TIỂU LUẬN CHUYÊN ĐỀ MA SÁT ÂM

Hình 3 : 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

MỤC LỤCPHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM

1 Định nghĩa hiện tượng ma sát âm Trang 4

2 Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm Trang 5

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm Trang 9

4 Aûnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình Trang 10

5 Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế Trang 10

PHẦN II : NGHIÊN CỨU VỀ MA SÁT ÂM CỦA VIỆN NATIONAL

HIGHWAY THUỘC BỘ GIAO THÔNG MỸ (US DEPARTMENT

OF TRANSPORTATION)

1 Hiện tượng ma sát âm – Tiêu chuẩn nhận biết Trang 18

2 Phương pháp sát định ma sát âm Trang 19

3 Các phương pháp giảm ma sát âm Trang 20

4 Ứng dụng tính toán vào một bài toán thực tế Trang 22

PHẦN III : CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM

2 Mô hình thứ hai (Pháp) Trang 33

3 Mô hình thứ ba (Anh) Trang 37

4 Mô hình thứ tư (Mỹ) Trang 38

5 Mô hình thứ năm (Anh) Trang 41

6 Mô hình thứ sáu (Mỹ) Trang 45

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

ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM THEO TCVN – LẬP CHƯƠNG

TRÌNH TÍNH TOÁN BẰNG MÁY TÍNH

1 Lý thuyết tính toán Trang 52

2 Chương trình tính toán bằng máy tính Trang 56

3 Giải và thiết lập sự tương quan h-z, h-Qs-, h-Qs, h-Qu cho

cho một bài toán cụ thể Trang 58

PHẦN V : CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA MA

SÁT ÂM

1 Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất Trang 62

2 Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng MSA Trang 63

3 Dùng sàn giảm tải có xử lý cọc Trang 64

PHẦN VI : NHẬN XÉT – KIẾN NGHỊ Trang 65

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM1- Định nghĩa hiện tượng ma sát âm

Định nghĩa hiện tượng ma sát âm: Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đóng vào trong tầng đất nền có quá trình cố kết chưa hoàn toàn Nếu tốc độ lún của đất nền dưới công 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

Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún của đất xung quanh cọc và tốc độ lún của cọc Lực ma sát âm có chiều hướng thẳng đứng xuống dưới, có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, do đó làm tăng lực tác dụng lên cọc Ta có thể so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương thông qua hình sau:

Hình 1a: Sự phát sinh ma sát dương

Hình 1b : Ma sát âm có lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân

Hình 1c: 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 cĩ thể xuất hiện trong một phần đoạn của thân cọc hay tồn thân cọc, phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưa cố kết Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên tồn thân cọc thì rất nguy hiểm, sức chịu tải của cọc khơng những khơng kể đến sức chịu tải do ma sát hơng của đất và cọc mà cịn bị ma sát âm kéo xuống Sức chịu tải lúc này chủ yểu là sức chịu tải của mũi, chống lên nền đất cứng hay đá

2- Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm

Một điều dễ dàng thấy rằng, mặc dầu ở đây thậm chí tồn tại 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 sự 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 trong trường hợp cọc xuyên qua đất có tính cố kết và độ dày lớn; Khi có phụ tải tác dụng trên mặt đất quanh cọc

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

Hình 2 : 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 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

+ Trường hợp (b): Khi có một tầng đất dạng hạt, đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc

+ Trường hợp (c): Khi có một tầng đất dính đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và tầng đất sét và tạo ra lực

ma sát âm tác dụng vào cọc

Trong trường hợp các cọc được tựa trên nền đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt, có thể xảy ra các trường hợp sau:

Tải trọng bề mặt

Tầng chịu lực Cát xốp

+ 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 vậy biến dạng lún (nhỏ) của nền sét sẽ xảy ra dưới tác dụng của trọng lượng bản thân của nền sét

+ Trường hợp (f): Điều hiển nhiên là gần như bất kỳ sự đắp nào sẽ tạo ra biến dạng lún theo thời gian dưới tác dụng của trọng lực

Việc xác định mối quan hệ của độ lún của đất nền ở phía trên và của cọc là cần thiết để đề ra giải pháp xử lý phù hợp đối với vấn đề đó Trong các trường hợp nơi mà đất nền ở phần trên lún xuống phía dưới lớn hơn độ lún cọc, một giải pháp thiên về an toàn có thể có được khi giả thiết tải trọng truyền hoàn toàn tới đỉnh của lớp đất nền phía dưới

b- 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 được 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 chuyển dịch này có thể giảm thiểu bằng việc lựa chọn một giải pháp thiết kế nền móng một cách hợp lý

Hình 3 : 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 đất đắp cao làm cho lớp đất bên dưới bị lún do phải chịu tải trọng của lớp đất đắp này, còn phần bên kia mố (phía sông) thì không có tải trọng đắp nên lớp đất nền không

bị lún do tải trọng ngoài, do đó cọc không bị ảnh hưởng của ma sát âm Vì vậy, một bên cọc chịu ma sát âm còn bên kia chịu ma sát dương

c- Ngoài ra, việc hạ thấp mực nước ngầm làm tăng ứng suất thẳng đứng có hiệu tại mọi 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 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 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 nén một chiều và tải trọng ngoài q phân bố kín đều khắp

u = 0min

u

σha

đ

Hình 4 : Biểu đồ tương quan giữa áp lực nước lỗ rỗng u và áp lực có hiệu thẳng đứng lên hạt rắn của đất σh trong trường hợp bài toán nén một chiều và tải trọng

ngoài q phân bố kín đều khắp

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 H a Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998: Hiện tượng ma sát âm nên được xét đến 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 …

3- 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, bề mặt 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 trực tiếp vào ứng suất có hiệu của đất chung quanh cọc Như vậy lực ma sát âm phát triển theo thời gian và có trị số lớn nhất khi kết thúc cố kết

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 chuyển vị khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kính cọc 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 sát âm sẽ xảy ra khi mà có một sự chuyển dịch tương đối của nền đất được dự đoán trước

4- 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 sát âm thì sức chịu tải giảm do nó phải gánh chịu một lực kéo xuống mà thường gọi là lực ma sát âm Ngoài ra do quá 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 đối với cọc có chiều dài lớn Chẳng hạn năm 1972 Fellenius đã đo quá trình phát triển lực ma sát âm của 2 cọc bêtông cốt thép được đóng qua lớp đất sét mềm dẻo dày 40m và lớp cát dày 15m cho thấy: sự cố kết lại của lớp đất 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 là 440KN

Johanessen và Bjerrum đã theo dõi sự phát triển hiện tượng ma sát âm trên 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 1.500KN ở mũi cọc Ứng suất ở mũi cọc ước tính đạt đến

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 giếng cát

Qua sự phân tích cho thấy tác dụng chính của lực ma sát âm là làm gia 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 dưới đài có thể làm thay đổi momen uốn 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 ma sát âm còn có thể làm tăng lực ngang tác dụng lên cọc

5 Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế

a- Sụt lún do khai thác nước ngầm ở các thành phố lớn

Số liệu nghiên cứu mới đây của Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây dựng

Hà Nội, trực thuộc Sở Xây dựng Hà Nội đã chỉ ra tình hình sụt lún liên quan đến việc khai thác nước ngầm tại nhiều điểm trên địa bàn Hà Nội

T.S Nguyễn Sinh Minh - Viện trưởng Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây dựng Hà Nội cho biết số liệu nghiên cứu thực nghiệm hiện tượng lún bề mặt đất Hà Nội do thay đổi mực nước ngầm từ năm 1991 cho đến nay cho thấy cĩ những điểm ở Hà Nội bị sụt lún tới 4 cm/năm và đây là một con số đáng lưu ý đối với các cơ quan chức năng trong việc khai thác nước ngầm cũng như xây dựng của thành phố Theo số liệu thu thập được, lượng nước ngầm khai thác trong năm 2006 khoảng 650.000 – 700.000 m3/ngày đêm Tầng khai thác nước chủ yếu là tầng chứa nước Pleistocen (qp), cĩ nguồn cung cấp chủ yếu là nước mưa và nước mặt Tuy nhiên, lượng cung cấp này thường nhỏ hơn so với lưu lượng khai thác Điều đĩ dẫn đến mực nước ngầm hàng năm bị hạ thấp Thêm vào đĩ điều kiện địa chất của thành phố rất phức tạp, nhiều nơi tồn tại những tầng đất yếu với chiều dày lớn Điều này cĩ thể gây ra sụt lún nền đất, ơ nhiễm nước ngầm…

Theo ơng Minh, kết quả quan trắc lún bề mặt đất do thay đổi mực nước ngầm tại

10 trạm đo lún bề mặt đất- đặt tại các nhà máy nước và trạm tăng áp thuộc Cơng ty Kinh doanh nước sạch và Cơng ty Kinh doanh nước sạch số 2 Hà Nội- trong những năm qua cho thấy: Tại những trạm cĩ tồn tại lớp đất yếu, tốc độ lún bề mặt đất tương đối lớn như Thành Cơng (41,02 mm/năm), Ngơ Sĩ Liên (27,14 mm/năm), Pháp Vân (22,02 mm/năm) Những trạm khơng tồn tại lớp đất yếu cĩ tốc độ lún bề mặt nhỏ như Ngọc Hà (1,80 mm/năm), Mai Dịch (2,28 mm/năm), Đơng Anh (1,41 mm/năm) Những trạm cĩ vị trí gần sơng Hồng cĩ độ lún bề mặt đất nhỏ hơn vì mực nước ngầm được nước sơng bù phụ một phần như Lương Yên (16,85 mm/năm), Gia Lâm (12,99 mm/năm).

“Kết quả quan trắc tại 10 trạm nĩi trên cĩ độ chính xác cao và cĩ thể khẳng định rằng quá trình hạ thấp mực nước ngầm đã gây nên hiện tượng sụt lún bề mặt đất tại những vị trí khai thác Vì những trạm đo lún nĩi trên hầu hết được đặt tại tâm phễu lún (trong các nhà máy nước) nên nĩ chỉ phản ánh được độ lún riêng lẻ tại nơi khai thác nước ngầm mà chưa thể hiện được phạm vi ảnh hưởng (bán kính) của phễu lún cũng như khả năng ảnh hưởng của các phễu lún”- Đại diện Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây dựng Hà Nội cho biết

Ơng Đỗ Tuấn Anh, cán bộ phịng nghiên cứu và thí nghiệm địa kỹ thuật, Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây dựng Hà Nội cũng cho biết cĩ nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng lún bề mặt đất như: Do khai thác nước dưới đất; việc tăng tải trọng ngồi do xây dựng cơng trình; do vận động tân kiến tạo; tính chất từ biến của đất

Tuy nhiên các phương pháp quan trắc thực nghiệm mà Viện đang tiến hành nghiên cứu đã khẳng định rằng sự thay đổi mực nước ngầm là một trong những nguyên nhân

“Đặc điểm chính của sự sụt lún bề mặt đất do thay đổi mực nước ngầm làm cho bề mặt địa hình thay đổi theo thời gian Vì vậy khi quy hoạch, xây dựng cần phải lưu ý để đưa ra được giải pháp hợp lý trong việc xử lý cốt san nền, xây dựng hệ thống thốt nước Đối với các cơng trình giao thơng và các cơng trình xây dựng dân dụng cơng nghiệp sử dụng giải pháp mĩng nơng phải lưu ý tới độ lún nền đất bị tăng thêm do hạ mực nước ngầm để từ

dự báo độ lún của một khu vực cũng như tồn thành phố Hà Nội Như vậy, chương trình nghiên cứu lún bề mặt đất thành phố Hà Nội cần phải được phát triển thêm nhiều trạm đo lún tại tâm phễu cũng như miếng phễu lún.

b- 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 với kết cấu bê tông cốt thép Các khán đài lớn là B, C và D có 70 trục móng cột chịu tải trọng chính, cọc móng co chiều dài 9,5m

Cạnh sân vận động là Nhà máy cấp nước Long An, khai thác nước ngầm ở tầng sâu 300m, Hệ thống khai thác có 7 giếng mà giếng gần nhất là cách sân vận 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 thái dẻo

−Lớp 5: Cát vừa đến mịn lẫn bột, màu xám trắng đến nâu vàng nhạt trạng thái 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, độ dẻo cao trạng thái nữa cứng, dày 3,2m

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

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

−Lớp 9: Cát vừa đến mịn lẫn bột màu xám trắng vàng nhạt, trạng thái chặt vừa 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 của hệ khung chịu lực khán đài sân vận động do quá trình cố kết của đất nền bởi họat động 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

Cét bÞ lón g©y háng kÕt cÊu

BËc cÊp bÞ lón lÖch

Cét lón nøt

DÇm BËc cÊp bÞ ¶nh hëng

BËc cÊp bÞ lÖch do lón

Cét bÞ háng kÕt cÊu t¹i ®Çu ngµm

PHẦN II NGHIÊN CỨU VỀ MA SÁT ÂM CỦA VIỆN NATIONAL

HIGHWAY THUỘC BỘ GIAO THÔNG MỸ (US DEPARTMENT OF TRANSPORTATION)

1- Hiện tượng ma sát âm – Tiêu chuẩn nhận biết :

Khi cọc được đóng xuyên qua (đặt vào) lớp đất bồi tích đang trong quá trình cố kết, sự di chuyển xuống của đất xung quanh cọc gây ra lực kéo xuống trong cọc Lực kéo xuống còn gọi là sức kháng âm (ma sát âm) Sức kháng âm là sự ngược lại của của sức kháng lên dọc theo thân cọc Sức kháng âm làm giảm sức chịu tải dọc trục của cọc và đặc biệt có thể quan trọng trong cọc dài xuyên qua đất có tính nén Vì vậy, sức kháng âm phải được qua tâm trong quá trình thiết kế cọc Cọc xiên nên được tránh xa trong đất có tính nén, loại đất mà được xem là có độ lún lớn Bởi vì trong cọc xiên thường có thêm lực uốn lớn, điều này có thể làm phá hoại và hư hỏng cọc

Độ lún tính toán nên được sử dụng để xác định giá trị độ lún của đất xung quanh cọc sau khi đóng cọc xuyên qua đất Độ lún giữa đất và cọc đủ để tạo nên

bằng với lực dính giữa cọc và đất Sức kháng âm không thể lớn hơn giá trị này bởi

vì sự trượt của đất xung quanh cọc sẽ xảy ra khi đạt giá trị này Việc quan trọng trong tính toán thiết kế sức kháng ma sát cọc là xác định được độ sâu mà ở vị trí đó cọc không bị ảnh hưởng của sức kháng âm Ở bên dưới vị trí đó sức kháng hông mới tiếp nhận chống đỡ tải trọng đứng

Trường hợp thường xảy ra ma sát âm nhất là khi có lớp đất đắp lên nền đất có tính nén thấp (chưa cố kết) sau khi đóng cọc Điều này được thể hiện trên hình 1a Sức kháng âm cũng phát triển khi áp lực có hiệu quả lớn gia tăng lên lớp đất chịu nén mà cọc xuyên qua, nguyên nhân do sự hạ thấp mực nước ngầm như trên hình 1b

Briaud và Tucker (1993) đưa ra tiêu chuẩn nhận biết khi có ma sát âm xảy

ra Nếu gặp một trong những điều kiện sau đây, ma sát âm cần phải được xem xét trong thiết kế Các tiêu chuẩn cụ thể như sau:

1- Tổng độ lún của mặt đất lớn hơn 100mm

2- Độ lún của mặt đất sau khi đóng cọc lớn hơn 10mm.

3- Chiều cao của đất đắp trên mặt đất vượt quá 2m

4- Chiều dày của lớp đất yếu lớn hơn 10m.

5- Mực nước ngầm bị hạ thấp hơn 4m.

6- Chiều dài cọc lớn hơn 25m.

2 - Phương pháp xác định ma sát âm:

Sức kháng âm cũng giống như sức kháng dương, chỉ khác là ngược chiều Có hai phương pháp thiết kế móng cọc có ma sát âm Phương pháp truyền thống là tính toán lực ma sát từ tầng đất phía trên lớp đất cố kết, và cộng sức kháng này như là một phần tải trọng đỡ cọc Trong phương pháp này, các phương pháp được thảo luận cho việc tính toán sức kháng dương trong đất dính và đất rời có thể được dùng Một phương pháp mới để xác định sức kháng âm dựa trên quan hệ giữa sự chuyển

vị của cọc và sự phát triển của ma sát âm, được sử dụng trong tài liệu “Downdrang

on Bitumen - Coated Piles” của Briaud và Tucker (1993)

Phương pháp xác định ma sát âm truyền thống:

Phương pháp α trong phần 9.7.1.3 thường được dùng để tính toán ma sát âm trong đất dính Trong phương pháp này, lực dính tính toán từ sức chống cắt không thoát nước được lập phương trình lực kéo từ tầng đất đang cố kết Tương tự , lực kéo (cản) từ lớp đất rời bên trên lớp đất đang cố kết được tính toán từ sức kháng trong lớp đất rời

Khi chọn lựa sức chống cắt không nước cho việc tính toán lực dính ma sát âm trong phương pháp α , điều quan trọng cần ghi nhớ là lực dính của đất đang cố kết sẽ cao hơn sức chống cắt không thoát nước theo thời gian Lực dính nên được tính toán bằng cách không dùng giá trị lực dính có giá trị cao, xác định từ sức chống cắt không thoát nước lúc khoan lấy mẫu, hoặc đánh giá sức chống cắt không thoát nước của đất sau khi cố kết Lực cản bằng 100% sức chống cắt không thoát nước của sét mềm, α =1, đựơc trình bày bởi Johansesen và Bjerrum (1965) cho mũi cọc đóng vào lớp đất cứng Công trình nên được thí nghiệm xác định tải trọng kéo vì thế tải trọng kéo không được ước tính quá cao, kết quả là thiết kế nền móng sẽ quá đắt, hoặc nếu ước tính thấp, kết quả sẽ vượt qua sức chịu tải của nền.

Các bước thiết kế ma sát âm :

1- Thiết lập mặt cắt địa chất và các chỉ tiêu vật lý của đất nhằm phục vụ cho tính toán độ lún

2- Xác định độ gia tăng áp lực bên trên ∆p,

Độ gia tăng áp lực ∆p bằng với hệ số nén Kf, xác định từ biểu đồ phân bố áp lực trên hình 2, bằng cách nhân chiều cao lớp đất hf và trọng lượng riêng của lớp đất đắp δf

Biểu đồ phân bố áp lực cho được hệ số nén Kf, ở các độ sâu khác nhau bên dưới lớp đất đắp (x,bf) và ở các khoảng cách khác nhau từ tâm của lớp đất đắp Độ sâu bên dưới đáy đất đắp được cho khi nhân với bf, ở đây bf là khoảng cách từ tâm lớp đất đắp, được cho trên hình 2

3- Thực hiện tính toán độ lún cho các lớp đất dọc theo chiều sâu của cọc:

a- Xác định các thông số của thí nghiện nén cố kết từ kết quả thí nghiệm

nén cố kết trong phòng

b- Tính toán độ lún của mỗi lớp đất sử dụng phương trình tính toán độ lún

thích hợp được cho trong mục 9.8.2.3 cho đất dính và mục 9.8.2.4 cho đất rời

c- Tính toán độ lún tổng trên chiều sâu của cọc bằng cách tổng độ lún của

các lớp đất Lưu ý không kể độ lún của lớp đất bên dưới mũi cọc

4- Xác định chiều dài cọc sẽ chịu ma sát âm :

Ma sát âm xảy ra là do độ lún giữa đất và cọc Giá trị độ lún giữa đất và cọc đủ để tạo ra ma sát âm là khoảng 10mm Vì vậy, ma sát âm chỉ xảy ra ở thân cọc tại mỗi lớp đất hoặc một phần của lớp đất khi độ lún lớn hơn 10mm

5- Xác định độ lớn của ma sát âm, QS

-Phương pháp sử dụng để tính toán lực ma sát âm tới hạn theo chiều dài cọc xác định ở bước 4 giống như phương pháp sử dụng để tính toán lực ma sát dương tới hạn, mặc dù rằng chúng ngược chiều nhau.

6- Tính toán khả năng chịu lực tới hạn của cọc bằng sức kháng dương và sức kháng mũi QU+

Lực ma sát dương và kháng mũi sẽ xuất hiện bên dưới độ sâu mà sự chuyển vị tương đối giữa đất và cọc nhỏ hơn 10mm Lực ma sát dương có thể được tính toán trên phần chiều dài cọc còn lại bên dưới đoạn cọc chịu ma sát âm ở bước 4

7- Tính toán sức chịu tải của cọc QUnet có thể đạt được:

QUnet = QU+ - QS

-8-Xem xét các phương pháp khác để làm cho cọc có sức chịu tải cao hơn.Phương án lựa chọn được mô tả trong mục 9.9.1.2 và bao gồm sử dụng gia tải trước hoặc dùng bấc thấm thoát nước để giảm độ lún trước của công trình cọc, dùng đất đắp có trọng lượng nhẹ để giảm độ lún gây ra ma sát âm, dùng việc giảm

ma sát để giảm tải trọng kéo xuống, dùng vật liệu cường độ cao, hoặc tách rời cọc với đất đang cố kết

3- Các phương pháp để giảm lực ma sát âm:

Ngoài thực tế hiện trường, những nơi mà ma sát âm trong cọc lớn và làm giảm tải trọng thiết kế, lực ma sát âm có thể được xử lý hoặc giảm bớt bằng cách một trong nhiều biện pháp kỹ thuật sau đây:

a- Giảm độ lún của đất:

Sự cố kết trước của đất có tính nén có thể được đạt được bằng cách gia tải trước Phương pháp này thường được sử dụng cho móng mố trụ cầu trong giai đoạn đắp Bấc thấm thoát nước thường được sử dụng kết hợp với gia tải trước nhằm mục đích rút ngắn thời gian cố kết Vấn đề thoát nước bằng bấc thấm có thể tham khảo thêm vào quyển “Prefabricated Vertical Drains”, FHWA RD 86/168 của Rixner (1986) và quyển “Ground Improvement Technology Manual” của FHWA Demonstration Project 116, Elias et al (1996)

b- Dùng lớp đất đắp có trọng lượng nhẹ:

Cấu tạo của lớp đất đắp có trọng lượng nhẹ làm giảm tải trọng kéo xuống Đất đắp có trọng lượng nhẹ thường được sử dụng, phụ thuộc vào vật liệu có sẵn tại chỗ, bao gồm đất, bọt, bê tông bọt, vỏ bào, xỉ bọt lò cao, và đá phiến xốp Những dữ

liệu thêm về đất đắp có trọng lượng nhẹ có thể tham khảo trong FHWA Demonstration Project 116, Elias et al (1996).

c- Dùng thiết kế bị giảm ma sát:

Sơn phủ lớp bitum (nhựa đường) và tấm chất dẻo là hai phương pháp thường dùng để giảm ma sát ở bề mặt cọc và đất Nhựa đường chỉ nên đựơc dùng khi chỉ một phần của cọc được đặt vào vùng ma sát âm Trong thực tế lớp sơn phủ bitum được ghi nhận là có thể giảm lực ma sát âm ít nhất từ 47% đến nhiều nhất là 90% Goudreault và Fellenius (1994) đề nghị rằng sự giảm ma sát âm do hiệu ứng của nhựa đường có thể tính toán bằng cách sử dụng giới hạn trên là 10 kPa cho lực dính giữa cọc và đất trong vùng có lớp phủ bitum

Một trong những vấn đề chính trong việc sử dụng lớp sơn phủ bề mặt bitum là việc bảo vệ lớp phủ này trong quá trình hạ cọc, đặc biệt là khi đóng qua lớp đất hạt thô Giải pháp ít tốn kém cho vấn đề này là hàn 1 mặt bích có kích thước dày xung quanh cọc tại vị trí kết thúc của lớp phủ nhựa đường Cái mặt bích này sẽ tạo một kích thước lỗ cọc thích hợp để bảo vệ lớp nhựa đường khi đóng cọc vào lớp đất hạt mịn Giải pháp sử dụng lớp phủ nhựa đường là một giải pháp thành công được chấp nhận trong xây dựng, không phải là một giải pháp đặc biệt khác lạ trong việc giải quyết cọc chịu ma sát âm

Lớp nhựa đường phải có độ sệt thấp để tạo nên độ trượt trong đất, độ sệt chưa đủ cao và độ bám dính, đảm bảo lớp phủ sẽ gây cản trở trong quá trình đóng cọc, độ dẻo đủ sẽ chống lại nứt và hư hỏng lớp nhựa đường trong suốt quá trình đóng cọc Vì vậy, thời tiết khi đóng cọc nên được chọn lựa sao cho phù hợp

Tấm chất dẻo làm giảm ma sát một cách tinh tế hơn Tawfig (1994) thực hiện thí nghiệm trong phòng dùng một lớp màng polyetylen dày 0,15mm để giảm

ma sát âm Kết quả thí nghiệm trong phòng cho thấy màng chất dẻo làm giảm ma sát giữa đất và cọc lên đến 78% nếu dùng một lớp màng chất dẻo, và giảm đến 98% khi sử dụng 2 lớp màng chất dẻo kết hợp với dầu kháng chất bôi trơn Kết quả thí nghiệm cho thấy ma sát giữa đất và cọc khi sử dụng một lớp màng vào khoảng 10 kPa và chỉ còn 1 kPa khi sử dụng hai lớp màng

d- Gia tăng ứng suất cho phép của cọc:

Khi độ bền vật liệu cho phép của cọc không được tận dụng đầy đủ, ứng suất thiết kế trong cọc có thể gia tăng song song với lực ma sát âm Gia tăng độ bền cấu trúc cũng có thể đạt được bằøng cách dùng vật liệu cọc có độ bền cao, hoặc trong trường hợp cọc ống, có thể dùng cách gia tăng chiều dày thành ống Độ lún nền khi tăng tải nên được tính toán và kiểm tra lại lần nữa

4- Ứng dụng vào bài toán thực tế.

Cọc chịu Nam Abutment xảy ra hiện tượng ma sát âm là do độ lún của lớp đất yếu do thi công lớp đất đắp bên trên cao khoảng 10m sau khi đóng cọc Độ lún này cần phải dược ưu tiên đánh giá trước để xác định chính xác vị trí ma sát âm và

ma sát dương dọc theo thân cọc Phương pháp α được dùng để đánh giá cho cả hai trường hợp ma sát âm và ma sát dương Các bước dùng để xác định sức chịu tải của cọc đã được trình bày trong phần lý thuyết ở trên

Bước 1: Thiết lập mặt cắt địa chất và các chỉ tiêu cơ lý của đất nhằm phục

vụ cho tính toán độ lún (Xem hình 3)

Mặt cắt địa chất

Bước 2: Xác định độâ gia tăng áp lực ∆P do lớp đất đắp

Bề rộng mặt trên của lớp đất đắp = 12m

Độ dốc mái đắp: 2H: 1V

Chiều cao lớp đất đắp: hf = 10m

Vì vậy: bh = )X2 16m

2

10(2

Tính toán áp lực ∆P:

∆P = kf δf.hf

kf: hệ số nén

δf: trọng lượng riêng của khối đất đắp = 20 KN/m 3hf: chiều cao lớp đất đắp

Độ gia tăng áp lực tính toán cho trong bảng sau:

Bước 3: Thực hiện tính toán độ lún cho các lớp đất dọc theo chiều sâu

cọc

a- Xác định các thông số của thí nghiệm nén cố kết thực hiện trong phòng.

Lớp đất 1: Áp lực cố kết trước, pc = 67 kPq

Hệ số rỗng ban đầu, lo = 0,94

Chỉ số nén lại, CC2 = 0,03Lớp đất 2: Áp lực cố kết trước, pc = 200 kPq

Hệ số rỗng ban đầu, lo = 0,8Chỉ số nén, CC = 0,30

Chỉ số nén lại, CC2 = 0,03Lớp đất 3: Áp lực cố kết trước, pc = 297 kPq

Hệ số rỗng ban đầu, lo = 0,54Chỉ số nén, CC = 0,20

Chỉ số nén lại, CC2 = 0,02

b- Tính toán độ nén cho mỗi lớp đất:

Sử dụng công thức tính toán sau:

C

log.1

C H p

p l

C

log.1log

.1

Độ lún của mỗi lớp đất được cho trong bảng 2

b- Tính toán độ lún tổng trên chiều sâu của cọc bằng cách tổng độ lún của các lớp đất.

Dựa trên bảng tính toán độ lún, độ lún tính toán là 0,499m Bởi vì độ lún tổng cộng dài hạn của đất sét là rất lớn (0,499m), giả thiết rằng sự gia tải trước của đất sẽ được thực hiện bởi tải trọng phụ tạm thời trước khi đóng cọc Cũng có giả thiết rằng 90% độ cố kết của đất sét sẽ đạt được trước khi đóng cọc Vì vậy, sau khi đóng cọc, cọc sẽ chỉû lún khoảng 10% độ lún cố kết như chỉ dẫn ở cột 9 trong bảng tính toán lún, hoặc tổng độ lún 0,0499 hay 49,9mm

Böôùc 4: Xaùc ñònh chieău daøi cóc coù ma saùt ađm

Ma saùt ađm xạy ra laø do ñoô luùn giöõa ñaât vaø cóc Gaùi trò ñoô luùn giöõa ñaât vaø cóc ñụ ñeơ táo ra ma saùt ađm laø khoạng 10mm Vì vaôy, ma saùt ađm chư xạy ra ôû thađn cóc tái caùc lôùp ñaât hoaịc moôt phaăn cụa lôùp ñaât khi ñoô luùn lôùn hôn 10mm

Coôt 11 cụa bạng 2 cho thaây ñoô luùn giöõa ñaât vaø cóc do 10% ñoô luùn coâ keât ôû ñoô sađu 7m döôùi maịt ñaât töï nhieđn ít hôn 10mm, giaù trò nhoû nhaât ñeơ xạy ra ma saùt ađm Ñoô sađu 7m cuõng laø ñieơm cuoâi cụa lôùp ñaât 1 Vì vaôy, ñoán cóc ôû tređn ñoô sađu 7m seõ coù

ma saùt ađm, trong khi ñoù ñoán cóc beđn döôùi ñoô sađu 7m seõ coù ma saùt döông ñeơ choâng ñôõ keẫt caâu beđn tređn vaø ma saùt ađm

Böôùc 5: Xaùc ñònh ñoô lôùn cụa ma saùt ađm QS

Nhö ñaõ tính toaùn ôû tređn, ma saùt ađm seõ xạy ra ôû lôùp 1 laø lôùp seùt búi trung bình Chieău daøi cóc trong lôùp 1 laø 5,5m Giaù trò ma saùt döông tôùi hán ôû lôùp 1 ñöôïc tính toaùn baỉng phöông phaùp α, coù giaù trò nhö sau:

Cóc coù tieât dieôn 356 x 356mm

Lôùp 1: (D/b) = (5,5/0,356) = 15,45

fs1 = 33 kPqRS1= fs1 x As = 33 x (4 x 0,356) x 5,5 = 259 KNLôùp 2: (D/b) = (15/0,356) = 42,13

fs2 = 85 kPq

Lớp 3: (D/b) = (17,5/0,356) = 49,16

fs3 = 67 kPqRS3= fS3 x A3 = 67 x (4 x 0,356) x 2,5 = 239 KNTổng: RS = RS1+ RS2 + RS3 = 259 + 1150 + 239 = 1.648 KN

Vì lớp 1 đã xác định sẽ xảy ra ma sát âm nên:

KN

R S

S

Bước 6: Tính toán sức chịu tải tới hạn của cọc bao gồm sức kháng dương

và sức kháng mũi, Qu+

Ma sát dương và sức kháng mũi sẽ phát triển bên dưới độ sâu mà độ lún tương đối giữa cọc và đất nhỏ hơn 10mm

Sức chịu tải tới hạn của cọc bao gồm ma sát của lớp đất 2 và 3, cộng với sức kháng mũi Tính toán cụ thể như sau:

Lớp 2: (D/b) = (15/0,356) = 42,13

fs2 = 85 kPqRS2 = fS2 x AS = 85 x (4 x 0,356) x 9,5 = 1.150 KN

Lớp 3: (D/b) = (17,5/0,356) = 49,16

fs3 = 67 kPqRS3 = fS3 x AS = 67 x (4 x 0,356) x 2,5 = 239 KNTổng: R+S =RS2+RS3=1150+293=1.389KN

Tính toán sức kháng mũi:

qt = 9 Cu

Cu = 159 kPq-> qt = 9 x Cu = 9 x 159 = 1.431 kPQ

Rt = qt At = 1.431 x 0,356 x 0,356 = 182 KN

Do đó, sức chịu tải tới hạn của cọc bằng:

KNR

Q

Sức chịu tải tới hạn của cọc khi không có ma sát âm

Qu = RS1+ RS2+ RS3 + Rt = 259 + 1.150 + 239 + 182 = 1.830 KNTrong khi đó sức chịu tải cực hạn cần thiết của cọc là 1.780 KN Vì vậy, các phương án khác nhằm làm cho sức chịu tải của cọc lớn hơn cần phải được xem xét

Bước 8: Xem xét các phương pháp khác để làm cho cọc có sức chịu tải

cao hơn

Ba phương pháp sau đây được nghiên cứu:

* Phương pháp 1: Dùng sơn phủ lớp bitum (nhựa đường) lên cọc để giảm

ma sát âm

Theo Goudrealt và Fellenius (1994), lực dính lớn nhất của cọc Cu, sức chịu tải tĩnh cọc được giới hạn là 10 kPq khi cọc được phủ lớp bitum Vậy sứùc kháng âm của cọc được tính lại như sau:

KN X

X X

f R

- Lớp phủ bitum nên dùng cho toàn bộ đoạn cọc đầu 5,5m

- Không nên dùng cọc xiên

* Phương pháp 2: Tăng chiều dài cọc để đóng vào lớp đất cứng.

Tăng chiều dài cọc thêm 3,5m, điều này sẽ làm gia tăng sức đề kháng hông ở lớp đất thứ 3 và sức kháng mũi

Khi đó tại lớp 3: (D/b) = (20,5/0,356) = 57,58

fs3 = 66 kPq

RS3 = 66 x (4 x 0,356) x 6 = 564 KN

KNR

Nhận xét: Khi chỉ sử dụng một trong hai phương pháp trên ta đều không

đạt được sức chịu tải theo yêu cầu, vì vậy phương án kết hợp cả hai phương pháp nên được lựa chọn

* Phương pháp 3: Sử dụng móng nông thay vì móng sâu có thể là lựa

chọn tốt hơn cho công trình này Mố cầu có thể được đỡ bằng móng bè với vật liệu đắc đặc biệt (vật liệu nhẹ) có thể sử dụng được Cả móng nông và móng sâu đều là hai phương án cần được xem xét

PHAÀN III CAÙC MOÂ HèNH TÍNH TOAÙN SệÙC CHềU TAÛI CUÛA COẽC COÙ

XEÙT ẹEÁN AÛNH HệễÛNG CUÛA MA SAÙT AÂM1- Mô hình thứ nhất (Nga)

Lực ma sát âm tác dụng lên mặt hông của cọc trên phạm vi đoạn dài của cọc

mà ở đó tốc độ lún của đất gần cọc (vđ) lớn hơn tốc độ lún của móng cọc (vm), tức là:

Độ lún của cát mịn và á cát hoàn toàn no nớc, của bùn, đất than bùn và than bùn, xảy ra dới tác dụng của tải trọng phân bố đều trên mặt (cm), có thể xác định trên cơ sở lý thuyết cố kết thấm theo công thức:

q: Tải trọng ngoài phân bố đều (kG/cm2);

t: thời gian (giây=s);

Bảng 3-1: Giá trị hệ số thấm theo loại đất

1234567891

Cát bụiCát hạt mịnCát hạt trungCát hạt thô

á cát

á sétSétThan bùn ít phân giảiThan bùn phân giải trung bìnhThan bùn phân giải mạnh

(0,6 - 6 ) 10-3(1,2 - 3 ) 10-2(2,5 - 6 ) 10-2(4 – 8,5 ) 10-2(0,1 -1,2) 10-3(0,05 – 0,5 ) 10-3

< 10-6(1 – 5 ) 10-3(0,2 – 1,2 ) 10-3(0,12 – 0,18 ) 10-3

Khi có sự tác dụng của lực ma sát âm, việc tính toán cọc và móng cọc tiến hành theo trạng thái giới hạn thứ hai (theo biến dạng) Đối với cọc đơn, điều kiện này xem nh thỏa mãn nếu:

Pa : giá trị tính toán của lực ma sát âm, tác dụng lên mặt hông của cọc (T), xác định theo công thức sau hoặc theo kết quả thử nghiệm hiện trờng:

Trong đó:

mo : hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất bị lún có kể đến sự nén chặt

đất gần cọc khi đóng cọc, đối với đất cát lấy 1,1 còn đối với đất sét lấy bằng 1,0;

u: chu vi tiết diện ngang của cọc (cm);

Kpj : hệ số thực tế kể đến sự giảm của lực ma sát âm cùng với sự giảm hiệu số lún của lớp đất thứ j gần cọc, lấy nh sau:

+ Đối với cọc treo Kpj=1;

+ Đối với cọc chống: Kpj=1 khi Sdj>=So và Kpj =

Sdj : độ lún của lớp đất j sau khi đóng cọc (cm);

So : độ lún của đất đối với cọc mà ở đó lực ma sát âm hoàn toàn thể hiện hết,

ta lấy So =5cm;

foj : sức chống tính toán của lớp đất thứ j bị lún trên mặt hông của cọc, xác

định theo tiêu chuẩn thiết kế nền (t/m2);

lj- chiều dày của lớp đất thứ j tiếp xúc với mặt hông của cọc và nằm trong phạm vi phần chiều dài cọc từ mặt đất đến điểm trung hòa (m)

* Khi tính toán móng cọc gồm một số cọc chịu tác dụng của lực ma sát âm, trong số tải trọng tính toán tác dụng lên móng quy ớc phải gồm cả trị số tính toán của lực ma sát âm tác dụng lên nhóm cọc:

Trong đó:

U: chu vi của nhóm cọc, đợc tính theo mép ngoài của những cọc nằm ở hàng ngoài cùng (m);

kpj, lj, foj, : ký hiệu giống nh trên

Những lực ma sát âm tác dụng lên cọc nằm phía trong nhóm không thể vợt qua trọng lợng của đất nằm trong nhóm, trọng lợng này khi tính toán móng cọc đợc cộng vào trọng lợng bản thân của móng quy ớc Vì vậy ngời ta chỉ kể đến lực ma sát âm

L

Tầng chịu lực

Q

Hình 3-1 - Sự phân bố của lực dọc trong một cọc chịu ma sát âm

Hoạt tải S cộng vào với tĩnh tải sẽ gây ra một sự co ngắn đàn hồi của cọc, đẩy

điểm trung hòa lên trên, đo đó giảm ma sát âm và tăng ma sát dơng lên tức thời Nh vậy hoạt tải không gây ra sự tích luỹ của lực ma sát âm

Phơng pháp tính toán lực ma sát âm trình bày ở đây cha trình bày rõ sự chuyển vị tơng đối giữa cọc và đất, mà chỉ giả thiết rằng độ lún này đủ để gây ra lực ma sát âm đơn vị lớn nhất fn

Vì vậy để đơn giản cho tính toán, lấy trị số lực ma sát âm lớn nhất khi kết thúc cố kết Trị số của lực ma sát âm lúc kết thúc cố kết đợc cộng vào tĩnh tải tác dụng lên móng mà không cộng vào hoạt tải

Hai lý thuyết hiện dùng đều giả thiết rằng fn bằng tích của Ktgδ với ứng suất

có hiệu thẳng đứng của đất chung quanh cọc, trong đó:

K : hệ số có quan hệ với hệ số áp lực đất;

tgδ : hệ số đặc trng cho sự ma sát giữa đất và cọc

* Theo Fond 72:

Với: σ’(z) - ứng suất thẳng đứng trong đất ở cùng cao trình khi cha có cọc

Lý thuyết này có nhợc điểm là cha xét đến sự giảm ứng suất có hiệu thẳng

đứng do sự dính bám của cọc và đất gây ra

* Theo Combarieu:

Lý thuyết của Combarieu đề ra năm 1974 có xét tới sự biến động do cọc gây

ra đối với ứng suất trong đất σ’(z) Theo Combarieu, ứng suất ở một điểm nằm ở độ sâu

z và cách tim cọc một khoảng r là q’(z,r) sẽ dần đến σ’(z) khi r tăng Nh vậy ma sát âm

đơn vị đợc viết theo công thức:

fn=K.tgδ.q’(z,r) (3-12)

Hình (4-2) trình bày sự phân bố ứng suất có hiệu thẳng đứng q’(z,r) khi có xét tới sự biến động do cọc gây ra đối với σ’(z) Từ hình (4-2) cho thấy σ’(z) là đờng tiệm cận của hàm q’(z,r) và phơng pháp Fond 72 chỉ là trờng hợp đặc biệt của phơng pháp Combarieu khi sự ma sát dính bám của đất và cọc là hoàn hảo

Hình 3-2 - ứng suất có hiệu thẳng đứng q’ (z,r) có sét tới sự biến động

do cọc gây ra đối với σ'(z)

Giá trị của Ktgδ để tính lực ma sát âm đơn vị theo 2 lý thuyết trên đều có thể lấy theo bảng sau, phụ thuộc vào loại cọc và loại đất nền

Bảng 3-2: Giá trị của Ktgδ theo thực nghiệm [3]

Loại đất

Loại cọc

đất dính mềm và đất hữu cơ

đất dính chặt và rất chặt

Cát và sỏi sạn ít chặt

Cát và sỏi sạn chặt vừa

Cát và sỏi sạn rất chặtCọc vít

Cọc vít ống

Cọc đóng

0.150.10

0.200.150.20

0.350.30

Trờng hợp đất bị xáo trộn, lấy Ktgδ=0.10