BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
----------˜&™----------

TRẦN XUÂN TÂN

TÍNH TOÁN CỌC NGÀM TRONG ĐÁ CÓ XÉT ĐẾN
KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CỦA CÁC
LỚP ĐẤT BÊN TRÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
----------˜&™----------

TRẦN XUÂN TÂN
KHÓA:2008-2011; LỚP:CH2008X1

TÍNH TOÁN CỌC NGÀM TRONG ĐÁ CÓ XÉT ĐẾN
KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CỦA CÁC

cùng các thầy cô giáo trong nhà trường 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 đường 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
NộI DUNG

Trang

Mở đầu

1

Chương I: tổng quan về móng cọc chịu tảI
ngang NGàM TRONG đá
1.1 Các trường hợp móng cọc chịu tải ngang ngàm trong đá

4

1.2 Phân loại cọc chịu tải trọng ngang ngàm trong đá


1.3 ứng xử của cọc đơn khi chịu tải trọng ngang có mũi cọc

8

ngàm trong đá
1.3.1 Phương pháp phân tích theo phản lực nền

10

1.3.2 Phương pháp phân tích theo mô hình đàn hồi liên tục

12

1.3.3 Phương pháp phân tích có kể tới sự không liên tục của đá

15

1.4 Một số phương pháp xác định giá trị modun của đá

17


1.4.1 Phương pháp trực tiếp

17

a) Thí nghiệm đo độ giãn nở

19


30

nguyên dạng c
Chương II: Các phương 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 Phương pháp gần đúng liên tục tuyến tính theo cách tiếp

40

cận của Randolph (1981) và Carter and Kulhawy (1992)
2.3 Phương pháp gần đúng liên tục phi tuyến

44

2.3.1 Phương pháp gần đúng liên tục phi tuyến ứng xử


3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

55

3.2 Kết quả áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn

57

3.2.1 Bài toán BT1a

57

3.2.2 Bài toán BT1b

59

3.2.3 Bài toán BT1c

61

3.2.4 Bài toán BT1d

63

3.2.5 Bài toán BT2a

64

3.2.6 Bài toán BT2b


L: chiều dài cọc
EI: độ cứng của cọc
Pt : tải ngang đầu cọc
1.3.1 Phương pháp phân tích theo phản lực nền
EI = độ cứng uốn của cọc
y = chuyển vị ngang của cọc tại độ sâu z
Pz : 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 Phương pháp trực tiếp
a) Thí nghiệm đo độ giãn nở
m : hệ số Poisson của đá
d: đường kính của lổ khoan thí nghiệm
d: biến dạng hướng tâm đo được
p: số gia áp lực thay đổi lên mặt lổ khoan
kS: độ cứng thủy lực
kT = D/C: độ cứng tổng thể của hệ thống cộng với khối lượng đất đá
ncorr: số vòng hiệu chỉnh
L : độ dài của màng áp lực
: hằng số bơm (thể tích di dời mỗi lượt bơm)
km : độ cứng của đá


ri & ro : bán kính trong và ngoài của ống trụ được hiệu chỉnh
pi,corr : áp lực hiệu chỉnh
pi : áp lực biểu kiến
n : số vòng để đạt được pi
mp : độ dốc của đường cong áp lực-độ giãn trong không khí (MPa/turn)
Em = Modun biến dạng của đá
Gm = Modun biến dạng khi cắt của đá

RQD = chỉ số chất lượng đá
E = yếu tố suy giảm
b) Phương pháp xác định Em với số điểm RMR hoặc GSI
RMR = thang điểm đánh giá chất lượng đá
GSI = thang điểm đánh giá chất lượng đá
Q = Hệ thang điểm đánh giá chất lượng đá
d) Phương pháp xác định Em với độ bền nén của đá nguyên dạng c
c = độ bền nén của đá nguyên dạng
CHƯƠNG ii:
Các phương 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
M = góc xoay do moment
LV = chiều dài cột tương đương tính theo chuyển vị và lực ngang
LM = chiều dài cột tương đương tính theo góc xoay và moment uốn


LV = chiều dài cột tương đương tính theo góc xoay và lực ngang
LM = chiều dài cột tương đương tính theo chuyển vị và moment uốn
2.1.2 Khả năng chịu tải ngang của hốc đá khi cọc ngàm trong đá
Hult = lực ngang giới hạn
max : sức kháng cắt lớn nhất dọc mặt bên cọc
pL: ứng suất giới hạn mở rộng trên dọc thành cọc
hi : ứng suất ngang tại hiện trường
m : hệ số poisson
m : góc ma sát
cm : lực dính


1.1 Các trường 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 Phương 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 Phương pháp phân tích có kể tới sự không liên tục của đá
Hình 1.9-Mô hình trượt của các khối đá khi chịu tải ngang với các nêm
trượt [9]
1.4.1 Phương pháp trực tiếp
Hình 1.10-Đường cong áp lực-giãn nở [9]
Hình 1.11-Thí nghiệm kích trong lỗ khoan, Heuze (1984) [9]
Hình 1.12-Đường cong Ecalc và Em [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 phương pháp thí nghiệm trong phòng đối với đá [9]
Bảng 1.2-Các phương pháp thí nghiệm hiện trường đối với đá [9]
Bảng 1.3-Các giá trị của T* ứng với m (Hueze, 1984) [9]


1.4.2 Phương pháp gián tiếp
Hình 1.17-Quan hệ ứng suất - biến dạng trong thí nghiệm hiện trường
[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 trượt phẳng [9]
Hình 2.13-Xác định Wi và Ri theo Einstein [9]
Chương III:
các Ví dụ tính toán
3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn
Bảng 3.1-Mô tả các dạng bài toán được phân tích
Hình 3.1 Các sơ đồ tính toán cho BT1a, BT1b, BT1c & BT1d
Hình 3.2 Các sơ đồ tính toán cho BT2a, BT2b, BT2c & BT2d
3.2 Kết quả áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn
Bảng 3.2-Tổng hợp các kết quả tính toán
Hình 3.3 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đất và moment uốn của
cọc
Hình 3.4 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc
Hình 3.5 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đất và moment uốn của
cọc
Hình 3.6 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc
Hình 3.7 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đá và moment uốn của
cọc
Hình 3.8 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc
Hình 3.9 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đá và moment uốn của


cọc
Hình 3.10 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc
Hình 3.11 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đất và moment uốn
của cọc
Hình 3.12 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc

thiết kế thường khuyến cáo nên hạ mũi cọc vào lớp đất cát thô và chặt
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 trường hợp cọc được 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 được ứng xử của cọc ở trạng thái tĩnh. Và góp phần vào việc đánh
giá cũng như 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 được 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 chương trình tính toán để mô phỏng và phân tích bài toán cọc nền cùng đồng thời làm việc.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu là các công trình xây dựng có kết cấu móng cọc

Khi có yêu cầu về chịu lực lớn và ổn định của móng thì việc truyền tải
trọng của công trình vào các lớp đất tốt bên dưới là một giải pháp, khi đó loại
cọc dùng phương pháp khoan tạo lỗ và nhồi bê tông cốt thép vào lỗ khoan có
mặt cắt ngang dạng hình tròn hoặc chữ nhật (hoặc các dạng chữ Hđược tổ
hợp từ các dạng chữ nhật) thường được dùng (có sức chịu tải vật liệu lớn, độ
cứng lớn, phù hợp với thực tế) mà chúng ta hay gọi là cọc khoan nhồi (dạng
tròn) hay cọc barret (dạng chữ nhật).
Đôi khi các loại cọc này phải được cắm vào đá tới độ sâu trong đá hợp
lý (Xem hình 1.1) nhằm chịu tải trọng ngang, tải trọng dọc, moment uốn xoắn lớn như đối với công trình cầu, đường 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.

Đất

ống vách
(nếu cần)

Đá

Hình 1.1 Cọc có mũi cắm trong đá [9]


5

Móng cọc nhồi thường được phân loại là móng sâu. Sơ đồ phân loại các
loại móng sâu thường 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

Mặt dốc

Hình 1.5 Cọc bị động chịu lực ngang bởi kết cấu bên trên và áp lực
đất [10]


7

1.2 Phân loại cọc chịu tải trọng ngang ngàm trong đá
Sự phân loại cọc chịu tải trọng ngang phù hợp với điều kiện làm việc
thực tế của cọc và từ sự tích lũy thực nghiệm là điều khá phức tạp và cho đến
nay sự phân loại này chỉ xoay quanh vào loại liên kết đầu cọc hoặc loại tải
trọng tác dụng [10].
Đối với bản thân cọc ngàm trong đá, tùy thuộc vào sự hình thành lỗ
khoan trong đá thì cấu tạo cọc, đặc tính các lớp đất ở trên đáảnh hưởng rất
nhiều tới thực tế làm việc của cọc mà chúng ta sẽ tìm hiểu ở các chương sau.
Các lời giải cho cọc chịu tải ngang trong đất không bao gồm tất cả các trường
hợp cho cọc chịu tải ngang ngàm trong đá [9].
1.2.1 Phân loại theo liên kết đầu cọc
Lò xo (không chịu cắt
nhưng kháng lại sự
xoay đầu )cọc

Hình 1.6.a, b, c. Sơ đồ phân loại theo liên kết đầu cọc [10]
a) Cọc có đầu tự do (Xem hình 1.6.a)
Cọc có đỉnh ở trên là hoàn toàn tự do. Với sơ đồ cọc đứng độc lập có
chân ngàm, đầu cọc tự do chịu tải trọng ngang Pt, chuyển vị của đầu cọc (đầu
tự do) là:

y = (PtL3)/(3EI)

giúp cho việc phân tích xác định sức chịu tải cọc thật chính xác và nhanh
chóng. Nhưng hạn chế cũng nằm chính ở đó cho loại cọc có mũi ngàm trong
đá, và việc phân tích các ứng xử của cọc cho trường hợp này là điều cần thiết
mà mục 1.3 sẽ làm rõ hơn vấn đề này.
1.3 ứng xử của cọc đơn khi chịu tải trọng ngang có mũi cọc ngàm trong
đá
Phản ứng của đá/đất phụ thuộc vào chuyển vị của móng, trong khi
chuyển vị này lại phụ thuộc vào ứng xử của đất/đá và độ cứng của móng.


9

trong hầu hết các phương pháp phân tích, móng được xem như là dầm đàn hồi
hoặc cột chịu uốn đàn hồi. Sự khác nhau chính trong các phương pháp phân
tích là:
- Phương pháp phân tích theo phản lực nền;
- Phương pháp phân tích theo lý thuyết đàn hồi liên tục, hoặc không liên
tục.
Phản ứng của đất/ đá được xem xét bởi sự xác định sức kháng bên giới
hạn và sức kháng mũi giới hạn (cường độ), hoặc sự ổn định của khối đất đá
mang tải thông qua ứng suất giới hạn trên mặt phá hoại. Các thí nghiệm hiện
trường và trong phòng của đá/đất cần được thực hiện để xác định các đặc
trưng của đất/đá phục vụ cho phân tích. Đối với đá, đặc trưng cần quan tâm
nhất chính là modun đàn hồi hoặc modun biến dạng cần được xác định mà
hầu hết các phương pháp phân tích đều áp dụng.
Phản lực của đất truyền lên cọc sẽ tương ứng với biến dạng của nền và
thường được phân tích bởi đường cong p-y hoặc t-z, thí nghiệm tải trọng
chuyển vị, áp lực đất bị động Và phản ứng của móng được xem xét thông
qua sự truyền phản lực từ đá/đất lên cọc và gây ra các biến dạng, nội lực trong
cọc: