1
MỞ ĐẦU
Trong bất cứ các công trình xây dựng nào dù lớn hoặc nhỏ thì việc gia cố
nền móng là không thể thiếu được. Để gia cố nền móng người ta thường sử dụng
các cọc bê tông cốt thép với hai hình thức : cọc nhồi và cọc bê tông đúc sẵn. Mỗi
hình thức gia cố trên đều có các ưu, nhược điểm của nó. Hình thức dùng cọc nhồi
thường ở các công trình lớn. Hình thức thi công cọc bê tông đúc sẵn thường dùng
cho các công trình nhỏ và vừa, nhất là trong các điều kiện thi công bằng cọc nhồi
gặp khó khăn.
Máy và thiết bị để thi công đóng cọc bê tông đúc sẵn là các máy ép cọc
hoặc búa máy đóng cọc. Trong các loại búa máy đóng cọc hiện nay được dùng
nhiều nhất là các búa máy điêzen.
Khi tác nghiệp việc đóng cọc bê tông cốt thép để gia cố nền móng ở những
địa hình khác nhau, chẳng hạn như trên bến sông, cầu cảng hoặc là do yêu cầu đầu
trên của cọc phải chìm sâu dưới mặt đất thì người ta dùng thêm một cọc đệm (còn
gọi là cọc giả) bằng thép. Độ dài và độ chịu bền của các cọc đệm tùy thuộc theo
địa hình và tùy theo các loại búa khác nhau.
Trong quá trình thi công đóng cọc bê tông cốt thép, do lực va chạm giữa
búa máy và đầu cọc được đóng trên nền đất với các tính chất cơ lý khác nhau sẽ có
khả năng dẫn đến hiện tượng đầu cọc bị phá vỡ. Sở dĩ có hiện tượng trên là do quá
trình va chạm lực từ búa đến đầu cọc, lực được truyền theo dạng sóng đàn hồi từ
đầu cọc đến đáy cọc và phản xạ từ đáy cọc lên, nếu cùng tần số thì sẽ có cộng
hưởng lực và xảy ra hiện tượng ứng suất tăng đột ngột dẫn đến đầu cọc bị phá vỡ.
Hiện tượng này có thể xảy ra ngay trong phần thân cọc.
2
Nghiên cứu lý thuyết về bài toán toán đóng cọc bê tông đúc sẵn với nội
dung lựa chọn các thông số của búa, của phần cọc đệm một các tốt nhất để trong
quá trình thi công đóng cọc tránh được hiện tượng vỡ đầu cọc cũng như hiện
tượng nứt vỡ cọc hiện nay vẫn là vấn đề thời sự.
Tính toán lực va chạm giữa búa và đầu cọc cũng như tần số đóng cọc trên
cơ sở độ dài của cọc và của phần đệm, các tham số đặc trưng cho vật liệu, hình
học của cọc và phầm đệm sẽ giải quyết được vấn đề trên.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng của cọc bê tông trong gia cố nền móng
trong các công trình dân dụng và giao thông thủy lợi hiện tại ở Việt nam, đồng
thời xuất phát từ những cơ sở khoa học và thực tiễn , tôi thực hiện đề tài: “Tính
toán tối ưu cho phần đệm đầu cọc khi sử dụng búa điêzen đóng cọc bê tông
cốt thép”.
Đối với bài toán cơ học, điều kiện biên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến phương
pháp giải và nghiệm của bài toán. Do khuôn khổ của đề tài và giới hạn của thời
gian, nên nội dung của luận án chủ yếu xét cho trường hợp bài toán đóng cọc bê
tông có các điều kiện biên phù hợp với các điều kiện thực tế khi thi công đóng
cọc trên địa hình bến sông, cầu cảng hoặc ao hồ, những nơi mà lực cản đàn
nhớt của mặt bên cọc có thể bỏ qua khi thi công đóng cọc.
3
CHƯƠNG 1 :
TỔNG QUAN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.1 Các nghiên cứu về lý thuyết
Nghiên cứu liên quan đến nội dung về va chạm của búa máy và các ứng xử
cơ học bên trong cọc bê tông cốt thép đã có nhiều tác giả quan tâm dưới các dạng
bài toán về va chạm dọc của hai thanh đàn hồi, va chạm của vật rắn vào thanh
đàn hồi với các điều kiện biên khác nhau [1] , [2] : có lực chống cản đàn hồi ở
đầu dưới thanh và mặt bên có lực ma sát hoặc không có lực ma sát. Trong các
nghiên cứu này, các tác giả đã thiết lập bài toán về truyền sóng trong thanh đàn
hồi và nói chung đều dẫn đến phương trình có dạng :
2
2
2i
22
u(x ,t)
u(x,t) u(x,t)
K.u(x,t) a
t t x

trong đó :
u = u(x,t) hàm chuyển dịch của tiết diện ngang dọc theo thanh
K - hệ số chống cản đàn hồi
- hệ số cản nhớt
a - vận tốc truyền sóng.
Phương pháp giải chủ yếu được dùng là phép biến đổi Laplace :
pt
0
0
u (x,p) u(x,t).e dt
từ đó dẫn đến phương trình Volter. Nghiệm tìm được
theo phương pháp lặp gần đúng liên tiếp.
4
Nhận xét chung về các bài toán đã giải quyết thấy rằng:
Mô hình thiết lập chỉ gần với mô hình của quá trình đóng cọc bê
tông cốt thép đúc sẵn .
Không sử dụng được các kết quả của các nghiên cứu này cho việc
lựa chọn: các thông số cho cọc đệm, các thông số cho búa máy để không xảy hiện
tượng cộng hưởng lực khi đóng cọc trong giai đoạn cuối của cọc ( gặp tầng đất có
hệ số chống cản cao).
1.2 Các chỉ dẫn kỹ thuật khi thi công đóng cọc
Trong thực tế, để thực hiện các quá trình đóng cọc bê tông, người ta chuẩn
bị sẵn nhiều loại búa có các thông số khác nhau, nhiều loại cọc đệm có độ dài
và các thông số khác nhau. Một trong các công tác chuẩn bị khi thực hiện tác
nghiệp đóng cọc bê tông là chọn búa đóng cọc cho phù hợp.
Búa đóng cọc được chọn phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật :
- Phải phù hợp với cọc, không quá lớn dẫn đến vỡ đầu cọc, tốc độ đóng hợp lý,
đạt được độ chối thiết kế cho cọc.
- Phải phù hợp với loại giá búa
- Có tính khả thi theo địa hình thi công.
Tại các công trình xây dựng hiện nay người ta thực hiện quy trình chọn búa
đóng cọc theo các bước và các chỉ dẫn kỹ thuật như sau:
1- Chọn sơ bộ theo điều kiện sau (theo trị số động năng của bộ phận xung kích):
Q = 0.025Pđ
5
trong đó
Q – năng lượng một nhát búa (năng lượng của bộ phận xung kích , kJ ;
kG.m ; J.m)
Pđ - sức chịu tải của cọc theo đất nền (kG ; T)
Hoặc công thức: Q = Qb.v2/2g
trong đó
Qb – trọng lượng đầu búa
v – vận tốc rơi của búa (m/s)
2- Kiểm tra sự thích dụng của búa với trọng lượng cọc (hệ số thích dụng):
Kt.h = (QT + qc)/ Q
trong đó
QT – trọng lượng toàn bộ búa
qc – trọng lượng toàn bộ cọc
Nếu giá trị của Kt.h nhỏ hơn nhiều so với các giá trị cho phép tức là búa không đủ
nặng so với trọng lượng cọc dẫn đến tốc độ đóng chậm, dễ vỡ đầu cọc hoặc cọc
sẽ không đủ sức chịu tải theo thiết kế.
Nếu Kt.h lớn hơn nhiều giá trị so với các giá trị cho cho phép tức là trọng lượng
búa quá lớn dẫn đến cọc xuống quá nhanh, khó kiểm soát độ chối ổn định so với
thiết kế, mặt khác nếu gặp vật cản hoặc tầng đất cứng dễ bị gẫy cọc .