Bài báo phân tích hệ số sức kháng của cọc đơn chịu tải dọc trục trong công trình cầu trên cơ sở số liệu thí nghiệm hiện trường ở vùng Bạc Liêu bằng cách ứng dụng lý thuyết độ tin cậy, từ đó đề xuất sử dụng hệ số hợp lý.
Trang 1HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỦA CỌC ĐƠN CHỊU TẢI DỌC TRỤC TRONG CÔNG TRÌNH
CẦU HUYỆN ĐÔNG HẢI, TỈNH BẠC LIÊU
RESISTANCE FACTORS OF AXIALLY-LOADED CONCRETE PILES IN BRIDGES IN DONG HAI
DISTRICT, BAC LIEU PROVINCE
TS Lê Bá Khánh
TÓM TẮT
Bài báo phân tích hệ số sức kháng của cọc đơn chịu tải dọc
trục trong công trình cầu trên cơ sở số liệu thí nghiệm hiện
trường ở vùng Bạc Liêu bằng cách ứng dụng lý thuyết độ tin
cậy, từ đó đề xuất sử dụng hệ số hợp lý
Từ khóa: sức kháng, cọc, độ tin cậy, Schmertmann
ABSTRACT
The paper analyses resistance factors of axiaully-loaded
concrete piles based on site test data in Bac Lieu province
applied reliability theory Thereby it suggests appropriate value
of resistace factors
Keywords: resistance, pile, reliability, Schmertmann
TS LÊ BÁ KHÁNH
Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại Học Bách
Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email: lbkhanh@hcmut.edu.vn
Điện thoại: 0903088252
Các quy định của tiêu chuẩn 22TCN272-05 dùng phương
pháp luận thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng
(LRFD) Các hệ số được lấy từ lý thuyết độ tin cậy dựa trên
kiến thức thống kê hiện nay về tải trọng và tính năng kết cấu
Tiêu chuẩn 22TCN272-05 về bản chất là tiêu chuẩn của Mỹ, do
đó chúng không phản ánh hết được điều kiện đặc thù của Việt
Nam
Từ kết quả thiết kế, thi công đóng (ép) cọc của một số công
trình cầu thực tế ở Việt Nam các tác giả nhận thấy sức chịu tải
thực tế của cọc có sự chênh lệch nhiều so với thiết kế Vấn đề
đặt ra là phải xem lại một cách thống kê đầy đủ các hệ số sức
kháng đã áp dụng trong quy trình để cọc thiết kế vừa kinh tế,
vừa đảm bảo chất lượng phù hợp với điều kiện Việt Nam
Kết quả của bài báo phân tích hệ số sức kháng của cọc đơn
chịu tải dọc trục trong công trình cầu trên cơ sở số liệu thí
nghiệm hiện trường ở vùng Bạc Liêu bằng cách ứng dụng lý
thuyết độ tin cậy, từ đó đề xuất sử dụng hệ số hợp lý
2 Thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số tải
trọng
2.1 Nguyên lý
Thiết kế cọc phụ thuộc vào tải trọng và khả năng chịu
tải Cả tải trọng và khả năng chịu tải có nguồn và mức độ
không chắc chắn khác nhau Thiết kế công trình trong quá khứ
được bù trừ cho những điều không chắc chắn bằng cách sử
dụng kinh nghiệm và phán đoán chủ quan Mặt khác, những bất
trắc có thể được định lượng bằng các phương pháp dựa trên
xác suất nhằm đạt được các thiết kế thiết kế với mức độ phù
hợp của độ tin cậy
Mục đích của thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng (LRFD) là để tách sự không chắc chắn trong tải trọng ra khỏi sự không chắc chắn trong sức kháng và sau đó sử dụng
công cụ lý thuyết xác suất để đảm bảo một mức quy định về an
toàn Hình 1 cho thấy đồ thị của hàm mật độ xác suất của hiệu ứng tải trọng, Q, và sức kháng, R Điều kiện an toàn đối với kết
cấu là hiệu ứng tải trọng phải nhỏ hơn sức kháng (Q < R)
Hình 1 Hàm mật độ xác suất của tải trọng Q và sức kháng R
1 – Hiệu ứng tải trọng, Q; 2 – Sức kháng, R; 3 – Miền
có thể xảy ra phá hoại; μQ≡ Q͞; μR≡ R͞;
Theo 22-TCN 272-05: Mỗi cấu kiện và liên kết phải thỏa mãn biểu thức 1 với mỗi trạng thái giới hạn, [1]
∑ηi γi Qi ≤ ϕ·Rn = Rr (1)
γi = hệ số tải trọng : hệ số nhân dựa trên thống kê dùng cho ứng lực
ϕ = hệ số sức kháng: hệ số nhân dựa trên thống kê dùng cho sức kháng danh định
ηi = hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác
Qi = ứng lực; Qu= γ·Qn;
Rn = sức kháng danh định
Rr = sức kháng tính toán, Rr = ϕ·Rn
2.2 Ưu điểm của LRFD
Từ những năm 1920, hai nhà khoa học Nga là N F Khotsialov and N S Streletskii đã đề xuất khái niệm dùng xác suất hư hỏng như là một tiêu chí để thiết kế kết cấu
Kinh nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng tiêu chuẩn
thiết kế dựa trên xác suất có thể dẫn đến tiết kiệm chi phí và sử dụng hiệu quả vật liệu Sự cải thiện độ tin cậy vẫn đang được đánh giá mặc dù việc áp dụng LRFD được thiết lập để mang lại
độ tin cậy tương đương hoặc cao hơn so với các tiêu chuẩn
Trang 2trước đó Theo Ayyub khi áp dụng AISC-LRFD có thể tiết
kiệm từ 5% đến 30% lượng thép trong thiết kế tàu thủy Trong
ngành xây dựng chưa có những thống kê về vấn đề này Một số
lợi ích trong thiết kế cọc khi áp dụng LRFD [2]:
1 Tiết kiệm chi phí và thiết kế có độ tin cậy hài hòa
hơn
2 Xử lý tốt hơn những yếu tố không chắc chắn
2.3 Chỉ số độ tin cậy β
Thường xác định xác suất phá hoại gián tiếp thông qua
chỉ số độ tin cậy, ký hiệu là β Giá trị β cho biết giá trị trung
bình của lượng dự trữ an toàn µg ( ḡ) nằm cách xa ranh giới an
toàn bao nhiêu lần độ lệch chuẩn σgcủa nó [3]
Hình 2 Một minh họa của một hàm mật độ xác suất
(g (R, Q)), biên an toàn và chỉ số độ tin cậy, β (σg = độ lệch
chuẩn của g (R, Q))
Nếu R và Q là phân phối chuẩn thì có thể tính chỉ số β
theo công thức:
R Q
R Q
β
−
=
3 Tính toán sức chịu tải của cọc
Bài báo tập trung nghiên cứu hệ số sức kháng dựa trên
số liệu khảo sát của 2 cầu Cái Keo và cầu Rạch Cóc thuộc dự
án cải tạo, nâng cấp tuyến đường An Phúc – Gành Hào - Bạc
Liêu
Trong bài báo này, sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất
nền được tính toán theo phương pháp α, theo cách tính
Schmertmann và theo 22TCN 18-79 (tính theo phụ lục A, xác
định sức chịu tải của các theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (theo
SNiP 2.20.03.85)
3.1 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu của đất nền và SPT
Theo các chỉ tiêu cơ lý, chỉ tiêu cường độ và kết quả
SPT của đất nền của hai công trình cầu Cái Keo và Rạch Cóc,
Nguyễn Văn Thùy và Lê Bá Khánh đã xác định được sức chịu
tải của cọc và thể hiện ở bảng 3 [4]
Bảng 3: Sức chịu tải cọc theo đất nền từ kết quả tính toán Tên
cầu
Tên
mố, trụ
Phương pháp α (T)
Schmertmann (T)
22 TCN 18-79 (T)
Cái Keo
Rạch Cóc
Nhận xét: phương pháp tính theo 22 TCN 18-79 (TCVN 205:1998) – cho kết quả lớn hơn so với phương pháp α và cách tính Schmertmann SPT
3.2 Sức chịu tải cọc tính theo độ chối
Theo độ chối của 183 cọc BTCT tiết diện (40x40) cm (được đóng từ ngày 17/08/2011 đến ngày 18/11/2011), Nguyễn Văn Thùy và Lê Bá Khánh đã xác định được sức chịu tải của cọc theo công thức động [4]
Bảng 4: Sức chịu tải cọc tính theo độ chối e [4]
STT Tên cọc Ngày đóng Độ chối e (mm) Sức chịu tải cọc (T)
1 CK-T3-01 10/9/2011 0.280 88.49
2 CK-T3-02 10/9/2011 0.310 83.75
182 RC-T4-23 18/11/2011 0.260 92.09
183 RC-T4-24 18/11/2011 0.370 76.08 Nhận xét: theo số liệu về độ chối, sức chịu tải của cọc
có thể xác định một cách nhanh chóng Tuy nhiên cần lưu ý hiện tượng chối giả
3.3 Xác định hệ số sức kháng 3.3.1 Khái niệm về hệ số sức kháng
Theo 22-TCN 272-05: Hệ số sức kháng là hệ số chủ yếu xét đến sự biến thiên của các tính chất của vật liệu, kích thước kết cấu và tay nghề của công nhân và sự không chắc chắn trong
dự đoán về sức kháng, nhưng cũng liên hệ đến những thống kê
về các tải trọng thông qua quá trình hiệu chỉnh [1]
3.3.2 Phương pháp xác định hệ số sức kháng
Phương pháp xác định hệ số sức kháng là xác định quy luật phân bố thống kê của đại lượng ngẫu nhiên sức kháng (R)
và hiệu ứng tải trọng (Q), từ đó thông qua phân tích độ tin cậy của quãng an toàn (G = R-Q) với chỉ số độ tin cậy mục tiêu cho trước sẽ xác định được hệ số sức kháng [5]
Khi chỉ xét tĩnh tải và hoạt tải, φ có thể được xác định [3]
2
L
Q
Q
Q
γ
+
+
=
(2)
Trang 3Trong đó:
λR: Hệ số thể hiện độ phân tán của số liệu
γD, γL: Các hệ số tải trọng cho tĩnh tải và hoạt tải, có thể lấy
γD = 1,25; γL = 1,75
(QD / QL): Tỷ số giữa tĩnh tải QDvà hoạt tải QL
COVR: Biến thiên của sức kháng xác định theo kết quả tính
và kết quả đóng cọc
COVQD, COVQL: Biến thiên của tĩnh tải và hoạt tải
λQD, λQL = Hệ số độ phân tán của tĩnh tải và hoạt tải (dead
and live load bias factors)
βT: Chỉ số độ tin cậy mục tiêu, thể hiện xác suất xảy ra phá
hủy do tải trọng vượt quá sức kháng
Tỷ số (QD / QL) không ảnh hưởng nhiều đến φ có thể lấy
(QD / QL) = 3 [3]
3.3.3 Xác định hệ số sức kháng cho cọc của cầu Cái
Keo, Rạch Cóc
Rm: Là sức chịu tải theo đất nền của cọc thu được từ kết
quả đóng cọc hiện trường
Rp: Là sức chịu tải theo đất của cọc từ công thức tính
toán
Từ các kết quả đo đạc, các tham số của tỷ số (Rm/ Rp)
cho 3 trường hợp tính sức chịu tải của cọc (theo α,
Schmertmann và theo 22TCN 18-79) được xác định Theo biểu
thức (2), với chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT = 2,33 (tương ứng
với xác xuất phá hủy do tải trọng vượt quá sức kháng Pf = 1%),
kết quả tính toán hệ số sức kháng được trình bày trong bảng 5
Bảng 5 Hệ số sức kháng ứng với sức chịu tải của cọc
22TCN 272-05 Schmertmann 22 TCN 18-79
Giá trị trung
Độ lệch
Chỉ số độ tin
Từ các kết quả đo đạc và tính toán Nguyễn Văn Thùy và
Lê Bá Khánh đã tiến hành khảo sát mật độ phân phối của
Rm/Rp theo các cách tính khác nhau [4]
Hình 1 Mật độ phân phối của Rm/Rp theo 22TCN 272-05
Hình 2 Mật độ phân phối của Rm/Rp theo Schmertmann SPT
Hình 3 Mật độ phân phối của Rm/Rp theo 22 TCN18-79
Hình 4 Quan hệ giữa hệ số sức kháng và βT theo các cách tính
3.4 Đánh giá, bàn luận kết quả:
- Chỉ số độ tin cậy β ở cả 3 trường hợp tính được lớn hơn rất nhiều so với chỉ số độ tin cậy βT = 2,33 tương ứng với xác xuất phá hủy do tải trọng vượt quá sức kháng Pf = 1% hay xác suất an toàn Ps = 99%, nên 3 cách tính trên là đáng tin cậy, cách tính theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 (Phương pháp α) và cách tính Schmertmann SPT có kết quả đáng tin cậy hơn
- Hệ số sức kháng được xác định từ việc tính toán sức chịu tải của cọc đều lớn hơn so với bảng tra của qui trình 22TCN 272-05 Đối với đất sét: ma sát thành bên và mũi đều cho hệ số sức kháng là φ = 0,7 λv = 0,7x0,8 = 0,56; đối với đất cát: ma
Trang 4sát thành bên và mũi đều có hệ số sức kháng là φ = 0,45 λv =
0,45x0,8 = 0,36 (bảng 10.5.5.2 trang 418 )
- Hệ số sức kháng xác định từ việc tính toán sức chịu tải
của cọc bằng phương pháp tra bảng 22TCN 18-79 (TCVN
205:1998) là 0,59 gần sát với với bảng tra từ qui trình 22TCN
272-05 đối với đất sét: ma sát thành bên và mũi đều cho hệ số
sức kháng là φ = 0,7 λv = 0,7x0,8 = 0,56, bởi vì sức chịu tải
tính toán thu được có kết quả lớn hơn so với 2 phương pháp
còn lại
- Chỉ số độ tin cậy βT ảnh hưởng rất lớn đến hệ số sức
kháng
- Cách tính của Meyerhof đã được tập thể nhiều tác giả
(Schmertmann, Lai, Graham, McVay, v.v ) sửa đổi bổ xung
liên tục để áp dụng cho mọi loại cọc đúc sẵn, mọi loại đất và
với độ tin cậy cao hơn Cách tính này ban đầu được đặt tên là
SPT91, rồi SPT94, rồi SPT97, v.v Sau đó, để thống nhất,
người ta gọi là cách tính Schmertmann [6]
Qua các nội dung trình bày, phân tích và đánh giá các kết
quả được khảo sát từ 2 công trình cầu lớn ở huyện Đông Hải,
tỉnh Bạc Liêu, có một số kết luận như sau:
- Hệ số sức kháng theo phương pháp α Tomlinson và cách
tính Schmertmann SPT của cọc đóng BTCT lớn hơn so với qui
định của 22TCN 272-05
- Hệ số sức kháng xác định từ việc tính toán sức chịu tải
của cọc bằng phương pháp tra bảng 22TCN 18-79 (TCVN
205:1998) là 0,59, xấp xỉ giá trị φ = 0,7 λv = 0,7x0,8 = 0,56 đối
với nền đất sét được khuyến cáo trong 22TCN 272-05 Tuy
nhiên phương pháp tra bảng là phương pháp bán xác suất, nên
không còn phù hợp triết lý thiết kế theo LRFD
- Khuyến khích dùng cách tính Schmertmann SPT để xác
định sức chịu tải của cọc vì nó có nhiều thuận lợi và phù hợp
điều kiện khảo sát hiện trường hiện nay
Tài liệu tham khảo
[1] Bộ Giao thông vận tải, Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN
272-05, Nhà xuất bản GTVT, 2005
[2] B Ayyub, “Cost-Benefit Analysis of Risk-Informed Design
of Structural Systems,” American Society of Mechanical
Engineers, the Research Committee on Risk Technology,
1999 [3] S G Paikowsky, “NCHRP REPORT 507 - Load and Resistance Factor Design (LRFD) for Deep Foundations,” Transportation Research Board, WASHINGTON, D.C.,
2004
[4] N V Thuỳ, Nghiên cứu hệ số sức kháng của cọc đơn chịu
tải dọc trục trong công trình cầu bằng lý thuyết độ tin cậy,
ĐH Bách khoa TP HCM, 2013
[5] N C 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, ĐH Giao thông vận tải
Hà nội, 2014
[6] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái, Thí nghiệm đất hiện trường
và ứng dụng trong phân tích nền móng, Hà nội: Khoa học
và kỹ thuật, 2006
