Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công ép lên khả năng chịu tải của cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỔ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỮU HOÀNG VŨ

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA
QUÁ TRÌNH THI CÔNG ÉP LÊN KHẢ NĂNG
CHỊU TẢI CỦA CỌC
Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dụng
Mã số ngành

: 60 58 02 11

LUẬN VĂN THẠC SĨ


Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 1 - 2019CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LÊ BÁ KHÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. PHẠM TƯỜNG HỘI

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày 09 tháng 01
năm 2019.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
: PGS. TS. VÕ PHÁN

: TS. NGUYỄN NGỌC PHÚC

Chủ tịch hội
đồng
Thư ký hội đồng
Uỷ viên phản
biện 1
Uỷ viền phản
biện 2
Uỷ viên hội
CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

PGS. TS. VÕ PHÁN

: TS. LÊ BÁ KHÁNH
: TS. PHẠM TƯỜNG HỘI
: TS. CAO VĂN HÓA

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỤNG

TS. LÊ ANH TUẤN


3

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HỮU HOÀNG VŨ
Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1993

MSHV: 1670541
Nơi sinh: Ninh Thuận

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số: 60 58 02 11

L TÊN ĐỀ TÀI: Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công ép lên khả năng chịu
tải của cọc
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
-

Phân tích, đánh giá một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng quá trình hạ cọc lên sức
chịu tải của cọc

-

Mô phỏng phân tích ứng xử của đất nền xung quanh và dưới mũi cọc sau khi hạ
cọc bằng phương pháp ép

III.
IV.

-

Mô phỏng đánh giá khả năng chịu tải của cọc sau khi ép

-

Phân tích, so sánh với kết quả thí nghiêm nén tĩnh cọc hiện trường
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/08/2018
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/12/2018

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SON
Tp. HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA
PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

PGS. TS. LÊ BÁ
VINH


LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ tại khoa Kỹ thuật Xây
dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các quý
Thầy cô, cán bộ các phòng ban chức năng đã luôn hỗ trợ, giúp đỡ tôi hoàn thành bài luận văn
này. Những tri thức và tâm huyết của quý Thầy cô đã truyền dạy cho tôi là thực sự quý giá giúp
tôi định hướng trong quá trình nghiên cứu học tập và phát triển nghề nghiệp sau này.

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy PGS. TS. Bùi Trường Sơn người đã tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn tôi qua từng buổi học, từng buổi trao đổi, thảo luận, định
hướng nghiên cứu và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Một lần
nữa xin chân thành cảm ơn thầy.
Đe có thể đưa ra những thông tin đảm bảo tính giá trị và tính chính xác trong luận văn
của mình, tôi không quên gửi lời cảm ơn đến các tác giả của những tài liệu, sách, đề tài nghiên
cứu tôi đã dùng tham khảo và sử dụng để hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Đe hoàn thành luận văn thạc sỹ đúng thời gian quy trình, bên cạnh sự nỗ lực của bản
thân, sự hướng dẫn tận tình của các quý Thầy cô, tôi cũng xin cảm ơn người thân, gia đình và bạn
bè đồng nghiệp đã luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và
thực hiện đề tài nghiên cứu luận văn thạc sỹ hoàn chỉnh.
Tuy bản thân đã có nhiều cố gắng và nỗ lực hoàn thành đề tài nghiên cứu, song do kiến
thức và kinh nghiệm học viên còn hạn chế, luận văn này chắc chắn không thể tránh khỏi những
thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ dẫn và những đóng góp ý kiến của các quý
Thầy cô, các chuyên gia và những người quan tâm đến đề tài này để tôi có thể bổ sung những
kiến thức còn thiếu và hoàn thiện bài luận vãn của mình hơn.
Tôi xin trân họng cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 12 năm 2018

Nguyễn Hữu Hoàng Vũ


TÓM TẮT LUẬN VẨN THẠC SĨ
MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH THI CÔNG ÉP
LÊN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC
TÓM TẮT:
Đề tài thực hiện nhiệm vụ phân tích đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công ép lên khả
năng chịu tải của cọc, với dữ liệu thực tế từ Dự án Trung tâm thương mại Khang Gia - Khang Gia
Shopping Mall, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh. Công trình sử dụng cọc ly tâm ứng
suất trước có đường kính 600 mm, chiều dài 26,3 m. Đề tài lựa chọn cọc thử TP12 gần vị trí
hố khoan HK2 để phục vụ phân tích đánh giá.

Mô phỏng quá trình thi công ép và nén tĩnh cọc cho thấy phạm vi ảnh hưởng trong đất
xung quanh cọc đon là 2d, ờ khu vực mũi cọc theo phương ngang là hon 4d và lên đến 5d từ
khu vực mặt phẳng ngang mũi cọc; theo phưong đúng, từ mũi cọc trở lên, phạm vỉ ảnh
hưỏng là 6d và là 3d từ mũi cọc trở xuống. Ngoài ra, phạm vỉ ảnh hưỏng vùng xuất hiện áp
lực nước lỗ rỗng thặng dư sau khi hạ cọc trong lớp đất tốt lên đến 17d và là 12d trong lóp
đất yếu. Bên cạnh đó, thời gian để áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán hoàn toàn có thể
đến 600 ngày kể từ thời điểm thi công hạ cọc.
Việc xác định quan hệ tải trọng và độ lún đầu cọc nhằm đánh giá được giá trị sức chịu tải
giới hạn (Qu) dựa trên các phương pháp khác nhau, đồng thời cũng so sánh được kết quả Qu dự
báo giữa thí nghiệm và mô phỏng. Giá trị Qu giữa kết quả thí nghiệm và mô phỏng theo các
phương pháp Offset Limit của Davisson, Chin - Kondner, De Beer, De Court, tiêu chuẩn 80%
Brinell Hansen, tiêu chuẩn 90% Brinell Hansen, Mazurkiewicz, Fuller & Hoy và Butler & Hoy là
tương tự nhau, mức độ sai lệch dưới 20%.
Kết quả dự báo Qu theo các phương pháp Mazurkiewicz, Fuller & Hoy và Butler &
Hoy từ kết quả nén tĩnh cọc thực tế và mô phỏng đều cho giá trị Qu tương ứng với ứng xử Q - s
trong phạm vi đàn hồi và ứng với độ lún xấp xỉ 10%d là phù hợp để sử dụng đánh giá sức chịu tải
giới hạn của cọc. (d là đường kính cọc)


MASTER THESIS ABSTRACT
SIMULATING EVALUATING EFFECT OF PRESSING PROCESS ON BEARING
CAPACITY ON PILE

ABSTRACT
The thesis focuses on analyzing and assessing the effect of the pressing process on
bearing capacity on pile, applied with actual data from “Khang Gia Shopping Mall Project”, Thu
Due District, Ho Chi Minh City. The project uses pretensioned spun concrete piles with a
diameter of 600 mm and a length of 26.3 m. TP12 trial piles near HK2 hole are also used for
analysis and evaluation in this thesis.
That simulates the process of pressing and static pile compressing shows the impacted

range in the soil is 2d surrounding single pile, over 4d at the horizontal pile tip and up to 5d
from the horizontal plane of pile tip area; in the vertical direction, the range of influence is
6d from pile tip upwards and 3d from there downwards, hl addition, the area range affected
by the excess pore water pressure after driving pile in hard soil layer is up to 17d and is 12d
in soft soil. Moreover, the time for the excess pore water pressure to be fully dissipated could
be up to 600 days from driving time.
Determining the relation between load and pile head settlement aims to evaluate the value
of ultimate load capacity (Qu) based on the different methods, as well as to compare the Qu
predicted results between experiment and simulation. The value Qu between experiment and
simulation result based on Offset Limit of Davisson, Chin - Kondner’s, De Beer’s, De Court’s,
Brinell - Hansen’s 80% criterion, Brinch - Hansen’s 90% criterion, Mazurkiewicz’s, Fuller &
Hoy’s and Butler & Hoy’s methods are similar, deviation level is less than 20%.
The predicted Qu result by the methods of Mazurkiewicz, Fuller & Hoy and Butler &
Hoy from result of static pile load test and simulation shows that the value Qu corresponding to
the Q - s conduct within the elastic range and corresponding to a settlement of approximately
10%d is appreciate that used for evaluating of the ultimate load capacity of the pile, (d is the pile
diameter)


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy
PGS. TS. Bùi Trường Son
Các so sánh, đánh giá, kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên
cứu khác.
Tôi xin chịu hách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tp. Hồ Chí Mình, ngày 02 tháng 12 nãm 2018

Nguyễn Hữu Hoàng Vũ

8

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

hình Mohr Coulomb

44

Hình 2.9. Đồ thị biểu diễn quan hệ ứng suất - biến dạng khi gia tải và dỡ tải trong mô
Hình 3.1. Vị trí dự án Trung tâm thương mai Khang Gia - Khang Gia Shopping Mall,



10

Hình 3.39. Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo phương pháp

DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU


11

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc hiện trường được xem là đáng tin cậy để đánh giá sức
chịu tải của cọc sau khi thiết kế và thi công hạ cọc. Trong thực tế, giá trị tải trọng lớn nhất được
chọn để thí nghiệm nén tĩnh cọc, căn cứ vào sức chịu tải cho phép được lấy từ hồ sơ thiết kế. Tuy

nhiên, phần lớn kết quả phân tích thí nghiêm nén tĩnh cọc cho thấy sức chịu tải cực hạn của cọc
tại hiện trường lớn hơn đáng kể so với giá trị tính toán từ hồ sơ thiết kế. Do đó, kết quả nén tĩnh
cọc thường chưa đạt đến giá trị cực hạn.
Trong rất nhiều các công trình xây dựng, các thí nghiêm thử tĩnh cọc được tiến hành một
cách nhanh chóng sau khi cọc được hạ vào trong đất vì có sự ràng buộc về thời gian xây dựng
công trình. Sức chịu tải cọc có được từ kết quả thử tĩnh cọc được xem như là sức chịu tải cọc lâu
dài. Trong quá trình thì công hạ cọc, đất nền xung quanh cọc bị xáo trộn, tại vùng này giá trị áp
lực nước lỗ rỗng thặng dư gia tăng đáng kể, bên cạnh đó vùng đất dưới mũi cọc bị nén ép chặt và
gây phản lực lên đầu cọc. Quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư do quá trình cố kết lại
của vùng đất xung quanh cọc sẽ làm gia tăng ứng suất hữu hiệu, làm gia tăng sức chịu tải của cọc
theo thời gian.
Đề tài luận văn “Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công ép lên khả
năng chịu tải của cọc” được đặt ra nhằm mô phỏng quá trình thi công ép và ảnh hưởng của nó
đến sức chịu tải của cọc theo thời gian. Kết quả phân tích từ mô phỏng kết hợp với kết quả phân
tích từ thí nghiệm nén tĩnh cọc có thể cho phép rút ra các nhận xét về sức chịu tải cực hạn của cọc
theo lý thuyết, là cơ sở để dự đoán được sức chịu tải cọc ở giai đoạn thiết kế ban đầu.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
-

Phân tích, đánh giá một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng quá trình hạ cọc lên sức chịu tải
của cọc;

-

Mô phỏng phân tích ứng xử của đất nền xung quanh và dưới mũi cọc sau khi hạ cọc bằng
phương pháp ép;

-

Mô phỏng đánh giá khả năng chịu tải của cọc sau khi ép;

-

Phân tích, so sánh với kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc hiện trường.


12

3. Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu của đề tài
-

Đối tượng của đề tài: Đề tài tập trung mô phỏng cọc thi công bằng phương pháp đóng
hoặc ép trong nền sét bão hòa nước; mô phỏng và phân tích thí nghiêm nén tĩnh cọc

-

Phạm vỉ nghiên cứu của đề tài:
+ Đề tài chỉ mô phỏng cho một cọc đơn, thực tế với một số lượng cọc lớn ngoài công

trường khi được hạ vào trong đất, vùng đất xáo trộn sẽ có sự khác biệt và quá trình tái cố kết
của vùng đất giữa các cọc cũng khác nhau rõ rệt, ảnh hường đến mức độ tin cậy của kết quả.
+ Trong thực tế thì không phải chỉ riêng trong tầng địa chất đất sét bão hòa nước mà cọc
ép hoặc đóng còn được sử dụng trong các tầng địa chất đất cát. Đề tài chỉ mô phỏng tại một công
trình cụ thể, và lựa chọn tầng địa chất có các tầng đất sét để thấy được quá trình tái cố kết lại của
vùng đất xung quanh cọc làm cho khả năng chịu tải của cọc tăng theo thời gian.
+ Đề tài mô phỏng đánh giá ảnh hưởng quá trình thi công ép lên khả năng chịu tải của cọc
dựa trên quá trình tái cố kết xung quanh cọc là sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng thặng dư phát sinh trong
quá trình hạ cọc và sự dịch chuyển của vùng đất xung quanh cọc, không xét được các yếu tố khác
như: mật độ cọc, kích thước cọc, độ ẩm trung bình, độ bền của đất, cường độ sức chống cắt
không thoát nước, ứng suất và biến dạng trong đất nền, sự thay đổi tính chất cơ lý của đất...

4. Phuong pháp nghiên cứu
-

Tổng hợp phân tích cơ sở lý thuyết về sự xáo trộn của nền đất xung quanh cọc trong quá
trình thi công hạ cọc;

-

Phân tích, hệt kê, chọn lọc các dữ liệu cần thiết để cung cấp cho quá trình mô phỏng;

-

Phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Plaxis 2D mô phỏng đánh giá;

-

Kết quả thí nghiệm nén thử tĩnh cọc để so sánh, đối chiếu với kết quả mô phỏng.

5. Tính khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài mô phỏng quá trình thi công ép cọc và quá trình thử tĩnh cọc nhằm cung cấp các
nhận định cho người thiết kế để có thể tính toán sức chịu tải của cọc một cách thực tế
hom như phạm vi ảnh hưởng, khả năng gia tăng sức chịu tải cọc theo thời gian trong nền
sét bão hòa nước...;

Việchợp
quá
trình
sức
chịu
hạ bằng

cọc
tải
kết
của
thúc
cọc
gia
sẽ
giúp
tăng
người
theo
thời
thiết
gian
kế
có
sau
kếkhi
hoạch
phù
thử
nhất,
tĩnh
mang
cọc
hợp
lại
lísử
sự

nhằm
tiết
cócọc
kiệm
được
tối
số
ưu
liệu
đối
hiện
với
các
trường
công
trình
có
mặt
lớn
và
dụng
chiếm
chỗ.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC LÊN SỨC CHỊU TẢI CỦA
CỌC
Sức chịu tải cọc thường được dự đoán bằng các công thức khi cọc ở trạng thái tĩnh và sau
cùng được kiểm tra bằng thí nghiêm thử tải cọc. Thông thường các thí nghiêm thử tải được tiến

hành sau khi hạ cọc sau một khoảng thời gian ổn định theo qui định của tiêu chuẩn. Sức chịu tải
từ thí nghiêm thử tải được giả thiết là sức chịu tải lâu dài. Tuy nhiên trong quá trình hạ cọc, đất
xung quanh thành cọc và bên dưới mũi cọc bị xáo trộn, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư được hình
thành. Phụ thuộc vào hệ số thấm của tầng đất, thời gian tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư
không giống nhau. Sức chịu tải của cọc có thể được đánh giá thấp nếu thí nghiêm thử tải được
tiến hành trong khi vẫn còn duy trì một lượng đáng kể áp lực nước lỗ rỗng thặng dư. Sức chịu tải
cọc cùng với cường độ đất xung quanh sẽ tăng lên nhờ quá trình cố kết lại. Hiện tượng này phổ
biến cho đất cho hệ số thấm bé, đất bùn, đất sét. Đối với đất sỏi sạn, hệ số thấm cao, quá trình tiêu
tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư diễn ra vài giờ đến vài ngày, một số tài liệu chỉ sức chịu tải của
cọc cũng có xu hướng tăng [1].
1.1. Ảnh hưởng của quá trình hạ cọc trong đất sét
Công thức xác định sức chịu tải ở trạng thái tĩnh được phát triển dựa trên kinh nghiệm và
không dễ dàng áp dụng một cách rộng rãi do chúng ta không hiểu được quá trình căn bản của nó.
cần có nhiều kiến thức tìm hiểu về sự thay đổi đất trong và sau khi thi công cọc, các thông tin này
rất giới hạn, ít nhất dựa trên sự quan sát và đo đạc ngoài hiện trường.
- Việc đóng cọc vào đất nền sẽ làm cho đất bị xáo trộn thể hiện đặc trưng qua những
thông số về: sức chống cắt, độ ẩm, độ sệt, tính nén lún. Để đánh giá sự xáo trộn của đất khi đóng
cọc, Fellenius và Samson (1976) có đề cập về một nghiên cứu thí điểm được thực hiện vào năm
1974 trên 13 cọc 300 (12 inch). Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá sự xáo trộn của đất sét biển
nhạy cảm bằng cách:
+ Đo những thay đổi của sức chống cắt, tính nén lún và áp lực nước lỗ rỗng trong đất;
+ Đo mức độ phục hồi điều kiện ban đầu theo thời gian sau khi đóng cọc;
+ Theo dõi các chuyển động theo chiều dọc và bên hông trong các cọc trong cùng nhóm
cọc do việc đóng các cọc xung quanh;


+ Xác định khu vực chịu ảnh hưởng bằng cách đo độ chuyển vị chiều dọc và ngang;
những thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng.
Theo kết quả của bài báo, những nhận xét chính được rút ra như sau :
+ Chuyển vị của nhóm cọc đóng trong đất sét có độ nhạy với khoảng cách cọc tối thiểu

bằng 5 lần đường kính sẽ có ít ảnh hưởng lên đất nền giữa các cọc, ngoại trừ vùng đất vành xuyến
xung quanh cọc đã bị xáo trộn;
+ Đóng cọc làm giảm 15% cường độ chống cắt, và 30% độ chối cọc. Độ bền và độ chối
mất đi sẽ được phục hồi 1 phần sau khoảng thời gian là 3 tháng;
+ Phương pháp quan trắc chỉ ra rằng cọc trong nhóm cọc đóng bị dịch chuyển với độ lớn
175 mm (7 inch) sau khi cọc được đóng thêm vào;
+ Khi đóng cọc thì đất bị trồi lên theo phương đứng với giá trị là 450 mm (18 inch) hoặc
bằng 15% lượng đất bị chiếm chỗ. Đất bị trồi lên giảm nhanh theo khoảng cách giữa các cọc
trong nhóm;
+ Chuyển vị của đất theo chiều dọc và ngang trong phạm vi bên ngoài nhóm cọc theo
hình nón, với đỉnh nằm ở mũi cọc và nghiêng theo một góc 23 độ theo chiều của nhóm cọc. Trong
nhóm cọc thì hình nón giao với cọc với khoảng cách là 40 lần đường kính cọc, nón chiếm hơn
80% khối lượng đất bị chiếm chỗ;
+ Áp lực nước lỗ rỗng tối đa được đo tại vị trí 6 m (20 ft) hoặc 20 lần đường kính cọc thì
áp lực vượt quá 35% - 40% áp lực tổng;
+ Sự phân bố của áp lực nước lỗ rỗng cơ bản tương tự như áp lực gia tăng do đóng. Sự
ảnh hưởng của đóng cọc lên áp lực nước lỗ rỗng tại 15 m (50 ft) hoặc 50 lần đường kính cọc là rất
nhỏ cũng giống như sự gia tăng của áp lực nước lỗ rỗng;
+ Hầu hết áp lực nước lỗ rỗng tối đa đều tiêu tán hết sau 8 tháng đóng cọc.
Mô hình phần tử hữu hạn 3D để mô phỏng quá trình đóng cọc và ảnh hưởng của nó lên
nên đất xung quanh đã được s.Henke và Grabe mô phỏng vào năm 2005.


5DVI
CA V Ị* till Ml I

,—I- .ạ.MỊỊèỌi
p. rSOOteiM
I— *;
L) j

P—- gulfed p. .,
4ỡ*j 1 -■ ÕĨ —
..■ B64-II1

‘Ặỉm^ỘỊ

i— +.'

*, p-ib'Xr] ♦I- liiMi .7'n00e«i
./Jtias.oj J-Wifed-i
: ịýhỊrỌị
7. tiats-lJi ; OTM-OJ » ./ÓÌ.K7-ÍH í.'MW.rử3
«;ọọọặ.ộị ♦ J

PÔ9-CỈ

Hình 1.1. Mô phỏng

cọc ở độ sâu 4m vào
nền đất
- Mark R. Svinkin (2006) đã nghiên cứu một số trường hợp dịch chuyển của đất nền trong
quá trình hạ cọc:
+ Trong đất rời, đất bị nén chặt và sụt lún về sau;
4- Trong đất sét mềm đến dẻo mềm, đất bị dịch chuyển đáng kể.
Hokugo (1964) đã thử nghiệm cọc bê tông với đường kính 510 mm được hạ vào trong 30
m đất sét mềm đến dẻo mềm. Dịch chuyển ngang khi đỏ lần lượt là 91 mm và 51 mm tại các
khoảng cách 3,8 m và 10 m, chuyền vị ngang đạt 110 mm ở khoảng cách từ 3 - 8 m tính từ vùng
hạ cọc.
Bradshaw et al (2005) đã thử nghiệm 350 cọc ly tâm ứng suất trước có đường kính 410
mm được hạ vào tầng địa chất gồm: 6 m đất đắp, 4 m cát và bụi hữu cơ, 33 m lớp sét biển mềm, 7

m cát và bụi rất chặt và kết thức là tầng đả. Cọc được thiết kế là cọc chống được hạ vào tầng cất
bụi rất chặt. Dịch chuyển ngang đạt cực đại là 254 mm.
Việc hạ cọc trong đất sét mềm đến dẻo mềm có thể gây ra sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng
và dẫn đến dịch chuyển ngang của bề mặt đất nền. Vùng ảnh hưởng dịch chuyển ngang nên được
xem xét tại những khoảng cách bằng với bề dày lớp sét mà cọc xuyên qua [2].


- Ảnh hưởng của quá trình thi công cọc trong đất sét cũng được Kaare Flaate (1971) tổng
hợp được được dựa vào các kết quả nghiên cứu của các tác giả trước đó như: chuyển vị và sự xáo
trộn đất nền, các thành phần ứng suất trong đất nền, sự thay đổi các thành phần của đất sét, độ
ẩm, sức chống cắt không thoát nước, các thành phần biến dạng, ma sát thành và sức chống cắt....
Các kết quả nghiên cứu được tổng hợp dưới đây:
+ Phụ thuộc vào mật độ cọc, thể tích các cọc thường chiếm từ 5 - 10% đất sét. Chuyển
dịch ngang đáy hố đào có xu hướng thành chuyển vị ngang về các phía từ 0,5 - 1 m [3]:
•

Cummings et al (1950) đã quan sát được chuyển dịch ngang 0,6 m đối với mật độ cọc là
1,4 m;

•

Zeevart (1950) đo được dịch chuyển ngang là 0,3 m trong một móng cọc gỗ có mật độ là
1,5 m;

•

Avery và Wilson (1950) đã quan sát dịch chuyển ngang bên dưới bằng 60% thể tích cọc;

•

Orrje và Broms (1967) báo cáo dịch chuyển ngang từ 0,06 - 0,12 m bằng 30% thể tích cọc
đối với mật độ cọc là 3 m;

•

Cumminh et al (1950) đưa ra một bức ảnh cách 3,7 m dưới mặt đất trong đất sét. Đường
kính cọc gỗ là 0,3 m. Các lóp đất nằm ngang bị dịch chuyển xuống dọc bề mặt cọc với
mức độ xáo trộn lớn. Các lớp đất nằm ngang dường như không bị ảnh hưởng ở khoảng
cách từ 0,5 đến 0,75 đường kính từ bề mặt cọc;

•

Skerede cũng quan sát tương tự trong nhóm tám cọc gỗ. Lớp đất bị võng xuống dọc bề
mặt cọc, nhưng chúng không bị ảnh hưởng ở khoảng cách 16 cm từ bề mặt cọc, bằng 0,5
lần đường kính cọc [3].
+ Seed và Reese (1955), Soderberg (1962), Nishida (1964) và Lo cùng Stermac (1965) đã

thử nghiệm để tính toán ứng suất quanh bề mặt cọc sau khi hạ cọc. Tuy nhiên họ vẫn chưa có một
giả thuyết khoa học nào để giải quyết được vấn đề này. Khi hạ cọc vào đất sét nhạy, một vùng
nhỏ hoàn toàn bị xáo trộn và nếu là đất sét chảy thì có thể dịch chuyển đến bề mặt cọc, chỉ có một
ít biến dạng ngang xảy ra ở độ sâu nào đó. Đất sét chảy khi đó sẽ huy động một ứng suất tổng
chống lại bề mặt cọc cân bằng với áp lực thủy tĩnh. Nếu đất sét không trôi lên ngoài bề mặt, do
một lớp đất cứng bên trên, ứng suất đất nền sẽ tuơng đối khác biệt.
+ Seed và Reese (1955) và Koisumi cùng Ito (1967) thủ nghiệm đo áp lục nuớc lỗ rỗng
và ứng suất tổng sau khi hạ cọc. Hai cọc thép dài 5,5 m và có đuờng kích 30 cm trong nhóm 9 cọc
đuợc đua vào bùn sét qua cố kết nhẹ. ứng suất tổng ngắn hạn bằng áp lục thủy tĩnh sau khi hạ cọc,


ứng suất hữu hiệu tại bề mặt cọc vì thế bằng không. Koizumi và Ito cho rằng ứng suất tổng ngay
khi hạ cọc bằng 3 đến 4 lần áp lục gánh đỡ. Áp lục nuớc lỗ rỗng trở về áp lục thủy tĩnh sau 3 tuần

và úng suất hữu hiệu theo phuơng ngang tại bề mặt cọc bằng hai lần úng suất thẳng đúng ban đầu.
Kallstenius (1963) đã nghiên cứu ứng suất quanh hộp hình lăng trụ đuợc đua vào đất sét. Ông kết
luận rằng áp lục nuớc lỗ rỗng lớn nhất bằng với úng suất tổng và từ 8 đến 10 lần cuờng độ chống
cắt không thoát nuớc.
+ Một nghiên cứu về những sụ thay đổi các thành phần đất sét sau khi hạ đuợc thục hiện
bởi Skreke (1967), Haate (1968), Musum và Haate (1968). Một nhóm 8 cọc gỗ bao gồm hai cọc
thí nghiệm đuợc hạ cọc. Địa chất là đất sét phong hóa; giới hạn chảy 35%, giới hạn dẻo 20%, độ
ẩm 30%, cuờng độ chống cắt không thoát nuớc từ 3 đến 5 T/m 2 và độ nhạy từ 4 đến 8. Các cọc
tồn tại một khoảng thời gian trong đất nền là khoảng 5,5 năm và các thí nghiệm thủ tải liên tiếp
nhau gây ra thêm độ lún là 16 cm. Nghiên cứu tầng địa chất theo Reese và Seed cho thấy độ ẩm
gần cọc có khuynh huớng suy giảm. Cummings et al đã quan sát độ ẩm suy giảm gần cọc sau 1
tháng và sụ suy giảm thềm vào sau 11 tháng. Tác giả đã không thể phát hiện bất kì sụ thay đổi
đáng kể nào về độ ẩm giữa các cọc trong trường hợp này. Độ ẩm giảm mạnh gần cạnh các cọc,
vùng bị suy giảm kéo dài đến 15 cm từ bề mặt cọc và tổng độ ẩm trong tầng đất thì ngang bằng
lúc trước khi hạ cọc.


mật các cọc II và 6

Hình 1.2. Sự thay đối độ ẩm (Nitsund)
+ Sự suy giảm cường độ chống cắt xem như là kết quả chuyền vị tức thời trong quá trình
hạ cọc. Orrje và Broms (1967) đã nghiên cứu ảnh hưởng xung quanh một nhốm 4 cọc bê tông
kích thước 3 m X 3 m, mật độ 4,3 m. Sức chống cắt được đo ở 9 tháng sau khỉ hạ cọc. Sức chổng
cắt cách tử 1,5 đến 2 lần đường kính từ bề mặt cọc bị giảm mạnh sau 9 thảng. Dường như cỏ sự
suy giảm lâu dài về cường độ xa đến mức từ 1,5 đến 3 m từ bề mặt cọc.
Sự gia tăng về sức chống cắt của đất sét sau khi hạ cọc được đo bồi Seed và Reese
(1955). Một cọc thép 15,2 mm được hạ vào trong đất bùn sét hữu cơ, gây ra sự gỉa tăng đáng kể
về cường độ nén đơn gần cọc sau 30 ngày. Cummings et al (1950) đã quan sát một sự gia tăng
đảng kể về cường độ nén đơn gần cọc trong vùng của các cọc gỗ sau 11 tháng trong đất nền.
Quan sát cũng thấy được trong bùn sét cho sủc chổng cắt khoảng 5,8 T/m 2.

Nghiên cửu của tác giả về nhóm cọc thí nghiêm Nistund liên quan đến sức chống cắt
được xảc định 5,5 năm sau khỉ hạ cọc. Kết quả được tổng hợp trong Hình 1.3. Phạm vi sức chống
cắt ban đầu là từ 3 đến 5 T/m2.

mạt các cọc
mặt cức cọc
và 6
ỉl và
6 1.3. Sự thay đổi sức chốnglí
Hình
cắt (Nitsund)
Sức chống cắt gần cọc cho thấy sự gia tăng đảng kể so với cường độ ban đầu. Sự gia tăng
hơn 100% tại vùng ảnh hưởng được giới hạn khoảng 15 cm từ bề mặt cọc. Súc chổng cắt cũng có
sự gia tăng trong vùng đất bị xáo ửộn [3].
+ Một thử nghiệm để nghiên cứu những sự thay đổi về các thành phần biến dạng được
thực hiện tại công trường Nỉstund bằng các phương pháp thí nghiệm nén đơn. Gần như là sự thay


đổi về độ ẩm và sức chống cắt cạnh cọc dẫn đến sự thay đổi về các thành phần ứng suất - biến
dạng. Một vài kết quả điển hình trong thí nghiệm đơn giản này được đưa ra trong Hình 1.4.

Chú thích;
Các thí nghiệm
trước khi hạ cọc
Các thí nghiệm 5,5
năm
sau khi hạ cạc
Các con số cho biết

khoảng cách từ cọc
Ịt
Độ sâu: 7m

Hình 1»4. Các thí nghiệm nén đơn (Nitsund)
Các thành phần ứng suất - biến dạng đã thay đổi gần cũng như giữa các cọc. Đất sốt được
chuyển từ một vật liệu ổn định thành một vật liệu đàn - dẻo hơn. cần lưu ý rằng các mẫu thí
nghiệm được ỉấy sau 5,5 năm hạ cọc trong một nhóm nhỏ tám cọc. Sự thay đồi được cho là phụ
thuộc nhiều vào các trường hợp cụ thể [3].
+ Hai cọc thử ở Nitsund được kiểm ứa tới khi phá hoại nhiều lần để nghiên cứu sự phát
triển sức chịu tải theo thời gian. Hệ số bám dính, định nghĩa là tỉ số giữa sức kháng thân và cường
độ chống cắt ban đầu trong đất nền sẽ được tính toán từ sức kháng thân ở trên.


Bảng 1.1. Dữ liêu từ thí nghiệm thử tải ở Nitsund

Dữ liệu cọc thí nghiêm

Thời gian
Số thí sau khi hạ Tẳi phá
nghiệm cọc (ngày) hoai Qu
thử tải
(T)

Ma sát
thành
fs=Qu/As

■1A
Hệ sô

bám
dính
Ị3=fs/Su
0,32
0,51

Pilel
Diện tích xung quanh

1
2

32
207

17
27

(t/m2)
1,55
2,45

As =11 m2
Cường độ chống cắt trung bình

3
4

357
641

28
28

2,55
2,55

0,53
0,53

Su = 4,8 t/m2
Pile II
Diện tích xung quanh

5
1
2

1043
34
209

34
16
30

3,10
1,25
2,35

0,65
0,25
0,47

As =12,8 m2
Cường độ chống cắt trung bình

3
4

357
637

31
33

2,40
2,60

0,48
0,52

Su = 5,0 t/m2

5

1023

35

2,70

0,54

Tái trọng (T)

Tái trọng (T)

Hình 1.5. Các kết quả thí nghiệm thử tải (Nitsund)
Sự tăng gia sức chịu tải theo thời gian mô tả trong Hình 1.5. Hình 1.5 cho thấy sức chịu
tải Qu (T) cho 2 cọc. Hệ số bấm dính từ 0,5 tại thời điềm thi công và đã tăng lên 0,6 sau 5,5 năm.
Sức kháng cắt hữu hiệu hay là sức kháng thân, theo chu vi cọc, sau nhiều năm là 3 T/m 2. Nó chỉ
chiếm 60% cường độ chổng cắt không thoát nước ban đầu. Hơn nữa, cường độ chống cắt không
thoát nước được đo gần cọc là 6 đến 8 T/m 2. Rõ ràng là cường độ chống cắt không thoát nước
không giống như sức kháng cắt trong đất nền.


Thi công hạ cọc trong đất sét dường như làm đất bị xáo trộn mạnh trong một vùng lên đến
10 - 15 cm từ bề mặt cọc. Chắc chắn có sự suy giảm về cường độ và cùng với sự thay đổi về
thành phần ứng suất biến dạng diễn ra ngoài vùng này. Phạm vi này phụ thuộc vào thành phần đất
sét, phương pháp thi công cọc, kích thước cọc và mật độ cọc. Ảnh hưởng vùng xáo trộn rõ ràng
lớn hơn đối với một nhóm cọc và một cọc đơn lẻ. Giá trị dịch chuyển ngang trong đáy hố đào
được báo cáo là cao hơn 60% tổng thể tích cọc.
Việc hạ cọc làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và ứng suất tổng xung quanh cọc.
Độ dốc thủy lực lớn gây ra dòng chảy ra xa cọc và làm cho đất sét tái cố kết nhanh chóng tại bề
mặt cọc. Cường độ chống cắt hữu hiệu và sự thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào ứng suất nền
cùng với thành phần ứng suất biến dạng của vùng đất sét bị xáo trộn. Quá trình tái cố kết của
vùng sét bị xáo trộn dẫn đến làm tăng giá trị cường độ chống cắt không thoát nước tại bề mặt cọc.
Cường độ chống cắt hữu hiệu hay sức kháng thân cọc chỉ bằng 1/2 đến 1/3 cường độ chống cắt
không thoát nước quan sát được [3].

1.2. Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng của đất xung quanh cọc
Sự làm việc của cọc trong đất loại sét bão hòa nước, sự thay đổi áp lực nước trong lỗ rỗng
và cốt đất có ý nghĩa quan trọng, sự phục hồi cấu trúc bị phá vỡ và tăng bền của đất dưới tác dụng
của ứng suất hình thành do quá trình thi công hạ cọc cũng thể hiện các ảnh hưởng. Các hiện
tượng này ảnh hưởng đáng kể lên khả năng chịu tải của cọc và thay đổi lực ma sát dọc thân cọc
theo thời gian.
Khi hạ cọc trong đất sét bão hòa nước, xảy ra sự dịch chuyển đất nền về các phương dưới
tác dụng của ngoại lực lớn và tức thời. Đất nền bị nén chặt trong khoảng thời gian ngắn. Độ rỗng
của đất giảm, tuy nhiên nước lỗ rỗng không kịp thấm ra để gây nén thể tích đất và các bọt khí, từ
đó làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng, đặc biệt ở khu vực đất giữa các cọc. Sau khi hạ cọc xảy ra
hiện tượng chùng ứng suất tổng đến giá trị xác định, áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán đến áp lực thủy
tĩnh và ứng suất trong cốt đất gia tăng đến giá trị không đổi.
Khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư bằng không, tức là đất ở trạng thái tĩnh, lực ma sát dọc
theo thân cọc đạt giá trị lớn nhất. Trong quá trình xảy ra lưu biến, đồng thời xảy ra hiện tượng
giảm bền do phá hoại cấu trúc và tăng bền do nén chặt, gia tăng ứng suất hữu hiệu.
Hiện tượng tăng bền và cố kết có quan hệ chặt chẽ với nhau. Cọc trong đất sét bão hòa
nước đạt khả năng chịu tải lớn nhất sau khi các hiện tượng cố kết và lưu biến chấm dứt.


Trong nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong nền sét xung quanh cọc và phạm vi ảnh
hưởng, cần thiết phải xét hai giai đoạn:
-

Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu, tăng bền trong đất xung quanh cọc
do ứng suất phát sinh trong quá trình hạ cọc, sự gia tăng khả năng chịu tải theo thời gian.

-

Cố kết đất trong phạm vi ảnh hưởng do tải trọng tác dụng lên cọc trong giai đoạn xây
dựng và sử dụng công trình sau khi xây dựng.

Việc nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong đất sét xung quanh cọc đơn và cọc dưới

móng băng đã được thực hiện bằng thí nghiệm của tác giả Bartolomei. Ngoài ra, còn có nghiên
cứu sự gia tăng khả năng chịu tải của cọc theo thời gian cũng của tác giả này.
Đầu tiên, các nghiên cứu trên mô hình móng cọc ở điều kiện trong phòng với đất phá hoại
được thực hiện. Sau đó, thí nghiệm ở hiện trường với đất ở trạng thái tự nhiên. Hình 1.6 thể hiện
các kết quả nghiên cứu sự thay đổi tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu dọc
theo thân cọc trong đất xung quanh cọc đơn và cọc dưới móng. Từ hình 1.6a thấy rằng tổng ứng
suất và áp lực nước lỗ rỗng ở phần trên không đáng kể và tăng dần theo độ sâu. Nghiên cứu cho
thấy tổng ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng xung quanh móng cọc cao hơn đáng kể, đặc biệt ở khu
vực giữa các cọc so với ở cọc đơn. Càng xa cọc, ứng suất giảm dần. Ở khoảng cách 6d từ cọc
đơn, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư không xuất hiện, còn ở nhóm 9 cọc thì giá ưị này đạt 30-35%
áp lực trên bề mặt dọc theo thân cọc.
Trên hình 1.6b thể hiện kết quả thay đổi tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất
hữu hiệu theo thời gian ở nhóm 9 cọc. Có thể thấy rằng tổng ứng suất bị chùng theo thời gian và
đạt giá trị không đổi. Áp lực nước lỗ rỗng tăng một ít ở giai đoạn đầu và sau đó tiêu tán hầu như
đến áp lực thủy tĩnh.

a)

b)


Hình 1.6. Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng, tổng ứng suất, ứng suất hữu hiệu ờ móng gồm 9
cọc sau 2 giờ sau khi đóng (a) và ở nhóm 9 cọc trong phạm vi giữa các cọc (b) theo
thời gian
1,2,3- áp lực lỗ rỗng ở biên “cọc - đát” ở cọc đơn, gần nhóm 9 cọc, giữa các cọc
r,2’, 3’ - tương tự cho tổng ứng suất
4, 5,6- tổng ứng suất, áp lực lỗ rỗng, ứng suất hữu hiệu
Theo mức độ tiêu tán áp lực lỗ rỗng, xảy ra sự gia tăng ứng suất hữu hiệu đến giá trị ổn

định. Cùng với sự gia tăng ứng suất hữu hiệu, ma sát dọc theo thân cọc tăng theo thời gian. Phân
tích kết quả một lượng lớn thí nghiệm nghiên cứu đề làm rõ qui luật phân bố ma sát dọc theo thân
cọc cho thấy sự phân bố ma sát dọc theo thân cọc phụ thuộc độ cứng của cọc, của đất sét, điều
kiện đất nền, giá trị độ lún và các yếu tố khác.
Để thực hiện nghiên cứu sự thay đổi áp lực lỗ rỗng phát sinh trong quá trình hạ cọc và
theo thời gian, trong phạm vi mặt bằng thí nghiệm A, B, đóng cọc dài 5 - 9 m, tiết diện 30 X 30
và 35 X 35 cm; các cọc trong nhóm từ 4, 6, 9 cọc với khoảng cách cọc bằng 3 lần đường kính
(3d). Khi nghiên cứu áp lực lỗ rỗng ở cọc đơn đo và nhóm 4 cọc đo nhận được: sau khi đóng cọc
xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và áp lực này thay đổi phụ thuộc độ sâu hạ cọc, số cọc
trong nhóm. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở cọc đơn từ 9 MPa ờ độ sâu hạ cọc 1,2 m và tăng đến
190 MPa ở độ sâu hạ cọc 4 m.


Áp lực nước lỗ rỗng đo trước khi đóng ở khu vực dự tính đóng 4 cọc là 0,045 MPa ở độ
sâu 1,2 m và 0,08 MPa ờ độ sâu 4 m. Một ngày sau khi đỏng cọc, áp lực nước lỗ rỗng ở độ sâu
1,2 m là 0,16 MPa, còn ở độ sâu 4 m đạt 0,34 MPa.
Ấp lực lỗ rỗng ờ tâm nhốm 4 cọc (Hình 1.7) gia tăng sau khi đóng gần 4 lần và hầu như
tiêu tán hoàn toàn sau 45 ngày.

đóng (2) và sau 60 ngày (3)
Theo thời gian, xảy ra chùng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán và ứng suất
hữu hiệu gia tăng (Hình 1.8) đến giá trị ổn định, lực ma sát hông dọc theo thân cọc đạt giá trị lớn
nhất.