Nghiên cứu phạm vi chuyển dịch của đất nền xung quanh cọc trong quá trình thi công ép cọc bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


ĐẶNG HƯNG THẠNH

NGHIÊN CỨU PHẠM VI CHUYỂN DỊCH CỦA ĐẤT NỀN
XUNG QUANH CỌC TRONG Q TRÌNH THI CƠNG ÉP CỌC
BÊ TƠNG CỐT THÉP

CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số

: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. LÊ VĂN PHA
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. VÕ PHÁN
Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM
Ngày 27 Tháng 08 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. NGUYỄN MINH TÂM - Chủ Tịch hội đồng
2. TS. NGUYỄN CẢNH TUẤN – Thư Ký
3. GS. TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ - Ủy viên
4. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN - Ủy viên
5. TS. LÊ VĂN PHA - Ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Chủ nhiệm bộ môn quản
lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
-----------------Tp.HCM, ngày 20 tháng 11 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐẶNG HƯNG THẠNH
Ngày, tháng, năm sinh: 30-11-1959.
Địa chỉ mail:
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG K2012
I-TÊN ĐỀ TÀI:

Phái : Nam
Nơi sinh: Sài Gòn
Điện thoại: 0903.703.661

MSHV: 12090389

NGHIÊN CỨU PHẠM VI CHUYỂN DỊCH CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỌC TRONG
Q TRÌNH THI CƠNG ÉP CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP.

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1NHIỆM VỤ :
- Nghiên cứu tổng quan về chuyển dịch đất nền xung quanh và dưới mũi cọc khi thi công
ép cọc thơng qua các nghiên cứu đã có.
- Tìm hiểu cơ chế nén chặt đất trong q trình thi cơng ép cọc.
- Tính tốn dự báo phạm vi chuyển dịch của đất nền khi ép cọc bằng phương pháp giải tích.
- Mơ phỏng q trình thi cơng ép cọc, sự thay đổi trạng thái ứng suất-biến dạng của đất nền
xung quanh bằng phương pháp số.
- Đề xuất biện pháp thi công ép cọc nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình xung
quanh.
2NỘI DUNG :
- Chương 1 : Tổng quan các nghiên cứu về chuyển dịch của đất nền trong quá trình ép cọc.
- Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về cơ chế nén ép và chuyển dịch đất nền khi ép cọc.
- Chương 3 : Dự báo chuyển dịch đất nền trong quá trình ép cọc.
- Chương 4 : Ứng dụng kết quả nghiên cứu, đề xuất biện pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng
đến cơng trình xung quanh.
- Kết luận và kiến nghị.
- Tài liệu tham khảo.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
20/11/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ VĂN PHA và PGS. TS. VÕ PHÁN
Ngày………tháng………năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

CB HƯỚNG DẪN 1 CB HƯỚNG DẪN 2

TS LÊ VĂN PHA

PGS.TS. VÕ PHÁN
TRƯỞNG KHOA

TS NGUYỄN MINH TÂM

PGS.TS. VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cám ơn quý thầy cô trong Khoa Xây Dựng, đặc biệt
quý thầy cô trong Bộ mơn Địa cơ - Nền móng, đã tận tình truyền dạy những kiến
thức chuyên ngành trong suốt quá trình học tập, quan tâm hỗ trợ, tạo mọi điều
kiện tốt nhất trong thời gian tôi tham gia học tập tại trường.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Võ Phán và thầy TS Lê
Văn Pha, người trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn Luận văn Thạc sĩ cho tơi, đã
dành nhiều thời gian, tận tình chỉ dạy, hỗ trợ kiến thức và tài liệu để hồn thành
luận văn trong thời gian qua.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy PGS.TS Châu ngọc Ẩn, TS Nguyễn
Minh Tâm, TS Bùi Trường Sơn, TS Lê Bá Vinh, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ
Thanh Hải đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức trong quá trình học và
thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè trong lớp Địa Kỹ Thuật Xây Dựng 2012 đã luôn
quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập cũng như
khi thực hiện Luận văn.
Trong Luận văn có thể cịn nhiều sai sót. Kính mong được sự góp ý của q
thầy cơ để đề tài hồn thiện hơn và có thể ứng dụng vào thực tế.

Trân trọng
Học viên

Đặng Hưng Thạnh


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên đề tài:
Nghiên cứu phạm vi chuyển dịch của đất nền xung quanh cọc trong q trình
thi cơng ép cọc bê tơng cốt thép
Tóm tắt:
Trong thực tế xây dựng hiện nay, móng cọc đang là giải pháp được lựa chọn
phổ biến đối với các công trình có tải trọng vừa và lớn xây dựng trong khu vực đơ
thị do có những ưu điểm như: thi cơng nhanh, sức chịu tải cao. Trong đó, hai
phương pháp cọc khoan nhồi và cọc ép tĩnh thường được sử dụng. Ưu thế riêng
của cọc nhồi là đường kính lớn, chiều dài sâu. Tuy nhiên, nhược điểm của cọc
khoan nhồi là khá tốn kém và khó quản lý được chất lượng của từng cọc nhồi
trong và sau thi cơng. Vì vậy, giải pháp thay thế đặc biệt phù hợp với cơng trình
xây chen trong khu dân cư đơ thị như thành phố Hồ Chí Minh là móng cọc ép tĩnh.
Thực tế cho thấy, ưu điểm của giải pháp ép tĩnh cọc là giải quyết được những
nhược điểm của cọc khoan nhồi như: Có giá thành thấp hơn rất nhiều so với cọc
nhồi, có thể kiểm sốt được chất lượng từng cọc.
Tuy nhiên, ngoài các ưu điểm nổi trội, phương pháp ép tĩnh cọc vẫn có thể
gây nên những ảnh hưởng nhất định cho cơng trình liền kề trong q trình thi
công do sự chuyển dịch của đất nền khi bị cọc chiếm chỗ, gây nên hiện tượng đất
trồi, cọc trồi...
Trong luận văn nầy, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích cơ chế nén chặt
trong đất khi thi cơng ép cọc, góp phần làm rõ nguyên nhân gây chuyển dịch đất,
xu hướng chuyển dịch và phạm vi ảnh hưởng của phương pháp ép cọc tĩnh thơng
qua tính tốn theo phương pháp dự báo giải tích và phương pháp mơ phỏng bằng

phần mềm Plaxis .Trên cơ sở đó, đề xuất các biện pháp thi công ép cọc phù hợp
nhằm khắc phục những ảnh hưởng do chuyển dịch trong nền đất khi sử dụng biện
pháp ép cọc móng cơng trình.


SUMMARY OF THESIS
Title:
Study on the range of soil movements around piles during the static driving
of concrete piles.
Abstract:
Nowadays in construction reality, pile foundation is the popular solution for
medium and large loading capacity buildings in urban areas. This is popularity is
due to its primary advantages which are, faster construction and high load ability.
Two of the most often used methods are the static pressed pile method and the
bored pile method. The advantages of the bored pile method are making large
diameter and long piles. However, there is a downside to the bored pile method, and
that is, it is quite expensive and difficult to manage the quality of each pile during
and after construction. Therefore, the alternative solution that is more favorably
suited to the alternate building in urban, residential areas in Ho Chi Minh City is the
static pressed pile foundation. In fact, the strong points of the static pressed pile
solution are resolving the problems of the bored pile method. As indicated, those
are the lower-price and the ability of quality control on each pile.
Beside the advantages, the static pressed pile method may cause certain risk
effects to adjacent buildings during construction due to the soil movements around
the piles, such as soil heave and pile heave, et cetera.
In this thesis, the author focused on the analysis of compaction mechanism
of the soil which is close to a driven pile while construction of a pile and clarifying
the causes of soil movements. Since then, defining the trends of soil movements
and its sphere of influence by the analytic method and the computational simulating
method, using the software Plaxis. On that basis, the appropriate measures will be

put forward to overcome the adverse effects on driving piles by the static pressed
pile method.



MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................2
3. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài ....................................................................................2
5. Phạm vi nghiên cứu của để tài ................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CHUYỂN DỊCH CỦA
ĐẤT NỀN TRONG QUÁ TRÌNH ÉP CỌC
1.1 Giới thiệu chung ....................................................................................................3
1.1.1 Giới thiệu sơ lược về phương pháp ép tĩnh cọc .............................................3
1.1.2 Một số phương pháp hạ cọc đang sử dụng tại TP Hồ Chí Minh ...................3
1.2. Tổng hợp các nghiên cứu về chuyển dịch đất khi ép cọc ...................................7
1.2.1 Khi hạ cọc vào lớp đất sét .............................................................................7
1.2.2 Khi hạ cọc vào lớp đất rời............................................................................10
1.2.3 Vùng nén lại và sự gia tăng góc ma sát trong của đất khi hạ cọc................12
1.2.4 Áp lực lỗ rỗng tăng trong quá trình hạ cọc ................................................. 13
1.2.5 Vùng xáo trộn và xu hướng biến dạng của đất quanh cọc .......................... 14
1.3. Các biểu hiện ảnh hưởng của đất nền khi hạ cọc .............................................. 16
1.3.1 Hiện tượng đất trồi ...................................................................................... 17
1.3.2 Hiện tượng cọc trồi ..................................................................................... 20
1.3.3 Hiện tượng dịch chuyển ngang của đất ....................................................... 21
1.4. Nhận xét ............................................................................................................ 22
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CƠ CHẾ NÉN ÉP VÀ CHUYỂN
DỊCH CỦA ĐẤT NỀN KHI ÉP CỌC

2.1 Áp lực mở rộng vùng ảnh hưởng của đất quanh cọc khi hạ cọc ........................ 24
2.1.1 Áp lực mở rộng tại mép cọc ........................................................................ 24
2.1.2 Sự phân bố áp lực của đất theo khoảng cách khi hạ cọc ............................. 25
2.2 Áp lực nước lỗ rỗng trong đất khi hạ cọc .......................................................... 26


2.2.1 Sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng…………………………………………...26
2.2.2 Dự tính mức phân bố áp lực nước lỗ rỗng theo khoảng cách từ cọc .......... 28
2.3 Chuyển dịch của đất nền khi ép cọc ................................................................... 29
2.3.1 Chuyển dịch đất nền khi ép cọc đơn ........................................................... 29
2.3.2 Chuyển dịch đất nền khi ép nhóm cọc ....................................................... 32
2.3.3 Ảnh hưởng của chuyển dịch đất nền đối với cọc lân cận ........................... 33
2.4 Nhận xét ............................................................................................................. 37
CHƯƠNG III: DỰ BÁO CHUYỂN VỊ ĐẤT NỀN TRONG QUÁ TRÌNH ÉP
CỌC
3.1 Dự báo chuyển vị đất nền khi ép cọc bằng phương pháp giải tích .................... 38
3.1.1 Dự báo chuyển vị ngang của đất khi ép cọc ............................................... 38
3.1.2 Dự báo chuyển vị đứng của đất (đất trồi) khi ép cọc................................. 40
3.1.3 Tính phạm vi vùng chuyển dịch của đất khi ép cọc .................................... 42
3.2 Mô phỏng chuyển vị của đất nền khi ép cọc bằng phần mềm plaxis 8.5........... 44
3.2.1 Mơ hình tính tốn ........................................................................................ 44
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của đường kính cọc, độ sâu hạ cọc và khoảng cách
(tính từ trục cọc) đối với chuyển dịch đất khi ép cọc............................................... 45
3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số địa chất đến chuyển dịch đất trong
quá trình ép cọc ........................................................................................................ 49
3.3 Nhận xét và phân tích kết quả ............................................................................ 51
CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT BIỆN
PHÁP LÀM GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƠNG TRÌNH XUNG
QUANH
4.1 Các biện pháp nhằm giảm thiểu chuyển dịch đất do ép cọc .............................. 53

4.2 Đề xuất giải pháp khả thi cho cơng trình nhà cao tầng trong đô thị trên cơ sở
ứng dụng kết quả nghiên cứu ................................................................................... 53
4.3 Khái quát về phương pháp thi công khoan trong kết hợp ép tĩnh cọc ............... 54
4.4 Ứng dụng vào cơng trình thực tế........................................................................ 56
4.4.1 Giới thiệu chung về cơng trình................................................................... 56
4.4.2 Đặc điểm địa chất của cơng trình ............................................................... 58


4.4.3 Các thơng số chủ yếu của đất (mơ hình Mohr-Coulomb) .......................... 59
4.4.4 Mô phỏng các giải pháp ép cọc bằng phần mềm plaxis ............................ 60
4.4.5 So sánh về hiệu quả đầu tư giữa các biện pháp hạ cọc .............................. 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận .................................................................................................................... 66
Kiến nghị .................................................................................................................. 67


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Phương pháp ép tĩnh cọc thơng thường……………………………………4
Hình 1.2 Phương pháp ép neo……………………………………………………… 4
Hình 1.3 Phương pháp ép cọc bằng robot tự hành……………………………………5
Hình 1.4 Phương pháp cọc khoan nhồi………………………………………………5
Hình 1.5 Phương pháp ép cọc-khoan trong (Nakabory)……………………………..6
Hình 1.6 Công đoạn nối cọc trong phương pháp ép cọc Nakabory………………….6
Hình 1.7 Mơ hình cọc và nền………………………………………………………...7
Hình 1.8 Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do ép cọc…………………………8
Hình 1.9 Độ bền cắt trong đất sét bão hòa nước trước và sau khi ép cọc……………9
Hình 1.10 Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian ( Theo Soderberg, 1962)……….10
Hình 1.11 Hướng chuyển vị xung quanh cọc, khi cọc hạ vào trong lớp cát…………11
Hình 1.12. Trị số chuyển vị của cát xung quanh khi hạ cọc…………………………11
Hình 1.13 Sự nén chặt của cát xung quanh cọc theo quan trắc và tính tốn lý thuyết..12

Hình 1.14. Ép cọc ảnh hưởng lên giá trị góc ma sát trong của đất (Kishida,1967)…13
Hình 1.15 Một số kết quả đo áp lực lỗ rỗng (Poulos và Davis, 1979) ..……………14
Hình 1.16 Hình thức chuyển vị khi hạ cọc theo Terzaghi (1943) ….………………15
Hình 1.17 Hình thức chuyển vị khi hạ cọc theo Meyerhof (1959) …………………15
Hình 1.18 Chuyển dịch đất nền chung quanh cọc khi hạ cọc theo Massarsch (1974).16
Hình 1.19. Chuyển vị của đất xung quanh mũi cọc (Zeevaert, 1949) ………………17
Hình 1.20 Đất trồi do ép cọc (Hagerty và Perk, 1971) …………………………….18
Hình 1.21. Quan hệ giữa độ trồi của đất và khoảng cách so với cọc (Sharp, 1982)…20
Hình 1.22. Quan hệ giữa độ trồi của đất và độ sâu ép cọc (Sharp, 1982)……………20
Hình 1.23. Chuyển vị ngang của đất khi ép cọc……………………………………22
Hình 2.1 Áp lực nén đất khi hạ cọc phụ thuộc độ cứng đất….………………………25
Hình 2.2 Mơ tả sự phân bố áp lực mở rộng vùng dẻo quanh cọc ……………………25
Hình 2.3 Sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng .……………………………………29
Hình 2.4 Chuyển vị ngang của đất khi ép cọc theo Cooke và Price (1973) ..………30
Hình 2.5 Mơ hình mơ tả sự mở rộng vùng ảnh hưởng của đất khi hạ cọc……………30
Hình 2.6 Tương quan giữa độ trồi của đất quanh cọc và chiều sâu ép cọc…………31


Hình 2.7 Thể tích đất trồi trên một nhóm cọc.............................................................32
Hình 2.8 Mơ tả mức đất trồi của nhóm cọc khi hạ cọc................................................32
Hình 2.9 Ảnh hưởng của việc bố trí cọc trong nhóm đến sự phân bố đất trồi .............33
Hình 2.10 Ảnh hưởng trồi cọc lân cận khi hạ cọc (Hagerty,1969)..............................34
Hình 2.11 Cơ chế chuyển vị cọc liền kề (Hagerty,1969) ...........................................34
Hình 2.12. Mơ hình tính cọc trồi (Hagerty và Peck, 1971) ….…………………….35
Hình 2.17 Ảnh hưởng của sự gia tăng độ bền cắt vào vị trí cân bằng lực khi cọc trồi.36
Hình 3.1 Dự báo giá trị dịch chuyển ngang lớn nhất khi hạ cọc……………………39
Hình 3.2 Giá trị dịch chuyển ngang tương đối khi hạ cọc (Ux/r)………………….39
Hình 3.3 Dự báo chuyển vị đứng của đất trên mặt đất khi hạ cọc................................41
Hình 3.4 So sánh chuyển vị đứng của đất theo khoảng cách với cọc..........................42
Hình 3.5 Dự báo phạm vi vùng chuyển dịch ngang....................................................41

Hình 3.6. Mơ phỏng q trình ép cọc bằng plaxis 8.5.................................................44
Hình 3.7. Mơ hình biến dạng khi hạ cọc.....................................................................45
Hình 3.8. Chuyển vị đứng tại mặt đất ảnh hưởng do độ sâu hạ cọc.............................46
Hình 3.9. Chuyển vị ngang tại mặt đất ảnh hưởng theo độ sâu hạ cọc........................46
Hình 3.10 Chuyển vị đứng tại mặt đất ảnh hưởng theo khoảng cách tính từ cọc.........47
Hình 3.11 Chuyển vị ngang tại mặt đất ảnh hưởng theo khoảng cách tính từ cọc.......47
Hình 3.12 Khảo sát chuyển vị đứng tại mặt đất ảnh hưởng bởi đường kính cọc.........48
Hình 3.13 Khảo sát chuyển vị ngang tại mặt đất ảnh hưởng bởi đường kính cọc........48
Hình 3.14 Chuyển vị đứng ở mặt đất khi ép cọc ảnh hưởng bởi module đàn hồi E.....49
Hình 3.15 Chuyển vị đứng ở mặt đất khi ép cọc ảnh hưởng bởi hệ số Poisson...........50
Hình 3.16 Chuyển vị đứng ở mặt đất khi ép cọc ảnh hưởng bởi lực dính....................50
Hình 3.17 Chuyển vị ở mặt đất khi ép cọc ảnh hưởng bởi góc ma sát trong................51
Hình 4.1 Lắp mũi khoan trong cọc ống (phương pháp khoan-ép)..............................55
Hình 4.2 Cơng đoạn nối cọc (phương pháp khoan-ép)...............................................55
Hình 4.3 Đất được đưa lên mặt đất trong quá trình khoan-ép………………………56
Hình 4.4 Phối cảnh khối thương mại dịch vụ và nhà xe cao tầng................................57
Hình 4.5 Phối cảnh khối thương mại dịch vụ và văn phịng........................................58
Hình 4.6 Mơ phỏng ép cọc bằng chuyển vị cưỡng bức...............................................60


Hình 4.7 Lưới biến dạng cho giai đoạn đầu ép cọc vào đất......................................61
Hình 4.8 Chuyển vị đứng khi ép cọc bình thường…………………………………62
Hình 4.9 Chuyển vị đứng khi kết hợp khoan-ép.........................................................62
Hình 4.10 So sánh chuyển vị đứng khi kết thúc ép cọc...............................................63
hình 4.11 So sánh chuyển vị ngang trên mặt đất khi kết thúc ép cọc……………….64

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Hệ số áp lực lổ rỗng Af cho các loại đất (Lambe và Whitman)…………27
Bảng 3.1 Giá trị dịch chuyển ngang lớn nhất của đất nền khi hạ cọc ................……38
Bảng 3.2 Chuyển vị đứng Uy khi hạ cọc ở điểm cách cọc 1D……….…………….42

Bảng 3.3 So sánh chuyển vị đứng Uy ở điểm cách cọc 2-15D..................................43
Bảng 3.4 Phạm vi vùng chuyển dịch ngang khi hạ cọc………….………………....40


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Af

:

Hệ số Skempton

c

: Lực dính

c’

: Lực dính trong thí nghiệm thốt nước

D

: Đường kính tiết diện cọc

E

: Mơ đun biến dạng

e

: Tỷ số rỗng

H

: Chiều dầy lớp đất

hs

: Chiều dầy đất trồi

hp

: Chiều dài phần cọc trồi

Gs

: Tỷ trọng hạt

g

: Gia tốc trọng trường.

K0

: Hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh

L

: Chiều dài cọc

nl

: Hệ số tăng, xác định độ bền của cắt theo chiều sâu l.

PI

: Chỉ số dẻo

Pu

: Áp

ro hoặc R

: Bán kính tiết diện cọc

rpl

: Bán kính vùng dẻo tính từ trục cọc

S

: khoảng cách hướng tâm S tính từ cọc

To

: Độ bền cắt ở sát mặt đất

Tl

: Độ bền cắt ở chiều sâu l

lực mở rộng vùng dẻo (khi ép cọc)


Ux

: Chuyển vị theo phương ngang

Uy

: Chuyển vị theo phương đứng

Vp

: Thể tích cọc

Vs

: Thể tích đất

W

: Độ ẩm của đất

X

: Cạnh dài nhóm cọc

Y

: Cạnh ngang nhóm cọc

α và β

: Các hệ số áp lực nước lỗ rỗng (Henkel)

αf

:



: Góc ma sát trong

’

: Góc ma sát trong điều kiện có cố kết- có thốt nước

γunsat

: Trọng lượng riêng tự nhiên của đất

γsat

: Trọng lượng riêng khi bảo hòa của đất

Δσr

: Gia số của ứng suất xuyên tâm

Δσt

: Gia số của ứng suất tiếp tuyến

Δu

: Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

Δum

: Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư lớn nhất



: Hệ số Poisson

σ’vo

: Ứng suất thẳng đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thân đất

τf

: Độ bền cắt của đất

Hệ số áp lực nước lỗ rỗng Henkel (ở thời điểm phá hoại)


1

MỞ ĐẦU

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, khi thi cơng móng cho các cơng trình trong khu
vực đơ thị, giải pháp được các nhà thiết kế và chủ đầu tư thường ưu tiên chọn lựa là
móng trên nền cọc ép bê tơng cốt thép (BTCT) vì một số ưu điểm của nó. Cụ thể là
thi cơng nhanh, giá thành hợp lý, ít gây ảnh hưởng làm sụp lún nhà lân cận do
khơng phải đào móng khá sâu, hoặc giảm thiểu đáng kể độ lún móng khi sử dụng
lâu dài nếu so với việc gia cố móng bằng cừ tràm hay phải đặt móng trên nền đất
thiên nhiên…Đặc biệt, có thể kiểm sốt được chất lượng cọc trước khi ép.
Tuy nhiên, thực tế cho thấy biện pháp thi công ép cọc BTCT cũng có thể gây
ra những ảnh hưởng đáng kể đối với cơng trình kiến trúc lân cận- có thể thấy bằng
mắt thường- như gây chấn động cơng trình liền kề, gây nứt cục bộ các cấu kiện kiến
trúc … Nguyên nhân các sự cố nầy được cho là do sự chuyển dịch của đất nền trong
quá trình hạ cọc, dẫn đến hiện tượng đất trồi, cọc trồi trên mặt đất.
Xét về mặt giá thành, việc lựa chọn giải pháp móng cọc cụ thể cho cơng trình
như là sử dụng cọc khoan nhồi, ép tĩnh cọc theo kiểu thơng thường, ép cọc có khoan
dẫn…có ý nghĩa lớn và là vấn đề đáng quan tâm đối với các nhà đầu tư trong mục
tiêu làm hạ giá thành cơng trình.
Việc nghiên cứu phạm vi chuyển dịch của đất nền xung quanh khi ép cọc và
các kiến nghị về biện pháp khắc phục những ảnh hưởng không mong muốn của việc
thi cơng ép cọc bê tơng đối với cơng trình lân cận là nhằm mục đích góp phần hồn
thiện hơn theo hướng an toàn và tiết kiệm cho phương pháp ép tĩnh cọc, góp phần
tạo cơ sở trong việc lựa chọn loại hình móng cọc cụ thể để xây dựng cơng trình.
Đề tài tập trung nghiên cứu các ảnh hưởng do chuyển dịch đất khi sử dụng
biện pháp ép cọc bê tông đối với nhà xây chen trong đô thị. Áp dụng tính tốn bằng
các phương pháp dự báo khác nhau và đúc kết các kết quả để đưa tới những nhận
định chung. Từ đó, có kiến nghị phù hợp trong thiết kế, thi công, kết hợp với yếu tố
hiệu quả kinh tế trong thực tế xây dựng đối với các cơng trình sử dụng cọc ép hiện
nay .

2

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
+ Nghiên cứu quá trình thay đổi trạng thái ứng suất-biến dạng của đất nền, xác
định cơ chế chuyển vị đất nền khi thi công cọc ép bê tông.
+ Xây dựng được phương pháp dự báo vùng ảnh hưởng của việc thi công ép
cọc gây ra cho khu vực lân cận trong khu dân cư đô thị.
+ Đề xuất biện pháp giảm thiểu những ảnh hưởng bất lợi do việc thi công ép
cọc đối với khu vực lân cận .
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
+ Tổng hợp và phân tích cơ sở lý thuyết đã có về khả năng nén chặt của đất
trong q trình thi cơng ép cọc, sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và trạng thái ứng
suất-biến dạng khi thi công.
+ Dùng phương pháp giải tích dự báo khả năng chuyển dịch của đất nền khi hạ
cọc bằng phương pháp ép tĩnh. Thông qua ứng xử của đất nền khi ép cọc, đánh giá
tác động gây ảnh hưởng đến sự ổn định của đất nền trong khu vực.
+ Sử dụng cơng cụ tính tốn (phần mềm Plaxis 8.5) để mơ phỏng q trình
ứng xử của đất khi ép cọc BTCT (mơ hình đất đàn hồi dẻo Mohr-Coulomb).
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài thực hiện nhằm làm rõ hơn những ứng xử của nền đất khi ép cọc. Qua
đó, phân tích những tác động đến cơng trình lân cận và góp phần xác định biện pháp
thi công phù hợp cho loại hình móng cọc ép tĩnh đang được sử dụng phổ biến hiện
nay.
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài tập trung nghiên cứu về chuyển dịch của đất nền trong quá trình cọc
đơn được hạ vào đất bằng phương pháp ép tĩnh. Qua đó, đề xuất biện pháp thi cơng
ép cọc phù hợp cho loại hình cơng trình nhà xây chen trong khu dân cư đô thị tại
thành phố Hồ Chí Minh.

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CHUYỂN DỊCH
CỦA ĐẤT NỀN TRONG QUÁ TRÌNH ÉP CỌC
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Giới thiệu sơ lược về phương pháp ép tĩnh cọc
Khi xây dựng cơng trình cao tầng trong đơ thị, từ điều kiện phải xây chen với
các cơng trình có sẵn xung quanh, giải pháp móng thường dùng trước đây là móng
cọc khoan nhồi. Tuy nhiên, giải pháp cọc khoan nhồi cho thấy nhiều nhược điểm
khi sử dụng như: giá thành cao, khó quản lý được chất lượng của từng cọc nhồi.
Ngay trong việc thử tải cho cọc nhồi, vì lý do quá tốn kém, thường chỉ được tiến
hành kiểm tra theo tỉ lệ vài phần trăm. Theo Tạp chí Sài Gòn Đầu Tư Xây Dựng
6/1998 “Thử tĩnh một vài cọc nhồi trong cơng trình là khá nguy hiểm, vì số cọc cịn
lại có thể là ẩn họa”[1].
Vì vậy, giải pháp thay thế cho móng cơng trình hiện nay là ép tĩnh cọc. Cùng
với sự phát triển rất nhanh trong lĩnh vực sản xuất cọc bê tông cường độ cao,
phương pháp ép tĩnh cọc là lời giải hợp lý vì có giá thành thấp hơn rất nhiều so với
cọc nhồi, chất lượng từng cọc được kiểm soát và khả năng chịu lực được nâng cao
(nếu so sánh về giá trị vật liệu làm cọc giữa cọc đúc sẵn và cọc nhồi).
Phương pháp ép tĩnh cọc là sử dụng tải trọng (thông qua dàn ép thông thường
hoặc Robot) để ép dần cọc xuống nền đất. Lớp đất bên dưới bị dịch chuyển do có sự
chiếm chỗ của cọc trong đất và có thể gây ra ảnh hưởng nhất định đến khu vực lân
cận.
Trong phạm vi luận văn nầy, tác giả xin đề cập đến những chuyển dịch đất nền
khi ép cọc, làm rõ phạm vi ảnh hưởng trong khu vực. Từ đó, đề ra biện pháp góp
phần hồn thiện hơn phương pháp ép tĩnh cọc bê tông cốt thép (BTCT) – phương
pháp đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
1.1.2 Một số phương pháp hạ cọc đang sử dụng tại TP Hồ Chí Minh
Những hình ảnh dưới đây minh họa cho một số phương pháp hạ cọc đang
được sử dụng trong thực tế. Tùy thuộc vào cấp tải trọng cơng trình, đặc điểm địa

4

chất cụ thể, điều kiện về diện tích cơng trường và kinh phí đầu tư. Một trong số các
phương pháp hạ cọc có thể được lựa chọn.

Hình 1.1 Phương pháp ép tĩnh cọc thông thường-sử dụng đối trọng là các khối
bê tơng (hoặc sắt). Phù hợp cho cơng trình có diện tích rộng.

Hình 1.2 Phương pháp ép neo-sử dụng đối trọng bằng cách khoan neo xuống
đất. Phù hợp cho nhà dưới 3 tầng, diện tích chật hẹp.


5

Hình 1.3 Phương pháp ép cọc bằng robot tự hành-sử dụng đối trọng là các
khối sắt và trọng lượng bản thân.

Hình 1.4 Phương pháp cọc khoan nhồi- Sử dụng khi có u cầu cọc có đường
kính lớn, chiều dài sâu.


6

Hình 1.5 Phương pháp ép cọc-khoan trong (Nakabory), sử dụng cọc ly tâm
cường độ cao. Phù hợp cho nhà cao tầng

Hình 1.6 Cơng đoạn nối cọc trong phương pháp ép cọc Nakabory. Đoạn cọc
phía trên có thể được ép thuần túy hoặc khoan-ép.

7

1.2 Tổng hợp các nghiên cứu về chuyển dịch đất khi ép cọc
Q trình hạ cọc bê tơng xuống nền đất gây xáo trộn và thay đổi trạng thái ứng
suất – biến dạng của đất xung quanh và dưới mũi cọc được thể hiện như hình 1.7 [2]

Hình 1.7 Mơ hình cọc và nền
Việc ép cọc làm xáo trộn đất xung quanh cọc. Khi cọc được ép vào lớp đất nền
bên dưới thì sẽ xảy ra những ứng xử khác nhau tùy thuộc vào độ lớn cọc, độ sâu hạ
cọc và khác biệt về đặc trưng cơ lý theo từng loại đất.
1.2.1 Khi hạ cọc vào lớp đất sét [3]
De Mello (1969) đã liệt kê 4 loại ảnh hưởng chính khi hạ cọc vào đất là:
-Làm thay đổi cấu trúc đất xung quanh cọc
-Làm biến đổi trạng thái ứng suất trong đất ở vùng lân cận cọc
-Làm tăng áp lực lỗ rỗng xung quanh cọc
-Hiện tượng biến đổi độ bền Theo thời gian trong đất
Trước hết, xét cọc ép vào tầng đất sét bảo hòa nước. Khi ép cọc xuống thì
một lượng thể tích đất bị dịch chuyển, thể tích khối đất nầy bằng với thể tích của
cọc đã chiếm chỗ. Có thể nói hoạt động ép cọc gây ra những thay đỗi về biến dạng
trong đất sét. Đất có thể bị đẩy từ vị trí ban đều BCDE sang ngang với vị trí


8

B’C’D’E’ (hình1.8). Do đất sét bảo hịa nước có tính thấm bé, đất bị dịch chuyển và
nén ép có thể trồi lên mặt đất.

Hình 1.8 Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do ép cọc

Trên hình 1.9, cọc có bán kính oa được ép sâu vào trong tầng đất sét, sự thay
đổi của độ bền cắt dọc theo chiều dài cọc và khoảng cách theo phương ngang đến
cọc được cho trên hình obcd, trong đó o là góc toa độ. Đường A biểu diễn độ bền
cắt trước khi ép cọc và cũng là độ bền của đất sét khi còn nguyên dạng. Ngay sau
khi ép cọc, độ bền cắt biểu thị bằng đường B. Trước khi ép cọc đất ở điểm a, thì sau
khi ép đã dịch chuyển tới điểm o, cịn gốc o thì dịch chuyển đến điểm f. Độ bền cắt
bị giảm đi [3].

Hình 1.9 Độ bền cắt trong đất sét bão hòa nước trước và sau khi ép cọc


9

Đất ở điểm o đã dịch chuyển và do đó phần lớn áp lực giữa các hạt bị biến
mất. Tổng cộng áp lực chất tải trước bao gồm áp lực giữa các hạt cộng với áp lực
nước lỗ rỗng là khơng thay đổi. Do đó, phần mất đi giữa các hạt đã được chuyển
thành áp lực nước lỗ rỗng. Vì chỉ có lớp đất cách cọc rất gần mới bị xáo trộn nên áp
lực lỗ rỗng tăng lên. Hơn nữa, áp lực ngang bên cạnh cọc tăng do chuyển vị hướng
ra ngoài của đất khi ép cọc. Gradient do áp lực dư này lập tức gây ra thấm và bắt
đầu q trình cố kết. Vì dịng chảy xảy ra từ điểm có áp lực cao đến điểm có áp lực
thấp, do đó hướng của dịng chảy là từ cọc và theo phương đường kính cọc. Trong
thời gian cố kết, các hạt đất chuyển dịch hướng vào phía cọc vì nước chảy hướng ra.
Như vậy đất trong phạm vi gần mặt cọc giảm hệ số rỗng còn đất ở xa bị dãn nở ra
một ít. Do đó, sau khi hạ cọc đất tạo nên ma sát bên với tốc độ khá nhanh. Điều này
thể hiện trong thí nghiệm nén lại (Taylor, 1948). Trên hình 1.9, oh biểu hiện ma sát
bên khi nén lại, còn đường C biểu diễn độ bền phụ thuộc khoảng cách tính từ cọc.
Nếu như đường C biểu diễn độ bền xảy ra sau một ngày hoặc ngay sau khi ép cọc,
thì đường D là độ bền một vài tuần sau khi ép cọc. Vì đất ở xa cọc hơi bị nở ra trong
khi cố kết nên đường độ bền C và D có thể ở dưới đường B một khoảng nhỏ. Nếu
cọc nhẵn thì sức kháng ma sát trên bề mặt có thể nhỏ hơn so với độ bền cắt trong

đất sét ở lân cận cọc. Trong trường hợp này, ma sát bên được biểu diễn bằng các
điểm h’ và j’ thay cho điểm h và điểm j.
Nếu thí nghiệm thử tải tiến hành trên cọc nầy sau khi hạ cọc được một vài tuần
thì ma sát bên được biểu diễn giản lược bằng oj. Mặt khác, nếu cọc được kéo lên
trong thời gian nầy thì một khối lượng đất đáng kể có thể bám vào cọc và lên cùng
với cọc. Điều này giải thích độ bền tương đối: với điều kiện khơng đồng nhất, thì
mặt phá hoại sẽ khơng đi qua od có chu vi nhỏ nhất, cũng khơng đi qua mặt có độ
bền nhỏ nhất, mà lại xảy ra ở khu lân cận cọc, nơi có tích số của độ bền và chu vi là
nhỏ nhất, ví dụ là điểm k trong hình 1.9 (Taylor. 1948).
Trong q trình ép cọc, đất bão hịa nước khơng có khả năng chịu nén khi gia
tải nhanh (như khi ép cọc). Do vậy, trong khi cọc càng đi xuống lớp đất dưới, cột
đất phải chuyển động lên phía trên mặt đất bởi vì trong nền đất khơng cịn chỗ nào


10

thuận lợi để cho đất loại này dồn đến cả. De Mello (1969) đã giả thiết rằng ngay sau
khi ép cọc, lượng đất bị xáo trộn đã giảm từ 100% tại mặt tiếp giáp giữa cọc – đất
tới 0% ở khoảng cách từ 1,5 đến 2 lần đường kính cọc tính từ thân cọc. Orrje và
Broms (1967) đã chứng minh rằng, với cọc bê tông hạ trong đất sét nhạy, chỉ sau 10
tháng thì độ bền khơng thốt nước hồn tồn có thể trở lại giá trị ban đầu.
Soderberg (1962) cũng chỉ ra rằng việc tăng khả năng chịu tải cực hạn của đất (và
do đó tăng độ bền cắt) tương đương với tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư
Theo thời gian (hình 1.10).

Hình 1.10 Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962)
1.2.2 Khi hạ cọc vào lớp đất rời [2] [3]
Theo Meyerhof (1959), Robinsky và Morrison (1964), các kết quả thí nghiệm
xuyên cát trước và sau khi hạ cọc cho thấy quá trình hạ cọc đã làm tăng độ chặt của
cát trong phạm vi khoảng 8 lần đường kính cọc tính từ tâm cọc. Mật độ hạt cát tăng

kéo theo góc ma sát cũng tăng. Việc hạ cọc vào nền làm đất dịch chuyển theo
phương ngang và do đó làm tăng ứng suất theo phương ngang tác dụng vào cọc [3].
Khi cọc được hạ vào trong đất rời, đất thường bị nén chặt bởi chuyển vị và
chấn động trong quá trình hạ cọc, kết quả là đất bị phá vỡ và phục hồi lại cấu trúc
sau một khoảng thời gian. Do đó, trong cát chặt, cọc càng được ép, tải trọng ép cọc