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.

Cùng với sự phát triển chung của đất nước, công tác xây dựng cũng phát triểntheo 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 đangtrong quá trình cố kết, do dịch 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 khásớm Từ 1965 Johanessen và Bjerrumđã nhận thấy rằng lực kéo xuống này đôi khilớn 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 giảkhác 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 nênkhông thể tránh khỏi những thiếu sót trong báo cáo Nhóm mong nhận được sự đónggóp 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

MỤC LỤC

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM

I.1 Định nghĩa hiện tượng ma sát

Trang 2

I.3 Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm Trang 7I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm Trang 14I.5 Aûnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình Trang 15

I.7 Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế

PHẦN III : TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ĐẾN

ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM THEO TCVN

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

IV.1 Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất Trang 73IV.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 TƯỢNG MA SÁT ÂM

I.1 Định nghĩa hiện tượng ma sát âm

Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đóng vào trong tầngđất có tính nén lún hoặc đất vừa mới đắp mà mũi cọc đặt trong tầng đất chặt Sẽxảy ra đồng thời quá trình lún của đất và cọc sau khi đóng cọc và đặt tải Ngay saukhi đóng và trong quá trình đóng cọc, một phần tải được đất kháng lại do lực dínhcủa đất và cọc Tuy nhiên khi quá trình cố kết xảy ra nó sẽ truyền toàn bộ tải lênmũi cọc Trong một số trường hợp (Taylor, 1948) độ lún của đất có thể lớn hơn củacọc, sự chuyển vị 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

P P

ĐẤT SÉT MỀM hay ĐẤT ĐẮP CÓ TÍNH NÉN LÚN

ĐẤT TỐT H

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

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 phầnđoạn của thân cọc hay toàn thân cọc, phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưacố kết Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên toàn thân cọc thì rất nguy hiểm,sức chịu tải của cọc không những không kể đến sức chịu tải do ma sát hông của đấtvà cọc mà còn bị ma sát âm kéo xuống Sức chịu tải lúc này chủ yểu là sức chịu tảicủa 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 vàgiảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghĩa với giảm ma sát âm), ítnhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn dưới như vậy những tác động ma sát âm cónhiều ở khu vực gần đầu cọc

Hình 3 Mô hình ma sát âm trong nhóm cọc

Với lập luận tương tự như trên, nếu cọc chịu nhổ trong vùng đất trương nở lớnlực trương nở của đất cũng truyền lên thân cọc kéo cọc lên trên cùng chiều với lựcnhổ trường hợp này cũng gọi là ma sát âm (?) Tuy nhiên trường hợp này ít phổbiến, hầu hết các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hiện tương ma sát âm kéo cọcxuống

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 dịch chuyển xuống tương đối so với cọc Các quan sátlâu dài từ các thiết bị quan trắc hiện trường cho thấy hiện tượng ma sát âmxảy 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 dịch chuyểntương đối đi xuống so với cọc

• Mặt phẳng trung hòa (Neutral plane): Là vị trí dọc theo cọc mà tại đó

các lực tác dụng dài hạn (lực kéo xuống cộng với tải công trình) cân bằngvới tổ hợp lực (chiều dương) kháng bên (bên dưới mặt trung hòa) và sứckháng mũi Độ sâu này là nơi có dịch chuyển tương đối của đất và cọcbằng 0

• Biến dạng kéo xuống (Downdrag): Là sự dịch chuyển đi xuống của cọc

do đất xung quanh cọc bị lún xuống Độ lớn của biến dạngï kéo xuốngbằng với độ lún của đất tại mặt trung hòa

• Cường độ chịu tải 1 trục địa kỹ thuật (Geotechnical axial capacity): Là tổ

hợp của sức kháng mũi và ma sát bên khi không còn đạt trạng thái cânbằng tĩnh và sẽ không tiếp tục dịch chuyển xuống Ma sát dương xảy ratrên toàn thân cọc và lực kéo xuống rất nhỏ

• Hệ số an toàn cho cường độ chịu tải địa kỹ thuật (Factor of safety on

geotechnical capacity): Là hệ số giữa cường độ chịu tải 1 trục địa kỹ thuật

chia cho tổng tải tĩnh 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 chịu tải tĩnh 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 tĩnh tải và lực kéo xuống, khôngtính đến hoạt tải

Theo Fellenius, vị trí mặt trung hòa là hàm số của sự cân bằng của các lựccắt dọc thân cọc khi chúng đã được huy động hoàn toàn Sức kháng mũi cũng đãđược huy động 1 phần hoặc hoàn toàn Các lực và sức kháng là kết quả của quátrình lún của đất và là do sự khác biệt về độ cứng của đất và cọc Yêu cầu tuyệt đốiđể thõa mãn phương trình cân bằng là lực cắt phát triển dọc phần phía trên thân cọccó dấu âm và phần dưới cọc có dấu dương Vùng chuyển tiếp từ âm sang dươngđược gọi là mặt trung hòa Một số ít trường hợp vị trí mặt trung hòa nằm trong lớpđất đang lún, hay trong lớp đất tốt hơn hoặc trong lớp đất ít lún

Khi thay đổi lực tác dụng lên đầu cọc thì vị trí mặt trung hòa sẽ thay đổi dokết quả của sự cân bằng lực mới

Mặt trung hòa cũng là nơi cọc và đất dịch chuyển như nhau hay nói cách kháclà nơi không có sự dịch chuyển tương đối giữa cọc và đất Điều này có nghĩa là khigiải 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 chịu 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 chịu ma sát âm sẽ có mặt trung hòa tại mặt đất và có lực kéoxuống lớn nhất – Móng lún cùng với mặt đất – là tình huống ngoài ý muốn

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 dịch 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 xuốnglớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặcchính 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:

Hình 4 Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền

+ 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 kếtnày sẽ sinh ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc trong suốt quá trình cốkết

+ 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 ramột 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 vàtạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc

Trong trường hợp các cọc được tựa trên nền đất cứng và có tồn tại tảitrọng 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 chịu sự rung động hoặc sự dao động của mực nước ngầm; sựtác 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 chịu 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 vậybiến dạng lún (nhỏ) của nền sét sẽ xảy ra dưới tác dụng của trọng lượngbản 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 định mối quan hệ của độ lún của đất nền ở phía trên và củacọc là cần thiết để đề ra giải pháp xử lý phù hợp đối với vấn đề đó Trong

các trường hợp nơi mà đất nền ở phần trên lún xuống phía dưới lớn hơn độlún cọc, một giải pháp thiên về an toàn có thể có được khi giả thiết tảitrọng truyền hoàn toàn tới đỉnh của lớp đất nền phía dưới.

I.3.2 Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết:

Trong thực tế một tình huống thường xuyên gặp phải trong thiết kế cầuđường nơi mà lực ma sát âm có thể xảy ra Các cọc đã được thi công xongtrong khi nền đất chưa kết thúc cố kết, mố cầu đã được xây dựng và đấtnền đã được đắp Độ lún của nền đất dọc theo thân cọc có thể rất khókhăn để loại bỏ, vì vậy lực ma sát âm thường xảy ra với dạng kết cấu nhưhình 5, thậm chí còn có khuynh hướng tạo ra chuyển dịch ngang của mốcầu, nhưng sự chuyển dịch này có thể giảm thiểu bằng việc lựa chọn mộtgiải pháp thiết kế nền móng một cách hợp lý (Ví dụ sàn giảm tải)

Hình 5 Hiện tượng ma sát âm do việc đóng cọc mố cầu vào nền đất yếu chưa kết thúc cố kết hoặc còn ở trạng thái tự nhiên

Ma sát âm chỉ xảy ra ở một bên cọc do phần đường vào cầu có lớp đấtđắp cao làm cho lớp đất bên dưới bị lún do phải chịu tải trọng của lớp đấtđắp này, còn phần bên kia mố (phía sông) thì không có tải trọng đắp nênlớp đất nền không bị lún do tải trọng ngoài, do đó cọc không bị ảnh hưởngcủa ma sát âm Vì vậy, một bên cọc chịu ma sát âm còn bên kia chịu masát dương

I.3.3 Khi xây dựng công trình mới cạnh công trình cũ

Tải trọng phụ lớn đặt trên nền kho bến bãi làm cho lớp đất nền bên dưới bị lún xuống

Phụ tải của nền gần móng (hiện tượng xây chen các công trình mới cạnh công trình cũ) Nguyên tắc xác định ảnh hưởng của các tải trọng đặt gần nhau là dựa trên đường đẳng ứng suất (ứng suất hướng thẳng đứng nếu xét về biến dạng lún hoặc ứng suất hướng ngang nếu xét về biến dạng trượt).

Hình 6 Biến dạng của công trình cũ trên cọc ma sát khi xây dựng gần nó công trình mới

I.3.4 Mực nước ngầm bị hạ thấp

Việc hạ thấp mực nước ngầm làm tăng ứng suất thẳng đứng có hiệu tạimọi điểm của nền đất Vì vậy, làm đẩy nhanh tốc độ lún cố kết của nền đất Lúc đó, tốc độ lún của đất xung quanh cọc vượt quá tốc độ lún của cọc và xảy ra hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh cọc

Hiện tượng này được giải thích như sau: Khi hạ thấp mực nước ngầm thì+ Phần áp lực nước lỗ rổng u giảm

+ Phần áp lực có hiệu thẳng đứng σh lên các hạt rắn của đất tăng

Xem biểu đồ tương quan giữa u và σh trong trường hợp bài toán nénmột chiều và tải trọng ngoài q phân bố kín đều khắp.

u = 0minu

Trong đó:

+ σh = q = const: Ứng suất toàn phần

+ Ha: Vùng hoạt động của ứng suất phân bố trong đất

+ Đất bình thường: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó σz = 0.2σbt

+ Đất yếu: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó σz = 0.1σbt

+ σbt: Ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày Ha

Hình 8 Ma sát âm xảy ra khi hạ thấp mực nước ngầm I.3.5 Do sự nén chặt đất

Trong quá trình đóng cọc, đất xung quanh cọc bị nén chặt như trên

hình 9 Do ứng suất nén cao, nước bắt đầu tiêu tán ra xung quanh (hình 9a)

Sau khi đóng cọc xong, nước bắt đầu thấm trở lại và khôi phục về trạng tháiban đầu Do sự luân chuyển của nước, quá trình cố kết bắt đầu xảy ra, do đóxuất hiện hiện tượng ma sát âm lên thân cọc Tuy nhiên, theo thí nghiệm củaFellenius & Broms (1969) cho thấy giá trị ma sát âm trong trường hợp này làkhông lớn, nó chỉ chiếm khoảng 17% giá trị sức chống cắt trung bình khôngthoát nước của đất nền.

Hình 9 Sự di chuyển của nước gần thân cọc

(a)Trong quá trình đóng cọc (b) Sau khi đóng cọc

Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998: Hiện tượng ma sát âm nên được xétđến trong các trường hợp sau:

 Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích hiện đại và trầm tích kiến tạo;

 Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng của động lực;

 Sự lún ướt của đất khi bị ngập nước;

 Mực nước ngầm hạ thấp làm cho ứng suất có hiệu trong đất tăng lên,dẫn đến tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất

 Nền công trình được tôn cao với chiều dày lớn hơn 1m trên đất yếu;

 Phụ tải trên nền với tải trọng từ 2T/m2 trở lên;

 Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ trong đất bị phân hủy …

I.4- Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm

Ma sát âm là hiện tượng phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

• Loại cọc, chiều dài cọc, phương pháp hạ cọc, mặt cắt ngang của cọc, bềmặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền, sự co ngắn đàn hồi của cọc;

• Đặc tính cơ lý của đất, chiều dày lớp đất yếu, tính trương nở của đất;

• Tải trọng chất tải (chiều cao đắp nền, phụ tải);

• Thời gian chất 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 số của lực ma sát âm có liên quan tới sự cố kết của đất, phụ thuộc trựctiếp vào ứng suất có hiệu của đất chung quanh cọc Như vậy lực ma sát âm pháttriển theo thời gian và có trị số lớn nhất khi kết thúc cố kết

Bất kỳ một sự dịch chuyển nào xuống phía dưới của nền đất đối với cọcđều sinh ra lực ma sát âm Tải trọng này có thể truyền hoàn toàn từ đất nền cho cọckhi mối tương quan về chuyển vị khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kínhcọc Khi chuyển vị 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 sátâm sẽ xảy ra khi mà có một sự chuyển dịch tương đối của nền đất được dự đoántrước

I.5 Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình

Khi cọc ở trong đất, thì sức chịu tải của cọc được thể hiện qua thành phần

ma sát (dương) xung quanh cọc và sức kháng mũi cọc Khi cọc bị ảnh hưởng ma sátâm thì sức chịu tải giảm do nó phải gánh chịu một lực kéo xuống mà thường gọi làlực ma sát âm Ngoài ra do quá trình cố kết của lớp đất, đã gây nên khe hở giữa đàicọc và lớp đất dưới đài, giữa cọc và đất xung quanh cọc, từ đó gây tăng thêm ứnglực phụ tác dụng lên móng cọc Đối với đất trương nở, ma sát âm có thể gây nên tảitrọng phụ rất lớn tác dụng lên móng cọc

Trong một số trường hợp lực ma sát âm khá lớn, có thể vượt qua tải trọngtác dụng lên đầu cọc nhất là đối với cọc có chiều dài lớn Chẳng hạn năm 1972Fellenius đã đo quá trình phát triển lực ma sát âm của 2 cọc bêtông cốt thép đượcđóng qua lớp đất sét mềm dẻo dày 40m và lớp cát dày 15m cho thấy: sự cố kết lạicủa lớp đất sét mềm bị xáo trộn do đóng cọc đã tạo ra lực kéo xuống 300KN trongthời gian 5 tháng và 16 tháng sau khi đóng cọc thì mỗi cọc chịu lực kéo xuống là440KN

Johanessen và Bjerrum đã theo dõi sự phát triển hiện tượng ma sát âmtrên cọc thép xuyên qua lớp đất sét dày 53m và mũi cọc tựa trên nền đá Lớp đấtđắp bằng cát dày 10m, quá trình cố kết của lớp đất sét đã gây ra độ lún 1,2m và lựckéo xuống khoảng 1.500KN ở mũi cọc Ứng suất ở mũi cọc ước tính đạt đến190KN/m2 và có khả năng xuyên thủng lớp đá

Đối với việc sử dụng giếng cát: Ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kếtcủa nền đất yếu có dùng giếng cát Hiện tượng ma sát âm gây ra hiệu ứng treo củađất xung quanh giếng cát, lớp đất xung quanh giếng cát bám vào giếng cát làm cảntrở độ lún và cản trở quá trình tăng khả năng chịu tải của đất nền xung quanh giếngcát

Qua sự phân tích cho thấy tác dụng chính của lực ma sát âm là làm giatăng lực nén dọc trục cọc, làm tăng độ lún của cọc, ngoài ra do lớp đất đắp bị lúntạo ra khe hở giữa đài cọc và lớp đất bên dưới đài có thể làm thay đổi momen uốntác dụng lên đài cọc Lực ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết thoát nước củanền đất yếu khi có gia tải trước và có dùng giếng cát, cản trở quá trình tăng khảnăng chịu tải của đất nền xung quanh giếng cát Ngoài ra ma sát âm còn có thể làmtăng lực ngang tác dụng lên cọc

I.6 Các nghiên cứu về ma sát âm

I.6.1 Theo Joseph E.Bowles

Theo Joseph E.Bowles (Foundation analysis and design) đề nghị rằng

để lực ma sát âm phát triển đáng kể thì một phần của cọc phải cố định chốnglại chuyển vị đứng như mũi cọc phải tựa lên lớp đá, đất cứng hoặc phần mũicọc phải ngàm vào lớp cát chặt Nếu toàn bộ cọc chuyển động xuống cùngvới ảnh hưởng của quá trình cố kết thì sẽ không ảnh hưởng của ma sát âm.Để xác định được chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm ZO, Ông lập luận rằng:

“Sức chịu tải của cọc gồm sức kháng mũi cọc, lực ma sát dương phải lớn hơnhoặc bằng với tải trọng tác dụng lên cọc và phần lực ma sát âm”, từ đó xácđịnh 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 có thể được xác định

a Trường hợp cọc được đóng qua lớp đất đắp bên trên là đất dính và lớp đất

bên dưới là đất rời (Hình 10a)

0

' ' .

f L

p q K dz

α

Trong đó :

α' : Hệ số liên hệ áp lực ngang hữu hiệu (q.K ) và sức chống cắt theo chu vi cọc α' = tan δ , với δ = (0.5 ÷ 0.9)ϕ (ϕ : góc ma sát giữa cọc và đất )

p’ : Chu vi cọc

K: Hệ số áp lực ngang, K = Ko = 1 − sin ϕ

q : Ứng suất hữu hiệu tại độ sâu z, : q= qo + γ'.z

qo : Aùp lực phụ tải ( lớp đất đắp )

Hình 11 Sơ đồ vị 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)

' .

f L

Pp : Sức kháng của đất dưới mũi cọc

Ppf : Thành phần lực ma sát dương

Nếu: Ta chọn α'=α'2, và đối với cọc ma sát PnP≅ 0 , rút ra từ phương trình (2) &(3)

1 0.707 2

L

L

* Đối với nhóm cọc ma sát âm có thể được xác định

Khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ (tỷ số s/D nhỏ), thì ma sát âm sẽ ảnh

hưởng trực tiếp lên nhóm cọc theo chu vi nhóm cọc hơn là trên những cọc riêng lẻ,xét 2 trường hợp nghiên cứu:

- Lực ma sát âm trong nhóm cọc bằng tổng các lực ma sát âm của cọc riêng

lẻ (trường hợp khoảng cách giữa các cọc là lớn)

γ: Trọng lượng riêng của lớp đất xung quanh cọc tới độ sâu Lf

A: Diện tích xung quanh nhóm cọc

fs: ma sát hữu hiệu trên chu vi nhóm cọc

'

g

p : Chu vi của nhóm cọc

I.6.2 Theo H.G Poulos và E.H Davis

Năm 1967, Terzaghi và Peck đã đề nghị công thức tính lực ma sát âm được sửdụng rộng rãi Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc là tổng ứng suất cắt giới hạndọc theo cọc

Hình 12 Bài toán ma sát âm

Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc đơn tại độ sâu z

0

.

z a

C'a : Lực dính giữa đất và cọc, đối với cọc bê tông lấy C a' = C

c: Lực dính của đất nền

Ks:: Hệ số áp lực ngang của đất K s = K o =1 - sinϕ

σ'v : Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng

ϕa' : Góc ma sát giữa đất và cọc

- Qua phương pháp so sánh các kết quả nghiên cứu Poulos với Mattes (1969) vàPoulos với Davis (1972) Cho được quan hệ về sự thay đổi của lực kéo xuống ứngvới chiều sâu khác nhau của cọc và modul đàn hồi p

s

E

E khi giả thiết đất nền là đồngnhất, đẳng hướng, tỷ số chiều dài và đường kính cọc l/d=25 và độ lún đất nền giảmdần tuyến tính từ So trên mặt nền cho đến 0 tại mặt trên của lớp đất tốt Quan hệ đó

được trình bày ở hình 13 ngoài ra hình 13 cho biết lực kéo xuống lớn nhất xảy ra ởmũi cọc.

Hình 13 Biểu đồ quan hệ trong việc phân tích lực kéo xuống cuối cùng

I.6.3 Theo R Frank (Foundation Et Ouvrages En Terre)

Hình 14 Lực ma sát âm theo R.Frank

Hình 15 Khu vực có ảnh hưởng ma sát âm

a Nguyên lý tính ma sát âm cực đại

Tại độ sâu z, giá trị lực ma sát âm đơn vị được tính bởi biểu thức

σ’h, σ’v : Ứng suất hữu hiệu theo phương ngang và phương đứng

K : Hệ số quan hệ giữa 'h'

v

σ σ

ϕa : Góc ma sát giữa đất và cọc

c : Lực dính giữa cọc và đất.

- Tổng lực ma sát âm lên cọc

' 0

) (

H : Chiều cao lớp đất đắp

h : Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm của cọc trong lớp đất yếu

Trong điều kiện dài hạn hoặc chống cắt trong điều kiện không thoát nước:

0

) (

H h

f = × u ∫+ σ × × K tg ϕ dz (12)

b Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm, h

Chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm h chưa phải là toàn bộ chiều dày lớpđất yếu Ma sát âm chỉ xuất hiện khi tốc độ lún của lớp đất xung quanh cọclớn hơn tốc độ lún của cọc Tùy thuộc vào tính chất của đất, người ta chia ra 2trường hợp tính toán

• Đất nền yếu có biến dạng lớn:

h = h1: là độ sâu có ứng suất thẳng đứng hữu hiệu '

v

σ (z), tiếp xúc cọcvà đất có kể ảnh hưởng treo của đất lên cọc, cân bằng với ứng suất

thẳng đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thân γ ' z , khi chưa có gia tải

và không có cọc

• Đất nền rất ít biến dạng:

h = h2: là độ sâu mà chuyển vị đứng của đất bằng với độ lún của cọc, độlún của cọc có thể được tính theo phương pháp thông thường hoặc chọnmột cách gần đúng bằng 0.01B hay 0.02R (B cạnh cọc vuông hay R làbán kính cọc tròn)

c Giá trị K.tgϕ

Giá trị K.tgϕa phụ thuộc vào loại đất tự nhiên và loại cọc (tra bảng)

Bảng 1

Giá trị K.tgϕ a để tính toán lực ma sát âm

Loại đất tự nhiên Loại cọc Cọc ống Cọc nhồi Cọc đóng

Đất sét

Cát Sỏi

Rời 0.45

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 trị

K.tanδđược chọn lớn nhất là bằng 0,05.

d Ứùng suất thẳng đứng hữu hiệu '

Hình 16 Ảnh hưởng của hiện tượng lún nền gây ma sát âm

Trong trường hợp cọc tròn, vùng ảnh hưởng treo kể từ mặt cọc đến khoảngcách ρ , như trong hình vẽ Vùng xa ngoài không có hiệu quả treo, ứng suất hữu hiệuthẳng đứng tại độ sâu z, ký hiệu '

1

σ (z), tương ứng với trọng lượng cột đất bên trênvà đất đắp Khoảng cách r trong khoảng từ R đến ρ , ứng suất hữu hiệu thẳng đứngtại độ sâu z bị giảm bởi hiệu quả treo, ký hiệu σ'v (z,r), nhỏ hơn trọng lượng cột đấtbên trên và đất đắp Tại mặt bên thân cọc, ứng suất này được ký hiệu là '

v

σ (z) Cơ

chế này được Combarieu khảo sát tại phòng thí nghiệm Cầu-Đường Paris, năm

1985 Điều kiện cân bằng lực tại độ sâu z:

R

δ λ

λ

= +

'(0)

v

σ : ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở đáy lớp đất đắp, độ sâu z = 0

λ = ∞ tương ứng với sự không có sự treo đất lên cọc và σ' v (z) = 0 (khôngcó ma sát âm lên cọc)

* Trường hợp đơn giản đối với đất đồng nhất, trọng lượng riêng đẩy nổi γ ' nằmbên dưới một gia tải ∆σ '(z)

m

σ σ

* Trường hợp tổng quát λ ≠ 0 (m ≠ 0 )

σ’v (z) nhỏ hơn ' σ∋1(z ) 1 σ z , và nó sẽ đạt giá trị γ'.z tại độ sâu h1, bên dưới độ sâunày không có ma sát âm

- Nếu h1 < D, tổng lực ma sát âm cho đến độ sâu h1 là:

* Trong trường hợp tải trên mặt đất là tải phân bố kín đều khắp Δσ'(z) ≡ qo,

và sự treo đất lên cọc đạt cực đại trong lớp tải đắp σ’v (0) = σ’1 (0) các biểu thứctính lực ma sát âm trở thành:

- Nếu h1 < D , tổng lực ma sát âm

msa R K tg

q G

e Chiều dày có ma sát âm h lớn nhất được ước lượng theo hai cách sau:

- Trong đất tương đối ít yếu: h = h2: là độ sâu có độ lún (chuyển vị đứng), cuối

cùng của đất có xét đến sự hiện diện của cọc, bằng 0.01B hay 0.02R (B cạnh cọcvuông hay R là bán kính cọc tròn) Độ lún nền đất được tính theo phương pháp cốkết thông thường không xét đến sự hiện diện của cọc

- Trong đất yếu có khả năng biến dạng lớn: h = h1: là độ sâu có ứng suất hữu hiệuthẳng đứng có xét ảnh hưởng của đất đắp σ'v( ) z , cân bằng với ứng suất hữu hiệu

thẳng đứng do trọng lượng bản thân γ'z của đất ban đầu Điều kiện này chỉ có nghĩa

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 củacọc 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 đối với cọc đơn, hệ số μ được lấy trong đồ thị, hệ

số μ phụ thuộc vào λ , b và R

Hình 17 Biều đồ xác định giá trịμ để tính lực ma sát âm cho cọc đơn

Giá trị b được cho bởi:

d b

π

×

Ma sát âm Fn trên từng hàng cọc của nhóm cọc được cho bởi công thức, hệ sốα &β

phụ thuộc vào vị trí so với cọc

Trong một hàng duy nhất (hình 18a)

• Cọc nghiêng (a): 7

I.6.4 Theo Braja M Das

Ma sát âm là hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh Hiện tượngnày xảy ra dưới các điều kiện sau:

• Nếu cọc đóng vào tầng đất có lớp sét nằm bên trên lớp cát (hình 19a), sự cốkết của lớp sét do trọng lượng bản thân của lớp đất đã kéo cọc đi xuống do cósự bám dính giữa cọc và đất, hiện tượng này xảy ra trong suốt quá trình cốkết của lớp đất

• Nếu lớp cát nằm trên lớp đất sét (hình 19b), nó sẽ gây ra quá trình cố kết cholớp đất sét và như vậy sẽ gây ra lực kéo xuống trong cọc

• Hạ mực nước ngầm sẽ làm gia tăng ứng suất hữu hiệu thẳng đứng trong đất,khi ứng suất hữu hiệu tăng gây ra quá trình lún trong đất sét Nếu cọc nằmtrong lớp đất này thì nó sẽ bị kéo xuống

Hình 19 Sự hình thành ma sát âm theo Braja Das

Trong một số trường hợp lực kéo xuống có thể lớn và là nguyên nhân phá họaicủa móng Xét hiện tượng ma sát âm trong hai trường hợp sau:

Lớp đất đắp là đất sét nằm trên lớp đất rời (hình 19a)

Ứng suất cắt dọc thân cọc:

Trong đó:

K’ : Hệ số áp lực đất = Ko= 1− sinϕ

σv’ : Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở độ sâu z; σv’ =γf’x z

γf’ : Dung trọng của đất đắp (xét đẩy nổi nếu nằm dưới mực nước ngầm)

δ = (0.5 ÷ 0.7)ϕ : Góc ma sát giữa cọc và đất

p =πd : Chu vi cọc.

Hf : Chiều cao lớp đất đắp.

Tổng lực kéo xuống trong cọc là:

' 0

' '

2

Hf

f f

Lớp đất đắp là đất rời (cát) nằm trên lớp đất sét (hình 96b)

Trong trường hợp này, ma sát âm trong cọc xuất hiện dọc theo thân cọc từ độsâu z = 0 đến z = L1 (tại L1 chính là điểm trung hòa của đất và cọc: ứng suất cắttại vị trí này sẽ bằng không)

Chiều sâu tại vị trí trục trung hòa:

1

2 2

γf’ ; γ’: Dung trọng của lớp đất đắp và của lớp đất sét bên dưới

Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở độ sâu z

' '

L

f f n

I.6.5 Theo quy phạm Việt Nam

Ma sát âm trong cọc xảy ra khi độ lún của đất nền lớn hơn chuyển dịch củacọc tại độ sâu tương ứng

Theo TCXD 205:1998 Ma sát âm làm giảm khả năng chịu tải của cọc, nhất làđối với cọc nhồi, do đó cần xem xét khả năng xuất hiện của nó khi tính toán sức

chũu taỷi cuỷa coùc trong caực trửụứng hụùp sau:

- Sửù coỏ keỏt chửa keỏt thuực cuỷa traàm tớch hieọn ủaùi vaứ traàm tớch kieỏn taùo

- Sửù taờng ủoọ chaởt cuỷa ủaỏt rụứi dửụựi taực duùng cuỷa troùng lửùc

- Taờng ửựng suaỏt hửừu hieọu trong ủaỏt do mửùc nửụực ngaàm bũ haù thaỏp

- Toõn neàn quy hoaùch coự chieàu daứy lụựn hụn 1m

- Phuù taỷi treõn neàn kho lụựn hụn 20 kPa

- Sửù giaỷm theồ tớch cuỷa ủaỏt do chaỏt hửừu cụ trong ủaỏt bũ phaự huỷy

Lửùc ma saựt aõm taực duùng leõn coùc Pn ủửụùc xaực ủũnh theo coõng thửực:

F : Heọ soỏ laỏy baống 0.3

σ’v: ệÙng suaỏt hửừu hieọu theo phửụng thaỳng ủửựng

Chieàu daứi coùc chũu aỷnh hửụỷng ma saựt aõm laỏy theo keỏt quaỷ tớnh toaựn cuỷa Joseph E.Bowles Chieàu daứi coùc chũu ma saựt aõm laỏy baống: L1 = 0.71L

L1 : chieàu daứi coùc aỷnh hửụỷng ma saựt aõm

L : chieàu daứi coùc naốm trong ủaỏt yeỏu

I.6.6 Đối với cọc khoan nhồi

Ước tính sức kháng của cọc khoan trong đất dính phải dùng phơng pháp

α (tổng ứng suất) Ma sát đơn vị bề mặt đợc tính theo công thức sau:

qs - lực ma sát âm đơn vị (MPa);

Su - Cờng độ kháng cắt không thoát nớc trung bình (MPa);

α - hệ số kết dính áp dụng cho Su; hệ số α có thể đợc giả định thay đổi với giátrị cờng độ kháng cắt không thoát nớc Su nh bảng 2 nh sau:

Bảng 2 Giá trị α theo Su

< 0.200.20 – 0.300.30 – 0.400.40 – 0.500.50 – 0.600.60 – 0.700.70 – 0.800.80 – 0.90

> 0.90

0.550.490.420.380.350.330.320.31

Xử lý nh đối với đá cuội

Ta có thể minh họa về tải trọng, độ lún và mặt phẳng trung hòa của cọc chịu

Nén đàn hồi của cọc

Chuyển vị mũi cọc

mặt phẳng trung hoà

Hình 20 Sơ đồ minh họa của tải trọng, độ lún

và mặt phẳng trung hòa của cọc chịu ma sát âm

Phía trên mặt phẳng trung hòa, tải trọng tác dụng lên cọc tăng dần do ma sát âm,

và tải trọng ma sát âm đợc cộng vào tĩnh tải Phía dới mặt phẳng trung hòa, sức khángthành bên triệt tiêu đợc ma sát âm, sức kháng thành bên cộng với sức kháng mũi cọc tạonên khả năng chịu lực của cọc

Lực ma sát âm không cộng với tải trọng động mà chỉ cộng với tĩnh tải

I.7 Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế

Vài hình ảnh thực tế công trình hư hỏng do ma sát âm Sau đây là 1 côngtrình xây dựng trên nền sét yếu Bankok, bị hư hỏng do hiện tượng ma sát âm

Hình 21a Công trình sử dụng móng cọc có độ dài khác nhau

Hình 21b Sau 1 thời gian, nền công trình bị lún khoảng 80cm

Hình 21c Cọc bị kéo xuống do lực kéo xuống

Hình 21d Theo thời gian, cọc bị kéo xuống do ma sát âm

Hình 21e Cọc bị kéo xuống do ma sát âm

Sụt lún Công trình Sân vận động Long An do việc khai thác nước ngầm của Nhà máy cấp nước Long An ở bên cạnh

Công trình Sân vận động Long an được xây dựng vào những năm 1985 vớikết cấu bê tông cốt thép Các khán đài lớn là B, C và D có 70 trục móng cột chịutải trọng chính, cọc móng co chiều dài 9,5m

Cạnh sân vận động là Nhà máy cấp nước Long An, khai thác nước ngầm ởtầng sâu 300m, Hệ thống khai thác có 7 giếng mà giếng gần nhất là cách sânvận động 500m Công suất khai thác là 8000m3/ngày đêm

Cấu tạo địa chất khu vực như sau:

• Lớp 1: Sét bột màu xám nâu đến xám trắng, độ dẻo cao trạng thái

mềm, dày từ 0m-2,6m.Độ ẩm: W=43,2%, dung trọng tự nhiên:1,747g/cm3

• Lớp 2: Bùn sét lẫn hữu cơ và ít cát, màu xám, độ dẻo cao trạng thái rất

mềm, có chiều dày trung bình 2,5m

• Lớp 3: Sét lẫn bột và ít cát, màu nâu vàng nhạt, xám trắng độ dẻo cao,

trạng thái dẻo cứng, có bề dày 6,2m

•Lớp 4: Sét pha cát màu nâu vàng xám trắng, độ dẻo trung bình, trạng tháidẻo cứng, có bề dày 5,9m

•Lớp 5: Cát vừa đến mịn lẫn bột, màu xám trắng đến nâu vàng nhạt trạngthái từ bời rời đến chặt vừa, có bề dày 11,9m

•Lớp 6: Sét lẫn bột và ít cát màu xám trắng nâu vàng đến nâu đỏ nhạt, độdẻo cao trạng thái nữa cứng, dày 3,2m

•Lớp 7: Cát mịn lẫn bột, màu nâu nhạt đến nâu vàng đốm trắng, trạng tháichặt vừa, dày 8,7m

•Lớp 8: Sét lẫn bột và ít cátmàu xám đen đến xám, độ dẻo caotrạng thái từdẻo cứng đến nữa cứng, dày 4,3m

•Lớp 9: Cát vừa đến mịn lẫn bột màu xám trắng vàng nhạt, trạng thái chặtvừa đến chặt, dày 6,5m

Mực nước ngầm ổn định, tháng 3 hàng năm là -0,6m so với mặt đất hiện hữu.Những hình ảnh khảo sát tại thời điểm tháng 11/2007 cho thấy ảnh hưởng củahệ khung chịu lực khán đài sân vận động do quá trình cố kết của đất nền bởi họatđộng khai thác nước ngầm quá gần với công trình

Ch©n cét bÞ lĩn lµm háng kÕt cÊu

Cét bÞ r¨n nøt cã dÊu hiÖu lón

Cét bÞ lón g©y háng kÕt cÊu

Cột bị lún gây hỏng kết cấu

Lún vẫn phát triển gây nứt cột dù đã sữa chữa