Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của ma sát âm đến ứng xử của cọc khoan nhồi của móng mố cầu vượt ở Tp. HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM
ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CỌC KHOAN NHỒI CỦA MÓNG MỐ
CẦU VƯỢT Ở TP. HCM
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông
Mã ngành: 60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BẤCH KHOA - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lê Bá Khánh

Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TSKH. Nguyễn Văn Thơ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Trọng Nghĩa

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
18 tháng 08 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gầm:
1. PGS.TS. Lê Thị Bích Thủy
2. TS. Huỳnh Ngọc Thi
3. GS.TSKH. Nguyễn Văn Thơ

4. TS. Lê Trọng Nghĩa
5. TS. Mai Lựu
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận vằn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


— iii —

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BẮCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN HOÀI NAM

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23/05/1983

Nơi sinh: Bạc Liêu

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông

Mã số : 60 58 02 05

Khóa: 2015

MSHV: 1570666

L TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM ĐẾN ỨNG XỬ
CỦA CỌC KHOAN NHỒI CỦA MÓNG MỐ CẦU VƯỢT Ở TP. HCM
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1- Nhiệm vụ:
- Nghiên cứu tồng quan về ảnh hưởng của ma sát âm trong cọc khoan nhồi.
- Tổng quan nghiên cứu lý thuyết tính toán lực ma sát âm ảnh hưởng trong cọc
đơn và nhóm cọc.
- Phân tích ứng xử của cọc đơn và nhóm cọc chịu lực ma sát âm bằng phần mềm
phần tử hữu hạn Plaxỉs 2D và Plaxis 3D.
2- Nội dung:
- Mở đầu
- Chương 1 : Tổng quan về hiện tượng ma sảt âm
- Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
- Chương 3 : Ảnh hưởng của ma sát âm - áp dụng cho công trình cầu Cây Khô
- Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục

HV: Trần Hoài Nam

MSHV: 1570666


-iv III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/07/2018
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ BÁ KHÁNH
Tp. HCM, ngày 20 tháng 07 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. LÊ BÁ KHÁNH

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. LÊ BÁ KHÁNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM

HV: Trần Hoài Nam

MSHV: 1570666


- V-

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bài Luận văn này, trước tiên, em xỉn chân thành bày tò lòng biết ơn
sâu sắc đến thầy TS. Lê Đá Khánh. Thầy đã hướng dẫn giúp em hình thành nên ý tưởng
của đề tài, hướng dẫn em phương phảp tiếp cận nghiên cứu. Thầy đã có nhiều ý kiến đóng
góp quý báu và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt chặng đường vừa qua. Đồng thời em cũng
xin chân thành cám ơn quỷ Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đạỉ Học Bách Khoa
Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt khóa Cao học vừa
qua.
Thứ hai, xin gửi lời cám ơn đến Tổng công ty xây dựng số 1-CTCP, nơi em làm việc,
đã tạo điều kiện cho em theo học chương trình thạc sĩ và hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng ghi ơn và trì ân sâu sắc nhất đến gia đình đã luôn quan
tâm, đôn đốc, động viên và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện Luận văn.
Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên không thề không có
những thiếu sót nhất định. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm đề em bổ sung những
kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn.
XÙI trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô.
HỌC VIÊN

TRẰN HOÀI NAM

HV: Trần Hoài Nam

MSHV: 1570666


- vi-

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Tên đề tài:
“Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của ma sát âm đến ứng xử của cọc khoan nhồi
của móng mố cầu vượt ở TP. HCM”

Tóm tắt đề tài:
Trong tính toán nền móng công trình, việc xem xét và đánh giá tương tác giữa cọc
và đất nền không thể bò qua, đặc biệt là đổi với nền đất yếu, nó là yếu tố quyết định sự làm
việc của cọc cỏ hiệu quả hay không. Một trong các yếu tố có tác động tiêu cực đến sự làm
việc của nền móng là ma sát âm. Do vậy, việc xem xét và bổ sung thành phần ma sát âm
vào trong tính toán thiết kế để tăng hệ số an toàn cho công trình là việc làm hết sức cần
thiết, đặc biệt cho các cầu thỉ công nhanh.
Cỗ nhiều phương pháp tính toán xác định giá trị ma sát âm cho cọc đơn như phương
pháp kỉnh nghiệm, phương pháp truyền tải trọng và phương pháp mô phỏng theo lý thuyết
phần tử hữu hạn. Nghiên cứu về ma sát âm trong nhóm cọc chủ yếu tập trung vào phương
pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, quan trắc thực tế, phương pháp mô phỏng thu nhỏ bằng
máy quay ly tâm.
Trong luận văn này tác giả nghiên cứu ảnh hường của ma sát âm đến cọc khoan nhồi
theo quá trình cổ kết dựa trên phương pháp truyền tải trọng. Phương pháp này là sự kết hợp
của phương pháp truyền tải trọng của Fellenius và lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi.
Từ khóa : Ma sát âm; Lực kéo; Độ lún kéo xuống; Cọc đơn; Nhóm cọc; Thí nghiệm mô
hình bằng máy ly tâm; Phương pháp phần tử hữu hạn

HV: Trần Hoài Nam

MSHV: 1570666


- vii -

SUMMARY OF THESIS
Title:
“Study on the effect of negative skin friction on the behavior of bored piles of bridge
abutments in Ho Chi Minh city”
Abstract:

In calculating the foundation, the consideration and evaluation of the interaction
between pile and soil can not be ignored, especially for soft soil, which is the decisive factor
for effective pile. One of the factors that have a negative impact on the performance of the
foundation is negative skin friction. Therefore, the consideration and addition of negative
skin friction components in the design calculations to increase the safety factor for the
building is work as much as necessary, special for Accelerated Bridge Construction.
There are many methods of calculating negative skin friction values for single piles,
such as empirical method, load transfer method and finite element method. The research on
negative skin friction in the pile group mainly focused on the method of finite element
simulation, field monitoring, centrifuge modeling.
In this thesis, the author studies the effect of negative skin friction on bored piles
according to the consolidation process based on the load transfer method. This method is a
combination of Fellenius's load transfer method and Terzaghi’s consolidation theory.
Key words : Negative skin friction; Downdrag; Single pile; Pile group; Centrifuge
modeling ; Finite element method

HV: Trần Hoài Nam

MSHV: 1570666


viii-

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xỉn cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các sổ liệu
trong luận vãn là trung thực và cỏ nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả của luận văn chưa từng
được công bố trong bất cử công trình khoa học nào. Tảc giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về
tính xác thực và nguyên bản của luận văn.

HỌC VIÊN

TRẰN HOÀI NAM

HV: Trần Hoài Nam

MSHV: 1570666


— ix —
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VÀN THẠC SĨ ......................................................................... iii
LÒI CẢM ƠN ............................................................................................................... V
TÓM TẢT LUẬN VĂN .............................................................................................. vi
SUMMARY OF THESIS ........................................................................................... vii
LÒI CAM ĐOAN ...................................................................................................... viii
MỤC LỤC .................................................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... xiv
MỎ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................... 1
3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 1
4. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 2
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2
6. Ỷ nghĩa khoa học của đề tài .................................................................................... 2
7. Tính thực tiễn của đề tài ......................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỐNG QUAN VỀ HỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM .................................. 3
1.1 Tổng quan về ma sát âm ....................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm về ma sát âm .............................................................................. 3
1.1.2 Điểm trung hòa ........................................................................................... 3
1.1.3 Cảc trường hợp cần xem xét đến ảnh hưởng của ma sảt âm ................... 4

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 6
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................... 19
1.4 Nhận xốt của chương ......................................................................................... 20
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 21
2.1 Các phương pháp phân tích ma sát âm .............................................................. 21
2.2 Sức chịu tải của cọc bằng phương pháp truyền tảỉ trọng theo Fellenius ........... 24
2.2.1 Sức kháng bên [13] ................................................................................... 24
2.2.2 Sức kháng mũi .......................................................................................... 25

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-X-

2.2.3 Sức chịu tải cực hạn ................................................................................. 26
2.3 Phương pháp thống nhất xác định sức chịu tải của cọc ...................................... 29
2.4 Dự báo sức chịu tải của cọc đơn ........................................................................ 33
2.4.1 Sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu ........................................... 33
2.4.2 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu đất nền ................................................ 34
2.4.2.1 Sức chịu tải cực hạn ở mũi cọc (Qp) ................................................ 35
2.4.2.2 Sức chịu tải cực hạn do ma sát thành cọc (Qs) ................................ 38
2.4.3 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu trạng thái của đất nền.......................... 38
2.5 Sức chịu tải của cọc đơn từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh ................................... 41
2.5.1

Xác định sức chịu tải giới hạn theo phương pháp đồ thị ....................... 41

2.5.2 Xác định sức chịu tải giới hạn theo chuyển vị giới hạn quỵ ước ............ 43

2.6 Phân tích độ lún cố kết của nền .......................................................................... 44
2.6.1 Xác định độ lún cố kết của nền đất theo phương pháp tổng phân tố ....... 44
2.6.2 Xảc định độ lún tính theo đường quan hệ e-logơ’ của thí nghiệm cố kết.46
2.7 Xảc định độ lún cổ kết của nền theo thời gian ................................................... 46
2.7.1 Phương trình vi phân cố kết thấm............................................................. 46
2.7.2 Lời giải phương trình vi phân cố kết thấm .............................................. 48
2.7.3 Bài toán cố kết thấm một chiều, thoát nước 2 biên ................................. 49
2.7.4 Bài toán cố kết thấm một chiều, thoát nước 1 biên ................................. 50
2.8 Phân tích độ lún của cọc đơn.............................................................................. 51
2.9 Cơ sở lý thuyết phần mềm Plaxis ....................................................................... 52
2.10 Các mô hình ứng xử của đất............................................................................. 53
2.10.1 Mô hình Mohr-Coulomb ........................................................................ 53
2.10.1.1 ứng xử đàn hồi dẻo thuần túy ......................................................... 54
2.10.1.2 Các công thức sử dụng trong mô hình Mohr-Coulomb ................. 55
2.10.1.3 Xác định thông số cho mô hình ..................................................... 57
2.10.1.4 Ưu điểm và khuyết điểm của mô hình Mohr-Coulomb ................. 60

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


— xi —

2.10.2 Mô hình Linear Elastic ............................................................................. 60
2.11 Nhận xét của chương ........................................................................................ 61
CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM - ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH
CẦU CÂY KHÔ ......................................................................................................... 62
3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 62
3.1.1 Giới thiệu công trình ................................................................................. 62

3.1.2 Đặc điểm địa tầng và địa chất thủy văn .................................................... 64
3.2 Sức chịu tải của cọc từ thí nghiệm hiện trường .................................................. 66
3.2.1 Sức chịu tải cực hạn của cọc bằng thí nghiệm nén tĩnh ............................ 66
3.2.2 Sức chịu tải cực hạn của cọc bằng thí nghiêm PDA ................................ 68
3.2.3 Sức chịu tải của cọc theo vật liệu ............................................................. 68
3.2.4 Ma sát âm đơn vị từ các thí nghiệm trong phòng và hiện trường ............ 69
3.3 Ma sát âm đối với cọc đơn do phụ tải ................................................................ 71
3.3.1 Sức chịu tải cực hạn đối với cọc đơn ........................................................ 71
3.3.1.1 Bài toán 2D....................................................................................... 71
3.3.1.2 Bài toán 3D ...................................................................................... 72
3.3.1.3 Nhận xét ........................................................................................... 74
3.3.2 Ma sát âm đối với cọc đơn ....................................................................... 76
3.3.2.1 Thiết lập bài toán và các bước phân tích .......................................... 76
3.3.2.2 Kết quả phân tích ............................................................................ 77
3.3.2.3 Xác định vị trí mặt phẳng trung hòa ................................................ 79
3.3.2.4 Nhận xốt ........................................................................................... 85
3.4 Xác định ma sát âm trong cọc đơn theo độ cố kết của nền bằng phương pháp
PTHH .......................................................................................................................... 86
3.4.1 Quy trình mô phỏng .................................................................................. 87
3.4.2 Kết quả phân tích ...................................................................................... 87
3.4.3 Nhận xét.................................................................................................... 89
3.5 Xác định ma sát âm trong cọc đơn theo độ cố kết của nền bằng phương pháp

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


- xii giải tích ...................................................................................................................... 90
3.5.1 Quy trình tính toán .................................................................................. 90

3.5.2 Tính toán ảnh hưởng của ma sát âm trong cọc đơn ................................ 91
3.5.2.1 Độ lún của nền theo các mức độ cổ kết ............................................ 91
3.5.2.2 Ảnh hưởng của ma sát âm trong cọc đơn theo độ cổ kết của nền .... 93
3.5.3 Nhận xét ................................................................................................... 94
3.6 Ảnh hưởng ma sát âm của cọc đơn theo độ cố kết của nền ................................ 96
3.6.1 Yếu tố cường độ tiệp xúc ......................................................................... 96
3.6.2 Yếu tố độ cứng của cọc ............................................................................ 96
3.6.3 Yếu tố đường kính của cọc....................................................................... 97
3.6.4 Yếu tố tải trọng trục ................................................................................ 98
3.7 Ma sát âm trong nhỏm cọc ................................................................................. 98
3.7.1 Đặt vấn đề nghiên cứu .............................................................................. 98
3.7.2 Ma sát âm trong nhóm 5 cọc .................................................................... 98
3.7.3 Ma sát âm trong nhỏm 5 cọc cỗ đất đắp................................................. 100
3.7.4 Ma sát âm trong nhóm 9 cọc .................................................................. 101
3.7.5 Ma sát âm trong nhóm 9 cọc có đất đắp ................................................ 102
3.8 Nhận xét của chương ........................................................................................ 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 108

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


- 13 DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tổng hợp nghiên cứu về ma sát âm ở Na Uy (Bjerrum và cộng sự 1969) 8
Bảng 2.1. Giá tri hệ số p của một số loại đất .............................................................. 25
Bảng 2.2. Giá tri Nt của một số loại đất ..................................................................... 25
Bảng 2.3. Cường độ sức kháng qb, của đất dính dưới mũỉ cọc nhồi ........................... 41
Bảng 2.4. Xác định chuyển vị giới hạn quy ước ........................................................ 43

Bảng 2.5. Các điều kiện biên và điều kiện ban đầu .................................................... 49
Bảng 2.6. Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Mohr-Coulomb ............................... 53
Bảng 2.7. Giá trị hệ số Poisson V............................................................................... 58
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp đặc trưng vật liệu ............................................................... 65
Bảng 3.2. Chi tiết cọc thí nghiệm ............................................................................... 66
Bảng 3.3. Tổng hợp kết quả thí nghiệm ..................................................................... 66
Bảng 3.4. Tổng hợp kết quả thí nghiệm PDA ............................................................ 68
Bảng 3.5. Bảng kết quả tính toán ma sát âm đơn vị (Phụ lục 1) ................................ 70
Bảng 3.6. Bảng so sánh sức chịu tải cực hạn ............................................................. 74
Bảng 3.7. Kết quả tính toán thời gian nền đạt độ cố kết trung bình ưt ....................... 87
Bảng 3.8: Kết quả tính toán giá trị lực ma sát âm theo độ cố kết của nền ................. 88
Bảng 3.9. Bảng tính độ lún cố kết của nền ờ U=30% (Phụ lục 2) ............................. 92
Bảng 3.10. Bảng tính độ lún cố kết của nền ở U=ỐO% (Phụ lục 2) .......................... 92
Bảng 3.11. Bảng tính độ lún cố kết của nền ờ u=85% (Phụ lục 2) ............................ 92
Bảng 3.12. Bảng tính độ lún cố kết của nền ở Ư=95% (Phụ lục 2) ........................... 92
Bảng 3.13. Bảng toán độ lún của cọc ở U=30% (Phụ lục 3) ...................................... 93
Bảng 3.14. Bảng tính độ lún của cọc ở U=60% (Phụ lục 3) ...................................... 93
Bảng 3.15. Bảng tính độ lún của cọc ở ư=85% (Phụ lục 3) ....................................... 93
Bảng 3.16. Bảng tính độ lún của cọc ở u = 95% (Phụ lục 3) ..................................... 94
Bảng 3.17. Bảng so sánh hai phương pháp giải tích và mô phỏng ............................ 94
Bảng 3.18. So sảnh ma sát âm trong cọc đơn và nhóm cọc ..................................... 104

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-xivDANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1,1. Phân bố tải trọng trong cọc đơn ................................................................... 4
Hình 1.2. Ma sát âm ở móng của mố cầu ..................................................................... 5

Hình 1.3. Mặt cắt địa chất và các cọc thí nghiệm (Bjerrum và cộng sự 1969).......... 7
Hình 1.4. Phân bố ứng suất, áp lực lỗ rỗng dư, rứt ngắn cọc và phân bố tải trọng
(Bjerrum và cộng sự 1969) ........................................................................................... 8
Hình 1.5. Mặt cắt địa chất và các cọc thí nghiệm (Endo và cộng sự, 1969) ............. 10
Hình 1.6. Cường độ nén tự do đối với độ sâu (Endo và cộng sự, 1969) ................... 11
Hình 1.7. Mặt cắt dọc áp lực lỗ rỗng tại công trường (Endo và cộng sự, 1969) ....... 11
Hình 1.8. Việc rút ngắn cọc cE43 được đo trong tháng 6 năm 1964 đến tháng 3 năm 1967
(Endo và cộng sự, 1969) ............................................................................................. 12
Hình 1.9. Phân bố tải trọng trong cọc thí nghiệm (Endo và cộng sự, 1969) .............. 13
Hình 1.10. Phân bố độ lún của đất và cọc cE43 và phân bố tải trọng trong cọc cE43 (Endo
và cộng sự, 1969) ........................................................................................................ 14
Hình 1.11. Mặt cắt địa chất tại công trường Bâckebol (Fellenius 1972) ................... 14
Hình 1.12. Công trường Bãckebol. Tải trọng của cọc được đo từ kết thúc đỏng cọc. 15
Hình 1.13. Công trường Bãckebol. Phân phối tải trọng trong cọc khỉ kết thúc đóng cọc
..................................................................................................................................... 16
Hình 1.14. Sơ đồ bố trí nhỏm 38 cọc (Okabe, 1977) ................................................. 18
Hình 1.15. Kết quả nghiên cứu của Okabe, 1977 [11] ............................................... 19
Hình 2.1. Cọc đơn chịu ma sát âm trong mô hình đất dẻo cứng ................................ 22
Hình 2.2. Cọc đơn chịu ma sát âm trong mô hình đất dẻo đàn hồi ............................ 23
Hình 2.3. Đường cong sức kháng và đường cong truyền tải trọng ............................ 27
Hình 2.4. Nguyên tắc chuyển đổi từ ma sát âm sang sức khảng bên dương .............. 28
Hình 2.5. Vị trí mặt phẳng trung hòa ......................................................................... 30
Hình 2.6. Mặt phẳng trung hòa và lực dọc cho phép ................................................. 31
Hình 2.7. Đường cong phân bố lực và sức kháng, biểu đồ chuyển vị ....................... 32
Hình 2.8. Mặt trượt giả thiết của Terzaghi ................................................................. 35
Hình 2.9. Nền đất xung quanh cọc ở giai đoạn chịu tải cực hạn ................................ 36
Hình 2.10. Phương pháp De Đeer .............................................................................. 42
HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666

-XV -

Hình 2.11. Phương pháp Davisson ............................................................................. 43
Hình 2.12. Sơ đồ tính lún theo phương pháp tổng phân tố ....................................... 45
Hình 2,13. Sơ đồ phân tản áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ......................................... 47
Hình 2.14. Mô hình chênh lệch của lưu lượng nước vào và lưu lượng nước ra ....... 48
Hình 2.15. Sơ đồ phân tấn Au .................................................................................... 48
Hình 2.16. Quan hệ ứng suất biến dạng trong mô hình đàn dẻo ................................ 54
Hình 2.17. Mặt giới hạn Mohr-Coulomb trong không gian ủng suất chính.............. 56
Hình 2.18. Xác định Eref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước ............................. 58
Hình 2.19. Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết ................................................. 59
Hình 3.1. Mặt trắc dọc cầu Cây Khô .......................................................................... 62
Hình 3.2. Mặt cắt địa chất mố MI .............................................................................. 63
Hình 3.3. Mặt đứng mố MI ........................................................................................ 64
Hình 3.4. Mặt cắt A-A mố MI .................................................................................... 64
Hình 3.5. Mặt bằng bệ cọc mố MI ............................................................................. 64
Hình 3.6. Điểu đồ quan hệ tải trọng và độlún cọc thí nghiệm nén tĩnh ..................... 67
Hình 3.7. Nội lực trong cọc theo độ sâu ..................................................................... 70
Hình 3.8. Các Phase tính toán ưong mô hình Plaxỉs 2D ............................................ 71
Hình 3.9. Kết quả ứng suất tiếp thân cọc ................................................................... 71
Hình 3.10. Biểu đồ chuyển vị đầu cọc và tải trọng - Plaxỉs 2D ................................. 72
Hình 3.11. Các Phase tính toán trong mô hình Plaxỉs 3D .......................................... 72
Hình 3.12. Kết quả lực dọc trục cọc - Plaxis 3D ........................................................ 73
Hình 3.13. Biểu đồ chuyển vị đầu cọc và tải trọng (Plaxis 3D) ................................. 73
Hình 3.14. Biểu đồ lực dọc trong cọc - Plaxis 3D ..................................................... 74
Hình 3.15. So sánh kết quả phương pháp phân tích sức chịu tải cực hạn của cọc ...75
Hình 3.16. Mô phỏng ma sát âm mô hình Plaxis 2D và 3D ...................................... 76
Hình 3.17. Các bước tính toán trong mô hình Plaxỉs 2D ........................................... 77

Hình 3.18. Kết quả ứng suất tiếp thân cọc (Phase 1-6) .............................................. 78
Hình 3.19. Các bước tính toán ma sát âm trong mô hình Plaxis 3D ........................ 79
Hình 3.20. Kết quả lực dọc trục cọc - Plaxis 3D ........................................................ 79
Hình 3.21. Biểu đồ thay đổi ma sát bên của cọc ở Phase 2 ........................................ 80
HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-xviHình 3.22. Biểu đồ thay đổi ma sát bên của cọc ở Phase 3 ........................................ 81
Hình 3.23. Biểu đồ thay đỏi ma sát bên của cọc ở Phase 4 ........................................ 82
Hình 3.24. Biểu đồ thay đổi ma sát bên của cọc ờ Phase 5 ........................................ 83
Hình 3.25. Biểu đồ thay đổi ma sát bên của cọc ở Phase 6 ........................................ 84
Hình 3.26. Biểu đồ lục dọc trong cọc theo độ sâu ..................................................... 85
Hình 3.27. Các bước mô phỏng ma sát âm theo cố kết đất nền ............................... 87
Hình 3.28. Biểu đồ so sánh đường truyền tải của cọc theo độ cố kết của nền ........... 88
Hình 3.29. Biểu đồ so sánh ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc .............. 89
Hình 3.30. Phân bố độ lún của nền theo các mức độ cố kết ...................................... 92
Hình 3.31. Đường cong truyền tải trọng và phân phối độ lún của cọc và nền ........... 94
Hình 3.32. Biểu đồ so sánh kết quả giữa phương pháp giải tích và mô phỏng .......... 95
Hình 3.33. Ảnh hưởng cường độ tiếp xúc của cọc đối với lực dọc.......................... 96
Hình 3.34. Ảnh hưởng độ cứng của cọc đối với lực dọc ........................................... 97
Hình 3.35. Ảnh hưởng đường kính cọc đối với lực dọc............................................. 97
Hình 3.36. Ảnh hưởng tải trọng trục đối với lực dọc ................................................. 98
Hình 3.37. Mặt bằng bố trí nhóm 5 cọc ..................................................................... 99
Hình 3.38. Các bước tính toán ................................................................................. 99
Hình 3.39. Ma sát âm trong nhóm 5 cọc ứng với u=o% và Ư=85% ........................ 99
Hình 3.40. Kết quả lục dọc trục nhóm 5 cọc có xét đến đất sau mổ ........................ 100
Hình 3.41. Ma sát âm ừong nhóm 5 cọc ứng với u=o% và ư=85% có đất đắp ... 101
Hình 3.42. Mặt bằng bố trí nhỏm 9 cọc ................................................................... 101

Hình 3.43. Ma sát âm trong nhóm 9 cọc ứng với u=o% và ư=85%......................... 102
Hình 3.44. Kết quả lục dọc trục nhóm 9 cọc có xét đến đất sau mổ ........................ 103
Hình 3.45. Ma sát âm ừong nhóm 9 cọc ứng với u=o% và ư=85% có đất đắp ... 104
Hình 3.46: Biểu đồ so sánh ma sát âm trong nhóm cọc ........................................... 105

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-1-

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay ở nước ta nói chung, Tp. Hồ Chí Minh nói riêng có rất nhiều công trình
giao thông được xây dựng trong vùng đất yếu có khả năng bị ảnh hưởng của ma sát âm
đối với móng cọc. Hiện tượng này làm giảm khả năng chịu tải của cọc và làm tăng tải
trọng tác dụng vào cọc, không những làm giảm tính kinh tế mà còn gây mất ổn định cho
công trình.
Ngoài ra, tiến độ xây dựng trong đô thị rất khắt khe, không cỏ đủ thời gian chờ cố
kết. Đánh giả ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc của móng
mố cầu theo mức độ cố kết của đất nền là việc làm cần thiết.
Hướng nghiên cứu của luận văn này là xác định ảnh hưởng ma sát âm đối với cọc
đơn và nhóm cọc dựa trên phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm
Plaxỉs 2D và Plaxis 3D.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mô hình tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp phần tử hữu hạn
với sụ hỗ trợ của phần mềm Plaxỉs 2D và Plaxỉs 3D cho cọc đơn để xác định mức độ ảnh
hưởng của ma sảt âm đến sức chịu tải của cọc khoan nhồi và so sánh với phương phảp
giải tích tính toán giá trị lục ma sát âm theo lý thuyết cổ kết thấm Terzaghi và phương

pháp truyền tải trọng của Fellenius.
Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải của cọc đơn từ
phương pháp phần tử hữu hạn.
Xác định ảnh hưởng của ma sảt âm đối với các cọc trong nhỏm từ phương pháp
phần tử hữu hạn.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát âm đổi với cọc khoan nhồi thuộc công trình
xây dựng cầu bắc qua kênh Cây Khô tại xã Phước Lộc, huyện Nhà Bẻ, TP.HCM.
4. Phạm vỉ nghiên cửu
Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát âm đối vởỉ sức chịu tải của cọc khoan nhồi đơn

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-2-

và nhóm cọc khoan nhồi trong vùng đất yếu khu vực huyện Nhà Bè, Tp. Hồ Chí Minh.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp tính sức chịu tải của cọc đơn và nhỏm cọc
trong xây dựng công trình giao thông có xét đến ảnh hưởng ma sát âm của các tác giả
nghiên cứu trước đây và các quy trình thiết kế trong nước và ngoài nước.
Sử dụng phần mềm Plaxis 2D và Plaxis 3D phân tích ứng xử giữa cọc và đất bằng
mô hình Mohr Coulomb.
Kiểm nghiệm kết quả phân tích sức chịu tải cực hạn với thí nghiệm nén tĩnh, thí
nghiệm PDA.
Mô phỏng phân tích ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của nhóm cọc.
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Khỉ tính toán móng của công trình thì ta quan tâm đến khả năng chịu tải và độ lún

của móng có vượt qua độ lún giới hạn cho phép hay không. Nghiên cứu tính toán sức
chịu tải của cọc trong điều kiện đất yếu có xét ảnh hưởng của ma sát âm nhằm xác định
sức chịu tải của cọc và tải trọng ngoài tác dụng vào cọc để từ đỗ thiết kế móng công trình
hợp lý.
Nghiên cứu độ lún của đất nền và móng cọc theo thời gian để từ đó thiết kế móng
hợp lý thỏa mãn điều kiện chịu tải công trình và không vượt quá độ lún giới hạn cho phép.
Làm tăng độ tin cậy khi thiết kế mỏng công trình.
7. Tính thực tiễn của đề tài
Tiến độ xây dựng trong đô thị rất khắt khe, không có đủ thời gian chờ cố kết. Đánh
giá ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc của móng mổ cầu
theo mức độ cổ kết của đất nền là việc làm cần thiết.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM
1.1 Tổng quan về ma sát âm
1.1.1 Khái niệm về ma sát âm
Ma sát âm xảy ra khi đất lún nhiều hơn cọc. Nguyên nhân chính là sự cố kết của đất
yếu do phụ tải đất đắp, hạ thấp mực mước ngầm và tải cổ kết đất sau khi đỏng cọc. Ma

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-3-

sát âm cũng xảy ra trong vật liệu kém dính không bị nén như sỏi phủ lên đất sét mềm. Sự
cổ kết làm tăng ứng suất có hiệu của đất và làm tăng ma sảt âm dọc trục cọc (Fellenius,
2006). Một nguyên nhân khác được báo cảo là sự nén chặt đất là do rung động đất
(Davison, 1993). Độ lớn của ma sát âm gia tăng trên cọc phụ thuộc vào sự chuyển động
tương đối giữa các lớp đất và thân cọc, độ nén đàn hồi của cọc và tỷ lệ cố kết của các lớp

đất chịu nén (Fellenius, 2006).
1.1.2 Điểm trung hòa
Độ lún của cọc do ma sát âm đến điểm cân bằng mà tại đó các lớp đất ờ phía trên tạo
một lục hướng xuống trong khỉ các lớp đất phía dưới tạo một lực hướng lên tác dụng lên
cọc. Vị trí chuyển đổi giữa lực cắt âm và lực cắt dương được gọi là mặt phẳng trung hòa
(Hình 1.1). Nó cũng là vị trí không có sự chuyển dịch tương đối giữa cọc và đất và là
điểm mà cọc chịu tải trọng tối đa. Vị trí mặt phẳng trung hòa phụ thuộc vào chiều dài cọc
ngàm trong đất (Fellenius, 2006). Trong các cọc chịu tải thì mặt phẳng trung hòa nằm ở
phía trên nền đất cứng một khoảng cảch nhỏ. Trong khỉ đối với cọc nổi thì vị trí mặt
phẳng trung hòa nằm phía trên mũi cọc. Đối với đất cứng như cát hoặc đá phong hóa,
dịch chuyển giữa cọc và đất tương đối nhỏ, mặt phẳng trung hòa hoi dịch chuyển phía
trên mũi cọc.

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-4-

Hình 1,1. Phân bố tải trọng trong cọc đơn
Phân bố tải trọng trong cọc chịu tải trọng phục vụ, Qd [1]
Qd = Rt 4- Rs - Qn

(1.1)

Trong đó:
Qd - Tải trọng phục vụ
Rt - Sức kháng mũi cọc
Qn - Lực kéo xuống

Rs - Sức khảng thành cọc
qn - Ma sát âm
rs - Sức khảng đơn vị dương thành cọc (Trường hợp đơn giản : qn = rs)
1.1.3 Các trường hợp cần xem xét đến ảnh hưởng của ma sát âm
Ma sát âm là một trong những yếu tố tác động tiêu cực đến hoạt động của móng cọc.
Lực ma sát âm trong cọc có thề phát triển lên đến một giá trị rất lớn so với sức chịu tải
của cọc. Johannessen và Bjerrum (1965), Bjerrum và các cộng sự (1969), Bozozuk (1972)
đã công bố các kết quả nghiên cứu cho thấy lực ma sảt âm đã vượt quá tải trọng tác dụng
cho phép của cọc. Bjerrum và các cộng sự (1969) công bố kết quả của thí nghiệm đo lực
ma sát âm trên cọc thép với đường kính 500mm được đóng xuyên qua đất dày 55m đến

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-5-

lớp đá cứng, lớp đất bị lún dưới ảnh hưởng của khối gia tải và giả trị lực ma sát âm đo
được là 4000 kN [2]
Ở Việt Nam, hiện tượng ma sát âm trên cọc có thể là nguyên nhân chính dẫn đến sụ
cổ nền móng của một số công trình xây dựng như :
Nhà của khoa vật lý thuộc trường Đại học sư phạm Hà Nội sử dụng cọc đóng tiết
diện 30x30 cm. Do ảnh hưởng của hiện tượng hạ mục nước ngầm xung quanh khu vục
nhà máy nước Mai Dịch, móng của công trình đã bị lún làm hư hỏng kết cấu bên trên.
Một số chung cư và công trình công cộng tại khu vực Ngọc Khánh, Thành Công và
lân cận. Một nhà máy tại khu công nghiệp Đình Vũ, Hải Phòng. Sự cố cục bộ xảy ra ở
một cọc móng công trình ở Đà Rịa-Vũng Tàu.
Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 [3] phải xét đến cảc phát triển cỗ thể của các
tải trọng kéo xuống lên các cọc khỉ:

- Ở những nơi cọc nằm dưới lớp đất sét, bùn hoặc than bùn.
- Ở những nơi đất đắp mới được đắp lên trên bề mặt trước đây.
- Khỉ mức nước ngầm bị hạ đáng kể.

Hình 1.2. Ma sát âm ở móng của mố cầu
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Đã cỗ rất nhiều cảc phương pháp tính toán ma sát âm đã được đề xuất, trong đỗ có
thể phân thành 3 nhóm chính như sau : phương phảp kỉnh nghiệm (empirical methods),

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-6-

phương pháp truyền tải trọng (load -tranfer methods), phương pháp mô hình phần tử hữu
hạn.
Phương phảp kinh nghiệm dựa trên sự thay đổi ứng suất tiếp mặt bên của thân cọc,
ứng suất tiếp này khỉ có ma sát âm sẽ chia thành 2 thành phần âm và dương, phân cách
nhau bởi mặt phẳng trung hòa. Phương pháp truyền tải trọng sử dụng biểu đồ truyền tải
trọng dọc theo thân cọc để phân tích ứng xử của cọc và nhỏm cọc. Phương pháp mô hình
đất được sử dụng để phân tích mối quan hệ giữa cọc và đất đồng thời dựa trên các mô
hình đất nền như Mohr-Coulomb, Camclay ... và các phần mềm phần tử hữu hạn (Abaqus,
Plaxỉs ...);
Do đố đề cỗ những kết luận chính xác về hiện tượng ma sát âm và lựa chọn phương
pháp tính toán phù hợp ta cần đánh giá được tổng quan nghiên cứu về hiện tượng ma sát
âm.
Theo Terzaghi và Peck (1948) [4], hiện tượng đầu tiên về ma sát âm được quan sát
ở Hà Lan, nơi cỏ nhiều tòa nhà nằm ở vùng đồng bằng ven biển nằm trên các cọc được

đóng qua các tầng địa chất rất yếu để ngàm trên lớp cát. Bất cứ nơi nào tại công trường
được đắp một lớp đất dày trước khi đóng cọc, các tòa nhà được chống đỡ bởi các cọc bị
lún quá mức. Chellis (1961) [5] cũng ghi lại một số sự cố sớm nhất của phả hủy cọc do
những ảnh hưởng cỗ hại của ma sát âm trên cọc từ những năm 1920. Nỏỉ chung, hầu hết
các phá hoại nền móng được ghỉ lại trong tài liệu liên quan trực tiếp đến độ lún kéo cọc
xuống quá mức do ma sát âm (ví dụ Brand, 1975; Inoue, 1977; Jacob và Kenneth, 1997;
Yalcin, 1994). Trong các trường hợp ít phổ biến hơn, sụ cố kết cấu của cọc, đặc biệt là
cọc gỗ, do tải trọng kéo xuống quá mức cũng đã được báo cáo (Chellis, 1961 [5]; Kog,
1987 và 1990; Davisson, 1993) [6]
Bjerrum và cộng sự (1969) [7] đã giới thiệu một trường hợp nghiên cứu của 4 cọc
thép D300 mm được xuyên vào lớp đá cứng ở Na Uy. Các cọc được đỏng xuống chân
cọc bị chối xuyên qua qua khoảng 20m đất sét bùn, trên đó có khoảng

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-7-

10m đất đắp. Các cọc được gắn đồng hồ đo biến dạng nén của cọc ờ các độ sâu khác
nhau. Đỉến dạng nén được chuyển đổi thành tải trọng trung bình giữa hai đồng hồ đo.
Hình 1.3 cho thấy mặt cắt địa chất và các cọc thí nghiệm. Cọc chính là cọc A và cọc B.
Cọc thứ hai được phủ một lớp nhựa bitum dày 1 mm để làm giảm ma sát âm dọc theo
thân cọc.
A

oBc
Enlarũúil pile pùliMs

Hình 13. Mặt cắt địa chất và các cọc thí nghiệm (Bjerrum và cộng sụ 1969)
Hình 1.4 cho thấy sự phân bổ tải trong các cọc được đảnh giá từ đồng hồ đo biến
dạng nén của cọc kể từ sau 18 tháng quan sát. Điểu đồ ở bên phải so sánh phân phổi tải
được đánh giá cho cọc A và B và chứng minh sự thành công của lớp phủ bỉtum: cọc A
được thu ngắn do lực kéo xuống khoảng 110 tấn, trong khỉ các hồ sơ từ Pile Đ chỉ chiếm
khoảng một phần mười tải trọng đó. Cũng chú ý rằng sự xuất hiện của mặt phẳng trung
hòa đối với cọc A. Tải trọng tối đa được tính toán trong phân tích ứng suất cỏ hiệu tương
ứng với hệ sổ beta về ứng suất quá tải hiệu dụng 0,25. Đất đắp tạo áp lực lỗ rỗng quá mức
vào đất sét và "Au" được hiển thị trong

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666


-8-

biểu đồ bên trái cho thấy áp lực lỗ rỗng dư còn lại sau 18 thảng. Bề mặt đất tại công
trường bị lún xuống khoảng 160 mm trong thời gian quan sát 18 tháng.

(Bjerrum và cộng sự 1969)
Sau khỉ đóng cọc không tác dụng ngoại lực lên đầu cọc tuy nhiên kết quả quan trắc
sau 18 tháng cho thấy cỏ lực nén lớn nhất đạt 110 tấn trong cọc, thí nghiệm này chứng
minh ma sát âm gây ra lục kéo xuống lớn nhất đạt 110 tấn.
Bảng 1.1. Tổng hợp nghiên cứu về ma sát âm ờ Na Uy (Bjerrum và cộng sự 1969)
Nguồn tài liệu

Loai coc
•

9

Điều kiện
đất nền
Sét yếu,
trầm tích
biển

Johannesen
&Bjerrum
(1965)

Cọc ống
thép, mũi
kín, đống
vào đá

Bjerrum &
Johannesen
(1969)

7m đất lấp,
sét pha, cát
Cọc A : ống
pha
thép mũi
kín, đống
chổng vào
đá
Cọc B : có

mũi

HV: Trân Hoài Nam

L(m)

d(cm)

Ma sát âm Ghi chú
(tấn)

53

47

«400

57

50

300

41

50

250

»30

30

120

27

30

10

Không
quét bitum

Không
quét bitum

Có quét
bitum

MSHV: 1570666


-9-

Nguồn tài liêu
•

Loại cọc

L(m)

d(cm)

30

30

Điều kiên
đất nền

Ma sát âm Ghỉchú
(tấn)

mở rộng
Cọc D : có
mũi mở
rộng
Bjerrum &
Johannesen
(1969)

Hiện trường
Sorenga :
Cọc c, ổng
thép đống
chổng vào
đá
Cọc D : Có
mở rộng

mũi

Sét trầm
tích biển,
yếu

«100

57

50

300

«57

50

15

Không
quét bitum
Không
quét bitum

Có quét
bitum

Bjerrum và cộng sự (1969) nối rằng vì tải kéo xuống, tải trọng thiết kế thông thường
(120 tấn) sẽ phải giảm 50% hoặc số lượng cọc được tăng gấp đôi. Các gỉảỉ pháp được

thông qua là cọc được phủ bỉtum và trang bị lớp bảo vệ lớp phủ bỉtum cho các cọc khi
đóng.
Tóm lược cảc kết quả chính của nghiên cứu cho thấy lực kéo xuống tối đa đối với
cọc thép dao động từ 20 tấn đến hơn 400 tấn đối với cọc cỏ độ dài từ 30 đến 60 m. Độ
lún bề mặt đất cho những trường hợp này dao động từ 0 đến 2 m. Các giá trị lực kéo
xuống lớn đã làm ảnh hưởng đến sự quan sát và rằng cường độ tải trọng lớn đã phát triển
ở một dịch chuyển tương đối không đáng kể giữa cọc và đất
Endo và cộng sự (1969) [7] đã trình bày một nghiên cứu ở Nhật Bản về việc phát
triền lực kéo trên bốn cọc thép cỏ gắn thiết bị đo trong thời gian ba năm. Đặc điểm địa
chất tại khu vục bao gồm phù sa dày trên một con sông bị bồi đắp: một lớp cát mịn dày
10 m, sau đố là bùn đến độ sâu khoảng 25 m, tiếp theo là cảc lớp bùn và bột cát xen kẽ
với độ sâu khoảng 44 m. Ắp lực nước lỗ rỗng tại khu vực này bị ảnh hưởng bởi việc bơm
trong lớp bùn thấp hơn để lấy nước cho một nhà máy công

HV: Trân Hoài Nam

MSHV: 1570666