Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sức chịu tải của cọc có xét đến ảnh hưởng của chuyển vị đất nền xung quanh

NHIEM VU LUAN VAN:Mở đầu Chương |: Tổng quan về việc tính toán thiết kế sức chịu tải của cọc có xét đến ảnh hưởng của chuyền vị đất nên.Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp Thống Nhất v

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

NGUYEN TRUNG KIEN

NGHIEN CUU SUC CHIU TAI CUA COC CO XET DEN ANHHUONG CUA CHUYEN VI DAT NEN XUNG QUANH

Chuyén nganh : DIA KY THUAT XAY DUNGMã số ngành: 60.58.60

LUẬN VÁN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 12 năm 2011

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc: PGS TS VÕ PHAN

Cán bộ cham nhận xét 1: TS NGUYEN MINH TÂẦM scss5:

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS LE BA VINH - s2 SE Sex cszsedLuan văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp HCMngày 04 tháng 01 năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 GS TSKH NGUYEN VAN THƠ - - cece 3 1E E1 E2 rrree2 PGS TS VÕ PHÁN - LG S1 tt 21 111121111121101 0101112121101 011 1 1e.3 TS NGUYEN MINH TẦM 52 E21 1212323 1E 511 511111111111 01 teA TS LE BA VINH - - << SE S33 1 1 311111111 111111111111 171151711 Le 05 TS TRAN TUẦN ANHH - c5 12121 3 51 111111101 1111010111111 re

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên

ngànhsau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

Chú tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

“ mm====nmmmmm

-==0Ö0O -Tp HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên NGUYÊN TRUNG KIÊN Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 10-10-1987 Nơi sinh: HAI DUONG

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã ngành: 60.58.60MSHV: 10091041

1 TÊN DE TÀI: NGHIÊN CỨU SUC CHIU TAI CUA COC CÓ XÉT DEN ANHHUONG CUA CHUYEN VI DAT NEN XUNG QUANH

2 NHIEM VU LUAN VAN:Mở đầu

Chương |: Tổng quan về việc tính toán thiết kế sức chịu tải của cọc có xét đến ảnh

hưởng của chuyền vị đất nên.Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp Thống Nhất và phương pháp Phần tử hữu

hạn tinh sức chịu tải của cọc có xét đến ảnh hưởng của chuyển vị dat nên.Chương 3: Mô phỏng bài toán cọc chịu ảnh hưởng của chuyên vị dat nền cho công

trình thực tế.

Chương 4: Nghiên cứu các yếu tô liên quan đến sức chịu tải của cọc băng phương

pháp Phan tử hữu han và phương pháp Thống Nhat.

Chương 5: Kiến nghị phương pháp thiết kế sức chịu tải của cọc có xét đến ảnh hưởng

của chuyền vị đất nên.Kết luận và kiến nghị

3 NGÀY GIAO NHIEM VU : 03-06-20114 NGAY HOÀN THÀNH NHIEM VỤ: 30-11-20115 HO VÀ TÊN CÁN BỘ HUONG DAN: PGS.TS VÕ PHÁN.Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BQ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYEN NGÀNH(Họ tên và chữ ky) © QUAN LÝ CHUYỂN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS VÕ PHÁN PGS.TS VÕ PHÁN

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo Khoa Kỹ thuậtXây Dựng, trường Đại học Bách Khoa đã tận tình hướng dẫn, trang bị nhiều kiếnthức giúp cho tác giả có thể hoàn thành luận văn nảy.

Em xin gửi lời tri ân đến Thay PGS.TS V6 Phan, người đã hướng dẫn, chỉ bảovà truyền thụ những kiến thức quý báu cũng như động viên, khuyến khích emtrong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS.Bùi Trường Sơn, Thây TS.LêBá Vinh, Thầy TS.Nguyễn Minh Tâm, Thầy TS.Trần Xuân Thọ, Thầy TS.Lê

Trọng Nghĩa vì đã dành những lời giải đáp hữu ích cho em trong quá trình thựchiện luận văn.

Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Bộ môn Địa Cơ Nên Móng đã giúp đỡtạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Nguyễn Minh Hải, cũng như bạn bèđồng nghiệp, các anh chị đã giúp đỡ tác giả về số liệu thực tế cũng như những lờigóp ý hữu ích dé hoàn thành luận van này

Cuối cùng, xin cảm ơn mọi người trong gia đình đã luôn động viên, giúp đỡ và

quan tâm chăm sóc, giúp cho tác giả hoàn thành luận văn này.

Trân trọng!Học viên

Nguyễn Trung Kiên

TEN DE TÀI: NGHIÊN CỨU SUC CHIU TAI CUA COC CÓ XÉT DEN ANHHUONG CUA CHUYEN VI DAT NEN XUNG QUANH

Khi thi cong coc trong dat yéu, do hiện tượng cô kết và từ biến của đất nên,

chuyền vị của đất nền xung quanh cọc sẽ thay đổi theo thời gian Khi ở những vitrí chuyển vị đất nền lớn hơn chuyển vị cọc sẽ xuất hiện ma sát âm, điều này ảnhhưởng đến sức chịu tải cho phép của cọc Lực kéo xuống do ma sát âm đôi khi rấtlớn làm ảnh hưởng đến lực doc lớn nhất xuất hiện trong cọc và độ lún của cọc

cũng thay đôi Do đó can phải quan tâm nghiên cứu kỹ hơn vê vân dé này.

Nội dung của luận văn tập trung vào các vân đê sau:

e Xác định vị trí của mặt phăng trung hòa trong điều kiện đất yếu cóxét đến ảnh hưởng của chuyển vị đất nên và tải trọng dọc trục tácdụng lên cọc Phân tích tốc độ và xu hướng di chuyển của mặt phăng

trung hòa.

e Phân tích sự phân bố lực dọc trong cọc cũng như sự phân bố ma sát

âm, sức kháng ma sát thành dọc theo thân cọc.e Xây dựng phương pháp mới tính toán thiệt kê sức chịu tai của cọc có

xét đên ảnh hưởng của ma sát âm và sự huy động ma sát âm, sức

kháng ma sát thành tùy thuộc vao vị trí của mặt phang trung hòa

TITLE OF THESIS: STUDY ON CAPACITY OF SINGLE PILESSUBJECTED TO SURROUNDING SOIL’S SETTLEMENT

Piles driven to clay are often subjected to surrounding soil’s settlement dueto consolidation and second consolidation of soft soil Since surrounding soil’sdownward movements are larger than piles’s, negative skin friction developdevelops on the piles’ shaft The drag force caused by negative skin friction maybe large enough to reduce the pile capacity or to overstress the pile’s material Themaximum axial load and settlement of pile foundation are also affected Thus, weneed to take more consideration of this issue.

This study was undertaken to accomplish the following objectives:e Determine the position of neutral plane in soft soil condition in

consideration of surrounding soil’s setthkement and axial load.Analyse rate and tendency of neutral plane’s movement.

e Analyse the distribution of axial load along piles and the positive andnegative skin friction along the pile’s shaft.

e New design charts and procedures are presented to estimate thecapacity of pile in consideration of negative skin friction and themobilization of skin friction in the vicinity of neutral plane.

CHUONG 1: TONG QUAN VE VIỆC TÍNH TOÁN THIET KE SỨC CHIU TAI

CUA COC CO XET DEN ANH HUONG CUA CHUYEN VI DAT NEN1.1 Nguyên tắc chính xác định kha năng chịu tải của CỌC < <-<=e<<s 4

1.2 DO lún CUA móng COC ØƠT cc co 0 0 G 2G 2G S555 598 66 96 69.96 9.99 9 9999069.998986666066 0666 6

1.3 018) 11:87 At NEM 00001007087 81.3.1 D6 lún do cố kết nền đất <- << 5 << << SE 9S E595 952 sex esesee 91.3.2 D6 lún do từ biẾn o- << << << E Sư Ọ ưng mg ex II1.4 Ảnh hướng của chuyển vị đất nền đến sức chịu tải của cọc - 12

1.4.1 Hiện tượng ma sát Âm 7G G55 S6 66.96 69.96 9.96 9.909.909.998 868066 066096996 12

1.4.2 Một số nguyên nhân gây ma sát âm <5 <5 < + se se sesse seeses 121.4.3 Anh hướng của chuyến vị đất nền đến nền móng công trình 131.5 Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài 14

1.6 Nhận xét chương Í o-oooo o o o œ6 96 99.9.9999 8066.969 9.04 9099999699896868666 98 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP THONG NHẤT VÀ

PHƯƠNG PHÁP PHAN TỬ HỮU HAN TINH SỨC CHIU TAI CUA COC CÓXET DEN ANH HUONG CUA CHUYEN VI DAT NEN

2.1 Sức kháng ma sát thanh ccccssssssssssssssscscccccccccccecccccecscsssssssssssssscsssscceecs 23

2.2 Sức kháng mũi c c G (5G G 6 SG 999.9 99666 9.9.9.0 066 9 0.99000000690400 666080 66.9999 066 262.3 Sức chịu tải tới hạn 0G G G9 9 5.00 0 000004006 60 0ø 27

2.4 Phương pháp Thống Nhat tính toán xác định sức chịu tải của cọc 292.5 Phương pháp phan tử hữu hạn trong bài toán địa kỹ thuật 322.5.1 Sơ lược về phương pháp phan tứ hữu hạn << < se « =<ses=se«< 322.5.2 Các bước của phương pháp phan tir hữu hạn - 5 -<=e< << =e<- 35

2.5.3 Giới thiệu chương trình Plaxis 2D version 8.5 cccccccssssssssssccccscesssssecs 37

2.5.3.1 Các định nghĩa tổng quát về ứng suất và biến dạng - 37

2.5.3.1 Mô hình Mohr — Coulomb (dẻo lý tướng) 5< 555 s5 s55 3956965 38

2.5.3.2 M6 hình Soft Soil CT€€DD G0 G SG G SG S 66 9 9.9.9 9 99.99908808 00 06066969960999999966 43

2.6 Nhận xét chương 3 doc 5G s05 5 9.9 006.0 0.0000 000.04 680080 0600499096608 46

VI DAT NEN CHO CONG TRINH THUC TE

3.1 Giới thiệu sơ lược công trình mô phóng 5< 5555 555 6 S693 99996995 47

3.1.1 Điều kiện địa chất công trìnhh << 5 << se =esesessesesseseesese 493.1.2 Qua trình đắp gia tải - << << ng xe ke 523.1.3 Kt quả quan trắc Win (<< < £ s <5 E4 SE Sex e5s.esese 53

3.1.4 Quá trình thi công và các thời điểm quan trắc lún sau khi thi công cọc 55

3.2 Phân tích bài toán bang phương pháp Phân tử hữu hạn 57

3.3 So sánh kết qua quan trắc hiện trường với kết qua phan tích bang phương11:8311i0i 81871 0001172777 62

3.3.1 Chuyén vị mặt đất trong quá trình gia tải dat đắp (trước khi dỡ tai) 62

3.3.2 Chuyén vị đầu coc sau khi thi công (sau khi dỡ tai) - 63

3.3.3 Chuyển vị mặt đất tự nhiên sau khi thi công (sau khi dỡ tai) 64

3.4 Kt Tuan ChUONG 1 18 65

CHUONG 4: NGHIÊN CỨU CAC YEU TO LIEN QUAN DEN SUC CHIU TAICUA COC BANG PHUONG PHAP PHAN TU HUU HAN VA PHUONG PHAPTHONG NHAT4.1 Phương pháp Phan tử hữu han << < =5 << se s£seseeeeseeses 664.1.1 Vị trí mặt phắng trung hòa -<- << << «<5 S2 s sEx Sesessses 664.1.2 Phan tích các yếu to ảnh hưởng vị trí mặt phẳng trung hòa 724.1.3 Lure doc phân bố trong CỌC <-< << << s9 E5 e5 5s esese 81

4.1.4 Sức kháng mũi co 00c G G66 65 9 0 066.96 0 9090006 4.9090 086066006.9499 096696 S6

4.1.5 Sức kháng ma sát fhànhh œœœ ó œ s G S 6 9.9 9.96 9999999898 680666969969999969966 S8

4.2 Kết quả bài toán dùng phương pháp Thong nhất -5-<=<- 964.3 Kết luận chương 4 << < «+ < 5< E69 99.5 E3 95 3 5 e5 xe 100

COC CÓ XÉT DEN ANH HUONG CUA CHUYEN VỊ DAT NEN5.1 Phương pháp thiết kế sức chịu tai của cọc có xét đến ảnh hướng của chuyềnvị đất nên (Adel M.Hanna và Ali SlharrÏf) -5- << 5 <5 <2 << se se eseseesessese 1025.2 Kiến nghị phương pháp thiết kế sức chịu tai của coc có xét đến ảnh hưởngcủa chuyển Vi đất MEN -«- << << 5 4 E9 4.93 99 1 9 3 g05x£ 1055.3 Tính toán thiết kế sức chịu tai cho công trình thực tẾ <- 110

5.3.1 Công trình Cảng Hiệp Phước G6 G 6S 66 9.96 99.99.9999 96666 0666666 1105.3.2 Công trình Nha máy Điện Dam Cà Mau c co << << 555 s55 S55 S65 114

5.4 Kết luận chương à - << < s- ° < 5< E693 99 95 E3 962 25 e5 xe 117

KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ - 5° 5° << << E4 sex sesesesesesese 118

Hình 1.1: Biểu đồ lực — chuyến vị trong cọc khi không có sức khang mũi - 5Hình 1.2: Biểu đồ lực — chuyến vị khi có cả sức kháng mũi và ma sát thành 6Hình 1.3: Giá tri a, theo biếu đô phân bố ma sát trên RAN CỌC -. c¿cc sec ssssss 7Hình 1.4: Các giai đoạn lún của đất nên theo thời Qian ccccccccccccssssssesssesescsecssscnsvevscesees 8Hình 1.5: So đồ tinh lún theo phương pháp tông phân t6 vecceccccccccsssssccsscssscsscesscrsvevcesees 9Hình 1.6: Sơ đồ xác định chỉ số nén thi Cấp Cụy -cc StSeEkSkS*EEEEEESEEEkEekrkrrrserkeo 1]

Hình 1.7: So sánh sự phat sinh ma sát dương và INA SAt ÂHH c-c << SSSSSsssss+2 12

Hình 1.8: Chuyển vị và độ co ngắn cọc ở thời điểm 1 năm, 2 năm sau khi thi công 14Hình 1.9: Phân bố lực dọc trong cọc ở các thoi điểm khác nhau - 5-2 ccc + sec ssez 15Hình 1.10: Thông số địa chất và ứng suất hữu hiệu trong đất (Bozozuk 1972) 16Hình 1.11: Chuyển vị của nên đất ở các điểm do theo thời giaH 5s cac sec se: 16Hình 1.12: Chuyển vị đất nên và lực doc phân bồ trong cọc theo thời gian 17Hình 1.13: Lực dọc phân bố trong cọc và chuyển Vị của cọc — đất nÊn ‹- 5: ISHình 1.14: Phân bố lực trong cọc theo thời Qidniccccccccccccssssssessecsesstscssssvececectsesceesvaven 19Hình 1.15: Điều kiện địa chat va mặt bằng tiễn hành thí HghiỆP -ằĂ «s2 20Hình 1.16: Biểu đô lực dọc phân bo trong cọc và chuyển vị cọc — đất nên - 21Hình 2.1: Giá trị hệ số B thay đổi theo độ dài ngàm COC trong Cắt -ccecscsee: 24Hình 2.2: Hệ số B theo ứng suất hữu hiệu trung Đình c-scksk ket sEseskeersereeo 25Hình 2.3: Hệ số B theo chỉ số dẻo cho cọc trong AGt SÉI + kx két sEsskcerserkeo 25Hình 2.4: Phân bố lực và sức kháng theo AO SÔI ST SA xxx xa 27Hình 2.5: Vị trí mặt phang trung hòa phụ thuộc vào đường cong phân bố lực và các

trường hợp phân bô chuyển vị khác nhau (1 và ÏÏ) - «SE EsEEEEEEsEeereeseeerersed 30Hình 2.6: Mặt phẳng trung hòa và lực dọc cho pÌépp « set +k*ksEskeEeesererserees j1Hình 2.7: Dường cong phân bố lực và sức kháng, biếu đô chuyển vị -s-‹ 32Hình 2.8: Rời rac hóa miễn khảo sát +: St Sr SE ri 34Hình 2.9: Chia miễn tính toán thành các Phan tH - -c<csk St SEEsESeEekskrerserkeo 35Hình 2.10: Hệ trục tông quát và Quy UOC dAteecccccccccccccscesssessessecsescsesssctsvevscesesvscnevevecs 37

Hình 2.12: Quan hệ ứng sudt-bién dang trong mô hình đàn đẻO -c- «sec se: 39

Hình 2.13: Mặt giới hạn Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính (c=0) 40

Hình 2.14: Xác định Eo và Eso từ kết qua thí nghiệm nén ba trục thoát HÓc 42

Hình 2.15: Cách xác định hệ số C:a/Theo định nghĩa; b/Theo phương pháp Janbu 44

Hình 2.16: Đường quan hệ ứng suất — biến dang lý tưởng từ thí nghiệm nén có kết 45

Hình 3.1: Tong mặt bằng bồ trí hỗ khoan Cảng Container Quốc tế Cái Mép 47

Hình 3.2: Mặt bằng bố trí cọc khu Maintenance ShOj «5c + kx tt Esesecerserees 46Hình 3.3: Mặt cắt địa chất KAU VUC ceccccccccccsccscccsccsccscescessccsccssesscsscsscessessesscsssessesseessessees 49Hình 3.4: Duong cong nén lún đặc trưng của các mẫu đÏất c se seceseserseskei 51Hình 3.5: Hệ số quá CO kết OCR theo độ SGU veccccccccccccccssccsccscesscsscsssessessesscsssessesscesseseens 52Hình 3.6: Quy trình Aap gia tai ccccccccccccccccccccsssssesssscscscsscscssssesvscsecsescscsvacesvevscestacseesvaven 52Hình 3.7: Biểu do biéu diễn độ lún cô kết và từ bién trong quá trình thi công và sử dụngl227/15174//1 SE ea ẽẼỀỀ 6 ề(((/id12.^4 53

Hình 3.8: Bo trí các điểm quan trắc lún và do áp lực nước lỗ rỖng c «c5: 54Hình 3.9: D6 lún tại điểm SS — 32 theo quá trình dap gia tải và theo thời gian 54

Hình 3.10: Độ lún theo tải trọng đất dap và theo thời gian của khu vực 10 55

Hình 3.11: Chuyển vị ở các đầu cọc và chuyển vị đất nên theo thời gian - 56

Hình 3.12: Mô hình bài toán cọc đơn với các lớp dia 1E aA 57Hình 3.12: Chuyển vị mặt dat theo quan trắc và theo phương pháp Phan tử hữu han 62

Hình 3.13: Chuyển vị ở các đầu cọc theo quan trắc và Phần tử hữu hạn 63

Hình 3.14: Chuyển vị mặt dat theo quan trắc va phương pháp Phan tử hữu hạn 64

Hình 4.1: Biéu đô lực dọc trong cọc và chuyển vị đất nên — cọc P=0, t=75 ngày 67

Hình 4.2: Biéu đô lực dọc trong cọc và chuyển vị đất nên — cọc P=0, t=104 ngày 67

Hình 4.3: Biéu đô lực dọc trong cọc và chuyển vị đất nên — cọc P=0, t=133 ngày 68

Hình 4.4: Biéu đô luc dọc trong cọc và chuyển vị đất nên — cọc P=0, t=164 ngày 68

Hình 4.5: Biéu đô luc dọc trong cọc và chuyển vị đất nên — cọc P=0, t=196 ngày 69

Hình 4.6: Biéu đô lực dọc trong cọc và chuyển vị đất nên — cọc P=0, t=224 ngày 69

Hình 4.7: Biéu đô lực dọc trong cọc và chuyển vị đất nên — cọc P=0, t=255 ngày 70

Hình 4.9: Biéu đô lực dọc trong cọc và chuyển vị đất nên — cọc P=0, t=3650 ngày 71Hình 4.10: Chuyén vị đâu coc và mặt đất theo thời gian, P=0kN « 2 72Hình 4.11: Vị trí mặt phang trung hòa Lyp/L theo thời gian, P=0kN - 72Hình 4.12: Vi trí mặt phăng trung hòa Lyp/L theo độ lệch chuyển vị mặt dat — dau

COC, P—KÌN LG Q0 HH TK E0 6.9 63 3 cà 73

Hình 4.13: Chuyển vị đâu cọc và mặt đất theo thời gian, P=1I35kN « 74Hình 4.14: Vị trí mat phang trung hòa Lyp/L theo thời gian, P=135kN 74Hình 4.15: Vi trí mặt phăng trung hòa Lyp/L theo độ lệch chuyển vị giữa mặt đất và đầu

Hình 4.16: Chuyén vị đâu coc và mặt đất theo thời gian, P=270kN «- 76Hình 4.17: Vị trí mặt phang trung hòa Lyp/L theo thời gian, P=270kN 76Hinh 4.18: Vi tri mat phang trung hòa Lyp/L theo độ lệch chuyển vị giữa mặt đất và đầu

CỌC, P—2770KÌN -_ LG HH TS Tu KT cà 77

Hình 4.19: Chuyển vị đâu cọc và mặt đất theo thời gian, P=405kN « 77Hình 4.20: Vi trí mặt phăng trung hòa Lyp/L theo thoi gian, P=405kN 78Hình 4.21: Vi trí mặt phăng trung hòa Lyp/L theo độ lệch chuyển vị giữa mặt đất và đầu

COC, P—4OS5KÌN GHI KG Si cà 78

Hình 4.22: Vị trí mặt phang trung hòa Lyp/L theo thời gian với các cấp tải doc trục 79Hình 4.23: Độ lệch chuyển vị mặt đất — đâu cọc theo thời gian VỚI các cấp tai đọc trục 79Hình 4.24: Vi trí mặt phăng trung hòa Lyp/L với các cấp tai trọng AOC frục SOHình 4.25: Biểu đô phân bố lực dọc trong cọc, P=0kÌN - cv xxx vxa 6ÏHình 4.26: Biểu đô phân bố lực dọc trong cọc, P=1I32KÌN sex xxx, 82Hình 4.27: Biểu đô phân bố lực dọc trong cọc, P=270kÌ -«ssssssssssssss 63Hình 4.28: Biểu đô phân bố lực dọc trong cọc, P=405kÌ «cv xxx 84Hình 4.29: Biểu đô lực dọc lớn nhất trong cọc theo thởi gian và cấp tải đâu cọc 65Hình 4.30: Tong lực kéo xuống do ma sát âm tác dụng VÀO CỌC - se ccsececseseeo 56Hình 4.31: Sức kháng mũi q, theo thời gian ứng với từng cấp tải dọc trục - ŠZHình 4.32: Sức kháng mũi gq, theo độ xuyên mũi cọc với từng cấp tải dọc trục ŠZ

Hình 4.34: Ma sat thành và độ lệch chuyển vị cọc — đất nên theo độ sâu, P=0kN 59

Hình 4.35: Ma sót thành va độ lệch chuyển vị cọc — đất nên theo độ sâu, P=135kN 92

Hình 4.36: Ma sat thành và độ lệch chuyển vị cọc — đất nên theo độ sâu, P=270kN 93

Hình 4.37: Ma sat thành và độ lệch chuyển vị cọc — đất nên theo độ sâu, P=405kN 94

Hình 4.38: Biểu đô phân bố lực dọc trong cọc, P=0kÌN - cv xxx vxa 96Hình 4.39: Biểu đô phân bố lực dọc trong cọc, P=1I32KÌN sex xxx, 97Hình 4.40: Biểu đô phân bố lực dọc trong cọc, P=270kÌ -«ssssssssssssss 97Hình 4.41: Biểu đô phân bố lực dọc trong cọc, P=405kÌ «cv xxx 98Hình 4.42: Phân bố lực dọc trong coc ứng với từng cấp tải theo PP Thống Nhát 96

Hình 5.1: Phân bố ma sát âm và ma sát đương dọc theo thÂn CỌC «««« 102

Hình 5.2: Biểu đô quan hệ Lyp/L và L/Ï) Ă c c cc 3v 111 11v 1 111v vớ 104Hình 5.3: Biểu đô xác định hệ số Ñ\ - che 104Hình 5.4: Dường phân bô ma sát âm và ma sát dương theo độ sâu - c5: 106Hình 5.5: Thiết láp moi QUAN NE Liyjp, FT PT KMẢ 107

Hình 5.6: Thiết lập công thức tính luc kéo xuống do ma sắt ÂH - sec csse: 108

Hình 5.7: Quan hệ giữa Lyj/Lyp VỚI ÙNp/Ì ĂĂĂ SG c Gv ca 109

Hình 5.8: Mặt cắt địa chất ở hồ khoan BHO, BHO2, BH03 -ce©ceccsce 111Hình 5.9: Biéu đô tái trong — độ lún của COC P= lÌÏÌÏ Ă-Ă ccc cv xen 112Hình 5.10: Hình trụ hồ khoan B1O2 w eecsecsesesseseeseessessessessesseseeceeceeseecnecneseeeneeneeneeneenee 114Hình 5.11: Biểu đô tai trong — độ lún của COC AL PP2 ĂĂ Ăn xxx rea 116

Bang 2.1: Giá trị hệ số 8 của một SỐ loại đẩấF - ác St An AE E11 1511511111111 Etssera 24Bảng 2.2: Giá trị hệ số Ny của một số loại AGE ceccccccccsccccccsccscessecsessesscesscssccscesscsscsscsssesees 26Bang 3.1: Thành phan hạt các lÓp đÍấT c5 SE SE ST 1H ngư 50Bang 3.2: Giới hạn Atterberg và tính chất vật lý các lớp đÍất «se cscsecersesees 50Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm CU cho từng lỚp đÌết -c- + Sex SEsES+Eeeserersereeo 5]Bang 3.4: Kết quả thi nghiệm nén CO Ket cecccccccecccssscsessssescesssescecsecsescssesvacssvsvsceevsvscevaven 5S]Bang 3.5: Hệ số cô kết Cụ của các 16 AGt eeeccececcccccscsescssesssvesecsecsescssesvasssvsvsceevsvsctevaven 52Bang 3.6: Hệ số nén thể tích của các GD đÍất + St SEkSkESESEEEEEEEEEEErkskrkrsrskeo 58Bảng 3.7: Hệ số thẩm K\ + S1 SE 1S E k1 HT TH TT HT HT HT HH ru 58Bảng 3.8: Các thông số tim Ì„„ Ác St SĐT TH T HT TT TT HH TH Hy 59Bang 3.9: Hệ số thấm tương đương cua các lớp đất khi có bắc thẩm 5 ó0Bang 3.10: Thông số của đất nên trong mô hÌHÌh - - 5< SE kSk SE SEESEEEekEekrkrerserkeo ó0

Bang 3.11: Các bước thi công trong Plaxis 2D Version 8.5 2SSS << 5< <+2 61

Bang 3.12: Kết quả chuyển vi đâu cọc theo phương pháp Phan tử hữu Nan 63Bang 3.13: Kết quả chuyển vi mặt dat theo phương pháp Phan tử hữu hạn 64Bảng 4.1: Tỷ lệ Lyp/L ở các thời điểm và các cấp tải đâu cọc khác nhau - 71Bang 4.2: Lực doc lớn nhất trong coc (KN) theo thời gian và cấp tải đâu cọc le)Bang 4.3: Tong lực kéo xuống (kN) do ma sát âm tác đụng VÀO CỌC -.-ccsccsc 56

Bang 4.4: Luc dọc lớn nhất fFOHE COC (KN) .ccccccccccssccccecceneeeceeceeeeeeeeeeneeeeeeaaeeseeseaneseeeaas 99

Bang 5.1: Hé số N, cho một SỐ loại AGE cee cecccccccccccsccsccsccsccsscssccsscsscssssssessesscessesscsscessesss 105Bang 5.2: Các lớp đất tại hỗ khoan BHOI cececcccscccscssscssesssessecescssscvscecsevsvscsetsvaveenevaes 111Bang 5.3: Các chỉ tiêu vật lý của các lớp Gt vececcccceccsccssessscssesessssscvscececsescsetsvaststevees 111Bang 5.4: Kết quả tính toán sức Chịu tải CUA COC .tcccccsccscesssessesessssssvsvsssvevscsecsvsceeevees 113Bang 5.5: Các lớp đất tại hồ khoan BIO2 ccececcccssccscstsssvecsscssscescssscesvecsstsvscsecsvaveeeevaes 115Bảng 5.6: Các chỉ tiêu vật lý của các lớp đấ, - - ác sec EEESEEEEEESkEkEsrskrkreseeo 115

Bảng 5.7: Kết quả tính toán SUC CHIU tÔI CUA CỌC ĂĂccc Y1 va 116

1 Đặt van đề

Trong những năm gân đây, tốc độ xây dựng cơ sở hạ tầng của nước ta tăng nhanh,tương ứng với đà phát triển của nền kinh tế xã hội Hàng loạt công trình nhà cao tang,chung cư, cao ốc thương mại được xây dựng để đáp ứng yêu câu ngày càng tăng caocủa xã hội Điều này đặt ra yêu câu cấp thiết cho việc phân tích, thiết kế, lựa chọn giảipháp móng cho các công trình cao tầng, thỏa mãn điều kiện kinh tế và bền vững Giảipháp móng đáp ứng được các yêu cầu trên và được ứng dụng rộng rãi ở các công trình

vừa nêu là móng cọc.

Việc thiết kế móng cọc thường bao gồm các công đoạn là tính toán sức chịu tải vàkiểm tra độ lún của móng cọc Việc tính lún thường được tiễn hành sau khi tính toán thiếtkế sức chịu tải của cọc Việc tính toán xác định sức chịu tải của cọc tiễn hành đồng thờivới việc ước lượng độ lún của móng cọc là van dé cần nghiên cứu Việc thiết kế đồngthời này rất quan trọng khi có sự hiện diện của ma sát âm ở trên cọc, xảy ra khi vùng đấtnên của khu vực chịu tác động của các nhân tổ gây thay đổi ứng suất hữu hiệu trong đấtnhư hạ mực nước ngầm, đắp các lớp gia tải, đắp đường, tải trọng của các công trình lâncận hoặc đất nền bị lún do hiện tượng cô kết, từ biến Theo như cách tính toán thôngthường thì độ lún này không ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc Tuy nhiên, thực tế là sựhuy động sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi lại chịu tác động từ chuyền vị tươngđối giữa cọc và đất nền xung quanh cọc, do đó độ lún của đất nền sẽ ảnh hưởng đến sức

chịu tải của cọc.

Một vẫn đề cần lưu ý nữa là vi trí của mặt phăng trung hòa (vi trí mà ở đó chuyểnvi tương đối giữa cọc và đất nền bang 0).Tùy thuộc vào chuyển vị của đất nền mà vị trícủa mặt phăng trung hòa sẽ thay đổi, do đó độ dai đoạn cọc chịu ma sát âm cũng sẽ thaydoi Kết quả là độ lớn lực ma sát âm tác dụng vào coc thay đối, dẫn đến sự thay đối củalực dọc lớn nhất trong cọc Trong thiết kế tính toán phải lưu ý đến van dé này vì néu ma

sát âm quá lớn sẽ gây ra lực dọc vượt quá sức chịu tải theo vật liệu của cọc, gây phá hoạicọc và sụp đô công trình.

yêu sau đây:

i)

iii)

Xác định vi trí của mat phăng trung hòa trong điều kiện đất yếu có xét đếnảnh hưởng của chuyển vị đất nên và tải trọng dọc trục tác dụng lên cọc.Phân tích tốc độ và xu hướng di chuyên của mặt phang trung hòa

Phân tích sự phan bố lực dọc trong cọc cũng như sự phân bố ma sát âm, sức

kháng ma sát thành dọc theo thân cọc.

Xây dựng phương pháp mới tính toán thiết kế sức chịu tải của cọc có xétđến ảnh hưởng của ma sát âm và sự huy động ma sát âm, sức kháng ma sátthành tùy thuộc vào vị trí của mặt phẳng trung hòa

3 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:i)

iii)

Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu phương pháp Thống Nhat (UnifiedMethod) và phương pháp do Adel M.Hanna và Ali Sharif đề nghị để tínhtoán sức chịu tải của cọc có kế đến ảnh hưởng của độ lún đất nền xung

quanh cọc.

Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành phân tích kết quả quan trắc lún cọc vàđất nền dé làm rõ ảnh hưởng của chuyền vị đất nền đến các yếu tô liên quanđến sức chịu tải của cọc Tiến hành phân tích, so sánh kết quả tính toán sứcchịu tải của cọc theo phương pháp mới xây dựng với kết quả thí nghiệm

nén tĩnh hiện trường.

Nghiên cứu mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Plaxis 8.5 để mô phỏng tính

toán và khảo sát các trường hợp.

4 Y nghĩa khoa học

Dé tài có ý nghĩa khoa học thiệt thực, góp phân xác nhận va làm rõ hơn vê môiquan hệ không tách rời giữa tính toán sức chịu tai và độ lún của móng cọc trong việc thiệtkê nên móng công trình Đê tài cũng góp phân nhân mạnh mức độ quan trọng của việc

phân tích chuyển vị, độ lún của móng coc trong công tác tính toán thiết kế sức chịu tải

sự phân bố sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi, sự cân bang lâu dài giữa tổng sứckháng bên, sức kháng mũi với lực tác dụng ở đầu cọc, ma sát âm (tồn tại ở đầu cọc đếnmặt phăng trung hòa), và sự phân bố lực trong cọc.

5 Tính thực tiễn của đề tài

Đề tài giúp cho các kỹ sư có cái nhìn rõ hơn về ảnh hưởng của chuyền vị đất nềnđến các yếu tố như: vị trí mặt phăng trung hòa, sự phân bồ lực trong cọc, các thành phầnsức chịu tải của cọc Đồng thời đề tai cũng xác định được vi trí huy động ma sát âm cựchạn thông qua vị trí của mặt phang trung hòa Qua đó dé tài xây dựng một phương phápmới tính toán sức chịu tải của cọc có xét đến mối tương quan với độ lún của móng cọc.6 Giới hạn của dé tài

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu móng cọc đơn, không xét đến những móng cọckích thước lớn cũng như số lượng cọc lớn, bè cọc

Do điều kiện thu thập số liệu thực tế còn khó khăn, số liệu thí nghiệm chưa đođược sự phân bố lực và sức kháng ma sát dọc theo thân cọc

CUA COC CO XET DEN ANH HUONG CUA CHUYEN VI DAT NENNhư đã biết, sức chịu tai của cọc bao gồm sức kháng ma sát thành va sức khángmũi Kết quả của việc tính toán sức chịu tải cọc chịu ảnh hưởng rất lớn từ việc xác địnhcác thành phần sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi cọc.

Mục đích chủ yếu của việc đặt móng trên cọc (móng có chân mở rộng, móngbè ) là dé hạn chế chuyển vị Tuy nhiên việc thiết kế móng cọc lại rất ít khi tiễn hànhkèm với việc phân tích chuyền vị Trước đây người ta thường quan niệm chỉ cần đủ sứcchịu tải là an toàn, các van dé khác không cần lưu ý Phương pháp này không an toàn vàđôi khi gây ra sự lãng phí lớn Phân tích chuyền vị là một công đoạn không thé tách rờitrong việc thiết kế móng cọc nói riêng và nền móng nói chung Đối với nhóm cọc nămtrong đá hoặc sét băng tích, chuyển vị thường không gây ảnh hưởng bat lợi Với điều kiệnđất nền khác, việc phân tích chuyển vị nhất thiết phải được tiễn hành Thiết kế móng cọcphải lưu ý đến các yếu tố sau: sự phân bố sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi, sựcân bằng lâu dài giữa tong sức kháng bên, sức kháng mũi với lực tác dụng ở đầu cọc, masát âm (tồn tại từ đầu cọc đến mặt phăng trung hòa), sự phân bồ lực trong cọc

1.1 Nguyên tắc chính xác định khả năng chịu tai của cọc

Sức chịu tải của cọc là yếu tố cơ bản trong việc phân tích và thiết kế móng cọc

Sức chịu tải dọc trục cua cọc được phân thành hai loại: sức chịu tải theo vật liệu và sức

chịu tải theo đất nền Về phương diện sức chịu tai theo vật liệu, sức chịu tải cực hạn sẽđược tính toán dựa theo cường độ cực hạn của vật liệu Về phương diện sức chiu tải cuacọc theo đất nền, cọc được sử dụng để truyền tải trọng từ kết câu bên trên xuống đất nên

Đối với cọc bê tông cốt thép chế tạo sẵn làm việc trong điều kiện địa chất yếu, thường thì

sức chịu tải theo vật liệu được thiết kế lớn hơn từ 1.5 đến 3 lần so với sức chịu tải theođất nền, do đó trong dé tài này chỉ quan tâm đến sức chịu tải của cọc theo đất nên

Sức chịu tải là sức kháng tới hạn cua cọc mà khi lực vượt quá giới han đó thì sự

gia tăng chuyển vi rất lớn tương ứng với sự gia tăng một lượng nhỏ lực tác dụng Sứcchịu tải của cọc bao gồm: sức kháng ma sát thành (tải trọng của công trình thông qua ma

trọng của công trình thông qua mũi cọc truyền vào lớp đất phía dưới mũi cọc).

Sức chịu tải của cọc trong trường hợp không có sức kháng mũi mà chỉ tôn tại sứckháng ma sát thành gia tăng theo biểu đồ dan-déo khi tăng lực tác dung,do đó rất dễ xácđịnh, sức chịu tải là đường năm ngang (cọc lún xuống trong khi lực tác dụng không tăng)

1 lí OFFSET

J : LIMIT LOAD

200 ~ |

] £ LINE PARALLEL THE

| ELASTIC LINE, EA/L

0 a

0 5 10 15 20 25 30

MOVEMENT (mm)

Hình 1.1: Biểu đồ lực — chuyén vị trong cọc khi không có sức kháng mũi

Tuy nhiên khi có sức kháng mũi tham gia thì sức chịu tải không còn dễ xác định

như vậy nữa Biểu dé không còn điểm chảy dẻo rõ ràng như ở trường hợp chỉ có sứckháng mũi đơn thuần Cách đơn giản có thé lay lực ứng với chuyển vị 10% so với đường

kính cọc làm sức chịu tải của cọc, hoặc dựa vào một tiêu chí nào đó trên đường cong

chuyển vị - lực tác dụng để tìm ra sức chịu tải của cọc Thông dụng ở Bắc Mỹ là tiêu chícủa Davisson: từ điểm có chuyền vị là (4mm+d/120) kẻ đường song song với phan tuyến

tính của đường cong, cat đường cong tại vi trí nào thi đó là sức chịu tải của cọc.

Độ lún của cọc đơn tính theo công thức sau:

Sa= ÁL +Sm+Sb (1.1)Trong đó :

A, : biến dang dan hồi của ban thân cọc.Sin : độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dưới mũi coc.Sp : độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất doc thân cọc.Biến dang dan hồi của bản thân cọc được tính như một thanh chịu nén:

Trong đó:

Ap: Diện tích tiết điện ngang cọc.L: Chiều dài cọc

Dø(1- uv’

N=- = “) (1.4)

0

Trong đó:dap: sức khang mũi đơn vi tại tai trọng làm việc.D: đường kính hoặc cạnh cọc.

Lu,Eo: hệ số poisson và module của đất dưới mũi cọc.wo: hệ số phụ thuộc vào hình dáng cọc, cọc vuông œ = 0.88,cọc tròn œ = 0.79.Độ lún do chuyến dịch theo phương đứng của đất bởi lực ma sát đất và mặt bên

của cọc được tính theo công thức sau:

— ƒ„Døœ,(I— 1")

S (1.5)Trong đó:

f,.: sức kháng bên đơn vi tại tải trọng làm việc tính trung bình cho toàn đoạn cọc.©»: hệ sô phụ thuộc vào độ mảnh cua coc.

QO, =2+035]4 (1.6)

Với đất nền biến dạng được, độ lún của móng thường được tính băng với biéndạng đứng của nên đất Độ lún này cần được các kỹ sư thiết kế công trình đặc biệt quan

primaryconsolidation

~ secondary

compressionor creeping

Hình 1.4: Các giai đoạn lún cua dat nên theo thời gian

Xác định độ lún 6n định của nên theo kết quả thí nghiệm nén cố kết dựa vào

đường cong e-p hoặc theo e-logp.

Hình 1.5: So do tinh lún theo phương pháp tông phân to

Độ lún của nên là tông độ biên dạng đứng của n phân tô trong vùng nên bị nén.

Với các nên đất có độ thắm lớn như cát, sỏi, sạn, đá dam, , hiện tượng cỗ kếtthâm diễn ra gần như tức thời, độ lún của chúng không phụ thuộc thông số thời gian.Ngược lại, các đất loại sét độ lún phụ thuộc thời gian t và tùy theo đặc tính của đất nền cóthé xảy ra ba trường hợp tính sau:

Trường hợp 1: Đất cỗ kết thường, po = Ø, , độ lún nên được tính theo công thức:

Po : áp lực do trọng lượng bản than ở giữa lớp dat đang tinh lún.Ap : ứng suất thăng đứng gia tăng do tải trọng công trình gây ra ở giữa lớp đất.Ơp : ứng suất cô kết trước

€ọ : hệ số rỗng ban đầu của lớp sét (thời điểm trước khi xây công trình).C : chỉ số nén

C, : chỉ số nở.Hạ: bề dây lớp đất sét ban đầu trước khi xây công trình.Tính độ lún theo đường e — logp (hay e - logo) cũng có thé áp dụng cho phươngpháp tông phân tố, tương tự như khi tính theo đường e — p Nhưng có khả năng trongcông thức tính lún có một hoặc cả ba dạng công thức trong ba trường hợp kế trên

Ở cấp tải từ pị = po (ứng suất do trọng lượng bản thân ở giữa lớp đất đang tính lún)đến p> = po+Ap (Ap là ứng suất do tải ngoài gây ra tại giữa lớp đất đang tính lún) Độ lúndo hiện tượng nén thứ cấp dựa vào đoạn tuyến tính bên dưới của đường cong e — logt, ởcấp tai từ pị đến p» của thí nghiệm nén có kết mẫu Công thức tính độ lún này có dạng:

S.=-€Z— H,(Alog?) (1.16)

I+e,Trong đó:

ep: hệ số rỗng tương ứng với điểm đầu của đoạn tuyến tính phía dưới ở đường

cong e — logt, suy từ đường cong Ae — logt.

Cạ: chỉ số nén thứ cấp được định nghĩa bởi Raymond và Wahls (1976) cùng Mesrivà Choi (1977), dựa trên phan nén thu cap của đường cong e — logt như sau:

K ‘A lo

E+ bea

Determination of index of secondary compression Cc.

Hình 1.6: So đồ xác định chỉ số nén thứ cấp Cy

1.4 Anh hưởng của chuyển vị đất nền đến sức chịu tải của cọc

1.4.1 Hiện tượng ma sát âm

Đối với công trình sử dụng móng cọc, cọc được đóng vào trong lớp đất nền có quátrình có kết chưa hoản toan, khi tốc độ lún của đất nền dưới công trình nhanh hơn tốc độlún của cọc theo chiều đi xuống, thì sự lún tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống củatầng đất đối với cọc làm tăng lực tác dụng lên cọc, lực kéo xuống này là lực ma sát âm

Lực ma sát âm xảy ra trên một phan than coc, phụ thuộc vào tốc độ lún của đấtxung quanh cọc và tốc độ lún của cọc, có chiều thăng đứng hướng xuống dưới, cókhuynh hướng kéo cọc đi xuống

Ade dap

}

TEEPE TL eee halIIIIIII1II1111111111111

Hình 1.7: So sánh sự phat sinh ma sát dương và ma sát âm

a/ Sự phat sinh ma sat dương

b/ Ma sát âm có lớp đất mới đắp xảy ra cô kết do trọng lượng ban thânc/ Ma sát âm khi lớp sét yếu cô kết do thoát nước hoặc do có thêm lớp dat đắp1.4.2 Một số nguyên nhân gây ma sát âm

Mỗi quan hệ giữa biến dạng lún của nền và biến dạng lún của cọc là nên tảng cơban dé lực ma sát âm xuất hiện Quá trình xuất hiện ma sát âm được đặc trưng bởi độ lúncủa đất gần cọc và tốc độ lún tương ứng của đất lớn hơn độ lún và tốc độ lún của cọc xảyra do tác động của tải trọng Một SỐ trường hợp cụ thé:

e Khi nên công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớpđất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nên bên dưới; hoặcchính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng

xảy ra quá trình cô kêt.

e Coc đóng trên nên chưa kết thúc cố kết: Trong thực tế một tinh huéngthường xuyên gặp phải trong thiết kế cầu đường nơi mà lực ma sát âm cóthé xảy ra Các cọc đã được thi công xong trong khi nền đất chưa kết thúccô kết, m6 cầu đã được xây dựng và đất nền đã được đắp Độ lún của nềnđất dọc theo thân cọc có thể rất khó khăn để loại bỏ, vì vậy lực ma sát âm

thường xảy ra.

e Ngoài ra, việc hạ thấp mực nước ngầm làm tăng ứng suất thăng đứng cóhiệu tại mọi điểm của nền đất Vì vậy, đây nhanh tốc độ lún cỗ kết của nềnđất Lúc đó, tốc độ lún của đất xung quanh cọc vượt quá tốc độ lún của cọcdẫn đến xảy ra hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh cọc.1.4.3 Ảnh hưởng của chuyển vị đất nền đến nền móng công trình

Bất kỳ một sự dịch chuyển nào xuống phía dưới của nên đất đối với cọc đều sinhra lực ma sát âm Tải trọng này có thể truyền hoàn toàn từ đất nên cho cọc khi mối tươngquan về chuyển vị khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kính cọc Khi chuyển vitương đối của đất tới 15mm thì ma sát âm được phát huy day đủ Một điều thường đượcgiả thiết trong việc thiết kế khi cho rằng toàn bộ lực ma sát âm sẽ xảy ra khi mà có mộtsự chuyển dịch tương đối của nên đất được dự đoán trước

Khi cọc ở trong đất, thì sức chịu tải của cọc được thé hiện qua thành phân ma sát

(dương) xung quanh cọc và sức kháng mũi cọc Khi cọc bị ảnh hưởng ma sát âm thì sức

chịu tải giảm do nó phải gánh chịu một lực kéo xuống mà thường gọi là lực ma sát âm.Ngoài ra do quá trình cô kết của lớp đất, đã gây nên khe hở giữa đài cọc và lớp đất dướiđài, giữa cọc và đất xung quanh cọc, từ đó gây tăng thêm ứng lực phụ tác dụng lên móngcọc Đối với đất trương nở, ma sát âm có thể gây nên tải trọng phụ rất lớn tác dụng lên

móng cọc.

Trong một số trường hợp lực ma sát âm lớn, phan coc chiu tac dung cua ma sat 4mdai (nhất là đối với trường hop coc có chiều dài lớn), lực kéo xuống do ma sat âm lúc đórất lớn, làm gia tăng lực nén dọc trục cọc, có thể vượt qua sức chịu tai dọc trục cua coc

theo vật liệu và gây phá hoại cọc Ngoài ra khi hiện tượng ma sát âm xảy ra, độ lún của

cọc cũng gia tăng, giá trị này rat đáng ké trong trường hop cọc treo

1.5 Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài

Thí nghiệm hiện trường cho cọc thép ớ Sörenga — Oslo — Nauy (Johanessen vàBjerrum - 1965)

Tháng 4 — 1962, Viện Dia kỹ thuật Nauy (Norwegian Geotechnical Institute) tién

hành thí nghiệm hiện trường với kích thước that một coc thép dai 55m, đường kính

470mm thi công bằng phương pháp đóng Dia chất khu vực bao gồm lớp đất dap bang cátdày 10m, tiếp đó là lớp sét biển dày 43m năm trên tang đá gốc

Việc đắp lớp cát dày 10m đã gây ra hiện tượng cô kết theo thời gian Áp lực nướcthặng dư tiêu tán dần, ứng suất hữu hiệu tăng lên và gây lún cho tầng sét biển theo thờigian Kết quả là ma sát âm xuất hiện dọc theo thân cọc Chính lực ma sát âm này gây ra

lực kéo cọc đi xuông và làm cho cọc co ngăn lại.

SETTLEMENT (mm) PILE SHORTENING (mm)

DEPTH (m) 820 + 20

MarineClay

al! | /„

| ⁄

DEPTH (m)

50 3

ock ME May 1963 —==My 1963

—e— April 1964 ==>>'2pril 1964

60 60

Hình 1.8: Chuyên vị và độ co ngăn cọc ở thời điểm I năm, 2 năm sau khi thi côngJohanessen và BJerrum đã dùng độ co ngăn của cọc tính ra ứng suât phân bô trongcọc theo độ sâu và từ đó vẽ đường phân bô tải trọng dọc trục của cọc theo độ sâu nhưhình vẽ dưới.

+

60

Hình 1.9: Phân bố lực dọc trong cọc ở các thoi điểm khác nhauBjerrum và đồng nghiệp (1969) đã tính toán rang, đến thời điểm 3 năm sau khi thi

công (1965) chuyển vị đất nên dat giá trị 2000mm và lực dọc lớn nhất trong cọc đạt

4000KN độ xuyên sâu mũi cọc vào tang đá là 100mm Mặt phang trung hòa năm rat ganmũi cọc và sức kháng mũi gần như băng với lực dọc lớn nhất trong cọc Lực dọc lớn nhấtlà 4000kN, tức là ứng suất 250MPa, xấp xỉ với cường độ của thép Do đó, thay vì xuyênvào trong tầng đá 100mm, cọc thép đã có thé bị phá hoại ở mũi cọc

Thí nghiệm hiện trường cọc thép 6 Berthierville — Quebec — Canada(Bozozuk và Labrecque — 1969)

Tháng 10 — 1969, tai Berthierville người ta dap một nên đường cao 11m, đáy rộng300m, bề rộng mặt đường là 27m năm trên một lớp sét dày 80m Vào tháng 4 — 1966,người ta thi công cọc có đường kính 324mm bằng phương pháp đóng xuyên qua nền

đường và đền độ sâu 40m so với mặt dat tự nhiên ban dau.

Các thông sô dia chat và ứng suat hữu hiệu trong dat nên (ban dau va sau khi cô

kết hoàn toàn) được thé hiện trong hình dưới

Wr; Wp, and wy (%); Tụ (KPa) STRESS (KPa)

0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800

Tnhh ¬*2Maisred T———

10 Xóa Lye SAND, SILT 10 Pressure

INE Clayey SILT

20 — iN 20 at

= W =

x 49 P \ WL Silty CLAY + 405 5

DAYS AFTER DRIVING TEST PILE

Chuyên vị đât nên gây ra lực ma sát âm cho cọc và phân bô lại lực dọc trong cọc

cũng như vị trí mặt phăng trung hòa như hình vẽ dưới đây

SETTLEMENT (mm) LOAD (KN)0 100 200 300 400 500 600 0 1000 2000

Theo thời gian (1 năm, 3 năm và 5 năm), đất nền lún theo thời gian, vi trí mặtphăng trung hòa cũng di chuyển về phía mũi cọc Lực dọc lớn nhất trong cọc do ma sátâm gây ra cũng tăng, từ 700kN lên 1000kN và 1250kN, đó cũng chính là lực kéo xuống

Mực nước ngâm ở vị trí sâu 1m so với mặt đất Ấp lực nước lỗ rỗng tại khu vựcthí nghiệm bị ảnh hưởng bởi việc bơm hút nước ngầm trong lớp đất bụi để dùng cho mộtnhà máy công nghiệp, tạo ra một gradient hướng xuống đỉnh mực nước ngâm ở độ sâu10m Quá trình cố kết do hạ mực nước ngâm khiến đất chuyển Vi Và treo trên cọc, tao ra

tông lực kéo xuông do ma sát ầm và gây ra lún cho cọc.

d /—e— cB43 : 4 l

10 4 | S † A i

| soi

—20:- aE n

Gà Open toe | | * | Gai

- Closed-toe —s— Pile 124 Days

sẽ đo được khoảng 4500kN.

Tiến hành ghi nhận kết quả chuyển vị ở cọc và đất tại các thời điểm 124, 490 và672 ngày ở cọc cE43 (cọc đáy đóng) Dễ thay là khi chuyến vị của cọc cân bang vớichuyển vị của đất thì tại xấp xỉ cùng độ sâu ta cũng đạt được sự cân bang vé luc (tong lucma sát âm cân bang với tong lực ma sát dương va sức kháng mũi), vi trí này chính là mặtphăng trung hòa Tại thời điểm này, chuyển vị của cọc và đất ở mặt phang trung hòakhoảng 40mm, chuyền vị đầu cọc là 53mm, bao gdm chuyển vị của coc ở mặt phẳngtrung hòa và sự co ngắn lại của phan cọc từ đỉnh tới mặt phăng trung hòa 13mm do tác

dụng của tong lực kéo xuống do ma sát âm Trong khoảng thời gian 672 ngày thì chuyểnvi tương đối giữa mũi cọc và đất ở mũi cọc tăng nhẹ, do sự xuyên mũi cọc vào cát tănglên Hiển nhiên khi độ xuyên lớn thì sức kháng mũi huy động sẽ lớn, vị trí mặt phăngtrung hòa lúc đó sẽ di chuyển xuống phía dưới.

Thí nghiệm hiện trường cho cọc bê tông cốt thép (Fellenius và Broms — 1962;

Fellenius — 1972)

Các tác giả đã tiễn hành đo đạc sự phân bố lực trong 2 cọc có đường kính 300mm,dai 53m, trong đó có 40m nằm trong đất sét và 13m trong cát Đất có kết thường, chưa bịxáo động do xây dựng vì nó dâng lên từ biển từ cuối kỉ băng hà Sự phân bồ lực trong cọc

được quan sát sau khi đóng xong cọc và trong một thời gian dài sau đó.

Chính chuyền vị này của đất nền đã gây ra thêm lực ma sát âm tác dụng vào cọc va làmcho lực dọc lớn nhất trong cọc tăng lên, đạt giá trị 600kN.

Thí nghiệm hiện trường cho cọc bê tông cốt thép ở Bangkok — Thái Lan(Indraratna và đồng nghiệp — 1992)

Indraratna và đồng nghiệp đã tiễn hành thí nghiệm trên cọc bê tông cốt thép ứngsuất trước có đường kính 400mm được thi công vào lớp sét yếu ở Bangkok, đến độ sâu25m Địa chất khu vực gồm có 2m đất phong hóa ở bé mặt, tiếp theo là lớp sét yếu dày13m năm trên lớp sét cứng dày 14m, lớp cát được phát hiện ở độ sâu 29m Sau khi thicông cọc, nền đường cao 2m, diện tích 14m x 24m được thi công xung quanh cọc

Distance (m)

-15 10 5 0 R 10 15-10 h

-5

£ Coated Uncoated

o `

5 0 - ° O2

5 ,

2 mhigh embankment Filk

WeatheredSoft

lực ma sát âm cũng như ma sát dương giảm khoảng 50% so với trường hợp không phủ.

Axial Load (KN) SETTLEMENT (mm)

sức chịu tải của cọc

Poulos, “Pile Subjected to Negative Skin Friction: A Procedure for Design”(Journal of Southeast Asian Geotechnical Society, 1997) đã trình bay quy trình tính toán

thiét ké mong cọc cho trường hợp cọc chịu tác dụng của ma sát âm

Bengt H.Fellinus, “Unified design of Piles and Pile Groups” (Transportation

Research Board, Washington, TRB Record, 1989) đã trình bày về quy trình và cách thiếtkế sức chịu tải của cọc và móng cọc theo phương pháp Thống nhất

Bengt H.Fellinus, “Unified design of Piled Foundations with emphasis onsettlement analysis” (ASCE Geotechnical Special Publication, 2004), đã nêu ra quy trình

tinh toán sức chịu tai của coc theo phương pháp Thống nhất, trong đó nhẫn mạnh đến tamquan trong của việc tính toán phân tích chuyển vị đồng thời với việc tính toán sức chịu tảicủa cọc Từ đó xét đến ảnh hưởng của độ lún đất nền (đắp gia tải, mực nước ngầm hathấp ) đến sức chịu tải của cọc

Bengt H.Fellinus, “Results from long — tearm measurement in piles of drag load

and downdrag ” (Can Geotech J , 2006) cũng trình bay về xu hướng chuyền vị xuống,luc kéo xuong do ma sát âm tác dung vào coc, trong đó phan tích các số liệu thí nghiệm

thực tê vê ảnh hưởng của chuyên vi dat nên đên sức chịu tải của cọc.

Adel M Hanna và Ali Sharif đã nghiên cứu về lực kéo xuống do ma sát âm đốivới cọc trong đất sét chịu tác dụng của tải trọng đất đắp (Drag Force on Single Piles inClay Subjected to Surcharge Loading) Bài báo đã nghiên cứu về vị trí của mặt phẳngtrung hòa với các thông sỐ thay đối như: tỉ lệ chiều dài cọc/ đường kính cọc, tải trọng đấtdap, tai trọng dọc trục đầu cọc Đồng thời bài báo kiến nghị một quy trình dé tính toánsức chịu tải cho phép của cọc có xét đến ma sát âm Kết quả tính toán được so sánh vớisố liệu thí nghiệm thực tế của Indraratna và đồng nghiệp (1992).

Gary L Kuhns, 2008, đã thực hiện một nghiên cứu về lực kéo xuống gây ra bởi

ma sát âm, trong đó đưa ra những tác dung có lợi của ma sát âm (Downdrag in PileDesign: The Positve Aspects of Negative Skin Friction, ASCE, From research to Practice

Geotechnical Engineering Congress 2008) Bài báo đã dé cập đến các khái niệm cơ bantrong phương pháp Thống nhất thiết kế sức chịu tải của cọc như: mặt phẳng trung hòa,ma sát âm, sức kháng mũi, sức kháng ma sát thành, ứng xử lực — chuyền vị trong cọc,quan hệ giữa chuyển vi của cọc — chuyển vị của đất nên và quy trình tính toán lực kéoxuống gây bởi ma sát âm dé từ đó xác định mặt phang trung hòa Đồng thời bài báo tínhtoán một thí nghiệm thực tế ở Central Florida

vật liệu của cọc, gây phá hoại cọc.

- Vi tri mat phang trung hoa phu thudc vao diéu kién dia chat, luc doc tac dung ởdau coc, tỉ lệ chiều dài / đường kính cọc va các yếu tô ảnh hưởng đến chuyén vi đất nền

như tải trong dat dap, việc dâng hạ mực nước ngâm

CHƯƠNG 2: CƠ SO LÝ THUYET PHƯƠNG PHAP THONG NHẬT VÀ

PHƯƠNG PHÁP PHAN TỬ HỮU HAN TÍNH SUC CHIU TAI CUA COC CÓ

XET DEN ANH HUONG CUA CHUYEN VI DAT NENTheo TCXD 205-1998: Móng cọc — Tiêu chuẩn thiết kế, phụ lục B, xác định sứcchịu tai của cọc theo chỉ tiêu cường độ cua đất nên, sức chịu tải của cọc bao gdm thanhphan ma sát thành va sức khang dưới mũi coc Tiêu chuẩn cũng hướng dan cách tính toáncác thành phân này Trên thế giới cũng có khá nhiều phương pháp đã được trình bảy đểtính toán các thành phân sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi Tuy nhiên trong luậnvăn nay sẽ áp dụng cách tính toán các thành phan sức kháng ma sát thành va sức kháng

mũi theo các phương pháp trình bày dưới đây.

2.1 Sức kháng ma sát thành

Công thức xác định sức kháng ma sát thành cực hạn [6]:

r=c+ Bo (2.1)Trong đó: _r,: sức khang ma sát thành don vi cực hạn

c”: lực dính hữu hiệu

B: hệ số Bjerrum-BurlandG”;: Ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thânTa thay công thức (2.1) biéu diễn sức kháng ma sát thành đơn vị cực hạn tỷ lệ vớiứng suất do trọng lượng bản thân

Tổng sức kháng ma sát thành từ độ sâu 0 đến z được tính theo công thức [6]:

R,= [Ana = [Ac + Bo )dz (2.2)

Trong dé: Rg: tong sức kháng ma sát thành

A;: diện tích xung quanh của cọc tại độ sâu z

(diện tích xung quanh cua một đơn vi chiều dai cọc)Hệ số B phụ thuộc vào cỡ hạt đất, thành phần khoáng, độ chặt, lịch sử hình thànhvà sức kháng cắt của đất Bang 2.1 trình bay một SỐ giá tri của hệ SỐ B của một vài loạiđất Giá trị B được lay từ thí nghiệm cọc trong đất bôi tích lang đọng phong hóa cơ học,

vô cơ Cá biệt, với đất cô kết trước nặng hoặc đất hữu cơ, đất tàn tích, đất chứa đávôi sẽ cho giá trị B khác Fellenius (2008) đã tập hợp giá trị từ nhiều trường hợp.Bang 2.1: Giá trị hệ số 8 của một số loại đất

Đất Ọ PSét (Clay) cứng, dẻo cứng 25-30 0.15 - 0.35

Bot (Silt) cứng, dẻo cứng 28 - 34 0.25 - 0.50Cat (Sand) chat 32 - 40 0.30 - 0.90Cuội soi (Gravel) 35-45 0.35 - 0.80

Giá trị hệ số B có thé chênh lệch rất lớn so với giá trị cho ở trong bảng 2.1 Rollinsvà đồng nghiệp (2005), đã tiễn hành thí nghiệm thử tải tinh dạng kéo lên (không có sứckháng mii) và xác định giá trị hệ SỐ B ở giá trị sức kháng ma sát thành cực đại như đã cho

trong hình 2.1.

6.050

V

*»

40 h1%

lu

{., ©®

30© © aaa

và đồng nghiệp (1973), Hong Kong Geo (2006))

Clausen và đồng nghiệp (2005) dé nghị giá tri B cho một số loại cọc khác nhau ởhình 2.2 và mối liên hệ giữa hệ số B với giá trị chỉ số dẻo cho cọc trong đất sét ở hình 2.3.

0.50 a Z ©

@)

[7 m

0.00 †0 50 100 150 200 250 300 350

Ứng suất hữu hiệu trung bình Ø”; (kPa)Hình 2.2: Hệ số B theo ứng suất hữu hiệu trung bình

0 20 40 60 80

Chi số dẻo IpHình 2.3: Hệ số B theo chỉ số dẻo cho cọc trong đất sét

Các kết quả khảo sát sự phân bố sức kháng ma sát thành dọc theo thân cọc chothấy răng sức kháng ma sát thành sẽ tăng xấp xỉ tuyến tính theo chiều sâu Đó là ảnhhưởng của ứng suất hữu hiệu lên sức kháng ma sát thành Gia tri hệ SỐ B thực sự biến đốitrong khoảng giá trị rộng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấp phối hat đất, thành phankhoáng, tỉ số quá cô kết, đất trầm tích hay đất tàn tích phong hóa.

Hướng di chuyển lên hay xuống không ảnh hưởng đến độ lớn của sức kháng masát thành Dù nén cọc hay kéo cọc lên thì giá trị ứng suất cat lớn nhất cũng không thaydoi Ngoài ra, gid trị chuyển vị tương đối giữa cọc và đất nền xung quanh để huy động

toàn bộ sức kháng ma sát thành không phụ thuộc vào đường kính cọc.2.2 Sire khang mũi

Sức kháng mũi cực hạn đơn vị cũng được giả thuyết tỉ lệ với ứng suất hữu hiệu(tại mũi cọc) Dựa vào điều này, công thức xác định sức kháng mỗi don vi cực hạn:

r,—=N.Ø;_p (2.3)Trong đó: r.: sức kháng mũi đơn vi cực han

N,: hệ số sức kháng mũiD: độ dài cọc nam trong đấtG”z-p: Ứng suất hữu hiệu ở mũi cọc do trọng lượng bản thân đất nềnTổng sức kháng mũi:

R.=Ar=A.Nơ._, (24

Trong đó: R¿: tổng sức kháng mũi

A¢ điện tích mũi cọc

Hệ số sức kháng mũi cũng dao động trong khoảng giá trị lớn, thé hiện ở bảng 2.2.Bang 2.2: Giá trị hệ số N, của một số loại đất

Dat @ NiSét (Clay) cứng, dẻo cứng 25-30 3-30

Bột (Silt) cứng, dẻo cứng 28 - 34 20 - 40Cat (Sand) chat 32 - 40 30 - 150Cuội soi (Gravel) 35-45 60 - 300