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

??? ?à ??? - Tương ứng là các hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi và trên thân cọc có xét đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc đến sức kháng của đất, lấy theo Bảng 4 – TCVN 10304:2

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 ĐẤT YẾU

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng

Mã số: 60.58.02.11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM, tháng 12 năm 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

Tp.HCM, ngày…… tháng……năm ……

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TÔ LÊ HƯƠNG MSHV: 1570160

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số: 60.58.02.11

Chương 1: Tổng quan về ma sát âm

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

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

Chương 4: Mô phỏng bài toán sự thay đổi tải trọng tác dụng gây ra ma sát âm cho cọc trong đất yếu

Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/12/2016

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

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

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)

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 nghiệm 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 đươc 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

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 VỀ 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 chương 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 tương 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

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 tiêu chuẩn 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 yêu 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)

46

Trang iii

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

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 phẳng 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

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Giá trị hệ số  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 Kết 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 v

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 6

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) 10kPa 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  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 phẳng trung hòa phụ thuộc vào đường cong phân bố lực và các trường hợp phân bố chuyển vị khác nhau (I và II) 23

Hình 2.6 Vị trí mặt phẳng 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

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

Hình 2.9 Gía trị 𝜉 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 1000kN 57

Hình 4.6 Lực ma sát dọc thân cọc ở các giai đoạn 5,6,và 7 57

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

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

𝐴𝑏, 𝐴𝑝, 𝐴𝑡 𝑚2 Diện tích tiết diện ngang mũi cọc

𝐸𝑐 𝑘𝑁/𝑚2 Module đàn hồi của bản thân cọc

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

𝑄𝑛 𝑘𝑁 Lực kéo xuống do ma sát âm tại mặt phẳng

trung hòa

𝑄𝑝 𝑘𝑁 Sức kháng mũi tại tải trọng thiết kế

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

𝑓𝑎𝑠, 𝑓𝑖 𝑘𝑁/𝑚2 Cường độ sức kháng trung bình của lớp đất

thứ “i” trên thân cọc

𝑘𝑖 - Hệ số áp lực ngang của đất lên cọc Tra bảng

g.1 – tcvn 10304:2014

𝑙𝑐,𝑖 và 𝑙𝑠,𝑖

𝑚 Lần lượt là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp

đất rời và đất dính

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

𝑞𝑎𝑝 𝑘𝑁/𝑚2 Sức kháng mũi đơn vị tại tải trọng làm việc

𝑞𝑏, 𝑞𝑝 𝑘𝑁/𝑚2 Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc

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

𝛾𝑐𝑞 𝑣à 𝛾𝑐𝑓 -

Tương ứng là các hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi và trên thân cọc có xét đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc đến sức kháng của đất, lấy theo Bảng 4 – TCVN 10304:2014

Góc ma sát giữa đất và bề mặt cọc ở lớp đất thứ

i, thông thường đối với cọc bê tông, lấy bằng với góc ma sát trong của đất i

𝜎𝑣𝑖′ 𝑘𝑁/𝑚2 Ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân đất

nền theo phương thẳng đứng ở giữa lớp thứ i

𝜎𝑧′ 𝑘𝑁/𝑚2 Ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân đất

nền

𝜎𝑧=𝐷′ 𝑘𝑁/𝑚2 Ứng suất hữu hiệu ở độ sâu mũi cọc (z=D) do

trọng lượng bản thân đất nền

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

D 𝑚 Đường kính (cọc tròn) hoặc cạnh cọc (cọc

vuông)

ZL 𝑚 Chiều dài đoạn cọc bị ảnh hưởng bởi ma sát âm

𝜇, 𝐸0 - Hệ số poisson và module của đất dưới mũi cọc

sát trên thân cọc

𝜔 - Hệ số phụ thuộc vào hình dáng cọc, cọc tròn

𝜔 = 0,79, cọc vuông 𝜔 = 0,88

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, tập trung nhiều nhất ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Trong những năm gần đây, cùng với đà phát triển kinh tế xã hội cũng như nhu cầu của người dân, nhiều công trình đã được xây dựng trên những nền đất yếu này, từ nhà ở , xí nghiệp, cao ốc cho đến những cây cầu bắc qua sông

Một công trình muốn chắc chắn và an toàn phần lớn phụ thuộc vào phần móng bên dưới Cho đến nay, giải pháp móng cọc vẫn là tối ưu nhất cho các công trình thi công trên khu vực đất yếu Tuy nhiên, với sự biến đổi phức tạp của đất yếu do quá trình cố kết đã tác động không nhỏ đến cọc nói riêng và móng cọc nói chung Một trong những tác động đó là hiện tượng ma sát âm Ma sát âm là hiện tượng lớp đất yếu xung quanh thân cọc lún nhanh hơn tốc độ lún của cọc, từ đó không những không tạo lực ma sát có lợi để giữ cọc lại mà còn sinh thêm lực kéo xuống, làm ảnh hưởng khả năng chịu tải của cọc Việc hiểu được đặc điểm của ma sát âm, tính toán mức độ ảnh hưởng và phạm vi ảnh hưởng của ma sát âm trong thiết kế là rất cần thiết Do đó,

tôi thực hiện đề tài: “Phân tích sự thay đổi tải trọng tác dụng gây ra ma sát âm

ảnh hưởng sức chịu tải của cọc trong đất yếu.”

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 Ở 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

Trang 2

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

- 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 lý 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

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

thay đổi vị trí mặt phẳng 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

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT ÂM

1.1 Hiện tượng ma sát âm

1.1.1 Định nghĩa ma sát âm

Đối với công trình sử dụng móng cọc, cọc được đóng vào trong tầng đất nền

có quá trình cố kết chưa hoàn tất, khi tốc độ lún của đết nền dưới công trình nhanh hơn tốc độ lún của cọc theo chiều đi xuống, thì 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 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 do đất tác dụng lên thân cọc có chiều cùng với chiều tải trọng của công trình tác dụng lên cọc khi 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 khi

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

Ma sát âm trên 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

Trường hợp cọc được xây dựng trong khu vực đất yếu hoặc có tải đắp là đất yếu chưa cố kết xong: Lúc này, các lớp đất yếu do trọng 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

ma sát dọc thân cọc cùng chiều với tải trọng gây nên hiện tượng ma sát âm

Như vậy, qua những trường hợp trên 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 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

- 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 phẳng 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], có thể kể một số nguyên nhân thường gặp gây ra lực ma sát âm:

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

 Ma sát âm do cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết;

 Mực nước ngầm bị hạ thấp;

 Phụ tải của nền gần móng

Trong phạm vi luận văn, tác giả chỉ trình 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 đổi tải trọng tác dụng lên cọc

Quá trình xuất hiện ma sát âm được đặc trưng bởi độ lún của đất gần cọc và tốc độ lún tương ứng 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 trọng 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:

Hi ̀nh 1.1 Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền

 Trường hợp 3: Hình 1.1c

Khi có một tầng đất dính đắp phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong cả hai tầng đất đắp và tầng đất sét, và tạo ra lực ma sát âm tác dụng lên cọc

b) Trường hợp các cọc được tựa trên tầng đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt xảy ra trong các trường hợp sau đây:

Hi ̀nh 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

Đất đắp

 Trường hợp 4: Hình 1.2a

Với tầng cát lỏng có biến dạng lún tức thời, đặc biệt khi đất nền chịu sự rung động hoặc sự giao động của mực nước ngầm; sự tác động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra sự biến dạng lún

 Trường hợp 5: Hình 1.2b

Đối với nền sét yếu, xu 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 tải trọng bản thân của nền sét

 Trường hợp 6: Hình 1.2c

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 Đối với công trình sử dụng móng 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 trình trong quá trình sử dụng sẽ dễ khiến hiện tượng ma sát âm xảy ra trong cọc

Hi ̀nh 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 (Hình 1.4) thì rất có thể gây ra hiện tượng ma sát âm tác động lên cọc, từ đó làm giảm sức chịu tải tức thời của cọc gây lún lệch cho công trình

1.2.2 Các yếu tố 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 đàn 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 đắp nền, phụ tải)

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

- Độ lún của nền sau khi đóng cọc, độ lún của móng 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

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

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 với cọc cũng được thực hiện ở một số nghiên cứu

Trong một nghiên cứu sau này của Comodromos và Bareka [4] sử dụng cùng

số 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) (xemHình 1.5)

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:

Hi ̀nh 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.

Như vậy, chỉ cần một tải bề mặt nhỏ khoảng 10kPa 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 100kPa 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 phẳng 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 100kPa (Hình 1.7b)

1.3.2 Nghiên 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 trên 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

Trang 12

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 tiến hành đóng cọc thử và nén tĩnh, kết qua thí nghiệm cho thấy tất cả các cọc thí nghiệm 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 11-12m 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 tum 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 liên 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 d16 của cổ cột (Hình 1.8)

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 sự 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 khi 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 móng;

- 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;

- Lún sụt đất do ngập nước;

- Khi xây dựng công trình mới gần công trình có sẵn

Hi ̀nh 1.8 Hư hỏng của móng cọc do ma sát âm tại Bà Rịa – Vũng Tàu

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

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

2.1.1 Sức kháng ma sát thành

Công thức xác định sức kháng ma sát thành đơn vị cực hạn - 𝑟𝑠:

𝑟𝑠 = 𝑐′+ 𝛽𝜎𝑧′ (2.1) Tổng sức kháng ma sát thành từ độ sâu 0 đến z được tính theo công thức:

𝑅𝑠 = ∫ 𝐴𝑠𝑟𝑠𝑑𝑧 = ∫ 𝐴𝑠(𝑐′+ 𝛽𝜎𝑧′)𝑑𝑧 (2.2)

Hệ số  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  của một vài loại đất được Fellenius tập hợp từ nhiều trường hợp thí nghiệm

Ba ̉ng 2.1 Giá trị hệ số  của một số loại đất

Gía trị hệ số  có thể chênh lệch rất lớn so với giá trị cho trong Bảng 2.1 Rollins

và đồng nghiệp (2005), đã tiến hành thí nghiệm thử tải tĩnh dạng kéo lên (không có sức kháng mũi) và xác định giá trị hệ số  ở giá trị sức kháng ma sát thành cực đại như đã cho trong Hình 2.1

Các kết quả khảo sát sự phân bố sức kháng ma sát thành dọc theo thân cọc cho thấy rằng sức kháng ma sát thành sẽ tăng xấp xỉ tuyến tính theo chiều sâu Ta có thể thấy công thức (2.1) biểu diễn sức kháng ma sát thành đơn vị cực hạn tỷ lệ với ứng suất

do trọng lượng bản thân Đó là ảnh hưởng của ứng suất hữu hiệu lên sức kháng ma sát thành

Gía trị hệ số  thực sự biến đổi trong khoảng giá trị rộng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấp phối hạt đất, thành phần khoáng, hệ số quá cố kết (OCR), đất trầm tích hay đất tàn tích phong hóa

Nghiên cứu của Fellenius và Nguyen (2013) [10] cho thấy chỉ cần có một chuyển dịch nhỏ giữa cọc và đất, khoảng chừng vài milimet, thì sức kháng ma sát thành cực hạn

sẽ được huy động hoàn toàn Trong Hình 2.2, sức kháng ma sát đơn vị được đo dọc theo

độ sâu từ 73 đến 83m của một cọc khoan nhồi thí nghiệm (bored test pile) có đường kính 1,8m, thi công ở Cao ốc Sunrise City, TPHCM Chuyển vị lớn giữa cọc và đất có

sự gia tăng đáng kể tương ứng quá trình sức kháng ma sát thành trong cọc tăng đến cực

Đường xấp xỉ

Chiều dài cọc trong đất (m)

Hi ̀nh 2.1 Giá trị hệ số  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))

2.1.2 Sức kháng mũi

Sức kháng mũi cực hạn đơn vị cũng được giả thuyết tỉ lệ với ứng suất hữu hiệu (tại mũi cọc) Dựa vào điều này, công thức xác định sức kháng mũi đơn vị cực hạn:

𝑟𝑡 = 𝑁𝑡𝜎𝑧=𝐷′ (2.3) Tổng sức kháng mũi:

Hệ số sức kháng mũi Nt được xác định theo Bảng 2.2

Ba ̉ng 2.2 Gía trị hệ số N t của một số loại đất

2.1.3 Sức chịu tải tới hạn

Sức chịu tải tới hạn của cọc Qult là tổng của sức kháng mũi cực hạn và sức kháng ma sát thành cực hạn:

𝑄𝑢𝑙𝑡 = 𝑄𝑢 = 𝑅𝑠 + 𝑅𝑡 (2.5) Khi sức kháng ma sát thành và sức kháng ma sát mũi được huy động tối đa, lực trong cọc là Qz được xác định bởi biểu thức:

𝑄𝑧 = 𝑄𝑢− ∫ 𝐴𝑠𝛽𝜎𝑧′𝑑𝑧 = 𝑄𝑢− 𝑅𝑠 (2.6)

Hình 2.3 thể hiện đường cong phân bố lực và sức kháng được tính theo các công thức (2.5) và (2.6) Từ công thức ta thấy rõ ràng ở độ sâu z = D (độ sâu mũi cọc),

Qz = Rt

Trang 20

Trong quá trình sử dụng công trình, tải của kết cấu bên trên sẽ truyền xuống đầu các cọc thông qua đài cọc Tải trọng được chia thành tĩnh tải Qdead và hoạt tải Qlive Ngay cả khi chuyển vị của đất nền là nhỏ, đa số trường hợp đất sẽ di chuyển xuống so với cọc và truyền lực vào cọc thông qua lực ma sát âm Và chỉ cần một chuyển vị tương đối nhỏ là

đủ để gây nên một lượng đáng kể lực ma sát âm (cũng như ma sát dương) Do đó, mọi cọc đều phát triển một cơ chế cân bằng lực, với một bên là tổng của tĩnh tải đặt lên đầu cọc - Qd và lực kéo xuống – Qn (sinh ra bởi lực ma sát âm ở phần trên của cọc) sẽ cân bằng với bên còn lại gồm tổng sức kháng mũi và ma sát dương ở phần dưới của cọc Vị

trí cân bằng gọi là mặt phẳng trung hòa, là vị trí mà tại độ sâu đó mà ứng suất cắt dọc

theo thân cọc chuyển từ ma sát âm thành ma sát dương (sức kháng ma sát thành cọc) Đây cũng là vị trí không có chuyển vị tương đối giữa cọc và đất, hay vị trí mặt phẳng trung hòa còn gọi là vị trí cân bằng chuyển vị

Sự phân bố lực trong cọc ở dưới mặt phẳng trung hòa, xét trong thời gian lâu dài sẽ cho công thức tính như sau:

Với:

𝑞𝑛 = 𝑟𝑠 = 𝛽𝜎𝑧′ (2.8) Vùng chuyển giữa sức kháng và đường cong phân bố lực không đột ngột uốn gập như hình vẽ mà chuyển tiếp dần dần từ vị trí có ma sát âm sang vị trí có ma sát dương Điều này xảy ra ở lân cận vùng mặt phẳng trung hòa và được gọi là vùng chuyển tiếp Chiều dài vùng chuyển tiếp này thay đổi tùy thuộc vào loại đất và gradient chuyển vị tương đối giữa cọc và đất nền xung quanh tại mặt phẳng trung hòa Chiều dài này có thể ước lượng sơ bộ là chiều dài mà trong đó chuyển vị tương đối giữa cọc và đất nền nhỏ hơn 2mm ÷ 5mm Cũng cần lưu ý rằng việc tính toán này cũng

có tương tác với dữ liệu bài toán, khi thay đổi tĩnh tải tác dụng lên đầu cọc, cũng sẽ dẫn tới việc thay đổi vị trí mặt phẳng trung hòa và giá trị của lực dọc lớn nhất trong cọc

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

Dựa vào các thí nghiệm và tài liệu đã được công bố của nhiều tác giả, Fellenius đã phát triển cách thức thiết kế móng cọc dựa vào biểu đồ phân bố lực và chuyển vị, gọi là Phương pháp thống nhất (Unified Method)

Tóm tắt các bước cơ bản để tính toán thiết kế sức chịu tải của cọc theo Phương pháp Thống nhất:

1) Thu thập số liệu địa chất và trình bày phân tích tĩnh về sự truyền lực trong cọc

Vẽ các đường phân bố lực và sức kháng theo độ sâu

Trang 22

2) Kiểm tra lại để đảm bảo sức chịu tải tới hạn của cọc phải lớn hơn hoặc bằng hệ

số an toàn nhân với tổng tĩnh tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên cọc (không kể đến

ma sát âm trong bước tính toán này)

3) Kiểm tra rằng lực dọc lớn nhất trong cọc, tổng của tĩnh tải tác dụng lên cọc và lực kéo xuống do ma sát âm (tính từ đầu cọc đến vị trí mặt phẳng trung hòa), nhỏ hơn sức chịu tải theo vật liệu của cọc với một hệ số an toàn hợp lý (thường

là 1.5) (không kể đến hoạt tải trong bước tính này) Lưu ý rằng, lực dọc lớn nhất trong cọc phụ thuộc vào vị trí của mặt phẳng trung hòa, mức độ huy động sức kháng mũi cọc, độ dài vùng chuyển tiếp (vùng chuyển từ ma sát âm sang sức kháng ma sát dương ở lân cận phía trên và dưới mặt phẳng trung hòa) 4) Tính toán độ lún bao gồm tất cả các yếu tố có thể gây nên sự thay đổi ứng suất

ở vị trí hay lân cận vị trí cọc Lưu ý, vị trí của mặt phẳng trung hòa và chuyển

vị của cọc là hàm của độ xuyên mũi cọc vào đất Nó được xác định dựa vào biểu đồ phân bố lực và sức kháng theo độ sâu, biểu đồ liên hệ giữa độ lún mũi cọc – sức kháng mũi (đường cong q-z)

5) Giải lặp đến khi các kết quả hội tụ và chọn ra các thông số cần thiết để tiến hành tính toán thiết kế móng cọc

Hi ̀nh 2.4 Đường cong phân bố lực và sức kháng, biểu đồ chuyển vị