1.1. Khái niệm chung về ma sát âm tác dụng lên cọc, nguyên nhân phát sinh
1.1.2 Các nguyên nhân gây ra ma sát âm
Ma sát âm có thể được phát triển dưới nhiều điều kiện địa chất và sức chịu tải khác nhau, hiện tượng này thường quan trọng đối với cọc chống hơn là cọc ma sát. Lực ma sát âm của đất là lực xuất hiện trên mặt hông của cọc khi lún đất ở gần cọc và có hướng thẳng đứng về phía dưới, nên kể đến trong những trường hợp:
- Đắp đất hoặc tôn nền khi nâng cao vùng xây dựng hoặc lúc chuẩn bị kỹ thuật khi mà đất có tính nén co lớn nằm ở gần trên mặt đất;
- Gia tải trên mặt đất hoặc mặt nền bằng tải trọng có ích đủ lớn. Trường hợp này sẽ đặc biệt nguy hiểm nếu việc gia tải này tiến hành trong thời gian sử dụng cơng trình;
- Tăng trọng lượng bản thân của đất khi mức nước ngầm bị hạ thấp, sự cố kết tự nhiên của tầng đất, lèn chặt đất dưới tải trọng động, xây dựng bên cạnh cơng trình cọc những cơng trình mới trên móng nơng hơn;
- 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: Vđ > Vm.
Trên hình 1.2.
Một cọc được hạ qua một tầng đất yếu và mũi cọc ngàm vào một tầng đất khơng nén lún ( đá) ở phía dưới, như vậy cọc làm việc như một cọc chống.
Hình 1. 2. Ma sát âm trên cọc đóng vào trong tầng đất khơng nén lún.
a) Khơng có lực trên đầu cọc; b) Có lực nén trên đầu cọc c) Sự phân bố ma sát trên cọc và vị trí điểm trung hồ
(1) Vùng ma sát âm đang phát triển.
(2) Vùng giá trị lớn nhất của ma sát âm.
(3) Vùng mà sự chuyển dịch giữa đất và cọc không đủ để ma sát âm
đạt giá trị lớn nhất.
(4) Tầng đá gốc.
(5) Đường ma sát âm đơn vị.
(6) Vùng ma sát âm bị triệt tiêu do biến dạng đàn hồi của cọc.
(7) Vùng dưới tác dụng của tải trong P, cọc chuyển động tương đối
xuống phía dưới so với đất, như vậy làm giảm bớt ma sát âm.
- Hình 1.2 - a: Mơ tả biểu đồ về ma sát âm đơn vị ở các giai đoạn đầu của hiện tượng lún của lớp đất yếu. Trên đầu cọc khơng có tải, lực ma sát âm và tải trọng bản thân cọc gây ra tải trọng kéo xuống nhỏ không đủ để làm
cho cọc bị biến dạng đàn hồi. Vị trí của điểm trung hồ nằm ở phần trên của tầng đất yếu.
- Hình 1.2 - b: Mơ tả biểu đồ về ma sát âm đơn vị ở các giai đoạn sau của hiện tượng lún của lớp đất yếu. Trên đầu cọc có lực tác dụng, lúc này lực tác dụng lên cọc là đáng kể và có thể làm cho cọc bị biến dạng đàn hồi. Độ biến dạng đàn hồi của cọc là tương đối nhỏ và không đáng kể so với độ lún do cố kết của đất. Vị trí của điểm trung hồ nằm ở gần đáy của tầng đất yếu.
Vì tầng đất ở mũi cọc là tương đối cứng nên độ lún của cọc có thể bỏ qua ( khơng có hoặc có thì tương đối nhỏ, chủ yếu là do biến dạng đàn hồi của cọc). Khi đó, lực ma sát âm sẽ tác động dài hạn trên bề mặt tiếp xúc của cọc - đất ở phía bên trên của điểm trung hoà. Do vậy, ta phải tính tải trọng kéo xuống hình thành bởi lực ma sát âm ở bên trên của điểm trung hoà, đồng thời coi tải trọng kéo xuống là một phần của ngoại lực để tính tốn khả năng chịu lực của cọc.
Trên hình 1. 3.
Một cọc được hạ qua một tầng đất yếu và mũi cọc ngàm vào một tầng đất nén lún ở phía dưới, như vậy cọc làm việc như một cọc ma sát âm.
- Hình 1.3 - a: Mơ tả biểu đồ về ma sát âm đơn vị ở các giai đoạn đầu của hiện tượng lún của lớp đất yếu.
Trên đầu cọc khơng có tải, lực ma sát âm và tải trọng bản thân gây ra tải trọng kéo xuống làm cho mũi cọc bị lún xuống nhưng độ lún này rất nhỏ. Sự chuyển dịch tương đối (S(z)) giữa đất – cọc là lớn do tính co nén của tầng chịu lực tương đối nhiều. Ta có Sd > Sc và vị trí của điểm trung hồ nằm ở phần trên của tầng đất yếu.
Hình 1. 3. Ma sát âm trên cọc đóng vào trong tầng đất nén lún.
a) Khơng có lực trên đầu cọc; b) Có lực nén trên đầu cọc
c) Sự phân bố ma sát trên cọc và vị trí điểm trung hồ (1) Vùng ma sát âm đang phát triển.
(2) Vùng giá trị lớn nhất của ma sát âm.
(3) Vùng mà sự chuyển dịch giữa đất và cọc không đủ để ma sát âm đạt giá trị lớn nhất.
(4) Vùng giá trị của ma sát âm đang giảm. (5) Tầng đất nén được.
(6) Vùng ma sát âm bị triệt tiêu do biến dạng đàn hồi của cọc. (7) Vùng giá trị của ma sát âm giảm dần tới khơng.
- Hình 1.3 - b: Mô tả biểu đồ về ma sát âm đơn vị ở các giai đoạn sau của hiện tượng lún của lớp đất yếu. Trên đầu cọc có lực tác dụng, lúc này lực tác dụng lên cọc là đáng kể, lực này làm cho mũi cọc bị lún xuống và cọc
Độ lún của cọc dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và ma sát âm
Độ lún của cọc dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và ma sát âm và lực tác động P
cũng bị biến dạng đàn hồi. Độ lún ở mũi cọc và biến dạng đàn hồi của cọc là đáng kể so với độ lún do cố kết của đất. Sự chuyển dịch tương đối giữa đất – cọc là nhỏ. Ta có Sd > Sc và vị trí của điểm trung hồ nằm cao hơn đối với vị trí điểm trung hồ của cọc chống (nhưng rất khó xác định nếu khơng có các số liệu từ thí nghiệm nén cọc).
Khi xuất hiện lực ma sát âm có tải trọng kéo cọc xuống, do tính co nén của tầng chịu lực tương đối nhiều mà sinh ra lún theo nó. Một khi xuất hiện lún của cọc thì chuyển dịch tương đối giữa đất và cọc sẽ nhỏ đi, lực ma sát âm sẽ giảm xuống cho đến khi chuyển hố thành khơng. Cho nên trong các tình huống thơng thường, với loại cọc ma sát có thể coi gần đúng lực ma sát âm tác động dài hạn trên bề mặt tiếp xúc của cọc - đất ở phía bên trên của điểm trung hồ bằng khơng để tính tốn khả năng chịu lực của cọc.
Nếu cọc được đóng vào trong lớp đất sét mềm hoặc đặt trực tiếp rồi đắp lên mà mũi của nó nằm trong tầng đất chặt thì độ lún của cọc và cả lớp đất sét mềm hoặc lớp đất đắp xảy ra sau khi cọc đã được đóng và chịu tải. Trong q trình đóng và ngay sau khi đóng xong, một phần của tải trọng để chống lại lực dính của đất mềm với cọc. Nhưng do sự cố kết của đất sét mềm xảy ra, nó truyền tất cả tải trọng lên mũi cọc.
Trong trường hợp đất đắp, độ lún của đất đắp có thể lớn hơn so với độ lún của cọc. Đặc biệt là trường hợp khi có sự lún xuống tương đối giữa đất và cọc ( Taylor, 1948). ở các giai đoạn đầu cố kết của đất đắp cọc sẽ truyền tất cả tải trọng chống lại bởi lực dính lên mũi cọc. Khi điều kiện này xảy ra, ngoài các tải trọng tác dụng, cọc còn phải chịu trọng lượng của phần đất đắp. Dưới tác động của tải trọng q trên bề mặt có thể tạo điều kiện mà trong đó đất nằm trên lớp đất yếu sẽ bị lún nhiều hơn so với độ lún của cọc, có nghĩa là lớp đất này sẽ lún nhiều hơn cọc. Do đó xuất hiện ma sát âm giữa đất và thành cọc, lực ma sát âm này lại càng làm cho cọc bị lún thêm. Trong trường hợp này khi tính tốn sức chịu tải của cọc nếu khơng có các biện pháp khắc phục
ma sát âm thì người ta vẫn dùng giá trị ma sát dương nhưng có dấu ngược lại để tính tốn cho bề mặt tiếp xúc của cọc - đất ở phía bên trên của điểm trung hồ.
Hạ mực nước ngầm có thể do sự thốt nước tự nhiên hoặc nhân tạo. Nếu trong điều kiện khu vực xây dựng cơng trình nằm trong vùng ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm, ảnh hưởng của ma sát giữa cọc và lớp đất yếu có thể lớn đến mức đủ để gây ra sự cố cho cơng trình. Khi mực nước ngầm bị hạ thấp thì áp lực nước lỗ rỗng giảm (u) và ứng suất có hiệu tăng (’) dẫn đến nền bị lún. Khi tốc độ lún của đất cao hơn tốc độ lún của cọc thì một phần đất nền xung quanh có xu hướng "treo" lên cọc nên trọng lượng của một khối đất đó được truyền sang cọc thơng qua ma sát bên. Ma sát bên giữa cọc và đất phát sinh trong trường hợp trên được gọi là ma sát âm.
Sự phát triển của ma sát âm phụ thuộc vào thời gian, thể hiện thông qua quan hệ giữa ma sát âm và áp lực nước lỗ rỗng trong đất. Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng làm tăng độ lún của đất nền quanh cọc và cũng làm tăng cường độ của đất nền dẫn đến sự gia tăng ma sát âm.
Hình 1. 5. Trạng thái chịu lực của cọc trước và sau khi hạ mực nước ngầm.
Như vậy 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 dụng của tải trọng. Trong trường hợp này đất gần cọc như bng khỏi cọc, cịn tải trọng thêm sẽ cộng vào tải trọng ngoài tác dụng lên cọc. Thông thường hiện tượng này xảy ra trong trường hợp cọc xun qua đất có tính nén co nhiều và có độ dày lớn, khi có phụ tải tác dụng trên đất ở quanh cọc.
Thực tế, tải trọng do ma sát âm gây ra là lớn, vì rằng giá trị của lực ma sát bên âm đơn vị cũng phải ngang với giá trị của ma sát dương, và sự phá hoại cọc do các tải trọng như thế là không giống nhau( Taylor, 1948).
Theo Poulos( 1980), các yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến cường độ ma sát âm là:
Các đặc điểm của cọc: Loại cọc, phương pháp thi công, chiều dài, mặt cắt tiết diện, biện pháp xử lý bề mặt ( nếu có);
Các đặc điểm của đất nền: Cường độ, tính nén lún, độ sâu của lớp, độ cứng của lớp đất tựa cọc;
Nguyên nhân gây lún nền; Thời gian kể từ khi thi công cọc; Mức độ lún của cọc và của đất nền.