Mô phỏng quá trình hạ cọc bằng búa rung va với mô hình nhiều bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
................................

NGUYỄN THẾ DANH

ĐỀ TÀI :

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ NGÀNH : 23.04.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2003


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
PGS. TS ĐỖ KIẾN QUỐC

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày ……… tháng …… năm 2003

Tài liệu này có thể tham khảo tại :
Thư viện Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
…………………………………………

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
…………………………………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên :
NGUYỄN THẾ DANH
Ngày, tháng, năm sinh :
29 - 05 - 1976
Chuyên ngành :
Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp
Khoá :
12 (2001 - 2003)

Phái : Nam
Nơi sinh : Hà Tónh
Mã số : 23.04.10

I. TÊN ĐỀ TÀI : MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC BẰNG BÚA RUNG VA VỚI MÔ
HÌNH NHIỀU BẬC TỰ DO.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
Chương 1 : Tổng quan.
Chương 2 : Các phương pháp khảo sát động lực học của hệ búa - cọc - đất.
Chương 3 : Mô hình quá trình lún cọc bằng búa rung va.

Chương 4 : Chương trình mô phỏng quá trình lún cọc bằng búa rung va.
Chương 5 : Kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18 - 06 - 2003
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 28 - 11 - 2003
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS ĐỖ KIẾN QUỐC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
NGÀNH

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ

PGS. TS ĐỖ KIẾN QUỐC
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành Xây Dựng Dân
Dụng và Công Nghiệp thông qua
Ngày 18 tháng 06 năm 2003
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


2

Trước hết, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn :
PGS. TS Đỗ Kiến Quốc, người đã đưa ra những ý tưởng đầu tiên cho luận văn này
cũng như đã có những gợi ý và hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả cũng muốn gửi đến TS. Nguyễn Hồng Ngân lời cảm ơn sâu sắc về sự chỉ
bảo tận tình cũng như những gợi ý hết sức quý báu về lý thuyết lẫn kinh nghiệm
thực tế để luận văn hoàn thành.
Xin trân trọng cám ơn các thầy giáo : GS. TS Nguyễn Văn Yên, PGS. TS Chu

Quốc Thắng, TS. Bùi Công Thành, T.S Châu Ngọc Ẩn, TS. Nguyễn Thị Hiền Lương
cùng tập thể các thầy cô giáo giảng dạy Sau đại học ngành Xây Dựng Dân Dụng &
Công Nghiệp về sự nhiệt tình trong công tác giảng dạy, cung cấp cho các học viên
những kiến thức nền tảng, đặc biệt là những phương pháp nghiên cứu khoa học. Điều
đó đã giúp các học viên thuận lợi trong việc nghiên cứu, truy cứu tài liệu và hoàn
thành luận văn.
Xin cám ơn Ban Giám Hiệu, Khoa Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Xây Dựng Trường
Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đãï tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn
thành chương trình học tập tại trường.
Xin cám ơn thầy giáo : T.S Phạm Tứ, Trường Đại Học Kiến Trúc Tp. Hồ Chí
Minh đã tạo những điều kiện thuận lợi để tác giả vừa công tác vừa hoàn thành
chương trình học cao học tại Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh.
Cuối cùng, xin cám ơn bố mẹ và gia đình đã tạo mọi điều kiện về vật chất lẫn
tinh thần để con hoàn thành chương trình cao học cũng như hoàn thành luận văn
này.
Xin cảm tạ trời đất.

Tháng 11 naêm 2003


3

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, móng cọc được dùng rộng rãi cho các loại công trình xây dựng trên thế
giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng. Nghiên cứu về lónh vực đóng cọc đã đạt được
sự hoàn thiện đáng kể trong những năm gần đây và đã có nhiều tiến bộ mới được đưa
vào ứng dụng trong thực tế. Các lý thuyết về phân tích quá trình đóng cọc cũng đã có
cơ sở từ nhiều thập kỷ qua. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay, các nghiên cứu mới chỉ
dừng lại ở loại cọc đóng bằng búa va cổ điển, có rất ít nghiên cứu về loại cọc đóng
bằng búa rung va. Nói chung, đây là vấn đề còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Việc đóng

cọc bằng búa rung va không hoàn toàn chính xác giống búa rung hoặc búa va đập
thuần túy, mà nó là sự hỗn hợp của hai loại búa này. Kết quả thi công thực tế cho thấy,
đóng cọc bằng búa rung va hiệu quả hơn hẳn so với búa rung thuần tuý hoặc búa hơi,
búa diezen (là loại búa va cổ điển hiện không còn được ưa chuộng vì nó gây chấn động
mạnh tới những công trình lân cận trong quá trình thi công đóng cọc). Hiện nay mới chỉ
có một số công ty nước ngoài đưa loại búa rung va sang Việt Nam thi công một số
công trình mà họ là nhà thầu chính và chúng ta vẫn chưa làm chủ được công nghệ này.
Trên thế giới, mặc dù các nghiên cứu về đóngï cọc bằng búa rung va đã có cơ sở từ
giữa thế kỷ 20 và đã được áp dụng khá rộng rãi vào thực tế, tuy nhiên hiện nay, vẫn
còn khá nhiều vấn đề xung quanh lónh vực này chưa được sáng tỏ và người ta vẫn đang
tiếp tục nghiên cứu. Nhiều hội nghị về lónh vực này đã được tổ chức. Đối với các nhà
thầu thi công hạ cọc bằng búa rung va, vấn đề quan trọng nhất là phải chọn được loại
búa có các thông số kỹ thuật phù hợp để hạ một loại cọc cụ thể vào các tầng địa chất
cụ thể nhằm vừa đảm bảo quá trình hạ cọc nhanh chóng nhưng cũng không được gây
chấn động quá mạnh tới những công trình lân cận. Khi đó, yêu cầu nhà thầu phải có
một sự dự báo về quá trình lún cọc.
Hiện nay, như chúng ta đã biết, việc ứng dụng các phần mềm lập trình, phân tích,
mô phỏng, ... trên máy vi tính đã phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ, giúp chúng ta
giải quyết những bài toán phức tạp, nhất là các bài toán về động lực học.
Trong tình hình như vậy, việc nghiên cứu về loại cọc đóng bằng búa rung va cũng
như ứng dụng những công cụ toán hiện đại trên máy vi tính để mô phỏng, khảo sát và
phân tích quá trình đóng cọc sẽ là những đóng góp mang tính khoa học và thực tiễn
trong lónh vực này. Cụ thể, luận văn sẽ nghiên cứu một số vấn đề như khả năng ứng
dụng của các mô hình đóng cọc vào trường hợp đóng cọc bằng rung va, từ đó, thiết lập
một mô hình hệ búa - cọc - đất hợp lý để mô phỏng quá trình lún cọc bằng búa rung va
vào đất nền và cuối cùng, sẽ xây dựng một chương trình mô phỏng bằng phần mềm
MATLAB - Simulink. Từ phần mềm mô phỏng này, được thực hiện trong các bài toán
mô phỏng khác nhau sẽ giải đáp cho chúng ta một số vấn đề sau :
♦ Độ lún cọc khi đóng bằng búa rung va.
♦ Búa làm việc với thông số khe hở đe nào thì hợp lý nhất.

♦ Lực va đập của búa lên cọc.
♦ Vận tốc và gia tốc của cọc trong quá trình đóng.


4
♦ Khả năng hạ cọc bằng búa rung va vào các loại đất nền khác nhau.
Nghiên cứu này sẽ là một trong những cơ sở về mặt lý thuyết để trong tương lai,
chúng ta có thể triển khai và làm chủ công nghệ đóng cọc bằng búa rung va ở Việt
Nam. Chương trình mô phỏng trong nghiên cứu này cũng có thể là một sự tham khảo
cho các nhà thầu thi công khi muốn có một sự dự báo về quá trình lún cọc bằng búa
rung va để chọn được loại búa có các thông số kỹ thuật hợp lý nhất đóng cọc vào tầng
đất nền cụ thểå. Đồng thời, nghiên cứu này cũng có thể là một trong những sơ sở về mặt
toán học để trong tương lai không xa, các kỹ sư Việt Nam có thể chế tạo được loại búa
rung va để đóng các loại cọc khác nhau, đặc biệt là cọc bê tông cốt thép.


5

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài "Mô phỏng quá trình hạ cọc bằng búa rung va với mô hình nhiều bậc tự do"
được thực hiện trong 5 chương với những nội dung cơ bản như sau :
Trước hết, trong chương 1, luận văn nêu tổng quan về lịch sử phát triển của búa
rung va, tìm hiểu các nghiên cứu về mô hình đóng cọc từ trước đến nay, tổng kết các
phương pháp tính toán cho búa rung và rung va.
Tiếp theo, trong chương 2, luận văn nghiên cứu về các phương pháp khảo sát động
lực học của hệ búa - cọc - đất bằng các mô hình khác nhau. Từ đó, rút ra những nhận
xét về mối tương quan giữa búa, cọc và đất ảnh hưởng đến khả năng hạ cọc vào trong
đất nền đồng thời có sự so sánh về ưu nhược điểm, độ tin cậy cũng như khả năng ứng
dụng của các mô hình đóng cọc vào các trường hợp khảo sát cụ thể. Sau đó, đưa ra kết
luận mô hình phương trình sóng là mô hình hợp lý nhất để làm cơ sở cho việc thiết lập

mô hình toán trong chương tiếp theo.
Trong chương 3, luận văn nghiên cứu và thiết lập một mô hình mô phỏng quá trình
hạ cọc bằng búa rung va vào đất nền. Từ đó, dựa vào các giai đoạn chuyển động của
các khối lượng, luận văn thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ búa cọc - đất để làm cơ sở cho một chương trình mô phỏng trong chương tiếp theo.
Tiếp đến, trong chương 4, luận văn nghiên cứu và xây dựng một chương trình mô
phỏng quá trình hạ cọc bằng búa rung va trên phần mềm MATLAB - Simulink. Từ
chương trình này, luận văn giải quyết 4 bài toán theo một trật tự logic với các miền
thông số mô phỏng khác nhau để đưa ra những kết quả cụ thể. Trong đó, bài toán 1 đề
cập đến số bậc tự do của mô hình toán, bài toán 2 đề cập đến thông số khe hở đe hợp
lý của búa, bài toán 3 khảo sát khả năng hạ cọc của búa rung vào từng loại đất khác
nhau và bài toán 4, khảo sát với một tầng đất gồm các lớp đất khác nhau. Trong mỗi
bài toán đều có các hình vẽ mô phỏng minh hoạ một cách chi tiết.
Cuối cùng, trong chương 5, luận văn rút ra những kết luận và đề xuất một số kiến
nghị.

MỤC LỤC


6
Trang phụ bìa ............................................................................................................1
Lời cảm ơn ................................................................................................................2
Lời mở đầu ...............................................................................................................3
Tóm tắt luận văn ......................................................................................................5
Mục lục .....................................................................................................................6
Các ký hiệu chính .....................................................................................................8
Bảng liệt kê các hình vẽ ...........................................................................................9
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ...................................................................................11
1.1. Lịch sử phát triển của búa đóng cọc theo nguyên tắc rung - va..................11
1.2. Các nghiên cứu về mô hình đóng cọc.........................................................13
1.2.1. Mô hình cọc một khối lượng. ..............................................................13

1.2.2. Mô hình phương trình sóng.................................................................14
1.2.3. Mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn.......................................17
1.3. Các phương pháp tính toán khả năng hạ cọc bằng búa rung và rung va....18
1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
1.3.4.
1.3.5.

Phương pháp thông số.........................................................................18
Phương pháp năng lượng....................................................................20
Phương pháp thực nghiệm và kiểm tra mô hình.................................20
Phương pháp cho búa rung va.............................................................21
Phương pháp phi tuyến phụ thuộc thời gian.......................................22

1.4. Mục đích của luận văn và các bước giải quyết..........................................24
1.4.1. Mục đích của luận văn.........................................................................24
1.4.2. Các bước giải quyết ............................................................................24
CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA HỆ BÚA - CỌC - ĐẤT..........................................................25
2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................. 25
2.2 Phương pháp khảo sát động lực học của hệ búa - cọc - đất bằng
mô hình một bậc tự do.................................................................................25
2.2.1. Khảo sát theo vận tốc ban đầu của cọc...............................................25
2.2.2. Khảo sát theo va đập của búa lên cọc có đe đàn hồi..........................27
2.2.3. Một số kết quả khảo sát......................................................................28
2.3 Phương pháp khảo sát động lực học của hệ búa - cọc - đất bằng
mô hình phương trình sóng (mô hình nhiều bậc tự do) ..............................28
2.3.1. Phương trình sóng ứng suất................................................................28
2.3.2. Mô hình phương trình sóng của Smith................................................29

2.3.3. Một số kết quả khảo sát.....................................................................32
2.4. Nhận xét.....................................................................................................33
CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH LÚN CỌC BẰNG BÚA RUNG VA.....37
3.1. Đặt vấn đề..................................................................................................37


7
3.2. Sơ đồ nguyên lý của búa rung va...............................................................37
3.3. Lực cản của đất trong quá trình lún cọc.....................................................38
3.3.1 Lực cản thân cọc..................................................................................38
3.3.2. Lực cản mũi cọc...................................................................................43
3.4. Mô phỏng quá trình hạ cọc bằng búa rung va theo phương dọc trục..........44
3.4.1 Mô hình một bậc tự do.........................................................................44
3.4.2 Mô hình nhiều bậc tự do......................................................................47
3.4.3 Kết luận ..............................................................................................50
CHƯƠNG 4 : CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC
BẰNG BÚA RUNG VA ..................................................................52
4.1. Đặt vấn đề..................................................................................................52
4.2. Chương trình mô phỏng quá trình hạ cọc bằng búa rung va trên
phần mềm MATLAB - Simulink................................................................52
4.2.1. Phương trình vi phân chuyển động của hệ .........................................52
4.2.2. Phần mềm MATLAB - Simulink........................................................54
4.2.3. Chương trình mô phỏng......................................................................54
4.3. Các bài toán mô phỏng..............................................................................55
Bài toán 1......................................................................................................56
Bài toán 2......................................................................................................62
Bài toán 3......................................................................................................81
Bài toán 4......................................................................................................87
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................93
5.1 Kết luận..................................................................................................93

5.2 Kiến nghị ...............................................................................................94
Phụ lục ....................................................................................................................95
Tài liệu tham khảo ...............................................................................................102

CÁC KÝ HIỆU CHÍNH


8
Ký hiệu

Đơn vị

A
C
E
F ms
g
J
h0
L
mh
mp
ms
n
Qi
R
t
∆t
V0
ka

kh
kp
ks
P0
mr
ω
x

m2
m/sec
N/m2
N
m/s2
s/m
mm
m
kg
kg
kg
N
N
sec
sec
m/sec
N/m
N/m
N/m
N/m
N
kg.m

rad/sec
m
m/sec
m/s2

•

x

••

x

Tên gọi
Diện tích tiết diện cọc.
Vận tốc truyền sóng trong cọc
Mô đun đàn hồi của cọc
Lực ma sát của đất lên thân cọc
Gia tốc trọng trường
Hệ số giảm chấn nhớt của đất
Khe hở đe ban đầu của búa
Chiều dài cọc
Khối lượng búa
Khối lượng cọc
Khối lượng nút đất
Số khối lượng cọc
Trọng lượng
Lực cản đất
Thời gian
Bước thời gian

Vận tốc ban đầu
Độ cứng đàn hồi của đe
Độ cứng lò xo của búa
Độ cứng cọc
Độ cứng đàn hồi của đất
Lực kích của đầu búa
Mô men tónh bánh lệch tâm
Tần số lực kích
Dịch chuyển
Vận tốc
Gia tốc

BẢNG LIỆT KÊ CÁC HÌNH VẼ


9
Ký hiệu
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13

1.14
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5

Tên gọi
Búa rung va Tsaplin
Sơ đồ nguyên lý một đầu búa rung va
Đóng cọc BTCT bằng búa rung va
Đóng cọc dầm thép bằng búa rung
Sơ đồ nguyên lý một số loại búa rung va
Ứng suất kéo trong cọc khi đóng (theo Glanville, 1938)
Mô hình phương trình sóng (theo Smith, 1960)
Mô hình đất (theo Simons và Randolph, 1986)
Mô hình đất mới (theo Corté và Lepert, 1986)
Mô hình đất mới (theo Trần Thạch Linh, 1999)
Mô hình phần tử hữu hạn

Ranh giới vùng tốn tại chế độ rung va (theo Tseitlin, 1987)
Mô hình đóng cọc (theo Holeyman, 1996)
Mô hình cọc - đất
Các mô hình một bậc tự do
Quan hệ tải trọng - biến dạng đối với đất (theo Poulos và
David, 1980)
Mô hình búa va lên cọc có đệm đàn hồi
Hệ búa - cọc -đất theo mô hình phương trình sóng (theo E.A.
Smith, 1960)
Quan hệ tải trọng - biến dạng đối với nội lò xo
Một phần tử cọc lý tưởng
Quan hệ chuyển vị - thời gian tương ứng với số phần tử cọc
được chia
Quan hệ lực búa - thời gian khi tăng khối lượng búa
Quan hệ chuyển vị - thời gian khi tăng khối lượng búa
Quan hệ lực búa - thời gian khi tăng độ cứng đất
Quan hệ chuyển vị - thời gian khi tăng độ cứng đất
Sơ đồ nguyên lý một đầu búa rung va
Cọc
Sự thay đổi lực ma sát thân cọc
Mô hình động học về lực ma sát giữa cọc và đất (theo N.A.
Tuấn và N.H. Ngân, 2001)
Sự thay đổi lực ma sát theo tần số (theo N.A. Tuấn và N.H.
Ngân, 2001)

Trang
11
11
12
12

13
15
16
17
17
17
18
22
24
24
26
27
28
31
32
33
34
36
36
37
37
39
41
42
43
43


10
3.6

3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
4.1 - 4.4
4.5
4.6 - 4.30

4.31
4.32
4.33
4.34 - 4.36
4.37
4.38
4.39
4.40
4.41 - 4.44
4.45
4.46

Chuyển động tương đối của đất so với cọc theo tần số (theo
N.A. Tuấn và N.H. Ngân, 2001)
Biểu đồ miêu tả đặc tính lực cản mũi
Mô hình hạ cọc bằng rung va (một bậc tự do)
Các giai đoạn chuyển động của mũi cọc tương đối với nút đất
Mô hình hạ cọc bằng rung va (nhiều bậc tự do)
Khối lượng đầu cọc

Khối lượng mũi cọc
Khối lượng thân cọc
Mô phỏng quá trình lún cọc theo thời gian khi cọc được chia
thành 2, 4, 8, 12 khối lượng
Quá trình lún cọc theo thời gian tương ứng với số phần tử cọc
Mô phỏng quá trình lún cọc theo thời gian, độ lún cọc theo
thời gian, lực va đập của búa theo thời gian, vận tốc và gia tốc
cọc theo thời gian tương ứng với khe hở đe bằng 0, 5, 10, 15,
20
Kết quả thực nghiệm độ lún cọc bằng búa rung va (theo N.H.
Ngân, 2002)
Quan hệ giữa lực va đập của búa đến độ lún của cọc
Tốc độ lún cọc trung bình tương ứng với các trường hợp khe hở
đe
Mô phỏng quá trình lún cọc theo thời gian vào các loại đất
Quá trình lún cọc bằng búa rung va vào các loại đất khác nhau
Tốc độ lún cọc bằng búa rung va vào các loại đất khác nhau
Tốc độ lún cọc trung bình tướng ứng với các loại đất
Tầng đất
Mô phỏng quá trình lún cọc và lực va đập của búa theo thời
gian vào tầng đất
Tốc độ lún cọc theo chiều sâu khi hạ cọc vào tầng đất
Lực va đập của búa theo chiều sâu hạ coïc

44
45
46
47
50
51

52
52
60 - 61
62
65 - 79

80
81
82
85 - 86
87
87
88
90
92 - 93
94
95


11

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1 Lịch sử phát triển của búa đóng cọc theo nguyên tắc rung - va
Búa rung - va là một loại búa thực hiện cả hai tác động rung động và va đập khi hạ cọc
vào trong đất nền.
Búa rung - va được nghiên cứu đầu tiên ở Liên Xô (cũ). Vào năm 1949, tác giả S.A.
Tsaplin và các cộng sự của ông [43] đã thực hiện loại búa hoạt động theo nguyên tắc rung
va đầu tiên dựa trên những lý thuyết đã được nghiên cứu từ chiến tranh thế giới thứ hai.

Kết cấu búa rung - va Tsaplin được thể hiện trong hình 1.1. Với loại búa này, ông đã tiến
hành thực nghiệm đóng một ống kim loại đường kính 110 mm, thành ống dày 8 mm, dài 2,6
m, nặng 200 kg vào các loại đất khác nhau là đất sét, á sét và cát. Kết quả đã cho thấy tính
hiệu quả của việc đóng bằng rung va cao hơn về mặt độ sâu đóng tối đa và vận tốc đóng
xuống của cọc so với búa rung thuần tuý (cũng đang được nghiên cứu vào thời điểm này).
Tính hiệu quả của việc đóng cọc cũng gia tăng khi tăng biên độâ dao động của cọc.
Sau đó, búa rung va đã được ứng dụng vào thực tế lần đầu tiên khi xây dựng nhà máy
điện Stalingrad (nay là Volgograd, Nga). Ở đây người ta đã xây dựng loại tường chống

Hình 1.1 Búa rung - va Tsaplin

Hình 1.2 . Sơ đồ nguyên lý một
đầu búa rung - va

thấm bên dưới rạch nước, loại cọc “Larssen –5 “ được đóng xuống độ sâu 13 mét tới những
lớp cuối của sa thạch có độ cứng trung bình. Kết quả thi công cho thấy loại búa theo
nguyên tắc rung va làm việc hữu hiệu hơn loại búa rung thông thường hoặc những búa hoạt
động bằng hơi nước –không khí hay búa diesel. Một trong những sơ đồ đầu búa rung va
được minh hoạ ở hình 1.2.


12
Sự thành công ở công trình này và một số công trình khác đã dẫn đến việc sử dụng
rộng rãi loại búa rung - va để đóng cọc, không chỉ ở Nga mà còn ở nước khác, đặc biệt là
châu Âu, nơi có các nhà chuyên sản xuất búa rung - va như Menck và PTC. Các lý thuyết
về lónh vực này vẫn được tiếp tục nghiên cứu. Hiện nay, trên thế giới, búa rung - va đã
được sử dụng rộng rãi để hạ các loại cọc như cọc bê tông cốt thép, cọc dầm thép, ... (xem
các hình vẽ minh hoạ 1.3, 1.4).

Hình 1.3 Đóng cọc BTCT

bằng búa rung va

Hình 1.4 Đóng cọc dầm thép bằng
búa rung

Mặc dù búa rung - va đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng để đóng cọc từ năm 1949,
thế nhưng đến nay, vẫn còn khá nhiều vấn đề liên quan đến lónh vực này đang bị bỏ ngỏ.
Một số vấn đề vẫn chưa được giải đáp thoả đáng như khả năng đóng các loại cọc đóng
bằng búa rung va như thế nào ? Đáp ứng của các loại đất nền khi hạ cọc bằng rung va ra
sao ?... Người ta cho rằng hoặc là do còn thiếu các nỗ lực trong nghiên cứu hoặc do các nhà
sản xuất và thi công đã giữ bí mật để kinh doanh. Do vậy, những câu hỏi nêu trên vẫn đang
tiếp tục là những đề tài nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Theo tác giả được
biết, đã có khá nhiều hội nghị bàn về vấn đề này, gần đây nhất là hội nghị "The
International Conference on Vibratory Pile Driving and Deep Soil Compaction" được tổ
chức tại Louvain - la -Neuve (Bỉ) vào tháng 9 - 2002.
Tại Việt Nam, việc đóng cọc bằng búa rung va còn khá mới mẻ và có rất ít nghiên cứu
về lónh vực này. Một nghiên cứu gần đây nhất mà tác giả được biết là của T.S Nguyễn
Hồng Ngân [23] (Khoa Cơ Khí - Trường Đại Học Bách Khoa T.p Hồ Chí Minh). Từ nghiên
cứu này, T.S N.H. Ngân và các cộng sự đã chế tạo một loại búa rung - va cỡ nhỏ để đóng
cọc cừ tràm, là một loại cọc được sử dụng rộng rãi để gia cố nền đất yếu ở các tỉnh phía
Nam. Thực tế thi công đã chứng tỏ tính ưu việt của loại búa này so với việc chỉ đóng bằng
tay hoặc dùng máy gầu ép. Tuy nhiên, chúng ta phải tiếp tục triển khai các nghiên cứu mới
để đưa vào ứng dụng không chỉ để đóng cọc cừ tràm mà có thể đóng các loại cọc khác như
cọc bê tông cốt thép (là loại cọc phổ biến nhất hiện nay), …


13

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý một số loại búa rung va
a) Búa rung va kẹp đầu cọc với khe hở đe lớn hơn không

b) Búa rung va kẹp đầu cọc với khe hở đe bằng không
c) Búa rung va không kẹp đầu cọc
d) Búa rung va với đầu kẹp cọc nửa tự do
e) Búa rung va tác động từ tính
1.2. Các nghiên cứu về mô hình đóng cọc
1.2.1. Mô hình cọc một khối lượng
Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng móng cọc để xây dựng những công trình trên nền
đất yếu, ban đầu chủ yếu là cọc gỗ. Qua một quá trình dài tích luỹ kinh nghiệm, người ta
đã cố gắng mô hình hoá động học của cọc đóng và tìm ra công thức đóng cọc dựa trên giả
thiết coi cọc là vật cứng tuyệt đối. Các công thức này sử dụng cơ học va chạm của Newton
để mô hình chuyển động của cọc, những kết quả có thể biểu diễn dưới dạng một công thức
đơn giản. Đó là những nghiên cứu đầu tiên và đơn giản nhất về mô hình cọc một khối
lượng và công thức đóng cọc. Sau này, nhiều nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu và hoàn
thiện các công thức đóng cọc này. Công thức đóng cọc ghi lại sức chịu tải tới hạn của cọc
dựa vào quá trình đóng cọc. Nó quan tâm đến năng lượng của một nhát búa và sự truyền
năng lượng trong quá trình đóng thành công có ích để làm lún cọc và sự tiêu tán năng lượng
do hậu quả của việc biến dạng cọc và đệm giảm chấn. Những công thức như vậy có thể
không dự báo được sự tăng khả năng chịu tải sau khi đóng nhưng đã sơ bộ xác định được
khả năng mang tải ở thời điểm đóng. Nhiều công thức đã trở thành những tiêu chuẩn để áp
dụng vào thực tế thi công.
Phương pháp được sử dụng thông thường nhất để xác định sức chịu của cọc đóng là
công thức của D.W. Taylor (1948) [38]. Nguyên tắc cơ bản của công thức này là năng
lượng vào từ đầu búa sẽ được truyền đến đến cọc và vùng đất xung quanh cọc. Các công


14
thức này tính sức chịu tải của cọc với giả thuyết cho rằng phản lực đóng thì bằng với sức
chịu tải của cọc. Tuy nhiên, thực tế cho thấy giả thuyết nói trên không hoàn toàn đúng,
công thức đóng cọc không dự báo được khả năng chịu tải của cọc.
Theo K. Flate (1964) [12], năng lượng truyền khi va là :

E 1 =e f .W.H
trong đó :
e f : hệ số hiệu quả của búa.
W : trọng lượng búa.
H : độ cao rơi búa.

(1.1)

Trong quá trình va đập, năng lượng cơ học bị mất mát theo cách đóng của búa, biến
dạng dẻo của vật liệu, sóng truyền vào đất, ... Động năng của cọc ngay sau khi va đập là:
E 2 = e f .e g .E 1
(1.2)
trong đó e g là hệ số hiệu quả năng lượng va đập.
Nói chung, các công thức đóng cọc không thể cung cấp một cơ sở hợp lý cho việc phân
tích quá trình đóng. Đã có một số khảo sát được thực hiện để xác định độ tin cậy của các
công thức đóng cọc nêu trên bằng cách so sánh khả năng chịu tải dự báo với khả năng đo
được từ việc kiểm tra tải của cọc. Khảo sát của H.A. Agenschow (1962) [1] cho thấy : mặc
dù công thức kinh nghiệm ENR được sử dụng khá rộng rãi nhưng cũng không hiện thực khi
có dãy hệ số an toàn từ 1,1 đến 30. K. Flate (1964) [12] cũng đã khảo sát độ chính xác của
các công thức Janbu, Hiley, ENR đối với trường hợp cọc trong cát. Kết quả khảo sát cho
thấy công thức Janbu và Hiley thì tốt hơn công thức kinh nghiệm ENR.
Hạn chế của các công thức đóng cọc cũng như mô hình cọc một khối lượng là dựa trên
giả thiết coi cọc là vật cứng tuyệt đối, điều này chỉ có thể chấp nhận trong trường hợp đóng
cọc ngắn trong nền đất rất yếu. Ngoài ra, với mô hình này, mối tương tác giữa cọc và đất
cũng không hợp lý. Đối các loại cọc dài như cọc bê tông cốt thép, cọc thép thì hạn chế này
càng trở nên khó chấp nhận. Tuy nhiên, các công thức đóng cọc có thể trở nên có ích trong
một số trường hợp khi có một sự hiểu biết cục bộ và cũng như khi có trị trung bình so sánh
giữa các cọc tại vị trí khảo sát.
1.2.2. Mô hình phương trình sóng
Việc phân tích đóng cọc với mô hình vật cứng tuyệt đối sử dụng các công thức đóng

cọc trong một số trường hợp không thực sự chính xác bởi vì trên thực tế do cọc chịu nén
nên đáp ứng của cọc trong đất nền là rất phức tạp. Khi đó, việc ứng dụng lý thuyết sóng
ứng suất để phân tích cọc đóng với giả thuyết không đồng chất biến dạng đàn hồi (tính đến
độ nén dọc trục của cọc) tỏ ra hợp lý hơn. Phương pháp phân tích này quan tâm đến hiện
tượng một lần va của búa sẽ gây ra sóng ứng suất truyền dọc theo thân cọc.
Phương trình sóng ứng suất có dạng tổng quát như sau :

u(x, t )tt = c2 u(x, t )xx
trong đó : u(x,t) là hàm chuyển vị.
c là vận tốc truyền sóng.

(1.3)


15
Việc sử dụng lý thuyết sóng ứng suất để mô
hình quá trình đóng cọc được nghiên cứu đầu
tiên bởi David Victor Issacs (1931) [20]. Tuy
nhiên, lời giải của Issacs rất phức tạp và khó giải
quyết được thực tế công trình. Sau Issacs, nghiên
cứu của W.H. Glanville (1938) [15] được xem là
một trong những nghiên cứu hoàn chỉnh đầu tiên
về sóng ứng suất trong cọc trong trường hợp tổng
quát. Phương trình sóng và lời giải d'Alembert
đã được Glanville áp dụng để khai triển các
phương trình và ước tính ứng suất trong cọc khi
Hình 1.6 Ứng suất kéo trong cọc
đóng, trong đó sử dụng phương pháp hình vẽ. Do
khi đóng (theo Glanville, 1938)
sự phức tạp của các phương trình, các kết quả

được quy về thành một dãy các đồ thị trong đó
ứng suất không thứ nguyên được vẽ dựa vào tỉ lệ giữa trọng lượng búa đóng và trọng lượng
cọc. Các đồ thị này chỉ có thể áp dụng được với cọc bê tông và đó là điểm hạn chế của nó.
Trong hình 1.6 thể hiện ứng suất kéo trong cọc khi đóng theo nghiên cứu của Glanville.
E.A.L. Smith (1955, 1960) [34; 35] lần đầu tiên đã áp dụng phương pháp số để mô
hình sóng ứng suất trong cọc và trạng thái của cọc (Smith vào thời điểm đó là kỹ sư trưởng
của Raymond International, một tổ chức lớn
nhất thế giới về đóng cọc). Smith đã mô hình
cọc thành chuỗi các khối lượng và lò xo (hình
1.7). Búa cũng được mô hình hoá thành một
khối lượng và đệm giảm chấn được mô hình
thành 1 lò xo. Lực cản của đất dọc theo thân
cọc và ở dưới mũi cọc được mô hình như cơ
cấu đệm lò xo trượt và giảm chấn. Các lò xo
(đất) biến dạng đàn hồi phi tuyến một khoảng
nào đó (theo độ chối do va đập) khi không đủ
thắng ở lực cản R tới hạn. Đặc trưng đệm
giảm chấân được tính bằng hệ số J. Smith đã
sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn bậc
nhất để phân tích mô hình này. Ông sử dụng
nhiều giả thiết cho mô hình của mình (đặc
biệt đối với đất) với sự trợ giúp tối thiểu về
mặt lý thuyết, tuy vậy, mô hình đất mà ông
đề nghị đến nay vẫn là tiêu chuẩn cho nhiều
chương trình phân tích phương trình sóng.
Điều đó cho thấy tính đúng đắn và bền vững
của mô hình Smith.
Hình 1.7 Mô hình phương trình
Nhiều chương trình vi tính đã được phát
sóng (theo Smith, 1960)

triển dựa trên mô hình của Smith và có cải
tiến. Chương trình đầu tiên dựa theo mô hình


16
cải tiến là chương trình TTI (Taxes Transportation Institute) được phát triển bởi
L.L.Lowery (1969) và T.J.Hirsch (1976) [17;18]. Trong chương trình này, một số bổ sung
làm cho mô hình Smith trở nên hợp lý hơn đồng thời nhiều giả thuyết trong mô hình được
kiểm tra (một số dựa trên kinh nghiệm) nhằm cải tiến tính đúng đắn của dữ liệu nhập vào
và từ đó, đảm bảo tính tin cậy của kết quả xuất ra.
H.G. Poulos và E.H. Davids (1980) [28] đã nghiên cứu các thông số đất theo kinh
nghiệm của Smith như thông số độ chối Q (quake), hệ số nhớt giảm chấn J. Họ cho rằng
giá trị độ chối thay đổi dọc theo thân cọc, trong đó giá trị gần mũi cọc là lớn hơn giá trị dọc
theo thân cọc. Đồng thời, từ dữ liệu có sẵn, họ đã cho rằng hệ số nhớt giảm chấn ở mũi cọc
J p lớn hơn hệ số nhớt ở thân cọc J s , cụ thể là J p =3*J s . Họ đã trình bày một số kết quả mà
cho thấy rằng chiều dài đoạn cọc phía trên mặt đất và chiều dài đoạn đã ngàm vào đất có
ảnh hưởng ít đến quá trình thực hiện đóng cọc. Họ đã chỉ ra rằng độ lún của cọc chỉ tăng
lên rất chậm so với việc tăng năng lượng búa và đề nghị cần phải có đệm giảm chấân tối ưu
để có thể đảm bảo cho việc truyền năng lượng của búa lên cọc tốt mà không gây ra những
ảnh hưởng nghiêm trọng lên khả năng đóng của cả hệ thống. Họ cũng cho thấy rằng trở
kháng của cọc đã có ảnh hưởng đáng kể lên ứng suất cực đại. Trở kháng càng lớn thì cọc sẽ
gây ra ứng suất cực đại càng cao .
N.F.E. Ebecken và một số tác giả khác (1984) [10] đã trình bày một phương pháp số
dựa trên cơ sở mô hình phần tử cọc rời rạc trong không gian một chiều. Đất đã được thể
hiện bằng các lò xo phi tuyến và đệm giảm chấn gắn vào các nút phầân tử cọc. Mô hình
của họ đã cho phép phân tích đất trong chu kỳ tải và họ đã áp dụng mô hình cho loại đất
đá vôi ở Brazil.
H.A. Simons và M.F. Randolph (1986) [29] đã
trình bày mô hình đất được cải tiến dựa trên cơ sở
các kết quả phân tích dao động của cọc (hình 1.8).

Trong mô hình mới này, họ đã mô hình hệ gồm độ
cứng động của đất, giảm chấn nhớt và giảm chấn
tán xạ do tiêu tán năng lượng vào đấtï thành chuỗi
lò xo và giảm chấn để biểu diễn đặc tính đất nền.
Họ đã nhận được kết quả khá tốt với mô hình đất
mới, nhưng cũng đã đề nghị so sánh tiếp theo với số
liệu đo trên hiện trường để thực hiện đầy đủ việc
phân tích.

Hình 1.8. Mô hình đất
(theo Simons và Randolph,1986)

J.F. Corle và P. Lepert (1989) [5] đã đề xuất
một mô hình đất mới để miêu tả hệ lực cản theo thân cọc (hình 1.9). Ở mô hình này, đất
được lý tưởng hoá thành hai vùng tách biệt : vùng đầu tiên của mô hình mô phỏng phản lực
của đất theo ứng suất lớn do lực đóng của búa lên cọc trong khi đó vùng thứ 2 ( lớp ngoài)
mô hình của đất là đàn hồi. Họ đã chỉ ra rằng mô hình đất này có thể cho phép những vận
tốc ở trong cọc lớn hơn ở trong đất khi lún và họ tin là điều này có thể đưa ra việc đánh giá
năng lượng tán xạ bằng sóng đàn hồi tốt hơn so với mô hình Smith (1960).
Tác giả Trần Thạch Linh (1999) [40] đã kiến nghị ngoài hai thành phần cản đàn hồi
và cản nhớt của mô hình Smith, cần bổ sung thêm thành phần lực ma sát giữa thành cọc và

Hình 1.9. Mô hình đất mới
(theo Corté và Lepert, 1986)

Hình 1.10. Mô hình đất mới
(theo Trần Thạch Linh,1999)


17

đất xung quanh (hình vẽ 1.10). Tác giả Linh cũng đã đề xuất một biểu thức tính lực ma sát
như sau :
•

Fms = A.e

−α U

+B

Trong đó A, B tương ứng là các tham số đặc trưng của lực ma sát ảnh hưởng động và lực
•

ma sát động giới hạn; U là vận tốc của cọc và α là hệ số kể đến ảnh hưởng của vận tốc.
Khảo sát với mô hình này đã cho kết quả đáng tin cậy hơn mô hình cổ điển của Smith.
1.2.3. Mô hình theo phương pháp phần tử hữu
hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn là một giải pháp
kỹ thuật tổng quát cho cả mô hình cọc và đất. Cọc
được chia thành chuỗi các phần tử rời rạc, lực cản
của đất được mô hình là các lò xo và cản nhớt gắn
tại các phần tử đó. Trên hình 1.11 là một mô hình
phần tử hữu hạn do một số tác giả đề xuất.
Smith (1976,1982) [36; 37] đã sử dụng mô hình
theo phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích khả
năng đóng cùng sức chịu tải của cọc. Với phương
pháp này, cọc được lý tưởng hóa thành chuỗi các
phần tử hữu hạn trong không gian một chiều trong
khi đó lực cản của đất đã được mô hình thành một
loạt các lò xo "đất" gắn tại các nút của các phần tử

cọc.
Chow (1981) [4] đã sử dụng phần tử đối xứng

Hình 1.11 Mô hình phần tử
hữu hạn
theo trục của cọc và đồ thị theo thời gian của
Wilson để phân tích vấn đề đóng cọc. Ông đã sử
dụng độ nhớt ở phần tử ngoài cùng của đất để tránh sóng ứng suất giả tạo, và 6 phần tử nút
để mô tả sự tương tác cọc đất. Ông cho rằng có sự khác nhau quan trọng giữa những mô
hình phương trình sóng và mô hình phần tử hữu hạn có thể bởi vì bản chất phức tạp hơn của
nhớt trong mô hình sau. Bằng cách sử dụng mô hình đất của Von Misses, ông thấy rằng hệ
số lực cản động ở mũi, Nd, (tương tự như Nc đối với tải tónh) trong quá trình đóng trong
khoảng từ 7 đến 35, với những giá trị lớn là cho lớp đất mềm hơn.
To (1985) [39] đã mở rộng nghiên cứu của Chow (1981) [4] lên cọc đóng, ông đã sử
dụng mô hình rời rạc như Chow (1981) và đã dự báo số liệu của Rigden và các tác giả
(1979) trên các cọc mở và đóng ở mũi, ông đã tinh lọc sơ đồ rời rạc tuy nhiên về cơ bản
cũng đã nhận được vẫn kết quả như vậy. Những kết quả này cho thấy rằng sơ đồ rời rạc của
Chow (1981) có thể thích hợp cho việc dự báo sức chịu của cọc.
1.3 Các phương pháp tính toán khả năng hạ cọc bằng búa rung và rung va


18
Trong những năm qua, nhiều tác giả đã nghiên cứu và đưa ra những phương pháp để
tính toán khả năng hạ cọc bằng búa rung và rung va. Theo tài liệu [43], dựa vào ưu nhược
điểm của từng loại ta có thể chia chúng thành 5 nhóm phương pháp chính như sau :


Phương pháp thông số.



Phương pháp năng lượng.



Phương pháp thực nghiệm và kiểm tra mô hình.



Phương pháp cho búa rung va.



Phương pháp phi tuyến phụ thuộc thời gian.

1.3.1 Phương pháp thông số
Theo phương pháp này, những đặc tính của hệ búa - cọc - đất được kiểm tra đối chiếu
với một số tiêu chuẩn để xác định khả năng hạ cọc của máy rung. Sau đây là một số
phương pháp :


Phương pháp xác định lực kích động của Tunkers [43] : Cơ sở chính của phương
pháp này là việc sử dụng công thức sau:
F dyn > s.A s
(1.4)
Trong đó:
s - Lực cản thân cọc trên một đơn vị diện tích, kPa
A s - Diện tích bề mặt thân cọc trong đất, m²



Phương pháp Savinov và Luskin [33] :
Phương pháp này được hai tác giả Savinov và Luskin thiết lập ở Nga, sử dụng để
tính toán cho việc hạ cọc bằng búa rung. Các bước tính được thực hiện như sau:
1) Xác định tải trọng động nhỏ nhất theo điều kiện :
Wdyn > p o. A t
Trong đó :
A t - Diện tích mũi cọc ( m2)
p o - Áp lực mũi của hệ, kPa ( tra bảng)

(1.5)

2) Xác định lực cản đất :
Đối với trường hợp hạ cọc bằng rung động, lực cản đất có thể được xác định
dựa vào công thức sau:

Fcr =

i=k

∫ Z.∑ s l

i i

(Cọc nói chung)

(1.6)

(Cọc ván)

(1.7)

i =1

Fcr =

i=k

∫ ∑s l

i i

i =1

Trong đó:
F cr - lực đóng cọc tới hạn, kN
Z- Chu vi cọc, m
S i - lực cản thân cọc trên một đơn vị diện tích hoặc chiều dài (kPa
hoặc kN/m) - Số liệu này dựa vào bảng tra.
l i - Chiều dài một đoạn cọc (m). Cọc được chia thành từng đoạn
theo chiều dài, ứng với mỗi đoạn là l i , khi đó lực cản đất s theo từng


19
đoạn sẽ được lấy theo bảng tra, phụ thuộc vào loại đất ứng với từng
đoạn cọc nằm trong đó.
3) Tính lực kích động của bánh lệch tâm: trước hết lực kích động được tính dựa
trên hai điều kiện sau:
* Hệ số cản đất: Lực động cần lớn hơn lực cản đất tính theo điều kiện:
(1.8)

Fdyn ≥ ℵ.Fcr / ψ
Trong đó:
ψ : hệ số loại cọc (0,8 cho cọc bê tông và 1 cho các loại cọc khác)
ℵ : Hệ số giãn nở của đất (nằm trong khỏang 0,6 đến 0,8 đối với tần số
dao động từ 5 đến 10 Hz và 1 đối với các tần số khác.)
* Hệ số tính đến gia tốc của hệ: giá trị cực đại của gia tốc cần nằm trong
khoảng :
n 1 < Fdyn. Wdyn < n 2
(1.9)
Giá trị n 1 và n 2 được cho trong tra.
4) Tính toán tần số cần thiết để đảm bảo vận tốc dao động nhỏ nhất.
5) Tính toán momen tónh phần lệch tâm.
6) Biên độ dao động cực đại được tính toán dưới đây cần thỏa mãn giá trị khuyến
cáo theo bảng tra.
7) Tính toán công suất động cơ.
 Ưu nhược điểm của phương pháp thông số :


Ưu điểm chính của phương pháp thông số là có công thức tính tương đối đơn giản.
Phương pháp được dựa trên kinh nghiệm từ đó đã đưa vào công thức các hệ số làm
cho việc tính toán được dễ dàng.



Nhược điểm : Phương pháp thông số có hai nhược điểm :
- Không phương pháp nào yêu cầu sự phù hợp cần thiết khi có những thay đổi xuất
hiện trong quá trình hạ cọc bằng rung động hay có những mối quan hệ tương tác
giữa những thay đổi đó. Các phương pháp trên đều không thực hiện cho những hệ
làm việc ở tần số lớn hơn 25-30 Hz.
- Không phương pháp nào tính đến ảnh hưởng của vận tốc hạ cọc như một thông số

hay như một kết quả. Đối với việc hạ cọc bằng búa rung thì vận tốc hạ cọc là một
thông số cũng quan trọng như độ sâu lún sau một va đập của búa va vậy.

1.3.2 Phương pháp năng lượng
Phương pháp năng lượng dùng để tính khả năng hạ cọc dựa trên kết luận : trong phần
lớn quá trình hạ cọc bằng rung động, công suất sản sinh trong hệ bằng bộ phận tạo rung thì
bằng với công tiêu tốn để thắng lực cản đất. Phương pháp năng lượng là phương pháp tính
ở trạng thái bình ổn mà không tính đến ảnh hưởng của quá trình chuyển đổi.
Một số phương pháp :
- Phương pháp Davinson [7] :
Phương pháp Davinson đã đề xuất một công thức dự báo sức chịu tải của cọc khi đóng
bằng loại búa rung cộng hưởng Bodin BDR-100. Công thức được xác định trên cơ sở


20
độïng lực học, năng lượng tạo sau một vòng quay của bánh lệch tâm cân bằng với năng
lượng hệ búa truyền vào trong đất có tính đến hệ số tiêu tốn.
- Phương pháp Soviet-Snip [43] :
Phương pháp cũng được thành lập dựa trên cơ sở năng lượng và được ứng dụng cho
loại cọc ống bê tông dự ứng lực.
 Ưu nhược điểm của phương pháp năng lượng :


Phương pháp năng lượng có ba ưu điểm chính : Phương pháp được thực hiện khá
đơn giản. Việc phân tích quá trình hạ cọc bằng phương pháp này đã cho phép kết
hợp nhiều thông số. Phương pháp đã đưa ra được kết quả lún cọc (hay sức chịu tải
của cọc), từ kết quả lún cọc nhận được cho phép so sánh với những hệ búa cọc đất
khác.



Nhược điểm chính của phương pháp năng lượng lại nằm trong ưu điểm của phương
pháp này, đó là tính đơn giản của nó. Hơn nữa phương pháp này đã không tính đến
một số thông số cần thiết khi thành lập công thức hạ cọc. Trong những phương pháp
đã trình bày, mặc dù phương pháp Davinson là khá phổ biến nhưng chỉ sử dụng
được cho búa Bodin, là loại búa mà có tần số làm việc lớn hơn nhiều so với phần
lớn các loại búa rung khác. Ngược lại phương pháp Soviet- Snip có thể sử dụng rất
tốt cho những loại búa rung hạ cọc tần số thấp, điều này đã được kiểm chứng trong
thực tế. Để tính toán một cách đầy đủ năng lượng sản sinh và tiêu tán trong hệ thì
phương pháp cần được phát triển trong nhiều điều kiện làm việc thay đổi ở một
khoảng rộng hơn.

1.3.3 Phương pháp thực nghiệm và kiểm tra mô hình
Theo phương pháp này, việc hạ cọc đã được thực hiện trên các mô hình trong phòng
thí nghiệm nhằm để thiết lập những mối tương quan đáng tin cậy dựa trên bản chất vật lý
thực của hệ và được kiểm tra đo đạc với việc thay đổi các thành phần bên ngoài tác động
lên hệ. Thí nghiệm được tiến hành trong những thùng chứa đầy đất và cọc được đóng
xuyên qua thùng, theo phương đứng hoặc phương ngang.
Một số phương pháp [43] :
- Phương pháp Bernhard : là phương pháp tính khả năng mang tải tónh với việc sử
dụng công thức sau:
R u = f.N.l/(V sys .l soil )
(1.10)
Trong đó:
l soil - Chiều dài đoạn cọc lún trong đất, m
f- Hệ số mất mát phụ thuộc vào loại đất (Giá trị được đề nghị là 0,1)
- Công thức Schmid và Hill: Hai tác giả đã đề nghị việc tính gần đúng vận tốc hạ dựa
trên cơ sở giảm tải tónh nhö sau:
V sys = 0,417.g.n 0,75·((W st +W dyn ). R u + 0,0036.n - 0,018)/

θ

(1.11)

Cọc đã được đóng trong loại đất đặc biệt và kiểm tra suốt quá trình hạ. Việc kiểm tra
tới tần số cực đại là 30Hz.
- Công thức O’Neill : Công thức được rút ra từ việc kiểm tra búa rung khi hạ cọc trong
bồn chứa caùt:


21
R u = 0,050.N'/(V sys (σ' h /92,8-0,486)·(1,96·D r -1,11)(1,228-0,19·d 10 ))
Trong đó:
σ' h - Năng suất hiệu quả theo phương pháp, kPa.
D r – Độ chặt tương đối.
d 10 - Độ hạt, mm.
N’ - Công suất phân bố lên đầu cọc, kW.

(1.12)

 Ưu nhược điểm của phương pháp thực nghiệm :


Ưu điểm của phương pháp phòng thí nghiệm là đã đưa ra các kết quả được kiểm
chứng qua việc thay đổi các thành phần tác động lên hệ.



Nhược điểm chính của phương pháp này là các công thức được rút ra từ một điều
kiện thí nghiệm cụ thể mang tính cục bộ. Những công thức đó chỉ được sử dụng ở

trong những trường hợp có điều kiện thực hiện tương tự như đã thí nghiệm. Cũng
vậy, không một công thức nào ở trên có một sự hiểu biết đầy đủ các thông số đưa
vào trong thí nghiệm.

1.3.4 Phương pháp cho búa rung va
Phương pháp này do tác giả Tseitlin [41]
nghiên cứu dựa trên những kết quả kinh
nghiệm. Ông đã thiết lập các vùng xảy ra chế
độ rung - va thể hiện trên hình 1.12. Nhìn vào
hình này ta thấy có 3 vùng mà chế độ rung - va
có thể xảy ra. Tuỳ theo các giá trị của α' và ξ1
mà ta có thể xác định được vùng mà ta đang
tính toán. Chế độ rung va có thể xảy ra nếu
tổng của f và γ lớn hơn 8 (vùng 1), lớn hơn 4
(vùng 2) và lớn hơn 2 (vùng 3).
Trong đó :
Hình 1.12. Ranh giới vùng tồn tại
α' - góc lệch pha của va đập; thông thường
chế độ rung va lún
nên lấy nằm trong khoảng từ 171/20 đến 30
0
(theo Tseitlin, 1987)
.
ξ 1 - Tỉ số của tần số dao động riêng của bộ
phận tạo lực kích trên tần số của va đập.
f - Tỉ lệ giữa ma sát thân cọc trên lực động do phần lệch tâm.
γ - Tỉ lệ lực cản mũi cọc trên lực động do phần lệch tâm.
Kết quả nghiên cứu của Tseitlin rất quan trọng, nó là cơ sở để chúng ta xác định được
vùng xảy ra chế độ rung va lún khi khảo sát quá trình hạ cọc bằng búa rung va.
1.3.5. Phương pháp phi tuyến phụ thuộc thời gian

Đây là phương pháp mới nhất được áp dụng trong việc tính toán quá trình hạ cọc.
Phương pháp này tìm cách giải phương trình vi phân huyển động của hệ thông qua tích
phân số. Do sự phát triển mạnh mẽ của các phần mềm phân tích, tính toán trên máy tính
điện tử nên phương pháp này càng trở nên rất tiện dụng. Dựa vào đặc điểm thực hiện, các
phương pháp này được chia làm hai loại:


22


Phương pháp trong đó cọc được giả thiết cứng tuyệt đối :

Trong phương pháp này, cọc được coi là vật cứng tuyệt đối, các lực tác dụng lên cọc
là lực ma sát lên thân cọc phụ thuộc vào chiều vận tốc di chuyển của cọc và lực mũi
cọc. Việc giải phương trình đã được thực hiện thông qua các thông số không thứ nguyên
cho việc hạ cọc bằng rung động và rung va. Một trong những phương pháp kiểu này là
phương pháp VIBDRIVE : Đây là phương pháp sử dụng cho hệ cọc là một vật cứng
tuyệt đối có lực ma sát và lực cản đất tác dụng lên cọc. Hệ đã được giải bằng cách sử
dụng phương pháp Euler có cải tiến, đó là giải hệ phương trình vi phân bằng chương
trình TTI.
Gần đây nhất, Viking, 2002 [42] cũng dựa theo phương pháp này để phân tích đóng
cọc ván bằng phương pháp rung. Ông thiết lập sự cân bằng lực đối với cọc, sử dụng
định luật hai Newton để tính toán gia tốc cọc và tích phân gia tốc để thu được tốc độ
lún cọc. Phương pháp của Viking dựa trên giả thiết coi cọc cứng tuyệt đối và dựa theo
mô hình đất của Holeyman và các cộng sự, 1996 [19]. Trên hình 1.13 thể hiện mô hình
cọc - đất cơ bản của Holeyman. Mô hình này không chỉ bao gồm lực cản thân cọc và
lực cản mũi mà còn có lực ma sát quanh thân cọc. Trên thực tế, lực cản thân cọc và lực
ma sát thân cọc được xem xét theo một cách giống nhau, có nghóa chúng đều là các
thành phần lực cản dẻo lý tưởng. Quan trọng hơn, lực cản thân cọc khác với lực cản mũi
là nó có thành phần cản âm hướng xuống khi cọc dịch chuyển lên trong khi lực cản mũi

chỉ có thành phần dương. Mô hình đơn giản hoá của Holeyman tính toán vận tốc trong
khi cọc dịch chuyển lên và xuống. Thành phần lực cản được mô hình hoá là các lực cản
dẻo lý tưởng tác dụng lên thân cọc và mũi cọc. Một phần quan trọng của mô hình
Holeyman là sự giảm lực cản tónh thân cọc và mũi cọc liên quan tới một giá trị được gọi
là "hoá lỏng". Lực cản giữa đất và cọc do sự hoá lỏng của đất được tính toán như là một
hàm của biên độ dao động.
Viking cũng mô tả mô hình đất theo Vanden Berghe (hình 1.14). Mô hình này
cũng bao gồm lực cản thân cọc và lực cản mũi cọc (thực nghiệm). Lực cản thân cọc
được tính toán dựa trên việc phân tích vài phần tử đất hình trụ xung quanh cọc để mô
hình sự tắt dần. Lực cản thân cọc cũng được xem là một hàm của biến dạng của đất. Mô
hình lực cản thân cọc là đối xứng, có nghóa lực cản hướng lên và lực cản hướng xuống
có cùng giá trị. Các thông số trong mô hình đất dựa trên các kết quả trong phòng thí
nghiệm.


Hình 1.13. Mô hình đóng cọc
(theo Holeyman, 1996)

23

Hình 1.14. Mô hình cọc - đất
(theo Viking, 2002)

Tác giả Nguyễn Hồng Ngân, 2003 [23] cũng dựa trên mô hình cọc cứng tuyệt đối
để nghiên cứu và chế tạo một loại búa rung va cỡ nhỏ để hạ cọc cừ tràm vào nền đất
yếu ở Tp. Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam. Kết quả thực tế thi công cho thấy tính
hiệu quả của loại búa này.


Phương pháp trong đó hệ được phân thành nhiều khối lượng có liên kết với phần tử

đàn hồi (Cơ sở phương trình sóng) :
- Phương pháp VIBEWAVE [43] : Đây là phương pháp cải tiến lên từ chương trình
TTI (đã đề cập trong mục 1.2.2), có sử dụng phiên bản sửa đổi của phương pháp
Euler. Phương pháp sử dụng cho mô hình hệ cọc phân thành nhiều phần tử hữu hạn
nối nhau bằng lò xo và đệm giảm chấn.
- Phương pháp TNOWAVE [43] : Đây cũng là phương pháp sử dụng phương trình
sóng để phân tính việc hạ cọc bằng búa rung.

 Nhận xét:
So sánh các phương pháp ta nhận thấy phương pháp phi tuyến phụ thuộc thời gian là
phương pháp đầy đủ nhất được sử dụng cho việc phân tích việc hạ cọc bằng rung động.
Phương pháp đã tính đến tất cả các biến của hệ thông qua mô hình hệ búa cọc đất.
Điểm yếu chính của phương pháp này là yêu cầu tính chính xác của các thành phần
tham gia vào mô hình tính. Muốn vậy cần hiểu và thiết lập hệ khảo sát một cách đầy đủ
và chính xác.
Đây chính là phương pháp chúng ta sẽ sử dụng để mô phỏng quá trình hạ cọc bằng búa
rung va ở những chương sau do những thuận lợi về các tiến bộ trong việc sử dụng
phương pháp số trên máy tính cùng với những phần mềm hiện đại đã được cập nhật.
1.4 Mục đích của luận văn và các bước giải quyết
1.4.1 Mục đích của luận văn
Dựa trên cơ sở của các nghiên cứu về lónh vực đóng cọc, luận văn sẽ thiết lập một mô
hình hệ búa - cọc - đất hợp lý và tin cậy, phản ảnh đầy đủ quá trình hạ cọc bằng rung va
vào trong đất nền. Điểm mới của luận văn là từ mô hình đó, ứng dụng những công cụ toán
hiện đại trên máy tính để mô phỏng và phân tích quá trình đóng cọc (từ lúc bắt đầu cho đến
khi kết thúc đóng cọc), đánh giá những giá trị tương đối của hệ búa - cọc - đất, từ đó đề
xuất các thông số làm việc hợp lý của búa rung - va.
1.4.2 Các bước giải quyết
Để giải quyết bài toán nêu trên, luận văn sẽ được thực hiện theo những bước như sau :
Chương 1 : Tổng quan về búa rung va, các mô hình đóng cọc và các phương pháp tính
toán khả năng hạ cọc bằng phương pháp rung và rung va.

Chương 2 : Luận văn sẽ nghiên cứu các phương pháp khảo sát động lực học của hệ búa
- cọc - đất, khả năng ứng dụng của các mô hình đóng cọc và từ đó có những nhận xét về
các giá trị tương đối của hệ búa - cọc - đất.
Chương 3 : Luận văn sẽ nghiên cứu và thiết lập một mô hình mô phỏng quá trình lún
cọc bằng búa rung va vào trong đất nền, từ đó thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển