MộT Số VấN Đề TRONG TíNH TOáN MóNG CọC CáC CÔNG TRìNH
THƯờNG XUYÊN CHịU TảI TRọNG NGANG LớN TRÊN NềN MềM
Th.S LÊ TRUNG THàNH
Cơ sở 2 Đại học Thuỷ lợi
Tóm tắt: Móng cọc là một trong các giải pháp kết cấu móng đợc sử dụng phổ biến trong các công
trình thủy lợi, giao thông cũng nh các công trình xây dựng dân dụng khác. Đặc biệt nó lại càng có
hiệu quả và ý nghĩa đối với các công trình ngăn sông lớn trên nền mềm yếu áp dụng các công nghệ
mới nh đập trụ đỡ, đập giàn cọc. Tính toán móng cọc cho các bài toán này thờng có dạng nh móng
cọc trụ cầu giao thông nhng chịu tải trọng ngang lớn thờng xuyên trên nền mềm nhiều lớp. Phơng
pháp coi cọc là các liên kết đàn hồi thông qua độ cứng chống chuyển vị đầu cọc và việc chia cọc
thành nhiều phần tử dới nền, qua đó có thể kể đến quy luật phân bố hệ số nền theo một hàm bất kỳ
theo chiều sâu phản ánh đợc chính xác ảnh hởng của đất nền đến cọc và đài cọc. Có thể tính cho hệ
móng cọc không gian bất kỳ, cọc có thể đứng hay xiên theo nhiều phơng. Phơng pháp tính rất thuận
tiện cho việc lập trình bài toán và áp dụng công nghệ thông tin để giải bài toán.
I. ĐặT VấN Đề
Trong thời gian gần đây, nhu cầu xây dựng
những công trình ngăn sông lớn nhằm kiểm soát
lũ, phục vụ mục tiêu phát triển bền vững cho các
vùng, nhất là các vùng thuộc đồng bằng sông
Cửu long là một nhu cầu tất yếu. Các công trình
thủy lợi ngăn sông lớn vùng Đồng bằng sông
Cửu long có đặc điểm chung là: Thờng xuyên
chịu áp lực nớc ngang lớn, nền mềm yếu nhiều
lớp. Khi xây dựng các công trình này, mục tiêu
đề ra là: Xây dựng công trình trong nớc, không
dẫn dòng thi công, không trực tiếp xử lý nền,
lắp dựng nhanh và đạt hiệu quả. Để đạt đợc
những mục tiêu đó cần phải áp dụng các giải
pháp kết cấu theo công nghệ tiên tiến đã và
đang đợc thế giới và Việt nam áp dụng theo hai
nguyên lý chính, đó là: Nguyên lý truyền lực

xy
: Phản lực nền, [T/m
2
].
k: Hệ số nền có giá trị bằng tải trọng gây ra
độ lún đơn vị của nền, [T/m
3
].
w
(xy)
: Chuyển vị của phần tử cọc đang xét,
[m].
Điều quan trọng là xác định đợc quy luật
phân bố hệ số nền phù hợp. Một số nớc trong đó
có Pháp, Nga, Việt Nam trong tính toán xem qui
luật này là tuyến tính.
k
(z)
= m.z (2.2)
Trong đó :
k
(z)
: Hệ số nền theo chiều sâu.
m : Hệ số tỷ lệ nền, [T/m
4
].
z : Chiều sâu tính kể từ mặt đất.
Đối với nền đất yếu, nhiều lớp vùng đồng
bằng sông Cửu long, việc coi quy luật phân bố
hệ số nền theo quy luật tuyến tính là cha phù

(1) Lớp đất mặt: Có chiều dày từ 0.5 ữ 1.5m,
gồm những loại đất sét hạt bụi đến sét cát, có
màu xám nhạt đến xám vàng. Có nơi là bùn sét
hữu cơ màu xám đen.
(2) Lớp đất sét hữu cơ: Nằm dới lớp đất mặt,
có chiều dày từ 3 ữ 20m, phân bố tùy từng nơi
và tăng dần ra phía biển. Lớp sét hữu cơ thờng
có màu xám đen, xám nhạt hoặc vàng nhạt.
Hàm lợng sét chiếm 40 ữ 70%, hàm lợng các
chất hữu cơ đã phân giải hết chiếm 2 ữ 8%. Tại
các lớp gần mặt đất còn có những khối hữu cơ
dạng than bùn. Lớp đất này thờng gặp ở trạng
thái mềm, dẻo chảy đến chảy. Đất cha đợc lèn
chặt, hệ số rỗng tự nhiên lớn, dung trọng khô
nhỏ.
(3) Lớp sét không hữu cơ: Lớp này khá dày,
tùy từng vùng mà xuất hiện ở những độ sâu
khác nhau cách mặt đất từ 3 ữ 26m, càng gần
biển lớp sét càng nằm sâu. Lớp sét không hữu
cơ có màu xám vàng hoặc nhạt, hoàn toàn bão
hòa nớc, trạng thái dẻo cứng đến dẻo chảy, tơng
đối chặt, khả năng chịu tải tốt hơn lớp sét có
hữu cơ.
(4) Lớp sét cát lẫn mảnh vụn Laterit và vỏ sò:
Lớp này dày khoảng từ 3 ữ 5m, thờng nằm xen
giữa lớp sét hữu cơ và sét không hữu cơ.
Khi chia các đoạn cọc trong các lớp đất nền
nền thành nhiều phần tử thì có thể đa các hệ số
tỷ lệ nền theo một hàm bất kỳ theo chiều sâu,
hàm này đợc xác định bằng thực nghiệm cho

q
F
F.m
m


=
(2.4)
F
i
: Là diện tích biểu đồ trong phạm vi chiều
dày lớp thứ i.
Xét cọc đơn đợc đóng trong nền không đồng
nhất có hệ số nền thay đổi với quy luật bất kỳ
theo chiều sâu đóng cọc. Các tải trọng tác dụng
bao gồm: Lực tác dụng theo phơng đứng V; Lực
tác dụng theo phơng ngang Q
o
; Mômen uốn M
o
và tải trọng phân bố ở đoạn cọc tự do q nếu có.
(hình 2.1)
Bai 22 2
Q
oo
Q
ho
y
h2
q

Trong đó, các độ cứng chống chuyển vị đầu
cọc bao gồm các thành phần đợc ký hiệu nh sau,
[2]:

1
: Độ cứng chống chuyển vị dọc đầu cọc có
giá trị bằng lực tác dụng dọc trục gây nên
chuyển vị dọc trục ở đầu cọc bằng 1 đơn vị,
[T/m].

2
: Độ cứng chống chuyển vị ngang đầu cọc
có giá trị bằng lực tác dụng ngang gây nên
chuyển vị đơn vị ngang ở đầu cọc, [T/m].

3
: Độ cứng chống chuyển vị ngang đầu cọc
có giá trị bằng momen tác dụng tại đầu cọc gây
nên chuyển vị ngang đơn vị ở đầu cọc vuông
góc với trục cọc, [Tm/m].
(4: Độ cứng chống chuyển vị xoay đầu cọc
có giá trị bằng momen tác dụng tại đầu cọc gây
nên chuyển vị xoay đơn vị ở đầu cọc, [Tm/rad].
(5: Độ cứng chống xoắn đầu cọc có giá trị
bằng momen xoắn gây nên chuyển vị xoay đơn
vị, [Tm/rad].
1
1
2
3

x
x
H
y
P
z
M
x
y
z
y
M
y
z
x
x
H
z
P
Hình 2.3. Sơ đồ hệ móng cọc không gian chịu tải trọng ngang
Hệ phơng trình chính tắc xác định chuyển vị của đài tại trọng tâm O của đáy đài có dạng:
H
x
= k
uu
.u + k
uv
.v + k
uw
.w + k

Giải hệ phơng trình (2.6) xác định đợc véc tơ
chuyển vị tại trọng tâm O của đáy đài cọc {U}.
Để xác định véc tơ nội lực đầu cọc thứ i
trong hệ tọa độ địa phơng tại đầu các cọc song
song với hệ tọa độ chính, trớc hết cần xác định
véc tơ chuyển vị {U}
i
*
trong hệ tọa độ riêng của
cọc O
i
I
i
II
i
III
i
(hệ tọa độ này có trục III
i
trùng với
trục cọc), ta có:
{U}
i
*
= [B]
i
. [A]
i
. {U} (2.9)
Trong đó tại mỗi cọc i ký hiệu:

i
. [A]
i
. {U} (2.10)
II.4. Tính toán nội lực phân bố trong các cọc đơn trong hệ móng cọc
Phơng trình vi phân uốn dọc có dạng:
0y.Z
EJ
mb
dz
yd
p
4
4
=+
(2.11)
Dựa vào các thông số ban đầu: M
o
, Q
o
, y
o
và
o
nghiệm của phơng trình vi phân ở trên có dạng:
1
3
o
1
2

o
2o
c
)z(
D
EJ.
Q
C
EJ.
M
BAy
cc

+




+=


3
3
o
3
2
o
3
c
o

o
4o
3
)z(
D
EJ.
Q
C
EJ.
M
BAy
EJ.
Q
ccc

+

+


=

Chia đoạn cọc nằm trong đất thành nhiều
đoạn sao cho trên mỗi đoạn chia, hệ số nền và
độ cứng chống uốn EJ của cọc là hằng số.
Chuyển vị, nội lực tại tiết diện bất kỳ trong
cọc đợc xác định:
{W} = [L].{W
o
} (2.14)

c
#
c
M
c
H
c
, L
ij
là phần tử của ma
trận [L]. Khai triển (2.14) ta có:
y
c
= L
11
y
o
+ L
12

o
+ L
13
M
o
+ L
14
H
o
+ L

32

o
+ L
33
M
o
+ L
34
H
o
+ L
35
Bai 22 5
H
c
= L
41
y
o
+ L
42

o
+ L
43
M
o
+ L
44

kk
1
1
+
+
+=
(2.16)
Trong đó:
k
1
: Là hệ số phụ thuộc số cọc trong một hàng
cọc.
L: Khoảng cách mép ngoài giữa các cọc.
Các ảnh hởng của nền đến cọc và đài cọc đợc
chuyển thành các liên kết phụ và đa các thành
phần này thêm vào trong các thành phần tơng
ứng của ma trận [K]. Tính [K] khi kể đến ảnh h-
ởng của nền đất xung quanh và dới đáy đài nh
sau:
[K] = [K]
cọc
+ [K]
nền
(2.17)
áp lực ngang ở mặt hông của cọc lên nền tại
chiều sâu z xác định theo giả thiết của nền
Winkler có dạng:
)z(
c
)z(z

1
2
c
o
1
c
o
1o
c
z
D
EJ
Q
C
EJ
M
BAy.
Zm
(2.19)
Khi xét các cọc trong bài toán cụ thể ta sẽ
tính toán đợc ma trận chuyển nhịp [L], véc tơ
thông số ban đầu {W
o
} xác định từ điều kiện
biên, từ đó xác định véc tơ nội lực {W}.
III. KếT QUả BàI TOáN Và ứNG DụNG
Với phơng pháp tính trên, có thể áp dụng
công nghệ thông tin để lập trình giải bài toán
một cách thuận lợi. Cho phép giải các bài toán
tổng quát với các cọc phân bố bất kỳ theo các

khoa học kỹ thuật ngành tài nguyên nớc. Về
mặt hạn chế, phơng pháp cha xét đến ảnh hởng
của đất nền lên cọc khi cọc có chuyển vị đứng,
ngoài ra việc cha có những phơng pháp thực
nghiệm xác định phân bố hệ số nền cho các lớp
đất vùng đồng bằng sông Cửu long theo hớng
phân bố phi tuyến làm hạn chế việc đa ra những
ví dụ cụ thể cho bài viết.
Bai 22 6
TàI LIệU THAM KHảO
[1] Ban Nghiên cứu chiến lợc và Phát triển công nghệ Thủy lợi (1998), ứng dụng đập xà lan di
động, đập trụ đỡ trong xây dựng công trình vùng ven biển, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.
[2] Nguyễn Thanh Bình (1998), Tính toán cọc và móng cọc, Học viện Kỹ Thuật Quân sự, Hà Nội.
[3] Bộ Xây dựng (1991), 20 TCN 21-86: Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản Xây dựng,
Hà Nội.
[4] N.M Gerxevanova (bản dịch tiếng việt, 1993), Hớng dẫn thiết kế móng cọc, Nhà xuất bản Xây
dựng, Hà Nội.
[5] Nguyễn Văn Hợi (1998), Tính kết cấu tơng tác với nền đàn hồi, Học viện Kỹ Thuật Quân sự, Hà
Nội.
[6] Trần Văn Việt (2004), Cẩm nang dành cho kỹ s Địa kỹ thuật, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.
Summary
ME. LE TRUNG THANH
Water Resources University
Pile foundation is one of the foundation structure solutions that is used popularly in the
constructions of hydraulic, transportation, and other civil engineering. Especially, in the
construction closing a large river with the weak base, using pile foundation can obtain the higher
effect for the new technology of buttress dam or pile- platform dam. The calculation of pile
foundation for this case is similar to the one of the bridge pier with high transverse force on the
multilayer base. The method assumes that the pile is elastic binding via the anti-displacement
hardness of the pile head and dividing the pile into elements underground, combining with the