Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của các tải trọng tĩnh và động tới sức chịu tải của cọc khu vực Thành phố Hồ Chí Minh

 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT 
NGUYỄN MẠNH TƯỜNG 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TẢI TRỌNG 
TĨNH VÀ ĐỘNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 
KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2021 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM 
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 
 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT 
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM 
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 
NGUYỄN MẠNH TƯỜNG 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TẢI TRỌNG 
TĨNH VÀ ĐỘNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 
KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 
CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 
MÃ SỐ: 9.58.02.11 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 
PGS.TS. CHÂU NGỌC ẨN 
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2021 
i 
LỜI CAM ĐOAN 
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện. 
Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong 
bất ký công trình nào khác. Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và 
nguyên bản của luận án. 
 Tác giả luận án 
 Nguyễn Mạnh Tường 
ii 
LỜI CẢM ƠN 
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành lời cảm ơn sâu sắc đến 
PGS.TS. Châu Ngọc Ẩn là thầy trực tiếp hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện 
đề tài nghiên cứu. Xin tri ân những trí tuệ, công sức, sự động viên, hỗ trợ tận tâm để 
giúp vượt qua khó khăn trong nghiên cứu và hoàn thành luận án. 
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và các quý thầy cô trong 
Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, Ban lãnh đạo và các thầy cô, cán bộ, nhân viên 
trong Viện Khoa học Thuỷ lợi Miền Nam đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình 
học tập nghiên cứu. 
Nghiên cứu sinh trân trọng và gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới GS. TSKH. 
Nguyễn Văn Thơ, GS. TS. Trần Thị Thanh, GS. TS. Tăng Đức Thắng, GS. TS. Lê 
Mạnh Hùng, PGS. TS. Võ Phán, PGS. TS. Tô Văn Lận, PGS. TS. Trần Bá Hoằng, 
PGS. TS. Nguyễn Nghĩa Hùng, TS. Nguyễn Ngọc Phúc, TS. Bùi Đức Vinh theo sát 
và dành những kiến thức chắt lọc trong suốt quá trình hoạt động khoa học của mình 
để hướng dẫn góp ý cho em. 
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Công ty Hoàng Vinh đã hỗ trợ giúp đỡ 
thiết bị, thiết kế chế tạo mô hình trong quá trình thực hiện thí nghiệm và xử lý kết 
quả. 
Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo và các thầy cô trong trường 
Cao đẳng Xây dựng Thành Phố Hồ Chí Minh luôn đồng hành, hỗ trợ trong suốt thời 
gian nghiên cứu. 
Cuối cùng nghiên cứu sinh xin gửi lời biết ơn đến gia đình, vợ, con, các đồng 
nghiệp, bạn bè luôn sát cánh động viên tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành nhiệm 
vụ của mình. 
iii 
TÓM TẮT LUẬN ÁN 
Tải trọng động tác động tới công trình là một vấn đề quan trọng đặt ra trong 
những năm gần đây. Tại TP.HCM, có nhiều móng máy chịu những tải trọng động 
có tần số, biên độ, cường độ khác nhau. Nghiên cứu tính toán sức chịu tải trọng động 
của móng cọc cũng như tìm ra sự suy giảm sức chịu tải sau khi công trình chịu tải 
trọng động là cần thiết hiện nay. Luận án nghiên cứu phân tích ứng suất biến dạng 
cọc thông qua sử dụng các đầu đo ứng suất - biến dạng dọc thân cọc. Từ kết quả nén 
tĩnh hiện trường cọc, so sánh, đánh giá và tìm ra thông số hợp lý trong việc áp dụng 
thiết kế nền móng. Nghiên cứu áp dụng mô hình đất phù hợp lựa chọn các thông số 
mô hình của đất nền để mô phỏng trạng thái ứng suất - biến dạng của cọc và ứng xử 
của nền đất trong vùng có biến dạng dẻo của cọc. Phân tích ứng xử của nền đất dưới 
móng cọc trong trường ứng suất, biến dạng thể tích, biến dạng dẻo, sự gia tăng áp 
lực nước lỗ rỗng trong vùng biến dạng dẻo cực hạn xung quanh cọc và đầu mũi cọc. 
Luận văn nghiên cứu cơ sở lý thuyết mô hình, luật tỷ lệ, các phương pháp tính toán 
sức chịu tải động thiết kế của cọc, cơ sở lựa chọn hệ số của tải trọng thiết kế với tải 
trọng khi thử tĩnh. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo thí nghiệm mô hình vật 
lý. Khảo sát cơ chế phân bố lực dọc trong thân cọc, sự thay đổi ứng suất tiếp được 
huy động giữa thành cọc và đất theo các vị trí khác nhau ứng với từng dải tần số 
khác nhau. Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số, chu kỳ, cường độ tới sức chịu tải cọc. 
Phân tích ảnh hưởng của tải trọng động tới ứng xử của móng cọc chịu tác động của 
sóng ứng suất gây ra. Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của các thông số hình 
học của cọc, tần số và sự phân bố ứng suất dọc theo thân cọc theo các lộ trình khác 
nhau. Nghiên cứu cho thấy tại các vị trí khác nhau ứng suất - biến dạng theo suốt 
dọc thân cọc thay đổi rõ rệt theo tần số. Kết quả phân tích tìm ra các tương quan 
Lực - ma sát đơn vị - sức kháng mũi cũng như quan hệ lực – tỉ lệ ma sát/sức kháng 
mũi, cho các loại cọc có L/D khác nhau theo tần số. 
iv 
ABSTRACT 
The dynamic load on buildings has been an important issue in recent years. In 
Ho Chi Minh City, there are many machine foundations subject to dynamic loads of 
different frequencies, amplitudes and strengths. Research to calculate the dynamic 
load capacity of the pile foundation as well as find out the decrease in load capacity 
after the project is under dynamic load is now necessary. The thesis researches stress 
and strain analysis through the use of stress - strain gauges along the pile body. From 
the results of static load test at the pile site, compare, evaluate and find out 
reasonable parameters in the foundation design application. Applying the 
appropriate soil model, selecting model parameters of the ground to simulate the 
stress - deformation state of the pile and the ground behavior in the area with plastic 
deformation of the pile. Analysis of the behavior of the ground under the pile 
foundation in stress field, volume deformation, plastic deformation, the increase in 
pore water pressure in the extreme plastic deformation zone around the pile and the 
tip of the pile. Thesis focused on experimental fabrication of physical models. 
Investigating the mechanism of longitudinal force distribution in the pile body, 
subsequent stress changes are mobilized between the pile wall and the soil at 
different positions with different frequency ranges. Study the influence of 
frequency, cycle, intensity on pile load capacity. Analyzing the influence of 
dynamic load on the pile foundation behavior affected by stress waves. The results 
of the study show the effects of the pile geometry parameters, frequency and stress 
distribution along the pile body according to different routes. The study shows that 
at different positions the stress - strain along the pile body changes markedly with 
frequency. Analysis results found the correlation Force - unit friction - tip resistance 
as well as the relationship of force - the ratio of friction / tip resistance, for the pile 
types with different L / D according to frequency. 
v 
MỤC LỤC 
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... i 
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii 
TÓM TẮT LUẬN ÁN ........................................................................................... iii 
ABSTRACT ........................................................................................................... iv 
MỤC LỤC ............................................................................................................... v 
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. xii 
CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................................... xx 
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 
1. Tính cấp thiết của đề tài. ....................................................................................... 1 
2. Mục đích của đề tài. .............................................................................................. 2 
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2 
4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 3 
5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 4 
6. Những điểm mới của luận án ................................................................................ 4 
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................................. 5 
8. Cấu trúc của luận án .............................................................................................. 5 
Chương 1. 
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG 
TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC ........................................................................... 7 
1.1. Đặt vấn đề. ........................................................................................................ 7 
1.1.1. Khái quát nguồn gốc, đặc điểm hình thành nền đất khu vực TP. HCM. ....... 7 
1.1.2. Nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của đất yếu khi chịu tải trọng tĩnh và 
động. ............................................................................................................. 11 
1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động. .................................................... 12 
1.2.1. Đặt vấn đề. ................................................................................................... 12 
1.2.2. Cơ sở lý thuyết sóng ứng suất đàn hồi truyền dọc trục. ............................... 13 
1.2.3. Phương trình truyền sóng khi tải trọng động tác dụng trên đầu cọc. ........... 15 
vi 
1.2.4. Cơ chế sóng truyền trong thân cọc. .............................................................. 15 
1.3. Đặc trưng sức chống cắt dưới ảnh hưởng của tải trọng tức thời. ................... 17 
1.4. Cường độ, biến dạng dưới ảnh hưởng của tải trọng tức thời. ........................ 19 
1.5. Nghiên cứu dao động của móng với đặc trưng động từ móng tác động xuống 
nền đất. ............................................................................................................. 20 
1.5.1. Dao động tự do của hệ thống lò xo – khối lượng(Spring - Mass). .............. 21 
1.5.2. Dao động cưỡng bức của hệ thống lò xo – khối lượng (Spring - Mass). ..... 22 
1.5.3. Lực lớn nhất tác động lên nền: ..................................................................... 23 
1.6. Nghiên cứu liên quan đến hướng nghiên cứu của đề tài. ............................... 23 
1.7. Nghiên cứu tính toán sức chịu tải bằng phương pháp phần tử hữu hạn. ........ 27 
1.7.1. Mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc có gắn đầu đo ứng suất – biến dạng..... 28 
1.7.2. Mô phỏng tính toán cọc chịu tải trọng động bằng phần tử hữu hạn. ........... 29 
1.8. Nghiên cứu mô hình thí nghiệm tỉ lệ nhỏ cho cọc chịu tải trọng động. ......... 31  ... tr. 111-122. 
61. Francesca Dezi, Sandro Carbonari và Michele Morici (2016), "A numerical 
model for the dynamic analysis of inclined pile groups", Earthquake 
Engineering Structural Dynamics. 45(1), tr. 45-68. 
143 
62. H Elahi et al. (2018), "Pseudostatic seismic response analysis of a pile group in 
a soil slope", Geotechnical Geological Engineering 36(2), tr. 855-874. 
63. Mohammed Y Fattah và Bushra S Zabar (2020), "Effect of saturation on 
response of a single pile embedded in saturated sandy soil to vertical vibration", 
European Journal of Environmental Civil Engineering. 24(3), tr. 381-400. 
64. Zhi-Ren Feng et al. (2019), "Three-dimensional finite element modelling for 
seismic response analysis of pile-supported bridges", Structure Infrastructure 
Engineering. 15(12), tr. 1583-1596. 
65. Thejesh Kumar Garala và Gopal SP Madabhushi (2019), "Seismic behaviour of 
soft clay and its influence on the response of friction pile foundations", Bulletin 
of Earthquake Engineering. 17(4), tr. 1919-1939. 
66. Thejesh Kumar Garala, Gopal SP Madabhushi và Raffaele Di Laora (2020), 
"Experimental investigation of kinematic pile bending in layered soils using 
dynamic centrifuge modelling", Géotechnique, tr. 1-16. 
67. M Gohnert, I Luker và Morris (2008), "Designing foundations with piles for 
vibrating machinery", The Open Construction. 2(1). 
68. Bipin K Gupta và Dipanjan Basu (2018), "Dynamic analysis of axially loaded 
end-bearing pile in a homogeneous viscoelastic soil", Soil Dynamics and 
Earthquake Engineering. 111, tr. 31-40. 
69. Ik Soo Ha và Jin-Tae Han (2016), "Evaluation of the allowable axial bearing 
capacity of a single pile subjected to machine vibration by numerical analysis", 
International Journal of Geo-Engineering. 7(1), tr. 22. 
70. Elham Dehghan Haddad và Asskar Janalizadeh Choobbasti (2019), "Response 
of micropiles in different seismic conditions", Innovative Infrastructure 
Solutions. 4(1), tr. 53. 
71. FE Hall, D Lombardi và Suby Bhattacharya (2018), "Identification of transient 
vibration characteristics of pile-group models during liquefaction using wavelet 
transform", Engineering Structures. 171, tr. 712-729. 
72. Fei Han, Monica Prezzi và Rodrigo Salgado (2018), "Static and dynamic pile 
load tests on closed-ended driven pipe pile", IFCEE 2018, tr. 496-506. 
73. Rui He và Tao Zhu (2019), "Model Tests on the Frequency Responses of 
Offshore Monopiles", Journal of Marine Science and Engineering. 7(12), tr. 
430. 
74. Yu Huang et al. (2020), "Centrifuge modeling of seismic response and failure 
mode of a slope reinforced by a pile-anchor structure", Soil Dynamics 
Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 131, tr. 106037. 
75. Mahmoud N Hussien, Tetsuo Tobita và Susumu Iai (2011), "Seismic analysis 
of coupled soil-pile-structure interaction using finite elements", 8th 
International Conference on Urban Earthquake Engineering. 
76. Guillermo Alfonso Lopez Jimenez (2019), Static and Dynamic behaviour of pile 
supported structures in soft soil, University Grenoble. 
144 
77. Konstantinos Kanellopoulos và George Gazetas (2020), "Vertical static and 
dynamic pile-to-pile interaction in non-linear soil", Géotechnique. 70(5), tr. 
432-447. 
78. Yung‐Yen Ko và Yi‐Ting Li (2020), "Response of a scale‐model pile group for 
a jacket foundation of an offshore wind turbine in liquefiable ground during 
shaking table tests", Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 
79. Madan Kumar và SS Mishra (2019), "Study of seismic response characteristics 
of building frame models using shake table test and considering soil–structure 
interaction", Asian Journal of Civil Engineering. 20(3), tr. 409-419. 
80. Jinsun Lee et al. (2020), "Centrifuge and Numerical Simulation of Pile 
Supported Slab Track System Behavior on Soft Soil under Seismic Loading", 
KSCE Journal of Civil Engineering. 24(11), tr. 3179-3188. 
81. Xinyao Li et al. (2020), "Seismic response of a novel hybrid foundation for 
offshore wind turbine by geotechnical centrifuge modeling", Renewable 
Energy. 
82. Jie Lin et al. (2020), "Numerical analysis of seabed dynamic response in vicinity 
of mono-pile under wave-current loading", Water Science and Engineering. 
83. Yong Liu và Lei Zhang (2019), "Seismic response of pile–raft system embedded 
in spatially random clay", Géotechnique. 69(7), tr. 638-645. 
84. Giulia Macaro, Stefano Utili và Christopher M Martin (2020), "DEM 
simulations of transverse pipe–soil interaction on sand", Géotechnique, tr. 1-16. 
85. Naveen Kumar Meena và Sanjay Nimbalkar (2019), "Effect of water drawdown 
and dynamic loads on piled raft: two-dimensional finite element approach", 
Infrastructures. 4(4), tr. 75. 
86. Philip James Meymand (1998), Shaking table scale model tests of nonlinear 
soil-pile-superstructure interaction in soft clay, UNIVERSITY OF 
CALIFORNIA, BERKELEY. 
87. Hoang Nguyen et al. (2019), "Optimizing ANN models with PSO for predicting 
short building seismic response", Engineering with Computers, tr. 1-15. 
88. Atefeh Nohegoo-Shahvari, Mohsen Kamalian và Mehdi Panji (2019), "Two-
dimensional dynamic analysis of alluvial valleys subjected to vertically 
propagating incident SH waves", International Journal of Civil Engineering. 
17(6), tr. 823-839. 
89. A.S Rajpoot (2020), EFFECT OF SEISMIC SOIL-STRUCTURE-
INTERACTION ON TRANSMISSION TOWER, INTERNATIONAL 
INSTITUTE OF INFORMATION TECHNOLOGY, HYDERABAD. 
90. Shweta Shrestha và Nadarajah Ravichandran (2019), "3D nonlinear finite 
element analysis of piled-raft foundation for tall wind turbines and its 
comparison with analytical model", Journal of GeoEngineering. 14(4), tr. 259-
276. 
91. Saman Farzi Sizkow và Usama El Shamy (2021), "Discrete-Element Method 
Simulations of the Seismic Response of Flexible Retaining Walls", Journal of 
Geotechnical Geoenvironmental Engineering. 147(2), tr. 04020157. 
145 
92. Lei Su et al. (2020), "Dynamic response of soil–pile–structure system subjected 
to lateral spreading: shaking table test and parallel finite element simulation", 
Canadian Geotechnical Journal. 57(4), tr. 497-517. 
93. KG Subramanya, L Govindaraju và R Ramesh Babu, "Shake Table Studies on 
the Dynamic Response of Pile Supported Framed Structure in Soft Soil", 
Applied Sciences. 
94. Tingting Sun et al. (2020), "Dynamic Characteristics of the Surrounding Soil 
during the Vibrational Pulling Process of a Pile Based on DEM", Shock and 
Vibration. 2020. 
95. Pulikanti Sushma và Ramancharla Pradeep Kumar (2010), "Dynamic soil 
structure interaction analysis of pile supported high rise structures", 5th 
International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake 
Engineering and Soil Dynamics. 
96. Mustafa Tolun et al. (2020), "Dynamic Response of a Single Pile Embedded in 
Sand Including the Effect of Resonance", Periodica Polytechnica Civil 
Engineering. 
97. Yakup Türedi và Murat Örnek (2020), Analysis of model helical piles subjected 
to axial compression, chủ biên, CROATIAN SOC CIVIL ENGINEERS-HSGI 
BERISLAVICEVA 6, ZAGREB, 00000, CROATIA. 
98. Ramon Varghese, A Boominathan và Subhadeep Banerjee (2020), Pile induced 
filtering of seismic ground motion in homogeneous soil, IOP Conference Series: 
Earth and Environmental Science, IOP Publishing, tr. 012049. 
99. CZ Wang và BC Khoo (2005), "Finite element analysis of two-dimensional 
nonlinear sloshing problems in random excitations", Ocean Engineering. 32(2), 
tr. 107-133. 
100. Duguo Wang, Peixin Shi và Chenggang Zhao (2019), "Two-dimensional in-
plane seismic response of long-span bridges under oblique P-wave incidence", 
Bulletin of earthquake engineering. 17(9), tr. 5073-5099. 
101. Huai-feng Wang, Meng-lin Lou và Ru-lin Zhang (2017), "Influence of presence 
of adjacent surface structure on seismic response of underground structure", Soil 
Dynamics Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 100, tr. 131-143. 
102. Rui Wang (2016), Single piles in liquefiable ground: seismic response and 
numerical analysis methods, Springer. 
103. Xiaowei Wang et al. (2017), "Efficient finite-element model for seismic 
response estimation of piles and soils in liquefied and laterally spreading ground 
considering shear localization", International Journal of Geomechanics. 17(6), 
tr. 06016039. 
104. Juntao Wu, Kuihua Wang và M Hesham El Naggar (2019), "Half-space 
dynamic soil model excited by known longitudinal vibration of a defective pile", 
Computers and Geotechnics. 112, tr. 403-412. 
105. Qi Wu et al. (2020), "Comparative Study on Seismic Response of Pile Group 
Foundation in Coral Sand and Fujian Sand", Journal of Marine Science and 
Engineering. 8(3), tr. 189. 
146 
106. Tianyu Wu và Wenliang Qiu (2020), "Dynamic analyses of pile-supported 
bridges including soil-structure interaction under stochastic ice loads", Soil 
Dynamics and Earthquake Engineering. 128, tr. 105879. 
107. Zhong-Wei Xiao và Yan Zhang (2020), Finite Element Modeling and Seismic 
Response Analysis of Pile Slab Structure, 2020 International Conference on 
Intelligent Transportation, Big Data & Smart City (ICITBS), IEEE, tr. 122-126. 
108. Wen Xie, Limin Sun và Menglin Lou (2020), "Shaking table test verification of 
traveling wave resonance in seismic response of pile-soil-cable-stayed bridge 
under non-uniform sine wave excitation", Soil Dynamics Earthquake 
Engineering & Structural Dynamics. 134, tr. 106151. 
109. Yazhou Xie, Yili Huo và Jian Zhang (2017), "Development and validation of p‐
y modeling approach for seismic response predictions of highway bridges", 
Earthquake Engineering Structural Dynamics. 46(4), tr. 585-604. 
110. Qifang Yan và Linchao Liu (2020), "Study on Vertical Vibration of Partially 
Exposed Friction Pipe Pile Groups Based on Fictitious Soil Pipe Pile Model", 
Geotechnical Geological Engineering. 38(6), tr. 6487-6497. 
111. Xiao Yan et al. (2016), "Multi-point shaking table test design for long tunnels 
under non-uniform seismic loading", Tunnelling Underground Space 
Technology. 59, tr. 114-126. 
112. Huang Zhanfang et al. (2020), "Vertical bearing capacity of a pile-liquefiable 
sandy soil foundation under horizontal seismic force", PLoS ONE. 15(3). 
113. L Zhang, SH Goh và Yi (2017), "A centrifuge study of the seismic response of 
pile–raft systems embedded in soft clay", Géotechnique. 67(6), tr. 479-490. 
114. Lei Zhang và Yong Liu (2020), "Numerical investigations on the seismic 
response of a subway tunnel embedded in spatially random clays", Underground 
Space. 5(1), tr. 43-52. 
115. Zhijun Zhou et al. (2019), "Seismic response of aeolian sand high embankment 
slopes in shaking table tests", Applied Sciences. 9(8), tr. 1677. 
116. Bin Zhu et al. (2020), "Centrifuge modelling for seismic response of single pile 
for wind turbine subjected to lateral load", Marine 
GeoresourcesGeotechnology, tr. 1-19.