Phân tích ứng xử nền đất trong quá trình thi công đóng cọc

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

ĐẶNG LÊ CƯỜNG

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NỀN ĐẤT TRONG Q TRÌNH
THI CƠNG ĐĨNG CỌC
Chun ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số ngành : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012


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. ĐINH HOÀNG NAM
TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

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

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

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày tháng năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐẶNG LÊ CƯỜNG

Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 29 – 08 - 1988

Nơi sinh: CẦN THƠ

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã ngành: 60.58.60

MSHV: 11090310
1. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NỀN ĐẤT TRONG Q TRÌNH THI CƠNG
ĐĨNG CỌC
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng bài tốn đóng cọc trên cơ
sở điều kiện cấu tạo địa chất thực tế của khu vực. Kết quả phân tích chủ yếu tập trung
vào sự thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trường đất xung quanh và

dưới mũi cọc. Kết quả phân tích mơ phỏng có thể cho phép đánh giá vùng ảnh hưởng
chấn động hay thay đổi trạng thái ứng suất trong đất nền xung quanh cọc
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02 – 07 - 2012
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 31 – 11 - 2012
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐINH HOÀNG NAM
TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)

TS.Đinh Hoàng Nam

PGS.TS. Võ Phán


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến người Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ,
động viên tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn cũng như truyền cho tơi lịng
đam mê nghiên cứu khoa học: TS. Bùi Trường Sơn. Sau nữa, tôi xin chân thành cám
ơn TS. Đinh Hoàng Nam đã nhận lời hướng dẫn tơi trong suốt q trình làm luận văn.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ mơn Địa Cơ Nền Móng, những
người đã truyền cho tơi các kiến thức q giá trong q trình học tập tại trường cũng
như khi cơng tác ngồi xã hội.
Xin gửi lời cảm ơn đến các học viên trong lớp Địa Kỹ thuật Xây dựng khóa 2011,
đặc biệt là lớp trưởng Lê Hồng Quang, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
Tuy vậy, với những hạn chế về số liệu cũng như thời gian thực hiện, chắc chắn

luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến từ
quý thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè để luận văn thêm hồn thiện và có đóng góp vào
thực tiễn.
Trân trọng!

Học viên

Đặng Lê Cường


MỤC LỤC
Mở đầu..............................................................................................................................01
CHƯƠNG 1. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG VÀ
TÁC ĐỘNG CỦA VIỆC HẠ CỌC LÊN ĐẤT NỀN ......................................................03
1.1. Giới thiệu chung về phương pháp động .......................................................................06
1.1.1. Thí nghiệm thử động và việc sử dụng các cơng thức động .................................07
1.1.2. Phân tích động bằng phương trình sóng..............................................................11
1.1.3. Phương pháp CASE – Thí nghiệm thử động biến dạng lớn ................................12
1.1.4. Phương pháp phân tích CAPWAP .....................................................................16
1.2. Cơ sở lí thuyết của phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA) .................................16
1.2.1. Mơ hình Smith ...................................................................................................17
1.2.2. Mơ hình Case.....................................................................................................24
1.2.3. Mơ hình Capwapc..............................................................................................31
1.3. Các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hạ cọc lên hệ nước – đất sét khi đóng
cọc .....................................................................................................................................43
1.3.1. Tác động phá hoại tính chất của đất ...................................................................43
1.3.2. Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng .........................................................................44
1.3.3. Sự ổn định của áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất .................................................46
1.4. Nhận xét và phương hướng đề tài ................................................................................47
CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN, CHỌN LỰA BÚA ĐĨNG CỌC VÀ ẢNH HƯỞNG

LÊN MƠI TRƯỜNG ĐẤT DO ĐĨNG CỌC .................................................................48
2.1. Giới thiệu chung về hạ cọc ..........................................................................................48
2.1.1. Tiêu chuẩn chung về hạ cọc ...............................................................................49
2.1.2. Thiết bị hạ cọc ...................................................................................................50
2.1.2.1. Dàn búa ......................................................................................................50
2.1.2.2. Búa .............................................................................................................51
2.1.2.3. Máy đóng cọc rung .....................................................................................52
2.1.2.4. Những phụ kiện khác dùng trong hạ cọc .....................................................53


2.2. Biện pháp đóng cọc .....................................................................................................53
2.2.1. Với điều kiện mặt bằng khô ráo, nền đất chắc chắn ............................................53
2.2.2. Trong điều kiện hố móng, hầm đã đào, nền đất yếu ...........................................56
2.2.3. Trong điều kiện hố móng ngập nước trên 2m.....................................................57
2.2.4. Trong điều kiện chơn sâu đài móng thấp hơn nhiều so với mặt đất (đóng âm)....58
2.3. Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của việc đóng cọc lên đất nền ............................................58
2.3.1. Ảnh hưởng của việc hạ cọc trong đất dính .........................................................58
2.3.2. Ảnh hưởng của việc hạ cọc trong đất rời............................................................65
2.3.3. Ảnh hưởng của việc hạ cọc đến cơng trình lân cận.............................................68
2.3.3.1. Hệ số giảm yếu Jc ........................................................................................69
2.3.3.2 Rung mặt đất do đóng cọc............................................................................72
2.3.3.3 Ảnh hưởng và các biện pháp giảm ảnh hưởng do đóng cọc đến cơng trình
lân cận................................................................................................................................75
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CỌC VÀ ĐẤT TRONG Q TRÌNH
THI CƠNG ĐĨNG CỌC .................................................................................................81
3.1. Giới thiệu về cơng trình ...............................................................................................81
3.2. Phân tích ứng xử của cọc và đất trong q trình đóng cọc............................................83
3.3. Kết luận chương ..........................................................................................................94
KẾT LUẬN.......................................................................................................................95
KIẾN NGHỊ......................................................................................................................96

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................97


-1-

MỞ ĐẦU
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Do cấu tạo địa chất khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh và Đồng Bằng Sơng Cửu
Long có các lớp đất yếu trên bề mặt nên các cơng trình có tải trọng vừa và lớn thường
được thiết kế với biện pháp đóng cọc. Tải trọng cơng trình thơng qua cọc truyền xuống
các lớp đất bên dưới qua sức chịu tải đầu mũi và ma sát bên giữa cọc và đất tạo ra khả
năng chịu tải của cọc. Độ chặt và đặc trưng cơ lí của đất nền dưới mũi và xung quanh cọc
có thể khác biệt trước và sau khi cọc được hạ vào đất nền bằng phương pháp đóng hay ép.
Do thể tích của cọc chiếm chỗ, đất nền bị nén ép trong q trình hạ cọc. Ngồi ra, việc hạ
cọc vào đất bằng phương pháp đóng có thể gây chấn động và làm thay đổi trạng thái ứng
suất – biến dạng trong mơi trường đất xung quanh.
Để phân tích đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng của cọc và đất trong q
trình đóng cọc, chúng tơi chọn lựa đề tài “Phân tích ứng xử của nền đất trong quá trình thi
cơng đóng cọc”.
Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng bài tốn đóng cọc trên cơ sở
điều kiện cấu tạo địa chất thực tế của khu vực. Kết quả phân tích chủ yếu tập trung vào sự
thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trường đất xung quanh và dưới mũi cọc.
Kết quả phân tích mơ phỏng có thể cho phép đánh giá vùng ảnh hưởng chấn động
hay thay đổi trạng thái ứng suất trong đất nền xung quanh cọc.
Ngoài ra, trong thực tế, độ chối có thể sử dụng như là thơng số để đánh giá khả
năng chịu tải của cọc. Kết quả mô phỏng có thể cho phép đánh giá sơ bộ khả năng chịu tải
của cọc và so sánh với kết quả đóng cọc từ cơng trình thực tế.

-2-

Phương pháp nghiên cứu
Tổng hợp các cơ sở lý thuyết về cọc chịu tác dụng của lực đóng cọc dọc trục.
Thiết lập phương pháp tính tốn và trình tự tính tốn hợp lí để giải quyết bài tốn
thực tế đóng cọc.
Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis và so sánh với kết quả đóng cọc từ cơng trình
thực tế.


-3-

CHƯƠNG 1. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG
ĐỂ XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC VÀ TÁC ĐỘNG CỦA VIỆC
HẠ CỌC LÊN ĐẤT NỀN
Trong thiết kế nền móng chịu tải trọng động phải đáp ứng những yêu cầu cơ bản
về an toàn và ổn định. Ngoài ra, còn phải đáp ứng một số tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến
cơng tác phịng chống sự di chuyển động q mức trong nền móng và kết cấu cơng trình.
Khi phát sinh ứng suất, biến dạng, độ lệch, thì việc tính tốn và thiết kế phải dựa
trên các tiêu chuẩn. Có 3 bước quan trọng trong việc dự đốn những phản ứng động xảy
ra trong thiết kế bài toán động, đó là [31] :
+ Định nghĩa tải.
+ Sử dụng phương pháp phân tích thích hợp.
+ Lựa chọn các thơng số đất và móng được sử dụng trong việc phân tích.
Những năm gần đây, q trình phân tích sóng và phân tích đàn hồi trong việc thiết
kế cọc và kiểm soát xây dựng của cọc ngày càng gia tăng. Trong q trình phân tích thiết
kế, các kĩ sư thiết kế phải giải đáp được những câu hỏi sau [15] :
+ Khả năng chịu tải tĩnh của q trình phân tích đóng cọc là gì?
+ Khả năng đóng của búa và khi cọc được đóng vào đất là như thế nào?
+ Âm thanh khi đóng như thế nào (đối với cọc tồn vẹn)?

+ Ứng suất trong q trình đóng cọc là như thế nào?
+ Ảnh hưởng của việc đóng cọc như thế nào?
Việc đóng cọc vào đất nền sẽ làm cho đất bị xáo trộn thể hiện đặc trưng qua những
thông số về: sức chống cắt, độ ẩm, độ sệt, tính nén lún. Để đánh giá sự xáo trộn của đất
khi đóng cọc, Fellenius và Samson (1976) có đề cập về một nghiên cứu thí điểm được
thực hiện vào năm 1974 trên 13 cọc 300 (12 inch). Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá
sự xáo trộn của đất sét biển nhạy cảm bằng cách [13]:


-4-

+ Đo những thay đổi của sức chống cắt, tính nén lún và áp lực nước lỗ rỗng trong
đất.
+ Đo mức độ phục hồi điều kiện ban đầu theo thời gian sau khi đóng cọc.
+ Theo dõi các chuyển động theo chiều dọc và bên hông trong các cọc trong cùng
nhóm cọc do việc đóng các cọc xung quanh.
+ Xác định khu vực chịu ảnh hưởng bằng cách đo độ chuyển vị chiều dọc và
ngang; những thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng.
Theo kết quả của bài báo, những nhận xét chính được rút ra như sau :
+ Chuyển vị của nhóm cọc đóng trong đất sét có độ nhạy với khoảng cách cọc tối
thiểu bằng 5 lần đường kính sẽ có ít ảnh hưởng lên đất nền giữa các cọc, ngoại trừ vùng
đất vành xuyến xung quanh cọc đã bị xáo trộn.
+ Đóng cọc làm giảm 15% cường độ chống cắt, và 30% độ chối cọc. Độ bền và độ
chối mất đi sẽ được phục hồi 1 phần sau khoảng thời gian là 3 tháng.
+ Phương pháp quan trắc chỉ ra rằng cọc trong nhóm cọc đóng bị dịch chuyển với
độ lớn 175mm (7 inch ) sau khi cọc được đóng thêm vào.
+ Khi đóng cọc thì đất bị trồi lên theo phương đứng với giá trị là 450mm (18 inch)
hoặc bằng 15% lượng đất bị chiếm chỗ. Đất bị trồi lên giảm nhanh theo khoảng cách giữa
các cọc trong nhóm.
+ Chuyển vị của đất theo chiều dọc và ngang trong phạm vi bên ngồi nhóm cọc

theo hình nón, với đỉnh nằm ở mũi cọc và nghiêng theo một góc 23 độ theo chiều của
nhóm cọc. Trong nhóm cọc thì hình nón giao với cọc với khoảng cách là 40 lần đường
kính cọc, nón chiếm hơn 80% khối lượng đất bị chiếm chỗ.
+ Áp lực nước lỗ rỗng tối đa được đo tại vị trí 6m (20ft) hoặc 20 lần đường kính
cọc thì áp lực vượt q 35%-40% áp lực tổng.
+ Sự phân bố của áp lực nước lỗ rỗng cơ bản tương tự như áp lực gia tăng do đóng.
Sự ảnh hưởng của đóng cọc lên áp lực nước lỗ rỗng tại 15m (50ft) hoặc 50 lần đường
kính cọc là rất nhỏ cũng giống như sự gia tăng của áp lực nước lỗ rỗng.


-5-

+ Hầu hết áp lực nước lỗ rỗng tối đa đều tiêu tán hết sau 8 tháng đóng cọc.
Mơ hình phần tử hữu hạn 3D để mơ phỏng q trình đóng cọc và ảnh hưởng của
nó lên nên đất xung quanh đã được S.Henke và Grabe mô phỏng vào năm 2005 [16].

Hình 1.1 Mơ phỏng đóng cọc ở độ sâu 4m vào nền đất.
Thơng thường thì phương pháp tĩnh chỉ được sử dụng để ước tính chiều dài cọc
trong quá trình thiết kế. Cơng thức động cũng nên hạn chế sử dụng, chúng chủ yếu chỉ
dùng để lựa chọn sơ bộ búa. Công thức động chỉ nên dùng để quản lí việc tính tốn cọc
trong các dự án với số lượng cọc ít hoặc dùng cho việc tính tốn tải thắp sáng. Từ cách
nhìn thực tế, phương pháp phân tích phương trình sóng gần như nhanh và đơn giản giống
như cơng thức động, nhưng lại tiết kiệm về chi phí hơn và hệ số an toàn cũng đảm bảo
theo qui định. Nói chung một số phương pháp khác chính xác hơn (phương trình sóng,
thử động, thử tĩnh) cũng được chỉ định hầu hết trong các dự án, đặc biệt là với các dự án
có tải trọng thiết kế trên 40 tấn, do đó, hệ số an tồn thấp và cải thiện được độ tin cậy của
các phương pháp là yếu tố chi phối hầu hết bất cứ dự án nào [14].
1.1. Giới thiệu chung về “Phương Pháp Động”
“Phương pháp động” (Dynamic method) là phương pháp dự báo sức chịu tải của
cọc hoặc phân tích ứng suất, biến dạng trong cọc khi đóng cọc. Trong nhóm phương pháp

động bao gồm bốn phương pháp nhỏ:


-6-

Công thức động (Dynamic formulas hay Driving formulas): Sức chịu tải được dự
báo bởi các công thức như Gersêvanov, ENR, Gates, … Các công thức này được sử
dụng đầu tiên và được xem như là các dữ liệu ban đầu để đánh giá khả năng chịu tải
trong quá trình thi cơng.
Phân tích động bằng phương trình sóng (Dynamic analysis by wave equation): Sử
dụng phương trình truyền sóng để dự báo sức chịu tải của cọc hoặc phân tích ứng suất,
biến dạng trong cọc. Thông thường, phần mềm GRL-WEAP được sử dụng để so với
q trình phân tích. Phương pháp này có độ tin cậy đủ tốt, và rẻ tiền hơn phương pháp
PDA và CAPWAP dưới đây.
Phương pháp CASE: Thí nghiệm thử động biến dạng lớn (PDA – Pile Dynamic
Analysis): Khác với phương pháp trên, nhiều đầu đo biến dạng (strain transcducer) và
đầu đo gia tốc (accelerometer) để đo biến dạng và đo gia tốc sóng truyền trong cọc.
Phương pháp CAPWAP: Đây chính là sự kết hợp giữa WEAP và CASE. CAPWAP
có độ tin cậy cao hơn CASE. Do vậy, hiện nay khi đã tiến hành thí nghiệm PDA,
thường ta chỉ tiến hành phân tích CAPWAP. Thơng thường người ta dùng một phần
mềm duy nhất là CAPWAP để hỗ trợ quá trình phân tích. Phương pháp này có độ tin
cậy cao và được so sánh với phương pháp thí nghiệm nén tĩnh cọc.
Tóm lại, trong phương pháp động thường tiến hành một trong hai hoặc cả hai
phương pháp sau: GRL-WEAP hoặc CAPWAP. Ưu điểm của phương pháp này là nhược
điểm của phương pháp kia: WEAP thì đơn giản (chỉ cần đo độ chối do một nhát búa gây
ra để xử lý kết quả) nhưng độ tin cậy không cao bằng CAPWAP. CAPWAP thì q phức
tạp (cần đọc kết quả thí nghiệm trên các đầu đo và xử lý kết quả). Theo Coduto thì tới
năm 1994 cả thế giới chỉ có khoảng 20 người có đủ trình độ và kinh nghiệm để chạy và
xử lý CAPWAP, hiện nay số lượng kĩ sư có khả năng xử lý CAPWAP tăng lên rất nhiều.
1.1.1. Thí nghiệm thử động và việc sử dụng các cơng thức động

Thí nghiệm thử động thường được sử dụng để xác định sức chịu tải của cọc đơn
thông qua sức kháng chủ yếu ở đầu mũi.


-7-

Nguyên lý thí nghiệm dựa trên cơ sở ứng dụng định luật Newton với giả thiết cọc
là vật cứng, lực cản của đất tập trung ở mũi cọc. Sau thời gian ổn định sau khi thi cơng,
dùng thiết bị đóng cọc tác động lên đầu cọc, năng lượng đóng búa bằng tổng năng lượng
cọc chống lực cản của đất R sinh ra độ xuyên e và tổn thất năng lượng đóng cọc:
W.H = Rc+Re

(1.1)

Trong đó: W - Trọng lượng búa.
H - Chiều cao rơi của búa đóng cọc.
Lực cản của đất, sức chịu tải cho phép của cọc đơn được xác định bằng các biểu
thức:

R

WH
R
WH
; Qa  
ce
k k (1  e)

(1.2)

Trong đó: c – Hệ số tổn thất năng lượng, bao gồm tiêu hao năng lượng phi đàn hồi
của đất, tổn thất năng lượng đóng búa lệch tâm, nén đàn hồi của cọc và va đập bán đàn
hồi giữa búa và cọc.
Hệ số tổn thất năng lượng rất khó dự tính chính xác, do đó đã có nhiều cơng thức
kinh nghiệm khác nhằm xác định sức chịu tải thực tế và theo từng vùng [7].
 Cơng thức đóng cọc động lực Hiley [1, 6 , 8 ,12 ]
Xác định sức chịu tải cực hạn của cọc Qu (kN):
Wr H Wr  n 2WP
Qu 
e  c / 2 Wr  WP

Trong đó: Wr, Wp - Trọng lượng búa và trọng lượng cọc (kN).
e - Độ xuyên của cọc (cm/1 nhát búa).
 , n - Hiệu suất búa và hệ số hồi phục.
Các hệ số  , n xác định bằng bảng tra.
c = c1+c2+c3 - Giá trị biến dạng đàn hồi của hệ thống cọc-đất.

(1.3)


-8-

Các hệ số c1, c2, c3 xác định bằng bảng tra.
 Cơng thức đóng cọc động lực Hiley cải tiến [1, 7, 11]
Các tham số  , n, c khó xác định trong sử dụng thực tế, nếu dùng thiết bị phân tích
đóng cọc có thể đo được năng lượng xung kích lớn nhất trên đầu cọc Emax hoặc đo được
tín hiệu lực và tốc độ chuyển vị đầu cọc.
Sử dụng cơng thức tính năng lượng xung kích có thể tránh được hệ số hiệu quả búa
đóng cọc  , hệ số hồi phục n và giá trị biến dạng đàn hồi mũ cọc c.
t0

E max   F(t )V( t ) dt
0

(1.4)

Với to - thời điểm mà V(t) = 0.
Sức chịu tải cực hạn của cọc:
Qu 

E max
c
e
2

(1.5)

với c = c1 + c2 - có thể đo được lúc đóng cọc.
 Cơng thức đóng cọc động lực Gersevanov [1, 6, 8, 12]
Độ chối thực tế ef ≥ 2mm:
Qu 

nFM
2


4 E Wn  n 2 (Wc  Wcd ) 
 1
 1
kAp e f Wn  Wc  Wcd




(1.6)

Độ chối thực tế ef < 2mm:
Qu 


1 2e f  c  1  8 E ( e f  c ) W
  1

2
2 e f  c  (2e f  c) Wn  Wc


Trong đó :
k - hệ số, lấy bằng 150T/m2 cho cọc bêtơng có mũ cọc.
Ap - diện tích tiết diện mũi cọc, m2.

(1.7)


-9-

c - độ chối đàn hồi của cọc, xác định bằng máy đo độ chối, m.
W - trọng lượng phần rơi của búa, T.
Wn - trọng lượng của búa hoặc máy rung, T.
Wc - trọng lượng của cọc và mũ cọc, T.
Wcd - trọng lượng của cọc dẫn, bằng 0 khi hạ bằng búa rung.

n - hệ số phục hồi gia đập.
n2 = 0.2 - hạ cọc bằng búa có đệm gỗ, n2 = 0 - hạ bằng rung.
M - hệ số, hạ búa đóng M=1 hạ búa rung xác định bằng bảng tra.
E - năng lượng tính tốn, xác định bằng bảng tra.
 - hệ số, xác định theo công thức
n
1 n
   o  h
4  AP As

 W

 W  Wc

2 g ( H  h)

(1.8)

As - Diện tích của mặt bên cọc.
n0, nh - Chuyển từ sức chống cắt động sang sức chống cắt tĩnh của đất ở mũi
cọc n0 = 0,0025s.m/T và đất xung quanh cọc nh = 0,25s./T.
h - Chiều cao nẩy đầu tiên của búa, bằng 0,5m cho búa diezen; bằng 0 cho
búa khác.
H - Chiều cao rơi của búa, m.
Đối với khu vực đã thông hiểu địa chất, cọc không dài và có độ cứng lớn thì
phương pháp thử động là biện pháp đơn giản và hiệu quả nhất để kiểm tra và khống chế
tải trọng cọc.
Độ chính xác của phương pháp thí nghiệm này rất thấp do thiếu biện pháp xác định
năng lượng của búa đóng cọc và năng lượng tổn thất đệm cọc, đệm búa. Ngoài ra, đối với
cọc dài hoặc độ cứng của cọc thấp, năng lượng búa đóng cọc sẽ tiêu hao do biến dạng đàn

- 10 -

hồi của cọc hoặc bật nẩy của búa thì mơ hình va đập đàn hồi của phương pháp hiệu quả
khơng cao.
Cơng thức động cịn được gọi là “cơng thức đóng cọc” (Pile Driving formulas). Có
rất nhiều cơng thức động khác nhau: ENR (Engineering News Record) ra đời năm 18881893. Hàng loạt các công thức khác đang được sử dụng là: ENR hiệu chỉnh, Michigan,
Đan Mạch (Olson và Flaate), Tiêu chuẩn xây dựng Thái Bình Dương (Pacific Coast),
Janbu, Gates, Navy – McKay, Gerxêvanov, Hà Lan….Hầu hết các công thức này đều có
độ tin cậy kém, vì vậy khơng nên dùng. Có những cơng thức để bù lại cho độ tin cậy quá
kém, người ta phải áp dụng hệ số an tồn cao (Fs = 5.5 ÷ 6.0) như: ENR, Michigan,
Pacific Coast, Navy – McKay, Hà Lan.
Ở Việt Nam, công thức thường được sử dụng là của Gerxêvanov. Còn ở Bắc Mỹ,
công thức Gates thường được sử dụng nhiều nhất. Theo Gates (1957), sức chịu tải cực
hạn là:
Pu  a (rEbúa )(b  log e

(1.9)

Trong đó: Ebúa - năng lượng xung kích (biểu kiến) của búa, kNm hoặc kipft;
r - tỷ lệ năng lượng hiệu quả vào đầu cọc (thường r = 65 ÷ 85%);
r Ebúa - năng lượng xung kích thực sự truyền vào đầu cọc;
e - độ chối (mm hoặc inch); e là độ lún khi đóng một nhát búa vào cọc
ở độ sâu thiết kế. Thông thường, người ta không đo e mà đếm số nhát búa để cọc
đi được 10 inch (250 mm), do đó :
e (inch) = 10 / N hay

e (mm) = 250 / N ;

khi sử dụng hệ metric (SI) thì: a = 104,5 ; b = 2,4 ;
khi sử dụng hệ Anh - Mỹ (English) thì: a = 27 ; b = 1 ;
Sức chịu tải cho phép là: [P] = Pu / (3,0 ÷ 3,5)


- 11 -

1.1.2. Phân tích động bằng phương trình sóng
Lý thuyết sóng và sự mơ hình thiết bị đóng cọc và cọc rất phức tạp và khá dài. Các
thành phần của thiết bị đóng cọc đã được Smith mơ hình hóa. Ta thấy sức kháng tĩnh của
đất lên cọc sẽ được mơ hình hóa bằng một dãy lị xo phi tuyến có hệ số đặc trưng là quake
q. Đất càng có tính đàn hồi cao thì q càng lớn. Sức kháng động của đất lên cọc được mơ
hình hóa bằng pittơng có hệ số đặc trưng là damping J (cản nhớt). Đất càng nhiều hạt sét
thì J càng lớn.
Trong mơ hình Smith, các giá trị quake q và damping J của các loại đất thường có
các giá trị tiêu biểu sau:
+ Quake: xung quanh cọc: q = 2,54 mm (phù hợp cho mọi loại đất );
+ Mũi cọc: q = b/120 mm (phù hợp cho mọi loại đất, với đất có tính đàn hồi cao thì
có thể lấy q lớn hơn; b là đường kính cọc theo mm);
Với cọc chống thì quake ở mũi cọc có thể lớn hơn b /120.Trong trường hợp này,
ứng suất trong cọc thường khá lớn. Để giảm ứng suất trong cọc, việc tăng bề dày đệm cọc
(pile cushion) thường ít tác dụng. Giải pháp hiệu quả thường là: tăng trọng lượng quả búa
và giảm chiều cao rơi búa (stroke).
+ Damping (cản nhớt): xung quanh cọc: Đất sét: J = 0,65 s/m ;
Đất cát: J = 0,16 s/m ;
Mũi cọc: mọi loại đất: J = 0,49 s/m ;
+ Đất càng tốt thì damping càng nhỏ. Và lưu ý, khi cọc nghỉ một thời gian mới
đóng lại (restrike) thì giá trị damping lại thường lớn lên.
+ Như đã nêu, WEAP là phần mềm thống trị trong phương pháp phân tích động,
khi chạy WEAP cần các thơng số:

- Số hiệu búa. Từ số hiệu búa, ta có hãng sản xuất búa, tên búa, năng lượng tối
đa, trọng lượng búa, chiều cao rơi tối đa, cơ cấu bằng Diesel, hơi hay quay;
- Số liệu về cọc;


- 12 -

- Số liệu về mũ cọc (helmet); đệm búa (hammer cushion) và đệm cọc(pile
cushion);
- Số liệu về nền đất ;
Ngồi ra cịn có thêm những kết quả hữu ích khác, đó là ứng suất (kéo hoặc nén)
phát sinh khi đóng cọc, từ đó phát hiện xem cọc có khả năng bị vỡ hay không.
1.1.3. Phương pháp CASE - Thí nghiệm thử động biến dạng lớn [2, 3, 4, 5, 9, 11, 12]
Thí nghiệm thử động biến dạng lớn thực hiện nhằm đánh giá sức chịu tải của cọc
tại các thời điểm vừa thi công hạ cọc vào các hệ số cản động (damping) và hệ số ngưỡng
đàn hồi của đất (quake). Đất nền và sau khi cọc nghỉ một thời gian. Xác định sức chịu tải
của cọc theo những chiều dài khác nhau của cọc. Xác định sự phân bố sức kháng bên và
sức kháng mũi cũng như đánh giá ứng suất phát sinh trong cọc và sự toàn vẹn của cọc. Dự
báo ứng suất kéo và nén phát sinh trong cọc khi đóng cọc, từ đó dự báo khả năng bị phá
hỏng của cọc. Xác định các khuyết tật của cọc sau khi thi cơng nhằm có biện pháp xử lý
chính xác.
Đánh giá sự làm việc của búa đóng cọc đối với cọc được hạ vào đất nền bằng búa
đóng: Xác định phần trăm năng lượng hiệu quả của búa, đánh giá sự ảnh hưởng của đệm
búa và đệm cọc đến số nhát búa.
Phương pháp thử động biến dạng lớn (Pile Dynamic Analysis) dựa trên nguyên lý
truyền sóng ứng suất trong thanh một chiều. Thí nghiệm gồm ba mơ hình nghiên cứu kế
thừa nhau: Mơ hình Smith, Mơ hình Case và Mơ hình CAPWAP (Case Pile Wave
Analysis Program). Hiện nay phương pháp thử động biến dạng lớn được sử dụng dựa trên
nhóm thiết bị PDA (Pile Driving Analyser) và phần mềm phân tích CAPWAP. Các thiết
bị cụ thể của phương pháp PDA như sau:

Thiết bị tạo lực va chạm: Thường là quả búa nặng có thể gây chuyển dịch cọc.
Thiết bị đo: Gồm thiết bị đo lực, gia tốc, chuyển vị.
Thiết bị ghi, biến đổi và phân tích số liệu.


- 13 -

Hình 1.2 Sơ đồ ngun lý thí nghiệm thử động biến dạng lớn
1. Búa

2. Cọc 3. Đầu đo gia tốc

4A. Máy đo ứng suất

3A. Máy đo gia tốc

5. Thiết bị phân tích

4. Đầu đo ứng suất

(Máy vi tính và phần mềm)

6. Máy

in kết quả
Sau khi chuẩn bị thiết bị và cọc thí nghiệm, liên kết hai đầu đo gia tốc và biến dạng
vào thân cọc đối xứng nhau qua tim cọc, thường là liên kết bulơng. Vị trí liên kết cách
đỉnh cọc tối thiểu hai lần đường kính cọc. Kiểm tra sự làm việc toàn bộ hệ thống thiết bị.
Cho búa đóng lên cọc 5 nhát, kiểm tra tín hiệu của từng nhát búa, nếu tín hiệu khơng tốt
thì cho đóng lại.

Các thơng số thu được ghi nhận trên máy vi tính bao gồm năng lượng lớn nhất của
búa, ứng suất kéo lớn nhất của cọc, hệ số độ toàn vẹn của cọc và một số dữ liệu khác. Các
số liệu này được phân tích tiếp theo bằng mơ hình Case hay mơ hình CAPWAP để xác
định sức chịu tải của cọc cả về sức kháng bên và sức kháng mũi. Ngồi ra, cịn có thể
phân tích về cơng nghệ đóng cọc và dự báo về chất lượng cọc.


- 14 -

Hình 1.3 Giao diện kết quả thí nghiệm phân tích trên phần mềm CAWAP
Các kết quả thu nhận được từ phần mềm như sau: Sức chịu tải của cọc đơn, Sức
chịu tải của cọc theo từng nhát búa, ứng với mỗi độ ngập đất của cọc; Ma sát thành bên và
sức kháng mũi của cọc; Ứng suất trong thân cọc; Giá trị ứng suất kéo và ứng suất nén lớn
nhất; Ứng suất nén tại mũi cọc; Sự làm việc của búa đóng cọc; Năng lượng lớn nhất của
búa truyền lên đầu cọc; Lực tác dụng lớn nhất lên đầu cọc và độ lệch giữa búa và cọc;
Tổng số nhát búa và số nhát búa trong một phút; Chiều cao búa rơi và độ nảy của phần va
đập; Hệ số hoàn chỉnh β của mặt cắt ngang thân cọc.
Thời gian thí nghiệm rất nhanh nên có thể góp phần rút ngắn tiến độ thi cơng cơng
trình. Phương pháp này không những cho phép xác định được sức chịu tải của cọc mà còn
kiểm tra được chất lượng cọc trong suốt q trình thi cơng cọc, nhất là chiều dài, cường
độ và độ đồng nhất của bêtông cọc. Dễ dàng kiểm soát được sự hồi phục hay giãn ra của
đất sau khi hạ cọc và tiến hành thí nghiệm sau đó. Xác định được sức chịu tải của cọc
theo từng nhát búa, từng cao độ đặt mũi trong quá trình đóng cọc, qua đó có thể lựa chọn
được chiều dài cọc phù hợp. Thơng qua thiết bị phân tích đóng cọc, có thể lựa chọn được
hệ thống đóng cọc hợp lý và theo dõi những vấn đề có thể xảy ra đối với búa, cọc, đất sẽ
sớm phát hiện được các sự cố để xử lý kịp thời những vấn đề ảnh hưởng đến tiến độ thi
công và giảm được chi phí, rủi ro. Đặc biệt đối với các cơng trình dưới nước như móng


- 15 -

cảng, cầu hoặc các cơng trình có mặt bằng chật hẹp mà việc thử tĩnh gặp khó khăn với
điều kiện thi công, thời gian chờ đợi làm tăng chi phí thử tải cọc thì thí nghiệm PDA là
giải pháp lựa chọn hữu hiệu.
Phương pháp thử động biến dạng lớn cần một năng lượng va chạm ở đầu cọc đủ
lớn để làm dịch chuyển cọc và huy động toàn bộ sức kháng của đất nền va chạm nay có
thể gây ra tiếng ồn và chấn động ảnh hưởng các cơng trình lân cận.
Ngay tại hiện trường, bộ “Phân tích đóng cọc” (Pile Driving Analyser) sử dụng
phương pháp CASE đã có thể dự báo sức chịu tải của cọc, dự báo ứng suất trong cọc.
Phương pháp CASE chuẩn (Standard CASE method – RSP) được Goble và công sự kiến
nghị vào năm 1975 để dự báo sức chịu tải cực hạn của cọc như sau:
Pu  (1  Jc)

F1  ZV1 (1  Jc)( F2  ZV2 )

2
2

(1.10)

Trong đó: Z – Trở kháng của cọc ;
Z

EA Mc

c
L

(1.11)

Với E - Mô đun đàn hồi của cọc; E = ρ c2
A, L - diện tích tiết diện ngang và chiều dài cọc;
M - Khối lượng cọc; M = ρ A L ( ρ: khối lượng riêng);
c - vận tốc truyền sóng;
F1 và V1 - Lực và vận tốc đo được tại các đầu đo ở thời điểm t1; t1
là thời điểm mà hai sóng này đạt cực trị đầu tiên;
F2 và V2 - Lực và vận tốc đo được tại các đầu đo ở thời điểm t2;
t2 = t1 + 2L/c;
J - Hệ số cản nhớt (hay cản động) Case;
Ý nghĩa của Phương pháp CASE chuẩn là: sức chịu tải của cọc càng lớn khi: điểm
F1 càng cao; điểm F2 càng xa điểm V2 (hai sóng càng tách xa nhau tại t2 );


- 16 -

Tuy nhiên, với cọc chống hoặc cọc nén chặt đất nhiều thì ta nên sử dụng phương
pháp CASE max (Maximum CASE method, RMX). Phương pháp CASE max khác
Phương pháp CASE chuẩn ở hai điểm:
- Phải xác định được thời điểm t1 sao cho sức chịu tải Pu là lớn nhất.
- Hệ số Jc phải có giá trị tối thiểu là 0.4 (với sỏi, cuội thì tối thiểu 0,3), và thường
lớn hơn hệ số Jc của Phương pháp CASE chuẩn từ 0,2 đến 0,3.
1.1.4. Phương pháp phân tích CAPWAP
Phần mềm CAPWAP vẫn sử dụng các kết quả đo được trong thí nghiệm PDA. Tuy
nhiên, q trình phân tích CAPWAP chặt chẽ hơn, chính xác hơn và đưa lại nhiều kết quả
hơn so với phương pháp CASE.
CAPWAP là sự kết hợp giữa CASE và WEAP.
Trong CAPWAP, các hệ số quake q và damping J sẽ được tính lặp. Đối với cọc, từ
các đầu đo, chúng ta đo được gia tốc a(t) và biến dạng ε(t), tính được vận tốc Vm và lực
Fm tương ứng tại vị trí điểm đo. Đối với đất, ban đầu ta giả sử các giá trị q i và Ji và phân
bố sức kháng bên Qsi và sức kháng mũi Qp. Dựa vào các thông số này, CAPWAP tính

tốn giá trị lực tại đầu cọc Fc.
1.2. Cơ sở lí thuyết phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA)
Nhằm phân tích sâu hơn về ứng xử khi đóng cọc, nội dung phần này chủ yếu tập
trung về cơ sở lý thuyết và các vấn đề cơ bản của phương pháp thử động biến dạng lớn.
1.2.1. Mơ hình Smith [2, 3, 4, 12, 18, 22, 30, 35]
Smith sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để tìm lời giải cho phương trình
sóng ứng suất với tải trọng tới hạn. Smith biến đổi phương trình truyền sóng ứng suất
thành một hệ phương trình sai phân các phần tử rời rạc trong hệ thống búa-cọc-đất. Ông
đã xây dựng một phương pháp phân tích đóng cọc trên cơ sở mơ hình cơ học vật lý chặt
chẽ với các tính tốn số học.
Các thành phần trong hệ thống đóng cọc theo Smith bao gồm:


- 17 -

1. Búa

2. Đệm búa

3. Mũ cọc

4. Đệm cọc

5. Cọc

6. Đất nền

Hình 1.4 Mơ hình cọc và mơ hình búa
Búa, đệm búa, mũ cọc, đệm cọc và cọc được mơ hình rời rạc hóa thành các phần
tử, mỗi phần tử được mơ hình bằng một khối lượng tập trung và một lị xo khơng khối

lượng. Đất nền gồm sức kháng ma sát thành cọc và sức kháng mũi cọc được mơ hình
bằng lị xo và cản nhớt. Vì vậy, phân tích q trình đóng cọc đã chuyển thành phân tích
hoạt động của hệ thống búa-cọc-đất dưới tác động của từng nhát búa.
 Mơ hình cọc - búa
Búa và mũ cọc thường được xem là những thành phần cố định trong hệ thống.
Dưới tác dụng của tải trọng, biến dạng của búa và mũ cọc xem là tuyến tính và được gán
là các giảm chấn bên trong. Đệm cọc, đệm búa và phần tử ở đỉnh cọc gán bằng các lị xo,
độ cứng của các phần tử này được tính toán như sau:
1
1
1


K (2) K ( 2)cushion K ( 2) pile

(1.12)


- 18 -

Phần tử cọc

Phần tử Đệm cọc, đệm búa

Hình 1.5 Biến dạng của lò xo dưới tác động của tải trọng
 Mơ hình đất
Mơ hình đất của Smith bao gồm lị xo ngồi và cản nhớt. Lị xo ngồi thể hiện cho
khả năng chịu tải trọng tĩnh Rs (Hình 1.5). Lộ trình O, A, B, C, D, E, F, G thể hiện ma sát
thành cọc khi chất tải và dỡ tải. Xét tại một điểm chỉ chịu nén, khi chất tải và dỡ tải lộ
trình biến dạng là O, A, B, C, F (Hình 1.5).

Với: Q (m) - khả năng biến dạng đàn hồi lớn nhất của đất tại phần tử m, khái quát
được hiểu là “quake” – vượt q giá trị này thì đất khơng cịn ở trạng thái đàn hồi mà
chuyển qua trạng thái dẻo.
Ru(m) - sức kháng tĩnh cực hạn của đất.
Độ cứng ks(m) của lò xo ngoài tại phần tử m khi biến dạng đàn hồi được xác định
theo công thức:
k s (m ) 

Ru (m)
Q (m )

Hình 1.6 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng của đất.

(1.13)


- 19 -

Khi đóng cọc, tải trọng động tác dụng sẽ làm phát sinh sức kháng của đất. Biến
dạng của đất khi chịu tải trọng động được giả định như ở hình 1.6. Ứng xử động của đất
được đặt trưng bởi một thông số damping, J – được gọi là hằng số giảm chấn hay hệ số
cản nhớt của đất. Cản nhớt bố trí trong mơ hình thể khả năng chịu tải trọng động của đất
và cản nhớt tỷ lệ với vận tốc của tải trọng động.
 Hệ phương trình sai phân cơ bản
Bằng phương pháp sai phân hữu hạn, Smith biến đổi phương trình truyền sóng ứng
suất thành hệ các phương trình cơ bản với giả thiết: Chia thời gian tác động của một nhát
búa thành những khoảng thời gian vô cùng bé Δt. Các giá trị Δt nhỏ đến mức sao cho
trong khoảng thời gian này sóng ứng suất trong phần tử chưa truyền đến hay gây ảnh
hưởng đến phần tử liền kề. Vì vậy, Smith quan niệm chuyển vị trong các phần tử khi có
lực tác dụng là chuyển động đều.

Phương trình cân bằng của phần tử m bất kỳ tại thời điểm t:
W( m )  2 u ( m , t )
g

t 2

 K ( m 1) [u ( m 1,t  t )  u ( m ,t  t ) ]  K m [u ( m ,t  t )  u ( m 1,t  t ) ]  K ( m ,t )  0

(1.14)

Khi phân tử chuyển động tạo ra gia tốc và gia tốc này làm thay đổi vận tốc của
phần tử sau khoảng thời gian Δt:
 2 u ( m ,t )
t

2



[u ( m,t )  2u ( m,t t )  u ( m,t  2 t ) ]
t 2

(1.15)

Thay (1.15) vào phương trình (1.14), giải phương trình này tìm được các nghiệm:
 Chuyển vị của phần tử m:
u(m,t)= u(m,t-Δt) + Δt.v(m,t-Δt)

(1.16)

 Biến dạng của phần tử m:
C(m,t)= u(m,t) - u(m+1,t)

(1.17)

 Lực tác động lên phần tử m:
F(m,t)= C(m,t).K(m)

(1.18)