Các biện pháp làm giảm ảnh hưởng của ma sát âm

Các biện pháp làm giảm ảnh hưởng của ma sát âm Hiểu nôm na ma sát âm là hiện tượng đất cùng cọc bị kéo xuống trong lớp đất yếu nếu lớp đất yếu này nằm dưới một lớp đất có sức chịu tải cao. Ma sát âm là hiện tượng sinh ra do nền đất xung quanh cọc bị lún cố kết lớn hơn chuyển vị xuống dướibiến dạng nén của cọc; việc này gây thêm một tải trọng hướng xuống lên cọc. Hiện tượng này thường xảy ra do cố kết của tầng đất yếu (chẳng hạn sét nhão) dưới nền đất đắp hoặc cố kết do chính trọng lượng bản thân nó. Không nhất thiết lớp đất phía trên phải là lớp có sức chịu tải cao.

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển chung của đất nước, công tác xây dựng cũng phát triển theo. Nhiều công trình được xây dựng khắp nơi kể cả trên những vùng đất yếu. Khi nền móng đặt tong khu vực có đất yếu, cọc đóng xuyên qua lớp đang trong quá trình cố kết, do dòch chuyển tương đối của đất và cọc, sẽ xuất hiện một “lực kéo xuống” kéo cọc xuống phía dưới, còn gọi là hiện tượng ma sát âm. Các vấn đề về cọc chống được đặt trong tầng sét đang cố kết đã được nghiên cứu khá sớm. Từ 1965 Johanessen và Bjerrum đã nhận thấy rằng lực kéo xuống này đôi khi lớn đến mức vượt qua tải thiết kế và kèm theo là độ lún của cọc. Đôi khi có thể gây hư hỏng cọc. Mục đích của tiểu luận này chủ yếu nghiên cứu vào một phần nhỏ của vấn đề ma sát âm. Nội dung nghiên cứu bao gồm : - Các nguyên nhân gây ra ma sát âm. - Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm. - Các phương pháp tính toán ma sát âm. - Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình. - Cách khắc phục hiện tượng ma sát âm. - Trong tiểu luận còn trình bày các nghiên cứu về ma sát âm của các tác giả khác nhau, sơ lược các mô hình tính toán thông dụng hiện nay. Tuy nhiên, do lượng kiến thức của các học viên trong nhóm còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong báo cáo. Nhóm mong nhận được sự đóng góp của các bạn và hiệu chỉnh của Thầy để bài báo cáo được hoàn chỉnh hơn. TP. Hồ Chí Minh, ngày 30/05/2009 Nhóm 3 – Lớp ĐKTXD 2008 – ĐHBK TP HCM Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm MỤC LỤC PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT ÂM I.1. Đònh nghóa hiện tượng ma sát Trang 2 I.2. Các thuật ngữ liên quan đến ma sát âm Trang 5 I.3. Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm Trang 7 I.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm Trang 14 I.5. nh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình Trang 15 I.6. Các nghiên cứu về ma sát âm Trang 15 I.7. Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế Trang 32 PHẦN II : NGHIÊN CỨU MA SÁT ÂM CỦA BỘ GIAO THÔNG MỸ II.1. Hiện tượng ma sát âm Trang 42 II.2. Phương pháp sát đònh ma sát âm Trang 43 II.3. các bước tính toán ma sát âm Trang 43 II.4. Ứng dụng tính toán vào một bài toán thực Trang 45 PHẦN III : TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM THEO TCVN III.1. Lý thuyết tính toán Trang 56 III.2. Ứng dụng tính toán vào một bài toán thực tế Trang 60 PHẦN IV : CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM 2 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm IV.1. Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất Trang 73 IV.2. Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng MSA Trang 73 PHẦN V : NHẬN XÉT – KIẾN NGHỊ Trang 84 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT ÂM I.1 Đònh nghóa hiện tượng ma sát âm Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đóng vào trong tầng đất có tính nén lún hoặc đất vừa mới đắp mà mũi cọc đặt trong tầng đất chặt. Sẽ xảy ra đồng thời quá trình lún của đất và cọc sau khi đóng cọc và đặt tải. Ngay sau khi đóng và trong quá trình đóng cọc, một phần tải được đất kháng lại do lực dính của đất và cọc. Tuy nhiên khi quá trình cố kết xảy ra nó sẽ truyền toàn bộ tải lên mũi cọc. Trong một số trường hợp (Taylor, 1948) độ lún của đất có thể lớn hơn của cọc, sự chuyển vò tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm. 3 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm P P ĐẤT SÉT MỀM hay ĐẤT ĐẮP CÓ TÍNH NÉN LÚN ĐẤT TỐT H (a) (b) B Hình 1. Cọc trong đất mềm và chống vào lớp đất tốt (a) Lực ma sát dương ngay và trong khi đóng cọc – (b) Lực ma sát âm Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún của đất xung quanh cọc và tốc độ lún của cọc. Lực ma sát âm có chiều hướng thẳng đứng xuống dưới, có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, do đó làm tăng lực tác dụng lên cọc. Ta có thể so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương thông qua hình sau: 4 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm Hình 2a. Sự phát sinh ma sát dương Hình 2b . Ma sát âm co ù lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân 5 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm Hình 2c. Ma sát âm khi lớp sét xốp cố kết do thoát nước hoặc có thêm lớp đất mới đắp. Qua ba hình minh hoạ trên ta thấy ma sát âm có thể xuất hiện trong một phần đoạn của thân cọc hay toàn thân cọc, phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưa cố kết. Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên toàn thân cọc thì rất nguy hiểm, sức chòu tải của cọc không những không kể đến sức chòu tải do ma sát hông của đất và cọc mà còn bò ma sát âm kéo xuống. Sức chòu tải lúc này chủ yểu là sức chòu tải của mũi, chống lên nền đất cứng hay đá. Thông thường khi tác động các tải lên công trình sẽ gây ra độ lún của cọc và giảm độ dòch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghóa với giảm ma sát âm), ít nhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn dưới như vậy những tác động ma sát âm có nhiều ở khu vực gần đầu cọc 6 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm Hình 3. Mô hình ma sát âm trong nhóm cọc Với lập luận tương tự như trên, nếu cọc chòu nhổ trong vùng đất trương nở lớn lực trương nở của đất cũng truyền lên thân cọc kéo cọc lên trên cùng chiều với lực nhổ trường hợp này cũng gọi là ma sát âm (?). Tuy nhiên trường hợp này ít phổ biến, hầu hết các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hiện tương ma sát âm kéo cọc xuống. I.2 Các thuật ngữ liên quan trong nghiên cứu ma sát âm Theo Fellenius, các thuật ngữ trong nghiên cứu ma sát âm như sau: • Hiện tượng ma sát âm (Negative skin friction) : Là lực ma sát bên được huy động khi đất dòch chuyển xuống tương đối so với cọc. Các quan sát lâu dài từ các thiết bò quan trắc hiện trường cho thấy hiện tượng ma sát âm xảy ra trong hầu hết tất cả các cọc. • Lực kéo xuống (Dragload) : Là lực nén dọc trục gây ra trong các phần tử của cọc do sự tích lũy ma sát âm khi đất có khuynh hướng dòch chuyển tương đối đi xuống so với cọc. • Mặt phẳng trung hòa (Neutral plane): Là vò trí dọc theo cọc mà tại đó các lực tác dụng dài hạn (lực kéo xuống cộng với tải công trình) cân bằng với tổ hợp lực (chiều dương) kháng bên (bên dưới mặt trung hòa) và sức kháng mũi. Độ sâu này là nơi có dòch chuyển tương đối của đất và cọc bằng 0. 7 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm • Biến dạng kéo xuống (Downdrag): Là sự dòch chuyển đi xuống của cọc do đất xung quanh cọc bò lún xuống. Độ lớn của biến dạngï kéo xuống bằng với độ lún của đất tại mặt trung hòa. • Cường độ chòu tải 1 trục đòa kỹ thuật (Geotechnical axial capacity): Là tổ hợp của sức kháng mũi và ma sát bên khi không còn đạt trạng thái cân bằng tónh và sẽ không tiếp tục dòch chuyển xuống. Ma sát dương xảy ra trên toàn thân cọc và lực kéo xuống rất nhỏ. • Hệ số an toàn cho cường độ chòu tải đòa kỹ thuật (Factor of safety on geotechnical capacity): Là hệ số giữa cường độ chòu tải 1 trục đòa kỹ thuật chia cho tổng tải tónh và hoạt tải, không tính đến lực kéo xuống. • Cường độ kết cấu 1 trục (Structural axial strength) : Là cường độ kháng nén 1 trục của phần cọc chòu tải tónh và lực kéo xuống. • Hệ số an toàn kết cấu tại mặt trung hòa (Factor of safety on structural strength at neutral plane): Là hệ số giữa cường độ kháng nén 1 trục của kết cấu tại mặt trung hoà chia cho tổng tónh tải và lực kéo xuống, không tính đến hoạt tải. Theo Fellenius, vò trí mặt trung hòa là hàm số của sự cân bằng của các lực cắt dọc thân cọc khi chúng đã được huy động hoàn toàn. Sức kháng mũi cũng đã được huy động 1 phần hoặc hoàn toàn. Các lực và sức kháng là kết quả của quá trình lún của đất và là do sự khác biệt về độ cứng của đất và cọc. Yêu cầu tuyệt đối để thõa mãn phương trình cân bằng là lực cắt phát triển dọc phần phía trên thân cọc có dấu âm và phần dưới cọc có dấu dương. Vùng chuyển tiếp từ âm sang dương được gọi là mặt trung hòa. Một số ít trường hợp vò trí mặt trung hòa nằm trong lớp đất đang lún, hay trong lớp đất tốt hơn hoặc trong lớp đất ít lún. Khi thay đổi lực tác dụng lên đầu cọc thì vò trí mặt trung hòa sẽ thay đổi do kết quả của sự cân bằng lực mới. Mặt trung hòa cũng là nơi cọc và đất dòch chuyển như nhau hay nói cách khác là nơi không có sự dòch chuyển tương đối giữa cọc và đất. Điều này có nghóa là khi giải bài toán lún của nhóm cọc là công việc tìm ra độ lún của đất tại mặt trung hòa. Ma sát âm gây ra 1 lực kéo xuống(dragload), không xét đến độ lớn của lực này, nếu độ lún tại mặt trung hòa là nhỏ, sẽ không có lực kéo xuống(Với điều kiện cường độ vật liệu cọc phải đủ để chòu được tải tác dụng tại đầu cọc cộng với lực kéo xuống). Cần nhấn mạnh ở điểm này: lực kéo xuốngcàng lớn, móng sẽ càng cứng và tốt hơn, biến dạngï kéo xuống (downdrag) càng lớn móng càng yếu. Cọc không chòu ma sát âm sẽ có mặt trung hòa tại mặt đất và có lực kéo xuống lớn nhất – Móng lún cùng với mặt đất – là tình huống ngoài ý muốn. 8 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm Độ lớn của ma sát âm phụ thuộc vào các yếu tố sau (Brejum,1973): • Vật liệu cọc • Phương pháp thi công cọc • Điều kiện tự nhiên của đất nền • Vận tốc dòch chuyển tương đối của đất và cọc I.3 Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm Các nguyên nhân gây ra ma sát âm chủ yếu: o Sự lún do cố kết của nền đất xung quanh cọc. o Đắp cao trên nền đất có tính nén lún cao. o Phụ tải của nền gần khu vực móng o Hạ thấp mực nước ngầm. o Nền đất chưa cố kết xong. o Sự nén chặt của nền do đóng cọc. I.3.1 Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền: Khi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết. Ta có thể xem xét cụ thể trong các trường hợp sau: Sét Sét đắp L Z H f L H f Z Sét Cát đắp L Z H f Cát Sét đắp (a) (b) (c) Hình 4. Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền 9 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm + Trường hợp (a): Khi có một lớp đất sét đắp phía trên một tầng đất rời mà cọc sẽ xuyên qua nó, tầng đất sét sẽ cố kết dần dần. Quá trình cố kết này sẽ sinh ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc trong suốt quá trình cố kết. + Trường hợp (b): Khi có một tầng đất rời, đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét bên dưới và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc. + Trường hợp (c): Khi có một tầng đất dính đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và tầng đất sét và tạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc. Trong trường hợp các cọc được tựa trên nền đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt, có thể xảy ra các trường hợp sau: + Trường hợp (d): Với tầng cát xốp sẽ có biến dạng lún tức thời, đặc biệt khi đất nền chòu sự rung động hoặc sự dao động của mực nước ngầm; sự tác động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra sự biến dạng lún. + Trường hợp (e): Đối với nền sét yếu, khuynh hướng xảy ra biến dạng lún có thể rất nhỏ nếu như không chòu tác động của tải trọng bề mặt. Nhưng dù sao khi khoan tạo lỗ sẽ gây ra sự cấu trúc lại của nền sét vì vậy biến dạng lún (nhỏ) của nền sét sẽ xảy ra dưới tác dụng của trọng lượng bản thân của nền sét. + Trường hợp (f): Điều hiển nhiên là gần như bất kỳ sự đắp nào sẽ tạo ra biến dạng lún theo thời gian dưới tác dụng của trọng lực. Việc xác đònh mối quan hệ của độ lún của đất nền ở phía trên và của cọc là cần thiết để đề ra giải pháp xử lý phù hợp đối với vấn đề đó. Trong 10 [...]... trên phần thân cọc chòu ma sát âm , KN/m² Giá trò tối đa của ma sát âm giới hạn: f n=F × σ’v m : Số lớp đất gây ra ma sát âm C : Chu vi cọc F : Hệ số lấy bằng 0.3 σ’v : Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng Chiều dài cọc chòu ảnh hưởng ma sát âm lấy theo kết quả tính toán của Joseph E Bowles Chiều dài cọc chòu ma sát âm lấy bằng: L1 = 0.71L L1 : chiều dài cọc ảnh hưởng ma sát âm L : chiều dài cọc nằm... hưởng ma sát âm Z O, Ông lập luận rằng: “Sức chòu tải của cọc gồm sức kháng mũi cọc, lực ma sát dương phải lớn hơn hoặc bằng với tải trọng tác dụng lên cọc và phần lực ma sát âm , từ đó xác đònh chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm ZO Hình 10 Sự phát triển lực ma sát âm trong cọc đơn trong trường hợp đất đắp là đất dính hay đất rời hoặc trong nhóm cọc với lớp đất đắp là đất dính * Đối với cọc đơn ma sát âm. .. γ'z của đất ban đầu Điều kiện này chỉ có nghóa khi có xét đến ảnh hưởng treo của đất xung quanh cọc f Ma sát âm trên nhóm cọc Xem xét 1 nhóm cọc, tất cả các cọc không được tác động như nhau; ma sát âm của cọc giữa thì không cao bằng cọc ngoài Fn (∞) : ma sát âm cọc đơn F n(b) : ma sát âm của 1 cọc trong nhóm cọc, xem xét với nhiều khoảng trục riêng d & d’ trong 2 chiều F n(b) : được tính bởi phương pháp. .. - Nhóm 3 Ma sát âm Hình 15 Khu vực có ảnh hưởng ma sát âm a Nguyên lý tính ma sát âm cực đại Tại độ sâu z, giá trò lực ma sát âm đơn vò được tính bởi biểu thức ' f n = σ 'h × tgϕa + c a = σ v × K × tgϕa (9) Trong đó: σ’h, σ’v : Ứng suất hữu hiệu theo phương ngang và phương đứng σ 'h K : Hệ số quan hệ giữa ' σv ϕa : Góc ma sát giữa đất và cọc c : Lực dính giữa cọc và đất - Tổng lực ma sát âm lên cọc... đắp h : Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm của cọc trong lớp đất yếu 23 (10) Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm Trong điều kiện dài hạn hoặc chống cắt trong điều kiện không thoát nước: ' f n = σ 'h × tgϕ 'a + c a = σ v × K × tgϕ 'a Và fn = u × (11) H +h ' ' ∫ (σ v × K × tgϕ a )dz (12) 0 b Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm, h Chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm h chưa phải... của nền đất sau khi đóng cọc, độ lún của móng cọc; • Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc … Trò số của lực ma sát âm có liên quan tới sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất có hiệu của đất chung quanh cọc Như vậy lực ma sát âm phát triển theo thời gian và có trò số lớn nhất khi kết thúc cố kết Bất kỳ một sự dòch chuyển nào xuống phía dưới của nền đất đối với cọc đều sinh ra lực ma sát âm. .. ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm Hình 11 Sơ đồ vò trí điểm trung hòa (Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm ) b Trường hợp cọc được đóng qua lớp đất đắp bên trên là đất rời và lớp đất bên dưới là đất dính (Hình 10b) Lực ma sát âm : Lf Pnf = ∫ α ' p '.q.K dz (2) 0 Lực ma sát dương từ điểm trung hòa đến mũi cọc: Lf P Pf = ∫ α '2 p '.q.K dz + P np (3) L1 Trong đó : Pnp : sát Độ lớn của phần ma sát âm khi sử dụng cọc... Nam Ma sát âm trong cọc xảy ra khi độ lún của đất nền lớn hơn chuyển dòch của cọc tại độ sâu tương ứng Theo TCXD 205:1998 Ma sát âm làm giảm khả năng chòu tải của cọc, nhất là đối với cọc nhồi, do đó cần xem xét khả năng xuất hiện của nó khi tính toán sức 32 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm chòu tải của cọc trong các trường hợp sau: - Sự cố kết chưa kết thúc của. .. tương đối của đất tới 15mm thì ma sát âm được phát huy đầy đủ Một điều thường được giả thiết trong việc thiết kế khi cho rằng toàn bộ lực ma sát âm sẽ xảy ra khi mà có một sự chuyển dòch tương đối của nền đất được dự đoán trước 15 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm I.5 Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình Khi cọc ở trong đất, thì sức chòu tải của cọc... 3 Ma sát âm Rời 0.45 Chặt 1.00 Để giảm ma sát âm, có thể quét lên mặt bên cọc một lớp bitumen, trong trường hợp dùng bitumen để làm giảm lực ma sát âm ở cọc thì giá trò K.tanδđược chọn lớn nhất là bằng 0,05 d Ứùng suất thẳng đứng hữu hiệu σ 'v (z), ở mặt tiếp xúc cọc-đất có kể ảnh hưởng treo của đất lên cọc Khi đất xung quanh cọc lún xuống, do tác động của đất đắp trên mặt lôi kéo cọc xuống theo Các . bò ảnh hưởng của ma sát âm. Vì vậy, một bên cọc chòu ma sát âm còn bên kia chòu ma sát dương. 11 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm I .3. 3 Khi xây dựng công. ÂM CỦA BỘ GIAO THÔNG MỸ II.1. Hiện tượng ma sát âm Trang 42 II.2. Phương pháp sát đònh ma sát âm Trang 43 II .3. các bước tính toán ma sát âm Trang 43 II.4. Ứng dụng tính toán vào một bài toán. sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương thông qua hình sau: 4 Gvhd: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm Hình 2a. Sự phát sinh ma sát dương Hình 2b . Ma sát âm co