Luận văn thạc sĩ xây dựng Ứng dụng công nghệ cọc franki trong điều kiện đất nền hà nội

bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học xây dựng
-----------***-----------

Bùi hồng cường

ứng dụng công nghệ cọc
franki
trong điều kiện đất nền
hà nội
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công
nghiệp
Mã số :
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học: PGS. Lê kiều

Hà Nội - 2006


Lời cảm ơn
Xin chân thành cảm ơn thầy: PGS. Lê Kiều, các Giáo sư, Phó Giáo
sư, Tiến sĩ, các thầy, cô trong khoa Đào tạo sau đại học Trường
Đại học Xây dựng - Hà Nội, các đồng nghiệp, bạn bè và người thân
đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này !

Hà nội, ngày tháng năm 2006.

Bùi Hồng Cường

Trang 1

Chương Mở đầu
Móng cọc là một trong những loại móng được áp dụng rng rãi nhất. Nó đã có
một lịch sử phát triển rất lâu đời. Cùng với những tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói
chung, móng cọc ngày càng được cải tiến và hoàn thiện.
Ngày nay, đi liền với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, sự phát
triển của kỹ thuật thi công cọc làm sản sinh không ngừng các loại cọc mới, điều
này càng mở ra cho việc thiết kế móng cọc nhà cao tầng, từ đó chúng ta có thể lựa
chọn các loại cọc có tính năng kỹ thuật cao, lợi ích kinh tế cao.
Hiện nay, ở nước ta, đang áp dụng một biện pháp cải thiện khả năng chịu tải của
cọc khoan nhồi, đó là phương pháp thổi rửa đáy và bơm vữa áp lực cao (Bottom
cleaning and grouting of pile), mở rộng đáy nhằm tăng cường khả năng chịu tải
của cọc đồng thời có thể áp dụng cho việc xử lý các sự cố, khuyết tật cọc khoan
nhồi, cọc barrette...
Ngoài biện pháp mở rộng đáy bằng phương pháp phun phụt vữa áp lực cao trên,
còn có các biện pháp mở rộng đáy khác áp dụng cho các dạng cọc khác nhau. Một
trong những dạng cọc được mở rộng đáy đặc trưng là dạng cọc Franki.
Cọc Franki đã được biết đến và sử dụng rộng rãi trên thế giới. Dạng cọc này đã
được phát triển vào những năm chuyển giao của thế kỷ bởi kỹ sư Frankignoul,
người Bỉ. Đây là một dạng cọc thi công đổ tại chổ, mở rộng đáy. Phương pháp thi
công cọc là phương pháp cọc đóng, do vậy nó có thể xuyên qua lớp đất cứng, đạt
tới độ sâu lớn. Nhờ công nghệ nén vách bê tông khô, đất xung quanh đáy cọc được
cải thiện và do đó khả năng chịu tải ban đầu của đất cũng được tăng lên đáng kể.
Đặc trưng của cọc Franki là mở rộng đáy. Được thi công đóng trong trục ống, do
vậy, cọc đảm bảo khả năng chịu tải của vật liệu, bao gồm cường độ của đất và khả
năng chịu tải của cọc được tăng lên nhiều so với các cọc tương tự có cùng kích
thước và độ sâu thiết kế.
Hiện nay, Thành phố Hà nội đang được quy hoạch và mở rộng, thành phố hiện

đang được ví như một công trường xây dựng rộng lớn, các nhà cao tầng, chung cư,
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 2
văn phòng làm việc,.....đang được xây dựng rộng rãi. Do vậy, việc nghiên cứu và
áp dụng công nghệ thi công cọc mới nói chung và cọc Franki nói riêng trong điều
kiện đất nền Hà nội là hợp lý, góp phần mở rộng các phương án lựa chọn kết cấu
móng cho các công trình, tuỳ theo từng địa điểm, quy mô và yêu cầu sử dụng.

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 1

Chương i: tổng quan về cọc franki
I. 1. Tổng quan:

I. 1. 1. Định nghĩa về cọc Franki:
Cọc Franki là một dạng cọc đóng trong ống, mở rộng đáy cọc. Quá trình thi
công mở rộng đáy cọc bằng phương pháp đóng, được thực hiện tại đáy cọc. Nhờ có
biện pháp thi công cọc trong ống, mở rộng đáy, do vậy chất lượng cọc đảm bảo,
khả năng chịu lực cao, kinh tế hơn so với các loại cọc khác tương tự có cùng kích
thước và chiều sâu hạ cọc.

Hình 1: Cọc Franki được mở rộng đáy
I. 1. 2. Lịch sử phát triển cọc Franki:
I. 1. 2. 1. Trên thế giới:

Cọc Franki đã được biết đến và sử dụng rộng rãi trên thế giới. Dạng cọc này đã
được phát triển vào những năm chuyển giao của thế kỷ bởi kỹ sư Frankignoul,
người Bỉ. Tại Bắc Mỹ, hệ thống cọc Franki được biết đến như là loại cọc phun áp
suất đáy cọc.
Kể từ đó đến nay, Cọc Franki ngày càng được phát triển mạnh mẽ và áp dụng
rộng rãi trên thế giới. Tại các nước phát triển như Mỹ, Canada, Anh, Pháp,
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 2
Australian cọc Franki được sử dụng tại nhiều các dự án lớn và ngày càng phát
triển, đa dạng các loại cọc, thích hợp cho nhiều loại công trình với các quy mô, đặc
điểm và địa điểm xây dựng khác nhau. Công nghệ máy xây dựng ở các nước phát
triển đã sản xuất ra nhiều loại búa đóng cọc và các thiết bị khác, áp dụng cho công
nghệ thi công móng, cho phép các nhà xây dựng mở rộng công nghệ thi công
móng cho những dự án có quy mô rộng lớn.
Khu vực Đông Nam á, tại nước Indonesia, FT. Frankipile Indonesia được
thành lập vào ngày 8/11/1973. Vào năm 1975, với thiết bị chỉ là 1 bộ thiết bị
Franki, một thiết bị khoan và 2 búa Diesel, FT. Frankipile Indonesia đã thành công
trong 7 dự án, với tổng số các loại cọc thi công là 2400 cọc, tổng chiều dài thi công
cọc lên tới 39.000m. Trong những năm tiếp theo, Frankipiles càng trở nên thông
dụng và được sử dụng tại ngày càng nhiều thành phố không chỉ ở Jakarta mà xuyên
suốt Indonesia như thành phố Medan, Batam, Bandung, Semarang, Yogyakarta,
Surabaya, Balikpapan, Manado, Denpasar, và các thành phố khác...
Từ đó đến nay, FT Frankipile Indonesia đã ngày càng phát triển, ứng dụng
thêm nhiều loại cọc mới, đáp ứng nhiều hơn các dự án khác nhau. Theo bản tổng
kết tháng 3 năm 2002, FT Frankipile Indonesia đã hoàn thành được 3474 dự án, thi
công được 460.000 cọc, tổng chiều dài thi công cọc là 6.755.250m.
I. 1. 2. 2. Trong nước:

Hiện nay, Cọc Franki chưa được áp dụng phổ biến tại Việt Nam, đầu thập kỉ 70
mới bắt đầu dùng cọc nhồi đường kính 40 - 60cm kiểu Franki, không mở rộng
đáy, với trọng lượng búa 2-4 tấn ở nhà máy đóng tàu Hạ Long và hệ thống cầu trên
đường Xuân Mai - Sơn Tây. Gần đây, có một số công trình áp dụng một phần ứng
dụng mở rộng đáy cọc khoan nhồi (VD: Công trình Trung tâm thương mại EVER
FORTUNE - 83B Lý Thường Kiệt và Công trình Cao ốc văn phòng, căn hộ cao cấp
A2 Ngọc Khánh - Số 1 Phạm Huy Thông - Hà Nội) và hiện nay tại TCXD
205:1998 Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế có đưa ra hệ số tính toán cho cọc
được mở rộng đáy bằng phương pháp nổ mìn và phương pháp đổ bê tông dưới
nước.
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 3
Các tiêu chuẩn, biện pháp thi công, máy móc thiết bị chuyên dụng để thi công
cọc Franki hiện nay ở nước ta chưa được áp dụng cho các công trình xây dựng ở
nước ta.
I. 1. 3. Các vấn đề cần nghiên cứu về cọc Franki:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế cọc Franki.
- Biện pháp thi công cọc Franki.
I. 1. 4. Phạm vi

mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu công nghệ thi công cọc Franki, áp dụng cọc Franki trong điều
kiện đất nền Hà nội.
I. 1. 5. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thống kê kết hợp với phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
I. 2. Điều kiện áp dụng công nghệ cọc franki:

I. 2. 1. Sơ lược về khả năng chịu lực của cọc Franki điển hình:
Tải trọng nén dọc trục của cọc thường trong phạm vi từ 8 đến 10 Mpa. ứng suất
nén dọc trục có thể tăng lên 16 Mpa khi được sử dụng cho những cọc sâu, nơi mà
có thành phần lực ma sát là đáng kể và những cọc được đóng trên nền địa tầng khá
tốt. Lực nén của cọc được trình bày trong bảng sau:
Đường kính cọc
Tải trọng làm việc điển
hình (kN)
Chiều sâu hạ cọc lớn nhất
điển hình (m)
Khoảng cách giữa các trục
cọc trong đài (mm)
Độ nghiêng lớn nhất
Thép cọc

150

250

400

500

600

125

400

1000

1750

2500

12

20

40

50

50

500

750

1200

1500

1750

1:4

1:4

1:4

1:4

1:4

4x10mm 4x10mm 4x10mm 4x10mm 4x10mm

Theo thống kê của Kozicki (1985) về các dự án áp dụng cọc Franki trên thế
giới cho thấy dạng cọc này áp dụng thành công tại các điều kiện đất nền khác
nhau. Qua thí nghiệm thử tải cho loại cọc này cho thấy cọc có thể chịu được tải
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 4
trọng thiết kế với độ lún nhỏ. Ví dụ: Công trình Khu liên hợp nhà ga hàng không
Calgary, cọc dài 17ft (tương ứng 5m), đường kính cọc 50cm, mũi cọc được đặt trên
nền đất sét cát cuội, lẫn bùn. Cọc được thiết kế với tải trọng làm việc là 350 kips
(1560 kN). Khi tải trọng thí nghiệm lên đến 944 kips (4200 kN), tổng độ lún của
cọc được ghi lại là 0.59 in (14.7mm).
Dự án Outlook Manor tại Toronto, Canada, cọc dài 45 ft (14m), đường kính cọc
16 in (40cm), mở rộng đáy, mũi cọc tựa trên nền đất cát chặt, được thiết kế với tải
trọng làm việc là 300 kips (1335 kN). Khi thí nghiệm với tải trọng 600 kips (2670
kN) tương ứng với 2 lần tải trọng làm việc, tổng độ lún của cọc ghi lại là 0.585 in
(14.6mm).
Dự án Câu lạc bộ Vịnh Brickwell, Miami, Florida, cọc dài 27.5 ft (8.4m),
đường kính cọc là 175/8 in (440mm), mũi cọc tựa trên nền đất cát rời, lẫn đá vôi.
Cọc được thiết kế với tải trọng làm việc 300 kips (1335 kN). Khi thí nghiệm với tải
trọng 600 kips (2670 kN) tương ứng với 2 lần tải trọng làm việc, tổng độ lún của
cọc ghi lại là 0.64 in (16mm).

Những thống kê trên cho thấy rằng cọc mở rộng đáy là một dạng cọc có khả
năng chịu lực cao, độ lún của cọc nhỏ.
I. 2. 2. Ưu điểm của cọc Franki:
- Đây là một dạng cọc có phạm vi ứng dụng rộng.
- Cọc được thi công trong ống, do vậy các vấn đề về nước ngầm và sụp thành
hố là không đáng ngại.
- Với công nghệ đóng mở rộng đáy được thi công tại đáy cọc, do vậy về độ ồn
và độ rung ở mức độ nhỏ. Cọc Franki có độ ồn nhỏ nhất trong các loại cọc đóng thi
công tại ch, do vậy nó thích hợp với những nơi mà tiếng ồn là một vấn đề môi
trường quan tâm. Độ rung của nền khi thi công cọc thường xuyên được ghi nhận và
nó luôn ở dưới mức độ tiêu chuẩn cho phép.
- Việc mở rộng đáy cọc làm tăng khả năng chịu tải của cọc và của đất nền. Do
vậy nó đem lại lợi ích kinh tế cao hơn so với các cọc khác tương ứng có cùng kích
thước và chiều sâu hạ cọc.
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 5
- Do thi công bằng phương pháp đóng ống, do vậy nó có thể xuyên qua lớp đất
cứng, đạt tới độ sâu theo yêu cầu và có thể thi công tại mọi điều kiện đất nền (có
thể đạt tới độ sâu >60m trong điều kiện thuận lợi).
- Cọc Franki có thể thi công theo phương ngang, cọc neo, có thể mở rộng đáy
cọc tuỳ theo yêu cầu chịu lực đối với các tải trọng đặc biệt như: tải trọng động đất,
tải neo vách...
- Cọc Franki có thể tổ hợp với các cấu kiện chế tạo trước (cọc Franki tổ hợp)
hoặc các cọc khác mở rộng đáy (VB pile hoặc cọc Franki khoan...)
I. 2. 3. Hạn chế của công nghệ cọc Franki:
- Giá cả thiết bị đắt.
- Khi thi công có độ rung của nền.

Tuy nhiên, qua nghiên cứu về độ rung của nền đất khi thi công cọc đổ tại chỗ,
mở rộng đáy của Mark B.Jaksa, Micheal C.Griffith (Khoa kỹ thuật xây dựng và
môi trường - Đại học Adelaide Mỹ) và Roger W.Grounds (Đề tài Khoa học địa
chất ĐH Adelaide) đã thống kê được bảng số liệu về độ rung của nền đất khi thi
công cọc mở rộng đáy đổ tại chỗ (cọc Franki) và cho kết luận rằng tại khoảng cách
15m tính từ tâm cọc, giá trị điểm vận tốc hạt cự đại cao nhất đo được nhỏ hơn
ngưỡng cho phép mà gây phá hoại công trình đã bị xuống cấp nghiêm trọng, có thể
nhìn thấy bằng mắt thường. Như vậy cho ta thấy thi công cọc Franki có độ rung
nền nhỏ và độ ồn nhỏ.
I. 3. Báo cáo nghiên cứu độ rung của nền khi thi công cọc Franki:
I. 3. 1 Sơ lược nội dung bản báo cáo:
Mức độ rung của nền khi thi công cọc có mức độ liên quan lớn đến quá trình
rút ống của cọc đóng. Bản báo cáo này hiện tại đo mức độ rung của nền khi thi
công cọc đổ tại ch, mở rộng đáy. Dữ liệu đã được ghi lại bởi gia tốc kế đo giá trị
gia tốc tại 3 hướng trực giao và tại khoảng cách khác nhau từ tâm cọc đóng. Giá trị
gia tốc được chuyển đổi sang giá trị điểm vận tốc hạt, hệ đo lường chấp nhận rộng
rãi về mức phá hoại nền do rung nền. Điểm vận tốc hạt được so sánh với giá trị lớn
nhất khuyến cáo và các thông số đã được đưa ra bởi các bản báo cáo khác và mức
nhận thức của con người về độ rung của nền. Giá trị vận tốc điểm hạt cực đại là
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 6
8.8mm/s được ghi lại khi thi công mở rộng đáy, tại khoảng cách là 3.5m tính từ
tâm cọc. Các dữ liệu ghi lại được này đã khuyến cáo rằng cọc thi công đổ tại ch,
mở rộng đáy có thể được áp dụng thành công tại các môi trường thành phố. Giá trị
đo được này tuy nhiên, là lĩnh vực đặc biệt và khi ứng dụng cần chú ý tới các điều
kiện đất nền khác nhau.
I. 3. 2. Kết quả đo rung, so sánh với tiêu chuẩn cho phép:

I. 3. 2. 1. Đo mức độ rung của nền đất:
Như đã nói ở trên, mục đích của bản báo cáo là ghi nhận, thảo luận và so sánh
lượng đo được mức độ rung của nền khi thi công cọc đổ tại ch, mở rộng đáy cọc.
Người ta quy định tiêu chuẩn chấp nhận chung về giá trị phá hoại do rung của nền
đất và mức độ cảm nhận về rung của con người là Điểm vận tốc hạt cực đại
particle velocity

peak

(Wiss 1981, Tchepak 1986, Tiêu chuẩn Australia 1993). Độ

rung của nền thường được đo tại 3 phương trực giao, thường được hiểu theo nghĩa
là gia tốc theo phương đứng, phương truyền và phương dọc. Điểm vận tốc hạt cực
đại là giá trị vector tổng của 3 giá trị thành phần trên (Tiêu chuẩn Australia 1993,
Amick và Gendreau 2000).
Một vài quốc gia và một số các tổ chức quốc tế đã đưa ra khuyến cáo về điểm
vận tốc hạt cực đại cho một số loại công trình khác nhau. Amick và Gendreau
(2000) đã tổng hợp lại theo bảng thống kê (Bảng 1). Trong đó, Wiss (1981) đã ghi
lại rằng, khi mức độ phá hoại công trình là quan trọng, thì đó là tỷ lệ về tiêu chuẩn
an toàn được đặt trước mức độ phàn nàn, lo lắng của con người.
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn mức độ rung gây phá hoại công trình đặc trưng
(Amick và Gendreau 2000)
Loại công trình

Vận tốc hạt (mm/s)

Các loại công trình công nghiệp

100

Dạng công trình chắc chắn

100

Nhà ở dân cư

50

Nhà ở dân cư, công trình mới xây dựng

50

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 7
Nhà ở dân cư, đã cũ

25

Nhà ở dân cư, rất cũ

12.5

Công trình xuống cấp nghiêm trọng

4

Công trình lịch sử

3

Công trình lịch sử, di tích cổ

2

Ông ta đã cho rằng bản thân con người chính là bộ cảm biến về độ rung hoàn
hảo, nhưng lại có mức độ đo lường kém. Wiss (1981) cho rằng, với sự rung truyền
hoặc rung do va chạm, ngưỡng chấp nhận được của con người là 0.3mm/s, bắt đầu
khó chịu là 7mm/s và rất khó chịu là xấp xỉ trên giá trị 25mm/s. Trong hoàn cảnh
này, Wiss (1981) đã ghi lại một đồ thị về độ rung của nền tại một số loại thiết bị
thi công khác nhau, bao gồm cả các loại cọc đóng.

Biểu đồ 1.1: Mối liên hệ giữa mức độ rung của công trình và khoảng cách
(Wiss 1981)

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 8
I. 3. 2. 2. Vùng nghiên cứu, đặc điểm địa chất:
Thông số về độ rung nền khi thi công cọc đổ tại ch, mở rộng đáy được ghi lại
từ quá trình thi công dự án Công trình Học viện Y khoa, To

nh

Công viên Khoa

học thú y, Dự án Đường Frome, Adelaide. Địa điểm xây dựng được đặt trong vùng
đất phù sa Torrens, nơi bao gồm cát, bụi phù sa trầm tích bồi đắp trên 1km khu
thung lũng bị bồi đắp bởi dòng sông cổ Torrens (Selby và Lindsay 1982). Tiến
hành khoan khảo sát bởi Đề tài khoa học địa chất (2000) nhận thấy 2 dạng thành
phần chính trên chiều sâu khoan 14,5m. Bao gồm:
- Lớp 1: Phía trên lớp đất phù sa, bao gồm các lớp đất sau: lớp sét lẫn cát yếu,
sét bùn và cát. Chiều sâu lớp xấp xỉ đạt khoảng 10,5m.
- Lớp 2: Phía dưới lớp đất phù sa, bao gồm cát sỏi với một vài lớp xen kẹp. Thí
nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) cho biết trạng thái đất từ chặt cho tới rất chặt trong
cùng 1 vị trí. Chiều sâu lớp chưa xác định được với mũi khoan sâu 14,5m.
Tại vùng này, Phù sa Tertiary của sự hình thành điểm trắng và Cát vùng Nam
Maslin thường nằm dưới lớp phù sa Torrens (Selby và Lindsay 1982). Mức nước
ngầm được điều tra đạt xấp xỉ ở độ sâu 4,5m dưới bề mặt nền đất.
Quá trình thi công cọc đổ tại ch, mở rộng đáy cọc được đóng cho tới khi ống
đạt tới lớp cát cuội (lớp 2). Cọc được mở rộng đáy tại lớp này. Thiết bị đóng cọc
dùng búa 3.5 tấn, với 10m rơi và dài 10,8m, đường kính ống là 500mm.
Độ rung của nền đã được đo theo phương thẳng đứng, phương truyền và
phương dọc bởi 3 gia tốc kế được lắp đặt trên một nền tấm cứng và được đặt trên
bề mặt nền. Thông số đạt được tại một ví dụ, tần số 1kHz và 2 cực 11Hz, bộ lọc
truyền thấp được sử dụng để lọc những tần số tiếng ồn cao, đặc biệt là tiếng ồn
giao thông.
Klopp và Griffith (1993) đã ghi lại tổng hợp những đặc trưng động về một vài
cấu kiện được đúc không gia cố, những cấu kiện mà ảnh hưởng nhất bởi độ rung
của nền do quá trình thi công cọc gây nên. Phần lớn các cấu kiện thử nghiệm có
tần số tự nhiên đặc trưng trong phạm vi từ tần số từ 3 đến 7Hz. Đặt khoảng bộ lọc
là 11Hz, và được đưa vào vị trí thích hợp. Tuy nhiên, có thể độ rung tần số cao
(trong phạm vi từ 10 đến 50Hz) có thể là nguyên nhân gây phá hoại, nếu quá trình
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.

Trang 9
ghi nằm đủ trong biên độ. Quá trình đo lường độ rung của nền được thu lại tại
khoảng cách ngang từ 3.5, 7, 15 và 30m tính từ tâm cọc đóng. Tại mi khoảng
cách đo lường, độ rung được đo suốt quá trình thi công cọc cho đến khi hoàn thành
cọc, từ khi đóng cọc cho tới khi thi công mở rộng đáy cọc.
I. 3. 2. 3. Phân tích, kết quả và thảo luận:
Vận tốc hạt đã được tính toán bởi quá trình tập hợp giá trị đo lường gia tốc tại
những thời điểm quan trọng. Các thông số đặc trưng về vận tốc điểm hạt cực đại
được đưa ra từ biểu đồ 1.2 đến biểu đồ 1.5 như sau:

Biểu đồ 1.2: Ghi nhận vận tốc điểm hạt cực đại đặc trưng - phương đứng (đã lọc)

Biểu đồ 1.3: Ghi nhận vận tốc điểm hạt cực đại đặc trưng-phương truyền (đã lọc)
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 10

Biểu đồ 1.4: Ghi nhận vận tốc điểm hạt cực đại đặc trưng-phương ngang (đã lọc)

Biểu đồ 1.5: Tổng hợp ghi nhận vận tốc điểm hạt cực đại (đã lọc)
Những kết quả đo lường hoàn thành về độ rung của nền, trong giới hạn của vận
tốc hạt cực đại đối với chiều sâu đáy ống đóng cọc và khoảng cách phía sau tính từ
tâm cọc, được biểu thị từ biểu đồ 1.6 đến biểu đồ 1.7.
Như các biểu đồ trên cho thấy giá trị đo lường điểm vận tốc hạt cực đại lớn nhất
là 8.8mm/s và được tổ hợp từ sự hình thành đáy mở rộng từ phía sau khoảng cách
3.5m tính từ chu vi của ống. Trong trường hợp này, Biểu đồ 1.6 và 1.7 thể hiện
điểm vận tốc hạt cực đại lớn nhất giảm dần theo khoảng cách và như đã mong đợi,

tại mi điểm khoảng cách, giá trị lớn nhất đo được được tổ hợp với quá trình mở
rộng đáy.
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 11

Biểu đồ 1.6:Vận tốc điểm hạt max đối với chiều sâu hạ đáy ống và khoảng cách

Biểu đồ 1.7: Mặt cắt dọc phương ngang của phổ vận tốc hạt cực đại
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 12
So sánh với giá trị lớn nhất là 8.8mm/s với giá trị lớn nhất đã khuyến cáo (thể
hiện ở bảng 1.1), cho thấy rằng quá trình đóng cọc mở rộng đáy chỉ ảnh hưởng tới
những công trình rất nhạy cảm như các công trình lịch sử, các di tích cổ hay các
công trình đã bị phá hoại hoặc đã cũ nát. Trong khi phần lớn các giá trị đo được
đều trên ngưỡng chấp nhận là 0.3mm/s (Wiss 1981), chỉ 3 phép đo, ghi lại ở
khoảng cách 3.5m, và được cho là gây khó chịu.
Attewell và Farmer (1973) đã quan sát và ghi nhận lại rằng quá trình đóng cọc
bao gồm cả những sóng nén phát sinh và truyền từ khu vực chân cọc và khu vực
mở rộng chân cọc. Trong trường hợp này, những sóng cắt dọc phát sinh từ lực ma
sát thân cọc quanh một bề mặt hình nón. Hình 1.8 thể hiện sự thay đổi của chuyển
động hạt với thời gian cho những thông số thể hiện trong hình 1.2 đến hình 1.5.
Hình 1.8 cho thấy hiển nhiên rằng sự chuyển động phần lớn là chuyển động dọc,
như sự mong đợi về cọc đóng ma sát (Kim và Lee 2000). Như kết quả trên, nguồn
rung có thể xem như là một điểm nguồn phát sinh tạo sóng và khoảng cách truyền

có thể xấp xỉ giá trị khoảng cách ngang (Kim và Lee 2000).

Biểu đồ 1.8:Tổ hợp vị trí điểm hạt khi thi công cọc đóng mở rộng đáy (cọc Franki)

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 13

Biểu đồ 1.9: So sánh mức đo vận tốc điểm hạt cực đại
Biểu đồ 1.9 bổ sung cho Biểu đồ 1.6 từ thang Wiss (hình 1.1). Trong trường
hợp này, Biểu đồ 1.9 bao gồm phía trên giới hạn bao của một số lượng lớn các giá
trị đo lường độ rung của nền, liên quan tới cọc đóng, và được ghi lại bởi Tchepak
(1986). Nó có thể được thể hiện từ biểu đồ này rằng tất cả những giá trị đo lường là
trong những vùng lân cận, nhưng vẽ biểu đồ dưới, cả mối liên hệ về mối liên hệ
cọc của Wiss, tốt hơn giới hạn bao trên của Tchepark.
I. 3. 2. 4. Kết luận:
Bản báo cáo này đã ghi nhận được giá trị đo lường về độ rung khi thi công cọc
đổ tại ch, mở rộng đáy. Thông số được ghi lại sử dụng gia tốc kế chính đo giá trị
gia tốc trên 3 phương trực giao, và tại các khoảng cách biến thiên tính từ tâm cọc.
Giá trị đo vận tốc hạt tối đa lớn nhất này là tương đồng với các thông số đã được
báo cáo bởi các đề tài khác và điểm vận tốc hạt tối đa lớn nhất là 8.8mm/s được tổ
hợp lại với sự phát triển của đáy mở rộng, tại một khoảng cách 3.5m tính từ cọc.
Điểm vận tốc hạt cực đại này có thể gây ra phá hoại tới các công trình lịch sử và
các di tích cổ, hay các công trình đã bị phá hoại hoặc trong tình trạng cũ nát. Như
đã mong đợi, giá trị đo độ rung của nền giảm khi tăng khoảng cách tính từ cọc. Tại
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.

Trang 14
khoảng cách 15m, giá trị điểm vận tốc hạt đỉnh được ghi lại thấp hơn giá trị
ngưỡng mà có thể là nguyên nhân phá hoại tới công trình đã bị xuống cấp nghiêm
trọng. Thông số ghi lại ở đây gợi ý rằng, cọc thi công tại ch, mở rộng đáy có thể
được áp dụng thành công tại môi trường thành phố. Giá trị đo lường này, tuy nhiên,
là những số liệu hiện trường và khi sử dụng cần chú ý tại những dạng đất nền khác
nhau.
I. 4. Kết luận chương:
Từ những vấn đề đã được nêu ở trên cho thấy mi loại cọc đều có những ưu
nhược điểm riêng của nó. Việc áp dụng loại cọc nào tuỳ thuộc vào quy mô, đặc
điểm và vị trí xây dựng của công trình.
Cùng với thực tế xây dựng tại Hà nội, ta thấy rằng cọc Franki là loại cọc
hoàn toàn có thể áp dụng tại Hà nội nói riêng và ở nước ta nói chung. Việc nghiên
cứu và áp dụng công nghệ cọc Franki cho các công trình xây dựng theo điều kiện
đất nền Hà nội nói riêng và ở nước ta nói chung là hợp lý và cần thiết.

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.


Trang 21

Chương iI: cơ sở khoa học áp dụng cọc franki
II. 1. Nguyên lý tính toán sức chịu tải của cọc Franki
II. 1. 1. Sơ lược về sự làm việc của cọc dưới nền đất:
Như ta đã biết, tải trọng công trình được truyền xuống nền đất thông qua một bộ
phận gọi là móng. Móng là bộ phận kết cấu dưới chân cột khung hoặc tường, tiếp
nhận tải trọng từ trên xuống và truyền tải xuống nền.
Nền là bộ phận cuối cùng của công trình, tiếp nhận tải trọng công trình truyền

qua móng. Hình dạng và kích thước của nền phụ thuộc vào loại đất làm nền, phụ
thuộc vào loại móng và công trình bên trên.
Móng cọc là dạng móng sâu, trong đó cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền
tải trọng từ công trình lên tầng đất dưới mũi cọc (sức kháng đầu cọc) và các lớp đất
xung quanh cọc (sức kháng bên của cọc). Đài cọc là bộ phận liên kết các cọc thành
một khối. Dựa theo cách truyền tải của cọc ta có thể phân ra dạng cọc chống, dạng
cọc ma sát và dạng cọc chống + ma sát, dựa theo trạng thái chịu lực của cọc có thể
phân ra dạng cọc nén, cọc kéo và cọc uốn.
Cọc chống là dạng cọc mà mũi cọc tựa trên nền đất cứng, rắn chắc. Toàn bộ tải
trọng của công trình truyền thẳng vào mũi cọc và truyền xuống lớp đất này. Dạng
cọc này được gọi là cọc chống.
Cọc ma sát là dạng cọc mà toàn bộ tải trọng của công trình truyền xuống cọc
thông qua sức kháng bên (gồm ma sát bên và lực dính), là phản lực giữa đất xung
quanh cọc với phần xung quanh cọc. Dạng cọc này gọi là cọc ma sát.
Móng cọc thường được thiết kế cho cọc làm việc bao gồm cả sức kháng đầu cọc
và sức kháng ma sát thân cọc. Như vậy ta thấy rằng khi tăng cường khả năng chịu
lực chống hay lực ma sát của cọc thì sẽ làm tăng sức chịu tải của cọc, giảm số cọc
bố trí trong đài cọc và kinh tế hơn khi thi công móng.

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội


Trang 22

cọc

đất yếu

Cọc

Đất nền

đất tốt

Hình 2.1: Dạng cọc chống

Hình 2.2: Dạng cọc ma sát

Về sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc thông qua việc nghiên cứu về trạng
thái ứng suất trong đất do cọc đơn và nhóm cọc gây ra cho thấy rằng các cọc càng
gần nhau thì ứng suất z tại điểm trên trục cọc do cả nhóm cọc gây ra sẽ lớn hơn
rất nhiều so với ứng suất do mỗi cọc gây ra. Vì vậy độ lún của nhóm cọc lớn hơn
độ lún của cọc đơn. Ngược lại, nếu khoảng cách cọc đạt tới một trị số nhất định
nào đó thì thực tế có thể coi như sự làm việc của cọc đơn và của nhóm cọc không
khác nhau. Quy phạm hiện hành quy định với móng cọc, khoảng cách giữa các
trục cọc khoảng từ 2,5D đến 6D (D: đường kính cọc), với cọc được mở rộng đáy,
khoảng cách yêu cầu là 1,5Dmr (Dmr: đường kính mở rộng cọc) hoặc là không nhỏ
hơn Dmr+1m (với cọc đường kính mở rộng >2m).
II. 1. 2. Cơ sở lý thuyết tính toán cọc Franki:
Như ta đã biết, khi thiết kế móng cọc, việc xác định sức chịu tải của cọc có ý
nghĩa quan trọng nhất. Cọc trong móng có thể bị phá hoại do bản thân cường độ
vật liệu hoặc do đất nền bị phá hoại. Do đó, khi thiết kế cần thiết phải xác định hai
giá trị về sức chịu tải của cọc theo cường độ vật liệu làm cọc và tính theo cường độ
đất nền. So sánh hai giá trị trên, lựa chọn giá trị min dùng để tính toán và thiết kế
nền móng.
Với cọc nhồi chịu nén, sức chịu tải của vật liệu làm cọc được tính theo công
thức sau:
P = ì (m1 .m2 .Rbt .F1 + Rct .Fct )

(2.1)

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội


Trang 23
Trong đó Rbt - cường độ tính toán của bê tông khi nén mẫu hình trụ;
Fbt - diện tích tiết diện ngang phần bê tông;
Rct - cường độ tính toán của cốt thép;
Fct - diện tích tiết diện ngang cốt thép;
: Hệ số uốn dọc của cọc;
m1: Hệ số điều kiện làm việc, đối với cọc được đổ bê tông bằng ống dung dịch
chuyển thẳng đứng trémie thì m1 = 0.85
m2: Hệ số điều kiện làm việc khi kể đến phương pháp thi công
Sau đây ta sẽ giới thiệu một số phương pháp tính toán giá trị sức chịu tải của cọc
tính theo cường độ đất nền:
II. 1. 2. 1. Tính toán cọc Franki thi công mở rộng đáy bằng búa đóng
Như đã nói ở phần trên, sức chịu tải của cọc bao gồm 2 thành phần: Sức kháng
đầu mũi cọc và sức kháng ma sát bên của cọc.
* Xác định sức kháng mũi cọc cho phép théo công thức tính toán theo Nordlund,
1982:
Sức kháng mũi cọc cho phép, (Qp)all được định tính từ công thức kinh nghiệm
như sau:

(Q )

p all

N b (V )

K

2/3

=W ìH ì

(2.2)

Trong đó:
W: Trọng lượng búa dùng để thi công mở rộng đáy cọc (lb).
H: Chiều cao rơi của búa trong quá trình thi công tạo đáy cọc (ft).
Nb: Số lượng nhát búa của lượng năng lượng WxH cần thiết để đầm nén lượng bê
tông tạo đáy.
V: Lượng thể tích đáy (ft3).
K: Hệ số không thứ nguyên.
Công thức 2.1 có hệ số an toàn là 2.5
Giá trị của hệ số không thứ nguyên K được xác định theo bảng II.1. Khi ta có các
thông số về giá trị xuyên tiêu chuẩn SPT, giá trị K có thể được xác định theo bảng
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội


Trang 24
II.2. Giá trị này đã được ghi lại thông qua sự phân tích giá trị nén tĩnh của 10 cọc
đã thi công mở đáy và các thông số thi công cọc (Sharma, 1988) .
Bảng 2.1: Bảng giá trị hệ số không thứ nguyên K (Nordlund, 1982)
Loại đất

Hệ số K
(Trường hợp cọc bê

tông đầm nén đặc chắc)

Hệ số K
(Trường hợp cọc bê tông
có khuôn bọc-dạng túi)

Sỏi cuội

9

12

Cát hạt thô đến hạt trung

11

14

Cát hạt trung đến cát mịn

14

18

Cát thô

18

23

Cát hạt trung

22

28

Cát mịn

27

35

Cát rất mịn

32

40

Bùn trung tới cát thô

14

18

Bùn nhão đến cát hạt trung

17

22

Cát mịn lẫn bùn

24

30

600/N (nhưng K 18)

1800/N ( nhưng K 50)

18

25

Sét cát cuội

20

27

Sét tảng lẫn sét

30

40

Các loại khác
Cát mịn lẫn đá vôi hoặc tạp
chất hoặc cả hai

Chú ý: N: giá trị nhát búa xuyên tiêu chuẩn (SPT)

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội


Trang 25
Bảng 2.2: Bảng giá trị hệ số K/N cho một vài loại đất (Sharma, 1988)
Loại đất

K
1. 600/N nhưng không nhỏ hơn 18 cho

Các loại đất khác

trường hợp cọc bê tông được đầm nén
chặt.
2. 1800/N nhưng không nhỏ hơn 50 cho
trường hợp cọc bê tông có khuôn bọc dạng túi.
Cát bùn rất mịn

2,5N cho cọc khoan trước và nén chặt.

Cát bùn mịn

3N cho cọc bê tông có khuôn bọc - dạng
túi.

Cát thô đến cát hạt trung

3,5N cho cọc bê tông có khuôn bọc dạng túi.

* Xác định giá trị sức kháng ma sát bên của cọc:
Giá trị sức kháng ma sát bên có thể được tính toán theo công thức 2.3 khi thân
cọc nằm trong lớp đất không cố kết và được tính toán theo công thức 2.4 khi thân
cọc nằm trong lớp đất cố kết. Hệ số an toàn của giá trị lực ma sát thân cọc là 3.
- Trường hợp 1: Loại đất không cố kết
Sức kháng ma sát bên của cọc được tính bằng công thức sau:

(Q ) = pK
f

L= L

s tan ' vl L

(2.3)

L =0

Trong đó:


vl

: ứng suất thẳng đứng hiệu quả tại một điểm dọc theo chiều dài cọc;

Giá trị này được khuyến cáo rằng chỉ tăng dần tới độ sâu đặc trưng (=20B), vượt
ra ngoài phạm vi đó, khuyến cáo giá trị

vl

= const.

B: chiều rộng cọc;
p: chu vi cọc;
Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội


Trang 26
Ks: hệ số áp lực đất, xác định theo bảng II.3
được lấy bằng 2/3 khi thiết kế.
L: chiều dài cọc
Bảng II.3: Giá trị Ks cho một số loại cọc trong đất cát (Meyerhof 1976)
Loại cọc

Ks

Cọc khoan nhồi

0.5

Cọc H đóng

0.5 - 1.0

Cọc đóng có chuyển vị

1.0 - 2.0

- Trường hợp 2: Loại đất cố kết
Sức kháng ma sát bên của cọc được tính bằng công thức sau:
L = Le

(Q ) = p C .L
f

L =0

a

(2.4)

Trong đó: p chu vi cọc;
L chiều dài cọc;
Le - chiều dài hiệu quả của cọc;
Ca lực dính của đất và cọc;
Tải trọng cho phép của cọc (Qc)all là giá trị tổng của 2 giá trị tổng sức kháng mũi
cọc (Qp)all và tổng giá trị sức kháng ma sát bên (Qf)all.
Giá trị sức kháng ma sát bên của cọc có thể tính toán theo chỉ tiêu cơ lý đất nền
(theo SNIP-2.02.03.85), theo kết quả xuyên tĩnh (CPT) hoặc theo kết quả xuyên
tiêu chuẩn (SPT) (trình bày ở phần sau).
Tải trọng cho phép của cọc (Qc)all là giá trị tổng của 2 giá trị tổng sức kháng mũi
cọc (Qp)all và tổng giá trị sức kháng ma sát bên (Qf)all.
* Tính toán độ chối của ống dẫn theo sức chịu tải thiết kế đối với nền đất gồm
các lớp đất rời, thấm nước ở chiều sâu bằng 1,5 chiều dài cọc theo biểu thức của
Eitelvein (Hà Lan):
e=

P 2 .h
N .K .( P + Q )

(2.5)

Học viên: Bùi Hồng Cường
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội