phân tích kết quả để chọn giải pháp tính toán cho cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vđkt ở vùng đất hiệp phước nhà bè

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong bộ môn đòa cơ nền móng,
quý Thầy Cô đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong ba học kỳ
qua. Hôm nay, với những dòng chữ này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
nhất.
Em xin chân thành cám ơn Thầy PGS. TS. Võ Phán, người Thầy đã tận tình
hướng dẫn, giúp em đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ nhiều tài liệu, kiến
thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Em xin chân thành cám ơn các Thầy GS. TSKH. Lê Bá Lương, GS.TS.
nguyễn Văn thơ, TS. Châu Ngọc n, TS. Lê Bá Vinh, TS. Bùi Trường Sơn, TS.
Nguyễn Minh Tâm, TS. Trà Thanh Phương, TS. Trần Xuân Thọ và các thầy cô
trong bộ môn đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, đã tạo điều kiện tốt nhất cho
em học tập và nghiên cứu khoa học, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho
em nhiều tư liệu cần thiết.
Xin chân thành cám ơn các Ban chủ nhiệm khoa Kỹ Thuật Xây Dựng,
Phòng Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
trong suốt quá trình học tập.
Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy, Cô và Gia đình lòng biết ơn sâu sắc.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009
Học viên
NGUYỄN VÕ NGỌC HUY



TÓM TẮT


Xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho kỹ sư ngành Địa kỹ thuật Xây

dựng những thách thức lớn. đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn,
tải trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho
xưởng v.v…
Giải pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật để xử lý nền đất yếu
xây dựng nhà kho, nhà xưởng. Học viên nghiên cứu cụ thể trên địa chất khu vực Hiệp
Phước huyện Nhà Bè để tìm ra biểu đồ quan hệ giữa tải trọng với chiều cao đệm H,
khoảng cách giữa các cọc s và kích thước mũ cọc a dựa trên phương pháp phần tử hữu
hạn (FEM) ứng dụng của phần mềm Plaxis 2D.
Dùng phương pháp phần tử hữu hạn cho kết quả kinh tế nhất so với việc sử dụng
các công thức giải tích lý thuyết để tìm ra lực căng lớn nhất trong vải địa kỹ thuật. Để
thiên về an toàn, tác giả đề nghị sử dụng phương pháp của Jones để tìm ra chuyển vị
tương đối giữa cọc và đất cũng như lực căng lớn nhất trong vải địa gia cường. Phương
pháp lý thuyết theo Marston (BS8006, 1995) cho kết quả chênh lệch quá lớn so với các
phương pháp còn lại, quá thiên về an toàn nhưng lãng phí, cần xem xét kỹ lưỡng khi
sử dụng phương pháp này.
Sử dụng kết quả nghiên cứu để chọn khoảng cách cọc s, mũ cọc a, chiều cao đệm
H hợp lý cho phương án cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ kết hợp vải địa gia cường
đầu cọc. So sánh hiệu quả kinh tế với phương án gia tải trước bằng bấc thấm thì
phương án cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật là kinh tế hơn và thời gian thi
công là ngắn hơn.




ABSTRACT

The design constructions on weak foundation soils is a challenge to the
geotechnical engineer. Especially, with major load constructions, dynamic load such
as port construction, traffic construction and station yard….
Method of the concrete piles with minor session include the geosynthetic

reinforcement to handle by construction on weak foundation soils. Student research
into geology of Hiep Phuoc – Nha Be district to find out the diagram between loading
and height buffer H, space of piles and pile cap by using a finite element program –
Plaxis 2D.
By using a finite element method (FEM) take more economical results than using
theory formulas. In order to safe, student suggest using Jones’s method to find out
relative settlement between piles and weak soils, the maximun tensor straight of
geosynthetic reinforcement. Marston’s method (BS8006, 1995) results more different
than other method; it is more safe but wasting, need to be considered carefully when
using this method.
By using the results to choose space of piles, pile cap, height buffer H suitable for
method of the concrete piles with minor session include the geosynthetic
reinforcement, which is more economical and saving time than preloading using
prefabricated vertical drains method.




MỤC LỤC



LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC 4
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG CỐT
THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 4
1.1. Giới thiệu chung: 4
1.2. Phương pháp phân tích mức độ hiệu ứng vòm: 10
1.3. Hệ số suy giảm ứng suất: 11

1.4. Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Ratio, n) 12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT)
TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 13
2.1. Cọc BTCT tiết diện nhỏ: 13
2.1.1. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý 14
2.1.2. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu 15
2.1.3. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền 15
2.1.4. Tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền. 16
2.1.5. Ma sát âm: 20
2.1.6. Kiểm tra ổn định của đất nền dưới mũi cọc 21
2.2. Cơ sở lý thuyết về vải địa kỹ thuật: 21
2.2.1. Kiểm tra điều kiện ổn định trượt đất đắp trên vải địa kỹ thuật: 24
2.2.2. Sự liên kết giữa vải địa kỹ thuật với đất 24
2.3. Cọc BTCT tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật 25
2.3.1. Giới thiệu chung 25
2.3.2. Nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng vòm trong đất: 26
2.3.3. Cơ chế truyền lực: 39
2.3.4. Sự phân bố ứng suất: 41
2.3.5. Lý thuyết hiệu ứng màng: 41
2.3.6. Thiết kế hệ cọc: 54
2.4. Nhận xét 59



CHƯƠNG 3: SO SÁNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THEO PHƯƠNG PHÁP
LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) CỌC BÊ
TÔNG TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VĐKT KHU VỰC NHÀ BÈ 60
3.1. Giới thiệu 60
3.2. Địa chất khu vực Hiệp Phước – Huyện Nhà Bè 60
3.2.1 Giới thiệu chung: 60

3.2.2 Địa chất Hiệp Phước – Nhà Bè: 60
3.3. Cọc Bê tông tiết diện nhỏ kết hợp VĐKT xử lý cho nền nhà kho nhà xưởng khu
vực Hiệp Phước – Huyện Nhà Bè. 66
3.3.1 Mô hình bài toán 66
3.3.2 Nghiên cứu phân tích tính toán bằng phần mềm Plaxis 66
3.3.3 So sánh và phân tích kết quả tính toán 71
3.3.4 Nhận xét và kết luận về kết quả so sánh giữa phương pháp lý thuyết và
phần mềm Plaxis 73
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐỂ CHỌN GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN
CHO CỌC BÊ TÔNG TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VĐKT Ở VÙNG ĐẤT
HIỆP PHƯỚC NHÀ BÈ 75
4.1. Giới thiệu 75
4.2. Phân tích và so sánh kết quả: 75
4.2.1. Phân tích kết quả giữa mối tương quan độ lún lệch ∆S với tải trọng ngoài
q khi chiều cao H thay đổi 75
4.2.2. Phân tích kết quả giữa mối tương quan độ lún lệch ∆S với H khi tải trọng
ngoài q thay đổi 83
4.2.3. Phân tích mối tương quan giữa hệ số tập trung ứng suất n với tải trọng
ngoài q tác động khi thay đổi chiều cao H 89
4.2.4. Nhận xét và kết luận 94
4.3. So sánh hiệu quả kinh tế với phương pháp gia tải trước kết hợp bấc thấm 95
4.3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán bằng gia tải trước kết hợp bấc thấm: 95
4.3.2. Tính toán gia tải trước kết hợp bấc thấm kho bãi Hiệp Phước – Nhà Bè : 98
4.3.3. Tính toán cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật gia cố nền kho
bãi khu vực Hiệp Phước – Nhà Bè bằng phần mềm plaxis: 103
4.3.4. So sánh hiệu quả kinh tế giữa phương pháp cố kết nền giả tải trước kết
hợp bất thấm và phương pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ
thuật 110

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 112
I. Kết luận 112
II. Kiến nghị 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO 114




- 1 -
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu:
Việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho kỹ sư ngành Địa Kỹ Thuật
những thách thức lớn, đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn, tải
trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho
xưởng v.v…
Có nhiều phương pháp gia cố nền đất yếu như gia tải trước bằng cọc cát hoặc bất
thấm, cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, cọc bêtông, sàn giảm tải v.v…,
nhưng giải pháp cọc bê tông kết hợp vải địa kỹ thuật là chưa phổ biến ở Việt Nam, và
cũng chưa có quy trình quy phạm để hướng dẫn áp dụng.
Việc nghiên cứu giải pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật để
xây dựng nhà kho, nhà xưởng trên nền đất yếu với diện tích lớn, tác giả nghiên cứu cụ
thể trên địa chất khu vực huyện Nhà Bè để tìm ra mối quan hệ tương hổ giữa tải trọng
với độ lún lệch giữa cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ và nền đất yếu xung quanh,
cũng như các mối liên hệ giữa chiều cao đắp đến khoảng cách giữa các cọc, nghiên
cứu hiệu quả truyền tải trọng của hiệu ứng vòm trong nền đất đắp tác dụng lên đầu cọc
khi kết hợp vải địa kỹ thuật đặt trên đầu cọc.
Để đánh giá hiệu quả của phương pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa
kỹ thuật, tác giả sẽ so sánh hiệu quả kinh tế với một phương pháp khác như gia tải

trước bằng bấc thấm để nền có thể chịu được tải trọng là 100kN/m
2
.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
• Nghiên cứu ứng xử và phân bố lại ứng suất trong nền đất yếu gia cố hệ cọc bê
tông cốt thép tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật cường độ cao trên đầu cọc, từ
đó phân tích ổn định và biến dạng của nền đất, xây dựng các mối quan hệ giữa tải
trọng nền đắp với độ lún lệch, độ lún lệch với khoảng cách cọc v.v…


- 2 -
• Ứng dụng vào việc tính toán thiết kế ổn định nền cho các nhà kho, nhà xưởng,
kho bãi xây dựng trên vùng đất Hiệp Phước - Nhà Bè.
• So sánh hiệu quả kinh tế với phương án gia tải trước bằng bấc thấm chịu tải trọng
công trình là 100kN/m
2
.
3. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về việc tính toán và kiểm tra sức chịu tải của cọc
BTCT, tính toán ổn định nền công trình đắp và kiểm tra khả năng chịu kéo của vải địa
kỹ thuật, về sự phận bố lại ứng suất trong nền cát gia cố cọc bê tông tiết diện nhỏ kết
hợp vải địa kỹ thuật, từ đó áp dụng tính toán thiết kế gia cố nền nhà kho, nhà xưởng,
bến bãi.
Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis để phân tích ổn định biến dạng của nền đất yếu
gia cố bằng cọc tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật.
Ứng dụng công cụ phần mềm máy tinh để so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật với
phương án sự dụng phương pháp gia tải nền đất yếu bằng gia tải trước bằng bấc thấm.
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Việc bố trí lớp vải địa kỹ thuật trên đầu cọc phân cách lớp đất yếu với đệm cát
bên trên, hiệu ứng vòm trong đêm cát xuất hiện sẽ phân bố lại ứng suất giúp truyền tải

trọng ngoài vào đầu cọc, giảm tải trọng tác dụng lên nền đất yếu.
5. Giá trị thực tiễn của đề tài
Phương pháp gia cố này sẽ giúp cho nền giảm sự lún lệch giữa cọc và nền, và
biến dạng của nền cho phép trong phạm vị nhất định. Quá trình thi công không phức
tạp, hiệu quả kinh tế cao, nên khuyến khích áp dụng để gia cố nền đất yếu rộng rãi
trong thời gian sắp tới ở nước ta và nói riêng ở vùng Hiệp Phước - Nhà Bè trong công
cuộc xây dựng khu công nghiệp, khu dân cư, khu đô thị mới.


- 3 -
6. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phương pháp gia cố nền bằng cọc tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật làm phân
bố lại ứng suất trong nền cát bên trên lớp vải địa kỹ thuật, truyền tải trọng bên trên lên
đầu cọc xuống tầng đất tốt bên dưới, nhưng không làm tăng cố kết của nền đất bên
dưới, nên việc lựa chọn phương pháp gia cố nền cần xem xét tính chất và quy mô của
công trình bên trên.
Trong phạm vi giới hạn của luận văn chỉ so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật với
phương pháp gia cố nền bằng gia tải trước bằng bấc thấm, không so sánh hiệu quả
kinh tế kỹ thuật với các phương pháp gia cố nền khác, nên việc vận dụng lựa chọn
phương pháp gia cố nền cần được xem xét và tính toán kỹ lưỡng.


- 4 -
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP
VẢI ĐỊA KỸ THUẬT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

1.1. Giới thiệu chung:
Để thi công công trình nền đường đắp cao, kho xưởng bến bãi tải trọng lớn trên
nền đất yếu có nhiều biện pháp cải tạo đất nền khác nhau như: phương pháp gia tải

trước bằng cọc cát hoặc bấc thấm, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian gia tải, chi
phí gia tải là không nhỏ, phương pháp sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp sàn giảm
tải, phương pháp này chi phí xây dựng rất lớn, chỉ có thể áp dụng cục bộ cho một bộ
phận công trình, như đường vào cầu, nhà kho với quy mô nhỏ. các phương pháp khác
như cải tạo đất bằng cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, phương pháp này
cần đảm bảo chất lượng của vật liệu và công nghệ thi công nên việc thực hiện cũng
khó khăn và cần nghiên cứu kỹ v.v…
Reid và Buchanan (1983) đã sớm sử dùng hệ cọc để truyền tải trọng nền đường
xuống tầng đất có đủ khả năng chịu lực bên dưới, sử dụng hệ cọc này có nhiều lợi ích
như xây dựng công trình nhanh chóng, hạn chế tối đa độ lún nền đấp, giảm tối thiểu bề
rộng lề đường. Hewlett và Randolph (1988) đã phát triển và sử dụng tấm màng trải
trên đỉnh cọc, giúp tăng khoảng cách giữa các cọc, tăng tối đa hiệu quả kinh tế. Tùy
theo mức độ công trình mà có thể sử dụng hệ cọc là cọc bê tông, cọc đá, cọc vôi, cọc
đất trộn ximăng, cọc gỗ v.v…
Phương pháp sử dụng hệ cọc gia kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường trên đầu cọc
trong nền đất yếu đã đạt được nhiều thành công trên nhiều nước. Vải địa kỹ thuật gia
cường với độ bền chịu kéo cao sẽ làm giảm độ lún lệch, tăng khả năng mang tải và ổn
định mái dốc trong nền đất yếu. Hệ cọc kết hợp vải địa kỹ thuật (GRPS : Geosynthetic


- 5 -
Reinforced Pile Supported) sử dụng vải địa kỹ thuật gia cường cách ly là tăng hiệu
suất của sự truyền tải vào cọc mà không làm tăng độ lún lệch giữa các mũ cọc.
Han (1999), đã khảo sát một vài dự án và nhận thấy rằng tải trọng nền đắp truyền
vào mũ cọc đạt từ 60-70%, trong hệ thống GRPS với số lượng cọc chiếm khoảng 10 -
20%, trong GRPS thì kích thước cọc sẽ giảm nhỏ, mũ cọc và khoảng cách cọc lớn,
điều này làm giảm giá thành so với các phương án thi công khác và tiến độ thi công sẽ
nhanh hơn.
Sự truyền tải trọng từ nền đắp xuống nền có GRPS là sự kết hợp hiệu quả của hiệu
ứng vòm trong nền đắp, sự gia tăng độ cứng và sự tập trung ứng suất. Hơn nữa, hiệu

quả của sự truyền tải trọng này tùy thuộc vào số lượng lớp tấm gia cường, độ chịu kéo
của tấm gia cường. Cơ chế truyền tải trọng được định nghĩa như sau:
1. Terzaghi (1943) đã định nghĩa hiệu ứng vòm trong nền đắp là sự truyền áp lực
đất từ khối đất mềm hơn vào khối đất cứng hơn bên cạnh. Khi trong nền đất có hệ
cọc thì khối đất bên trên có xu hướng chuyển dịch ứng suất vào vị trí trên đầu
cọc, ứng suất cắt phát triển giữa khối đất đứng yên và khối đất có xu hướng
chuyển gây ra sự truyền một phần tải trọng của nền đắp vào hệ cọc.
2. Sự tập trung ứng suất: do độ cứng khác nhau giữa cọc và đất yếu xung quanh cho
kết quả là ứng suất tập trung trên đỉnh cọc theo phương thẳng đứng lớn hơn so
với ứng suất truyền vào đất. Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration
Ratio_n), là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ của hiệu ứng vòm và
được Han và Gabr (2002) định nghĩa là tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào cọc
σ
p
với tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào đất nền σ
s
.
3. Ứng suất kéo trong cốt gia cường: Ứng suất kéo phát triển trong vải địa kỹ thuật
gia cường là kết quả của sự biến dạng phát triển khác nhau giữa độ lún của nền
đất yếu và hệ cọc. Khi lực kéo gia tăng trong cốt gia cường, hiệu ứng màng sẽ
giúp nâng đỡ lớp đắp bên trên và truyền tải trọng xuống hệ cọc.


- 6 -
Khi kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường đầu cọc, thì hiệu ứng vòm và hiệu ứng
màng giúp làm tăng hiệu quả của phương pháp này.

Hình 1.1 Sử dụng hệ cọc gỗ kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường nền đường Kyoto

Hình 1.2: Thi công cọc gỗ nền đường ở Gorinchem, Hà Làn (2007)

- 7 -
1,0m
2,7m
2,6
÷
3,0m
Đỉnh nền cứng
Cọc gia cố nền
Nền đắp
Nhà xưởng
Mũ cọc
Mặt đất tự nhiên
3 lớp vải đòa
kỹ thuật

Hình 1.3 Gia cố nền nhà xưởng bằng hệ thống cọc bê tơng cốt thép kết hợp vải địa
kỹ thuật (Han và Akins, 2002)

Vải đòa kỹ thuật
Đất đắp
Bản mặt cầu
Cọc dưới mố cầu
Đất yếu
Cọc gia cố nền
Cọc gia cố nền

Hình 1.4 Gia cố đường vào cầu bằng hệ cọc kết hợp vải địa kỹ thuật (Reid và
Buchanan, 1984)

- 8 -

Hình 1.5 Hệ cọc nền đường xe bus ở Hà Lan (2007)

Hình 1.6 Vải địa kỹ thuật gia cường trên đầu cọc – đường xe bus (HàLan 2007)


- 9 -

Hình 1.7 Đường xe lửa trên hệ thống cọc kết hợp vải địa kỹ thuật
(Alexiew và gartung, 1999)

Hình 1.8 Trải VĐKT trên mũ cọc gia cố nền


- 10 -

1.2. Phương pháp phân tích mức độ hiệu ứng vòm: [6]
Để đánh giá khả năng làm việc hệ cọc gia cố nền đất yếu kết hợp vải địa kỹ thuật
trên đầu cọc thông qua hiệu ứng vòm của đất hoặc sự truyền tải trọng thẳng đứng trên
cọc được nguyên cứu bởi bốn thông số cơ bản sau:
• Hệ số ứng suất tác dụng lên cọc
σ
σ
p
CSR =
(1.1)

• Hệ số suy giảm ứng,
σ
σ
s
SRR = (1.2)
• Hệ số tập trung ứng suất,
s
p
n
σ
σ
= (1.3)
• Tính hiệu quả,
σ
σ
sc
a
E =
(1.4)
Trong đó:
qH
+
=
γ
σ
(1.5)
σ
p
: ứng suất tác dụng vào mũ cọc
σ

s
: ứng suất tác dụng vào đất nền
σ : ứng suất của lớp đệm và tải ngoài tác động vào nền
γ : dung trọng nền đắp
H : chiều cao nền đắp
q : tải trọng ngoài
Tỷ số chuyển đổi diện tích :
sp
p
s
AA
A
a
+
=
(1.6)
A
p
: Diện tích cọc
A
s
: Diện tích của phần đất được liên kết với cọc


- 11 -
1.3. Hệ số suy giảm ứng suất: [6]
Hệ số giảm ứng suất SRR nhằm đánh giá mức độ hiệu quả của việc sử dụng hệ cọc
gia cố trong nền đất và đã được nhiều nhà nghiên cứu đưa ra nhiều công thức khác
nhau và được tổng hợp ở bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các phương pháp xác định hệ số SRR

Phương pháp Hệ số giảm ứng suất SRR (Stress Reduction Ratio)
BS8006
H > 1.4(s-a)
(
)
()














−
−
−⋅⋅⋅
=
'
22
22
4.1
v
pfs

T
as
as
asfs
W
σ
σγ

0.7(s-a) ≤ H ≤ 1.4(s-a)
()














−
−
⋅
=
'
22

22
'
v
p
v
T
as
as
s
W
σ
σ
σ

'2
2
v
p
a
s
σ
σ
≤ W
T
= 0
2
'







=
H
aC
c
v
p
σ
σ

Terzaghi
()
(
)








−
⋅⋅⋅
−
=
−
⋅⋅⋅−

22
'tan4
22
1
'tan4
as
KaH
sr
e
KaH
as
S
φ
φ

Hewlett &
Rendolph
Đỉnh :
(
)
(
)
()
(
)
(
)
()
32
12

2
32
12
2
11
12
−
−
⋅
−
+








−
−
⋅−






−=
−

p
p
p
p
K
sr
K
K
H
as
K
K
H
s
s
a
S
p

Đất:
()








−+















+






−−






−









+
=
−
2
2
1
1111
1
2
1
s
a
K
s
a
s
a
s
a
K
K
S
p

K
p
p
sr
p

Guido
23H
as
SRR
−
=

Swedish
()
s
col
soil
s
a
E
E
a
SRR
−+
=
1
1

- 12 -
1.4. Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Ratio, n) [15]
Hệ số tập trung ứng suất n là một thơng số quan trọng để đánh giá mức độ của
hiệu ứng vòm và được Han và Gabr (2002) định nghĩa là tỷ số giữa ứng suất tác dụng
vào mũ cọc với ứng suất tác dụng vào đất nền được trình bày ở cơng thức (1.3)
Khi n = 1 thì khơng có hiệu ứng vòm. Khi giá trị n càng lớn thì mức độ xuất hiện
vòm đất càng lớn. Khi mức độ hiệu ứng vòm nhỏ thì phần lớn tải trọng nền đắp sẽ tác
dụng vào đất nền, chuyển vị tương đối giữa cọc và nền đất ∆S lớn ảnh hưởng đến bề
mặt đất nền, chênh lệch độ lún lớn ảnh hưởng đến q trình sử dụng bình thường của
cơng trình nền đắp. Tuy nhiên, giá trị hệ số tập trung ứng suất n q lớn, thì hầu hết tải
trọng nền đường sẽ truyền vào đầu cọc và giá thành xây dựng cơng trình sẽ cao.
σp
σs
τ
τ
σp
τ
τ
Đỉnh nền đắp
Vải đòa kỹ thuật
Mũ cọc
Cọc
Mặt cắt
Đất nền
∆S

Hình 1.2 ứng suất cắt trong nền đắp có xu hướng truyền tải trọng vào mũ cọc

- 13 -
CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT) TIẾT DIỆN
NHỎ KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

2.1.Cọc BTCT tiết diện nhỏ: [8],[9],[10],[11]
Cọc BTCT tiết diện nhỏ là cọc có chiều rộng b ≤ 250mm, được thi công bằng
phương pháp đóng hoặc ép.
Cọc BTCT đúc sẵn có mác không nhỏ hơn 250, trong điều kiện địa chất và thi công
phức tạp nền dùng bê tông có mác từ 300 – 350.
Được tính toán theo hai trạng thái giới hạn sau:
• Trạng thái giới hạn thứ nhất theo khả năng chịu tải của cọc trong đất nền, độ bền
của kết cấu cọc và đài cọc. Tính toán theo trạng thái này ứng với tải trọng tác dụng
tính toán, có xét đến các chỉ tiêu tính toán của đất và cường độ tính toán của vật
liệu làm cọc.
• Trạng thái giới hạn thứ hai theo độ lún của móng cọc do tải trọng thẳng đứng gây
ra, đặc biệt là độ lún lệch. Sự hình thành và mở rộng vết nứt trong cọc bê tông cốt
thép, độ lún ảnh hưởng qua lại của công trình mới và công trình lân cận.
Tính toán móng cọc và nền đất theo trạng thái giới hạn cần đảm bảo các điều kiện:
• Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất:
P
m
≤ Q
a
(2.1)
Trong đó : P
m
: tải trọng tính toán trên một cọc của công trình truyền xuống

Q
a
: sức chịu tải tính toán của cọc


- 14 -
• Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai:
S ≤ S
gh
(2.2)
∆S ≤ ∆S
gh
(2.3)

i ≤ i
gh
(2.4)

Trong đó :S và S
gh
: độ lún và độ lún giới hạn
∆S và ∆S
gh
: độ lún lệch và độ lún lệch giới hạn
i và i
gh
: góc xoay và góc xoay giới hạn
2.1.1.Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý
Sức chịu tải cho phép của cọc đơn, theo đất nền, được tính:
tc

tc
a
K
Q
Q =
(2.5)
Trong đó: Q
a
- sức chịu tải cho phép tính toán theo đất nền
Q
tc
- sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền của cọc đơn;
K
tc
- Hệ số an toàn phụ thuộc vào số lượng cọc trong móng;
Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc ma sát thi công bằng phương pháp đóng có bề
rộng tiết diện đến 0,8m, chịu tải trọng nén, được xác định theo công thức:
Q
tc
= m(m
R
q
p
A
p
+ u∑m
f
.

f

si
l
i
) (2.6)

Trong đó: q
p
và f
s
- cường độ chịu tải ở mũi và ma sát bên của cọc,


- 15 -
m
R
, m
f
- Hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc và ma sát ở mặt
bên có kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc
2.1.2.Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu
Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặc chịu kéo khi cọc
bị nhổ, sức chịu tải của cọc có thể tính toán được theo công thức sau:
Q
VL
= ϕ.A
p
.R
vl
(2.7)
Trong đó: Q

VL
: sức chịu tải của cọc theo vật liệu
A
p
: diện tích tiết diện ngang của cọc
R
vl
: cường độ chịu nén tính toán của vật liệu làm cọc
ϕ : hệ số ảnh hưởng bởi độ mảnh cọc
Với cọc bê tông cốt thép, sức chịu tải cực hạn của cọc theo vật liệu xác định theo
công thức thanh chịu nén có xét đến uốn dọc. Sự uốn dọc được xét như tính cột trong
tính toán bê tông.
Q
a
= ϕ(A
p
.R
n
+ A
at
.R
at
) (2.8)
Trong đó: R
at
: sức chịu kéo hay nén cho phép của thép
R
n
: sức chịu nén cho phép của bêtông
ϕ : hệ số xét đến ảnh hưởng của uốn dọc phụ thuộc độ mảnh

2.1.3.Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền
Sức chịu tải cực hạn (Q
u
) gồm tổng sức chống cắt cực hạn giữa đất và vật liệu
làm cọc ở mặt bên cọc (Q
s
) với sức chịu cực hạn của đất ở mũi cọc (Q
p
)


- 16 -
Q
u
= Q
s
+Q
p
(2.9)
dzuQ
L
ss
∫
=
0
τ (2.10)
Q
p
= A
p

q
p
(2.11)
Hoặc Q
u
= A
s
.f
s
+ A
p
.q
p
(2.12)
Với A
s
– diện tích xung quanh cọc tiếp xúc với đất
Sức chịu tải cho phép của cọc
p
p
s
s
a
FS
Q
FS
Q
Q += hoặc
FS
Q

Q
u
a
= (2.13)
Với FS, FS
s
, FS
s
lần lượt là hệ số an toàn chung, an toàn cho mũi cọc và thân cọc,
thường được chọn từ 2 ÷ 3, tùy theo loại tổ hợp tải trọng.
2.1.4.Tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền. [1]
v SỨC CHỊU MŨI CỦA ĐẤT DƯỚI MŨI CỌC Q
p

a. Theo phương pháp Terzaghi
Là phương pháp cổ điển nhất ước lượng sức chịu mũi do Terzaghi và Peck đề
nghị sử dụng các công thức bán thực nghiệm, được phát triển trên cơ sở các công thức
sức chịu tải của móng nông, với sơ đồ trượt của đất dưới mũi cọc tương tự như sơ đồ
trượt của đất dưới móng nông.
(
)
γ
γγπ NRNDcNRq
pqfcpp
6,03,1
2
++=
cho cọc tròn bán kính R
p
(2.14)

(
)
γ
γγ NBNDcNDq
pqfcp
4,03,1
2
++= cho cọc vuông cạnh B
p
(2.15)


- 17 -
Terzaghi đề nghị sử dụng các hệ số N
c
, N
q
, N
γ
được thiết lập cho móng nông tiết
diện tròn và vuông:













−






+
=






−
1
24
cos2
cot
2
24
3
2
ϕπ
ϕ

ϕ
ϕπ
tg
c
e
gN
(2.16)






+
=






−
24
cos2
2
24
3
2
ϕπ
ϕ

ϕπ
tg
q
e
N
(2.17)
ϕ
ϕ
γ
tg
K
N
p








−= 1
cos2
1
2
(2.18)
Với K
p
hệ số áp lực bị động của đất tác động lên mặt nghiêng của nêm nén chặt
dưới đáy móng.

Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của nền cọc cho thấy khu vực ảnh
hưởng bởi lực ma sát của cọc lan rộng dần từ trên mặt đất đến chiều sâu tới hạn Z
c
và
kéo dài xuống mũi cọc, ở mũi cọc phạm vi ảnh hưởng ngang khoảng bằng ba lần
đường kính cọc và phạm vi nền của mũi cọc khoảng 2D dưới mũi cọc và 4D trên mũi
cọc.

4D
2D
D

Hình 2.1 Mô hình vùng phá hoại nền dưới mũi cọc thị nghiệm bởi
Hansch trên mô hình Taylor - Schneebeli


- 18 -
b. Phương pháp Meyerhof:
Đối với sức chịu tải đơn vị diện tích của phần đất nằm dưới đáy các móng sâu và
móng cọc, công thức có xét tới hình dạng và chiều sâu chôn móng thường được diễn tả
dưới dạng:
'''
qep
NqcNq += (2.19)
Sức chịu tải cực hạn đất nền ở mũi cọc có thể viết dưới dạng:
(
)
'''
qcpppp
NqcNAqAQ +== (2.20)

Phương pháp Meyerhof xác định các hệ số N’
c
, N’
q
. Sức chịu tải ở mũi cọc trong
đất nền, đặt biệt là cát, gia tăng theo chiều sâu cọc chôn trong lớp cát chịu tải và đạt
cực đại khi tỷ số
(
)
cr
D
L
D
L
b
=
L
b
L
D
Ñaát yeáu
L=L
b
D

Hình 2.2 Sơ đồ chọn chiều dài cọc, ngàm vào đất L
b

Với L
b

: chiều sâu cọc cắm trong đất tốt
D : cạnh cọc.


- 19 -
c. Phương pháp Vesic:
Vesic(1973) đã hiệu chỉnh các hệ số N
c
, N
q
, N
γ
mà Terzaghi đã đưa ra trước đó.
Điểm khác nhau giữa hai mô hình chứng minh của Vesic và Terzaghi là góc
nghiêng của nêm nén chặt dưới đáy móng, theo Terzaghi thì góc này là α =ϕ, còn
Vesic nhận xét từ thực nghiệm cho rằng a = 45
o
+ϕ/4. Hệ số sức chịu tải theo Vesic
có dạng:
ϕπ
ϕ
tg
q
etgN







+=
2
45
2
(2.21)
(
)
ϕgNN
qc
cot1−=
(2.22)
(
)
ϕ
γ
tgNN
q
12 +=
(2.23)
v THÀNH PHẦN CHỊU TẢI DO MA SÁT XUNG QUANH CỌC Q
s
:
Thành phần Q
s
có thể xác định bằng cách tích phân lực chống cắt đơn vị f
s
của
đất – cọc trên toàn bộ mặt tiếp xúc của cọc và đất, lực chống cắt này cho bởi biểu thức
Coulomb:
f

s
= c
a
+ σ’
h
tgϕ
a
= c
a
+ K
o
σ’
v
tgϕ
a
(2.24)
Với c
a
: lực bám dính giữa cọc và đất
ϕ
a
: góc ma sát giữa cọc và đất.
σ’
h
: ứng suất pháp tuyến hữu hiệu tại mặt bên của cọc, tính theo công
thức σ’
h
=K
s
σ’

v
= K
o
γ’z
K
o
: hệ số áp lực ngang, hệ số này rất khó xác định chính xác. Có nhiều
cách khác nhau trong việc ước lượng giá trị hệ số áp lực ngang: