Nghiên cứu phạm vi chuyển dịch của đất nền xung quanh cọc trong quá trình thi công ép cọc bê tông cốt thép

Nghiên cứu phạm vi chuyển dịch của đất nền xung quanh cọc trong quá trình thi công ép cọc bê tông cốt thép Tóm tắt: Trong thực tế xây dựng hiện nay, móng cọc đang là giải pháp được lựa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS LÊ VĂN PHA Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS VÕ PHÁN Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ Cán bộ chấm nhận xét 2: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM

Ngày 27 Tháng 08 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS NGUYỄN MINH TÂM - Chủ Tịch hội đồng

2 TS NGUYỄN CẢNH TUẤN – Thư Ký

3 GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ - Ủy viên

4 TS BÙI TRƯỜNG SƠN - Ủy viên

5 TS LÊ VĂN PHA - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Chủ nhiệm bộ môn quản

lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

Tp.HCM, ngày 20 tháng 11 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐẶNG HƯNG THẠNH Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30-11-1959 Nơi sinh: Sài Gòn

Địa chỉ mail: danghungthanh@yahoo.com Điện thoại: 0903.703.661

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG K2012 MSHV: 12090389

I-TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU PHẠM VI CHUYỂN DỊCH CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỌC TRONG

QUÁ TRÌNH THI CÔNG ÉP CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1- NHIỆM VỤ :

- Nghiên cứu tổng quan về chuyển dịch đất nền xung quanh và dưới mũi cọc khi thi công

ép cọc thông qua các nghiên cứu đã có

- Tìm hiểu cơ chế nén chặt đất trong quá trình thi công ép cọc

- Tính toán dự báo phạm vi chuyển dịch của đất nền khi ép cọc bằng phương pháp giải tích

- Mô phỏng quá trình thi công ép cọc, sự thay đổi trạng thái ứng suất-biến dạng của đất nền xung quanh bằng phương pháp số

- Đề xuất biện pháp thi công ép cọc nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình xung quanh

2- NỘI DUNG :

- Chương 1 : Tổng quan các nghiên cứu về chuyển dịch của đất nền trong quá trình ép cọc

- Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về cơ chế nén ép và chuyển dịch đất nền khi ép cọc

- Chương 3 : Dự báo chuyển dịch đất nền trong quá trình ép cọc

- Chương 4 : Ứng dụng kết quả nghiên cứu, đề xuất biện pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình xung quanh

- Kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/11/2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ VĂN PHA và PGS TS VÕ PHÁN

quý thầy cô trong Bộ môn Địa cơ - Nền móng, đã tận tình truyền dạy những kiến thức chuyên ngành trong suốt quá trình học tập, quan tâm hỗ trợ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong thời gian tôi tham gia học tập tại trường

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Võ Phán và thầy TS Lê Văn Pha, người trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn Luận văn Thạc sĩ cho tôi, đã dành nhiều thời gian, tận tình chỉ dạy, hỗ trợ kiến thức và tài liệu để hoàn thành luận văn trong thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy PGS.TS Châu ngọc Ẩn, TS Nguyễn Minh Tâm, TS Bùi Trường Sơn, TS Lê Bá Vinh, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ Thanh Hải đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức trong quá trình học và thực hiện luận văn

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè trong lớp Địa Kỹ Thuật Xây Dựng 2012 đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập cũng như khi thực hiện Luận văn

Trong Luận văn có thể còn nhiều sai sót Kính mong được sự góp ý của quý thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn và có thể ứng dụng vào thực tế

Trân trọng

Nghiên cứu phạm vi chuyển dịch của đất nền xung quanh cọc trong quá trình thi công ép cọc bê tông cốt thép

Tóm tắt:

Trong thực tế xây dựng hiện nay, móng cọc đang là giải pháp được lựa chọn phổ biến đối với các công trình có tải trọng vừa và lớn xây dựng trong khu vực đô thị do có những ưu điểm như: thi công nhanh, sức chịu tải cao Trong đó, hai phương pháp cọc khoan nhồi và cọc ép tĩnh thường được sử dụng Ưu thế riêng của cọc nhồi là đường kính lớn, chiều dài sâu Tuy nhiên, nhược điểm của cọc khoan nhồi là khá tốn kém và khó quản lý được chất lượng của từng cọc nhồi trong và sau thi công Vì vậy, giải pháp thay thế đặc biệt phù hợp với công trình xây chen trong khu dân cư đô thị như thành phố Hồ Chí Minh là móng cọc ép tĩnh Thực tế cho thấy, ưu điểm của giải pháp ép tĩnh cọc là giải quyết được những nhược điểm của cọc khoan nhồi như: Có giá thành thấp hơn rất nhiều so với cọc nhồi, có thể kiểm soát được chất lượng từng cọc

Tuy nhiên, ngoài các ưu điểm nổi trội, phương pháp ép tĩnh cọc vẫn có thể gây nên những ảnh hưởng nhất định cho công trình liền kề trong quá trình thi công do sự chuyển dịch của đất nền khi bị cọc chiếm chỗ, gây nên hiện tượng đất trồi, cọc trồi

Trong luận văn nầy, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích cơ chế nén chặt trong đất khi thi công ép cọc, góp phần làm rõ nguyên nhân gây chuyển dịch đất,

xu hướng chuyển dịch và phạm vi ảnh hưởng của phương pháp ép cọc tĩnh thông qua tính toán theo phương pháp dự báo giải tích và phương pháp mô phỏng bằng phần mềm Plaxis Trên cơ sở đó, đề xuất các biện pháp thi công ép cọc phù hợp nhằm khắc phục những ảnh hưởng do chuyển dịch trong nền đất khi sử dụng biện pháp ép cọc móng công trình

Beside the advantages, the static pressed pile method may cause certain risk effects to adjacent buildings during construction due to the soil movements around the piles, such as soil heave and pile heave, et cetera

In this thesis, the author focused on the analysis of compaction mechanism

of the soil which is close to a driven pile while construction of a pile and clarifying the causes of soil movements Since then, defining the trends of soil movements and its sphere of influence by the analytic method and the computational simulating method, using the software Plaxis On that basis, the appropriate measures will be put forward to overcome the adverse effects on driving piles by the static pressed pile method

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

5 Phạm vi nghiên cứu của để tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CHUYỂN DỊCH CỦA ĐẤT NỀN TRONG QUÁ TRÌNH ÉP CỌC 1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.1 Giới thiệu sơ lược về phương pháp ép tĩnh cọc 3

1.1.2 Một số phương pháp hạ cọc đang sử dụng tại TP Hồ Chí Minh 3

1.2 Tổng hợp các nghiên cứu về chuyển dịch đất khi ép cọc 7

1.2.1 Khi hạ cọc vào lớp đất sét 7

1.2.2 Khi hạ cọc vào lớp đất rời 10

1.2.3 Vùng nén lại và sự gia tăng góc ma sát trong của đất khi hạ cọc 12

1.2.4 Áp lực lỗ rỗng tăng trong quá trình hạ cọc 13

1.2.5 Vùng xáo trộn và xu hướng biến dạng của đất quanh cọc 14

1.3 Các biểu hiện ảnh hưởng của đất nền khi hạ cọc 16

1.3.1 Hiện tượng đất trồi 17

1.3.2 Hiện tượng cọc trồi 20

1.3.3 Hiện tượng dịch chuyển ngang của đất 21

1.4 Nhận xét 22

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CƠ CHẾ NÉN ÉP VÀ CHUYỂN DỊCH CỦA ĐẤT NỀN KHI ÉP CỌC 2.1 Áp lực mở rộng vùng ảnh hưởng của đất quanh cọc khi hạ cọc 24

2.1.1 Áp lực mở rộng tại mép cọc 24

2.1.2 Sự phân bố áp lực của đất theo khoảng cách khi hạ cọc 25

2.2 Áp lực nước lỗ rỗng trong đất khi hạ cọc 26

2.3 Chuyển dịch của đất nền khi ép cọc 29

2.3.1 Chuyển dịch đất nền khi ép cọc đơn 29

2.3.2 Chuyển dịch đất nền khi ép nhóm cọc 32

2.3.3 Ảnh hưởng của chuyển dịch đất nền đối với cọc lân cận 33

2.4 Nhận xét 37

CHƯƠNG III: DỰ BÁO CHUYỂN VỊ ĐẤT NỀN TRONG QUÁ TRÌNH ÉP CỌC 3.1 Dự báo chuyển vị đất nền khi ép cọc bằng phương pháp giải tích 38

3.1.1 Dự báo chuyển vị ngang của đất khi ép cọc 38

3.1.2 Dự báo chuyển vị đứng của đất (đất trồi) khi ép cọc 40

3.1.3 Tính phạm vi vùng chuyển dịch của đất khi ép cọc 42

3.2 Mô phỏng chuyển vị của đất nền khi ép cọc bằng phần mềm plaxis 8.5 44

3.2.1 Mô hình tính toán 44

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của đường kính cọc, độ sâu hạ cọc và khoảng cách (tính từ trục cọc) đối với chuyển dịch đất khi ép cọc 45

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số địa chất đến chuyển dịch đất trong quá trình ép cọc 49

3.3 Nhận xét và phân tích kết quả 51

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP LÀM GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TRÌNH XUNG QUANH 4.1 Các biện pháp nhằm giảm thiểu chuyển dịch đất do ép cọc 53

4.2 Đề xuất giải pháp khả thi cho công trình nhà cao tầng trong đô thị trên cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu 53

4.3 Khái quát về phương pháp thi công khoan trong kết hợp ép tĩnh cọc 54

4.4 Ứng dụng vào công trình thực tế 56

4.4.1 Giới thiệu chung về công trình 56

4.4.2 Đặc điểm địa chất của công trình 58

4.4.5 So sánh về hiệu quả đầu tư giữa các biện pháp hạ cọc 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận 66

Kiến nghị 67

Hình 1.2 Phương pháp ép neo……… 4

Hình 1.3 Phương pháp ép cọc bằng robot tự hành………5

Hình 1.4 Phương pháp cọc khoan nhồi………5

Hình 1.5 Phương pháp ép cọc-khoan trong (Nakabory)……… 6

Hình 1.6 Công đoạn nối cọc trong phương pháp ép cọc Nakabory……….6

Hình 1.7 Mô hình cọc và nền……… 7

Hình 1.8 Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do ép cọc………8

Hình 1.9 Độ bền cắt trong đất sét bão hòa nước trước và sau khi ép cọc………9

Hình 1.10 Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian ( Theo Soderberg, 1962)……….10

Hình 1.11 Hướng chuyển vị xung quanh cọc, khi cọc hạ vào trong lớp cát…………11

Hình 1.12 Trị số chuyển vị của cát xung quanh khi hạ cọc………11

Hình 1.13 Sự nén chặt của cát xung quanh cọc theo quan trắc và tính toán lý thuyết 12

Hình 1.14 Ép cọc ảnh hưởng lên giá trị góc ma sát trong của đất (Kishida,1967)…13 Hình 1.15 Một số kết quả đo áp lực lỗ rỗng (Poulos và Davis, 1979) ………14

Hình 1.16 Hình thức chuyển vị khi hạ cọc theo Terzaghi (1943) ….………15

Hình 1.17 Hình thức chuyển vị khi hạ cọc theo Meyerhof (1959) ………15

Hình 1.18 Chuyển dịch đất nền chung quanh cọc khi hạ cọc theo Massarsch (1974).16 Hình 1.19 Chuyển vị của đất xung quanh mũi cọc (Zeevaert, 1949) ………17

Hình 1.20 Đất trồi do ép cọc (Hagerty và Perk, 1971) ……….18

Hình 1.21 Quan hệ giữa độ trồi của đất và khoảng cách so với cọc (Sharp, 1982)…20 Hình 1.22 Quan hệ giữa độ trồi của đất và độ sâu ép cọc (Sharp, 1982)………20

Hình 1.23 Chuyển vị ngang của đất khi ép cọc………22

Hình 2.1 Áp lực nén đất khi hạ cọc phụ thuộc độ cứng đất….………25

Hình 2.2 Mô tả sự phân bố áp lực mở rộng vùng dẻo quanh cọc ………25

Hình 2.3 Sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng ………29

Hình 2.4 Chuyển vị ngang của đất khi ép cọc theo Cooke và Price (1973) ………30

Hình 2.5 Mô hình mô tả sự mở rộng vùng ảnh hưởng của đất khi hạ cọc………30

Hình 2.6 Tương quan giữa độ trồi của đất quanh cọc và chiều sâu ép cọc…………31

Hình 2.9 Ảnh hưởng của việc bố trí cọc trong nhóm đến sự phân bố đất trồi 33

Hình 2.10 Ảnh hưởng trồi cọc lân cận khi hạ cọc (Hagerty,1969) 34

Hình 2.11 Cơ chế chuyển vị cọc liền kề (Hagerty,1969) 34

Hình 2.12 Mô hình tính cọc trồi (Hagerty và Peck, 1971) ….……….35

Hình 2.17 Ảnh hưởng của sự gia tăng độ bền cắt vào vị trí cân bằng lực khi cọc trồi.36 Hình 3.1 Dự báo giá trị dịch chuyển ngang lớn nhất khi hạ cọc………39

Hình 3.2 Giá trị dịch chuyển ngang tương đối khi hạ cọc (Ux/r)……….39

Hình 3.3 Dự báo chuyển vị đứng của đất trên mặt đất khi hạ cọc 41

Hình 3.4 So sánh chuyển vị đứng của đất theo khoảng cách với cọc 42

Hình 3.5 Dự báo phạm vi vùng chuyển dịch ngang 41

Hình 3.6 Mô phỏng quá trình ép cọc bằng plaxis 8.5 44

Hình 3.7 Mô hình biến dạng khi hạ cọc 45

Hình 3.8 Chuyển vị đứng tại mặt đất ảnh hưởng do độ sâu hạ cọc 46

Hình 3.9 Chuyển vị ngang tại mặt đất ảnh hưởng theo độ sâu hạ cọc 46

Hình 3.10 Chuyển vị đứng tại mặt đất ảnh hưởng theo khoảng cách tính từ cọc 47

Hình 3.11 Chuyển vị ngang tại mặt đất ảnh hưởng theo khoảng cách tính từ cọc 47

Hình 3.12 Khảo sát chuyển vị đứng tại mặt đất ảnh hưởng bởi đường kính cọc 48

Hình 3.13 Khảo sát chuyển vị ngang tại mặt đất ảnh hưởng bởi đường kính cọc 48

Hình 3.14 Chuyển vị đứng ở mặt đất khi ép cọc ảnh hưởng bởi module đàn hồi E 49

Hình 3.15 Chuyển vị đứng ở mặt đất khi ép cọc ảnh hưởng bởi hệ số Poisson 50

Hình 3.16 Chuyển vị đứng ở mặt đất khi ép cọc ảnh hưởng bởi lực dính 50

Hình 3.17 Chuyển vị ở mặt đất khi ép cọc ảnh hưởng bởi góc ma sát trong 51

Hình 4.1 Lắp mũi khoan trong cọc ống (phương pháp khoan-ép) 55

Hình 4.2 Công đoạn nối cọc (phương pháp khoan-ép) 55

Hình 4.3 Đất được đưa lên mặt đất trong quá trình khoan-ép………56

Hình 4.4 Phối cảnh khối thương mại dịch vụ và nhà xe cao tầng 57

Hình 4.5 Phối cảnh khối thương mại dịch vụ và văn phòng 58

Hình 4.6 Mô phỏng ép cọc bằng chuyển vị cưỡng bức 60

Hình 4.9 Chuyển vị đứng khi kết hợp khoan-ép 62

Hình 4.10 So sánh chuyển vị đứng khi kết thúc ép cọc 63

hình 4.11 So sánh chuyển vị ngang trên mặt đất khi kết thúc ép cọc……….64

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Hệ số áp lực lổ rỗng Af cho các loại đất (Lambe và Whitman)…………27

Bảng 3.1 Giá trị dịch chuyển ngang lớn nhất của đất nền khi hạ cọc ……38

Bảng 3.2 Chuyển vị đứng Uy khi hạ cọc ở điểm cách cọc 1D……….……….42

Bảng 3.3 So sánh chuyển vị đứng Uy ở điểm cách cọc 2-15D 43

Bảng 3.4 Phạm vi vùng chuyển dịch ngang khi hạ cọc………….……… 40

c : Lực dính

c’ : Lực dính trong thí nghiệm thoát nước

D : Đường kính tiết diện cọc

E : Mô đun biến dạng

e : Tỷ số rỗng

H : Chiều dầy lớp đất

hs : Chiều dầy đất trồi

hp : Chiều dài phần cọc trồi

’ : Góc ma sát trong điều kiện có cố kết- có thoát nước

γunsat : Trọng lượng riêng tự nhiên của đất

γsat : Trọng lượng riêng khi bảo hòa của đất

Δσr : Gia số của ứng suất xuyên tâm

Δσt : Gia số của ứng suất tiếp tuyến

Δu : Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

Δum : Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư lớn nhất

 : Hệ số Poisson

σ’vo : Ứng suất thẳng đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thân đất

τf : Độ bền cắt của đất

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, khi thi công móng cho các công trình trong khu vực đô thị, giải pháp được các nhà thiết kế và chủ đầu tư thường ưu tiên chọn lựa là móng trên nền cọc ép bê tông cốt thép (BTCT) vì một số ưu điểm của nó Cụ thể là thi công nhanh, giá thành hợp lý, ít gây ảnh hưởng làm sụp lún nhà lân cận do không phải đào móng khá sâu, hoặc giảm thiểu đáng kể độ lún móng khi sử dụng lâu dài nếu so với việc gia cố móng bằng cừ tràm hay phải đặt móng trên nền đất thiên nhiên…Đặc biệt, có thể kiểm soát được chất lượng cọc trước khi ép

Tuy nhiên, thực tế cho thấy biện pháp thi công ép cọc BTCT cũng có thể gây

ra những ảnh hưởng đáng kể đối với công trình kiến trúc lân cận- có thể thấy bằng mắt thường- như gây chấn động công trình liền kề, gây nứt cục bộ các cấu kiện kiến trúc … Nguyên nhân các sự cố nầy được cho là do sự chuyển dịch của đất nền trong quá trình hạ cọc, dẫn đến hiện tượng đất trồi, cọc trồi trên mặt đất

Xét về mặt giá thành, việc lựa chọn giải pháp móng cọc cụ thể cho công trình như là sử dụng cọc khoan nhồi, ép tĩnh cọc theo kiểu thông thường, ép cọc có khoan dẫn…có ý nghĩa lớn và là vấn đề đáng quan tâm đối với các nhà đầu tư trong mục tiêu làm hạ giá thành công trình

Việc nghiên cứu phạm vi chuyển dịch của đất nền xung quanh khi ép cọc và các kiến nghị về biện pháp khắc phục những ảnh hưởng không mong muốn của việc thi công ép cọc bê tông đối với công trình lân cận là nhằm mục đích góp phần hoàn thiện hơn theo hướng an toàn và tiết kiệm cho phương pháp ép tĩnh cọc, góp phần tạo cơ sở trong việc lựa chọn loại hình móng cọc cụ thể để xây dựng công trình

Đề tài tập trung nghiên cứu các ảnh hưởng do chuyển dịch đất khi sử dụng biện pháp ép cọc bê tông đối với nhà xây chen trong đô thị Áp dụng tính toán bằng các phương pháp dự báo khác nhau và đúc kết các kết quả để đưa tới những nhận định chung Từ đó, có kiến nghị phù hợp trong thiết kế, thi công, kết hợp với yếu tố hiệu quả kinh tế trong thực tế xây dựng đối với các công trình sử dụng cọc ép hiện

nay

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

+ Nghiên cứu quá trình thay đổi trạng thái ứng suất-biến dạng của đất nền, xác định cơ chế chuyển vị đất nền khi thi công cọc ép bê tông

+ Xây dựng được phương pháp dự báo vùng ảnh hưởng của việc thi công ép cọc gây ra cho khu vực lân cận trong khu dân cư đô thị

+ Đề xuất biện pháp giảm thiểu những ảnh hưởng bất lợi do việc thi công ép cọc đối với khu vực lân cận

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

+ Tổng hợp và phân tích cơ sở lý thuyết đã có về khả năng nén chặt của đất trong quá trình thi công ép cọc, sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và trạng thái ứng suất-biến dạng khi thi công

+ Dùng phương pháp giải tích dự báo khả năng chuyển dịch của đất nền khi hạ cọc bằng phương pháp ép tĩnh Thông qua ứng xử của đất nền khi ép cọc, đánh giá tác động gây ảnh hưởng đến sự ổn định của đất nền trong khu vực

+ Sử dụng công cụ tính toán (phần mềm Plaxis 8.5) để mô phỏng quá trình ứng xử của đất khi ép cọc BTCT (mô hình đất đàn hồi dẻo Mohr-Coulomb)

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài thực hiện nhằm làm rõ hơn những ứng xử của nền đất khi ép cọc Qua

đó, phân tích những tác động đến công trình lân cận và góp phần xác định biện pháp thi công phù hợp cho loại hình móng cọc ép tĩnh đang được sử dụng phổ biến hiện

nay

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài tập trung nghiên cứu về chuyển dịch của đất nền trong quá trình cọc đơn được hạ vào đất bằng phương pháp ép tĩnh Qua đó, đề xuất biện pháp thi công

ép cọc phù hợp cho loại hình công trình nhà xây chen trong khu dân cư đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CHUYỂN DỊCH

CỦA ĐẤT NỀN TRONG QUÁ TRÌNH ÉP CỌC 1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Giới thiệu sơ lược về phương pháp ép tĩnh cọc

Khi xây dựng công trình cao tầng trong đô thị, từ điều kiện phải xây chen với các công trình có sẵn xung quanh, giải pháp móng thường dùng trước đây là móng cọc khoan nhồi Tuy nhiên, giải pháp cọc khoan nhồi cho thấy nhiều nhược điểm khi sử dụng như: giá thành cao, khó quản lý được chất lượng của từng cọc nhồi Ngay trong việc thử tải cho cọc nhồi, vì lý do quá tốn kém, thường chỉ được tiến hành kiểm tra theo tỉ lệ vài phần trăm Theo Tạp chí Sài Gòn Đầu Tư Xây Dựng 6/1998 “Thử tĩnh một vài cọc nhồi trong công trình là khá nguy hiểm, vì số cọc còn lại có thể là ẩn họa”[1]

Vì vậy, giải pháp thay thế cho móng công trình hiện nay là ép tĩnh cọc Cùng với sự phát triển rất nhanh trong lĩnh vực sản xuất cọc bê tông cường độ cao, phương pháp ép tĩnh cọc là lời giải hợp lý vì có giá thành thấp hơn rất nhiều so với cọc nhồi, chất lượng từng cọc được kiểm soát và khả năng chịu lực được nâng cao (nếu so sánh về giá trị vật liệu làm cọc giữa cọc đúc sẵn và cọc nhồi)

Phương pháp ép tĩnh cọc là sử dụng tải trọng (thông qua dàn ép thông thường hoặc Robot) để ép dần cọc xuống nền đất Lớp đất bên dưới bị dịch chuyển do có sự chiếm chỗ của cọc trong đất và có thể gây ra ảnh hưởng nhất định đến khu vực lân cận

Trong phạm vi luận văn nầy, tác giả xin đề cập đến những chuyển dịch đất nền khi ép cọc, làm rõ phạm vi ảnh hưởng trong khu vực Từ đó, đề ra biện pháp góp phần hoàn thiện hơn phương pháp ép tĩnh cọc bê tông cốt thép (BTCT) – phương pháp đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay

1.1.2 Một số phương pháp hạ cọc đang sử dụng tại TP Hồ Chí Minh

Những hình ảnh dưới đây minh họa cho một số phương pháp hạ cọc đang được sử dụng trong thực tế Tùy thuộc vào cấp tải trọng công trình, đặc điểm địa

chất cụ thể, điều kiện về diện tích công trường và kinh phí đầu tư Một trong số các phương pháp hạ cọc có thể được lựa chọn

Hình 1.1 Phương pháp ép tĩnh cọc thông thường-sử dụng đối trọng là các khối

bê tông (hoặc sắt) Phù hợp cho công trình có diện tích rộng

Hình 1.2 Phương pháp ép neo-sử dụng đối trọng bằng cách khoan neo xuống

đất Phù hợp cho nhà dưới 3 tầng, diện tích chật hẹp

Hình 1.3 Phương pháp ép cọc bằng robot tự hành-sử dụng đối trọng là các

khối sắt và trọng lượng bản thân

Hình 1.4 Phương pháp cọc khoan nhồi- Sử dụng khi có yêu cầu cọc có đường

kính lớn, chiều dài sâu

Hình 1.5 Phương pháp ép cọc-khoan trong (Nakabory), sử dụng cọc ly tâm

cường độ cao Phù hợp cho nhà cao tầng

Hình 1.6 Công đoạn nối cọc trong phương pháp ép cọc Nakabory Đoạn cọc

phía trên có thể được ép thuần túy hoặc khoan-ép

1.2 Tổng hợp các nghiên cứu về chuyển dịch đất khi ép cọc

Quá trình hạ cọc bê tông xuống nền đất gây xáo trộn và thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng của đất xung quanh và dưới mũi cọc được thể hiện như hình 1.7 [2]

Hình 1.7 Mô hình cọc và nền

Việc ép cọc làm xáo trộn đất xung quanh cọc Khi cọc được ép vào lớp đất nền bên dưới thì sẽ xảy ra những ứng xử khác nhau tùy thuộc vào độ lớn cọc, độ sâu hạ cọc và khác biệt về đặc trưng cơ lý theo từng loại đất

1.2.1 Khi hạ cọc vào lớp đất sét [3]

De Mello (1969) đã liệt kê 4 loại ảnh hưởng chính khi hạ cọc vào đất là:

-Làm thay đổi cấu trúc đất xung quanh cọc

-Làm biến đổi trạng thái ứng suất trong đất ở vùng lân cận cọc

-Làm tăng áp lực lỗ rỗng xung quanh cọc

-Hiện tượng biến đổi độ bền Theo thời gian trong đất

Trước hết, xét cọc ép vào tầng đất sét bảo hòa nước Khi ép cọc xuống thì một lượng thể tích đất bị dịch chuyển, thể tích khối đất nầy bằng với thể tích của cọc đã chiếm chỗ Có thể nói hoạt động ép cọc gây ra những thay đỗi về biến dạng trong đất sét Đất có thể bị đẩy từ vị trí ban đều BCDE sang ngang với vị trí

B’C’D’E’ (hình1.8) Do đất sét bảo hòa nước có tính thấm bé, đất bị dịch chuyển và nén ép có thể trồi lên mặt đất

Hình 1.8 Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do ép cọc

Trên hình 1.9, cọc có bán kính oa được ép sâu vào trong tầng đất sét, sự thay đổi của độ bền cắt dọc theo chiều dài cọc và khoảng cách theo phương ngang đến cọc được cho trên hình obcd, trong đó o là góc toa độ Đường A biểu diễn độ bền cắt trước khi ép cọc và cũng là độ bền của đất sét khi còn nguyên dạng Ngay sau khi ép cọc, độ bền cắt biểu thị bằng đường B Trước khi ép cọc đất ở điểm a, thì sau khi ép đã dịch chuyển tới điểm o, còn gốc o thì dịch chuyển đến điểm f Độ bền cắt

bị giảm đi [3]

Hình 1.9 Độ bền cắt trong đất sét bão hòa nước trước và sau khi ép cọc

Đất ở điểm o đã dịch chuyển và do đó phần lớn áp lực giữa các hạt bị biến mất Tổng cộng áp lực chất tải trước bao gồm áp lực giữa các hạt cộng với áp lực nước lỗ rỗng là không thay đổi Do đó, phần mất đi giữa các hạt đã được chuyển thành áp lực nước lỗ rỗng Vì chỉ có lớp đất cách cọc rất gần mới bị xáo trộn nên áp lực lỗ rỗng tăng lên Hơn nữa, áp lực ngang bên cạnh cọc tăng do chuyển vị hướng

ra ngoài của đất khi ép cọc Gradient do áp lực dư này lập tức gây ra thấm và bắt đầu quá trình cố kết Vì dòng chảy xảy ra từ điểm có áp lực cao đến điểm có áp lực thấp, do đó hướng của dòng chảy là từ cọc và theo phương đường kính cọc Trong thời gian cố kết, các hạt đất chuyển dịch hướng vào phía cọc vì nước chảy hướng ra Như vậy đất trong phạm vi gần mặt cọc giảm hệ số rỗng còn đất ở xa bị dãn nở ra một ít Do đó, sau khi hạ cọc đất tạo nên ma sát bên với tốc độ khá nhanh Điều này

thể hiện trong thí nghiệm nén lại (Taylor, 1948) Trên hình 1.9, oh biểu hiện ma sát

bên khi nén lại, còn đường C biểu diễn độ bền phụ thuộc khoảng cách tính từ cọc Nếu như đường C biểu diễn độ bền xảy ra sau một ngày hoặc ngay sau khi ép cọc, thì đường D là độ bền một vài tuần sau khi ép cọc Vì đất ở xa cọc hơi bị nở ra trong khi cố kết nên đường độ bền C và D có thể ở dưới đường B một khoảng nhỏ Nếu cọc nhẵn thì sức kháng ma sát trên bề mặt có thể nhỏ hơn so với độ bền cắt trong đất sét ở lân cận cọc Trong trường hợp này, ma sát bên được biểu diễn bằng các điểm h’ và j’ thay cho điểm h và điểm j

Nếu thí nghiệm thử tải tiến hành trên cọc nầy sau khi hạ cọc được một vài tuần

thì ma sát bên được biểu diễn giản lược bằng oj Mặt khác, nếu cọc được kéo lên

trong thời gian nầy thì một khối lượng đất đáng kể có thể bám vào cọc và lên cùng với cọc Điều này giải thích độ bền tương đối: với điều kiện không đồng nhất, thì mặt phá hoại sẽ không đi qua od có chu vi nhỏ nhất, cũng không đi qua mặt có độ bền nhỏ nhất, mà lại xảy ra ở khu lân cận cọc, nơi có tích số của độ bền và chu vi là nhỏ nhất, ví dụ là điểm k trong hình 1.9 (Taylor 1948)

Trong quá trình ép cọc, đất bão hòa nước không có khả năng chịu nén khi gia tải nhanh (như khi ép cọc) Do vậy, trong khi cọc càng đi xuống lớp đất dưới, cột đất phải chuyển động lên phía trên mặt đất bởi vì trong nền đất không còn chỗ nào

thuận lợi để cho đất loại này dồn đến cả De Mello (1969) đã giả thiết rằng ngay sau khi ép cọc, lượng đất bị xáo trộn đã giảm từ 100% tại mặt tiếp giáp giữa cọc – đất tới 0% ở khoảng cách từ 1,5 đến 2 lần đường kính cọc tính từ thân cọc Orrje và Broms (1967) đã chứng minh rằng, với cọc bê tông hạ trong đất sét nhạy, chỉ sau 10 tháng thì độ bền không thoát nước hoàn toàn có thể trở lại giá trị ban đầu Soderberg (1962) cũng chỉ ra rằng việc tăng khả năng chịu tải cực hạn của đất (và

do đó tăng độ bền cắt) tương đương với tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Theo thời gian (hình 1.10)

Hình 1.10 Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962)

1.2.2 Khi hạ cọc vào lớp đất rời [2] [3]

Theo Meyerhof (1959), Robinsky và Morrison (1964), các kết quả thí nghiệm xuyên cát trước và sau khi hạ cọc cho thấy quá trình hạ cọc đã làm tăng độ chặt của cát trong phạm vi khoảng 8 lần đường kính cọc tính từ tâm cọc Mật độ hạt cát tăng kéo theo góc ma sát cũng tăng Việc hạ cọc vào nền làm đất dịch chuyển theo phương ngang và do đó làm tăng ứng suất theo phương ngang tác dụng vào cọc [3] Khi cọc được hạ vào trong đất rời, đất thường bị nén chặt bởi chuyển vị và chấn động trong quá trình hạ cọc, kết quả là đất bị phá vỡ và phục hồi lại cấu trúc sau một khoảng thời gian Do đó, trong cát chặt, cọc càng được ép, tải trọng ép cọc

càng tăng lên Nhiều kết quả nghiên cứu chi tiết và phân tích đánh giá phạm vi chịu nén của đất cát và sự tăng mật độ xung quanh cọc được thực hiện bởi Meyerhof (1959), Robinsky và Morrison (1964) [2]

Robinsky và Morrison đưa ra hàng loạt mô hình kiểm tra cọc trong đất cát, với chuyển vị và lực nén xung quanh cọc được ghi lại Lúc đầu, đất cát chặt với Dr = 17% đất sẽ di chuyển trong phạm vi từ 3 đến 4 lần đường kính (cọc) theo phương ngang; từ 2,5 đến 3,5 lần đường kính bên dưới mũi cọc Đất cát có độ chặt trung bình Dr ≈ 35% thì đất sẽ dịch chuyển trong phạm vi từ 4,5 đến 5,5 lần đường kính theo phương ngang và 3 đến 4,5 lần đường kính dưới mũi cọc [2]

Thực nghiệm của Robinsky và Morrison không những chỉ ra quá trình chuyển

vị của đất cát mà còn cho thấy sự nén ép của đất cát dưới mũi cọc và cạnh cọc Mô hình chuyển vị của đất xung quanh cọc theo các vân sóng như hình 1.11 và 1.12:

Hình 1.11 Hướng chuyển vị xung quanh Hình 1.12 Trị số chuyển vị của cát cọc, khi cọc hạ vào trong lớp cát xung quanh khi hạ cọc

Trên cơ sở thực nghiệm, Meyerhof (1959) đã đề nghị phương pháp đánh giá phạm vi của những khu vực tăng mật độ, tăng giá trị góc ma sát xung quanh cọc khi

hạ cọc vào lớp đất cát Kết quả tiêu biểu so sánh với sự quan sát được thể hiện như trong hình 1.13

Kết quả này cũng phù hợp với Robinsky và Morrison (1964), nhưng theo Meyerhof giá trị nén ép thể tích ở gần mũi cọc là lớn nhất, còn khu vực ở gần đầu cọc là nhỏ nhất [2]

Hình 1.13 Sự nén chặt của cát xung quanh cọc

theo kết quả quan trắc và tính toán lý thuyết

1.2.3 Vùng nén lại và sự gia tăng góc ma sát trong của đất khi hạ cọc [2]

Phương pháp đơn giản đánh giá những ảnh hưởng của việc hạ cọc trong vùng nén chặt trong đất cát lân cận ở mũi cọc được đề nghị bởi Kishida (1967) Trên cơ

sở kết quả thí nghiệm ở nhiều mô hình, Kishida cho rằng bán kính của vùng ép lại

xung quanh cọc là 3,5d Bên trong vùng này, ông thêm vào giả thiết rằng góc ma sát

φ thay đổi tuyến tính với khoảng cách từ giá trị ban đầu là φ1, ở bán kính 3,5d tới giá trị lớn nhất là φ2 ở mũi cọc được thể hiện như hình 1.14

Mối quan hệ giữa φ1 và φ2, được cho bởi biểu thức:

φ2 = (φ1 + 40) / 2 (1.1)

Hình 1.14 Ép cọc ảnh hưởng lên giá trị góc ma sát trong của đất

(Kishida,1967)

1.2.4 Áp lực lỗ rỗng tăng trong quá trình hạ cọc [3]

Áp lực nước lỗ rỗng gia tăng trong quá trình ép cọc Các số đo áp lực nước lỗ rỗng thặng dư gia tăng trong đất khi ép cọc cho thấy rằng áp lực này ở sát thân cọc

có thể bằng và thậm chí còn lớn hơn áp lực hữu hiệu (Lambe và Horn- 1965, Orrje

và Broms-1967, Poulos và Devis- 1979, D Appoloia và Lambe- 1971)

Trong vùng lân cận của cọc, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phát sinh rất cao, trong một số trường hợp có thể xấp xỉ 1,5 đến 2 lần ứng suất thẳng đứng hữu hiệu tại đó và thậm chí có thể gấp 3 đến 4 lần ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở gần mũi cọc Tuy nhiên, nó sẽ tiêu tán cũng rất nhanh theo khoảng cách kể từ cọc Trên hình 1.15, áp lực nước lỗ rỗng ∆u được biểu diễn qua ∆u/σ’vo, với σ’vo là ứng suất thẳng đứng hữu hiệu trước khi ép cọc, còn khoảng cách hướng tâm S tính từ cọc được biểu diễn qua S/ro, trong đó ro là bán kính của cọc Ta thấy các điểm trên hình này không tập trung là do có nhiều loại đất khác nhau và các loại đất có độ nhạy lớn thì

áp lực nước lỗ rỗng biến đổi lớn

Những điểm ở xa có khoảng cách S/ro bằng 4 đối với đất sét thường và bằng 8 đối với đất sét nhạy thì áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách Trên hình 1.15, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thực tế có thể bỏ qua khi ở ngoài khoảng cách S/ro=30

Hình 1.15 Một số kết quả đo áp lực lỗ rỗng (Poulos và Davis, 1979)

1.2.5 Vùng xáo trộn và xu hướng biến dạng của đất quanh cọc [5]

Sự xáo trộn và biến dạng của đất gần cọc khi hạ cọc đã được công bố bởi

Cumming (1948), Zeevaert (1949) và Tomlinson (1957) Phạm vi vùng đất bị xáo trộn và xu hướng biến dạng suốt từ giai đoạn đầu đến các giai đoạn sau khi cọc được ép, được minh họa trong hình 1.16 và 1.17.Theo đó, khi ép cọc, vùng chịu ảnh hưởng nhiều nhất của đất tập trung chủ yếu ở khu vực sát thân cọc và gần mặt đất

Massarsch (1974) đã mô tả cơ chế biến dạng của đất khi hạ cọc trong đất sét cứng chặt Gần mặt đất, sự di chuyển của đất hầu như là chuyện động vòng, do lực dính giữa đất và cọc (hình 1.18) Hình thức chuyển vị dần thay đổi khi độ sâu hạ cọc tăng thêm Sự dịch chuyển trở nên chủ yếu là chuyển vị ngang (xuyên tâm)

Hình 1.16 Hình thức chuyển vị khi hạ cọc theo Terzaghi (1943)

Hình 1.17 Hình thức chuyển vị khi hạ cọc theo Meyerhof (1959)

Hình 1.18 Chuyển dịch đất nền khi hạ cọc (Massarsch, 1974)

1.3 Các biểu hiện ảnh hưởng của đất nền khi hạ cọc [5]

Cọc ép thường gây ra đất trồi quanh cọc, theo sau bởi cố kết của đất Chuyển

vị này gây ra bởi cọc ép có thể có ảnh hưởng đáng kể lên các kết cấu xung quanh và cũng có thể khiến các cọc đã được ép trước đó bị trồi lên trong quá trình ép những cọc 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 cọc tương 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 ra trong đất rời Nếu ép các cọc đầu tiên quanh chu vi nền móng, độ trồi của mặt đất tại tâm khu vực nền móng được tăng lên và tương ứng là của khu vực xung quanh giảm xuống Quan sát đồng thời các chuyển vị ngang cho thấy cọc ép có xu hướng

bị dịch chuyển xa khỏi chỗ ép tiếp sau, với những chuyển vị tiếp diễn sau khi kết thúc việc ép cọc một khoảng thời gian dài Ở chỗ có sự khác nhau về cao độ trong khu vực thi công, cọc ép thường có xu hướng dịch đất về hướng khu vực có cao độ thấp hơn

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

1.3.1 Hiện tượng đất trồi [4][5]

Khi ép cọc, đất bị dịch chuyển theo các hướng, một phần trong số đất bị dịch chuyển lên phía trên, bởi vì đất ít bị cản trở theo hướng này Chuyển vị theo phương thẳng đứng của đất trên bề mặt được gọi là hiện tượng trồi đất Hiệu ứng này thường được xem xét trong mối quan hệ giữa phần bị trồi lên trong vùng phụ cận cọc, và trong 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 một nhóm cọc ép đến độ sâu khoảng 110 feet (33.5 mét) vào đất nguồn gốc tro núi lửa Trong đất có nguồn gốc từ tro núi lửa, cọc ép quay trở lại vị trí ban đầu của nó rất nhanh, chỉ sau khoảng một tháng Zeevaert đã đề xuất phân loại tương đối về trạng thái của đất quanh cọc (hình 1.19)

Đất ở cách mép cọc một khoảng trên 2 lần đường 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 áp lực gây ra bởi thể tích đất

bị dịch chuyển trong khi ép cọc

Hình 1.19 Chuyển vị của đất xung quanh mũi cọc (Zeevaert, 1949) [5]

Trong khoảng 2 thập kỉ tiếp theo, đã không có quan trắc đất trồi nào được công bố Sau đó Hagerty và Peck (1971) nghiên cứu đất trồi gây ra bởi cọc ép tại 16 công trường với nhiều loại đất khác nhau Độ trồi trung bình được chuẩn hóa theo chiều dài của cọc xác định tại 8 trong số 16 công trình như là hàm số của tỉ lệ tổng thể tích của cọc ép so với thể tích của đất gần hoặc bị vây quanh bởi cọc (Hệ số biến dạng thể tích) (hình 1.20) Hệ số này cho thấy thể tích của đất dịch chuyển trong nhóm cọc vào khoảng một nửa tổng thể tích cọc ép Sự trồi lên của bề mặt vì thế là một hàm số của chiều dài cọc [4]

Hình 1.20 Đất trồi do ép cọc (Hagerty và Perk, 1971) [4]

Tỷ lệ của tổng thể tích đất trồi với tổng thể tích cọc ép trong khu vực thiết kế của nền móng cũng được tính ra vào khoảng 50% bởi Cummings (1950) dành cho cọc bê tông đúc tại chỗ ép vào đất sét Orrje và Broms (1967) thì tính ra giá trị 40% cho cọc bê tông đúc sẵn vào bùn sét Rõ ràng, đất trồi bên ngoài khu vực móng góp một phần đáng kể vào tổng thể tích đất trồi, nhưng nó không được tính Trái lại, nếu đất trồi bên ngoài nhóm cọc được tính, Adams và Hanna (1971) tìm ra rằng đối với cọc H bằng thép trong đất sét rắn, thể tích ép vào bằng thể tích trồi lên Tương 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 xung quanh cọc đơn hạ vào đất sét London cho thấy hầu hết đất trồi xảy ra khi lúc cọc bắt đầu xuyên qua vào khoảng 12 bán kính cọc (khoảng 1 mét) Dịch chuyển lớn nhất 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 từ trục cọc

Nghiên cứu tiếp theo tại cùng công trình được Cooke và Price công bố vào năm 1979, với sự khác nhau ở chỗ đầu dò dịch chuyển dọc được đặt ở độ sâu 0.5 mét bên dưới mặt nền Những kết luận của họ thì hơi khác so với năm 1973 Dịch chuyển lên trên của đất tiếp tục xảy ra cho tới khi cọc xuyên vào đất khoảng 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 trên quan sát được về cơ bản giống với những gì Cooke và Price đã thu được trước đó vào năm 1973[4]

Sharp (1982) đã giới thiệu một vài kết quả quan trắc về đất trồi cho mỗi cọc trong số 9 cọc được ép vào đất sét cứng ở Cowden, Hull Cọc đầu mở và đầu kín đường kính ngoài 200mm và 300mm đã được sử dụng Những cọc nhỏ hơn có độ dày w=9.5mm, còn lại có độ dày w=14.3mm Các kết quả thu được cho cọc đầu kín tương đối giống với kết quả của Cooke (1979)

Các nhận xét sau được rút ra từ nghiên cứu của Sharp (1982):

- Từ biểu đồ 1.21, cho thấy độ trồi của đất có quan hệ với khoảng cách kể từ vị trí ép cọc Đất trồi lớn nhất gần thân cọc và còn rất nhỏ khi khoảng cách lớn hơn 20 bán kính cọc tính từ trục cọc

- Đất trồi trong khoảng 11 lần bán kính cọc tính từ trục cọc được tạo ra tại khoảng xuyên sâu ban đầu tới 30 lần bán kính cọc Sau khoảng này, chỉ có một phần nhỏ đất trồi thêm (hình 1.21 và 1.22)

- Có một độ sâu tới hạn mà tại đó hầu hết đất trồi gần cọc được sinh ra trong

quá trình ép cọc

Hình 1.21 Quan hệ giữa độ trồi của đất và khoảng cách (Sharp, 1982)

Hình 1.22 Quan hệ giữa độ trồi của đất và độ sâu ép cọc (Sharp, 1982)

1.3.2 Hiện tượng cọc trồi [4]

Sự trồi lên hoặc nâng lên của cọc do việc ép các 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 ép gần 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 tích

liên quan đến hiện tượng trồi Tác giả cho rằng cọc trồi có thể là nguyên nhân dẫn đến hư hỏng ở mức nghiêm trọng cho các cọc chống đã thi công trước đó và phải ép lại tất cả các cọc đã ép từ trước Trong trường hợp các cọc ma sát, tác giả cho rằng hiện 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 sét từ trạng thái dẻo tới cứng tại độ sâu 1m Các cọc tiếp tục trồi lên hơn 10 ngày sau khi việc ép cọc hoàn tất Tuy nhiên, Koulsoftas (1982) lại ghi nhận các kết quả đo đạc chứng tỏ mức độ trồi 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 độ trồi phụ thuộc vào đường kính cọc và khoảng cách giữa các cọc hơn là loại đất hoặc

độ dài cọc Mức trồi lên cuối cùng của một cọc là tổng giá trị của tất cả các sự trồi lên riêng rẽ gây ra bởi việc ép các cọc lân cận Có một mối quan hệ gần đúng giữa cọc trồi và khoảng cách giữa các cọc được tính từ các dữ liệu lịch sử Cọc trồi lớn nhất 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 là không đáng kể Những kết quả của Clark (1981) cho thấy rằng cọc được ép với khoảng cách bằng 18 lần bán kính cọc 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 ép các cọc phụ cận đến một độ sâu khoảng từ 16 đến 24 bán kính cọc Bên dưới độ sâu này cọc trồi là rất nhỏ Phát hiện này trùng với Cooke, Price & Tarr (1979) và Sharp(1980)

1.3.3 Hiện tượng dịch chuyển ngang của đất [4]

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), Adams và Hanna (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 nhóm cọc H bằng thép khoảng 5 feet

Cooke và Price (1973) thông báo chuyển vị ngang của đất xảy ra khi một cọc được chống vào đất London Những đầu dò ngang được đặt ở khoảng cách 2 mét bên dưới mặt đất để đo dịch chuyển Những kết quả thu được cho thấy rằng chuyển

vị ngang xảy ra trong khoảng cách 8 lần bán kính cọc tính từ tim cọc

Hình 1.23 Chuyển vị ngang của đất khi ép cọc

1.4 Nhận xét

Trên cơ sở phân tích kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của việc hạ cọc đối với

sự chuyển dịch đất nền của nhiều tác giả, có thể rút ra những nhận xét sau:

a) Khi cọc được ép vào đất sét, cọc đã chiếm chỗ trong đất và gây nén ép vùng đất sát cọc, làm tăng áp lực nước lỗ rỗng trong đất ở cạnh cọc Gradient do áp lực nầy gây thấm, nước chảy từ cạnh cọc ra ngoài tạo nên quá trình tiêu tán áp lực nước

lỗ rỗng Quá trình nầy đồng thời làm cho hạt đất bên ngoài di chuyển về hướng cọc, kết quả là vùng đất sát cọc cố kết và hệ số rỗng giảm (De Mello, 1969)

b) Khi cọc được ép vào cát, quá trình hạ cọc đã làm tăng độ chặt của cát trong phạm vi khoảng 8 lần đường kính cọc tính từ tâm cọc Việc hạ cọc vào nền làm đất dịch chuyển theo phương ngang và do đó làm tăng ứng suất theo phương ngang tác dụng vào cọc (Meyerhof, 1959; Robinsky và Morrison, 1964)

c) Khi đất bị nén ép do cọc chiếm chỗ, dịch chuyển đất sét nhạy ít hơn so với đất kém nhạy Đối với cát, độ trồi đất có quan hệ tỉ lệ thuận với độ chặt Đối với địa

tầng xen kẹp đất hạt mịn và hạt thô thì độ trồi có thể nhỏ hơn nhiều so với độ trồi xảy ra trong đất hạt thô (Robinsky và Morrison,1964)

d) Vùng đất chịu ảnh hưởng nhiều nhất khi hạ cọc tập trung sát thân cọc và gần mặt đất Khi hạ cọc gần mặt đất, đất có chuyển động vòng và trồi lên mặt đất (Terzaghi-1943, Meyerhof-1959)

e) Có một độ sâu tới hạn mà ở đó đất không bị đẩy trồi lên mặt Theo thực nghiệm của Cooke và Price (1973), hầu hết đất trồi xảy ra khi ép cọc trong khoảng

12 lần bán kính cọc (12R) và không còn đất trồi đáng kể khi hạ cọc đến độ sâu tới hạn 24 R Trong khi đó, theo kết quả nghiên cứu khác của Sharp vào năm 1982, độ sâu tới hạn là 30R Ngoài ra, ông cũng cho rằng độ trồi đất lớn nhất trong khoảng 4 lần bán kính cọc tính từ trục cọc, và giảm dần theo bán kính

f) Biểu hiện của sự chuyển dịch đất nền khi hạ cọc ngoài sự dịch chuyển theo phương ngang, dịch chuyển theo phương đứng (như hiện tượng đất trồi) còn có thể làm trồi cọc lân cận đã ép trước đó Mức độ trồi cọc phụ thuộc đường kính cọc và khoảng cách giữa các cọc hơn là phụ thuộc vào độ dài và loại đất Mức trồi cọc cuối cùng là tổng giá trị của tất cả sự trồi riêng lẻ gây ra bởi việc ép các cọc lân cận (Cole,1972)

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CƠ CHẾ NÉN ÉP VÀ CHUYỂN

DỊCH CỦA ĐẤT NỀN KHI ÉP CỌC 2.1 Áp lực mở rộng vùng ảnh hưởng của đất quanh cọc khi hạ cọc

Tương tác giữa cọc và khối đất xung quanh cọc bắt đầu từ khi thi công cọc và tiếp diễn cho đến khi cọc chịu tải trọng của công trình Khi đó, trong khối đất hình thành trạng thái ứng suất – biến dạng khác nhau tại các vị trí dưới mũi và xung quanh cọc Tính chất cơ lý của đất, trong đó bao gồm các thông số module biến dạng, hệ số Poisson, lực dính, góc ma sát trong , đóng vai trò quan trọng và có ảnh hưởng lên quá trình hình thành và thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng của khối đất trong vùng ảnh hưởng tiếp xúc với cọc

Trong giai đoạn này, vấn đề quan trọng là xác định trạng thái ứng suất – biến dạng (các thành phần ứng suất và tương ứng là các giá trị biến dạng) của đất xung quanh cọc sau khi thi công ép cọc Trong quá trình ép cọc, đất xung quanh cọc sẽ bị phá hoại và dịch chuyển do sự chiếm chỗ của cọc Khối đất hình trụ bị ép ra xung quanh và hình thành một vành đai dẻo với đường kính xác định được từ biến dạng

>600) Ngược lại, đối với đất yếu có hệ số độ cứng dưới 200, áp lực mở rộng ở bề

mặt cọc thay đổi khá lớn (Minh họa ở hình 2.1)

Hình 2.1 Áp lực nén đất khi hạ cọc phụ thuộc độ cứng đất

2.1.2 Sự phân bố áp lực của đất theo khoảng cách khi hạ cọc

Một lời giải cho sự phân bố áp lực mở rộng vùng ảnh hưởng trong đất vừa có lực dính vừa có lực ma sát (theo tiêu chuẩn Mohr-Coulomb) được đưa ra bởi Vesic (1972) Sự thay đổi tổng ứng suất trong vùng dẻo quanh một hốc hình trụ ở khoảng cách rpl (hình 2.2) được diễn tả bằng các phương trình sau: