TIỂU LUẬN NỀN MÓNG MA SÁT ÂM

TIỂU LUẬN MA SÁT ÂM

VÕ NGUYÊN HÙNG - MSHV: 00907775

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển chung của đất nước, công tác xây dựng cũng phát triển theo Nhiều công trình được xây dựng khắp nơi kể cả trên những vùng đất yếu

Khi nền móng đặt trong khu vực có đất yếu, cọc đóng xuyên qua lớp đang trong quá trình cố kết, do dịch chuyển tương đối của đất và cọc, sẽ xuất hiện một

“lực kéo xuống” kéo cọc xuống phía dưới, còn gọi là hiện tượng ma sát âm Các vấn đề về cọc chống được đặt trong tầng sét đang cố kết đã được nghiên cứu khá sớm Từ 1965 Johanessen và Bjerrumđã nhận thấy rằng lực kéo xuống này đôi khi lớn đến mức vượt qua tải thiết kế và kèm theo là độ lún của cọc Đôi khi có thể gây

hư hỏng cọc

Mục đích của tiểu luận này chủ yếu nghiên cứu vào một phần nhỏ của vấn đề

ma sát âm Nội dung nghiên cứu bao gồm :

- Các nguyên nhân gây ra ma sát âm

- Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm

- Các phương pháp tính toán ma sát âm

- Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình

- Cách khắc phục hiện tượng ma sát âm

- Trong tiểu luận còn trình bày các nghiên cứu về ma sát âm của các tác giả khác nhau, sơ lược các mô hình tính toán thông dụng hiện nay

Tuy nhiên, do lượng kiến thức của các học viên trong nhóm còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong báo cáo Nhóm mong nhận được sự đóng góp của các bạn và hiệu chỉnh của Thầy để bài báo cáo được hoàn chỉnh hơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 30/05/2009 Nhóm 3 – Lớp ĐKTXD 2008 – ĐHBK TP HCM

MỤC LỤC PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM

I.3 Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm Trang 7

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm Trang 14

I.5 Aûnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình Trang 15

I.7 Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế Trang 34

PHẦN II : NGHIÊN CỨU MA SÁT ÂM CỦA BỘ GIAO THÔNG MỸ

PHẦN III : TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ĐẾN

ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM

III.2 Ứng dụng tính toán vào bài toán thực tế Trang 62

III.2.3 Công trình khách sạn Thái Bình – Thị Xã Long Xuyên – An Giang Trang 70

PHẦN IV : CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ẢNH HƯỞNG

CỦA MA SÁT ÂM IV.1 Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất Trang 77

IV.2 Biện pháp làm giảm giảm tải trọng lên đất nền Trang 77

IV.3 Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng MSA Trang 79

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM

I.1 Định nghĩa hiện tượng ma sát âm

Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đóng vào trong tầng

đất có tính nén lún hoặc đất vừa mới đắp mà mũi cọc đặt trong tầng đất chặt Sẽ

xảy ra đồng thời quá trình lún của đất và cọc sau khi đóng cọc và đặt tải Ngay sau

khi đóng và trong quá trình đóng cọc, một phần tải được đất kháng lại do lực dính

của đất và cọc Tuy nhiên khi quá trình cố kết xảy ra nó sẽ truyền toàn bộ tải lên

mũi cọc Trong một số trường hợp (Taylor, 1948) độ lún của đất có thể lớn hơn của

cọc, sự chuyển vị tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc

gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm

ĐẤT SÉT MỀM hay ĐẤT ĐẮP CÓ TÍNH NÉN LÚN

ĐẤT TỐT H

B

Hình 1 Cọc trong đất mềm và chống vào lớp đất tốt (a) Lực ma sát dương ngay và trong khi đóng cọc – (b) Lực ma sát âm

Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún

của đất xung quanh cọc và tốc độ lún của cọc Lực ma sát âm có chiều hướng thẳng

đứng xuống dưới, có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, do đó làm tăng lực tác dụng

lên cọc Ta có thể so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương thông qua hình

sau:

Hình 2a Sự phát sinh ma sát dương

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Hình 2c Ma sát âm khi lớp sét xốp cố kết do thoát nước

hoặc có thêm lớp đất mới đắp

Qua ba hình minh hoạ trên ta thấy ma sát âm có thể xuất hiện trong một phần

đoạn của thân cọc hay toàn thân cọc, phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưa

cố kết Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên toàn thân cọc thì rất nguy hiểm,

sức chịu tải của cọc không những không kể đến sức chịu tải do ma sát hông của đất

và cọc mà còn bị ma sát âm kéo xuống Sức chịu tải lúc này chủ yểu là sức chịu tải

của mũi, chống lên nền đất cứng hay đá

Thông thường khi tác động các tải lên công trình sẽ gây ra độ lún của cọc và

giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghĩa với giảm ma sát âm), ít

nhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn dưới như vậy những tác động ma sát âm có

nhiều ở khu vực gần đầu cọc

34 Hình 3 Mô hình ma sát âm trong nhóm cọc

Với lập luận tương tự như trên, nếu cọc chịu nhổ trong vùng đất trương nở lớn

lực trương nở của đất cũng truyền lên thân cọc kéo cọc lên trên cùng chiều với lực

nhổ trường hợp này cũng gọi là ma sát âm (?) Tuy nhiên trường hợp này ít phổ

biến, hầu hết các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hiện tương ma sát âm kéo cọc

xuống

I.2 Các thuật ngữ liên quan trong nghiên cứu ma sát âm

Theo Fellenius (Pile dragload and downdrag considering liquefaction), các

thuật ngữ trong nghiên cứu ma sát âm như sau:

• Hiện tượng ma sát âm (Negative skin friction) : Là lực ma sát bên được

huy động khi đất dịch chuyển xuống tương đối so với cọc Các quan sát

lâu dài từ các thiết bị quan trắc hiện trường cho thấy hiện tượng ma sát âm

xảy ra trong hầu hết tất cả các cọc

• Lực kéo xuống (Dragload) : Là lực nén dọc trục gây ra trong các phần tử

của cọc do sự tích lũy ma sát âm khi đất có khuynh hướng dịch chuyển

tương đối đi xuống so với cọc

• Mặt phẳng trung hòa (Neutral plane): Là vị trí dọc theo cọc mà tại đó

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

với tổ hợp lực (chiều dương) kháng bên (bên dưới mặt trung hòa) và sức

kháng mũi Độ sâu này là nơi có dịch chuyển tương đối của đất và cọc

bằng 0

• Biến dạng kéo xuống (Downdrag): Là sự dịch chuyển đi xuống của cọc

do đất xung quanh cọc bị lún xuống Độ lớn của biến dạngï kéo xuống

bằng với độ lún của đất tại mặt trung hòa

• Cường độ chịu tải 1 trục địa kỹ thuật (Geotechnical axial capacity): Là tổ

hợp của sức kháng mũi và ma sát bên khi cọc không còn đạt trạng thái cân

bằng tĩnh và sẽ tiếp tục dịch chuyển xuống Ma sát dương xảy ra trên toàn

thân cọc và lực kéo xuống rất nhỏ

• Hệ số an toàn cho cường độ chịu tải địa kỹ thuật (Factor of safety on

geotechnical capacity): Là hệ số giữa cường độ chịu tải 1 trục địa kỹ thuật

chia cho tổng tải tĩnh và hoạt tải, không tính đến lực kéo xuống

• Cường độ kết cấu 1 trục (Structural axial strength) : Là cường độ kháng

nén 1 trục của phần cọc chịu tải tĩnh và lực kéo xuống

• Hệ số an toàn kết cấu tại mặt trung hòa (Factor of safety on structural

strength at neutral plane): Là hệ số giữa cường độ kháng nén 1 trục của

kết cấu tại mặt trung hoà chia cho tổng tĩnh tải và lực kéo xuống, không

tính đến hoạt tải

Theo Fellenius, vị trí mặt trung hòa là hàm số của sự cân bằng của các lực

cắt dọc thân cọc khi chúng đã được huy động hoàn toàn Sức kháng mũi cũng đã

được huy động 1 phần hoặc hoàn toàn Các lực và sức kháng là kết quả của quá

trình lún của đất và là do sự khác biệt về độ cứng của đất và cọc Yêu cầu tuyệt đối

để thõa mãn phương trình cân bằng là lực cắt phát triển dọc phần phía trên thân cọc

có dấu âm và phần dưới cọc có dấu dương Vùng chuyển tiếp từ âm sang dương

được gọi là mặt trung hòa Một số ít trường hợp vị trí mặt trung hòa nằm trong lớp

đất đang lún, hay trong lớp đất tốt hơn hoặc trong lớp đất ít lún

Khi thay đổi lực tác dụng lên đầu cọc thì vị trí mặt trung hòa sẽ thay đổi do

kết quả của sự cân bằng lực mới

Mặt trung hòa cũng là nơi cọc và đất dịch chuyển như nhau hay nói cách khác

là nơi không có sự dịch chuyển tương đối giữa cọc và đất Điều này có nghĩa là khi

giải bài toán lún của nhóm cọc là công việc tìm ra độ lún của đất tại mặt trung hòa

Ma sát âm gây ra 1 lực kéo xuống (dragload), không xét đến độ lớn của lực

này, nếu độ lún tại mặt trung hòa là nhỏ, sẽ không có lực kéo xuống (Với điều kiện

cường độ vật liệu cọc phải đủ để chịu được tải tác dụng tại đầu cọc cộng với lực kéo

xuống) Cần nhấn mạnh ở điểm này: lực kéo xuốngcàng lớn, móng sẽ càng cứng và

tốt hơn, biến dạngï kéo xuống (downdrag) càng lớn móng càng yếu

Cọc không chịu ma sát âm sẽ có mặt trung hòa tại mặt đất và có lực kéo

xuống lớn nhất – Móng lún cùng với mặt đất – là tình huống ngoài ý muốn

Độ lớn của ma sát âm phụ thuộc vào các yếu tố sau (Brejum,1973):

• Vật liệu cọc

• Phương pháp thi công cọc

• Điều kiện tự nhiên của đất nền

• Vận tốc dịch chuyển tương đối của đất và cọc

I.3 Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm

Các nguyên nhân gây ra ma sát âm chủ yếu:

o Sự lún do cố kết của nền đất xung quanh cọc

o Đắp cao trên nền đất có tính nén lún cao

o Phụ tải của nền gần khu vực móng

o Hạ thấp mực nước ngầm

o Nền đất chưa cố kết xong

o Sự nén chặt của nền do đóng cọc

I.3.1 Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền:

Khi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặc

chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy

ra quá trình cố kết Ta có thể xem xét cụ thể trong các trường hợp sau:

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Hình 4 Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền

+ Trường hợp (a): Khi có một lớp đất sét đắp phía trên một tầng đất rời

mà cọc sẽ xuyên qua nó, tầng đất sét sẽ cố kết dần dần Quá trình cố kết

này sẽ sinh ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc trong suốt quá trình cố

kết

+ Trường hợp (b): Khi có một tầng đất rời, đắp ở phía trên một tầng sét

yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét bên dưới và tạo ra

một lực ma sát âm tác dụng vào cọc

+ Trường hợp (c): Khi có một tầng đất dính đắp ở phía trên một tầng sét

yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và tầng đất sét và

tạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc

Trong trường hợp các cọc được tựa trên nền đất cứng và có tồn tại tải

trọng bề mặt, có thể xảy ra các trường hợp sau:

+ Trường hợp (d): Với tầng cát xốp sẽ có biến dạng lún tức thời, đặc biệt

khi đất nền chịu sự rung động hoặc sự dao động của mực nước ngầm; sự

tác động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra sự biến dạng lún

+ Trường hợp (e): Đối với nền sét yếu, khuynh hướng xảy ra biến dạng

lún có thể rất nhỏ nếu như không chịu tác động của tải trọng bề mặt

Nhưng dù sao khi khoan tạo lỗ sẽ gây ra sự cấu trúc lại của nền sét vì vậy

biến dạng lún (nhỏ) của nền sét sẽ xảy ra dưới tác dụng của trọng lượng

bản thân của nền sét

+ Trường hợp (f): Điều hiển nhiên là gần như bất kỳ sự đắp nào sẽ tạo ra

biến dạng lún theo thời gian dưới tác dụng của trọng lực

Việc xác định mối quan hệ của độ lún của đất nền ở phía trên và của

cọc là cần thiết để đề ra giải pháp xử lý phù hợp đối với vấn đề đó Trong

các trường hợp nơi mà đất nền ở phần trên lún xuống phía dưới lớn hơn độ

lún cọc, một giải pháp thiên về an toàn có thể có được khi giả thiết tải

trọng truyền hoàn toàn tới đỉnh của lớp đất nền phía dưới

I.3.2 Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết:

Trong thực tế một tình huống thường xuyên gặp phải trong thiết kế cầu

đường nơi mà lực ma sát âm có thể xảy ra Các cọc đã được thi công xong

trong khi nền đất chưa kết thúc cố kết, mố cầu đã được xây dựng và đất

nền đã được đắp Độ lún của nền đất dọc theo thân cọc có thể rất khó

khăn để loại bỏ, vì vậy lực ma sát âm thường xảy ra với dạng kết cấu như

hình 5, thậm chí còn có khuynh hướng tạo ra chuyển dịch ngang của mố

cầu, nhưng sự chuyển dịch này có thể giảm thiểu bằng việc lựa chọn một

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Hình 5 Hiện tượng ma sát âm do việc đóng cọc mố cầu vào nền đất yếu

chưa kết thúc cố kết hoặc còn ở trạng thái tự nhiên

Ma sát âm chỉ xảy ra ở một bên cọc do phần đường vào cầu có lớp đất

đắp cao làm cho lớp đất bên dưới bị lún do phải chịu tải trọng của lớp đất

đắp này, còn phần bên kia mố (phía sông) thì không có tải trọng đắp nên

lớp đất nền không bị lún do tải trọng ngoài, do đó cọc không bị ảnh hưởng

của ma sát âm Vì vậy, một bên cọc chịu ma sát âm còn bên kia chịu ma

sát dương

I.3.3 Khi xây dựng công trình mới cạnh công trình cũ

Tải trọng phụ lớn đặt trên nền kho bến bãi làm cho lớp đất nền bên dưới bị lún xuống

Phụ tải của nền gần móng (hiện tượng xây chen các công trình mới cạnh

công trình cũ) Nguyên tắc xác định ảnh hưởng của các tải trọng đặt gần

nhau là dựa trên đường đẳng ứng suất (ứng suất hướng thẳng đứng nếu xét

về biến dạng lún hoặc ứng suất hướng ngang nếu xét về biến dạng trượt)

Hình 6 Biến dạng của công trình cũ trên cọc ma sát khi xây dựng gần nó

công trình mới

I.3.4 Mực nước ngầm bị hạ thấp

Việc hạ thấp mực nước ngầm làm tăng ứng suất thẳng đứng có hiệu tại mọi điểm của nền đất Vì vậy, làm đẩy nhanh tốc độ lún cố kết của nền đất

Lúc đó, tốc độ lún của đất xung quanh cọc vượt quá tốc độ lún của cọc và

xảy ra hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh cọc

Hiện tượng này được giải thích như sau: Khi hạ thấp mực nước ngầm thì

+ Phần áp lực nước lỗ rổng u giảm

+ Phần áp lực có hiệu thẳng đứng σh lên các hạt rắn của đất tăng

Xem biểu đồ tương quan giữa u và σh trong trường hợp bài toán nén

một chiều và tải trọng ngoài q phân bố kín đều khắp

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

u = 0m inu

Hình 7 Biểu đồ tương quan giữa áp lực nước lỗ rỗng u và áp lực có hiệu

thẳng đứng lên hạt rắn của đất σh trong trường hợp bài toán nén một chiều

và tải trọng ngoài q phân bố kín đều khắp

Trong đó:

+ σh = q = const: Ứng suất toàn phần

+ Ha: Vùng hoạt động của ứng suất phân bố trong đất

+ Đất bình thường: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó σz = 0.2σbt

+ Đất yếu: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó σz = 0.1σbt

+ σbt: Ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày Ha

Sau khi đóng cọc xong, nước bắt đầu thấm trở lại và khôi phục về trạng thái

ban đầu Do sự luân chuyển của nước, quá trình cố kết bắt đầu xảy ra, do đó

xuất hiện hiện tượng ma sát âm lên thân cọc Tuy nhiên, theo thí nghiệm của

Fellenius & Broms (1969) cho thấy giá trị ma sát âm trong trường hợp này là

không lớn, nó chỉ chiếm khoảng 17% giá trị sức chống cắt trung bình không

thoát nước của đất nền.

Hình 9 Sự di chuyển của nước gần thân cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998: Hiện tượng ma sát âm nên được xét

đến trong các trường hợp sau:

Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích hiện đại và 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;

Mực nước ngầm hạ thấp làm cho ứng suất có hiệu trong đất tăng lên,

dẫn đến tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất

Nền công trình được tôn cao với chiều dày lớn hơn 1m trên đất yếu;

Phụ tải trên nền với tải trọng từ 2T/m2 trở lên;

Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ trong đất bị phân hủy …

I.4- Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm

Ma sát âm là hiện tượng phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

• Loại cọc, chiều dài cọc, phương pháp hạ cọc, mặt cắt ngang của cọc, bề

mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền, sự co ngắn đàn hồi của cọc;

• Đặc tính cơ lý của đất, chiều dày lớp đất yếu, tính trương nở của đất;

• Tải trọng chất tải (chiều cao đắp nền, phụ tải);

• Thời gian chất tải cho đến khi xây dựng công trình;

• Độ lún của nền đất sau khi đóng cọc, độ lún của móng cọc;

• Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc …

Trị số của lực ma sát âm có liên quan tới sự cố kết của đất, phụ thuộc trực

tiếp vào ứng suất có hiệu của đất chung quanh cọc Như vậy lực ma sát âm phát

triển theo thời gian và có trị số lớn nhất khi kết thúc cố kết

Bất kỳ một sự dịch chuyển nào xuống phía dưới của nền đất đối với cọc

đều sinh ra lực ma sát âm Tải trọng này có thể truyền hoàn toàn từ đất nền cho cọc

khi mối tương quan về chuyển vị khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kính

cọc Khi chuyển vị tương đối của đất tới 15mm thì ma sát âm được phát huy đầy đủ

Một điều thường được giả thiết trong việc thiết kế khi cho rằng toàn bộ lực ma sát

âm sẽ xảy ra khi mà có một sự chuyển dịch tương đối của nền đất được dự đoán

trước

I.5 Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình

Khi cọc ở trong đất, thì sức chịu tải của cọc được thể hiện qua thành phần

ma sát (dương) xung quanh cọc và sức kháng mũi cọc Khi cọc bị ảnh hưởng ma sát

âm thì sức chịu tải giảm do nó phải gánh chịu một lực kéo xuống mà thường gọi là

lực ma sát âm Ngoài ra do quá trình cố kết của lớp đất, đã gây nên khe hở giữa đài

cọc và lớp đất dưới đài, giữa cọc và đất xung quanh cọc, từ đó gây tăng thêm ứng

lực phụ tác dụng lên móng cọc Đối với đất trương nở, ma sát âm có thể gây nên tải

trọng phụ rất lớn tác dụng lên móng cọc

Trong một số trường hợp lực ma sát âm khá lớn, có thể vượt qua tải trọng

tác dụng lên đầu cọc nhất là đối với cọc có chiều dài lớn Chẳng hạn năm 1972

Fellenius đã đo quá trình phát triển lực ma sát âm của 2 cọc bêtông cốt thép được

đóng qua lớp đất sét mềm dẻo dày 40m và lớp cát dày 15m cho thấy: sự cố kết lại

của lớp đất sét mềm bị xáo trộn do đóng cọc đã tạo ra lực kéo xuống 300KN trong

thời gian 5 tháng và 16 tháng sau khi đóng cọc thì mỗi cọc chịu lực kéo xuống là

440KN

Johanessen và Bjerrum đã theo dõi sự phát triển hiện tượng ma sát âm

trên cọc thép xuyên qua lớp đất sét dày 53m và mũi cọc tựa trên nền đá Lớp đất

đắp bằng cát dày 10m, quá trình cố kết của lớp đất sét đã gây ra độ lún 1,2m và lực

kéo xuống khoảng 1.500KN ở mũi cọc Ứng suất ở mũi cọc ước tính đạt đến

190KN/m2 và có khả năng xuyên thủng lớp đá

Đối với việc sử dụng giếng cát: Ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết

của nền đất yếu có dùng giếng cát Hiện tượng ma sát âm gây ra hiệu ứng treo của

đất xung quanh giếng cát, lớp đất xung quanh giếng cát bám vào giếng cát làm cản

trở độ lún và cản trở quá trình tăng khả năng chịu tải của đất nền xung quanh giếng

cát

Qua sự phân tích cho thấy tác dụng chính của lực ma sát âm là làm gia

tăng lực nén dọc trục cọc, làm tăng độ lún của cọc, ngoài ra do lớp đất đắp bị lún

tạo ra khe hở giữa đài cọc và lớp đất bên dưới đài có thể làm thay đổi momen uốn

tác dụng lên đài cọc Lực ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết thoát nước của

nền đất yếu khi có gia tải trước và có dùng giếng cát, cản trở quá trình tăng khả

năng chịu tải của đất nền xung quanh giếng cát Ngoài ra ma sát âm còn có thể làm

tăng lực ngang tác dụng lên cọc

I.6 Các nghiên cứu về ma sát âm

I.6.1 Theo Joseph E.Bowles

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

để lực ma sát âm phát triển đáng kể thì một phần của cọc phải cố định chống

lại chuyển vị đứng như mũi cọc phải tựa lên lớp đá, đất cứng hoặc phần mũi

cọc phải ngàm vào lớp cát chặt Nếu toàn bộ cọc chuyển động xuống cùng

với ảnh hưởng của quá trình cố kết thì sẽ không ảnh hưởng của ma sát âm

Để xác định được chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm ZO, Ông lập luận rằng:

“Sức chịu tải của cọc gồm sức kháng mũi cọc, lực ma sát dương phải lớn hơn

hoặc bằng với tải trọng tác dụng lên cọc và phần lực ma sát âm”, từ đó xác

định chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm ZO

Hình 10 Sự phát triển lực ma sát âm trong cọc đơn trong trường hợp đất

đắp là đất dính hay đất rời hoặc trong nhóm cọc với lớp đất đắp là đất

dính

* Đối với cọc đơn ma sát âm có thể được xác định

a Trường hợp cọc được đóng qua lớp đất đắp bên trên là đất dính và lớp đất

bên dưới là đất rời (Hình 10a)

Lực ma sát âm : Pnf =

0' '

α' : Hệ số liên hệ áp lực ngang hữu hiệu (q.K ) và sức chống cắt theo chu vi cọc

α' = tan δ , với δ = (0.5 ÷ 0.9)ϕ (ϕ : góc ma sát giữa cọc và đất )

p’ : Chu vi cọc

K: Hệ số áp lực ngang, K = Ko = 1 − sin ϕ

q : Ứng suất hữu hiệu tại độ sâu z, : q= qo + γ'.z

qo : Aùp lực phụ tải ( lớp đất đắp )

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

b Trường hợp cọc được đóng qua lớp đất đắp bên trên là đất rời và lớp đất

bên dưới là đất dính (Hình 10b)

Lực ma sát âm :

Pnf =

0' '

Pp : Sức kháng của đất dưới mũi cọc

Ppf : Thành phần lực ma sát dương

Nếu: Ta chọn α ' = α '2, và đối với cọc ma sát PnP≅ 0 , rút ra từ phương trình (2)

L

L

L = =

* Đối với nhóm cọc ma sát âm có thể được xác định

Khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ (tỷ số s/D nhỏ), thì ma sát âm sẽ ảnh

hưởng trực tiếp lên nhóm cọc theo chu vi nhóm cọc hơn là trên những cọc riêng lẻ,

xét 2 trường hợp nghiên cứu:

- Lực ma sát âm trong nhóm cọc bằng tổng các lực ma sát âm của cọc riêng

lẻ (trường hợp khoảng cách giữa các cọc là lớn)

γ: Trọng lượng riêng của lớp đất xung quanh cọc tới độ sâu Lf

A: Diện tích xung quanh nhóm cọc

fs: ma sát hữu hiệu trên chu vi nhóm cọc

'

g

p : Chu vi của nhóm cọc

I.6.2 Theo H.G Poulos và E.H Davis

Năm 1967, Terzaghi và Peck đã đề nghị công thức tính lực ma sát âm được sử

dụng rộng rãi Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc là tổng ứng suất cắt giới hạn

dọc theo cọc

Hình 12 Bài toán ma sát âm

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc đơn tại độ sâu z

0

z a

C'a : Lực dính giữa đất và cọc, đối với cọc bê tông lấy Ca' = C

c: Lực dính của đất nền

Ks: Hệ số áp lực ngang của đất Ks = Ko=1 - sinϕ

σ'v : Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng

ϕa' : Góc ma sát giữa đất và cọc

- Qua phương pháp so sánh các kết quả nghiên cứu Poulos với Mattes (1969) và

Poulos với Davis (1972) Cho được quan hệ về sự thay đổi của lực kéo xuống ứng

với chiều sâu khác nhau của cọc và modul đàn hồi p

s

E

E khi giả thiết đất nền là đồng nhất, đẳng hướng, tỷ số chiều dài và đường kính cọc l/d=25 và độ lún đất nền giảm

dần tuyến tính từ So trên mặt nền cho đến 0 tại mặt trên của lớp đất tốt Quan hệ đó

được trình bày ở hình 13 ngoài ra hình 13 cho biết lực kéo xuống lớn nhất xảy ra ở

mũi cọc

Hình 13 Biểu đồ quan hệ trong việc phân tích lực kéo xuống cuối cùng

I.6.3 Theo R Frank (Foundation Et Ouvrages En Terre)

Hình 14 Lực ma sát âm theo R.Frank

Hình 15 Khu vực có ảnh hưởng ma sát âm

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

a Nguyên lý tính ma sát âm cực đại

Tại độ sâu z, giá trị lực ma sát âm đơn vị được tính bởi biểu thức

σ’h, σ’v : Ứng suất hữu hiệu theo phương ngang và phương đứng

K : Hệ số quan hệ giữa '

' h v

σ σ

ϕa : Góc ma sát giữa đất và cọc

c : Lực dính giữa cọc và đất

- Tổng lực ma sát âm lên cọc

' 0

)(

H : Chiều cao lớp đất đắp

h : Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm của cọc trong lớp đất yếu

Trong điều kiện dài hạn hoặc chống cắt trong điều kiện không thoát nước:

H h

b Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm, h

Chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm h chưa phải là toàn bộ chiều dày lớp

đất yếu Ma sát âm chỉ xuất hiện khi tốc độ lún của lớp đất xung quanh cọc

lớn hơn tốc độ lún của cọc Tùy thuộc vào tính chất của đất, người ta chia ra 2

trường hợp tính toán

• Đất nền yếu có biến dạng lớn:

h = h1: là độ sâu có ứng suất thẳng đứng hữu hiệu '

v

σ (z), tiếp xúc cọc và đất có kể ảnh hưởng treo của đất lên cọc, cân bằng với ứng suất thẳng đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thân γ ' z , khi chưa có gia tải và không có cọc

• Đất nền rất ít biến dạng:

h = h2: là độ sâu mà chuyển vị đứng của đất bằng với độ lún của cọc, độ

lún của cọc có thể được tính theo phương pháp thông thường hoặc chọn

một cách gần đúng bằng 0.01B hay 0.02R (B cạnh cọc vuông hay R là

bán kính cọc tròn)

c Giá trị K.tgϕ

Giá trị K.tgϕa phụ thuộc vào loại đất tự nhiên và loại cọc (tra bảng)

Bảng 1

Giá trị K.tgϕ a để tính toán lực ma sát âm

Loại đất tự nhiên Loại cọc Cọc ống Cọc nhồi Cọc đóng

Đất sét

Cát Sỏi

K.tanδđược chọn lớn nhất là bằng 0,05

d Ứùng suất thẳng đứng hữu hiệu '

v

σ (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 của cọc lún ít hơn các hạt bên ngoài

xa mặt cọc, do nó bị treo lên mặt cọc khi cọc lún chậm hơn Hiện tượng này gọi

là“đất treo lên cọc” hay là “hiệu quả treo”

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Hình 16 Ảnh hưởng của hiện tượng lún nền gây ma sát âm

Trong trường hợp cọc tròn, vùng ảnh hưởng treo kể từ mặt cọc đến khoảng

cách ρ , như trong hình vẽ Vùng xa ngoài không có hiệu quả treo, ứng suất hữu hiệu

thẳng đứng tại độ sâu z, ký hiệu '

1985 Điều kiện cân bằng lực tại độ sâu z:

Để tính giá trị σ'v (z), chia đất nền thành nhiều lớp nhỏ theo phương ngang và tính dần từ trên mặt đất xuống Từ biểu thức quan hệ giữa σ' v (z,r)

và σ' v (z) bên trên, có thể suy ra biểu thức tổng quát tính ứng suất hữu hiệu ở

mặt tiếp xúc đất-cọc, σ’v (z), trong những dσ' 1 (z)

R

δ λ

λ

=+'(0)

v

σ : ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở đáy lớp đất đắp, độ sâu z = 0

λ = ∞ tương ứng với sự không có sự treo đất lên cọc và σ' v (z) = 0 (không

có ma sát âm lên cọc)

* Trường hợp đơn giản đối với đất đồng nhất, trọng lượng riêng đẩy nổi γ ' nằm

bên dưới một gia tải ∆σ '(z)

H h

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

* Trường hợp tổng quát λ ≠ 0 (m ≠ 0 )

σ’v (z) nhỏ hơn ' σ∋1(z ) 1 σ z , và nó sẽ đạt giá trị γ'.z tại độ sâu h1, bên dưới độ

sâu

này không có ma sát âm

- Nếu h1 < D, tổng lực ma sát âm cho đến độ sâu h1 là:

* Trong trường hợp tải trên mặt đất là tải phân bố kín đều khắp Δσ'(z) ≡ qo,

và sự treo đất lên cọc đạt cực đại trong lớp tải đắp σ’v (0) = σ’1 (0) các biểu thức

tính lực ma sát âm trở thành:

- Nếu h1 < D , tổng lực ma sát âm

2 . a

o msa

R K tg

q G

- Nếu đất nền rất ít lún, h2 rất bé so với h1 hay D, tổng lực ma sát âm được

phân tích theo h2 tương tự như h1

* Trong trường hợp đơn giản, chúng ta có thể ước tính với cực trị của ma sát

âm với giả thiết sự treo đất lên cọc đạt tối đa, ứng với λ=0 hay m=0, ta có:

e Chiều dày có ma sát âm h lớn nhất được ước lượng theo hai cách sau:

- Trong đất tương đối ít yếu: h = h2: là độ sâu có độ lún (chuyển vị đứng), cuối

cùng của đất có xét đến sự hiện diện của cọc, bằng 0.01B hay 0.02R (B cạnh cọc

vuông hay R là bán kính cọc tròn) Độ lún nền đất được tính theo phương pháp cố

kết thông thường không xét đến sự hiện diện của cọc

- Trong đất yếu có khả năng biến dạng lớn: h = h1: là độ sâu có ứng suất hữu hiệu

thẳng đứng có xét ảnh hưởng của đất đắp σ'v( ) z , cân bằng với ứng suất hữu hiệu

thẳng đứng do trọng lượng bản thân γ'z của đất ban đầu Điều kiện này chỉ có

nghĩa khi có xét đến ảnh hưởng treo của đất xung quanh cọc

f Ma sát âm trên nhóm cọc

Xem xét 1 nhóm cọc, tất cả các cọc không được tác động như nhau; ma sát âm của

cọc giữa thì không cao bằng cọc ngoài

Fn (∞) : ma sát âm cọc đơn

F n(b) : ma sát âm của 1 cọc trong nhóm cọc, xem xét với nhiều khoảng trục riêng

d & d’ trong 2 chiều

F n(b) : được tính bởi phương pháp đối với cọc đơn, hệ số μ được lấy trong đồ thị,

hệ số μ phụ thuộc vào λ , b và R

Hình 17 Biều đồ xác định giá trịμ μ để tính lực ma sát âm cho cọc đơn

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Giá trị b được cho bởi:

db

π

=

0.5'

d db

Ma sát âm Fn trên từng hàng cọc của nhóm cọc được cho bởi công thức, hệ sốα

&β phụ thuộc vào vị trí so với cọc

Trong một hàng duy nhất (hình 18a)

Trong một nhóm cọc (hình 18b)

I.6.4 Theo Braja M Das

Ma sát âm là hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh Hiện tượng

này xảy ra dưới các điều kiện sau:

• Nếu cọc đóng vào tầng đất có lớp sét nằm bên trên lớp cát (hình 19a), sự cố

kết của lớp sét do trọng lượng bản thân của lớp đất đã kéo cọc đi xuống do có

sự bám dính giữa cọc và đất, hiện tượng này xảy ra trong suốt quá trình cố

kết của lớp đất

• Nếu lớp cát nằm trên lớp đất sét (hình 19b), nó sẽ gây ra quá trình cố kết cho

lớp đất sét và như vậy sẽ gây ra lực kéo xuống trong cọc

• Hạ mực nước ngầm sẽ làm gia tăng ứng suất hữu hiệu thẳng đứng trong đất,

khi ứng suất hữu hiệu tăng gây ra quá trình lún trong đất sét Nếu cọc nằm

trong lớp đất này thì nó sẽ bị kéo xuống

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Trong một số trường hợp lực kéo xuống có thể lớn và là nguyên nhân phá họai

của móng Xét hiện tượng ma sát âm trong hai trường hợp sau:

Lớp đất đắp là đất sét nằm trên lớp đất rời (hình 19a)

Ứng suất cắt dọc thân cọc:

Trong đó:

K’ : Hệ số áp lực đất = Ko= 1− sinϕ

σv’ : Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở độ sâu z; σv’ =γf’x z

γf’ : Dung trọng của đất đắp (xét đẩy nổi nếu nằm dưới mực nước ngầm)

δ = (0.5 ÷ 0.7)ϕ : Góc ma sát giữa cọc và đất

p =πd : Chu vi cọc

Hf : Chiều cao lớp đất đắp

Tổng lực kéo xuống trong cọc là:

0

' '

2

Hf

f f f

Lớp đất đắp là đất rời (cát) nằm trên lớp đất sét (hình 96b)

Trong trường hợp này, ma sát âm trong cọc xuất hiện dọc theo thân cọc từ độ

sâu z = 0 đến z = L1 (tại L1 chính là điểm trung hòa của đất và cọc: ứng suất cắt

tại vị trí này sẽ bằng không)

Chiều sâu tại vị trí trục trung hòa:

1

2 2

γf’ ; γ’: Dung trọng của lớp đất đắp và của lớp đất sét bên dưới

Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở độ sâu z

' '

'

f f

Tổng lực kéo xuống trong cọc là:

' '

L

f f n

I.6.5 Theo quy phạm Việt Nam

Ma sát âm trong cọc xảy ra khi độ lún của đất nền lớn hơn chuyển dịch của

cọc tại độ sâu tương ứng

Theo TCXD 205:1998 Ma sát âm làm giảm khả năng chịu tải của cọc, nhất là

đối với cọc nhồi, do đó cần xem xét khả năng xuất hiện của nó khi tính toán sức

chịu tải của cọc trong các trường hợp sau:

- Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích hiện đại và trầm tích kiến tạo

- Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng của trọng lực

- Tăng ứng suất hữu hiệu trong đất do mực nước ngầm bị hạ thấp

- Tôn nền quy hoạch có chiều dày lớn hơn 1m

- Phụ tải trên nền kho lớn hơn 20 kPa

- Sự giảm thể tích của đất do chất hữu cơ trong đất bị phá hủy

Lực ma sát âm tác dụng lên cọc Pn được xác định theo công thức:

fni : Ma sát âm giới hạn tác dụng lên cọc tại lớp đất i trên phần thân cọc chịu ma sát

âm , KN/m² Giá trị tối đa của ma sát âm giới hạn: fn=F × σ’v

m : Số lớp đất gây ra ma sát âm

C : Chu vi cọc

F : Hệ số lấy bằng 0.3

σ’v: Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng

Chiều dài cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm lấy theo kết quả tính toán của Joseph E

Bowles Chiều dài cọc chịu ma sát âm lấy bằng: L1 = 0.71L

Lụựp: ẹKTXD2008 - Nhoựm 3 Ma saựt aõm

L : chieàu daứi coùc naốm trong ủaỏt yeỏu

I.6.6 Đối với cọc khoan nhồi

Ước tính sức kháng của cọc khoan trong đất dính phải dùng phương pháp

α (tổng ứng suất) Ma sát đơn vị bề mặt được tính theo công thức sau:

qs - lực ma sát âm đơn vị (MPa);

Su - Cường độ kháng cắt không thoát nước trung bình (MPa);

α - hệ số kết dính áp dụng cho Su; hệ số α có thể được giả định thay đổi với

giá trị cường độ kháng cắt không thoát nước Su như bảng 2 như sau:

Bảng 2 Giá trị α theo Su

< 0.20 0.20 – 0.30 0.30 – 0.40 0.40 – 0.50 0.50 – 0.60 0.60 – 0.70 0.70 – 0.80 0.80 – 0.90

> 0.90

0.55 0.49 0.42 0.38 0.35 0.33 0.32 0.31

Xử lý như đối với đá cuội

Ta có thể minh họa về tải trọng, độ lún và mặt phẳng trung hòa của cọc chịu

ma sát âm như hình vẽ sau:

Mũi cọc

Qp

Lún của mặt đất Lún đỉnh cọc

Nén đàn hồi của cọc

Chuyển vị mũi cọc

mặt phẳng trung hoà

Hình 20 Sơ đồ minh họa của tải trọng, độ lún

và mặt phẳng trung hòa của cọc chịu ma sát âm

Phía trên mặt phẳng trung hòa, tải trọng tác dụng lên cọc tăng dần do ma sát âm,

và tải trọng ma sát âm được cộng vào tĩnh tải Phía dưới mặt phẳng trung hòa, sức kháng

thành bên triệt tiêu được ma sát âm, sức kháng thành bên cộng với sức kháng mũi cọc

tạo nên khả năng chịu lực của cọc

Lực ma sát âm không cộng với tải trọng động mà chỉ cộng với tĩnh tải

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

I.7 Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế

Vài hình ảnh thực tế công trình hư hỏng do ma sát âm Sau đây là 1 công

trình xây dựng trên nền sét yếu Bankok, bị hư hỏng do hiện tượng ma sát âm

Hình 21a Công trình sử dụng móng cọc có độ dài khác nhau

Hình 21b Sau 1 thời gian, nền công trình bị lún khoảng 80cm

Hình 21c Cọc bị kéo xuống do lực kéo xuống

Hình 21d Theo thời gian, cọc bị kéo xuống do ma sát âm

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Hình 21e Cọc bị kéo xuống do ma sát âm

Sụt lún Công trình Sân vận động Long An do việc khai thác nước ngầm

của Nhà máy cấp nước Long An ở bên cạnh

Công trình Sân vận động Long an được xây dựng vào những năm 1985 với

kết cấu bê tông cốt thép Các khán đài lớn là B, C và D có 70 trục móng cột chịu

tải trọng chính, cọc móng co chiều dài 9,5m

Cạnh sân vận động là Nhà máy cấp nước Long An, khai thác nước ngầm ở

tầng sâu 300m, Hệ thống khai thác có 7 giếng mà giếng gần nhất là cách sân

vận động 500m Công suất khai thác là 8000m3/ngày đêm

Cấu tạo địa chất khu vực như sau:

• Lớp 1: Sét bột màu xám nâu đến xám trắng, độ dẻo cao trạng thái mềm, dày từ 0m-2,6m.Độ ẩm: W=43,2%, dung trọng tự nhiên:

Mực nước ngầm ổn định, tháng 3 hàng năm là -0,6m so với mặt đất hiện hữu

Những hình ảnh khảo sát tại thời điểm tháng 11/2007 cho thấy ảnh hưởng của

hệ khung chịu lực khán đài sân vận động do quá trình cố kết của đất nền bởi họat

động khai thác nước ngầm quá gần với công trình

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

Ch©n cét bÞ lĩn lµm háng kÕt cÊu

Cét bÞ r¨n nøt cã dÊu hiƯu lĩn