Phân tích chuyển vị và nội lực của cọc chịu lực ngang trong công trình cảng

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

NGUYỄN QUỐC HUY

PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ VÀ NỘI LỰC CỦA CỌC
CHỊU LỰC NGANG TRONG CƠNG TRÌNH CẢNG

Chun ngành : Địa kỹ thuật xây dựng
Mã số:60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS VÕ PHÁN
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 2013
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


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN QUỐC HUY

MSHV: 10094296

Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1984

Nơi sinh : Đồng Tháp

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng

Mã số : 60 58 60

I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ VÀ NỘI LỰC CỦA CỌC CHỊU
LỰC NGANG TRONG CÔNG TRÌNH CẢNG.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về cọc chịu tải trọng ngang.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết của tính tốn cọc chịu tải trọng ngang.

Chương 3. Đặc thù tính tốn của cọc chịu tải trọng ngang trong cơng trình Cảng.
Chương 4. Ứng dụng tính tốn cơng trình kho lạnh LPG Thị Vải.
Kết luận - Kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Võ Phán

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS TS VÕ PHÁN

PGS TS VÕ PHÁN
TRƯỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn chính Nhà giáo ưu tú
PSG TS Võ Phán, người đã luôn tận tình hướng dẫn, động viên và truyền cảm
hứng nghiên cứu khoa học cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện
luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy cô trong bộ môn đã
truyền dạy những kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức xã hội, hỗ trợ về
tài liệu tham khảo để tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ luận văn đã được giao.
Xin cảm ơn những người bạn trong lớp Địa kỹ thuật xây dựng 2011- Đợt 2
đã luôn đồng hành hỗ trợ tôi về mặt tinh thần cũng như tài liệu chuyên ngành
trong suốt thời gian khóa học.

Tuy nhiên, trong luận văn chắc chắn sẽ không tránh được những sai sót.
Kính mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô, đồng nghiệp để luận văn hoàn
thiện hơn để có thể ứng dụng tốt vào thực tế thiết kế.
Trân trọng!
Học viên
Nguyễn Quốc Huy


TÓM TẮT
PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ VÀ NỘI LỰC CỌC CHỊU LỰC NGANG TRONG
CÔNG TRÌNH CẢNG

Công trình Bến trên nền cọc là một giải pháp hiệu quả cho những vùng địa chất
yếu. Vấn đề chính trong việc thiết kế những công trình có kết cấu như thế là giải
quyết bài toán cọc chịu lực ngang (chủ yếu là lực va và neo tàu). Mặc dù hiện
nay có rất nhiều các phần mềm như Abaqus, Plaxis, FB-Pier… có thể tính toán
được các bài toán cọc đơn cũng như nhóm cọc chịu lực ngang, tuy nhiên các
phần mềm này chỉ tính được các trường hợp tổ hợp tải đơn giản trong khi tính
toán công trình bến đòi hỏi phải tính cho rất nhiều tổ hợp tải. Thông thường cách
làm của các kỹ sư thiết kế công trình Cảng là sử dụng mô hình cọc-đất-công
trình, trong đó cọc được mô hình là các cọc tương đương theo nhiều cách khác
nhau. Do đó cần có sự phân tích đánh giá các mô hình trên nhằm tìm ra mô hình
phù hợp để ứng dụng vào thực teá.

ABSTRACT
ANALYSIS DEPLACEMENT AND INTERNAL FORCES OF PILES
UNDER LATERALLY LOADING IN PORTS.
Structure on pile foundation of Harbour is a effective solution for weak soil
regions. The main task for these structures is solving piles under laterally loading
math (cause by ships impact and mooring). Although there are now many

softwares such as Abaqus, Plaxis, FB-Pier… can use for calculations the piles and
pile groups under laterally loading, however they are just useful for some simply
combinations while the calculations for port design require more. Port designers
usually use pile-soil-structure model, in which piles is modeled as equivalent


piles in many ways. Therefore there are should be have an analysis to assess
these models in oder to find the appropriate model.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................1 
ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................... 1 
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ................................................................................ 1 
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................ 2 
TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................... 2 
TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................... 2 
GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .......................................................... 3 
CHƯƠNG 1: 

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỌC CHỊU LỰC

NGANG

.....................................................................................................4 

CHƯƠNG 2: 

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN CỌC CHỊU LỰC

NGANG

................................................................................................... 13 

2.1.  Phương pháp dự báo sức chịu tải ngang của Brom.................................... 13 
2.1.1. Tính toán cọc ngắn............................................................................... 15 
2.1.2. Tính toán cọc dài ................................................................................. 19 
2.2.  Phương pháp xấp xỉ phản lực nền- Ree & Matlock .................................. 27 
2.3.  Phương pháp của Davvison&Gill .............................................................. 32 
2.4.  Phương pháp hệ số nền: ............................................................................. 33 
2.4.1. Phương pháp mô hình Winkler ............................................................ 33 
2.4.2. Phương pháp đường cong P-y: ............................................................. 35 
2.4.3. Xấp xỉ congtinum đàn hồi: ................................................................... 40 


2.4.4. Phương pháp phần tử hữu hạn: ............................................................ 42 
2.5.  Kết luận chương 2:..................................................................................... 42 
CHƯƠNG 3: 

ĐẶC THÙ TÍNH TOÁN CỦA CỌC CHỊU LỰC NGANG

TRONG CÔNG TRÌNH CẢNG .......................................................................... 44 
3.1.  Các đặc thù của công trình Cảng .............................................................. 44 
3.2.  Các mô hình thường sử dụng trong tính toán công trình Cảng .................. 45 
3.2.1. Mô hình ngàm cứng ............................................................................. 45 
3.2.2. Mô hình ngàm trượt ............................................................................. 46 
3.2.3. Mô hình cọc tương đương..................................................................... 47 
3.2.4. Mô hình gối đàn hồi............................................................................. 48 
3.3.  Mô hình “cọc-lò xo phi tuyến” .................................................................. 49 
3.4.  Kết luận chương 3:..................................................................................... 50 

CHƯƠNG 4: 

ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH KHO - CẢNG

CHỨA LPG LẠNH THỊ VẢI .............................................................................. 51 
4.1.  Giới thiệu công trình .................................................................................. 51 
4.1.1. Tổng quan ............................................................................................ 51 
4.1.2. Đặc điểm địa chất công trình ............................................................... 51 
4.2.  Thí nghiệm nén ngang cọc ........................................................................ 55 
4.2.1. Mục đích thí nghiệm ............................................................................ 55 
4.2.2. Dụng cụ thí nghiệm [13] ...................................................................... 55 
4.2.3. Quy trình thí nghiệm [13] .................................................................... 56 
4.2.4. Kết quả thí nghiệm .............................................................................. 57 


4.3.  Môâ phỏng cọc bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) – Phần mềm
Plaxis 3D Foundation ........................................................................................ 58 
4.3.1. Phương phaùp PTHH ............................................................................. 58 
4.3.2. Giới thiệu về phần mềm Plaxis ............................................................. 60 
4.3.3. Các thông số nhập vào phần mềm ...................................................... 62 
4.4.  Mô phỏng cọc bằng phần mềm SAP2000 (áp dụng phương pháp đường
cong p-y) ........................................................................................................... 67 
4.5.  Đề xuất hiệu chỉnh đường cong p-y cho lớp sét mềm ............................... 77 
4.6.  Tính toán sự ảnh hưởng của chiều dài tự do đến khả năng chịu lực ngang
của cọc .............................................................................................................. 81 
4.7.  Kết luận chương 4:.................................................................................... 84 
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ................................................................................. 85 
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 85 
KIẾN NGHỊ ...................................................................................................... 85 
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 87 

DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1: Công trình Cảng xăng dầu PETEC – Cái Mép sửû dụng cọc ống thép
D812.8x16.1mm ..................................................................................................... 4 
Hình 1-2: Phần tử tách ra từ dầm-cọc để tính tóan (Theo Hetenyi 1946).[1] ........ 6 
Hình 1-3. Dạng kết quả đạt được từ cách tính của Hetenyi [1] ............................. 7 
Hình 1-4. Dạng phân bố phản lực nền trong đất sét theo Broms [2] ..................... 8 
Hình 1-5. Mô hình cọc chịu lực ngang theo phương pháp đường cong p-y [1] .... 10 
Hình 1-6. Dạng đường cong p-y cho đất sét mềm đến cứng theo Matlock. [3] ... 11 
Hình 1-7. Dạng đường cong p-y cho đất cát theo Reese, Cox và Coop. [3] ........ 11 
Hình 2-1. Biểu đồ phản lực đất nền và moment uốn dọc thân cọc ngắn trong nền
đất dính (đầu cọc tự do) [2] .................................................................................. 15 
Hình 2-2. Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc ngắn trong đất dính .. 16 
Hình 2-3. Biểu đồ ước lượng giá trị lực ngang tới hạn cho cọc ngắn trong đất
dính theo Broms. [2] ............................................................................................. 17 
Hình 2-4. Biểu đồ phản lực đất nền và moment uốn dọc thân cọc ngắn trong nền
đất rời (đầu cọc tự do) [2] .................................................................................... 17 
Hình 2-5. Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc ngắn trong nền đất rời
(đầu cọc bị ngàm) [2] ........................................................................................... 18 
Hình 2-6. Biểu đồ xác định lực ngang tới hạn cho cọc ngắn trong đất cát theo
Broms [2] .............................................................................................................. 19 
Hình 2-7. Tính toán cọc dài theo Broms [2] ......................................................... 20 
Hình 2-8. Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc trong đất dính theo
Broms (Đầu cọc tự do). [2] ................................................................................... 20 
Hình 2-9. Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc dài trong đất dính theo
Broms (Đầu cọc bị ngàm). [2] .............................................................................. 22 
Hình 2-10. Biểu đồ xác định lực ngang tới hạn cho cọc dài trong đất dính theo
Broms.[2] .............................................................................................................. 23 
Hình 2-11. Biểu đồ phản lực nền và moment uốn cọc dài trong nền cát theo

Broms (Đầu cọc tự do). [2] ................................................................................... 23 
Hình 2-12. Biểu đồ phản lực nền và moment uốn cọc dài trong nền cát theo
Broms (đầu cọc bị ngàm) [2]................................................................................ 24 
Hình 2-13. Biểu đồ xác định lực ngang tới hạn cho cọc dài trong nền cát theo
Broms.[2] .............................................................................................................. 25 
Hình 2-14. Biểu đồ xác định chuyển vị y0 tại đầu cọc (nền đất dính) [2] ........... 26 
Hình 2-15. Biểu đồ xác định các hệ số tính toán cho cọc chỉ chịu lực ngang.
(Trường hợp Modul tăng tuyến tính theo chiều sâu và đầu cọc tự do) [1] .......... 28 


Hình 2-16. Biểu đồ xác định các hệ số tính toán cho cọc chỉ chịu moment.
(Trường hợp Modul đất nềntăng tuyến tính theo chiều sâu và đầu cọc tự do) [1]
.............................................................................................................................. 29 
Hình 2-17. Biểu đồ xác định các hệ số tính toán cọc khi chịu lực ngang. (Trường
hợp đầu cọc bị ngàm) [1] ..................................................................................... 30 
Hình 2-18. Biểu đồ xác định Cy phục vụ tính toán cọc chịu cả lực ngang và
moment [1] ........................................................................................................... 31 
Hình 2-19. Biểu đồ xác định các hệ số phục vụ tính toán cọc chịu lực ngang có
đầu tự do theo Davisson&Gill [2] ........................................................................ 32 
Hình 2-20. Các dạng đường cong p-y theo độ sâu. [2]......................................... 35 
Hình 3-1. Hệ cọc sử dụng trong bến hàng rời tại cảng Năm Căn (Cà Mau) ....... 44 
Hình 3-2. Mô hình cọc –đất bằng liên kết ngàm cứng. ....................................... 45 
Hình 3-3. Mô hình cọc-đất bằng liên kết ngàm trượt. ........................................ 46 
Hình 3-4. Mô hình cọc tương đương ..................................................................... 47 
Hình 3-5. Mô hình cọc-đất bằng các gối đàn hồi ................................................. 48 
Hình 3-6. Mô hình cọc-lò xo phi tuyến [11]......................................................... 50 
Hình 4-1. Hình ảnh thí nghiệm tại hiện trường .................................................... 56 
Hình 4-2. Biểu đồ chuyển vị đầu cọc [13]............................................................ 57 
Hình 4-3. Các dạng hình học đơn giản trong PTHH ............................................ 58 
Hình 4-4. Cấu trúc phần mềm Plaxis ................................................................... 61 

Hình 4-5. Chuyển vị của cọc sau các lần tăng tải (Mô phỏng bằng phần mềm
Plaxis) ................................................................................................................... 65 
Hình 4-6. Biểu đồ moment dọc thân cọc sau các lần tăng tải (Mô phỏng bằng
phần mềm Plaxis) ................................................................................................. 66 
Hình 4-7. Các đường cong p-y tại các độ sâu khác nhau trong lớp đất sét .......... 71 
Hình 4-8. Biểu đồ phân bố Pu của lớp sét .............................................................. 72 
Hình 4-9. Các đường cong p-y tại các độ sâu khác nhau trong lớp đất cát.......... 72 
Hình 4-10. Khai báo đường cong p-y vào phần mềm .......................................... 73 
Hình 4-11. Dạng chuyển vị và nội lực của cọc khi mô phỏng bằng phần mềm
SAP2000 theo phương pháp đường cong p-y. ...................................................... 73 
Hình 4-12. Biểu đồ chuyển vị của cọc sau các lần tăng tải (Mô phỏng bằng phần
mềm SAP2000) .................................................................................................... 74 
Hình 4-13. Biểu đồ phản lực đất nền (Mô phỏng bằng SAP2000) ...................... 74 
Hình 4-14. Biểu đồ moment của cọc (Mô phỏng bằng phần mềm SAP2000) .... 75 
Hình 4-15. Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị ngang đầu cọc..................... 75 
Hình 4-16. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số α và chuyển vị ngang đầu cọc .............. 78 
Hình 4-17. Đường cong p-y cho lớp sét mềm sau hiệu chỉnh .............................. 78 
Hình 4-18. Kết quả chuyển vị dọc thân cọc sau khi hiệu chỉnh đường cong p-y . 79 


Hình 4-19. So sánh kết quả tính toán chuyển vị đầu cọc sau hiệu chỉnh đường
cong p-y ................................................................................................................ 79 
Hình 4-20. Biểu đồ moment của cọc sau khi hiệu chỉnh đường cong p-y ............ 80 
Hình 4-21. Sơ đồ tính toán cọc có chiều dài tự do ............................................... 82 
Hình 4-22. Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài tự do và chuyển vị đầu cọc ............. 83 
Hình 4-23. Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài tự do và phản lực đất nền ............... 83 


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1. Bảng quan hệ giữa hệ số phản lực nền k1 và sức kháng cắt không

thoát nước của đất sét cứng cố kết trước [2] ........................................................ 14 
Bảng 2-2. Bảng xác định giá trị n1 [2] .................................................................. 21 
Bảng 2-3. Bảng xác định giá trị n2 [2] .................................................................. 21 
Bảng 2-4. Giá trị ε50 cho đất sét [3] ...................................................................... 36 
Bảng 2-5. Bảng giá trị cho ks [3] .......................................................................... 37 
Bảng 4-1. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp đất số 1 [12] ...................................... 52 
Bảng 4-2. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp đất số 2 [12] ...................................... 53 
Bảng 4-3. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp kẹp [12] ................................................... 54 
Bảng 4-4. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm [13] ................................................ 57 
Bảng 4-5. Bảng tổng hợp số liệu địa chất nhập vào phần mềm .......................... 62 
Bảng 4-6. Kết quả tính toán đường cong p-y cho lớp sét mềm tại cao độ 0.0m và
-0.5m ..................................................................................................................... 68 
Bảng 4-7. Kết quả tính toán đường cong p-y tại cao độ -1.5m và -1.5m ............. 69 
Bảng 4-8. Kết quả tính toán đường cong p-y tại cao độ -3.5m và -4.5m ............. 70 


CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

b

(m)

Bề rộng tiết diện cọc

cref

(kN/m2)

Cs

-

Cu

(Kpa)

Cy

-

D

(m)

Đường kính cọc

ε50

(%)

Biến dạng mẫu ứng với nửa cấp tải trọng phá hoại

Ε50

(Kpa)

Modul biến dạng ứng với nửa tải trọng phá hoại

Ep

(Kpa)

Modul đàn hồi vật liệu chế tạo cọc

Epy

(Kpa)

Modul biến dạng đất nền theo phương ngang

Es

(KN/m2)

Hu

(KN)

Lực ngang tối đa cọc có thể chịu

Ip

(m4)

Moment quán tính của tiết diện cọc

k1

(KN/m3)

Ka

-

kh

(KN/m3)

Kp

-

kx

m/day

Hệ số thấm của đất theo phương ngang

ky

m/day

Hệ số thấm của đất theo phương đứng

Lo

(m)

Chiều dài tự do của cọc

Ln

(m)

Chiều dài chịu nén của cọc

Lu

(m)

Chiều dài chịu uốn của cọc

M

(KNm)

Lực dính hữu hiệu của đất
Hệ số hình dáng cọc
Lực dính không thoát nước của đất
Hệ số tính chuyển vị cọc theo Reese & Matlock

Độ cứng gối đàn hồi của đất theo phương ngang

Hệ số phản lực nền
Hệ số áp lực chủ động
Hệ số phản lực nền theo phương ngang
Hệ số áp lực bị động

Moment tác dụng tại đầu cọc

MA

(KNm)

Moment trong cọc khi chỉ chịu moment

MB

(KNm)

Moment trong cọc khi chỉ chịu lực ngang

MF

(KNm)

Moment của cọc khi bị ngàm và chịu moment

Mt

(KNm)

Moment ngoại lực tác dụng tại đầu cọc

Myield

(Độ)

Moment uốn cho phép của cọc tính theo vật liệu

p

(KN/m)

PF

(KN)

Pu

(KN/m)

Sức kháng giới hạn cực đại tr6en đơn vị chiều dài cọc

Pult

(KN/m)

Sức kháng giới hạn cực đại tr6en đơn vị chiều dài cọc

Px

(KN)

Tải trọng thẳng đứng đầu cọc

Q

(KN)

Lực tác dụng thẳng đứng tại đầu cọc

qu

(KN/m2)

R28

(Kpa)

Cường độ chịu nén của bê tông ở 28 ngày

Ri

(m4)

Moment quán tính của tiết diện cọc

S

(Độ)

Góc xoay của cọc

SA

(Độ)

Góc xoay cọc khi chỉ chịu moment

SB

(Độ)

Góc xoay cọc khi chỉ chịu lực ngang

V

(KN)

Lực cắt trong cọc

VA

(KN)

Lực ngang trong cọc khi chỉ chịu moment

VB

(KN)

Lực ngang trong cọc khi chỉ chịu lực ngang

Vv

(KN)

Lực ngang tác dụng lên một phân tố cọc

W

(%)

Độ ẩm của đất

x

(m)

Độ sâu điểm đang xét

y

(m)

Chuyển vị của mẫu ứng với nửa tải trọng tới hạn

y

Phản lực đất nền trêân đơn vị chiều dài
Lực ngang của cọc khi bị ngàm và chịu moment

Sức kháng nén một trục của đất

(m/cm/mm) Chuyển vị ngang của cọc


yA

(m)

Chuyển vị cọc khi chỉ chịu moment

yB

(m)

Chuyển vị cọc khi chỉ chịu lực ngang

yc

(m)

Chuyển vị của mẫu ứng với nửa tải trọng tới hạn

yF

(m)

Chuyển vị của cọc khi bị ngàm và chịu moment

{ys}

-

Vecto cột chuyển vị

yo

(m)

γsat

kN/m3

Dung trọng riêng bão hòa của đất

γunsat

kN/m3

Dung trọng riêng không bão hòa của đất

ϕ

Độ (o)

Góc ma sát trong của đất

ν

-

ψ

Độ (o)

Chuyển vị cọc tại mặt đất

Hệ số Poisson
Góc giãn nở của đất


-1-

MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Cùng với xu hướng phát triển của xã hội, các công trình xây dựng ngày
càng lớn hơn về số lượng cũng như quy mô công trình phục vụ cho nhiều mục
đích khác nhau của con người. Giải pháp nền móng cho những công trình có tải
trọng lớn sẽ là các loại móng sâu nhằm tận dụng sức chịu tải của lớp đất tốt phía
bên dưới. Móng cọc là một trong những loại móng sâu được sử dụng rộng rãi
nhất vì tính ưu việt về mặt kỹ thuật cũng như vấn đề kinh tế của nó. Móng cọc
ngoài nhiệm vụ gánh đỡ tải trọng đứng còn phải tiếp nhận tải trọng ngang rất
lớn đến từ nhiều nguồn khác nhau như tải gió, tải sóng, tải va tàu, tải neo tàu,
động đất hay áp lực của mái dốc đất…
Vấn đề tính toán cọc chịu lực ngang thì rất phức tạp và có rất nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm đến lónh vực này, tuy nhiên mỗi tác giả có một quan điểm
tính toán khác nhau nên việc lựa chọn phương pháp của tác giả nào để áp dụng
cho bài toán thực tế đòi hỏi người thiết kế phải có sự hiểu biết rõ về các phương
pháp đó. Các kỹ sư thiết kế cảng hiện nay thường sử dụng mô hình khung phẳng
hoặc khung không gian để giải quyết bài toán nội lực trong cọc và dầm bản, tuy
nhiên việc đưa các chiều dài tính toán của cọc vào mô hình tính toán theo nhiều
cách nên cần có sự đánh giá các phương pháp đó nhằm tìm ra phương pháp tối
ưu nhất cho việc tính toán.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Trong công tác tính toán nội lực cho các công trình Cảng trên nền cọc
hiện nay chủ yếu sử dụng phần mềm Sap2000 để mô hình cho cả hệ công trình

và cọc. Tuy nhiên có nhiều cách mô hình cho phần cọc trong đất theo nhiều cách
như: Mô hình cọc ngàm tại một điểm giả định trong đất, mô hình một gối cứng


-2-

thẳng đứng và một gối ngang, mô hình các gối lò xo theo phương thẳng đứng và
phương ngang, mô hình các gối lò xo dọc theo thân cọc... Tuy nhiên vẫn chưa có
sự đánh giá kết quả tính toán từ các mô hình này. Do đó đề tài “Phân tích
chuyển vị và nội lực của cọc chịu lực ngang trong công trình Cảng” sẽ phân tích
nhằm tìm ra mô hình cọc-đất- công trình phù hợp để phục vụ tính toán các công
trình bến trên nền cọc.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp các nghiên cứu đã có về ứng xử
của cọc khi chịu tải trọng ngang.
Thí nghiệm hiện trường trên cọc đơn chịu tải trọng ngang.
Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation đđể mơ phỏng thí nghiệm nén
ngang cọc, tiếp đó sử dụng phần mềm tính toán kết cấu Sap2000 V.14.2 để tính
toán cọc đơn chịu lực ngang theo phương pháp đường cong p-y. So sánh kết quả
của các phương pháp tính so với kết quả thực tế rồi rút ra kết luận.
Tiến hành hiệu chuẩn số liệu đầu vào cho đường cong p-y để có kết quả
tính toán phù hợp với kết quả thí nghiệm hiện trường.
TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
Hướng nghiên cứu của tác giả về ứng xử của cọc khi chịu tải trọng ngang
phù hợp với xu hướng nghiên cứu móng cọc của Việt Nam cũng như trên Thế
Giới.
Nghiên cứu giúp cho các kỹ sư thiết kế có sự lựa chọn mô hình tính toán
cọc chịu lực ngang phù hợp để áp dụng tính toán cho các bài toán móng cọc.
TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Việc sử dụng các phần mềm tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử

hữu hạn đang phát triển rất nhanh, kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp người


-3-

thiết kế chọn lựa được mô hình tính toán phù hợp cho mỗi phần mềm nhằm tìm
ra được ứng xử phù hợp với thực tế làm việc của cọc, tận dụng được tối đa sự
làm việc của cọc giúp giảm kinh phí xây dựng mà công trình vẫn đảm bảo an
toàn.
GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài không xét đến hiệu ứng của nhóm cọc khi giải bài toán khung
phẳng và khung không gian.
Việc tính toán mới chỉ dừng lại ở ứng xử của cọc khi chịu tải ngang tónh.
Đề tài chỉ hiệu chỉnh đường cong p-y cho lớp đất tại một khu vực.
Kết quả thí nghiệm hiện trường chưa thực hiện được cho cọc có chiều dài
tự do lớn, chưa có thiết bị theo dõi chuyển vị cũng như ứng suất dọc thân cọc.


-4-

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỌC CHỊU LỰC
NGANG

Việc ứng dụng cọc vào các công trình chịu tải trọng ngang đã được ứng dụng
rộng rãi từ rất lâu, cùng với đó là các công trình nghiên cứu của rất nhiều các tác
giả trên Thế Giới. Tiêu biểu là các công trình nghiên cứu của Hetenyi (1946),
Terzaghi (1955), Broms (1964), Reese (1984), Duncan (1994)…
Đối với móng cọc chịu tải trọng ngang, các yếu tố quan trọng sau đây là ảnh

hưởng chính:
¾ Sức kháng của đất nền xung quanh cọc.
¾ Liên kết đầu cọc.
¾ Loại tải trọng tác dụng.

Hình 1-1: Công trình Cảng xăng dầu PETEC – Cái Mép sửû dụng cọc ống thép
D812.8x16.1mm


-5-

Việc tính toán cọc chịu lực ngang chủ yếu dựa vào các công thức kinh
nghiệm thiết lập trên các thí nghiệm mô hình cọc-đất trong phòng thí nghiệm
hay các thí nghiệm thực tế ngoài hiện trường.
Có nhiều phương pháp tính tải trọng ngang của cọc như phương
pháp dự báo của Broms; Meyerhof; Reese-Matlock; cọc chịu tải ngang theo
TCVN 205:1998 và hiện nay đang thông dụng nhất là cách tính toán cọc chịu lực
ngang theo phương pháp phần tử hữu hạn.
Phương pháp cổ điển nhất là của Hetenyi 1946 xem cọc và đất là vật liệu
đàn hồi, mô hình đơn giản này đã được sử dụng rất rộng rãi. Tác giả đã sử dụng
những giả thiết sau để giải quyết bài toán: [1]
¾ Cọc thẳng và có tiết diện không đổi theo chiều dài,
¾ Lực tác dụng và phản lực cùng nằm trong một mặt phảng,
¾ Vật liệu chế tạo cọc là đồng nhất và đẳng hướng,
¾ Sức chịu tải theo vật liệu của cọc lớn hơn sức chịu tải theo đất nền,
¾ Modul đàn hồi của vật liệu làm cọc giống nhau cho cả trường hợp
chịu kéo và chịu nén,
¾ Chuyển vị ngang của cọc là nhỏ,
¾ Cọc không chịu tải động,
¾ Chuyển vị do lực cắt gây ra là nhoû.

-6-

Hình 1-2: Phần tử tách ra từ dầm-cọc để tính tóan (Theo Hetenyi 1946).[1]
Từ sự phân tích lực như hình trên, lập phương trình cân bằng moment ta có

(M + dM ) − M + Px dy − Vv dx = 0

(1.1)

dM
dy
+ Px
− Vv = 0
dx
dx

(1.2)

Hay

Lấy đạo hàm phương trình trên theo x được:

d2M
d 2 y dVv
+ Px 2 −
=0
dx
dx2

dx

(1.3)

Mặt khác ta có quan hệ:

d2M
d4 y
= Ep I p 4
dx2
dx

(1.4)

dVv
=p
dx

(1.5)


-7-

p = E py . y

(1.6)

Từ đó sẽ có phương trình cơ bản:

d4 y

d2 y
E p I p 4 + Px 2 + E py . y = 0
dx
dx

(1.7)

Khi xeùt đến tải trọng ngang phân bố trên một đơn vị chiều dài cọc W, ta có
phương trình cân bằng mới:

d4 y
d2 y
E p I p 4 + Px 2 − p + W = 0
dx
dx

(1.8)

Hình 1-3. Dạng kết quả đạt được từ cách tính của Hetenyi [1]
Năm 1955 Terzaghi đề xuất giá trị modul cho đđất nền nhằm phục vụ tính
toán chuyển vị và moment uốn của cọc và ông cũng khuyến cáo rằng những giá
trị modul đđược cho trong bảng chỉ thích hợp cho trường hợp tải trọng ngang nhỏ
bằng một nửa sức chịu tải của đđất nền.
Mô hình này được tiếp tục phát triển bởi Poulos và các cộng sự như Davis
1980 và Hull 1989. Các tác giả đã thêm vào các thông số của cọc và xét một số
trường hợp cọc đơn chịu lực ngang và cả sự tương tác giữa các cọc trong nhóm.


-8-

Phương pháp này cũng gây được sự chú ý nhưng nó vẫn chưa rõ ràng khi tính
toán những chuyển vị lớn hơn.
Tương tự như mô hình trên, cũng xem cọc là đàn hồi nhưng được đặt vào
trong nền đất theo mô hình phần tử hữu hạn, Yegian& Wright 1973 và
Thompson 1977 đã đề xuất mô hình với hai thông số. Các tác giả sử dụng mô
hình mặt phẳng ứng suất và thu được các đường cong ứng xử của đất gần giống
với kết quả từ thí nghiệm mô hình. Gần đây hơn là Portugal & Seco e Pinto 1993
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dựa vào đường cong p-y và cũng thu được
những kết quả rất tốt trong việc dự đoán ứng xử của các cọc trong móng cầu
Portuguese.
Broms 1964 giả thiết sự phân bố sức kháng cắt không thoát nước của đất
rời tăng tuyến tính theo độ sâu và đất dính có sức kháng cắt không thay đổi theo
chiều sâu. Tùy vào điều kiện biên của đầu cọc (ngàm hay tự do) sẽ thiết lập
được các công thức tính lực ngang giới hạn từ các phương trình cân bằng lực và
moment.

Hình 1-4. Dạng phân bố phản lực nền trong đất sét theo Broms [2]
Theo cách này có thể dễ dàng ước lượng được sức chịu tải ngang của cọc
khi đi qua lớp đất nền đồng nhất. Tuy nhiên thực tế cọc có thể sẽ đi qua nhiều
lớp đất khác nhau và cũng không phải là đất dính hay rời hoàn toàn nên việc áp


-9-

dụng phương pháp này vào thực tế còn hạn chế. Mặt khác đây là phương pháp
chỉ ước lượng được sức chịu tải ngang, chuyển vị ngang tại mặt đất, không cho
các giá trị chuyển vị và nội lực tại các điểm dọc thân cọc. Mặc dù còn nhiều hạn
chế nhưng phương pháp này vẫn thường được sử dụng vì sự đơn giản, đặc biệt là
khi tính toán cho các cọc ngắn cho kết quả đáng tin cậy. Do vậy người ta vẫn
thường sử dụng nó để kiểm toán các kết quả tính toán được từ phương pháp

đường cong p-y.
Duncan 1994 đề xuất phương pháp đặc trưng của tải trọng(CLM), có thể
dùng để giải quyết các vấn đề như: Chuyển vị tại mặt đất của cọc chịu lực ngang
cho cả trường hợp đầu cọc tự do và bị ngàm chuyển vị tại mặt đất của cọc khi
chịu moment tại mặt đất. Dạng phương trình tính toán cho cọc trong đất sét nhö
sau: [1]

⎡ c ⎤
Pc = 7.34.b ( E p Ri ) ⎢ u ⎥
⎢⎣ E p Ri ⎥⎦

0.68

2

(1.9)

Trong đó:
Pc: Tải trọng đặc trưng
b: Đường kính cọc
Ep: Modul đàn hồi vật liệu chế tạo cọc
Ri: Moment quán tính của cọc
Cu: Sức kháng cắt không thoát nước của đất
Endley 1997 cũng dựa trên việc điều chỉnh đường cong p-y để phát triển
phương trình giống như Duncan nhưng có thể sử dụng cho nhiều loại đất khác
nhau, áp dụng được cho cả cọc ngắn cũng như cọc dài.
Tuy nhiên phương pháp được đánh giá cao vì tính chính xác và khả năng
phát triển mạnh nhất là phương pháp đường cong p-y. Phương pháp này được
phát triển từ những năm 1940 nhằm phục vụ tính toán móng cọc cho giàn khoan