Nghiên cứu hiện tượng ma sát âm trong thi công cọc bê tông cốt thép cho công trình nhà cao tầng tại quận 7 –TPHCM

Trang 1

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: ThS NGUYỄN QUỐC TUYẾN

1

Lời cảm ơn

Trang 2

2

Mục Lục

Phần 1: Dẫn nhập 3

I Lý do chọn đề tài 3

II Tổng quan về lịch sử nguyên cứu và giới thiệu chung về đề tài 4

III Giới hạn đề tài 7

IV Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu: 7

Phần 2: Nội dung nghiên cứu 8

I Tổng quan về hiện tượng ma sát âm 8

1 Định nghĩa 8

2 Nguyên nhân và các trường hợp xuất hiên 9

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm 14

4 Những tác động của ma sát âm lên nền móng công trình 15

5 Các trường hợp cần xem xét đến ảnh hường của ma sát âm theo quy phạm nước ta 17

II Cơ sở lý thuyết và công thức tính toán 18

1 Theo Joseph E.Bolwes (Foundation analysis and design) 18

2 Mô hình tính toán ma sát âm bằng phần mềm PTHH Plaxis 21

III Ứng dụng lý thuyết tính toán vào thực tế địa chất quận 7 25

1 Phương pháp đại số 25

2 Sử dụng phần mềm PTHH Plaxis 28

IV Các biện pháp khắc phục 43

1 Khái quát chung về các giải pháp 43

2 Các giải pháp thiết kế và thi công móng hạn chế ảnh hưởng của ma sát âm 45

Phần 3: Kết luận, kiến nghị 46

I Kết luận 46

II Kiến nghị: 47

Phần 4: Phụ luc 48

Tài liệu tham khảo 51

Trang 3

xa Q.7 sẽ trở thành một trung tâm kinh tế, một khu dân cư hiện đại của TP.Hồ Chí Minh

Vì vậy, nhiều khu chung cư và cao ốc văn phòng đã, đang và sẽ được xây dựng ngày càngnhiều trong khu vưc Q.7

 Tuy nhiên, xét về mặt địa chất, Q.7 được hình thành trên lớp trầm tích trẻ, với chiềusâu của lớp đất yếu, chưa cố kết có thể lên đến hàng chục mét, dẫn đến khả năng chịu tảicủa lớp đất nền tương đối yếu.Vì vậy khi thi công phần móng cho những công trình nhà caotầng ở đây, phương án thường được chọn là thi công móng cọc Tuy nhiên đôi khi sử dụngphương án này cũng xảy ra sự cố và một trong những sự cố thường gặp nhất chính là dohiện tượng ma sát âm gây ra

 Khi tình toán và thiết kế một công trình, đặc biệt là đối với công trình nhà cao tầng,thì việc tính toán phần móng bao giờ cũng là phần quan trọng nhất, nó có thể chiếm hơn30% trong việc quyết định tính bền vững của công trình cũng như về kinh phí, nếu nhưphần móng bị sự cố thì công trình sẽ có nguy cơ bị sụp đổ hoặc không thể sử dụng đươc,ngoài ra chi phí cho việc sữa chữa phần móng cũng là rất lớn, điều đó sẽ anh hưởng khôngnhò đến tính kinh tế của công trình

 Do điều kiện địa chất của Q.7 có những yếu tố gây nên hiện tượng ma sát âm, gây ranhững sự cố cho phần móng Với tầm quan trong của công việc tính toán thiết kế móng thìngười kĩ sư thiết kế phải cân nhắc, lựa chọn phương án thiết kế và thi công thích hợp đểhạn chế hiện tượng này Để làm được điều đó thì người kĩ sư cần phải có những hiểu biếtnhất định về bản chất của hiện tượng ma sát âm, cũng như một số biện pháp khắc phục

 Tuy nhiên hiện tương ma sát âm hiện nay vẫn còn khá mới mẻ ở nước ta, số tài liệu

và các nhà chuyên môn nghiên cứu về vấn đề này vẫn còn khá ít, ngay cả quy phạm vẫnchưa đề cập một cách đầy đủ về vấn đề này, chủ yếu vẫn là sử dụng tài liệu tiếng nướcngoài để tính toán Do đó việc nghiên cứu về vấn đề này rất thiết thực, nó sẽ làm phong phúthêm nguồn tài liệu về hiện tượng ma sát âm giúp cho các người nghiên cứu sau sẽ rút rađược những kinh nghiệm để dần dần bổ sung và hoàn thiện việc nghiên cứu về bản chất của

Trang 4

II Tổng quan về lịch sử nguyên cứu và giới thiệu chung về đề tài.

1. Tổng quan về lịch sử nghiên cứu:

a Zeevaert (1959)

 Đã đề nghị một phương pháp lý thuyết để xác định khả năng chịu lực của cọc chịumũi có kể đến MSA Trong lý thuyết của mình, Zeevaert không quan tâm đến tải trọng đặtvào cọc do lực MSA kéo xuống, thay vào đó ông đưa vào tính toán sự giảm áp lực duy trìtại lớp chịu lực, nơi mà được cho là khuynh hướng lún của đất giảm

 Giả thuyết giảm bớt khả năng chịu tải của Zeevaert hoàn toàn hàm ý rằng độ trượtgiữa đất và cọc là không xảy ra Do vậy, không có một sự thuyết phục nào về vật lý cơ bảncho giả thuyết của ông

b Poulos & Mattes (1969)

 Đề nghị phương pháp giải tích để dự đoán ảnh hưởng của MSA trên cọc không néntiết diện tròn Đầu cọc được giả định đặt trên một nền cứng tuyệt đối, đất xung quanh cọcđược giả định là vật liệu đồng chất và đàn hồi đẳng hướng Bằng cách dùng phương trìnhMindlin cho sự chuyển vị thẳng đứng của 1 điểm nằm trong khối nữa vô tận, ông đã tìm ragiải pháp cho mối tương quan giữa biến dạng bề mặt của đất và lực kéo xuống gây ra trong

Trang 5

c Fellenius (1972)

 Đưa ra báo cáo rằng MSA liên quan đến vấn đề chuyển vị và không phải là khôngtính toán được Hơn nữa, báo cáo còn nhận xét rằng bằng cách gây ra một tải trọng tạm thờitrên đầu cọc, tải trọng kéo xuống sẽ được hạn chế với một lượng bằng với tải trọng đặt vào.Tuy nhiên, khi tải trọng đã cân bằng, MSA sẽ được sinh ra một lần nữa cùng với sự lún

 Khi lực kéo xuống quá lớn hoặc chuyển vị cho phép của cọc rất nhỏ, MSA có thểđược hạn chế bằng cách áo cọc bằng một lớp bitum

 Fellenius (1989) chỉ ra rằng không chỉ những cọc đặt vào đất nén được, mà tất cả cọcđều chịu MSA Kết luận này dựa trên dữ kiện rằng bất kì một chuyển động dù khoảng 1-2(mm) cũng hoàn toàn đủ để hình thành ma sát bề mặt

 Vì thế, một phương pháp thiết kế thống nhất được đưa ra, trong đó khả năng chịu lựccủa cọc, kết cấu cọc, độ lún cọc đều được đưa ra cân nhắc

d Matyas & Santamarina (1994) phát triển 2 giải pháp để xác định lực kéo xuống và

vị trí điểm trung hòa Giải pháp thứ nhất dựa trên mô hình mặt tiếp xúc cọc-đất là vật liệucứng-dẽo, trong khi giải pháp thứ 2 xem mặt tiếp xúc cọc-đất là vật liệu đàn hồi dẽo

 Bằng cách so sánh 2 giải pháp, hai ông đã nhận thấy giải pháp cứng-dẽo ước tính quácao giá trị lực kéo xuống (MSA) khoảng 50% hoặc hơn, và dự đoán vị trí điểm trung hòasâu hơn 30%

Trang 6

6

e Poorooshasb el al (1996)

 Đã trình bày một phương pháp số dùng để xác định độ lớn và sự phân bố của MSA.Phương pháp này còn có thể áp dụng với vật liệu phi tuyến tính, phụ thuộc vào thời gian, cảcọc chịu mũi lẫn cọc treo Sự phân tích số học bằng việc xây dựng biểu thức vi tích phân,thứ có thể được giải quyết chính xác bằng lập trình máy tính

 Để chứng minh cho khả năng của phương pháp số, một nghiên cứu về cách ứng xửcủa MSA lên cọc treo và cọc chịu mũi đã được tiến hành Nghiên cứu chỉ ra rằng độ sâucủa điểm trung hòa không chịu ảnh hưởng lớn bởi độ sâu của lớp đất đắp như lý thuyết màBowles đã đưa ra trong biểu thức xác định độ sâu điểm trung hòa (L1) của mình Nhưng sựhiện diện của một lớp đất chịu lực tốt tại mũi cọc thì lại có ảnh hưởng rất lớn

f Bên cạnh những nổ lực để tìm hiểu bản chất của hiện tượng trong các công trìnhnghiên cứu giới thiệu bên trên, còn rất nhiều những công trình khác cùng với nhiều phát kiếncủa nhiều nhà nghiên cứu khác, chẳng hạn như Walker & Darvall (1970), Bozozuk (1972),Feda (1976), Janbu (1976), Van Der Veen (1986), Wong & Teh (1995), Esmail (1996)

 Từ kết quả nghiên cứu của những công trình trên, ta nhận thấy rằng vẫn còn khá

nhiều vấn đề tồn tại trong khâu xác định độ lớn ma sát âm cũng như vị trí của điểm trung hòa, từ đó đặt ra yêu cầu cho những công trình nghiên cứu tiếp theo Hơn nữa, từ những nghiên cứu trên, ta có thể nhận ra rằng việc xác định độ sâu điểm trung hòa rất quan trọng trong việc tính toán khả năng chịu lực và độ lún của cọc.

2. Giới thiệu chung về để tài:

 Từ khi ma sát âm được biết đến trong sự làm việc của móng cọc, trên thế giới đã cómột số lượng đáng kể những nghiên cứu về vấn đề này Phần lớn những công bố nghiêncứu đều là kết quả của việc thí nghiệm ngay cả trên hiện trường và trong phòng thí nghiệm,với mục đích khám phá ma sát âm, gây ra trên cọc đơn bởi rất nhiều lý do khác nhau.Chẳng hạn sự cố kết của lớp sét cao do sự xuất hiện của cọc (Fellenious-1972), sự đắp nềnmới (Bozozuk-1972), do sự dao động của mực nước ngầm (Auvinet và Hanell-1981)

 Không riêng gì thế giới, ở nước ta ma sát âm cũng đã ngày càng được quan tâm đếnnhiều hơn trong công tác thiết kế thi công móng sâu, đặc biệt là những vùng có nền đất yếunhư đồng bằng sông Cửu Long, và gần nhất là khu vực quận 7 – Tp HCM Cùng với các đềtài nghiên cứu và báo cáo chuyên đề đi trước, báo cáo nghiên cứu này mong muốn tìm hiểu

rõ hơn về ma sát âm cụ thể trong công tác thi công nền móng nhà cao tầng ở khu vực quận

7 – Tp HCM

Trang 7

 Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết tính toán và phần mền Plaxis giải quyết bài toán masát âm với địa chất thực tế ở quận 7 từ đó đề ra các giải pháp trong thiết kế cọc ở địa bànquận 7 TP Hồ Chí Minh

IV Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

a Mục tiêu

 Tìm hiểu bản chất của hiện tượng ma sát âm

 Khảo sát tình hình ảnh hưởng của ma sát âm đối với công tác thi công cọc bêtông cốtthép cho công trình nhà cao tầng tại quận 7

 Từ đó đưa ra một số phương pháp tính toán sự ảnh hưởng của ma sát âm đối vớimóng cọc và đưa ra một số biện pháp khắc phục sự ảnh hưởng này

b Nhiệm vụ

 Tổng hợp các trường hợp xuất hiện ma sát âm, giải thích các nguyên nhân trong từngtrường hợp cụ thể

 Các quy luật chi phối đến sự phát triển của ma sát âm khi cọc hoạt động

 Tính toán ma sát âm dựa trên lý thuyết của Bowles

 Vận dụng phần mền phần tử hửu hạn Plaxis để giải thích và tính toán ma sát âm trên

cơ sở lý thuyết phần tử hữu hạn và lý thuyết có kết thấm khảo sát sự phát triển ma sát âmtheo thời gian

 Khảo sát ảnh hưởng của ma sát âm đến sức kháng bên của cọc trong các giai đoạnhoạt động của cọc (thi công cọc ép và trong hoạt động lâu dài của cọc đơn hay nhóm cọc)với địa chất cụ thể ở Quận 7 TP Hồ Chí Minh

 Kiến nghị các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của ma sát âm khi thiết kế móng cọc ởquận 7

Trang 8

8

Phần 2:Nội dung nghiên cứu

I Tổng quan về hiện tượng ma sát âm.

Trước hết, cần nhận thấy rằng sự hình thành ma sát bề mặt ở cọc cũng tuân theo quyluật hình thành lực ma sát giữa bất kì 2 vật thể nào trong tự nhiên Để hình thành ma sát,các vật thể phải có xu hướng chuyển động tương đối với nhau Độ lớn của lực ma sát giữacác vật thể phụ thuộc vào lực pháp tuyến (đối với cọc là áp lực ngang của đất), hệ số ma sátgiữa các vật thể và độ biến dạng trượt

 Khi cọc chịu tác động của tải trọng

nén, nó sẽ có xu hướng lún xuống Trong

giai đoạn đầu, khi đang thi công cọc hoặc

vừa thi công cọc xong, nói chung đất xung

quanh cọc sẽ lún ít hơn độ lún của cọc Do

đó, sức kháng bên giữa đất và cọc sẽ có

tác dụng kháng lại tải trọng ngoài, còn gọi

là ma sát dương

 Tuy nhiên, khi đất xung quanh thân

cọc lún nhiều hơn độ lún của cọc, chuyển

vị tương đối giữa cọc và đất sẽ có chiều

ngược lại, do đó sức kháng bên giữa cọc

và đất lúc này cũng có chiều ngược lại

Sức kháng bên này không kháng lại tải

vì lúc này sức chịu tải cọc không những không kể đến sức chịu tải ma sát bên giữa đất và

8

là ma sát dương

8

là ma sát dương

Trang 9

9

cọc (ma sát dương), mà cọc còn chịu lực do ma sát âm kéo xuống Sức chịu tải chỉ còn làsức chịu tải tại mũi cọc, chống lên nền đất cứng hoặc đá

 Các thuật ngữ liên quan trong nghiên cứu ma sát âm:

Theo Fellenius (Pile dragload and downdrag considering liquefaction), một số thuậtngữ liên quan trong nghiên cứu ma sát âm như sau:

 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

 Biến dạng kéo xuống (downdrag): là sự dịch chuyển đi xuống của cọc do đất xung

quanh cọc chuyển vị đi xuống Độ lớn của biến dạng kéo xuống bằng độ lún của đất tại mặtmặt trung hòa

 Mặt phẳng trung hòa (neutral plane): là vị trí dọc theo cọc mà tại vị trí đó lực tác

dụng dài hạn (gồm tải công trình và lực kéo xuống do ma sát âm) cân bằng với tổ hợp lực(gồm sức kháng bên theo chiều dương bên dưới mặt trung hòa và sức kháng mũi) Độ sâumặt trung hòa cũng chính là vị trí mà chuyển vị tương đối giữa cọc và đất bằng 0

a Các trường hợp xuất hiện của ma sát âm theo tổng kết của Joseph E Bowles:

 Có 1 lớp đất đắp dính bên trên một lớp đất rời(cát, cát pha ) Lớp đất đắp trên sẽ sinh

ra sức kháng cắt( lực dính) giữa đất và cọc nhờ vào áp lực hông, vậy nên cọc bị kéo xuống

do quá trình cố kết của lớp đất đắp Một ảnh hưởng nhỏ sinh ra cho lớp đất rời bên dưới làtrọng lượng của lớp đất đắp làm tăng áp lực hông Điều này cung cấp sức kháng bề mặt(thêm vào) chống lại sự lún sâu của cọc và nâng tâm của lực kháng gần lớp đất đắp hơn đốivới cọc chiu mũi

 Một lớp đất rời( đất cát) nằm trên lớp đất yếu, đất dính Trong trường hợp này sẽxuất hiện một vài lực kéo xuống trong vùng đất đắp, nhưng lức kéo xuống chủ yếu sinh ratrong vùng cố kết Đối với cọc chống, bất kì sự lún nào của nhóm đều do lực nén dọc trụccủa cọc Đối với cọc treo, sự lún thêm sẽ xãy ra trừ khi cọc đủ dài để đoạn cọc bên dưới cóthể sinh ra một lực ma sát dương đủ lớn để cân bằng lực sinh ra do ma sát âm Trường hợpnày một vị trí xấp xĩ cân bằng hay măt phẳng trung hòa có thể tồn tại

 Sự hạ thấp mực nước ngầm cùng với sự lún của đất

Trang 10

10

 Gia đoạn đóng cọc (và thử tải) làm phát sinh ứng suất âm trong đoạn cọc phía trên,khi dỡ tải thân cọc nở lên trên Sự trượt và sức kháng bên âm do nguyên nhân trên phải cânbằng với sức kháng bên dương ở đoạn dưới của cọc hay lực chống mũi cọc

b Dựa trên tổng hợp các nguyên cứu của TS Đậu Văn Ngọ và các bài tiểu luận về ma

sát âm trước đây ma sát âm thường xuất hiện trong các trường hợp sau ở nước ta:

 Một điều dễ dàng nhận thấy rằng, mặc dù ở đây thậm chí tồn tại lún tại lớp đất xungquanh cọc, lực kéo xuống (ma sát âm) sẽ không xuất hiện nếu sự dịch chuyển xuống phía

Hình I.2: Các trường hợp xuất hiện ma sátâm

10

Trang 11

11

dưới của cọc dưới tác dụng của tĩnh tải lớn hơn sự lún của đất nền Vì vậy, mối quan hệgiữa biến dạng lún của nền và biến dạng lún của cọc là nền tảng cơ bản để lực ma sát âmxuất hiện Quá trình xuất hiện ma sát âm được đặc trưng bởi độ lún của đất gần cọc và độlún 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 như buông khỏi cọc, còn tải trọng thêm sẽ cộng vào tải trọngngoài tác dụng lên cọc

 Thông thường hiện tượng này xảy ra trong trường hợp cọc xuyên qua đất có tính cốkết và độ dày lớn; khi có phụ tải tác dụng trên mặt đất quanh cọc

 Khi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phíadưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặc chính bản thân lớp nền đắpdưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết Ta có thể xem xét cụthể trong các trường hợp sau:

 Trường hợp (a): khi có một lớp đất sét đắp phía trên một tầng đất dạng hạt mà cọc sẽxuyên qua nó, tầng đất đắp 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 dạng hạt đắp ở phía trên một tầng đất sét yếu,

nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vàocọc

11

Trang 12

12

 Trường hợp (c): khi có một tầng đất dính đắp ở phía trên một tầng đất sét yếu, nó sẽgây ra quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và trong tầng đất sét và tạo lực ma sát âm tácdụng 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 lỏng sẽ có biến dạng lún tức thời, đặc biệt khi đất nềnchịu 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 rấtnhỏ nếu như không chịu tác động của tải trọng bề mặt Nhưng dù sao khi khoan tại lỗ sẽgây ra sự cấu trúc lại của nền sét vì vậy biến dạng lún (nhỏ) của nền sét sẽ xảy ra dưới tácdụng của trọng lượng bản thân của nền sét

 Trường hợp (f): điều hiển nhiên là gần như bất kỳ sự đắp nào sẽ xảy ra biến dạng lúntheo thời gian dưới tác động của trọng lực

 Khi xây dựng các công trình mới cạnh công trình cũ

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

 Phụ tải của nền gần móng (đối với các công trình xây chen) Nguyên tắc xác địnhảnh hưởng của các tải trọng đặt gần nhau là dựa trên đường đẳng ứng suất (ứng sấy hướngthẳng đứng nếu xét về biến dạng lún hoặc ứng suất hướng ngang nếu xét về biến dạngtrượt) (Xem phụ lục I)

12

Trang 13

13

 Mực nước ngầm bị hạ thấp

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

Hình I.6: Ma sát âm xuất hiện khi hạ mực nước ngầm

Hình I.5: Ma sát âm xuất hiện trong quá trình xây chen

13

Hình I.6: Ma sát âm xuất hiện khi hạ mực nước ngầm

Hình I.5: Ma sát âm xuất hiện trong quá trình xây chen

13

Hình I.6: Ma sát âm xuất hiện khi hạ mực nước ngầmHình I.5: Ma sát âm xuất hiện trong quá trình xây chen

Trang 14

14

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

 Phần áp lực nước lỗ rỗng u giảm

 Phần áp lực có hiệu thắng đứng’hlên 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 ngoài q phân bố kín đều khắp

Hình I.7 Biểu đồ tương quan giữa áp lực nước lỗ rỗng u và áp lực có hiệu thẳngđứng lên hạt rắn của đất ’htrong trường hợp bài toán nén một chiều chịu tảitrọng q

 Trong đó:

 z= 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z= 0.2bt

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

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

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm.

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

 Loai cọc, chiều dài cọc, phương pháp hạ cọc, mặt cắt ngang của cọc, bề mặt tiếp xúcgiữa cọc và đất nền

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

 Tải trọng chất tải ( chiều cao đất nền, phụ tải )

14

 Trong đó:

14

 Trong đó:

Trang 15

15

 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 sự liên quan tới sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vàoứng suất có hiệu của đất chung quanh cọc Như vậy lực ma sát âm phát triển theo thời gian

và có trị số lơn nhất khi kết thúc cố kết

 Bất kỳ một sự dịch chuyển nào xuống phía dưới nền đất đối với cọc đều sinh ra masát âm Tải trọng này có thể truyền hoàn toàn từ đất nền cho cọc khi mối tương quan vềchuyển vị khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kính cọc Khi chuyển vị của đất tới15mm thì ma sát âm được phát huy đầy đủ Một điều thường được giả thuyết trong việcthiết kế khi cho rằng toàn bộ lực ma sát âm sẽ xảy ra khi mà có một sự chuyển dịch tươngđối giữa cọc và đất

4 Những tác động của ma sát âm lên nền móng công trình.

 Khi cọc ở trong đất thì sức chịu tải của cọc được thể hiện qua thành phần ma sátdương xung quanh cọc và sức kháng mũi cọc Khi cọc chịu ảnh hưởng của ma sát âm thìsức chịu tải giảm do nó phải gánh chịu một lức kéo xuống mà thường gọi là ma sát âm

 Ngoài ra do quá trình cố kết của lớp đất yếu đã gây nên khe hở giữa đài cọc và lớpđất dưới đài, và khi đó toàn bộ tải trọng đài móng sẽ được truyền sang cọc bên dưới đài và

có thể thay đổi moment uốn trong đài móng Từ đó gây thêm ứng lực phụ tác dụng lên cọc.Lực kéo xuống này có thể làm phá vở cọc

Trang 16

16

 Trong một số trường hợp lực ma sát âm khá lớn, có thể vượt qua tải trọng tác dụnglên đầu cọc ( có thể làm cọc bị hư hỏng ), nhất là đồi với cọc có chiều dài lớn Chẳng hạnnăm 1972, Fellenius đã đo quá trình phát triển lực ma sát âm của hai cọc bêtông cốt thépHình I.8: Cọc bị phá hủy do lực kéo xuống của ma sát âm vượt quá tại thiết kế

Trang 17

17

được đóng qua lớp đất sét mềm dẻo dày 40m và lớp cát dày 15m cho thấy: sự cố kết lại củalớp đất sét mềm bị xáo trộn do đóng cọc đã tạo ra lực kéo xuống 300kN trong thời gian 5tháng và 16 tháng sau khi đóng cọc thì mỗi cọc chịu lực kéo xuống là 440kN

 Ngoài ra trong trường hợp cọc chủ yếu chịu mũi ( mũi cọc đặt trên lớp đá cứng ) thì

ma sát âm có thễ gây ra một lực kéo xuống lảm tăng ứng suất ở mũi cọc ( khả năng này đãđược kiểm chứng thông qua công trình nghiên cứu của Johanessen và Bjerrum, hai ông đãtheo dõi và nhận ra ứng suất ở mũi cọc có thể đạt đến 190kN/m2 ) Nếu là cọc thép thì cókhả năng cọc sẽ xuyên thủng lớp đá, còn nếu là cọc bêtông cốt thép thì đầu cọc sẽ bị vỡ, cảhai trường hợp trên đều sẽ khiến cho sức chịu tải của cọc bị giảm rất nhiều, dẫn đến gâynguy hiểm cho công trình

 Đối với việc sử dụng giếng cát: ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết của nền đấtyếu sử dụng giếng cát Hiện tượng ma sát âm gây ra hiệu ứng treo của đất xung quanhgiếng cát làm cản trở độ lún và cản trở quá trình làm tăng khả năng chịu tải của đất nềnxung quanh giếng cát

 Như vậy tác dụng chính của lưc ma sát âm là làm tăng lực nén dọc trục cọc, làm tăng

độ lún của cọc, ngoài ra do lớp đất đắp bị lún tạo ra khe hở giữa đài cọc và lớp đất bên dướiđài có thể làm thay đổi moment uốn tác dụng lên đài cọc Lực mà sát âm làm hạn chế quátrình quá trình cố kết thoát nước của nền đất yếu khi có gia tải trước và dùng giếng cát, cảntrở quá trình làm tăng khà năng chịu tải của đất nền xung quanh giếng cát

a Theo tiêu chuẩn thiết kế móng cọc theo TCXD 205-1998:

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

 Sự tăng độ chặt của đất 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 đếntăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất;

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

 Phụ tải trên nền với tải trọng lớn từ 2T/m2trở lên;

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

b Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272:

 Ở những nơi cọc nằm dưới lớp đất sét, bùn hoặc than bùn;

Trang 18

 Phải cộng tải trọng kéo xuống vào tảo trọng thẳng đứng dùng cho các móng sâu khiđánh giá độ lún ở trạng thái giới hạn sử dụng

II Cơ sở lý thuyết và công thức tính toán.

1 Theo Joseph E.Bolwes (Foundation analysis and design)

Ông cho rằng để lực ma sát âm phát triển một cách đáng kể thì một phần của cọcphải được cố định chống lại chuyển vị đứng, như mũi cọc được tựa trên lớp đá, đất cứnghoặc được ngàm vào trong lớp cát chặt Nếu toàn bộ cọc đều di chuyển xuống cùng với ảnhhưởng của quá trình cố kết, sẽ không xảy ra hiện tượng ma sát âm

a Đối với cọc đơn, ma sát âm có thể được xác định qua các trường hợp cụ thể sau:

Hình I.1: Các trường hợp xuất hiện ma sát âm

Trang 19

 q : ứng suất hữu hiệu tại độ sâu z, q = q + γ z (kPa)

 qo : áp lực phụ tải (do lớp đất đắp) (kPa)

TH2: Cọc đóng qua lớp đất sét cố kết nằm bên dưới lớp đất đắp là đất rời (hình b)

 Pnp: giá trị sức kháng bề mặt dương tại mũi cọc (kN)

 L1: độ dài đoạn cọc chịu ma sát âm, từ đáy lớp đất đắp đến điểm trung hòa (m)

 L: chiều dài đoạn cọc tính toán trong vùng chịu lực (bỏ qua lớp đất đắp), thườngkhông phải là chiều dài cọc Lp(m)

Trang 20

Hình II.2: Vị trí mặt phẳng trung hòa

Trang 21

21

nhiên công trình của họ đã không được công nhận bởi có quá nhiều giả thiết, dự đoán trongquan điểm tính toán Nhưng từ công trình của họ, điểm trung hòa thường xuất hiện trongkhoảng L/2 – L/3 tính từ mũi cọc trở lên Điểm L/3 dường như được áp dụng đặc biệt khimũi cọc chịu hầu hết tải thiết kế

b Khi cọc làm việc trong nhóm, lực ma sát âm có thể tác dụng một cách hiệu quả trênchi vi nhóm cọc hơn là từng cọc đơn Có 2 trường hợp ứng suất cần thiết phải khảo sát:

 Ma sát âm trên nhóm cọc bằng tổng các lực ma sát âm ở từng cọc riêng lẽ:

 γ : trọng lượng riêng của đất xung quanh cọc tới độ sâu Lf

 A : diện tích nhóm cọc trong chu vi p (A=L.B)

 f = α q K : ma sát hữu hiệu trên chu vi nhóm cọc

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

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

Trang 22

22

 Mô hình tính 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 côngtrình dang thi công cũng như công trình lân cận tính năng này giúp người thiết kế đánh giáđược 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 thấmphần mềm giải bài toán cố kết thấm và lún cố kết với các thông số đất nền do người dùngnhập vào và các thông số ứng suất biến dạng từ các bước tính toán phần tử hữu hạn ở cácbước trên Nhờ đó ta xét được những ảnh hưởng của quá trình cố kết tác động đến côngtrình

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

b 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 phương trình mặt dẻo của nó được định nghĩatheo tiêu chuẩn của Mohr Coulomb

 Đây là một mô hình tính toán đất nền được ứng dụng rỗng rãi trong thực tế với bộthông số 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 triễn ma sát âm trong cọc thông qua quá trình cố kết của đất do đóviệc 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 hình theo 2 trạng thái tínhtoán Drained (single analysis) và Undrained (double analysis) Ta sử dụng ứng sử dụng ứng

sử Undrained cho tính toán các lớp đất sét, đối với các lớp cát sử dụng ứng xử Drained vìcát thoát nước nhanh sau khi chất tải

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

Trang 23

23

 Thông số sức kháng cắt hữu hiệu của đất: lực dính c’, góc ma sát’ đặc trưng chosức chống cắt và góc ma sát của chính khung hạt đất Hai thông số này xác định từ thínghiệm 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

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

CD hầu như không được thực hiên vì phức tạp và tốn thời gian do đó giá trị độ cứng E’ xácđịnh 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(

 Công thức tương quan giữa E’oedvà E’:

 Xác định hệ số thấm kx,kytừ thí nghiệm nén cố kết thông qua biểu đồ chuyển vị củamẫu theo thời gian

Hình II.3: Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng

23

5.0,)'1(2

')

1(

23

5.0,)'1(2

')

1(

Trang 24

24

 Từ đồ thị xác định hệ số cố kết cv

 Từ đó suy ra hệ số thấm k theo công thức:

1 2

o

v n v

 Đối với cọc ép tiết diện hình vuông cạnh D: giá trị EI, EA xác định theo moment

max

4 4

3 max

12

D h

D h L

Lmax: khoảng cách lớn nhất giữa 2 cọc, từ đó tính EA và EI cho bề rộng 1m

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

24

1 2

o

v n v

max

4 4

3 max

12

D h

D h L

Lmax: khoảng cách lớn nhất giữa 2 cọc, từ đó tính EA và EI cho bề rộng 1m

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

24

1 2

o

v n v

max

4 4

3 max

12

D h

D h L

Lmax: khoảng cách lớn nhất giữa 2 cọc, từ đó tính EA và EI cho bề rộng 1mHình II.4: Biểu đồ phát triển độ lún cố kết theo thời gian-lg(t)

Trang 25

25

 Đối với cọc nhồi tiết diện hình tròn đường kính D

3 max

4 4

3 max

16

364

D h

L

, từ đó tính EA và EI cho bề rộng 1m

 Khối lượng trên một m dài: w=(concrete-soil)xhtd

d Để mô hình chính xác chuyển vị cọc và đất ta sử dụng phần tử tiếp xúc với chức năngchia nhỏ lưới phần tử tại vị trí tiếp xúc giữa cọc và đất vì chuyển vị dọc trục cọc nhỏ trongkhi chuyển vị đất lớn nếu không có phần tử này các nút có cùng chuyển vị kết quả nội lực sẽkhông chính xác

III Ứng dụng lý thuyết tính toán vào thực tế địa chất quận 7.

4 4

3 max

16

364

D h

L

4 4

3 max

16

364

D h

L

Định dạng
Số trang	51
Dung lượng	3,45 MB