Trước thực tế đó, bμi viết nμy xin trình bμy một phương pháp xác định sức chịu tải của cọc khi xét đến ảnh hưởng ma sát âm để lμm cơ sở cho việc tính toán thiết kế giải pháp nền móng phù
Trang 1ảNH HƯởNG MA SáT ÂM ĐếN SứC CHịU TảI CủA CọC BÊ TÔNG CốT THéP TRONG ĐấT YếU ở ĐồNG BằNG SÔNG CửU LONG
Influence of negative skin friction on load-bearing capacity of concrete piles in soft soil in the Mekong Delta
Abstract: The negative skin friction (NSF) was studied by numerous
authors who have undertaken researching on these phenomena From view point of relative displacement between the pile and the soil surrounding, we studied and use the method for defining the affected zone of negative skin friction and the bearing capacity of piles taking into account for the influence of NSF Based on methods applied by the previous authors and design standard, application for calculating and analyzing for construction works were carried t in Mekong Delta
1 Mở ĐầU
Với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dμy ở
nông so với mặt đất tự nhiên, xu thế sử dụng
móng cọc bê tông cốt thép (BTCT) dưới các
công trình xây dựng ở Đồng bằng sông Cửu
Long trở nên phổ biến Cùng với sự phát triển
kinh tế xã hội, các khu dân cư mới vμ các khu
cụm công nghiệp được đầu tư xây dựng ngμy
cμng nhiều vμ không ít trường hợp phải hình
thμnh trên nền trước kia lμ vùng trũng
(ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để
đạt cao độ quy hoạch hay tôn nền để vượt lũ
Sự cố kết của đất yếu dưới nền đắp lμm gây
ra ma sát âm tác dụng lên móng cọc dưới các
công trình xây dựng tại các khu nμy Hiện
tượng nμy lμm giảm sức chịu tải của cọc, lμm
tăng tải trọng tác dụng vμo cọc vμ có thể gây
mất ổn định cho công trình
Trước thực tế đó, bμi viết nμy xin trình
bμy một phương pháp xác định sức chịu tải của cọc khi xét đến ảnh hưởng ma sát âm để lμm cơ sở cho việc tính toán thiết kế giải pháp nền móng phù hợp với điều kiện địa chất của địa phương
2 TổNG QUAN Về MA SáT ÂM 2.1 Định nghĩa về ma sát âm
Theo TCXD 189:1996 vμ TCXD 205 :1998,
ma sát âm tác dụng lên cọc xảy ra khi tốc độ lún của đất nền lớn hơn tốc độ chuyển dịch của cọc tại độ sâu tương ứng Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đưa vμo trong tầng đất nền có quá trình cố kết chưa hoμn toμn, nếu tốc độ lún của đất nền dưới công trình lớn hơn tốc độ lún của cọc thì sự lún tương đối nμy phát sinh ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc, lμm giảm khả năng chịu tải của cọc gọi lμ hiện
tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi lμ lực
ma sát âm
2.2 Nguyên nhân gây ra ma sát âm
Theo TCXD 205:1998, cần xem xét khả năng xuất hiện của ma sát âm khi tính toán sức chịu tải của cọc trong các trường hợp sau:
* Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM
268 Lý Thường Kiệt, Q10, TP Hồ Chí Minh
** Công ty CP Tư vấn Xây dựng Tiền Giang
197 Lê Thị Hồng Gấm, Mỹ Tho, Tiền Giang
ĐT : (073).3837373 ; DĐ : 0908 368 040
Trang 2- Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích
hiện đại vμ trầm tích kiến tạo;
- Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng
của động lực;
- Sự lún ướt của đất khi bị ngập nước;
- Tăng ứng suất hữu hiệu trong đất do mực
nước ngầm bị hạ thấp;
- Tôn nền quy hoạch có chiều dμy lớn hơn 1m;
- Phụ tải trên nền không lớn hơn 20 kPa;
- Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ trong
đất bị phân hủy
3 CƠ Sở Lý THUYếT XáC ĐịNH SứC
CHịU TảI CủA CọC KHI XéT ĐếN ảNH
HƯởNG MA SáT ÂM
Trên nền tảng quan điểm về sự xuất hiện
ma sát âm do tương quan giữa độ lún của đất
nền vμ độ lún của cọc, tác giả vận dụng các cơ
sở lý thuyết từ Tiêu chuẩn Xây dựng Việt
Nam vμ các tác giả khác để xác định sức chịu
tải của cọc khi xét ma sát âm
3.1 Xác định sức chịu tải của cọc (khi
chưa xét ảnh hưởng ma sát âm) (theo chỉ
tiêu cường độ đất nền)
- Sức chịu tải cực hạn của cọc:
với Qs = As.fs - Ma sát thμnh bên cọc (kN);
Qp = Ap.qp - Sức kháng mũi cọc (kN);
As- Diện tích xung quanh cọc tiếp xúc
với đất (m2);
Ap- Diện tích tiết diện ngang mũi cọc(m2)
- Sức chịu tải cho phép của cọc:
p s
a
Q Q
FS FS
với FSs- Hệ số an toμn ma sát bên, lấy
bằng 1,5 ữ 2;
FSp- Hệ số an toμn sức chống mũi, lấy
bằng 2 ữ 3;
W - Trọng lượng cọc (kN)
- Xác định ma sát thμnh bên đơn vị tác
dụng lên cọc:
fs = ca+σ’h .tanϕa = ca+ks.σ’v.tanϕa (3.3)
với ca- Lực dính giữa thân cọc vμ đất (kN/m2)
ϕa- Góc ma sát giữa thân cọc vμ đất (độ)
Cọc BTCT: ca = c; ϕa = ϕ (với c, ϕ lμ lực dính
vμ góc ma sát trong của đất);
σ’h- ứng suất hữu hiệu theo phương ngang (kN/m2);
σ’v- ứng suất hữu hiệu theo phương đứng;
ks - Hệ số áp lực đất tĩnh, ks = 1 – sin ϕ
- Xác định sức kháng mũi đơn vị:
qp = c.Nc + σ’vp.Nq + ã.D.Nã (3.4) với σ’vp - ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng do trọng lượng bản thân của đất tại độ sâu mũi cọc (kN/m2);
Nc, Nq, Nã - Hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vμo góc ma sát trong của đất, hình dạng mũi cọc vμ phương pháp thi công cọc
γ : Trọng lượng thể tích của đất ở độ sâu mũi cọc (kN/m3)
D - Bề rộng cạnh hay đường kính cọc (m)
3.2 Xác định độ lún của đất nền
Độ lún của đất nền dưới tác dụng của tải trọng ngoμi được xác định theo công thức (bμi toán một chiều):
0
S p.h E
β
với
2 o o
2 1 1
μ
β = ư
p- giá trị ứng suất nén trung bình tác dụng lên lớp đất;
E0, μ0- Module biến dạng vμ hệ số Poisson của lớp đất
3.3 Xác định độ lún cọc đơn
Độ lún s của một cọc lμm việc riêng lẻ được
tính theo công thức:
s = s1 + s2 + s3 (3.7)
Độ lún s 1 do biến dạng co của thân cọc được
tính như một thanh chịu nén bởi lực Q ap ở hai
đầu vμ lực Q as ma sát xung quanh cọc theo công thức sau:
1
(Q + ξQ )
với A - Diện tích tiết diện ngang thân cọc;
E - Module đμn hồi vật liệu lμm cọc;
L - Chiều dμi cọc;
Trang 3ξ - Hệ số phụ thuộc hình dạng phân bố lực
ma sát fs giữa cọc vμ đất dọc thân cọc
Độ lún s 2 do biến dạng nén của đất nền
dưới mũi cọc được tính theo lý thuyết nền đμn
hồi từ công thức sau:
0
q D
với ap ap
p
Q
q =
A - áp lực lên đất nền ở mũi cọc;
Qap- Phần tải tác động lên mũi cọc hoặc sức
chịu tải an toμn của đất dưới mũi cọc;
Eo, μ0- Module biến dạng vμ hệ số Poisson
của đất nền dưới mũi cọc;
α - Hệ số phụ thuộc hình dạng tiết diện
ngang mũi cọc trong phương pháp tính lún
theo nền đμn hồi Cọc vuông: α =0,88, còn với
cọc tròn: α=0,79
Độ lún s 3 do chuyển dịch theo phương đứng
của đất bởi lực ma sát đất vμ mặt bên cọc có
thể được tính theo công thức sau:
as
0
s = 1- μ I
với Qas- Phần tải tác động lên mặt bên hay
sức chịu tải an toμn của ma sát giữa đất
vμ cọc;
u - Chu vi tiết diện ngang cọc;
Is- hệ số ảnh hưởng
I = 2 + 0,35
3.4 Xác định sức chịu tải của cọc khi
có đến xét ảnh hưởng ma sát âm
Khi thiết kế móng cọc bê tông cốt thép
có xét đến hiện tượng ma sát âm, ta vẫn
tính tương tự như trường hợp cọc không bị
ảnh hưởng ma sát âm nhưng lúc nμy ma
sát thμnh bên giảm đi do có đoạn cọc chịu
ảnh hưởng ma sát âm có chiều ngược lại
với phần cọc bên dưới trục trung hòa chịu
ma sát dương Theo GS.TS Vũ Công Ngữ,
giá trị tuyệt đối của ma sát âm coi bằng
ma sát dương
3.4.1 Xác định vùng ảnh hưởng ma sát âm
Dựa vμo tương quan giữa độ lún của
đất nền vμ độ lún của cọc ta xác định
được vị trí điểm trung hòa mμ tại đó chuyển vị đứng của đất nền vμ của cọc bằng nhau Phần cọc trên điểm trung hòa chịu ma sát âm, còn dưới điểm trung hòa chịu ma sát dương
Nếu xem độ lún nền vμ độ lún cọc lμ tuyến tính theo độ sâu thì chiều sâu vùng
ảnh hưởng của ma sát âm (Znf) được tính theo công thức:
d
S
S
với Sđ - Độ lún của cọc;
S - Độ lún của nền;
Hn - Bề dμy vùng nén lún của nền;
Chiều dμi đoạn cọc chịu ảnh hưởng ma sát
âm (Lnf) bằng chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm (Znf) trừ đi độ sâu đầu cọc
3.4.2 Sức chịu tải của cọc khi có xét đến ma sát âm
Qu_nf = Qs_nf + Qp (3.13) với:Qs_nf = As.fs = u.Σfsi.zi - Ma sát thμnh bên (ma sát âm hoặc ma sát dương);
fsi - Lực ma sát âm đơn vị(lấy dấu -) hoặc lực ma sát dương đơn vị (lấy dấu +) của lớp
đất thứ i;
zi - Bề dμy lớp đất thứ i;
Qp - Sức kháng mũi, xác định như trên
3.4.3 Giá trị lực ma sát âm lớn nhất
với fs_nf - Lực ma sát đơn vị trong đoạn cọc chịu ma sát âm (kN/m2)
4 ứNG DụNG TíNH TOáN CHO CÔNG TRìNH THựC Tế ở ĐồNG BằNG SÔNG CửU LONG
Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát
âm đến sức chịu tải của cọc do tác nhân lμ lớp
đất đắp trên nền đất yếu của công trình tiêu biểu ở Đồng bằng sông Cửu Long Công trình
được lựa chọn nằm trong khu vực có lớp đất yếu dμy vμ hμng năm thường bị ngập lũ (từ 1
Trang 4đến 2m) đồng thời lμ vùng trũng thấp có
nhiều ao mương cần phải san lấp tôn nền với
chiều cao lớn
4.1 Điều kiện địa chất công trình: xem
bảng 1
4.2 Đặt vấn đề tính toán
Tác giả nghiên cứu tính toán ảnh hưởng
ma sát âm đến sức chịu tải của cọc với các đặc
điểm sau:
- Chiều cao lớp đất đắp: Hđ = 1 ; 1,5 ; 2 ; 2,5
; 3 ; 3,5 ; 4 ; 4,5 ; 5 m
- Cọc có tiết diện 25x25cm, dμi 32 m (mũi
cọc cắm vμo lớp đất sét nửa cứng), Mác 300
- Độ sâu đầu cọc : -1 m
4.3 Tính toán cụ thể
- Xác định sức chịu tải của cọc khi chưa xét
đến ảnh hưởng ma sát âm:
+Tính Qs : Qs = 1.323,50kN (xem bảng 2) +Tính Qp : Qp = 96,26 kN (xem bảng 3) +Sức chịu tải cực hạn của cọc (Qu) :
Qu = 1.323,50 + 96,26= 1.419,76 kN + Sức chịu tải cho phép của cọc (Qa) :
a
1.323,50 96,26
= 661,96 kN
- Tính độ lún cọc đơn: Xem bảng 4
- Tính độ lún của đất nền: Xem bảng 5
- Xác định sức chịu tải của cọc khi xét đến
ma sát âm: Tính toán theo các công thức nêu trong phần 3.4, tổng hợp ta được bảng 6
Bảng 1 Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất
Mô tả tên
vμ trạng thái đất
Cát nhỏ lẫn bùn sét
Bùn sét, trạng thái chảy
Sét pha cát, dẻo cứng đến nửa cứng
Sét lẫn cát nửa cứng
Mực nước ngầm ổn định tại độ sâu -1 m so với mặt đất tự nhiên
Bảng 2 Thμnh phần ma sát bên của cọc (Q s )
Lớp Bề dμy c a ϕa Z γ' σ' v k s f s l Q s
đất lớp đất (kN/m2) (độ) (m) (kN/m3) (kN/m2) (1-sinϕ) (kN/m2) (m) (kN)
2 17,5 5,5 4,63 11,250 5,9 80,53 0,919 11,499 17,500 201,23
3 6 24,7 15,17 23,000 10,7 164,25 0,738 57,575 6,000 345,45
4 14 36,6 14,83 30,500 10,8 244,95 0,744 84,864 9,000 763,77
σ'v =ã'*h : áp lực do TLBT tại độ sâu z ; fs =ks*σ'v*tanϕa+ ca;
Trang 5Bảng 3 Thμnh phần sức chịu mũi của cọc (Q p )
Lớp c j Độ sâu γ' σ' v N q N c Nγ q p Q p
đất (kN/m2) (độ) mũi cọc(m) (kN/m3) (kN/m2) (các hệ số phụ thuộc j) (kN/m2) (kN)
4 36,6 14,83 35 10,8 293,55 3,879 10,872 1,292 1540,19 96,26
Bảng 4 Độ lún cọc đơn
Các đại lượng / thông số Ký
hiệu
Đơn
vị
Diễn giải/
Công thức tính Giá trị
Hệ số phụ thuộc hình dạng phân bố lực
Hệ số phụ thuộc hình dáng cọc α cọc vuông: α = 0,88;
tròn: α =0,79 0,88
Mô đun biến dạng của đất dưới mũi cọc E0 kN/m2 lớp 4: đất sét 10.760
Hệ số ảnh hưởng
Theo Vesic:
Is=2+0,35*sqrt(L/B) 6,08
>Độ lún do biến dạng co đμn hồi của bản
>Độ lún do nén của đất nền dưới mũi cọc S2
S2 = (Qap/Ap)*(B/Eo)*
(1- 2 o
>Độ lún chuyển dịch do ma sát đất & mặt
S3 = (Qas/uL)*(B/Eo)*
(1- 2 o
>Độ lún của cọc đơn S đ m S đ = S 1 + S 2 + S 3 0,037
Bảng 5 Độ lún của đất nền
Chiều cao
Tải phân bố đều
tương đương
p = γđ*Hđ
kN/m2 19,8 29,7 39,6 49,5 59,4 69,3 79,2 89,1 99
Độ lún nền
n
i
E
=
β
=∑
Lớp 1 0,014 0,021 0,028 0,034 0,041 0,048 0,055 0,062 0,069 Lớp 2 0,279 0,418 0,558 0,697 0,836 0,976 1,115 1,255 1,394 Cộng 0,293 0,439 0,585 0,731 0,878 1,024 1,170 1,317 1,463
Ghi chú: Dung trọng đất đắp lấy γ đ = 18 kN/m 3 , hệ số vượt tải 1,1
Trang 6Bảng 6 Tổng hợp các đại l−ợng khảo sát về ma sát âm
Các đại l−ợng Chiều cao nền đắp H đ (m)
khảo sát về
Znf (m) 17,479 18,320 18,740 18,992 19,160 19,280 19,370 19,440 19,496
Lnf (m) 16,479 17,320 17,740 17,992 18,160 18,280 18,370 18,440 18,496
Qnf (kN) 177,00 189,12 195,29 199,03 201,54 203,34 204,70 205,76 206,60
Qu_nf (kN) 1.065,761.041,53 1.029,18 1.021,70 1.016,68 1.013,071.010,361.008,251.006,56
Tỉ số (Lnf /Ly) 0,867 0,912 0,934 0,947 0,956 0,962 0,967 0,971 0,973
Tỉ số (Qnf /Qu) 12,47% 13,32% 13,76% 14,02% 14,20% 14,32% 14,42% 14,49% 14,55%
Tỉ số (Qu_nf /Qu) 75,07% 73,36% 72,49% 71,96% 71,61% 71,36% 71,16% 71,02% 70,90%
Hệ số an toμn
còn lại
K = Qu_nf / Qa
1,610 1,573 1,555 1,543 1,536 1,530 1,526 1,523 1,521
Biểu đồ thể hiện (Lnf/Ly) - Hđ
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Hđ (m)
Biểu đồ thể hiện (Q u_nf/Q a) - Hđ
1,50 1,55 1,60 1,65 1,70
Hđ (m)
Biểu đồ thể hiện (Qnf/Qu) - Hđ
11%
12%
13%
14%
15%
Hđ (m)
Biểu đồ thể hiện (Qu_nf/Qu) - Hđ
70%
72%
74%
76%
78%
Hđ (m)
Hình 1: Các biểu đồ thể hiện quan hệ giữa các tỉ số về ma sát âm với chiều cao đắp
Trang 75 KếT LUậN Vμ KIếN NGHị
Kết luận
5.1 Khi phụ tải ngoμi tác dụng lên nền
cμng tăng (chiều cao đắp tăng), chiều dμi
đoạn cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm (Lnf) cμng
tăng vμ có thể chiếm hơn 85% chiều dμi cọc
trong đất yếu (Ly) Tuy nhiên, độ gia tăng nμy
giảm dần khi phụ tải cμng lớn Trong khi đó,
theo TCXD 189 : 1996 : Lnf = 0,7 * Ly vμ
không xét đến sự thay đổi giá trị phụ tải
ngoμi tác dụng lên nền
5.2 Khi phụ tải ngoμi tác dụng lên nền
cμng tăng (chiều cao đắp tăng), giá trị lực ma
sát âm lớn nhất (Qnf) cμng tăng vμ có thể lên
đến hơn 12% so với giá trị sức chịu tải cực
hạn khi chưa xét ma sát âm (Qu)
5.3 Khi phụ tải ngoμi tác dụng lên nền
cμng tăng (chiều cao đắp tăng), giá trị sức
chịu tải của cọc khi xét ảnh hưởng ma sát âm
(Qu_nf) cμng giảm vμ có thể chỉ còn thấp hơn
76% giá trị sức chịu tải cực hạn khi chưa xét
ma sát âm (Qu)
5.4 Khi phụ tải ngoμi tác dụng lên nền
cμng tăng (chiều cao đắp tăng), hệ số an toμn
còn lại khi xét ma sát âm K (= Qu_nf/Qa) cμng
giảm Điều nμy cho thấy hiện tượng ma sát
âm lμm giảm độ an toμn cho công trình nhất
lμ sẽ có thể nguy hiểm với phụ tải ngoμi lớn
(chiều cao đắp lớn) Tuy nhiên, hệ số an toμn
còn lại nμy có thể chấp nhận được trong một
số trường hợp nếu vận dụng theo hệ số
an toμn Ktc của phụ lục A - TCXD 205: 1998
(Ktc = 1,4 ữ 1,75 tùy theo số lượng cọc trong
móng)
5.5 Do đó, khi tính toán thiết kế móng cọc
trong đất yếu vμ có san lấp tôn nền thì cần
phải xem xét đến ảnh hưởng ma sát âm tác
dụng vμo cọc để xác định đúng sức chịu tải
của cọc nhằm có giải pháp thiết kế nền móng
công trình thích hợp
Kiến nghị
5.6 Bμi báo trình bμy một phương pháp
xác định sức chịu tải của cọc khi xét ảnh
hưởng ma sát dựa trên tương quan giữa độ lún của cọc vμ độ lún của đất nền Phương pháp nμy đơn giản vμ thích hợp với việc tính toán từng trường hợp cụ thể hơn so với phương pháp chung trình bμy tại TCXD 189 :
1996 Do đó, có thể sử dụng kết quả nghiên cứu nμy trong thiết kế sơ bộ hay kiểm tra sức chịu tải của cọc khi xét đến ảnh hưởng của
ma sát âm đồng thời có thể phục vụ cho công tác quản lý xây dựng của địa phương
5.7 Tuy nhiên, phương pháp trên còn hạn chế lμ chỉ tính toán trên cọc đơn, chưa xét đến nhóm cọc, chưa xét đến tương tác giữa cọc vμ
đất gần cọc (lμm ảnh hưởng độ lún lẫn nhau) cũng như chưa xét đến yếu tố thời gian trong quá trình cố kết của đất nền Do đó, cần phải nghiên cứu phát triển thêm
5.8 Ma sát âm lμ hiện tượng phức tạp vμ cần phải lưu tâm khi thiết kế móng cọc Các công thức nêu trên chủ yếu dựa trên lý thuyết
vμ có xu hướng thiên về an toμn Vì vậy, chúng ta cần phải nghiên cứu hiện tượng ma sát âm thông qua các thí nghiệm thực tế hiện trường hoặc xây dựng các mô hình thí nghiệm gần với thực tế vμ đối chiếu với kết quả tính toán từ các phương pháp lý thuyết
TμI LIệU THAM KHảO
1 Châu Ngọc ẩn, Nền móng, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2002;
2 Vũ Công Ngữ vμ Nguyễn Thái, Móng cọc – phân tích vμ thiết kế, NXB khoa học vμ
kỹ thuật, 2006;
3 TCXD 189 : 1996 – Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc tiết diện nhỏ, NXB Xây dựng, 2002;
4 TCXD 205 : 1998 – Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc, NXB Xây dựng, 2002
Trang 8Ng−êi ph¶n biÖn: PGS.TS NguyÔn B¸ KÕ
