BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MẠNH HÀ

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MẠNH HÀ

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
Cán bộ hướng dẫn chính: PGS, TS Nguyễn Tương Lai
Cán bộ chấm phản biện 1:..............................................

Cán bộ chấm phản biện 2:..............................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
Ngày 08 tháng 02 năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận văn xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cầu đường sân bay –
Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, các thầy, cô giáo giảng dạy tại lớp Cao học
đường ô tô và đường thành phố K25A – Học viện KTQS đã tạo điều kiện
thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Bộ môn.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS, TS. Nguyễn Tương Lai đã tận
tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cám ơn các thầy,
cô, các anh chị đồng nghiệp trong Bộ môn Cầu đường sân bay và Viện Kỹ
thuật Công trình Đặc biệt – HVKTQS đã có nhiều ý kiến đóng góp hữu ích và
cung cấp các tài liệu tham khảo liên quan cho đề tài. Do trình độ và thời gian
thực hiện đề tài còn hạn chế, vấn đề nghiên cứu còn khá mới mẻ nên đề tài
không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý của
quí thầy cô và các đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn nữa.

Xin trân trọng cảm ơn!


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

Nguyễn Mạnh Hà


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

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

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

Hình 1-4: Sự chồng ứng suất của đất nền trong nhóm cọc........................................................................9
1.3 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD 205:1998; 22 TCN 272-05................11
1.3.1. Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD 205:1998...................................11
1.3.2. Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo 22 TCN 272-05.....................................13
1.4 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo thực nghiệm..................................................16
1.5 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải dùng mô hình hệ số nền kết hợp với phương pháp phần tử
hữu hạn.........................................................................................................................................................19
1.6 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh dùng phương pháp PTHH phân tích tương tác kết
cấu – nền.......................................................................................................................................................20
1.7 Kết luận chương 1..................................................................................................................................21

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN..............................................23
2.1. Mô hình tính toán tương tác kết cấu – môi trường................................................................................23
2.1.1 Mô hình tính tách rời kết cấu và môi trường (tương tác không đầy đủ).........................................24
2.1.2 Mô hình tính khi xét kết cấu và môi trường đồng thời (tương tác đầy đủ).....................................27
2.2. Mô hình tĩnh của nền đàn hồi và mô hình vật liệu của nền đàn hồi.....................................................28
2.2.1 Mô hình tĩnh của nền đàn hồi..........................................................................................................28
2.2.2. Mô hình cơ học của vật liệu nền....................................................................................................36
2.3. Mô hình tính toán theo phương pháp PTHH.........................................................................................46
2.3.1. Phương pháp mô hình hóa kết cấu – đất nền.................................................................................46
2.3.2. Xây dựng và giải bài toán phân tích móng cọc theo phương pháp PTHH....................................50
2.4. Kết luận chương 2.................................................................................................................................55

Chương 3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PTHH PLAXIS 3D FOUNDATION.56


NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG CỌC
CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH..............................................................................56
3.1. Giới thiệu chương trình phần mềm phân tích kết cấu theo phương pháp PTHH - Plaxis 3D
Foundation...................................................................................................................................................56

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

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

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


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

tải trọng tĩnh. Từ kết quả thu được so sánh với khuyến nghị trong Tiêu chuẩn
hiện hành; công thức thực nghiệm và rút ra kết luận.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
QGL:

tải trọng giới hạn của nhóm cọc;

QiL:

sức chịu tải giới hạn của cọc riêng rẽ;


W, W0:

tương ứng là chuyển vị của kết cấu và môi trường tại bề mặt tiếp

xúc của chúng;
r, r0:

tương ứng là phản lực tương tác đặt lên kết cấu và môi trường tại

bề mặt tiếp xúc của chúng;
E0, ν0:

mô đun đàn hồi và hệ số Poat-xông của nền;

Ρ:

khoảng cách từ điểm khảo sát của mặt nền đến điểm đặt lực P;

:

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

trong một phần tử;
:

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

chuyển vị nút trong một phần tử;
[K]:

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

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

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

lnp’= 0;
Γ:

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

κ:

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

λ:


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

V:

thể tích riêng.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Đặc điểm làm việc của móng cọc
Hình 1-2: Trường hợp cọc chống
Hình 1-3: Trường hợp cọc ma sát
Hình 1-4: Sự chồng ứng suất của đất nền trong nhóm cọc

Trang
07
08
08
09


Hình 1-5: Hoạt động của cọc đơn và nhóm cọc
Hình 2-1: Các mô hình thực của kết cấu tương tác với nền
Hình 2-2: Các mô hình tính tương tác của kết cấu với nền
Hình 2-3: Mô hình tương tác hệ "Kết cấu - môi trường"
Hình 2-4: Mô hình tương tác khi xét kết cấu đồng thời với môi

09
23
24
26


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

27
30
32
33
35

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

37

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

39

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

40

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

Hình 2-13: Mô hình vật liệu đàn dẻo giảm bền
Hình 2-14: Đặc trưng ứng xử của vật liệu nền theo mô hình

41
42

Cam-clay`
Hình 2-15: Định nghĩa các tham số của mô hình Cam-clay
Hình 2-16: Hàm tiêu chuẩn dẻo của mô hình vật liệu Cam-Clay
Hình 2-17: Hàm tiêu chuẩn dẻo của mô hình Cam-Clay cải tiến
Hình 3-1: Mô hình Plaxis 3D Foundation với móng cọc đài cao
Hình 3-2: Hệ thống trục tọa độ địa phương của phần tử thanh
Hình 3-3: Hệ trục tọa độ địa phương của phần tử tấm
Hình 3-4: Các phần tử và nút trong một mô hình 2D. Mỗi nút có

43
44
44
45
57
58
62

hai bậc tự do, được mô tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn,
(Wiberg, 1974)
Hình 3-5: Các bước phân tích phần tử hữu hạn (Wiberg, 1974)
Hình 3-6: Kết quả chuyển vị với số nút tăng dần trong mô hình

65
65

66

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

73


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

74

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

76

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

76
78

83
83
83
83
84
84

thay đổi cùng chịu tải thí nghiệm Ptn
Hình 3-13a: Trường hợp tỷ số S/D=2,0; Pb =55309,5 kN
Hình 3-13b: Trường hợp tỷ số S/D=2,5; Pb = 58104,0 KN
Hình 3-13c: Trường hợp tỷ số S/D=3,0; Pb = 70369,2 kN
Hình 3-13d: Trường hợp tỷ số S/D=4,0; Pb = 71312,4 kN
Hình 3-13e: Trường hợp tỷ số S/D=6,0; Pb =74852,9 kN
Hình 3-13f: Trường hợp tỷ số S/D=6,5; Pb =74887,1 kN
Hình 3-13g: Chuyển vị của tâm đáy bệ móng khi tỷ số S/D thay

84
88
88
88
88
89
89

đổi cùng chịu tải thí nghiệm Ptn

89


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

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

Trang
75
78
84
84
86
86
89
90
90
91


1

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

vấn đề được đặt ra trước tiên trong tính toán thiết kế.
Móng cọc được dùng phổ biến trong xây dựng các công trình giao thông,
hạ tầng, công nghiệp và dân dụng. Giải pháp móng cọc có ưu điểm vượt trội
so với các loại móng khác về sức chịu tải của móng nhưng chi phí thường cao
và yêu cầu sử dụng máy móc thiết bị trong thi công. Do đặc điểm của móng
cọc được dìm sâu vào nền đất trong khi các số liệu về nền còn rất phân tán và
khó kiểm soát nên hệ số an toàn dùng trong tính toán và thiết kế móng cọc
thường cao hơn nhiều so với các giải pháp móng nông.
Trong các phương pháp tính toán thiết kế công trình hiện nay nói chung
và tính toán thiết kế móng cọc cho các công trình dân dụng, giao thông thủy
lợi nói riêng, khi tính sức chịu tải của móng cọc có ít hay nhiều cọc đều dựa
trên nguyên tắc tính sức chịu tải của các cọc đơn, sau đó sức chịu tải của cả
nhóm cọc trong móng sẽ bằng tổng sức chịu tải của các cọc đơn nhân với một
hệ số chiết giảm được đề xuất (theo Tiêu chuẩn) do ảnh hưởng của hiệu ứng
nhóm cọc.
Hệ số hiệu ứng nhóm (hệ số chiết giảm được đề xuất) do ảnh hưởng của
sự tác động qua lại giữa hệ cọc-nền-cọc trong móng công trình được đề xuất
trong các tiêu chuẩn hiện hành còn mang tính chỉ dẫn, chưa đưa ra cơ sở tính
toán cụ thể nên có khó khăn cho người kỹ sư thiết kế trong việc lựa chọn và
đảm bảo được độ tin cậy trong điều kiện địa chất và thi công cụ thể của Việt
Nam.


2
Thực tế xây dựng hiện nay các công trình lớn rất nhiều, gần như phổ biến
trong tất cả các công trình xây dựng dân dụng, giao thông và thủy lợi đặc biệt
trong xây dựng cầu đường. Các công trình này vì lý do về diện tích, khoảng
cách, tải trọng…đều có móng gồm nhiều cọc (nhóm cọc), nên cần xét tới việc
các cọc làm việc đồng thời với nhau (xét hệ số hiệu ứng nhóm), việc tập trung
ứng suất trong đất. Trong xây dựng dân dụng, thường dùng móng cọc cho

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


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

cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịu tải trọng
tĩnh” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Mục tiêu của đề tài
Tổng quan về các phương pháp, cách xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong
móng cọc chịu tải trọng tĩnh.
Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation xác định hệ số hiệu ứng
nhóm.
So sánh với các Tiêu chuẩn và công thức xác định hệ số hiệu ứng nhóm
hiện hành đưa ra kết luận và kiến nghị.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Nhóm cọc trong móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Do tính chất đa dạng và phức tạp của các loại nền, móng công trình, sự đa
dạng của các loại móng cọc (đóng, khoan nhồi…) và tải trọng tác dụng lên
nền móng công trình (tĩnh, động), phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ chỉ giới
hạn trong bài toán không gian của hệ cọc-nền cho trường hợp mố cầu chịu tải
tĩnh và tập chung giải quyết một số vấn đề sau:
+ Kết cấu là móng mố công trình cầu, cọc sử dụng trong móng là cọc
đóng hoặc cọc khoan nhồi, vật liệu là đàn hồi tuyến tính
+ Nền đất đồng nhất đẳng hướng và nền phân lớp có đẳng hướng, nền có
ứng xử đàn hồi tuyến tính hoặc phi tuyến theo tiêu chuẩn bền Morh –
Coulomb


4
+ Tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết kết hợp với thử nghiệm số,
sử dụng phần mềm phân tích phân tích kết cấu theo phương pháp PTHH
(Plaxis 3D Foundation):

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


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

phạm vi ứng dụng). Xây dựng mô hình bài toán bệ-cọc với nền đất khi xét kết
cấu và nền làm việc đồng thời chịu tác dụng của tải trọng tĩnh trong Plaxis 3D
Foundation; phân tích và so sánh kết quả tính toán với các tiêu chuẩn và công
thức hiện hành.
Kết luận và kiến nghị
Các kết quả đạt được của đề tài
Các vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu tiếp theo và kiến nghị.


6
Chương 1
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG
NHÓM TRONG MÓNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH
1.1 Khái quát chung
Móng cọc là một loại móng sâu, thường dùng khi tải trọng công trình lớn
và/hoặc lớp đất tốt nằm rất sâu dưới lòng đất. Hai loại cọc phổ biến nhất là
cọc chế sẵn và cọc khoan nhồi.
Cơ chế làm việc của móng cọc: Móng cọc khi làm việc là sự tương tác
đồng thời giữa các bộ phận cấu thành lên móng:

 - Sự tương tác giữa cọc và đất;
 - Sự tương tác giữa cọc và cọc (hiệu ứng nhóm);
 - Sự tương tác giữa đất và đài móng;
 - Sự tương tác giữa cọc và đài móng;
Trong một số trường hợp có thể bỏ qua yếu tố  khi khoảng cách giữa
các cọc trong móng đạt một giá trị đủ lớn [1], [2], [4] và  trong trường
hợp móng là móng đài cao. Tuy nhiên hiện nay trong tính toán và thiết kế
các công trình từ giao thông, thủy lợi, dân dụng… do các yêu cầu về kiến
trúc, tính kinh tế, khả năng tận dụng vật liệu cường độ cao… thì việc tính
toán móng cọc gần như phải xét đầy đủ cả 4 tương tác trên trong quá trình

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


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

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


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

móng cọc và TCVN đã nêu rõ vấn đề này, tuy nhiên chưa đưa ra các công
thức để dự báo, định lượng sự ảnh hưởng của làm việc theo nhóm cọc. Do đó
trong thực tế thiết kế, hiện nay hầu hết đều coi sức chịu tải của cọc trong
nhóm cọc như sức chịu tải của cọc đơn.
Khi cọc bố trí riêng rẽ, sức chịu tải của móng cọc được phân tích theo các
phương pháp hiện nay thường dùng trong các tiêu chuẩn hiện hành (TCXD
205-1998; 22 TCN 272-05) [1], [2]. Tuy nhiên trong thực tế để thỏa mãn tải
trọng lớn của một đài cọc, cọc thường được bố trí thành nhóm có số lượng (n)
cọc.

Hình 1-2: Trường hợp cọc chống

Hình 1-3: Trường hợp cọc ma sát


9

Hình 1-4: Sự chồng ứng suất của đất nền trong nhóm cọc

A – B đáy móng khối giả tưởng khi cọc hoạt động ở mũi là chủ yếu
A’ – B’ đáy móng khối giả tưởng khi cọc hoạt động như cọc ma sát
Hình 1-5: Hoạt động của cọc đơn và nhóm cọc
Do cọc thường được bố trí khá gần nhau nên chúng tác động ảnh hưởng
qua lại dưới tải trọng. Vì vậy, sức chịu tải tổng quát của cả nhóm thường nhỏ
hơn tổng sức chịu tải của các cọc. Mặt khác, sự truyền tải của cả nhóm cọc
xuống chiều sâu cũng khác nhiều so với cọc đơn.


10
Hiệu ứng, do tác động qua lại giữa các cọc trong một nhóm, gây ảnh

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

η=

Q GL
ΣQiL

(1-1)

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

1 – Nhóm chỉ dẫn xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo các Tiêu chuẩn hiện
hành của Việt Nam
2 – Nhóm phương pháp xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo thực nghiệm


11
3 – Nhóm phương pháp mô hình hệ số nền
4 – Nhóm phương pháp PTHH phân tích tương tác kết cấu – nền
1.3 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD
205:1998; 22 TCN 272-05.
Khi tính toán, thiết kế móng cọc cho các công trình xây dựng dân dụng,
giao thông và thủy lợi; hiện nay thường chỉ dựa vào các chỉ dẫn trong các qui
trình, tiêu chuẩn hiện hành như TCXD 205:1998 và 22 TCN 272-05 để tính
toán và đưa ra phương án thiết kế khi xét cho hiệu ứng nhóm cọc.
1.3.1. Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD
205:1998
Trong TCXD 205:1998 không trình bày cụ thể, khái quát chung coi rằng
khi khoảng cách giữa các tim cọc trong móng cọc lớn hơn hoặc bằng 3D thì
sức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của các cọc đơn.
Do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên độ lún của nhóm và sức
chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn. Hiệu ứng này cần được xét
đến trong thiết kế. Chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đất dưới nhóm cọc phụ
thuộc vào kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng.
Độ lún của một nhóm cọc ma sát có số lượng cọc nhiều sẽ cao hơn so với
nhóm có ít cọc hơn ở cùng một điều kiện đất nền và độ lớn của ứng suất dưới
đáy mũi cọc. Khi dự tính độ lún của nhóm cọc người ta thường tính cho khối
móng quy ước, trong đó diện tích của khối móng quy ước được xác định tuỳ
theo điều kiện làm việc của cọc.
Trong đất nền rời quá trình hạ cọc bằng phương pháp đóng hay ép thường
nén chặt đất nền, vì vậy, sức chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng sức

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


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

đúng tất cả các cọc trong nhóm đến độ sâu thiết kế. Thứ tự đóng nên tiến hành
từ giữa nhóm ra phía ngoài. Trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng biện
pháp khoan dẫn. Khi nhóm cọc đặt gần cọc cừ hoặc công trình có sẵn thì nên
tiến hành đóng cọc từ phần tiếp giáp và ra xa dần để tránh làm dịch chuyển


13
tường cừ và công trình lân cận. Cọc khoan nhồi trong trường hợp này là giải
pháp thích hợp.
1.3.2. Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo 22 TCN
272-05.
Trong 22 TCN 272-05 đưa ra một số chỉ dẫn tương ứng với mỗi loại nền
là đất dính hoặc đất rời; cọc là cọc đóng hay cọc khoan; khoảng cách giữa các
cọc là một giá trị cụ thể thì cho một giá trị hiệu ứng nhóm cụ thể. Các giá trị
ứng với các yếu tố nằm trong các khoảng đó thì lấy giá trị nội suy tuyến tính.
♦ Đối với móng cọc đóng:
Khoảng cách tim tới tim cọc không được nhỏ hơn 750mm hay 2.5 lần
đường kính hay chiều rộng của cọc, chọn giá trị nào lớn hơn. Khoảng cách từ
mặt bên của bất kì cọc nào tới mép gần nhất của móng phải lớn hơn 225mm.
Đỉnh của các cọc phải thiết kế ngàm sâu ít nhất 300mm trong bệ móng
sau khi đã dọn đi tất cả các vật liệu cọc hư hại. Nếu như cọc được gắn với bệ
móng bằng các thanh cốt thép chôn hay các tao, chúng phải được chôn sâu
không nhỏ hơn 150mm vào bệ móng. [Điều 10.7.1.51, 1]
Sức kháng tính toán N của nhóm cọc được tính như sau:
(1-2)
Trong đó:

Qg : Sức kháng danh định của nhóm cọc
φg : Hệ số sức kháng của nhóm cọc qui định trong qui trình này.


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