Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Lớp Xi Măng Đất Gia Cố Mặt Nền Đến Sức Chịu Tải Ngang Của Cọc Đứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM

TRẦN MINH THÁI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP XI MĂNG ĐẤT
GIA CỐ MẶT NỀN ĐẾN SỨC CHỊU TẢI NGANG
CỦA CỌC ĐỨNG, ỨNG DỤNG CHO ĐẬP TRỤ ĐỠ
VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2020
BM24- QT851-04/VAWR


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM

TRẦN MINH THÁI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP XI MĂNG ĐẤT
GIA CỐ MẶT NỀN ĐẾN SỨC CHỊU TẢI NGANG
CỦA CỌC ĐỨNG, ỨNG DỤNG CHO ĐẬP TRỤ ĐỠ
VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY
MÃ SỐ:

9580202

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS Nguyễn Vũ Việt
2. GS. TS Trần Đình Hoà

HÀ NỘI – NĂM 2020
BM24- QT851-04/VAWR


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Việc tham khảo
các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu
tham khảo đúng quy định.
Tác giả

Trần Minh Thái

 

ii
LỜI CẢM ƠN
Với tất cả tình cảm của mình, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết
ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Vũ Việt, GS.TS Trần Đình Hoà đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Cở sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi
Việt Nam, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Trung và Tây Nguyên đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho NCS học tập và hoàn thành luận án.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã chia sẻ,
động viên, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án này.


iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1
 

1. Tính cấp thiết của đề tài

1
 

2. Mục đích nghiên cứu

2
 

3. Phương pháp nghiên cứu

2
 

4. Đối tượng nghiên cứu

2
 

5. Phạm vi nghiên cứu

2
 

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

3
 

7. Những đóng góp mới của luận án

3
 

8. Bố cục của luận án

3
 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỤ ĐỠ VÀ CÁC GIẢI PHÁP
GIA TĂNG SỨC CHỊU TẢI NGANG CHO MÓNG
CỌC TRONG VÙNG ĐẤT YẾU
1.1 Tổng quan về Đập trụ đỡ

4
 
4
 

1.1.1 Giới thiệu công nghệ Đập trụ đỡ

4
 

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và áp dụng các loại Đập trụ đỡ trên thế giới

5
 

1.1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng Đập trụ đỡ trong nước

8
 

1.1.4 Những vấn đề cần phải được tiếp tục nghiên cứu khi áp dụng Đập
trụ đỡ ở ĐBSCL và ở Việt nam

9
 

1.2 Đánh giá chung địa chất vùng Đồng bằng sông Cửu long đến khả
năng làm việc của móng cọc thường xuyên chịu tải trọng ngang

10
 

1.2.1. Phân bố đất yếu ở ĐBSCL

10
 

1.2.2. Tính chất cơ lý của các lớp sét yếu và đất bùn

11
 

1.2.3. Đặc trưng của lớp đất yếu trên bề mặt tầng cọc chịu tải trọng
ngang
1.2.4. Địa chất nền các công trình Đập trụ đỡ đã xây dựng tại ĐBSCL

13
 
15
 

1.2.5. Những điểm lưu ý khi xây dựng Đập trụ đỡ trên nền đất yếu
vùng ĐBSCL
16
 

1.3. Các giải pháp gia tăng sức chịu tải trọng ngang cho móng cọc
Đập trụ đỡ
16
 


iv
1.3.1 Giải pháp cọc xiên

18
 

1.3.2. Giải pháp gia cố lớp nền bề mặt

19
 

1.3.3. Lựa chọn giải pháp nghiên cứu của luận án

25
 

1.4 Các nghiên cứu về gia cố xi măng đất cho nền đất yếu

25
 

1.4.1 Tình hình ứng dụng xi măng đất gia cố nền đất yếu trên thế giới
và Việt Nam.

25
 

1.4.2 Các nghiên cứu về cọc xi măng đất ứng dụng gia cố nền đất yếu
tại ĐBSCL
1.4.3 Ứng dụng cọc xi măng đất trong gia cố móng cọc tại Nhật Bản
1.5 Kết luận chương 1

27
 
28
 
32
 

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN
LỚP MẶT

33
 

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng của lớp gia cố bề mặt đến nền móng cọc
Đập trụ đỡ
33
 
2.1.1. Sức chịu tải ngang của cọc đơn

33
 

2.1.2. Sức chịu tải đứng và hiện tượng ma sát âm trong cọc

34
 

2.1.3. Áp lực dưới lớp gia cố và độ lún của móng cọc khi có gia cố

34
 

2.2 Phương pháp tính toán cọc đơn chịu tải trọng ngang
2.2.1 Các phương pháp tính toán cọc đơn đang áp dụng hiện nay

36
 
36
 

2.2.2 Phân tích và lựa chọn phương pháp tính toán cọc đơn trong phạm
vi nghiên cứu
2.2.3 Nội dung phương pháp đường cong quan hệ p~y

38
 
40
 

2.3 Nghiên cứu phạm vi ảnh hưởng của lớp gia cố bề mặt theo chiều
sâu tới sức chịu tải ngang của cọc đơn và của công trình
42

 
2.3.1. Cơ sở lý thuyết xác định chiều sâu ảnh hưởng hah lớp bề mặt

42
 

2.3.2 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều sâu lớp gia cố bề mặt đến sức
chịu tải ngang của móng cọc ĐTĐ bằng mô hình toán

43
 

2.4 Nghiên cứu phạm vi ảnh hưởng của lớp gia cố bề mặt theo mặt
bằng (diện tích gia cố) tới sức chịu tải ngang của cọc đơn và của
công trình
53
 


v
2.4.1. Cơ sở lý thuyết xác định kích thước lớp gia cố trên mặt bằng

53
 

2.4.2 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của diện tích lớp gia cố bề mặt đến sức
chịu tải ngang của móng cọc ĐTĐ bằng mô hình toán
2.5 Kết luận chương 2

55

 
65
 

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ ẢNH HƯỞNG
CỦA LỚP GIA CỐ BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ

67
 

3.1 Giới thiệu chung về nghiên cứu thực nghiệm

67
 

3.2 Mục tiêu, nội dung và các yêu cầu trong thí nghiệm

67
 

3.2.1. Mục tiêu thí nghiệm

68
 

3.2.2. Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm

68
 

3.2.3. Phạm vi nghiên cứu thí nghiệm

68
 

3.2.4. Đối tượng nghiên cứu thí nghiệm

68
 

3.2.5. Nội dung nghiên cứu.

68
 

3.3 Xây dựng mô hình thí nghiệm và các thiết bị thí nghiệm

69
 

3.3.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm

69
 

3.3.2. Các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm

70
 

3.4 Các trường hợp và trình tự thí nghiệm

75
 

3.4.1. Các trường hợp thí nghiệm

75
 

3.4.2. Lắp đặt thiết bị và trình tự thí nghiệm

77
 

3.5. Kết quả thí nghiệm

78
 

3.5.1 Kết quả thí nghiệm đối với các loại cọc vuông

78
 

3.5.2 Kết quả thí nghiệm đối với các loại cọc tròn

80
 

3.5.3 Nhận xét kết quả thí nghiệm

82
 

3.6 Kiểm tra sức chịu tải ngang của cọc với thông số nền thực tế

83
 

3.6.1 Sơ đồ tính toán:

83
 

3.6.2 Kết quả tính toán SCTN ứng với chuyển vị 25mm

83
 

3.7 So sánh kết quả thí nghiệm hiện trường với tính toán

85
 

3.7.1 So sánh về sức chịu tải ngang của cọc

85
 

3.7.2 So sánh về phạm vi ảnh hưởng của lớp gia cố trên mặt bằng

86
 

3.8. Xác định hệ số tỷ lệ của hệ số nền k

87
 


vi
3.9 Xác định sức chịu tải ngang của cọc trong trường hợp nền gia cố

90
 

3.10 Kết luận chương 3

91
 

CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH TÍNH TOÁN MÓNG CỌC ĐẬP TRỤ ĐỠ
TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ LỚP GIA CỐ BỀ MẶT

93
 

4.1. Lựa chọn phương pháp tính sức chịu tải ngang của cọc đơn

93
 

4.2. Các yếu tố liên quan đến tính toán móng trụ sau khi gia cố nền

93
 

4.2.1. Hệ số nền và sức chịu tải ngang của cọc đơn.

93
 

4.2.2. Hiệu ứng nhóm cọc

94
 

4.2.3. Lựa chọn hệ số nhóm cọc

97
 

4.3 Quy trình thiết kế móng cọc Đập trụ đỡ trong trường hợp nền
gia cố
100
 
4.4 Áp dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán cho công trình thực tế 103
 
4.4.1 Giới thiệu về công trình cống Bầu Điền

103
 

4.4.2. Điều kiện địa chất công trình

104
 

4.4.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng

106
 

4.4.4 Kết quả tính toán móng cọc trường hợp nền tự nhiên

107
 

4.4.5 Tính toán móng cọc trường hợp nền sau khi gia cố bề mặt

113
 

4.4.6 Đánh giá hiệu qủa kinh tế và kỹ thuật trong hai trường hợp

115
 

4.5 Kết luận chương 4

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

116
 
117
 

Kết luận

117
 

Những phát hiện mới, kết quả mới của luận án bao gồm

118
 

Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

118
 

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

120
 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

121

 

PHỤ LỤC

126
 


vii
DANH MỤC CÁC ĐỊNH NGHĨA, CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Một số định nghĩa
Sức chịu tải

: Là khả năng chịu lực lớn nhất của cọc hoặc móng cọc
dưới tác dụng của tải trọng trong phạm vi chuyển vị cho
phép

Sức chịu tải ngang : Là khả năng chịu tải lớn nhất của cọc hoặc móng cọc
dưới tác dụng của tải trọng theo phương nằm ngang
trong phạm vi chuyển vị ngang cho phép
Gia cố

: Là việc sử dụng các giải pháp về mặt vật liệu và kết cấu
nhằm nâng cao sức chịu lực ngang của cọc và móng cọc
theo một yêu cầu được đặt ra

Mức độ gia cố

: Là mức độ yêu cầu của việc gia cố.

Bề mặt móng cọc

: Là phần đất trong móng cọc phía đầu cọc

Ứng xử của kết : Là tập hợp các phản ứng của nền và cọc dưới tác dụng
cấu

của tải trọng hoặc tác động. Nó thường được thể hiện
thông qua sự phân bố ứng suất - biến dạng, lực - chuyển
vị,.. theo các trạng thái chịu lực.

Trạng

thái

hạn
Trạng

giá trị giới hạn được giả định trước.
thái

hạn cường độ
Trạng

giới : Là trạng thái mà kết cấu có đại lượng nghiên cứu đạt tới

thái

hạn sử dụng
Xi măng đất

giới : Là trạng thái mà sức kháng của kết cấu đạt tới giá trị
lớn nhất
giới : Là trạng thái mà biến dạng, chuyển vị,.. của kết cấu đạt
tới giá trị quy định trước
: Là loại cọc đất trộn với xi măng bằng công nghệ trộn
sâu


viii
2. Chữ viết tắt
API

:

American Petroleum Institute (Viện Dầu khí Mỹ)

ASTM

:

American Society for Testing and Materials, hiệp
hội Mỹ về thí nghiệm và vật liệu

BTCT

:

Bê tông cốt thép

BĐKH

:

Biến đổi khí hậu

BKGBDTT

:

bán không gian biến dạng tuyến tính

BDĐHCB

:

biến dạng đàn hồi cục bộ

BDTQ

:

biến dạng tổng quát

CTTL

:

Công trình thủy lợi

ĐTĐ

:

Đập trụ đỡ

ĐBSCL

:

Đồng bằng sông Cửu Long

Ensoft Lpile

:

Phần mềm địa kỹ thuật do Công ty ENSOFT INC –
MỸ phát triển, được dùng trong luận án

GS, PGS

:

Hệ số số nền

Giáo sư, phó Giáo sư
Hệ số tỷ lệ của hệ số nền

LTCBGH

:

Lý thuyết cân bằng giới hạn

MIDAS GTS - 2014

:

Phần mềm địa kỹ thuật do Công ty MIDAS IT –
Hàn Quốc phát triển, được dùng trong luận án

NCS

:

Nghiên cứu sinh

NXB

:

Nhà xuất bản

PTHH

:

Phần tử hữu hạn

SCT

:

Sức chịu tải

SCTN

:

Sức chịu tải ngang

SFHH

:

Sai phân hữu hạn

XMĐ

:

Cọc xi măng – đất


ix
3. Các ký hiệu
A

: Hằng số phụ thuộc vào tải trọng tĩnh hoặc chu kỳ chậm

B (b)

: Chiều rộng tiết diện cọc

c

: Lực dính của đất

DMM

: Công nghệ trộn sâu

D

: Đường kính cọc

E

: Mô đun đàn hồi của đất

Ec

: Mô đun đàn hồi của cọc

eo

: hệ số rỗng ban đầu;

F

: Diện tích tiết diện cọc

g

: Gia tốc trọng trường

hgc

: Chiều sâu lớp gia cố

Ip

: Chỉ số dẻo;

IL

: Độ sệt

J

: Mô men quán tính của cọc

k

: Hệ số tỷ lệ của hệ số nền

kh

: Hệ số nền Winkler (mô đun phản lực nền theo phương ngang)

K

: Khối lượng

L, l

: Chiều dài cọc

Lgc

: Chiều dài lớp gia cố

M

: Mô men uốn cọc

.p

: Phản lực của đất trên một đơn vị dài của cọc

pu

: Sức kháng ngang tới hạn của đất

P, Q, H

: Tải trọng tác dụng theo phương ngang (tuỳ theo từng tác giả)


x

Su

: Sức kháng cắt không thoát nước (điều kiện tự nhiên)

Su’

: Sức kháng cắt không thoát nước (điều kiện phá hủy)

SPT

: Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn

V

: Thể tích khối đất

V*

: Thể tích khối đất mở rộng để xét điều kiện biên

y, δ

: Chuyển vị ngang của cọc

z

: Độ sâu dọc theo cọc

φ

: Góc ma sát trong của đất

φc

: Góc dốc của đường độ võng do mô men M gây ra

χc

: Biến dạng uốn của cọc

ΩAB

: Diện tích bề mặt AB

ρ

: Khối lượng đơn vị của vật liệu

γ

: Trọng lượng thể tích

γc

: Góc trượt ngang do lực cắt Q gây ra

ε

: Biến dạng tương đối

ε50

: Biến dạng ngang tương đối của mẫu đất khi chịu nén ba trục
dưới tải trọng bằng 50% tải trọng giới hạn

θ

: Biến dạng thể tích

ν

: Hệ số Poisson của đất

α
σx,σy,σz

: Hệ số xét đến sự phân bố không đều của ứng suất cắt theo
chiều cao tiết diện cọc
: Các ứng suất pháp


xi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Bảng chỉ tiêu cơ lý chính đất nền các công trình Đập trụ đỡ .......... 15
 
Bảng 1.2: Cường độ cọc XMĐ ứng với 1 số loại đất yếu đặc trưng .............. 28
 
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của cọc chịu lực và lớp gia cố tại Nhật Bản ...... 29
 
Bảng 2.1 Sức chịu tải ngang của cọc khi chuyển vị yng=1cm ........................ 33

 
Bảng 2.2: Bảng thông số ε50 khi không có thí nghiệm ................................... 42
 
Bảng 2.3: Kích thước cọc trong tính toán xác định chiều sâu gia cố hợp lý .. 44
 
Bảng 2.4: Thông số mô hình đất nền .............................................................. 48
 
Bảng 2.5: Bảng xác định thông số ε50 ............................................................ 48
 
Bảng 2.6: Nội lực lớn nhất của cọc trường hợp nền tự nhiên ........................ 49
 
Bảng 2.7 SCTN ứng với độ sâu gia cố cho từng loại cọc: ............................. 49
 
Bảng 2.8 Chiều sâu gia cố hiệu quả cho từng loại cọc ................................... 52
 
Bảng 2.9 Bảng so sánh độ sâu gia cố hợp lý với các chiều sâu ảnh hưởng ... 53
 
Bảng 2.10: Kích thước mô hình nghiên cứu xác định chiều dài gia cố hợp
lý ................................................................................................... 57
 
Bảng 2.11: SCTN cọc vuông với chiều dài gia cố ......................................... 58
 
Bảng 2.12: SCTN cọc tròn với chiều dài gia cố ............................................. 60
 
Bảng 2.13: Kết quả tính toán SCTN cọc ly tâm với chiều dài gia cố............. 61
 
Bảng 2.14: So sánh SCTN của các loại cọc kích thước 35cm ....................... 62
 
Bảng 2.15: Chiều dài gia cố hợp lý tương ứng với các loại cọc..................... 63
 

Bảng 2.16: SCTN tính toán của các loại cọc sau khi gia cố ........................... 64
 
Bảng 3.1: Thông số cọc và khối gia cố mô hình thí nghiệm .......................... 70
 
Bảng 3.2 - Bảng thông số mô hình đất nền khu vực thí nghiệm .................... 83
 
Bảng 3.3 - Bảng thông số cọc, lớp gia cố và SCTN tính toán ........................ 83
 
Bảng 3.4 So sánh SCTN của cọc vuông giữa tính toán và thí nghiệm........... 85
 
Bảng 3.5 So sánh SCTN của cọc tròn giữa tính toán và thí nghiệm .............. 86
 
Bảng 3.6 Giá trị k của nền gia cố xi măng đất ............................................... 89
 
Bảng 3.7 Giá trị k của nền tự nhiên tại vị trí thí nghiệm ................................ 90
 
Bảng 4.1 Bảng hệ số tỷ lệ k của các loại đất thông dụng ............................... 93
 


xii
Bảng 4.2 Hệ số nhóm theo Davisson.............................................................. 98
 
Bảng 4.3 Ảnh hưởng của loại đất tới hệ số nhóm .......................................... 98
 
Bảng 4.4 Hệ số nhóm cọc Gc theo Prakash và Saran ..................................... 99
 
Bảng 4.5 Hệ số nhóm cọc Gc trường hợp gia cố ............................................ 99
 
Bảng 4.6 Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của các lớp đất cống Bầu Điền ............... 105

 
Bảng 4.7 Tính sức chịu tải đứng cọc theo TCVN 10304:2014 .................... 107
 
Bảng 4.8 Tổng hợp tải trọng trong thiết kế móng cọc cống Bầu Điền ......... 108
 
Bảng 4.9 Thống kê số cọc tính toán móng trụ cống Bầu Điền ..................... 110
 
Bảng 4.10 Thống kê cọc thi công móng trụ cống Bầu Điền ........................ 115
 
Bảng 4.11 Tổng hợp chi phí trực tiếp thi công móng trụ cống Bầu Điền .... 115
 


xiii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình Đập trụ đỡ .......................................................................... 4
 
Hình 1.2: Chi tiết đập Ems ............................................................................... 5
 
Hình 1.3: Tổng thể đập Ems ............................................................................. 6
 
Hình 1.4: Sơ đồ bố trí tổng thể Đập trên sông Thames .................................... 6
 
Hình 1.5: Đập trên sông Thames khi hoàn thành ............................................. 7
 
Hình 1.6: Công trình Marrina Barrage – Singapore ......................................... 7
 
Hình 1.7: Công trình Ngăn mặn giữ ngọt Thảo Long ...................................... 8
 
Hình 1.8: Cống Cầu Xe .................................................................................... 9

 
Hình 1.9: Bản đồ phân bố các vùng địa chất yếu ĐBSCL ............................. 11
 
Hình 1.10. Một số giải pháp tăng sức chịu tải ngang của cọc đơn ................. 17
 
Hình 1.11. Sơ đồ bố trí cọc xiên trong móng cọc ........................................... 18
 
Hình 1.12: Sơ đồ ảnh hưởng của vùng đất bị động trước cọc ........................ 19
 
Hình 1.13: Phân bố áp lực kháng của đất lên cọc .......................................... 20
 
Hình 1.14: Gia cố lớp mặt móng cọc bằng vật liệu thô .................................. 21
 
Hình 1.15: Gia cố lớp mặt móng cọc bằng công nghệ cọc xi măng đất ......... 23
 
Hình 1.16: Gia cố lớp mặt móng cọc bằng vữa dâng bê tông ........................ 24
 
Hình 1.17: Cầu Yabegawa, Nhật Bản và mô hình nền móng trụ hỗn hợp .... 28
 
Hình 1.18: Sơ đồ thí nghiệm cọc gia cố chịu tải ngang (Maeda và nnk.,
2001) ............................................................................................. 30
 
Hình 1.19: Quan hệ tải trọng và chuyển vị (Maeda và nnk, 2001) ................ 30
 
Hình 1.20: Sơ đồ chuyển vị cọc khi δ/B’=1.0% (Maeda và nnk, 2001) ........ 31
 
Hình 2.1: Mô hình khối móng quy ước nền không đồng nhất ....................... 35
 
Hình 2.2: Sơ đồ phân loại và mối quan hệ giữa các phương pháp tính cọc ... 37
 

Hình 2.3 Hình dạng đặc trưng của đường cong p~y cho đất sét mềm dưới
mực nước ngầm, chịu tải trọng tĩnh .............................................. 42
 
Hình 2.4: Sơ đồ tính toán phương án nền đất tự nhiên ................................... 44
 
Hình 2.5: Sơ đồ tính toán phương án nền được gia cố XMĐ ......................... 45
 
Hình 2.6: Biểu đồ quan hệ giữa SCTN với kích thước cọc, nền tự nhiên ...... 49
 


xiv
Hình 2.7: Biểu đồ quan hệ giữa SCTN với độ sâu gia cố .............................. 50
 
Hình 2.8: So sánh SCTN trước và sau gia cố ................................................. 50
 
Hình 2.9: So sánh mô men uốn của cọc trước và sau gia cố .......................... 51
 
Hình 2.10: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu gia cố và kích thước cọc ................ 52
 
Hình 2.11: Sơ đồ các kiểu gia cố XMĐ ......................................................... 54
 
Hình 2.12: Cơ chế triết giảm ϕ, c ................................................................... 56
 
Hình 2.13: Sơ đồ tính toán xác định chiều dài gia cố hợp lý ......................... 58
 
Hình 2.14: Biểu đồ quan hệ giữa SCTN cọc vuông với chiều dài gia cố....... 59
 
Hình 2.15: Biểu đồ quan hệ giữa SCTN cọc tròn với chiều dài gia cố .......... 60
 

Hình 2.16:Biểu đồ quan hệ giữa SCTN cọc ly tâm với chiều dài gia cố ....... 61
 
Hình 2.17: So sánh SCTN với chiều dài gia cố của các cọc cùng kích thước 62
 
Hình 2.18: Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài gia cố và kích thước cọc ............ 64
 
Hình 2.19: Biểu đồ quan hệ giữa SCTN và kích thước của các loại cọc ....... 65
 
Hình 3.1: Mặt bằng sơ đồ bố trí thí nghiệm điển hình trường hợp gia cố ...... 70
 
Hình 3.2: Sơ đồ trang bị thí nghiệm ............................................................... 71
 
Hình 3.3: Khu vực ảnh hưởng của cọc thí nghiệm ......................................... 72
 
Hình 3.4: Thiết bị thí nghiệm chính ............................................................... 74
 
Hình 3.5 Cắt ngang sơ đồ thí nghiệm cọc, nền tự nhiên ................................ 75
 
Hình 3.6: Biểu đồ tải trọng ngang Po ~ chuyển vị ngang yo ........................... 76
 
Hình 3.7 Cắt ngang sơ đồ thí nghiệm cọc, nền gia cố .................................... 76
 
Hình 3.8: Bố trí thiết bị đo chuyển vị cho nền gia cố ..................................... 77
 
Hình 3.9: Bố trí thiết bị gia tải ngang và quan trắc hiện trường ..................... 78
 
Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc p ~ y cho cọc
vuông 10x10cm ............................................................................ 79
 
Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc p ~ y cho cọc

vuông 20x20cm ............................................................................ 79
 
Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc p ~ y cho cọc
vuông 35x35cm ............................................................................ 80
 


xv
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc p ~ y cho cọc
tròn D10cm ................................................................................... 80
 
Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc p ~ y cho cọc
tròn D20cm ................................................................................... 81
 
Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc p ~ y cho cọc
tròn D40cm ................................................................................... 81
 
Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ SCTN và kích thước cọc vuông ........................ 82
 
Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ SCTN và kích thước cọc tròn (ly tâm) .............. 82
 
Hình 3.18: Kết quả tính toán SCTN cọc vuông với thông số nền thí nghiệm 84
 
Hình 3.19: Kết quả tính toán SCTN cọc tròn (ly tâm) với thông số nền thí
nghiệm .......................................................................................... 84
 
Hình 3.20: So sánh SCTN của cọc nền tự nhiên - tính toán và thí nghiệm .... 85
 
Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị nền gia cố....................... 87
 

Hình 3.22 Sơ đồ quan hệ p~y sơ bộ của cọc thí nghiệm ................................ 87
 
Hình 3.23 Biểu đồ xác định SCTN theo kích thước của cọc vuông............... 90
 
Hình 3.24 Biểu đồ xác định SCTN theo kích thước của cọc tròn .................. 91
 
Hình 4.1 Vùng ảnh hưởng của cọc ................................................................. 94
 
Hình 4.2 Ảnh hưởng của nhóm cọc chịu tải trọng ngang (Walsh, 2005) ....... 95
 
Hình 4.3 Ảnh hưởng của các cọc tới bầu ứng suất ......................................... 95
 
Hình 4.4 - Phạm vi ảnh hưởng của các cọc .................................................... 97
 
Hình 4.5 Sơ đồ quy trình tính toán thiết kế móng cọc nền gia cố ................ 102
 
Hình 4.6 Bố trí cọc trụ giữa cống Bầu Điền, nền tự nhiên ........................... 111
 
Hình 4.7 Sơ đồ tính toán móng cọc nền tự nhiên ......................................... 112
 
Hình 4.7 Bố trí cọc trụ giữa cống Bầu Điền, nền gia cố .............................. 113
 
Hình 4.8 Sơ đồ tính toán móng cọc nền gia cố DMM.................................. 114
 


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một nước có bờ biển dài và có nhiều sông lớn đổ ra biển trải
dọc suốt từ Bắc vào Nam. Trong những năm gần đây sự khắc nghiệt của thiên
nhiên càng thể hiện rõ như hiện tượng biến đổi khí hậu, mực nước biển ngày
càng dâng cao, bão lũ càng lớn và mùa kiệt thiếu nguồn nước ngọt đã ảnh
hưởng rất lớn đến đời sống và phát triển kinh tế xã hội của cả nước. Đồng
bằng sông Cửu Long là vùng có tiềm năng to lớn, chiếm vị trí quan trọng
trong phát triển kinh tế - xã hội và là chìa khoá chính trong chiến lược an ninh
lương thực quốc gia.
Chủ trương lớn của Nhà nước là cần tiếp tục nghiên cứu, đầu tư xây
dựng các công trình đê biển, công trình điều tiết vùng cửa sông vùng triều
nhằm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai cũng như bảo vệ dân sinh kinh tế,
góp phần phát triển đất nước.
Trong xây dựng công trình điều tiết hiện nay, Đập trụ đỡ đang ngày càng
được ứng dụng rộng rãi, trở thành một giải pháp khoa học thay thế dần các
công trình truyền thống, đặc biệt thể hiện rõ trong các công trình lớn ngăn
sông vùng ven biển. Để nâng cao hơn nữa hiệu quả ứng dụng công nghệ, nhất
thiết cần phải tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện thêm cả về lý thuyết và thực
nghiệm những vấn đề còn chưa được sáng tỏ. Một trong những vấn đề đó là
trong khi thiết kế móng cọc cho Đập trụ đỡ, đối với công trình thủy lợi tải
trọng ngang tác dụng vào công trình rất lớn, khi tính đủ sức chịu tải ngang của
cọc móng thì sức chịu tải đứng bị dư thừa gây lãng phí [14]. Ngoài giải pháp
bố trí cọc xiên thì biện pháp gia cố lớp bề mặt nền móng sẽ có tác dụng đáng
kể làm tăng sức chịu tải ngang của móng cọc. Tuy nhiên để có thể đưa ra một
số phương pháp tính toán thiết kế cụ thể cho lớp gia cố cũng như đánh giá
mức độ ảnh hưởng đến sức chịu tải ngang của cọc móng Đập trụ đỡ như thế
nào thì hiện nay vẫn chưa được giải quyết. Vì vậy đề tài nghiên cứu có tính
cấp thiết và thực tế.


2

2. Mục đích nghiên cứu
- Làm cơ sở khoa học, hoàn thiện lý thuyết trong tính toán thiết kế Đập
trụ đỡ;
- Đề xuất hình thức và kết cấu của lớp gia cố bề mặt nhằm tăng sức
chịu tải trọng ngang cho móng cọc Đập trụ đỡ xây dựng trong vùng ĐBSCL.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
- Nghiên cứu, phân tích các thông tin kỹ thuật liên quan được công bố
qua các tài liệu như sách, báo, tiêu chuẩn thiết kế… ở trong và ngoài nước.
- Sử dụng mô hình toán để nghiên cứu, phân tích sự ảnh hưởng của lớp
gia cố đến sức chịu tải ngang của cọc đơn, qua đó lựa chọn kích thước hợp lý
của lớp gia cố bề mặt ứng với các loại cọc.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Thí nghiệm mô hình vật lý, đo đạc, đánh giá sức chịu tải ngang của cọc
trong các trường hợp làm việc nền đất yếu tự nhiên và nền đất sau khi gia cố
lớp bề mặt. Trên cơ sở đó so sánh với phương pháp nghiên cứu lý thuyết đã
được xây dựng, từ đó có kết luận về phương pháp tính sức chịu tải ngang của
cọc, làm cơ sở để tính ổn định móng cọc công trình trong khu vực ĐBSCL;
Phương pháp chuyên gia:
Tổ chức hội thảo khoa học và các cuộc họp có phản biện, gồm có các
nhà khoa học có hiểu biết chuyên sâu về lĩnh vực nghiên cứu của NCS đến
họp cho ý kiến góp ý, đánh giá, phản biện kết quả nghiên cứu.
4. Đối tượng nghiên cứu
Sức chịu ngang trục của cọc đơn thẳng đứng trong trường hợp gia cố
lớp bề mặt móng cọc phía đầu cọc Đập trụ đỡ vùng ĐBSCL.
5. Phạm vi nghiên cứu
- Về kết cấu: Cọc đơn thẳng đứng trong móng cọc Đập trụ đỡ trên nền
đất yếu vùng ĐBSCL.
- Về vật liệu cọc: cọc BTCT các loại

3

- Về gia cố: Gia cố lớp nền bề mặt phía đầu cọc bằng cọc xi măng đất sử
dụng công nghệ trộn sâu (DMM)
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Luận án đã thiết lập được cơ sở khoa học tính toán gia cố bề mặt móng
cọc (kết cấu mới, nền đất tự nhiên kết hợp với xi măng bằng phương
pháp trộn sâu) có tác dụng gia tăng sức chịu ngang của móng Đập trụ
đỡ vùng đồng bằng sông Cửu Long, nơi có đặc điểm nền đất yếu, bất
lợi cho xây dựng công trình.
- Kết quả nghiên cứu của luận án đã được ứng dụng trong thiết kế móng
cọc và nhằm hoàn thiện lý thuyết tính toán công nghệ Đập trụ đỡ.
7. Những đóng góp mới của luận án
- Luận án đã đề xuất được giải pháp mới để tăng sức chịu tải ngang của
móng cọc Đập trụ đỡ vùng ĐBSCL và xác định được kích thước hợp lý
của phần gia cố này.
- Luận án đã xây dựng được quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị ngang (p
~ y) cho loại đất yếu đại diện và cho lớp gia cố bề mặt nền móng. Qua
đó xác định được hệ nền và phương pháp xác định sức chịu tải ngang
để ứng dụng thiết kế móng cọc Đập trụ đỡ vùng ĐBSCL.
8. Bố cục của luận án
Bố cục của luận án, gồm có các phần:
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về Đập trụ đỡ và các giải pháp gia tăng sức chịu
tải ngang cho móng cọc trong vùng đất yếu
Chương 2: Cơ sở khoa học của giải pháp gia cố nền lớp mặt
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của lớp gia cố bề
mặt bằng mô hình vật lý

Chương 4: Quy trình tính toán móng cọc Đập trụ đỡ trong trường hợp
có gia cố bề mặt
Kết luận và kiến nghị
Danh mục công trình đã công bố
Tài liệu tham khảo


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỤ ĐỠ VÀ CÁC GIẢI PHÁP
GIA TĂNG SỨC CHỊU TẢI NGANG CHO MÓNG CỌC
TRONG VÙNG ĐẤT YẾU
1.1 Tổng quan về Đập trụ đỡ
1.1.1 Giới thiệu công nghệ Đập trụ đỡ
Nguyên lý của Đập trụ đỡ là đưa toàn bộ lực tác dụng vào công trình về
các trụ riêng biệt, sau đó truyền xuống nền thông qua bệ trụ. Giữa các trụ pin
là cửa van điều tiết và kết cấu chống thấm [14], [15],[16].

Hình 1.1: Mô hình Đập trụ đỡ
Ưu điểm của Đập trụ đỡ là có thể xây dựng công trình ngay trên lòng
sông tự nhiên, giảm khối lượng đền bù, giải phóng mặt bằng nên giảm chi phí
đầu tư xây dựng và thân thiện với môi trường; Điểm đặc biệt là Đập trụ đỡ có
thể xây dựng công trình trong điều kiện địa chất nền yếu, chiều sâu lớp đất
yếu lớn như ở các vùng cửa sông ven biển hoặc vùng phù sa cổ; không phụ
thuộc vào chế độ dòng chảy trong sông.


5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và áp dụng các loại Đập trụ đỡ trên thế giới

Từ những năm đầu thế kỷ XX, dạng công trình ngăn sông kiểu Đập trụ
đỡ đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và áp dụng vào thực tế. Các
công trình có quy mô lớn tập trung ở những nước có nền khoa học và kinh tế
phát triển mạnh như Đức, Anh,… Trong đó, tiêu biểu nhất về số lượng và quy
mô là các công trình ngăn sông, ven biển của Đức với nhiệm vụ ngăn triều
hoặc kiểm soát triều và chống ngập úng.
Tùy vào điều kiện cụ thể các nhà khoa học trên thế giới đã áp dụng
những kiểu kết cấu và biện pháp thi công khác nhau nhưng điểm chung vẫn là
sử dụng nguyên lý tập trung lực lên các trụ độc lập, thi công các trụ và công
trình giữa lòng sông.
Dưới đây là một số dự án, công trình tiêu biểu kiểu Đập trụ đỡ đã được
xây dựng và đưa vào sử dụng trên thế giới:
Đập Ems (Đức):
Đập Ems xây dựng trên sông Ems từ năm 1999 đến năm 2002 có nhiệm
vụ ngăn triều, thuộc vùng Gandersum, thuộc Bang Lower Saxony, Đông Bắc
CHLB Đức. Công trình dài 476m gồm 07 khoang: 05 khoang đập trong đó 04
cửa có khẩu độ 63,5m; 01 khoang thông thuyền cho phép tàu biển đi qua rộng
60m và 01 cửa âu cho giao thông thủy nội địa rộng 50m.
Nguyên lý chịu lực của Đập Ems cũng là tập trung lực vào các trụ sau đó
truyền xuống nền thông qua hệ thống móng cọc.

Hình 1.2: Chi tiết đập Ems


6

Hình 1.3: Tổng thể đập Ems
Đập sông Thames (Anh):
Đập sông Thames được xây dựng tại Woolwich cách thủ đô London
17km, công trình triển khai thiết kế và thi công từ năm 1974, hoàn thành và

đưa vào sử dụng năm 1982. Đập có nhiệm vụ chính là ngăn chặn sóng thần từ
biển Bắc đổ vào sông Thames. Công trình có chiều dài tổng cộng 520m, phần
đập gồm 10 khoang: 04 khoang 61m, 06 khoang 31,5m, cửa van dạng trụ
xuay, khi đóng cửa cao hơn 20m.
Đập sông Thames có nguyên lý chịu lực vào các trụ độc lập.

Hình 1.4: Sơ đồ bố trí tổng thể Đập trên sông Thames


7

Hình 1.5: Đập trên sông Thames khi hoàn thành
Công trình Marina Barrage – Singapore:
Công trình Marina barrage được xây dựng vào đầu năm 2005, hoàn
thành tháng 10/2008. Marina barrage được xây dựng trên kênh Marrina có
nhiệm vụ giữ ngọt, ngăn nước mặn và tiêu thoát lũ. Đây là hồ chứa nước ngọt
đô thị đầu tiên của Singapore, mặt nước có diện tích khoảng 10.000ha. Công
trình gồm 9 cửa van thép dài 350m để điều tiết và 7 máy bơm tiêu có lưu
lượng 280m3/s.
Đây cũng là 1 công trình có nguyên lý chịu lực vào các trụ độc lập.

a.Tổng thể công trình

b. Mặt cắt ngang công trình

Hình 1.6: Công trình Marrina Barrage – Singapore


8

1.1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng Đập trụ đỡ trong nước
Công nghệ Đập trụ đỡ được Viện Khoa học Thủy lợi nghiên cứu bắt đầu
từ năm 1991-1995 trong Đề tài độc lập Quốc gia KC12-10. Cấu tạo và
nguyên lý chịu lực của Đập trụ đỡ như hình 1.1.
Tính đến nay công nghệ Đập trụ đỡ đã ứng dụng để xây dựng rất nhiều
công trình ngăn sông trên cả nước và đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật to lớn,
tiêu biểu như: cống Phó Sinh (Bạc Liêu), cống Hiền Lương (Quảng ngãi),
Cống Nhiêu Lộc-Thị Nghè (TP Hồ Chí Minh), Cống Biện Nhị, cống Bào
Chấu, cống Vàm Đình (Cà Mau), cống Nhà Mát (Bạc Liêu), cống Bầu Điền
(Tiền Giang), cống Hà Giang, cống Kênh Cụt (Kiên Giang), cống Cầu Xe
(Hải Dương),…Hiện nay các công trình kiểm soát triều thuộc Dự án Chống
ngập TP Hồ Chí Minh đang áp dụng công nghệ Đập trụ đỡ để xây dựng như:
Bến Nghé, Tân Thuận, Phú Xuân, Mương Chuối, Cây Khô, Phú Định, quy
mô bề rộng thông nước của các công trình từ 40 - 160m;
Công trình ngăn mặn giữ ngọt Thảo Long (Thừa Thiên Huế):
Công trình ngăn mặn giữ ngọt Thảo Long Xây dựng tại huyện Phú Vang
(2006), tỉnh Thừa Thiên Huế với chiều rộng thông nước 472,5m gồm 15
khoang cống, mỗi khoang rộng 31,5m và âu thuyền rộng 8m. Đây là công
trình áp dụng công nghệ Đập trụ đỡ và có khẩu độ lớn nhất Đông Nam Á.

Hình 1.7: Công trình Ngăn mặn giữ ngọt Thảo Long