Phân tích sức chịu tải của cọc và mô phòng thí nghiệm nén tĩnh công trình bệnh viện đa khoa tỉnh sóc trăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ VĂN MN

PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC VÀ
MƠ PHỎNG THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH
CƠNG TRÌNH BỆNH VIỆN ĐA KHOA TỈNH SÓC TRĂNG

Chuyên ngành:
Mã số:

Địa kỹ thuật xây dựng
60-58-02-04

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HOÀNG VIỆT HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017



LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả luận văn

Lê Văn Muôn

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Thủy lợi, tác giả đã
nhận được rất nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của Quý Thầy, Cô, bạn bè và đồng
nghiệp. Đến nay tác giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài "Phân
tích sức chịu tải của cọc và mơ phỏng thí nghiệm nén tĩnh-cơng trình Bệnh viện
Đa khoa tỉnh Sóc Trăng".
Trước tiên, với tất cả sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất, tác giả muốn gửi lời
cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Hoàng Việt Hùng, đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ,
chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt q trình tìm
hiểu nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng
đào tạo sau đại học Trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là là Quý Thầy, Cô trong Bộ
môn Địa kỹ thuật đã hết lòng truyền đạt những kiến thức quý báu, cũng như tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến những người thân trong gia
đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và
làm luận văn này.
Trong khn khổ luận văn, do thời gian, trình độ và điều kiện hạn chế nên không tránh
khỏi những thiếu sót, vì vậy tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp q

báu của Q Thầy, Cơ, đồng nghiệp.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả luận văn

Lê Văn Muôn

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ.................................................................................v
DANH MỤC BIỂU BẢNG .......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC ..............................................................4
1.1. Khái niệm móng cọc .................................................................................................4
1.1.1. Các bộ phận móng cọc ..........................................................................................4
1.1.2. Phân loại móng cọc ...............................................................................................4
1.1.3. Tính tốn móng cọc ...............................................................................................5
1.2. Thống kê số liệu thí nghiệm cọc hiện trường ........................................................39
Kết luận chương 1 .........................................................................................................42
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC ...............................................44
2.1. Quy định chung .....................................................................................................44
2.2. Phương pháp xác định sức chịu tải cọc theo thí nghiệm nén tĩnh ..........................46
2.2.1. Cơ sở phương pháp thí nghiệm nén tĩnh ............................................................46
2.2.2. Thiết bị thí nghiệm ..............................................................................................46

2.2.3. Phương pháp thí nghiệm......................................................................................47
2.2.4. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc ..........................................................................51
2.2.5. Xác định sức chịu tải cực hạn và sức chịu tải cho phép theo TCVN ..................53
2.2.6. Xác định sức chịu tải cực hạn theo phương pháp Davisson (TCXD 205-1998) .55
2.2.7. Xác định sức chịu tải cực hạn theo phương pháp Davisson từ đường đàn hồi ...55
2.2.8. Xác định sức chịu tải cực hạn theo phương pháp De Beer .................................56
2.2.9. Sức chịu tải cọc theo thí nghiệm đóng cọc ..........................................................57
Kết luận chương 2 .........................................................................................................58
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN MĨNG CỌC CƠNG TRÌNH BỆNH VIỆN ĐA KHOA
TỈNH SÓC TRĂNG ......................................................................................................59
3.1. Điều kiện tự nhiên .................................................................................................59
3.2. Phân tích thiết kế móng cọc...................................................................................61
3.2.1. Xác định sức chịu tải của cọc .............................................................................62
3.2.2. Xác định số lượng cọc và tải trọng truyền xuống các cọc..................................64
3.2.3. Tính lún cho móng...............................................................................................64
3.3. Mơ hình bài tốn ứng dụng ....................................................................................67
iii


3.3.1. Giới thiệu về phần mềm dùng trong tính tốn .................................................... 67
3.4. So sánh, đánh giá kết quả nén tĩnh và kết quả mơ phỏng mơ hình ........................ 75
Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 78

iv


DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 1.1: Móng cọc .........................................................................................................5

Hình 1.2: Sơ đồ các lực của đất tác động vào cọc ...........................................................7
Hình 1.3: Biểu đồ xác định giá trị hệ số λ ....................................................................11
Hình 1.4: Nền đất xung quanh cọc ở giai đoạn chịu tải cực hạn ...................................14
Hình 1.5: Sơ đồ chọn chiều dài cọc ngàm vào đất Lb ...................................................15
Hình 1.6: Vùng ảnh hưởng của cọc khi làm việc ..........................................................22
Hình 1.7: Một số cách bố trí cọc ...................................................................................23
Hình 1.8: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền nhiều lớp ......................25
Hình 1.9: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền đồng nhất......................26
Hình 1.10: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền đồng nhất (Có lớp đất
yếu) ................................................................................................................................26
Hình 1.11: Đường cong nén lún (e, ơ)...........................................................................29
Hình 1.12: Tính tốn biến dạng nén đàn hồi của cọc ....................................................31
Hình 1.13: Khi mặt bên của tháp nén thủng nghiêng 45 o (đáy tháp nén thủng khơng
phủ lên các cọc) .............................................................................................................34
Hình 1.14: Khi mặt bên của tháp nén thủng nghiêng với góc nhỏ hơn 45 o (đáy lớn tháp
xuyên thủng ứng với gốc xun 45 o phủ lên một phần cọc) ......................................35
Hình 1.15: các lực tác dụng lên tháp xuyên thủng ........................................................36
Hình 1.16: Sơ đồ cọc tác dụng lực lên đài.....................................................................38
Hình 2.1: Sơ đồ chi tiết đo tải tĩnh cọc (A: đối trọng; B: chuyển vị kế đo lún; ...........47
Hình 2.2: Các bước gia tải trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ............................................48
Hình 2.3: Các bước gia tải trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ............................................49
Hình 2.4: Đường Q-s và S-logt trong thí nghiệm nén tĩnh cọc .....................................51
Hình 2.5: Đường v-Q trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ..................................................52
Hình 2.6: Sơ đồ chọn sức chịu tải cho cọc theo thí nghiệm nén tĩnh cọc .....................52
Hình 2.7: Sơ đồ đường quan hệ tải trọng - chuyển vị ..................................................56
Hình 3.1: Phân bố địa tầng cơng trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng ..................61
Hình 3.2: Thể hiện mơ phỏng điều kiện biên của bài tốn nén tĩnh cọc với tải trọng nén
p=2000 kN, cọc 40x40cm dài 35m của cơng trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng.
Đất nền gồm 3 lớp, các chỉ tiêu tính tốn như đã trình bày ở phần tài liệu địa chất. ....69

v


Hình 3.3: Thể hiện kết quả mơ phỏng lưới chuyển vị của cọc nén tĩnh, tải trọng nén
tĩnh p= 2000 kN (200%), cọc có kích thước 0,4x0,4 dài 35m của cơng trình bệnh viện
Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,055m (5,5 cm). .................. 70
Hình 3.4: Thể hiện kết quả đường đẳng chuyển vị mô phỏng chuyển vị của cọc nén
tĩnh, tải trọng nén tĩnh p= 2000 kN (200%), cọc có kích thước 0,4x0,4 dài 35m của
cơng trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,055m
(5,5 cm). ........................................................................................................................ 71
Hình 3.5: Là kết quả lưới mơ phỏng chuyển vị cọc nén tĩnh, tải trọng 2000 kN, cọc
0,4x0,4 dài 35m của cơng trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc
lớn nhất là 0,035m. Trường hợp tính khi có điều chỉnh modun biến dạng của đất nền
lên gấp đôi giá trị trong tài liệu khảo sát (bảng 3.1). .................................................... 72
Hình 3.6: Thể hiện kết quả đường đẳng chuyển vị mô phỏng chuyển vị cọc nén tĩnh tải
trọng 2000 kN, cọc 0,4x0,4 dài 35m của cơng trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng.
Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,035m. Trường hợp tính khi có điều chỉnh modun biến
dạng của đất nền lên gấp đôi giá trị trong tài liệu khảo sát. .......................................... 73
Hình 3.7: Là kết quả đường đẳng chuyển vị mô phỏng chuyển vị cọc nén tĩnh. tải trọng
2000 kN, cọc 0,4x0,4 dài 35m của cơng trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng.
Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,035m. Trường hợp tính khi có điều chỉnh modun biến
dạng của đất nền lên gấp 2,5 lần giá trị trong tài liệu khảo sát. .................................... 74
Hình 3.8: Kết quả đường đẳng chuyển vị mơ phỏng chuyển vị cọc nén tĩnh tải trọng
2000 kN, cọc 0,4x0,4 dài 35m của cơng trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng.
Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,025m. Trường hợp tính khi có điều chỉnh modun biến
dạng của đất nền lên gấp 3 lần giá trị trong tài liệu khảo sát. ....................................... 75

vi

DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 1.1: Hệ số độ mảnh φ .............................................................................................6
Bảng 1.2: Hệ số độ mảnh φ theo Jacobson......................................................................7
Bảng 1.3: Giá trị Ks [1] ....................................................................................................9
Bảng 1.4: Giá trị α .........................................................................................................10
Bảng 1.5: Giá trị α [1] (theo Peck, 1974) ......................................................................10
Bảng 1.6: Giá trị Ir, N *c và N*q ......................................................................................16
Bảng 1.7: Ma sát và lực dính giữa đất và cọc................................................................17
Bảng 1.8: Ma sát và lực dính giữa đất và cọc K s tgϕ a ...................................................18
Bảng 1.9: Bảng xác định hệ số k0 ..................................................................................29
Bảng 1.10: Bảng xác định giá trị Cp ..............................................................................32
Bảng 1.11: Xác định hệ số α..........................................................................................37
Bảng 1.12: Tổng hợp số liệu thí nghiệm cọc.................................................................40
Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất chính mà móng cọc đi qua ......................60
Bảng 3.2: Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền ...................................................63
Bảng 3.3: Kết quả nén tĩnh cọc cơng trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng ...........72

vii



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, tốc độ xây dựng cơ sở hạ tầng khu vực Sóc Trăng gia tăng
nhanh hơn nhiều so với trước đây. Với điều kiện thực tế như vậy, đòi hỏi các đơn vị tư
vấn thiết kế, các đơn vị quản lý xây dựng phải cập nhật thông tin về công nghệ, điều
kiện kỹ thuật, điều kiện địa chất khu vực xây dựng. Với đặc điểm cấu trúc nền vùng
Sóc Trăng phức tạp, chiều dày lớp đất yếu tương đối dày vấn đề xử lý nền móng là
chắc chắn phải áp dụng. Tuy nhiên giải pháp nền móng thường yêu cầu kỹ thuật cao,
giá thành lớn vì vậy các phân tích, so sánh lựa chọn giải pháp cơng trình là có ý nghĩa

khoa học và thực tiễn.
Thực tế, sức chịu tải của cọc lớn hơn nhiều so với sức chịu tải của cọc tính tốn trên hồ
sơ thiết kế. Điều này dẫn đến gây lãng phí trong thiết kế móng. Rất nhiều đề tài đã
nghiên cứu để tìm ra sự chênh lệch về sức chịu tải này. Trong phạm vi luận văn, tác
giả cũng muốn nghiên cứu, đánh giá vấn đề này cho điều kiện đất nền cụ thể tại Sóc
Trăng.
Đề tài luận văn: “Phân tích sức chịu tải của cọc và mơ phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc
cơng trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng” nhằm đánh giá mức độ chênh lệch giữa
tính tốn thiết kế và nén tĩnh cọc tại hiện trường nhằm đưa việc thiết kế cơng trình gần
hơn với an tồn và kinh tế. Đề tài vì vậy có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Mục tiêu đề tài:
Đánh giá được sự sai khác về sức chịu tải của cọc trong tính tốn và sức chịu tải của
cọc ngồi thực tế.
Nhiệm vụ đề tài:
Phân tích các phương pháp tính tốn sức chịu tải của cọc, phân tích hồ sơ thiết kế
móng cọc cơng trình bệnh viện Đa khoa Sóc Trăng, phân tích các số liệu thí nghiệm

1


nén tĩnh cọc tại hiện trường để đánh giá sự sai lệch giữa sức chịu tải tính tốn và sức
chịu tải thực tế.
Làm sáng tỏ đặc điểm cấu trúc địa chất và phân chia các dạng mơ hình nền tự nhiên
trong khu vực Sóc Trăng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép dùng cho
móng cọc.
Phạm vi nghiên cứu: số liệu tính toán thiết kế cọc và số liệu nén tĩnh cọc trong điều
kiện đất nền khu vực Sóc Trăng. Cọc áp dụng cho cơng trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh

Sóc Trăng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập các tài liệu và nghiên cứu lý thuyết: Tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước,
tài liệu, báo cáo khoa học, giáo trình hướng dẫn tính tốn thiết kế móng nhà cao tầng.
Phương pháp tính tốn lý thuyết.
Mơ phỏng bài tốn phân tích trên mơ hình số và đánh giá với số liệu nén tĩnh.
5. Nội dung nghiên cứu
Phân tích tổng quan về móng cọc, các loại cọc và móng cọc, các phương pháp tính
tốn cọc. Việc tổng hợp này giúp cho đánh giá các hệ số dùng trong móng cọc.
Phân tích về quy trình, kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc.
Mơ phỏng bài tốn nén tĩnh cọc, thay đổi điều chỉnh các thông số mô phỏng cho nén
tĩnh cọc, nhận xét đại lượng ảnh hưởng.
Kết luận, kiến nghị.
6. Kết quả đạt được của luận văn
- Luận văn đã tổng kết được các phương pháp tính tốn sức chịu tải của cọc, từ đó
thấy được sức chịu tải của cọc phụ thuộc nhiều yếu tố. Vì vậy để lựa chọn được cơng
thức tính và đánh giá được sức chịu tải cọc hợp lý, người thiết kế cần có phân tích về

2


tải trọng cơng trình, đặc thù làm việc của cơng trình và điều kiện đất nền để lựa chọn
cơng thức tính cho phù hợp.
Luận văn đã tổng hợp quy trình thí nghiệm nén tĩnh để thử tải cọc, nhằm tổng hợp,
đánh giá giá trị tải trọng thực tế và lý thuyết để có thể thi cơng cọc hàng loạt hoặc
điều chỉnh thiết kế cho phù hợp điều kiện kinh tế.
- Kết quả mơ phỏng bài tốn sức chịu tải của cọc bằng mơ hình tốn cho thấy, số liệu
đất nền cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải của cọc. Số liệu đất nền
trên thực tế có xu hướng thấp hơn nhiều so với giá trị thực của nó.
- Kết quả kiểm tra bài tốn tính cọc bằng biểu thức giải tích cho thấy, đơn vị tư vấn đã

sử dụng hệ số an toàn quá lớn, dẫn đến thiên về an toàn quá nhiều. Sức chịu tải của
cọc được chọn khi dùng sức chịu tải tính theo điều kiện đất nền chia hệ số 1,75 với
móng có số lượng ít hơn 5 cọc. Tuy nhiên đơn vị thiết kế đã chia cho 2,1 là quá lớn.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MĨNG CỌC
1.1. Khái niệm móng cọc
Móng cọc là một trong những loại móng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, gồm có
cọc và đài cọc, dùng để truyền tải trọng của cơng trình xuống lớp đất tốt đến tận sỏi đá
nằm ở dưới sâu. Người ta có thể đóng, hạ những cây cọc lớn xuống các tầng đất sâu,
nhờ đó làm tăng khả năng chịu tải trọng lớn cho móng.
1.1.1. Các bộ phận móng cọc
Móng cọc gồm 3 bộ phận: cọc, đài cọc và đất bao quanh cọc.
- Cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng cơng trình lên đất ở mũi cọc và lớp
đất xung quanh.
- Đài cọc có tác dụng là tạo liên kết giữa các cọc thành một khối và phân bố tải trọng
cơng trình lên các cọc.
- Đất bao quanh cọc được cọc lèn chặt tiếp thu một phần tải trọng cơng trình và phân
bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc.
1.1.1.1. Phạm vi áp dụng
- Móng cọc có thể coi là biện pháp xử lý sâu, có tác dụng truyền tải trọng từ cơng trình
tới lớp đất có cường độ lớn ở đầu mũi cọc và xung quanh móng.
- Dùng khi tải trọng cơng trình tương đối lớn, lớp đất tốt nằm sâu, mực nước ngầm
tương đối cao.
- Dùng ở những bộ phận chịu tải trọng lớn hoặc những chỗ đất yếu.
1.1.1.2. Ưu điểm móng cọc
- Tiếp thu tải trọng lớn, tiếp kiệm vật liệu xây dựng làm móng, giảm khối lượng đào
đắp đất, tận dụng lớp đất nền cũ, hoặc trên nền đất yếu thì giảm độ lún.

1.1.2. Phân loại móng cọc
- Móng cọc đài cao: là loại móng cọc có đài cọc nằm trên mặt đất tự nhiên (Cơng trình
cầu, cảng, thủy lợi…)

4


Đặc điểm: Dưới tác dụng của lực ngang, dọc, moment thì các cọc trong đài vừa chịu
nén vừa chịu uốn.
- Móng cọc đài thấp: là loại móng cọc có đài thường nằm dưới mặt đất, thuờng gặp
trong các cơng trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.
Đặc điểm: Dưới tác dụng của lực ngang, dọc, moment thì các cọc trong đài chỉ chịu
nén nếu ta đặt chiều sâu chôn đài hợp lý.

a) Móng đài thấp

b) Móng đài cao
Hình 1.1: Móng cọc

1.1.3. Tính tốn móng cọc
1.1.3.1. Tính tốn sức chịu tải cọc theo độ bền của vật liệu
Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặc chịu kéo (khi cọc chịu
nhổ). Với cọc bê tông cốt thép, sức chịu tải cực hạn của cọc theo vật liệu xác định theo
cơng thức thanh chịu nén có xét đến uốn dọc. Sự uốn dọc được xét như tính cột trong
q trình tính tốn bê tơng [1].
Qa = φ (RnAp + RaAa)

(1.1)

Trong đó :

Ra - sức chịu kéo hay nén tính tốn của cốt thép
Rn - sức chịu nén tính tốn của bê tơng

5


φ - hệ số xét đến sự ảnh hưởng của uốn dọc phụ thuộc vào độ mảnh và theo thực
nghiệm lấy như sau
φ = 1,028 - 0,0000288λ2 - 0,0016λ
φ = 1,028 - 0,00003456λd2 - 0,00554λd
λ - độ mãnh của cọc
Hoặc φ tra theo bảng sau
Bảng 1.1: Hệ số độ mảnh φ
λ=lo/r

<14

21

28

35

42

48

55

62

69

76

83

90

97

104

λ= lo/b

<4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

φ

1.0

0.98

0.96

0.93

0.9

0.87

0.84

0.81

0.70

0.65

0.60

0.55

0.78 0.74

Trong đó: r - bán kính của cọc trịn hoặc cạnh cọc vng
b - bề rộng của tiết diện chữ nhật
Chiều dài tính tốn của cọc
lo = v.l

(1.2)

Với: l - chiều dài thực của đoạn cọc khi bắt đầu đóng cọc vào đất dính từ đầu cọc đến
điểm ngàm trong đất (cọc thường bị gãy khi đang đóng hoặc ép có đoạn cọc tự do trên
mặt đất cịn nhiều), hoặc l được chọn là chiều dày lớp đất yếu có cọc đi ngang qua và v
là hệ số phụ thuộc liên kết của hai đầu cọc.
v = 2 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc nằm trong đất mềm.
v = 0,7 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc tựa lên đất cứng hoặc đá.
v = 0,5 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc ngàm trong đá.
Hoặc xét đến sự hiện diện của đất bùn loãng xung quanh cọc, M. Jacobson đề nghị ảnh
hưởng uốn dọc như sau:

6

Bảng 1.2: Hệ số độ mảnh φ theo Jacobson
λ=L/r

50

70

85

105

120

140

φ

1

0.8

0.588

0.41

0.31

0.23

với L - chiều dài cọc, r - bán kính hoặc cạnh cọc
1.1.3.2. Sức chịu tải của cọc theo đất nền
a/ Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền
- Sức chịu tải cực hạn của cọc:
Sức chịu tải cực hạn của cọc Qu gồm tổng sức chống cắt cực hạn giữa đất và vật liệu
làm cọc ở mặt bên của cọc Qs và sức chống đỡ cực hạn ở mũi cọc Qp [1].
Q u = Qs + Qp

(1.3)

- Sức chịu tải cho phép của cọc:
=
Qa

Qs
Q
+ P
FS s FS P

(1.4)

Trong đó :
FSs - hệ số an tồn cho thân cọc lấy 1,5÷2
FSp - hệ số an tồn cho mũi cọc lấy 2÷3
Qs - Sức chịu tải cực hạn do ma sát
Qp - Sức chịu tải cực hạn do kháng mũi

Hình 1.2: Sơ đồ các lực của đất tác động vào cọc

7

- Sức chịu tải do ma sát xung quanh cọc Qs :
Qs = u∑fsili

(1.5)

Thành phần Qs có thể xác định bằng cách tích phân lực chống cắt đơn vị fs của đất
trên toàn bộ mặt tiếp xúc của cọc và đất, lực chống cắt này cho bởi biểu thức Coulomb.
fs = ca + σ’h tanφa = ca + Ksσ’v tanφa

(1.6)

Trong đó:
ca - lực dính giữa cọc và đất, với cọc đóng bê tơng cốt thép cai= ci, trong đó ci là
lực dính lớp đất thứ i.
φa - góc ma sát giữa cọc và đất với cọc đóng bê tơng cốt thép φai= φi, trong đó φi
là lực dính lớp đất thứ i.
σ’h - ứng suất pháp tuyến hữu hiệu tại mặt bên của cọc tính theo cơng thức sau :
σ’h= Ksσ’v=Ks.γ,.z
Trong đó: Ks - hệ số áp lực ngang của đất, hệ số này rất khó xác định chính xác. Có
nhiều khuynh hướng khác nhau trong việc ước lượng giá trị hệ số áp lực ngang.
Khuynh hướng 1: Xem đất nền như ''vật liệu đàn hồi''
K s= ξ=

ν

(1.7)

1 −ν

Với v - hệ số poisson của đất.
Khuynh hướng 2: Hệ số Ks chọn theo áp lực ngang của đất ở trạng thái tĩnh Ko. Với
số lượng cọc khơng nhiều trong móng cọc và các cọc khoan nhồi, đất nền là loại đất cố
kết thường, hệ số áp lực ngang được chọn để tính tốn là
Ks = Ko = 1 - sin φ’

(1.8)

Với cọc đặt trong nền đất cố kết trước, hệ số áp lực ngang được chọn để tính tốn theo
Jaky có dạng như sau :
Ks = (1- sin φ’). OCR

(1.9)

8


Với OCR - hệ số cố kết trước.
Khuynh hướng 3: Khi đóng cọc hay ép cọc vào nền đất, thể tích cọc chiếm lỗ rỗng
của đất và đất dần đạt gần đến trạng thái cân bằng bị động điều này có nghĩa là hệ số
áp lực đất Ks tiến gần đến giá trị hệ số áp lực bị động Kp. Bowles đề nghị hệ số Ks là
trung bình cộng của áp lực ở trạng thái tĩnh Ko, hệ số áp lực đất ở trạng thái cân bằng
chủ động Ka, và hệ số áp lực đất ở trạng thái bị động Kp
Ks =

K a + FwKo + Kp
2 + Fw

(1.10)

Fw - chọn hệ số từ 1 trở lên
Khi thực tế đo đạt hệ số Ks thay đổi theo chiều sâu, theo biến dạng thể tích và độ chặt
của đất ở xung quanh cọc. Ở đầu cọc Ks gần bằng hệ số áp lực bị động Kp của
Rankine. Ở mũi cọc Ks gần bằng hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh Ko.
Trong thực tế tính tốn có thể lấy theo bảng sau [1]
Bảng 1.3: Giá trị Ks [1]
Cọc khoan nhồi

Ks=Ko=1-sin φ’

Cọc đóng có thể tích đất

Cọc đóng có thể tích đất chiếm

chiếm chỗ nhỏ

chỗ lớn

Ks=Ko (giới hạn dưới)
Ks=1.4Ko (giới hạn trên)

Ks=Ko (giới hạn dưới)
Ks=1.8Ko (giới hạn trên)

Ngồi ra ta có thể kể đến các phương pháp sau
+ Phương pháp α:
Tomlinson (1971) đề nghị thêm vào thành phần lực dính một hệ số α trong công thức
xác định lực ma sát xung quanh giữa cọc và đất như sau [1]:
fs = αca + σ’h tanφa = αca + Ksσ’v tanφa

hệ số α có thể tham khảo các kết quả nghiên cứu của Tomlinson như sau :

9

(1.11)


Bảng 1.4: Giá trị α
Loại đất
1 - Cát chặt hoặc sét
cứng
2 - Sét mềm, silt và
đất dính cứng

L/D
<20
>20
8-20
>20
8-20

3 - Sét cứng

Hệ số α
1,25
cu<75 : α=1,25
cu=75-180 : α=1,25-0,4
0,4
cu=0-25 : α=1,25-0,7
cu>25 : α=0,7

0,4
cu=0-30 : α=1,25-1
cu=30-80 : α=1
cu=80-130 : α=1-0,4
cu>130 : α=0,4

Bảng 1.5: Giá trị α [1] (theo Peck, 1974)
Lực chống cắt không thốt
nước cu (kPa)
0
50
100
150
200
250
300

Hệ số lực dính α
1
0,95
0,8
0,65
0,6
0,55
0,5

+ Phương pháp β:
Phương pháp này được Burland đưa ra từ năm 1973, trên các giả thuyết sau:
- Lực dính của đất giảm đến 0 trong q trình đóng cọc do đất bị phá vỡ kết cấu.
- Ứng suất hữu hiệu của đất tác dụng lên mặt đứng của cọc sau khi áp lực nước lỗ rỗng

thặng dư phân tán hết ít nhất phải bằng ứng suất này ở trạng thái tĩnh, áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư xuất hiện do thể tích cọc lấn chiếm và đất xung quanh bị nén, nhưng hệ
số thấm của đất bé nên cần phải có thời gian để nước thoát đi.
- Ứng suất chống cắt của đất xung quanh cọc trong quá trình chịu tải chỉ liên quan đến
vùng đất mỏng xung quanh cọc, vùng này tùy thuộc vào hình dạng của cọc và tính
thốt nước của đất ở hai thời điểm đóng cọc và chất tải lên cọc.
Và công thức xác định lực ma sát đất và cọc có dạng

10


fs = Ks.σ’v.tanφa

(1.12)

đặt β= Ks.tanφa
fs = β.σ’v
Vì σ’v là ứng suất do trọng lượng bản thân nên khi có ứng suất phụ thêm do tải ngoài
đặt trên mặt đất, ta có thể hiệu chỉnh
fs = β.(σ’v+ σ’s)

(1.13)

Theo phương pháp này giá trị β dao động trong khoảng từ 0,25 đến 0,4 nếu ta sử dụng
Ks=Ko
Một số nghiên cứu khác, của Bhushan (1982), bổ sung cách xác định β như sau:
β= Ks.tanφa=0,18+0,0065Dr
hoặc Ks=0,5+0,008.Dr
Dr-độ chặt tương đối của cát
+ Phương pháp λ:

Focht và Vijavergiya đề nghị một hệ số λ để hiệu chỉnh lực ma sát xung quanh giữa
cọc và đất sét
f s = λ (σ v' + 2cu )

(1.14)

Ở đây: λ - biến đổi theo chiều sâu đóng cọc, được suy ra từ biểu đồ sau:
λ

Hình 1.3: Biểu đồ xác định giá trị hệ số λ

11


+ Phương pháp Coyle – Castillo:
Năm 1981, Coyle - Castillo đưa ra một cách xác định sức chịu tải của cọc trong nền
cát, sau hàng loạt phân tích các kết quả thí nghiệm nén tĩnh và đóng cọc thử tại hiện
trường.
Q s = f s . As

(1.15)

fs - là lực ma sát đơn vị giữa đất và cọc được tác giả thiết lập quan hệ thực
nghiệm với góc ma sát ϕ và tỷ số z / B, với chiều sâu z tính đến giữa lớp cát và B là bề
rộng của cọc. Lưu ý rằng, phương pháp của Coyle - Castillo không xét đến loại vật liệu
làm cọc, ảnh hưởng việc hạ cọc và điều kiện ứng suất ban đầu.
- Sức chịu tải của đất ở mũi cọc Qp
+ Phương pháp Terzaghi:
Phương pháp cổ điển nhất để ước lượng sức chịu mũi do Terzaghi và Peck đề nghị sử
dụng các công thức bán thực nghiệm, được phát triển trên cơ sở các cơng thức chịu tải

của móng nơng, với sơ đồ trượt của đất dưới mũi cọc tương tự như sơ đồ trượt của đất
dưới móng nơng.
Qp = Apqp

(1.16)

với qP = 1,3cNc + γ.Df .Nq + α.γ.d.Nγ

(1.17)

Terzaghi đề nghị sử dụng các hệ số chịu tải Nc, Nq, Nγ được thiết lập cho móng nơng
tiết diện trịn hoặc vng có dạng sau hoặc tra bảng theo góc ma sát trong của đất dưới
mũi cọc.

ao2

Nq =

2cos2 (

π

ϕ

(1.18)

+ )
4 2

=

N c cot angϕ ( Nq − 1)
=
Nγ

(1.19)

1 K pγ
(
− 1) tan ϕ
2 cos2ϕ

ao = e

 3π ϕ 
 − 
 4 2

12

(1.20)


Trong đó:
c - lực dính của đất dưới mũi cọc
α - hệ số phụ thuộc vào hình dạng cọc bằng 0,4 cọc vng và 0,6 cọc trịn
d - đường kính cọc trịn hoặc cạnh cọc vng
γ - trọng lượng thể tích của đất ở độ sâu mũi cọc
Thơng thường thì thành phần α.γ.d.Nγ được bỏ qua do nó quá bé so với hai thành phần
còn lại, việc bỏ qua này bù vào trọng lượng của cọc không xét vào trong công thức
ước lượng sức chịu tải.

Nhiều tác giả đã đưa ra các giả thuyết dạng trượt của đất dưới mũi cọc chỉ phát triển
xung quanh mũi cọc. Nhằm mục đích tính tốn đúng sức chịu tải của đất dưới đáy
móng sâu, với những hiệu chỉnh các hệ số sức chịu tải ảnh hưởng độ sâu và hình dạng
của móng sâu.
Dù vậy theo các cơng thức tính tốn sức chịu tải cọc vẫn tăng tuyến tính theo chiều sâu
của mũi cọc.
Trong khi đó, trong một lớp đất, thực nghiệm chứng tỏ rằng sức chịu mũi của đất ở
mũi cọc chỉ tăng đến một độ sâu nhất định rồi không đổi nữa kể từ độ sâu tới hạn là Lc
hay Zc. Hiện tượng này rõ nhất trong đất cát.
Nhiều nghiên cứu về sức chịu tải cọc cũng thấy rằng tính sức chịu tải của cọc theo thí
nghiệm khảo sát địa chất tại hiện trường cho kết quả gần đúng với thực tế làm việc của
cọc hơn như các thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên động, nén ép ngang.
Các nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của nền cọc, cho thấy khu vực ảnh hưởng bởi
lực ma sát của cọc lan rộng dần từ trên mặt đất đến chiều sâu tới hạn Zc và kéo dài
xuống mũi cọc. Ở mũi cọc phạm vi ảnh hưởng ngang khoảng bằng ba lần đường kính
của cọc và phạm vi nền của mũi cọc khoảng 2D dưới mũi cọc và 4D trên mũi cọc.
Theo De Beer, mặt trượt của đất nền quanh khu vực mũi cọc có hình dạng và phạm vi
ảnh hưởng được tính theo cơng thức sau.

13


Hình 1.4: Nền đất xung quanh cọc ở giai đoạn chịu tải cực hạn

l1 >

D
π ϕ 
tan  +  exp(π .tan ϕ )
2

4 2

l2 ≥

D
2

cosϕ
π ϕ
exp.tan( + )
4 2
π ϕ 
sin  − 
4 2

(1.21)

(1.22)

+ Phương pháp Meyerhof:
Theo phương pháp Meyerhof sức chịu tải của nền đất dưới mũi cọc sẽ lớn hơn cách
tính Terzaghi xem như là móng nơng do ảnh hưởng của độ sâu đặt móng [1]. Có rất
nhiều tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng này và điều chỉnh các hệ số sức chịu tải của
nền Nc, Nq, Nγ.
Đối với sức chịu tải đơn vị diện tích của phần đất nằm dưới đáy móng sâu và móng cọc,
cơng thức có xét tới hình dạng và chiều sâu chơn móng thường được diễn tả dưới dạng.
qP = cN’c +q’. N’q

(1.23)

Sức chịu tải cực hạn của đất nền ở mũi cọc có dạng
Qu=Ap.qp=Ap.( cN’c +q’. N’q)

(1.24)

Phương pháp Meyerhof xác định các hệ số N 'c , N 'q , sức chịu tải ở mũi cọc trong đất
nền, đặc biệt là cát, gia tăng theo chiều sâu cọc chôn trong lớp cát chịu tải và đạt cực

14


hạn khi tỉ số

Lb  Lb 
=  .
D  D  cr

ĐẤ
T YẾ
U

L

D

L = Lb

D

Lb

Hình 1.5: Sơ đồ chọn chiều dài cọc ngàm vào đất Lb
Lb - chiều sâu cọc cắm trong đất tốt
D - là cạnh cọc ở độ sâu mũi cọc
Do vậy Lb < L khi cọc xuyên qua lớp đất yếu và ngàm vào đất cứng
Lb = L khi cọc trong nền đồng nhất
Trong cách tính sức chịu tải đất nền dưới mũi cọc theo Meyerhof, các thông số chống
cắt c và ω tương ứng với trạng thái ứng suất hữu hiệu và qp xác định theo công thức:
qP = cN’c +q’. N’q

(1.25)

+ Phương pháp Vesic:
Vesic đề nghị một phương pháp xác định sức chịu tải của đất nền ở mũi cọc


1 + 2K 0 
Q u = A p q p = A p  cN *c + 
q ' N *σ 

 3 


K 0 = (1 − sin ϕ) - hệ số áp lực đất ở trạng thái nghỉ

Như vậy N =
*
σ

3N *q

1 + 2K 0

Mặt khác ta có quan hệ: N *c = (N *q − 1)cot gϕ
Theo Vesic N q* = f ( I rr )

15

(1.26)