Phân tích khả năng chịu tải của cọc có xét đến phản lực đất nền

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

ĐINH VĂN THỨC

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT
ĐẾN PHẢN LỰC ĐẤT NỀN

Chuyên Ngành

: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số

: 605860

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
----  ---Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

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

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

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

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

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

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

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : ĐINH VĂN THỨC

MSHV

: 11094355

Ngày sinh

: 28/07/1980

Nơi sinh

: Hải Dương

Chuyên ngành

: Địa Kỹ thuật Xây dựng

Mã số

: 60.58.60

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Phân tích khả năng chịu tải của cọc có xét đến phản lực đất nền
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ: Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng của đất chịu ảnh hưởng của đất
xung quanh và dưới mũi cọc sau khi thi công trong điều kiện cấu tạo địa chất thực
tế. Kết quả phân tích kết hợp với kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc được phân tích sâu
hơn trên cơ sở các phương pháp khác nhau giúp đánh giá khả năng chịu tải cọc.
Nội dung:
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của việc hạ cọc lên
khả năng chịu tải của cọc.
Chương 2: Trạng thái ứng suất - biến dạng của đất nền xung quanh cọc và khả năng
chịu tải của cọc có xét đến phản lực đất nền.
Chương 3: Đánh giá khả năng chịu tải của cọc có xét đến ảnh hưởng của sự nén ép
đất do quá trình thi cơng ép cọc.
Kết luận và kiến nghị.
Phụ lục.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 21/01/2013

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/06/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Tp. HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

PGS.TS. VÕ PHÁN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Bùi Trường Sơn, đã tận tình
giúp đỡ, hướng dẫn Tơi trong suốt q trình thực hiện Luận Văn.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong bộ mơn Địa cơ Nền móng - Trường
Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM đã tận tình truyền đạt cho Tôi những kiến
thức quý báu trong thời gian Tôi học tập tại Trường để phục vụ cho Luận văn và
công việc của Tôi sau này.
Xin gửi lời cảm ơn đến Bạn bè và Đồng nghiệp. Những Người đã động viên,
chia sẻ những khó khăn trong cơng việc và hỗ trợ Tơi trong q trình học tập.
Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình và người thân, đã cho Tơi nguồn động viên tinh
thần to lớn để hoàn thành Luận văn này.
Học viên
Đinh Văn Thức


Phân tích khả năng chịu tải của cọc có xét đến phản lực đất nền
Tóm tắt
Do q trình thi cơng, đất nền xung quanh và dưới mũi cọc nén chặt gây
phản lực, khả năng chịu tải của cọc có xét đến phản lực đất nền (đất bị nén ép) lớn

hơn trường hợp khơng xét. Việc phân tích kết quả nén tĩnh cọc từ các phương pháp
khác nhau cho thấy giá trị sức chịu tải cực hạn (Qult) lớn hơn đáng kể so với kết quả
dự tính theo hồ sơ thiết kế và phù hợp kết quả tính tốn cọc có xét đến phản lực đất
nền (đất bị nén ép). Kết quả phân tích là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư phục vụ
công tác thiết kế và kiểm tra khả năng chịu tải của cọc.

Analysis of pile bearing capacity including the soil resistance
Abstract
Due to the construction stage, the soil surround pile and below the tip of the
pile is compacted initialing resistance, pile bearing capacity including the soil
resistance is larger than the case excluding. The analysis of static load test results by
various methods indicates the ultimate bearing capacity is larger than the result
from conventional design result significantly and accommodated to pile bearing
capacity result including soil resistance. This analysis may be referred to design and
verify the pile bearing capacity


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

Tp.HCM, ngày 21 tháng 6 năm 2013
Học Viên

Đinh Văn Thức


-i-

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH
HƯỞNG CỦA VIỆC HẠ CỌC LÊN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC ........ 3
1.1.

Ảnh hưởng của việc hạ cọc trong đất dính .................................................... 3

1.2.

Ảnh hưởng của việc hạ cọc trong đất rời ..................................................... 10

1.3.

Ảnh hưởng thời gian đến sức chịu tải của cọc ............................................. 12

1.4.

Nhận xét và phương hướng của đề tài ......................................................... 15

CHƯƠNG 2: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN
XUNG QUANH CỌC VÀ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ĐẾN
PHẢN LỰC ĐẤT NỀN ........................................................................................... 16
2.1.

Đặc điểm trạng thái ứng suất - biến dạng của đất do thi công cọc .............. 16

2.2.

Trạng thái ứng suất - biến dạng ban đầu xung quanh cọc ........................... 17

2.3.

Phương pháp tính tốn vùng nén chặt của đất xung quanh cọc ................... 25

2.4.

Sức chịu tải dọc trục của cọc ....................................................................... 29

2.4.1.

Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu ................................................... 29

2.4.2.

Sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền ................................................... 30

2.4.2.1. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền ................... 31
2.4.2.2. Xác định sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền ..................... 36
2.4.2.3. Xác định sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu trạng thái của đất nền ..................... 37
2.5.

Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc bằng thí nghiệm nén tĩnh cọc .............. 38

2.5.1.

Thiết bị thí nghiệm ....................................................................................... 38

2.5.2.

Thí nghiệm nén tĩnh cọc............................................................................... 39

2.5.3.

Khai thác kết quả thí nghiệm ....................................................................... 42

2.6.

Nhận xét chương ......................................................................................... 53

CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ĐẾN
ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ NÉN ÉP ĐẤT DO Q TRÌNH THI CƠNG ÉP CỌC
................................................................................................................................... 55
3.1.

Khu vực xây dựng và điều kiện địa chất, cơng trình ................................... 55

3.2.

Khả năng chịu tải của cọc theo hồ sơ thiết kế .............................................. 59


-ii-

3.3.

Tính tốn khả năng chịu tải của cọc có xét đến sự nén ép của đất xung

quanh cọc do việc hạ cọc .......................................................................................... 61

3.3.1.

Tính tốn khả năng chịu tải của cọc khơng xét vùng ảnh hưởng rc ............. 61

3.3.2.

Tính tốn khả năng chịu tải của cọc vùng ảnh hưởng rc .............................. 62

3.4.

Phân tích đánh giá khả năng chịu tải của cọc .............................................. 64

3.4.1.

Kết quả nén tĩnh cọc hiện trường ................................................................. 64

3.4.2.

So sánh, phân tích khả năng chịu tải của cọc ............................................... 67

3.5.

Kết luận chương ........................................................................................... 74

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ ................................................................................... 76
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 76
KIẾN NGHỊ ............................................................................................................. 77
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 78

-iii-

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.2. Độ bền cắt trong đất sét bão hịa nước trước và sau khi đóng cọc..............4
Hình 1.3. Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962) ..............6
Hình 1.4. Tóm tắt một số kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng (theo Poulos và Davis
1979)............................................................................................................................7
Hình 1.5. Lý thuyết phân tán cho tốc độ cố kết đất gần cọc .......................................8
Hình 1.6. So sánh biểu đồ thực nghiệm với lý thuyết về sự tăng tốc độ dính chặt .....9
Hình 1.7. Chuyển vị xung quanh cọc khi cọc hạ vào trong lớp cát ..........................10
Hình 1.8. Biến dạng xung quanh cọc khi hạ cọc vào lớp cát ....................................11
Hình 1.9. Sự nén chặt của cát xung quanh cọc theo kết quả quan trắc và tính tốn lý
thuyết. ........................................................................................................................11
Hình 1.10. Ảnh hưởng của việc đóng cọc lên giá trị góc ma sát trong của đất theo
Kishida, 1967. ...........................................................................................................12
Hình 1.11. Quan hệ giữa hệ số phục hồi và cường độ kháng cắt khơng thốt nước 14
Hình 1.12. Hệ số phục hồi như là hàm số của cường độ kháng cắt khơng thốt nước
và thời gian (sau Jensen, 2004) .................................................................................15
Hình 2.1.

Biểu đồ quan hệ áp lực nước lỗ rỗng xung quanh cọc trong đất theo

thời gian sau khi đóng cọc.........................................................................................16
Hình 2.2.

Sơ đồ tính tốn về sự hình thành trạng thi ứng suất - biến dạng của đất

xung quanh cọc sau khi thi công. ..............................................................................17
Hình 2.3.

Sơ đồ tính tốn xác định trạng thái ứng suất- biến dạng của đất xung

quanh cọc

...............................................................................................................18

Hình 2.4.

Sơ đồ vùng nén chặt do thi cơng cọc ...................................................26

Hình 2.5.

Sơ đồ chọn chiều dài cọc ngàm vào đất L ............................................32

Hình 2.6.

Biểu đồ xác định giá trị hệ số  ............................................................35

Hình 2.7.

Sơ đồ thí nghiệm đo tải tĩnh cọc (1: đối trọng; 2: hệ dầm phụ; 3: dầm

chính; 4: gối đỡ; 5: kích; 6: đồng hồ; 7: tấm thép đệm đầu cọc; 8: cọc; 9: đồng hồ đo
lún)

...............................................................................................................39

Hình 2.8.

Hiện trường thí nghiệm thử tĩnh cọc.....................................................41

Hình 2.9.

Bố trí đồng hồ đo lực và chuyển vị trong thí nghiệm thử tĩnh .............42


-iv-

Hình 2.10. Phương pháp xác định Qu theo cơng thức 2.78 ....................................43
Hình 2.11. Phương pháp xác định Qult ....................................................................44
Hình 2.12. Phương pháp Davisson xác định Qult ....................................................45
Hình 2.13. Phương pháp Chin xác định Qult ...........................................................46
Hình 2.14. Phương pháp De Beer xác định Qult......................................................47
Hình 2.15. Phương pháp 90% của Brinch Hansen xác định Qult ............................47
Hình 2.16. Phương pháp 80% của Brinch Hansen xác định Qult ............................48
Hình 2.17. Phương pháp Mazurkiewicz xác định Qult ............................................49
Hình 2.18. Phương pháp Butler, Fuller và Hoy xác định Qult ................................50
Hình 2.19. Phương pháp Vander Veen xác định Qult..............................................51
Hình 3.1.

Cơng trình nhà máy sữa Dielac.............................................................55

Hình 3.2.

Sơ đồ mặt cắt địa chất cơng trình .........................................................58

Hình 3.3.

Ký hiệu lớp đất......................................................................................58

Hình 3.4.

Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc số 1 ..........................................65

Hình 3.5.

Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc số 2 ..........................................65

Hình 3.6.

Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc số 3 ..........................................66

Hình 3.7.

Biểu đồ Qult theo các phương pháp tính ...............................................67

Hình 3.8.

Quan hệ giữa tải trọng và độ lún...........................................................68

Hình 3.9.

Quan hệ giữa độ lún thuần, độ lún và tải trọng cọc thử 1. ....................69

Hình 3.10. Xác định Qult theo phương pháp Davisson (1973) ...............................70
Hình 3.11. Xác định Qult theo phương pháp Davisson Offset Limit .......................70
Hình 3.12. Xác định Qult theo phương pháp Davisson Offset Limit ......................71
Hình 3.13. Xác định Qult theo phương pháp De Beer .............................................71
Hình 3.14. Xác định Qult theo phương pháp Decourt .............................................72
Hình 3.15. Xác định Qult theo phương pháp Chin ..................................................72

-v-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.

Kết quả thử tải của cọc .........................................................................13

Bảng 2.1.

Giá tri e1mim & e1 ...................................................................................28

Bảng 2.2.

Giá tri I& L ...........................................................................................28

Bảng 2.3.

Giá trị Ir .................................................................................................33

Bảng 2.4.

Tải trọng phá hoại tính theo các phương pháp khác nhau theo thí

nghiệm Sharma và các cộng sự (1984) .....................................................................53
Bảng 3.1.

Giá trí ứng suất đứng, ngang, ma sát hông. ..........................................60

Bảng 3.2.

Thông số đất nền ...................................................................................61

Bảng 3.3.

Kết quả tính tốn P2 và P3 ..................................................................63

Bảng 3.4.

Kết quả thử tĩnh cọc ..............................................................................67

Bảng 3.5.

Giá trị Qult .............................................................................................67

Bảng 3.6.

Sức chịu tải tới hạn theo các phương pháp khác nhau từ kết quả thí

nghiệm nén tĩnh cọc số 1 ...........................................................................................73


-1-

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học: Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc hiện
trường được xem là đáng tin cậy để đánh giá khả năng chịu tải của cọc sau khi thiết
kế và thi công hạ cọc. Trong thực tế, giá trị tải trọng lớn nhất được chọn để thí
nghiệm nén tĩnh cọc, căn cứ vào sức chịu tải cho phép được lấy từ hồ sơ thiết kế.

Tuy nhiên, phần lớn kết quả phân tích thí nghiệm nén tĩnh cọc cho thấy giá trị khả
năng chịu tải cực hạn hiện trường lớn hơn đáng kể so với giá trị tính tốn từ hồ sơ
thiết kế. Do đó, kết quả nén tĩnh cọc thường chưa đạt đến giá trị cực hạn.
Xét q trình thi cơng hạ cọc, đất xung quanh cọc và dưới mũi cọc bị nén ép
do quá trình hạ cọc và gây phản lực lên cọc. Chính phản lực này làm tăng khả năng
tăng sức chịu tải của cọc. Khả năng chịu tải của cọc có xét đến phản lực của đất nền
có thể giúp đánh giá khả năng chịu tải cọc hợp lý hơn so với các phương pháp tính
tốn khác chưa xét đến, điều này cho phép dự báo được khả năng chịu tải hợp lý
hơn. Do hiện tượng đất bị nén chặt do q trình thi cơng tương tác với cọc như một
phản lực lên thân cọc và mũi làm cho sức chịu tải của cọc tăng lên.
Đề tài luận văn “Phân tích khả năng chịu tải của cọc có xét đến phản lực
đất nền” 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 thực tế. Kết quả
phân tích kết hợp với phân tích kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc giúp đánh giá khả
năng chịu tải của móng cọc cho các loại cơng trình xây dựng hợp lý hơn.
Mục đích của đề tài là phân tích q trình thay đổi trạng thái ứng suất - biến
dạng của đất xung quanh và dưới mũi cọc sau khi thi công, ở đây 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 q trình chịu tải khi sử
dụng cơng trình. Kết quả tính được phân tích và so sánh với kết quả thí nghiệm nén
tĩnh hiện trường. Để thực hiện điều này, việc đánh giá khả năng chịu tải cực hạn của
cọc từ thí nghiệm nén tĩnh được phân tích sâu hơn trên cơ sở các phương pháp khác
nhau.
Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn gồm:


-2-

-

Tổng hợp phân tích cơ sở lý thuyết về khả năng nén chặt của đất xung quanh

cọc trong quá trình thi công, sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất
xung quanh cọc sau khi thi công.
-

Thiết lập phương pháp tính tốn và trình tự tính tốn hợp lý để giải quyết bài

tốn thực tế.
-

Phân tích và chọn lựa các dữ liệu thực tế cung cấp cho việc tính tốn.

-

Tính tốn, phân tích và so sánh kết quả tính tốn với kết quả thử tĩnh cọc

nhằm rút ra kinh nghiệm thực tiễn phục vụ hoàn chỉnh các phương pháp tính tốn
xác định khả năng chịu tải của móng cọc.


-3-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN
CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC HẠ CỌC LÊN KHẢ NĂNG
CHỊU TẢI CỦA CỌC
1.1.

Ảnh hưởng của việc hạ cọc trong 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], [15].
Xét trường hợp cọc đóng, hay ép vào tầng trầm tích sâu là lớp đất sét bão hịa
nước xem như khơng thấm trong q trình thi cơng cọc. Khi cọc đóng xuống thì thể
tích khối đất bị dịch chuyển bằng với thể tích của cọc do chiếm chỗ mà thể tích này
cũng khá lớn. Do đó hoạt động đóng cọc có thể gây ra những thay đổi về biến dạng
trong đất sét (xem hình 1.1).

Hình 1.1. Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do đóng cọc
Đất có thể bị đẩy từ vị trí ban đầu BCDE sang ngang tới vị trí B’C’D’E’
(hình 1.2) hoặc từ FGHJ tới F’G’H’J’. Trong khi đóng cọc, đất sét bị mất một phần
độ bền do đất bị xáo trộn nhưng lại xuất hiện một lượng tương đối nhỏ ma sát bên.


-4-

Cọc được đóng, ép vào trong đất sét bão hịa nước khơng thấm được nên mặt
đất có thể phình trồi lên do khối lượng đất bị dịch chuyển và nén ép một phần thể
tích.

Hình 1.2. Độ bền cắt trong đất sét bão hịa nước trước và sau khi đóng cọc
Trên hình 1.2, cọc có bán kính oa được đóng 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 tọa độ [3].
Đường A biểu diễn độ bền cắt trước khi đóng cọc và cũng là biểu diễn độ
bền của đất sét khi đất còn nguyên dạng (độ bền ngắn hạn). Độ bền tại điểm B nào
đó cách O một khoảng là đường BC.

Ngay sau khi đóng cọc, độ bền cắt biểu thị bằng đường B. Trước khi đóng
cọc đất ở điểm a, thì sau khi đóng đã dịch chuyển đến điểm o, còn điểm gốc o đã
dịch chuyển đến điểm f. Bây giờ ma sát bên là oe, đó cũng là độ bền cắt bị giảm đi
và cũng chỉ ra một phần nhỏ của độ bền ban đầu od. Đất ở điểm o đã dịch chuyển
và do đó phần lớn áp lực giữa các hạt bị biến mất. Tổng cộng áp lực chất tải 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 nước lỗ rỗng thặng dư. Như vậy, áp lực áp lực nước lỗ rỗng thặng dư


-5-

hình thành với giá trị đáng kể trong đất cạnh cọc ngay sau khi đóng cọc. Vì chỉ có
lớp đất cách cọc rất gần mới bị xáo trộn nên áp lực nước lỗ rỗng tăng lên rất ít. Hơn
nữa, áp lực ngang bên cạnh cọc tăng do chuyển vị hướng ra ngồi của đất khi đóng
cọc. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư này tạo ra lập tức gây thấm và bắt đầu q trình
cố kết. Vì dịng thấm thường xuyên xảy ra từ điểm có áp lực cao tới khu vực có áp
lực thấp, do đó hướng của dịng thấm là từ cọc và theo phương bán kính cọc hướng
ra ngồi. Tuy nhiên, cũng có thể có hướng dịng thấm hướng lên trên hoặc xuống
dưới. Trong thời gian cố kết, các hạt đất chuyển dịch theo phương đường kính và
hướng vào phía cọc vì nước thấm hướng ra. Như vậy đất trong phạm vi gần mặt cọc
có hệ số rỗng giảm, còn đất ở xa lại bị giãn nở ra một ít. Do đó, sau khi đóng cọc,
đất tạo nên ma sát bên với tốc độ khá nhanh. Điều này thể hiện rõ ràng trong việc
thí nghiệm nén lại (Taylor, 1948). Trên hình 1.2, 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 đóng cọc, thì đường D có thể là
độ bền một vài tuần sau khi đóng cọc. Vì đất ở xa cọc hơi bị nở ra trong khi cố kết
nên 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 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 j.
Nếu thí nghiệm thử tải tiến hành trên cọc này sau khi đóng được một vài tuần
thì ma sát bên được biểu diễn giản lược bằng oj. Cịn nếu sau khi đóng 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 q trình đóng cọc, lực chống đầu cọc nói chung là lớn, vì nó bằng với
lực u 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 không thể nén được vì
đất bão hịa nước khơng có khả năng chịu nén khi gia tải nhanh như khi đóng hoặc


-6-

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 đóng. DeMello (1969) đã giả thiết rằng ngay sau khi đóng cọc, lượng đất bị xáo
trộn đã giảm từ 100% tại mặt tiếp giáp với cọc – đất tới không 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 đóng cọc cũng xảy ra là do hóa lỏng tạm thời trong đất. Soderberg (1962)
cũng chỉ ra rằng việc tăng khả năng chịu tải cực hạn của đất (và do đó tăng độ bền
cắt của đất) cũng tương tự với tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và chúng
phụ thuộc vào thời gian (hình 1.3).

Hình 1.3. Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962)
Áp lực nước lỗ rỗng phát triển trong q trình đóng cọc: các số đo áp lực
nước lỗ rỗng thặng dư phát triển trong đất do đóng cọc cho thấy rằng áp lực này ở
sát thân cọc có thể bằng và thậm chí cịn lớn hơn áp lực hiệu quả (Lambe và Horn
1965, Orrje và Broms 1967, Poulos và Devis 1979, D’Appolonia và Lambe 1971).


-7-

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 1.4, áp lực nước lỗ rỗng u được biểu diễn qua
'
'
với  vo
là ứng suất thẳng đứng hiệu quả trước khi đóng cọc đơn, cịn
u /  vo

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).

Hình 1.4. Tóm tắt một số kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng (theo Poulos và Davis
1979)
Những điểm ở xa có khoảng cách S/ro = 4 đối với đất sét thường và bằng 8
đối với đất sét nhạy thì áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách. Trên
hình 1.4, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thực tế có thể bỏ qua khi ở ngồi khoảng

cách S/ro = 30.


-8-

Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng: tốc độ phát 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 q trình cố kết:
  2 u  1  u  
u
 Ch  2     
t
 r  r  r  

Trong đó:

(1.1)

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. Soderbeg cho rằng hình thức ban đầu của sự phân tán này ảnh
hưởng không lớn trong cách giải. Nguyên nhân đo được tốc độ biến đổi độ bền và
sự khơi phục độ dính sau khi đóng cọc là do tốc độ cố kết trong vùng giới hạn lân
cận của cọc. Sự phân tán này và mức độ cố kết trong khoảng R cho thấy ở hình
(1.6), vùng phá hoại có kích thước R/ro  3 đến 5.

Hình 1.5. Lý thuyết phân tán cho tốc độ cố kết đất gần cọc


-9-

Theo kết quả so sánh của Radugin (1969) giữa lý thuyết và thực nghiệm cho
thấy R/ro  5 ; C h  0,04in 2 /min (đất loại sét).

Hình 1.6. So sánh biểu đồ thực nghiệm với lý thuyết về sự tăng tốc độ dính chặt
Hình 1.6 thể hiện kết quả 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 dạng biểu đồ
nhưng nói chung đều thống nhất rằng quá trình cố kết là nguyên nhân gây tốc độ
tăng sức chịu tải của cọc.
Các điểm thực tế trên hình 1.6 cho thấy việc ước lượng thời gian nên thực
hiện sau khi đóng 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 hóa cứng (hardermif). Ứng suất tổng và ứng suất


- 10 -

hữu hiệu gần kề cọc sau khi hạ cọc có liên quan trực tiếp đến nguồn gốc độ bền
khơng thốt nước của đất và khơng phụ thuộc vào hệ số quá cố kết.
1.2.

Ảnh hưởng của việc hạ cọc trong đất rời
Khi cọc được hạ vào trong đất cát và sỏi sạn, 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 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) [3], [11], [15].
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 D r
= 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 không những chỉ ra q trình
chuyển vị của đất cát mà cịn 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.

Hình 1.7. Chuyển vị xung quanh cọc khi cọc hạ vào trong lớp cát


- 11 -

Hình 1.8. Biến dạng xung quanh cọc khi hạ cọc vào lớp cát
Trong khi mơ hình biến dạng được suy ra từ chuyển vị như hình 1.7 (Vesic,
1967). Với sự giảm mật độ dưới mũi cọc rõ ràng làm ảnh hưởng đến 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

quá trình đó cũng xuất hiện với cọc có dạng 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 1.9.

Hình 1.9. Sự nén chặt của cát xung quanh cọc theo kết quả quan trắc và tính tốn lý
thuyết.


- 12 -

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 mơ 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
ma sát φ , thay đổi tuyến tính với khoảng cách từ giá trị ban đầu là 1' , ở bán kính
3,5d tới giá trị lớn nhất là  2' ở mũi cọc được thể hiện như hình 1.10.

Hình 1.10. Ảnh hưởng của việc đóng cọc lên giá trị góc ma sát trong của đất theo
Kishida, 1967.
Mối quan hệ giữa 1' và  2' được cho bởi biểu thức: '2 
1.3.

1'  40
2

(1.2)

Ảnh hưởng thời gian đến sức chịu tải của cọc
Khả năng chịu tải theo đất nền của cọc thông thường ước lượng theo công

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 quá trình hạ cọc và phụ thuộc vào đặc tính của đất nền. Sự tồn tại và phân


- 13 -

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
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, [15].
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


- 14 -

Ngồi ra, sức chịu tải của cọc cịn liên quan với hệ số phục hồi, thời gian và
cường độ sức 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.
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 họa ở hình 1.11

Hình 1.11. Quan hệ giữa hệ số phục hồi và cường độ kháng cắt khơng thốt nước
Trong hình 1.11 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
trong hình 1.11 thích hợp với biểu đồ và được miêu tả trong hình 1.12.