Lực ma sỏt õm được gõy ra bởi cỏc nguyờn nhõn chủ yếu sau: Do lỳn cố kết của nền đất xung quanh cọc
Đắp đất trờn nền đất cú tớnh nộn lỳn cao Phụ tải của nền đất gần khu vực múng
Hạ thấp mực nước ngầm
Nền đất chưa cố kết xong
Sự nộn chặt của nền đất do quỏ trỡnh đúng cọc
3.1. Sự phỏt sinh ma sỏt õm do tải trọng bản thõn hoặc đất đắp:
Khi nền cụng trỡnh được tụn cao, gõy ra tải trọng phụ tỏc dụng xuống lớp đất phớa dưới là xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp đất nền bờn dưới hoặc chớnh bản thõn lớp nền đắp dưới tỏc dụng của trọng lượng bản thõn cũng xảy ra quỏ trỡnh cố kết. Ta cú thể xem xột cụ thể trong cỏc trường hợp sau:
Trường hợp a: khi cú một lớp đất sột đắp phớa trờn một tầng đất rời mà cọc sẽ xuyờn qua nú, tầng đất sột sẽ cố kết dần dần. Quỏ trỡnh cố kết của đất sột này sẽ sinh ra một lực ma sỏt õm tỏc dụng vào cọc suốt quỏ trỡnh cố kết.
Trường hợp b: khi cú một tầng đất rời, đắp ở phớa trờn một tầng sột yếu, nú sẽ gõy ra quỏ trỡnh cố kết trong tầng đất sột bờn dưới và tạo ra một lực ma sỏt õm tỏc dụng vào cọc.
Trường hợp c: khi cú một tầng đất dớnh đắp phớa trờn một tầng sột yếu, nú sẽ gõy ra quỏ trỡnh cố kết trong cả tầng đất đắp và tầng đất sột đồng thời tạo ra lực ma sỏt õm tỏc dụng vào cọc.
Trong cỏc trường hợp cọc tựa lờn nền đất cứng và cú tồn tại tải trọng bề mặt, cú thể xảy ra cỏc trường hợp sau:
Trường hợp d: với tầng cỏt xốp phớa trờn sẽ cú quỏ trỡnh biến dạng lỳn tức thời, đặc biệt khi nền chịu sự rung động hoặc dao động của mực nước ngầm; sự tỏc động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra sự biến dạng lỳn.
Trường hợp e: đối với nền sột yếu, khuynh hướng xảy ra biến dạng lỳn cú thể rất nhỏ nếu như khụng chịu tỏc động của tải trọng bề mặt. Nhưng dự sao khi khoan
86 | P a g e
tạo lỗ sẽ gõy ra sự cấu trỳc lại của nền sột, vỡ vậy biến dạng lỳn (nhỏ) của nền sột sẽ xảy ra dưới tỏc dụng của trọng lượng bản thõn của nền sột.
Trường hợp f: một điều hiển nhiờn là gần như bất kỳ sự đắp đất nào cũng sẽ tạo ra biến dạng lỳn theo thời gian dưới tỏc dụng của tải trọng.
Việc xỏc định mối quan hệ giữa độ lỳn của nền đất phớa trờn và của cọc là cần thiết để đề ra giải phỏp phự hợp với vấn đề đú. Trong cỏc trường hợp nơi mà đất nền ở phần trờn lỳn xuống phớa dưới lớn hơn độ lỳn của cọc, một giải phỏp thiờn về an toàn cú thể cú được khi giả thiết tải trọng truyền hoàn toàn tới đỉnh của lớp đất phớa dưới.
3.2. Cọc đúng trờn nền cú quỏ trỡnh cố kết chưa kết thỳc:
Trong thực tế một tỡnh huống thường xuyờn gặp trong thiết kế cầu đường, nơi mà thường gặp lực ma sỏt õm. Cỏc cọc được thi cụng xong trong nền đất chưa kết thỳc quỏ trỡnh cố kết, mố cầu đó được xõy dựng và nền đất đó được đắp. Độ lỳn của nền đất dọc theo thõn cọc cú thể rất khú khăn để loại bỏ, vỡ vậy lực ma sỏt õm thường xảy ra với dạng kết cấu như Hỡnh 4.4, thậm chớ cú khuynh hướng tạo ra dịch chuyển ngang của mố cầu, nhưng sự dịch chuyển này cú thể giảm thiểu bằng việc lựa chọn một giải phỏp thiết kế nền múng một cỏch hợp lý.
Hỡnh 4.5: hiện tượng ma sỏt õm do việc đúng cọc mố cầu vào nền đất yếu chưa kết thỳc cố kết hoặc cũn ở trạng thỏi tự nhiờn.
87 | P a g e
Ma sỏt õm chỉ xảy ra ở một bờn cọc do phần đường vào cầu cú lớp đất cao làm cho lớp đất bờn dưới bị lỳn do phải chịu tải trọng của lớp đất đắp này, cũn phõn bờn kia mố (phớ sụng) thỡ khụng cú tải trọng đắp nờn lớp đất nền khụng bị lỳn do tải trọng ngoài, do đú cọc khụng bị ảnh hưởng của ma sỏt õm. Vỡ vậy, một bờn cọc chịu ma sỏt õm cũn bờn kia chịu ma sỏt dương.
3.3. Khi xõy dựng cụng trỡnh mới cạnh cụng trỡnh cũ:
Tải trọng phụ lớn đặt trờn nền kho, bến bói làm cho lớp đất nền bị lỳn xuống dưới. Phụ tải của nền gần múng (hiện tượng xõy chen cỏc cụng trỡnh mới cạnh cụng trỡnh cũ). Nguyờn tắc xỏc định ảnh hưởng của tải trọng đặt gần nhau là dựa trờn đường đẳng ứng suất (ứng suất hướng thẳng đứng nếu xột về biến dạng lỳn và ứng suất nằm ngang nếu xột về biến dạng trượt).
Hỡnh 4.6: Biến dạng cụng trỡnh cũ khi xõy dựng cụng trỡnh mới bờn cạnh.
3.4. Khi mực nước ngầm bị hạ thấp:
Khi hạ thấp mực nước ngầm sẽ làm tăng ứng suất cú hiệu tại mọi điểm bờn trong nền đất. Vỡ vậy, đẩy nhanh tốc độ lỳn cố kết của nền đất. Lỳc đú, tốc độ lỳn của đất xung quanh cọc vượt quỏ tốc độ lỳn của cọc dẫn đến xảy ra hiện tượng kộo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh cọc.
Hiện tượng này được giải thớch như sau: Khi hạ thấp mực nước ngầm thỡ: Phần ỏp lực nước lỗ rỗng u giảm
Phần ỏp lực cú hiệu thẳng đứng σ’ lờn cỏc hạt đất tăng
Xem biểu đồ tương quan giữa u và σ’ trong trường hợp bài toỏn nộn đất một chiều và tải trọng ngoài q rải đều kớn khắp.
Trong đú:
σ' = σh = q: ứng suất toàn phần
Ha: vựng hoạt động của ứng suất phõn bố trong đất
Đất bỡnh thường: Ha tương ứng với chiều sõu tại đú σz = 0.2σbt Đất yếu: Ha tương ứng với chiều sõu tại đú σz = 0.1σbt
88 | P a g e
Hỡnh 4.7: Biểu đồ tương quan giữa ỏp lực nước lỗ rỗng u và ứng suất cú hiệu σ’
Hỡnh 4.8: Ma sỏt õm xảy ra khi hạ thấp mực nước ngầm
3.5. Do sự nộn chặt của đất:
Trong quỏ trỡnh đúng cọc, đất xung quanh bị nộn chặt. Do ứng suất nộn cao, nước bắt đầu tiờu tỏn ra xung quanh (Hỡnh 4.9a). Sau khi đúng cọc xong, nước bắt đầu thấm trở lại và khụi phục về vị trớ ban đầu. Do sự luõn chuyển nước, quỏ trỡnh cố kết nền đất bắt đầu xảy ra, do đú xuất hiện hiện tượng ma sỏt õm lờn thõn cọc. Tuy nhiờn, theo thớ nghiệm của Fellenius & Broms (1969) cho thấy giỏ trị ma sỏt õm trong trường hợp này là khụng lớn lắm, nú chỉ chiếm khoảng 17% giỏ trị sức chống cắt trung bỡnh khụng thoỏt nước của đất nền.
Theo tiờu chuẩn TCVN 205 – 1998: hiện tượng ma sỏt õm nờn được xột đến trong cỏc trường hợp sau:
Sự cố kết chưa kết thỳc của trầm tớch hiện đại và trầm tớch kiến tạo Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tỏc dụng của trọng lực
Sự lỳn ướt của đất bị ngập nước
Mực nước ngầm hạ thấp làm ưng suất cú hiệu tăng lờn
89 | P a g e
Phụ tải nền với tải trọng từ 2T/m2 trở lờn
Sự giảm thể tớch đất do chất hữu cơ trong đất bị phõn hủy
Hỡnh 4.9: Sự di chuyển nước gần thõn cọc a) Trong quỏ trỡnh đúng cọc b) Sau khi đúng cọc XIII. Cỏc nhõn tố ảnh hưởng tời hiện tượng ma sỏt õm:
Ma sỏt õm là hiện tượng phức tạp vỡ nú phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
Loại cọc, chiều dài cọc, phương phỏp hạ cọc, mặt cắt ngang cọc, bề mặt tiếp xỳc giữa cọc và đất nền, sự co ngắn đàn hồi của cọc
Đặc tớnh cơ lý của đất, chiều dày lớp đất yếu, tớnh trương nở của đất Tải trọng chất tải (chiều cao đắp nền, phụ tải…)
Thời gian chất tải cho đến khi xõy dựng cụng trỡnh
Độ lỳn của nền đất sau khi đúng cọc, độ lỳn của múng cọc Quy luật phõn bố ma sỏt õm trờn cọc vv…
Trị số lực ma sỏt õm cú liờn quan đến sự cố kết của nền đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất cú hiờu xung quanh cọc. Như vậy, lực ma sỏt õm phỏt triển theo thời gian và cú trị số lớn nhất khi kết thỳc quỏ trỡnh cố kết.
Bất kỳ sự dịch chuyển nào xuống phớa dưới của nền đất đối với cỏc cọc đều sinh ra ma sỏt õm. Tải trọng này cú thể truyền hoàn toàn từ nền đất cho cọc khi mối tương quan về chuyển vị khoảng từ 3mm – 15mm hoặc 1% đường kớnh cọc. Khi chuyển vị tương đối của đất tới 15mm thỡ ma sỏt được phỏt huy đầy đủ. Một điều thường được giả thiết trong việc thiết kế khi cho rằng toàn bộ lực ma sỏt õm sẽ xảy ra khi cú một sự dich chuyển tương đối của nền đất được dự bỏo trước.