Lựa chọn mô hình đất nền khi tính toán móng cọc chịu ảnh hưởng của hiện tượng hóa lỏng

KHOA H“C & C«NG NGHª

Lựa chọn mô hình đất nền khi tính toán móng cọc
chịu ảnh ưởng của hiện tượng hóa lỏng
The choice of foundation model when calculating the pile foundation which is influenced
by the liquefaction phenomena
Vương Văn Thành, Hoàng Ngọc Phong

Tóm tắt
Bài báo đề cập các ảnh hưởng của hiện
tượng hóa lỏng đến sự làm việc của
móng cọc. Cụ thể là hậu quả hóa lỏng
khi động đất, một số phương pháp đánh
giá khả năng hóa lỏng và cơ chế phá hủy
của cọc đơn và nhóm cọc khi hóa lỏng.
Từ đó đề xuất về lựa chọn mô hình đất
nền khi tính toán móng cọc chịu ảnh
hưởng của hiện tượng hóa lỏng.
Từ khóa: Hóa lỏng, móng cọc

Abstract
This paper discusses the impact of
liquefaction to the working of the pile
foundation. In particular, the consequences
of liquefying in the earthquake, several
methods of assessing liquidity and
destruction mechanism of single pile and pile
group when liquefied. After that proposes
the choice of foundation model when
calculating the pile foundation which is
influenced by the liquefaction phenomena.

Keywords: Liquefaction, pile foundation

PGS.TS. Vương Văn Thành
Khoa Xây dựng
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Email: <>
ThS. Hoàng Ngọc Phong
Khoa Xây dựng
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Email: <>

1. Khái niệm hóa lỏng và ảnh hưởng của hóa lỏng tới móng cọc
Sự hóa lỏng xuất hiện khi cấu trúc cát rời, bão hòa nước bị phá vỡ vì các tải trọng
đột ngột tác dụng. Vì kết cấu hạt đất bị phá vỡ, những hạt đất rời sẽ dịch chuyển để
tạo nên một trạng thái chặt hơn. Tuy nhiên, trọng một trận động đất không có đủ thời
gian cho nước lỗ rỗng thoát ra ngoài và cản trở những hạt đất di chuyển gần lại nhau.
Kèm theo là sự gia tăng áp lực nước, dẫn tới giảm áp lực tiếp xúc giữa các hạt đất
nên các lớp đất nền sẽ bị giảm cường độ. Khi đó, nền đất có cường độ rất bé và có
thể coi như lỏng hơn là một khối nên chúng có tên là “Hóa lỏng”.
Khi hiện tượng hóa lỏng xảy ra sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp tới ma sát thành cọc
và có thể làm gãy cọc. Điều này ta có thể thấy trong các báo cáo nghiên cứu về móng
cọc trong trận động đất Niigata 1964, cụ thể:
Tòa nhà NHK 4 tầng trong trận động đất tại Niigata 1964: Xây dựng trên các cọc
bê tông cốt thép, các cọc có đường kính 350 mm và dài 11-12 m (Hình 1). Sau trận
động đất, 74 cọc đã được nghiên cứu và họ đã thấy rằng tất cả các cọc đã bị hư hại
tương tự nhau. Các cọc bị hỏng tại hai vị trí, 2,5-3,5 m từ đầu trên của cọc và 2,0 đến
3,0 m từ đáy cọc như thể hiện trong hình 1. Vị trí của mực nước ngầm là 1,7 m dưới
mặt đất. Từ các báo cáo điều tra đất, lớp hóa lỏng rất có thể là 11m đầu. Do đó chiều
dài của cọc trong đất hóa lỏng là 9.3m.
Tòa nhà NFCH trong trận động đất tại Niigata 1964: Nghiên cứu trường hợp này

mô tả sự phá hoại của một tòa nhà bốn tầng được xây dựng trên các cọc bê tông
rỗng. Các cọc có đường kính 350 mm và độ dày 75mm (Hình 2). Sau trận động đất
tòa nhà nghiêng 1 độ. Cọc chỉ kéo dài 0,5m trong lớp không hoá lỏng và có thể được
giả định phía dưới khớp. Từ hình 2 ta có thể được quan sát thấy rằng mực nước là
1,5 m dưới mặt đất và cọc qua 7m trong lớp đất bị hóa lỏng. Phần đầu cọc nằm trong
0,5 m đất không hóa lỏng.
2. Một số phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng
Việc khẳng định khả năng hóa lỏng của một loại đất bao gồm ba bước công việc
sau: (i) Đánh giá ứng suất cắt biến đổi do động đất gây ra ở các độ sâu khác nhau; (ii)
Xác định sức kháng của môi trường với quá trình hóa lỏng ở các điểm khác nhau; (iii)
So sánh giữa hai kết quả nêu trên.
2.1. Phương pháp đơn giản xác định chu kỳ tương đương
Trên cơ sở một số trường hợp cụ thể, Seed và Idriss [1] đã kiến nghị một phương
pháp đơn giản để xác định biên độ và chu kỳ tương đương:

- Với đất nền không sâu quá 10 đến 15m thì ứng suất cắt cực đại τmax đạt được
trong quá trình động đất ở một độ sâu h, có thể xem như hàm số của h và gia tốc cực
đại trên bề mặt amax và thể hiện qua biểu thức:


τmax =
( γh / g).amax .rd

(1)

Trong đó:
γ - là trọng lượng riêng của đất, kN/m3
h - độ sâu, m; g – gia tốc trọng trường, m/s2
rd - hàm số phụ thuộc (h) và biến dạng môi trường, có thể xác định theo bảng 1
Bảng 1: Giá trị trung bình của hàm rd [1]

h(m)

2

4

6

8

10

12

14

16

rd

0,98

0,96

0,93

0,89

0,86

0,84

0,82

0,79

Mặt khác để cải thiện mức độ không đồng đều của độ phản hồi, người ta có thể
chấp nhận các chu kỳ tương đương có biên độ hiệu dụng bằng khoảng 65% của τmax

74

Theo đó, ứng suất cắt tương đương sẽ là :

T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG




τ=
0,65.( γh / g).amax .rd
eq



(2)

2.2. Phương pháp kinh nghiệm đánh giá khả năng hóa lỏng
Nguyên lý của phương pháp là thành lập tương quan giữa sức kháng,
chống lại khả năng hóa lỏng của một loại đất, với một thông số đất nền,
có thể xác định dễ dàng là sức kháng SPT.

Giá trị của N thể hiện độ chặt Dr và áp lực cột đất hữu hiệu σ’v.

M - độ lớn động đất dự báo. τeq tính theo phương pháp đơn giản.
Từ hình 3 ta thấy khi đất nền có sức kháng N30 càng lớn thì càng ít
xảy ra hóa lỏng; đất càng ở gần mặt đất tự nhiên(σ’v nhỏ) thì khả năng
xảy ra hóa lỏng càng cao.
2.3. Phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng theo TCVN9386-2012[2]
Đối với thí nghiệm SPT, giá trị đo được N30 phải được chuẩn hóa với
ứng suất hữu hiệu biểu kiến của bản thân đất (N60) bằng 100kPa và với
tỷ số của năng lượng va đập và năng lượng rơi tự do lý thuyết bằng 0,6.
Với các độ sâu nhỏ hơn 3 m, các giá trị đo được N30 phải giảm đi 25%.
Nguy cơ hóa lỏng có thể được bỏ qua khi
trong các điều kiện sau phải được đảm bảo:

α.S<0,15 và ít nhất một

Cát có hàm lượng hạt sét lớn hơn 20% với chỉ số dẻo PI >10 ;

Hình 1: Cọc trong tòa nhà NHK

Cát có hàm lượng hạt bụi lớn hơn 35% và số búa SPT sau khi được
chuẩn hóa với các ảnh hưởng của áp lực bản thân đất và với tỷ số năng
lượng N60>20;
Cát sạch, với số búa SPT sau khi được chuẩn hóa với áp lực bản thân
đất và với tỷ số năng lượng N60>30.
Đánh giá nguy cơ hóa lỏng của đất
Độ an toàn chống hóa lỏng FL được xác định theo tỷ số:


FL =

R
L

(3)

Trong đó: FL: sức kháng hoá lỏng; L: tỷ ứng suất cắt trong quá trình
động đất; R: tỷ sức kháng cắt động.

- τcy ứng suất cắt cần thiết để làm hóa lỏng của đất ở hiện trường
trong một số lần lặp tương ứng với biên độ của động đất tham chiếu; giá
trị τcy/ σ’v0 được lấy bằng cách tra hình 4.
Trong đó σ’v0 là ứng suất bản thân tại giữa lớp đất đang xét.

3. Cơ chế phá hủy của cọc khi hóa lỏng
Các nghiên cứu về cơ chế phá hủy cọc khi hóa lỏng đã chỉ ra các cọc
ở dưới có thể bị phá hủy với cùng một cơ chế giống nhau. Trong hình 5,
cọc đơn chịu tải trọng dọc trục lớn từ kết cấu lớn và nằm trong đất cát
bão hòa nước, có khả năng bị hóa lỏng, lớp đất này nằm trên lớp đá. Khi
xảy ra động đất, ứng suất hữu hiệu trong đất cát giảm do áp lực nước lỗ
rỗng tăng. Trong tình huống này, cọc đơn có thể bị gãy nếu chiều dài làm
việc của cọc không đủ và cũng có thể do độ cứng của cọc bê tông cốt
thép khá lớn nên không có tính linh hoạt khi chịu tác động của hóa lỏng.
Ở đây, khu vực mà cọc bị gãy ở vị trí tiếp xúc giữa lớp cát và lớp đá. Điều
này hợp lý với các phân tích phía trên.

Hình 2: Cọc trong tòa nhà NFCH

Trong hình 6, cọc đơn có xu hướng nghiêng khi đất bị hóa lỏng. Nó
chịu tải trọng dọc trục tương đối lớn và mũi cọc được ngàm vào đá. Sau

trận động đất, lớp cát sẽ di chuyển từ trái qua phải trong hình 6a, cọc đơn
có thể bị gãy.
Một loại phá hỏng nghiêm trọng hơn khi mà có một lớp đất không
hóa lỏng nằm trên lớp đất hóa lỏng. Lớp đất không bị hóa lỏng di chuyển
nhanh sang ngang, đi kèm với nó là sự hình thành màng mỏng nước tại
ranh giới giữa hai lớp đất đó. Đặc biệt là khi lớp đất không bị hóa lỏng có
tính thấm kém hơn lớp đất bị hóa lỏng. Cọc sẽ phải chịu tải trọng bị động
lớn từ lớp đất không hóa lỏng. Trong trường hợp này, cọc còn phải chịu
thêm tải trọng P-δ, do sự dịch chuyển khác nhau giữa 2 lớp đất. Mặc dù
hình dạng phá hủy cuối cùng của cọc này có thể được nhìn thấy giống với
hình 6a. Riêng tình huống này, nguyên nhân cọc bị phá hủy là bởi uốn.

Hình 3: Đánh giá nguy cơ hoá lỏng đất
nền theo SPT (Seed 1974) [1]
S¬ 27 - 2017

75


KHOA H“C & C«NG NGHª

Hình 4: Quan hệ giữa các tỷ số ứng suất
gây ra hóa lỏng và N60 cho cát sạch và cát
bụi đối với động đất Ms =7,5 [3]

Hình 5: Mô hình cọc đơn bị phá hủy khi động đất [3]

Hình 6: Tải trọng tác dụng vào cọc đơn khi động đất [3]

Hình 8: Đồ thị quan hệ giữ ε1 và q trong thí nghiệm

CU [4]
Khi cọc nằm trong nhiều lớp đất với các lớp lần lượt từ
trên xuống dưới là lớp đất không hóa lỏng- lớp đất bị hóa
lỏng và cuối cùng là lớp cát chặt hoặc sét cứng không hóa
lỏng. Mũi cọc sẽ được đặt vào lớp đất cát chặt để truyền tải
dọc trục và khi đất bị hóa lỏng, cọc có thể bị trượt sâu vào lớp
cát chặt. Cũng có khi cọc bị uốn do lớp đất không bị hóa lỏng
bên trên gây ra. Tuy nhiên, cọc có thể phải chịu đồng thời cả
2 sự phá hoại trên như trên hình 7.
4. Mô hình nền móng cọc khi hóa lỏng
4.1 Mô hình đàn hồi tuyến tính
Mô hình đàn hồi tuyến tính là một mô hình tuân theo định
luật Hook về đàn hồi tuyến tính đẳng hướng. Hạn chế của mô
hình này là không mô phỏng các ứng xử của đất ở giai đoạn
chảy dẻo nên mô hình thường chỉ được sử dụng chủ yếu mô

76

Hình 7: Sự phá hủy của cọc đơn khi đất bị
hóa lỏng [3]

Hình 9: Đồ thị quan hệ giữ ε1 và σ1 trong thí nghiệm
nén một trục [4]
phỏng các khối kết cấu cứng trong đất.
4.2 Mô hình Mohr-Coulomb (M-C)
Mô hình M-C là mô hình dùng để tính toán gần đúng
các ứng xử ở giai đoạn đầu của đất. Đây là mô hình đàn
hồi thuần dẻo dựa trên cơ sở định luật Hook kết hợp với
tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb. Trong mô hình này, mối
quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được phân tích thành

hai phần: phần đàn hồi và phần thuần dẻo. Tuy nhiên khi tải
trọng tăng lên thì bắt đầu xuất hiện vùng biến dạng dẻo, ở
đó ứng suất đạt trạng thái cân bằng giới hạn. Quan hệ giữa
ứng suất và tải trọng không còn là tuyến tính nữa mà là quan
hệ phi tuyến. Trong khi đó mô hình M-C chỉ mô tả đất ở trạng
thái đàn hồi, kết thúc trạng thái đàn hồi thì chuyển luôn sang
trạng thái phá hoại (hình 8).

T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG

(tiếp theo trang 93)