nghiên cứu dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép và đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng đối với công trình lân cận

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
Ép nh: L c ép c tác d ng t nh c c n c c xu ngđỉ ự đượ ụ ừđỉ ọ đểấ ọ ố
Ép ôm: L c ép c tác d ng t hai bên hông c c do ch u ma sát t o nênự đượ ụ ừ ọ ấ ạ
ép c c xu ngđể ọ ố
LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
C : Lực dính
C
u
: Sức kháng cắt khụng thoỏt nước
C
v
: Hệ số cố kết
D : Đường kính tiết diện cọc
e : Hệ số rỗng
E : Mô đun biến dạng
G : Độ bão hòa
I
d
: Chỉ số dẻo
n : Độ rỗng
ϕ : Góc ma sát trong
OCR : Hệ số quá cố kết
R : Bán kính tiết diện cọc
S : Khoảng cách tính từ tim cọc
W : Độ ẩm tự nhiên
W
d

: Độ ẩm giới hạn dẻo
W
ch
: Độ ẩm giới hạn chảy
∆U : Áp lực nước lỗ rỗng
ν : Hệ số Poisson
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề:
Hiện nay móng cọc được sử dụng khá phổ biến, đặc biệt là đối các công trình
cầu, công trình dân dụng cao tầng hoặc công trình xây dựng trên nền đất yếu. Các
nghiên cứu về móng cọc hiện nay chủ yếu tập trung vào việc đánh giá khả năng
chịu tải của cọc và độ lún của công trình. Trong đó lý thuyết nghiên cứu, các
phương pháp tính toán, các công thức lý thuyết và thực nghiệm đã đạt phù hợp với
điều kiện thực tế về nền đất, ứng xử của nền đất với công trình và cấu trúc địa tầng
ở Việt Nam
Mặc dù có sự chú ý đặc biệt dành cho các vấn đề xây dựng liên quan đến móng
cọc trong các thập kỉ qua, nhưng các vấn đề liên quan đến tác động của thi công cọc
đối với các cọc lân cận và công trình xung quanh ít được nghiên cứu.
Trong thực tế đã xảy ra nhiều sự cố do ảnh hưởng của công tác thi công cọc ép.
Một trong những hiện tượng được coi là nguy hiểm cho công trình khi sử dụng cọc
ép là hiện tượng trồi của đất, hiện tượng này có thể xảy ra bởi sự dịch chuyển của
thể tích đất bị cọc chiếm chỗ. Nếu như sự trồi lên của đất nền là đáng kể thì công
trình lân cận có thể bị biến dạng hoặc bị bị nghiêng. Hiện tượng trồi đất có thể gây
ảnh hưởng đến các cọc đã thi công trước đó, làm chuyển dịch cọc, gãy cọc hoặc
giảm khả năng chịu tải của cọc gây mất an toàn cho công trình. Vì vậy yêu cầu
nghiên cứu về hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn là cần thiết. Nội
dung chính của đề tài là: “Nghiên cứu dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép
và đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng đối với công trình lân cận”.

2. Mục tiêu của Đề tài:
- Nghiên cứu hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn, với trọng tâm
là cọc thi công bằng phương pháp ép;
- Dự báo độ trồi của đất nền do ảnh hưởng của thi công ép cọc;
- Khảo sát các yếu tố có ảnh hưởng đến độ trồi của đất, như các đặc trưng của
cọc và đất nền;
- Khảo sát và đề xuất một số biện pháp làm giảm thiểu độ trồi của đất.
5
• Nghiên cứu hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn, với trọng
tâm là cọc thi công bằng phương pháp ép;
• Dự báo ảnh hưởng của hiện tượng trồi đất với các công trình lân cận cũng như
đối với cọc đã thi công trước;
• Đề xuất một số biện pháp làm giảm thiểu tác động của trồi đất đối với công trình
lân cận.
6
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn:
- Đối tượng nghiên cứu: Độ trồi của nền do thi công cọc
- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép;, Khảo
sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ trồi của đất; Phân tích và so sánh kết quả quan
trắc độ trồi của đất với các phương pháp tính toán dự báo độ trồi tại một số điều
kiện địa chất cụ thể ở Việt Nam.
4. Phương pháp nghiên cứu:
a. Nghiên cứu lý thuyết: Đã tiếp thu và sử dụng 3 phương pháp để tính toán dự báo
độ trồi:
- Phương pháp giải tích của Baligh (1984) và của Chow và Teh (1990).
- Phương pháp phần tử hữu hạn (áp dụng phần mềm GeoSlope office, Mô đun
Sigma/W).
b. Nghiên cứu thực nghiệm: Quan trắc và phân tích độ trồi của đất do ảnh hưởng
của ép cọc tại 3 công trình ở khu vực Hà Nội và Hà Nam để đánh giá độ tin cậy của
các phương pháp tính toán lý thuyết.

Sử dụng hai phương pháp để tính toán dự báo:
• Phương pháp giải tích: Sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết của
Baligh (1984) và Phương pháp của Chow và Teh (1990).
• Phương pháp số: Dùng phương pháp phần tử hữu hạn – Phần mềm
GeoSlope office, Mô đun Sigma/W.
5. Cấu trúc của Luận văn:
Nội dung của Luận văn được sắp xếp thành các phần sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng trồi đất do thi công cọc
1.1. Tổng quan về công nghệ thi công cọc
7
1.2. Ảnh hưởng của cọc ộp lờn đất
1.3. Hiện tượng đất trồi do thi công cọc chuyển dịch lớn
Chương 2: Một số phương pháp tính toán dự báo
2.1. Phương pháp của Baligh (1984)
2.2. Phương pháp của Chow và Teh (1990)
2.3. Phương pháp số (Phần mềm Sigma/W)
2.4. So sánh các phương pháp dự báo
2.5. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến độ trồi bằng phần mềm Sigma
2.6. Nhận xét
Chương 3: Dự báo độ trồi của đất do thi công cọc ép trong một số điều kiện đất
nền ở Viờt Nam
3.1. Trung tâm thương mại Hà Đông
3.2. Công trình: Nhà máy Kéo sợi và dệt may Hà Nam
3.3. Tòa nhà hỗn hợp nhà ở Văn phòng CT2 Hà Đông
3.4. Khảo sát một số biện pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng của độ trồi đến công trình
lân cận
Kết luận và kiến nghị
8
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG TRỒI ĐẤT DO THI CÔNG CỌC
1.1. Tổng quan về công nghệ thi công cọc
1.1.1. Giới thiệu:
Móng cọc là loại múng sõu, thường được sử dụng để truyền tải trọng công trình
qua các lớp đất yếu xuống các lớp đất có khả năng chịu tải trọng cao nằm ở độ sâu
lớn.
Cọc có thể được phân loại theo một số tiêu chí, như:
- Theo vật liệu làm cọc: Bê tông cốt thép, thép và gỗ;
- Theo phương pháp thi công: Cọc ép, rung, đóng, khoan nhồi, v.v.;
- Theo phương thức làm việc: Chống, ma sát, chống kết hợp với ma sát;
- Theo mức độ chuyển dịch: Chuyển dịch lớn, chuyển dịch nhỏ và thay thế.
Các nghiên cứu trong luận văn đề cập đến cọc chuyển dịch lớn. Thông thường
cọc chuyển dịch lớn là cọc chế tạo sẵn được hạ vào trong đất bằng phương pháp
đóng, rung hoặc ép. Việc hạ cọc làm đất bị đẩy ra xung quanh và gây chuyển vị
ngang cũng như chuyển vị thẳng đứng của đất xung quanh cọc.
1.1.2. Công nghệ thi công cọc chuyển dịch lớn
1.1.2.1. Cọc đóng
a. Thiết bị đóng cọc : Dựng búa để đóng cọc, hầu như bất kỳ loại búa nào
cũng cần có hệ trụ dẫn hướng (Lead) có tác dụng hướng cho búa rơi đỳng tõm cọc
và giữ vị trí của cọc đúng chỗ trong quá trình đóng.
Phương pháp này thường gây chấn động và tiếng ồn lớn, và có thể gặp khó
khăn khi đóng cọc qua các lớp cứng xen kẹp do cọc bị nứt hoặc gãy. Để giảm chấn
động và trợ giúp quá trình đóng cọc, có thể dựng cỏc biện pháp: khoan mồi trước
khi đóng hoặc xối nước ở mũi cọc. Tuy nhiên những biện pháp này làm giảm khả
năng chịu tải của cọc. Biện pháp khoan mồi có thể làm giảm đáng kể sức khỏng bờn
9
của cọc, còn biện pháp xối nước mũi cọc sẽ phá hoại lớp đất mũi cọc làm giảm sức
kháng dưới mũi cọc.
 Các loại búa đóng cọc gồm có:
- Búa rơi tự do: Búa được kéo lên bằng cẩu, sau đó thả cho rơi tự do. Loại này

thường có chiều cao rơi búa lớn, vận tốc lúc va chạm cũng lớn vì vậy thường gây
hư hỏng đầu cọc. Loại búa này hiện nay ít được sử dụng ở nước ta.
- Búa hơi : Loại này được nâng lên bằng áp lực hơi nước và chiều cao rơi búa
H là cố định. Loại này cũng ít được sử dụng do tiếng ồn và hiệu suất đóng cọc thấp.
- Búa diesel : Được đẩy lên bằng năng lượng sinh ra khi nhiên liệu diesel
cháy. Chiều cao búa rơi H là thay đổi phụ thuộc vào sức kháng của đất. Nhược điểm
là gây tiếng ồn lớn và sinh khói làm ô nhiễm môi trường.
Búa diesel gồm 2 loại song động và đơn động.
 Đơn động : Là búa được đưa lên cao nhờ năng lượng do diesel cháy đến độ
cao yêu cầu rồi được thả rơi tự do xuống và đập vào hệ mũ cọc. Sức khỏng lờn cọc
càng lớn thì áp lực do diesel phát nổ càng lớn, làm cho chiều cao rơi búa của nhát
kế tiếp sẽ càng lớn. Do vậy mà loại ép cọc này ít được sử dụng do tiếng ồn quá lớn
khi đốt cháy diesel trong quá trình thi công.
 Song động : Là búa rơi nhanh hơn tốc độ rơi tự do, do trong quá trình thi
công bỳa cũn được đẩy nhanh thêm bằng một áp lực (dung dịch hoặc khí – thông
thường là áp lực khí đốt).
 Búa thuỷ lực : Là loại búa hiện đại, búa được nâng lên bằng năng lượng thuỷ
lực, chiều cao rơi búa H thay đổi. Là loại búa được áp dụng rộng rãi hiện nay do
khắc phục được tiếng ồn và hiệu quả đóng cọc cao. Tuy nhiên, trong quá trình thi
công vẫn gây rung nờn khụng được áp dụng biện pháp này trong khu vực đô thị.
b. Chọn búa đóng cọc : Cần chọn búa phù hợp để sao cho dễ đóng mà không
gây hại cho cọc. Thông thường chọn búa đóng cọc là : Chọn búa to cọc nhỏ. Tuy
nhiên, nếu chọn bỳa quỏ lớn so với cọc thì ứng suất phát sinh trong cọc có thể vượt
quá giới hạn bền của vật liệu dẫn đến hư hỏng cọc.
10
c. Các biện pháp giảm ảnh hưởng do đóng cọc đến công trình lân cận :
Khi đóng cọc, sóng chấn động sẽ lan truyền trong lòng đất đến các công trình
lân cận. Để hạn chế các tác động bất lợi đối với công trình lân cận, có thể áp dụng
các biện pháp :
- Giảm chấn động tại nguồn;

- Giảm chấn động tại khu vực cần bảo vệ.
1.1.2.2. Cọc ép
Cọc ép là cọc được hạ bằng năng lượng tĩnh, không gây nên xung động lên
đầu cọc.
Cọc được ép bằng kích thủy lực và hệ đối trọng (giống như công tác nén tĩnh
cọc). Để cọc thắng được sức cản của đất và được hạ tới độ sâu thiết kế, tải trọng ép
ở đầu cọc phải vượt sức kháng cực hạn P
u
của đất nền. Phương pháp này khắc phục
được tiếng ồn của phương pháp đóng cọc. Hiện nay phương pháp ép cọc được sử
dụng để thi công cọc nhỏ (bề rộng tiết diện 20 cm) đến cọc tiết diện tương đối lớn
(cọc ống đường kính 80 cm). Chiều dài đoạn cọc ép thay đổi từ 2m đối với cọc nhỏ
đến 16 m hoặc hơn nữa đối với cọc ống.
Trong thi công ép cọc để cọc không bị phá hoại do vật liệu thì phải tính toán
rất cẩn thận lực ộp bờn của má trấu vào thân cọc tránh hiện tượng cọc bị ép vỡ .
 Ưu điểm của phương pháp ép cọc:
- Không gây ra tiếng ồn;
- Không gây ra chấn động cho các công trình khác;
- Khả năng kiểm tra chất lượng tốt hơn: từng đoạn cọc được ép thử dưới lực
ép và ta xác định được sức chịu tải của cọc thông qua lực ép cuối cùng.
 Nhược điểm của phương pháp ép cọc:
- Khi cọc dài phải nối cọc: Mối nối là một điểm liên kết yếu trong thân cọc,
khó đảm bảo độ thẳng đứng nên sẽ giảm sức chịu tải và có thể bị gãy cọc khi ép;
- Không dễ dàng xuyên qua được lớp đất cứng tương đối dày;
11
- - Dịch chuyển của đất xung quanh cọc có thể đẩy trồi đất, làm nứt, góy hoặc
nghiờng cỏc cọc lân cận.
 Phương pháp ép cọc và chọn máy ép cọc
Ép cọc thường dùng 2 phương pháp:
Ép đỉnh: Lực ép được tác dụng từ đỉnh cọc để ấn cọc xuống

Ưu điểm:
- Toàn bộ lực ép do kích thủy lực tạo ra được truyền trực tiếp lên đầu cọc nên
cọc chỉ chịu tải trọng dọc trục.
- Thiết bị thi công tương đối đơn giản.
Nhược điểm:
- Cần phải có hai hệ khung giá. Hệ khung giá cố định và hệ khung giá di động,
với chiều cao tổng cộng của hai hệ khung giá này phải lớn hơn chiều dài một đoạn
cọc: nếu 1 đoạn cọc dài 6m thì khung giá phải từ 7 ữ 8m mới có thể ép được cọc. Vì
vậy khi thiết kế cọc ép, chiều dài một đoạn cọc phải khống chế bởi chiều cao giỏ ộp
trong khoảng 6 – 8m
Ép ôm: Lực ép được tác dụng từ hai bên hông cọc do chấu ma sát tạo nên để
ép cọc xuống
Ưu điểm:
- Do biện pháp ép từ 2 bên hông của cọc, máy ép không cần phải có hệ khung
giá di động, chiều dài đoạn cọc ép có thể dài hơn.
Nhược điểm:
- Tải trọng ép cọc truyền sang cọc thông qua các chấu ma sát nên cọc bề mặt
cọc không được gồ ghề, ván khuôn cọc phải là loại chuyên dùng;
- Thiết bị ép cọc phức tạp hơn so với thiết bị ép đỉnh.
1.2. Ảnh hưởng của cọc ộp lờn đất:
Phương pháp thi công cọc có ảnh hưởng mạnh đối với ứng xử của đất trong
quá trình thi công cọc và khi cọc chịu tải trọng của công trình. Phương pháp thi
12
công cũng quyết định mức độ ảnh hưởng lờn cỏc công trình xung quanh, bao gồm
các chuyển vị không mong muốn, rung, hoặc thậm chí là sự hư hại kết cấu công
trình.
Ảnh hưởng của cọc chuyển dịch nói chung và của cọc ép nói riêng lên đất
thể hiện chủ yếu ở sự phát triển của áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị của đất ở
xung quanh. Theo De Mello (1969) ảnh hưởng của việc hạ cọc bao gồm:
• Sự thay đổi cấu trúc cục bộ của đất quanh cọc.

• Sự thay đổi của trạng thái ứng suất của đất trong vùng lân cận cọc.
• Sự phát triển và tiêu tán áp lực lỗ rỗng dư ở quanh cọc.
• Biến dạng của đất quanh cọc.
1.2.1. Ảnh hưởng đối với sức kháng cắt của đất và khả năng chịu tải của cọc
[2]

Những nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của cọc ộp lờn đặc tính đất được
thực hiện bởi Housen và Berki (1948) và Cuminh, Kerkhop, Petc(1950) dựa trên
những số liệu thử tải tới phá hoại được thực hiện trên cọc tại những thời điểm khác
nhau sau khi chúng được thi công. Có thể thấy rằng sức kháng cắt khụng thoỏt nước
của đất bắt đầu giảm một cách rõ rệt khi hạ cọc, nhưng sau đó được phục hồi đáng
kể trong thời gian kể từ khi ép cọc đến khi thí nghiệm. Sức kháng cắt của đất tăng vì
sự kết hợp của 2 yếu tố: Sự phục hồi liên kết keo của đất và sự tăng sức kháng do cố
kết của đất sau khi áp lực lỗ rỗng nước dư được tiêu tán.
Ngoài sự phục hồi liờn kết keo của đất, tốc độ tăng khả năng chịu tải của đất
liên quan tới tốc độ tiêu tán của áp lực lỗ rỗng dư. Dữ liệu của Soderberg (1962)
cho thấy sự tăng lên của khả năng chịu tải tới hạn của cọc liên quan mật thiết với
tốc độ tiêu tán của áp lực lỗ rỗng dư theo thời gian (Hình 1.1). Có thể dự đoán thời
gian phát triển sức chịu tải nếu biết áp lực lỗ rỗng dư phát triển quanh cọc, và tốc độ
tiêu tán áp lực lỗ rỗng này.
13
Hình 1.1. Quan hệ giữa khả năng chịu tải với thời gian - Soderberg (1962)
[2]
1.2.2. Áp lực lỗ rỗng phát triển trong quá trình thi công cọc
[2]
.
Một số đo đạc áp lực lỗ rỗng dư phát triển trong đất đã được thực hiện; ví dụ,
Bjerrum (1958), Bjerrum và Johannessen (1960)… Kết quả quan trắc áp lực lỗ rỗng
tại mặt bên cọc trong nhiều tài liệu đã cho thấy rằng áp lực lỗ rỗng dư có thể bằng
hoặc thậm chí lớn hơn ứng suất hữu hiệu do tải trọng tầng phủ. Tuy vậy, áp lực lỗ

rỗng dư giảm nhanh theo khoảng cách từ cọc và bị tiêu tán rất nhanh.
Tóm tắt một số kết quả quan trắc sự thay đổi của áp lực lỗ rỗng dư theo
khoảng cách kể từ mặt bên cọc đơn được cho trong hình 1.2. Áp lực lỗ rỗng dư ∆u
được biểu diễn dưới dạng không thứ nguyên theo tỷ số ∆u/σ’, trong đó σ’ là ứng
suất hữu hiệu thẳng đứng trong đất, trong khi khoảng cách xuyên tâm r từ cọc được
biểu diễn thông qua tỷ số r/R, với R là bán kính cọc. Sự phân tán của kết quả quan
trắc được đánh giá là do sự khác nhau của độ nhạy của đất, trong đó áp lực lỗ rỗng
lớn hơn ứng với đất nhạy hơn.
14
Hình 1.2. Sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng
[2]
Trong khu vực lân cận cọc, áp lực lỗ rỗng dư phát triển rất nhanh, trong vài
trường hợp đạt tới 1.5 đến 2 lần ứng suất hữu hiệu thẳng đứng. Dữ liệu của Airhart
(1969) cho thấy rằng gần đầu cọc, thậm chí áp lực lỗ rỗng phát triển lớn hơn,
khoảng 3 đến 4 lần ứng suất hữu hiệu thẳng đứng. Khi tỷ số r/R > 4 đối với đất sét
thường, và r/R > 8 đối với đất sét nhạy, có sự giảm rất nhanh của áp lực lỗ rỗng dư
và đối với r/R > 30 thì mức tăng áp lực lỗ rỗng hầu như không đáng kể.
Dự tính mức tăng áp lực lỗ rỗng
Một số phương pháp đã được phát triển để dự đoán phân bố áp lực lỗ rỗng dư
quanh cọc. Đối với áp lực lỗ rỗng gần bề mặt cọc, Lo và Stermac (1965) đưa ra biểu
thức áp dụng cho khoảng 1 lần bán kính quanh cọc. D’Appolonia và Lambs (1971)
thu được một dạng khác của công thức Lo và Stermac, đó là :
f
vo
u
o
vo
m
A
S

k
u
]
2
)1[(
''
σσ
+−=
∆
(1.1)
trong đó:
∆u
m
: Áp lực lỗ rỗng dư lớn nhất;
k
o
: Hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh;
S
u
: Sức kháng cắt khụng thoỏt nước của đất;
15
A
f
: Hệ số áp lực lỗ rỗng A tại lúc phá hoại;
σ
’
vo
: Ứng suất hữu hiệu ban đầu trong đất theo phương thẳng đứng.
Trong vùng phá hoại của đất quanh cọc, áp lực lỗ rỗng là lớn nhất và không
đổi, và việc ép những cọc gần kề chỉ làm tăng áp lực lỗ rỗng lên một chút. Bên

ngoài vùng phá hoại, áp lực lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách và tại khoảng
cách xuyên tâm khoảng 16 lần đường kính từ cọc thỡ nú hầu như không đáng kể
(hình 1.2). Việc ộp cỏc cọc gần kề làm phát triển áp lực lỗ rỗng trong vùng bên
ngoài này. Vì vậy, áp lực lỗ rỗng lớn nhất gây ra bởi việc ép một số cọc trên một
nền móng có thể được dự đoán đơn giản như là giá trị của ∆
um
từ biểu thức (1.1).
Nghiên cứu của Lo và Stermac (1965) đề nghị bán kính vùng phá hoại bằng khoảng
4 lần bán kính cọc.
Các phương pháp lý thuyết để ước lượng phân bố của áp lực lỗ rỗng dư theo
khoảng cách từ cọc được Nishida (1962) và Ladanyi (1963) nghiên cứu. Phương
pháp trước đây dựa trên phân tích trong môi trường đàn dẻo, trong khi đó, phương
pháp sau này là hệ quả của lý thuyết về sự mở rộng của một lỗ hổng hình trụ trong 1
khối đặc với trạng thái ứng suất - biến dạng khụng thoát nước của đất. Phương pháp
sau linh hoạt hơn và phản ánh trung thực hơn ứng xử của đất. Hơn nữa, nó dựa trên
chi tiết của các đường ứng suất - biến dạng trong phòng thí nghiệm, độ tin cậy của
chúng là không cao do bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như sự xáo trộn trong lấy mẫu
thử và điều kiện ứng suất ban đầu của mẫu.
Để ước lượng phân bố áp lực lỗ rỗng dư:
• Biểu thức Lo và Stermac được dùng để thu áp lực lỗ rỗng lớn nhất ∆u
m
, từ bề
mặt cọc tới khoảng cách S. Dựa trờn hình 1.2 và những phân tích của Nishida
(1962), khoảng cách r biến thiên từ 3R đến 4R đối với đất sét kém nhạy, tới 8R đối
với đất sét nhạy.
• Bên ngoài khoảng cách r, áp lực lỗ rỗng dư được coi như là biến thiên nghịch
đảo bình phương của khoảng cách r từ cọc:
16
2
/







∆=∆
r
R
uu
m
(1.2)
Sự biến thiên nghịch đảo được dự đoán từ lý thuyết đàn hồi, bởi Ladanyi và
Nishida (1962).
• Đối với nhóm cọc, phân bố áp lực lỗ rỗng quanh các cọc riêng lẻ có thể được
cộng tác dụng, ngoại trừ áp lực lỗ rỗng không thể vượt quá ∆um, như đã được Lo và
Stermac (1965) xác định.
1.2.3. Sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng dư
[2]
.
Một lời giải tương đối đơn giản cho tốc độ tiêu tán của áp lực lỗ rỗng dư quanh
cọc ép được đưa ra bởi Sodeberg (1962). Với giả thiết sự tiêu tán chỉ xảy ra theo
hướng xuyên tâm, sự tiêu tán theo phương thẳng đứng xảy ra quanh đầu cọc và mũi
cọc được bỏ qua. Công thức tương ứng cho cố kết là:
]
1
[
2
2
r

u
rr
u
c
t
u
h
∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
(1.3)
Trong đó:
c
h
: Hệ số 2 chiều của cố kết đối với thoát nước ngang;
u: Áp lực lỗ rỗng dư.
Công thức trên có thể được viết dưới dạng sai phân hữu hạn (Gibson và Lumb,
1953), và được giải cho điều kiện thoát nước thích hợp quanh cọc và phân bố áp lực
lỗ rỗng ban đầu. Lời giải cho sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng dư trên mặt cọc, đối với 1
cọc thấm, đã được Soderberg đề xuất, từ đó xác định dạng của phân bố áp lực lỗ
rỗng ban đầu có ảnh hưởng tương đối nhỏ đối với lời giải này.
Sự phục hồi sức kháng cắt hoặc lực dính sau khi ép cọc có thể được xét theo tốc
độ cố kết trong phạm vi hạn chế xung quanh cọc. Những lời giải cho điều kiện này
như trong hình 1.3, với giả sửgiả thiết rằng phân bố áp lực lỗ rỗng dư ban đầu như
được cho trong phần 1.2 và một vùng phá hoại có tỉ số khoảng cách r so với bán

17
kính cọc R bằng 3 và 5. Độ cố kết trong bán kính bằng R được đưa ra đối với cả cọc
thấm và không thấm.
Hình 1.3. Tốc độ cố kết trong khu vực lân cận cọc
[2]
Từ quan điểm thực tế, lời giải như trong hình 1.3 hầu hết sử dụng để ước lượng
khoảng thời gian tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư sau khi ép cọc.
Một phân tích chặt chẽ hơn về sự thay đổi ứng suất, áp lực lỗ rỗng, và cố kết tiếp
theo quanh cọc ép trong đất sét được Wroth (1979) đưa ra. Quỏ trỡnh ép cọc được
mô hình hóa như sự tạo ra 1 lỗ hổng hình trụ dài bởi chuyển vị đất xuyên tâm. Giá
trị của ứng suất và sự thay đổi áp lực lỗ rỗng thu được bằng phân tích phần tử hữu
hạn. Nó bao gồm tổng ứng suất và ứng suất hữu hiệu gần cọc ngay sau khi ép cọc
có thể liên quan trực tiếp đến sức kháng cắt khụng thoỏt nước ban đầu của đất, và
về cơ bản không phụ thuộc vào tỉ lệ quá cố kết. Trạng thái ứng suất cuối cùng sau
cố kết giống với trong 1 thử nghiệm Oedometer (K
o
).
1.3. 1.3. Biến dạng của đất quanh cọc
Cọc ép thường gây ra đất trồi quanh cọc, theo sau bởi cố kết của đất. Chuyển vị
này gây ra bởi cọc ép có thể có ảnh hưởng đáng kể lờn cỏc kết cấu xung quanh và
18
cũng có thể khiến các cọc đã được ép trước đó bị trồi lên trong quá trình ép những
cọc sau.
Từ những đo đạc dịch chuyển do cọc ép trong đất sét, Hagerty và Peck (1971)
kết luận rằng dịch chuyển đất đối với cọc ép trong đất sét nhạy bé hơn đối với cọc
tương tự trong đất kém nhạy, và khi cọc thi công vào địa tầng xen kẹp đất hạt mịn
và đất rời, độ trồi bề mặt quan sát được có thể nhỏ hơn nhiều so với độ trồi xảy ra
trong đất sét kém nhạy. Nếu ộp cỏc cọc đầu tiên quanh chu vi nền móng, độ trồi của
mặt đất tại tâm khu vực nền móng được tăng lên và tương ứng là của khu vực xung
quanh giảm xuống. Quan sát đồng thời các chuyển vị ngang cho thấy cọc ép có xu

hướng bị dịch chuyển xa khỏi chỗ ép tiếp sau, với những chuyển vị tiếp diễn sau khi
kết thúc việc ép cọc một khoảng thời gian dài. Ở chỗ có sự khác nhau về cao độ
trong khu vực thi công, cọc ép thường có xu hướng dịch đất về hướng khu vực có
cao độ thấp hơn.
Những ảnh hưởng của cọc ộp lờn đất được thể hiện ở hai phương diện:
• Sự biến dạng của đất quanh cọc, và
• Sự biến đổi đặc tính của đất.
Ba biểu hiện của ảnh hưởng do hạ cọc là hiện tượng đất trồi, cọc trồi và chuyển vị
ngang của đất.
1.3.1. 1.3.1. Hiện tượng đất trồi
[3]
:
Khi ép cọc, đất bị dịch chuyển theo các hướng, một phần trong số đất bị dịch
chuyển lên phía trên, bởi vì đất ít bị cản trở theo hướng này. Chuyển vị theo phương
thẳng đứng của đất trên bề mặt được gọi là hiện tượng trồi. Hiệu ứng này thường
được xem xét trong mối quan hệ giữa phần bị trồi lên trong vùng phụ cận cọc, và
trong một số ít trường hợp đã quan trắc được đất trồi quanh cọc.
Sự chuyển vị của đất quanh cọc được Cummings, Kerkhoff và Peck nghiên cứu
từ những năm 1950. Zeevaert, đã báo cáo một trường hợp đất trồi 13 in. (330 mm)
tại tâm của 1 nhóm cọc ép đến độ sâu khoảng 110 feet (33.5 mét) vào đất nguồn gốc
tro núi lửa. Trong đất có nguồn gốc từ tro núi lửa, cọc ép quay trở lại vị trí ban đầu
của nó rất nhanh, chỉ sau khoảng một tháng. Zeevaert đã đề xuất phân loại tương
19
đối về trạng thái của đất quanh cọc (hình 2.4). Đất ở cách cọc một khoảng bằng
đường kính cọc (trong vùng III) được coi như là không bị thay đổi trong quá trình
ép cọc ngoại trừ trường hợp chuyển vị do biến dạng dẻo tạm thời lên phía trên do áp
lực gây ra bởi thể tích đất bị dịch chuyển trong khi ép cọc.
Hình 1.4. Chuyển vị của đất xung quanh mũi cọc (Zeevaert, 1950)
[3]
Trong khoảng 2 thập kỉ tiếp theo, đã không có quan trắc đất trồi nào được

công bố. Sau đó Hagerty và Peck (1971) nghiên cứu đất trồi gây ra bởi cọc ép tại 16
công trường với nhiều loại đất khác nhau. Đất Độ trồi trung bình được chuẩn hóa
theo chiều dài của cọc được xác định tại 8 trong số 16 công trình như là 1 hàm số
của tỉ lệ tổng thể tích của cọc ép so với thể tích của đất gần hoặc bị vây quanh bởi
cọc (Hệ số biến dạng thể tích). Hệ số này (hình 1.5) cho thấy thể tích của đất dịch
chuyển trong nhóm cọc vào khoảng một nửa tổng thể tích cọc ép. Sự trồi lên của bề
mặt vì thế là một hàm số của chiều dài cọc.
20
Hình 1.5. Đất trồi do ép cọc (Hagerty và Perk, 1971)
[3]
Tỷ lệ của tổng thể tích đất trồi với tổng thể tích cọc ép trong khu vực thiết kế
của nền móng được tính ra vào khoảng 50% bởi Cummings (1950) dành cho cọc bê
tụng đúc tại chỗ ép vào đất sét. Orrje và Broms (1967) thì tính ra giá trị 40% cho
cọc bê tông đúc sẵn vào bựn sét. Rõ ràng, đất trồi bên ngoài khu vực múng gúp một
phần đáng kể vào tổng thể tích đất trồi, nhưng nó không được tính. Trái lại, nếu đất
trồi bên ngoài nhóm cọc được tính, Adams và Hanna (1971) tìm ra rằng đối với cọc
H bằng thép trong đất sét tảng lăn rắn, thể tích ép vào bằng thể tích trồi lên. Tương
tự, Massarch (1976) cũng công bố nghiên cứu về trường hợp 100%.
Nghiên cứu mô hình của Cooke và Price (1973) về chuyển vị của đất xung
quanh cọc đơn hạ vào đất sét London cho thấy hầu hết đất trồi xảy ra khi lúc cọc
bắt đầu xuyên qua vào khoảng 12 bán kính cọc (khoảng 1 mét). Dịch chuyển lớn
nhất trong khoảng 4 lần bán kính cọc tính từ trục cọc, và giảm dần theo bán kính.
Chuyển vị là rất nhỏ nhưng có thể đo được trong khoảng 20 lần bán kính tính từ
trục cọc.
Nghiên cứu tiếp theo tại cùng công trình được Cooke, Price và Tarr (1979)
công bố, với sự khác nhau ở chỗ đầu dò dịch chuyển dọc được đặt ở độ sâu 0.5 mét
bên dưới mặt nền. Những kết luận của họ thì hơi khác so với Cooke và Price
(1973). Dịch chuyển lên trên của đất tiếp tục xảy ra cho tới khi cọc xuyên vào đất
khoảng 24 bán kính cọc (khoảng 2 mét). Không có thay đổi nào đáng kể đối với đất
21

trồi gần cọc khi cọc ép vào đất quá 24 lần bán kính cọc. Những dịch chuyển lên trên
quan sát được về cơ bản giống với những gì Cooke và Price (1973) đã thu được
trước đó.
Trái lại, Randolph, Steenfelt và Wroth (1979) đã giới thiệu kết quả của những
thử nghiệm mẫu trong phòng thí nghiệm, sử dụng mẫu đất hình trụ tạo bằng cao
lanh speswhite và bị làm cứng một chiều. Mẫu thử được cắt làm đôi thành 2 mẫu
với mặt cắt ngang hình nửa hình tròn. Bề mặt theo chiều thẳng đứng của mỗi mẫu
thử thì được đánh dấu bằng các vạch chia độ và được đặt quay lưng vào 1 tấm nhựa
trong suốt đã được bôi trơn. 1 cọc bán trụ được đưa nhanh vào đất và được làm cho
phẳng bằng 1 tấm nhựa trong suốt. Quá trình đã đo được chuyển vị của đất. Kết quả
cho thấy rằng không có hiện tượng đất trồi. Điều này có thể được giải thích bởi đất
bị dồn vào những khoảng trống giữa mặt phẳng dọc của mẫu thử và tấm nhựa trong
suốt.
Sharp (1982) đã giới thiệu một vài kết quả quan trắc về đất trồi cho mỗi cọc
trong số 9 cọc được ép vào đất sét cứng ở Cowden, Hull. Cọc đầu mở và đầu kín
đường kính ngoài 200mm và 300mm đã được sử dụng. Những cọc nhỏ hơn có độ
dày w=9.5mm, còn lại có độ dày w=14.3mm. Các kết quả thu được cho cọc đầu kín
tương đối giống với kết quả của Cooke (1979). Các nhận xét sau được rút ra từ
nghiên cứu:
•Xác định biểu đồ quan hệ độ trồi của đất trồi với khoảng cách kể từ vị trí ép
cọc.
•Đất trồi lớn nhất gần thân cọc và còn rất nhỏ khi khoảng cách lớn hơn 20 bán
kính cọc tính từ trục cọc.
•Đất trồi trong khoảng 11 lần bán kính cọc tính từ trục cọc được tạo ra tại
khoảng xuyên sâu ban đầu tới 30 lần bán kính cọc. Sau khoảng này, chỉ có 1 phần
nhỏ đất trồi thờm (hỡnh 1.7). Có 1 độ đõm sõu tới hạn mà tại đó hầu hết đất trồi gần
cọc được sinh ra trong quá trình ép cọc.
22
Hình 1.6. Độ trồi của quanh cọcQuan hệ giữa độ trồi của đất và khoảng cách (Sharp,
1982)

[3]

Hình 1.7. Quan hệ giữa Độ độ trồii của đất quanh cọc và độ sâu ép cọc (Sharp, 1982)
[3]
1.3.2. 1.3.2. Hiện tượng cọc trồi
[3]
.
Sự trồi lên hoặc nâng lên của cọc do việc ộp cỏc cọc lân cận tiếp theo chủ yếu
là quan sát thực tế. Hiện tượng này xảy ra chủ yếu là khi số lượng lớn cọc được ép
gần nhau (mật độ bố trí cọc cao).
23
Có nhiều nghiên cứu về cọc trồi do ảnh hưởng của thi công các cọc lân cận,
điển hình là các nghiên cứu của Chellis (1962), Tomlinson (1963) và Terzaghi
(1967). Đối với các cọc đó, giải pháp xử lý chung là ép lại các cọc đã bị trồi lên.
Klohn (1961) giới thiệu số liệu quan trắc hiện trường cụ thể cùng với các phân tích
liên quan đến hiện tượng trồi. Tác giả cho rằng cọc trồi có thể là nguyên nhân dẫn
đến hư hỏng ở mức nghiêm trọng cho các cọc chống đã thi công trước đó và phải ép
lại tất cả các cọc đó ộp từ trước. Trong trường hợp các cọc ma sát, tác giả cho rằng
hiện tượng trồi không gây ảnh hưởng tiêu cực đối với khả năng chịu tải của cọc, do
đó việc ép lại cọc là không cần thiết.
Olko (1963) thông báo một trường hợp cọc trồi lớn nhất tới 11 in. (275 mm)
quan sát được ở cọc thép tiết diện H hạ vào đất sột từ trạng thái dẻo tới cứng tại độ
sâu 3 1/3 feet (1m). Các cọc tiếp tục trồi lên hơn 10 ngày sau khi việc ép cọc hoàn
tất. Tuy nhiên, Koulsoftas (1982) lại ghi nhận các kết quả đo đạc chứng tỏ mức độ
trồi là không đổi trong suốt 9 ngày sau khi hoàn thành việc ép cọc H vào 1 lớp cát
từ dày đến rất dày nằm trên 1 lớp đất bùn mỏng.
Từ những trường hợp lịch sử khác nhau, Cole (1972) tổng kết rằng mức độ
trồi phụ thuộc vào đường kính cọc và khoảng cách giữa các cọc hơn là loại đất
hoặc độ dài cọc. Mức trồi lên cuối cùng của một cọc là tổng giá trị của tất cả các sự
trồi lên riêng rẽ gây ra bởi việc ộp cỏc cọc lân cận. Có 1 mối quan hệ gần đúng giữa

cọc trồi và khoảng cách giữa các cọc được tính từ các dữ liệu lịch sử. Cọc trồi lớn
nhất khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ nhất và giảm dần khi khoảng cách cọc tăng.
Khi khoảng cách cọc bằng khoảng 20 lần bán kính cọc thì cọc trồi được coi như là
không đáng kể. Những kết quả của Clark (1981) cho thấy rằng cọc được ép với
khoảng cách bằng 18 lần bán kính cọc thỡ nú không ảnh hưởng đến những cọc được
ép trước đó. Trường hợp này tương đối giống với nghiên cứu của Cole (1972).
Trường hợp của Clark chỉ ra rằng cọc trồi xảy ra chủ yếu trong quá trình ộp cỏc cọc
phụ cận đến một độ sâu khoảng từ 16 đến 24 bán kính cọc. Bên dưới độ sâu này cọc
trồi là rất nhỏ. Phát hiện này trùng với Cooke, Price & Tarr (1979) và Sharp(1980).
Hagerty và Peck (1971) đã đề xuất 1 thủ tục đơn giản và gần đúng về mặt lý
thuyết để đánh giá độ trồi của cọc đã được ép. Thủ tục này dựa trên ý tưởng rằng:
24
cọc thẳng đứng nằm trong đất sẽ bị nâng lên bởi đất trồi tương đối dọc theo phần
trên của cọc, còn bên dưới một độ sâu nào đó, lực kéo xuống sẽ tác động. Độ sâu đú
(hỡnh 1.8) được xác định bằng cách cân bằng thế năng của lực đẩy lên và xuống
của phần trên và dưới của cọc một cách tương ứng. Cọc trồi được coi là liên quan
đến sự trồi lên của đất, nếu giả sửgiả thiết rằng không có sự trồi lên nào bên dưới
mặt cắt a-a.
Hình 1.8. Mô hình tính cọc trồi (Hagerty và Peck, 1971)
[3]
Đó là:
Cọc trồi =(L - d)(đất trồi)/L (1.4)
Massarsch (1976) chia cọc trồi trong đất ra thành 2 cơ chế khác nhau. Khi lực
đẩy cọc lên do đất trồi lớn hơn trọng lực của cọc, cọc sẽ trồi lên và có thể trồi lên
khỏi mặt đất trong quá trình ộp cỏc cọc phụ cận.
1.3.3. 1.3.3. Hiện tượng dịch chuyển ngang của đất
[3]
.
Hiện tượng dịch chuyển ngang của đất và cọc xảy ra trong quá trình ép cọc.
Những dịch chuyển này được quan sát bởi Hagerty và Peck (1971), và Adams và

Hanna (1971) nhưng hiệu ứng này không được coi trọng. Adams và Hanna (1971)
quan sát thấy những chuyển vị bề mặt ngang rất nhỏ bên ngoài rìa của một nhóm
cọc H bằng thép khoảng 5 feet.
25