BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MẠNH HÀ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG
CỌC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MẠNH HÀ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG
CỌC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông
Mã số: 60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Xin trân trọng cảm ơn!


Tôi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn
trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Mạnh Hà


MỤC LỤC
Trang
........................................................................................................................................................................2

MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
Vấn đề thực tiễn..............................................................................................................................................1
Mục tiêu của đề tài.........................................................................................................................................3
Đối tượng nghiên cứu của đề tài....................................................................................................................3
Phạm vi nghiên cứu của đề tài.......................................................................................................................3
Phương pháp nghiên cứu...............................................................................................................................4
Bố cục của luận văn.......................................................................................................................................4

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG
NHÓM TRONG MÓNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH..............................6
1.1 Khái quát chung.......................................................................................................................................6
Hình 1-1: Đặc điểm làm việc của móng cọc..............................................................................................7
1.2 Hiệu ứng nhóm cọc trong móng cọc........................................................................................................8
Hình 1-2: Trường hợp cọc chống...............................................................................................................8

3.1.1. Phần mềm Plaxis 3D Foundation trong tính toán móng cọc..........................................................56
3.1.2. Mô hình hóa các dạng kết cấu cơ bản trong Plaxis 3D foundation................................................58
3.1.3. Khả năng phân tích, ưu nhược điểm của chương trình Plaxis 3D Fuondation..............................64
3.2. Thử nghiệm số.......................................................................................................................................69
3.2.1. Hiệu chỉnh mô hình bài toán xây dựng trong Plaxis 3D Foundation cho kết quả sát với kết quả thí
nghiệm cọc thực tế...................................................................................................................................70
3.2.2. Xét ảnh hưởng của tham số số lượng m đến hệ số hiệu ứng nhóm...............................................78
3.2.3. Xét ảnh hưởng của tham số S/D đến hệ số hiệu ứng nhóm...........................................................88
3.3. Kết luận chương 3:................................................................................................................................92

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ.................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................96

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Nguyễn Mạnh Hà
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông; Khóa: 25A


Cán bộ hướng dẫn: PGS, TS Nguyễn Tương Lai
Tên đề tài: Nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc công
trình chịu tải trọng tĩnh.
Tóm tắt nội dung:
Trong luận văn, tác giả giới thiệu tổng quan về các phương pháp xác
định hệ số hiệu ứng nhóm theo Tiêu chuẩn, lý thuyết và thực nghiệm. Qua đó,
đi sâu nghiên cứu xây dựng và giải bài toán phân tích nhóm cọc trên mô hình
liên tục của hệ đài cọc - cọc - nền sử dụng phương pháp số PTHH. Nghiên
cứu thử nghiệm số được thực hiện kết hợp giữa số liệu thí nghiệm đất nền và
số liệu thí nghiệm nén tĩnh của cọc thực ngoài hiện trường để hiệu chuẩn các
tham số của mô hình toán; tiếp theo tiến hành phân tích sự làm việc của cả
móng cọc để xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịu

:

là véc tơ lực nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần lực nút

trong một phần tử;
:

là véc tơ chuyển vị nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần

chuyển vị nút trong một phần tử;
[K]:

là ma trận độ cứng của phần tử, phụ thuộc vào đặc trưng hình

học và cơ học của phần tử và của vật liệu;
M:

độ dốc của đường đồ thị biểu diễn trạng thái tới hạn p’= 1 hoặc

lnp’= 0;
Γ:

thể tích xác định ở trạng thái tới hạn trong mặt phẳng p '− q;

κ:

độ dốc của đoạn thẳng biểu diễn trạng thái quá cố kết;

λ:


trường
Hình 2-5: Mô hình nền 1 hệ số (mô hình Winkler)
Hình 2-6: Mô hình nền bán không gian đàn hồi
Hình 2-7: Theo mô hình nền Winkle
Hình 2-8: Mô hình nền hai hệ số
Hình 2-9: Trạng thái ứng suất của phân tố trong bài toán không

27
30
32
33
35

gian(a) và bài toán phẳng (b)
Hình 2-10: Quan hệ ứng suất-biến dạng của mô hình vật liệu

37

đàn hồi phi tuyến
Hình 2-11: Xác định tham số của mô hình vật liệu đàn hồi phi

39

tuyến theo Duncan- Chang từ thí nghiệm nén ba trục của mẫu
đất
Hình 2-12: Quan hệ ứng suất-biến dạng của mô hình vật liệu đàn

40

dẻo lý tưởng khi tăng tải, dỡ tải và chất tải lại

66

3D(Hannes và Daniel, 2010)
Hình 3-7: Thiết lập lựa chọn Rigid

73


Hình 3-8: Thiết lập lựa chọn Manual
Hình 3-9: Nén dọc tĩnh cọc đơn P108 thực nghiệm, mô hình

74

không điều chỉnh và mô hình có điều chỉnh
Hình 3-10: Nén ngang tĩnh cọc đơn P92 thực nghiệm, mô hình

76

không điều chỉnh và mô hình có điều chỉnh
Hình 3-11: Kích thước chung bệ móng
Hình 3-12a: Trường hợp bệ không có cọc; Pb = 24564 kN
Hình 3-12b: Trường hợp bệ có 1 cọc; Pb = 30200 kN
Hình 3-12c: Trường hợp bệ có 2 cọc; Pb =34117 kN
Hình 3-12d: Trường hợp bệ có 4 cọc; Pb =41726,8 kN
Hình 3-12e: Trường hợp bệ có 6 cọc; Pb =48891 kN
Hình 3-12f: Trường hợp bệ có 9 cọc; Pb =58143 kN
Hình 3-12g: Chuyển vị của tâm đáy bệ móng khi số lượng cọc

76
78

Bảng 3-1. Đặc trưng vật liệu
Bảng 3-2. Số liệu kết cấu đầu vào bài toán
Bảng 3-3. Kết quả bài toán
Bảng 3-4. Kết quả bài toán
Bảng 3-5a. So sánh kết quả bài toán với tải thẳng đứng
Bảng 3-5b. So sánh kết quả bài toán với tải nằm ngang
Bảng 3-6. Kết quả bài toán
Bảng 3-7. Kết quả bài toán
Bảng 3-8a. So sánh kết quả bài toán với tải thẳng đứng
Bảng 3-8b. So sánh kết quả bài toán với tải nằm ngang

Trang
75
78
84
84
86
86
89
90
90
91


1

MỞ ĐẦU
Vấn đề thực tiễn
Móng đóng vai trò quan trọng đối với độ bền vững của công trình; đặc
biệt khi công trình xây dựng trên nền đất yếu thì giải pháp kết cấu móng là

những công trình nhà cao tầng trong khu vực đất nền có cường độ không cao.
Trong xây dựng giao thông và thủy lợi dùng nhiều nhất là móng cho mố, trụ
cầu lớn; các cầu cảng, bến cảng trong công trình thủy.
Khi tính toán, thiết kế móng cọc cho các công trình trên, hiện nay người
thiết kế thường chỉ dựa vào các chỉ dẫn trong các qui trình, tiêu chuẩn hiện
hành như TCXD 205:1998 và 22 TCN 272-05 để tính toán và đưa ra phương
án thiết kế khi xét cho hiệu ứng nhóm cọc. Tuy nhiên, các chỉ dẫn trong hai
tiêu chuẩn TCXD 205:1998 và 22 TCN 272-05 hiện tại chưa thực sự rõ ràng
và khó khăn cho người thiết kế áp dụng.
Các công trình tính hiệu ứng nhóm hiện nay theo các Tiêu chuẩn nước
ngoài khá nhiều, tuy nhiên kết quả còn phân tán. Vấn đề này chưa được
nghiên cứu kỹ vì để thí nghiệm thực tế rất tốn kém: Phải nén tĩnh cọc đơn, sau
khi thi công xong nhóm cọc lại phải nén tĩnh tiếp các cọc trong nhóm, hiện
nay mới có Mỹ thực hiện một vài dự án. Hiện nay chưa có một con số nào cụ
thể có hệ số hiệu ứng nhóm này; các nhà thiết kế hiện tại vẫn đa phần lấy theo
kinh nghiệm.
Nội dung nghiên cứu của đề tài nhằm mô hình hóa cả kết cấu bệ-cọc và
nền để xác định hệ số hiệu ứng nhóm từ đó có cơ sở áp dụng trong việc tính
toán thiết kế móng cọc vừa đảm bảo độ tin cậy của kết quả tính vừa phản ánh
sát nhất sự làm việc của móng khi chịu tải trọng khai thác.
Cũng như các vấn đề khoa học khác, nghiên cứu bổ sung và hoàn thiện lý
thuyết tính toán, với các hướng tiếp cận khác nhau, ứng dụng công nghệ


3
thông tin trong tính toán xác định hệ số hiệu ứng nhóm luôn được đặt ra, làm
cơ sở cho kỹ sư thiết kế có thể dự đoán chính xác hơn khả năng chịu tải của
móng công trình từ đó đưa ra phương án thiết kế phù hợp nhất, vừa đảm bảo
khả năng chịu lực của công trình, vừa đảm bảo yếu tố tiết kiệm trong thiết kế
và xây dựng công trình. Do vậy hướng nghiên cứu của luận văn: “Nghiên

+ Nghiên cứu lý thuyết PTHH để xây dựng bài toán tính kết cấu móng cọc
theo mô hình tương tác kết cấu với nền đất;
+ Xây dựng mô hình bài toán trong phần mềm Plaxis 3D Foundation với
điều kiện địa chất tại một khu vực xác định, xác định sức chịu tải, chuyển vị
của cọc đơn và của cọc trong nhóm cọc dưới tác dụng của tải trọng tĩnh;
+ Xác định hệ số hiệu ứng nhóm từ mô hình bài toán chạy trên phần mềm,
so sánh với tiêu chuẩn và các công thức hiện hành.
Bố cục của luận văn
Mở đầu
Giới thiệu chung về tình hình nghiên cứu; các vấn đề đặt ra cần giải quyết
và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu tính toán hiệu
ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh
Nghiên cứu tổng quan về hoạt động của cọc trong móng cọc và hiệu ứng
nhóm cọc. Tổng quan về các nhóm phương pháp xác định hệ số hiệu ứng
nhóm trong móng cọc trên thế giới và trong nước; những ưu, nhược điểm của
các nhóm phương pháp.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán
Giới thiệu các mô hình tính toán tương tác kết cấu - môi trường; mô hình
tĩnh và mô hình vật liệu của nền đàn hồi.


5
Chương 3: Ứng dụng phần mềm dùng phương pháp PTHH (Plaxis 3D
Foundation) nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải
trọng tĩnh
Nghiên cứu xây dựng mô hình phân tích tương tác kết cấu bệ-cọc trong
móng với nền đất bằng phương pháp PTHH khi xét kết cấu và nền làm việc
đồng thời. Giới thiệu phần mềm phân tích kết cấu theo phương pháp PTHH
Plaxis 3D Foundation (Cơ sở lý thuyết, khả năng phân tích, ưu nhược điểm và

làm việc của móng.
Trong quá trình khai thác và sử dụng, móng cọc có thể bị phá hoại theo
một trong các dạng sau:
- Nền đất tốt, vật liệu cọc bị phá hoại (vỡ, gẫy, kéo đứt);
- Vật liệu cọc tốt, nền không đủ sức chịu tải và bị phá hoại (lún,
chuyển vị lớn của móng);


7
- Đài cọc không đủ bền và bị phá hoại do uốn nứt, cọc chọc thủng đài,
cột chọc thủng đài, đài bị cắt trên tiết diện nghiêng.
Sức chịu tải của móng cọc phụ thuộc vào các bộ phận cấu thành lên
móng bao gồm bệ móng, cọc trong móng, số lượng cọc, cách bố trí cọc và
nền đất. Hiện nay, việc nghiên cứu tính toán xét ảnh hưởng sự tương tác
giữa các cọc trong móng tới sức chịu tải của cọc đã được đặt ra và nghiên
cứu. Sự tương tác này có ảnh hưởng rất lớn tới sức chịu tải của cả bệ móng
cọc, đặc biết với móng cọc ma sát và chịu tải trọng ngang điều này càng
thể hiện rõ.
Nội dung của chương tác giả đi vào nghiên cứu hiệu ứng nhóm trong
móng cọc của công trình chịu tải trọng tĩnh (thẳng đứng và ngang); tổng
quan về các phương pháp nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng
cọc công trình chịu tải trọng tĩnh hiện nay.

Hình 1-1: Đặc điểm làm việc của móng cọc


8
1.2 Hiệu ứng nhóm cọc trong móng cọc
Sự làm việc của mỗi cọc đơn và của một cọc trong nhóm cọc khác nhau
rất nhiều. Đối với móng cọc ma sát thì lại càng thể hiện rõ. Các giáo trình

hưởng sức chịu tải nhóm cọc, được gọi là hiệu ứng nhóm cọc.
Hoạt động của nhóm cọc, do tác động tương hỗ giữa các cọc với nhau, có
thể sảy ra hai loại hiệu ứng sau:
+ Làm thay đổi (chủ yếu là giảm) sức chịu tải cả nhóm so với tổng sức
chịu tải các cọc thành phần.
+ Hiệu ứng bè, làm tăng vùng truyền ứng suất. Hậu quả gây ra độ lún của
nhóm cọc cao hơn nhiều so với cọc đơn, đặc biệt khi có lớp đất yếu nằm gần
mũi cọc.
Do đó, khi phân tích nhóm cọc, cần đặc biệt lưu ý kiểm tra các yếu tố cần
tính toán sau:
+ Độ an toàn ở giới hạn phá hủy (sức chịu tải cho phép nhóm cọc)
+ Độ lún nhóm cọc
Hầu hết các tiêu chuẩn hiện nay đều định lượng ảnh hưởng của tương tác
giữa các cọc trong nhóm cọc bằng hệ số hiệu ứng nhóm η, được định nghĩa
trong phương trình (1-1) là tỷ số giữa tải trọng giới hạn của nhóm (gọi là Q GL)
với tổng tải trọng giới hạn của n cọc riêng rẽ trong nhóm cọc (gọi là QiL)

η=

Q GL
ΣQiL

(1-1)

Các phương pháp xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải
trọng tĩnh cũng đã trải qua một lịch sử phát triển khá dài, với các nghiên cứu
thực nghiệm có thời gian nghiên cứu trên 60 năm đã được tổng hợp trong tài
liệu [9]. Thực tế có rất nhiều các nhóm phương pháp nghiên cứu để xác định
hệ số hiệu ứng nhóm trong thiết kế tính toán móng cọc có thể sơ bộ phân
thành 4 nhóm như sau:

chịu tải của các cọc đơn trong nhóm. Trong nền đất dính, sức chịu tải của
nhóm cọc ma sát nhỏ hơn tổng sức chịu tải của các cọc đơn trong nhóm. Mức
độ giảm sức chịu tải của nhóm cọc trong trường hợp này phụ thuộc vào


12
khoảng cách giữa các cọc trong nhóm, đặc tính của nền đất, độ cứng của đài
cọc và sự tham gia truyền tải công trình của đài xuống cọc và đất. Đối với cọc
chống, sức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của các cọc đơn
trong nhóm. Cọc trong nhóm chịu tải trọng lệch tâm nên bố trí sao cho điểm
đặt của hợp lực tải trọng là gần nhất so với trọng tâm của mặt bằng nhóm cọc.
Khoảng cách giữa các cọc trong nhóm có quan hệ với điều kiện đất nền,
đối xử từng cọc đơn trong nhóm và giá thành của công trình.
Khoảng cách giữa các cọc cần được lựa chọn sao cho hiện tượng nâng
cọc, làm chặt đất giữa các cọc là nhỏ nhất đồng thời tận dụng tối đa sức chịu
tải của cọc và cần phải đủ để có thể hạ được tất cả các cọc đến độ sâu thiết kế
mà không làm hư hỏng các cọc khác và các công trình lân cận.
Giá thành của đài cọc và giằng móng cũng làm ảnh hưởng đến việc lựa
chọn khoảng cách và kích thước cọc.
Khoảng cách giữa các cọc có thể xác định theo những điều kiện sau:
Phương pháp thi công (cọc đóng hay cọc nhồi);
Khả năng chịu tải của nhóm cọc.
Thông thường khoảng cách tâm giữa hai cọc kề nhau nên lấy như sau:
Cọc ma sát không nhỏ hơn 3d;
Cọc chống không nhỏ hơn 2d;
Cọc có mở rộng đáy, không nhỏ hơn 1,5 đường kính mở rộng D
hoặc D + 1m (khi D> 2m).
Trong nhóm cọc, hiện tượng cọc đóng trước bị nâng và bị đẩy ngang
trong quá trình thi công nên được lưu ý khi lựa chọn loại cọc, khoảng cách
giữa các cọc và trình tự thi công. Trong nền cát, sét cứng và cuội sỏi để có thể

+ Đối với đất dính: Nếu như bệ cọc tiếp xúc chặt chẽ với đất, khi đó
không yêu cầu phải giảm hệ số hữu hiệu.
Nếu như bệ cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất là cứng khi đó
không yêu cầu phải giảm hệ số hữu hiệu. [Điều 10.7.3.10, 1]
Nếu như bệ cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất trên bề mặt là
mềm yếu khả năng chịu tải riêng rẽ của từng cọc phải được nhân với hệ số
hữu hiệu η, được lấy như sau: