Đánh giá ảnh hưởng ma sát âm do thay đổi tải trọng tác dụng đến vị trí mặt phẳng trung hòa của cọc trong đất yếu

rong bài báo này, tác giả đánh giá sự phân bố vị trí mặt phẳng trung hòa khi xét ảnh hưởng ma sát âm lên cọc trong đất yếu do thay đổi tải trọng tác dụng, cụ thể là thay đổi chiều cao đất đắp tôn nền từ 1,7 m đến 3,0 m.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG MA SÁT ÂM DO THAY ĐỔI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ĐẾN VỊ TRÍ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA CỦA CỌC TRONG ĐẤT YẾU EVALUATION THE NEGATIVE SKIN FRICTION EFFECTS DUE TO SURCHARGE LOAD ON THE NEUTRAL PLANE LOCATION OF SINGLE PILE IN SOFT SOIL PGS TS.Võ Phán, KS Tô Lê Hương Trường Đại học Bách Khoa – TP.HCM TÓM TẮT Trong báo này, tác giả đánh giá phân bố vị trí mặt phẳng trung hịa xét ảnh hưởng ma sát âm lên cọc đất yếu thay đổi tải trọng tác dụng, cụ thể thay đổi chiều cao đất đắp tôn từ 1,7 m đến 3,0 m Vị trí mặt phẳng trung hòa xác định theo ba phương pháp: Phương pháp đơn giản W.H.Ting, Phương pháp Thống Fellenius Phương pháp mô phần mềm PLAXIS 2D v8.5 Cả ba phương pháp cho thấy tăng chiều cao đất đắp độ sâu mặt phẳng trung hịa lớn, nghĩa có xu hướng phát triển phía mũi cọc Tuy vậy, kết tính từ Plaxis phương pháp cịn lại có chênh lệch lớn độ sâu mặt phẳng trung hòa ứng với chiều cao tải đắp So sánh kết tính PLAXIS giai đoạn khác nhau, tác giả nhận thấy với thời gian cố kết, chiều cao đất đắp tăng làm cho vị trí mặt phẳng trung hịa tăng lên mức độ tăng không đáng kể ABSTRACT This paper aims to evaluate the negative skin friction effects on the neutral plane location of single pile in soft soil due to surcharge loading, which is changing the height of fill embankment from 1.7 to 3.0 meters The location of neutral plane is calculated by three different methods: Simple method (W H Ting), the Unified method (B H Fellenius) and Numerical model analyzing with software PLAXIS 2D v8.5 All methods show the results that when increasing height of the fill embankment, the neautral plane is larger, which means neutral plane location is closer to the pile toe However, with the same height of fill embankment, there is a large difference from results of PLAXIS and the other From the comparison of neutral plane location in different phase in PLAXIS, it also shows that with the same time of consolidation, the depth of neutral plane increases slightly with the height of fill embankment ĐẶT VẤN ĐỀ Đối với công trình xây dựng đất yếu, giải pháp móng cọc ln ưu tiên hàng đầu tính hiệu kinh tế Tuy nhiên, khu vực có tầng đất chưa kết thúc cố kết, việc đặt móng cọc vào địa tầng cần xét đến 414 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 tượng ma sát âm Ma sát âm tượng đất xung quanh cọc lún nhanh cọc, từ sinh lực dọc kéo cọc xuống, làm ảnh hưởng đến sức chịu tải cọc Có nhiều nguyên nhân gây ma sát âm, nguyên nhân chiều cao đắp lớn Trong thực tế, trường hợp gặp cơng trình xây khu đất trũng, cải tạo lại từ vùng đầm lầy, ao hồ Do đặc trưng trũng địa hình tránh ảnh hưởng mực nước ngầm dâng lên triều cường, cần thiết phải tơn lên cao, ngang mặt đất tự nhiên cao (xem Hình 1) Tuy nhiên, chiều cao tơn lớn hình thành tải đắp đủ lớn để làm đất bên tiếp tục cố kết, vậy, sinh ma sát âm ảnh hưởng đến cọc móng cọc cơng trình Mức độ ảnh hưởng nhiều hay phụ thuộc vào phạm vi ảnh hưởng ma sát âm, thường đánh giá thơng qua vị trí mặt phẳng trung hịa Do đó, báo này, tác giả tiến hành khảo sát vị trí mặt phẳng trung hịa cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm thay đổi tải tác dụng, mà cụ thể thay đổi chiều cao đắp tơn Hình Ma sát âm chiều cao đắp tôn lớn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp lý thuyết: Tìm hiểu số cách tính tốn theo phương pháp giải tích để xác định vị trí mặt phẳng trung hịa cọc xảy tượng ma sát âm - Phương pháp mô phỏng: Ứng dụng phần mềm PLAXIS 2D v.8.5 để mô ảnh hưởng tượng ma sát âm thay đổi tải trọng tác dụng cọc đất yếu Thông qua kết mô phỏng, xác định độ sâu mặt phẳng trung hòa cọc KHÁI QUÁT VỀ MA SÁT ÂM VÀ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA 3.1 Khái quát ma sát âm Khi cọc đóng đất tốt cố kết xong, tải trọng hướng xuống VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 415 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 truyền vào móng cọc hình thành đất lực để cân lại với tải trọng Các lực chủ yếu lực ma sát bên thân cọc, thường theo chiều hướng lên (trong trường hợp cọc treo) có thêm sức kháng mũi cọc (nếu trường hợp cọc chống đất cứng) Ma sát bên thân cọc trường hợp gọi ma sát dương Trường hợp cọc xây dựng khu vực đất yếu chưa cố kết xong, nhiều nguyên nhân khác (nâng hạ mực nước ngầm, lớp đất đắp san dày, ), lớp đất yếu cố kết lại, dẫn đến chuyển động lún xuống đất hình thành lực ma sát bên thân cọc theo chiều hướng xuống, chiều tải trọng tác dụng lên cọc Lực ma sát gọi lực ma sát âm Ma sát âm tượng lớp đất yếu xung quanh thân cọc lún nhanh tốc độ lún cọc Vì thế, ma sát âm xảy không tạo lực ma sát có lợi để giữ cọc mà cịn sinh thêm lực kéo xuống, làm ảnh hưởng khả chịu tải cọc 3.2 Vị trí mặt phẳng trung hịa Trong q trình sử dụng cơng trình, tải kết cấu bên truyền xuống đầu cọc thông qua đài cọc Tải trọng chia thành tĩnh tải Qdead hoạt tải Qlive Ngay chuyển vị đất nhỏ, đa số trường hợp đất di chuyển xuống so với cọc truyền lực vào cọc thông qua lực ma sát âm Và cần chuyển vị tương đối nhỏ đủ để gây nên lượng đáng kể lực ma sát âm (cũng ma sát dương) Do đó, cọc phát triển chế cân lực, với bên tổng tĩnh tải đặt lên đầu cọc - Qd lực kéo xuống – Qn (sinh lực ma sát âm phần cọc) cân với bên lại gồm tổng sức kháng mũi ma sát dương phần cọc Vị trí cân gọi mặt phẳng trung hịa, vị trí mà độ sâu mà ứng suất cắt dọc theo thân cọc chuyển từ ma sát âm thành ma sát dương (sức kháng ma sát thành cọc) Đây vị trí khơng có chuyển vị tương đối cọc đất, hay vị trí mặt phẳng trung hịa cịn gọi vị trí cân chuyển vị Q = Tải trọng Qd = Tĩnh tải Qi = Hoạt tải rs = Sức kháng ma sát thành đơn vị Rs = Tổng sức kháng ma sát thành qn = Lực ma sát âm đơn vị Qn = Lực kéo xuống rt = Sức kháng mũi đơn vị Rt = Tổng sức kháng mũi L = Chiều dài cọc D = Chiều dài phần cọc nằm đất NP = Mặt phẳng trung hịa Hình Các lực xuất cọc xảy ma sát âm 416 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA 4.1 Phương phápđơn giản Dựa vào tương quan biểu đồ quan hệ độ lún cọc-đất phân bố lực dọc cọc xảy tượng ma sát âm (Hình 3), W.H.Ting [1] đưa cách tính độ sâu mặt phẳng trung hịa cọc dựa phương trình đơn giản sau: w p = wst (1 − Ln ) Hc (1) Trong đó: Wp: Độ lún cọc Wst: Độ lún đất Ln: Độ sâu trục trung hòa (neutral axis) tính từ cao độ đáy lớp đất đắp Hc: Bề dày lớp đất có tính nén lún cao (bề dày lớp đất yếu) Từ công thức trên, dễ dàng suy vị trí mặt phẳng trung hịa (hay độ sâu mặt phẳng trung hịa) tính sau: L n = (1 − wp wst )H c (a) (2) (b) Hình Hình ảnh vẽ lại trường hợp tính tốn vị trí mặt phẳng trung hịa cọc treo (Floating pile) nêu báo W.H.Ting[1]: (a) Chiều dài cọc (Lo) nhỏ chiều dày lớp đất yếu (Hc); (b) Chiều dài cọc (Lo) lớn chiều dày lớp đất yếu (Hc) Tuy nhiên, Fellenius [2] xem xét lại cách tính cho giả thiết “Độ lún đất phân bố tuyến tính theo độ sâu” W.H.Ting đưa không hợp lý cho hầu hết trường hợp, ví dụ với tốn minh họa mà W.H.Ting đưa ra, vốn có lớp đất yếu với tính nén lún cao bề dày lớn (>50 m) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 417 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Có thể vận dụng cơng thức phổ biến để tính vị trí mặt phẳng trung hịa theo cơng thức (2) với trình tự sau: Tiến hành chia đất thành lớp phân tố có bề dày ≤ 2,0 m Tính độ lún ổn định đất wst: Thông thường thực tế, hồ sơ khảo sát địa chất khơng có đầy đủ thơng số để tính tốn độ lún đàn hồi (S1) độ lún từ biến (S3) Do vậy, theo 22TCN262-2000 độ lún S dự đốn cơng thức kinh nghiệm sau: Wst = S = S1 + S2 + S3 = m.S2 (3) Trong đó: o S: độ lún ổn định đất o S1: độ lún đàn hồi đất o S2: độ lún cố kết đất nền, tính theo phương pháp tổng phân tố o S3: độ lún từ biến đất Tính độ lún cọc đơn [3], wp, theo công thức: wp = Sđ = ΔL + Sm + Sb (4) Trong đó: o ΔL: độ lún đàn hồi cọc Tính theo cơng thức: ΔL = QL Q p Ec (5) o Sm: độ lún biến dạng nén đất mũi cọc tính theo lý thuyết đàn hồi: Sm = q ap ω (1 − v ) E0 (6) o Độ lún Sb chuyển dịch theo phương đứng lực ma sát đất mặt bên cọc tính theo cơng thức sau: Sb = f as Dω b (1 − v ) E0 (7) Với: ƒ ωb: Hệ số ảnh hưởng, Vesic đề nghị cơng thức tính sau: ω b = + 0,35 418 (8) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Từ độ lún đất độ lún cọc vào cơng thức (2) tính vị trí trục trung hịa Ln (hay độ sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm cọc, ZL) Cùng với nhiều nghiên cứu ngày cho thấy, độ lún lớp đất yếu diễn biến phức tạp đường cong phi tuyến, khơng đường thẳng tuyến tính theo độ sâu Do vậy, cách tính W.H.Ting mang tính ước lượng sơ ban đầu, khơng có nhiều giá trị ứng dụng thực tiễn 4.2 Phương pháp thống Dựa vào thí nghiệm tài liệu công bố nhiều tác giả, Fellenius phát triển cách thức thiết kế móng cọc dựa vào biểu đồ phân bố lực chuyển vị, gọi Phương pháp Thống (Unified Method).Cách xác định sơ vị trí mặt phẳng trung hịa theo lý thuyết phân tích tương tác truyền tải trọng bước tính phương pháp Thống Vị trí mặt phẳng trung hịa xác định theo trình tự sau: Chia nhỏ lớp đất thành lớp phân tố có bề dày ≤ m Chọn thông số β cho lớp đất theo Bảng Riêng lớp đất mũi cọc xác định thêm thông số Nt theo Bảng Bảng Giá trị hệ số β số loại đất Đất Đất loại Sét (Clay) Đất loại Bột (Silt) Đất loại Cát (Sand) Đất loại Cuội sỏi (Gravel) ϕ 25 – 30 28 – 34 32 – 40 35 – 45 β 0,15 – 0,35 0,25 – 0,50 0,30 – 0,90 0,35 – 0,80 Bảng Giá trị hệ số Nt số loại đất Đất Đất loại Sét (Clay) Đất loại Bột (Silt) Đất loại Cát (Sand) Đất loại Cuội sỏi (Gravel) ϕ 25 – 30 28 – 34 32 – 40 35 – 45 Nt – 30 20 – 40 30 – 150 60 – 300 Tính giá trị (Qd + Qn) (Qu – Rs) theo bước sau: - Sức chịu tải tới hạn cọc Qult tổng sức kháng mũi cực hạn sức kháng ma sát thành cực hạn: Qult = Qu = Rs + Rt - (9) Khi sức kháng ma sát thành sức kháng ma sát mũi huy động tối đa, lực cọc Qz xác định biểu thức: Qz = Qu - ∫ Asβσ’zdz = Qu - Rs VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM (10) 419 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 - Phân bố lực dọc cọc phía mặt phẳng trung hịa: Qz = Qd + ∫ Asqndz = Qd – Qn (11) Qn = rs = βσ’z (12) Với: Thể giá trị đường (Qd + Qn) theo độ sâu z Làm tương tự với đường (Qu – Rs) Hình biểu diễn dạng đường cong (Qd + Qn) (Qu – Rs) tính theo cơng thức (10),(11) Mặt phẳng trung hịa (NP) Hình Cách xác định vị trí mặt phẳng trung hòa theo phương pháp Thống Xác định vị trí giao hai đường tính bước Từ suy vị trí mặt phẳng trung hòa giá trị lực dọc tác dụng lên mặt phẳng trung hòa 4.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (PLAXIS 2D v8.5) Khi giải toán thực tế, nhiều phần mềm phát triển sở phương pháp phần tử hữu hạn: PLAXIS, SAP2000, ANSYS,… Để xác định vị trí mặt phẳng trung hòa sử dụng phần mềm Plaxis, cụ thể Plaxis 2D, trước tiên cần tiến hành mơ tốn ảnh hưởng ma sát âm cọc Từ thông số biểu đồ lực ma sát đất dọc thân cọc, dễ dàng xác định vị trí mà lực ma sát thay đổi dấu từ âm sang dương Tại vị trí lực ma sát vị trí cân lực hay cịn gọi vị trí mặt phẳng trung hịa 420 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 ỨNG DỤNG TÍNH TỐN 5.1 Thơng số tốn - Sơ đồ tốn Hình Sơ đồ tốn - Thơng số địa chất sử dụng cho q trình tính tốn trình bày bảng Các thông số sử dụng khai báo thơng số vật liệu tính tốn Plaxis Bảng Các thông số địa chất STT Name Đất đắp Bùn sét MohrCoulomb Drained 18 MohrCoulomb UnDrained 15,1 Sét, sét pha nửa cứng MohrCoulomb UnDrained 19,4 Model γunsat Type [kN/m3] Sét, sét pha, Bê tông cứng Hardening Linear Elastic Soil UnDrained Non-porous 20,6 25 γsat [kN/m3] 19 15,54 19,82 21,2 25 kx [m/day] 1,00E-03 3,02E-05 1,33E-05 3,31E-05 0,00E+00 ky ν Eref [m/day] [-] [kN/m2] 1,00E-03 0,3 1035 2,02E-05 0,35 347,8 8,98E-06 0,35 2577,2 2,20E-05 - 0,00E+00 0,2 2,70E+07 E50ref [kN/m2] - - - 20480 - VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 421 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Eoedref Eur ref ref STT - - Sét, sét pha nửa cứng - Name Đất đắp Bùn sét - - - 61440 - 10 25 - 8,3 2,75 - 36,2 12,63 - 29,78 0,2 - - - - 100 0,875 0,5 - [kN/m2] [kN/m ] [kN/m ] [°] [°] [-] c ϕ ψ νur [kN/m2] pref [-] Power (m) [-] K0nc Sét, sét pha, cứng 20480 Bê tông - Rf [-] - - - 0,9 - Rinter [-] 0,9 0,7 0,85 0,9 Bài toán khảo sát trường hợp chiều cao đất đắp là: 1,7 m, 2,0 m, 2,5 m 3,0 m Hình Mơ hình toán PLAXIS 2D Khi sử dụng PLAXIS 2D v8.5 để mơ tốn ảnh hưởng ma sát âm cọc thay đổi chiều cao đất đắp, sử dụng thông số vật liệu đất Bảng Tiến hành thiết lập trình tự phase tính tốn sau: Chất tải đất đắp Cố kết đất năm tải đắp 422 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Thi cơng cọc Chất tải đầu cọc 1.000 kN Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm sau năm sử dụng Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm sau năm sử dụng Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm đất hết cố kết 5.2 Kết tính tốn vị trí mặt phẳng trung hịa theo phương pháp khác Kết tính tốn chiều sâu mặt phẳng trung hòa cọc tăng chiều cao tải đắp từ 1.7m lên 3.0m phương pháp khác thể Hình Có thể thấy: - Các kết tính theo phương pháp giải tích (Phương pháp đơn giản, Phương pháp Thống nhất) nhỏ kết tính theo phương pháp phần tử hữu hạn (PLAXIS 2D) - Mức chênh lệch độ sâu ZL lớn chiều cao tải đắp nhỏ, giảm dần tăng chiều cao tải đắp (Bảng 4) Hình So sánh kết tính tốn độ sâu mặt phẳng trung hòa ZL theo phương pháp khác Bảng So sánh chênh lệch vùng ảnh hưởng ma sát âm ZL theo phương pháp tính So sánh chênh lệch vùng ảnh hưởng zl phương pháp tính Chiều cao đất đắp (m) 1,7 2,5 Chênh lệch Plaxis Phương pháp đơn giản Chênh lệch Plaxis Phương pháp Fellenius 44% 52% 43% 45% 28% 38% 19% 33% Từ kết mơ PLAXIS 2D, xác định độ sâu ZL thời điểm khác nhau, cho phân bố Hình 8) Ở thời điểm (cùng phase tính tốn) tăng chiều cao đất đắp, độ sâu mặt phẳng trung hòa khơng thay đổi đáng kể VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 423 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Hình Phân bố độ sâu mặt phẳng trung hòa cọc thời điểm khác Việc tính tốn vị trí mặt phẳng trung hịa theo phương pháp khác có chênh lệch đáng kể kết tính theo phương pháp giải tích (phương pháp đơn giản, phương pháp thống nhất) phương pháp phần tử hữu hạn (mô phần mềm Plaxis 2D v8.5) Với chiều cao đắp tải, vị trí mặt phẳng trung hịa phát triển sâu xuống mũi cọc thời gian cố kết đất lâu 424 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Với kết mơ theo Plaxis, thời điểm khảo sát, tăng chiều cao đất đắp vị trí mặt phẳng trung hịa tương ứng tăng lên, mức tăng không nhiều 6.2 Kiến nghị Khảo sát độ sâu mặt phẳng trung hòa với trường hợp chiều cao đắp > 3.0m So sánh vị trí mặt phẳng trung hịa áp dụng ba phương pháp tính địa chất khác TÀI LIỆU THAM KHẢO   W.H.Ting, "Drowndrag Settlement of a Single Floating Pile," Geotechnical Engineering, Vols 31, No.2, pp 83-90 Bengt H Fellenius, "Disscusion Bengt H.Fellenius on "Drowndrag Settlement a Single Floating Pile" authored by W.H.Ting," Geotechnical Engineering, Vols 32, No.1, pp 45-46 Võ Phán and Hồng Thế Thao, Phân tích tính tốn Móng cọc, NXB ĐHQG TPHCM, 2010 Plaxis 2D v8 Tutorial Manual B.H Fellenius, The Red Book - Basic of Foundation Design (Electronic Edition), 2015 Người phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 425 ... ảnh hưởng ma sát âm, thường đánh giá thơng qua vị trí mặt phẳng trung hịa Do đó, báo này, tác giả tiến hành khảo sát vị trí mặt phẳng trung hịa cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm thay đổi tải tác dụng, ... tải đầu cọc 1.000 kN Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm sau năm sử dụng Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm sau năm sử dụng Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm đất hết cố kết 5.2 Kết tính tốn vị trí mặt phẳng trung. .. thân cọc chuyển từ ma sát âm thành ma sát dương (sức kháng ma sát thành cọc) Đây vị trí khơng có chuyển vị tương đối cọc đất, hay vị trí mặt phẳng trung hịa cịn gọi vị trí cân chuyển vị Q = Tải trọng