BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM
BẠCH VŨ HOÀNG LAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG
NHÓM ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI DỌC TRỤC
VÀ ĐỘ LÚN CỦA NHÓM CỌC THẲNG ĐỨNG

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng
Mã số: 62.58.02.11

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. TÔ VĂN LẬN
2. GS. NGUYỂN CÔNG MẪN

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2017


-iiLỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực
hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án

Bạch Vũ Hoàng Lan

Danh mục các hình vẽ và đồ thị ………...…………………………………
Danh mục các ký hiệu ………………….………………………………….
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………….
1.
Lý do lựa chọn đề tài ……………………………………………
2.
Mục đích nghiên cứu ………………………………………………
3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu …………………………………
4.
Nội dung nghiên cứu ………………………………………………
5.
Phương pháp nghiên cứu ………………………………………......
6.
Những đóng góp mới của luận án ………………………………….
7.
Cấu trúc của luận án ……………………………………………….
Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA
NHÓM CỌC ………………………………………………..
1.1. KHÁI QUÁT VỀ HIỆU ỨNG NHÓM …………………………….
1.2. CÁC NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG NHÓM …….
1.2.1. Công thức xác định hệ số nhóm …………………………………...
1.2.2. Công thức xác định tỷ số độ lún …………………………………...
1.3. CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ HIỆU ỨNG NHÓM
1.3.1. Phân tích kết quả nghiên cứu ………………………………………
1.3.2. Nhận xét ……………………………………………………………
1.4. QUY ĐỊNH VỀ HIỆU ỨNG NHÓM TRONG CÁC TIÊU
CHUẨN VIỆT NAM ………………………………………………
1.4.1. Theo TCXD 205: 1998 …………………………………………….
1.4.2. Theo TCVN 10304: 2014 ………………………………………….

20
21
21
21
22
22
23

24
24


-v-

2.1.1. Qui trình gia tải nén tĩnh nhóm cọc
2.1.2. Phân tích kết quả nén tĩnh cọc
2.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ LỆ NHỎ CHO THÍ
NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC ……………………………………….
2.2.1. Mở đầu ……………………………………………………………..
2.2.2. Ưu nhược điểm của mô hình vật lý tỷ lệ …………………………..
2.2.3. Lập phương trình xác định sery thí nghiệm ………………………..
2.2.4. Cơ sở lý thuyết về hiệu ứng tỷ lệ trong thí nghiệm cọc ……………
2.2.5. Vật liệu cọc ………………………………………………………...
2.2.6. Kích thước thùng đất trong thí nghiệm ……………………………
2.2.7. Thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng ……………….
2.3. THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ
LỆ NHỎ TRONG PHÒNG ………………………………………..
2.3.1. Qui mô các thí nghiệm trong phòng ……………………………….
2.3.2. Chế bị đất cho thí nghiệm ……………………………………….....
2.3.3. Kết quả thí nghiệm ………………………………………………...

39
43
43
44
46
49
58
59
60
61
62
64
66
67
72

74
74
74
76
78
78


-vi-

3.2.2. Phân tích hiệu ứng nhóm cọc ………………………………………
3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ………………………………………….
Chương 4: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG PHÂN TÍCH
HIỆU ỨNG NHÓM CỌC …………………………………

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………….
PHỤ LỤC ………………………………………………………………...

81
86
88
88
88
88
90
90
93
104
104
107
108
109
109
109
110
111
113
114
114
116
118
120
122
123
123

Bảng 3.3. Kết quả tính toán tỷ số độ lún (RS) của các nhóm 9 cọc ………….
Bảng 3.4. Kết quả tính toán tỷ số độ lún (RS) của các nhóm 16 cọc ………...
CHƯƠNG 4
Bảng 4.1. Thông số của nền đất ………………………………..……………
Bảng 4.2. Thông số của cọc và đài..………………………………………….
Bảng 4.3. Giá trị Tải trọng – Độ lún của ba loại chiều dài cọc đơn …………
Bảng 4.4. Giá trị Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của các nhóm cọc ……………
CHƯƠNG 5
Bảng 5.1. Ảnh hưởng của tỷ số S/d đến sự biến thiên của số mũ Z ………...
Bảng 5.2. Ảnh hưởng của tỷ số L/d đến sự biến thiên của số mũ Z ………...
Bảng 5.3. Hệ số nhóm và phân phối lực cho các cọc của nhóm 9 cọc ……...
Bảng 5.4. Tính toán thay đổi chiều dài cọc cho nhóm 12 cọc ………………
Bảng 5.5. Tính toán thay đổi chiều dài cọc cho nhóm 36 cọc ………………

29
36
37
43
49
57
58
58
60
65
66
70
84
84
85
85

Hình 1.5. Hệ số nhóm theo thí nghiệm của Barden (1970) và các tác giả
khác trong nền sét yếu ………………………………………..
16
Hình 1.6. Tỷ số độ lún theo thí nghiệm của Barden (1970) và các tác giả
khác trên nhóm 3x3 cọc với chiều dài cọc L=20d …………….
18
Hình 1.7. Hệ số nhóm theo thí nghiệm của G.Dai và các tác giả khác …..
19
Hình 1.8. Tỷ số độ lún theo thí nghiệm của G. Dai và các tác giả khác …
20
CHƯƠNG 2
Hình 2.1. Mặt bằng các nhóm cọc sử dụng trong thí nghiệm …………...
32
Hình 2.2. Vùng ứng suất phân bố xung quanh cọc đơn và nhóm cọc ….
35
Hình 2.3. Phạm vi vùng ảnh hưởng do biến dạng của nhóm 9 cọc ……
36
Hình 2.4. Chi tiết cấu tạo hệ khung và thùng chứa đất …………………
40
Hình 2.5. Các cao trình lắp đặt strain gauge dọc theo thân cọc và chi tiết
nhóm cọc – đài cọc ……………………………………………
41
Hình 2.6. Thiết bị sử dụng cho hệ gia tải và đo lường tải trọng ………..
42
Hình 2.7. Các đồng hồ đo chuyển vị và đồng hồ đo áp lực …………….
42
Hình 2.8. Vị trí các cọc có lắp đặt strain gauge trong các thí nghiệm ….
43
Hình 2.9. Lắp đặt các thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng
44

54


-ixHình 2.23. Đồ thị Sức kháng bên đơn vị TB (fs)TB – Độ lún (U) của các
cọc trong nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 ………………………..
Hình 2.24. Đồ thị Sức kháng mũi đơn vị (qp) – Độ lún (U) của các cọc
trong nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 …………………………….
Hình 2.25. Biểu đồ : Lực phân phối vào từng cọc – Độ lún (U) trong các
nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 ………………………………......
Hình 2.26. Biểu đồ quan hệ tỷ lệ của lực phân phối vào từng cọc trên tải
trọng trung bình của cọc (ri) trong nhóm theo tỷ số S/d ……..
Hình 2.27. Mặt bằng nhóm 16 cọc (N16B) có thay đổi chiều dài cọc……
Hình 2.28. Mặt bằng định vị các thí nghiệm tại hiện trường …………….
Hình 2.29. Cao trình lắp đặt strain gauge cho các loại chiều dài cọc …..
Hình 2.30. Chi tiết cọc và các mối nối cọc ………………………………
Hình 2.31. Sơ đồ hệ gia tải của thí nghiệm nén tĩnh cọc ………………..
Hình 2.32. Thi công ép cọc và lắp đặt đài cọc ……………………………
Hình 2.33. Load cell (50kN), thiết bị đo chuyển vị điện tử và đầu đọc
Hình 2.34. Bản đồ vị trí khu vực thí nghiệm nén tĩnh cọc ……………….
Hình 2.35. Lắp đặt các thiết bị đo đạc cho thí nghiệm nén tĩnh ………….
Hình 2.36. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của các nhóm cọc tại hiện trường ..
Hình 2.37. Biểu đồ Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của các nhóm cọc theo số
lượng cọc trong nhóm …………………………………………
Hình 2.38. Biểu đồ biến dạng dọc trục, sức kháng bên của từng đoạn cọc
và sức kháng mũi đơn vị của cọc đơn (Đ1) …………………..
Hình 2.39. Biểu đồ biến dạng dọc trục, sức kháng bên của từng đoạn cọc
và sức kháng mũi đơn vị của cọc trong nhóm 4 cọc (N4)
Hình 2.40. Biểu đồ sức kháng bên và sức kháng mũi đơn vị theo độ lún
của các vị trí cọc khác nhau trong nhóm 9 cọc (N9) ………….
Hình 2.41. Biểu đồ sức kháng bên và sức kháng mũi đơn vị theo độ lún

65
66
67
68
69
70
70
71
71
74
77
77
79
83
86
86
86
86


-xHình 4.1.

Quan hệ lôgarít giữa biến dạng thể tích và ứng suất nén đẳng
hướng ………………………………………………………….
Hình 4.2. Đặc trưng của đường biến dạng tổng của mô hình Soft Soil
trong mặt phẳng ứng suất chính ……………………………....
Hình 4.3. Mô phỏng bài toán nén tĩnh cọc đơn bằng Plaxis-3D ………..
Hình 4.4. Biểu đồ Tải trọng – Độ lún của các cọc đơn ………………….
Hình 4.5. Biểu đồ truyền tải dọc trục theo từng cấp tải của các cọc đơn
Hình 4.6. Biểu đồ phân bố sức kháng bên đơn vị dọc thân cọc đơn ứng

Hình 5.6. Móng cọc của khu chung cư 5 tầng, tại Bulit Tinggi, Klang,
Malaysia ………………………………………………………
Hình 5.7. Móng cọc của bồn chứa 2500 tấn dầu, tại Indonesia …………
Hình 5.8. Các vị trí cọc theo nguyên tắc của Feld (1943) ……………….
Hình 5.9. Đề xuất phương án thay đổi chiều dài cọc trong nhóm ……….

89
89
93
95
95
96
96
97
98
98
98
99
100
101
102
103
105
106
107
107
107
107
109
113

Dung trọng tự nhiên của đất

3

kN/m

Jk

kN/m

Dung trọng khô của đất

Jsat

kN/m3

Dung trọng dưới mực nước của đất

K

-

Hệ số nhóm cọc

Kp

-

Hiệu suất sử dụng của cọc trong nhóm


Q2

-

Hệ số Poisson của đất ở mũi cọc

Qp

-

Hệ số Poisson của vật liệu cọc

V’

kPa

'

-

Ap

Ứng suất hữu hiệu của đất
Tỷ trọng của đất

2

Diện tích tiết diện ngang của cọc

2


Hệ số rỗng của đất

E

MPa

Mô đun đàn hồi

ES

MPa

Mô đun đàn hồi của đất

E1

MPa

Mô đun đàn hồi trung bình của đất dọc thân cọc

E2

MPa

Mô đun đàn hồi của đất dưới mũi cọc

Ep

MPa

-

GS

kPa

kV

kN/m

Độ cứng dọc trục của cọc đơn

K

-

Tỷ số độ cứng giữa cọc và đất

Lp

m

Chiều dài cọc

L

m

Chiều dài phần cọc nằm trong đất


Qa

kN

Sức chịu tải thiết kế của cọc đơn

Qb

kN

Sức kháng mũi của cọc đơn

Qf

kN

Sức kháng bên của cọc đơn

Qs

kN

Sức chịu tải của cọc đơn

Qg

kN

Sức chịu tải của nhóm cọc


mm

Độ lún giới hạn của công trình

tr

mm

Chiều cao của đài cọc

[U]

mm

Độ lún cho phép của cọc khi thử tĩnh xác định theo

Ug

mm

Độ lún ứng với tải trọng giới hạn của nhóm cọc

Uav

mm

Độ lún của cọc đơn ứng với tải trọng TB của cọc trong nhóm

U1


khác với ứng xử của cọc đơn, nhất là khi nhóm cọc làm việc trong nền đất
dính [1]; [8]; [57]; [58].
Mức độ giảm sức chịu tải của nhóm cọc và gia tăng chuyển vị của
nhóm cọc so với cọc đơn thường được thể hiện thông qua các giá trị hệ số
nhóm và tỷ số độ lún. Các nghiên cứu về hiệu ứng nhóm trong móng cọc
thường chủ yếu tập trung vào việc xác định giá trị hệ số nhóm (K) để đánh
giá sức chịu tải ứng với khả năng chịu tải giới hạn của cọc và nhóm cọc, tuy
nhiên trong thực tế hiệu ứng nhóm còn làm gia tăng độ lún của nhóm cọc so
với cọc đơn làm việc trong cùng điều kiện.
Từ những nghiên cứu ban đầu ta nhận thấy, khi tải trọng tác dụng vào
nhóm cọc, do sự tương tác giữa hệ cọc – đất, sẽ gây ra sự thay đổi về phạm
vi và độ lớn của vùng ứng suất phân bố xung quanh và ở mũi cọc và vì thế
dẫn đến sự suy giảm đến khả năng làm việc của nhóm cọc. Vấn đề đặt ra là
cần xét đến hiệu ứng nhóm như thế nào khi tính toán thiết kế móng cọc, để


-2đảm bảo các yêu cầu về chịu lực và chuyển vị nhưng không quá lãng phí, đó
chính là lý do hình thành đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng
nhóm đến khả năng chịu tải dọc trục và độ lún của nhóm cọc thẳng
đứng”.
Theo [17], [47] khu vực đất yếu ở thành phố Hồ Chí Minh là các dạng
địa hình thành tạo do đầm lầy và các quá trình kiến tạo khác, gồm các dải
trũng tích tụ đầm lầy ven
sông Sài Gòn, sông Nhà
Bè, sông Lòng Tàu… Các
lớp đất yếu phân bố rộng
rãi ở nhiều khu vực trong
thành phố, bao gồm các
quận huyện ven như: Nhà
Bè, Cần Giờ và huyện


Nghiên cứu về sự phân phối tải trọng, sự huy động ma sát thành và sức
kháng mũi của của cọc trong nhóm, khi nhóm cọc chịu nén đúng tâm,
làm việc trong nền đất loại sét.



Nghiên cứu hiệu ứng trong nhóm cọc thông qua hai đại lượng là: hệ số
nhóm và tỷ số độ lún, có xét đến các thông số ảnh hưởng, như: Khoảng
cách cọc; Chiều dài cọc và số lượng cọc trong nhóm.



Đề xuất cách sử dụng hệ số nhóm và tỷ số độ lún trong việc xác định
sức chịu tải và độ lún của nhóm cọc làm việc trong nền đất sét, từ kết
quả thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu hiệu ứng nhóm trong các nhóm cọc quy mô nhỏ, có đài cọc

−

đơn dưới cột. Nhóm cọc chịu nén đúng tâm và làm việc trong nền đất
sét đồng nhất.


Cọc có tiết diện tròn, thẳng đứng; Đài cọc cứng và không tiếp xúc với
nền đất.





Tiến hành các thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ ở
trong phòng và hiện trường có kết hợp đo biến dạng cọc, nhằm xác
định: Quy luật phân bố lực cho từng cọc; Sự phân bố sức kháng bên
theo độ sâu; Sự thay đổi sức kháng bên, sức kháng mũi huy động giữa
cọc và đất của cọc; Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của nhóm cọc.



Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết hệ số tương tác trong bài toán phân
tích hiệu ứng nhóm cọc chịu nén đúng tâm;



Mô phỏng số các bài toán nén tĩnh cọc bằng phần mềm Plaxis-3D
(2013) để kiểm chứng kết quả thu được từ mô hình thí nghiệm và lý
thuyết. Phát triển bài toán mô phỏng để xây dựng tương quan về tỷ số
độ lún trong móng cọc theo số lượng cọc trong nhóm;

5. Phương pháp nghiên cứu


Phương pháp lý thuyết: sử dụng các lý thuyết về cơ học kết hợp với lý
thuyết đàn hồi và công thức tính hệ số tương tác, nhằm phân tích hiệu
ứng nhóm của nhóm cọc thẳng đứng chịu tải dọc trục.


-5


(3). Đề xuất trình tự tính toán thay đổi chiều dài của các cọc trong nhóm,

giúp khai thác tối ưu khả năng chịu lực của nhóm cọc thẳng đứng, có
đài cọc cứng, chịu tải trọng nén đúng tâm;


-67. Cấu trúc của luận án
Ngoài các nội dung có liên quan như: mục lục, danh mục tài liệu tham
khảo, các công trình nghiên cứu đã công bố, các hình vẽ, bảng biểu, phụ
lục..., luận án gồm 130 trang, được bố cục trong 5 chương:
Chương: Mở đầu
Giới thiệu mục tiêu, phương pháp, phạm vi và kết quả nghiên cứu của
đề tài.
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về hiệu ứng nhóm cọc
Tổng hợp các công thức xác định hệ số nhóm và tỷ số độ lún; Nghiên
cứu việc phân tích hiệu ứng nhóm cọc thông qua các thí nghiệm nén tĩnh
cọc đơn và nhóm cọc trên mô hình tỷ lệ lớn tại hiện trường và thí nghiệm
trong phòng với tỷ lệ nhỏ.
Các quy định về giá trị hệ số nhóm cọc và ảnh hưởng của hiệu ứng
nhóm khi thiết kế móng cọc trong các tiêu chuẩn và quy phạm xây dựng
hiện hành của Việt nam.
Đưa ra các nhận xét về các vấn đề còn tồn tại và những nội dung cần
thiết luận án cần tiếp tục giải quyết.
Chương 2: Nghiên cứu hiệu ứng nhóm bằng các thí nghiệm nén tĩnh cọc
trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ
Nghiên cứu các hiệu ứng tỷ lệ, để chế tạo thiết bị và các mô hình vật lý
tỷ lệ nhỏ của các nhóm cọc sử dụng trong các thí nghiệm nén tĩnh cọc trong
phòng thí nghiệm và tại hiện trường.
Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến sự làm việc của nhóm
cọc, thông qua việc phân tích, đối chiếu và so sánh các kết quả các thí

kháng thành và sức kháng mũi của các vị trí cọc trong nhóm so với các đại
lượng tương ứng của cọc đơn.


-8Kiến nghị: Những lưu ý đối với người thiết kế khi sử dụng móng cọc
ép, ở các khu vực có chiều dày lớp bùn sét lớn tại Tp. Hồ Chí Minh:
Cần sử dụng hệ số nhóm khi kiểm tra khả năng chịu tải của các cọc
trong nhóm. Sử dụng công thức tính tỷ số độ lún của Fleming và cộng sự
với biểu thức xác định số mũ Z do tác giả đề xuất, để ước tính độ lún của
nhóm cọc thông qua các thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn.
Với nhóm cọc có đài cứng, chịu tải nén đúng tâm, có thể áp dụng đề
xuất tính toán thay đổi chiều dài cọc trong nhóm, để tối ưu khả năng làm
việc của nhóm cọc thẳng đứng.
Những định hướng nghiên cứu tiếp theo về hiệu ứng nhóm khi xét đến
ảnh hưởng của: tính chất của đài cọc; vật liệu cọc; tính chất cơ lý của nền
nhiều lớp … đây là những phần nằm ngoài giới hạn nghiên cứu của đề tài
nhưng có thể ứng dụng những kết quả nghiên cứu của Luận án.


-9Chương 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA NHÓM CỌC
1.1 KHÁI QUÁT VỀ HIỆU ỨNG NHÓM
Để chịu được tải

P

P

P


suất của 4 cọc
Vùng chồng ứng
suất của 2 cọc

S

Hình 1.1. Vùng phân bố ứng suất xung quanh
cọc đơn và nhóm cọc [21]

phụ thuộc vào nhiều
yếu tố: Khoảng cách cọc; Chiều dài cọc; Hình dạng cọc; Số lượng cọc; Độ
lớn của tải trọng tác dụng vào nhóm cọc và tính chất của nền đất xung
quanh nhóm cọc… Hiện tượng chồng ứng suất làm suy giảm ma sát giữa
cọc - đất và sức chống mũi của cọc dẫn đến giảm khả năng chịu lực và gia
tăng chuyển vị của nhóm cọc so với cọc đơn.
Để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm, có thể gia tăng các khoảng
cách cọc (S) nhằm giảm độ lớn của ứng suất trong các vùng chồng lấn, tuy


-10nhiên điều này sẽ gây bất lợi cho khả năng chịu lực của đài cọc (nhất là các
dạng đài đơn dưới các cột của công trình) dẫn đến sự phân phối các lực tác
dụng vào đầu cọc trong nhóm không đồng đều, do vậy trong thực tế ứng xử
của nhóm cọc khi chịu tải hoàn toàn khác với ứng xử của cọc đơn.
(b). Nhóm cọc lớn

(a). Nhóm cọc nhỏ
L>B
R≤2

L
nQult

(1.1)


-11Trong đó: (QG)ult - sức chịu tải giới hạn của nhóm cọc ; Qult - sức chịu tải
giới hạn của cọc đơn; n - tổng số cọc trong nhóm.
Các nghiên cứu về hiệu ứng nhóm trong móng cọc của các tác giả trên
thế giới đã chỉ ra rằng khi cọc làm việc trong môi trường đất dính, hệ số
nhóm cọc thường có giá trị nhỏ hơn một (K
K =14/16 = 0.875

(b)

(c)

K =13/16 = 0.815

K

11 ·
§ 13 · §
¨ 4u ¸  ¨ 2u ¸
16
16
©
¹ ©
¹
6

0.77

(e)

(d)

13 · §
11 · 8
§
¨ 4× ¸ + ¨ 4× ¸ +