TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trên cơ sở tổng hợp đặc điểm địa chất mang tính đặc trưng kết hợp việc thu thập các báo cáo kiểm định nguyên nhân sự cố có yếu tố nền móng của các công trình xây
TỔNG QUAN
Giới thiệu
Nền & móng công trình cho đến nay vẫn được xem là 2 bộ phận của một công trình xây dựng khó nắm bắt nhất Móng là một đơn vị kết cấu có chức năng truyền tải trọng của công trình xây dựng xuống nền đất và nền có chức năng tiếp nhận tải trọng công trình thông qua móng Nền và móng là một hệ thống nhất, tương tác với nhau Vấn đề là ở chỗ, các tương tác này phải là hợp lý để công trình xây dựng được khai thác an toàn, lâu dài, đúng như dự liệu và điều này càng đặc biệt khó khăn hoặc không thể thực hiện được nếu không có các biện pháp xử lý đúng đắn trong những trường hợp công trình được xây dựng trên nền đất yếu Các loại đất yếu thường tồn tại với nhiều dạng khác nhau như đất sét mềm, cát hạt mịn, than bùn, các loại trầm tích bị mùn hóa, than bùn hóa, Trong thực tế xây dựng thường gặp nhất là đất sét yếu bão hòa nước Loại đất này có những tính chất đặc biệt đồng thời cũng có các tính chất tiêu biểu cho các loại đất yếu nói chung [1], là những đất có khả năng chịu tải nhỏ (khoảng 0,5 – 1,0 daN/cm 2 ), có tính nén lún lớn, có hệ số rỗng lớn (e > 1), mô đun biến dạng thấp (thường thì E0 < 50 daN/cm 2 ), lực chống cắt nhỏ,
Trong các giai đoạn gần đây, công tác nền móng đã đối mặt với những vấn đề mang tính bước ngoặt, như: Công nghệ nền móng cho nhà cao tầng (đặc biệt trong điều kiện địa chất phức tạp và trong vùng đông dân cư); vấn đề san lấp tạo mặt bằng với quy mô lớn (về diện tích và chiều cao đắp) trên nền đất yếu; vấn đề xây dựng công trình ngầm đô thị; vấn đề xử lý ảnh hưởng của ma sát âm lên móng cọc; Tất cả các vấn đề mới này buộc những người làm công tác nền móng, ngoài việc không ngừng tích lũy kinh nghiệm, còn phải cập nhật mới không chỉ kiến thức chuyên môn mà còn cả những công nghệ thi công mới, phương pháp tính toán mới, đặc biệt là việc ứng dụng phù hợp các phần mềm tin học chuyên ngành trong việc giải các bài toán địa kỹ thuật Bên cạnh hiệu quả tích cực đạt được trong công tác nền móng nói chung, thực tế cũng đã xảy ra không ít các sự cố nền móng công trình, đặc biệt là công trình trên nền đất yếu, gây thiệt hại không chỉ về mặt kinh tế mà còn ảnh hưởng đến hoạt động của đơn vị sử dụng công trình và ảnh hưởng đến dư luận xã hội Một số đặc điểm của sự cố công trình có nguyên nhân nền móng (SCNM) [2] như sau:
Về phương thức biểu hiện, SCNM thường được phát hiện thông qua các hư hỏng về kết cấu bên trên Trong một số trường hợp, SCNM cũng có các biểu hiện trực quan hơn bằng sự mất tính liên tục hoặc các chuyển vị lớn trên thân hoặc một vài bộ phận công trình xây dựng
Về thời điểm phát hiện sự cố, SCNM thường được phát hiện trong thời gian vận hành khai thác, đặc biệt ngay sau khi đưa công trình vào hoạt động; hiếm khi SCNM được phát hiện ngay trong quá trình thi công Về đặc điểm diễn biến, SCNM thường tiến triển chậm chạp kéo dài theo thời gian cho đến khi công trình mất khả năng sử dụng Tuy nhiên, trong trường hợp bị phá hoại về độ bền, SCNM cũng có thể xảy ra đột ngột, đổ sụp tức thì
Về hậu quả của sự cố, SCNM thường chỉ làm giảm và dẫn tới mất khả năng khai thác sử dụng công trình (so với yêu cầu thiết kế ban đầu) SCNM hiếm khi gây ra các thiệt hại về người (ngoại trừ các sự cố xảy ra quá đột ngột)
Luận văn này, với đề tài “Phân tích sự cố nền móng công trình dựa vào đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp”, sẽ tập trung vào việc tổng hợp, phân tích và đánh giá SCNM của một số công trình thực tế được xây dựng trên địa bàn Đồng Tháp qua việc ghi nhận số liệu địa chất, số liệu hiện trường sự cố và những kết luận về nguyên nhân sự cố được tham khảo trong các Báo cáo kiểm định có liên quan Qua đó, một số đề xuất phù hợp, có thể làm cơ sở cho việc định hướng khắc phục, phòng ngừa sẽ được trình bày; đồng thời, những kiến nghị về hướng phát triển của đề tài cũng sẽ được nêu lên trong Luận văn.
Tổng quan sự cố có nguyên nhân nền móng đã xảy ra ở nước ta
Không ít các sự cố có nguyên nhân nền móng (SCNM) đã xảy ra trong các công trình xây dựng ở nước ta Các sự cố này, tùy mức độ, có thể được nhìn thấy thực tế ở địa phương hoặc trên các phương tiện thông tin đại chúng Có thể liệt kê một số sự cố dưới đây (theo [2]): a Trạm tiếp nhận thạch cao Nhà máy xi măng Ninh Bình:
Trạm tiếp nhận thạch cao nhà máy xi măng Tam Điệp (Ninh Bình) có kích thước mặt bằng 9,8 x 21,7 (m) Theo thiết kế, móng của trạm đặt sâu với đáy móng ở CĐQG là +45,1 m và +40,3 m (cao độ MĐTN là +51,4 m) đặt trực tiếp trên bề mặt đá vôi Phương án thi công dự kiến là đào đến bề mặt đá với độ sâu đào chừng 10,0 11,0 m kể từ MĐTN, đổ bê tông lót và thi công móng Tuy nhiên, khi đào tới cao độ +45,0 m và sau đó tới +40,0 m, đá gốc vẫn chưa bắt gặp và nước chảy ngập hố đào với lưu lượng lớn; mực nước tĩnh nằm tại cao độ +45,0 m gây chuyển vị thành, lún bề mặt đất quanh hố đào dẫn tới hư hại một số công trình lân cận
Nguyên nhân sự cố ở đây là khâu khảo sát địa chất công trình đã bị bỏ qua, nhận thức không đầy đủ về tính phức tạp của khu vực đá vôi castơ hoá có bề mặt phức tạp và phong phú nước Khảo sát địa kỹ thuật bổ sung bằng xuyên trọng lượng của Thụy Điển cho thấy, bề mặt đá gốc nằm tại cao độ +35,0 36,0m và trên nó có một lớp đất sét nửa cứng với cao độ mặt lớp 35,0 37,0 m
Sự cố được giải quyết rất đơn giản: Tập trung đào nhanh hố móng kết hợp với bơm hút nước công suất mạnh tới độ sâu của bề mặt lớp sét nửa cứng, đổ bêtông lót tới cao độ thiết kế và thi công móng b Kè mương thoát nước, Khu liên hợp thể thao Quốc gia, Mỹ Đình, Hà Nội: Mương thoát nước là một phần việc thuộc hạng mục cơ sở hạ tầng Khu liên hợp thể thao Quốc gia, Mỹ Đình, Hà Nội, có bề rộng 8 m tại đáy và sâu 4,5m Tổng hợp kết quả khảo sát địa chất cho thấy cấu tạo địa tầng dọc theo mương thoát nước tương đối đồng đều, gồm : Đất lấp dày 1,7 1,8 m; lớp sét dẻo mềm đến dẻo chảy dày 3 m và tiếp theo là lớp bùn sét dày trung bình 10,5 m Bờ kè là tường trọng lực bằng đá hộc dày 1,5 m tại chân tường và 0,6 m tại đỉnh tường Móng tường rộng 2,35 m đặt trong lớp sét dẻo mềm dẻo chảy được gia cố bằng cọc tre dài 2 m, mật độ 25 cây/m 2
Kè được thi công trong khoảng tháng 1012/2002 Đến ngày 23/01/2003 tiến hành ủi đất san nền bãi đỗ xe sau bờ kè, một đoạn kè dài 48 m đã chuyển dịch ngang lên tới trên 50 cm và xuất hiện vết nứt ngang tường (gãy tường đá, gãy dầm bê tông), đất bị tụt từng mảng lớn ở khu vực lân cận
Kết quả khảo sát bổ sung (giai đoạn 2) cho thấy: Tại nơi xảy ra sự cố địa tầng khác với tài liệu địa chất đã được cung cấp trước đó (giai đoạn 1) Hệ số ổn định của kè SF = 1,22÷1,97 theo tài liệu địa chất ở giai đoạn 1 và SF = 0,94 ở giai đoạn 2 (khảo sát bổ sung) c Trạm nghiền thô Nhà máy xi măng Nghi Sơn:
Cụm công trình này có chức năng tiếp nhận và sơ chế nguyên vật liệu phục vụ sản xuất xi măng Kích thước mặt bằng 11,513,5 m và 17,519,5 m, chiều cao
25 m, kết cấu hệ khung và tường chắn BTCT Móng bè trên cọc 30x30(cm) và 40x40(cm) với cao độ mặt móng là +6,3 m (CĐQG) Một đường dẫn phía sau nhà được đắp để phục vụ vận chuyển cấp nguyên vật liệu vào trạm với cao độ của khối đắp là +24,3 m (CĐQG)
Về điều kiện đất nền, dưới lớp đất đắp SLMB dày khoảng 4,3 m là lớp bùn sét dày 1,8 m; sau đó là các lớp đất loại sét trạng thái cứng và cát chặt Đá gốc là đá vôi nằm ở độ sâu chừng 1920 m Tháng 01/1999 khi đường dẫn được thi công tới công trình cách chừng 10m, công trình bắt đầu có chuyển vị ngang (7 25 mm) Khi đường dẫn đạt đến cao độ (CĐQG) +24,0 m (tháng 05/1999), các chuyển dịch là
6177 mm Quan trắc chuyển dịch của đất nền bằng thiết bị đo nghiêng (Inclinometer) cho thấy, trong thời gian 18/06 đến 07/07/1999, các lớp đất nền chuyển vị khoảng 35 mm và lớp đất đắp trong khoảng cao độ +6,0 đến+11,0 m chuyển vị lớn hơn 5-10 mm Kết cấu công trình cũng bị hư hại biểu hiện bằng xuất hiện các vết nứt và khi đào kiểm tra thấy hầu hết các cọc đều bị nứt tại vị trí liên kết với đài với bề rộng vết nứt phổ biến 24 mm Khi hạ bớt cao độ đất đắp đường dẫn còn +15 m (tháng 06/1999), chuyển vị ngang công trình không còn phát triển
Thiết kế đã bỏ qua tải trọng ngang tác dụng lên công trình được phát sinh do khối đất đắp đường dẫn phía sau công trình gây ra (mô hình hóa không đầy đủ các tương tác) Các tính toán kiểm tra tải trọng ngang tác dụng lên cọc và phân tích chuyển vị ngang của kết cấu dưới tác dụng của khối đắp cho thấy, tải trọng ngang tác dụng lên cọc đã vượt quá 2 lần khả năng chịu tải của cọc d Cư xá Thanh Đa, lô IV và VI:
Cư xá Thanh Đa (Bình Thạnh, Tp.Hồ Chí Minh) có 6 lô nhà 5 tầng Mỗi lô gồm 2 dãy nhà song song cách nhau 4 m, có bề rộng 7,5 m và chiều dài 147 m, được chia thành 4 đơn nguyên cách nhau bởi các khe lún Kết cấu khung sàn BTCT với bước cột cách đều 3 m và tường gạch bao che Móng băng trên nền gia cố cừ tràm dài 2,52,7 m; mật độ 16 cây/m 2 Ba dải móng băng (trong đó có 1 dải bề rộng 2,1 m phía trước; 2 dải bề rộng 1,3 m ở giữa và sau) dưới cột, cách nhau 4,5 m và 3,0 m Khu vực có cấu tạo địa chất bao gồm lớp bùn yếu phân bố trên mặt với bề dày 1216 m và dưới nó là các lớp đất loại sét trạng thái dẻo cứngcứng và cát hạt nhỏ chặt vừa Sau thời gian sử dụng, công trình được phát hiện là bị lún không đều
Nguyên nhân cơ bản dẫn tới SCNM này là phương án móng không phù hợp với điều kiện đất nền của khu vực e Kho cảng Thị Vải:
Kho cảng Thị Vải có chức năng tồn trữ và xuất khí hóa lỏng, nằm ở ven sông Thị Vải với bề dày SLMB trung bình 3,5 m Theo kết quả khảo sát, khu vực có mặt lớp bùn sét yếu phân bố ngay từ trên MĐTN và trải sâu tới độ sâu trong khoảng
823 m và dưới nó là các lớp đất rời và dính có độ bền và tính biến dạng trung bình Các giải pháp móng và xử lý nền áp dụng ở đây là:
- Móng cọc cho các kết cấu có tải trọng lớn và các khung nhà;
- Các móng nông đặt trực tiếp trên nền cát san lấp cho các đường ống, cáp điện, sàn nhà và nền các khoang chống tràn của bồn chứa;
- Xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp với gia tải trước cho một số khu vực, chủ yếu là đường giao thông
Hiện tượng lún của công trình đặt trên móng nông đã được phát hiện ngay trong quá trình lắp đặt thiết bị Độ lún của đất nền phát triển với tốc độ khá cao dẫn tới đường ống bị lún và lún lệch gây nguy cơ rò rỉ khí do đường ống bị nứt và có thể bị phá hỏng tại các chỗ nối với các bồn chứa không lún (trên móng cọc) dẫn tới cháy nổ Tại một số hạng mục như nhà điều khiển và nhà thiết bị điện, các hệ thống thiết bị bố trí dày đặc trong không gian hẹp do được đặt trực tiếp trên nền san lấp, bị lún không đều gây xô lệch vị trí tạo nguy cơ đứt các đường cáp điện, ảnh hưởng đến công tác vận hành điều khiển kho cảng Một số đơn vị kết cấu của các nhà như nhà điều khiển, nhà thiết bị điện, cũng phát hiện thấy hư hỏng (nứt dầm, nứt tường, ) chứng tỏ móng cọc cho các nhà này không phải là không bị lún lệch
Các hư hỏng tại kho cảng Thị Vải là do lún và lún không đều của lớp đất bùn yếu dưới tải trọng của lớp đất đắp san nền dày trung bình 3,5 m trên toàn khu vực f Nhà máy sơn mạ Đình Vũ:
Tình hình sự cố trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp
Vùng đất Đồng Tháp được hình thành từ sự bồi lắng phù sa của dòng sông Mekong với đặc điểm đất đai nhìn chung có kết cấu kém bền vững cũng như trũng thấp nên công tác xử lý nền móng khi dựng công trình thường gặp nhiều khó khăn, phức tạp, dẫn đến kinh phí xây dựng cao Tài nguyên đất ở địa bàn tỉnh Đồng Tháp có 4 nhóm đất chính [3]: (1) nhóm đất phù sa (chiếm khoảng 59,06% diện tích đất tự nhiên), đây là nhóm đất đã trải qua lịch sử canh tác lâu dài; (2) nhóm đất phèn (chiếm 25,99% diện tích tự nhiên); (3) nhóm đất xám (chiếm khoảng 8,67% diện tích tự nhiên); (4) nhóm đất cát (chiếm 0,04% diện tích tự nhiên)
Với điều kiện địa chất, địa hình gặp nhiều bất lợi cũng như sự ảnh hưởng bởi đặc thù kinh tế - xã hội, cho đến thời điểm hiện tại trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp vẫn có rất hiếm những công trình nhà cao tầng được xây dựng Các công trình nhà chủ yếu là thấp tầng, đồng thời, các công trình đắp cao (đường xá, đê bao, san lấp) chiếm hầu hết trong các hoạt động xây dựng công trình Theo đó, các sự cố công trình thường xuất hiện ở các công trình có hạng mục đắp cao trên nền đất yếu Trong thời gian qua, trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp đã xảy ra nhiều sự cố công trình có nguyên nhân nền móng Dưới đây là một số công trình điển hình:
Tuyến dân cư phía Đông tỉnh lộ ĐT855 [4] – xã Hòa Bình, huyện Tam Nông (Hình 1.1): Tổng chiều dài tuyến san lấp (với chiều cao san lấp lớn hơn 5,0m) của TDC dài khoảng 1,40 km (từ Km0+000 đến Km1+400) Biểu hiện sự cố là hiện tượng lún có chiều hướng tăng dần từ đầu tuyến đến cuối tuyến, trong đó khoảng 800m phía cuối tuyến bị lún sụt nghiêm trọng (từ 0,5m đến 2,0m) trong khi ở phía đầu tuyến (khoảng 600m) thì độ lún không đáng kể (trung bình khoảng 5,0cm) Về phân tích, đánh giá nguyên nhân sự cố sẽ được trình bày ở Bài toán 1 – Chương 3
Hình 1.1 Sự cố công trình TDC tỉnh lộ ĐT855 & CDC Long Sơn Ngọc
Cụm dân cư Long Sơn Ngọc (phía Tây) [5] – xã Thông Bình, huyện Tân Hồng (Hình 1.1): Mặt bằng công trình CDC có diện tích khoảng 34.545m 2 (chiều cao san lấp trung bình khoảng 3,0m), được thiết kế hệ thống đường giao thông và hệ thống thoát nước cấp nước phục vụ đi lại, sinh hoạt Mặt đường láng nhựa rộng từ 5-7m Sự cố xảy ra chủ yếu tại một số đoạn (với tổng chiều dài hơn 100m) gần mái taluy của đê chắn cát san lấp và bản thân mái taluy cũng bị sạt lở Biểu hiện sự cố là lún sụp mặt đường (gần mái taluy) trong khoảng bề rộng mặt đường từ 1,0m đến 3,0m với độ lún từ 10cm đến 40cm; một số đoạn mái taluy bị sạt lở ăn sâu vào trong từ 0,3m đến 3,3m Kết luận về nguyên nhân sự cố (theo [5]) là do mái taluy của đê chắn cát bị xói lở (đê chắn là đất pha cát, chưa có biện pháp bảo vệ mái taluy chống xói lở) kéo theo sụp lở nền đường bên trong
Công trình Nhà lồng chợ Bách hóa Lai Vung [6] – thị trấn Lai Vung (Hình 1.2): Sự cố xảy ra chủ yếu ở hạng mục San lấp mặt bằng (đắp cao) qua biểu hiện lún nền (độ lún vẫn chưa dừng tại thời điểm khảo sát kiểm định), ảnh hưởng đến kết cấu của hạng mục Nhà lồng chợ (nền bên trong & bên nhà đều bị lún) làm nền lát gạch bên trong nhà bị hư hỏng nghiêm trọng (do nền bị lún) Về phân tích, đánh giá nguyên nhân sự cố sẽ được trình bày ở Bài toán 2 – Chương 3
Hình 1.2 Sự cố lún nền công trình Chợ bách hóa Lai Vung
Công trình Nâng cấp Bờ bao bảo vệ sản xuất 2600ha lúa Thu Đông xã Thường Thới Tiền và Thường Phước 2 – huyện Hồng Ngự [7] (Hình 1.3): Hạng mục nâng cấp là Đoạn 2 (từ K4+000 đến K7+300) được thi công năm 2012, với tổng chiều dài khảo sát là 3.300m, chiều dài thiết kế 3.105m Sự cố xảy ra ở đoạn bờ bao từ K4+234 đến K4+893 trong quá trình thi công với hiện tượng bị lún sụt và hiện tượng nở hông Trong đó: Đoạn bờ bao từ K4+234 đến K4+355 bị lún sụt; từ K4+355 đến K4+440 bị lún thẳng, đẩy phần đất phía bờ sông trồi lên làm xuất hiện các khe nứt rộng; từ K4+440 đến K4+788 bị lún sụt; từ K4+788 đến K4+893 có hiện tượng nở hông Theo kết quả tính toán kiểm định [7]: Hệ số ổn định tại một số mặt cắt điển hình nhìn chung là rất thấp, từ 0,4 đến 0,7 (Bảng 1.1); độ lún cố kết tại các vị trí điển hình (không bị mất ổn định) cũng rất cao, lớn hơn 0,6m Điều này cũng tương đối phù hợp với kết quả khảo sát hiện trường sự cố
Hình 1.3 Sự cố công trình Nâng cấp Bờ bao bảo vệ 2600ha lúa Thu Đông
Bảng 1.1 Hệ số ổn định theo kết quả tính toán kiểm định sự cố [7]
Công trình Bờ kè và Hoa viên đường Lê Duẩn [8] – phường Mỹ Phú, thành phố Cao Lãnh (Hình 1.4): Công trình có vị trí thuộc khu trung tâm thành phố Cao Lãnh với chiều dài toàn tuyến là 446m, bắt đầu từ Km0+020 Biểu hiện sự cố (tại thời điểm khảo sát) được mô tả tóm tắt như sau:
Từ Km0+020 ÷ Km0+050: Mặt kè xuất hiện nứt, lún nhưng ở mức độ nhỏ; trên mặt kè có đường nứt rộng khoảng 2cm giữa mép mặt kè với bó vỉa bồn hoa; dầm đỉnh kè chuyển vị ra phía sông khoảng 4cm
Từ Km0+050 ÷ Km0+110 (đoạn này lún sụt trên diện rộng và sâu): Mặt kè lún sụt trải dài toàn đoạn trong bề rộng trung bình khoảng 1,5m với độ lún sâu trung bình khoảng 0,6m; trên mặt kè có đường nứt rộng khoảng 3cm giữa mép mặt kè với bó vỉa bồn hoa; hệ thống lan can nứt, mất liên kết các cấu kiện với nhau và mất liên kết với dầm mũ đỉnh kè; dầm đỉnh kè bê tông bị phá hủy, gãy, chuyển vị ra phía sông từ 15cm đến 35cm, có hiện tượng lật và mất khả năng chịu lực; mái kè chuyển vị ra phía sông, lún không đều, hệ số mái không còn đồng bộ
Từ Km0+110 ÷ Km0+175: Xuất hiện hiện tượng lún tại một số vị trí nhưng ở mức độ nhỏ, khoảng 2cm
Từ Km0+175 ÷ Km0+255 (đoạn này là một trong những đoạn lún sụt lớn nhất): Mặt kè lún sụt trải dài toàn đoạn trong bề rộng trung bình khoảng 1,8m với độ lún sâu trung bình khoảng 0,8m; có một số vị trí lún sụt rất lớn trong bề rộng lên tới 2,9m và kéo dài khoảng 6,2m với độ lún sâu khoảng 1,2m; hệ thống lan can và dầm đỉnh kè bị phá hủy tương tự như đoạn Km0+110 ÷ Km0+175 nhưng ở mức độ nặng hơn nhiều; cọc dưới dầm đỉnh kè không còn liên kết với dầm đỉnh kè và chuyển vị ra phía sông; mái kè chuyển vị ra phía sông (có đoạn lên tới 0,7m), lún không đều (có đoạn lún tới 0,5m), hệ số mái không còn đồng bộ
Từ Km0+255 ÷ Km0+290: Chưa thấy hiện tượng bất thường xảy ra
Từ Km0+290 đến bến cập tàu Minh Thanh: Đoạn này chưa thi công xong; dầm mái kè lún và chuyển vị; hàng cừ larsen (phục vụ thi công) đóng phía ngoài sông đã bị nghiêng, không còn chịu lực
Đoạn bến Minh Thanh: Toàn bộ khung hệ dầm cọc chuyển vị ra phía sông 2,1m và lún 0,55m; cọc dưới hệ dầm bị gãy
Đoạn từ bến Minh Thanh đến Km0+385 (lún sụt nhiều, kết cấu kè không còn làm việc): Mặt kè lún sụt trải dài toàn đoạn trong bề rộng trung bình khoảng 2,0m với độ lún sâu trung bình khoảng 0,75m; có một số vị trí lún sụt rất lớn trong bề rộng lên tới 2,9m và kéo dài khoảng 6,2m với độ lún sâu khoảng 1,2m; hệ thống lan can và dầm đỉnh kè bị phá hủy, mất liên kết, chuyển vị, mất khả năng chịu lực; cọc dưới dầm đỉnh kè không còn liên kết với dầm đỉnh kè và chuyển vị ra phía sông; mái kè chuyển vị ra phía sông, hệ số mái không còn đồng bộ
Đoạn từ Km0+385 đến cuối tuyến: Mặt kè bị nứt, lún; hệ thống lan can nứt, gãy, mất liên kết; dầm đỉnh kè chuyển vị ra phía sông, có một số vị trí chuyển vị đến 20cm
Hình 1.4 Sự cố công trình Bờ kè & Hoa viên đường Lê Duẩn
Về kết luận nguyên nhân sự cố [8] công trình Bờ kè & Hoa viên đường Lê Duẩn:
Hồ sơ thiết kế công trình: Công trình có hệ số ổn định nhỏ hơn hệ số ổn định cho phép; giải pháp kết cấu của tuyến công trình không hợp lý (gần như toàn bộ mái và đỉnh kè của công trình nằm trên nền đất đắp nhưng vật liệu đắp không rõ ràng, không quy định hệ số đầm nén); trình tự, biện pháp thi công, thiết bị thi công không rõ ràng
Chất lượng thi công: Trong quá trình thi công đất đắp mái và đỉnh kè không tuân thủ quy trình, quy phạm (không lu lèn, không đầm nén); chất lượng bê tông dầm tường đỉnh kè và bê tông mái kè đổ trực tiếp không đảm bảo mác thiết kế
Tính cấp thiết của đề tài
Như trên vừa trình bày, Đồng Tháp được biết đến là một địa bàn với hầu hết các vùng đất là yếu; địa hình trũng thấp, nhiều kênh rạch ao hồ Điều này thường dẫn đến những sự tốn kém vượt xa mức bình thường về kinh phí xây dựng cũng như sự phức tạp về xử lý nền và móng, đặc biệt trong những trường hợp (vốn rất phổ biến) cần phải san lấp cao hoặc đắp cao trên những vùng đất yếu để tạo mặt bằng (với cao độ phù hợp) để xây dựng các hạng mục khác của công trình Vấn đề này càng trở nên nan giải đối với các công trình có quy mô đâu tư càng lớn Với các yếu tố bất lợi như vừa nêu, đòi hỏi các ban ngành chức năng ở Đồng Tháp cần đặc biệt quan tâm đến công tác chuẩn bị đầu tư, trong đó phải kiểm soát việc bố trí thời gian hợp lý cho công tác khảo sát, thiết kế đối với các hạng mục công trình mà nhất là các hạng mục tiềm ẩn nhiều sự rủi ro liên quan yếu tố nền móng Tuy nhiên, việc xảy ra sự cố (có nguyên nhân nền móng) ở một số công trình xây dựng trên địa bàn Đồng Tháp trong những thời gian vừa qua là không thể lường trước được; đồng thời, những sự cố tương tự trong những thời gian sắp tới cũng khó có thể được loại trừ Chính vì những lý do trên, việc chọn đề tài “Phân tích sự cố nền móng công trình dựa vào đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp” là rất phù hợp trong điều kiện thực tế tại địa phương Thông qua Luận văn, một số nguyên nhân sự cố có yếu tố nền móng thường gặp sẽ được phân tích rõ hơn, có thể làm cơ sở cho việc định hướng khắc phục, phòng ngừa để góp phần hạn chế đến mức thấp nhất các sự cố có yếu tố nền móng của các công trình xây dựng trong tương lai, nhất là các công trình có hạng mục đắp cao hoặc san lấp cao trên nền đất yếu, vốn rất phổ biến trên địa bàn Đồng Tháp.
Ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn áp dụng
Vận dụng phương pháp (PP) phân tích ứng suất tổng dựa trên mô hình Mohr-Coulomb (MC) với công cụ hỗ trợ tính toán là phần mềm Plaxis để tính hệ số an toàn ban đầu (về cường độ) của nền sét yếu chịu tải từ khối đắp cao bên trên
Vận dụng mô hình Đàn hồi (Linear Elastic model - LE) trong Plaxis để thực hiện các tính toán liên quan đến độ lún nền công trình đắp cao cũng như tính toán thời điểm kết thúc quá trình cố kết, đồng thời, so sánh với kết quả tính toán dựa trên các công thức giải tích của PP tính lún được sử dụng trong Luận văn
Sử dụng PP tính toán phù hợp để xem xét ảnh hưởng MSA đến sức chịu tải của cọc và tính toán khảo sát thời gian (dự báo) kết thúc ảnh hưởng của MSA
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn áp dụng
Đặc điểm địa chất sơ bộ trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp sẽ được khái quát hóa, có thể làm cơ sở kham khảo cho các nghiên cứu khác
Các PP tính toán theo giải tích cũng như cách vận dụng Plaxis cho các bài toán của Luận văn cũng là một cơ sở mang tính thực hành cao, phù hợp với những đặc điểm chung của các tài liệu địa chất được sử dụng cho giai đoạn thiết kế của các công trình xây dựng tại địa phương
Kết quả Luận văn là một trong những tài liệu tham khảo cần thiết cho một số công tác xây dựng công trình có liên quan đến yếu tố nền móng trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp, đặc biệt là công trình đắp cao.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu Luận văn là phân tích, đánh giá để làm rõ hơn các nguyên nhân sự cố; có những đề xuất về việc chọn PP tính toán và biện pháp xử lý phù hợp, có thể làm cơ sở cho việc định hướng khắc phục, phòng ngừa Các bước tiến hành gồm:
Thu thập tài liệu địa chất của nhiều vùng trong tỉnh Đồng Tháp và tổng hợp khái quát các đặc điểm địa chất điển hình cho từng vùng
Ghi nhận các số liệu hiện trường của sự cố và các kết luận trong các báo cáo kiểm định về nguyên nhân sự cố có yếu tố nền móng
Lựa chọn PP phù hợp trong các phân tích ứng xử nền móng đối với các công trình khảo sát
Tính toán kiểm chứng trên cơ sở các kết luận về nguyên nhân sự cố trong các báo cáo kiểm định được sử dụng làm tài liệu tham khảo của Luận văn
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở cho việc tiếp tục khai thác những khu vực có địa chất yếu và địa hình phức tạp trong việc xây dựng các công trình trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp.
Giới hạn và giả thiết
Các tài liệu địa chất (ở Đồng Tháp) thường không thực hiện đủ các thí nghiệm xác định các thông số hữu hiệu của đất (đặc biệt là ’ và c’ ) dẫn đến không ít khó khăn khi sử dụng các phần mềm địa kỹ thuật (như Plaxis, Geo-slope, ) trong phân tích các ứng xử của nền đất
Với một vài thông số địa chất cần thiết cho các bài toán phân tích (mà Luận văn sử dụng) còn thiếu trong các tài liệu địa chất đi kèm (ví dụ: hệ số thấm, hệ số Poisson, ) thì sẽ được giả thiết trên cơ sở các tài liệu tham khảo phù hợp
Do không có bản Thuyết minh tính toán đầy đủ đi kèm, các báo cáo kiểm định (làm tài liệu tham khảo của Luận văn) thường không thể hiện đủ các số liệu địa hình đầu vào cho các bài toán kiểm tra Trong trường hợp này, số liệu địa hình đầu vào nào bị thiếu sẽ được giả thiết trên cơ sở phù hợp với hình dạng địa hình được thể hiện trong các báo cáo kiểm định tham khảo.
Cấu trúc Luận văn
Chương 2: Cơ sở tính toán
Chương 3: Tính toán kiểm chứng
Chương 4: Kết luận & Kiến nghị
Tài liệu tham khảo: Liệt kê các tài liệu tham khảo sử dụng cho Luận văn
Phụ lục: Tổng hợp đặc tính chung địa chất trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp.
CƠ SỞ TÍNH TOÁN
Tổng quan
Hầu hết sự cố của các công trình khảo sát đều do một hoặc nhiều trong các nguyên nhân chủ yếu sau đây:
Hệ số an toàn (về cường độ) của nền đất yếu dưới khối đắp cao là không đạt (thấp hơn so với quy định)
Độ lún nền (đất yếu) vượt mức cho phép
Ma sát âm (MSA) ảnh hưởng lên sức chịu tải cho phép của cọc
Do đó, phần cơ sở tính toán sẽ tập trung trình bày các nội dung liên quan đến các nguyên nhân trên Trong đó, các phần tính toán được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis (gọi tắt là Plaxis) và với sự hỗ trợ từ các bản tính được lập sẵn bằng Excel (lập theo các công thức giải tích được sử dụng) Cụ thể như sau:
Về tính toán hệ số an toàn: Hệ số an toàn được tính toán theo giai đoạn ban đầu (khi nền đắp cao vừa mới hoàn thành) – việc tính toán được hỗ trợ bởi Plaxis (với mô hình Mohr-Coulomb)
Về tính toán độ lún nền: Độ lún nền được tính toán theo giai đoạn dài hạn khi nền sét yếu kết thúc quá trình cố kết – việc tính toán được hỗ trợ bởi Plaxis (với mô hình Linear Elastic) và so sánh với bản tính Excel (lập sẵn theo giải tích)
Về tính toán phân tích ảnh hưởng của MSA lên sức chịu tải của cọc, việc tính toán sẽ được thực hiện theo 2 nội dung: (1) Tính toán lực MSA lớn nhất (Q n ) ảnh hưởng lên sức chịu tải cho phép của cọc (thông qua bản tính Excel lập sẵn theo giải tích), với giả thiết bỏ qua một số ảnh hưởng làm giảm MSA; (2) Tính toán thời gian kết thúc ảnh hưởng của MSA (khi kết thúc quá trình cố kết của đất gây ra MSA lên cọc) – việc tính toán được hỗ trợ bởi Plaxis (với các hệ số thấm được giả định, kết hợp với mô hình Linear Elastic)
Các tính toán được giả thiết theo trường hợp nền đắp cao chỉ đắp một đợt.
Giới thiệu sơ bộ phần mềm Plaxis và cơ sở tính toán trong Plaxis liên quan đến các Bài toán của Luận văn
quan đến các Bài toán của Luận văn
Phần mềm Plaxis được phát triển từ năm 1987 tại Đại học công nghệ Delft (Hà Lan), phần mềm này được xây dựng theo PP phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề về địa kỹ thuật [10, 11] Phần mềm Plaxis và GeoStudio là hai bộ phần mềm hiện nay có thể được xem như bao gồm đầy đủ nhất những bài toán Địa kỹ thuật thường gặp trong thực tế, thân thiện người dùng Bài toán theo PP phần tử hữu hạn được tính toán với các bước sau [11]:
Chia lưới phần tử hữu hạn;
Chuyển vị tại các nút là các ẩn số;
Chuyển vị bên trong các phần tử được nội suy từ các chuyển vị nút;
Thiết lập mô hình vật liệu (quan hệ ứng suất và biến dạng);
Thiết lập các điều kiện biên về chuyển vị và lực;
Giải hệ phương trình tổng thể cân bằng lực, cho kết quả chuyển vị nút;
Tính toán các đại lượng khác như ứng suất, biến dạng
Trong Plaxis, các mô hình đất được chấp nhận là mô hình đàn hồi (Linear Elastic model – LE), mô hình Mohr–Coulomb (MC), mô hình Hardening Soil – HS, mô hình đất yếu (Soft Soil model – SS), mô hình từ biến cho đất yếu (Soft Soil Creep model – SSC) và mô hình do người dùng thành lập (User Defined model – UD)
Tiếp theo, mục 2.2.2 đến 2.2.9, sẽ trình bày những cơ sở về tính toán trong quá trình sử dụng Plaxis cho các bài toán của Luận văn trên cơ sở các tài liệu tham khảo: Plaxis Version 8–Material Models Manual [18]; Plaxis Version 8–Reference Manual [19]
2.2.2 Mô hình đàn hồi (Linear Elastic model - LE)
Mô hình Đàn hồi (LE) dựa trên định luật Hooke cho vật liệu đàn hồi tuyến tính đẳng hướng, liên quan chủ yếu đến 2 thông số độ cứng là E và Mô hình này
2.2.3 Mô hình Mohr-Coulomb (MC)
Mô hình Mohr-Coulomb đàn hồi tuyến tính – thuần dẻo liên quan chủ yếu đến 5 thông số đầu vào: E và đại diện cho tính đàn hồi của đất; và c đại diện cho tính dẻo và góc (dilantancy angle) Riêng thông số (đơn vị: độ) là không có trong hệ thống cơ học đất của Việt Nam – có thể tạm gọi là góc biến dạng thể tích, đặc trưng cho phá hoại dẻo của phần tử đất [12] Hầu hết các loại đất sét đều có rất nhỏ ( 0) ngoại trừ các loại đất sét quá cố kết nặng Góc của cát phụ thuộc vào cả độ chặt và góc ma sát () Đối với cát thạch anh: ( - 30 o ); tuy nhiên, đối với các giá trị nhỏ hơn 30 o thì hầu hết đều bằng 0 Một giá trị âm (dù nhỏ) của chỉ phù hợp thực tế đối với các loại cát rất rời (extremely loose)
2.2.4 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu không thoát nước với các thông số độ cứng hữu hiệu
Trong Plaxis, việc xác định ứng xử không thoát nước trong một phân tích ứng suất hữu hiệu bằng cách sử dụng các thông số hữu hiệu là có thể thực hiện được Điều này đạt được bằng việc xem loại ứng xử vật liệu (Material type) của một lớp đất là không thoát nước (Undrained), theo đó, cho phép việc tính toán không thoát nước với những thông số hữu hiệu thông qua sự phân biệt giữa ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng (thặng dư)
Một phân tích như trên đòi hỏi những thông số hữu hiệu của đất và vì thế sẽ có sự tiện lợi cao khi có đủ những thông số này Đối với những dự án có liên quan đến yếu tố đất yếu, số liệu chính xác của những thông số hữu hiệu không phải lúc nào cũng có đủ Thay vào đó, các thử nghiệm hiện trường và trong phòng thí nghiệm có thể được thực hiện để xác định những thông số không thoát nước của đất Ví dụ cho trường hợp này là công thức E E u
)' 1 ( ' 2 Đối với các mô hình nâng cao thì không có công thức biến đổi trực tiếp này Khi đó sẽ khuyến khích việc ước tính thông số E'(yêu cầu) từ thông số E u đo được, sau đó có thể thực hiện một thí nghiệm không thoát nước đơn giản để kiểm tra E u đang dùng để tính toán và điều chỉnh E'nếu cần
2.2.5 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu không thoát nước với các thông số chống cắt hữu hiệu Đối với các loại đất nói chung, trạng thái ứng suất ở giai đoạn phá hoại đều có thể được mô tả với mức độ phù hợp rất cao bởi chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb theo các thông số hữu hiệu ’ và c’ Điều này cũng áp dụng được cho các điều kiện không thoát nước Trong Plaxis, các thông số hữu hiệu về cường độ có thể được sử dụng khi kết hợp với việc chọn Material type là Undrained, do Plaxis phân biệt được giữa ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng Sự tiện lợi của việc sử dụng các thông số hữu hiệu về cường độ trong điều kiện không thoát nước là việc gia tăng sức chống cắt sẽ được tính tự động tương ứng với quá trình tăng cố kết
Tuy nhiên, đặc biệt đối với các loại đất yếu, các thông số hữu hiệu về cường độ không phải lúc nào cũng có đủ, và chúng ta phải vận dụng sức chống cắt không thoát nước (c u hoặc s u ) đo được từ các thí nghiệm không thoát nước Mặc dù vậy, sức chống cắt không thoát nước không thể dễ dàng được sử dụng để xác định các thông số hữu hiệu về cường độ ’ và c’ Hơn nữa, ngay cả chúng ta đã có các thông số hữu hiệu thích hợp, sự cẩn trọng cần phải có như là để xem xét việc các thông số hữu hiệu này có cung cấp được sức chống cắt không thoát nước phù hợp trong phân tích hay không Lý do là lộ trình ứng suất hữu hiệu trong phân tích không thoát nước có thể là không giống như thực tế do các giới hạn của mô hình được áp dụng
2.2.6 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu không thoát nước với các thông số chống cắt không thoát nước
Sử dụng sức chống cắt không thoát nước để xác định các thông số hữu hiệu về cường độ ( ’ và c’ ) là việc khó khăn Như là một phép biến đổi cho các phân tích không thoát nước với các thông số hữu hiệu về cường độ, Plaxis cho phép một cách phân tích ứng suất hữu hiệu không thoát nước (Material type = Undrained) với việc nhập trực tiếp các thông số đầu vào của sức chống cắt không thoát nước, nghĩa là u 0 và cc u Cách này chỉ áp dụng đối với mô hình Mohr-Coulomb, mô hình HS và HSsmall; nhưng không áp dụng cho các mô hình SS, SSC và MCC Khi
Material type được gán Undrained, các giá trị hữu hiệu vẫn phải được nhập đối với các thông số về độ cứng (là E’ và ’ trong mô hình Mohr-Coulomb hoặc những thông số độ cứng tương ứng trong các mô hình nâng cao)
2.2.7 Phân tích theo ứng suất tổng không thoát nước với các thông số không thoát nước
Nếu, vì một lý do nào đó, việc không mong muốn sử dụng lựa chọn
Undrained trong Plaxis để thực hiện một phân tích không thoát nước là có thật, chúng ta có thể mô phỏng ứng xử không thoát nước bằng việc sử dụng cách phân tích ứng suất tổng với các thông số không thoát nước Khi đó, độ cứng được mô hình bằng cách sử dụng E u và u ; cường độ chịu lực được mô hình bằng cách sử dụng sức chống cắt không thoát nước c u (s u ) và u 0 Trong trường hợp này, khuyến nghị u = 0,495 thay cho giá trị chính xác là 0,5 (vì u = 0,5 sẽ tạo ra điểm kỳ dị của ma trận độ cứng) Trong Plaxis chỉ có thể thực hiện một phân tích ứng suất tổng với các thông số không thoát nước nếu mô hình Mohr-Coulomb được sử dụng Trong trường hợp này, Material type nên được gán là Drained (không phải Undrained)
2.2.8 Phân tích Phi-c reduction (Safety analysis)
Phân tích Phi-c reduction là một lựa chọn trong Plaxis để tính toán các hệ số an toàn, tương tự PP tính toán các hệ số ổn định (cổ điển) trong các phân tích theo mặt trượt cung tròn (cổ điển) Bằng cách phân tích Phi-c reduction, các thông số tan và c của đất được giảm dần (reduced) theo từng cấp cho đến khi sự phá hoại của kết cấu xảy ra Sức chống cắt của những bề mặt tiếp xúc, nếu được sử dụng, cũng sẽ được giảm dần tương ứng Cường độ của những vật thể kết cấu như các phần tử tấm và neo không bị ảnh hưởng bởi Phi-c reduction
Sự giảm dần (theo từng cấp) của tan và c được kiểm soát bởi hệ số tổng
(total multiplier) là reduced input reduced input c
tan tan Hệ số Msf được tăng dần cho đến khi hình thành cơ cấu phá hoại của nền đất Theo đó, hệ số an toàn (safety factor) được định nghĩa là giá trị của Msf ở trạng thái phá hoại
Cơ sở tính toán độ lún cố kết (theo giải tích)
Theo [14], độ lún cố kết S c của nền đất cố kết thường được dự tính theo PP phân tầng lấy tổng với công thức sau:
Chiều sâu vùng đất yếu bị lún dưới tác dụng của tải trọng đắp hay phạm vi chịu ảnh hưởng của tải trọng đắp Z a được xác định theo điều kiện: za c za 0,15
Hình 2.2 Minh họa mặt cắt các lớp đất liên quan các công thức tính lún Trong đó: e 0 i – Hệ số rỗng của lớp đất i ở trạng thái tự nhiên ban đầu; c i
C – Chỉ số nén lún của lớp đất thứ i; c i
– Áp lực hữu hiệu ban đầu do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên điểm tính lún (chính giữa) của lớp i; v i
– Áp lực tăng thêm do tải trọng đắp gây ra tại điểm tính lún (chính giữa) của lớp i;
za là ứng suất do tải trọng đắp gây ra ở độ sâu Z a ; za
c là ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân các lớp phía trên gây ra ở độ sâu Z a
Riêng chỉ số nén lún C c được thí nghiệm thông qua thí nghiệm nén lún không nở hông đối với các mẫu nguyên dạng đại diện cho lớp đất yếu i hoặc tham khảo [15] theo Bảng 2.1 Trong quá trình tính lún, tùy theo từng loại đất giá trị C c sẽ được tính theo một hàm phù hợp được chọn (trong Bảng 2.1) theo hướng chọn theo giá trị lớn nhất của C c (thiên về an toàn)
Bảng 2.1 Đề xuất hàm (hồi quy) dự báo chỉ số nén lún (C c )
STT Các chỉ tiêu vật lý liên quan Phương trình dự báo Tương quan
Cơ sở tính toán phân tích ảnh hưởng ma sát âm (MSA) lên cọc
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 hòa (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 hòa 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 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 f n
2.4.2 PP tính toán phân tích MSA
Có nhiều PP tính toán xác định ảnh hưởng của MSA lên sức chịu tải (P tk ) của cọc Các công thức trình bày sau đây được áp dụng chính thức trong Quy phạm Hãng cầu đường Pháp FOND-72 [17] a) Nguyên lý tính toán :
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 toán là ở trạng thái ứng suất hữu hiệu ', ' c
Dưới mặt phẳng trung hòa, MSA không 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 K 0 ' v (trong đó: K 0 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: f n K' v tan' (2.3)
Trong đó: f n –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
Bảng 2.2 Các giá trị Ktan'
Cọc khoan Loại đất – trạng thái
Chống ống Không 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
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 toán lực ma sát âm F n :
Gọi F n 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
(Trong đó: p – chu vi tiết diện cọc)
Trường hợp cọc xuyên qua lớp đất yếu: Đất yếu được xem như ngập nước, và khi đó ta có:
MSA đơn vị: f n (max) Ktan' 'H' (2.4)
Lực MSA: Q n 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: H 0 , ' 0 , (Ktan') 0 ; đặc trưng đất yếu: 'H , ' s ,
( Ta có ma sát âm đơn vị cực đại f n (max) và lực ma sát âm Q n :
Q (2.7) e) Xác định MSA cho tính toán 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 không 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 không thể đưa ra một quy tắc nhất định vì khi đó ma sát âm thường không 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: Q s – gia tải; Q g – tải trọng thường xuyên; Q n – lực MSA; Q w – 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
1 – 2 cm Bỏ qua lớp đất yếu trong tính toán sức chịu tải của cọc
Cần tính đến MSA trong phạm vị cọc ngàm qua đất đắp và đất nền chịu MSA:
Cần tính đến MSA trong phạm vị cọc ngàm qua đất đắp và đất nền chịu MSA: