CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TỐN
2.4 Cơ sở tính tốn phân tích ảnh hưởng ma sát âm (MSA) lên cọc
2.4.1 Khái niệm MSA
Móng cọc trong nền đất yếu đang cố kết thường chịu một áp lực có thể rất lớn do MSA gây ra. MSA xuất hiện khi độ lún của đất xung quanh cọc lớn hơn độ
lún của bản thân cọc. Theo đó, tại vị trí mà chuyển vị (lún) tương đối của đất và cọc bằng 0 gọi là điểm trung hòa và mặt phẳng (nằm ngang) đi qua điểm trung hòa được gọi là mặt phẳng trung hịa (MPTH) [Hình 2.3]. Theo đó, ở dưới MPTH cọc chịu ma sát dương; ở trên MPTH cọc chịu MSA.
Hình 2.3. Mặt phẳng trung hịa và biểu đồ lún của cọc – đất xung quanh Trị số MSA có liên quan với sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất hữu Trị số MSA có liên quan với sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất hữu hiệu của đất xung quanh cọc. Như vậy MSA phát triển theo thời gian và có trị số lớn nhất trong quá trình khai thác [16]. Cũng theo [16], các PP tính MSA hiện nay chưa trình bày rõ sự chuyển vị tương đối giữa cọc và đất; mà chỉ giả thiết rằng chuyển vị này đủ để gây ra MSA đơn vị lớn nhất fn
2.4.2 PP tính tốn phân tích MSA
Có nhiều PP tính tốn xác định ảnh hưởng của MSA lên sức chịu tải (Ptk ) của cọc. Các cơng thức trình bày sau đây được áp dụng chính thức trong Quy phạm Hãng cầu đường Pháp FOND-72 [17].
a) Ngun lý tính tốn:
Phần lớn hiện tượng MSA được tạo ra do hiện tượng cố kết của đất sét chịu nén. Do vậy, đặc trưng cơ học được lựa chọn trong tính tốn là ở trạng thái ứng suất hữu hiệu ', 'c .
Dưới mặt phẳng trung hịa, MSA khơng tồn tại.
Trường hợp cọc xuyên qua đất đắp nằm trên đất yếu thì MSA sẽ hoạt động dọc theo cọc cả ở đất đắp và đất yếu, đến mặt phẳng trung hòa.
b) MSA đơn vị:
Gọi 'v là ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở độ sâu nào đó, bao gồm gia tải
và áp lực cột đất hữu hiệu, ta có thể viết: 'h K0'v (trong đó: K0 là áp lực đất nghỉ). Với các giả thiết rằng, thi công cọc không làm xáo trộn đất xung quanh và lực dính kết hữu hiệu c’ =0, thì trong điều kiện đó ta có biểu thức:
fn K'vtan' (2.3) Trong đó: fn–MSA đơn vị; '–Góc ma sát hữu hiệu cọc–đất; K– Hệ số đất nghỉ.
c) Giá trị Ktan': Theo quy phạm Quốc gia Pháp (1991) [17], giá trị '
tan
K được lấy theo Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các giá trị Ktan' Cọc khoan Loại đất – trạng thái
Chống ống Khơng chống Cọc đóng Than bùn Đất hữu cơ 0,10 0,15 0,20
Đất yếu 0,10 0,15 0,20 Đất loại sét Dẻo cứng – Cứng 0,15 0,20 0,30 Rất xốp 0,35 Xốp 0,45 Cát & sạn sỏi Chặt vừa – Chặt 1,00
d) Xác định chiều dày (H’) chịu MSA:
Xác định chiều dày (H’ ) mà cọc xuyên qua chịu MSA tham khảo Bảng 2.3.
e) Tính tốn lực ma sát âm Fn :
Gọi Fn là lực MSA tác dụng lên thân cọc, được xác định trong phạm vi
chiều sâu tồn tại MSA (đến điểm mặt phẳng trung hòa), thể hiện qua biểu thức
N n
n p f dz
Q
0
Trường hợp cọc xuyên qua lớp đất yếu:
Đất yếu được xem như ngập nước, và khi đó ta có:
MSA đơn vị: fn(max) Ktan' 'H' (2.4)
Lực MSA: Qn pH ['0,5'H]'Ktan' (2.5) Trong đó: –Gia tải tạo nên độ lún đất yếu xung quanh cọc; '– Dung trọng đẩy
nổi đất yếu; H’–Độ sâu đất yếu đến mặt phẳng trung hòa; p – Chu vi tiết diện cọc.
Trường hợp cọc xuyên qua đất đắp và đất yếu:
Đặc trưng đất đắp: H0, '0, (Ktan')0 ; đặc trưng đất yếu: 'H , 's,
s
Ktan ')
( Ta có ma sát âm đơn vị cực đại fn(max) và lực ma sát âm Qn :
tan ' '0 '0 ' ' (max) K H H fn s s (2.6) ] )' tan ( ) ' 5 , 0 ' ' ( ) ' tan ( 5 , 0 [ 02 0 0 0 s s2 s n p H K H H H K Q (2.7)
e) Xác định MSA cho tính tốn thiết kế :
Việc phân tích, xác định, lựa chọn giá trị MSA phục vụ thiết kế là cần thiết và cần phải thận trọng. Theo tài liệu kỹ thuật trong FOND-72 [17], khuyến nghị như sau:
Nếu do tác động của gia tải mà độ lún của lớp đất yếu nhỏ (tổng cộng dưới 2cm) thì có thể bỏ qua mà khơng tính đến hiệu ứng ma sát âm.
Nếu lớp đất yếu bị lớp đất đắp nằm trên gây ra một độ lún cố kết quá lớn (hàng vài chục cm) thì cần sử dụng khả năng huy động ma sát âm tối đa.
Trường hợp độ lún lớp đất yếu có giá trị trung gian thì khơng thể đưa ra một quy tắc nhất định vì khi đó ma sát âm thường khơng được huy động tối đa. Khi đó có thể lựa chọn cho thiết kế một giá trị mà nó được tính đến các yếu tố sau: Bề dày lớp dất chịu lún, bề dày đất đắp, sức chịu tải của tầng chịu lực v.v ... và được thể hiện trong Bảng 2.3.
Ma sát âm chỉ được tính vào tải trọng thường xuyên, nghĩa là khi thiết kế cần kiểm tra các điều kiện sau:
Trong đó: Qs – gia tải; Qg – tải trọng thường xuyên; Qn – lực MSA; Qw – sức chịu
tải cho phép cọc làm việc.
Bảng 2.3. Xác định chiều dày MSA cho thiết kế [17] Chiều dày
lớp đất yếu Độ lún
5 m 10 m ≥ 20 m
1 – 2 cm Bỏ qua lớp đất yếu trong tính tốn sức chịu tải của cọc. Cần tính đến MSA trong phạm vị cọc ngàm qua đất đắp và đất nền chịu MSA:
2 – 10 cm
3m cọc 5m cọc 10m cọc Cần tính đến MSA trong phạm vị cọc ngàm qua đất đắp và đất nền chịu MSA:
> 10 cm