TIỂU LUẬN NỀN MÓNG MA SÁT ÂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
LỚP ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 2008








TIỂU LUẬN MÓNG CỌC



Ma sát âm







GVHD : TS. VÕ PHÁN

Thực hiện : Nhóm 3
NGUYỄN HIẾU NGHỊ - MSHV : 00908548
NGUYỄN THANH ĐẠT - MSHV: 00908542
NGUYỄN HỮU BẢO TOÀN - MSHV : 00908552
PHAN VĂN KHÁNH - MSHV: 10908015
ĐẶNG DUY QUỐC CƯỜNG - MSHV: 12108026
ĐẶNG HUY PHONG - MSHV: 12108025

NGUYỄN CHÂU VINH - MSHV: 00908553
VƯƠNG HỒNG SƠN - MSHV: 00908550
VÕ NGUYÊN HÙNG - MSHV: 00907775






THÁNG 6 NĂM 2009




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 dòch 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 Bjerrum

đã 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


GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

1
MỤC LỤC
PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT ÂM
I.1. Đònh nghóa hiện tượng ma sát Trang 2
I.2. Các thuật ngữ liên quan đến ma sát âm Trang 5
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. nh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình Trang 15
I.6. Các nghiên cứu về ma sát âm 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
II.1. Hiện tượng ma sát âm Trang 43
II.2. Phương pháp sát đònh ma sát âm Trang 44
II.3. Các bước tính toán ma sát âm Trang 44
II.4. Ví dụ tính tốn Trang 46

PHẦN III : TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ĐẾN
ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM
III.1. Lý thuyết tính toán Trang 57
III.2. Ứng dụng tính toán vào bài toán thực tế Trang 62
III.2.1 Bài toán mố phía Nam Cầu Peach Trang 62
III.2.2 Phần mở rộng Trang 66
III.2.3 Công trình khách sạn Thái Bình – Thò 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
IV.4. Các biện pháp khác Trang 80

PHẦN V : NHẬN XÉT – KIẾN NGHỊ Trang 88
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

2

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT ÂM

I.1 Đònh nghóa 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 vò 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.

P
P
ĐẤT SÉT MỀM
hay
ĐẤT ĐẮP CÓ
TÍNH NÉN LÚN
ĐẤT TỐT
H
(
a
)
(b)
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
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

3
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


Hình 2b . Ma sát âm co ù lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

4

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 chòu tải của cọc không những không kể đến sức chòu tải do ma sát hông của đất
và cọc mà còn bò ma sát âm kéo xuống. Sức chòu tải lúc này chủ yểu là sức chòu 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 dòch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghóa 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





GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

5


34
Hình 3. Mô hình ma sát âm trong nhóm cọc

Với lập luận tương tự như trên, nếu cọc chòu 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 dòch chuyển xuống tương đối so với cọc. Các quan sát
lâu dài từ các thiết bò 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 dòch chuyển
tương đối đi xuống so với cọc.
• Mặt phẳng trung hòa (Neutral plane): Là vò trí dọc theo cọc mà tại đó
các lực tác dụng dài hạn (lực kéo xuống cộng với tải công trình) cân bằng
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

6
với tổ hợp lực (chiều dương) kháng bên (bên dưới mặt trung hòa) và sức
kháng mũi. Độ sâu này là nơi có dòch chuyển tương đối của đất và cọc
bằng 0.
• Biến dạng kéo xuống (Downdrag): Là sự dòch chuyển đi xuống của cọc
do đất xung quanh cọc bò lún xuống. Độ lớn của biến dạngï kéo xuống
bằng với độ lún của đất tại mặt trung hòa.
• Cường độ chòu tải 1 trục đòa 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 tónh và sẽ tiếp tục dòch chuyển xuống. Ma sát dương xảy ra trên toàn
thân cọc và lực kéo xuống rất nhỏ.
• Hệ số an toàn cho cường độ chòu tải đòa kỹ thuật (Factor of safety on
geotechnical capacity): Là hệ số giữa cường độ chòu tải 1 trục đòa kỹ thuật
chia cho tổng tải tónh 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 chòu tải tónh 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 tónh tải và lực kéo xuống, không
tính đến hoạt tải.

Theo Fellenius, vò 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 vò 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 vò 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 dòch chuyển như nhau hay nói cách khác
là nơi không có sự dòch chuyển tương đối giữa cọc và đất. Điều này có nghóa 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 chòu 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.
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

7
Cọc không chòu 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 dòch 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:

GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

8
Sét

Sét đắp


L

Z

H
f

L

H
f

Z

Sét

Cát đắp

L

Z

H
f

Cát

Sét đắp

(a)

(b)

(c)

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:
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

9

+ Trường hợp (d): Với tầng cát xốp sẽ có biến dạng lún tức thời, đặc biệt
khi đất nền chòu 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 chòu 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 đònh 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 dòch ngang của mố
cầu, nhưng sự chuyển dòch này có thể giảm thiểu bằng việc lựa chọn một
giải pháp thiết kế nền móng một cách hợp lý (Ví dụ sàn giảm tải).
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

10


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 bò lún do phải chòu 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 bò lún do tải trọng ngoài, do đó cọc không bò ảnh hưởng
của ma sát âm. Vì vậy, một bên cọc chòu ma sát âm còn bên kia chòu 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 bò lún xuống.
Phụ tải của nền gần móng (hiện tượng xây chen các công trình mới cạnh
công trình cũ). Nguyên tắc xác đònh 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).

GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

11
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 bò 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 σ

h
lên các hạt rắn của đất tăng.

Xem biểu đồ tương quan giữa u và σ
h
trong trường hợp bài toán nén
một chiều và tải trọng ngoài q phân bố kín đều khắp.

GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

12
P
h
H
Đ ất yếu
Lớp đất tốt
q
q
u = 0
m in
u
σ
h
a
đ
u
m ax
σ

z
= q = const
z

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
σ
σσ
σ
h
trong trường hợp bài toán nén một chiều
và tải trọng ngoài q phân bố kín đều khắp


Trong đó:
+ σ
h
= q = const: Ứng suất toàn phần.
+ H
a
: Vùng hoạt động của ứng suất phân bố trong đất
+ Đất bình thường: H
a
tương ứng với chiều sâu mà tại đó σ
z
= 0.2σ
bt

+ Đất yếu: H
a

tương ứng với chiều sâu mà tại đó σ
z
= 0.1σ
bt

+ σ
bt
: Ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày H
a
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

13


Hình 8. Ma sát âm xảy ra khi hạ thấp mực nước ngầm
I.3.5. Do sự nén chặt đất
Trong quá trình đóng cọc, đất xung quanh cọc bò nén chặt như trên
hình 9. Do ứng suất nén cao, nước bắt đầu tiêu tán ra xung quanh (hình 9a)
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 trò ma sát âm trong trường hợp này là
không lớn, nó chỉ chiếm khoảng 17% giá trò sức chống cắt trung bình không
thoát nước của đất nền
.


Hình 9. Sự di chuyển của nước gần thân cọc

(a) Trong quá trình đóng cọc (b) Sau khi đóng cọc
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

14
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 bò 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/m
2
trở lên;
 Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ trong đất bò 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 …
Trò 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 trò số lớn nhất khi kết thúc cố kết.
Bất kỳ một sự dòch 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 vò khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kính
cọc. Khi chuyển vò 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 dòch tương đối của nền đất được dự đoán
trước.


GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

15
I.5 Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình
Khi cọc ở trong đất, thì sức chòu tải của cọc được thể hiện qua thành phần
ma sát (dương) xung quanh cọc và sức kháng mũi cọc. Khi cọc bò ảnh hưởng ma sát
âm thì sức chòu tải giảm do nó phải gánh chòu 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 bò 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 chòu 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/m
2
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 chòu 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 bò 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 chòu 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
Theo Joseph E.Bowles (Foundation analysis and design) đề nghò rằng
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

16
để lực ma sát âm phát triển đáng kể thì một phần của cọc phải cố đònh chống
lại chuyển vò 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 đònh được chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm Z
O
, Ông lập luận rằng:
“Sức chòu 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
đònh chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm Z
O
.


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 đònh
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 : P
nf
=
0
'. '. . .
f
L
p q K dz
α
∫
(1)

Trong đó :
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

17
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 = K
o
= 1 − sin ϕ .
q
: Ứng suất hữu hiệu tại độ sâu z, :
q
= q
o
+ γ'.z
q
o
: p lực phụ tải ( lớp đất đắp ).




Hình 11. Sơ đồ vò trí điểm trung hòa (Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm )
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

18
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 :
P
nf
=
0
'. '. . .
f
L
p q K dz
α
∫
(2)
Lực ma sát dương từ điểm trung hòa đến mũi cọc:
'
2
1
. '. . .
f
L
Pf np
L
p q K dz
P P
α
= +
∫

(3)
Trong đó :
P
np
: Độ lớn của phần ma sát âm khi sử dụng cọc chống, bằng 0 đối với cọc ma
sát.
L
1
: Khoảng cách từ đáy lớp đất đắp đến điểm trung hòa Zo.

Như vậy ta có :
P
a
+ P
nf
≤ P
np
+ P
p
+ P
pf
(4)
P
a
: Tải trọng tác dụng lên cọc.
P
nf
: Lực ma sát âm.
P
p

: Sức kháng của đất dưới mũi cọc.
P
pf
: Thành phần lực ma sát dương.

Nếu: Ta chọn

2
'
'
α
α
=
, và đối với cọc ma sát P
nP
≅ 0
, rút ra từ phương trình (2)
&(3) ta được:

2
'
1 2 2
1
1
1
'
'. ' '. ' ( ) '. '. ( )
2 2
o o
K

L
p K p L L K p
q q
L L L
γ
α α α
γ
 
= − + +
 
 

(5)

Khoảng cách L
1
từ đáy lớp đất đắp đến điểm trung hòa :

1
1
2
2 ' '
o o
q q
L L
L
L
γ γ
 
= + −

 
 
(6)
Nếu
0
o
q
=
thì
1
0.707
2
L
L
L
= =

* Đối với nhóm cọc ma sát âm có thể được xác đònh
Khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ (tỷ số s/D nhỏ), thì ma sát âm sẽ ảnh
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

19
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)
Q
n

= ∑ P
nf

'
. .
. .
f f
n s g
A
Q f p
L L
γ
= +

Trong đó:
γ: Trọng lượng riêng của lớp đất xung quanh cọc tới độ sâu L
f
.
A: Diện tích xung quanh nhóm cọc.
f
s
: 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 nghò 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
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

20
Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc đơn tại độ sâu z
0
. .
z
a
P C dz
τ
=
∫
(7)
Trong đó :
C : Chu vi cọc
τ
a
: Ứng suất cắt giới hạn của cọc và đất. Được tính theo công thức Coulomb

'
' '
sa v
a
a

tg
C
K
ϕ
σ
τ
= + × ×
(8)
Với :
C'
a
: Lực dính giữa đất và cọc, đối với cọc bê tông lấy C
a
' = C
c: Lực dính của đất nền.
Ks: Hệ số áp lực ngang của đất. K
s
= K
o
=

1 - sinϕ
σ'
v
: Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng.
ϕ
a
' : 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
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

21

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

GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

22
a. Nguyên lý tính ma sát âm cực đại
Tại độ sâu z, giá trò lực ma sát âm đơn vò được tính bởi biểu thức

' '
h a v
n a a
f tg K tg
c
ϕ ϕ
σ σ
= × + = × ×
(9)
Trong đó:
σ’
h
, σ’
v
: Ứng suất hữu hiệu theo phương ngang và phương đứng
K : Hệ số quan hệ giữa
'
'
h
v
σ
σ

ϕ
a

: Góc ma sát giữa đất và cọc
c : Lực dính giữa cọc và đất.

- Tổng lực ma sát âm lên cọc
'
0
)
(
H h
n a
v
f u K tg dz
ϕ
σ
+
= × × ×
∫
(10)
Trong đó:
u=4B, B cạnh cọc vuông.
u = 2πR , R: bán kính cọc.
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 a v
n a a
f tg K tg

c
ϕ ϕ
σ σ
= × + = × ×
(11)

Và
'
'
0
)
(
H h
n a
v
f u K tg dz
ϕ
σ
+
= × × ×
∫
(12)

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:
GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc

Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm

23

h = h2: là độ sâu mà chuyển vò 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 trò K.tgϕ
Giá trò K.tgϕ
a
phụ thuộc vào loại đất tự nhiên và loại cọc (tra bảng)
Bảng 1
Giá trò K.tgϕ

a
để tính toán lực ma sát âm

Loại đất tự nhiên
Loại cọc
Cọc ống Cọc nhồi Cọc đóng
Bùn hữu cơ
Đất hữu cơ

0.10 0.15 0.20
Đất sét
Sét pha cát
Đất mềm

0.10 0.15 0.20
Cát
Sỏi
Đất cứng

0.15 0.20 0.30
Rất rời

0.35
Rời

0.45
Chặt

1.00

Để giảm ma sát âm, có thể quét lên mặt bên cọc một lớp bitumen,
trong trường hợp dùng bitumen để làm giảm lực ma sát âm ở cọc thì giá trò
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 bò treo lên mặt cọc khi cọc lún chậm hơn. Hiện tượng này gọi
là“đất treo lên cọc” hay là “hiệu quả treo”.