CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC ÉP CỌC ĐẾN ĐẤT NỀN VÀ SỰ THAY ĐỔI
2.2 Hiện tượng Ma sát âm
Trường hợp các cọc xuyên qua lớp đất mềm cắm vào lớp đất cứng và lớp đất mềm đang lún do cố kết bởi lớp đất gia tải bên trên hay do hạ mực nước ngầm…, khi mà độ lún của các lớp đất lớn hơn độ lún cọc thì phần đất yếu và các lớp đất trên có
34
chuyển vị đứng nhiều hơn chuyển vị đứng của thân cọc bên cạnh và các lớp bên trên nó sẽ gây ra lực ma sát âm.
Lực ma sát âm có khuynh hướng kéo cọc đi xuống trong khi cọc chịu nén. Lực ma sát âm này tỷ lệ với áp lực ngang của đất tác động lên cọc và tốc độ lún cố kết của đất, hiện tượng ma sát âm sẽ chấm dứt khi độ lún cố kết chấm dứt, lúc bấy giờ ma sát âm cọc và đất sẽ trở thành ma sát dương.
Lực ma sát âm không chỉ tác động lên mặt bên của cọc mà còn tác động lên mặt bên của đài cọc, hoặc mặt bên của mố cầu hay mặt tường chắn có tựa lên cọc.
Ước lượng ma sát âm lớn nhất
Hình 3.6 Khu vực có ảnh hưởng ma sát âm
Xét một cây cọc có chiều dài L đóng xuyên qua lớp đất đắp, dày hd rồi đến lớp đất yếu có chiều dày H, cắm sâu vào lớp đất chịu lực. Dưới tác động của lớp đất đắp, lớp đất yếu phía dưới bị lún do cố kết trong thời gian dài có thể vài năm hoặc vài chục năm tùy theo hệ số thấm của đất yếu. Mặt AB sẽ đi xuống A’B’, CD sẽ xuống đến C’D’ cả hai độ chuyển dịch này lớn hơn độ lún của cọc dưới tác động của công trình.
Mặt EF có cùng độ dịch chuyển với cọc gọi là mặt trung tính, từ EF trở lên đất xung Ma sát
Ma sát MN
Đất ế
Đất ố Đất ắ Qu
Qp
B B’
D D’
F A
A’
C C’
E
hd
h
35
quanh sẽ kéo cọc xuống bằng với ma sát âm. Bên dưới mặt EF đất chống lại sự đi xuống của cọc bằng lực ma sát dương.
Nguyên lý tính ma sát âm cực đại
Tại độ sâu Z, lực ma sát âm đơn vị được tính bởi biểu thức
a v s a a h a
s c tg c K tg
f = + σ' ϕ = + σ' ϕ (2.3)
Tổng ma sát âm tác dụng lên cọc
'
0hd h( )
ms a s v a z
Q = u ∫ + c + K σ φ tg d (2.3)
Trong điều kiện dài hạn hoặc sức chống cắt không thoát nước
' '
n h a s v a
f = σ φ tg = K σ φ tg (2.3)
'
0hd h( )
ms s v a z
Q = u ∫ + K σ φ tg d (2.3)
Trong đó:
u-chu vi tiết diện ngang của cọc hd-bề dày lớp đất đắp
h-bề dày vùng có ma sát âm hay vùng nền đất yếu có chuyển vị đứng lớn hơn độ lún của cọc
Bề dày h trong công thức tính ma sát âm thường không phải là toàn bộ lớp đất yếu mà là vùng nền có độ lún lớn hơn độ lún của cọc. Trong thực tế tính toán, tùy theo loại đất nền chiều dày h được chọn theo hai cách sau:
1. Đất nền có biến dạng lớn:
h=h1 là chiều sâu có ứng suất hữu hiệu σ’v (z), tiếp xúc cọc - đất có kể đến ảnh hưởng treo của đất lên cọc bằng với ứng suất thẳng đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thận.
2. Đất nền rất ít biến dạng:
36
h=h2 là độ sâu mà chuyển vị thẳng đứng của đất bằng với độ lún của cọc, độ lún của cọc có thể được tính theo phương pháp thông thường hoặc một cách gần đúng bằng 0,01B hay 0,02R với B cạnh cọc và R là bán kính cọc tròn.
Hiện tượng ứng suất thẳng đứng hữu hiệu σ’v (z) ở mặt tiếp xúc cọc-đất có kể ảnh hưởng treo của đất lên cọc.
Khi đất xung quanh cọc lún xuống do tác động của đất đắp trên mặt lôi kéo cọc xuống theo. Các hạt đất ở gần sát mặt bên cọc chuyển vị ít hơn các hạt bên ngoài xa mặt cọc, do đó bị treo lên mặt cọc khi cọc lún chậm hơn. Hiện tượng này gọi là đất treo lên cọc hay “hiệu quả treo”.
Hình 3.6 Ảnh hưởng lún của đất nền gây ma sát âm
Trong trường hợp cọc tròn vùng ảnh hưởng từ mặt cọc đến khoảng cách ρ như hình. Vùng xa bên ngoài không có hiệu quả treo, ứng suất hữu hiệu thẳng đứng tai độ sâu z, ký hiệu σ’1(z) tương ứng với trọng lượng cột đất bên trên và đất đắp. Khoảng cách r trong khoảng từ R đến ρ, ứng suất hữu hiệu thẳng đứng tại độ sâu z bị giảm bởi hiệu quả treo, ký hiệu là σ’v(z,r), nhỏ hơn trọng lượng cột đất bên trên và đất đắp. Tại mặt bên thân cọc ứng suất hữu hiệu thẳng đứng này được ký hiệu là σ’v(z,r=0). Cơ chế này được Combarieu khảo sát tại phòng thí nghiệm Cầu-đường Paris năm 1985.