Ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải của cọc

Ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải của cọc

TRƯỜNG: ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

BỘ MÔN: ĐỊA – CƠ NỀN MÓNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

KỸ THUẬT NỀN MÓNG NÂNG CAO

ĐỀ TÀI SỐ 3

ẢNH HƯỞNG MA SÁT ÂM ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

GVHD: PGS TS VÕ PHÁN NHÓM HVTH: NHÓM III

LỚP ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG K2012

3 ĐINH HỮU DỤNG 12 VÕ THI PHƯƠNG NGỌC

5 NGUYỄN HOÀNG DUYỆT 14 ĐẶNG HƯNG THẠNH

6 LỘ TRỌNG ĐĂNG 15 HÀN THỊ XUÂN THẢO

8 LIÊN HƯNG KIỆT 17 NGÔ THỊ THANH TÂM

9 TRƯƠNG THỊ THÚY LOAN

TP HỒ CHÍ MINH THÁNG 11/2012

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM 4

1.1.Định nghĩa hiện tượng ma sát âm và các thuật ngữ liên quan 4

1.1.2 Các thuật ngữ liên quan đến ma sát âm 7

1.2.Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm 8

1.2.2 Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền 8

1.2.3 Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết 10

1.2.4 Mực nước ngầm bị hạ thấp 11

1.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm 13

1.4.Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình và tư liệu thực tế 13

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MA SÁT ÂM 15

2.1.Tính SCT của cọc xét đến ma sát âm theo tiêu chuẩn Việt Nam 15

2.1.1 Xác định độ lún ổn định của nền 15

2.1.2 Xác định độ lún của cọc đơn 16

2.1.3 Xác định chiều sâu vùng có khả năng xuất hiện ma sát âm 17

2.1.4 Xác định sức chịu tải của cọc có kể đến ma sát âm 17

2.2.Tính SCT của cọc xét đến ma sát âm tiêu chuẩn kỷ thuật các công trình cảng Nhật Bản17 2.2.1 Mở đầu 17

2.2.2 Lý thuyết tính toán 18

2.3.Tính ma sát âm theo “Principles of foundation engineering” Braja Das 21

2.3.1 Nguyên nhân gây ra ma sát âm 21

2.3.2 Phương pháp tính lực ma sát âm 21

2.4.Mô hình tính toán ma sát âm bằng phần mềm PTHH Plaxis 24

2.4.1 Tổng quan 24

2.4.2 Mô hình tính toán đất nền 25

2.4.3 Quy trình mô hình cọc xuất hiện ma sát âm 26

2.4.4 Ứng dụng phương pháp truyền tải trọng (Load-transfer methods) xác định ma sát âm bằng phần mềm Plaxis 3D 27

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VỚI CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 29

3.1.Xác định ảnh hưởng của ma sát âm đối với cọc đơn 29

3.1.1 Công trình Luồng cho tàu biển – Trà Vinh 29

3.1.2 Thống kê địa chất 34

3.1.3 Tính toán ảnh hưởng ma sát âm 34

3.1.4 Tính toán xác định giá trị lực ma sát âm theo lý thuyết Braja Das 39

3.1.5 Xác định giá trị ma sát âm sử dụng phần mềm Plaxis 40

3.1.6 So sánh giá trị ma sát âm của cọc đơn giữa các phương pháp tính 44

3.2.Xác định ảnh hưởng MSA đối với nhóm cọc bằng phần mềm Plaxis 45

3.2.1 Mô hình tính toán 45

3.2.2 Kết quả tính toán 45

3.3.Ứng dụng phần mềm Plaxis trong đánh giá ảnh hưởng ma sát âm 48

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của ma sát âm đến công trình lân cận 48

3.3.2 Ảnh hưởng của MSA đối với móng cọc của công trình cũ khi xây dựng công trình kề bên dạng móng bè 54

3.3.3 Xem xét sự dâng lên và hạ xuống của mực nước ngầm ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc 60

3.3.4 Nhận xét 62

CHƯƠNG 4: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA MSA 63

4.1.Khái quát 63

4.2.Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất 63

4.2.1 Nội dung biện pháp 63

4.3.Biện pháp làm giảm tải trọng lên đất nền 64

4.3.1 Nội dung biện pháp 65

4.3.2 Ưu điểm 65

4.3.3 Nhược điểm 65

4.4.Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng ma sát âm 65

4.4.1 Nội dung biện pháp 65

4.4.2 Ưu điểm 66

Thi công đơn giản, kinh phí thấp 66

4.4.3 Nhược điểm 66

4.5.Các biện pháp khác 66

4.5.1 Phương pháp điện thấm (Electro Osmosis) 66

4.5.2 Cách ly giữa vùng môi trường đất nền có khả năng xảy ra ma sát âm và bề mặt cọc 67 4.5.3 Hệ thống cọc bảo vệ xung quanh nhóm cọc chính 67

4.5.4 Phương pháp sử dụng lớp bao phủ bằng bùn Betonite và Bittum 68

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 75

5.1.Kết luận 75

5.1.1 Hiện tượng ma sát âm 75

5.1.2 Các phương pháp tính toán ma sát âm 75

5.2.Kiến nghị 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM

1.1 Định nghĩa hiện tượng ma sát âm và các thuật ngữ liên quan

1.1.1 Định nghĩa hiện tượng ma sát âm

Đối với cơng trình sử dụng mĩng cọc, cọc được đĩng vào trong tầng đất nền cĩ quá

trình cố kết chưa hồn tồn, khi tốc độ lún của đất nền dưới cơng trình nhanh hơn tốc độ lún của cọc theo chiều đi xuống, thì sự lún tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc làm giảm khả năng chịu tải của cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm

ĐẤT SÉT MỀM hay ĐẤT ĐẮP CÓ TÍNH NÉN LÚN

ĐẤT TỐT H

nước ngầm Ma sát âm biến động theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ cố kết của đất và tốc độ lún của cọc

Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún 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:

Hình 2a Sự phát sinh ma sát dương

Hình 2b Ma sát âm có 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 các hình minh họa trên ta thấy được 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 chịu tải của cọc không những không kể đến sức chịu tải do ma sát hông của đất và cọc mà còn

bị ma sát âm kéo xuống Sức chịu tải lúc này chủ yếu là sức chịu tải của mũi cọc, chống lên nền đất cứng hay đá

Trường hợp cọc xuyên qua lớp đất mềm cắm vào lớp đất cứng và lớp đất mềm đang diễn tiến lún do cố kết bởi lớp gia tải trên mặt hay do hạ mực nước ngầm,…, mà độ lún các lớp đất lớn hơn độ lún của cọc thì phần lớp đất yếu có chuyển vị đứng nhiều hơn chuyển vị đứng của thân cọc bên cạnh và các lớp bên trên nó gây ra lực ma sát âm Ngay

cả trong trường hợp cọc chỉ nằm trong lớp đất yếu không tựa mũi vào lớp đất cứng, còn gọi là cọc treo cũng có thể bị tác động bởi ma sát âm dưới tác động của tải bên trên mặt đất hoặc do các tác động gây ra biến dạng đất nền như hạ mực nước ngầm (lún), hoặc dâng mực nước ngầm (nở)

Lực ma sát âm không chỉ tác động lên mặt bên thân cọc mà còn tác dụng lên mặt bên của đài cọc, hoặc mặt bên của mố cầu hay tường chắn có tựa lên cọc

Khi tác động tải lên công trình gây ra lún của cọc và giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghĩa giảm ma sát âm), ít nhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn

dưới Trong thực tế tính toán, những hoạt tải ngắn hạn nó được xem xét khi gây ra được

sự giảm ma sát âm

1.1.2 Các thuật ngữ liên quan đến ma sát âm

Theo Fellnius, các thuật ngữ trong nghiên cứu ma sát âm như sau:

a 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 sát lâu dài từ các thiết bị

quan trắc hiện trường cho thấy hiện tượng ma sát âm xảy ra trong hầu hết tất cả các cọc

b 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 chuyển tương đối đi xuống so với cọc

c 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 bằng với tổ hợp lực (chiều dương) kháng bên (bên dưới mặt trung hòa) và sức kháng mũi Độ sâu này là nơi

có dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc bằng 0

d 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 dạng kéo xuống bằng với độ lún của đất tại mặt trung hòa

e Cường độ chịu tải một trục địa kỹ thuật (Geotechnical axial capacity): là

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

f 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 một trục địa kỹ thuật chia cho

tổng tải tĩnh và hoạt tải, không tính đến lực kéo xuống

g Cường độ kết cấu một trục (Structural axial strength): là cường độ kháng

nén một trục của phần cọc chịu tải tĩnh và lực kéo xuống

h 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 một trục của kết cấu tại mặt

trung hòa chia cho tổng tĩnh tải và lực kéo xuống, không tính đến hoạt tải

Theo Fellnius, vị trí mặt trung hòa là hàm số của sự cân bằng của các lực cắt dọc thân khi chúng đã được huy động hoàn toàn Các lực và sức kháng là kết quả quá trình lún của đất là do sự khác biệt về độ cứng của đất và cọc Yêu cầu tuyệt đối để thỏa mãn

phương trinh cân bằng là lực cắt phát triển dọc phần chính 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 vị 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 vị trí mặt trung hòa sẽ thay đổi do kết quả của sự cân bằng lực mới

Mặt trung hòa là nơi cọc và đất dịch chuyển như nhau hay nói cách khác là nơi không có sự dịch chuyển tương đối giữa cọc và đất Điều này có nghĩa là khi giải bài toán lún của nhóm cọc là công việc tìm ra độ lún của mặt trung hòa

Độ lớn 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 giữa đất và cọc

1.2 Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm

Một điều dễ dàng thấy rằng, mặt dù có độ lún của lớp đất xung quanh cọc, lực kéo xuống (ma sát âm) sẽ không xuất hiện nếu sự chuyển dịch xuống phía dưới của cọc dưới tác dụng của tĩnh tải và hoặc hoạt tải lớn hơn độ lún của đất nền Vì vậy mối quan hệ giữa biến dạng lún của nền và biến dạng lún của cọc là nền tảng cơ bản để lực ma sát âm xuất hiện

Quá trình xuất hiện ma sát âm được đặc trưng bởi độ lún của đất gần cọc và tốc độ lún tương ứng của đất lớn hơn độ lún và tốc độ lún của cọc xảy ra do tác động của tải trọng Trong trường hợp này đất gần cọc như buông khỏi cọc, còn tải trọng thêm sẽ cộng vào tải trọng ngoài tác dụng lên cọc Thông thường hiện tượng này xảy ra khi cọc xuyên qua lớp đất có tính cố kết và độ dày lớn, khi có phụ tải tác dụng lên mặt đất quanh cọc

1.2.2 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 bên dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới, hoặc chính do tải trọng bản thân làm cho lớp đất nền đắp xảy ra quá trình tự cố kết Ta xét các trường hợp cụ thể sau:

a Trường hợp 1:

Khi có một lớp đất sét đắp trên một tầng đất dạng hạt mà cọc sẽ xuyên qua nó, tầng đất 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

b Trường hợp 2:

Khi có một tầng đất dạng hạt, đắp phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình

cố kết trong tầng sét yếu và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc

Hình 3 Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền

Trường hợp các cọc được tựa trên tầng đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt, xảy

ra trong các trường hợp sau đây:

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 độ lún của đất nền phía trên và của cọc 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 độ lún của cọc, một giải pháp an toàn có thể có được khi giả thiết tải trọng truyền hoàn toàn tới đỉnh của lớp đất nền phía dưới

1.2.3 Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết

Trong thực tế một tình huống thường xuyên gặp phải trong thiết kế cầu đường nơi

mà lực ma sát âm có thể xảy ra Các cọc đã được thi công xong trong khi nền đất chưa kết thúc cố kết, mố cầu đã đựơc xây dựng và đất nền đã được đắp Độ lún của nền đất dọc theo thân cọc có thể rất khó khăn để loại bỏ, vì vậy lực ma sát âm thường xảy ra với dạng kết cấu như hình 5.3, thậm chí còn có khuynh hướng tạo ra chuyển dịch ngang của mố cầu, nhưng sự dịch chuyển này có thể giảm thể nếu ta sử dụng một số giải pháp thiết kế nền móng hợp lý

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

Hình 6: 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

1.2.4 Mực nước ngầm bị hạ thấp

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

Hiện tượng này được giải thích như sau: khi hạ mực nước ngầm thì:

Phần áp lực nước lỗ rổng u sẽ giảm

Phần áp lực có hiệu thẳng đứng h lên các hạt rắn của đất tăng

Xem biểu đồ tương quan giữa u và h trong trường hợp bài toán nén một chiều và

tải trọng q phân bố đều khắp

Hình 7: Biểu đồ tương quan giữa áp lực nước lỗ rổng u và áp lực có hiệu thẳng

bố đều khắp

Trong đó:

 h = p = 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 h 0.2bt

 Đất yếu: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó h 0.1bt

 bt: ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày Ha

Theo TCVN 205 – 1998: Hiện tượng ma sát âm nên được xét 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 đất tăng lên, dẫn đến tăng nhanh tốc cố kết của nền

 Nền công trình được tôn cao lớn hơn 1m trên nền đất yếu

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

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

u = 0minu

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm

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

 Loại cọc, chiều dài cọc, phương pháp hạ cọc, mặt cắt ngang của cọc, bề mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền, sự co nắn đàn hồi của cọc

 Đặt tính cơ lý của đất, chiều dày của lớp đất yếu, tính trương nở của đất

 Tải trọng tính toán (chiều cao đắp nền, phụ tải)

 Thời gian chất tải đến khi xây dựng công trình

 Độ lún của nền sau khi đóng cọc, độ lún của móng cọc

 Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc

Trị số lực ma sát âm có liện quan tới sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất hữu hiệu của đất xung quanh cọc Như vậy lực ma sát âm phát triển theo thời gian và

có trị số lớn nhất khi kết thúc quá trình cố kết của đất

Bất kỳ một sự dịch chuyển nào xuống phía dưới của nền đất đối với cọc đều sinh ra lực ma sát âm Tải trọng này có thể truyền hoàn toàn từ đất nền cho cọc khi mối tương quan về chyển vị khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kính cọc Khi chuyển vị tương đối của đất tới 15mm thì lực ma sát âm được phát huy đầy đủ Một điều thường được giả thiết trong thiết kế khi cho rằng toàn bộ lực ma sát âm sẽ xảy ra khi mà có một

sự chuyển dịch tương đối của đất nền được dự đoán trước

1.4 Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình và tư liệu thực tế

Khi cọc 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 lực ma sát âm thì sức chịu tải của cọc sẽ giảm vì lúc này ngoài chuyển vị của cọc, cọc còn phải gánh thêm một lực kéo xuống mà ta gọi là lực ma sát âm Ngoài ra qúa trình cố kết của lớp đất, đã gây nên khe hở giữa đài cọc và lớp đất dưới đài, giữa cọc và đất xung quanh cọc, từ đó gây tăng thêm ứng lực phụ tác dụng lên móng cọc Đối với đất trương nở, ma sát âm có thể gây nên tải trọng phụ rất lớn tác dụng lên móng cọc

Trong một số trường hợp lực ma sát âm khá lớn, có thể vượt qua tải trọng tác dụng lên đầu cọc nhất là cọc có chiều dài lớn Chẳng hạn (1972) Fellenius đã đo quá trình phát triển của lực ma sát âm của hai cọc bê tông cốt thép được đóng qua lớp đất mềm dẻo dày 40m và lớp cát dày 15m cho thấy: sự cố kết lại của lớp sét mềm bị xáo trộn do đóng cọc

đã tạo ra lực kéo xuống 300kN trong thời gian 5 tháng và 16 tháng sau khi đóng cọc thì mỗi cọc chịu lực kéo xuống 440kN

Johanessen và Bjerrum đã theo dõi sự phát triển hiện tượng ma sát âm của cọc thép xuyên qua lớp đất sét dày 53m và mũi cọc tựa trên nền đá Lớp đất đắp bằng cát dày 10m, quá trình cố kết của lớp đất sét đã gây ra độ lún 1.2m và lực kéo xuống khoảng 1500kN ở mũi cọc Ứng suất ở mũi cọc ướt tính đạt tới 190kN/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 kết của nền đất yếu có dùng giếng cát Hiện tượng ma sát âm gây ra hiệu ứng treo của đất xung quanh giếng cát, lớp đất xung quanh giếng cát bám vào giếng cát làm cản trở độ lún và cản trở quá trình tăng khả năng chịu tải của đất nền xung quanh giết cát

Qua phân tích trên cho thấy tác dụng chính của lực ma sát âm làm gia tăng lực nén dọc trục cọc, làm tăng độ lún của cọc, ngoài ra đo lớp đất đắp bị lún tạo ra khe hở giữa đài cọc và lớp đất bên dưới đài có thể thay đổi mômen uống tác dụng lên đài cọc Lực ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết thoát nước của nền đất yếu khi có gia tải trước và có dùng giếng cát, cản trở quá trình tăng khả năng chịu tải của đất nền xung quanh giếng cát Ngoài ra lực ma sát âm làm tăng tải trọng ngang tác dụng lên cọc

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MA SÁT ÂM

2.1 Tính SCT của cọc xét đến ma sát âm theo tiêu chuẩn Việt Nam

i i n

i

e

e e s

 Phương pháp tổng phân tố có hai dạng biểu thức tính lún như sau:

i n

i

i n

i i

i n

i

i vi n

i i

h p E s

S

h p m s

1 1

0 0

log1

1

p

p p H

e

C S p

s c

p

p p H

e

C p

p H

e

C S p

p p

0 0 0

1

log1

 Trường hợp 3: Đối với đất cố kết nặng:

0

0 0

0

p p

H e

C S p

S   Trong đó:

 L: Biến dạng đàn hồi của cọc

 Sm: Độ lún tại mũi cọc do tải công trình truyền xuống mũi cọc

 Sb: Độ lún tại mũi cọc do tải truyền dọc theo thân cọc

 Biến dạng đàn hồi thân cọc:

c p

tb E A

L Q

L 



Trong đó:

 Ap: Diện tích tiết diện ngang của cọc

 L: Chiều dài tính toán của cọc

 Ec: Môđul đàn hồi của cọc

 Qtb: Lực nén trung bình tác dụng lên thân cọc

 Độ lún tại mũi cọc do tải công trình truyền xuống mũi cọc

0

2

) 1

(

E

B q

 E0: Môdul đàn hồi đất dưới mũi cọc

 : Hệ số Poisson (sét 0.43, sét pha  0.30.43, cát pha 0.250.3, cát 0.25

 : Hệ số phụ thuộc vào hình dáng cọc : cọc vuông 0.88, cọc tròn

79.0

E

B f

S b sthuc b 



 b: Hệ số phụ thuộc vào độ mảnh của từng đoạn cọc

i

i b

B

L

35.0

2.1.3 Xác định chiều sâu vùng có khả năng xuất hiện ma sát âm

Vùng ma sát âm xuất hiện khi cọc qua lớp đất yếu chưa cố kết và có độ lún lớn hơn tốc độ lún của cọc Ma sát –âm tác dụng lên cọc và tạo lực cùng với cọc chuyển vị lún nhanh hơn

Một công thức xác định vùng ảnh hưởng ma sát âm như sau:

 H: Chiều dày lớp đất yếu

2.1.4 Xác định sức chịu tải của cọc có kể đến ma sát âm

Q um f z A q

Trong đó:

 u: chu vi cọc

 mf: hệ số làm việc của đất ở mặt bên cọc

 fs: sức kháng bên đơn vị, tính trung bình cho toàn đoạn cọc

 Zi: bề dày của lớp đất tính toán

 Ap: diện tích tiết diện cọc

Chú giải : Khi cọc xuyên qua lớp sét mềm tới lớp địa tầng chịu lực, lực ma sát từ

lớp mềm sẽ tác động hướng lên phía trên và chịu một phần tải trọng tác động lên đầu cọc

Khi lớp sét cố kết thì bản thân cọc được đỡ bởi sức chịu tải của tầng chịu lực và hầu như không lún, hướng lực ma sát theo hướng ngược lại

Lực ma sát trên toàn bộ chu vi xung quanh cọc bây giờ dừng chống lại tải trọng tác dụng lên đầu cọc Lực ma sát hướng xuống phía dưới và tác dụng lên tải trọng ở chân cọc Lực ma sát hướng xuống phía dưới trên toàn bộ chu vi xung quanh cọc được gọi là

ma sát tiếp xúc âm hay ma sát âm

 Rnf,max: Lực ma sát tiếp xúc ma sát âm lớn nhất (cọc đơn) KN

  : chu vi xung quanh cọc (chu vi của diện tích kín trong trường hợp cọc thép có tiết diện chữ H) (m)

 L2: Chiều dài của cọc trong lớp đất cố kết (kN/m2)

 fs: Cường độ lực ma sát tiếp xúc trong lớp đất cố kết

 Trường hợp 2

Trong trường hợp trên , f s: trong nền đất sét đôi khi được lấy bằng qu/2 Nếu lớp cát kẹp giữa lớp sét cố kết , hoặc nếu lớp cát nằm trên lớp sét cố kết , thì chiều dày lớp cát sẽ nằm trong L2 Ma sát thành bên trong lớp cát đôi khi được xét đến để tính toán cho fs Giá trị lớn nhất của ma sát âm trong trường hợp này được thể hiện trong Phuong trình:



)22

max ,

c u s nf

L q L N

Trong đó:

 Ls2: Chiều dày lớp cát nằm trong L2

 Lc: Chiều dày lớp sét nằm trong L2

 L2 = Lc + L s2

 Ns2: Giá trị trung bình của lớp cát có chiều dày Ls2

 qu: Cường độ trung bình nén nở hông của lớp sét có chiều dày Lc

 Trường hợp 3:

Trong trường hợp nhóm cọc, ma sát tiếp xúc âm có thể được tính toán bằng cách coi

sự làm việc của nhóm cọc như móng đơn sâu Lực ma sát tiếp xúc âm cho một cọc được tính toán bằng cách chia cho số cọc

n

L A UH s

Phương trình (1) và (2) đưa ra giá trị lớn nhất của ma sát tiếp xúc âm Giá trị thực tế

sẽ phụ thuộc vào trị số lún cố kết và tốc độ lún, tính chất từ biến của đất sét cà tính chất

biến dạng của tầng chịu lực

 Trường hợp 4:

Khi tính toán sức chịu tải cọc dọc trục cho phép của cọc, có một vài trường hợp thay đổi trong việc đánh giá ảnh hưởng của lực ma sát âm được xác định bằng cách kiểm tra bất kỳ một lực truyền lên mũi cọc vượt quá cả hai giá trị tải trọng chịu uốn của nền tại mũi cọc và cường độ nén khi uốn của tiết diện ngang của cọc Điều đó có nghĩa là sức chịu tải cho phép dọc trục trong điều kiện bình thường Ra sẽ thỏa phương trình:

max ,2

.11

nf e f a

nf p a

R A R

R R R

 Trong đó:

 Ra: sức chịu tải dọc trục cho phép (trong điều kiện bình thường)

 Rp: Sức chịu tải cuối cùng của cọc (giá trị tới hạn)

 Rnf,max: lực ma sát âm thường tiếp xúc max nhất (giá trị thường nhỏ hơn cọc đơn hoặc nhóm cọc)

 f :cường độ nén khi uốn của cọc

 Ae: tiết diện ngang có hiệu của cọc

Giá trị sức chịu tải tới hạn của cọc Rp có thể lấy tới 300NAp trong phương trình (1) Nếu cọc xuyên vào địa tầng chịu lực, lực ma sát tiếp xúc trong địa tầng chịu lực có thể bao gồm cả trong sức chịu tải tới hạn



1 12

Trong đó:

 Rp: Sức chịu tải mũi cọc (giá trị tới hạn)

 N: Giá trị N của nền tại mũi cọc

 Ap: diện tích mũi cọc

 Ls1 = L1: chiều dài cọc nằm trong tầng chịu lực (nền cát)

 N s1: Giá trị N trung bình trong miền Ls1

 : Chu vi cọc



2.3 Tính ma sát âm theo “Principles of foundation engineering” Braja Das

2.3.1 Nguyên nhân gây ra ma sát âm

Ma sát âm là lực kéo xuống do đất xung quanh tác dụng lên cọc Lực này xuất hiện dưới những điều kiện sau:

 Cọc xuyên qua lớp sét đắp nằm trên lớp đất rời: quá trình cố kết của lớp sét đắp theo thời gian sẽ gây ra lực kéo xuống tác dụng lên cọc (hình a)

 Cọc xuyên qua lớp cát đắp nằm trên lớp sét mềm, quá trình cố kết của lớp sét do tải trọng đất đắp sẽ gây ra lực kéo xuống tác dụng lên cọc (hình b)

 Hạ mực nước ngầm làm cho ứng suất hữu hiệu trong đất tăng lên và do đó làm tăng tốc độ cố kết của đất sét gây ra lực kéo xuống tác dụng lên cọc

Trong một số trường hợp, lực kéo xuống có thể lớn đến mức gây ra phá hoại cho

móng

2.3.2 Phương pháp tính lực ma sát âm

Trong phần này tác giả giới thiệu hai phương pháp tính lực ma sát âm

a Trường hợp 1: Lớp sét đắp nằm trên lớp đất rời

Theo phương pháp β, lực ma sát âm (kéo xuống) đơn vị tác dụng lên cọc là:

f n = K’σ o ’tanδ’

Trong đó:

 K’ = hệ số áp lực đất: K 1 sin '  

 σ o ’ = ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại độ sâu z = γ f ’z

 γ f ’ = trọng lượng riêng hữu hiệu của lớp sét đắp

 δ’ = góc ma sát giữa cọc và đất ≈ 0.5-0.7 '

Tổng lực kéo xuống tác dụng lên cọc là:

2

' tan '

) ' tan ' (

2 '

H pK zdz pK

Q  f  với H f = chiều cao lớp sét đắp

Nếu lớp sét đắp nằm trên mực nước ngầm, trọng lượng riêng hữu hiệu γ f ’, nên được

thay thế bằng trọng lượng riêng tự nhiên

b Trường hợp 2: Lớp cát đắp nằm trên lớp sét

Trong trường hợp này, ma sát âm xuất hiện trong đoạn từ z = 0 đến z = L1, theo độ sâu mặt trung hòa (Vesic, 1977) Độ sâu mặt trung hòa được xác định như sau (Bowles, 1982)

'

2 '

Với γ f ’, γ’ = trọng lượng riêng hữu hiệu của lớp cát đắp và lớp sét bên dưới

Đối với cọc chống, độ sâu trung hòa có thể xem là vị trí mũi cọc

(L 1 = L - H f)

Với mỗi giá trị L 1 lực kéo xuống được xác định như sau:

Lực ma sát âm đơn vị tại độ sâu trong khoảng z = 0 đến z = L 1 là:

tan'

'tan''

2 1 1 '

' 0

0

1

L H

pK dz z

H pK dz

pf

lớp sét và lớp cát đắp nằm trên mực nước ngầm, trọng lượng riêng hữu hiệu nên thay bằng trọng lượng riêng tự nhiên Trong một vài trường hợp, các cọc có thể được phủ bên ngoài bằng lớp bitumen trong vùng kéo xuống để tránh hiện tượng này

Bjerrum et al (1969) đã công bố kết quả kiểm tra lực kéo xuống khi thử cọc tại cảng Oslo, Norway (ký hiệu là cọc G trong trong bài báo gốc) Nghiên cứu của Bjerrum et al (1969) còn được phân tích bởi Wong và Teh (1995) trong giới hạn của cọc khoan đến đá gốc ở độ sâu 40 m Hình c mô tả sơ lược đất và cọc Wong và Ted tính toán theo các số liệu sau:

 Lớp đất đắp có khối lượng riêng tự nhiên γ f = 16 kN/m3, trọng lượng riêng

bão hòa γ sat = 18.5 kN/m3, do đó γ’ f = 18.5 - 9.81 = 8.69 kN/m3 và H f = 13 m

 Lớp đất sét: K’tanδ’ ≈ 0.22, trọng lượng riêng bão hòa hữu hiệu γ’ = 19.9.81

= 9.19 kN/m3

 Chiều dài cọc L = 40 m, đường kính D = 500 mm

Ma sát âm trên một cọc ở cảng Oslo, Norway (theo Bjerrum et al (1969), Wong và Ted (1995))

Cọc trong trường hợp này là cọc chống, chiều dài L 1 = 27 m, lực kéo xuống lớn nhất tác dụng lên cọc được tính theo công thức:

2

'tan''2

132'tan'

2 1 1

2.4 Mô hình tính toán ma sát âm bằng phần mềm PTHH Plaxis

2.4.1 Tổng quan

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp phổ biến nhất trong khoa học kỹ thuật Nó đã được ứng dụng rất thành công vào giải quyết nhiều vấn đề trong nhiều lĩnh vực khác nhau Sự phát triển của phương pháp PTHH trong lĩnh vực xây dựng đã tạo ra nhiều bước tiến đáng kể: giải quyết những bài toán giải tích mà những phương pháp giải tích thông thường phả tốn rất nhiều thời gian

Plaxis là một phần mềm phần tử hữu hạn tính toán địa kỹ thuật với nhiều tính năng vượt trội như:

Mô phỏng sự làm việc chung của đất và kết cấu móng qua hệ thống lưới phần tử hữu hạn và các phần tử tiếp xúc giúp cho việc mô phỏng tương giác giữa đất và cọc gần với làm việc thực tế hơn Xét đến quan hệ giữa lực và chuyển vị trong bài toán chuyển vị nút từ đó tính toán các thông số nội lực các phần tử thành phần

Mô phỏng bài toán theo quá trình thi công: mỗi giai đoạn thi công ứng xử đất và cọc

có nhiều điểm khác biệt so với thiết kế ban đầu nên có thể xãy ra những tác động đến công trình dang thi công cũng như công trình lân cận tính năng này giúp người thiết kế đánh giá được tính hợp lý phương pháp thi công và hoàn thiện hơn bước thiết kế nền móng

Tính toán bài toán cố kết thấm theo thời gian dựa trên các lý thuyết cố kết thấm phần mềm giải bài toán cố kết thấm và lún cố kết với các thông số đất nền do người dùng nhập vào và các thông số ứng suất biến dạng từ các bước tính toán phần tử hữu hạn ở các bước trên Nhờ đó ta xét được những ảnh hưởng của quá trình cố kết tác động đến công trình

Xét đến những ảnh hưởng của việc tăng giảm mực nước ngầm

Nhận xét: với các tính năng trên Plaxis là một phần mềm rất phù hợp giải quyết bài

toán địa kỹ thuật nói chung và bài toán thiết kế móng cọc nói riêng Qua các bước tính toán theo tiến độ thi công cũng như tính toán cố kết thấm ta xét được tất cả các ảnh hưởng tác động lên cọc, chuyển vị tương đối giữa cọc và đất, các ứng suất phát sinh trong cọc theo thời gian từ đó đưa ra phương án thiết kế khả thi nhất

2.4.2 Mô hình tính toán đất nền

Đất nền được mô hình ứng xử như một vật liệu đàn hồi tuyến tính và tuyệt đối dẻo (linear elastic –perfect plastic material) và hàm dẻo của nó được định nghĩa theo tiêu chuẩn của Mohr Coulomb

Đây là một mô hình tính toán đất nền được ứng dụng rỗng rãi trong thực tế với bộ thông số được xác định được xác định từ các thí nghiệm địa chất

Ứng xử thoát nước (long-term) và không thoát nước của đất (short-term)

Xem xét sự phát triển ma sát âm trong cọc thông qua quá trình cố kết của đất do đó việc tính toán ứng xử của đất phải là một quá trình dài hạn (ứng xử thoát nước)

Trong phần mềm plaxis hai ứng xử trên có thể được mô phỏng theo 2 trạng thái tính toán Drained (Single analysis) và Undrained (Double analysis) Ta sử dụng ứng xử Undrained cho tính toán các lớp đất sét, đối với các lớp cát sử dụng ứng xử Drained vì cát thoát nước nhanh sau khi chất tải

Các thông số của mô hình Mohr Coulomb: được xác định dựa trên phương pháp phân tích ứng suất hữu hiệu (thông số của chính bản thân khung hạt khi nước đã thoát hoàn toàn do cố kết)

a Thông số sức kháng cắt của đất hữu hiệu: lực dính c’, góc ma sát ’ đặc trưng cho sức chống cắt và góc ma sát của chính khung hạt đất Hai thông số này xác định từ thí nghiệm nén ba trục (CU, CD) tuy nhiên trong giới hạn đề tài không có đầy đủ các thông số từ những thí nghiệm trên nên chỉ dùng các số liệu từ thí nghiệm cắt trực tiếp

b Thông số về độ cứng E’ xác định từ thí nghiêm nén 3 trục CD tuy nhiên thí

nghiệm hầu như không được thực hiên vì phức tạp và tốn thời gian do đó giá trị độ cứng E’ xác định thông qua thí nghiệm UU hay thi nghiệm nén cố kết

Xác định E’ từ thí nghiệm UU

Từ đồ thị xác định được Eu50 Suy ra E’ theo công thức

5 0 , ) ' 1 ( 2

' )

1 (

)'1(

 E u E

c ’ hệ số Poisson do không có thí nghiệm xác định hệ số trên nên ta lấy theo công thức kinh nghiệm:

 Đối với sét: ’=0.25+0.00225PI , PI là chỉ số dẻo

 Đối với cát: Đối với đất cát: t o o

25 45

25 3

0 1

1 2

o

v n v

2.4.3 Quy trình mô hình cọc xuất hiện ma sát âm

Nguyên nhân chính xác định giá trị ma sát âm là sự chuyển vị tương đối của đất nền lớn hơn chuyển vị của cọc Do đó để mô xác định được ma sát âm ta cần 2 gia đoạn cơ bản

 Tác dụng lực lên đầu cọc:

Hình II.4: Biểu đồ phát triển độ lún cố kết theo thời gian lg(t)

- Tải trọng tác dụng phải nhỏ hơn giá trị sức chịu tải thiết kế Qa của cọc Vì như vậy giá trị độ lún của cọc là hợp lý và phù hợp với thực tế

 Nếu giá trị Po nhập vào quá lớn thì độ lún của cọc lớn nhưng ma sát âm nếu có cũng ảnh hưởng không đáng kể

 Do đó cần phải có bước tính toán để xác định giá trị SCT của cọc trước khi nhập lực vào phần mềm

 Tạo chuyển vị tương đối của cọc và đất nền: chuyển vị tương đối này có thể do:

 Cố kết của nền khi có tải trọng ngoài như : đất đấp hoặc các tải trọng thi công (của chính công trình hoặc công trình lân cận)

 Sự giảm mực nước ngầm

 …

2.4.4 Ứng dụng phương pháp truyền tải trọng (Load-transfer methods) xác định ma sát

âm bằng phần mềm Plaxis 3D

Phương pháp truyền tải trọng sử dụng một bộ đường công đơn giản để phân tích ứng

xử của tải trọng dọc trục trong cọc đơn cũng như nhóm cọc như sau:

H 2.1 Minh họa ma sát âm trong cọc

a Hiện tượng ma sát âm; b Sự truyền tải trọng dọc trục trong cọc;

c Biên dạng lún của cọc và đất

Ứng dụng các công cụ xuất kết quả của phần mềm Plaxis 3D ta dễ dàng xem xét được truyền tải trọng dọc trục của cọc từ đó xác định giá trị lực ma sát âm

H 2.2 Biểu đồ truyền truyền tải trọng dọc trục trong cọc

 Giá trị tải trọng tác dụng: Po=400kN

 Giá trị lực tổng lực dọc lớn nhất Ps=717kN

 Giá trị lực ma sát âm: Pn=Ps-Po=717-400=317kN

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VỚI CÔNG TRÌNH THỰC TẾ

3.1 Xác định ảnh hưởng của ma sát âm đối với cọc đơn

3.1.1 Công trình Luồng cho tàu biển trọng tải lớn vào sông Hậu – Trà Vinh

Dự án (LSH) do Cục Hàng Hải Việt Nam (CHHVN) làm chủ đầu tư (đại diện là BQLDA Hàng Hải III) Dự án được xây dựng với mục tiêu mở luồng tàu ổn định, lâu dài cho tàu biển trọng tải 10,000DWT (đầy tải) đến 20,000DWT (giảm tải) ra vào, đảm bảo thông qua lượng hàng hóa của khu vực ĐBSCL

Toàn bộ tuyến luồng dài khoảng 107km, được chia ra làm 04 đoạn bao gồm:

- Đoạn luồng sông Hậu (từ Đại An đến Cảng Cần Thơ) dài khoảng 73km;

- Đoạn kênh Quan Chánh Bố dài khoảng 19km;

- Đoạn Kênh Tắt dài khoảng 9 Km, đoạn này đào mới hoàn toàn;

- Đoạn luồng Biển dài 6km

Toàn bộ tuyến luồng nằm trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long Địa hình khu vực dự án rất bằng phẳng không có núi đồi hay chướng ngại vật quá cao hay quá lớn che chắn

Nhằm tăng cường an toàn giao thông hàng hải thông qua giám sát, thông tin nhanh chóng kịp thời về điều kiện của luồng, cảng và cung ấp những thông tin định hướng cũng như những cảnh báo đáng tin cậy Tại những vị trí trọng yếu, các hệ thống hàng hải điện

tử AIS được phát triển và lắp đặt phải có đủ khả năng cung cấp những thông tin chính xác cho cơ quan có thẩm quyền

Tháp trụ đỡ

Tất cả các trụ đỡ được cung cấp & lắp đặt phải đáp ứng các yêu cầu sau:

 Trụ đỡ bằng lưới thép cao 40 mét, với thiết kế và xây dựng theo module để lắp đặt nhanh chóng và an toàn

Các đặc điểm chính của tòa tháp sẽ là:

 Mặt cắt ngang hình vuông, theo mẫu tháp Eiffel



 Thang nghiêng đi lên trong trụ đỡ và có chiếu nghỉ mỗi 5 mét với tay vịn an toàn

 Tầng trên đỉnh rộng rãi và ổn định, kích thước 4x4 mét Đây là khu vực đặt thiết

bị và là khu vực làm việc với các lan can bảo vệ cho phép lắp đặt hệ thống hoàn chỉnh

 Cấu trúc tháp hoàn chỉnh được làm từ thép mạ kẽm nhúng nóng loại S275JR hoặc cao hơn, khả năng chống ăn mòn cao

 Hệ thống chống sét bao gồm bộ thu sét đa đinh và dây dẫn, tấm nối đất được giữ

Mực nước ngầm nằm ngay mặt đất tự nhiên

kx (m/day) 7.50E-04 5.10E-05 1.50E+00 7.50E-06

ky (m/day) 5.00E-04 3.40E-05 1.00E+00 5.00E-06

3.1.3 Tính toán ảnh hưởng ma sát âm

Mô đun đàn hồi của cọc E = 2.65.106 T/m2

Lực tác dụng lên đầu cọc P = 40T, β = 0.8

a Xác định độ gia tăng áp lực bên trên

Nhằm tôn tạo bãi, nâng cao trình nền, người ta đấp một khối đất có chiều cao 2m,

2 p

m

i

q B (1 )S

si i b

Lớp đất 3b: φ = 27.1 0; C = 24.5 (kN/m2); γsat = 20 (kN/m3)

'

v3b

5.66x17.9 10x 135.4

c Xác định chiều dài cọc chịu MSA

Chiều sâu ảnh hưởng đến ma sát âm

d 3a

Sức chịu tải cực hạn ban đầu của cọc khi chưa có khối đắp

e Xác định SCT của cọc khi có MSA

TH1: Tính SCT cực hạn (tức thời) của cọc khi sét đến ma sát âm

Lớp 3a: Đoạn ma sát âm dài 12m

 =2.03x10-4xt Khi mức độ cố kết Uv = 85% thì

 Tính toán tương tự như trên ta được các kết quả như sau:

Sức chịu tải khi chưa có đất đấp

p S atk

QQ

QQ