Nghiên cứu hệ số sức kháng của cọc đơn chịu tải dọc trục trong công trình cầu bằng lý thuyết độ tin cậy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ VĂN THÙY

NGHIÊN CỨU HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỦA CỌC ĐƠN
CHỊU TẢI DỌC TRỤC TRONG CƠNG TRÌNH CẦU
BẰNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY

Chuyên ngành: Xây dựng Cầu, hầm
Mã số: 60 58 25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, 08 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lê Bá Khánh……………………………..

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS . Phạm Quang Nhật…………………………...

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Võ Phán…………………………………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc
gia thành phố Hồ Chí Minh ngày 24 tháng 08 năm 1013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm có:
1. PGS.TS. Lê Thị Bích Thủy……………………
2. TS. Lê Bá Khánh……………………………....
3. TS. Phạm Quang Nhật…………………………

4. PGS. TS. Võ Phán……………………………..
5. TS. Đặng Đăng Tùng…………………………..
Xác nhận của Chủ tịch hội đồng và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Lê Thị Bích Thủy

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS. Nguyễn Minh Tâm


-i-

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

–

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

–
năm 2013

TP.

: Ngô Văn Thuỳ
Sinh ngày

: Nam

Nơi sinh

: 08/03/1977

: Quảng Nam

ng cầu hầm 2009
: 60.58.25
: K2009

I.

: 09380327

:
NGHIÊN CỨU HỆ SỐ SỨC KHÁNG CỦA CỌC ĐƠN CHỊU TẢI DỌC

TRỤC TRONG CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY.

II.

:
Trên cơ sở số liệu thí nghiệm hiện trường ở Việt Nam, ứng dụng lý thuyết độ

tin cậy phân tích hệ số sức kháng của cọc đơn chịu tải dọc trục trong cơng trình cầu.
III.

: . ………………………………… ………………

N

: ………………………………………..

IV.
V.

: TS. Lê Bá Khánh
Nội dung và Đề cương luận văn đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
CN BỘ MƠN
1
QL CHUN NGÀNH

TS. Lê Bá Khánh

TS. Lê Bá Khánh


- ii -

LỜI CÁM ƠN
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến TS. Lê Bá Khánh, người đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn và tạo điều kiện
để tơi có thể hoàn thành luận văn này.
Xin gửi lời cám ơn đến các Thầy, Cô đã dạy tôi trong thời gian qua. Tôi xin
cám ơn các bạn đồng môn và đồng nghiệp đã quan tâm, chia sẻ trong suốt quá trình
học tập và làm luận văn.
Xin cám ơn gia đình đã dành cho tơi tình thương u và sự hỗ trợ tốt nhất.


- iii -

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Phương pháp đánh giá độ tin cậy của một yếu tố kết cấu hay hệ kết cấu cơng
trình dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất và quá trình ngẫu nhiên đã chứng tỏ tính ưu
việt so với phương pháp cổ điển sử dụng hệ số tải trọng đơn thuần.
Các quy định của bộ tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 dùng phương
pháp luận thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) là một trường
hợp đại diện của thiết kế theo độ tin cậy. Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 có thể được coi
là bản dịch của AASHTO 1998. Các hệ số tải trọng và sức kháng trong tiêu chuẩn
này được xác định trên cơ sở về trình độ thi công và điều kiện tự nhiên của Mỹ. Bản
thân bộ tiêu chuẩn thiết kế cầu của AASHTO đã liên tục thay đổi từ 1998 đến nay.
Do đó khi áp dụng bộ tiêu chuẩn này cho Việt nam, có thể cần phải có thêm nhiều
nghiên cứu sâu rộng cho điều kiện của Việt nam.
Trong phạm vi đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu hệ số sức kháng của cọc đơn
chịu tải dọc trục trong cơng trình cầu vùng Bạc Liêu bằng lý thuyết độ tin cậy. Bước
đầu đánh giá được hệ số sức kháng tương ứng với các phương pháp xác định sức
chịu tải dọc trục để đề xuất một hệ số sức kháng phù hợp hơn.

THE ABSTRACT OF THE THESIS
In comparison with the classical method which uses the load factor for
strutural engineering, the methods of reliability assessments of a structural element
or structural system based on the probability and random theory have achieved
satisfactory results.
Stipulations of the specification 22TCN 272-05 used the LRFD (Load and
resistance factor design) is the case of the methods of reliability. However
specification 22TCN 272-05 based on the LRFD of AASHTO 1998 code is the
open criterion, Load and resistance factors completely statisticed and usually
updated.
In the thesis, author have only researched the resistance factor of the driven
pile in Bridges in Bac Lieu by reliability. As a first step evaluated the resistance

- iv -

factors with other methods to estimate the ultimate axial bearing resistance of
driven pile to propose the appropriate resistance factor.


-v-

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng, ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các cơng trình khác
đã ghi rõ trong luận văn, các cơng việc trình bày trong luận văn là do chính tơi thực
hiện và chưa có phần nội dung nào của luận văn này được nộp để lấy bằng ở trường
này hoặc trường khác.
Ngày 30 tháng 06 năm 2013

Ngô Văn Thùy


- vi -

MỤC
Nhiệm vụ luận văn thạ

...................................................................................... ..i

Lời cam đoan ........................................................................................................... ii
Lời cám ơn ............................................................................................................... iii
Tóm tắt luận văn ..................................................................................................... iv

Mục lục ..................................................................................................................... v
Danh mục các ký hiệu ........................................................................................... viii
Danh mục các bảng ................................................................................................. xi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................ xii
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi
3.

.................................................... 3

.................................................................................... 3

4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................................ 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngồi nƣớc ........................................... 4
1.2. Những vấn đề cịn tồn tại ................................................................................. 5
1.3. Vấn đề cần tập trung nghiên cứu, giải quyết ................................................. 6
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết xác định sức chịu tải dọc trục của cọc theo
đất nền ...................................................................................................................... 7
2.1.1. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo 22TCN272-05 ........................................ 7
2.1.1.1. Tải trọng dọc trục của cọc ........................................................................... 7
2.1.1.2. Ước lượng nửa thực nghiệm sức kháng của cọc.......................................... 8
2.1.1.3. Ước tính sức kháng của cọc dựa trên thí nghiệm hiện trường .................... 9
2.1.2. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo công thức Schmertmann SPT………...11
2.1.3. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo 22TCN18-79 ......................................... 14
2.2. Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết xác suất thống kê .......................................... 15
2.2.1. Một số khái niệm ........................................................................................... 15

- vii -

2.2.1.1. Sự kiện, sự kiện loại trừ nhau, xác suất ...................................................... 15
2.2.1.2. Đại lượng ngẫu nhiên ................................................................................. 16
2.2.2. Quy luật phân phối xác xuất của đại lượng ngẫu nhiên ............................ 16
2.2.2.1. Bảng phân bố xác suất ................................................................................ 17
2.2.2.2. Hàm phân phối xác suất .............................................................................. 17
2.2.2.3. Hàm mật độ xác suất ................................................................................... 20
2.2.3. Các tham số của đại lượng ngẫu nhiên ....................................................... 21
2.2.3.1. Kỳ vọng........................................................................................................ 21
2.2.3.2. Phương sai .................................................................................................. 22
2.2.3.3. Độ lệch chuẩn ............................................................................................. 23
2.2.4. Hàm phân phối điển hình trong lý thuyết xác suất ..................................... 23
2.2.4.1. Phân phối chuẩn ......................................................................................... 23
2.2.4.2. Phân phối chuẩn tắc.................................................................................... 24
2.3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phƣơng pháp tính độ tin cậy ..................... 26
2.3.1. Khái niệm về phân tích độ tin cậy ................................................................ 26
2.3.2. Phương pháp gần đúng mức 1 (FORM), mức 2 (SORM) .......................... 27
2.3.3. Phương pháp Hasofer-Lind.......................................................................... 29
2.3.4. Phương pháp biến đổi Rackwitz-Fiessler .................................................... 33
2.3.5. Mối tương quan giữa các biến ngẫu nhiên ................................................. 36
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG CHO CỌC Ở
VÙNG BẠC LIÊU
3.1. Khả năng chịu tải dọc trục của cọc đƣợc áp dụng cho cơng trình thực
tế…………………………………………………………………………….. …….37
3.1.1. Mơ tả tuyến đường An Phúc – Gành Hào…………………………………37
3.1.1.1. Cầu Cái Keo (Km16+216,0)…………………………………………………….37
3.1.1.2. Cầu Rạch Cóc (Km26+100,26)…………………………………………………41
3.1.2. Sức chịu tải của cọc từ kết quả tính tốn………………………………….45

3.1.3. Sức chịu tải của cọc xác định từ kết quả đóng cọc ngồi hiện trường…...46
3.2. Xác định hệ số sức kháng…………………………………………………...46


- viii -

3.3. Đánh giá, bàn luận kết quả ............................................................................ 51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận ............................................................................................................... 54
2. Kiến nghị ............................................................................................................. 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO…. ................................................................................ 56
PHỤ LỤC…. ........................................................................................................... 58


- ix -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Agross

: Diện tích hữu hiệu cần thiết tiết diện chịu nén

Anet

: Diện tích hữu hiệu cần thiết tiết diện chịu kéo

Ap

: Diện tích mũi cọc

As

: Diện tích bề mặt thân cọc

ASD

: Allowable stress design – Thiết kế theo ứng suất cho phép

BTCT

: Bê tông cốt thép

BTN

: Bê tơng nhựa

C

: Lực nén

Cu

: Lực dính kết

COVQD

: Biến thiên của tĩnh tải

COVQL

: Biến thiên hoạt tải.

COVR

: Biến thiên của sức kháng xác định theo kết quả tính và kết quả đóng

cọc.
DA

: Chiều sâu ngàm thực tế

Db

: Chiều rộng xuyên trong tầng chịu lực

DC

: Chiều sâu ngàm đủ

D(X)

: Phương sai của đại lượng ngẫu nhiên X

Eh

: Tỷ lệ phần trăm năng lượng hữu ích của thiết bị

E(X)

: Kỳ vọng của đại lượng ngẫu nhiên X

F

: Diện tích tựa của cọc

[f0]

: Ứng suất cho phép

[f]c

: Ứng suất cho phép khi chịu nén

fi

: Lực ma sát giới hạn của các lớp đất

fio

: sức kháng bên (chưa hiệu chỉnh) của phần cọc trong lớp đất tốt ở

đoạn cuối
[f]t

: Ứng suất cho phép khi chịu kéo

fu

: Ứng suất bền

F(x)

: Hàm phân phối xác suất


-x-

f(x) =F’(x)

: Hàm mật độ xác suất

fy

: Ứng suất chảy

HL – 93

: Hoạt tải xe ô tô thiết kế

LRFD

: Load and resistance factor design – Thiết kế theo hệ số tải trọng và

sức kháng
li

: Chiều dày các lớp riêng rẽ mà cọc, cột ống…xuyên qua

m2

: Hệ số điều kiện làm việc

N

: Số đếm SPT đo được (Búa/300mm)

_

N

: Số đếm búa trung bình (chưa hiệu chỉnh) dọc theo thân cọc

(Búa/300mm)
N60

: Số nhát đập để ống SPT đi được 30cm đã hiệu chỉnh về 60% năng

lượng hữu ích trong thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT
P(E)

: Xác suất xuất hiện sự kiện E

pf

: Xác suất hỏng

Pi

: Độ lệch của xác suất thứ i

ps

: Xác suất an toàn

QD

: Tĩnh tải

QL

: Hoạt tải

Qp

: Sức kháng đỡ mũi cọc

Qs

: Sức kháng đỡ thân cọc

qp

: Sức kháng đỡ đơn vị mũi cọc

qs

: Sức kháng đỡ đơn vị thân cọc

Qult

: Sức kháng đỡ của 1 cọc đơn

qLC

: sức kháng mũi ở mặt phân lớp

qp

: sức kháng mũi hiệu chỉnh

qT

: sức kháng mũi (chưa hiệu chỉnh) tính ở mũi cọc

RH

: Cường độ giới hạn của nền đất ở mặt phẳng của mũi cọc

Rm

: Là sức chịu tải theo đất nền của cọc thu được từ kết quả đóng cọc

hiện trường


- xi -

Rp

: Là sức chịu tải theo đất của cọc từ cơng thức tính tốn

SF

: Hệ số an tồn

Su

: Cường độ kháng cắt khơng thốt nước

T

: Lực kéo

U

: Chu vi mặt cắt ngang thân cọc, cột ống

X

: Đại lượng ngẫu nhiên
: Hệ số dính
: Chỉ số độ tin cậy
: Hàm phân phối chuẩn tiêu chuẩn
: Góc ma sát trong

qp

: Hệ số sứ

qui định

qs

: Hệ số sứ

thân qui định

: Giá trị trung bình (Kỳ vọng tốn)
: Độ lệch chuẩn
R

: Hệ số thể hiện độ phân tán của số liệu

D

: Hệ số cho tĩnh tải

L

: Hệ số cho hoạt tải


- xii -

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Sức chịu tải theo đất nền của cọc BTCT theo cách tính Schmertmann…12
Bảng 2.2: Hệ số m2………………………………………………………………...14
Bảng 2.3: Lực ma sát giới hạn tính bằng T/m2…………………………………….15
Bảng 2.4: Hệ số

i…………………………………………………………………15

Bảng 2.5: Bảng phân phối xác suất………………………………………………...17
Bảng 2.6: Bảng các giá trị hữu hạn đếm được của đại lượng ngẫu nhiên X………21
Bảng 2.7: Bảng các giá trị vô hạn đếm được của đại lượng ngẫu nhiên X………...22
Bảng 3.1: Sức chịu tải cọc theo đất nền từ kết quả tính tốn………………………45
Bảng 3.2: Sức chịu tải thực tế của cọc từ kết quả đóng cọc ngồi hiện trường……46
Bảng 3.3: Tính tốn các tham số của đại lượng ngẫu nhiên……………………….47
Bảng 3.4: Quan hệ giữa hệ số sức kháng

và

T

từ kết quả tính tốn…………….52


- xiii -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
2.1 -

(theo

Tomlison, 1987)…………………………………………………………………......9
2.2 - Hiệu chỉnh sức kháng…………………………………………………..13
Hình 2.3 - Hàm phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên rời rạc……………..18
Hình 2.4 - Hàm phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên liên tục……………19
Hình 2.5 - Hàm mật độ xác suất……………………………………………………20
Hình 2.6 - Hàm phân phối xác suất của phân phối chuẩn………………………….24
Hình 2.7 - Hàm mật độ của phân phối chuẩn tắc…………………………………..24

Hình 2.8 - Phương trình mặt phá hoại……………………………………………...30
Hình 2.9 - Ý nghĩa hình học của chỉ số độ tin cậy β……………………………….31
Hình 2.10 - Điểm thiết kế tính tốn trên mặt phá hoại……………………………..32
Hình 2.11 - Quá trình lặp của thuật tốn Hasofer-Lind……………………………33
Hình 2.12 – Biểu đồ phân bố xác suất Rm/Rp theo 22TCN 272-05………………..48
Hình 2.13 – Biểu đồ phân bố xác suất Rm/Rp theo Schmertmann SPT…………….49
Hình 2.14 – Biểu đồ phân bố xác suất Rm/Rp theo 22 TCN18-79…………………49
Hình 2.15 – Quan hệ giữa hệ số sức kháng và

T

theo 22 TCN 272-05…………...50

Hình 2.16 – Quan hệ giữa hệ số sức kháng và

T

theo Schmertmann SPT………..50

Hình 2.17 – Quan hệ giữa hệ số sức kháng và

T

theo 22TCN 18-79……………..51


-1-

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Sự phát triển về triết lý thiết kế trong ngành xây dựng cầu là quá trình thay đổi
quan điểm thiết kế theo trình tự như sau:
Thời kỳ trước năm 1960 các tiêu chuẩn thiết kế được soạn thảo theo phương
pháp thiết kế ứng suất cho phép (ASD): Ta gọi ứng suất nguy hiểm (ký hiệu f0) là trị
số, ứng với nó vật liệu được xem là phá hoại. Đối với vật liệu dẻo f0 = fy, đối với vật
liệu dòn f0 = fu (fy - ứng suất chảy; fu - ứng suất bền). Trong thực tế, vật liệu là
không đồng nhất và tải trọng có thể vượt quá tải trọng thiết kế, điều kiện làm việc
của kết cấu hay chi tiết chưa được xem xét đầy đủ, các giả thiết tính tốn chưa đúng
với sự làm việc của kết cấu. Vì thế ta khơng thể tính tốn với f0. Chúng ta phải chọn
một hệ số an toàn SF (lớn hơn 1) để xác định ứng suất cho phép [f] và dùng trị số [f]
để tính tốn [1].
[f] ≤ [f0] / SF
Để chọn hệ số an tồn SF được chính xác, người ta phải chọn nhiều hệ số theo
từng nguyên nhân dẫn đến không an tồn của cơng trình, có thể kể đến [2]:
-

Hệ số kể đến độ đồng nhất của vật liệu.

-

Hệ số kể đến sự vượt quá của tải trọng thiết kế.

-

Hệ số kể đến sự làm việc tạm thời hay lâu dài.

Khi phương pháp thiết kế ứng suất cho phép ra đời, hầu hết các cầu được xây
dựng là giản đơn hoặc vòm, nội lực chủ yếu chỉ chịu kéo hoặc nén với giả thiết ứng
suất phân bố đều trên toàn tiết diện [1]. Với giả thiết các cấu kiện liên kết với nhau
bằng chốt và kết cấu là tĩnh định, việc phân tích cho thấy các cấu kiện thường chỉ

chịu kéo hoặc nén. Diện tích hữu hiệu cần thiết (Anet) của một thanh chịu kéo có
ứng suất phân bố đều được xác định đơn giản chịu lực kéo T cho ứng suất kéo cho
phép [f]t.
Anet > (hiệu ứng tải trọng)/(ứng suất cho phép) = T/[f]t
Đối với cấu kiện chịu nén, ứng suất cho phép [f]c phụ thuộc vào độ mảnh của
cấu kiện, tuy nhiên, cơ sở để xác định diện tích của mặt cắt ngang vẫn như trong


-2-

cấu kiện chịu kéo; diện tích hữu hiệu cần thiết (Agross) của thanh chịu nén bằng lực
nén C chia cho ứng suất cho phép [f]c.

Agross ≥ (hiệu ứng tải trọng)/(ứng suất cho phép) = C/[f]c
Phương pháp này đã được áp dụng trong những năm 60 của thế kỷ trước đã thiết
kế thành công nhiều cầu dàn tĩnh định nhịp lớn. Ngày nay, các cầu tương tự được
xây dựng nhưng chúng khơng cịn là tĩnh định vì chúng khơng được liên kết bằng
chốt. Do đó, ứng suất trong các cấu kiện khơng cịn phân bố đều nữa [3].
Nhược điểm: Mỗi tải trọng trong tổ hợp có tầm quan trọng ngang nhau từ góc độ
tính biến thiên của tải trọng. Khơng có sự lưu ý về khả năng có thể xảy ra khi mà tải
trọng tác dụng lớn hơn dự kiến trùng ngẫu nhiên với khả năng chịu tải của vật liệu
kém hơn so với dự định.
Thiết kế theo độ tin cậy (thiết kế theo trạng thái giới hạn): Dựa trên cơ sở của lý
thuyết xác suất và quá trình ngẫu nhiên.
Khái niệm về TTGH: Một trạng thái giới hạn là trạng thái mà vượt qua nó thì kết
cấu hay một bộ phận nào đó khơng hồn thành được nhiệm vụ của thiết kế đề ra. Sẽ
là không kinh tế nếu thiết kế một cầu mà chẳng có bộ phận nào, chẳng bao giờ bị hư
hỏng. Do đó cần xác định đâu là chấp nhận được trong rủi ro của xác suất phá hủy
trong thời gian khai thác của cơng trình.
Hệ số sức kháng: Hệ số chủ yếu xét đến sự biến thiên của các tính chất của vật

liệu, kích thước của kết cấu và tay nghề 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.
Ẩn ý trong thiết kế ứng suất cho phép là giả thiết ứng suất trong phần tử bằng
khơng trước khi có tác động của tải trọng, nghĩa là khơng có ứng suất dư khi chế tạo
các phần tử. Giả thiết trên khơng hồn tồn chính xác, thực tế trong thép cán tồn tại
ứng suất dư. Các ứng suất này phân bố khơng đồng đều và rất khó dự đốn trước.
Trong bê tơng khơng biết được ứng suất ban đầu vì nó thay đổi theo phương
pháp chế tạo, bảo dưỡng, phụ thuộc vào nhiệt, từ biến…, chỉ có trị số duy nhất có
thể chính xác là cường độ bê tông tại các trạng thái giới hạn. Cường độ cực hạn độc
lập với các biến dạng trước và ứng suất gây ra trong quá trình chế tạo và xây dựng.


-3-

Cường độ giới hạn dễ dự đốn và có độ tin cậy cao hơn so với các tính chất ở
mức độ thấp. Do đó phương pháp thiết kế theo sức kháng là hợp lý hơn.
Ở Việt Nam chưa có điều kiện thống kê đầy đủ các tác nhân bên ngoài cũng như
khả năng của vật liệu nên khi biên soạn tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 các
hệ số tải trọng và sức kháng lấy theo tiêu chuẩn của AASHTO 98 [4].
Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết trên tác giả đề xuất nghiên cứu hệ số sức kháng
của cọc đơn chịu tải dọc trục trong cơng trình cầu bằng lý thuyết độ tin cậy.
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu hệ số sức kháng trong thiết kế cọc đơn chịu tải dọc trục trong cơng
trình cầu bằng lý thuyết độ tin cậy để kiến nghị đưa ra hệ số thích hợp với điều kiện
đất nền xây dựng cầu ở từng địa phương nhất định ở Việt Nam.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Kết hợp phương pháp nghiên cứu thống kê và nghiên cứu lý thuyết, để tính toán
hệ số sức kháng trong thiết kế cọc đơn chịu tải dọc trục trong cơng trình cầu ở vùng
Bạc Liêu, Việt Nam.

4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Từ kết quả của đề tài khuyến cáo Chủ đầu tư, tư vấn thiết kế, đơn vị thi công
nên sử dụng hệ số như thế nào để vừa kinh tế, đảm bảo chất lượng trong những điều
kiện cụ thể.


-4-

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngồi nƣớc
Thơng thường, thiết kế và tính tốn an tồn cho một kết cấu hay hệ kết cấu cơng
trình, người thiết kế sử dụng các hệ số an toàn, giá trị được chọn tuỳ theo tính chất,
qui mơ và tầm quan trọng của cơng trình. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là chọn hệ số với
giá trị bao nhiêu là phù hợp, thoả mãn yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật. Xuất phát từ
sự tính tốn mang tính ước lượng đó, phương pháp đánh giá độ tin cậy của kết cấu
dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất và quá trình ngẫu nhiên đã được áp dụng và đã đạt
được những kết quả khả quan. Đối với bộ mơn khoa học cơng trình của ta hiện nay,
việc sử dụng và tiếp cận phương pháp tính tốn mới này là một điều kiện cần thiết
để theo kịp những bước tiến mới của khoa học cơng trình, đồng thời tạo thuận lợi
trong việc hội nhập quốc tế (áp dụng ISO 2394 - 1998).
Dùng lý thuyết độ tin cậy và tuổi thọ cơng trình phân tích độ tin cậy của hệ
thống cơng trình cầu nói chung và của một yếu tố kết cấu nói riêng đánh giá độ tin
cậy và tuổi thọ cơng trình kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm thi cơng các cơng
trình thực tế [5].
Các quy định của bộ tiêu chuẩn 22TCN 272-05 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. Bộ
tiêu chuẩn này dựa trên tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng của
AASHTO 98. Các hệ số sức kháng (LRFD) được xác định trên cơ sở xử lý do Sở
giao thông Floria và cơ quan quản lý đường cao tốc liên bang (FHWA) thu thập, do

đó chúng không phản ánh hết được điều kiện đất nền tại các bang khác của Mỹ,
càng khó phù hợp với điều kiện Việt Nam [6].
Tuy nhiên khi áp dụng các cơng thức ở phần 10 (nền móng) của tiêu chuẩn này,
việc khoan địa chất, bảo lưu mẫu, thí nghiệm mẫu, tính tốn nền móng rất chặt chẽ
dựa trên kết quả thí nghiệm và các hệ số tra theo khuyến cáo của quy trình. Từ kết
quả thiết kế, thi cơng đóng (ép) cọc của nhiều cơng trình cầu thực tế ở Việt Nam do
các đồng nghiệp, bạn bè và chính tác giả chủ trì nhận thấy sức chịu tải thực tế của


-5-

cọc có sự chênh lệch rất lớn 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.
Trong báo cáo mới đây của tác giả Trịnh Việt Cường Viện Khoa học Công
nghệ Xây dựng với đề tài “Đánh giá hệ số sức kháng cho một số phương pháp dự
báo sức chịu tải của cọc của TCXD 205:1998”. Tóm tắt báo cáo tác giả đưa ra quan
điểm: Các cơng thức tính tốn sức chịu tải của cọc trong tiêu chuẩn thiết kế cầu
AASHTO LRFD cùng với các hệ số sức kháng tương ứng đã được xác định trên cơ
sở các điều kiện đất nền của Mỹ. Áp dụng các cơng thức đó cho cọc trong điều kiện
đất nền ở Việt Nam cho thấy sự chênh lệch cao giữa tính tốn và kết quả nén tĩnh.
Vì vậy, một trong những biện pháp khả thi để nâng cao độ tin cậy của kết quả tính
dự báo sức chịu tải của cọc là áp dụng các phương pháp tính toán đã được kiểm
chứng trong nhiều thập kỷ trong điều kiện Việt Nam. Báo cáo này trình bày bước
đầu xác định hệ số sức kháng tương ứng với một số phương pháp tính tốn sức chịu
tải của cọc trong tiêu chuẩn thiết kế móng cọc TCXD 205:1998. Báo cáo đưa ra kết
luận:
- Kết quả phân tích các số liệu tính tốn và thực nghiệm về sức chịu tải của
cọc trình bày trong bài viết này có thể áp dụng phương pháp tính tốn truyền thống
của TCXD 205:1998 trong thiết kế móng cầu theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05.

- Các kết quả cũng cho thấy chỉ số độ tin cậy mục tiêu

T

có ảnh hưởng

mạnh đến hệ số sức kháng trong khi mức độ ảnh hưởng của chiều dài nhịp là nhỏ.
- Vì khối lượng số liệu được tập hợp và phân tích còn hạn chế, cần thu thập
thêm số liệu và áp dụng chặt chẽ phương pháp xử lý thống kê để xác định hệ số sức
kháng áp dụng trong thực tế. Các nghiên cứu theo hướng này cũng nên được thực
hiện cho các phương pháp tính tốn khác và cho các loại cọc khác (ví dụ cọc khoan
nhồi) trong điều kiện Việt Nam [6].
1.2. Những vấn đề còn tồn tại
- Những tồn tại của tiêu chuẩn 22TCN 272-05: Quy trình đã ban hành dựa
trên phương pháp luận thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD). Các


-6-

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, nhưng thực tế những hệ số trên đều tra bảng, không
được thống kê cụ thể ở từng địa phương tại Việt Nam.
- Những tồn tại của báo cáo của tác giả Trịnh Việt Cường: Tác giả chỉ đi khảo
sát 27 cọc trên 7 hiện trường khác nhau, sau đó dùng cơng thức kinh nghiệm của
AASHTO (với các hệ số tải trọng, biến thiên của sức kháng, tải trọng, hệ số thể hiện
sự phân tán của số liệu…, đặc biệt là chỉ số độ tin cậy mục tiêu

T=2,5)

không được

xử lý thống kê đầy đủ để chứng minh cơng thức tính tốn sức chịu tải theo số liệu
SPT theo cơng thức C2.2 và tính tốn bằng cách tra bảng của tiêu chuẩn TCXD
205:1998, khuyến cáo có thể sử dụng các phương pháp truyền thống của TCXD
205:1998 trong thiết kế móng cầu theo 22TCN 272-05 là điều khơng dễ để bộ
GTVT chấp nhận.
1.3. Vấn đề cần tập trung nghiên cứu, giải quyết:
Áp dụng cơng thức tính tốn móng cọc trong tiêu chuẩn 22TCN 272-05 (và 2
phương pháp khác là cách tính Schmertmann SPT và phương pháp tra bảng 22TCN
18-79) một cách chặt chẽ từ việc khảo sát địa chất, thí nghiệm, tính tốn theo đúng
quy định, kiểm tra đóng cọc thử, đóng cọc đại trà với số lượng lớn, tính được sức
chịu tải thực tế của cọc. So sánh sức chịu tải thực tế của cọc với sức chịu tải tính
tốn. Xử lý một cách thống kê các số liệu trên, tính tốn chỉ số độ tin cậy , tính lại
hệ số sức kháng theo cơng thức kinh nghiệm, so sánh với hệ số sức kháng tra bảng
để đưa ra kết luận.


-7-

CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết xác định sức chịu tải dọc trục của cọc theo
đất nền
2.1.1. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo 22TCN 272-05
Sức kháng của cọc có thể được ước tính bằng cách dùng các phương pháp phân
tích hiện trường. Sức kháng cọc bao gồm sức kháng thành bên và sức kháng mũi.
Trong tính tốn, đất nền được chia ra làm 2 nhóm chính là đất dính (các loại đất sét)
và các loại đất rời (các loại đất cát, bùn khơng dẻo).
* Phương pháp phân tích lý thuyết (ước tính nửa thực nghiệm): Phương pháp
này được tính tốn dựa trên cơ sở được tính tốn dựa trên số liệu cường độ kháng
cắt khơng thốt nước Su, xác định bằng nén 3 trục không cố kết – khơng thốt nước

theo tiêu chuẩn ASTM 2880 hoặc AASHTO T234. Phương pháp này chỉ dùng cho
đất dính, sức kháng là hàm của Su. Về sức kháng thành bên tiêu chuẩn đưa ra 3
phương pháp là phương pháp , phương pháp , phương pháp .
* Phương pháp hiện trường (dựa trên số liệu thí nghiệm hiện trường), phương
pháp chỉ sử dụng kết quả SPT hoặc CPT và chỉ áp dụng cho đất rời.
2.1.1.1. Tải trọng dọc trục của cọc
Tại

10.7.3.2 (22TCN 272-2005), s

hay

QR = Q n =

qQult

QR = Q n =

qpQp+

- hệ số sứ

Qp - Sứ
Qs

- Sứ

:
(2.1)

qsQs

(2.2)
(2.3)

Qs = q s As

(2.4)

ỡ của 1 cọ

.
Qult - Sứ

R

Qp=qpAp
:
q

g đỡ

ỡ của 1 cọc đơn (N)
ọc (N)
ọc (N)


-8-

qp

- Sức kháng đơn vị mũi cọc (MPa)

qs

- Sứ

ị thân cọc (MPa)
(mm2)

As (mm2)

Ap - Diệ
qp

ọ

- Hệ số sứ

á

.
qs

- Hệ số sứ

ân cọ

-

.
2.1.1.2. Ước tính nửa thực nghiệm sức kháng của cọc:
2.1.1.2.1. Tổng quát:
Có thể dùng cả phương pháp tổng ứng suất và ứng suất hữu hiệu, với điều kiện
các tham số cường độ đất thích hợp là có sẵn. Các hệ số sức kháng đối với ma sát
bề mặt và sức kháng mũi, được ước tính bằng phương pháp nửa thực nghiệm như
trong quy định bảng 10.5.5-2.
2.1.1.2.2. Sức kháng thân cọc:
Ở đây chỉ nêu phương pháp

đối với đất dính.

2.1.1.2.2a. Phương pháp :
Phương pháp , d

ệ sự
ất

danh đị

:
qs = .Su

Ở đây:
Su - Cường độ kháng cắt khơng thốt nước trung bình (Mpa).
-

u

,

, Su

2.1

(2.5)


-9-

2.1 (theo Tomlison, 1987)
2.1.1.2.3. Sức kháng mũi cọc:
Sức kháng mũi cọc trong đất sét bão hịa (Mpa) có thể xác định như sau:
qp = 9Su

(2.6)

Su - Cường độ kháng cắt khơng thốt nước của sét gần chân cọc (Mpa)
2.1.1.3. Ước tính sức kháng của cọc dựa trên thí nghiệm hiện trường:
2.1.1.3.1. Tổng quát:
Các hệ số sức kháng đối với ma sát bề mặt và sức kháng mũi cọc, được ước tính
bằng phương pháp hiện trường quy định trong bảng 10.5.5.2
2.1.1.3.2. Sử dụng kết quả SPT:


- 10 -

Phương pháp này sẽ chỉ áp dụng cho cát và bùn không dẻo
2.1.1.3.2a. Sức kháng mũi:
Sức kháng mũi đơn vị của cọc danh định (Mpa), cho các cọc đóng tới độ sâu Db
trong đất rời có thể tính như sau:

qp

0, 038 NCORR Db
D

NCORR

0, 77 log a

(2.7)

ql
1,92
'
v

N

(2.8)

Ở đây:
NCORR - Số đếm SPT gần mũi cọc đã hiệu chỉnh cho áp lực tầng phủ,

’
v

(Búa/300mm)
N - Số đếm SPT đo được (Búa/300mm)
D - Chiều rộng hay đường kính cọc
Db - Chiều rộng xuyên trong tầng chịu lực

ql - Sức kháng điểm giới hạn tính bằng 0,4NCORR cho cát và 0,3NCORR cho bùn
không dẻo (Mpa)
2.1.1.3.2b. Ma sát bề mặt:
Ma sát bề mặt danh định (Mpa), cho các cọc đóng tới độ sâu Db trong đất rời có
thể tính như sau:
+ Đối với cọc chuyển dịch:
_

qS

0, 0019 N

(2.9)

+ Đối với cọc không chuyển dịch:
_

qS

0, 00096 N

(2.10)

qs – Ma sát đơn vị bề mặt cho cọc đóng (Mpa)
_

N – Số đếm búa trung bình (chưa hiệu chỉnh) dọc theo thân cọc

(Búa/300mm)
Một số khó khăn khi áp dụng tiêu chuẩn trong tính tốn:

- Theo 22TCN 272-05 thì phương pháp nửa thực nghiệm chỉ được dùng cho đất
dính, cịn phương pháp thực nghiệm chỉ dùng cho đất rời. Như vậy một số cơng
trình cần phải có cả số liệu Su và vừa phải có số liệu SPT thì mới tính tốn được.
Nếu dự án khơng có số liệu Su từ thí nghiệm mà chỉ có số liệu SPT thì việc tính tốn