Sự cố công trình sử dụng móng cọc xây dựng trong khu vực có nền địa chất yếu dày đang xuất hiện ngày càng nhiều tại Việt Nam, đặc biệt là tại các dự án hạ tầng, đô thị mới. Một trong những nguyên nhân chính là do quá trình thiết kế và thi công chưa kể hết đến ảnh hưởng của của ma sát âm dọc thân cọc.
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM LÊN CỌC TRONG CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG TRÊN KHU VỰC NỀN ĐẤT YẾU PHAN HUY ĐÔNG* Study on the influence of negative skin friction on pile supported the buildings found the soft soil area Abstract: The incident of cracks generated by large settlement at a building constructed on a thick soft soil layer is analysed in this paper The building is founded on strip footing reinforced by concrete pipes Based on monitoring data of settlement during the construction and analysis of geology condition, loading sequence, influences of negative skin friction acting on piles wall is proved In addition, the performance of the bitum coating on pile method to tackle negative skin friction is analysed since a significant reduction of settlement was observed after treatement The FEM analyses for project conditions reveal that the depth as well as value of negative skin friction will develop with time of consolidation of ground The data also noted that the elevation of neutral plane would increase with the increase of consolidation progression Therefore, the bitum coating depth on pile should be extended beyond the neutral plane a given length GIỚI THIỆU* Sự cố cơng trình sử dụng móng cọc xây dựng khu vực có địa chất yếu dày xuất ngày nhiều Việt Nam, đặc biệt dự án hạ tầng, đô thị Một nguyên nhân q trình thiết kế thi công chưa kể hết đến ảnh hưởng của ma sát âm dọc thân cọc Sự cố móng cọc ma sát âm gây ghi nhận nhiều nước giới (Braja, 2007; FHWA 2006;…) Ở Việt Nam, tượng ma sát âm cọc ngun nhân dẫn đến cố móng số cơng trình xây dựng (Trịnh Việt Cường, 2005; Đậu Văn Ngọ, 2009,…) gần nhiều cố nêu phương tiện thông tin khác như: * Bộ môn Cơ học đất-Nền móng, Đại học Xây dựng E-mail: dongph@nuce.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 trụ sở Quận ủy, HĐND, UBND quận Hoàng Mai (Hà Nội) xây dựng đất yếu chưa cố kết dẫn đến lún sụt cơng trình; Liền kề LK22 - Khu thị Vân Canh (Hà Nội), Cơng trình nhà xã hội chung cư CT1 15 tầng (khơng có tầng hầm) Kim Thi, thành phố Vinh (Nghệ An),… Ma sát âm hình thành đất xung quanh cọc chuyển vị lớn so với chuyển vị cọc, chủ yếu số nguyên nhân: (1) Khi đất khu vực xây dựng có lớp san lấp tạo cao độ thi công với chiều dày đủ lớn Dưới ảnh hưởng lớp đất san lấp, đất bị lún xuống cọc lại thiết kế hạ vào lớp đất tốt sâu (2) Khi khu vực xây dựng có hoạt động hạ thấp mực nước ngầm Khi ứng suất hữu hiệu đất gia tăng làm phát sinh độ lún gây ảnh hưởng đến khả làm việc 37 cọc chênh lún kết cấu nằm cọc với kết cấu không nằm cọc (3) Khi xây dựng cơng trình cạnh cơng trình cũ Dưới ảnh hưởng tải trọng cơng trình lân cận làm đất xung quanh lún nhiều so với kết cấu nằm cọc cơng trình hữu, gây lún, nứt cơng trình,… Bài báo phân tích nguyên nhân cố lún, nứt cơng trình nhà thấp tầng móng cọc xây dựng khu vực đất yếu có đắp san Kết phân tích rõ ảnh hưởng ma sát âm lên cọc hiệu giải pháp làm giảm ma sát âm cách làm trơn cọc phạm vi đất yếu Ngoài ra, phân tích ứng sử ma sát âm lên cọc PTHH với mơ hình khác dự án đánh giá ứng sử ma sát âm ghi cần thiết thiết kế cọc đất yếu PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN SỰ CỐ DO ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM LÊN CỌC 2.1 Giới thiệu dự án Dự án thuộc khu vực nhà chia lô liền kề thấp tầng Hà Nội Các khu nhà có kết cấu khung sàn bê tơng cốt thép toàn khối tầng tầng tum Áp lực trung bình mức đáy móng theo thiết kế p = 60 kPa Hình mơ tả kết cấu móng theo thiết kế ban đầu Theo đó, phương án móng gồm hệ đài cọc giằng bê tơng cốt thép tồn khối cọc ly tâm đường kính D350, cọc dài xấp xỉ 40 m Mỗi đài gồm 01 đến 02 cọc Cọc thi công phương pháp ép, lực ép quan sát hạ cọc đến hết chiều sâu thiết kế đảm bảo với sức chịu tải cho phép cọc theo thiết kế 50T Hình Giải pháp móng cọc ban đầu Nếu không kể đến ảnh hưởng ma sát âm, với kích thước nhà 5mx15m, việc bố trí cọc đảm bảo yêu cầu sức chịu tải Cụ thể, gần ta có: - Tổng tải trọng là: Q = pxF= 60x5x15 = 4500 kN=450 T - Tải trọng phân phối cọc (xem móng cứng tuyệt đối, có 12 cọc D350) là: 450/12 = 37,5 T 45 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Hình Hình ảnh lún sụt nứt vỡ dự án Giải pháp xử lý: Sau cố lún nứt cơng trình diễn ra, người ta tiến hành ép thêm bổ sung cọc vng đặc kích thước 200x200mm, chiều dài cọc từ 24-25m, cọc chia thành đoạn 5m Trong lưu ý, đốt (đến độ sâu khoảng 20m từ mặt đất) cọc bơi qt bitum với mục đích làm trơn cọc, giảm ma sát đất với cọc, dẫn đến làm giảm ảnh hưởng ma sát âm Sau ép cọc bổ sung thi công đài cọc mở rộng, cọc D350 cắt để tách khỏi đài cọc cũ Giải pháp xử lý móng trình bày Hình Hình Giải pháp móng xử lý thay cọc vng 200x200 mm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Tải trọng (kPa) Bắt đầu xử lý thay cọc 200x200 Độ lún (cm) 2.2 Mô tả cố đánh giá nguyên nhân gây lún Công tác thi công cọc móng bắt đầu sau năm thi cơng san lấp Độ lún trung bình thời gian đợi ổn định tính từ san lấp xong khoảng từ 3cm đến 5cm Trong q trình thi cơng ép cọc xây dựng tầng 1, cố lún nứt diễn rõ ràng Mặc dù tải trọng gia tăng khơng nhiều Hình mơ tả cố lún nứt cơng trình, vết nứt hình thành theo hướng xiên góc, thể rõ ngun nhân chênh lún vị trí trụ cột khác 2/22/2008 7/6/2009 11/18/2010 90 80 70 60 50 40 30 Ép xong Bắt cọcđầu D350, thithi 20 cơng kếtcơng cấu móng tầng 10 0 10 15 20 25 30 35 2/22/2008 (1) Hoàn thiện thay cọc, bắt đầu xây tiếp tầng 4/1/2012 8/14/2013 12/27/2014 5/10/2016 Thời gian Thi công xong tầng nhà lại Thicơng cơng xong xong kết cột, cấu Thi tầng tầng tường (2) (3) (4) (5) Điểm Điểm Điểm 24 Điểm 29 Điểm 31 Thời gian 7/6/2009 11/18/2010 4/1/2012 8/14/2013 12/27/2014 5/10/2016 Hình Mơ tả q trình thi cơng độ lún quan trắc dự án Kết quan trắc độ lún số điểm mốc (điểm 1, 9, 24, 29 31) gắn kết cấu nhà theo mốc thời gian thi công xử lý cọc tổng hợp Hình Cụ thể giai đoạn sau: (1) Từ ngày 01/05/2009 đến ngày 01/08/2010 thi cơng xong ép cọc D350, đài giằng móng tổng độ lún trung bình 7,35 cm Tải trọng tác dụng xuống đất xác định áp lực lớp san lấp gây ra, xấp xỉ 40 kPa Nguyên nhân gây lún hoạt động máy móc thi cơng, đồng thời ép hạ cọc tạo đường dẫn tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng gây lún cố kết (2) Từ ngày 01/08/2010 đến ngày 01/12/2011 thi công xong tầng 1, bắt đầu tầng tổng độ lún trung bình 11,5 cm Giai đoạn kết cấu cơng trình nằm cọc D350 Do đó, nguyên nhân gây lún xác định lún cố kết làm ảnh hưởng đến kết cấu cọc làm cọc bị chuyển vị theo (3) Từ ngày 02/12/2011 đến ngày 15/05/2012 không thi công thêm, tổng độ lún trung bình 16,47cm Đến thời điểm số nhà xuất lún sụt, gây nứt, gãy tường mơ tả Hình Tốc độ lún giai đoạn trì từ đến mm/ngày cơng trình khơng tăng tải trọng thi cơng (4) Từ tháng 5/2012 đến tháng 12/2012 tiến hành xử lý móng cách cắt cọc D350 khỏi đài cọc ép bổ sung cọc vuông 200x200 Khi quan sát thấy độ lún không tăng, 39 tiến hành sửa chữa phần nứt vỡ thi công tầng (5) Đến tháng 8/2013 hoàn thành thi công phần thô, quan trắc tiếp thấy độ lún không phát triển thêm đáng kể Đánh giá nguyên nhân gây lún nứt cơng trình: Dưới ảnh hưởng lớp cát san (2,2 m) toàn mặt lớp cát tôn bên nhà (0,7 m), độ lún cố kết đất xác định theo kết thí nghiệm nén cố kết xấp xỉ 1,5m Trong đó, cọc thi cơng có đường kính D350 mm sâu 40 m, hạ vào lớp lớp cát pha dẻo, cọc làm việc theo mơ hình cọc ma sát Khi lớp đất yếu xung quanh cọc chuyển vị xuống nhiều so với chuyển vị cọc, ma sát âm hình thành kéo cọc chuyển dịch theo, cọc bị giảm sức chịu tải, đồng thời chênh lệch lún vị trí đài cọc dẫn đến nứt vỡ cơng trình Bảng tổng hợp kết phân tích sức chịu tải cọc D350 theo phương pháp dự báo khác cho hai trường hợp có kể đến không kể đến ảnh hưởng ma sát âm Trong đó, tính tốn theo tiêu chuẩn thiết kế cọc TCVN 1034:2013, sức chịu tải cọc dự báo theo tiêu kháng cắt cọc Khi tính toán theo FHWA (Cơ quan Quản trị Đường Liên Bang - Bộ giao thông Mỹ, 2006), sức chịu tải cọc xác định theo phương pháp cho đất dính Kết cho thấy, trường hợp kể đến ảnh hưởng ma sát âm, sức chịu tải cọc giảm đáng kể, chí khoảng 1/3 giá trị sức chịu tải cọc không kể đến ảnh hưởng ma sát âm Như vậy, kể đến ảnh hưởng ma sát âm, cọc không đủ sức chịu tải để chịu tải trọng cơng trình Bảng Sức chịu tải cho phép cọc dự ứng lực D350 xét tới ma sát âm lên cọc Phương pháp tính tốn Theo TCVN 10304:2014 FWHA (2006) Theo Braja Das (2007) Sức chịu tải theo thiết kế (T) Khi kể đến ma sát âm Sức chịu Chênh lệch tải cọc so với thiết (T) kế (%) Sức chịu tải cọc (T) Chênh lệch so với thiết kế (%) 50 27,325 -45,349 55,290 +10,581 50 17,799 -64,402 66,221 +32,443 50 22,369 -55,263 55,421 +10,841 Hiệu giải pháp xử lý: Việc sử dụng cọc BTCT tiết diện 200x200mm đưa xuống lớp (cát pha xen kẹp cát mịn) huy động sức kháng bên sức kháng mũi cọc, kết hợp với biện pháp làm giảm tác động ma sát âm tác dụng lên hệ cọc tầng đất yếu (độ sâu khoảng 20m) đem lại hiệu tương đối rõ rệt độ lún quan trắc giải đoạn (Hình 4) gần phát triển Sức chịu tải cọc đơn tính với 15 T Như vậy, tải trọng trung bình phân phối cọc 450/46 = 9,78 T < 15 T, số lượng cọc bố trí an tồn 40 Khi khơng kể đến ma sát âm PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM LÊN CỌC 3.1 Mơ tả tốn Để hiệu rõ q trình phát triển ma sát âm theo tốc độ cố kết khảo sát chiều sâu xử lý bôi trơn làm giảm ma sát âm phạm vi lớp đất yếu, báo phân tích mơ hình làm việc cọc đơn cho trường hợp cọc đặc kích thước 200x200mm, dài 25m, phần tử hữu hạn (PTHH), sử dụng phần mềm plaxis 2D Hình mơ tả sơ đồ tính cọc đơn theo sơ đồ đối xứng trục (qui thành cọc tròn D200) Các ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 phần tử cọc vật liệu đàn hồi, lớp đất mơ tả theo mơ hình vật liệu “soft soil” (SSM) Mohr-Coulomb (MC) Các thơng số mơ hình đất lớp đất xác đinh theo kết khảo sát (Bảng 1) với lưu ý số nén số nở vật liệu cho mơ hình SSM xác định sau: * Cc 2.3x(1 e0 ) * 2Cs 2.3x(1 e0 ) (1) (2) coi cố kết hoàn toàn trị số áp lực nước dư lớn nhỏ kPa Lưu ý, bước phân tích, phần sức kháng ma sát đất xung quanh thành cọc lấy theo ứng suất cắt dọc theo mặt cắt sát với thành cọc, phần sức kháng mũi cọc tổng ứng suất pháp tuyến vị trí mũi cọc 3.2 Khảo sát vị trí mặt trung hòa Kết phân tích chuyển vị cọc chuyển vị ứng với hai mô hình khác cho lớp đất trình bày Hình Độ lún (cm) 20 40 60 80 -5 Phần tử cọc Lún cọc theo SSM Chiều sầu (m) -10 Vị trí mặt phẳng trung hòa theo SSM (tại -16.000m) -15 -20 -25 Vị trí mặt phẳng trung hòa theo MC (tại -16.333m) Lún theo SSM Lún cọc theo MC Lún theo MC -30 Hình Sơ đồ tính phân tích sức kháng ma sát cọc D350 Các bước phân tích Plaxis 2D bao gồm: - Bước 1: Tạo sơ đồ hình học gán thơng số vật liệu cho cọc đất; - Bước 2: Xác lập thông số áp lực nước ứng suất trọng lượng thân, xem cố kết Mực nước ngầm xem mặt lớp đất yếu; - Bước 3: Thiết lập thi công lớp cát san lấp; - Bước 4: Thiết lập thi công cọc gia tải lên cọc (tải trọng tác dụng lên cọc tải trọng cơng trình sau hoàn thiện tác dụng lên cọc, xấp xỉ 9,78 T); - Bước 5: Phân tích cố kết đến áp lực nước lỗ rỗng dư tiêu tán gần hết Các phân tích báo lấy theo điều kiện mặc định trong phần mềm Plaxis, thời điểm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Hình Chuyển vị cọc đất phân tích từ Plaxis 2D Kết cho thấy, chuyển vị/độ lún cọc hầu hết không thay đổi đáng kể theo độ sâu cọc có độ cứng lớn, chuyển vị giảm dần theo độ sâu Vị trí trục trung hòa xác định độ sâu chuyển vị cọc với chuyển vị Bảng tổng hợp kết phân tích vị trí trục trung hòa theo lời giải giải tích kết phân tích PTHH Kết phân tích PTHH nhỏ kết tính tốn giải tích (TCVN 10304:2014) xấp xỉ 15% Kết cho phù hợp thực tế đất phân tích PTHH chưa thực cố kết hồn tồn Tuy nhiên, kết phân tích phụ thuộc vào yếu tố: mức độ xác thơng số mơ hình nền, giá trị hệ số Rinter, thời gian cố kết kết nền,… 41 Bảng Vị trí trục trung hòa Phương pháp tính Độ sâu mặt phẳng trung hòa (m) Chênh lệch so với lời giải giải tích (%) 18,983 0,0% 16,333 -14,0% 16,000 -15,7% bày Hình Trị số ma sát âm lên cọc lớn xuất lớp đất số (sét dẻo cứng) Đây điều hợp lý lớp lớp đất tương đối tốt lại nằm mặt có độ lún lớn nhất, kéo theo dịch chuyển theo phương đứng lớp Ma sát (kN/m2) Theo TCVN 10304: 2014 Plaxis 2D – MC Plaxis 2D SSM -150 -100 -50 Ma sát (kN/m2) 50 -10 -15 Áp lực nước dư (kN/m2) Áp lực nước dư (kN/m2) -40 -20 -60 20 -5 -40 -20 20 Ngày Ngày Ngày -5 15 Ngày 30 Ngày -15 -20 -25 -30 120 Ngày 210 Ngày 450 Ngày Mơ hình SSM Ch iều sâu (m) Chiều sâu (m) 15 Ngày -10 Ngày -10 30 Ngày -15 120 Ngày -20 210 Ngày -25 450 Ngày -30 Mơ hình MC Hình Áp lực nước lỗ rỗng dư tiêu tán q trình cố kết Có thể thấy, áp lực nước lỗ rỗng dư lớp đất dính hình thành đắp gia tải tiêu tán dần theo thời gian Như tốc độ phát triển ma sát âm tương ứng với tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng kết trình 42 50 -10 -15 -20 -20 3.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian cố kết Chuyển vị đất cọc phụ thuộc vào yếu tố thời gian, giá trị ma sát âm phạm vi xuất ma sát âm (mặt trung hòa) hình thành phát triển theo thời gian kể từ gia tải lớp đất san lấp Hình trình bày giá trị áp lực nước lỗ rỗng dư theo độ sâu thời gian cố kết khác từ lời giải PTHH cho sơ đồ toán Hình Nền đất mơ hình hóa theo hai dạng mơ hình SSM MC -50 -5 Chiều sâu (m) Chiều sâu (m) -5 -25 -25 -60 -100 Ngày 15 Ngày 120 Ngày 210 Ngày Ngày 120 Ngày 15 ngày 210 Ngày Hình Sự phát triển ma sát âm lên cọc theo trình cố kết 3.4 Ảnh hưởng mơ hình đất Các kết phân tích cho thấy, nhìn chung ảnh hưởng loại mơ hình đất (SSM hay MC) đến kết phân tích khơng đáng kể Một chút khác biệt kết biến dạng mơ hình SSM phát triển dựa mơ hình Cam-Clay, phù hợp sử dụng để phân tích với đất yếu có tính nén lún lớn 3.5 Khảo sát chiều sâu xử lý bôi trơn cọc nhằm làm giảm ma sát âm hiệu Để khảo sát chiều sâu xử lý bôi trơn cọc làm giảm ma sát âm cọc đất, phần phân tích thực sơ đồ mơ tả Hình Khi phân tích phần mềm Plaxis 2D, sức kháng ma sát xung quanh thành cọc khai báo thông qua hệ số tiếp xúc Rinter, thông số giảm cường độ kháng cắt đất cọc Trị số Rinter thay đổi từ 0,01 (sức kháng ma sát đất cọc 1% sức kháng cắt đất với đất) đến 1,0 Giá trị Rinter đất cọc phạm vi bôi trơn phạm vi bôi trơn lấy theo giá trị cận cận tương ứng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Phân bố ma sát (kN/m2) -100 -50 50 Chiều sâu (m) -5 -10 -15 -20 100 150 Hxl = 19m theo SSM Hxl = 16m theo SSM Hxl = 13m theo SSM Hxl = 10m theo SSM Hxl = 7m theo SSM Hxl = 5.9m theo SSM -25 Hxl = 2.9m theo SSM -30 Hình Phân bố sức kháng ma sát lên cọc theo độ sâu độ sâu bơi trơn cọc khác Hình trình bày kết phân tích phân bố sức kháng ma sát cọc theo độ sâu chiều sâu xử lý bơi trơn, H xl, tăng dần Nền phân tích theo mơ hình SSM Kết phân tích cho thấy, phạm vi bôi trơn hiệu phạm vi lớp đất số (nằm bên lớp đất yếu số 3), phần ma sát âm giảm đáng kể Ngoài ra, chiều sâu xử lý bơi trơn tăng vị mặt trung hòa (tại vị trí bắt đầu có ma sát dương) có xu tăng theo, điều chuyển vị cọc xuống bị giảm trị số ma sát âm tác động vào cọc giảm KẾT LUẬN Qua trình bày cố cơng trình móng cọc xây dựng đất yếu phân tích khảo sát ứng sử ma sát âm lên cọc PTHH báo dẫn đến số kết luận sau: - Nếu trình thiết kế thi công không xem xét cách đầy đủ, ma sát âm tác dụng vào cọc yếu tố gây cố lún nứt cơng trình móng cọc xây dựng đất yếu, đặc biệt phạm vi xây dựng có lớp san lấp chiều dày lớn Có nhiều giải pháp làm giảm ảnh hưởng ma sát âm lên cọc Trong đó, giải pháp bơi trơn cọc phạm vi lớp đất yếu cho thấy hiệu rõ ràng - Các khảo sát mơ hình cọc PTHH sử dụng plaxis 2D cho thấy, giá trị phạm vi hình thành ma sát âm phát triển theo thời gian với tốc độ cố kết Trị số ứng sử ma sát âm đặc biệt phụ thuộc vào đặc tính phân bố lớp đất Do chiều sâu xử lý ma sát âm cần đánh giá dựa yếu tố - Lời giải phương pháp PTHH trực quan sử dụng cơng tác tính tốn dự báo đặc biệt cơng trình có điều kiện biên phức tạp TÀI LIỆU THAM KHẢO TCVN 10304-2014: Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 205- 1998: Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế BRAJA M DAS (2007), Principles of Foundation Engineering, Cengage Learning, The United Stated of America, pp 613-617 Federal Highway Administration, FHWA (2006), Design and construction of driven pile foundations, Washington D.C Trịnh Việt Cường (2005), “Ma sát âm cọc ảnh hưởng cơng trình xây dựng”, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Khoa học toàn quốc lần Sự cố hư hỏng cơng trình xây dựng, tr 92-99 Đậu Văn Ngọ (2009), “Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến cơng trình biện pháp làm giảm thiểu ma sát âm”, Tạp chí Khoa học Phát triển Cơng nghệ, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 12 (6), tr 96-103 Người phản biện: PGS.TS ĐÀO VĂN TOẠI ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 43 ... ma sát âm tác dụng vào cọc yếu tố gây cố lún nứt cơng trình móng cọc xây dựng đất yếu, đặc biệt phạm vi xây dựng có lớp san lấp chiều dày lớn Có nhiều giải pháp làm giảm ảnh hưởng ma sát âm lên. .. Ma sát âm cọc ảnh hưởng cơng trình xây dựng , Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Khoa học toàn quốc lần Sự cố hư hỏng cơng trình xây dựng, tr 92-99 Đậu Văn Ngọ (2009), Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm. .. trị số ma sát âm tác động vào cọc giảm KẾT LUẬN Qua trình bày cố cơng trình móng cọc xây dựng đất yếu phân tích khảo sát ứng sử ma sát âm lên cọc PTHH báo dẫn đến số kết luận sau: - Nếu q trình