nghiên cứu dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép và đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng đối với công trình lân cận

Trong đó lý thuyết nghiên cứu, cácphương pháp tính toán, các công thức lý thuyết và thực nghiệm đã đạt phù hợp vớiđiều kiện thực tế về nền đất, ứng xử của nền đất với công trình và cấu t

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG TRỒI ĐẤT DO THI CÔNG CỌC 4

1.1 Tổng quan về công nghệ thi công cọc 4

1.1.1.Giới thiệu: 4

1.1.2 Công nghệ thi công cọc chuyển dịch lớn 4

1.2 Ảnh hưởng của cọc ép lên đất: 7

1.2.1 Ảnh hưởng đối với sức kháng cắt của đất và khả năng chịu tải của cọc 8

1.2.2 Áp lực lỗ rỗng phát triển trong quá trình thi công cọc 9

1.2.3 Sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng dư 12

1.3 Biến dạng của đất quanh cọc .13

1.3.1 Hiện tượng đất trồi: 14

1.3.2 Hiện tượng cọc trồi 18

1.3.3.Hiện tượng dịch chuyển ngang của đất 20

1.4 Nhận xét: 22

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO ĐỘ TRỒI CỦA ĐẤT 23

2.1 Phương pháp của Baligh .23

2.1.1 Lịch sử của phương pháp CEM 23

2.1.2 Mô hình lý thuyết của Baligh (1984) 24

2.1.3 Lời giải của Baligh (1984) 26

2.1.4 Các ưu điểm và nhược điểm của phương pháp của Baligh: 31

2.1.5 Nhận xét 32

2.2 Phương pháp của Chow và Teh (1990) .32

2.2.1 Lịch sử phát triển: 32

2.2.2 Phương pháp dự báo độ trồi: 33

2.2.3 Các giả thiết và mô hình tính toán: 34

2.2.4 Phương pháp và kết quả tính toán: 35

2.2.5 Nghiên cứu tham số độ trồi của nền đất: 37

2.2.6 Nhận xét 38

2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn: .40

2.4 So sánh các phương pháp dự báo bằng các phương pháp khác nhau 45

2.4.1 Mục đích: 45

2.4.2 Mô hình tính toán: 45

2.4.3 Kết quả tính toán và so sánh: 45

2.5 Khảo sát thông số ảnh hưởng đến độ trồi của đất nền bằng phần mềm Sigma/W: 49 2.5.1 Mục đích: 49

2.5.2 Khảo sát độ trồi theo đường kính cọc 49

2.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách và chiều sâu ép cọc: 50

2.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của các đặc trưng của đất (Mô đun biến dạng, Lực dính, Góc ma sát, Hệ số Poison) đối với độ trồi: 52

2.6 Nhận xét: 56

CHƯƠNG 3: DỰ BÁO ĐỘ TRỒI CỦA ĐẤT DO THI CÔNG CỌC ÉP TRONG MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN ĐẤT NỀN Ở VIỆT NAM 58

3.1.1 Tổng quan về công trình 58

3.1.2.Dự báo độ trồi của nền: 62

3.2 Công trình: Nhà máy Kéo sợi và dệt may – Hà Nam 65

3.2.1 Tổng quan về công trình 65

3.2.2 Giải pháp móng cho công trình 66

3.2.3 Quy trình quan trắc độ trồi của đất 67

3.2.4 Dự báo độ trồi của nền 68

3.3.Công trình Tòa nhà hỗn hợp nhà ở, văn phòng CT2 (Hà Đông) 71

3.3.1 Tổng quan về công trình: 71

3.3.2 Quy trình quan trắc độ trồi của nền 72

3.3.3 Dự báo độ trồi của nền 74

3.4 Khảo sát một số biện pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng của độ trồi đến công trình lân cận 77

3.4.1 Đặt vấn đề 77

3.4.2 Khảo sát biện pháp khoan dẫn 77

3.4.3.Khảo sát hiệu quả của phương pháp chất tải 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHỤ

LỤC

Bảng 2.1 Độ trồi của nền tương ứng với cỏc đường kớnh D = 0.2 – 0.6m 50Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu của đất nền 59

Bảng 3.2 Kết quả tớnh toỏn độ trồi của nền theo Baligh 63

Bảng 3.3 Kết quả tớnh toỏn độ trồi của nền theo Chow và Teh 64

Bảng 3.4 Kết quả tớnh toỏn độ trồi của nền theo Sigma 64

Bảng 3.5 Một số chỉ tiêu của đất nền 66

Bảng 3.6 Bảng kết quả quan trắc độ trồi thực tế 68

Bảng 3.7 Kết quả tớnh toỏn độ trồi của nền theo Baligh 69

Bảng 3.8 Độ trồi của nền theo Chow và Teh 69

Bảng 3.9 Độ trồi của nền theo Sigma/w 70

Bảng 3.10 So sỏnh kết quả tớnh toỏn 70

Bảng 3.11 Một số chỉ tiêu của đất nền 72

Bảng 3.12 Bảng kết quả quan trắc độ trồi thực tế 73

Bảng 3.13 Kết quả tớnh toỏn độ trồi của nền theo Baligh 74

Bảng 3.14 Độ trồi của nền theo Chow và Teh 75

Bảng 3.15 Độ trồi của nền theo Sigma 76

Bảng 3.16 So sỏnh kết quả tớnh toỏn 76

Hình 1.2 Sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng10

Hình 1.3 Tốc độ cố kết trong khu vực lân cận cọc 13

Hình 1.4 Chuyển vị của đất xung quanh mũi cọc (Zeevaert, 1950) 15

Hình 1.5 Đất trồi do ép cọc (Hagerty và Perk, 1971) 16

Hình 1.6 Quan hệ giữa độ trồi của đất và khoảng cách (Sharp, 1982) 18

Hình 1.7 Quan hệ giữa độ trồi của đất quanh cọc và độ sâu ép cọc (Sharp, 1982) 18Hình 1.8 Mô hình tính cọc trồi (Hagerty và Peck, 1971) 20

Hình 1.9 Chuyển vị ngang của đất khi ép cọc 21

Hình 2.1 Biến dạng của lưới ô vuông trong đất bão hòa 24

Hình 2.2 Biến dạng của lưới ô vuông trong đất bão hòa ( cọc đơn) 26

Hình 2.3 Hạ cọc đơn 28

Hình 2.4 Các thành phần biến dạng 29

Hình 2.5 Mô hình tính toán đất trồi quanh cọc của Chow và Teh 35

Hình 2.6 Biến dạng của đất do sự hiểu chỉnh ứng suất cắt 36

Hình 2.7 Độ trồi của đất quanh cọc 38

Hình 2.8 Dịch chuyển đất thẳng đứng tại S/do = 3 39

Hình 2.9 Biến dạng phẳng 41

Hình 2.10 Đối xứng trục 41Hình 2.11 Mô hình tính toán chuyển vị của đất nền (Dijkstra, Broere và Vantol 42Hình 2.12 Mô hình tính toán chuyển vị đất nền của Sheng, Yamamoto và Peter 43Hình 2.13 Mô hình tính toán của A Vermeer 44

Hình 2.14 Mô hình tính toán đất trồi 44

Hình 2.15 Độ trồi của đất nền, tương ứng với D = 0.2m 46

Hình 2.16 Độ trồi của đất nền, tương ứng với D = 0.3m 47

Hình 2.23 Khảo sát sự thay đổi của độ trồi theo khoảng cách đến vị trí ép cọc 51Hình 2.24 Khảo sát độ trồi theo độ sâu ép cọc 51

Hình 2.25 Khảo sát độ trồi theo mô đun biến dạng E 53

Hình 2.26 Khảo sát độ trồi theo lực dính 54

Hình 2.27 Khảo sát độ trồi theo góc ma sát trong 55

Hình 2.28 Khảo sát độ trồi theo hệ số Poisson 56

Hình 3.1 Mặt cắt địa chất điển hình 59

Hình 3.2 Mặt bằng bố trí cọc và ăng ten truyền hình 61

Hình 3.3 Sơ đồ vị trí móng Trung tâm thương mại 62

Hình 3.11 Khoan dẫn sâu 6m 78Hình 3.12 Khoan dẫn sâu 8m 78

Hình 3.13 Khoan dẫn sâu 10m 84Hình 3.14 Khoan dẫn sâu 12m 78

Hình 3.15 Khoan dẫn sâu 20m 78Hình 3.16 Khảo sát ảnh hưởng của độ trồi bằng biện pháp khoan dẫn 79

Hình 3.17 Chất tải cách tim cọc 1m 80

Hình 3.18 Không chất tải 80Hình 3.19 Chất tải cách tim cọc 5m 80

Hình 3.20 Chất tải cách tim cọc 10m 80Hình 3.21.Khi chất tải cách tim cọc 15m 80

Hình 3.22 Khảo sát ảnh hưởng của độ trồi bằng biện pháp chất tải (đắp đất) 81

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề:

Hiện nay móng cọc được sử dụng khá phổ biến, đặc biệt là đối các công trìnhcầu, công trình dân dụng cao tầng hoặc công trình xây dựng trên nền đất yếu Cácnghiên cứu về móng cọc hiện nay chủ yếu tập trung vào việc đánh giá khả năngchịu tải của cọc và độ lún của công trình Trong đó lý thuyết nghiên cứu, cácphương pháp tính toán, các công thức lý thuyết và thực nghiệm đã đạt phù hợp vớiđiều kiện thực tế về nền đất, ứng xử của nền đất với công trình và cấu trúc địa tầng

ở Việt Nam

Mặc dù có sự chú ý đặc biệt dành cho các vấn đề xây dựng liên quan đến móngcọc trong các thập kỉ qua, nhưng các vấn đề liên quan đến tác động của thi công cọcđối với các cọc lân cận và công trình xung quanh ít được nghiên cứu

Trong thực tế đã xảy ra nhiều sự cố do ảnh hưởng của công tác thi công cọc ép.Một trong những hiện tượng được coi là nguy hiểm cho công trình khi sử dụng cọc

ép là hiện tượng trồi của đất, hiện tượng này có thể xảy ra bởi sự dịch chuyển củathể tích đất bị cọc chiếm chỗ Nếu như sự trồi lên của đất nền là đáng kể thì côngtrình lân cận có thể bị biến dạng hoặc bị bị nghiêng Hiện tượng trồi đất có thể gâyảnh hưởng đến các cọc đã thi công trước đó, làm chuyển dịch cọc, gãy cọc hoặcgiảm khả năng chịu tải của cọc gây mất an toàn cho công trình Vì vậy yêu cầunghiên cứu về hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn là cần thiết Nội

dung chính của đề tài là: “Nghiên cứu dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép

và đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng đối với công trình lân cận”.

2 Mục tiêu của Đề tài:

- Nghiên cứu hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn, với trọng tâm

là cọc thi công bằng phương pháp ép;

- Dự báo độ trồi của đất nền do ảnh hưởng của thi công ép cọc;

- Khảo sát các yếu tố có ảnh hưởng đến độ trồi của đất, như các đặc trưng củacọc và đất nền;

- Khảo sát và đề xuất một số biện pháp làm giảm thiểu độ trồi của đất

 Nghiên cứu hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn, với trọngtâm là cọc thi công bằng phương pháp ép;

 Dự báo ảnh hưởng của hiện tượng trồi đất với các công trình lân cận cũng nhưđối với cọc đã thi công trước;

 Đề xuất một số biện pháp làm giảm thiểu tác động của trồi đất đối với công trìnhlân cận

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn:

- Đối tượng nghiên cứu: Độ trồi của nền do thi công cọc

- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép;, Khảosát các yếu tố ảnh hưởng đến độ trồi của đất; Phân tích và so sánh kết quả quantrắc độ trồi của đất với các phương pháp tính toán dự báo độ trồi tại một số điềukiện địa chất cụ thể ở Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu:

a Nghiên cứu lý thuyết: Đã tiếp thu và sử dụng 3 phương pháp để tính toán dự báo

độ trồi:

- Phương pháp giải tích của Baligh (1984) và của Chow và Teh (1990)

- Phương pháp phần tử hữu hạn (áp dụng phần mềm GeoSlope office, Mô đunSigma/W)

b Nghiên cứu thực nghiệm: Quan trắc và phân tích độ trồi của đất do ảnh hưởngcủa ép cọc tại 3 công trình ở khu vực Hà Nội và Hà Nam để đánh giá độ tin cậy củacác phương pháp tính toán lý thuyết

Sử dụng hai phương pháp để tính toán dự báo:

 Phương pháp giải tích: Sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết của Baligh (1984) và Phương pháp của Chow và Teh (1990).

 Phương pháp số: Dùng phương pháp phần tử hữu hạn – Phần mềm GeoSlope office, Mô đun Sigma/W.

5 Cấu trúc của Luận văn:

Nội dung của Luận văn được sắp xếp thành các phần sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về hiện tượng trồi đất do thi công cọc

1.1 Tổng quan về công nghệ thi công cọc

1.2 Ảnh hưởng của cọc ộp lờn đất

1.3 Hiện tượng đất trồi do thi công cọc chuyển dịch lớn

Chương 2: Một số phương pháp tính toán dự báo

2.1 Phương pháp của Baligh (1984)

2.2 Phương pháp của Chow và Teh (1990)

3.1 Trung tâm thương mại Hà Đông

3.2 Công trình: Nhà máy Kéo sợi và dệt may Hà Nam

3.3 Tòa nhà hỗn hợp nhà ở Văn phòng CT2 Hà Đông

3.4 Khảo sát một số biện pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng của độ trồi đến công trìnhlân cận

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG TRỒI ĐẤT DO THI CÔNG CỌC

1.1 Tổng quan về công nghệ thi công cọc

1.1.1 Giới thiệu:

Móng cọc là loại múng sõu, thường được sử dụng để truyền tải trọng công trìnhqua các lớp đất yếu xuống các lớp đất có khả năng chịu tải trọng cao nằm ở độ sâulớn

Cọc có thể được phân loại theo một số tiêu chí, như:

- Theo vật liệu làm cọc: Bê tông cốt thép, thép và gỗ;

- Theo phương pháp thi công: Cọc ép, rung, đóng, khoan nhồi, v.v.;

- Theo phương thức làm việc: Chống, ma sát, chống kết hợp với ma sát;

- Theo mức độ chuyển dịch: Chuyển dịch lớn, chuyển dịch nhỏ và thay thế.Các nghiên cứu trong luận văn đề cập đến cọc chuyển dịch lớn Thông thườngcọc chuyển dịch lớn là cọc chế tạo sẵn được hạ vào trong đất bằng phương phápđóng, rung hoặc ép Việc hạ cọc làm đất bị đẩy ra xung quanh và gây chuyển vịngang cũng như chuyển vị thẳng đứng của đất xung quanh cọc

1.1.2 Công nghệ thi công cọc chuyển dịch lớn

1.1.2.1. Cọc đóng

a Thiết bị đóng cọc : Dựng búa để đóng cọc, hầu như bất kỳ loại búa nào

cũng cần có hệ trụ dẫn hướng (Lead) có tác dụng hướng cho búa rơi đỳng tõm cọc

và giữ vị trí của cọc đúng chỗ trong quá trình đóng

Phương pháp này thường gây chấn động và tiếng ồn lớn, và có thể gặp khókhăn khi đóng cọc qua các lớp cứng xen kẹp do cọc bị nứt hoặc gãy Để giảm chấnđộng và trợ giúp quá trình đóng cọc, có thể dựng cỏc biện pháp: khoan mồi trướckhi đóng hoặc xối nước ở mũi cọc Tuy nhiên những biện pháp này làm giảm khảnăng chịu tải của cọc Biện pháp khoan mồi có thể làm giảm đáng kể sức khỏng bờn

của cọc, còn biện pháp xối nước mũi cọc sẽ phá hoại lớp đất mũi cọc làm giảm sứckháng dưới mũi cọc.

 Các loại búa đóng cọc gồm có:

- Búa rơi tự do: Búa được kéo lên bằng cẩu, sau đó thả cho rơi tự do Loại nàythường có chiều cao rơi búa lớn, vận tốc lúc va chạm cũng lớn vì vậy thường gây hưhỏng đầu cọc Loại búa này hiện nay ít được sử dụng ở nước ta

- Búa hơi : Loại này được nâng lên bằng áp lực hơi nước và chiều cao rơi búa

H là cố định Loại này cũng ít được sử dụng do tiếng ồn và hiệu suất đóng cọc thấp

- Búa diesel : Được đẩy lên bằng năng lượng sinh ra khi nhiên liệu diesel cháy.Chiều cao búa rơi H là thay đổi phụ thuộc vào sức kháng của đất Nhược điểm làgây tiếng ồn lớn và sinh khói làm ô nhiễm môi trường

Búa diesel gồm 2 loại song động và đơn động

Đơn động : Là búa được đưa lên cao nhờ năng lượng do diesel cháy đến độcao yêu cầu rồi được thả rơi tự do xuống và đập vào hệ mũ cọc Sức khỏng lờn cọccàng lớn thì áp lực do diesel phát nổ càng lớn, làm cho chiều cao rơi búa của nhát

kế tiếp sẽ càng lớn Do vậy mà loại ép cọc này ít được sử dụng do tiếng ồn quá lớnkhi đốt cháy diesel trong quá trình thi công

Song động : Là búa rơi nhanh hơn tốc độ rơi tự do, do trong quá trình thicông bỳa cũn được đẩy nhanh thêm bằng một áp lực (dung dịch hoặc khí – thôngthường là áp lực khí đốt)

Búa thuỷ lực : Là loại búa hiện đại, búa được nâng lên bằng năng lượng thuỷlực, chiều cao rơi búa H thay đổi Là loại búa được áp dụng rộng rãi hiện nay dokhắc phục được tiếng ồn và hiệu quả đóng cọc cao Tuy nhiên, trong quá trình thicông vẫn gây rung nờn khụng được áp dụng biện pháp này trong khu vực đô thị

b Chọn búa đóng cọc : Cần chọn búa phù hợp để sao cho dễ đóng mà không

gây hại cho cọc Thông thường chọn búa đóng cọc là : Chọn búa to cọc nhỏ Tuynhiên, nếu chọn bỳa quỏ lớn so với cọc thì ứng suất phát sinh trong cọc có thể vượtquá giới hạn bền của vật liệu dẫn đến hư hỏng cọc

c Các biện pháp giảm ảnh hưởng do đóng cọc đến công trình lân cận :

Khi đóng cọc, sóng chấn động sẽ lan truyền trong lòng đất đến các công trìnhlân cận Để hạn chế các tác động bất lợi đối với công trình lân cận, có thể áp dụngcác biện pháp :

- Giảm chấn động tại nguồn;

- Giảm chấn động tại khu vực cần bảo vệ

Trong thi công ép cọc để cọc không bị phá hoại do vật liệu thì phải tính toánrất cẩn thận lực ộp bờn của má trấu vào thân cọc tránh hiện tượng cọc bị ép vỡ

Ưu điểm của phương pháp ép cọc:

- Không gây ra tiếng ồn;

- Không gây ra chấn động cho các công trình khác;

- Khả năng kiểm tra chất lượng tốt hơn: từng đoạn cọc được ép thử dưới lực ép

và ta xác định được sức chịu tải của cọc thông qua lực ép cuối cùng

Nhược điểm của phương pháp ép cọc:

- Khi cọc dài phải nối cọc: Mối nối là một điểm liên kết yếu trong thân cọc,khó đảm bảo độ thẳng đứng nên sẽ giảm sức chịu tải và có thể bị gãy cọc khi ép;

- Không dễ dàng xuyên qua được lớp đất cứng tương đối dày;

Dịch chuyển của đất xung quanh cọc có thể đẩy trồi đất, làm nứt, góy hoặcnghiờng cỏc cọc lân cận.

Ép ôm: Lực ép được tác dụng từ hai bên hông cọc do chấu ma sát tạo nên để

công cũng quyết định mức độ ảnh hưởng lờn cỏc công trình xung quanh, bao gồmcác chuyển vị không mong muốn, rung, hoặc thậm chí là sự hư hại kết cấu côngtrình.

Ảnh hưởng của cọc chuyển dịch nói chung và của cọc ép nói riêng lên đất thểhiện chủ yếu ở sự phát triển của áp lực nước lỗ rỗng và chuyển vị của đất ở xungquanh Theo De Mello (1969) ảnh hưởng của việc hạ cọc bao gồm:

 Sự thay đổi cấu trúc cục bộ của đất quanh cọc

 Sự thay đổi của trạng thái ứng suất của đất trong vùng lân cận cọc

 Sự phát triển và tiêu tán áp lực lỗ rỗng dư ở quanh cọc

 Biến dạng của đất quanh cọc

1.2.1 Ảnh hưởng đối với sức kháng cắt của đất và khả năng chịu tải của cọc [2]

Những nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của cọc ộp lờn đặc tính đất đượcthực hiện bởi Housen và Berki (1948) và Cuminh, Kerkhop, Petc(1950) dựa trênnhững số liệu thử tải tới phá hoại được thực hiện trên cọc tại những thời điểm khácnhau sau khi chúng được thi công Có thể thấy rằng sức kháng cắt khụng thoỏt nướccủa đất bắt đầu giảm một cách rõ rệt khi hạ cọc, nhưng sau đó được phục hồi đáng

kể trong thời gian kể từ khi ép cọc đến khi thí nghiệm Sức kháng cắt của đất tăng vì

sự kết hợp của 2 yếu tố: Sự phục hồi liên kết keo của đất và sự tăng sức kháng do cốkết của đất sau khi áp lực lỗ rỗng nước dư được tiêu tán

Ngoài sự phục hồi liờn kết keo của đất, tốc độ tăng khả năng chịu tải của đấtliên quan tới tốc độ tiêu tán của áp lực lỗ rỗng dư Dữ liệu của Soderberg (1962)cho thấy sự tăng lên của khả năng chịu tải tới hạn của cọc liên quan mật thiết vớitốc độ tiêu tán của áp lực lỗ rỗng dư theo thời gian (Hình 1.1) Có thể dự đoán thờigian phát triển sức chịu tải nếu biết áp lực lỗ rỗng dư phát triển quanh cọc, và tốc độtiêu tán áp lực lỗ rỗng này

Hình 1.1 Quan hệ giữa khả năng chịu tải với thời gian - So derberg (1962) [2]

1.2.2 Áp lực lỗ rỗng phát triển trong quá trình thi công cọc [2]

Một số đo đạc áp lực lỗ rỗng dư phát triển trong đất đã được thực hiện; ví dụ,Bjerrum (1958), Bjerrum và Johannessen (1960)… Kết quả quan trắc áp lực lỗ rỗngtại mặt bên cọc trong nhiều tài liệu đã cho thấy rằng áp lực lỗ rỗng dư có thể bằnghoặc thậm chí lớn hơn ứng suất hữu hiệu do tải trọng tầng phủ Tuy vậy, áp lực lỗrỗng dư giảm nhanh theo khoảng cách từ cọc và bị tiêu tán rất nhanh

Tóm tắt một số kết quả quan trắc sự thay đổi của áp lực lỗ rỗng dư theokhoảng cách kể từ mặt bên cọc đơn được cho trong hình 1.2 Áp lực lỗ rỗng dư ∆uđược biểu diễn dưới dạng không thứ nguyên theo tỷ số ∆u/σ’, trong đó σ’ là ứngsuất hữu hiệu thẳng đứng trong đất, trong khi khoảng cách xuyên tâm r từ cọc đượcbiểu diễn thông qua tỷ số r/R, với R là bán kính cọc Sự phân tán của kết quả quantrắc được đánh giá là do sự khác nhau của độ nhạy của đất, trong đó áp lực lỗ rỗnglớn hơn ứng với đất nhạy hơn

Hình 1.2 Sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng [2]

Trong khu vực lân cận cọc, áp lực lỗ rỗng dư phát triển rất nhanh, trong vàitrường hợp đạt tới 1.5 đến 2 lần ứng suất hữu hiệu thẳng đứng Dữ liệu của Airhart(1969) cho thấy rằng gần đầu cọc, thậm chí áp lực lỗ rỗng phát triển lớn hơn,khoảng 3 đến 4 lần ứng suất hữu hiệu thẳng đứng Khi tỷ số r/R > 4 đối với đất sétthường, và r/R > 8 đối với đất sét nhạy, có sự giảm rất nhanh của áp lực lỗ rỗng dư

và đối với r/R > 30 thì mức tăng áp lực lỗ rỗng hầu như không đáng kể

Dự tính mức tăng áp lực lỗ rỗng

Một số phương pháp đã được phát triển để dự đoán phân bố áp lực lỗ rỗng dưquanh cọc Đối với áp lực lỗ rỗng gần bề mặt cọc, Lo và Stermac (1965) đưa ra biểuthức áp dụng cho khoảng 1 lần bán kính quanh cọc D’Appolonia và Lambs (1971)thu được một dạng khác của công thức Lo và Stermac, đó là :

f vo

u o

ko: Hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh;

Su: Sức kháng cắt khụng thoỏt nước của đất;

Af: Hệ số áp lực lỗ rỗng A tại lúc phá hoại;

σ’ vo: Ứng suất hữu hiệu ban đầu trong đất theo phương thẳng đứng

Trong vùng phá hoại của đất quanh cọc, áp lực lỗ rỗng là lớn nhất và khôngđổi, và việc ép những cọc gần kề chỉ làm tăng áp lực lỗ rỗng lên một chút Bênngoài vùng phá hoại, áp lực lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách và tại khoảngcách xuyên tâm khoảng 16 lần đường kính từ cọc thỡ nú hầu như không đáng kể(hình 1.2) Việc ộp cỏc cọc gần kề làm phát triển áp lực lỗ rỗng trong vùng bênngoài này Vì vậy, áp lực lỗ rỗng lớn nhất gây ra bởi việc ép một số cọc trên mộtnền móng có thể được dự đoán đơn giản như là giá trị của ∆um từ biểu thức (1.1).Nghiên cứu của Lo và Stermac (1965) đề nghị bán kính vùng phá hoại bằng khoảng

4 lần bán kính cọc

Các phương pháp lý thuyết để ước lượng phân bố của áp lực lỗ rỗng dư theokhoảng cách từ cọc được Nishida (1962) và Ladanyi (1963) nghiên cứu Phươngpháp trước đây dựa trên phân tích trong môi trường đàn dẻo, trong khi đó, phươngpháp sau này là hệ quả của lý thuyết về sự mở rộng của một lỗ hổng hình trụ trong 1khối đặc với trạng thái ứng suất - biến dạng khụng thoát nước của đất Phương phápsau linh hoạt hơn và phản ánh trung thực hơn ứng xử của đất Hơn nữa, nó dựa trênchi tiết của các đường ứng suất - biến dạng trong phòng thí nghiệm, độ tin cậy củachúng là không cao do bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như sự xáo trộn trong lấy mẫuthử và điều kiện ứng suất ban đầu của mẫu

Để ước lượng phân bố áp lực lỗ rỗng dư:

 Biểu thức Lo và Stermac được dùng để thu áp lực lỗ rỗng lớn nhất ∆um, từ bềmặt cọc tới khoảng cách S Dựa trờn hình 1.2 và những phân tích của Nishida(1962), khoảng cách r biến thiên từ 3R đến 4R đối với đất sét kém nhạy, tới 8R đốivới đất sét nhạy

 Bên ngoài khoảng cách r, áp lực lỗ rỗng dư được coi như là biến thiên nghịchđảo bình phương của khoảng cách r từ cọc:

1.2.3 Sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng dư [2]

Một lời giải tương đối đơn giản cho tốc độ tiêu tán của áp lực lỗ rỗng dư quanhcọc ép được đưa ra bởi Sodeberg (1962) Với giả thiết sự tiêu tán chỉ xảy ra theohướng xuyên tâm, sự tiêu tán theo phương thẳng đứng xảy ra quanh đầu cọc và mũicọc được bỏ qua Công thức tương ứng cho cố kết là:

u c t

u h

Sự phục hồi sức kháng cắt hoặc lực dính sau khi ép cọc có thể được xét theo tốc

độ cố kết trong phạm vi hạn chế xung quanh cọc Những lời giải cho điều kiện nàynhư trong hình 1.3, với giả sửgiả thiết rằng phân bố áp lực lỗ rỗng dư ban đầu nhưđược cho trong phần 1.2 và một vùng phá hoại có tỉ số khoảng cách r so với bán

kính cọc R bằng 3 và 5 Độ cố kết trong bán kính bằng R được đưa ra đối với cả cọcthấm và không thấm.

Hình 1.3 Tốc độ cố kết trong khu vực lân cận cọc [2]

Từ quan điểm thực tế, lời giải như trong hình 1.3 hầu hết sử dụng để ước lượngkhoảng thời gian tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư sau khi ép cọc

Một phân tích chặt chẽ hơn về sự thay đổi ứng suất, áp lực lỗ rỗng, và cố kết tiếptheo quanh cọc ép trong đất sét được Wroth (1979) đưa ra Quỏ trỡnh ép cọc được

mô hình hóa như sự tạo ra 1 lỗ hổng hình trụ dài bởi chuyển vị đất xuyên tâm Giátrị của ứng suất và sự thay đổi áp lực lỗ rỗng thu được bằng phân tích phần tử hữuhạn Nó bao gồm tổng ứng suất và ứng suất hữu hiệu gần cọc ngay sau khi ép cọc

có thể liên quan trực tiếp đến sức kháng cắt khụng thoỏt nước ban đầu của đất, và

về cơ bản không phụ thuộc vào tỉ lệ quá cố kết Trạng thái ứng suất cuối cùng sau

cố kết giống với trong 1 thử nghiệm Oedometer (Ko)

1.3. 1.3 Biến dạng của đất quanh cọc

Cọc ép thường gây ra đất trồi quanh cọc, theo sau bởi cố kết của đất Chuyển vịnày gây ra bởi cọc ép có thể có ảnh hưởng đáng kể lờn cỏc kết cấu xung quanh và

cũng có thể khiến các cọc đã được ép trước đó bị trồi lên trong quá trình ép nhữngcọc sau.

Từ những đo đạc dịch chuyển do cọc ép trong đất sét, Hagerty và Peck (1971)kết luận rằng dịch chuyển đất đối với cọc ép trong đất sét nhạy bé hơn đối với cọctương tự trong đất kém nhạy, và khi cọc thi công vào địa tầng xen kẹp đất hạt mịn

và đất rời, độ trồi bề mặt quan sát được có thể nhỏ hơn nhiều so với độ trồi xảy ratrong đất sét kém nhạy Nếu ộp cỏc cọc đầu tiên quanh chu vi nền móng, độ trồi củamặt đất tại tâm khu vực nền móng được tăng lên và tương ứng là của khu vực xungquanh giảm xuống Quan sát đồng thời các chuyển vị ngang cho thấy cọc ép có xuhướng bị dịch chuyển xa khỏi chỗ ép tiếp sau, với những chuyển vị tiếp diễn sau khikết thúc việc ép cọc một khoảng thời gian dài Ở chỗ có sự khác nhau về cao độtrong khu vực thi công, cọc ép thường có xu hướng dịch đất về hướng khu vực cócao độ thấp hơn

Những ảnh hưởng của cọc ộp lờn đất được thể hiện ở hai phương diện:

Sự biến dạng của đất quanh cọc, và

Sự biến đổi đặc tính của đất

Ba biểu hiện của ảnh hưởng do hạ cọc là hiện tượng đất trồi, cọc trồi và chuyển vịngang của đất

1.3.1 1.3.1 Hiện tượng đất trồi [3] :

Khi ép cọc, đất bị dịch chuyển theo các hướng, một phần trong số đất bị dịchchuyển lên phía trên, bởi vì đất ít bị cản trở theo hướng này Chuyển vị theo phươngthẳng đứng của đất trên bề mặt được gọi là hiện tượng trồi Hiệu ứng này thườngđược xem xét trong mối quan hệ giữa phần bị trồi lên trong vùng phụ cận cọc, vàtrong một số ít trường hợp đã quan trắc được đất trồi quanh cọc

Sự chuyển vị của đất quanh cọc được Cummings, Kerkhoff và Peck nghiên cứu

từ những năm 1950 Zeevaert, đã báo cáo một trường hợp đất trồi 13 in (330 mm)tại tâm của 1 nhóm cọc ép đến độ sâu khoảng 110 feet (33.5 mét) vào đất nguồn gốctro núi lửa Trong đất có nguồn gốc từ tro núi lửa, cọc ép quay trở lại vị trí ban đầucủa nó rất nhanh, chỉ sau khoảng một tháng Zeevaert đã đề xuất phân loại tương

đối về trạng thái của đất quanh cọc (hình 2.4) Đất ở cách cọc một khoảng bằngđường kính cọc (trong vùng III) được coi như là không bị thay đổi trong quá trình

ép cọc ngoại trừ trường hợp chuyển vị do biến dạng dẻo tạm thời lên phía trên do áplực gây ra bởi thể tích đất bị dịch chuyển trong khi ép cọc

Hình 1.4 Chuyển vị của đất xung quanh mũi cọc (Zeevaert, 1950) [3]

Trong khoảng 2 thập kỉ tiếp theo, đã không có quan trắc đất trồi nào đượccông bố Sau đó Hagerty và Peck (1971) nghiên cứu đất trồi gây ra bởi cọc ép tại 16công trường với nhiều loại đất khác nhau Đất Độ trồi trung bình được chuẩn hóatheo chiều dài của cọc được xác định tại 8 trong số 16 công trình như là 1 hàm sốcủa tỉ lệ tổng thể tích của cọc ép so với thể tích của đất gần hoặc bị vây quanh bởicọc (Hệ số biến dạng thể tích) Hệ số này (hình 1.5) cho thấy thể tích của đất dịchchuyển trong nhóm cọc vào khoảng một nửa tổng thể tích cọc ép Sự trồi lên của bềmặt vì thế là một hàm số của chiều dài cọc

Hình 1.5 Đất trồi do ép cọc (Hagerty và Perk, 1971) [3]

Tỷ lệ của tổng thể tích đất trồi với tổng thể tích cọc ép trong khu vực thiết kếcủa nền móng được tính ra vào khoảng 50% bởi Cummings (1950) dành cho cọc bêtụng đúc tại chỗ ép vào đất sét Orrje và Broms (1967) thì tính ra giá trị 40% chocọc bê tông đúc sẵn vào bựn sét Rõ ràng, đất trồi bên ngoài khu vực múng gúp mộtphần đáng kể vào tổng thể tích đất trồi, nhưng nó không được tính Trái lại, nếu đấttrồi bên ngoài nhóm cọc được tính, Adams và Hanna (1971) tìm ra rằng đối với cọc

H bằng thép trong đất sét tảng lăn rắn, thể tích ép vào bằng thể tích trồi lên T ương

tự, Massarch (1976) cũng công bố nghiên cứu về trường hợp 100%

Nghiên cứu mô hình của Cooke và Price (1973) về chuyển vị của đất xungquanh cọc đơn hạ vào đất sét London cho thấy hầu hết đất trồi xảy ra khi lúc cọcbắt đầu xuyên qua vào khoảng 12 bán kính cọc (khoảng 1 mét) Dịch chuyển lớnnhất trong khoảng 4 lần bán kính cọc tính từ trục cọc, và giảm dần theo bán kính.Chuyển vị là rất nhỏ nhưng có thể đo được trong khoảng 20 lần bán kính tính từtrục cọc

Nghiên cứu tiếp theo tại cùng công trình được Cooke, Price và Tarr (1979)công bố, với sự khác nhau ở chỗ đầu dò dịch chuyển dọc được đặt ở độ sâu 0.5 métbên dưới mặt nền Những kết luận của họ thì hơi khác so với Cooke và Price(1973) Dịch chuyển lên trên của đất tiếp tục xảy ra cho tới khi cọc xuyên vào đấtkhoảng 24 bán kính cọc (khoảng 2 mét) Không có thay đổi nào đáng kể đối với đất

trồi gần cọc khi cọc ép vào đất quá 24 lần bán kính cọc Những dịch chuyển lên trênquan sát được về cơ bản giống với những gì Cooke và Price (1973) đã thu đượctrước đó.

Trái lại, Randolph, Steenfelt và Wroth (1979) đã giới thiệu kết quả của nhữngthử nghiệm mẫu trong phòng thí nghiệm, sử dụng mẫu đất hình trụ tạo bằng caolanh speswhite và bị làm cứng một chiều Mẫu thử được cắt làm đôi thành 2 mẫuvới mặt cắt ngang hình nửa hình tròn Bề mặt theo chiều thẳng đứng của mỗi mẫuthử thì được đánh dấu bằng các vạch chia độ và được đặt quay lưng vào 1 tấm nhựatrong suốt đã được bôi trơn 1 cọc bán trụ được đưa nhanh vào đất và được làm chophẳng bằng 1 tấm nhựa trong suốt Quá trình đã đo được chuyển vị của đất Kết quảcho thấy rằng không có hiện tượng đất trồi Điều này có thể được giải thích bởi đất

bị dồn vào những khoảng trống giữa mặt phẳng dọc của mẫu thử và tấm nhựa trongsuốt

Sharp (1982) đã giới thiệu một vài kết quả quan trắc về đất trồi cho mỗi cọctrong số 9 cọc được ép vào đất sét cứng ở Cowden, Hull Cọc đầu mở và đầu kínđường kính ngoài 200mm và 300mm đã được sử dụng Những cọc nhỏ hơn có độdày w=9.5mm, còn lại có độ dày w=14.3mm Các kết quả thu được cho cọc đầu kíntương đối giống với kết quả của Cooke (1979) Các nhận xét sau được rút ra từnghiên cứu:

Xác định biểu đồ quan hệ độ trồi của đất trồi với khoảng cách kể từ vị trí épcọc

Đất trồi lớn nhất gần thân cọc và còn rất nhỏ khi khoảng cách lớn hơn 20 bánkính cọc tính từ trục cọc

Đất trồi trong khoảng 11 lần bán kính cọc tính từ trục cọc được tạo ra tạikhoảng xuyên sâu ban đầu tới 30 lần bán kính cọc Sau khoảng này, chỉ có 1 phầnnhỏ đất trồi thờm (hỡnh 1.7) Có 1 độ đõm sõu tới hạn mà tại đó hầu hết đất trồi gầncọc được sinh ra trong quá trình ép cọc

Hình 1.6 Độ trồi của quanh cọcQuan hệ giữa độ trồi của đất và khoảng cách (Sharp,

1982) [3]

Hình 1.7 Quan hệ giữa Độ độ trồ ii của đất quanh cọc và độ sâu ép cọc (Sharp, 1982) [3]

1.3.2 1.3.2 Hiện tượng cọc trồi [3]

Sự trồi lên hoặc nâng lên của cọc do việc ộp cỏc cọc lân cận tiếp theo chủ yếu

là quan sát thực tế Hiện tượng này xảy ra chủ yếu là khi số lượng lớn cọc được épgần nhau (mật độ bố trí cọc cao)

Có nhiều nghiên cứu về cọc trồi do ảnh hưởng của thi công các cọc lân cận,điển hình là các nghiên cứu của Chellis (1962), Tomlinson (1963) và Terzaghi(1967) Đối với các cọc đó, giải pháp xử lý chung là ép lại các cọc đã bị trồi lên.Klohn (1961) giới thiệu số liệu quan trắc hiện trường cụ thể cùng với các phân tíchliên quan đến hiện tượng trồi Tác giả cho rằng cọc trồi có thể là nguyên nhân dẫnđến hư hỏng ở mức nghiêm trọng cho các cọc chống đã thi công trước đó và phải éplại tất cả các cọc đó ộp từ trước Trong trường hợp các cọc ma sát, tác giả cho rằnghiện tượng trồi không gây ảnh hưởng tiêu cực đối với khả năng chịu tải của cọc, do

đó việc ép lại cọc là không cần thiết

Olko (1963) thông báo một trường hợp cọc trồi lớn nhất tới 11 in (275 mm)quan sát được ở cọc thép tiết diện H hạ vào đất sột từ trạng thái dẻo tới cứng tại độsâu 3 1/3 feet (1m) Các cọc tiếp tục trồi lên hơn 10 ngày sau khi việc ép cọc hoàntất Tuy nhiên, Koulsoftas (1982) lại ghi nhận các kết quả đo đạc chứng tỏ mức độtrồi là không đổi trong suốt 9 ngày sau khi hoàn thành việc ép cọc H vào 1 lớp cát

từ dày đến rất dày nằm trên 1 lớp đất bùn mỏng

Từ những trường hợp lịch sử khác nhau, Cole (1972) tổng kết rằng mức độtrồi phụ thuộc vào đường kính cọc và khoảng cách giữa các cọc hơn là loại đấthoặc độ dài cọc Mức trồi lên cuối cùng của một cọc là tổng giá trị của tất cả các sựtrồi lên riêng rẽ gây ra bởi việc ộp cỏc cọc lân cận Có 1 mối quan hệ gần đúng giữacọc trồi và khoảng cách giữa các cọc được tính từ các dữ liệu lịch sử Cọc trồi lớnnhất khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ nhất và giảm dần khi khoảng cách cọc tăng.Khi khoảng cách cọc bằng khoảng 20 lần bán kính cọc thì cọc trồi được coi như làkhông đáng kể Những kết quả của Clark (1981) cho thấy rằng cọc được ép vớikhoảng cách bằng 18 lần bán kính cọc thỡ nú không ảnh hưởng đến những cọc được

ép trước đó Trường hợp này tương đối giống với nghiên cứu của Cole (1972).Trường hợp của Clark chỉ ra rằng cọc trồi xảy ra chủ yếu trong quá trình ộp cỏc cọcphụ cận đến một độ sâu khoảng từ 16 đến 24 bán kính cọc Bên dưới độ sâu này cọctrồi là rất nhỏ Phát hiện này trùng với Cooke, Price & Tarr (1979) và Sharp(1980).Hagerty và Peck (1971) đã đề xuất 1 thủ tục đơn giản và gần đúng về mặt lýthuyết để đánh giá độ trồi của cọc đã được ép Thủ tục này dựa trên ý tưởng rằng:

cọc thẳng đứng nằm trong đất sẽ bị nâng lên bởi đất trồi tương đối dọc theo phầntrên của cọc, còn bên dưới một độ sâu nào đó, lực kéo xuống sẽ tác động Độ sâu đú(hỡnh 1.8) được xác định bằng cách cân bằng thế năng của lực đẩy lên và xuống củaphần trên và dưới của cọc một cách tương ứng Cọc trồi được coi là liên quan đến

sự trồi lên của đất, nếu giả sửgiả thiết rằng không có sự trồi lên nào bên dưới mặtcắt a-a

Hình 1.8 Mô hình tính cọc trồi (Hagerty và Peck, 1971) [3]

Đó là:

Cọc trồi =(L - d)(đất trồi)/L (1.4)Massarsch (1976) chia cọc trồi trong đất ra thành 2 cơ chế khác nhau Khi lựcđẩy cọc lên do đất trồi lớn hơn trọng lực của cọc, cọc sẽ trồi lên và có thể trồi lênkhỏi mặt đất trong quá trình ộp cỏc cọc phụ cận

1.3.3 1.3.3 Hiện tượng dịch chuyển ngang của đất [3]

Hiện tượng dịch chuyển ngang của đất và cọc xảy ra trong quá trình ép cọc.Những dịch chuyển này được quan sát bởi Hagerty và Peck (1971), và Adams vàHanna (1971) nhưng hiệu ứng này không được coi trọng Adams và Hanna (1971)quan sát thấy những chuyển vị bề mặt ngang rất nhỏ bên ngoài rìa của một nhómcọc H bằng thép khoảng 5 feet

Cooke và Price (1973) thông báo chuyển vị ngang của đất xảy ra khi một cọcđược chống vào đất London Những đầu dò ngang được đặt ở khoảng cách 2 métbên dưới mặt đất để đo dịch chuyển Phép ngoại suy từ những kết quả thu được chothấy rằng chuyển vị ngang xảy ra ở khoảng cách ít nhất 8 lần bán kính cọc tính từđầu cọc.

Hình 1.9 Chuyển vị ngang của đất khi ép cọc [3]

Randolph, Carter và Wroth (1979) đã so sánh những giá trị đo được và lýthuyết của sự dịch chuyển ngang của đất trong quá trình ép cọc (hình 1.9) Họ sửdụng những đo đạc về sự dịch chuyển ngang của đất quanh cọc mẫu của Randolph,Steenfelt và Wroth (1979), cùng với một vài đo đạc hiện trường của Cooke và Price(1973) Cả hai dữ liệu đều tương đối giống với dự đoán lý thuyết dựa trên giả thiết

về lực căng và biến dạng xuyên tâm toàn phần với thể tích không đổi, nhưRandolph, Steenfelt và Wroth (1979) Dịch chuyển xuyên tâm , của đất tạikhoảng cách hướng tâm ban đầu, R, hướng ra khỏi trục của cọc ống trước khi thicông được cho bởi công thức:

R R

Steenfelt, Randolph và Wroth (1981) đã thực hiện một số nghiên cứu trongphòng thí nghiệm, sử dụng công nghệ X-quang để đo đạc sự dịch chuyển của đất do

hạ cọc Những mẫu đất sét cao lanh có hệ số quá cố kết khác nhau, trạng thái dẻocứng đến nửa cứng Dịch chuyển xuyên tâm do việc thi công cọc được đo đạc ởkhoảng 12 lần đường kính cọc tính từ trục của cọc mẫu

1.4 Nhận xét:

a) Hiện tượng trồi đất do hạ cọc đã được quan tâm nghiên cứu ở nước ngoài

từ những năm 1950 Vấn đề này cho tới nay ít được nghiên cứu ở Việt Nam;

b) Từ các kết quả nghiên cứu hiện có có thể nhận xét:

 Dịch chuyển đất sét nhạy ít hơn so với đất kém nhạy Khi cọc xuyên vàođịa tầng xen kẹp đất hạt mịn và rời thì độ trồi có thể nhỏ hơn nhiều so với độ trồixảy ra trong đất sét kém nhạy;

 Tỷ lệ giữa thể tích đất trồi so với thể tích cọc ép bằng khoảng 40% trongbựn sột cú độ nhạy cao; bằng khoảng 50% ở đất sét xanh dẻo mềm và lên đến 100%trong đất sét lẫn tảng lăn rắn;

 Mức độ trồi của đất lớn nhất ở gần cọc và giảm nhanh khi khoảng cáchđến cọc tăng lên Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy độ trồi rất nhỏ khi khoảng cáchđến cọc lớn hơn 20 lần bán kính cọc;

 Độ sâu ảnh hưởng tới hạn bằng khoảng 20-30 lần bán kính cọc Độ trồităng dần trong quá trình hạ cọc và đạt giá trị lớn nhất khi cọc được hạ đến độ sâu tớihạn;

c) Việc phân tích, dự báo mức độ trồi của đất có thể được thực hiện bằngphương pháp giải tích hoặc phương pháp số

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO ĐỘ TRỒI CỦA ĐẤT CCC

Tính toán dự báo mức độ trồi của đất trong quá trình hạ cọc có thể được thựchiện bằng nhiều phương pháp, trong đó các phương pháp giải tích và phương pháp

số đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu Trong chương này trình bày 3 phươngpháp phân tích thường được áp dụng trong thực tế để dự báo mức độ trồi của đấtnền

2.1. Phương pháp của Baligh [4] :

2.1.1 Lịch sử của phương pháp Cavity expansion ( CEM )

Phương pháp CEM đầu tiên được phát triển cho bài toán mở rộng hốc (Cavity

expansion) của Bishop (1945), sau đó được ứng dụng cho địa kĩ thuật, đặc biệt là

cho kiểm tra áp lực và đánh giá khả năng chịu tải của nền móng sâu và sự xáo trộn

do thi công cọc (Chadwick, 1959) Baligh đã phát triển lời giải của Bishop cho câycọc có bán kính R hạ vào môi trường khụng nộn co

Hiện tại, CEM là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để đánh giá ảnhhưởng của việc thi công cọc lên đất xung quanh Những ưu điểm của CEM trongphân tích ảnh hưởng của thi công cọc xuất phát từ sự đơn giản của phương pháp.Những ưu điểm sau đây của CEM là đáng lưu ý:

a) Số các biến số đã được giảm đi đáng kể và vì thế lời giải thu được một cách

dễ dàng và dễ hiểu

b) Các phương trình của biến số đã giảm từ phương trình phức tạp của đạohàm riêng đến 1 phương trình đạo hàm đơn thường, có thể tích phân trực tiếp (ítnhất là một cách số học) Levadoux và Baligh 1984 mô tả các khía cạnh phản ứngcủa đất để hoàn thiện lời giải của CEM

c) Vì phương pháp giải rất đơn giản, nên rất nhiều khía cạnh phức tạp của sựđâm xuyênhạ cọc có thể được hợp nhất trong CEM, đó là: biến dạng lớn, độ dốccao, phương tiện đa pha

2.1.2 Mô hình lý thuyết của Baligh (1984):

2.1.2.1 Các giả thiết:

 Đất khụng nộn co;

 Một thể tích hình cầu nở rộng trong đất khụng nộn co, đồng nhất và đẳng hướng;

 Thời điểm ban đầu: Trạng thái ứng suất đẳng hướng

 Sử dụng hệ tọa độ cầu, lỗ hổng có bán kính R(t), tại t=0 thì R(0)=0

Hình 2.1 Biến dạng của lưới ô vuông trong đất bão hòa [4]

2.1.2.2 Khái quát về sự nở rộng thể tích hình cầu:

a Khái quát:

Từ các giả thiết trên, tại bất kì thời điểm t nào, tọa độ xuyên tâm của phần tử đất,

(t), liên quan tới vị trí ban đầu của nó 0(=(0)) được cho bởi biểu thức:

 3 3 1 / 3

) ( t    R t

- Biểu thức (2.1) nghĩa là, tại bất cứ thời điểm t nào, nếu bán kính lỗ hổng R(t)

đã biết, sự biến dạng của đất hoàn toàn được mô tả và vì thế biến dạng của đất đượcxác định hoàn toàn mà không cần biết phản ứng trượt của đất

- Kết quả này là rất quan trọng, nghĩa là vấn đề hoàn toàn phụ thuộc vào biếndạng, và nếu cho bất kì quan hệ cấu thành nào, ứng suất và áp lực lỗ rỗng có thể dễdàng được mô phỏng để thỏa mãn những điều kiện cân bằng Đó là một đặc điểmrất hấp dẫn của CEM bởi vì biến dạng mô phỏng ứng dụng cho tất cả đặc tính vậtchất, cung cấp điều kiện cần để giữ đối xứng cầu

- Hình 2.1 cho thấy sự biến dạng của một ô vuông tại bất cứ thời điểm t nào,trong quá trình nở rộng lỗ rỗng cầu Theo thời gian, bán kính R(t) tăng lên nhưng sựbiến dạng của ô vẫn tương tự về hình học như trong hình 2.1 Vì thế, sự nở rộng lỗrỗng không thể giữ được hai khía cạnh quan trọng của sự đâm xuyênhạ cọc thẳngđứng: Sự phụ thuộc của biến dạng đất vào tọa độ thẳng đứng và trạng thái ổn định

b Lý thuyết của Baligh:

Một phương pháp tương đương về mô phỏng sự nở rộng lỗ rỗng cầu đó là giảsửgiả thiết một nguồn cầu đơn nằm tại  = 0 và phát ra một vật chất khụng nộn vớitốc độ (về thể tích) V trong mỗi đơn vị thời gian Giả sửGiả thiết có đối xứng cầu,nghĩa là, tại bất cứ thời điểm t, vật chất chiếm 1 lỗ rỗng cầu bán R(t) cho bởi:

3 / 1

4

3 ) (t  V tR

 (2.2)Nếu cho giá trị của R(t), biến dạng đất được mô tả bởi (2.1) và biến dạng đấtgiống hệt như trong sự nở rộng lỗ rỗng cầu và ô lưới bị biến dạng cho trong hình2.1 Tuy nhiên, ưu điểm của việc dùng công thức nguồn đơn thay cho phương pháp

nở rộng lỗ rỗng là nó phát triển khả năng xử lý tình huốngmô phỏng quá trình hạđâm xuyên ổn định liên quan đếncọc bằng nhiều nguồn biến dạng liên tiếp vấn đề

đa nguồn, ( Baligh, (1984)

Trong hệ tọa độ cầu, tốc độ xuyên tâm của 1 phần tử đất nằm tại bán kính 

1



V

v  Và bỏ qua các thành phần vận tốc khác Mặt khác, trong hệtọa độ trụ, hình 1a, thành phần vận tốc khác được cho bởi:

z

r z

r V

v V

4

;

sin 4

2 2 2 2

Trong đó dấu o viết trên là để chỉ tình huống nguồn cầu đơn

2.1.3 Lời giải của Baligh (1984):

2.1.3.1 Mô hình tính toán:

-Giả sửGiả thiết có 1 nguồn đơn hình cầu trong dòng chảy đều với vận tốc Utheo hướng z, thành phần vận tốc của chất điểm đất vr và vz trong hệ tọa độ trụ chobởi:

vr = vro; vz=U + vzo (2.4)Trong đó: vr và vz tương ứng với lời giải nguồn điểm cho bởi biểu thức (2.3)

Rõ ràng, việc thêm dòng chảy đều chỉ thay đổi tốc độ thẳng đứng bởi U

- Có sự chênh lệch nhỏ từ lời giải lỗ rỗng cầu gây ra sự thay đổi mạnh trongbiến dạng của đất và, trên thực tế, làm trồi cọc đơn trong hình 2.2 Trong đó cácđặc điểm bản chất của đâm xuyên từ bây giờ bắt đầu được nổi bật

Hình 2.2 Biến dạng của lưới ô vuông trong đất bão hòa ( cọc đơn) [4]

2.1.3.2 Phương pháp tính toán:

Sử dụng phương pháp tích phân theo chiều thẳng đứng:

a Bắt đầu từ 1 khoảng cách lớn trước cọc (nghĩa là, tại giá trị âm lớn của ztrong hình 2.2), chọn 1 hạt nằm tại bán kính xuyên tâm r = ro

b Từ biểu thức (4) và (3), mô phỏng các tốc độ của hạt và từ đó xác định vị trícủa nó sau 1 khoảng thời gian cực nhỏ ∆t

c Thực hiện lặp lại bước b) để lần theo dòng chảy hoặc đường đi của hạt khi

r

arctan

; 2 / ) cos 1

Trong đó bán kính thân cọc tại z , R là:

2 / 1

Và đầu cọc (r = 0) nằm tại z = -R/2 Thực tế, cọc đơn có thể được coi là cóthân cọctiết diện đều với bán kính R từ điểm C trong hình 1b nằm tại vị trí 4R bêndưới đầu cọc Mặc dù có vẻ là phức tạp và không thực tế,Dạng cọc như trên hìnhhọc cọc đơn được chọn để làm đơn giản hóa lời giải

b Phân loại cỏc vựng đất.

Hình 2.3 mô tả hình học của 1 cọc đơn rắn và chia đất quanh cọc ra thành 3vùng I, II và III cũng như 3 đoạn A, B và C, như thếNhư vậy đất có thểđược chialàm 9 vùng (I-A,…, III-C)

Vùng I, II, và II mô tả biến dạnh mạnh trong đất gây ra bởi hạ cọc Dựa trêncác tầng biến dạng tám mặt trong đất, các biên được giả thiết trong hình 2.3 giữacác vùng khác nhau được cho bởi biểu thức:

/ R

Trong đó là mức biến dạng, với =10% ở biên I-II và =2% ở biên II-III

Hình 2.3 Đâm xuyên của cọcHạ cọc đơn [4]

Vùng I, II, và II mô tả biến dạnh mạnh trong đất gây ra bởi việc lắp đặt Dựatrên các tầng biến dạng tám mặt trong đất, các biên được giả sử trong hình 2.3 giữacác vùng khác nhau được cho bởi biểu thức:

/ R

Trong đó:  là hệ số biến dạng;

=0.1 đối với biên I-II

=0.02 đối với biên II-III

Vùng I bao gồm đất bên trong, từ bề mặt cọc đến 1 khoảng bằng bán kính cọc

R, nó bị với mức biến dạng mạnh lớn bởi do việc lắp đặthạ cọc (trên 10%) và mởragây ra từ bề mặt cọc đến 1 khoảng bằng bán kính cọc R

Vùng III chứa là đất bên ngoài, nằm ngoài khoảng bán kính r=4.5 R quanh thâncọc và ở độ sâu trên 2.5R dưới mũi cọc, nơi mà có mức biến dạng là ttương đối nhỏ(2%) và vì thếnên có thể giả sửgiả thiết đất là 1 vật chấtcó ứng xử đàn hồi Nằmtrong khoảng bán kính r=4.5 R quanh thân cọc và ở độ sâu quá 2.5R trước đầu cọc

Ở v

Vùng trong trung giữa gian II, đất nằm bị biến dạng ở trạng thái dẻo nhưng bịkéo đến cácvới mức biến dạng vừa phảitrung bình (2% -:- 10%)

Ba đoạn A, B và C phản ánh cách thức kéo biến dạng của đất chịu cắt

Đoạn A nằm trong 1 hình nón với góc 60o phía trước cọc (150o<  <180o), baogồm đất bị kéo cắt cong trong trạng thái chịu nén 3 trục

Đoạn C nằm trong 1 hình nón 60o bên dướiphía sau nguồn biến dạng (0o<  <

30o), chứa trong đó biến dạng cắt đất nơi mà biến dạng trượt giống 1 như trườnghợp lỗ rỗng hình trụ nở rộng gây ra

Đoạn B (30o<  <150o) là vùng chuyển tiếp trong đó xảy diễn ra hầu hết sựthay đổi của sự trượtbiến dạng cắt của đất

c Các thành phần biến dạng :::

Quá trình Sự đâm xuyênhạ của 1 một cây cọc đối xứng trục gây ra 4thành phần biến dạng trong đất:

Biến dạng thẳng đứng, zz.;

Biến dạng xuyên tâm, rr.;

Biến dạng tiếp tuyến, . và

Biến dạng trượtBiến dạng cắt, rz

Ttrong đó zz là biến dạng tương đối Vì thế,N nếu biết tốc độ chất điểm đất(biểu thức 4 2.3 và 32.4), ) thì có thể xác định dòng chảy có thể được theo dõiuyểnđộng và tính toán các thành phần biến dạng tính bằng phép tổng được các thànhphần tốc độ biến dạng.:

cos 2 sin ) ( );

( 4

Khi biến dạng là đủ nhỏ, sự thay đổi vềtrong hình học trong đất là ccó thể được

bỏ qua và có thể tích phân bằng phương pháp một cách giải tích bởi vìsự chuyển

động của các hạt đất chuyển vị dọc theo dòng chảyphương thẳng đứng với 1 độ lệchngang nhỏ

Đối với các phần tử đất nằm ở vùng ngoài III, hình 2.3 mô tả các hướng biếndạng chủ yếu lớn và trung:

( );

-Các thành phần biến dạng giảm khi tăng khoảng cách r, theo tỷ số (R/r)2 ;

-Biến dạng tiếp tuyến  là biến dạng nhỏthành phần biến dạng phụ ở mọinơi điểm trong đất;

- Trong đoạn A phía trước cọc, (150o <  < 180o, ), biến dạng trượtbiến dạngcắt  là tương đối nhỏ, nên trong phân tích gần đúng có thể lấy biến dạng chính tácdụng thành phần theo hướng thẳng đứng làm biến dạng chính và zz= ẳ (R/z)2 ;r ≈

 ≈ -zz/2 Đó Đây là các điều kiện áp dụntương tự g trong quá trình trượt nén 3trục khụng thoỏt nước;

-

- Trong đoạn C bên dưới cọc, (0o <  < 30o,), biến dạng trượtbiến dạng cắtcũng nhỏ và biến dạng chính thì rất gần với hướng xuyên tâmphương ngang: rr =(1/2)(R/r)2 và = -zz và zz0/2 Đó Đây là điều kiện được giả sửgiả thiết bởisựtrong bài toán nở rộng lỗ rỗng hình trụ.;

- Trong đoạn trung gian B, (30o <  < 150o, ) xảy ra hầu hết nhiều thay đổitrong của biến dạng Bđất và biến dạng thẳng đứng zz đảo ngược chiều từ nén, khi

90o< > 90o < 150o, đến sang giãn kéo, khi 30o <  << 90o Xa hơn,K khi =90o(hoặc z=0), biến dạng trượtbiến dạng cắt đạt đến giá trị lớn nhất và biên độ của rr

và  là bằng nhau (nhưng có dấu khác nhau) và bằng 1/2 nửa giá trị cuối cùng củachúng tại =0

- Ngoài vùng III có thể giả sửgiả thiết là phản ứng đàn hồi bởi vì biến dạng làrất đủ nhỏ