“ Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc đồng thời “

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian làm luận văn, với sự cố gắng của bản thân và được sự hướng dẫn
nhiệt tình, khoa học của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái – Bộ môn Thuỷ
Công – Trường Đại Học Thuỷ Lợi, tác giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của
mình. Với đề tài: “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc
đồng thời “.
Thời gian làm luân văn tốt nghiệp là một dịp tốt để tác giả có điều kiện hệ
thống lại kiến thức đã được giảng dạy trong những năm học tập tại trường, đặc biệt
giúp tác giả làm quen với việc tìm tòi nghiên cứu và trình bày một đề tài khoa học.
Những điều đó giúp tác giả thêm vững vàng trong quá trình công tác, phát triển tư
duy nghiên cứu khoa học.
Luận văn sử dụng những lý thuyết về kết cấu, nền móng, phương pháp phần
tử hữu hạn và công cụ SAP 2000 để phân tích trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc
làm việc đồng thời. Mặc dù có nhiều cố gắng trong thực hiện nhưng không tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn.
Nội dung luận văn gồm 5 phần chính sau: Phần một: tổng quan; phần hai: cơ
sở lý thuyết; phần ba: nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc
đồng thời; phần bốn: ứng dụng phân tích ứng suất cho công trình cống Nam Đàn;
phần 5: kết luận và kiến nghị.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong bộ môn Thủy
Công đặc biệt là thầy giáo PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái đã tận tình hướng dẫn, tạo
mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2012
Tác giả:

Hoàng Minh Thắng


BẢN CAM KẾT
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Kết quả nên
trong luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, không sao chép từ công trình

nghiên cứu nào khác.
Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả

Hoàng Minh Thắng


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.........................1
1.1 Tổng quan về các dạng công trình thuỷ lợi dạng bê tông đặt trên nền đất .......1
1.1.1 Lịch sử phát triển .......................................................................................1
1.1.2 Công trình bê tông trên nền đất .................................................................2
1.1.3 Yêu cầu về nền đối với các công trình bê tông thủy công khối lớn ..........6
1.2 Ứng xử của nền và các phương pháp xử lý nền đất yếu. ..................................7
1.2.1 Nền đất yếu và phân loại nền đất yếu ........................................................7
1.2.2 Đặc điểm làm việc của công trình bê tông trên nền đất ............................8
1.2.3 Một số phương pháp xử lý công trình khi gặp nền đất yếu ....................10
1.3 Tổng quan về móng cọc ..................................................................................13
1.3.1 Khái quát về sự hình thành phát triển.......................................................13
1.3.2 Ứng dụng và phân loại cọc bê tông cốt thép ............................................14
1.3.3 Cấu tạo móng cọc bê tông cốt thép...........................................................16
1.4 Kết luận chương 1 ...........................................................................................19
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÓNG CỌC...................20
2.1 Nguyên lý kết cấu và điều kiện làm việc của móng cọc .................................20
2.1.1 Ứng xử của đất xung quanh cọc đóng ......................................................20
2.1.2 Hoạt động của cọc khi chịu kéo................................................................21
2.1.3 Sự mất ổn định của cọc do uốn dọc..........................................................22
2.1.4 Hoạt động của nhóm cọc ..........................................................................23

2.2 Phương pháp tính toán thiết kế móng cọc truyền thống..................................24
2.2.1 Sức chịu tải của cọc theo điều kiện đất bao quanh cọc ............................25
2.2.2 Tính toán độ bền vật liệu làm cọc và đài cọc ...........................................31
2.2.3 Tính toán số lượng cọc .............................................................................32
2.2.4 Hình thức bố trí và kiểm tra điều kiện làm việc của móng cọc................33
2.2.5 Đặc điểm làm việc của bản cọc với phương pháp bố trí truyền thống .....36


2.3 Tương tác giữa cọc và môi trường đất ............................................................37
2.3.1 Cơ sở lý thuyết..........................................................................................37
2.3.2 Các loại mô hình nền ................................................................................38
2.4 Các phương pháp xác định hệ số nền..............................................................44
2.4.1 Phương pháp tra bảng ...............................................................................45
2.4.2 Phương pháp tính theo các công thức nền móng......................................46
2.5 Phân tích ứng suất theo phương pháp phần tử hữu hạn ..................................47
2.5.1 Phương pháp phần tử hữu hạn ..................................................................47
2.5.2 Phần mềm SAP 2000 ................................................................................51
2.6 Kết luận chương 2 ...........................................................................................53
CHƯƠNG 3: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA HỆ BẢN CỌC KHI ...........55
LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI ..................................................................................55
3.1 Vài nét về sự làm việc đồng thời của hệ bản cọc ............................................55
3.1.1 Cơ chế làm việc của hệ bản – cọc............................................................55
3.1.2 Các quan điểm nghiên cứu .......................................................................56
3.2 Các mô hình phần tủ hữu hạn nghiên cứu hệ bản cọc.....................................57
3.2.1 Thay cọc bằng các gối đàn hồi. ................................................................57
3.2.2 Coi đất như một không gian cùng làm việc trong mô hình ......................60
3.2.3 Thay tương tác cọc – đất bằng gối mềm độ cứng K.................................61
3.3 Trạng thái ứng suất của hệ bản cọc khi làm việc đồng thời. ...........................62
3.3.1 Trạng thái ứng suất bản khi làm không xét ảnh hưởng của cọc ...............63
3.3.2 Trạng thái ứng suất bản, cọc làm việc đồng thời......................................68

3.4 Kết luận chương 3 ...........................................................................................74
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI....75
ỨNG SUẤT CỐNG NAM ĐÀN .........................................................................75
4.1 Giới thiệu chung về công trình cống Nam Đàn...............................................75
4.1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm công trình..............................................................75
4.1.2 Tình hình địa chất nền móng công trình...................................................78
4.1.3 Lựa chọn giải pháp gia cố nền ..................................................................80


4.2 Trạng thái ứng suất bản đáy cống....................................................................80
4.2.1 Các số liệu cơ bản.....................................................................................80
4.2.2 Sơ đồ tính toán ..........................................................................................82
4.2.3 Trường hợp tính toán ................................................................................83
4.2.4 Xác định tải trọng .....................................................................................83
4.2.5 Kết quả tính toán.......................................................................................84
4.3 Kết luận chương 4 ...........................................................................................92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................93
1. Kết luận .............................................................................................................93
2. Kiến nghị ...........................................................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................95


DANH MỤC BẢN VẼ
Hình 1.1: Xử lý nền móng trạm bơm Xuân Dương ....................................................3
Hình 1.2: Xử lý nền móng cống lấy nước Nam Đàn ..................................................4
Hình 1.3: Mặt bằng bố trí cọc cống lấy nước Nam Đàn .............................................4
Hình 1.4: Xử lý nền móng cống Xuân Tình – Cẩm Khê – Phú Thọ ..........................5
Hình 1.5: Công nghệ đập trụ đỡ..................................................................................5
Hình 1.6: Xử lý nền dưới trụ cầu giao thông ..............................................................6
Hình 1.7: Hình thức móng công trình trên nền đất .....................................................9

Hình 1.8: Sơ đồ mất ổn định công trình bê tông chịu tải trọng phức tạp....................9
Hình 1.9: Vài hình ảnh về sự cố sập cầu Cần Thơ....................................................10
Hình 1.10: Tháp nghiêng Pisa - Italia .......................................................................10
Hình 1.11: Phương pháp xử lý về móng ...................................................................11
Hình 1.12: Phương pháp xử lý về nền ......................................................................12
Hình 1.13: Phương pháp xử lý về nền bằng móng cọc .............................................13
Hình 1.14: Vài hình ảnh thi công móng cọc bê tông cốt thép ..................................13
Hình 1.15: Cọc đổ tại chỗ .........................................................................................14
Hình 1.16: Các ứng dụng khác nhau của cọc............................................................14
Hình 1.17: Các dạng tiết diện ngang thân cọc BTCT đúc sẵn ..................................16
Hình 1.18: Cốt thép cọc ............................................................................................17
Hình 1.19: Chi tiết cốt thép đầu cọc và cốt thép móc cẩu.........................................17
Hình 1.20: Cấu tạo thép chờ và đai thép đầu cọc......................................................17
Hình 1.21: Chi tiết mối nối cọc.................................................................................18
Hình 1.22: Cấu tạo móng cọc....................................................................................18
Hình 2.1: Chuyển vị xoắn của đất do đóng cọc ........................................................20
Hình 2.2: Phân bố ứng suất do cọc đơn và nhóm cọc...............................................24
Hình 2.3: Sức chịu tải kéo của cọc mở rộng chân (móng cọc pttk)..........................26
Hình 2.4: Sự huy động sức kháng (móng cọc pttk) ..................................................26
Hình 2.5 : Sơ đồ bố trí cọc điển hình ........................................................................34
Hình 2.6 : Sơ họa móng cọc......................................................................................35


Hình 2.7 : Mặt bằng móng cọc quy ước....................................................................35
Hình 2.8 : Liên kết cọc và đài cọc.............................................................................37
Hình 2.9: Móng dầm chịu tải trọng tác động ............................................................38
Hình 2.10: Nền chịu tải trọng phân bố......................................................................39
Hình 2.11: Nền chịu tải trọng tập trung ....................................................................40
Hình 2.12: Mô hình nền Winkler trong móng tuyệt đối cứng ..................................41
Hình 2.13: Trường hợp dầm tách khỏi nền ...............................................................41

Hình 2.14: Độ lún của nền theo bài toán không gian................................................42
Hình 2.15: Độ lún của nền theo bài toán phẳng........................................................42
Hình 2.16: Thí nghiệm bàn nén.................................................................................43
Hình 3.1: Sự làm việc của hệ bản cọc, cọc và nền đất..............................................55
Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún theo các quan điểm thiết kế .....57
Hình 3.3: Sơ đồ tính toán kết cấu bản khi xem đầu cọc như một gối đàn hồi ..........59
Hình 3.4: Mô tả phương pháp tính lún của Gambin .................................................59
Hình 3.5: Mô hình tính toán trong phương pháp ......................................................61
Hình 3.6: Mô hình tính toán, phương pháp sử dụng lò xo thay thế tương tác cọc-đất
...................................................................................................................................62
Hình 3.7 Mặt bằng bố trí cọc ....................................................................................63
Hình 3.8: Mô hình tính toán......................................................................................63
Hình 3.9: Biểu đồ ứng suất S11 ................................................................................65
Hình 3.10: Biểu đồ ứng suất S22 ..............................................................................65
Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất S33 ..............................................................................65
Hình 3.12: Biểu đồ ứng suất S12 ..............................................................................66
Hình 3.13: Biểu đồ ứng suất S13 ..............................................................................66
Hình 3.14: Biểu đồ ứng suất S23 ..............................................................................66
Hình 3.15: Biểu đồ ứng suất Smax ...........................................................................67
Hình 3.16: Biểu đồ ứng suất Smid ............................................................................67
Hình 3.17: Biểu đồ ứng suất Smin ............................................................................67
Hình 3.18: Biểu đồ ứng suất Svm .............................................................................68


Hình 3.19: Mô hình tính toán....................................................................................68
Hình 3.20: Biểu đồ ứng suất S11 ..............................................................................69
Hình 3.21: Biểu đồ ứng suất S22 ..............................................................................69
Hình 3.22: Biểu đồ ứng suất S33 ..............................................................................70
Hình 3.23: Biểu đồ ứng suất S12 ..............................................................................70
Hình 3.24: Biểu đồ ứng suất S13 ..............................................................................71

Hình 3.25: Biểu đồ ứng suất S23 ..............................................................................71
Hình 3.26: Biểu đồ ứng suất Smax ...........................................................................72
Hình 3.27: Biểu đồ ứng suất Smid ............................................................................72
Hình 3.28: Biểu đồ ứng suất Smin ............................................................................73
Hình 3.29: Biểu đồ ứng suất Svm .............................................................................73
Hình 4.1: Cắt ngang cống vị trí nhà điều hành .........................................................75
Hình 4.2: Mặt bằng bố trí cọc bản đáy thân cống lấy nước ......................................80
Hình 4.3: Sơ đồ hình học ..........................................................................................82
Hình 4.4: Sơ đồ tính toán ..........................................................................................82
Hình 4.5: Sơ đồ tính toán ..........................................................................................84
Hình 4.6: Biểu đồ ứng suất S11 ................................................................................87
Hình 4.7: Biểu đồ ứng suất S22 ................................................................................87
Hình 4.8: Biểu đồ ứng suất S33 ................................................................................88
Hình 4.9: Biểu đồ ứng suất S12 ................................................................................88
Hình 4.10: Biểu đồ ứng suất S13 ..............................................................................89
Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất S23 ..............................................................................89
Hình 4.12: Biểu đồ ứng suất Smax ...........................................................................90
Hình 4.13: Biểu đồ ứng suất Smid ............................................................................90
Hình 4.14: Biểu đồ ứng suất Smin ............................................................................91
Hình 4.15: Biểu đồ ứng suất Svm .............................................................................91


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số chỉ tiêu phân loại nền đất mềm yếu................................................8
Bảng 2.1 : Quan hệ giữa Nc và Su .............................................................................30
Bảng 2.2 : Các hệ số điều kiện làm việc của đất.......................................................31


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, quyết định sự
thành công trong các chiến lược quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội, đảm
bảo quốc phòng an ninh quốc gia. Hiện nay dưới tác động của hiện tượng biến đổi
khí hậu toàn cầu và tác động khai thác của con người nguồn tài nguyên thiên nhiên
quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt.
Một trong các biện pháp khắc phục vấn đề trên là xây dựng những hệ thống
công trình thuỷ lợi hợp lý nhằm điều tiết, bảo tồn và phát triển nguồn tài nguyên
quý giá này. Trên thực tế đã xuất hiện các công trình như các cống điều tiết; cống
lấy nước; cống ngăn triều, giữ ngọt…nhằm phục vụ mục đích trên. Đi theo việc xây
dựng các công trình đó là các giải pháp về mặt kết cấu, ổn định công trình để đảm
bảo công trình hoạt động một cách an toàn bền vững. Sử dụng cọc để gia cố nền đất
yếu là phương pháp phổ biến khi xây dựng các công trình thuỷ lợi. Tuy nhiên hiện
thực khách quan cho thấy khi sử dụng cọc chúng ta chưa đánh giá đến sự làm việc
đồng thời của bản và cọc dẫn đến việc sử dụng cọc thiên lớn làm hao phí về kinh tế.
Vì vậy đề tài: “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc
đồng thời” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn lao trong chiến lược phát triển con
người nói chung và tài nguyên nước nói riêng.
2. Mục đích của Đề tài
Nghiên cứu trạng thái ứng suất của hệ bản cọc trong từng điều kiện chịu lực
khác nhau khi xét đến sự làm việc đồng thời của hệ bản và cọc nhằm tận dụng tối đa
khả năng làm việc của hệ cọc, tiết kiệm về mặt kinh tế và nâng cao chất lượng về
mặt kỹ thuật đảm bảo công trình làm việc ổn định, bền vững.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
Tiếp cận trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các tổ chức, cá nhân khoa học hay
các phương tiện thông tin đại chúng để nắm được tổng quan về các biện pháp xử lý
công trình trên nền đất yếu đặc biệt là phương pháp xử lý bằng cọc bê tông cốt thép

2

Từ đó nhận thấy rằng khi sử dụng bê tông cốt thép để gia cố nền đất yếu các
phương pháp tính hiện nay còn tương đối đơn giản, chỉ xét riêng rẽ các trạng thái
làm việc của bê tông bản đáy và cọc mà chưa xét đến sự làm việc chung của chúng.
Mặt khác việc bố trí cọc đồng đều trên diện tích bản đáy hiện nay là không biện
chứng và không tận dụng hết khả năng làm việc của cọc dẫn đến lãng phí về mặt
kinh tế. Vì vậy với đề tài “ nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc
đồng hời” tác giả sẽ giải quyết được các nhược điểm vừa nêu trên.
Thu thập, phân tích đánh giá các tài liệu liên quan, các quy phạm hướng dẫn
tính toán kết cấu từ đó đưa ra phương pháp nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suất
của hệ bản cọc khi chúng làm việc đồng thời.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với đúc rút kinh nghiệm thực tế,
dựa trên chỉ dẫn tính toán của các quy trình quy phạm, sử dụng mô hình toán và các
phần mềm ứng dụng.
Cụ thể đề tài nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ
của phần mềm SAP 2000, mô hình hóa phần tử theo mô hình không gian ba chiều,
có xét tới tương tác giữa cọc và nền để phân tích trạng thái ứng suất của hệ bản cọc
khi làm việc đồng thời với các tổ hợp tải trọng khác nhau.
- Phương pháp chuyên gia, hội thảo. Tranh thủ sự góp ý của các chuyên gia,
bạn bè đồng nghiệp để phát triển ý tưởng và khuyết điểm của đề tài trong quá trình
thực hiện.
- Phương pháp phân tích tổng hợp. Đánh giá tổng quát kết quả nghiên cứu, về
ưu nhược điểm và phương hướng giải quyết.
4. Kết quả dự kiến đạt được
- Tổng quan về tình hình sử dụng phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc.

3

- Đưa ra kết quả nghiên cứu về trạng thái ứng suất của hệ bản cọc khi làm
việc đồng thời, phân bố ứng suất trên đầu cọc trong các trường hợp sử dụng sơ đồ
hệ cọc.
- Đề xuất ý kiến về việc tính toán kết cấu bản đáy, sơ đồ bố trí cọc một cách
tối ưu đảm bảo hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật.
- Cách thức sủ dụng kết quả nghiên cứu cho một công trình cụ thể
5. Nội dung của luận văn
Ngoài phần đầu khẳng định tính cấp thiết của đề tài, các mục tiêu cần đạt được
khi thực hiện đề tài, các cách tiếp cận và phương pháp thực hiện để đạt được các
mục tiêu đó. Bố cục của luận văn bao gồm các chương như sau:
CHƯƠNG 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu
CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết tính toán móng cọc
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất của hệ bản cọc khi làm việc đồng thời
CHƯƠNG 4: Ứng dụng tính toán nghiên cứu trạng thái ứng suất cống Nam Đàn
CHƯƠNG 5: Kết luận và kiến nghị


1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về các dạng công trình thuỷ lợi dạng bê tông đặt trên nền đất
1.1.1 Lịch sử phát triển
Với vai trò không thể thiếu đối với sự sống, nước luôn được con người tìm
cách khai thác và sử dụng. Trên thế giới các loại đập thấp, kênh mương và các công
trình đơn giản khác để tưới nước cho cây trồng, cung cấp nước cho thành thị, được
xây dựng ở Ai Cập 4400 năm trước công nguyên, ở Trung Quốc 2280 năm trước

công nguyên. Đập thủy lợi được xây dựng đầu tiên là đập xây trên sông Nile cao
15m, dài 450m có cốt là đá đổ và đất sét. Đê bảo vệ lãnh thổ Hà Lan cũng được xây
dựng 2000 năm trước công nguyên.
Ở nước ta, từ năm 938 Lê Hoàn đã đào sông từ núi Đồng Cổ, Ba Hòa (Thanh
Hóa), sau đó đến năm 1029 thời Lý Thái Tông và năm 1231 thời Trần Thái Tông đã
đào sông Lam, sông Trầm, sông Hào ở Thanh Hóa và Diễn Châu (Nghệ An). Đê
được đắp đầu tiên vào năm 1108 tại Hà Nội và ở các vùng ven biển để ngăn mặn
như ở Ninh Bình. Các công trình kênh mương, tưới tiêu nước trong nông nghiệp
cũng đã được xây dựng nhiều vào các thời Lê sơ và Lê Nhân Tông.
Hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu khiến thế giới đang phải hứng chịu nhiều
thiên tai, lũ lụt hạn hán diễn ra nhiều nơi gây tổn thất rất nhiều về người và của.
Hiện tượng băng tan, nước biển dâng (sea level rise) gây ra quá trình xâm mặn tác
động nghiêm trọng đến các hoạt động kinh tế của người dân. Vì vậy công trình thủy
lợi ngày càng khẳng định vai trò lớn lao đòi hỏi những bước phát triển mới nhằm
đáp ứng nhu cầu khai thác sử dụng nước trong bối cảnh hiện tại
Các dạng công trình thủy lợi cũng phát triển theo sự phát triển của nền văn
minh cũng như nền khoa học kỹ thuật của nhân loại. Thưở sơ khai nó chỉ là các
dạng công trình vật liệu địa phương giản đơn như đập đất đá thấp, đê ngăn lũ, kênh
mương… Gần đây với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, đặc biệt là
sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu các công trình thủy lợi được xây dựng
với những quy mô hoành tráng, ứng dụng những loại vật liệu khác nhau với những


2

kết cấu được xử lý phức tạp… phù hợp với mọi điều kiện khí hậu và tình hình nền
móng công trình.
Bê tông và bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất để
xây dựng trên thế giới. Các kết cấu bê tông cốt thép có thể được thi công tại chỗ
hoặc tiền chế trong các nhà máy, xưởng sản xuất bêtông. Với những ưu điểm vượt

trội có thể kể đến như:
- Có cường độ chịu nén cao , bền trong môi trường
- Cốt liệu có thể sử dụng nguyên liệu địa phương
- Dễ cơ giới hóa,tự động hóa quá trình sản xuất và thi công
- Có thể tạo được nhiều loại bê tông có tính chất khác nhau.
Theo đó bê tông cốt thép cũng đang được sử dụng rộng rãi phổ biến, rộng
khắp trong các hình thức công trình thủy lợi. Tuy nhiên do khối lượng công trình
lớn đòi hỏi điều kiện tương đối cao về nền móng nên việc nghiên cứu xử lý nền
móng cho công trình bê tông cũng đòi hỏi nhiều thời gian, tâm huyết của các nhà
khoa học, các nhà thiết kế. Sau đây chúng ta xem xét một số công trình bê tông và
phương pháp xử lý nền móng của chúng khi đặt trên nền đất yếu.
1.1.2 Công trình bê tông trên nền đất
Nhờ tính chất bền vững, chịu được cường độ cao, dễ tạo hình kiến trúc, khả
năng chống thấm cao… bê tông ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công
trình thủy lợi. Có thể nhận thấy ở nước ta trong thời gian gần đây, những công trình
thủy lợi lớn đều được xây dựng từ bê tông.
Trạm bơm là công trình dùng cấp nước cho khu vực cao hoặc tiêu nước
vùng trũng nhờ động lực.
Trạm bơm Xuân Dương nằm trên huyện Sóc Sơn thành phố Hà Nội, hoạt động
với ba tổ máy, cung cấp nước tưới cho toàn bộ diện tích nông nghiệp huyện Sóc
Sơn. Kết cấu nhà trạm bê tông cốt thép trên nền đất sét pha vừa kết cấu kém chặt,
trạng thái dẻo chảy đôi chỗ xen kẹp lớp cát pha mỏng không đảm bảo ổn định nền
cho công trình. Do đó đơn vị tư vấn – công ty cổ phần xây dựng nông nghiệp và


3

phát triển nông thôn đã sử dụng hệ cọc 25x25x1050 cm đóng sâu vào lớp cát hạt
trung kết cấu chặt vừa, trạng thái bão hòa nước bên dưới để đảm bảo yêu cầu về ổn
định nền cho công trình.

Trạm bơm Xuân Dương – Hà Nội

Cắt dọc nhà trạm

Mặt bằng bố trí cọc
Hình 1.1: Xử lý nền móng trạm bơm Xuân Dương
Cống lộ thiên là loại công trình thủy lợi hở xây dựng để điều tiết lưu
lượng và khống chế mực nước nhằm đáp ứng các yêu cầu cấp nước, phân lũ, tiêu
úng, ngăn triều giữ ngọt, tiêu mặn.


4

Cống lấy nước Nam Đàn – Nghệ An

Cắt ngang cống

Hình 1.2: Xử lý nền móng cống lấy nước Nam Đàn

Hình 1.3: Mặt bằng bố trí cọc cống lấy nước Nam Đàn
Cống Nam Đàn là cống lấy nước trên sông Lam, cống được đặt trên nền sét
màu xám, xám đen, phớt xám nâu lẫn hữu cơ trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy, chảy.
Phương án xử lý nền móng đơn vị tư vấn thiết kế - công ty chuyển giao công nghệ
trường Đại học Thủy lợi đưa ra là sử dụng hệ cọc 40x40x2000 cm, đóng sâu xuống
lớp sét màu xám, xám xanh trạng thái dẻo cứng phía sâu bên dưới.


5

Cống lấy nước Xuân Tình – Phú Thọ

Cắt ngang cống

Hình 1.4: Xử lý nền móng cống Xuân Tình – Cẩm Khê – Phú Thọ
Công nghệ ngăn sông lớn đập trụ đỡ và đập xà lan liên hợp từ lâu đã phát
triển mạnh trên thế giới gần đây cũng được xem xét đưa vào ứng dụng phân gianh
mặn ngọt và ngăn triều ở Việt Nam.
Công trình đáng kể tới có đập Thảo Long – Thừa Thiên Huế được đánh giá là
công trình có quy mô vào bậc nhất Đông Nam Á. Toàn bộ trọng lượng công trình
truyền xuống nền qua trụ đỡ. Bản đáy trụ đặt trên nền địa chất đáy sông bùn sét màu
xám đen, trạng thái chảy, nguồn gốc lầy biến (bmQ) chiều dày thay đổi từ 6 – 11 m.
Phương pháp xử lý nền đưa ra của Trung tâm công trình đồng bằng ven biển Viện
khoa học thủy lợi là sử dụng trụ đỡ đặt trên hệ cọc khoan nhồi D 120 dài 15m, mũi
cọc cắm vào lớp cuội sỏi lẫn cát phía dưới.

Đập Thảo Long – Huế

Cấu tạo trụ đỡ

Hình 1.5: Công nghệ đập trụ đỡ


6

Cầu là công trình giao thông nối liền hai điểm hai bên bờ sông với nhau
giúp việc vận chuyển đi lại giữa hai bên bờ sông được thuận lợi. Kết cấu bê tông cốt
thép là kết cấu được sử dụng phổ biến với hình thức công trình này. Với đặc điểm
tải trọng bản thân lớn, tải trọng động do xe cộ đi lại, mặt khác địa chất lòng sông
thường yếu nên việc xử lý nền móng luôn cần được đánh giá một cách chi tiết.

Cầu Bạch Hổ – Huế

Thi công cọc khoan nhồi dưới trụ cầu

Hình 1.6: Xử lý nền dưới trụ cầu giao thông
Cầu Bạch Hổ trên sông Hương dài hơn 542 m rộng 24,5 m nhịp đũng hẫng
cân bằng, trên cầu có 6 vọng lâu. Trụ cầu đặt trên nền địa chất lòng sông bùn nhão
dẻo chảy ngập nước, do đó để đảm bảo ổn định, cầu được thiết kế hệ thống cọc
khoan nhồi cắm vào nền đá dưới sâu.
Trên đây là một số dạng công trình bê tông trên nền đất và phương án xử lý
nền móng của chúng. Sau đây ta đi nghiên cứu yêu cầu về nền và các phương pháp
xử lý nền đất yếu.
1.1.3 Yêu cầu về nền đối với các công trình bê tông thủy công khối lớn
Các công trình bê tông thủy công đều có trọng lượng bản thân lớn, chịu áp lực
thủy tĩnh, thủy động cao. Vì thế tải trọng tác dụng lên nền rất lớn, theo đó việc xem
xét sự làm việc của nền cũng cần đánh giá kỹ lưỡng và chi tiết.
Nhìn chung nền của các công trình bê tông thủy công cần có những yêu cầu sau:
- Đất nền đủ khả năng chịu lực
- Chất đất tương đối đồng chất


7

- Không có lớp đất mềm yếu dễ hình thành mặt trượt
- Đất ít bị nén và nén tương đối đều
- Đất không bị hòa tan, không thay đổi độ chặt, không bị trương nở khi gặp
nước vv,…
Khi nền không đảm bảo yêu cầu ảnh hưởng đến sự bền vững của công trình
cần có biện pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải cho nền đất,

giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình.
1.2 Ứng xử của nền và các phương pháp xử lý nền đất yếu.
1.2.1 Nền đất yếu và phân loại nền đất yếu
Nền đất là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc
cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính theo thí nghiệm cắt nhanh không
thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 00 đến 100 hoặc lực dính từ
kết quả cắt cánh hiện trường su ≤ 0,25 daN/cm2. Theo sức kháng cắt không thoát
nước, su, và trị số tiêu chuẩn N như sau:
- Đất rất yếu: su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2
- Đất yếu: su ≤ 255 kPa hoặc N ≤ 4
Các loại nền đất yếu thường gặp:
- Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái
bão hòa nước, có cường độ thấp.
- Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất
mịn (≤200 μm) ở trạng thái luôn lo nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực.
- Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc
pha loãng đáng kể. Loại này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy
gọi là cát chảy.
- Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc điểm độ rỗng lớn, dung trọng khô
bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập.


8

Đất sét yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòi
hỏi cong tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu.
Đất sét yếu nói chung là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có
cường độ kháng nén quy ước dưới 0,50 daN/cm2 ), có tính nén lún lớn, hệ số rỗng
lớn (e >1), có môdun biến dạng thấp (E0 < 50 daN/cm2 ), và có sức kháng cắt nhỏ.
Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng

và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình. Bảng 1.1 trình
bày một số chỉ tiêu phân loại đất mềm yếu.
Bảng 1.1: Một số chỉ tiêu phân loại nền đất mềm yếu
Chỉ tiêu
loại đất

Hàm lượng
nước tự
nhiên (%)

Độ rỗng tự
nhiên

Đất sét

> 40

> 1,2

Đất á sét

> 30

> 0,95

Hệ số co
ngót

Độ bão
hòa (%)

Góc nội ma
sát (0) (chịu
cắt nhanh)

> 0,5

> 95

<5

> 0,3

> 95

<5

(Mpa-1)

1.2.2 Đặc điểm làm việc của công trình bê tông trên nền đất
Công trình bê tông thủy công là loại công trình có tải trọng bản thân và tải
trọng ngang lớn, làm việc trong môi trường nước, bởi thế nền thường bão hòa và
điều kiện làm việc không thoát nước. Móng công trình bê tông có thể đặt trực tiếp
trên nền đất hoặc ngàm sâu vào nền. Khi chịu tải trọng phức tạp, tải trọng công trình
truyền xuống nền vượt quá sức chịu tải của nền, nền sẽ bị phá hoại hoặc xảy ra các
hiện tượng trượt phẳng, sâu hoặc trượt hỗn hợp; điều đó dẫn đến sự phá hoại về kết
cấu và công trình bị phá hoại hoàn toàn.

Móng đặt trực tiếp trên nền

Móng nông trên nền


9

Móng sâu ngàm vào nền
nhờ tăng chiều sâu hộp đáy

Móng sâu ngàm vào nền
nhờ hệ thống cọc

Hình 1.7: Hình thức móng công trình trên nền đất

Hình 1.8: Sơ đồ mất ổn định công trình bê tông chịu tải trọng phức tạp
Thực tế cho thấy việc đánh giá khả năng làm việc của đất nền và biện pháp xử
lý không phù hợp đã dẫn đến những sự cố đáng tiếc, gây thiệt hại lớn về người và
của.
Vụ sập cầu Cần Thơ năm 2008 là một ví dụ điển hình, sự cố xảy ra là do lún
lệch đài móng trụ tạm thượng lưu T13U theo hướng dọc cầu từ phía bờ ra phía sông,
làm tăng nội lực trong các bộ phận của trụ tạm, gây đứt bulông kiên kết của một số
thanh giằng xiên, dẫn tới các thanh đứng của trụ tạm này bị mất ổn định và sập đổ
các kết cấu bên trên trụ tạm. (Trích báo tuổi trẻ online dẫn lời ông Nguyễn Hồng
Quân - bộ trưởng Bộ Xây dựng, chủ tịch Ủy ban Nhà nước điều tra sự cố sập hai
nhịp dẫn cầu Cần Thơ (ủy ban điều tra) về nguyên nhân chính, nguyên nhân khởi
nguồn của vụ tai nạn thương tâm này.
Tháp nghiêng Pisa – Italia – kỳ quan thế giới được khởi công xây dựng vào
ngày 9 tháng 8 năm 1173 dưới sự điều khiển của Bonanno Pisano và hoàn tất vào
năm 1373 bởi Tommaso Pisano 200 năm sau ngày khởi công. Nguyên nhân nghiêng
của tháp là do hiện tượng lún không đều của nền móng. Hiện tại để đảm bảo sự ổn
định của tháp người ta bố trí bố trí thiết bị khoan hút đất bên dưới cạnh phía bắc của

chân móng tháp đồng thời sử dụng hệ thống dây cáp giữ tháp khỏi đổ dưới bất cứ
sai lầm nào trong khâu xử lý.


10

Hình 1.9: Vài hình ảnh về sự cố sập cầu Cần Thơ

Khoan hút đất dưới chân móng tháp
Hình 1.10: Tháp nghiêng Pisa - Italia
Từ đó có thể thấy rằng nếu nền đất yếu không được xem xét xử lý triệt để sẽ
dẫn đến những sự cố không thể kiểm soát được.
1.2.3 Một số phương pháp xử lý công trình khi gặp nền đất yếu
Để khắc phục những sự cố công trình do nền đất yếu đem đến cần có những
biện pháp kỹ thuật để cải tạo tính năng xây dựng của nó. Một vài biện pháp điển
hình có thể kể đến như sau:
Biện pháp xử lý về mặt kết cấu công trình
- Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ: Làm giảm trọng lượng bản thân công
trình bằng cách sử dụng các loại vật liệu nhẹ, kết cấu thanh mảnh, tuy nhiên vẫn
phải đảm bảo cường độ của công trình.
- Làm tăng độ mềm của kết cấu công trình: Mục đích để khử ứng suất phụ
thêm phát sinh trong kết cấu khi xảy ra lún lệch hoặc lún không đều. Phương pháp
dùng kết cấu tĩnh định hoặc phân cắt các bộ phận công trình bằng các khe lún.


11

- Tăng cường độ cho kết cấu công trình: Làm tăng cường độ cho kết cấu
công trình để đủ sức chịu các ứng lực sinh ra do lún lệch và lún không đều. Phương
pháp dùng các đai bê tông cốt thép để tăng khả năng chịu ứng suất kéo khi chịu uốn,

đồng thời có thể gia cố tại các vị trí dự đoán xuất hiện ứng suất cục bộ lớn.
Các biện pháp xử lý về móng
- Đầu tiên phải kể đến phương pháp thay đổi chiều sâu chôn móng, sử
dụng phương pháp này có thể giải quyết về mặt lún và khả năng chịu tải của nền.
Khi chiều sâu chôn móng tăng thì sức chịu tải của nền tăng. Trường hợp nền đất yếu
có chiều dày thay đổi nhiều, để giảm chênh lún có thể đặt móng ở nhiều cao trình
khác nhau.
Phương pháp thay đổi kích thước móng có tác dụng thay đổi trực tiếp áp lực
tác dụng lên mặt nền do đó cải thiện được điều kiện chịu tải cũng như điều kiện
biến dạng của nền.

Thay đổi độ sâu chôn móng

Thay đổi kích thước móng

Hình 1.11: Phương pháp xử lý về móng
- Với các lớp đất yếu có độ dày không lớn (tốt nhất với lớp đất yếu < 3m)
ở trạng thái bão hòa nước người ta sử dụng đệm cát (đào bỏ toàn bộ lớp đất yếu và
thay bằng cát hạt trung, hạt thô đầm chặt) để cải tạo nền. Đệm cát đóng vai trò như
một lớp chịu tải tiếp thu tải trọng công trình và truyền tải trọng đó xuống các lớp đất
bên dưới.


12

Sơ đồ bố trí đệm cát

Sơ đồ bố trí cọc cát

Hình 1.12: Phương pháp xử lý về nền

- Khi gặp trường hợp nền yếu nhưng có độ ẩm nhỏ (G < 0,7) có thể sử
dụng phương pháp đầm chặt lớp mặt để làm tăng cường độ chống cắt của đất và làm
giảm tính nén lún. Lớp đất mặt sau khi được đầm chặt có tác dụng như một tầng
đệm đất, không những ưu điểm như phương pháp đệm cát mà còn có ưu điểm là tận
dụng được nền đất thiên nhiên để đặt móng, giảm khối lượng đất đào đắp.
- Phương pháp sử dụng cọc bê tông cốt thép: Mục đích của phương pháp
sử dụng khả năng chịu tải cao của các tầng đất dưới sâu và lực ma sát giữa cọc và
nền móng để giữ ổn định cho công trình.
Với ưu điểm có lịch sử phát triển lâu đời, phù hợp với nhiều loại địa hình địa
chất phương án sử dụng móng cọc được sử dụng phổ biến rộng rãi với hầu hết các
loại công trình nói chung và công trình thủy lợi nói riêng. Về việc nghiên cứu đề tài
của luận văn, tác giả hi vọng góp thêm một chút hiểu biết nhỏ trong hệ thống lý
thuyết về phương pháp tính toán móng cọc làm phong phú kho tài liệu về móng cọc.


13

Móng cọc đài thấp

Móng cọc đài cao

Hình 1.13: Phương pháp xử lý về nền bằng móng cọc
1.3 Tổng quan về móng cọc
1.3.1 Khái quát về sự hình thành phát triển
Trong số những phương pháp xử lý khi xây dựng công trình đất yếu, móng
cọc là một trong những loại móng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Người ta có
thể đóng, hạ các cây cọc lớn xuống các tầng đất sâu, nhờ đó làm tăng khả năng chịu
tải trọng lớn cho móng.
Móng cọc được sử dụng từ rất sớm, khoảng 1200 năm trước, những người dân
của thời kỳ đồ đá mới của Thụy Sỹ đã biết sử dụng các cọc gỗ cắm xuống các hồ

nông để xây dựng nhà trên các hồ cạn (Shower 1979). Cũng trong thời kỳ này người
ta đóng các cọc gỗ để làm đê quai chắn đất, dùng thân cây và cảnh cây để làm móng
nhà …vv.

Thi công móng cọc công trình dân dụng

Thi công cọc dưới nước

Hình 1.14: Vài hình ảnh thi công móng cọc bê tông cốt thép