Thiết kế văn phòng cho thuê nguyễn thị minh khai quận 1 TP HCM

Trong phạm vi chuyên đề này em chỉ lưu ý đến vấn đề khi san lấp đất trên nền đất yếu đề đạt cao độ của công trình hay cao độ quy hoạch và giải pháp móng cọc BTCT cho các công trình trên

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.Võ Phán

Chương 10

ANH HUONG CUA MA SAT AM DEN

SUC CHIU TAI CUA COC

Ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói chung và TP.Hồ Chí Minh nói riêng việc xây dựng công trình nền đất tốt thì tất cả các tính toán, thiết kế móng cho công trình thì không cần quan tâm nhiều nhưng thực tế, đa phần các khu vực trên nằm trên nền đất yếu thì vẫn đề thiết kế móng cho công trình cân quan tâm và lưu ý đên rât nhiêu vân đê phát sinh

Hình 10.0 Phân bố đất ở TP.HCM và khu vực lân cận

Cụ thê trong bài luận văn của em thì công trình văn phòng cho thuê Nguyễn Thị Minh khai ở Quận

1 thuộc khu vực đất tốt, thuận cho việc xây dựng Nhưng nếu công trình này năm ở khu vực đất

yếu, không thuận lợi cho việc xây dựng như ở Quận 2 , Quận 4,Quận 7 , Nhà Bè thì khi thiết kế

móng cho công trình thì ta cần lưu ý những gì ? Mà một điều chắc chắn trong tương lai TP.HCM sẽ phát triển mở rộng ở các khu vực này Khi đó các khu đô thị mới ,khu dân cư mới, khu cụm công

nghiệp .sẽ được hình thành mà để xây dựng các công trình trên thi rất có thé ta cần phải san lắp

mặt bằng, hạ mực nước ngầm hay xây chen với công trình cũ .thì vấn đề gì cần quan tâm ở đây 9 Trong phạm vi chuyên đề này em chỉ lưu ý đến vấn đề khi san lấp đất trên nền đất yếu đề đạt cao

độ của công trình hay cao độ quy hoạch và giải pháp móng cọc BTCT cho các công trình trên thì rất có khả năng xây ra hiện tượng ma sát âm ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc.Hiện tượng này làm giảm sức chịu tải tức thời của cọc và làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc có thể gây mất ôn định cho công trình

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.Võ Phán

10 Tổng quan về hiện tượng ma sát âm

10.1 Hiện tượng ma sát âm là gì :

Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc đóng vào trong tầng đất nền có quá trình cố

kết chưa hoàn toàn thì tốc độ lún của đất nền dưới công trình nhanh hơn tốc độ lún của cọc theo

chiều đi xuống, sự lún tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc làm

giảm khả năng chịu tải của cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát

,N

SPC SEE ÔN EPR PE IIR IÊN OO II PRE LIE LE PAR ADE

"đất vệ kết chưa bhàn toàn Q Me ees Mũ EU :

Hình 10.4 ma sát âm khi lớp sét xốp cô kết do thoát nước hoặc có thêm lớp đất đắp mới

* Qua những hình minh họa trên ta có thấy ma sát âm có thể xuất hiện trong một phần đoạn của thân cọc hay toàn bộ thân cọc, nó phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưa có kết và tốc độ lún của đất

Lực ma sát âm này tỷ lệ với áp lực ngang của đất tác động lên cọc

s* Hiện tượng ma sát âm sẽ cham đứt khi độ lún của đất nền chấm đứt khi đó lực ma sát

âm chuyên thành lực ma sát đương

s* Lực ma sát âm không chỉ tác động lên mặt bên của cọc mà còn tác động lên mặt bên của đài cọc, hoặc mặt bên của mối cầu hay mặt tường chắn có tựa lên cọc

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.Võ Phán

s* Khi tác động các tải lên công trình sẽ gây độ lún của cọc và giảm độ dịch chuyển

tương đối giữa đất và cọc (đồng nghĩa 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

* Chúng ta thấy nếu ma sát âm tác dụng trên toàn thân cọc thì rất nguy hiểm vì sức chịu tải của cọc không những không kê đến sức chịu tải do ma sát hông của đất và cọc bị ma sát âm kéo xuống Lúc này:

+ Nếu mũi cọc căm vào lớp đất tốt thì sức chịu tải của cọc chủ yếu là sức chịu mũi

+ Nếu mũi cọc căm vào lớp yếu (cọc treo) thì cọc có thể bị kéo bị tuột đài móng 10.2 Nguyên nhân gây ra ma sát ầm

10.2.1 Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998:

Hiện tượng ma sát âm được xét đến trong các trường hợp sau:

s%* Sự có 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

Khi mực nước ngầm hạ thấp làm cho ứng suất có hiệu trong đất tăng, dẫn đến tăng

nhanh tốc độ có kết của nền đất

Nền công trình được đôn cao với chiều dày lớn hơn l m trên đất yếu

Phụ tải trên nền với tải trọng 2T/mÝ trở lên

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

10.2.2 Phân tích các nguyên nhân thường gặp và một số hình ảnh về hiện tượng ma sát âm 10.2.2.1Khi nền công trình được đôn cao :

Khi công trình được đôn cao gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xây ra hiện tượng cô kết cho lớp nền bên đưới hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cỗ kết Ta có thể xem xét cụ thê trong các trường hợp sau:

* Trường hợp I : Khi có một lớp đất sét đắp phía trên một tầng đất dạng hạt (Ji 70.5)mà cọc sẽ xuyên qua nó tầng đất sẽ có kết dần dần quá trình cố kết này sẽ sinh ra một lực

ma sát âm tác dụng vào cọc trong suôt quá trình cô kết

Lớp sét đặp

Nà

` Lếp cát ˆ

Hinh 10.5 ma sat dm co thé xuat hién khi cé1 tang lop sét đắp

%% Trường hợp 2 : khi cé mét tang dat dang hat , đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cỗ kết trong tầng đất sét và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc

Hình 10.6 ma sát âm có thể xuất hiện khi có lớp cát đắp

%% Trường hợp 3 : khi có một tầng đất dính đắp trên một tầng đất sét yếu , nó sẽ gây ra quá trình cỗ kết trong ca tang dat dap và tầng sét yếu tạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.Võ Phán

Hình 10.6 ma sát âm có thể xuất hiện khi có lớp sét đắpvà lớp sét yếu

Trong trường hợp các cọc tựa trên nền đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt, ta có thể xét các trường hợp như sau:

s* Trường hợp 4 : Với tầng cát lỏng sẽ có biến dạng lún tức thời , đặc biệt khi đất chịu sự rung động hoặc sự dao động của mực nước ngầm , Sự tác động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra biên dạng lún

* Trường hợp 5 : đối với tầng sét yếu khuynh hướng xảy ra biến dạng lún có thê rất nhỏ nêu như nêu như không chịu tác động của tải bê mặt

Tai trong bé mat Ta trong bé mat

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.Võ Phán

10.2.2.2 Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết:

Trong thực tế một tình huống thường gặp trong thiết kế cầu đường nơi mà lực ma sát âm có thê xây ra.Các cọc đã được thi công xong trong nền đất chưa kết thúc có kết, mỗ cầu đã được xây dựng

và nền đất đã được đắp.Độ lún của nền đất dọc thân cọc rất khó có thể để loại bỏ, vì vậy lực ma sát

âm thường xảy ra,thậm chí còn có khuynh hướng tạo ra chuyền vị ngang của mồ cầu nhưng sự dịch chuyên này có thể giảm bằng việc lựa chọn một giải pháp móng hợp lý

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 đưới bị lún còn lớp đất bên kia sông không bị lún do tải trọng ngoải nên cọc không ảnh hưởng ma sát âm Vì vậy một bên cọc chịu ma sát âm còn bên kia chịu ma sát dương

Phân đường vào câu

Đề hiểu hơn phần này ta xét ví đụ đơn giản sau:

Móng công trình đặt trên lớp đấp đắp như hình vẽ.Ban đầu mực nước ngầm tại mặt đất, xét điểm A

ở độ sâu 10m.ứng suất tại điểm A là 100 KN/m”.Khi mực nước ngầm hạ xuống 5 m thì ứng suất tại

điểm A sẽ là 150 KN/nỶ Ta thấy khi hạ mực nước ngầm thì ứng suất tại A sẽ tăng lên =>tốc độ

lún của lớp đất đắp tăng lên => tốc độ lún của đất xung quanh cọc vượt quá tốc độ lún của cọc dẫn đến xảy ra hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh cọc

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

Dẫn đến làm đây nhanh tốc độ lún cô kết của nền đất tốc độ lún của đất xung quanh cọc vượt quá

tc độ lún của cọc dẫn đến xảy ra hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh cọc

coc coc coc

Hình 10.11 Hiện tượng xuất hiện ma sát âm trên cọc công trình cũ do việc hạ MNN khi thi công

công trình mới bên cạnh

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.V6 Phan

10.2.2.4 Phụ tải của nền gần móng công trình (móng cọc):

Việc xây chen các công trình mới cạnh công trình cũ hay đặt phụ tải lên nên gan mong sé lam gia tăng độ lún của đât nên, từ đó có thê dân đên tạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc

2 Céng trinh mdi trén móng bè

eae | | | liệu

10.2.2.5 Dâng mực nước ngầm (nở):

Đối với đất trương nở mạnh :

+ Nếu đất đó chưa bảo hòa nước (mực nước ngầm thấp): thì nó có sức chịu tải lớn và Mođun biến dạng lớn => độ lún của đất nền ít nhưng khi MNN dâng cao thì làm cho đất đó bão hòa => dẫn

đến độ lớn của Mođun biến dạng và sức chịu tải giảm đáng kể ,kết quả làm cho tốc độ lún tăng

tốc độ lún nay co thé lớn hơn độ lún của cọc => có thể gây ra ma sát âm

10.3 Các yếu tố ảnh hướng đến hiện tượng ma sát âm

Trị số của lực ma sát âm phụ thuộc vào các yếu tố:

s%* Loại cọc, chiều dải cọc, phương pháp hạ cọc , mặt cắt ngang của cọc, bề mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền, sự co ngăn đàn hồi của cọc

* Đặc tính cơ lý của đất, chiều dày lớp đất yếu, tính chương nở của đất

$% Tải trọng chất tải (chiều cao đắp nền, phụ tải)

Thời gian chất tải cho đến khi xây dựng công trình

s%* Độ lún của nền đất sau khi đóng cọc, độ lún của móng cọc

Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc

Có

Trị số của ma sát âm có liên quan tới sự có kết của đất , phụ thuộc trực tiếp vào Ứng suất có hiệu của đất xung quanh cọc.Như vậy lực ma sát âm phát triển theo thời gian và có trị số lớn nhất khi kết thúc cô kết

10.4 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 đương 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, đo quá trình cố kết của lớp đất, đã gây nên khe hở giữa đài cọc lớp đất dưới đài, giữa

cọc và lớp đất xung quanh cọc, từ đó gây tăng thêm ứng lực phụ tác dụng lên móng cọc

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

Một vài cuộc thử nghiệm trong thực tế:

Năm 1972 Fellenius đã đo quá trình phát triển lực ma sát âm của 2 cọc bê tông cốt thép được

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

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.Võ Phán

sét mềm bị xáo trộn do đóng cọc đã tạo ra lực kéo xuống 300KN trong thời gian 6 tháng và 16 tháng sau khi đóng cọc thì mỗi cọc chịu lực kéo xuống là 440 KN

Johanessen va Bjerrum đã theo dõi sự phát triển hiện tượng ma sát âm trên cọc thép xuyên qua

lớp đất sét dày 53 m 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 1500 KN ở mũi cọc.Ứng suất ở mũi cọc ước tính đạt đến 190 KN/m và có khả năng xuyên thủng lớp đá

10.5 Các biện pháp làm giảm ảnh hưởng của ma sát âm

Từ các phân tích trên về sự hình thành và tác động của ma sát âm ta có thể sử dụng hai nhóm phương pháp xử lý sau:

% Nhóm 1: Làm giảm tối đa độ lún còn lại của đất nền trước khi thi công cọc, điều này

có thể thực hiện được bằng các biện pháp xử lý nên đất yếu như gia tải trước với các

biện pháp tăng nhanh quá trình cố kết thoát nước thẳng đứng như giếng cát, bấc

nhớt với sức chống cắt nhỏ khi tốc độ di chuyền thấp

Theo kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lớp phủ bitumen làm giảm ma sát âm trong cọc của Brons (1969), kết quá nghiên cứu cho thấy lực ma sát âm giảm khoảng 90% so với trường hợp ta dùng Theo kết quả nghiên cứu của Bjerrum (1969) đối với cọc dùng lớp phủ Bitumen và dùng bùn bentonite để bảo vệ khi hạ cọc thì lực kéo xuống giảm 92% Trong trường hợp cọc dùng bùn

bentonite để giữ ôn định thì lực kéo giám 15% ,như vậy lớp phủ bitumen có tác dụng làm giảm lực kéo là 75% Tuy nhiên, nếu không có bùn betonite khi hạ cọc thì tác dụng của bitumen chỉ 30% mà thôi ,do lớp phủ bitumen bị phá hỏng trong quá trình hạ cọc Do vậy chiều dày lớp phủ bitumen nên vào khoảng 4-5 mm để ngăn ngừa cho trường hợp bị xước khi hạ cọc

10.6 Sơ sở lý thuyết tính xác định sức chịu tải của cọc

10.6.1 Xác định sức chịu tải của cọc khi chưa xét ma sát âm :

Đã trình bày trong chương 6 phần thiết kế móng cọc BTCT

10.6.2 Xác định sức chịu tải của cọc khi xét đến ma sát âm

¢ GO phần này ta giới hạn thiết kế móng cọc BTCT 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 này ma sắt thành bên lại giảm 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

10.6.2.1 Xác định vùng ảnh hưởng của ma sát ầm :

Dựa vào tương quan giữa độ lún của đất nền xung quanh cọc và độ lún của cọc ta xác định được vị trí mặt phẳng trung hòa mà tại đó chuyển vị đứng của đất nền và của cọc bằng nhau.từ đó xác định chiều sâu vùng ảnh hưởng của ma sát âm Z„;

Trong trường hợp đơn giản , xem chuyển dịch của đất nền và chuyển dị của cọc là tuyến tính thi

có thể xác định chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm theo công thức sau:

H : chiều dày lớp đất yếu

Chiều dài đoạn cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm (L„ ) được tính theo công thức :

Lar = Zne - Zaiu coc (10-2)

Trong đó :

Z„: : chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm

Zđàu cọc : độ sâu đầu cọc

10.6.2 2 Sức chịu tải của cọc khi có xét đến ma sát âm

Trong do :

Q; „: : Thành phần ma sát thành bên ( ma sát âm hoặc dương)

Q; uy =A;f£=U Dd fi Zi

u: chu vi tiết diện cọc

f¡ : lực ma sát âm đơn vị (lấy dấu -) hoặc lực ma sát đương đơn vị (lây dẫu +) của lớp đất

thir i

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.Võ Phán

zi : bề dày lớp đất tht i

Q; : Thành phần sức kháng mũi Q›„ =A; qp

Ap : diện tích tiến diện ngang mũi cọc

qp : Sức kháng mũi don vi của cọc

10.6.2.3 Giá trị lực ma sát lớn nhất

Que =U Lug fs ne (10 - 4)

Trong đó :

L„ : chiều dài đoạn cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm (m)

f „r : Lực ma sát don vi trong đoạn cọc chịu ma sát âm (KN/m’)

A : Diện tích ngang của thân cọc

E : Mođun đàn hồi vật liệu làm cọc

L : Chiều dài cọc

¿: Hệ số phụ thuộc hình đạng phân bố lực ma sát f, giữa cọc và đất dọc thân cọc Néu f, phân bố đều hoặc đạng parabol theo chiều sâu : €:=0.5

Nếu f, phân bố tuyến tính theo chiều sâu : € := 0.67

Độ lún s;¿ do biên dạng nén của đât nên dưới mũi cọc được tính theo lý đàn hôi từ công thức

xD

A,xE,

Trong do :

Qap ‘Phan tai trong tác động lên mũi cọc hoặc sức chịu tải an toàn của đất đưới mũi cọc

Eo jo : Mô dun bién dang va hé số Poisson của đất nền đưới mũi cọc

øœ : Hệ số phụ thuộc hình dạng ngang mũi cọc trong phương pháp tính lún theo nền đàn hồi

Q;; : Phân tải tác động lên mặt bên cọc hoặc sức chịu tải an toàn của ma sát giữa đât

va COC

I; : hệ sô ảnh hưởng: 7, =2+0435,| 5 (Vesic ) (10-9) 10.6.2.3.5 Nhan xét:

1 That ra khi tinh strc chiu tai cua coc thì ta phải tính : Sức chiu tải theo vật liệu , Sức chịu tải

theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, sức chịu tải theo cường độ đất nền, sức chịu tải theo kết qua xuyên tĩnh (SPT), rồi chọn kết quả nhỏ nhất là sức chịu tải của cọc nhưng đối với trường

hợp này để đơn giản trong việc tính toán thì ta xem sức chịu tải của cọc là min của sức chịu tải theo cường độ đất nền và vật liệu.Điều này cũng khá hợp lý vì đối với tầng địa chất này

thì mực nước ngầm cao (gần mặt đất) thì sức chịu tải của cọc được chọn thường là theo

cường độ đất nền.Còn các hỗ sơ địa chất khác thì phải tính đầy đủ các chỉ tiêu rồi chon SCT Của cọc

2 Trong thực tế,vùng ảnh hưởng của ma sát âm và lực ma sát âm thay đổi theo thời gian do đất nền có kết theo thời gian.Tuy nhiên, để đơn giản tính toán, phương pháp ở trên chưa đề cập đến yếu tô thời gian nhưng phương pháp này thiên về an toàn do tính toán với độ lún ôn định của nền và lực ma sát âm trong trường hợp này là lớn nhất

3 Phương pháp trình bày ở trên chỉ đề cập việc xác định độ lún cọc đơn chưa xét đến nhóm

cọc nhằm đơn giản hóa tính toán mà mang tính khái quát hơn bởi vì khi tính toán thiết kế

móng cọc bao giờ cũng tính toán từ cọc đơn rồi sau đó mới tính theo nhóm cọc cho từng móng cụ thê

Chuong 10 Anh hưởng ma sát âm sức chịu tải của cọc GVHD: PGS.TS.Võ Phán

10.7 Ứng dụng tính toán cho công trình thực tế

10.7.1 Tính toán theo chuyên đề của đề tài :

Trong phạm vi chuyên đề của em, em chỉ nghiên cứu ảnh hướng của ma sát âm đến sức chịu tải của cọc do tác nhân là lớp đất đắp trên nền đất yếu của công trình Công trình được chọn năm ở Quận 7

có lớp đất yếu dày và thuộc chỗ trũng thấp có nhiều ao mương cần phải san lấp đôn lên với chiều cao lớn

10.7.2 Mô tả về công trình :

s Tên công trình : khu dân cư An Hữu

10.7.3 Đặt vẫn đề nghiên cứu tính toán :

Do khu dân cư được hình thành trên nền hiện trạng là đất vườn thấp và có nhiều kênh mương nên cần san lấp mặt băng với chiều cao lớn ( từ 1- 4m) , khu dân cư được xây dựng với nhiều hạng mục

có công năng và chiều cao tầng khác nhau ,đất nền khu vực xây dựng có lớp đất yếu đày (khoảng 30

m ) và giải pháp thường được chọn ở đây là móng cọc

Vì vậy, dé tong quát hóa cho khu vực có điều kiện xây dựng và mặt cắt địa chất công trình tương

tự, ta nghiên cứu tính toán với các yếu tô sau :

s* Chiều cao lớp đất đắp :Hđ =1;1.5;2;2.5;3;3.5;4

s* Chiều dài cọc : Lsạc = 40m; 42 m; 44 m; 46 m,

s* Tiết diện cọc : 25cm x25cm ; 30cm x 30cm ; 35cm x 35cm ; 40cmx 40cm