Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc tại công trình nhà công nghiệp - Cần Thơ

Tên đề tài:Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc tại công trình nhàcông nghiệp — Can ThơTóm tắt:Tuy việc sử dụng móng cọc bê tông cốt thép trong các công trình xây dựng

NGUYÊN NHƯ THẢO

NGHIÊN CỨU ANH HUONG MA SÁT AM

DEN SUC CHIU TAI CUA COCTẠI CONG TRÌNH NHÀ CÔNG NGHIỆP - CAN THƠ

Chuyên ngành : Dia kỹ thuật xây dựng

Mã số: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 11 năm 2012

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Võ Phan

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gom:

(Ghi rõ ho, tên, hoc ham, học vi cua Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc Si)1 GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ

2.PGS.TS Võ Phan3 TS Lê Bá Vinh

4 TS Lê Trọng Nghĩa5 IS Võ Ngọc Ha

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÓNG CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

GS TSKH Nguyễn Văn Thơ PGS.TS Võ Phán

Tnanaaanannnn

-oQO -Tp HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHo và tên học viên: NGUYÊN NHƯ THẢO Giới tính: NữNgày, thang, năm sinh: 01-10-1978 Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Dia Kỹ thuật Xây dựngMSHV: 11091029

1 TEN DE TAI: NGHIEN CUU ANH HUONG MA SAT AM DEN SUC CHIUTAI CUA COC TẠI CÔNG TRÌNH NHÀ CÔNG NGHIỆP - CAN THƠ2 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

2.1 Nhiệm vụ: Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc tạicông trình nhà công nghiệp — Cần Thơ

2.2 Nội dung:

Mở đầuChương 1: Tổng quan về hiện tượng ma sát âm.Chương 2: Cơ sở lý thuyết về cách xác định sức chịu tải của cọc và biện pháp

5 HO VA TÊN CÁN BO HƯỚNG DAN: PGS.TS VÕ PHÁN

Nội dung và dé cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng chuyên ngành thông qua.CAN BQ HƯỚNG DAN CHU NHIEM BQ MON KHOA QL CHUYEN NGANH

(Họ tên và chữ ky) QUAN LY CHUYEN NGANH (Họ tên và chữ ky)

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS VÕ PHÁN PGS.TS VÕ PHÁN

9000700 '®ˆ'-.-' -.- |[ Tính cấp thiết của để tài: - + cSsStSt x11 111815111111 111 115111111111 xck |

TT Mục tiêu nghiÊn CỨU: 00 1 11 00 11 và |TIT Phương pháp nghién CỨU: -ĂGc E1 333333313311951111 1111111111111 kg ng v2 2

IV Tính khoa học và tính thực tiễn của để tài: - ¿5c cccctcrxerriererrrrrrerrerred 2

A Tinh Khoa NOC? cv gi Ekà 2

b Tính thực ti€ ne ceccccccccccscsccscsscsscsccscssesecscssesscscscssessesesssssesesassecsecseacsscssesesacsecseeasenes 2V Giới hạn dé tài nghiên CỨU: - - << +E+E+k*EEEESkckE RE TT rrkg 2Chương 1: TONG QUAN VE HIỆN TƯỢNG MA SÁT ẨM c-cscscccee 3

1.1 Dinh nghĩa hiện tượng ma sat âm 5 111111 191 1111 k2 31.2 Các nguyên nhân gây ra ma sát AM G9 ng ke 6

1.2.1 Coc đóng trên nên chưa kết thiic CO KẾU: -ccSt+k+t+E+#EEEEeEstsrsrererees 7

1.2.2 Khi xây dựng công trình mới cạnh công trÌnh Cũi « «<< ssss+++s 8

1.2.3 Hạ thấp mc HƯỚC NGM: veccccccccccscecevscsesssssevscscsvsvsvevenesssssssvavevsvsvsvevavseseaveee 81.2.4 Do sự nén chặt AGL cocccccccsccccscsscscsssscscsscsesscsesscsssscsescsesscsesscssescsscsesacsevscsevacsees 91.3 Các yếu tô ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát AM - - 2s: 101⁄4 Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình ¿-s- sec: 1]1.5 Các nghiên cứu vé ma sát âm 2-2 + k+E+EEE+k+E#ESEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrere 1216 Một số sự cố công trình liên quan đến ma sát âm: ¿-2cscszseserersesed 14

1.7) — Nhận XẾ: Q Ăn H SH SH TH nh re 18

Chuong 2: CO SO LY THUYET VE CACH XAC DINH SUC CHIU TAI CUA

COC VA BIEN PHAP LAM GIAM MA SA TAM cv re 192.1 Mo hình theo Joseph E.POWÏ@S HH HH vn 19

2.1.1 Đối với cọc don ma sát âm có thé được ước lượng nh Sq1: 192.1.2_ Đối với nhóm cọc ma sát âm có thé được xác định :ccececsssesse: 22

2.2 Mo hình theo R FranK: 111111 v1 vn ng 1 1 ng, 22

2.2.1 Uớc lượng ma sát âm lớn nất: - -cScttE‡E+ESESEeEeEeEerrkrkekeeeererered 22

2.2.2 Nguyên lý tính ma sắt GM CUC AAI: cĂĂ c1 kkkkssesssssse 23

2.2.5 Chiêu dày h có ma sát âm lớn nhất được ước lượng như SAU? 24

2.3 Mô hình theo Braja \M.ÏDas: Q Q LH ng và 25

2.3.1 Trường họp: Đái sét đắp trên AGt Cắt- -c-c-cccccstekstsEsEsEererererereeeeed 252.3.2 Trường hop: Đất cát đắp trên đất SÉF, - -c-ctctstEeekeEeEskererererkeeeeeed 26

2.4 MG hình theo M.J.TomlinSOn: -SSS S111 1111111111111 rrrrree 26

2.5 Theo qui trình thiẾt KẾ: ¿- - + SE SE+k#E9EEEEEESEEEEEE TT E1 1111131111111 1e 0 292.5.1 Theo tiêu chuẩn Xây Dựng Việt Nam TCXD 189:1996 292.5.2 Theo số tay tính toán thiết kế xây dựng Trung Quốc 30

2.6 Theo Briaud (1997) - - c cc 3133021110030 119000 111v HH HH ng re 302.7 _ Biện pháp làm giảm Ma Sat? - G0000 9001030101 1v vn ng v 32

2.7.1 Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cô kết của đất: -c-c5cscce+esesesed 322.7.2 Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng ma sát âm: 33

2.7.3 Dùng sàn giảm tai có xu lý cọc hoặc tường cử ngăn ma sát Âm: 34

2.8 Lý thuyết cố kết thâm trong đất yẾU: -¿-¿- + + e+E+k+E#ESEEErkrEeEererkrkrxee 36

2.8.1 BAL tOGN CO van na e 362.8.2 Bài toán tính lún theo thoi gian hoặc thời gian lún 362.9 ` Nhận Xé(: - CC Q0 SH TH HH ng ng re 38

Chuong 3: UNG DUNG LY THUYET TINH TOAN SUC CHIU TAI CUA

COC KHI XET DEN MA SAT ẠM Q1 ng ng nen 40

3.1 Xác định sức chịu tải của cọc khi chưa xét đến ma sát âm ¿-s=s=+s¿ 40

3.2 Xác định độ lún của COC ƠI: - S111 Y ky re 45

3.3 Xác định sức chịu tải của coc theo thời gian có xét đến ma sát âm 46

000, Co) CC Q 0Q TH SH TH TH ng ng crg 48

Chương 4: TINH TOÁN CHO CONG TRÌNH THUC TẾ 56s: 49TẠI Tp CÂN 'THƠ - - + SE E19 E111 1151515111111 11111111111 gxe 494.1 Tính toán theo nghiên cứu của dé tài: ¿-¿- + + 2+E+EzE+k+Ezrrkrrersreee 49A2 Mô tả về công trÌnh: c- «+ St k9 E111 1111111111515 11111 1xx rk 494.3 Hướng nghiên cứu cụ thể của để tài: + + sSx+k+E+ESEEk+keEeEeErkrkererees 51

đến ảnh hưởng MA sắt ÂHH- c- - + St SkSEEEEEEEEEEEEEEEEEsEererrrrkrkrkeeed 5244.2 Kết quả phân tích các số liệu tính toán sức chịu tải của cọc khi xét đến

CVA HƯỚNG MA SAt GE Ă Q0 ST 00000 10 60 1 kg 0 v4 52

4.55 Sử dụng phần mềm Plaxis mô phỏng bài toán: ¿ - 2 2 s+s+czxszse¿ 66;4580187.)00/.0.9)000)190 0000057 78ai : 78II Kiến nghị: - 5-5 S21 1 E1 15151111515 111111 111115111111 01 011111111101 11 11 cv 79TÀI LIEU THAM KHẢO 5:5: 22t 2E 2E re 81

PHU LUC

Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu với chương trình đảo tạo cao học,được sự giảng dạy tận tình của các thầy cô bộ môn, sau cùng tác giả đã hoản thànhluận văn cao học chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng Kết quả này không những là sựcô gắng, nỗ lực của bản thân mà còn có sự động viên khuyến khích về mặt tinh thầncủa cả gia đình Xin chân thành cảm ơn ba, mẹ và tất cả mọi thành viên trong gia đìnhvì đã thông cam, ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tác gia hoàn thành luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn Thay Cô trong bộ môn địa cơ Nền - Móng vi đã truyềnđạt cho tác giả những kiến thức quý báu trong suốt những học kỳ qua

Xin chân thành cám ơn PGS.TS Võ Phan, người thay đã tận tình hướng dẫnvà tạo sự thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn

này.

Xin chân thành cám ơn Ban Giám Đốc công ty Cổ phần Tư Vấn Cấp ThoátNước và Môi Trường (Wase) đã tạo điều kiện về thời gian cho tác giả trong quá trình

học và hoàn thành luận văn này.

Xin chân thành cám ơn Khoa quản lý chuyên ngành, Phòng Đào tạo Sau Đại

học đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập

TP Hô Chí Minh, 30 tháng 11 năm 2012

Học viên

Nguyễn Như Thảo

Tên đề tài:Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc tại công trình nhàcông nghiệp — Can Thơ

Tóm tắt:Tuy việc sử dụng móng cọc bê tông cốt thép trong các công trình xây dựng trênnên đất yếu hiện nay là rất phố biến, nhưng khi tính toán sức chịu tải của cọc ngườithiết kế thường chỉ xét đến sức kháng ở mũi cọc và ma sát tác dụng lên phần thân nămtrong lớp đất tựa cọc, còn ma sát bên trong các lớp đất yếu thường được bỏ qua Tuynhiên đối với những công trình được xây dựng trên nên đất mới san lap hoặc khu vực

chịu ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm, việc bỏ qua ảnh hưởng ma sát bêncủa các lớp đất yếu đối với sự làm việc của cọc có thé dẫn đến một số sự cô của các

công trình xây dựng trên móng cọc Theo các số liệu báo cáo ở nước ngoài cho thấyma sát âm là nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng móng sâu (móng cọc)

Trong luận văn này tác giả nghiên cứu vùng ảnh hưởng ma sát âm dựa trên

chuyên vị tương đối giữa cọc và đất nền xung quanh cọc Dựa trên quan điểm lý thuyếtvề vùng ảnh hưởng ma sát âm của các tác giả đi trước, tác giả nghiên cứu xây dựng

phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo thời gian khi chịu ảnh hưởng ma sát

âm, phương pháp này dựa trên độ lún cố kết của đất nền dưới tác dụng của tải trongbản thân lớp đất san lap Đồng thời so sánh sức chịu tải của cọc trong phương phápnày với sức chịu tải của cọc khi tính toán trong trường hợp đất nên đạt độ cố kết “U, =100%” va ứng dụng tính toán cho công trình cụ thé tại khu công nghiệp Hưng Phú 1 —thành phố Cần Thơ Ngoài ra tác giả còn dùng chương trình Plaxis để mô phỏng và lẫy

so liệu tính toán lực ma sát âm “Q¡rˆ

Study on the pile capacity under the influence of negative friction of theproject: Industrial Factory - Can Tho

Abstract:The use of reinforced concrete piles in the construction on soft soil is now verypopular However, when calculating the pile bearing capacity, the designer oftenconsiders only end-pile resistance and friction acting on pile shaft in the soil, butignores the friction within soft soils For the works to be built on a new levelledground or an area which is affected by the lowering of underground water, ignoringthe effect of shaft friction of weak soil layerson the pile can lead to a breakdown of theconstruction work sitting on the pile foundation According to the reported data fromforeign countries, negative friction was proved to be the top reason that causesdamaging deep foundations (pile foundation).

In this thesis, the author has studied the effective zone of negative friction basedon the relative displacement between the pile and the soil surrounding Based on thetheoretical point of effective zone of negative friction of previous authors, the authorhas studied to conduct a method for determining pile capacity with negative frictioneffect; this method is based on the consolidated settlement of soil under self-weightloading of leveling soil Besides, the author has also compared the pile bearingcapacity of this method with the capacity of a case which the base gains consolidation“U, = 100%”, and applied into a specific project in Hung Phu | Industrial Park - CanTho city The author also used the PLAXIS program to simulate and gather data tocalculate the negative friction “Qyr”.

I Tính cấp thiết của đề tài:Theo các số liệu báo cáo ở nước ngoài cho thấy ma sát âm là một trong nhữngnguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng cho các công trình sử dụng móng sâu (móngcọc) Những sự cố nên móng do ma sát âm trên cọc cũng đã được ghi nhận ở nhiều

nước như Mỹ (Moore 1947; Garlander 1974), Pháp (Florentin & LHeriteau 1948),

Canada (Stermac 1968), v.v Các sự cô thường gặp là một số cây cọc trong nhóm

cọc bị kéo rời khỏi móng hoặc nghiêm trọng hơn là toàn bộ công trình xây dựng

trên móng cọc bị lún, vượt quá mức độ cho phép Ở Việt Nam, hiện tượng ma sátâm xảy ra trên cọc có thể là nguyên nhân chính dẫn đến sự cỗ nền móng của một sốcông trình Vì vậy khi thiết kế móng cọc trong khu vực nên đất đang bị lún do tải

trọng bề mặt (san lấp) hoặc do hạ mực nước ngầm, v.V cần phải xét đến ảnh

hưởng của ma sát âm và đưa ra các biện pháp làm giảm bớt hay triệt tiêu nó Nhiềunghiên cứu của các tác giả về hiện tượng ma sát âm đều có chung quan điểm là:“Vùng ảnh hưởng của ma sát âm được xác định dựa trên lý luận về cân bằng tải

trọng của lực tác dung, sức kháng bên và sức khang mii cua cọc” Tu đó xác

định vùng ảnh hưởng, chiều đài đoạn cọc bị ảnh hưởng bởi ma sát âm Đối vớinhững khu vực có điều kiện dia chất gồm các lớp đất yêu nam nông bên trên so vớimặt đất tự nhiên như: Quận 7, Nhà Bè, khu vực Dong bằng sông Cửu Long, v.v hoặc các khu vực trước đây là vùng trũng (ao - hd, ruộng, v.v ), hiện tại xây dungcông trình có san nên dé đạt đến cao độ quy hoạch chung, hoặc tôn nên vượt lũ vớichiều dày lớp dat san nền > 1m bị nghiêng, nứt, v.v do sự cô kết của lớp đất yếubên dưới nền dap gây ra luc ma sát âm tác dụng lên cọc, làm tăng tải trọng tác dunglên cọc Những sự cố đó làm ảnh hưởng đến công năng sử dụng hoặc sức chịu tảicủa nền-móng công trình

H Mục tiêu nghiên cứu:

- Sự phân bố lực ma sát âm đôi với cọc bê tông cốt thép trong đất nên.- Phân tích các yếu tố về độ cứng và chiều dài cọc bê tông cốt thép khi chịu

ảnh hưởng của ma sát âm.

bằng việc tính toán chi tiết dựa vào số liệu thực tế tại công trình ở Cần Thơ Từđó so sánh tỷ số giữa giá trị lực ma sát âm theo thời gian và lực ma sát âm lớnnhất (giá trị an toàn) khi không xét đến ảnh hưởng của độ lún cô kết.

HI Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cách tính toán sức chịu tải của cọc bê tông cốt

thép khi chịu ma sát âm của các tác giả đi trước.

- Trong tính toán tác giả đã sử dụng phần mềm Microsoft Excel để lập cáccông thức Ngoài ra tác giả còn sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng và laysố liệu tính toán lực ma sát âm “Q,¿”, của công trình nhà công nghiệp Hưng Phú1 - Tp Cần Tho

IV Tinh khoa hoc và tính thực tiễn của dé tài:

a Tính khoa học:Tính sức chịu tải của cọc tại công trình được xây dựng trên nên đất yếu, do

các điều kiện khách quan hoặc chủ quan gây ra ma sát âm làm giảm sức chịu tải

Của CỌC

b Tính thực tiễn:- Phân tích các yếu tổ ảnh hưởng đến ma sát âm của cọc và cách khắc phục— Xác định sức chịu tai của cọc bê tông cốt thép theo thời gian khi chịu ảnh

hưởng ma sát âm.

- Xác định độ lún của nền và độ lún của coc đơn.— Xác định khoảng chiều dài thân cọc chịu ma sát âm.V Giới hạn đề tài nghiên cứu:

- Công trình nghiên cứu còn mang tính chất tổng hợp các lý thuyết đã học vàsưu tầm

- Chỉ xét đến ảnh hưởng của ma sát âm trên cọc đơn, chưa xét đến nhóm cọc.— Không có đủ điều kiện kiểm chứng sức chịu tải của cọc ở hiện trường để sosánh với lý thuyết đã tính toán

1.1 Định nghĩa hiện tượng ma sát ầm

Khi san lap bên trên lớp đất có tính nén lún thì quá trình lún cô kết sẽ xảy ra.Sau khi cọc xuyên qua lớp đất này (sau hoặc trước khi san lấp) và trước khi quá

trình cỗ kết của lớp đất cham dứt hoặc do hạ mực nước ngầm, v.v [2][15] Nếu tốc

độ lún cô kết của đất nền nhanh hơn tốc độ lún của coc, thì sự lún tương đối này sẽphát sinh lực kéo cọc đi xuống gọi là lực ma sát âm (Negative skin friction or dragload and downdrag) Trường hợp cọc chỉ nằm trong lớp đất yếu (đất mềm), khôngtựa mũi vào lớp đất tốt (đất cứng) còn gọi là “cọc treo”, cũng có thể bị ảnh hưởngcủa ma sát âm dưới tác động của tải phân bố trên mặt đất hoặc do các tác động gâyra biến dang đất nền như việc nâng hay ha mực nước ngầm, v.v

Lực ma sát âm có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, nó tỷ lệ với áp lực ngangcủa đất tác động lên cọc và tốc độ lún cô kết Hiện tượng này sẽ kết thúc khi độ lúncô kết của dat cham dứt, khi đó ma sát giữa đất và cọc trở thành ma sát dương

Lực ma sát âm không chỉ tác động lên mặt bên của thân cọc mà còn tác động

lên mặt bên của dai cọc, mặt bên của mồ cầu, hoặc mặt tường chăn có tựa lên cọc

[20] Khi có tác động của tải trọng công trình, sẽ gây ra độ lún cho cọc, vì vậy làm

giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc (giảm ma sát âm) ít nhất ở phantrên và nhiều hơn ở đoạn dưới Trong thực tế tính toán, những tác động của hoạt tảingắn hạn chỉ được xem xét khi nó gây ra được sự giảm ma sát âm

[5] Theo kết quả nghiên cứu của nhiễu tác giả nước ngoài khi đóng cọc trong

nên đất yếu, sự nén chặt của đất xung quanh cọc và đặc biệt ở mũi cọc hầu như

không đáng kế Biến dạng phụ thêm cũng như biến dạng không đồng đều có khảnăng phát triển theo thời gian, vi vậy khi sử dụng móng cọc cần nghiên cứu kỹ đốivới mỗi trường hợp địa chất cụ thể

Ta có thể so sánh sự phát sinh lực ma sát âm và lực ma sát dương thông qua

hình vẽ sau: (hình 1.1) [18]

|| | ||| | |

7 ĐẤT TOT 2 L YHt ith

Trong các điều kiện thường gặp, chuyển vị của cọc dưới tác dụng của tải trọngtừ kết cấu bên trên lớn hơn độ lún của đất nền, khi đó ma sát bên giữa đất và cọc cóxu hướng cản trở độ lún của cọc Lực ma sát phát sinh trong điều kiện này có hướngtác dụng ngược với hướng tác dụng do tải trọng của kết cầu bên trên, được gọi làma sát dương Ta có thé so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương từ các hình

vẽ sau (hình 1.2)[15]:

VUNG CHIUMA SAT AM

re

+——

: E-{1 E-iSIS fo N LỚP CUNG TRUNG BINH (4.7

Hình 1.2c Ma sát âm khi lop sét xốp cỗ kết do thoát nước hoặc có thêm lép đất mới dap.Qua ba hình minh họa trên ta thay ma sát âm có thé xuất hiện trong một phânhay toàn bộ thân cọc, nó phụ thuộc vào chiêu dày của lớp đất yếu chưa cố kết.Trường hợp toàn bộ thân cọc chịu tác dụng của ma sát âm thì rất nguy hiểm, vì sức

chịu tải của cọc lúc này chỉ còn sức kháng mũi cọc.Thông thường khi tác động các tai trọng lên công trình, sẽ gay ra độ lún cho

cọc vì vậy làm giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghĩa làm

1.2 Cac nguyên nhân gây ra ma sát âm

Ma sát âm xuất hiện do tải trọng bản thân của lớp đất chưa cô kết hoặc do san

lấp mặt bằng, nó được thé hiện qua độ lún của đất gan cọc va độ lún nay lớn hơn độ

lún và tốc độ lún của cọc khi cọc chịu tác động của tải trọng công trình Trongtrường hợp này đất gần như buông khỏi cọc và tải trọng của đất xung quanh lúc nàysẽ cộng vào tải trọng công trình tác dụng lên cọc (do lớp đất này phát sinh lực ma

sát kéo cọc di xuống)

Khi nền công trình được tôn cao, sẽ tạo ra tải trọng tác dụng xuống lớp đất bêndưới, gây ra hiện tượng cô kết cho lớp đất này, hoặc chính lớp đất đắp này dưới tácdụng của tải trong bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết Ta có thé xem xét cụ thé

+ Trường hợp (b): Cọc xuyên qua lớp cát đắp bên trên lớp sét yếu, sẽ gây ra sựcô kết trong lớp sét này, tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc

+ Trường hợp (c): Coc xuyên qua lớp sét dap bên trên lớp sét yếu, sẽ gây ra sựcô kết trong cả lớp sét dap và lớp sét yếu bên dưới, tạo ra một lực ma sát âm tác

dụng vào cọc.

Trường hợp cọc chồng vào tầng đất chịu lực cùng với sự xuất hiện của tảitrọng bề mặt, có thé xảy ra các trường hợp như hình vẽ sau:[15] [18]

CAT XỐP SET YEU

TANG TANG TANG

Ñ`- CHỊU Luc Nỉ-.CHU Luc N- CHIU Lực

Hình 1.3 Cúc trường hop xuất hiện ma sát âm do tôn nên (tiếp theo)+ Trường hợp (d): Với nền đắp là tầng cát xốp sẽ có biến dạng lún tức thời,

đặc biệt khi đất nền chịu sự rung động hoặc sự thay đôi của mực nước ngầm, sự tác

động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra biến dạng lún cho lớp cát này.+ Trường hợp (e): Với nền đắp là tầng sét yếu, biến dạng lún có thể rất nhỏ khinên không chịu tác động của tải trọng bề mặt Tuy nhiên khi đóng hay ép cọc sẽ gâyra sự cau trúc lại của nền sét, vì vay bién dạng lún của nền sét sẽ xảy ra dưới tácdụng của tải trọng bản thân nên

+ Trường hợp (f): Bình thường là bất kỳ nền dat dap nào cùng sẽ tạo ra biến

dạng lún theo thời gian dưới tác dụng của trọng lực.

Việc xác định mối quan hệ giữa độ lún của đất nên ở phía trên và độ lún củacọc là cần thiết để có thể đưa ra biện pháp xử lý phù hợp Biện pháp thiên về antoàn trong trường hop đất nền ở phía trên lún xuống phía dưới lớn hơn độ lún cọc làgiả định tải trong truyền toàn bộ tới đỉnh của lớp đất nền bên dưới

1.2.1 Coc đóng trên nên chưa kết thúc cô két:[15]Trong thực tế việc đóng hoặc ép cọc trên nên dat đang có kết, thường xuyênxảy ra trong các công trình xây dựng: cầu - đường, nhất là đoạn đường dẫn vào cầu(tại vị trí tiếp giáp) Dưới tác dụng của tải trong do lớp đất dap gây ra, tang đất yếu

bên dưới sẽ bị lún tạo ra ma sát âm tác dụng lên cọc, giá trị của lực ma sát âm nàycó khi còn lớn hơn sức chịu tải của cọc, thậm chí còn có khuynh hướng tạo ra

chuyển dịch ngang của m6 cau, nhưng sự dịch chuyển này có thé giảm nếu ta sửdụng phương pháp thiết kế nền móng hop lý

đất yếu Các tải trọng phụ lớn đặt trên nên kho bãi làm cho lớp đất yếu bên dưới bịlún xuống.|3] Phụ tải của nền gần móng (đối với các công trình xây chen) nguyêntắc xác định vùng ứng suất ở đáy móng của công trình mới lên đáy móng công trìnhcũ, ảnh hưởng của các tải trọng phụ đặt gần nhau là dựa trên đường dang ứng suất(ứng suất hướng thăng đứng nếu xét đến biến dạng lún hoặc ứng suất hướng ngangnếu xét đến biến dạng trượt), xem hình vẽ sau:[ 7]

Hiện tượng này được giải thích như sau: Khi hạ thấp mực nước ngầm:

+ Áp lực nước lỗ rồng u giảm;+ Ấp lực có hiệu thăng đứng ơn lên các hạt đất tang;Biểu đồ tương quan giữa u và ơi trong trường hop bài toán nén một chiều vàtải trọng ngoài q phân bố déu khắp:

— — etl —— cet ce el cam Sa ro

a ee ae

a ee — — ee _—|_ ——_ — — —we a af —— — — ——— —— ~ ĐẤT YẾU 7 —— —— 7 —— — — —

—— — — —— — — el f — — el el—— — — — — — / u —— a a

— — — — — — / —— a —

— ——”—”—”———[ Ệ — — —

— —— — —— — — fi —— oe —

——| Umax |

+ Dat yếu: H, tương ứng với chiều sâu mà tại đó:ơ, = 0.loy,

+ On: Ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày H,1.2.4 Do sự nén chặt đất

Trong quá trình đóng (ép) cọc, đất xung quanh cọc sẽ bị nén lại Do ứng suấtnén cao, nước bắt đầu tiêu tán ra xung quanh (hình 1.6a) Sau khi đóng cọc, nướcbat đầu thấm trở lại và khôi phục về trang thái ban đầu (hình 1.6b) Do sự luânchuyển của nước, quá trình cô kết bắt đầu xảy ra, xuất hiện hiện tượng ma sát âm

tác dụng lên thân cọc Tuy nhiên theo thí nghiệm cua Fellenius & Broms (1969) cho

thay giá trị ma sát âm trong trường hợp này là không lớn, chỉ khoảng 17% giá trịsức chống cắt trung bình không thoát nước của đất nên

(a) Trong qua trình đóng cọc (b) Sau khi dong cọc

Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998: Hiện tượng ma sát âm được xét đến trong

— Phu tải trên nền kho lớn hơn 20 kPa;— Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ trong dat bị phân hủy.1.3 Các yếu tổ ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm [15]

Ma sát âm là hiện tượng phức tạp, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tổ như:— Loại cọc, chiều dai cọc, phương pháp hạ cọc, mặt cắt ngang của cọc, bé mặt

tiếp xúc giữa cọc và đất nền, sự co ngắn đàn hồi của cọc;— Đặc tính cơ lý của đất nền, chiều dày lớp đất yếu, tính trương nở của dat;—_ Tai trọng chất tải (chiều cao lớp đất san nên, phụ tai, v.v );

— Thời gian chat tải cho đến khi xây dựng công trình;— Độ lún của nền đất sau khi đóng cọc, độ lún của móng cọc;— Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc

Trị sô của lực ma sát âm có liên quan đền sự co ket cua dat, phụ thuộc vào ứng

suất có hiệu của đất xung quanh cọc Như vậy lực ma sát âm sẽ phát trién theo thờigian và có tri số lớn nhất khi đất nền kết thúc cô kết

[12] Bat kỳ một sự dịch chuyển nào xuống phía dưới của nên đất đối với cọc

đều sinh ra lực ma sát âm Tai trong này có thê truyền hoàn toàn từ dat nên sang cọc

khi mối tương quan về chuyên vi khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kínhcọc Khi chuyền vi tương đối của dat đến 15mm thì ma sát âm được phát huy đầyđủ Một giả thiết thường được sử dụng trong thiết kế là toàn bộ lực ma sát âm sẽxảy ra khi có một sự dịch chuyển tương đối của nên đất

Theo Zevaert (1972) ảnh hưởng của ma sát âm đối với sự làm việc của cọcđược thể hiện ở hai khía cạnh sau:

— Làm tăng tải trong tác dụng lên cọc: Ngoài tải trong từ kết câu bên trên, cọc

còn phải chịu tác dụng của ma sát âm.

- Làm giảm khả năng chịu tải của cọc: Do một phan trọng lượng của đất đượctruyền lên cọc nên áp lực của cột đất tại độ sâu mũi cọc giảm đi, làm giảmkhả năng chịu tải của lớp đất tựa cọc

1.4 Ảnh hướng của ma sát âm đến nền móng công trình[15]Khi cọc ở trong đất thì sức chịu tai của cọc được thé hiện qua thành phân sức

kháng ma sát bên và sức kháng mũi cọc Khi cọc bị ảnh hưởng ma sát âm thì sức

chịu tải của cọc giảm do phải gánh thêm lực kéo xuống Ngoài ra do quá trình côkết của các lớp đất gây nên khe hở giữa đài cọc và lớp đất dưới đài, lúc này toàn bộtải trọng của đài đều do cọc gánh chịu, làm tăng thêm ứng suất phụ tác dụng lênmóng cọc Đối với đất trương nở, ma sát âm có thể gây ra tải trọng phụ rất lớn tác

dụng lên móng cọc.Theo báo cáo đo đạc cua Bjerrum và các cộng sự (1969), Bozozuk (1972),

Bozozuk và các cộng sự (1979), ma sát âm có thể vượt quá tải trọng cho phép của

CỌC.

Trong một số trường hợp lực ma sát âm có thé khá lớn, có thể vượt quá tảitrọng tác dụng lên đầu cọc nhất là đối với cọc có chiều dài lớn như: Năm 1972,Fellenius đã đo được quá trình phát triển lực ma sát âm của 02 cọc bê tông cốt thép

đóng qua lớp đất sét dẻo mềm dày 40m, và lớp cát dày 15m Sự cố kết lại của lớpsét do đóng cọc đã tạo ra lực kéo xuống cho mỗi cọc là: 300 (KN) trong thời gian 5

tháng va lực kéo nay dat giá trị 440 (KN) 16 tháng sau đó.

Johanessen và Bjerrum đã theo dõi sự phát triển của hiện tượng ma sát âm trêncọc thép xuyên qua lớp đất sét dày 53m tựa mũi trên nền đá Với lớp đất dap bằngcát dày 10m bên trên, quá trình cô kết của lớp đất sét bên dưới đã gây ra độ lún1,2m và một lực kéo xuống tại mũi cọc khoảng 1500 (KN) Ứng suất tại mũi cọc lúcnày ước tính đạt đến 190 (KN/m') và có khả năng xuyên thủng nền đá

Khi sử dụng giếng cát: Ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết của nên đất cósử dụng giếng cát, gây ra hiệu ứng treo của đất xung quanh giếng, lớp đất xungquanh bám vào giếng cát làm cản trở độ lún và cản trở quá trình tăng khả năng chịutải của đất nền xung quanh giếng cát

Qua phân tích cho thấy tác dụng chính của ma sát âm: Làm gia tăng lực nénđọc trục cọc, làm tăng độ lún của cọc, ngoài ra do lớp đất dap bi lún tạo ra khe hởgiữa đài cọc và lớp đất bên dưới đài nên có thé làm thay đôi moment uốn tác dụnglên đài cọc Lực ma sát âm làm hạn chế quá trình cô kết thoát nước của nền khi cógia tải trước và có dùng giếng cát, cản trở quá trình gia tăng khả năng chịu tải củađất nền xung quanh giếng cát Ngoài ra ma sát âm còn có thể làm tăng lực ngang tác

dụng lên cọc.

1.5 Các nghiên cứu về ma sát âmCác nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về ma sát âm phát sinh do tải trọngcủa đất dap và do anh hưởng của việc ha mực nước ngầm đã được thực hiện ở nhiềunước Theo các báo cáo cho thay sự phát triển của ma sát âm phụ thuộc vào nhiễuyếu tố, trong đó có yếu tô thời gian Theo Poulos (1980), các yếu tố có ảnh hưởnglớn nhất đến ma sát âm là: [12]

a) Các đặc điểm của cọc: Loại cọc, phương pháp thi công, chiều dai, mặt cắttiết diện, biện pháp xử lý bề mặt (nếu có);

b) Các đặt điểm của đất nền: Cường độ, tính nén lún, độ sâu của lớp đất yếu, độcứng của lớp đất tựa cọc;

c) Nguyên nhân gây lún nên;

d) Thời gian kế từ khi thi công cọc.Poulos (1980) đã tổng kết một số kết quả quan trắc về ma sát âm tác dụng lên

cọc trong những điêu kiện dat nên khác nhau của các tác giả, cho thay lực ma sátâm phát sinh trên cọc rat lớn Với lực ma sát âm như vậy, nêu sức chồng của lớp dattựa cọc không đủ lớn thi cọc có khả năng bị phá hoại ngay khi chưa chịu tải trọngcủa kết câu bên trên.

Bang 1.1 Kết quả quan trac ma sát âm tác dụng lên cọc (theo Poulos, 1980)

: : LựcNguồn tài Loại cọc Điều kiện L (m) d ma sat Ghi chú

liệu đât nên (cm) am

mii kin, chéng vao ~30 | 30 | 120 | Không

đá quét bitumBjerrum & | Cọc B: Có mũi mở | 7m đất san Có quết

Broms chong vào lớp cát biên rât yêu 40 32 30(1969) bụi và nhạy

(1) Cọc ông thép,Endo, mũi kín, đóng, 43 61 250 +Minou, chong vào dat bôi 300

Kawasaki, | tich Cat bui, buiShibata | Coc ông thép, mũi

(1969) hở, đóng, như cọc 43 61 180

@ø_—_—Bozozuk | Coc hôn hợp ông&Labreque | thép bên trong đồ Cát pha S2 99 920

(1969) bé tong

Tóm lại, hiện tượng ma sát âm đã được nhiều tác giả như Joseph E.Bowles,M.J.Tomlinson, Braja M Das, Fellenius, , nghiên cứu với các quan điểm khácnhau, nhưng đều có chung kết luận là “phạm vi ảnh hưởng ma sát âm từ 2/3L đến3⁄4L” (L: chiều dài cọc xuyên qua lớp dat yếu) O Việt Nam cũng có nhóm tác giả[16] đã nghiên cứu và kiến nghị phương pháp tính ma sát âm áp dụng cho điều kiệnđất yếu ở Việt Nam Riêng thực nghiệm về ma sát âm cũng đã được thực hiện tạimột số hiện trường (như thí nghiệm nh6 cọc tại hiện trường Ba Ria — Vũng tàu).

Ngoài ra còn có các luận văn thạc sĩ [4| [7][13| Các tác giả cũng đã nghiên cứu

hiện tượng ma sát âm dựa trên quan điểm về vùng ảnh hưởng của ma sát âm.1.6 Một số sự cố công trình liên quan đến ma sát âm:

Sự cố móng cọc do ma sát âm [10] đã được ghi nhận ở nhiều nước nhu Mỹ

(Moore 1947; Roberts & Daragh 1963; Garlander 1974), Pháp (Florentin &L’heriteau 1948), Argentina (Moretto Bolognesi 1960), Liên Xô (lovchuk &Babitskii 1967), Canada (Stermac 1968) va Nhat Ban (Kishida & Takano 1976).

Các su cố thường gặp là một SỐ CỌC trong nhóm cọc bị mat khả năng chịu tải và bị

kéo rời khỏi móng hoặc nghiêm trọng hơn là toàn bộ công trình xây dựng trên móngcọc bị lún quá mức cho phép.

Vài hình ảnh thực tế về công trình hư hỏng do ma sát âm (khi sử dụng móngcọc có chiều dài khác nhau Sau đây là một công trình xây dựng trên nền sét yếu

Bangkok, bi hư hong do hiện tượng ma sát âm:(theo kiwi ket cau)

L | — | |UI JH "| LÍ ||

IIIP Wh 1| lÌ' a E

4} |) Wh TT TE tal

1Í || i Wh {i | Ea te

TIẾP II 1Í lÌt 5II Cố kết lL| Có kết 1H :

> Nhà của khoa vật lý thuộc trường Đại học sư phạm Ha Nội sử dụng cọc đóng

tiết diện (30x30)cm Do ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngâm xung quanhkhu vực nhà máy nước Mai Dịch, móng của công trình bị lún làm hư hỏng kết cau

bên trên.

> Sự sụt lún Công trình Sân vận động Long An do việc khai thác nước ngầm Ởtầng sâu 300m của Nhà máy cấp nước Long An ngay bên cạnh Những hình ảnh

khảo sát tại thời điểm tháng 11/2007 cho thay ảnh hưởng của hệ khung chịu lựckhán đài sân vận động do quá trình có kết của đất nền bởi hoạt động khai thác

Chân cột bị lún làm hỏng kết cau Cột bị hồng kết cau tại đầu ngàm

1Ì

L4

Cột bị lún gây hồng kết cau Lún vẫn phát triển gây nút dù đã sữa chữa> Sự cố cục bộ xảy ra ở 01 cọc (40x40)cm” dài 32m được bố trí dưới cột mộtkết cầu nhẹ thuộc công trình ở Bà Rịa — Vũng tàu, cọc được đóng vào lớp cát sannên dày (3 + 4)m và lớp đất yếu dày (11 + 12)m, tựa mũi vào lớp cát hạt trung bên

dưới Trong thiết kế đã xét đến tải trọng phụ thêm do ma sát âm và cọc đã đượcquét bitumen nhựa để giảm ma sát, vì vậy các kết cầu đặt trên móng cọc đều ốnđịnh Riêng cây cọc gặp sự cố có thé đã bị hư hai trong khi thi công đóng cọc nênđã bị giảm yếu, cọc có xu hướng bị kéo lún do ma sát âm trong khi phần cỗ cộtđược liên kết với kết cấu bên trên có độ cứng đủ lớn nên phân cố cột đã chịu lựckéo trên 40T, đủ lớn để kéo đứt 4016 của cô cột.

Hình 1.10 Huw hỏng của mong cọc do ma sát âm tai công trình tai

công trình ở Ba Rịa — Vũng Tau

Tải trong (7)

0 10 29 30 40> Cog có duên hú gees

@ Cc(-oggcdSsten ; z.~ ~~~ tTĂ+=e~~~-F~~~~~~~Ö #¬>

1.7 Nhận xét:

1 Mi quan hệ giữa độ lún của vùng đất xung quanh cọc va độ lún của

cọc là nguyên nhân gây ra hiện tượng ma sát âm Luc ma sát âm sẽ làm giảm sức

chịu tải của cọc do sự gia tăng tai (của các hạt đất treo lên cọc) tác dụng lên cọc.2 Anh hưởng ma sát âm đối với cọc bê tông cốt thép là yếu tố không thébỏ qua khi thiết kết móng cọc trong khu vực mới san lấp có Hạ > 1m, đất tramtích trẻ chưa cô kết hoàn toàn, hoặc trong vùng chịu ảnh hưởng bởi hiện tượng hạmực nước ngầm

3 Luc ma sát âm có thể xảy ra trên một phân thân cọc hoặc toàn bộchiều dai cọc, tùy thuộc vào tốc độ lún của đất xung quanh cọc và tốc độ lún của

CỌC.

4 Ma sát âm biến động theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ có kết củanên đất

5 Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm (Loại cọc, kích thước

cọc , các chi tiêu cơ lý cua dat nên, mực nước ngâm, v.V )

Chương 2: CO SỞ LY THUYET VE CÁCH XÁC ĐỊNH SUCCHIU TAI CUA COC VA BIEN PHAP LAM GIAM MA SAT AM

2.1 Mô hình theo Joseph E.Bowles

Đề ma sát âm phát triển một cách đáng kế thì đoạn cọc bên dưới cần ngàmchặt chống lại chuyển vị đứng như: mũi cọc phải tựa lên đá hoặc phải ngàm vào lớpcát chặt Nếu toàn bộ cọc cùng di chuyển voi đất thì không xuất hiện ma sát âm Déxác định được chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm Zo, Joseph E.Bowles đã lập luận nhưsau: “Sức chịu tải của cọc gồm sức kháng mũi cọc, lực ma sát dương phải lớn hơnhoặc bang với tai trong tác dung lên cọc và phân lực ma sát âm”, từ đó xác địnhchiều sâu ảnh hưởng ma sát âm Zo, như (hình 2.1) [23]

ơ' : Hệ số liên kết giữa áp lực ngang hữu hiệu (gK ) và sức chống cắt theo chu vi

CỌC.

a’ = tan ð , với d= (0.5 + 0.9) (0: góc ma sát giữa cọc và đất ).ạK = Su (trường hợp thoát nước)

p’ : Chu vi cọc

K: Hệ số áp lực ngang, với K= Ko=1~-sing

q: Ứng suất hữu hiệu tại độ sâu z, với g =q,+ Vz

qo : Áp lực phụ tải ( lớp dat dap )

CHIỀU SÂU ANH HƯỚNG MA SÁT ÂM

mm

TIX TIX FIRS TIX Rae are TIS, T TT RN ¬ TT/7 AX // SN //ẢNÀ VEN TIA TTR AIRS ø

q, (áp lực phụ tải)phei td

ly Tạ /Chiểu sầu ảnh hưởng /

ma sat ẩm yLạ /

Lực ma sát âm :

L _

0

Luc ma sat dương từ vi trí bên dưới diémtrung hòa đên mũi cọc:

Par: Luc ma sát âm.

Pp: Sức kháng của đất dưới mũi cọc.Py: Thanh phân lực ma sát dương

Nêu ta lâyœ =a,, và sử dụng cọc ma sát, nơi P¡ạp = 0 Từ việc biên đôi phươngtrình (2.2) &(2.3) ta được:

vo a lấnKhoảng cách L¡ từ đáy lớp đất đắp đến điểm trung hòa :

tai vi tri nào

2.1.2 Đối với nhóm cọc ma sát âm có thể được xác định [23]Khi khoảng cách giữa các cọc là s và tỷ số s/D nhỏ, lúc này lực ma sát âm sẽảnh hưởng trực tiếp lên nhóm cọc theo chu vi nhóm hơn là trên những cọc riêng lẻ

theo hai trường hợp sau:

— Luc ma sát âm trong nhóm coc bằng tong các luc ma sát âm cua các coc

riêng lẻ (khoảng cách giữa các coc > 6D)

Q,=YP at (2.8)— Lực ma sát âm trong nhóm coc bang tổng sức kháng theo chu vi của nhóm

cọc và trọng lượng của khôi dat giữa các cọc (Khoảng cách giữa các cọc< 6D)

O,= ƒ,L.p,+yL.A (2.9)

Trong đó:

Y: Trọng lượng riêng của lớp đất xung quanh cọc tới độ sau Ly;

A: Diện tích xung quanh nhóm cọc;fy: Ma sát bên theo chu vi nhóm cọc;De: Chu vi cua nhóm cọc.

2.2 Mô hình theo R Frank:

2.2.1 Uớc lượng ma sát âm lớn nhat:[2]Xét một cây cọc có chiêu dài “L” đóng xuyên qua lớp đất dap dày hg, lớp đấtyếu có chiều dày “H”, cọc cắm sâu vào lớp đất chịu lực (hình 2.3) Dưới tác dụngcủa tải trọng do lớp đất đắp gây ra, lớp đất yếu bên dưới lún xuống do cô kết trongmột thời gian dài (tùy vào hệ số thấm của lớp đất yếu) Mặt AB sẽ đi xuống đếnA’B’; CD sẽ di xuống đến C’D’; Cả hai độ chuyển dịch này lớn hơn độ lún của cọcdưới tác động của tải trọng công trình Mặt EF có cùng độ dịch chuyển đứng với cọc

được gọi là mặt trung tính Tu mat EF trở lên, đất xung quanh sẽ kéo cọc xuống

bằng lực ma sát âm Từ mặt EF trở xuống, đất xung quanh sẽ chống lại sự đi xuống

của cọc băng lực ma sát dương.

" .

iS SSa ee

Hình 2.3 Khu vực có ảnh hưởng ma sát âm

2.2.2 Nguyên lý tính ma sát âm cực dai:[2]f, = Op Ø0 + cạ = Ko’, tg, + Cy

Tong lực ma sát âm lên coc:

bề day lớp dat dap; h là bề day vùng có ma sát âm hay vùng dat yếu có chuyền vị

theo phương đứng lớn hơn độ lún của cọc.

2.2.3 Bê dày có vùng ma sát âm:|2]Bé day h trong công thức tính ma sát âm thường không phải là toàn bộ lớp đấtyếu mà là vùng có độ lún lớn hơn độ lún của cọc Trong thực tế tính toán, tùy theoloại đất nền, chiều dày h được chọn theo hai cách sau:

Đất nên có biến dạng lớn: h=h; là độ sâu có ứng suất thăng đứng hữu hiệuo’\(z), tiếp xúc cọc-đất chịu ảnh hưởng treo của đất lên cọc, băng ứng suất thang

đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thân y’z, khi chưa gia tải và không có cọc.Dat nên rat ít biên dạng: h=h, là độ sâu mà chuyên vi đứng cua dat băng với

độ lún của cọc, độ lún của cọc có thể được tính theo phương pháp thông thườnghoặc chọn gan dung bang 0.01B hay 0.02R (với B là cạnh cọc vuông hoặc R là bán

kính cọc tròn).

2.2.4 Giá trị của Ktgq,:

Tiêu chuẩn thiết kế công trình dân dụng của Pháp, năm 1993, dé nghi gia tri

Ktgo, như sau:[2]

Bang 2.1 Bang giá trị Ktgo, để tính ma sát âm

Loại cọc

Loại đất Cọc nhéi và Cọc nhôi không | Coc ép,

ông vách ông vách đóngBùn hữu cơ 0.10 0.15 0.20

Mêm 0.10 0.15 0.20

Set | Chắc đến cứng 0.15 0.20 0.30

; Rat roi 0.35Cat Roi 0.45sol Chat 1.00** Khi quét bitumen lên mat bên thân coc đề giảm ma sát âm: ta có thé chon

cọc, do nó bị treo lên mặt coc khi coc lún cham hơn Hiện tượng nay còn gọi là

“đất treo lên coc” hay “ hiệu quả treo”2.2.5 Chiêu dày h có ma sát âm lớn nhất được ưóc lượng như sau:[2]

Trường hop đất tương đối ít yếu với h=h; là độ sâu có độ lún (chuyền vị đứng)

cuối cùng của đất, có xét đến sự hiện diện của cọc, bằng 0.01B (cạnh cọc) hay

đường kính cọc (D=2R) Độ lún của nền đất được tính theo phương pháp cô kết

thông thường, không xét sự hiện diện của cọc.

Trường hợp đất yếu có khả năng biến dạng lớn với h=h; là chiều sâu mà ở đóứng suất hữu hiệu thang đứng có xét đến ảnh hưởng của dat đắp o’, bằng với ứngsuất hữu hiệu thang đứng o’, do trọng lượng bản thân của đất ban đầu Điều này chỉ

có ý nghĩa khi có xét dén ảnh hưởng lèn móc của dat xung quanh cọc.

2.3 Mô hình theo Braja M.Das:

Ma sát âm là hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh, hiện tượng

này xảy ra theo các trường hợp như hình vẽ sau:[10][22]

P

| || fi { {

2.3.1 Trường họp:Đất sét dap trên đất cát: [10][22]

Sự cỗ kết của lớp sét dap do trong lượng ban than đã kéo coc di xuống, hiện

tượng này xảy ra trong suốt quá trình cỗ kết do sự bám dính giữa đất và cọc

Ma sát âm dọc thân cọc: f = Ko, tan ở (2.14)

Trong đó:

K’ : hệ số áp lực ngang của đất ; với K’ = Kạ= I-sinoo>, : ung suất hữu hiệu tại độ sâu z

5 : góc ma sát giữa cọc và đất ; với ö = (0.5 +0.7)@+'; : dung trọng của vật liệu đắp; y : dung trọng của lớp đất năm bên dướiH; : chiều cao của tang đất dap

Tổng giá tri ma sát âm F, tác dụng lên cọc:n

F.=' (pK?; tan 5) ade == pK 7,H) tan ở (2.15)

2.3.2 Trường hop: Đất cát dap trên đất sét [10][22]Dưới tác dụng của tải trọng bản thân lớp cát đắp sẽ gây ra hiện tượng cố kếtcho tầng sét bên dưới.

Chiều sâu tại vị trí mặt phăng trung hòa (Bowles 1982):eo) a) rs) rt 216)

hp 2 y y

Tông lực ma sát âm F, tac dụng lên dau coc:F = ff œ,d: = ff pK (z;H, +7z)tan ddz

F, =(pKy,H, tand)L, +2(pK7H, tan 5) Lj (2.17)

** Chú ý: Nếu lớp đất đắp năm trên mực nước ngầm thi zy’; = Vw

2.4 Mô hình theo M.J.Tomlinson:

Đề mô phỏng một cách chính xác hơn về sự phân bố ma sát âm, Tomlinson(1981) [12] đã kiến nghị sơ đồ phân bố ma sát âm trong đó có xét đến ảnh hưởngcủa hiện tượng trượt của đất trên bé mặt cọc ở gan mặt đất va của sự giảm chênhlệch độ lún giữa cọc và nên ở khu vực lân cận độ sâu trung hòa (hình 2.7)

Hình 2.7 Sơ dé phân bố ma sát âm (Theo Tomlinson, 1981)Lưc ma sát lớn nhất chỉ xuất hiện khi đô lún tương đối siữa đất và cọc khácnhau một lượng đáng kể, khoảng 1% đường kính cọc Xét trường hợp đất đắp trên

một tầng đất không nén được (đá, cát chặt, sét cứng ), khi đó mũi cọc tựa vào tangđất này sẽ không lún do tác động của tải trọng ngoài và ma sát âm.

Khi không có tải trọng ngoai tác dung lên coc, lực ma sát âm ở đoạn trên củathân cọc được phát huy day đủ, đoạn ở gan mũi coc độ lún có thê không đủ lớn đềtạo ra lực ma sát âm Phía trên tang không nén, dat sẽ không có độ lún nào so với độlún của cọc, nên không xảy ra ma sát âm.

Khi có tải trong tác dụng lên cọc, tải trọng này gây nên sự co ngăn đàn hôi của

cọc và mũi cọc có thé sẽ lún xuống phía dưới so với đất nên Phân trên của lớp đấtđắp bây giờ sẽ có tác dụng đỡ cho cọc Tuy nhiên giá trị này không được tính trong

sức chiu tải của cọc.

Giá trị ma sát âm lớn nhất trong đất dạng hạt hay đất dap tai bat ky điểm nàocó thể xác định:

T, =Ø, { 80, (2.18)

Trong đó:

G”;: ứng suất hữu hiệu theo phương ngangÒ,: góc ma sát hữu hiệu giữa đất và cọcCó thể xem ứng suất hữu hiệu theo phương ngang tỷ lệ với ứng suất hữu hiệutheo phương thăng đứng: Ø°„o, ta có: T, = Ko.,,tg6, (2.19)

Bang 2.2.Các giá trị của ma sat âm theo Bjerrum trong đất sétLoại đất sét 5, K Lực ma sát âm đơn vi

Bùn yêu 309 0.45 0.250’ voDéo thap 20° 0.50 0.200’,

Déo 15° 0.55 0.150’,Déo cao 10° 0.60 0.100’,

Trong trường hợp cọc xuyên qua lớp dat dính có chiều dày không lớn, lựcma sát âm don vị có thé tinh: Q, = ac,A, (2.20)

Trong do:

œ: hệ số bám dính (tra bang)

Cụ: lực dính không thoát nước của đấtA.: diện tích bé mặt của cọc

Meyerhof cho rằng lực ma sát âm đơn vị tác dụng lên cọc tại bất ky độ sâunào, khi cọc đóng qua lớp sét yếu căm vào lớp sét trung bình được tính theo công

hệ số ma sát Bchiểu sâu xuyên (m)

Hình 2.8 Hệ số ma sát âm do cọc đóng vào lóp sét yếu đến vừaTrường hợp mũi cọc năm trong tầng đất nén được, khi đó mũi cọc bị lún đướitác dụng của lực ma sát âm và ngoại lực (nếu có), độ lún của cọc đối với phân đấtbên dưới của lớp đất đắp có thể sẽ lớn hơn, vì vậy ma sát âm tại vị trí này sẽ khôngxuất hiện Ma sát âm ở đoạn trên của cọc được phát huy đầy đủ do độ lún của lớpđất dap nhiều hơn độ lún của cọc Doan giữa cọc có thể xuất hiện ma sát âm lớnnhất do độ lún của đất so với độ lún của cọc Khi đó sự phân bố ma sát âm lên cọcđược thể hiện như (hình 2.7 cọc treo) Khi có tải trọng tác dụng lên cọc, tải trọngnày sẽ gây nên sự co ngăn đàn hồi của cọc, nhưng vi tải trọng này bị giới hạn dođiều kiện chịu tải của đoạn cọc trong tầng chịu lực và đỉnh cọc có thể lún xuống

một lượng tương đôi so với dat nên dé triệt tiêu ma sát âm.

Từ (hình 2.7) có thể suy ra: ma sát âm lớn nhất không tác dụng lên toàn bộchiều dài cọc Tuy nhiên (hình 2.7) chưa thé hiện day đủ các điều kiện thực tế củacọc, vi trong mọi trường hợp ma sát âm phụ thuộc vào giai đoạn có kết của lớp đấtdap bén trén va su nén chat cua tang đất bên dưới Khoảng thời gian từ khi hạ cọcxong đến lúc cọc chịu tải cũng rất quan trọng Khi lớp đất san nên đã san lấp từ rấtlâu, thì sự cô kết của lớp đất này đã gần như kết thúc do chính trọng lượng bản thân,vì vậy khi không có tải trọng ngoài tác dụng, ta có thé bỏ qua ma sát âm Trườnghợp lớp đất san nền mới đắp, nó sẽ lún với một độ lún khá lớn trong một khoảngthời gian nhất định nếu không có biện pháp xử lý, tầng đất đắp này có thể gây ra sựcô kết và gây lún cho lớp đất tự nhiên bên dưới nơi mà tại đó cọc đạt sức chịu tảicực hạn Trường hợp một tầng mới đắp trên một tầng nén được nhưng cứng hơn vàđộ nén ít hon theo chiêu sâu được thé hiện rõ hơn trên (hình2.9) [25]

lụ mat đất

= h h

-= S—gid tri MSA còn lại

\\

= \

giá tri MSA max

—+ phụ thuộc vào độ lún

| cửa tầng đắp và sét

21 phụ thuộc vào độ Ian

-stl của tang sét do tải trong *

¬- v=" sJ_ cla đất đấp và độ lún mũi coc

* nén được: : ;L J' mũi coc bị lún -, -:: - =: => -°,

Hình 2.9: Phân bố ma sát âm khi coc chong vào tang chịu lực nén được2.5 Theo qui trình thiết ke:

2.5.1 Theo tiêu chuẩn Xây Dựng Việt Nam TCXD 189:1996 [8]Ma sát âm tác dụng lên cọc khi chuyển dịch (độ lún) của đất nên lớn hơnchuyển dịch của cọc tại độ sâu tương ứng

Lực ma sát âm lên cọc Pạ được xác định theo công thức:

P.=C> fil (2.22)

Trong do:

C: chu vi ngoài của tiết điện cọc (m)f,i2 ma sát âm giới han tac dụng lên cọc tại lớp đất thứ ¡ trên phân thân cọcchịu ma sát âm (kN/ m2)

e Đôi với cọc chông: Chiêu dài đoạn cọc chịu ma sát âm lay băng chiêusâu đoạn cọc tai vi trí lop dat cứng mũi cọc tựa lên.

e Đôi với cọc ma sát trong nên dat đông nhất: Chiêu dài đoạn cọc chịu

ma sát âm lay băng 0.71L.2.5.2 Theo số tay tính toán thiết kế xây dựng Trung Quốc [7]Chiêu dài cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm được xác định theo công thức:

Lar = 0.8L;với L là chiều dai đoạn cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm

e Coc dài hơn 25m.

Trong thiết kế móng cọc, đói tượng của việc tính toán là phạm vi cọc chịu ma

sát âm và cường độ của ma sát âm Việc tính toán được thực hiện theo trình tự sau:

a) Tinh toán tốc độ lún của đất nên va của coc theo thời gian với cácphương pháp thường được sử dụng trong thiết kế nền móng.

b) Tinh toán tốc độ lún của cọc theo thời gian.c) Xác định khoảng chiều dài thân cọc chịu ma sát âm: Trên cơ sở kếtquả tính toán tốc độ lún của nền và độ lún của cọc ở các bước (a, b) ta xácđịnh được độ sâu mà tại đó tốc độ lún của đất và cọc bằng nhau (độ sâu trụctrung hòa) Phần thân cọc chịu ma sát âm năm trong khoảng từ mặt đất đến độ

sâu trục trung hòa.d) Tinh toán cường độ của ma sát âm theo các phương pháp sau:

dl) Phương pháp tra bảng: tri số của ma sát âm được xác định bằngcách tra bảng theo bề dày lớp đất san nền, độ sét và độ sâu của lớp đất trongphạm vi khoảng chiều dài thân cọc chịu ma sát âm Các bảng tra phục vụ tínhtoán ma sát “dương” cũng được sử dụng dé dự báo ma sát âm Phương phápnày được Viện Nên móng và công trình ngầm Liên Xô khuyến nghị sử dụng

Ap dụng phương pháp này cho một số hiện trường ở Việt Nam thì thaygiá tri tính toán của ma sát âm thấp hơn giá trị xác định theo kết quả thínghiệm Một hạn chế nữa của phương pháp này là các bảng tra chỉ giới hạntrong phạm vi độ sệt I,< 1 trong khi độ sệt của các lớp đất yếu (lớp đất chủ yếu

gây ma sát âm) thường lớn hơn 1.0

d2) Phương pháp dự báo theo công thức tĩnh:

- Phuong pháp ứng suất toàn phan: Tương quan giữa ma sát âm Ístneg) Vàsức kháng cat không thoát nước cua đất c, , có dang fieneg) = Œ.cụ , trong đó œ làhệ số thay đổi từ 1.0 đối với đất yếu đến 0.4 đối với sét cứng

- Phuong pháp ứng suất hữu hiệu: Ma sát âm được xác định từ quan hệVỚI Ứng suất hữu hiệu trong đất, ø°„ theo công thức Ísne„ = O y

Theo Chen (1999), hệ số B xác định như sau:

B=0.2+0.25 đối với đất sét;B=0.25+ 0.35 đối với đất bụi;B=0.35+ 0.50 đối với đất sét