Đang tải... (xem toàn văn)
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.
HỆ 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 cọc đơn chịu tải dọc trục công trình cầu sở số liệu thí nghiệm trường vùng Bạc Liêu cách ứng dụng lý thuyết độ tin cậy, từ đề xuất sử dụng hệ số hợp lý Từ khóa: sức kháng, cọc, độ tin cậy, Schmertmann Mục đích thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) để tách không chắn tải trọng khỏi không chắn sức kháng sau sử dụng công cụ lý thuyết xác suất để đảm bảo mức quy định an toàn Hình cho thấy đồ thị hàm mật độ xác suất hiệu ứng tải trọng, Q, sức kháng, R Điều kiện an toàn kết cấu hiệu ứng tải trọng phải nhỏ sức kháng (Q < R) 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 Giới thiệu Các quy định tiêu chuẩn 22TCN272-05 dùng phương pháp luận thiết kế theo hệ số tải trọng hệ số sức kháng (LRFD) Các hệ số lấy từ lý thuyết độ tin cậy dựa kiến thức thống kê tải trọng tính kết cấu Tiêu chuẩn 22TCN272-05 chất tiêu chuẩn Mỹ, chúng không phản ánh hết điều kiện đặc thù Việt Nam Từ kết thiết kế, thi công đóng (ép) cọc số công trình cầu thực tế Việt Nam tác giả nhận thấy sức chịu tải thực tế cọc có chênh lệch nhiều so với thiết kế Vấn đề đặt phải xem lại cách thống kê đầy đủ hệ số sức kháng áp dụng quy trình để cọc thiết kế vừa kinh tế, vừa đảm bảo chất lượng phù hợp với điều kiện Việt Nam Kết báo phân tích hệ số sức kháng cọc đơn chịu tải dọc trục công trình cầu sở số liệu thí nghiệm trường vùng Bạc Liêu cách ứng dụng lý thuyết độ tin cậy, từ đề xuất sử dụng hệ số hợp lý trọng Thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải 2.1 Nguyên lý Thiết kế cọc phụ thuộc vào tải trọng khả chịu tải Cả tải trọng khả chịu tải có nguồn mức độ không chắn khác Thiết kế công trình khứ bù trừ cho điều không chắn cách sử dụng kinh nghiệm phán đoán chủ quan Mặt khác, bất trắc định lượng phương pháp dựa xác suất nhằm đạt thiết kế thiết kế với mức độ phù hợp độ tin cậy Hình Hàm mật độ xác suất tải trọng Q sức kháng R – Hiệu ứng tải trọng, Q; – Sức kháng, R; – Miền xảy phá hoại; μ Q ≡ Q͞; μ R ≡ R͞; Theo 22-TCN 272-05: Mỗi cấu kiện liên kết phải thỏa mãn biểu thức với trạng thái giới hạn, [1] ∑η i γ i Q i ≤ ϕ· R n = R r (1) = hệ số tải trọng : hệ số nhân dựa thống kê γi dùng cho ứng lực ϕ = hệ số sức kháng: hệ số nhân dựa thống kê dùng cho sức kháng danh định = hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến ηi tính dẻo, tính dư tầm quan trọng khai thác = ứng lực; Q u = γ·Q n ; Qi = sức kháng danh định Rn = sức kháng tính toán, R r = ϕ· R n Rr 2.2 Ưu điểm LRFD Từ năm 1920, hai nhà khoa học Nga N F Khotsialov and N S Streletskii đề xuất khái niệm dùng xác suất hư hỏng tiêu chí để thiết kế kết cấu Kinh nghiệm cho thấy việc áp dụng tiêu chuẩn thiết kế dựa xác suất dẫn đến tiết kiệm chi phí sử dụng hiệu vật liệu Sự cải thiện độ tin cậy đánh giá việc áp dụng LRFD thiết lập để mang lại độ tin cậy tương đương cao so với tiêu chuẩn Trang trước Theo Ayyub áp dụng AISC-LRFD tiết kiệm từ 5% đến 30% lượng thép thiết kế tàu thủy Trong ngành xây dựng chưa có thống kê vấn đề Một số lợi ích thiết kế cọc áp dụng LRFD [2]: Tiết kiệm chi phí thiết kế có độ tin cậy hài hòa Xử lý tốt yếu tố không chắn Bảng 3: Sức chịu tải cọc theo đất từ kết tính toán Tên Phương Schmertmann 22 TCN Tên mố, pháp α (T) 18-79 cầu trụ (T) (T) T3 48,54 53,54 122,95 T4 66,68 70,70 118,55 Cái T5 55,52 48,28 89,15 Keo T6 58,99 50,08 91,97 MB 60,54 54,77 99,13 2.3 Chỉ số độ tin cậy β MA 70,29 73,58 184,62 Thường xác định xác suất phá hoại gián tiếp thông qua T1 62,30 61,52 142,64 Rạch số độ tin cậy, ký hiệu β Giá trị β cho biết giá trị trung T2 67,26 68,16 158,81 ḡ) nằmCóc cách xa an bình lượng dự trữ an toàn µ g ( T3ranh giới 67,11 69,41 163,50 toàn lần độ lệch chuẩn σ g [3] T4 66,27 69,36 173,29 β = μ g /σ g (3) Nhận xét: phương pháp tính theo 22 TCN 18-79 (TCVN 205:1998) – cho kết lớn so với phương pháp α cách tính Schmertmann SPT 3.2 Sức chịu tải cọc tính theo độ chối Theo độ chối 183 cọc BTCT tiết diện (40x40) cm (được đóng từ ngày 17/08/2011 đến ngày 18/11/2011), Nguyễn Văn Thùy Lê Bá Khánh xác định sức chịu tải cọc theo công thức động [4] Hình Một minh họa hàm mật độ xác suất (g (R, Q)), biên an toàn số độ tin cậy, β (σ g = độ lệch chuẩn g (R, Q)) Nếu R Q phân phối chuẩn tính số β theo công thức: β= µ R − µQ σ R2 + σ Q2 (3) Bảng 4: Sức chịu tải cọc tính theo độ chối e [4] Độ chối Sức chịu tải STT Tên cọc Ngày đóng e (mm) cọc (T) CK-T3-01 10/9/2011 0.280 88.49 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 độ chối, sức chịu tải cọc xác định cách nhanh chóng Tuy nhiên cần lưu ý tượng chối giả 3.3 Xác định hệ số sức kháng Tính toán sức chịu tải cọc Bài báo tập trung nghiên cứu hệ số sức kháng dựa số liệu khảo sát cầu Cái Keo cầu Rạch Cóc thuộc dự án cải tạo, nâng cấp tuyến đường An Phúc – Gành Hào - Bạc Liêu Trong báo này, sức chịu tải dọc trục cọc theo đất tính toán theo phương pháp α, theo cách tính Schmertmann theo 22TCN 18-79 (tính theo phụ lục A, xác định sức chịu tải theo tiêu lý đất (theo SNiP 2.20.03.85) 3.1 Sức chịu tải cọc theo tiêu đất SPT Theo tiêu lý, tiêu cường độ kết SPT đất hai công trình cầu Cái Keo Rạch Cóc, Nguyễn Văn Thùy Lê Bá Khánh xác định sức chịu tải cọc thể bảng [4] Khái niệm hệ số sức kháng Theo 22-TCN 272-05: Hệ số sức kháng hệ số chủ yếu xét đến biến thiên tính chất vật liệu, kích thước kết cấu tay nghề công nhân không chắn dự đoán sức kháng, liên hệ đến thống kê tải trọng thông qua trình hiệu chỉnh [1] 3.3.1 Phương pháp xác định hệ số sức kháng Phương pháp xác định hệ số sức kháng xác định quy luật phân bố thống kê đại lượng ngẫu nhiên sức kháng (R) hiệu ứng tải trọng (Q), từ thông qua phân tích độ tin cậy quãng an toàn (G = R-Q) với số độ tin cậy mục tiêu cho trước xác định hệ số sức kháng [5] 3.3.2 Khi xét tĩnh tải hoạt tải, φ xác định [3] λR ( φ= ( λDQD QL γ DQD QL + γ L) 2 + COVQL (1 + COVQD ) (1 + COVR2 ) 2 + λQL ) exp{βT ln[(1 + COVR2 )(1 + COVQD + COVQL ) (2) Trang Trong đó: λ R : Hệ số thể độ phân tán số liệu γ D , γ L : Các hệ số tải trọng cho tĩnh tải hoạt tải, lấy γ D = 1,25; γ L = 1,75 (Q D / Q L ): Tỷ số tĩnh tải Q D hoạt tải Q L COV R : Biến thiên sức kháng xác định theo kết tính kết đóng cọc COV QD , COV QL : Biến thiên tĩnh tải hoạt tải λ QD , λ QL = Hệ số độ phân tán tĩnh tải hoạt tải (dead and live load bias factors) β T : Chỉ số độ tin cậy mục tiêu, thể xác suất xảy phá hủy tải trọng vượt sức kháng Tỷ số (Q D / Q L ) không ảnh hưởng nhiều đến φ lấy (Q D / Q L ) = [3] Xác định hệ số sức kháng cho cọc cầu Cái Keo, Rạch Cóc R m : Là sức chịu tải theo đất cọc thu từ kết đóng cọc trường R p : Là sức chịu tải theo đất cọc từ công thức tính toán Từ kết đo đạc, tham số tỷ số (R m / R p ) cho trường hợp tính sức chịu tải cọc (theo α, Schmertmann theo 22TCN 18-79) xác định Theo biểu thức (2), với số độ tin cậy mục tiêu β T = 2,33 (tương ứng với xác xuất phá hủy tải trọng vượt sức kháng P f = 1%), kết tính toán hệ số sức kháng trình bày bảng Hình Mật độ phân phối R m /R p theo Schmertmann SPT 3.3.3 Hình Mật độ phân phối R m /R p theo 22 TCN18-79 Bảng Hệ số sức kháng ứng với sức chịu tải cọc Giá trị trung bình, µ Độ lệch chuẩn, σ COV R = σ/µ Chỉ số độ tin cậy, β = µ/σ 22TCN 272-05 Schmertmann 22 TCN 18-79 1.426 1.440 0.685 0.234 0.164 0.282 0.196 0.214 0.313 6,09 5,10 3,20 Từ kết đo đạc tính toán Nguyễn Văn Thùy Lê Bá Khánh tiến hành khảo sát mật độ phân phối R m /R p theo cách tính khác [4] Hình Quan hệ hệ số sức kháng β T theo cách tính 3.4 Đánh giá, bàn luận kết quả: - Chỉ số độ tin cậy β trường hợp tính lớn nhiều so với số độ tin cậy β T = 2,33 tương ứng với xác xuất phá hủy tải trọng vượt sức kháng Pf = 1% hay xác suất an toàn Ps = 99%, nên cách tính đáng tin cậy, cách tính theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 (Phương pháp α) cách tính Schmertmann SPT có kết đáng tin cậy Hình Mật độ phân phối R m /R p theo 22TCN 272-05 - Hệ số sức kháng xác định từ việc tính toán sức chịu tải cọc lớn so với bảng tra qui trình 22TCN 272-05 Đối với đất sét: ma sát thành bên mũi cho hệ số sức kháng φ = 0,7 λ v = 0,7x0,8 = 0,56; đất cát: ma Trang sát thành bên mũi có hệ số sức kháng φ = 0,45 λ v = 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 cọc phương pháp tra bảng 22TCN 18-79 (TCVN 205:1998) 0,59 gần sát với với bảng tra từ qui trình 22TCN 272-05 đất sét: ma sát thành bên mũi cho hệ số sức kháng φ = 0,7 λ v = 0,7x0,8 = 0,56, sức chịu tải tính toán thu có kết lớn so với phương pháp lại - Chỉ số độ tin cậy β T ảnh hưởng lớn đến hệ số sức kháng - Cách tính Meyerhof tập thể nhiều tác giả (Schmertmann, Lai, Graham, McVay, v.v ) sửa đổi bổ xung liên tục để áp dụng cho loại cọc đúc sẵn, loại đất với độ tin cậy cao Cách tính ban đầu đặt tên SPT91, SPT94, SPT97, v.v Sau đó, để thống nhất, người ta gọi cách tính Schmertmann [6] Kết luận Qua nội dung trình bày, phân tích đánh giá kết khảo sát từ công trình cầu lớn huyện Đông Hải, tỉnh Bạc Liêu, có số kết luận sau: - Hệ số sức kháng theo phương pháp α Tomlinson cách tính Schmertmann SPT cọc đóng BTCT lớn so với qui định 22TCN 272-05 - Hệ số sức kháng xác định từ việc tính toán sức chịu tải cọc phương pháp tra bảng 22TCN 18-79 (TCVN 205:1998) 0,59, xấp xỉ giá trị φ = 0,7 λ v = 0,7x0,8 = 0,56 đất sét khuyến cáo 22TCN 272-05 Tuy nhiên phương pháp tra bảng phương pháp bán xác suất, nên không phù hợp triết lý thiết kế theo LRFD Tài liệu tham khảo [1] Bộ Giao thông vận tải, Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 27205, Nhà xuất 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 cọc đơn chịu tải dọc trục công trình cầu lý thuyết độ tin cậy, ĐH Bách khoa TP HCM, 2013 [5] N C Phương, Phân tích yếu tố ảnh hưởng sở xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu khu vực thành phố Hồ Chí Minh, ĐH Giao thông vận tải Hà nội, 2014 [6] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái, Thí nghiệm đất trường ứng dụng phân tích móng, Hà nội: Khoa học kỹ thuật, 2006 - Khuyến khích dùng cách tính Schmertmann SPT để xác định sức chịu tải cọc có nhiều thuận lợi phù hợp điều kiện khảo sát trường Trang