Phân tích sự thay đổi tải trọng gây ra ma sát âm ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu

.Mục tiêu của đề tài này là phân tích sự thay đổi tải trọng tác dụng gây ra ma sát âm ảnh hưởng sức chịu tải của cọc trong đất yếu.. 40 Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÔ LÊ HƯƠNG

PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI TẢI TRỌNG GÂY RA MA SÁT ÂM ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG ĐẮT YẾU

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng

Mã số: 60.58.02.11

LUẬN VÀN THẠC SĨ

TP.HCM, tháng 12 năm 2016

CỘNG HÒA XÊ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp.HCM, ngăy thâng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ vă tín học viín: TÔ LÍ HƯƠNG MSHV: 1570160 Ngăy, thâng, năm sinh: 06/08/1992 Nơi sinh: TP.HCM Chuyín ngănh: ĐỊA KỸ THUẬT XĐY DỰNG Mê số: 60.58.02.11

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương phâp xâc định vị trí mặt phẳng trung hòa vă tính sức chịu tải cọc có xĩt đến ma sât đm

Chương 3: Phđn tích sự thay đổi tải trọng tâc dụng gđy ra ma sât đm ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu

Chương 4: Mô phỏng băi toân sự thay đổi tải trọng tâc dụng gđy ra ma sât đm cho cọc trong đất yếu

Kết luận vă kiến nghị

III NGĂY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016

IV NGĂY HOĂN THĂNH NHIỆM VỤ: 05/12/2016

V CÂN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS VÕ PHÂN Nội dung vă đề cương Luận văn Thạc sĩ đê được Hội Đồng Chuyín Ngănh thông qua

PGS.TS VÕ PHÂN PGS.TS LÍ BÂ VINH PGS.TS NGUYỄN MINH TĐM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÂCH KHOA

CÂN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM

BỘ MÔN ĐẰ TẠO

TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XĐY DỰNG

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM

2 PGS.TS Chu Công Minh

3 GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ

4 TS Lê Trọng Nghĩa

5 TS Phan Tá Lệ

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và

Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG TRƯỞNG KHOA KTXD

PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÁNH PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

(Chủ tịch Hội đồng) (Thư ký Hội đồng) (Phản biện 1) (Phản biện 2) (Uỷ viên)

LỜI CẢM ƠN

Với sự ủng hộ và giúp đỡ của gia đình, thầy cô, bạn bè, tôi đã hoàn thành chương trình học Cao học khóa 2015 và thực hiện Luận văn tốt nghiệp Để có được thành quả này, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

- Thầy hướng dẫn PGS.TS.VÕ Phán đã tận tâm chỉ dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn Những hướng dẫn của thầy là nguồn kiến thức, kinh nghiêm quý báu giúp tôi có thêm nền tảng cho việc học tập

và công tác sau này

- Quý Thầy, Cô trong Bộ môn Địa Cơ - Nền Móng cũng như các Thầy, Cô trong phòng Đào tạo Sau Đại học đã tạo nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt khóa học Cao học

- Các anh, chị học viên cao học Địa kỹ thuật xây dựng khóa 2013, 2014, các bạn học viên lớp Cao học Địa Kỹ Thuật Xây Dựng khóa 2015 đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập

- Gia đình, bạn bè đã hỗ trợ cũng như khích lệ tinh thần trong quá trình tôi học tập

và thực hiện Luận văn tốt nghiệp

Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, luận văn được hoàn thành nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè

và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Học viên

Tô Lê Hương

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ma sát âm là hiện tượng lớp đất yếu xung quanh thân cọc lún nhanh hơn tốc độ lún của cọc, từ đó sinh thêm lực kéo xuống, làm ảnh hưởng khả năng chịu tải của cọc Có nhiều nguyên nhân gây ra ma sát âm ửong cọc như: bản thân đất quanh cọc chưa kết thúc cố kết, nâng hạ mực nước ngầm,v v Mục tiêu của đề tài này là phân tích sự thay đổi tải trọng tác dụng gây ra ma sát âm ảnh hưởng sức chịu tải của cọc trong đất yếu Tính toán sức chịu tải của cọc theo TCVN 10304-2014 và đánh giá sự thay đổi sức chịu tải khi xảy ra ma sát âm

do thay đổi chiều cao lớp đất đắp

Bên cạnh đó, đề tài cũng mô phỏng bài toán khảo sát ảnh hưởng ma sát âm do thay đổi tải trọng đất đắp bằng phần mềm Plaxis 2D v8.5, kết hợp với kết quả tính toán theo phương pháp thống nhất của Fellenius Qua đó đánh giá sự thay đổi chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm (độ sâu mặt phẳng trung hòa) của cọc trong đất yếu Độ lún của đất nền và của cọc cũng được xem xét đến trong kết quả tính toán của Plaxis 2D

ABSTRACT

As a result of fill placement, lowering phreatic level, etc , the soils surrounding the pile

in soft ground settles more than the pile, in that case, negative skin friction occurs The aim

of this thesis is to analyzing negative skin friction effect on capacity of single pile due to changing of surface load Capacity of single pile is based on Vietnamese Standard TCVN 10304-2014, and evaluate the capacity when changing height of the embankment

Besides, this thesis also uses Plaxis 2D software for analyzing the effect of negative skin friction due to surface load to single pile, compare with the result from Unified Method of Fellenius to evaluate depth of neutral plane of pile in soft soil The settlement of pile, settlement of ground also concern in result of Plaxis 2D

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS.Võ Phán

Nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được

sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác Những số liệu, nhận xét, đánh giá của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

Tô Lê Hương

Trang i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH V DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VÈ MA SÁT ÂM 3

1.1 Hiện tượng ma sát âm 3

1.1.1 Định nghĩa ma sát âm 3

1.1.2 Một số thuật ngữ liên quan đến ma sát âm 4

1.2 Ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu 5

1.2.1 Ảnh hưởng của ma sát âm do thay đổi tải trọng tác dụng lên cọc 5

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm 8

1.3 Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài 8

1.3.1 Nghiên cứu trên thế giới 8

1.3.2 Nghiên cứu trong nước 11

1.4 Kết luận chưomg 1 14

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA VÀ TÍNH SỨC CHỊU TẢI CỌC CÓ XÉT ĐẾN MA SÁT ÂM 15

2.1 Lý thuyết tưomg tác lực giữa cọc và đất theo B Fellenius 15

2.1.1 Sức kháng ma sát thành 16

2.1.2 Sức kháng mũi 18

2.1.3 Sức chịu tải tới hạn 19

2.2 Phương pháp Thống Nhất (Unified Method) tính toán xác định sức chịu tải của cọc 21

46

Trang ii

2.3 Nguyên tắc chính xác định khả năng chịu tải của cọc 25

2.4 Tính toán sức chịu tải của cọc theo TCVN 10304:2014 25

2.4.1 Sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền 25

2.4.2 Sức chịu tải theo chỉ tiêu cường độ đất nền 26

2.4.3 Sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêuchuẩn SPT 27

2.5 Tính toán sức chịu tải của cọc khi xét đến hiện tượng ma sát âm 28

2.5.1 Xác định độ lún ổn định của nền - s 28

2.5.2 Xác định độ lún của cọc đơn - Sđ 30

2.5.3 Xác định chiều dài đoạn cọc bị ảnh hưởng bởi ma sát âm, ZL 31

2.5.4 Xác định sức chịu tải của cọc có kể đến ma sát âm 32

2.6 Phần mềm PLAXIS 2D và các mô hình đất 32

2.7 Kết luận chương 2 40

Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG GÂY RA MA SÁT ÂM ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG ĐẤT YẾU 41

3.1 Thông số địa chất và yều cầu bài toán 41

3.2 Yêu cầu bài toán 43

3.3 Tính toán sức chịu tải của cọc khi chưa xét đến ma sát âm (TCVN 10304- 2014) 45

3.3.1 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (Mục 7.2.2.1) 45

3.3.2 Sức chịu tải theo chỉ tiêu cường độ của đất nền (Phụ lục G, Mục G.2)

3.3.3 Sức chịu tải thiết kế của cọc: 46

3.4 Tính toán sức chịu tải khi có xét đến ma sát âm 47

3.5 Phương pháp thống nhất - Unified Method (B.H.Fellenius) 48

3.6 Phân tích kết quả tính toán theo TCVN 10304-2014 và Unified Method 51

3.7 Kết luận chương 3 53

Chương 4 MÔ PHỎNG BÀI TOÁN SỰ THAY ĐỔI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG GÂY RA MA SÁT ÂM CHO CỌC TRONG ĐẤT YẾU 54

Trang iii

4.1 Mô hình bài toán và thông số đầu vào 54

4.2 Kết quả mô phỏng bằng Plaxis 58

4.2.1 Độ lún cọc 58

4.2.2 Độ lún đất nền 59

4.2.3 Vị trí mặt phang trung hòa 61

4.3 Kết luận chương 4 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

I Kết luận 65

II Kiến nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC LUẬN VĂN 71

Trang iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Giá trị hệ số p của một số loại đất 16

Bảng 2.2 Gía trị hệ số Nt của một số loại đất 19

Bảng 2.3 Các thông số đầu vào của mô hình Mohr Coulomb 33

Bảng 2.4 Bảng tra hệ số Rinter 39

Bảng 2.5 Bảng tra hệ số Poisson 39

Bảng 3.1 Cấu tạo địa tầng ví dụ tính toán 41

Bảng 3.2 Đặc trưng cơ lý của các lớp đất 43

Bảng 3.3 Kết quả tính toán theo pp thống nhất 48

Bảng 3.4 Kết quả tính sức chịu tải cọc theo TCVN 10304-2014 với các chiều cao đất đắp khác nhau (không xét ma sát âm) 51

Bảng 3.5 Kết quả tính sức chịu tải cọc theo TCVN 10304-2014 với các chiều cao đất đắp khác nhau (có xét ma sát âm) 51

Bảng 3.6 So sánh sức chịu tải cọc theo Fellenius và TCVN 10304-2014 52

Bảng 4.1 Bảng số liệu tính toán Plaxis của các lớp đất 55

Bảng 4.2 Độ lún cọc theo giai đoạn tính toán 59

Bảng 4.3 Tổng hợp kết quả độ lún đất nền khi mô phỏng bằng Plaxis 2D 59

Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả độ sâu vùng ma sát âm khi mô phỏng bằng Plaxis 62

Bảng 4.5 Ket quả tính vùng ảnh hưởng ma sát âm ZL theo 3 phương pháp 63

Bảng 4.6 So sánh chênh lệch vùng ảnh hưởng ma sát âm ZL theo các phương pháp tính 63

Trang X

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền 5 Hình 1.2 Các trường hợp xuất hiện ma sát âm khi cọc tựa trên nền đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt ố Hình 1.3 Ma sát âm xuất hiện trong cọc do nâng chiều cao đắp nền 7 Hình 1.4 Ma sát âm xuất hiện trên thân cọc do chất tải nặng trên nền kho chứa 8 Hình 1.5 Biểu đồ phân bố (a) lực kéo xuống và (b) ứng suất cắt với trường hợp mô phỏng đơn giản cho cọc đơn 9 Hình 1.6 Phân bố lực kéo xuống dọc theo thân cọc đơn với nhiều trường hợp tải trọng

bề mặt khác nhau 10 Hình 1.7 Độ lún của cọc và của đất quanh cọc cho trường hợp tải bề mặt là (a) 5kPa và(b) lOkPa 10 Hình 1.8 Hư hỏng của móng cọc do ma sát âm tại Bà Rịa - Vũng Tàu 13 Hình 2.1 Giá trị hệ số p thay đổi theo độ dài ngàm cọc trong cát (theo số liệu của Rollins và đồng nghiệp (2005) và so sánh với CFEM (1992), Gregersen và đồnng nghệp (1973), HongKong Geo (2006)) 17 Hình 2.2 Sức kháng ma sát thành đơn vị cho trường hợp cọc khoan nhồi đường kính 1,8m, thi công trong đất sét pha cát lẫn bột (silty sandy clay) và đất cát pha sét (clayey sand) 18 Hình 2.3 Đường cong phân bố tải và sức kháng theo độ sâu 20 Hình 2.4 Đường cong phân bố lực và sức kháng, biểu đồ chuyển vị 22 Hình 2.5 Vị trí mặt phang trung hòa phụ thuộc vào đường cong phân bố lực và các trường hợp phân bố chuyển vị khác nhau (I và n) 23 Hình 2.6 Vị trí mặt phang trung hòa và cách xác định lực dọc cho phép 24 Hình 2.7 Các giai đoạn lún của đất nền theo thời gian 29

Trang vi

Hình 2.8 Sơ đồ tính lún theo phương pháp tổng phân tố 29

Hình 2.9 Gía trị f theo biểu đồ phân bố ma sát trên thân cọc 31

Hình 2.10 Hệ trục tổng quát và quy ước chiều và dấu của ứng suất trong Plaxis 32

Hình 2.11 Mặt dẻo của mô hình Mohr - Coulomb 33

Hình 2.12 Mô hình mặt dẻo Mohr-Coulomb với không gian ứng suất chính 34

Hình 2.13 Mặt dẻo trong mô hình Hardening Soil 35

Hình 2.14 Quan hệ ứng suất biến dạng theo đường Hyperbol 36

Hình 3.1 Sơ đồ bài toán 44

Hình 3.2 Vị trí mặt phẳng trung hòa và lực dọc lớn nhất tại vị trí mặt phẳng trung hòa theo Phương pháp Thống nhất (Fellenius) (H=1.7m) 49

Hình 3.3 Vị trí mặt phẳng trung hòa và lực dọc lớn nhất tại vị trí mặt phẳng trung hòa theo Phương pháp Thống nhất (Fellenius) (H=2.0m) 49

Hình 3.4 Vị trí mặt phẳng trung hòa và lực dọc lớn nhất tại vị trí mặt phẳng trung hòa theo Phương pháp Thống nhất (Fellenius) (H=2.5m) 50

Hình 3.5 Vị trí mặt phẳng trung hòa và lực dọc lớn nhất tại vị trí mặt phẳng trung hòa theo Phương pháp Thống nhất (Fellenius) (H=3.0m) 50

Hình 3.6 So sánh sức chịu tải cọc có và không xét ảnh hưởng ma sát âm (tính theo TCVN 10304-2014) 51

Hình 3.7 Biểu đồ so sánh sức chịu tải của cọc (không xét ma sát âm) tính theo Fellenius và TCVN 10304-2014 52

Hình 4.1 Mô hình bài toán trong Plaxis 2D 54

Hình 4.2 Trình tự mô phỏng quy trình thi công trong Plaxis 2D 56

Hình 4.3 Độ lún đất nền sau khi chất tải đất đắp 56

Hình 4.4 Độ lún đất nền sau khi cố kết 1 năm 56

Hình 4.5 Độ lún cọc (a) và độ lún đất nền (b) sau khi chất tải đầu cọc lOOOkN 57

Hình 4.6 Lực ma sát dọc thân cọc ở các giai đoạn 5,6,và 7 57 Hình 4.7 Kết quả mô phỏng Plaxis độ lún cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm do tải đất

Trang vii

đắp H =1.7m 58

Hình 4.8 Kết quả mô phỏng Plaxis độ lún đất nền chịu ảnh hưởng ma sát âm do tải

đất đắp, H =1.7m 58

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng Plaxis độ lún đất nền khi xét ảnh hưởng ma sát âm do

thay đổi chiều cao đất đắp 60

Hình 4.10 Phân bố lực ma sát của đất của đất dọc thân cọc (Chiều cao tải đắp H =

3.0m) 61

Hình 4.11 Phân bố độ sâu điểm trung hòa trên cọc khi thay đổi chiều cao tải đắp .61

Hình 4.12 Độ sâu mặt phẳng trung hòa theo chiều cao đất đắp 63

Trang viii

Ký hiệu

DANH MUC KÝ HIẼU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

« •

As m 2 Diện tích xung quanh của đoạn cọc

Ec kN/m 2 Module đàn hồi của bản thân cọc

Ns,i - Chỉ số SPT trung bình của lớp đất rời thứ “i”

Qp kN Sức kháng mũi tại tải trọng thiết kế

Qs kN Sức kháng ma sát bên tại tải trọng thiết kế

Cường độ sức kháng trung bình của lớp đất thứ

“i” trên thân cọc

li m Chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ “i”

Qap kN/m 2 Sức kháng mũi đon vị tại tải họng làm việc

Qb’ Qp kN/m 2 Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc

Là hệ số điều chỉnh cho cọc đóng, phụ thuộc

a P - vào tỷ lệ giữa sức kháng cắt không thoát nước

của đất dính c u và ứng suất hữu hiệu,

Yc - Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất

8i Độ/rad i, thông thường đối với cọc bê tông, lấy bằng

với góc ma sát trong của đất (pi

ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân đất

ÙL m Biến dạng đàn hồi của bản thân cọc

D m Độ dài cọc nằm trong đất (Công thức 2.3, 2.4)

Đường kính (cọc tròn) hoặc cạnh cọc (cọc vuông)

Hệ số poisson và module của đất dưới mũi cọc

Hệ số phụ thuộc vào dạng biểu đồ phân bố ma sát trên thân cọc

Hệ số phụ thuộc vào hình dáng cọc, cọc tròn

(ứ

(ứ = 0,79, cọc vuông (ứ = 0,88

Ma sát âm đã được thế giới quan tâm từ rất sớm, đã có nhiều công trình nghiên cứu, tính toán nói về hiện tượng này Ỏ Việt Nam, hiện tượng ma sát âm vẫn còn khá mới

mẻ, chưa được đề cập nhiều trong tài liệu chuyên môn và quy chuẩn tính toán Luận văn này thực hiện với mong muốn làm phong phú thêm nguồn tư liệu trong nước về hiện tượng ma sát âm, giúp cho những người nghiên cứu sau có thể bổ sung, hoàn thiện về tính toán, khắc phục hiện tượng ma sát âm cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu

ở Việt Nam nói chung và khu vực ĐBSCL nói riêng

1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Khảo sát ảnh hưởng của ma sát âm với sức chịu tải của cọc trong đất yếu khi thay đổi chiều cao tải đắp

- Khảo sát sự phân bố vị trí mặt phẳng trung hòa trong cọc khi chịu ảnh hưởng hiện tượng ma sát âm theo ba phương pháp tính: theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), theo Phương pháp Thống nhất của Fellenius và mô phỏng bằng Plaxis

Trang

2

- Đánh giá sơ bộ kết quả tính lún giữa TCVN và mô phỏng bằng Plaxis

2 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

- Phương pháp lỷ thuyết: Tìm hiểu phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc có

và không có ảnh hưởng ma sát âm Tìm hiểu cách xác định đường phân bố lực

kéo xuống trong cọc (dragload) và vị trí mặt phẳng trung hòa (neutral plane) khi

xảy ra hiện tượng ma sát âm trong cọc

- Phương pháp mô phỏng: ứng dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng ảnh hưởng

hiện tượng ma sát âm do sự thay đổi tải trọng tác dụng đối với cọc trong đất yếu Thông qua kết quả mô phỏng, xác định độ sâu mặt phẳng trung hòa trong cọc

3 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Ỷ nghĩa khoa học của đề tài: Phân tích sự thay đổi lực ma sát dọc thân cọc và sự

thay đổi vị trí mặt phang trung hòa khi thay đổi tải trọng tác dụng Qua đó, làm rõ ảnh hưởng của ma sát âm do sự thay đổi tải trọng tác dụng đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu

Tính thực tiễn của đề tài:

- Phân tích ảnh hưởng của ma sát âm đối với sức chịu tải của cọc trong đất yếu

- Xác định chiều sâu ảnh hưởng của ma sát âm khi thay đổi tải trọng tác dụng đối với cọc trong đất yếu

4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Ảnh hưởng của ma sát âm đối với cọc đơn, thi công bằng phương pháp ép Kiểm chứng kết quả tính toán giải tích bằng mô phỏng phần tử hữu hạn Plaxis

Trang

3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT ÂM

1.1 Hiện tượng ma sát âm

âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm [1],

Trong TCXD 205:1998 [2], mục 1.4, định nghĩa về Lực ma sát âm như sau: “Lực

ma sát âm: là giá trị lực đo đất tác dụng lên thân cọc có chiều cùng với chiều tải trọng của công trình tác dụng lên cọc khỉ chuyển dịch của đất xung quanh cọc lớn hơn chuyển dịch của cọc.”

Đối với TCVN 10304 - 2014 [3], mục 3.2, định nghĩa này được nêu ngắn gọn

hơn: “Lực ma sát âm (Negative skin friction): Lực xuất hiện trên bề mặt thân cọc khỉ độ

lún của đất xung quanh cọc lớn hơn độ lún của cọc và hướng xuống dưới.”

Ma sát âm hên cọc là yếu tố không thể bỏ qua khi thiết kế móng cọc trong khu vực mới san nền trên đất yếu và trong vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm Ma sát âm biến động theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ cố kết của đất và tốc

độ lún của cọc

Khi cọc được đóng trong nền đất tốt đã cố kết xong, tải ttọng hướng xuống tác dụng vào móng cọc sẽ hình thành trong đất lực để cân bằng lại với tải ttọng này là ma sát bên thân cọc theo chiều hướng lên (trong trường hợp cọc tteo) và có thêm sức kháng mũi cọc (nếu trường hợp cọc chống ttong nền đất cứng) Ma sát bên thân cọc trong trường hợp này gọi là ma sát dương

Trường hợp cọc được xây dựng ttong khu vực đất yếu hoặc có tải đắp là đất yếu chưa cố kết xong: Lúc này, các lớp đất yếu do ttọng lượng bản thân sẽ dần dần cố kết lại, dẫn đến chuyển động lún xuống của đất và hình thành lực ma sát bên thân cọc theo chiều hướng đi xuống, cùng chiều tải trọng tác dụng lên cọc Lực ma sát như vậy gọi là

Như vậy, qua những trường hợp ưên có thể thấy ma sát âm xuất hiện trong một phần đoạn thân cọc hoặc toàn bộ thân cọc, điều này phụ thuộc vào chiều dày của lớp đât yếu chưa cố kêt Trong trường hợp ma sát âm tác dụng lên toàn bộ thân cọc thì rất nguy hiểm, sức chịu tải của cọc lúc này không kể đến ma sát hông cọc mà chủ yếu phụ thuộc sức chịu tải của mũi cọc, chống lên nền đất cứng, nền đá

1.1.2 Một số thuật ngữ liên quan đến ma sát âm

Theo Fellenius, các thuật ngữ trong nghiên cứu ma sát âm như sau:

- Hiện tượng ma sát âm (negative skin friction); là lực ma sát bên thân cọc được

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

- Lực kéo xuống (dragload); là lực nén dọc trục gây ra ttong 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

- Biến dạng kéo xuống (downdrag); là sự dịch chuyển theo hướng đi xuống của

cọc do hiện tương ma sát âm gây ra và được thể hiện qua độ lún

- Mặt phang trung hòa (Neutral plane) : là vị trí dọc theo cọc mà tại đó các lực tác

dụng theo chiều hướng đi xuống như tĩnh tải lên cọc và lực kéo xuống do ma sát

âm sẽ cân bằng với lực hướng lên là ma sát dương và sự huy động sức kháng mũi cọc Mặt phẳng trung hòa cũng là vị trí có dịch chuyển tương đối giữa cọc và đất bằng 0

1.2 Ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu

Theo [1], cố thể kể một số nguyên nhân thường gặp gâỵ ra lực ma sát âm:

Trang

5

- Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền, chất thêm phụ tải;

- Ma sát âm do cọc đống trên nền chưa kết thức cố kết;

- Mực nước ngầm bị hạ thấp;

- Phụ tải của nền gần mống

Trong phạm vi luận văn, tác già chỉ tành bày về nguyên nhân gây ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền, chất thêm phụ tải

1.2.1 Ảnh hưởng của ma sát âm do thay đểi tải trọng tác dụng lên cọc

Quá trình xuất hiện ma sát âm được đặc trưng bởi độ lun của đất gần cọc và tốc

độ lún tương úng của đất lớn hơn độ lún và tốc độ lún của cọc xảy ra do tác động của tải trọng Trong trường hợp này đất gần cọc như buông khỏi cọc , còn tải trọng thêm sẽ cộng vào tải ưọng ngoài tác dụng lên cọc Thông thường hiện tượng này xảy ra trong trường hợp cọc xuyên qua đất có tính cố kết và độ dày lớn; khi có phụ tải tác dụng trên mặt đất quanh cọc

a) Khi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất bên dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới, hoặc chính do tải trọng bản thân làm cho lớp đất nền đắp xảy ra quá trình tự cố kết Ta xét các trường hợp cụ thể sau:

Trang

6

Khi có một tầng đất dạng hạt, đắp phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây

ra quá trình cố kết trong tầng sét yếu và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc

Với tầng cát lỏng cố biến dạng lún tức thời, đặc biệt khỉ đất nền chịu

sụ rung động hoặc sụ giao động của mực nước ngầm; sự tác động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra sụ biến dạng lun

Trang

7

sét sẽ xảy ra dưới tác dụng của tải trọng bản thân của nền sét

♦♦♦ Trường hợp 6: Hình 1.2c

Điều hiền nhiên là gần như bất kỳ sụ đắp nào sẽ tạo ra biến dạng lứn theo thời gian

dưới tác dụng của trọng lực Đối với công tành sử dụng mống cọc trong nền đất yếu,

việc nâng chiều cao đắp nền quá cao sau khi thi công cọc, hoặc chất tải quá nhiều trên

sàn công tành trong quá trình sử dụng sẽ dễ khiến hiện tượng ma sát âm xảy ra trong

cọc

Hình 1.3 Ma sát âm xuất hiện trong cọc do nâng chiều cao đắp nền

Trang

8

Khi chất hàng hóa, thiết bị nặng lâu ngày ở các nhà kho nằm trên nền đất yếu (Hỉnh 1.4) thì rất có thể gây ra hiện tượng ma sảt âm tác động lên cọc, từ đỏ làm giảm sức chịu tải tức thời của cọc gây lún lệch cho công trình

Hình 1.4 Ma sát âm xuất hiện trên thân cọc do chất tải nặng trên nền kho chứa

1.2.2 Các yếu tề ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm

Ma sát âm là một hiện tượng phức tạp và 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 đần hồi của cọc

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

- Tải trọng chất tải (chiều cao dấp nền, phụ tải)

- Thời gian chất tải cho đến khỉ xây dựng công trình

- Độ lún của nền sau khỉ đỏng cọc, độ lún của mống cọc

- Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc

1.3 Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài

1.3.1 Nghiên cứu trên thế giới

Do tính chất quan trọng và mức độ nguy hiểm của ma sát âm gây ra nên hiện tượng này đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và đưa ra các phương

Trang

9

pháp tính toán từ rất sớm như: Terzaghi và Peck (1948), Endo et al (1969), Bjerrum et

al (1969), H.G.Poulos và E.H.Davis (1972), Fellenius, Tomlinson., và hiện vẫn còn nhiều nghiên cứu khác

Việc ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích ảnh hưởng hiện tượng ma sát âm đối vớỉ cọc cũng được thực hiện ở một số nghiên cứu

Trong một nghiên cứu sau nàỵ của Comodromos và Bareka [4] sử dụng cùng sổ liệu của Lee [5] để mô phỏng lại bằng phần mềm FLAC 3D cũng thu được kết quả có quy luật phân bố gần tương đồng, xét với trường hợp mô phỏng đơn giản cho cọc đơn (chỉ có một lớp đất yếu) (xemHỉnh 1.5)

Hình 1.5 Biểu đồ phân bổ (a) lực kéo xuống và (b) ứng suất cắt

với trường hợp mô phỏng đon giản cho cọc đon

Khi xét trường hợp cọc đơn xuyên qua nhiều lớp đất khác nhau, bằng việc thay đổi tải bề mặt khác nhau và sử dụng phần mềm mô phỏng FLAC 3D, Comodromos thu được một số kết quả như sau:

cho trường hợp tải bề mặt là (a) 5kPa và (b)

lOkPa

Trang

11

Như vậy, chỉ cần một tải bề mặt nhỏ khoảng lOkPa thì lực kéo xuống đã đạt giá trị là 1.56 MN Nó đạt giá trị lớn nhất là 3.7 MN khi tải tăng thêm lên đến lOOkPa Lúc này sự xuất hiện quy luật phân bố lực kéo xuống trên thân cọc cũng giống như quy luật thu được từ trường hợp cọc chống (Hình 1.6) Từ Hình 1.7a có thể thấy vị trí mặt phang trung hòa nằm xấp xỉ ở độ sâu 30m mặc dù tải gia tăng chỉ ở mức nhỏ là 5kPa Điều này

có thể do cọc được làm từ vật liệu rất cứng trong khi đất xung quanh lại có tính nén lún

từ trung bình đến cao Độ sâu của mặt phẳng trung hòa dần dần tăng lên theo sự tăng của tải bề mặt, và cũng thể hiện quy luật gần như cọc chịu mũi (độ sâu mặt phẳng trung hòa

ở độ sâu 40m) khi tải bề mặt là lOOkPa (Hình 1,7b)

1.3.2 Nghiền cứu trong nước

Ở Việt Nam [6], hiện tượng ma sát âm trên cọc có thể là nguyên nhân chính dẫn đến sự cố nền móng của một số công trình xây dựng như:

- Nhà của khoa vật lý thuộc trường Đại học sư phạm Hà Nội sử dụng cọc đóng tiết diện 30 x30 cm Do ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm xung quanh khu vực nhà máy nước Mai Dịch, móng của công trình

đã bị lún làm hư hỏng kết cấu bên trên

- Một số chung cư và công trình công cộng tại khu vực Ngọc Khánh, Thành Công và lân cận: Đây là các khối nhà xây dựng trên móng nông Nên đất khu vực này rất yếu, toàn bộ khu vực bị lún do tải trọng của đất san nền

và do hạ mực nước ngầm gây ra Sau khi đưavào sử dụng, nhiều nhà đã

bị lún và hư hỏng nên đã được đầu tư chống lún bằng móng cọc Tại một

số nhà công tác chống lún đã phát huy hiệu quả, tuy vậy tại một vài nhà khác độ lún sau khi đã gia cường móng bằng cọc có thể do ma sát âm chưa được xét đến đầy đủ khi tính toán tải trọng tác dụng lên cọc

- Một nhà máy tại khu công nghiệp Đình Vũ, Hải Phòng: công trình được xây dựng ở khu vực mới san lấp ttên nền đất yếu với bề dày lớn Cọc móng với chiều dài khác nhau được sử dụng cho các hạng mục của công trình Đối với kết cấu chính của nhà, cọc được đóng tựa vào đá trong khi các cọc thuộc hệ thống dây chuyền công nghệ ngắn hơn nên chỉ tựa vào lớp sét cứng nằm dưới lớp bùn sét Trước khi thi công đại trà người ta đã

Trang

12

tiến hành đóng cọc thử và nén tĩnh, kết qua thí nghiệm cho thấy tất cả các cọc thí nghiêm có sức chịu tải đạt yêu cầu với hệ số an toàn FS =2 Sau khi thi công móng và bắt đầu lắp đặt thiết bị đã phát hiện móng thuộc hệ thống dây chuyền công nghệ bị lún trên 10 cm và độ lún vẫn tiếp tục phát triển Nguyên nhân gây lún móng cọc được xác định là do ma sát âm chưa được xét đến khi tính toán tải trọng lên cọc

Sự cố cục bộ xảy ra ở 1 cây cọc trong móng công trình ở Bà Rịa - Vũng Tàu: Theo thiết kế, các cọc của công trình có tiết diện 40x40 cm dài 32m được đóng qua lớp cát san nền dày 3-4m và lớp đất yếu dày 1 l-12m và tựa vào lớp cát hạt trung ở phía dưới Trong thiết kế cọc đã xét đến tải trọng phụ thêm do ma sát âm và cọc đã được quét bi turn nhựa để giảm

ma sát, vì vậy các kết cấu đặt trên móng cọc đều ổn định Sự cố chỉ xảy

ra cục bộ ở 1 cây cọc bố trí dưới cột một kết cấu nhẹ Do tải trọng của kết cấu bên trên nhỏ nên dưới mỗi cột chỉ bố trí 01 cây cọc Ở cốt nền công trình có hệ giằng với độ cứng khá cao để đỡ tường bao che và truyền tải trọng tường xuống các móng Cây cọc có xu hướng bị kéo lún do ma sát

âm trong khi phần cổ cột được liền kết với kết cấu bên trên có độ cứng đủ lớn nên phần cổ cột đã chịu lực kéo trên 40 T, đủ lớn để kéo đứt 4 thanh thép dló của cổ cột (Hình 1.8)

Trang

13

Hình ỉ.8 Hư hỏng của móng cọc đỡ ma sát âm tại Bà Rịa - Vũng Tàu

Ma sát âm chỉ mới được biết đến trong lĩnh vực nghiên cứu chuyên môn của một

số tác giả [7], [8],v.v Một số tiêu chuẩn ở nước ta đã đề cập đến vấn đề ma sát âm nhưng vẫn chưa có sụ hoàn thiện và phổ biến rộng rãi trong tính toán

Theo TCXD 205:1998 [2] và mới đây là TCVN 10304:2014 [3] đã đề cập đến vấn đề ma sát âm trong tính toán thiết kế móng cọc, cụ thể là cần xem xét khả năng xuất hiện của nó khỉ tính toán sức chịu tải của cọc trong các trường hợp sau:

- Lớp đất đắp san nền dày hơn 1,0 m;

- Chất tải hữu ích lên sàn nhà kho vượt quá 20 KN/m2;

- Đặt thiết bị có tải trọng hữu ích từ thiết bị trên 100 kN/m2 lên sàn kề bên mống;

- Tăng ứng suất hiệu quả, loại bỏ tác dụng đẩy nổi của nước do hạ mực nước ngầm trong đất;

- Cố kết đất thuộc trầm tích cận đại và trầm tích nhân tạo chưa kết thúc;

- Làm chặt các loại đất rời bằng tải trọng động;

do ma sát âm cũng tăng Điều này kéo theo lực dọc lớn nhất trong cọc tăng lên, có thể vượt quá sức chịu tải theo vật liệu của cọc, gây ra phá hoại cọc

- Vị trí mặt phẳng trung hòa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện địa chất, độ lớn lực dọc tác dụng lên đầu cọc, tỉ lệ chiều dài cọc / đường kính cọc, V V

- Việc tính toán sức chịu tải của cọc và móng cọc có kể đến ma sát âm ngày càng được quan tâm, có nhiều phương pháp tính toán từ lý thuyết đến phương pháp số bằng cách

Trang

14

sử dụng các phần mềm phân tích theo lý thuyết phần tử hữu hạn

Trang

15

Chương 2

Cơ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA

VÀ TÍNH SỨC CHỊU TẢI cọc CÓ XÉT ĐẾN MA SÁT ÂM

Như đã biết, sức chịu tải của cọc bao gồm sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi Kết quả của việc tính toán sức chịu tải cọc chịu ảnh hưởng rất lớn từ việc xác định các thành phần sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi cọc

Trong tính toán thiết kế móng cọc, bên cạnh việc đảm báo đủ sức chịu tải, người thiết kế cũng cần quan tâm đến việc phân tích chuyển vị Đối với nhóm cọc nằm trong nền

đá hoặc đất tốt, chuyển vị thường không gây ảnh hưởng bất lợi Tuy nhiên khi xây dựng công trình ở những điều kiện đất nền khác, nhất là các vùng có tầng đất yếu bề dày lớn,việc phân tích chuyển vị nhất thiết phải được tiến hành Thiết kế móng cọc phải kể đến các yếu

tố sau: sự phân bố sức kháng ma sát thành và sức kháng ma sát mũi, sự cân bằng lâu dài giữa tổng sức kháng bên, sức kháng mũi với lực tác dụng ở đầu cọc, ảnh hưởng của ma sát

âm lên cọc (tồn tại từ đầu cọc đến vị trí mặt phẳng trung hòa), sự phân bố lực dọc trong cọc,

2.1 Lý thuyết tương tác lực giữa cọc và đất theo B.Fellenius

Theo B.Fellenius [9], việc thiết kế cọc và móng cọc chịu tải dọc trục khởi đầu bằng việc phân tích tải trọng được truyền vào đất như thế nào, thông qua tương tác giữa đất và cọc để tính được sức chịu tải của cọc, mà thường được biết đến với hai thành phần là sức kháng ma sát thành cọc và sức kháng mũi cọc Cách phân tích này gọi là Phân tích truyền tải trọng (Load-Transfer Analysis) hay thường gọi là Phân tích tĩnh (Static Analysis) hoặc Phân tích Sức chịu tải (Capacity Analysis) Trong phần này trình bày cách tính toán các thành phần sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi theo cách phân tích trên

Trang

16

Hệ số p phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cỡ hạt đất, thành phần khoáng, độ chặt, lịch

sử hình thành đất,v v Bảng 2.1 trình bày một số giá trị p của một vài loại đất được Fellenius tập hợp từ nhiều trường hợp thí nghiệm

Bảng 2.1 Giá trị hệ sồ Ị3 của một sổ loại đất

Gía trị hệ số p cố thể chênh lệch rất lớn so với giá trị cho frong Bảng 2.1 Rollins và đồng nghiệp (2005), đã tiến hành thí nghiệm thử tải tĩnh dạng kéo lên (không có sức kháng mũỉ)

và xác định giá trị hệ số p ở giá trị sức kháng ma sát thành cục đại như đã cho trong Hình 2.1

6.0

Chiều dài cọc trong đất (m)

Hình 2.1 Giá trị hệ sổ p thay đổi theo độ dài ngòm cọc trong cát (theo số liệu của Roỉỉỉns và đồng nghiệp (2005) và so sánh với CFEM (1992), Gregersen và đồnng

nghệp (1973), HongKong Geo (2006))