Ứng xử của đất nền trong quá trình thi công ép cọc

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

LƯU VĂN THÂN

ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN TRONG Q TRÌNH
THI CƠNG ÉP CỌC

CHUYÊN NGÀNH
MÃ NGÀNH

: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
: 60 58 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: Tiến sĩ Đinh Hoàng Nam
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: Tiến sĩ 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 có:
1. ..........................................................

2. ..........................................................
3. ..........................................................
4. ..........................................................
5. ..........................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA QLCN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : Lưu Văn Thân

MSHV : 11094346

Ngày, tháng, năm sinh : 05/10/1976

Nơi sinh : Bình Định

Chuyên nghành : Địa kỹ thuật xây dựng

MS : 60 58 60

I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN TRONG QUÁ TRÌNH THI CƠNG
ÉP CỌC.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Phân tích tổng hợp về tác động của việc thi công ép cọc lên đất nền xung quanh và
dưới mũi cọc thông qua các nghiên cứu đã có.
- Tìm hiểu cơ chế nén chặt của đất trong q trình thi cơng ép cọc.
- Mơ phỏng q trình thi cơng ép cọc, sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng
của đất xung quanh và dưới mũi cọc theo thời gian bằng phương pháp số.
- Phân tích khả năng chịu tải của cọc sau khi thi công và trong thời gian sử dụng
công trình.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012
III. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Đinh Hoàng Nam
Tiến sĩ Bùi Trường Sơn
Tp. HCM, ngày … tháng … năm 20
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. VÕ PHÁN
TRƯỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp được hồn thành khơng những từ nổ lực bản thân học
viên mà còn nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của q thầy cơ, đồng nghiệp và bạn bè
thân hữu.
Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy Đinh Hoàng Nam và thầy
Bùi Trường Sơn, người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong thời gian thực hiện Luận
văn, giúp cho học viên có được những kiến thức hữu ích, làm nền tảng cho việc học
tập và công tác sau này.
Xin chân thành cám ơn quý thầy cô bộ môn ngành Địa kỹ thuật xây dựng đã

nhiệt tình giảng dạy trong thời gian qua.
Xin chân thành cám ơn quý thầy cô trong bộ mơn Địa cơ Nền móng đã quan
tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong thời gian học viên thực hiện Luận văn.
Cuối cùng, xin cám ơn gia đình và các bạn bè thân hữu đã động viên, giúp đỡ
học viên trong thời gian học tập và thực hiện Luận văn.
Học viên

Lưu Văn Thân


TĨM TẮT
Móng cọc là giải pháp thường được lựa chọn nhất cho các cơng trình xây dựng có
tải trọng vừa và lớn, nhất là những khu vực có địa chất phức tạp. Vì vậy biết rõ các ứng
xử của đất nền xung quanh, dưới mũi cọc trong và sau khi thi cơng là điều cần thiết.
Việc phân tích ứng xử của đất nền xung quanh và dưới mũi cọc trong và sau khi
thi cơng nhằm mục đích khảo sát về sự phân bố ứng suất, biến dạng, áp lực nước lỗ
rỗng trong và sau q trình thi cơng, từ đó có thể góp phần vào việc phân tích, tính tốn
khả năng chịu tải phù hợp hơn.
Trong phạm vi của luận văn này, tác giả chỉ tập trung phân tích chuyển vị, ứng
suất, áp lực nước lỗ rỗng, sức chịu tải của đất nền xung quanh và dưới mũi cọc khi thi
công và sau khi cho cọc nghỉ. Kết quả nghiên cứu, phân tích cho thấy việc xét q trình
thi cơng ép cọc cho phép thu nhận giá trị khả năng chịu tải của cọc cao hơn.


ABSTRACT
Pile foundation is often selected as a solution for many building to have fit load
and large load, specially in an area of complex geology. It is necessary to know
behaviour of soil around pile tip durring installation and after construction.
To analyse behaviour of soil around pile tip is propose to survey about
deformation, stress distributes, excess pore pressure of installation of pile and after

construction. From there, to have a part is analyse, calculate on the bearing capacity of
pile according to soil foundation is correspond.
In the scope of this essay, the writer only focused on the analysis of deformation,
stress, excess pore pressure, the bearing capacity of installation of pile, after
construction and rest pile. The results of investigation and analyses show that mention
of process of pile installation allows us get the higher value bearing capacity.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn tốt nghiệp này là cơng trình nghiên cứu thực sự của
cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát tình hình
thực tiễn và dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Đinh Hoàng Nam và Tiến sĩ Bùi
Trường Sơn.
Các số liệu, mơ hình tốn và những kết quả trong luận văn là trung thực, các kết
quả chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ và cơng
nhận bởi “ Hội Đồng đánh giá luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ ”.
Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC
HẠ CỌC VÀ THỜI GIAN CỌC NGHỈ LÊN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI .......... 3
1.1 ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC HẠ CỌC VÀO LỚP ĐẤT DÍNH ....................... 3
1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC HẠ CỌC VÀO LỚP ĐẤT RỜI . ....................... 11
1.3 ẢNH HƯỞNG THỜI GIAN ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG Q
TRÌNH THI CƠNG ................................................................................................ 13
1.4 NHẬN XÉT VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN ......................................... 16
CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
................................................................................................................................. 17

2.1 SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC ....................................................... 17
2.1.1 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu ........................................... 17
2.1.1. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền .......................................... 18
2.1.2.1 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền ....... 18
2.1.2.2 Xác định sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền ......... 23
2.1.2.3 Xác định sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu trạng thái của đất nền ......... 25
2.1.2.4 Xác định sức chịu tải theo thí nghiệm cọc tại hiện trường .............. 25
2.2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN XUNG
QUANH CỌC TRONG VÀ SAU KHI THI CÔNG ............................................. 33
2.2.1 Đặc điểm trạng thái ứng suất - biến dạng của đất do thi công cọc ..... 33
2.2.2 Trạng thái ứng suất - biến dạng ban đầu xung quanh cọc .................... 34
2.3 NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 ................................................................................ 42
CHƯƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, GIẢI PHÁP CỌC ÉP
CHO CƠNG TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS ......... 43
3.1 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH KHU VỰC THÀNH
PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ CÁC VÙNG LÂN CẬN .............................................. 43


3.2 MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH VÀ DƯỚI MŨI
CỌC ........................................................................................................................ 47
3.3 CÁC KẾT QUẢ CỦA BÀI TOÁN ................................................................. 48
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................ 50
CHƯƠNG 4. ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỌC TRONG VÀ
SAU KHI THI CÔNG ÉP CỌC .......................................................................... 51
4.1 ĐẶC ĐIỂM CHUYỂN VỊ CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH, DƯỚI MŨI CỌC
TRONG QUÁ TRÌNH THI CƠNG ÉP CỌC ........................................................ 51
4.2 ĐẶC ĐIỂM PHÂN BỐ ỨNG SUẤT XUNG QUANH VÀ DƯỚI MŨI CỌC
TRONG QUÁ TRÌNH THI CƠNG ÉP CỌC VÀ CHO CỌC NGHỈ ....................56
4.3 PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC ÉP CĨ XÉT ĐẾN Q
TRÌNH THI CƠNG ÉP CỌC ..................................................................................59

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 66


-1-

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Móng cọc là loại móng phổ biến nhất được 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 như khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và khu vực lân cận.
Với tốc độ xây dựng các cơng trình khá nhanh như hiện nay, việc đánh giá khả
năng chịu tải của cọc sau khi thi công là việc làm cần thiết trong công tác kiểm tra
và đánh giá nền móng. Đất yếu khu vực có hệ số thấm bé, khả năng chịu tải kém
nên thời gian khôi phục khả năng chịu tải sau khi thi công cọc có thể kéo dài. Ngồi
ra, vùng ảnh hưởng của khối đất xung quanh cọc trong q trình thi cơng và sử
dụng cơng trình có thể có những đặc điểm khác biệt cần phải nghiên cứu.
Đề tài luận văn “Ứng xử của đất nền trong q trình thi cơng ép cọc ” được đặt
ra nhằm khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng của vùng đất chịu ảnh hưởng xung
quanh cọc trong điều kiện cấu tạo địa chất đặc thù của khu vực. Kết quả nghiên cứu
có thể có ích trong việc tính tốn thi cơng và đánh giá khả năng chịu tải của móng
cọc cho các loại cơng trình xây dựng.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu quá trình thay đổi trạng thái ứng suất - biến
dạng của đất xung quanh và dưới mũi cọc sau khi thi công và cho cọc nghỉ. Rõ
ràng, sau khi thi công ép cọc, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư của đất trong vùng ảnh
hưởng tiêu tán theo thời gian, sức chịu tải của cọc tăng lên. Ngoài ra, phạm vi vùng
nén chặt xung quanh và mức độ nén chặt của đất phụ thuộc vào đặc trưng cơ lý của
đất. Điều này sẽ có tác động lên khả năng chịu tải của cọc trong quá trình chịu tải

khi sử dụng cơng trình.
Phương pháp nghiên cứu được 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 q trình thi cơng; sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất
xung quanh cọc sau khi thi công.


-2-

- Sử dụng cơng cụ tính tốn (phần mềm Plaxis) để mơ phỏng q trình thi cơng
ép cọc, cũng như sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất xung quanh cọc
ở các thời điểm khác nhau.
- Tính tốn và mơ phỏng đánh giá khả năng chịu tải của cọc sau khi thi công.


-3-

CHƯƠNG 1. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG
CỦA VIỆC HẠ CỌC VÀ THỜI GIAN CỌC NGHỈ LÊN
KHẢ NĂNG CHỊU TẢI
Khi xây dựng cơng trình trên nền đất có địa chất phức tạp, giải pháp móng
thường dùng là móng cọc. Cọc thường được hạ bằng phương pháp ép, việc hạ cọc
như trên gây xáo trộn và thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất xung quanh
và dưới mũi cọc được thể hiện như thí nghiệm ở hình 1.1.

Hình 1.1. Mơ hình cọc và nền
Ảnh hưởng của việc ép cọc chính là làm xáo trộn đất xung quanh cọc. Khi cọc
được ép vào lớp đất nền bên dưới trong đất sét hoặc cát thì sẽ xảy ra những ứng xử
khác nhau do sự khác biệt về đặc trưng cơ lý, đặc biệt là hệ số thấm.
1.1 Ảnh hưởng của việc hạ cọc vào lớp đất dính

Đặc điểm khác nhau quan trọng giữa hoạt động của cọc dưới 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 hưởng này có thể mơ tả kiểu cơ học
như sau [3, 12]:
Xét cọc ép vào tầng trầm tích sâu là lớp đất sét bão hồ nước khơng thấm
được, khi cọc ép xuống thì thể tích khối đất bị dịch chuyển bằng với thể tích của cọc


-4-

mà thể tích này cũng khá lớn. Do đó hoạt động ép cọc có thể gây ra những thay đổi
về biến dạng trong đất sét (xem hình 1.2).
J’

D’

H’

E’
J

D

H
E
F’

G’

F

G

B’
B

C’

C

Cọc

Hình 1.2. Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do ép 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 ép cọc, đất sét bị mất một phần độ
bền do đất bị xáo trộn nhưng lại xuất hiện một lượng tương đối nhỏ ma sát bên.
Cọc được ép vào trong đất sét bão hoà nước khơng thấm được nên mặt đất có

h

d

Độ bền cắt

thể bị trồi lên do khối lượng đất bị dịch chuyển và nén ép một phần thể tích.

A

Bề mặt (bên) của cọc

Đường trục của cọc

j

e
a

o

B

’

J

D

h
’ ’

h

c

k

l

C

g

f

m

b

Hình 1.3. Độ bền cắt trong đất sét bão hòa nước trước và sau khi ép cọc


-5-

Trên hình 1.3, 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 gốc toạ độ [3].
Đường A biểu diễn độ bền cắt trước khi ép 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 đường bc.
Ngay sau khi ép cọc, bộ bền cắt biểu thị bằng đường B. Trước khi ép cọc đất ở
điểm a, thì sau khi ép 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 trước bao gồm áp lực giữa các hạt cộng với áp lực
nước lỗ rỗng là khơng thay đổi. Do đó, phần mất đi của áp lực giữa các hạt đã được
chuyển thành áp lực nước lỗ rỗng dưới dạng áp lực thuỷ tĩnh thặng dư. Như vậy có
áp lực thuỷ tĩnh dư lớn trong đất cạnh cọc ngay sau khi ép 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 hướng ra ngoài của đất khi ép cọc. Áp lực dư
này tạo ra lập tức gây ra thấm và bắt đầu q trình cố kết. Vì dịng chảy thường
xuyên xảy ra từ điểm có áp lực cao tới điểm có áp lực thấp, do đó hướng của dịng
chảy là từ cọc và theo phương bán kính cọc. Tuy nhiên cũng có thể có hướng dịng
chảy hướng lên trên. Trong thời gian cố kết, các hạt đất chuyển dịch theo phương
đường kính và hướng vào phía cọc vì nước chảy hướng ra. Như 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 ép 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 đường C biểu thị độ bền phụ thuộc khoảng cách tính từ cọc. Nếu
như đường C biểu diễn độ bền xảy ra sau một ngày hay sau khi ép cọc, thì đường D
có thể 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 B và D có thể là dưới đường 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


-6-

bền cắt trong đất sét cách mặt cọc không xa. 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 này sau khi ép được một vài tuần thì
ma sát bên được biểu diễn giản lược bằng oj. Còn nếu sau khi ép một vài tuần, cọc
được kéo lên thì một khối lượng đất khá lớn 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 cạnh bán kính có tích của độ bền và chu vi là nhỏ nhất, có
thể là ở điểm k (Taylor. 1948).
Trong quá trình 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 được vì đất bão

hồ nước khơng có khả năng chịu nén khi gia tải nhanh (như khi 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 dưới mũi cọc. Thực tế là
tất cả sức kháng trong nhiều loại đất sét đều là sức chống đầu cọc khi ép cọc.
DeMello (1969) đã giả thiết rằng ngay sau khi ép cọc, lượng 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 đường
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 nước
hồn tồn có thể trở lại giá trị ban đầu [3].
Hơn nữa sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng quá mức, mức tăng độ bền của đất sau
khi ép 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 tương tự với tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và chúng phụ
thuộc vào thời gian (hình 1.4).


-7-

0

Seed và Reese

10
20
Tính theo % tải trọng lớn nhất

30

Housel

40
50
60

Burton Quay

Yang 190

70
80

Yang 220

90
100
0.5 1

10

100

1000

Thời gian (h)

Hình 1.4. Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962)
Áp lực nước lỗ rỗng phát triển trong quá trình ép cọc: các số đo áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư phát triển trong đất do ép cọc cho thấy rằng áp lực này ở sát thân cọc
có thể bằng và thậm chí còn lớn hơn áp lực hiệu quả (Lambe và Horn 1965, Orrje
và Broms 1967, Poulos và Devis 1979, D’Appolonia và Lambe 1971).

Trong vùng lân cận của cọc, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phát sinh rất cao,
trong một số trường 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
tán cũng rất nhanh. Trên hình 1.5, áp lực nước lỗ rỗng Δ u được biểu diễn qua
Δ u/ σ

’
vo,

với σ ’vo là ứng suất thẳng đứng hiệu quả trước khi ép cọc đơn, còn

khoảng cách hướng tâm S tính từ cọc được 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 nước lỗ rỗng biến đổi lớn
(Poulos và Davis, 1979).


-8-

2

Δ u/ σ

’

vo

Đường trung bình đối
với đất sét biên nhạy

1.5

1

Đường trung bình đối với các loại đất sét
có độ nhạy trung bình thấp
0.5

0
0

10

20

30

40

50

60

S/ro
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 thường là bằng 8
đối với đất sét nhạy thì áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách. Trên
hình 1.5, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thực tế có thể bỏ qua khi ở ngồi khoảng
cách S/ro=30.

Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng: Tốc độ phân tán của áp lực nước lỗ rỗng xung
quanh cọc đã được đề nghị bởi Soderberg (1962), với giả thiết sự phân tán áp lực
nước lỗ rỗng chỉ xuất hiện xung quanh cọc, sự phân tán này chủ yếu theo phương
ngang, có thể xuất hiện ở gần đầu cọc và mũi cọc khơng đáng kể.
Phương trình liên quan đến quá trình cố kết:
∂u
= C
∂t

h

⎡ ∂ 2u
⎛ 1 ⎞⎛ ∂ u ⎞⎤
+ ⎜
⎟⎥
⎟⎜
⎢
2
⎝ r ⎠⎝ ∂ r ⎠⎦
⎣ ∂r

(1.1)

Trong đó: Ch - hệ số cố kết theo phương ngang
u - áp lực nước lỗ rỗng
Phương trình trên được viết ra từ dạng khác của Gibson và Lumb (1953), lời
giải ở đây theo điều kiện thoát nước ở cọc và điều kiện ban đầu của sự phân tán áp
lực nước lỗ rỗng. Soderberg cho rằng hình thức ban đầu của sự phân tán này ảnh

-9-

hưởng không lớn trong cách giải. Nguyên nhân đo được tốc độ biến đổi độ bền và
sự khôi phục độ dính sau khi ép 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 thước R/ro = 3 đến 5.

Tv =
0.1

1

Up
Trong khoảng
ro ≤ r ≤ R

0.2

100

10000

Giả thuyết
vùng giới
hạn dẻo

Cọc tạm thời

0.4
0.6

10

C vt
2  
ro

a
Cọc thấm

R
R/ro= 3
R/ro= 5

0.8

1.0

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 -

Thời gian (ngày)
0.1

1

Up
Cấp độ cố kết và tốc độ tăng
sự dính chặt

0.2

0.4

10

100

Biểu đồ thực nghiệm
(Radugin, 1969)
Biểu đồ lý thuyết
Ch = 0,04 in2/min
ro = 6 in

0.6

0.8

1.0

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 nhưng nói chung
đều thống nhất rằng quá trình cố kết là nguyên nhân ước lượng tốc độ tăng sức chịu
tải của cọc.

Từ các điểm thực tế trên hình 1.6, cho thấy việc ước lượng thời gian nên thực
hiện sau khi ép cọc và trước khi thử tải mang lại. Nếu ước lượng chắc chắn sức chịu
tải cực hạn khơng thốt nước và ứng xử tải trọng - chuyển vị thì sẽ thu được áp lực
nước lỗ rỗng.
Wroth và các cộng sự (1979) đã phân tích sự thay đổi ứng suất, áp lực nước lỗ
rỗng và sau đó đến q trình cố kết xung quanh cọc. Q trình hạ cọc được mơ
phỏng như 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 nước lỗ rỗng thu được bằng phương pháp phần tử hữu
hạn phân tích trên cơ sở mơ hình hố cứng. Ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu gần
kề cọc sau khi hạ cọc có liên hệ trực tiếp tới nguồn gốc độ bền khơng thốt nước
của đất và khơng phụ thuộc vào hệ số quá cố kết.


- 11 -

1.2 Ảnh hưởng của việc hạ cọc vào lớp đất rời
Khi cọc được hạ vào trong đất cát và 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 sau một
khoảng thời gian đất sẽ phục hồi lại cấu trúc. Do đó, trong cát chặt, tải trọng ép cọc
tăng lên giống như 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 được thực hiện bởi Meyerhof (1959) và Robinsky và Morrison
(1964) [2, 3, 11, 12].
Robinsky và Morrison đưa ra hàng loạt mơ hình kiểm tra cọc trong đất cát, với
chuyển vị và nén ép xung quanh cọc được ghi chụp lại. Lúc đầu đất cát chặt với Dr
=17%, đất sẽ di chuyển trong phạm vi từ 3 đến 4 lần đường kính theo phương
ngang, từ 2,5 đến 3,5 lần đường kính bên dưới 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 đường kính
theo phương ngang và 3 đến 4,5 lần đường kính dưới mũi cọc.
Thực nghiệm của Robinsky và Morrison khơng những chỉ ra quá trình chuyển

vị của đất cát mà còn cho thấy sự nén ép của đất cát dưới mũi cọc và cạnh cọc. Mơ
hình chuyển vị của đất xung quanh cọc theo các vân sóng như hình vẽ.
8

9

7

8
6

7
6
5
4

5
4
3

3

2

2
1

1

40

20

0

20

40

Hình 1.8. Chuyển vị xung quanh cọc

Hình 1.9. Biến dạng xung quanh

khi cọc hạ vào trong lớp cát

cọc khi cọc hạ vào lớp cát


- 12 -

Trong khi mơ hình biến dạng được suy ra từ chuyển vị như hình 1.8 (Vesic,
1967). Với sự giảm mật độ dưới mũi cọc rõ ràng làm ảnh hưởng ứng suất kéo, giá
trị biến dạng nén ở giữa phía dưới mũi cọc là lớn nhất. Những nhận xét trên áp dụng
cho cọc khơng có mũi vát nhọn, nhưng Robinsky và Morrison tìm thấy rằng q
trình đó cũng xuất hiện với cọc dạng cọc có mũi nhọn.
Trên cơ sở của sự tương quan thực nghiệm giữa mật độ và sức chống lại sự
thâm nhập cũng như góc ma sát, Meyerhof (1959) đã đề nghị phương 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 được thể hiện như
trong hình 1.10.

1

1
2

2

4

4
8

8
39 37 35 32

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), nhưng 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.
Phương pháp đơn giản đánh giá những ảnh hưởng của việc hạ cọc trong vùng
nén chặt trong đất cát lân cận ở mũi cọc được đề nghị bởi Kishida (1967). Trên cơ
sở của kết quả thử nghiệm ở nhiều mô hình, Kishida cho rằng đường kính của vùng
ép lại xung quanh cọc là 7d. Bên trong vùng này ông ta thêm vào giả thiết rằng góc


- 13 -

ma sát φ , thay đổi tuyến tính với khoảng cách từ giá trị ban đầu là φ1, , ở bán kính

3,5d tới giá trị lớn nhất là φ 2, ở mũi cọc được thể hiện như hình 1.11.

d

φ2

φ1

7d

Hình 1.11. Ảnh hưởng của việc ép cọc lên giá trị góc ma sát trong của đất
theo Kishida, 1967
Mối quan hệ giữa φ1, và φ 2, được cho bởi biểu thức:
φ2, =

φ1, + 40o
2

(1.2)

1.3 Ảnh hưởng thời gian đến sức chịu tải của cọc trong q trình thi cơng
Khả năng chịu tải theo đất nền của cọc thông thường ước lượng theo cơng thức
tĩnh của cọc và sau đó xác định lại bằng phương pháp thử tải cọc. Thường thì cọc
thử tải trong thời gian ngắn sau khi hạ cọc. Sức chịu tải của cọc thu được từ thử tải
cọc đã được nghiên cứu trong thời gian dài. Quá trình hạ cọc làm cho đất nền xung
quanh thân cọc và dưới mũi cọc bị xáo trộn lớn, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tích
tụ do q trình hạ cọc và phụ thuộc vào đặc tính của đất nền. Sự tồn tại và phân tán
áp lực nước lỗ rỗng rất đa dạng, sức chịu tải của cọc có thể xác định khơng chính
xác nếu như áp lực nước lỗ rỗng chưa tiêu tán hoàn toàn. Sức chịu tải của cọc tăng
khi độ bền của của đất xung quanh cọc tăng do q trình cố kết. Điều này cho thấy

đất có hệ số thấm bé như bùn, sét thì thời gian tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng lớn,
ngược lại đất hạt thơ có hệ số thấm lớn sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thông thường


- 14 -

chỉ vài giờ. Theo kết quả thực nghiệm của C.S.Chen và các cộng sự (1996) cho thấy
mối quan hệ giữa thời gian và sức chịu tải của cọc như bảng 1.1[9].
Bảng 1.1 Kết quả thử tải của cọc
Số
cọc

Kích thước
(mm)

Chiều dài
cọc (m)

Ngày hạ cọc

Ngày thử tải

Sức chịu tải
cực hạn (KN)

1

200

36

14/07/96

13/08/96

940

2

250

36

09/07/96

12/08/96

1430

3

250

36

17/08/96

08/10/96

1400

4

250

36

20/08/96

21/10/96

2260

5

250

36

07/09/96

25/11/96

3600

6

250

36

31/07/96

04/12/96

2360

7

305

36

25/07/96

05/10/96

4890

8

305

36

30/07/96

12/10/96

4090

9

350

36

06/07/96

05/08/96

3030

10

350

36

21/08/96

21/10/96

4620

11

350

36

06/07/96

23/11/96

3190

12

381

36

24/08/96

16/10/96

6350

13

381

36

11/07/96

28/10/96

4100

14

381

36

02/10/96

30/11/96

5640

15

381

36

12/09/96

04/12/96

6093

16

280

36

11/07/96

08/09/96

3410

17

280

36

30/07/96

08/10/96

3380

18

280

36

19/08/96

12/10/96

2850

19

280

36

18/08/96

16/10/96

2640

Ngồi ra, sức chịu tải của cọc cịn liên quan với hệ số phục hồi, thời gian và
cường độ kháng cắt khơng thốt nước. Mối quan hệ giữa hệ số phục hồi, thời gian
và cường độ kháng cắt khơng thốt nước đã được thảo luận ở đây là mối quan hệ cơ
sở nền tảng của biểu đồ tải trọng - chuyển vị.


- 15 -

Phương pháp Vijayvergiya đề cập đến khả năng kiểm tra ảnh hưởng của thời
gian và cường độ kháng cắt khơng thốt nước trong hệ số phục hồi kết quả được

Hệ số phục hồi

minh hoạ ở hình 1.12 [12].

Cường độ kháng cắt khơng thốt nước kN/m2

Hình 1.12. Quan hệ giữa hệ số phục hồi và cường độ kháng cắt khơng thốt nước
Trong hình 1.12 biểu đồ của mỗi cọc đơn thể hiện phù hợp nhân tố khơi phục
lực dính của mỗi lớp đất xung quanh cọc. Kết quả hiện tại của mỗi khoảng thời gian

Hệ số phục hồi

trong hình 1.12 thích hợp với biểu đồ và được miêu tả trong hình 1.13.

Hình 1.13. Hệ số phục hồi như là hàm số của cường độ kháng cắt khơng thốt nước
và thời gian (sau Jensen, 2004)


- 16 -

Biểu đồ của mỗi khoảng thời gian khác nhau thì giống nhau về hình dạng. Vì
vậy hình 1.12 và hình 1.13 chỉ ra rằng hệ số phục hồi tăng khi lực dính khơng thốt
nước giảm. Hệ số phục hồi tăng theo thời gian nếu cọc không tiếp xúc trong 4 tuần
và nhiều hơn, hệ số phục hồi sẽ vượt quá 0,4 Cu và thấp hơn 714 kPa. Trong trường
hợp hệ số phục hồi bằng 0,4Cu là đề nghị của DS 415 (1998) là quá thấp.
1.4 Nhận xét và nhiệm vụ của luận văn
Trên cơ sở tổng quan có phân tích kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của việc
hạ cọc và thời gian nghỉ lên sức chịu tải của cọc, có thể thấy rằng việc thi cơng cọc
gây rung động và chuyển vị đất trong phạm vi ảnh hưởng của nó, đồng thời xuất
hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất xung quanh cọc. Cùng với quá trình tiêu
tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian, sức chịu tải của cọc tăng lên. Với điều kiện
địa chất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và các vùng lân cận, mục đích và nhiệm
vụ của Luận văn bao gồm:
- Phân tích tổng hợp về tác động của việc thi công cọc lên đất nền xung quanh
và dưới mũi cọc thơng qua các nghiên cứu đã có.
- Tìm hiểu cơ chế nén chặt của đất trong quá trình thi cơng cọc.

- Mơ phỏng q trình thi cơng cọc, sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng
của đất xung quanh và dưới mũi cọc theo thời gian bằng phương pháp số.
- Phân tích khả năng chịu tải của cọc sau khi thi công và trong thời gian sử
dụng cơng trình.