BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯ
ỜNG ĐẠI HỌC
KI
ẾN TRÚC
HÀ N
ỘI

TR
ẦN XUÂN TÂN
TÍNH TOÁN CỌC NGÀM TRONG ĐÁ CÓ XÉT ĐẾN
KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CỦA CÁC
L
ỚP ĐẤT B
ÊN TRÊN
LU
ẬN VĂN THẠC SĨ
K
Ỹ THUẬT
XÂY D
ỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP
HÀ N
ỘI
2011
B
Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
B
Ộ XÂY DỰNG
TRƯ
ỜNG ĐẠI HỌC
KI

HÀ N
ỘI,
2011
DANH MụC CáC Ký HIệU
CHƯƠNG i:
tổng quan về móng cọc chịu tảI ngang NGàM TRONG
đá
1.2.1 Phân loại theo liên kết đầu cọc
y = chuyển vị ngang của đầu cọc
L: chiều dài cọc
EI: độ cứng của cọc
P
t
: tải ngang đầu cọc
1.3.1 Phơng pháp phân tích theo phản lực nền
EI = độ cứng uốn của cọc
y = chuyển vị ngang của cọc tại độ sâu z
P
z
: tải dọc lên cọc
p: phản lực ngang đơn vị phân bố trên cọc
w: tải phân bố theo chiều dài lên cọc
1.4.1 Phơng pháp trực tiếp
a) Thí nghiệm đo độ giãn nở

m
: hệ số Poisson của đá
d: đờng kính của lổ khoan thí nghiệm
d: biến dạng hớng tâm đo đợc
p: số gia áp lực thay đổi lên mặt lổ khoan

E
m
= Modun biến dạng của đá
G
m
= Modun biến dạng khi cắt của đá
E
m
= Modun biến dạng của đá
G
C
= Modun biến dạng khi cắt của đá đợc hiệu chỉnh

C
: hệ số Poisson của đá đợc hiệu chỉnh
b) Thí nghiệm kích trong lỗ khoan
E
calc
= Modun biến dạng tính toán
0,86: hệ số khi kể đến hiệu ứng 3 chiều
0,93: hệ số khi kể đến hiệu quả thủy lực
d: đờng kính lổ khoan
d: sự thay đổi đờng kính lỗ khoan
Q
h
: độ tăng của dòng áp lực thủy lực
T
*
: hệ số phụ thuộc vào hệ số poisson của đá (
m

RQD = chỉ số chất lợng đá

E
= yếu tố suy giảm
b) Phơng pháp xác định E
m
với số điểm RMR hoặc GSI
RMR = thang điểm đánh giá chất lợng đá
GSI = thang điểm đánh giá chất lợng đá
Q = Hệ thang điểm đánh giá chất lợng đá
d) Phơng pháp xác định E
m
với độ bền nén của đá nguyên dạng
c

c
= độ bền nén của đá nguyên dạng
CHƯƠNG ii:
Các phơng pháp xác định sức chịu tải ngang của cọc
ngàm trong đá
2.1.1 Khả năng chịu tải ngang của bản thân kết cấu cọc

V
= độ lệch do lực cắt;

M
= độ lệch do moment

V
= góc xoay do lực cắt

: hệ số poisson

m
: góc ma sát
c
m
: lực dính

m
: góc nở
G
m
: modun khi cắt của đá
p
ult
= sức kháng giới hạn

c
: cờng độ chịu nén một trục của đá nguyên dạng
' : trọng lợng có hiệu của đá
z : là độ sâu điểm khảo sát trong đá
2.2 Phơng pháp gần đúng liên tục tuyến tính theo cách tiếp cận của Randolph
(1981) và Carter and Kulhawy (1992)
E
e
= modun đàn hồi Young's của cọc
G
*
= modun khi cắt danh định của đá
G

DANH MụC CáC BảNG & HìNH MINH HọA
CHƯƠNG i:
tổng quan về móng cọc chịu tảI ngang NGàM TRONG đá
1.1 Các trờng hợp móng cọc chịu tải ngang ngàm trong đá
Hình 1.1 - Cọc có mũi cắm trong đá [9]
Hình 1.2 - Sơ đồ phân loại móng sâu [13]
Hình 1.3 - Cọc chủ động chịu lực ngang bởi dây neo [10]
Hình 1.4 - Cọc bị động chịu lực ngang bởi áp lực đất [10]
Hình 1.5 - Cọc bị động chịu lực ngang bởi kết cấu bên trên và áp lực đất
[10]
1.2 Phân loại cọc chịu tải trọng ngang ngàm trong đá
Hình 1.6.a, b, c. Sơ đồ phân loại theo liên kết đầu cọc [10]
1.3.1 Phơng pháp phân tích theo phản lực nền
Hình 1.7-Mô hình phần tử cọc phân tích theo (Hetenyi 1946) [10]
Hình 1.8-Mô hình phản lực nền theo (Reese 1984) [12]
1.3.3 Phơng pháp phân tích có kể tới sự không liên tục của đá
Hình 1.9-Mô hình trợt của các khối đá khi chịu tải ngang với các nêm
trợt [9]
1.4.1 Phơng pháp trực tiếp
Hình 1.10-Đờng cong áp lực-giãn nở [9]
Hình 1.11-Thí nghiệm kích trong lỗ khoan, Heuze (1984) [9]
Hình 1.12-Đờng cong E
calc
và E
m
[9]
Hình 1.14-Sơ đồ thí nghiệm với tấm nén tròn [9]
Hình 1.16-Sơ đồ kích đo dạng tấm phẳng [9]
Bảng 1.1-Các phơng pháp thí nghiệm trong phòng đối với đá [9]
Bảng 1.2-Các phơng pháp thí nghiệm hiện trờng đối với đá [9]

Hình 2.2-Sơ đồ truyền áp lực đất lên cọc trong đá [9]
Hình 2.3-Sơ đồ truyền tải lên cọc theo Zhang [9]
Hình 2.4-Sức kháng P
L
của đá và trạng thái ứng suất tơng ứng [9]
2.2 Phơng pháp gần đúng liên tục tuyến tính theo cách tiếp cận của Randolph
(1981) và Carter and Kulhawy (1992)
Hình 2.5 (a)-Sơ đồ tính toán cọc trong đá theo Randolph và (b) cho cọc
trong đá có lớp đất bên trên [9]
Hình 2.6 (a)-Sơ đồ biến dạng của cọc thực; (b)-Phản lực đất và bài toán
tơng đơng từ sơ đồ (a) [9]
Hình 2.7-Sơ đồ cọc cắm qua lớp đất có áp lực và chiều sâu L
S
[9]
Hình 2.8-Sơ đồ cọc cắm qua lớp đất có áp lực và chiều sâu L
S
[9]
2.3.1 Phơng pháp gần đúng liên tục phi tuyến ứng xử đàn hồi của đất và
đá
Hình 2.9-Sơ đồ cọc-modun tăng tuyến tính và hệ trục tọa độ cực [9]
2.3.2 Phơng pháp gần đúng liên tục phi tuyến ứng xử đàn dẻo của đất và đá
Hình 2.10-Sơ đồ tính kể tới vùng dẻo trong đất/đá [9]
2.4 ổn định của cọc ngàm trong đá khi chịu tải trọng ngang
Hình 2.11 a, b, c & d - Các dạng mất ổn định của cọc ngàm trong đá
[9]
Hình 2.12a, b - Mặt trợt phẳng [9]
Hình 2.13-Xác định W
i
và R
i

Hình 3.18 - Biểu đồ Moment uốn, lực cắt và chuyển vị của cọc
LờI CảM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trờng Đại học
Kiến trúc Hà Nội, Khoa đào tạo Sau đại học đã dành những điều kiện tốt nhất
cho lớp cao học CH2008X1 của chúng tôi trong quá trình học tập và nghiên
cứu tại trờng.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Địa kỹ thuật và Bộ môn
công trình ngầm, nơi đã giúp tôi có đợc kiến thức rất quí về cơ đất và nền
móng công trình.
Xin gửi lòng biết ơn chân thành nhất đến: TS. Đoàn Thế Tờng, GS.TS.
Đỗ Nh Tráng, PGS.TS. Nguyễn Đức Nguôn, TS. Nghiêm Mạnh Hiến, TS.
Nguyễn Công Giang, TS. Nguyễn Văn Vi và cũng nh các thầy cô giáo trong
và ngoài nhà trờng, những ngời đã giúp đỡ tôi nhiệt tình trong suốt quá trình
tôi học tập và thực hiện đề tài.
Đặc biệt, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ngời thầy hớng dẫn trực tiếp
tôi là PGS.TS. Vơng Văn Thành, ngời đã tận tình hớng dẫn, giúp tôi có thể
hoàn thành đợc luận văn tốt nghiệp.
Xin cảm ơn Ban giám hiệu Trờng Cao đẳng XD số 3, Phòng Đào tạo,
cùng các thầy cô giáo trong nhà trờng và các đồng nghiệp đã luôn động viên
và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian theo học và hoàn thành luận văn.
Và cuối cùng, xin cảm ơn bố, mẹ cùng em tôi, gia đình, họ hàng và các
bạn hữu đã luôn đồng hành cùng tôi trên mọi nẻo đờng của cuộc đời, giúp tôi
có thêm nghị lực để theo học và hoàn thành luận văn này.
Tác giả
MụC LụC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu
Danh mục các bảng, hình vẽ

với số điểm RMR hoặc GSI 30
c) Phơng pháp xác định E
m
với chỉ số chất lợng đá Q 30
d) Phơng pháp xác định E
m
với độ bền nén của đá 30
nguyên dạng
c
Chơng II: Các phơng pháp xác định sức
chịu tải ngang của cọc ngàm trong đá
2.1 Khả năng chịu tải ngang của cọc ngàm trong đá 33
2.1.1 Khả năng chịu tải ngang của bản thân kết cấu cọc 33
2.1.2 Khả năng chịu tải ngang của hốc đá khi cọc 35
ngàm trong đá
2.2 Phơng pháp gần đúng liên tục tuyến tính theo cách tiếp 40
cận của Randolph (1981) và Carter and Kulhawy (1992)
2.3 Phơng pháp gần đúng liên tục phi tuyến 44
2.3.1 Phơng pháp gần đúng liên tục phi tuyến ứng xử 44
đàn hồi của đất và đá
2.3.2 Phơng pháp gần đúng liên tục phi tuyến ứng xử 48
đàn dẻo của đất và đá
2.4 ổn định của cọc ngàm trong đá khi chịu tải trọng ngang 51
2.4.1 Hiện tợng trợt phẳng 52
2.4.2 Hiện tợng nêm trợt 54
2.4.3 Hiện tợng lật đổ đỉnh 54
2.4.4 Hiện tợng phá hủy dạng cung tròn 54
Chơng III: các Ví dụ tính toán
3.1 Phơng pháp phần tử hữu hạn 55
3.2 Kết quả áp dụng phơng pháp phần tử hữu hạn 57

hoặc nên cắm sâu vào tầng đá gốc.
- Công tác khảo sát, thiết kế và thi công cọc nhồi có kinh phí lớn. Và thực
sự tốn kém hơn nếu mũi cọc sẽ hạ vào trong đá.
- Các công trình có tải trọng lớn ở khu vực Trung và Nam Trung Bộ ngày
càng nhiều trong khi điều kiện nền đất mà các công trình này hay gặp
chủ yếu là cát, sét và đá gốc nằm ở độ sâu 40 60 mét. Với tải trọng
lớn nên trờng hợp cọc đợc cắm sâu vào đá là rất hay gặp trong thiết
kế.
- Qua phân tích sự làm việc của cọc ngàm trong đá có kể đến sức chịu tải
của các lớp đất bên trên khi chịu tải ngang sẽ giúp cho chúng ta đánh
giá đợc ứng xử của cọc ở trạng thái tĩnh. Và góp phần vào việc đánh
giá cũng nh nêu các kiến nghị phù hợp cho công tác thiết kế lựa chọn
chiều sâu cọc hợp lí hơn.
Mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ nghiên cứu:
Mục đích:
2
- Đánh giá đợc khả năng chịu tải trọng ngang của cọc nhồi ngàm vào đá
khi kể đến sức chịu tải ngang của các lớp đất bên trên.
- Xác định nội lực và chuyển vị của cọc nhồi ngàm vào đá khi có kể đến sức
chịu tải ngang của các lớp đất bên trên.
Nhiệm vụ:
- Nghiên cứu áp dụng các lí thuyết về tính toán cọc chịu tải trọng ngang
khi mũi cọc ngàm trong đá.
- áp dụng chơng trình tính toán để mô phỏng và phân tích bài toán cọc -
nền cùng đồng thời làm việc.
Đối tợng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tợng nghiên cứu là các công trình xây dựng có kết cấu móng cọc
ngàm trong đá.
- Phạm vi nghiên cứu là các cơ sở khoa học của các phơng pháp tính
toán cọc chịu tải ngang ngàm trong đá và các ứng dụng trong phân tích

xoắn lớn nh đối với công trình cầu, đờng cao tốc trên cao, giàn khoan, các
công trình cao tầng và siêu cao tầngmà thực tế hiện nay trên thế giới và ở
Việt Nam chúng ta đang áp dụng nhiều.
Hình 1.1 Cọc có mũi cắm trong đá [9]
Đất
ống vách
(nếu cần)
Đá
5
Móng cọc nhồi thờng đợc phân loại là móng sâu. Sơ đồ phân loại các
loại móng sâu thờng gặp (Xem hình 1.2)
Hình 1.2 Sơ đồ phân loại móng sâu [13]
Theo cách lực tác động lên cọc trực tiếp hay gián tiếp mà ta gọi cọc
chịu tải ngang là chủ động hay bị động. Trong thực tế làm việc của cọc, cọc
thờng chịu đồng thời lực dọc hoặc có thêm moment uốn, xoắn.
Cọc chủ động là cọc tiếp nhận tải trọng ngang trực tiếp không qua các
kết cấu bên trên, lực tác dụng thờng ở đỉnh cọc (Xem hình 1.3).
Cọc bị động là cọc tiếp nhận tải trọng ngang gián tiếp qua kết cấu công
trình bên trên hoặc do áp lực nền đất tạo nên (Xem hình 1.4& 1.5).
Đối với công trình dân dụng và công nghiệp, móng cọc đài cao hoặc
các trụ ống hay giếng chìm hơi ép hoặc các móng cọc đài thấp (không đảm
6
bảo điều kiện cân bằng áp lực ngang) đều có thể xem nh bài toán cọc chịu
lực ngang. Khi đó việc tính toán chúng cần đa về các sơ đồ phù hợp với sự
làm việc của chúng.
Hình 1.3 Cọc chủ động chịu lực ngang bởi dây neo [10]
Hình 1.4 Cọc bị động chịu lực ngang bởi áp lực đất [10]
Hình 1.5 Cọc bị động chịu lực ngang bởi kết cấu bên trên và áp lực
đất [10]
Cầu phao

)/(3EI) (1.1)
Trong đó:
- L: chiều dài cọc;
- EI: độ cứng của cọc;
Lò xo (không chịu cắt
nhng kháng lại sự
xoay đầu )cọc
8
- P
t
: tải ngang đầu cọc.
b) Cọc có đầu ngàm trợt (Xem hình 1.6.b)
Đầu cọc ngàm trợt theo phơng tải ngang P
t
, khi đó chuyển vị ngang
đầu cọc là y/4
c) Cọc có ngàm cách xa đỉnh cọc (Xem hình 1.6.c)
Khoảng cách ngàm (a) với đầu cọc phụ thuộc vào kết cấu công trình
bên trên.
1.2.2 Phân loại theo tải trọng tác dụng
Tải trọng ngang tác dụng lên cọc với các tính chất khác nhau rất nhiều.
Các tải trọng này về cơ bản có thể phân ra loại tác dụng tĩnh hoặc động.
a) Cọc chịu tải trọng tĩnh
Tải trọng tĩnh là dạng tải trọng có tính chất không thay đổi theo thời
gian nh tải trọng bản thân của công trình hoặc do áp lực đất (trong điều kiện
ổn định)
b) Cọc chịu tải trọng động
Tải trọng động là dạng tải trọng có tính chất thay đổi theo thời gian nh
độ lớn của lực, tần suất xuất hiện thờng gặp nh tải trọng do gió, sóng,
động đất, va đập, lực neo

Cọc ngàm trong đá chịu tải bên và moment lớn yêu cầu một chiều sâu
trong đá để truyền moment đến đá và để đáp ứng chiều dài cốt thép yêu cầu.
Cơ chế truyền moment từ cọc vào đá thông qua sự phát triển của sức kháng
bên giữa cọc và đá. Chúng phụ thuộc độ cứng của đá, các tính chất khác nhau
của đá và độ cứng của cọc
- Sự truyền lực cắt lên cọc:
Một số nhà thiết kế khi dùng phân tích p-y cho sức chịu tải ngang của
cọc có kết quả bất ngờ là lực cắt quá cao trong thân cọc tại bề mặt phân cách
đá/đất (phần miệng lổ khoan trong đá). Kết quả này có thể giải thích bằng cơ