Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo trình bày hệ số bám dính trong sự hình thành sức chịu tải của cọc và phân tích sự thay đổi của lực bám khi hình dạng mặt cắt của cọc thay đổi, làm cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của tiết diện cọc lên cọc dung tải. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài viết này.
HỆ SỐ BÁM DÍNH TRONG MỐI QUAN HỆ GIỮA HÌNH DẠNG TIẾT DIỆN CỌC VỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG ĐẤT TRẦN THƢỢNG BÌNH* NGUYỄN HỒNG DƢƠNG Adhesion coefficient in the relationship between the pile cross-sectional shape and the bearing capacity of the pile in the soil Abstract: The paper presents the adhesion coefficient in the formation of the bearing capacity of the pile and analyzes the change of the adhesion force when the cross-sectional shape of the coc changes, as a basis for evaluating the influence of the pile cross-section on pile load capacity Keywords: coefficient of adhesion, shape of pile section, load capacity GIỚI THIỆU CHUNG * Theo Tomlinson [2] sức kháng thành cọc cọc đƣợc đóng vào đất dính thƣờng lớn tám mƣơi (80%) chín mƣơi (90%) phần trăm tổng sức chịu tải Điều đặc biệt khả chịu tải cọc ma sát đất sét có độ bền cắt từ trung bình đến cao (Cu> 100 kN/m2) Khi để ƣớc tính khối lƣợng cọc, ma sát thành đƣợc tính nhƣ sau: Qsf=fsPL (1) Trong đó: fs = hệ số ma sát độ bám dính thành đơn vị trung bình tính (kPa) P = chu vi cọc (m.) L = chiều dài nhúng cọc (m.) Ứng suất cắt phá hoại mặt tiếp xúc cọcđất thƣờng đƣợc gọi "độ bám dính" (Ca) Ma sát thành đơn vị danh ngh a trung bình (fs) đất sét bão hòa đồng nhất, đƣợc biểu thị bằng: fs= Ca=αCu (2) biểu thức này: Ca- lực bám dính đất vào thân cọc Cu- lực dính kết đất - hệ số bám dính thực nghiệm Trong theo TC VN 10304 , sức chịu tải * Đ i học Kiến trúc Hà Nội Km 10, Đ ng Nguyễn Trãi, quận Thanh Xuân, thành phố Hà Nội, Việt Nam 36 cực hạn Rcu, tính kN, cọc treo, kể cọc ống có lõi đất, hạ phƣơng pháp đóng ép, đƣợc xác định tổng sức kháng đất dƣới mũi cọc thân cọc: Rc,u = c ( cq qb Ab + u∑cf fi li) (3) đó: c hệ số điều kiện làm việc cọc đất, c =1; qb cƣờng độ sức kháng đất dƣới mũi cọc, lấy theo Bảng 2; u chu vi tiết diện ngang thân cọc; fi cƣờng độ sức kháng trung bình lớp đất thứ “i” thân cọc, lấy theo Bảng 3; Ab diện tích cọc tựa lên đất, lấy diện tích tiết diện ngang mũi cọc đặc, cọc ống có bịt mũi; diện tích tiết diện ngang lớn phần cọc đƣợc mở rộng diện tích tiết diện ngang khơng kể lõi cọc ống không bịt mũi; li chiều dài đoạn cọc nằm lớp đất thứ “i”; cq cf tƣơng ứng hệ số điều kiện làm việc đất dƣới mũi thân cọc có xét đến ảnh hƣởng phƣơng pháp hạ cọc đến sức kháng đất (tra bảng phụ thuộc vào loại đất, phƣơng pháp hạ cọc kích thƣợc tiết diện vng) Nhƣ vậy, biểu thức TC VN 10304, khái niệm vê hệ số bám dính chƣa tƣơng minh, hệ số bám dính α ẩn hệ số cq , cf fi, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Kết nghiên cứu Ahmed M Elsharief1 [3] nghiên cứu thực nghiệm phƣơng pháp xác định sức chịu tải cọc ông thép thấy rầng, lực bám dính lên thân cọc đất sét hàm ứng suất pháp với thân cọc Một số kết thực nghiệm so sánh sức chịu tải cọc có tiết diện khác nhau, điển hình so sánh cọc chữ T với cọc tiết diện vng [4] có thể tích hay diện tích tiết diện cọc cho thấy khác rõ rệt sức chịu tải đất, cọc chữ T lớn 1,2 lần nhƣng theo tính tốn phƣơng pháp sổ tay địa kỹ thuật (Geotechnical Manual) lớn 1,1 lần phần diện tích thân cọc chữ T Tất cả, trình bày cho thấy, cần xem xét lực bám dinh đất lên cọc hệ số hình thành sức chịu tải cọc, đặc biệt ảnh hƣởng qua lại lực bám dính với hình dạng tiết diện cọc LỰC BÁM DÍNH VÀ HỆ SỐ BÁM DÍNH Xét vật rắn tiếp xúc với vật rắn khác thông qua trƣợt mặt phẳng tiếp xúc, điều kiện để chúng trƣợt lên mơ tả bất phƣơng trình F> K.N (kPa) (4) Trong F- lực tác dụng phƣơng mặt trƣợt hay lực tiếp tuyến N – lực pháp tuyến phƣơng mặt trƣợt K- hệ số ma sát phụ thuộc vào đặc điểm bề mặt tiếp xúc giũa vật Xét hệ phân tán tự nhiên ba thành phần rắn, lỏng khí, tƣợng trƣợt mặt hệ, từ lâu tƣờng minh thành phần sức kháng cắt đất là: lực ma sát Fms lực dính kết Fdk với mối quan hệ theo phƣơng trình Coulomb = Fms+ Fdk = tg +c (5) Trong đó: - sức kháng cắt (kPa) C lực dính kết đơn vị (kPa) C đƣợc hình thành mối liên kết hạt hệ phân tán, có độ lớn phụ thuộc vào lƣợng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 bề mặt hệ theo quy luật kích thƣớc hạt nhỏ lƣợng bề mặt lớn lực dính kết lớn Với hạt kích thƣớc đƣờng kính d nhỏ d0,1mm lƣợng bề mặt nhỏ không đáng kể, nên xem nhƣ khơng có lực dính kết hạt Khi hệ phân tán pha (đất) tiếp xúc với bề mặt vật rắn, so với tiếp xúc vật rắn tiếp xúc giũa đất với đất nhận thấy đặc điểm sau: - Có tiếp xúc đồng thời pha đất, có nƣớc màng liên kết tiếp xức với bề mặt vật rắn thể tính chất bám dính chất lỏng vào vật rắn [5] có giá trị thƣờng lớn lực liên kết hạt qua màng nƣớc - Đó tiếp xúc vật đƣợc hình 37 thành từ mối liên kết keo nƣớc (liên kết phân tử) nhỏ so với vật có liên kết ion, kim loại… vật tắn bền vững, nên mối liên kết mặt tiếp xúc, trƣớc hết phụ thuộc vào tính bền vững liên kết hệ phân tán Nhƣ vậy, lực bám dính đất lên cọc khác với sức kháng cắt đất giá trị, nhƣng chúng có mối liên hệ với đặc trƣng kháng cắt đất chất, lực bám dính lên thân cọc đất cát khác với đất sét -Đối với đất cát, lực bám dính lên cọc lực ma sát cát mặt phẳng thân cọc, phụ thuộc vào độ lớn lực pháp tuyến, vào đặc điểm bề mặt cọc có chút vào đặc điểm thành phần hạt, bao gồm hàm lƣợng nhóm hạt, thành phần khống hóa hạt Nếu gọi lực bám dính đơn vị cát lên thân cọc fbs (kPa) biểu diễn giá trị chủa chúng theo biểu thức fbs= αk. (5) Trong fbs- lực phƣơng, ngƣợc chiều với phƣơng dich chuyển cọc đất - áp lực khối đất tác dụng lên mặt cọc theo phƣơng pháp tuyến αk- hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào chất liệu làm cọc đặc điểm loại cát tƣơng tự nhƣ hệ số ma sát K - Đối với đất sét, lực bám dính lên cọc liên kết phân tử màng nƣớc liên kết, độ lớn phụ thuộc vào bề dày màng nƣớc, màng nƣớc phụ thuộc vào kích thƣớc hạt, thành phần khống hóa vật áp lực tác dụng lên màng [5] Do thực chất lực bán dính đất sét lên thành cọc phụ thuộc vào áp lực bên ngồi nhƣ lực ma sát, phụ thuộc vào đặc điểm bề mặt thân cọc, nhƣng không liên quan đến hệ số ma sát K biểu thức (4) mà thông qua ép chặt làm giảm bề dày màng nƣớc liên kết Để có phân biệt tạm gọi lực bám dính đơn vị đất sét lên thân cọc fbc để đơn giản việc xác định chấp 38 nhận fbc quan hệ tuyến tính với áp lực pháp tuyến nhƣ phƣơng trình Coulomb, theo biểu thức sau: fbc=co+tgo (6) đó:- áp lực đất lên cọc theo phƣơng pháp tuyến mặt cọc co- lực bám dính đất m i loại cọc, o- góc ma sát bề mặt cọc với đất Ở thông số c o, o hệ số bám dính đất lên thân cọc để hình thành sức chịu tải coc, chúng đƣợc xác định mơ hình cắt phẳng hoăc ba trục cho m i loại chất liệu cọc mẫu đất thực có vị trí thân cọc So sánh (6) với (5) thấy với đất rời C=0 biểu thức trở biểu thức (5) Nhƣ vậy, biểu thức (6) phƣơng trình tổng qt khơng phân biệt đất dính với đất rời Nhìn lại biểu thức (2) Tomlinson [2] sức kháng thành cọc cọc đƣợc đóng vào đất dính : fs= Ca=αCu biểu thức này: Cu- cƣờng độ cắt khơng nƣớc trung bình đất sét nguyên dạng chiều dài cọc đất dính - hệ số bám dính thực nghiệm Hệ sốphụ thuộc vào tính chất cƣờng độ đất sét, kích thƣớc cọc, phƣơng pháp đóng cọc ảnh hƣởng thời gian Các giá trị thay đổi giới hạn rộng giảm nhanh chóng với tăng sức chống cắt Các giá trị nhận đƣợc từ bảng tra theo loại dất vật liệu cọc bảng Nếu so sánh biểu thức ( 2) với (6) có nhận xét: biểu thức (2) hệ số bám dính hệ số tra bảng dựa vào nhiều điều kiện, biểu thức (6) hệ số lực bám dính thơng số phƣơng trình bậc cho m i loại cọc Sử dụng (6) hạn chế tính chủ quan việc lựa chọn hệ số , nhƣng phức tạp phải thí nghiệm xác đinh c ovà o ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Bảng 1: Hệ số bám dính thực nghiệm α Lực dính kết c u [ kPa ] Hệ số bám dính α [-] - 12 0,00 - 1,00 Mềm mại 12 - 24 1,00 - 0,96 Cứng vừa 24 - 48 0,96 - 0,75 Cứng 48 - 96 0,75 - 0,48 Rất cứng rắn 96 - 192 0,48 - 0,33 Rất mềm mại - 12 0,00 - 1,00 Mềm mại 12 - 24 1,00 - 0,92 Cứng vừa 24 - 48 0,92 - 0,70 Cứng 48 - 96 0,70 - 0,36 Rất cứng rắn 96 - 192 0,36 - 0,19 Vật liệu cọc Độ đặc đất Cọc g bê tông Rất mềm mại Cọc thép ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH DẠNG TIẾT DIỆN CỌC ĐẾN LỰC DÍNH BÁM DÍNH CỦA ĐẤT LÊN THÂN CỌC Để nghiên cứu ảnh hƣởng hình dạng tiết diên cọc đến sức chịu tải nó, vấn đề xem xét cọc có diện tích tiêt diện chiều dài cọc đất để đảm bảo đất có thể tích biến dạng hạ cọc có hình dạng tiết diện khác nhƣng thể tích Vì vậy, có phân biệt hình tiết diện theo loại nhƣ sau: Trƣớc hết phân biệt tiết diện r ng với tiết diện đặc Tiết diện r ng chình cọc ống, Tiết diện đặc gồm hình dạng thơng thƣờng: nhƣ tam giác, vng, trịn, chữ nhật, chữ thập, chữ T, chữ U, chữ H Đối với hình, nhƣ: vng, trịn tam giác, diện tích chu vi chúng giảm dần theo thứ tự: tam giác, vng, trịn giảm dần từ đến khơng Ngoài mối quan hệ chu vi, hình đặc đƣợc phân thành hai nhóm xét theo góc hợp hai cạnh: Nhóm A hình trịn hình mà cạnh chúng ln hợp với góc α1800, nhóm gồm hình tiêu biểu nhƣ :chữ thập, chữ T chữ H, chữ U… Nếu xét phƣơng chiều pháp tuyến điểm mặt thân cọc, có nhận xét giống hình dạng tiết diện nhóm nhƣ sau: Các loại tiết diện thuộc nhóm A, phƣơng pháp tuyến mặt cọc không cắt tỏa ta xung quanh Các loại tiết diện nhóm B hình r ng phƣơng pháp tuyến điểm mặt có ch giao thành nhiều trục giao trục nhƣ trƣờng hợp cọc ống Hình 1: Sự dịch chuyển đát theo ph ơng đối xứng truc 39 Theo Randolph cộng 1979 hạ cọc trịn vào hình thành vùng chuyển vị nhƣ hình 1, theo phƣơng chuyển vị trùng với pháp tuyến, có chiều hƣớng từ mặt cọc bên ngồi Điều có ngh a, có tƣơng tác cọc với đất xung quanh, cọc chịu áp lực đất phƣơng ngƣợc chiều với chuyển vị Nhận định Randolph phƣơng chiểu chuyển vị lực tác dụng lên cọc hoàn toàn cho tiết diện loại đặc nhóm A, theo xung quanh thân cọc khơng có vùng tập trung ứng suất biến dạng Ngƣợc lại loại tiết diện r ng tiết diện nhóm B, ch giao vùng biến dạng lan truyền đến từ mặt thân cọc tạo thành đới nén làm lực bám dính với thân cọc tăng lên Mức tăng lực bám dính làm liên kết cọc vơi phần đất lớn liên kết thành phần đất, diện tích tiết diện làm việc cọc xem nhƣ đƣợc tăng lên qua sức chịu tải cọc tăng lên Sự tăng diện tích làm việc cọc đƣợc Trofimenkov [4] xác nhận, tác giả lấy mầu đất thân cọc chữ T cọc vuông để xác định tiêu độ ẩm, khối lƣợng tiêu kháng cắt, sau so sánh với Các kết nghiên cứu sức chịu tải cọc ống thép[3]cũng xác nhận điều Sự tăng diện tích làm việc tiết diện thể biểu thức (3) KẾT LUẬN - Lực bám dính lên thân cọc đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ tính chất lý ban đầu đất nền, điều kiện thoát nƣớc đất xung quanh thân cọc, áp lực đất lên thân cọc đặc điểm bề mặt thân cọc - Lực bám dính đất dinh đất rời lên Ng 40 thân coc khác chất, đát rời chất lực ma sát, đất dinh lực dính kết hệ phân tán lên bề mặt cọc - Sự hình thành biến đổi lực bám dính đất với thân cọc có khác loại tiết diện đặc với tiết diện r ng tiết diện mà mặt có pháp tuyến khơng giao nhƣ: hình vng, trịn tam giác với tiết diện có mặt pháp tuyến giao nhƣ: hình chữ U chữ T chữ Thập - Cùng thể tích cọc, cọc có tiết diện loại B, nhƣ: chữ U, chữ thập tiết diện r ng tăng giảm sức chịu tải cọc thay đổi hình dạng tiết diện cọc, ngồi ngun nhân tăng giảm diện tích thân cọc, cịn tăng giảm diện tích tiêt diện làm việc danh ngh a cọc nhờ hình thành khối đất cứng xung quanh thân cọc, tăng giảm lực bám dính đất lên thân coc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN- 10304: 2014 [2] Geotechnical Manual 2016 [3]Ahmed M Elsharief, Rasha Abu Elgasim Abdelrahman Bearing Capacity Parameters for Pipe Piles in Stiff to Hard Highly Plastic Clays, Journal of BRR VOL 16 Aug 2014 [4] Oleg Malyshev Bearing capacity of T-cross section piles in sand CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING REPORTS 133-144 DOI: 10.1515/ceer-2017-0041 [5] E.D Sukina Cơ lý hóa hệ p.hân tán tự nhiên, tiếng Nga, NXB Mockva 1985 i phản biện: GS,TS NGUYỄN BÁ KẾ ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 ... liệu cọc Độ đặc đất Cọc g bê tông Rất mềm mại Cọc thép ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH DẠNG TIẾT DIỆN CỌC ĐẾN LỰC DÍNH BÁM DÍNH CỦA ĐẤT LÊN THÂN CỌC Để nghiên cứu ảnh hƣởng hình dạng tiết diên cọc đến sức chịu. .. lực đất lên cọc theo phƣơng pháp tuyến mặt cọc co- lực bám dính đất m i loại cọc, o- góc ma sát bề mặt cọc với đất Ở thông số c o, o hệ số bám dính đất lên thân cọc để hình thành sức chịu tải. .. phần diện tích thân cọc chữ T Tất cả, trình bày cho thấy, cần xem xét lực bám dinh đất lên cọc hệ số hình thành sức chịu tải cọc, đặc biệt ảnh hƣởng qua lại lực bám dính với hình dạng tiết diện cọc