BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ VĂN MUÔN

PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC VÀ
MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH
CÔNG TRÌNH BỆNH VIỆN ĐA KHOA TỈNH SÓC TRĂNG

Chuyên ngành:
Mã số:

Địa kỹ thuật xây dựng
60-58-02-04

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HOÀNG VIỆT HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017



LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Hà Nội, ngày


báu của Quý Thầy, Cô, đồng nghiệp.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả luận văn

Lê Văn Muôn

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ.................................................................................v
DANH MỤC BIỂU BẢNG .......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC ..............................................................4
1.1. Khái niệm móng cọc .................................................................................................4
1.1.1. Các bộ phận móng cọc ..........................................................................................4
1.1.2. Phân loại móng cọc ...............................................................................................4
1.1.3. Tính toán móng cọc ...............................................................................................5
1.2. Thống kê số liệu thí nghiệm cọc hiện trường ........................................................39
Kết luận chương 1 .........................................................................................................42
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC ...............................................44
2.1. Quy định chung .....................................................................................................44
2.2. Phương pháp xác định sức chịu tải cọc theo thí nghiệm nén tĩnh ..........................46
2.2.1. Cơ sở phương pháp thí nghiệm nén tĩnh ............................................................46
2.2.2. Thiết bị thí nghiệm ..............................................................................................46

Hình 1.2: Sơ đồ các lực của đất tác động vào cọc ...........................................................7
Hình 1.3: Biểu đồ xác định giá trị hệ số λ ....................................................................11
Hình 1.4: Nền đất xung quanh cọc ở giai đoạn chịu tải cực hạn ...................................14
Hình 1.5: Sơ đồ chọn chiều dài cọc ngàm vào đất Lb ...................................................15
Hình 1.6: Vùng ảnh hưởng của cọc khi làm việc ..........................................................22
Hình 1.7: Một số cách bố trí cọc ...................................................................................23
Hình 1.8: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền nhiều lớp ......................25
Hình 1.9: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền đồng nhất......................26
Hình 1.10: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền đồng nhất (Có lớp đất
yếu) ................................................................................................................................26
Hình 1.11: Đường cong nén lún (e, ơ)...........................................................................29
Hình 1.12: Tính toán biến dạng nén đàn hồi của cọc ....................................................31
Hình 1.13: Khi mặt bên của tháp nén thủng nghiêng 45 o (đáy tháp nén thủng không
phủ lên các cọc) .............................................................................................................34
Hình 1.14: Khi mặt bên của tháp nén thủng nghiêng với góc nhỏ hơn 45 o (đáy lớn tháp
xuyên thủng ứng với goác xuyên 45 o phủ lên một phần cọc) ......................................35
Hình 1.15: các lực tác dụng lên tháp xuyên thủng ........................................................36
Hình 1.16: Sơ đồ cọc tác dụng lực lên đài.....................................................................38
Hình 2.1: Sơ đồ chi tiết đo tải tĩnh cọc (A: đối trọng; B: chuyển vị kế đo lún; ...........47
Hình 2.2: Các bước gia tải trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ............................................48
Hình 2.3: Các bước gia tải trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ............................................49
Hình 2.4: Đường Q-s và S-logt trong thí nghiệm nén tĩnh cọc .....................................51
Hình 2.5: Đường v-Q trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ..................................................52
Hình 2.6: Sơ đồ chọn sức chịu tải cho cọc theo thí nghiệm nén tĩnh cọc .....................52
Hình 2.7: Sơ đồ đường quan hệ tải trọng - chuyển vị ..................................................56
Hình 3.1: Phân bố địa tầng công trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng ..................61
Hình 3.2: Thể hiện mô phỏng điều kiện biên của bài toán nén tĩnh cọc với tải trọng nén
p=2000 kN, cọc 40x40cm dài 35m của công trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng.
Đất nền gồm 3 lớp, các chỉ tiêu tính toán như đã trình bày ở phần tài liệu địa chất. ....69


DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 1.1: Hệ số độ mảnh φ .............................................................................................6
Bảng 1.2: Hệ số độ mảnh φ theo Jacobson......................................................................7
Bảng 1.3: Giá trị Ks [1] ....................................................................................................9
Bảng 1.4: Giá trị α .........................................................................................................10
Bảng 1.5: Giá trị α [1] (theo Peck, 1974) ......................................................................10
Bảng 1.6: Giá trị Ir, N *c và N*q ......................................................................................16
Bảng 1.7: Ma sát và lực dính giữa đất và cọc................................................................17
Bảng 1.8: Ma sát và lực dính giữa đất và cọc K s tgϕ a ...................................................18
Bảng 1.9: Bảng xác định hệ số k0 ..................................................................................29
Bảng 1.10: Bảng xác định giá trị Cp ..............................................................................32
Bảng 1.11: Xác định hệ số α..........................................................................................37
Bảng 1.12: Tổng hợp số liệu thí nghiệm cọc.................................................................40
Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất chính mà móng cọc đi qua ......................60
Bảng 3.2: Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền ...................................................63
Bảng 3.3: Kết quả nén tĩnh cọc công trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng ...........72

vii



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, tốc độ xây dựng cơ sở hạ tầng khu vực Sóc Trăng gia tăng
nhanh hơn nhiều so với trước đây. Với điều kiện thực tế như vậy, đòi hỏi các đơn vị tư
vấn thiết kế, các đơn vị quản lý xây dựng phải cập nhật thông tin về công nghệ, điều
kiện kỹ thuật, điều kiện địa chất khu vực xây dựng. Với đặc điểm cấu trúc nền vùng
Sóc Trăng phức tạp, chiều dày lớp đất yếu tương đối dày vấn đề xử lý nền móng là
chắc chắn phải áp dụng. Tuy nhiên giải pháp nền móng thường yêu cầu kỹ thuật cao,
giá thành lớn vì vậy các phân tích, so sánh lựa chọn giải pháp công trình là có ý nghĩa

Sóc Trăng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập các tài liệu và nghiên cứu lý thuyết: Tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước,
tài liệu, báo cáo khoa học, giáo trình hướng dẫn tính toán thiết kế móng nhà cao tầng.
Phương pháp tính toán lý thuyết.
Mô phỏng bài toán phân tích trên mô hình số và đánh giá với số liệu nén tĩnh.
5. Nội dung nghiên cứu
Phân tích tổng quan về móng cọc, các loại cọc và móng cọc, các phương pháp tính
toán cọc. Việc tổng hợp này giúp cho đánh giá các hệ số dùng trong móng cọc.
Phân tích về quy trình, kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc.
Mô phỏng bài toán nén tĩnh cọc, thay đổi điều chỉnh các thông số mô phỏng cho nén
tĩnh cọc, nhận xét đại lượng ảnh hưởng.
Kết luận, kiến nghị.
6. Kết quả đạt được của luận văn
- Luận văn đã tổng kết được các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc, từ đó
thấy được sức chịu tải của cọc phụ thuộc nhiều yếu tố. Vì vậy để lựa chọn được công
thức tính và đánh giá được sức chịu tải cọc hợp lý, người thiết kế cần có phân tích về

2


tải trọng công trình, đặc thù làm việc của công trình và điều kiện đất nền để lựa chọn
công thức tính cho phù hợp.
Luận văn đã tổng hợp quy trình thí nghiệm nén tĩnh để thử tải cọc, nhằm tổng hợp,
đánh giá giá trị tải trọng thực tế và lý thuyết để có thể thi công cọc hàng loạt hoặc
điều chỉnh thiết kế cho phù hợp điều kiện kinh tế.
- Kết quả mô phỏng bài toán sức chịu tải của cọc bằng mô hình toán cho thấy, số liệu
đất nền cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải của cọc. Số liệu đất nền
trên thực tế có xu hướng thấp hơn nhiều so với giá trị thực của nó.
- Kết quả kiểm tra bài toán tính cọc bằng biểu thức giải tích cho thấy, đơn vị tư vấn đã

1.1.2. Phân loại móng cọc
- Móng cọc đài cao: là loại móng cọc có đài cọc nằm trên mặt đất tự nhiên (Công trình
cầu, cảng, thủy lợi…)

4


Đặc điểm: Dưới tác dụng của lực ngang, dọc, moment thì các cọc trong đài vừa chịu
nén vừa chịu uốn.
- Móng cọc đài thấp: là loại móng cọc có đài thường nằm dưới mặt đất, thuờng gặp
trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.
Đặc điểm: Dưới tác dụng của lực ngang, dọc, moment thì các cọc trong đài chỉ chịu
nén nếu ta đặt chiều sâu chôn đài hợp lý.

a) Móng đài thấp

b) Móng đài cao
Hình 1.1: Móng cọc

1.1.3. Tính toán móng cọc
1.1.3.1. Tính toán sức chịu tải cọc theo độ bền của vật liệu
Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặc chịu kéo (khi cọc chịu
nhổ). Với cọc bê tông cốt thép, sức chịu tải cực hạn của cọc theo vật liệu xác định theo
công thức thanh chịu nén có xét đến uốn dọc. Sự uốn dọc được xét như tính cột trong
quá trình tính toán bê tông [1].
Qa = φ (RnAp + RaAa)

(1.1)

Trong đó :


69

76

83

90

97

104

λ= lo/b



0.70

0.65

0.60

0.55

0.78 0.74

Trong đó: r - bán kính của cọc tròn hoặc cạnh cọc vuông
b - bề rộng của tiết diện chữ nhật
Chiều dài tính toán của cọc
lo = v.l

(1.2)

Với: l - chiều dài thực của đoạn cọc khi bắt đầu đóng cọc vào đất dính từ đầu cọc đến
điểm ngàm trong đất (cọc thường bị gãy khi đang đóng hoặc ép có đoạn cọc tự do trên
mặt đất còn nhiều), hoặc l được chọn là chiều dày lớp đất yếu có cọc đi ngang qua và v
là hệ số phụ thuộc liên kết của hai đầu cọc.
v = 2 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc nằm trong đất mềm.
v = 0,7 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc tựa lên đất cứng hoặc đá.
v = 0,5 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc ngàm trong đá.
Hoặc xét đến sự hiện diện của đất bùn loãng xung quanh cọc, M. Jacobson đề nghị ảnh
hưởng uốn dọc như sau:

6


với L - chiều dài cọc, r - bán kính hoặc cạnh cọc
1.1.3.2. Sức chịu tải của cọc theo đất nền
a/ Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền
- Sức chịu tải cực hạn của cọc:
Sức chịu tải cực hạn của cọc Qu gồm tổng sức chống cắt cực hạn giữa đất và vật liệu
làm cọc ở mặt bên của cọc Qs và sức chống đỡ cực hạn ở mũi cọc Qp [1].
Q u = Qs + Qp

(1.3)

- Sức chịu tải cho phép của cọc:
=
Qa

Qs
Q
+ P
FS s FS P

(1.4)

Trong đó :
FSs - hệ số an toàn cho thân cọc lấy 1,5÷2
FSp - hệ số an toàn cho mũi cọc lấy 2÷3
Qs - Sức chịu tải cực hạn do ma sát
Qp - Sức chịu tải cực hạn do kháng mũi

Hình 1.2: Sơ đồ các lực của đất tác động vào cọc

7


Với v - hệ số poisson của đất.
Khuynh hướng 2: Hệ số Ks chọn theo áp lực ngang của đất ở trạng thái tĩnh Ko. Với
số lượng cọc không nhiều trong móng cọc và các cọc khoan nhồi, đất nền là loại đất cố
kết thường, hệ số áp lực ngang được chọn để tính toán là
Ks = Ko = 1 - sin φ’

(1.8)

Với cọc đặt trong nền đất cố kết trước, hệ số áp lực ngang được chọn để tính toán theo
Jaky có dạng như sau :
Ks = (1- sin φ’). OCR

(1.9)

8


Với OCR - hệ số cố kết trước.
Khuynh hướng 3: Khi đóng cọc hay ép cọc vào nền đất, thể tích cọc chiếm lỗ rỗng
của đất và đất dần đạt gần đến trạng thái cân bằng bị động điều này có nghĩa là hệ số
áp lực đất Ks tiến gần đến giá trị hệ số áp lực bị động Kp. Bowles đề nghị hệ số Ks là
trung bình cộng của áp lực ở trạng thái tĩnh Ko, hệ số áp lực đất ở trạng thái cân bằng
chủ động Ka, và hệ số áp lực đất ở trạng thái bị động Kp
Ks =

K a + FwKo + Kp
2 + Fw

(1.10)

hệ số α có thể tham khảo các kết quả nghiên cứu của Tomlinson như sau :

9

(1.11)


Bảng 1.4: Giá trị α
Loại đất
1 - Cát chặt hoặc sét
cứng
2 - Sét mềm, silt và
đất dính cứng

L/D
20
8-20
>20
8-20

3 - Sét cứng

Hệ số α
1,25
cu25 : α=0,7

thặng dư phân tán hết ít nhất phải bằng ứng suất này ở trạng thái tĩnh, áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư xuất hiện do thể tích cọc lấn chiếm và đất xung quanh bị nén, nhưng hệ
số thấm của đất bé nên cần phải có thời gian để nước thoát đi.
- Ứng suất chống cắt của đất xung quanh cọc trong quá trình chịu tải chỉ liên quan đến
vùng đất mỏng xung quanh cọc, vùng này tùy thuộc vào hình dạng của cọc và tính
thoát nước của đất ở hai thời điểm đóng cọc và chất tải lên cọc.
Và công thức xác định lực ma sát đất và cọc có dạng

10


fs = Ks.σ’v.tanφa

(1.12)

đặt β= Ks.tanφa
fs = β.σ’v
Vì σ’v là ứng suất do trọng lượng bản thân nên khi có ứng suất phụ thêm do tải ngoài
đặt trên mặt đất, ta có thể hiệu chỉnh
fs = β.(σ’v+ σ’s)

(1.13)

Theo phương pháp này giá trị β dao động trong khoảng từ 0,25 đến 0,4 nếu ta sử dụng
Ks=Ko
Một số nghiên cứu khác, của Bhushan (1982), bổ sung cách xác định β như sau:
β= Ks.tanφa=0,18+0,0065Dr
hoặc Ks=0,5+0,008.Dr
Dr-độ chặt tương đối của cát
+ Phương pháp λ:

của móng nông, với sơ đồ trượt của đất dưới mũi cọc tương tự như sơ đồ trượt của đất
dưới móng nông.
Qp = Apqp

(1.16)

với qP = 1,3cNc + γ.Df .Nq + α.γ.d.Nγ

(1.17)

Terzaghi đề nghị sử dụng các hệ số chịu tải Nc, Nq, Nγ được thiết lập cho móng nông
tiết diện tròn hoặc vuông có dạng sau hoặc tra bảng theo góc ma sát trong của đất dưới
mũi cọc.

ao2

Nq =

2cos2 (

π

ϕ

(1.18)

+ )
4 2

=

Nhiều tác giả đã đưa ra các giả thuyết dạng trượt của đất dưới mũi cọc chỉ phát triển
xung quanh mũi cọc. Nhằm mục đích tính toán đúng sức chịu tải của đất dưới đáy
móng sâu, với những hiệu chỉnh các hệ số sức chịu tải ảnh hưởng độ sâu và hình dạng
của móng sâu.
Dù vậy theo các công thức tính toán sức chịu tải cọc vẫn tăng tuyến tính theo chiều sâu
của mũi cọc.
Trong khi đó, trong một lớp đất, thực nghiệm chứng tỏ rằng sức chịu mũi của đất ở
mũi cọc chỉ tăng đến một độ sâu nhất định rồi không đổi nữa kể từ độ sâu tới hạn là Lc
hay Zc. Hiện tượng này rõ nhất trong đất cát.
Nhiều nghiên cứu về sức chịu tải cọc cũng thấy rằng tính sức chịu tải của cọc theo thí
nghiệm khảo sát địa chất tại hiện trường cho kết quả gần đúng với thực tế làm việc của
cọc hơn như các thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên động, nén ép ngang.
Các nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của nền cọc, cho thấy khu vực ảnh hưởng bởi
lực ma sát của cọc lan rộng dần từ trên mặt đất đến chiều sâu tới hạn Zc và kéo dài
xuống mũi cọc. Ở mũi cọc phạm vi ảnh hưởng ngang khoảng bằng ba lần đường kính
của cọc và phạm vi nền của mũi cọc khoảng 2D dưới mũi cọc và 4D trên mũi cọc.
Theo De Beer, mặt trượt của đất nền quanh khu vực mũi cọc có hình dạng và phạm vi
ảnh hưởng được tính theo công thức sau.

13


Hình 1.4: Nền đất xung quanh cọc ở giai đoạn chịu tải cực hạn

l1 >

D
π ϕ 
tan  +  exp(π .tan ϕ )
2

Sức chịu tải cực hạn của đất nền ở mũi cọc có dạng
Qu=Ap.qp=Ap.( cN’c +q’. N’q)

(1.24)

Phương pháp Meyerhof xác định các hệ số N 'c , N 'q , sức chịu tải ở mũi cọc trong đất
nền, đặc biệt là cát, gia tăng theo chiều sâu cọc chôn trong lớp cát chịu tải và đạt cực

14


hạn khi tỉ số

Lb  Lb 
=  .
D  D  cr

ÑAÁ
T YEÁ
U

L

D

L = Lb

D

Lb

1 + 2K 0

Mặt khác ta có quan hệ: N *c = (N *q − 1)cot gϕ
Theo Vesic N q* = f ( I rr )

15

(1.26)