Phân tích đánh giá khả năng lệch tâm cọc ép do thi công

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------

NGUYỄN ĐƠNG PHƯƠNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG
LỆCH TÂM CỌC ÉP DO THI CÔNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM
Mã số ngành: 60.58.02.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016


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 : PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 : .....................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : .....................................................................................................................

..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .........................................................................
2. .........................................................................
3. .........................................................................
4. .........................................................................
5. .........................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
QL CHUYÊN NGÀNH

PGS TS. NGUYỄN MINH TÂM


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên

: NGUYỄN ĐÔNG PHƯƠNG

MSHV : 13090093

Ngày, tháng, năm sinh : 04/11/1975
Chuyên ngành

Nơi sinh : Tây Ninh

: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Ngầm

Mã số

: 60.58.02.04

I. TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LỆCH TÂM CỌC ÉP DO THI CÔNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ:
− Tổng hợp phân tích cơ sở lý thuyết về khả năng nén chặt của đất xung quanh cọc trong
q trình thi cơng.
− Sử dụng phần mềm Plaxis để mơ phỏng q trình thi công ép cọc, cũng như sự thay đổi
trạng thái ứng suất- biến dạng của đất xung quanh cọc ở các thời điểm khác nhau.
Nội dung:
Mô phỏng đánh giá chuyển vị ngang của cọc lân cận do thi công ép cọc
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 06 / 07 /2015

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: 17 / 06 /2016

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Tp. HCM, ngày

tháng 06 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA
QL CHUYÊN NGÀNH

PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

PGS TS. LÊ BÁ VINH

PGS TS. NGUYỄN MINH TÂM


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này hoàn thành đã ghi dấu sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các

thầy cô, các anh chị em, gia đình và bạn bè. Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin bày tỏ
lời cảm ơn chân thành tới:
Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Bộ môn
Địa cơ Nền móng - Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong q trình học tập và hồn thành luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ mơn Địa cơ Nền móng Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM đã tận tình truyền đạt cho tơi những
kiến thức quý báu trong thời gian tôi học tập tại trường để phục vụ cho luận văn và
công việc của tôi sau này.
PGS TS. Bùi Trường Sơn, người thầy kính mến đã hết lịng giúp đỡ, tận tình
hướng dẫn, dạy bảo tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp, đã động viên, chia sẻ những
khó khăn trong cơng việc và hỗ trợ tơi trong quá trình học tập.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và người thân, đã cho tơi nguồn động viên tinh
thần to lớn để hoàn thành luận văn này.
Luận văn được hồn thành nhưng khơng thể tránh được những thiếu sót và hạn
chế. Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để
luận văn được hồn thiện và có ý nghĩa thực tiễn.
Trân trọng cảm ơn./.
Tp.HCM, ngày 14 tháng 06 năm 2016
Học viên

Nguyễn Đông Phương


PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LỆCH TÂM CỌC ÉP DO THI CÔNG
ANALYSIS OF THE POSSIBILITY ECCENTRIC OF PILES BY PILE
CONSTRUCTION
TĨM TẮT
Khi thi cơng ép cọc vào đất, đất nền xung quanh cọc xáo trộn và chuyển vị.
Do sự chuyển vị của đất do thi công cọc kế cận, phần bên trên của cọc trong đất yếu

bị xô đẩy và chuyển vị sang ngang. Đầu cọc có thể bị chuyển vị ngang đáng kể do
thi công ép cọc kế cận trong nền đất yếu. Giá trị chuyển vị ngang theo kết quả mơ
phỏng theo sơ đồ bài tốn phẳng có thể đạt đến 0,5m và xấp xỉ giá trị đo đạc thực tế.
ABSTRACT
When construction piles on the soil, the pile surrounding ground
disturbance and displacement. Due to the displacement of soil adjacent piles due to
construction, the upper part of the pile in the soft soil and pushed sideways
displacement. Top of the pile can be substantially horizontal displacement by
construction adjacent pile in soft ground. Value horizontal displacement as a result
of simulation plan tran plane can reach approximately 0.5m and the actual
measurement values.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là đề tài nghiên cứu thực sự của tác giả, được
thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Bùi Trường Sơn.
Tất cả số liệu, kết quả tính tốn, phân tích trong luận văn là hồn tồn trung
thực. Tơi cam đoan chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình.
Tp.HCM, ngày 14 tháng 6 năm 2016
Học Viên

Nguyễn Đơng Phương


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1 Mơ hình cọc và nền ...................................................................................... 3
Hình 1.2 Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do đóng cọc ............................... 4
Hình 1.3 Độ bền cắt trong đất sét bão hòa nước trước và sau khi đóng cọc............... 5
Hình 1.4 Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962) .............. 7
Hình 1.5 Tóm tắt một số kết quả đo áp lực lỗ rỗng (theo Poulos và Davis 1979) ...... 8

Hình 1.6 Lý thuyết phân tán cho tốc độ cố kết đất gần cọc ....................................... 9
Hình 1.7 So sánh biểu đồ thực nghiệm với lý thuyết về sự tăng tốc độ dính chặt .... 10
Hình 1.8 Chuyển vị xung quanh cọc khi cọc hạ vào trong lớp cát ........................... 12
Hình 1.9 Biến dạng xung quanh cọc khi cọc hạ vào lớp cát ..................................... 12
Hình 1.10 Sự nén chặt của cát xung quanh cọc theo kết quả quan trắc và tính tốn lý
thuyết ........................................................................................................................ 13
Hình 1.11 Ảnh hưởng của việc đóng cọc lên giá trị góc ma sát trong của đất theo
Kishida, 1967 ............................................................................................................ 14
Hình 1.12 Mơ tả sự phân bố áp lực mở rộng vùng dẻo quanh cọc ........................... 15
Hình 1.13 Sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng ..................................................... 19
Hình 1.14 Chuyển vị ngang của đất khi ép cọc ........................................................ 20
Hình 1.15 Đất trồi trên mặt đất khi hạ cọc (Hagerty,1969) ...................................... 20
Hình 1.16 Tương quan giữa độ trồi của đất quanh cọc và chiều sâu ép cọc ............ 21
Hình 1.17 Thể tích đất trồi trên một nhóm cọc ......................................................... 22
Hình 1.18 Mơ tả mức đất trồi của nhóm cọc khi hạ cọc ........................................... 22
Hình 1.19 Ảnh hưởng của việc bố trí cọc trong nhóm đến sự phân bố đất trồi ........ 23
Hình 1.20 Ảnh hưởng trồi cọc lân cận khi hạ cọc (Hagerty,1969) .......................... 24
Hình 1.21 Cơ chế chuyển vị cọc liền kề (Hagerty,1969) ......................................... 24
Hình 1.22 Mơ hình tính cọc trồi (Hagerty và Peck, 1971) ...................................... 25
Hình 1.23 Ảnh hưởng của sự gia tăng độ bền cắt vào vị trí cân bằng lực khi cọc trồi
(ứng với trọng lượng riêng đất 16,5kN/m3) ............................................................. 26
Hình 2.1 Biểu đồ quan hệ áp lực nước lỗ rỗng xung quanh cọc trong đất xét theo
thời gian (ngày đêm) sau khi đóng cọc. ................................................................... 28


Hình 2.2 Sơ đồ tính tốn về sự hình thành trạng thái ứng suất - biến dạng của đất
xung quanh cọc sau khi thi cơng ............................................................................... 29
Hình 2.3 Sơ đồ tính tốn xác định trạng thái ứng suất- biến dạng ............................ 30
Hình 2.4 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng, tổng ứng suất, ứng suất hữu hiệu ở móng gồm
9 cọc sau 2 giờ sau khi đóng (a) và ở nhóm 9 cọc trong phạm vi giữa các cọc (b)

theo thời gian ............................................................................................................. 39
Hình 2.5 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng ở tâm nhóm 4 cọc trước khi đóng (1) sau khi
đóng (2) và sau 60 ngày (3)....................................................................................... 41
Hình 2.6 Sự thay đổi tổng ứng suất (1), áp lực lỗ rỗng (2) và ứng suất hữu hiệu (3) ở
biên móng từ nhóm 4 cọc .......................................................................................... 41
Hình 2.7 Sự phân bố ứng suất dọc theo thân cọc trong quá trình hạ cọc ở một dãy
móng cọc (a) và sau khi hạ cọc (b) ( h – độ sâu hạ cọc ) .......................................... 42
Hình 2.8 Sơ đồ vùng nén chặt do thi cơng cọc ......................................................... 44
Hình 3.1 Mặt cắt địa chất cơng trình ......................................................................... 51
Hình 3.2 Mặt bằng móng cơng trình Dự án Nhà Cao Tầng S5-2, Khu Nam Sài Gòn,
Quận 7 ....................................................................................................................... 54
Hình 3.3 Mặt bằng nghiệm thu vị trí cọc và giá trị chuyển vị đo đạc....................... 55
Hình 3.4 Mặt bằng nghiệm thu vị trí cọc và giá trị chuyển vị đo đạc từ trục 4 đến
trục 7 của Dự án Nhà Cao Tầng S5-2, Khu Nam Sài Gòn, Quận 7 .......................... 56
Hình 3.5 Tổng chuyển vị sau khi hạ cọc đơn ............................................................ 58
Hình 3.6 Tổng chuyển vị ở khu vực giữa lớp đất yếu và lớp sét tốt sau khi hạ cọc
đơn ............................................................................................................................. 58
Hình 3.7 Tổng chuyển vị ở khu vực gần mũi cọc sau khi hạ cọc đơn ...................... 60
Hình 3.8 Chuyển vị ngang của đất sau khi hạ cọc đơn ............................................. 61
Hình 3.9 Ứng suất tiếp tương đối trong đất sau khi hạ cọc đơn ............................... 62
Hình 3.10 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất sau khi hạ cọc đơn ................... 63
Hình 3.11 Sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất sau khi hạ cọc đơn .. 64
Hình 3.12 Tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm B cách thân
cọc 1d trong sét mềm và tại điểm D cách thân cọc 1,5d trong sét cứng sau khi hạ
cọc đơn ...................................................................................................................... 65


Hình 3.13 Ứng suất tiếp tương đối trong đất sau khi tiêu tán hoàn toàn áp lực nước
lỗ rỗng thặng dư sau khi hạ cọc đơn ......................................................................... 66
Hình 3.14 Tổng chuyển vị sau khi hạ cọc kế cận cọc đã hạ trước đó ....................... 68

Hình 3.15 Tổng chuyển vị ở khu vực gần đầu cọc sau khi hạ cọc kế cận cọc đã hạ
trước đó ..................................................................................................................... 68
Hình 3.16 Tổng chuyển vị ở khu vực gần mũi cọc sau khi hạ cọc kế cận cọc đã hạ
trước đó ..................................................................................................................... 69
Hình 3.17 Chuyển vị ngang sau khi hạ cọc kế cận cọc đã hạ trước đó..................... 69
Hình 3.18 Chi tiết chuyển vị ngang sau khu vực gần đầu cọc khi hạ cọc kế cận cọc
đã hạ trước đó ............................................................................................................ 70
Hình 3.19 Chi tiết chuyển vị ngang sau khu vực gần đầu cọc khi hạ cọc kế cận cọc
đã hạ trước đó theo sơ đồ bài tốn phẳng.................................................................. 71
Hình 3.20 Tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm A cách thân
cọc 0,5d trong sét mềm và tại điểm C cách thân cọc 0,5d trong sét cứng ở khu vực
giữa hai cọc ............................................................................................................... 72
Hình 3.21 Ứng suất tiếp tương đối sau khi hạ cọc kế cận cọc đã hạ trước đó .......... 72

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Hệ số áp lực nước lỗ rỗng A f cho các loại đất (Lambe và Whitman) ....... 17
Bảng 2.1 Giá trị e 1min & e 1 ........................................................................................ 46
Bảng 2.2 Giá trị I & L .............................................................................................. 46

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ học của các lớp đất sử dụng để mô phỏngError! Bookmark not defin
Bảng 3.2 Các thông số của cọc BTCT 400x400 ....................................................... 53


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 1
Mục đích của đề tài .................................................................................................. 1
Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2
CHƢƠNG 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƢỞNG CỦA VIỆC
THI CÔNG CỌC......................................................................................................... 3

1.1 Ảnh hƣởng của việc hạ cọc vào lớp đất dính..................................................... 3
1.2 Ảnh hƣởng của việc hạ cọc vào lớp đất rời ..................................................... 11
1.3 Sự phân bố áp lực của đất theo khoảng cách khi hạ cọc ................................. 14
1.4 Chuyển dịch của đất nền khi ép cọc ................................................................ 19
1.4.1 Chuyển dịch đất nền khi ép cọc đơn ........................................................19
1.4.2 Chuyển dịch đất nền khi ép nhóm cọc .....................................................22
1.4.3 Ảnh hƣởng của chuyển dịch đất nền đối với cọc lân cận ..........................24
1.5 Nhận xét chƣơng .............................................................................................. 26
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA
ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỌC TRONG VÀ SAU KHI THI CÔNG ................. 28
2.1 Đặc điểm trạng thái ứng suất - biến dạng của đất do thi công cọc .................. 28
2.2 Trạng thái ứng suất - biến dạng ban đầu xung quanh cọc ............................... 29
2.3 Sự thay đổi áp lực nƣớc lỗ rỗng trong môi trƣờng đất sau khi hạ cọc ............ 37
2.4 Phƣơng pháp tính tốn vùng nén chặt của đất xung quanh cọc....................... 43
2.5 Nhận xét chƣơng 2 ........................................................................................... 47
CHƢƠNG 3. PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG LỆCH TÂM CỌC ÉP TRONG Q
TRÌNH THI CƠNG ÉP CỌC .................................................................................... 49


3.1 Điều kiện địa chất cơng trình khu vực xây dựng và chuyển vị đầu cọc sau khi
ép cọc ..................................................................................................................... 49
3.2 Mô phỏng đánh giá phạm vi ảnh hƣởng và ứng xử của đất trong q trình thi
cơng ép cọc ............................................................................................................ 57
3.3 Ảnh hƣởng đến cọc lân cận do quá trình hạ cọc .............................................. 66
3.4. Kết luận chƣơng .............................................................................................. 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 74
KẾT LUẬN............................................................................................................ 74
KIẾN NGHỊ ........................................................................................................... 74
T I LIỆU TH M HẢO ......................................................................................... 76

-1-

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Móng cọc là loại móng phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong xây dựng các
cơng trình có tải trọng vừa và lớn. Ở Việt Nam, việc sử dụng biện pháp móng cọc
cho các cơng trình có tải trọng từ vừa trở lên rất phổ biến, đặc biệt với những khu
vực có cấu tạo địa chất phức tạp nhƣ khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và khu vực
lân cận.
Do đất yếu khu vực có hệ số thấm bé và ở trạng thái bão hòa nƣớc nên khi hạ
cọc trong khoảng thời gian ngắn bằng phƣơng pháp đóng hay ép, hiện tƣợng nén
chặt khó có thể xảy ra và đất xung quanh bị dịch chuyển. Điều này có thể ảnh
hƣởng tới các cọc lân cận. Ngoài ra, do khả năng chịu tải kém của đất yếu khu vực
gần bề mặt nên cọc có thể bị chuyển vị và lệch tâm, điều này cũng đƣợc ghi nhận
trong nhiều cơng trình thực tế.
Đề tài luận văn “Phân tích đánh giá khả năng lệch tâm cọc ép do thi công”
đặt ra nhằm đánh khả năng lệch tâm cọc ở các khu vực có lớp đất yếu có bề dày lớn
và tiết diện cọc hạn chế. Kết quả quả phân tích cho phép rút ra các nhận định có ích
về việc đánh giá khả năng lệch tâm cọc do ép cọc trong phạm vi lân cận trong điều
kiện đất yếu và phạm vi mặt bằng thi công chật hẹp.
Theo một số khuyến cáo, khoảng cách cọc thƣờng đƣợc chọn lựa là 3d, ở đây:
d–đƣờng kính cọc. Tuy nhiên, một số kết quả nghiên cứu đã có cho thấy phạm vi
vùng nền có thể lớn hơn tùy thuộc vào loại đất, độ bão hòa và một số yếu tố khác.
Đối với khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và lân cận, đất nền chủ yếu ở trạng thái
bão hòa nên phạm vi ảnh hƣởng trong mơi trƣờng đất có thể lớn hơn và gây chuyển
vị các cọc lân cận.
Mục đích của đề tài
Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong môi
trƣờng đất xung quanh và dƣới mũi cọc do q trình ép cọc. Ngồi ra, phân tích

-2-

đánh giá khả năng chuyển vị ngang của cọc lân cận do ảnh hƣởng của việc hạ cọc.
Việc phân tích còn đề cập đến yếu tố thời gian do hiện tƣợng cố kết và ảnh hƣởng
của thời gian cho cọc nghỉ đến thời gian thi công cọc kế cận.
Khi ép cọc, đất nền bị nén ép thể tích một phần so với thể tích của cọc chiếm
chỗ. Do đó, thể tích đất cịn lại phần lớn sẽ dịch chuyển gây trồi đất và theo phƣơng
ngang tạo thành vùng ảnh hƣởng. Nếu vùng ảnh hƣởng này rộng hơn khoảng cách
giữa các cọc sẽ gây các hiện tƣợng chuyển vị ngang của cọc và lệch tâm cọc trong
nhóm.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc lựa chọn ở đây bao gồm:
- Tổng hợp phân tích cơ sở lý thuyết về khả năng nén chặt của đất xung
quanh cọc trong quá trình thi công; sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của
đất xung quanh cọc do thi công hạ cọc.
- Sử dụng phần mềm Plaxis để mơ phỏng q trình thi công ép cọc cũng nhƣ
sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất xung quanh cọc ở các thời điểm
khác nhau.
- Mô phỏng đánh giá trạng thái của đất nền xung quanh cọc và ảnh hƣởng lên
cọc khu vực lân cận.
- Cũng cần nói thêm rằng việc mô phỏng chƣa xét tới tải trọng của các thiết
bị thi công cũng nhƣ khả năng cọc bị lệch tâm do q trình khai đào hố móng.
Ngồi ra, do xét đến quá trình cố kết và hạn chế của phần mềm nên việc mơ phỏng
trên cơ sở bài tốn 2D. Đây cũng là các hạn chế của đề tài. Các vấn đề này cũng
đƣợc mơ phỏng trƣớc đó trong các luận văn đã có.


-3-

CHƢƠNG 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƢỞNG CỦA
VIỆC THI CƠNG CỌC
Khi xây dựng cơng trình trên nền đất có địa chất phức tạp, giải pháp móng
thƣờng dùng là móng cọc. Cọc thƣờng đƣợc hạ bằng phƣơng pháp đóng hay ép,
việc hạ cọc nhƣ trên gây xáo trộn và thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất
xung quanh và dƣới mũi cọc đƣợc thể hiện nhƣ thí nghiệm ở hình 1.1

Hình 1.1 Mơ hình cọc và nền
Ảnh hƣởng của việc đóng, ép cọc chính là làm xáo trộn đất xung quanh cọc.
Khi cọc đƣợc đóng, ép vào lớp đất nền bên dƣới trong đất sét hoặc cát thì sẽ xảy ra
những ứng xử khác nhau do sự khác biệt về đặc trƣng cơ lý, đặc biệt là hệ số thấm.
1.1 Ảnh hƣởng của việc hạ cọc vào lớp đất dính
Đặc điểm khác nhau quan trọng giữa hoạt động của cọc dƣới tác dụng của tải
trọng động và tải trọng tĩnh rõ rệt là yếu tố thời gian, do đó sự khác biệt lớn nhất
trong ứng xử ứng suất - biến dạng của đất xung quanh cọc là trong điều kiện hoạt
động động và hoạt động tĩnh của cọc. Các ảnh hƣởng này có thể mô tả kiểu cơ học
nhƣ sau.


-4-

Xét cọc đóng, ép vào tầng trầm tích sâu là lớp đất sét bão hịa nƣớc có tính
thấm nƣớc kém, khi cọc hạ xuống thì thể tích khối đất bị dịch chuyển gần bằng với
thể tích của cọc. Do đó, hoạt động đóng cọc có thể gây ra những thay đổi về biến
dạng trong đất sét (hình 1.2)

Hình 1.2 Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do đóng cọc
Đất có thể bị đẩy từ vị trí ban đầu BCDE sang ngang tới vị trí B’C’D’E’
(hình 1.2) hoặc từ FGHJ tới F’G’H’J’. Trong khi đóng cọc, đất sét bị mất một phần

độ bền do đất bị xáo trộn nhƣng lại xuất hiện một lƣợng tƣơng đối nhỏ ma sát bên
[9].
Cọc đƣợc đóng, ép vào trong đất sét bão hịa nƣớc trong khoảng thời gian
ngắn nên mặt đất có thể bị trồi lên do khối lƣợng đất bị dịch chuyển và nén ép một
phần thể tích.


-5-

Hình 1.3 Độ bền cắt trong đất sét bão hịa nước trước và sau khi đóng cọc
Trên hình 1.3, cọc có bán kính oa đƣợc đóng sâu vào trong tầng đất sét, sự
thay đổi của độ bền cắt dọc theo chiều dài cọc và khoảng cách theo phƣơng ngang
đến cọc đƣợc cho trên hình obcd, trong đó o là gốc tọa độ.
Đƣờng A biểu diễn độ bền cắt trƣớc khi đóng cọc và cũng là biểu diễn độ
bền của đất sét khi đất còn nguyên dạng (độ bền ngắn hạn). Độ bền tại điểm b nào
đó cách o một khoảng là đƣờng bc.
Ngay sau khi đóng cọc, bộ bền cắt biểu thị bằng đƣờng B. Trƣớc khi đóng
cọc đất ở điểm a, thì sau khi đóng đã dịch chuyển đến điểm o, còn điểm gốc o đã
dịch chuyển đến điểm f. Bây giờ ma sát bên là oe, đó cũng là độ bền cắt bị giảm đi
và cũng chỉ ra một phần nhỏ của độ bền ban đầu od.
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 trƣớc bao gồm áp lực giữa các hạt cộng với áp lực
nƣớc lỗ rỗng là không thay đổi. Do đó, phần mất đi của áp lực giữa các hạt đã đƣợc
chuyển thành áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣới dạng áp lực thặng dƣ. Nhƣ vậy có áp lực
nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ lớn trong đất cạnh cọc ngay sau khi đóng cọc. Vì chỉ có lớp
đất cách cọc rất gần mới bị xáo trộn nên áp lực lỗ rỗng tăng lên rất ít. Hơn nữa, áp
lực ngang bên cạnh cọc tăng do chuyển vị hƣớng ra ngoài của đất khi đóng cọc. Áp
lực dƣ này tạo ra lập tức gây ra thấm và bắt đầu quá trình cố kết. Vì dịng chảy

-6-

thƣờng xuyên xảy ra từ điểm có áp lực cao tới điểm có áp lực thấp, do đó hƣớng của
dịng chảy là từ cọc và theo phƣơng bán kính cọc. Tuy nhiên cũng có thể có hƣớng
dịng chảy hƣớng lên trên. Trong thời gian cố kết, các hạt đất chuyển dịch theo
phƣơng đƣờng kính và hƣớng vào phía cọc vì nƣớc chảy hƣớng ra. Nhƣ vậy đất
trong phạm vi gần mặt cọc có hệ số rỗng giảm, cịn đất ở xa lại bị giãn nở ra một ít.
Do đó, sau khi đóng cọc, đất tạo nên ma sát bên với tốc độ khá nhanh. Điều này thể
hiện rõ ràng trong việc thí nghiệm nén lại (Taylor, 1948). Trên hình 1.3, oh biểu
hiện ma sát bên khi nén lại, còn đƣờng C biểu thị độ bền phụ thuộc khoảng cách
tính từ cọc. Nếu nhƣ đƣờng C biểu diễn độ bền xảy ra sau một ngày hay sau khi
đóng cọc, thì đƣờng D có thể là độ bền một vài tuần sau khi đóng cọc. Vì đất ở xa
cọc hơi bị nở ra trong khi cố kết nên đƣờng độ bền B và D có thể là dƣới đƣờng B
một khoảng nhỏ trong vùng này. Nếu cọc nhẵn thì sức kháng ma sát trên bề mặt có
thể nhỏ hơn so với độ bền cắt trong đất sét cách mặt cọc không xa. Trong trƣờng
hợp này, ma sát bên đƣợc biểu diễn bằng các điểm h’ và j’ thay cho điểm h và điểm
j.
Nếu thí nghiệm thử tải tiến hành trên cọc này sau khi đóng đƣợc một vài tuần
thì ma sát bên đƣợc biểu diễn giản lƣợc bằng oj. Còn nếu sau khi đóng một vài tuần,
cọc đƣợc kéo lên thì một khối lƣợng đất khá lớn có thể bám vào cọc và lên cùng với
cọc. Điều này giải thích độ bền tƣơng 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 cạnh bán kính có tích của độ bền và chu vi là nhỏ nhất, có
thể là ở điểm k (Taylor. 1948).
Trong q trình đóng, ép cọc, lực chống đầu cọc nói chung là lớn, vì nó bằng
với lực yêu cầu để tạo ra tất cả các xáo trộn đã mô tả ở trên. Ngay cả đất có độ bền
nguyên dạng cao cũng bị đẩy ra theo cách này. Đất loại này khơng thể nén đƣợc vì
đất bão hồ nƣớc khơng có khả năng chịu nén khi gia tải nhanh (nhƣ khi đóng hoặc
ép cọc). Khơng cịn chỗ nào thuận lợi để cho đất loại này dồn đến cả. Do đó cột đất
phải chuyển động lên phía trên mặt để cọc có thể xuyên xuống lớp đất dƣới mũi

cọc. Thực tế là tất cả sức kháng trong nhiều loại đất sét đều là sức chống đầu cọc


-7-

khi đóng cọc. DeMello (1969) đã giả thiết rằng ngay sau khi đóng cọc, lƣợng đất bị
xáo trộn đã giảm từ 100% tại mặt tiếp giáp với cọc - đất tới O ở khoảng cách cỡ 1,5
đến 2 lần đƣờng kính cọc tính từ thân cọc. Orrje và Broms (1967) đã chứng minh
rằng, với cọc bê tông cốt thép hạ trong đất sét nhạy, chỉ sau 10 tháng thì độ bền
khơng thốt nƣớc hồn tồn có thể trở lại giá trị ban đầu.
Hơn nữa sự tiêu tán áp lực nƣớc lỗ rỗng quá mức, mức tăng độ bền của đất
sau khi đóng cọc cũng xảy ra là do hóa lỏng tạm thời trong đất. Soderberg (1962)
cũng chỉ ra rằng việc tăng khả năng chịu tải cực hạn của đất (và do đó tăng độ bền
cắt của đất) cũng tƣơng tự với tốc độ tiêu tán áp lực nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ và chúng
phụ thuộc vào thời gian (hình 1.4).

Hình 1.4 Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962)
Áp lực nƣớc lỗ rỗng phát triển trong q trình đóng cọc: các số đo áp lực
nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ phát triển trong đất do đóng cọc cho thấy rằng áp lực này ở
sát thân cọc có thể bằng và thậm chí cịn lớn hơn áp lực hiệu quả (Lambe và Horn
1965, Orrje và Broms 1967, Poulos và Devis 1979, DAppolonia và Lambe 1971).
Trong vùng lân cận của cọc, áp lực nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ phát sinh rất cao,
trong một số trƣờng hợp có thể xấp xỉ 1,5 đến 2 lần ứng suất thẳng đứng hiệu quả
tại đó và thậm chí có thể gấp 3 đến 4 lần ứng suất hiệu quả thẳng đứng ở gần mũi
cọc. Tuy nhiên nó sẽ giảm nhanh theo khoảng cách kể từ cọc và nói chung sự tiêu


-8-

tán cũng rất nhanh. Trên hình 1.5, áp lực nƣớc lỗ rỗng ∆u đƣợc biểu diễn qua

∆u/σ’νo, với σ’νo là ứng suất thẳng đứng hiệu quả trƣớc khi đóng cọc đơn, cịn
khoảng cách hƣớng tâm S tính từ cọc đƣợc biểu diễn qua S/ro, trong đó ro là bán
kính của cọc. Ta thấy các điểm trên hình này khơng tập trung là do có nhiều loại đất
khác nhau và các loại đất có độ nhạy lớn nên áp lực nƣớc lỗ rỗng biến đổi lớn
(Poulos và Davis, 1979).

Hình 1.5 Tóm tắt một số kết quả đo áp lực lỗ rỗng (theo Poulos và Davis
1979)
Những điểm ở xa có khoảng cách S/ro bằng 4 đối với đất sét thƣờng là bằng
8 đối với đất sét nhạy thì áp lực nƣớc lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách. Trên
hình 1.5, áp lực nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ thực tế có thể bỏ qua khi ở ngoài khoảng
cách S/ro=30.
Sự tiêu tán áp lực nƣớc lỗ rỗng: Tốc độ phân tán của áp lực nƣớc lỗ rỗng xung
quanh cọc đã đƣợc đề nghị bởi Soderberg (1962), với giả thiết sự phân tán áp lực
nƣớc lỗ rỗng chỉ xuất hiện xung quanh cọc, sự phân tán này chủ yếu theo phƣơng
ngang, có thể xuất hiện ở gần đầu cọc và mũi cọc không đáng kể.


-9-

Phƣơng trình liên quan đến quá trình cố kết:
  2u
u
 1  u 
 Ch 
  

2
t
 r  r 

 r

(1.1)

Trong đó: Ch - hệ số cố kết theo phƣơng ngang
u - áp lực nƣớc lỗ rỗng
Phƣơng trình trên đƣợc viết ra từ dạng khác của Gibson và Lumb (1953), lời
giải ở đây theo điều kiện thoát nƣớc ở cọc và điều kiện ban đầu của sự phân tán áp
lực nƣớc lỗ rỗng. Soderberg cho rằng hình thức ban đầu của sự phân tán này ảnh
hƣởng không lớn trong cách giải. Nguyên nhân đo đƣợc tốc độ biến đổi độ bền và
sự khơi phục độ dính sau khi đóng cọc là do tốc độ cố kết trong vùng giới hạn lân
cận của cọc. Sự phân tán này và mức độ cố kết trong khoảng R cho thấy ở hình (1.
6), vùng phá hoại có kích thƣớc R/ro = 3 đến 5.

Hình 1.6 Lý thuyết phân tán cho tốc độ cố kết đất gần cọc
Theo kết quả so sánh của Radugin (1969) giữa lý thuyết và thực nghiệm cho
thấy:
R/ro=5; Ch = 0,04 in2/min (đất loại sét)


-10-

Hình 1.7 So sánh biểu đồ thực nghiệm với lý thuyết về sự tăng tốc độ dính
chặt.
Hình 1.7 so sánh mức độ cố kết của lý thuyết với biểu đồ thời gian và thực
nghiệm của Radugin. Ở đây có sự khác nhau về hình dáng biểu đồ nhƣng nói chung
đều thống nhất rằng quá trình cố kết là nguyên nhân ƣớc lƣợng tốc độ tăng sức chịu
tải của cọc.
Từ các điểm thực tế trên hình 1.6, cho thấy việc ƣớc lƣợng thời gian nên thực
hiện sau khi đóng cọc và trƣớc khi thử tải mang lại. Nếu ƣớc lƣợng chắc chắn sức

chịu tải cực hạn khơng thốt nƣớc và ứng xử tải trọng - chuyển vị thì sẽ thu đƣợc áp
lực nƣớc lỗ rỗng.
Wroth và các cộng sự (1979) đã phân tích sự thay đổi ứng suất, áp lực nƣớc lỗ
rỗng và sau đó đến q trình cố kết xung quanh cọc. Q trình hạ cọc đƣợc mơ
phỏng nhƣ việc tạo ra lỗ hình trụ trịn bởi sự dịch chuyển của bán kính đất. Sự thay
đổi giá trị ứng suất và áp lực nƣớc lỗ rỗng thu đƣợc bằng phƣơng pháp phần tử hữu
hạn phân tích trên cơ sở mơ hình hố cứng. Ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu gần


-11-

kề cọc sau khi hạ cọc có liên hệ trực tiếp tới nguồn gốc độ bền khơng thốt nƣớc
của đất và không phụ thuộc vào hệ số quá cố kết.
1.2 Ảnh hƣởng của việc hạ cọc vào lớp đất rời
Khi cọc đƣợc hạ vào trong đất cát và đất rời, đất thƣờng bị nén chặt bởi
chuyển vị và chấn động trong quá trình hạ cọc, kết quả là đất bị phá vỡ và sau một
khoảng thời gian đất sẽ phục hồi lại cấu trúc. Do đó, trong cát chặt, tải trọng ép cọc
tăng lên giống nhƣ việc tăng mật độ gây nên bởi việc hạ cọc. Nhiều kết quả nghiên
cứu chi tiết và phân tích đánh giá phạm vi chịu nén của đất cát và sự tăng mật độ
xung quanh cọc đƣợc thực hiện bởi Meyerhof (1959) và Robinsky và Morrison
(1964) [2, 3, 9,]
Robinsky và Morrison đƣa ra hàng loạt mơ hình kiểm tra cọc trong đất cát,
với chuyển vị và nén ép xung quanh cọc đƣợc ghi chụp lại. Lúc đầu đất cát với
Dr=17%, đất sẽ di chuyển trong phạm vi từ 3 đến 4 lần đƣờng kính theo phƣơng
ngang, từ 2,5 đến 3,5 lần đƣờng kính bên dƣới mũi cọc. Đất cát có độ chặt trung
bình Dr 35% thì đất sẽ dịch chuyển trong phạm vi từ 4,5 đến 5,5 lần đƣờng kính
theo phƣơng ngang và 3 đến 4,5 lần đƣờng kính dƣới mũi cọc.
Thực nghiệm của Robinsky và Morrison khơng những chỉ ra q trình
chuyển vị của đất cát mà còn cho thấy sự nén ép của đất cát dƣới mũi cọc và cạnh
cọc. Mơ hình chuyển vị của đất xung quanh cọc theo các vân sóng nhƣ hình 1.8 và

1.9


-12-

Trong khi mơ hình biến dạng đƣợc suy ra từ chuyển vị nhƣ hình 1.8
(Vesic,1967). Với sự giảm mật độ dƣới mũi cọc rõ ràng làm ảnh hƣởng ứng suất
kéo, giá trị biến dạng nén ở giữa phía dƣới mũi cọc là lớn nhất. Những nhận xét trên
áp dụng cho cọc khơng có mũi vát nhọn, nhƣng Robinsky và Morrison tìm thấy
rằng q trình đó cũng xuất hiện với cọc dạng cọc có mũi nhọn.
Trên cơ sở của sự tƣơng quan thực nghiệm giữa mật độ và sức chống lại sự
thâm nhập cũng nhƣ góc ma sát, Meyerhof (1959) đã đề nghị phƣơng pháp đánh giá
phạm vi của những khu vực tăng mật độ, tăng giá trị góc ma sát xung quanh cọc khi
hạ vào lớp đất cát. Kết quả tiêu biểu so sánh với sự quan sát đƣợc thể hiện nhƣ
trong hình 1.10


-13-

Hình 1.10 Sự nén chặt của cát xung quanh cọc theo kết quả quan trắc và tính
tốn lý thuyết.
Kết quả này phù hợp với Robinsky và Morrison (1964), nhƣng theo
Meyerhof giá trị nén ép thể tích ở gần mũi cọc là lớn nhất, còn khu vực ở gần đầu
cọc là nhỏ nhất.
Phƣơng pháp đơn giản đánh giá những ảnh hƣởng của việc hạ cọc trong vùng
nén chặt trong đất cát lân cận ở mũi cọc đƣợc đề nghị bởi

ishida (1967). Trên cơ

sở của kết quả thử nghiệm ở nhiều mô hình, Kishida cho rằng đƣờng kính của vùng

ép lại xung quanh cọc là 7d. Bên trong vùng này ông ta thêm vào giả thiết rằng góc
ma sát thay đổi tuyến tính với khoảng cách từ giá trị ban đầu là 1’, ở bán kính 3,5d
tới giá trị lớn nhất là 2’ ở mũi cọc đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.11.


-14-

Hình 1.11 Ảnh hưởng của việc đóng cọc lên giá trị góc ma sát trong của đất
theo Kishida, 1967
,
,
Mối quan hệ giữa 1 và  2 đƣợc cho bởi biểu thức:

1,  40o
 
2
,
2

(1.2)

1.3 Sự phân bố áp lực của đất theo khoảng cách khi hạ cọc
Lời giải cho sự phân bố áp lực mở rộng vùng ảnh hƣởng trong đất vừa có lực
dính vừa có lực ma sát (theo tiêu chuẩn Mohr-Coulomb) đƣợc đƣa ra bởi Vesic
(1972). Sự thay đổi tổng ứng suất trong vùng dẻo quanh một hốc hình trụ ở khoảng
cách rpl (hình 1.12) đƣợc diễn tả bằng các phƣơng trình sau:

r 
r
 2ln  pl   1

f
 r 

(1.3)

r 
t
 2ln  pl   1
f
 r 

(1.4)

r 
z
 2ln  pl 
f
 r 

(1.5)