thông thường trong thiết kế địa kỹ thuật, dùng tổ hợp 2 để xác định kích thước của các phần

tử địa kỹ thuật, sau đó dùng tổ hợp 1 để kiểm tra lại các kích thước này Cũng tương

tự, sử dụng tổ hợp 2 để xác định cường độ phần tử kết cấu, và sử dụng tổ hợp 1 để kiểm tra lại chúng

Trong phương pháp này, chỉ sử dụng một loại tổ hợp các hệ số riêng để tính toán kiểm tra trạng thái giới hạn cực hạn trong đất và trong kết cấu Sử dụng tổ hợp các hệ số riêng A1 „+‟ M1 „+‟ R2 Các hệ số riêng áp dụng cho tác động đất nền và tác động kết cấu đều giống nhau Các hệ số riêng áp dụng cho độ bền đất nền và hoặc cho tác động hoặc cho hệ quả tác động Kết quả thu được sẽ khác nhau khi áp dụng hệ số riêng cho tác động hoặc hệ quả tác động

Đối với phương pháp mà hệ số riêng được nhân cho tác động, sử dụng hệ số riêng A1 của bảng A.3, M1 bảng A.4 (γM = 1.0) và R2 bảng A.5 đến A.8 và A.12 đến A.14 của phụ lục A, EN 1997-1

Đối với phương pháp mà hệ số riêng được nhân cho hệ quả tác động, các hệ số giống nhau sẽ được sử dụng để tính toán E và R theo tác động thiết kế và các thông số cường

độ đất nền thiết kế bằng với giá trị đặc trưng của chúng Trong phương pháp này, sử dụng các biểu thức Ed = γE.E{Frep; Xk; ad} và Rd = R{Frep; Xk; ad}/γR , vì thế có thể thiết lập mối quan hệ trực tiếp giữa hệ số an toàn tổng thể η = Rk/Ek với Ed ≤ Rd như sau: γE.E{Frep; Xk; ad} ≤ R{Frep; Xk; ad}/γR thì hệ số an toàn là η = γE.γR

Chú ý rằng, γE là hệ số tổ hợp, phụ thuộc vào tỷ lệ giữa tĩnh tải với hoạt tải Thừa số

γE.γR cũng phụ thuộc vào tỷ số này, nhưng hệ số an toàn tổng thể truyền thống η lại độc lập với chúng

I.5.3 Phương pháp thiết kế 3

Trong phương pháp thiết kế này, chỉ sử dụng một loại tổ hợp hệ số riêng để tính toán kiểm tra trạng thái giới hạn cực hạn trong đất và trong kết cấu Sử dụng tổ hợp các hệ

số riêng (A1 hoặc A2) „+‟ M2 „+‟ R3 Các tác động đặc trưng xuất phát từ kết cấu (tác động kết cấu) sẽ được nhân với hệ số A1 trong bảng A3 Các tác động thiết kế xuất phát từ đất nền hoặc thông qua đất nền (tác động địa kỹ thuật) sử dụng hệ số riêng cho cường độ đất nền M2 trong bảng A.4 Độ bền thiết kế của đất nền được rút ra bằng cách áp dụng hệ số riêng M2 trong bảng A.4 cho các thông số cường độ đất nền và hệ

số riêng cho độ bền R3 trong bảng A.5 đến A.8 và A.12 đến A.14 của phụ lục A, EN 1997-1

Chương II

TÁC ĐỘNG, TỔ HỢP TÁC ĐỘNG VÀ ĐỘ BỀN THIẾT KẾ

II.1.1 Tổng quan về tác động

Eurocode định nghĩa tải trọng là tác động, tổ hợp tải trọng chính là tổ hợp tác động

Theo Decoding Eurocode 7 của Adrew Bond & Adrew Haris, việc sử dụng từ “tác

động” để mô tả tải trọng (và những đại lượng khác gây ra tải trọng) xuất phát từ định luật III Newton:

“Với mỗi tác động luôn luôn có một phản lực tương ứng”

(Trích từ Decoding Andrew Bond & Andrew Harris)

Trong Eurocode, thành phần “phản lực” này chính là hệ quả tác động Do đó, các thành phần liên quan đến tải trọng theo Eurocode bao gồm: tác động, tổ hợp tác động

và hệ quả tác động

Phân loại tác động theo EN 1990 nhằm cung cấp các mô hình tác động cơ bản và có thể kiểm soát được mức độ tin cậy của kết cấu Mục đích của sự phân loại này là xác định sự giống nhau và khác nhau giữa các tác động đặc trưng để từ đó có thể sử dụng các mô hình tác động lý thuyết và các yếu tố độ tin cậy vào trong thiết kế Một mô hình tác động hoàn thiện có thể mô tả một vài tính chất của tác động như: độ lớn, dấu, phương chiều và thời gian tồn tại

Việc phân loại tác động và những ảnh hưởng của môi trường có xét đến các yếu tố sau:

(1) Sự biến đổi theo thời gian;

(2) Hình thức tác động (trực tiếp hay gián tiếp);

(3) Sự biến đổi theo không gian (cố định hay tự do);

(4) Bản chất của kết cấu (tĩnh và động)

Phân loại tác động dựa vào sự biến đổi theo thời gian:

(1) Tĩnh tải G, là tải trọng tác dụng suốt công trình, giá trị biến đổi độ lớn của tác động

theo thời gian có thể bỏ qua, sự biến đổi phương tác dụng là giống nhau (đẳng hướng) cho đến khi đạt đến giá trị cực hạn của tác động Chẳng hạn, trọng lượng

bản thân kết cấu hoặc trọng lượng thiết bị cố định hay mặt đường; bao gồm cả những tác động gián tiếp gây co ngót bê tông hoặc lún lệch

(2) Hoạt tải Q, là tải trọng có thể thay đổi cả về độ lớn lẫn phương chiều tác dụng

Chẳng hạn, tải tác dụng lên sàn nhà hoặc bản mặt cầu, tải gió,

(3) Tải đặc biệt A, là tải trọng xảy ra tương đối ngắn nhưng giá trị rất lớn, tác động

ngẫu nhiên lên kết cấu trong quá trình tồn tại của công trình Chẳng hạn, cháy, nổ hay va chạm đột ngột Tác động do động đất cũng được xem là tác động đặc biệt,

ký hiệu AE

Việc phân loại này rất hữu dụng để thiết lập tổ hợp tác động Tuy nhiên, những cách phân loại khác cũng đóng vai trò quan trọng để đánh giá giá trị đặc trưng của tác động Trong nhiều trường hợp, những quyết định của kỹ sư là rất cần thiết để xác định bản chất của một vài tác động, chẳng hạn, trọng lượng bản thân cầu trục là tĩnh tải, nhưng tải trọng nâng có thể là hoạt tải Việc này rất quan trọng khi lựa chọn hệ số riêng trong

tổ hợp tác động

Phân loại dựa vào hình thức tác động:

Nhằm phân biệt giữa tác động trực tiếp với tác động gián tiếp, tác động trực tiếp thì tác dụng trực tiếp lên kết cấu, và thường được sử dụng để xác định những tính chất độc lập của kết cấu hoặc ứng xử của kết cấu Hiện tượng co ngót trong bê tông là một loại tác động gián tiếp, nhưng hiện tượng từ biến trong bê tông không là tác động bởi vì từ biến là hệ quả của tác động Lún lệch cũng được xem là tác động gián tiếp

Phân loại theo sự biến đổi không gian:

Bao gồm tác động tự do và tác động cố định Tác động tự do là tác động mà có thể tác dụng lên bất kỳ vị trí nào của kết cấu trong một phạm vi nhất định, chẳng hạn như tải trọng giao thông trên đường và cầu Trái ngược với tác động tự do là tác động cố định, chúng chỉ tác dụng tại một vị trí cố định đã được chỉ định sẵn như trọng lượng của các thiết bị cố định: cầu trục cố định,…

Phân loại dựa trên bản chất tác động hoặc ứng xử của kết cấu: được chia thành 2 loại

Thông thường, hệ quả của tải trọng động được xem như là tác động tựa tĩnh vì làm tăng thêm hoặc tạo ra thêm tải trọng tĩnh lên kết cấu Một vài loại hoạt tải (tĩnh hoặc động) đã tạo nên ứng suất biến thiên làm xuất hiện hiện tượng mỏi trong vật liệu kết cấu

Hầu hết tất cả các tác động đều đơn hướng, chúng có thể có một vài giá trị đặc trưng Chẳng hạn như trọng lượng bản thân của vật liệu có độ biến động lớn (với hệ số biến động dao động từ 0.05÷0.1, phụ thuộc vào loại kết cấu), nên sẽ có 2 loại hệ quả tác động là có lợi và bất lợi Do đó, 2 giá trị đặc trưng này (biên dưới và biên trên) cũng cần được xem xét trong tính toán thiết kế

EN 1990 cũng xem xét đến những ảnh hưởng của môi trường xung quanh kết cấu như hóa học, lý học và sinh học như là một nhóm tác động riêng biệt Những ảnh hưởng này thông thường là những tác động cơ học; đặc biệt chúng có thể được phân loại theo mức độ thay đổi theo thời gian như tĩnh tải (chẳng hạn, tác dụng của hóa chất), hoạt tải (chẳng hạn, ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm) và tải trọng đặc biệt (chẳng hạn, hiện tượng lan rộng xâm thực của hóa chất) Nói chung, những tác động của môi trường có thể gây ra hiện tượng lão hóa của vật liệu theo thời gian và có thể làm giảm mức độ tin cậy dần dần của kết cấu

Trong thiết kế địa kỹ thuật, một điều rất quan trọng mà người thiết kế cần xác định rõ

là phải xác định chính xác tác động thuộc về đất nền hay tác động thuộc về kết cấu Vì nguồn gốc của mỗi loại tác động sẽ quyết định đến hệ số riêng được áp dụng cho chúng khi xét hệ quả tác động Chính vì vậy, trong thiết kế nền móng, ta phải xác định được nguồn gốc của tác động đất nền

II.1.2 Tác động thuộc về đất nền

Trong thiết kế địa kỹ thuật, các tác động sau cần xem xét: dung trọng đất, đá và nước; ứng suất trong đất; áp lực đất; áp lực nước tự do, bao gồm cả áp lực sóng nước; áp lực nước ngầm; áp lực thấm; tĩnh tải và hoạt tải do kết cấu bên trên; tải phân bố mặt đất; lực neo; dở tải đất, bao gồm cả đào đất; tải giao thông; tải trọng do khai thác khoáng sản, công trình ngầm; trương nở và co ngót do sự thay đổi của khí hậu hoặc độ ẩm; chuyển vị do trượt hoặc lún của khối đất; chuyển vị do phong hóa, phân tán, nén lại và giản nở; chuyển vị và gia tốc do động đất, nổ, dao động và tải trọng động; ảnh hưởng của nhiệt độ, bao gồm cả tác động gây đóng băng; ứng lực trước của neo và giằng trong đất; ma sát âm

Trong thiết kế móng cọc, tĩnh tải và hoạt tải từ kết cấu bên trên, tải phân bố bề mặt và tải giao thông, chuyển vị của đất nền là những tác động thường xuyên cần được xem xét trong thiết kế Thông thường, trong thiết kế móng cọc có sự tách biệt giữa thiết kế cọc chịu tải đứng với cọc chịu tải ngang

Những tác động do chuyển vị của đất nền:

Những tác động gây ra do chuyển vị của đất nền đều ảnh hưởng đến móng cọc, và thường dẫn đến sự tương tác giữa đất với kết cấu móng Các loại chuyển vị đất nền điển hình cần xem xét như: lún do ma sát âm (chẳng hạn, ma sát âm dọc theo thân cọc); hiện tượng trồi lên của đất do đẩy trồi; chuyển vị ngang của đất do tải ngang Các phương pháp thiết kế cọc thường xem các chuyển vị này là tác động tác dụng thêm lên cọc Để đảm bảo an toàn, các thông số độ cứng và độ bền của đất nền phải lấy giá trị cận trên Thật vậy, chọn giá trị cận trên để tính toán sẽ là trường hợp an toàn nhất để đánh giá những ảnh hưởng bất lợi của chuyển vị đất nền đến cọc

Eurocode 7 yêu cầu phải sử dụng một trong hai phương pháp sau để thiết kế móng cọc chịu tải do chuyển vị ngang của đất nền:

(1) Hoặc xem chuyển vị đất nền như là một tác động được đưa vào tính toán thiết kế thông qua phân tích tương tác giữa đất nền với cọc; đây là phương pháp phân tích dựa vào đường cong t-z và p-y (trong đó, z và y là chuyển vị tương đối của cọc so với đất nền; t là thời gian; p là tải trọng tác dụng)

(2) Hoặc xem chuyển vị đất nền như là một tác động tác dụng thêm lên cọc Giá trị này phải lấy giá trị cận dưới của tác động đặc trưng

Ma sát âm:

Thông thường khi thiết kế cọc chịu ma sát âm là đánh giá giá trị lớn nhất của ma sát

âm Tuy nhiên, việc xác định giá trị lớn nhất có thể của lực ma sát âm là hơi phi lý, đặc biệt khi độ lún của đất nền nhỏ hoặc chiều dày của lớp đất gây ma sát âm tương đối mỏng Trong những tình huống này, cần phân tích tương tác giữa đất nền xung quanh với cọc Mục đích của sự phân tích này là xác định điểm trung hòa trong lớp đất có xảy ra ma sát âm, là vị trí mà tại đó độ lún của đất nền bằng với độ lún của cọc, nghĩa

là lực tương tác giữa đất nền với thân cọc từ lực ma sát âm làm cọc lún thêm chuyển thành lực ma sát dương chống lại độ lún của cọc Phương pháp này sử dụng đường cong t-z để phân tích lực ma sát âm

Cần đánh giá thận trọng giá trị cận trên của các tham số cường độ đất nền khi xác định tác động tiềm ẩn tác dụng lên cọc do ma sát âm Trong trường hợp này, cường độ đất nền sẽ làm tăng thêm tải trọng tác dụng lên cọc Do đó, khi thiết kế cần xem xét giá trị cận trên của cường độ đất nền khi xác định tác động thiết kế và giá trị cận dưới của cường độ đất nền khi xác định độ bền

Đẩy trồi:

EN 1997-1 yêu cầu hiện tượng chuyển vị hướng lên nên được xem là một tác động và cần phân tích sự tương tác giữa đất nền với kết cấu Sở dĩ ta có thể sử dụng phương pháp phân tích tương tác này là do chuyển vị đứng này thường rất nhỏ

Tải ngang:

Trường hợp này cũng thường xảy ra khi cọc chịu tải ngang do chuyển vị ngang của đất nền Các tình huống thiết kế sau cần được xem xét khi cọc chịu tải ngang như sau: sự chênh lệch về sự phân bố tải bề mặt xung quanh cọc (chẳng hạn, móng cọc gần khối đất đắp); đào đất gần móng cọc (chẳng hạn, móng cọc gần mặt trượt); móng cọc được thi công gần mái dốc; cọc nghiêng; cọc trong vùng có động đất Trường hợp này rất phổ biến đối với móng cọc ở mố trụ cầu Eurocode 7 yêu cầu phân tích tương tác giữa đất với cọc khi cọc chịu tải ngang Sử dụng lý thuyết dầm kê trên những lò xo đàn hồi được đặc trưng bởi module đàn hồi ngang của phản lực đất nền

II.1.3 Phân biệt giữa tác động có lợi với tác động bất lợi

Eurocode nhấn mạnh cần phân biệt giữa tác động có lợi (ổn định) và tác động bất lợi (mất ổn định), được phản ánh thông qua hệ số riêng γF áp dụng cho từng tác động Những tác động bất lợi (gây mất ổn định) sẽ được tăng lên thông qua hệ số riêng (chẳng hạn, γF > 1) và những tác động có lợi (ổn định) được giảm xuống hoặc không đổi (chẳng hạn, γF ≤ 1) Các giá trị hệ số riêng này được trình bày trong phần Bảng tra

hệ số

II.1.4 Tác động đặc trưng

Tất cả các tác động (bao gồm các ảnh hưởng của môi trường) đều được đưa vào trong tính toán thiết kế dưới dạng tác động đại diện Hầu hết các tác động đại diện Frep đều xuất phát từ tác động đặc trưng Fk Các giá trị này phụ thuộc vào dữ liệu có sẵn hoặc kinh nghiệm, các giá trị đặc trưng đều được chỉ định trong các tiêu chuẩn Eurocode là những giá trị trung bình, giá trị cận trên hoặc cận dưới hoặc giá trị danh định (giá trị danh định là giá trị không phải được xác định từ phương pháp xác suất thống kê, là những giá trị được chỉ định trong tiêu chuẩn thiết kế, hoặc trong những qui định thiết

kế, hoặc trong những chỉ định thiết kế riêng cho một dự án đặc biệt nào đó, các tác động loại này thường được sử dụng trong tình huống thiết kế đặc biệt) Ngoại trừ một vài tác động được chỉ định riêng trong thiết kế hoặc do cấp có thẩm quyền chỉ định, còn phần lớn các tác động đều được hướng dẫn trong EN 1990 và EN 1991

Tĩnh tải:

Liên quan đến việc xác định tĩnh tải G, đặc biệt là xác định trọng lượng bản thân của các loại vật liệu truyền thống, thì có thể sử dụng dữ liệu thống kê để xác định Nếu mức độ biến động của tĩnh tải là nhỏ, thì có thể sử dụng một giá trị tĩnh tải đặc trưng

Tuy nhiên, nếu kết cấu rất nhạy với độ biến động của tĩnh tải (chẳng hạn, kết cấu bê tông dự ứng lực), thì cần xem xét đến hai giá trị của tĩnh tải (cận trên và cận dưới), thậm chí nếu hệ số biến động là nhỏ thì cũng phải xem xét cả hai giá trị này

Đối với trọng lượng bản thân, chỉ sử dụng một giá trị, Gk được giả định là giá trị trung bình μG, tính toán dựa trên kích thước danh định và khối lượng riêng trung bình,

những giá trị tĩnh tải được cung cấp trong EN 1991-1-1 – Dung trọng, khối lượng riêng và hoạt tải tác dụng lên công trình nhà Trong các trường hợp khác, thì sử dụng

hai giá trị: giá trị cận dưới Gk,inf và giá trị cận trên Gk,sup tương ứng với điểm phân vị 5% và 95% Trọng lượng bản thân được xác định theo biểu đồ phân bố chuẩn Gause

Hình II 1: Xác định giá trị đặc trưng cận dưới (Xk,inf) và cận trên (Xk,sup) dựa trên

Trong một vài trường hợp đặc biệt (chẳng hạn, kiểm tra ổn định lật và kiểm tra cường

độ của tường chắn) thì sử dụng cả hai giá trị cận dưới Gk,inf và cận trên Gk,sup để thiết

kế

Tải dự ứng lực là loại tải đặc biệt và được xem như là một tĩnh tải Tĩnh tải do ứng suất trước P có thể là kiểm soát về lực (chẳng hạn, ứng lực do kéo cáp ứng suất trước) hoặc kiểm soát về biến dạng (chẳng hạn, ứng suất trước do chuyển vị cưỡng bứt tại gối tựa) Tuy nhiên, về mặt hình thức, thì ứng lực P là một loại tác động phụ thuộc vào thời gian (đơn điệu) và giá trị đặc trưng cũng phụ thuộc vào thời gian

Hoạt tải:

Hầu hết các hoạt tải đặc trưng Qk được xác định thông qua phương pháp xác suất thống kê Trong một vài trường hợp, giá trị đặc trưng này có thể là giá trị danh định Theo phương pháp thống kê, hoạt tải đặc trưng Qk có thể là giá trị cận trên (phổ biến nhất), hoặc là giá trị cận dưới

Tác động đặc biệt:

Các dữ liệu thống kê cho tác động đặc biệt thì rất ít so với tĩnh tải và hoạt tải Giá trị thiết kế Ad nên được chỉ định cho từng dự án; đối với tác động động đất được chỉ định

trong EN 1998 – Thiết kế công trình chịu động đất Chú ý rằng:

- Tác động động đất được chỉ định trong EN 1998 – Thiết kế công trình chịu động đất

- Tải trọng đặc biệt do cháy được chỉ định trong EN 1991-1-2 – Tác động lên kết cấu

II.1.5 Hoạt tải đại diện

Bên cạnh tác động đặc trưng, EN 1990 cũng đưa ra hoạt tải đại diện Có 3 loại hoạt tải đại diện thường được sử dụng: giá trị tổ hợp ψ0Qk, giá trị thường xuyên ψ1Qk và giá trị tựa tĩnh ψ2Qk Các hệ số ψ0, ψ1 và ψ2 là những hệ số giảm hoạt tải đặc trưng, nhưng có

sử dụng), thì các hoạt tải đầu tiên và các hoạt tải tiếp theo đều sử dụng hệ số ψ Nếu gặp khó khăn trong việc quyết định đâu là tác động đầu tiên thì người thiết kế cần phải

so sánh tương quan giữa chúng với nhau

Các giá trị của 3 hệ số riêng ψ0, ψ1 và ψ2 cho công trình dân dụng được đưa ra trong

phần Bảng tra hệ số

Việc áp dụng các hệ số này để kiểm tra các trạng thái giới hạn cực hạn và trạng thái giới hạn sử dụng được tóm tắt trong bảng sau:

Bảng II 1: Áp dụng hệ số ψ cho hoạt tải đầu tiên và hoạt tải tiếp theo của trạng thái

giới hạn cực hạn và trạng thái giới hạn sử dụng

(Theo Designers’ Guide to EN 1990, H Gulvanessian, J-A Calgaro & M Holicky)

Giá trị tổ hợp ψ0Qk kết hợp với tổ hợp tác động theo trạng thái giới hạn sử dụng không phục hồi (như: nứt trong kết cấu bê tông, lún, chuyển vị ngang, góc xoay, ) và trạng thái giới hạn cực hạn để làm giảm xác suất xảy ra đồng thời của một vài tác động độc lập bất lợi Đối với công trình dân dụng, thông thường lấy ψ0 = 0.7 cho một vài tác động

Giá trị thường xuyên ψ1Qk kết hợp với tổ hợp thường xuyên trong trạng thái giới hạn

sử dụng, và cũng được sử dụng để kiểm tra tình huống thiết kế đặc biệt theo trạng thái giới hạn cực hạn Cả hai trường hợp trên, hệ số giảm ψ1 đều nhân cho hoạt tải đầu tiên Mục đích chính của giá trị tựa tĩnh ψ2Qk là để đánh giá hiệu ứng dài hạn, chẳng hạn hiệu ứng từ biến trong kết cấu cầu bê tông dự ứng lực Tuy nhiên, chúng cũng được sử dụng như là những hoạt tải đại diện trong tổ hợp tác động đặc biệt và động đất (trạng thái giới hạn cực hạn) và để kiểm tra những tổ hợp thường xuyên và tựa tĩnh (hiệu ứng dài hạn) của trạng thái giới hạn sử dụng Thông thường, hệ số ψ2 tương đối nhỏ, chẳng hạn, đối với công trình văn phòng, thì giá trị ψ0 = 0.7, ψ1 = 0.5 và ψ2 = 0.3

Giá trị đại diện ψ0Qk, ψ1Qk và ψ2Qk và các giá trị đặc trưng khác sẽ được sử dụng để xác định giá trị thiết kế của tác động và tổ hợp tác động Việc áp dụng chúng để kiểm tra các trạng thái giới hạn cực hạn và các trạng thái giới hạn sử dụng đã được trình bày bên trên

Trong một vài trường hợp, tác động thiết kế còn xét đến ứng xử của kết cấu Trong các trường hợp khác, chẳng hạn như tác động động đất hoặc trường hợp tương tác giữa đất nền với kết cấu, thì tác động thiết kế nên phụ thuộc vào những tham số ứng xử của kết cấu

II.1.7 Hệ quả tác động thiết kế

Hệ quả tác động E là ứng xử của phần tử kết cấu (chẳng hạn, nội lực, moment, ứng suất hoặc biến dạng) hoặc toàn bộ kết cấu (chẳng hạn, độ võng và góc xoay) khi tác động tác dụng lên kết cấu, khi đó ứng xử của kết cấu đối với các tác động sẽ tương ứng với từng trạng thái giới hạn Hệ quả tác động E phụ thuộc vào tác động F, những tính chất hình học a và có thể có tính chất vật liệu X Ví dụ, hệ quả tác động E đại diện cho moment uốn của một tiết diện phần tử kết cấu: moment uốn này do trọng lượng bản thân, hoạt tải, tải gió tác dụng lên kết cấu

Khi không xét đến tính chất vật liệu, thì hệ quả tác động thiết kế Ed là một hàm số bao gồm:

Hệ số riêng γF,1 áp dụng cho toàn bộ hệ quả tổ hợp tác động khi tác động được nhân với các hệ số tương ứng, thì có thể sử dụng phương trình sau:

, ,1 ,1 ,

Eurocode yêu cầu cần phân biệt giữa tĩnh tải có lợi với tĩnh tải bất lợi: từ “có lợi” và

“bất lợi” nên dựa trên hệ quả tác động của chúng Nếu các tĩnh tải xuất phát từ các nguồn gốc khác nhau thì chúng sẽ được nhân với các hệ số riêng khác nhau: γG,sup cho tĩnh tải bất lợi và γG,inf cho tĩnh tải có lợi

Trong trường hợp phân tích phi tuyến của kết cấu (chẳng hạn như: dây cáp, kết cấu dạng màng), khi hệ quả tác động không tỷ lệ với tác động, thì cần thận trọng khi sử dụng hệ số riêng Trong trường hợp chỉ có một tác động F, EN 1990 đề nghị sử dụng qui tắc sau:

Hình II 2: Áp dụng hệ số mô hình γSd trong trường hợp phân tích phi tuyến (tác động đơn): (a) Hệ quả tác động tăng nhanh hơn tác động (b) Hệ quả tác động tăng chậm

hơn tác động

(1) Khi hệ quả tác động E(F) tăng nhanh hơn tác động, hệ số riêng γF nên áp dụng cho tác động đại diện: Ed = E(γF.Fk)

(2) Khi hệ quả tác động E(F) tăng chậm hơn tác động, hệ số riêng γF nên áp dụng cho

hệ quả tác động đại diện: Ed = γF.E(Fk)

Thực tế thì rất phức tạp, theo EN 1990 thì có nhiều phương pháp „mịn hơn‟ được chỉ dẫn trong EN 1991 đến EN 1999 (chẳng hạn, kết cấu dự ứng lực), nên sử dụng phù hợp cho từng trường hợp Chẳng hạn, đối với trường hợp có hai tác động liên quan, thì qui tắc đầu tiên là: Ed = E(γGGk + γQQk) , với γG = γSd.γg và γQ = γSd.γq ; đối với qui tắc thứ hai, một phương pháp làm „mịn hơn‟ liên quan đến hệ số mô hình γSd kết hợp với

tổ hợp tác động thiết kế G và Q như sau: Ed = γSdE(γgGk; γqQk)

Hình II 3: Áp dụng hệ số mô hình γSd trong trường hợp phân tích phi tuyến (hai tác động) (a) Hệ quả tác động tăng nhanh hơn tác động (b) Hệ quả tác động tăng chậm

hơn tác động Ký hiệu „+‟: kết hợp với

Đối với thiết kế địa kỹ thuật:

Hệ quả tác động là một hàm số bao gồm trọng lượng bản thân, tính chất đất nền và kích thước hình học Hai công thức sau là hai công thức tính toán hệ quả tác động thiết

kế khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp áp dụng hệ số riêng Hệ số riêng áp dụng cho tác động:

 Hoặc cho tác động đại diện Frep:

Trong đó, γF là hệ số riêng cho tác động; γM là hệ số riêng cho tính chất vật liệu; γE là

hệ số riêng cho hệ quả tác động; ad là kích thước hình học thiết kế Thành phần Xk/γMđược đưa vào tính toán hệ quả tác động thuộc về đất nền, chẳng hạn như áp lực đất

EN 1997-1:2004, phụ lục B giải thích việc sử dụng hai công thức trên tùy thuộc vào từng phương pháp thiết kế như sau:

Trong phương pháp thiết kế 1, yêu cầu kiểm tra hai tổ hợp riêng biệt với hai loại hệ số riêng khác nhau Trong tổ hợp 1, các hệ số áp dụng cho tác động luôn luôn khác 1, trong khi đó hệ số áp dụng cho hệ quả tác động là bằng 1 Do vậy, γF ≠ 1 và γE = 1 sẽ

áp dụng cho cả hai phương trình trên Trong trường hợp đặc biệt (ví dụ, bể chứa chất lỏng với mực nước cố định) thì γF = 1 và γE ≠ 1 Trong tổ hợp 2, γE luôn luôn bằng 1,

γF ≠ 1 đối với hoạt tải (đối với tĩnh tải γF = 1) Do đó, ngoại trừ trường hợp đặc biệt, thì phương pháp thiết kế 1 chỉ sử dụng phương trình:

Trong phương pháp thiết kế 3, chỉ có một cách tính toán Tuy nhiên, trong phương pháp thiết kế này có một sự khác nhau giữa tác động Frep từ kết cấu và tác động từ hoặc thông qua đất nền Xk Khi đó, γE ≠ 1 và γF = 1 hoặc γE = 1 và γF ≠ 1 Do đó, có thể

sử dụng một trong hai phương trình sau:

γE là hệ số riêng cho hệ quả tác động;

γM là hệ số riêng cho thông số đất nền