TIỂU LUẬN CHUYÊN ĐỀ MA SÁT ÂM

Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

MỤC LỤC

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT ÂM
1. Đònh nghóa hiện tượng ma sát âm
2. Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm
4. nh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình
5. Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế

Trang 4
Trang 5
Trang 9
Trang 10
Trang 10

PHẦN II : NGHIÊN CỨU VỀ MA SÁT ÂM CỦA VIỆN NATIONAL
HIGHWAY THUỘC BỘ GIAO THÔNG MỸ (US. DEPARTMENT
OF TRANSPORTATION)
1. Hiện tượng ma sát âm – Tiêu chuẩn nhận biết
Trang 18
2. Phương pháp sát đònh ma sát âm
Trang 19
3. Các phương pháp giảm ma sát âm
Trang 20
4. Ứng dụng tính toán vào một bài toán thực tế
Trang 22
PHẦN III : CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM
1. Mô hình thứ nhất (Nga)
Trang 31
2. Mô hình thứ hai (Pháp)
Trang 33
3. Mô hình thứ ba (Anh)
Trang 37
4. Mô hình thứ tư (Mỹ)
Trang 38
5. Mô hình thứ năm (Anh)
Trang 41
6. Mô hình thứ sáu (Mỹ)
Trang 45
PHẦN IV : TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ĐẾN
ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM THEO TCVN – LẬP CHƯƠNG
TRÌNH TÍNH TOÁN BẰNG MÁY TÍNH
1. Lý thuyết tính toán
Trang 52
2. Chương trình tính toán bằng máy tính
Trang 56
3. Giải và thiết lập sự tương quan h-z, h-Qs , h-Qs, h-Qu cho
cho một bài toán cụ thể
Trang 58
PHẦN V : CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA MA
SÁT ÂM
1. Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất
Trang 62
2. Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng MSA Trang 63
3. Dùng sàn giảm tải có xử lý cọc
Trang 64

PHẦN VI : NHẬN XÉT – KIẾN NGHỊ

Nhóm học viên thực hiện: 03

Trang 65

Trang: 1


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT ÂM
1- Đònh nghóa hiện tượng ma sát âm
Đònh nghóa hiện tượng ma sát âm: Đối với công trình có sử dụng móng
cọc, khi cọc được đóng vào trong tầng đất nền có quá trình cố kết chưa hoàn toàn.
Nếu tốc độ lún của đất 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 chòu tải của cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống
gọi là lực ma sát âm.
Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún
của đất xung quanh cọc và tốc độ lún của cọc. Lực ma sát âm có chiều hướng thẳng
đứng xuống dưới, có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, do đó làm tăng lực tác dụng
lên cọc. Ta có thể so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương thông qua hình
sau:

Hình 1a: Sự phát sinh ma sát dương

Nhóm học viên thực hiện: 03

Trang: 2


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Hình 1b : Ma sát âm có lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân

Hình 1c: 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 tồn thân cọc, phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưa cố
kết. Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên tồn thân cọc thì rất nguy hiểm, sức chịu
tải của cọc khơng những khơng kể đến sức chịu tải do ma sát hơng của đất và cọc mà
còn bị ma sát âm kéo xuống. Sức chịu tải lúc này chủ yểu là sức chịu tải của mũi, chống
lên nền đất cứng hay đá.
2- Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm
Một điều dễ dàng thấy rằng, mặc dầu ở đây thậm chí tồn tại lún của lớp
đất xung quanh cọc, lực kéo xuống (ma sát âm) sẽ không xuất hiện nếu sự chuyển
dòch xuống phía dưới của cọc dưới tác dụng của tónh tải và hoặc hoạt tải lớn hơn sự
lún của đất nền. Vì vậy mối quan hệ giữa biến dạng lún của nền và biến dạng lún
của cọc là nền tảng cơ bản để lực ma sát âm xuất hiện.
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 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:
Nhóm học viên thực hiện: 03

Trang: 3


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

SÐt ®¾p

Hf

C¸t ®¾p

L

Hf

SÐt ®¾p

L

L

C¸t

Z

SÐt

Z

(a)

Hf

SÐt

Z

(b)

(c)

Hình 2 : 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 dạng
hạt mà cọc sẽ xuyên qua nó, tầng đất 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 dạng hạt, đắp ở phía trên một tầng
sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét 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:

Nhóm học viên thực hiện: 03

Trang: 4


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Cát xốp

Sét yếu

Đất đắp

(d)

L

L

L

Tầng chòu lực

Tầng chòu lực
(e)

Hf

Tải trọng bề mặt

Hf

Tải trọng bề mặt

Hf

Tải trọng bề mặt

Tầng chòu lực
(f)

+ Trường hợp (d): Với tầng cát lỏng 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.
b- 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 (5.3), 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.

Nhóm học viên thực hiện: 03

Trang: 5


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Hình 3 : 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.
c- Ngoài ra, 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 dẫn đến
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 đứngPσh lên các hạt rắn của đất tăng.
Xem biểu đồ tương quan giữa u và σh trong trường hợp bài toán nén một
chiều và tải trọng ngoài q phân bố kín đều khắp.
q

q

hđ
umin = 0

σh

u

Ha

Đất yếu

u max

Lớp đất tốt

Nhóm học viên thực hiện: 03

σz= q = const

z

Trang: 6

Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Hình 4 : Biểu đồ tương quan giữa áp lực nước lỗ rỗng u và áp lực có hiệu thẳng
đứng lên hạt rắn của đất σ h trong trường hợp bài toán nén một chiều và tải trọng
ngoài q phân bố kín đều khắp
Trong đó:
+ σh

= q = const: Ứng suất toàn phần.

+ Ha: Vùng hoạt động của ứng suất phân bố trong đất
+ Đất bình thường: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó σz = 0.2σbt
+ Đất yếu: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó σz = 0.1σbt
σbt: Ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày H a
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/m2 trở lên;
−Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ trong đất bò phân hủy …
3- 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;
Nhóm học viên thực hiện: 03

Trang: 7


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

−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.
4- 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/m2 và có khả năng xuyên thủng lớp đá.
Nhóm học viên thực hiện: 03

Trang: 8


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

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.
5. Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế
a- Sụt lún do khai thác nước ngầm ở các thành phố lớn
Số liệu nghiên cứu mới đây của Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây dựng
Hà Nội, trực thuộc Sở Xây dựng Hà Nội đã chỉ ra tình hình sụt lún liên quan đến việc
khai thác nước ngầm tại nhiều điểm trên địa bàn Hà Nội.
T.S Nguyễn Sinh Minh - Viện trưởng Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây
dựng Hà Nội cho biết số liệu nghiên cứu thực nghiệm hiện tượng lún bề mặt đất Hà Nội do
thay đổi mực nước ngầm từ năm 1991 cho đến nay cho thấy có những điểm ở Hà Nội bị sụt
lún tới 4 cm/năm và đây là một con số đáng lưu ý đối với các cơ quan chức năng trong việc
khai
thác
nước
ngầm
cũng
như
xây
dựng
của
thành
phố.
Theo số liệu thu thập được, lượng nước ngầm khai thác trong năm 2006 khoảng 650.000 –
700.000 m3/ngày đêm. Tầng khai thác nước chủ yếu là tầng chứa nước Pleistocen (qp), có
nguồn
cung

cấp
chủ
yếu
là
nước
mưa
và
nước
mặt.
Tuy nhiên, lượng cung cấp này thường nhỏ hơn so với lưu lượng khai thác. Điều đó dẫn đến
mực nước ngầm hàng năm bị hạ thấp. Thêm vào đó điều kiện địa chất của thành phố rất
phức tạp, nhiều nơi tồn tại những tầng đất yếu với chiều dày lớn. Điều này có thể gây ra sụt
lún nền đất, ơ nhiễm nước ngầm….
Theo ơng Minh, kết quả quan trắc lún bề mặt đất do thay đổi mực nước ngầm tại
10 trạm đo lún bề mặt đất- đặt tại các nhà máy nước và trạm tăng áp thuộc Cơng ty Kinh
doanh nước sạch và Cơng ty Kinh doanh nước sạch số 2 Hà Nội- trong những năm qua cho
thấy: Tại những trạm có tồn tại lớp đất yếu, tốc độ lún bề mặt đất tương đối lớn như Thành
Cơng (41,02 mm/năm), Ngơ Sĩ Liên (27,14 mm/năm), Pháp Vân (22,02 mm/năm)...
Những trạm khơng tồn tại lớp đất yếu có tốc độ lún bề mặt nhỏ như Ngọc Hà (1,80
mm/năm), Mai Dịch (2,28 mm/năm), Đơng Anh (1,41 mm/năm). Những trạm có vị trí gần
sơng Hồng có độ lún bề mặt đất nhỏ hơn vì mực nước ngầm được nước sơng bù phụ một
phần như Lương n (16,85 mm/năm), Gia Lâm (12,99 mm/năm).
“Kết quả quan trắc tại 10 trạm nói trên có độ chính xác cao và có thể khẳng định rằng q
trình hạ thấp mực nước ngầm đã gây nên hiện tượng sụt lún bề mặt đất tại những vị trí khai
thác. Vì những trạm đo lún nói trên hầu hết được đặt tại tâm phễu lún (trong các nhà máy
nước) nên nó chỉ phản ánh được độ lún riêng lẻ tại nơi khai thác nước ngầm mà chưa thể
hiện được phạm vi ảnh hưởng (bán kính) của phễu lún cũng như khả năng ảnh hưởng của
các phễu lún”- Đại diện Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây dựng Hà Nội cho biết.
Nhóm học viên thực hiện: 03

Trang: 9


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Ơng Đỗ Tuấn Anh, cán bộ phòng nghiên cứu và thí nghiệm địa kỹ thuật, Viện Khoa học
cơng nghệ và kinh tế xây dựng Hà Nội cũng cho biết có nhiều ngun nhân gây ra hiện
tượng lún bề mặt đất như: Do khai thác nước dưới đất; việc tăng tải trọng ngồi do xây
dựng cơng trình; do vận động tân kiến tạo; tính chất từ biến của đất...
Tuy nhiên các phương pháp quan trắc thực nghiệm mà Viện đang tiến hành
nghiên cứu đã khẳng định rằng sự thay đổi mực nước ngầm là một trong những ngun nhân
gây
nên
sụt
lún
bề
mặt
đất
của
Hà
Nội.
“Đặc điểm chính của sự sụt lún bề mặt đất do thay đổi mực nước ngầm làm cho bề mặt địa
hình thay đổi theo thời gian. Vì vậy khi quy hoạch, xây dựng cần phải lưu ý để đưa ra được
giải pháp hợp lý trong việc xử lý cốt san nền, xây dựng hệ thống thốt nước.
Đối với các cơng trình giao thơng và các cơng trình xây dựng dân dụng cơng nghiệp sử dụng
giải pháp móng nơng phải lưu ý tới độ lún nền đất bị tăng thêm do hạ mực nước ngầm để từ
đó có biện pháp khắc phục.
Đối với các cơng trình sử dụng giải pháp móng cọc cần lưu ý tới yếu tố “ma sát âm” gây ra tải

trọng phụ thêm tác dụng lên cọc do độ lún các lớp đất yếu gây ra”- Ơng Tuấn Anh cho biết.
Theo cảnh báo của Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây dựng Hà Nội việc quy hoạch vị
trí xây dựng các nhà máy khai thác nước nên ưu tiên vị trí ven sơng vì khu vực đó có nguồn
cung cấp, bổ trợ lớn cho tầng chứa nước khai thác. Giảm lưu lượng khai thác nước ngầm
bằng
việc
khai
thác,
xử
lý
nguồn
nước
mặt
từ
sơng
Đà.
Viện Khoa học cơng nghệ và kinh tế xây dựng Hà Nội cũng cho rằng với mạng lưới quan trắc
lún chỉ có 10 trạm như hiện nay chưa đủ cơ sở để lập bản đồ hiện trạng lún của thành phố và
dự báo độ lún của một khu vực cũng như tồn thành phố Hà Nội.
Như vậy, chương trình nghiên cứu lún bề mặt đất thành phố Hà Nội cần phải được phát triển
thêm nhiều trạm đo lún tại tâm phễu cũng như miếng phễu lún.

b- Sụt lún Công trình Sân vận động Long An do việc khai thác nước
ngầm của Nhà máy cấp nước Long An ở bên cạnh
Công trình Sân vận động Long an được xây dựng vào những năm 1985 với kết
cấu bê tông cốt thép. Các khán đài lớn là B, C và D có 70 trục móng cột chòu tải trọng
chính, cọc móng co chiều dài 9,5m.
Cạnh sân vận động là Nhà máy cấp nước Long An, khai thác nước ngầm ở tầng
sâu 300m, Hệ thống khai thác có 7 giếng mà giếng gần nhất là cách sân vận động 500m.
Công suất khai thác là 8000m3/ngày đêm.

Cấu tạo đòa chất khu vực như sau:
−Lớp 1: Sét bột màu xám nâu đến xám trắng, độ dẻo cao trạng thái mềm, dày từ
0m-2,6m.Độ ẩm: W=43,2%, dung trọng tự nhiên: 1,747g/cm3.
−Lớp 2: Bùn sét lẫn hữu cơ và ít cát, màu xám, độ dẻo cao trạng thái rất mềm, có
chiều dày trung bình 2,5m.
−Lớp 3: Sét lẫn bột và ít cát, màu nâu vàng nhạt, xám trắng độ dẻo cao, trạng thái dẻo
cứng, có bề dày 6,2m
−Lớp 4: Sét pha cát màu nâu vàng xám trắng, độ dẻo trung bình, trạng thái dẻo
cứng, có bề dày 5,9m
Nhóm học viên thực hiện: 03
10

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

−Lớp 5: Cát vừa đến mòn lẫn bột, màu xám trắng đến nâu vàng nhạt trạng thái từ
bời rời đến chặt vừa, có bề dày 11,9m
−Lớp 6: Sét lẫn bột và ít cát màu xám trắng nâu vàng đến nâu đỏ nhạt, độ dẻo cao
trạng thái nữa cứng, dày 3,2m
−Lớp 7: Cát mòn lẫn bột, màu nâu nhạt đến nâu vàng đốm trắng, trạng thái chặt
vừa, dày 8,7m
−Lớp 8: Sét lẫn bột và ít cátmàu xám đen đến xám, độ dẻo caotrạng thái từ dẻo
cứng đến nữa cứng, dày 4,3m.
−Lớp 9: Cát vừa đến mòn lẫn bột màu xám trắng vàng nhạt, trạng thái chặt vừa đến
chặt, dày 6,5m.
Mực nước ngầm ổn đònh, tháng 3 hàng năm là -0,6m so với mặt đất hiện hữu.

Những hình ảnh khảo sát tại thời điểm tháng 11/2007 cho thấy ảnh hưởng của
hệ khung chòu lực khán đài sân vận động do quá trình cố kết của đất nền bởi họat động
khai thác nước ngầm quá gần với công trình.

Ch©n cét bÞ lón lµm háng kÕt cÊu
Nhóm học viên thực hiện: 03
11

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Cét bÞ r¨n nøt cã dÊu hiƯu lón

Cét bÞ lón g©y háng kÕt cÊu
Nhóm học viên thực hiện: 03
12

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Cét bÞ lón g©y háng kÕt cÊu

Lón vÉn ph¸t triĨn g©y nøt cét dï ®· s÷a ch÷a
Nhóm học viên thực hiện: 03
13

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

BËc cÊp bÞ lón lƯch

Cét lón nøt
Nhóm học viên thực hiện: 03
14

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

DÇm BËc cÊp bÞ ¶nh hëng

BËc cÊp bÞ lƯch do lón
Nhóm học viên thực hiện: 03
15

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Cét bÞ háng kÕt cÊu t¹i ®Çu ngµm

PHẦN II
NGHIÊN CỨU VỀ MA SÁT ÂM CỦA VIỆN NATIONAL
HIGHWAY THUỘC BỘ GIAO THÔNG MỸ
(US. DEPARTMENT OF TRANSPORTATION)
1- Hiện tượng ma sát âm – Tiêu chuẩn nhận biết :
Khi cọc được đóng xuyên qua (đặt vào) lớp đất bồi tích đang trong quá
trình cố kết, sự di chuyển xuống của đất xung quanh cọc gây ra lực kéo xuống trong
cọc. Lực kéo xuống còn gọi là sức kháng âm (ma sát âm). Sức kháng âm là sự
ngược lại của của sức kháng lên dọc theo thân cọc. Sức kháng âm làm giảm sức
chòu tải dọc trục của cọc và đặc biệt có thể quan trọng trong cọc dài xuyên qua đất
có tính nén. Vì vậy, sức kháng âm phải được qua tâm trong quá trình thiết kế cọc.
Cọc xiên nên được tránh xa trong đất có tính nén, loại đất mà được xem là có độ lún
lớn. Bởi vì trong cọc xiên thường có thêm lực uốn lớn, điều này có thể làm phá hoại
và hư hỏng cọc.
Độ lún tính toán nên được sử dụng để xác đònh giá trò độ lún của đất xung
quanh cọc sau khi đóng cọc xuyên qua đất. Độ lún giữa đất và cọc đủ để tạo nên
ma sát âm là khoảng 10 đến 12mm. Khi đóng cọc, giá trò lớn nhất của ma sát âm
Nhóm học viên thực hiện: 03
16

Trang:

Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

bằng với lực dính giữa cọc và đất. Sức kháng âm không thể lớn hơn giá trò này bởi
vì sự trượt của đất xung quanh cọc sẽ xảy ra khi đạt giá trò này. Việc quan trọng
trong tính toán thiết kế sức kháng ma sát cọc là xác đònh được độ sâu mà ở vò trí đó
cọc không bò ảnh hưởng của sức kháng âm. Ở bên dưới vò trí đó sức kháng hông mới
tiếp nhận chống đỡ tải trọng đứng.
Trường hợp thường xảy ra ma sát âm nhất là khi có lớp đất đắp lên nền
đất có tính nén thấp (chưa cố kết) sau khi đóng cọc. Điều này được thể hiện trên
hình 1a. Sức kháng âm cũng phát triển khi áp lực có hiệu quả lớn gia tăng lên lớp
đất chòu nén mà cọc xuyên qua, nguyên nhân do sự hạ thấp mực nước ngầm như
trên hình 1b.
Briaud và Tucker (1993) đưa ra tiêu chuẩn nhận biết khi có ma sát âm xảy
ra. Nếu gặp một trong những điều kiện sau đây, ma sát âm cần phải được xem xét
trong thiết kế. Các tiêu chuẩn cụ thể như sau:
1- Tổng độ lún của mặt đất lớn hơn 100mm
2- Độ lún của mặt đất sau khi đóng cọc lớn hơn 10mm.
3- Chiều cao của đất đắp trên mặt đất vượt quá 2m
4- Chiều dày của lớp đất yếu lớn hơn 10m.
5- Mực nước ngầm bò hạ thấp hơn 4m.
6- Chiều dài cọc lớn hơn 25m.
2 - Phương pháp xác đònh ma sát âm:
Sức kháng âm cũng giống như sức kháng dương, chỉ khác là ngược chiều.
Có hai phương pháp thiết kế móng cọc có ma sát âm. Phương pháp truyền thống là
tính toán lực ma sát từ tầng đất phía trên lớp đất cố kết, và cộng sức kháng này như
là một phần tải trọng đỡ cọc. Trong phương pháp này, các phương pháp được thảo

luận cho việc tính toán sức kháng dương trong đất dính và đất rời có thể được dùng.
Một phương pháp mới để xác đònh sức kháng âm dựa trên quan hệ giữa sự chuyển
vò của cọc và sự phát triển của ma sát âm, được sử dụng trong tài liệu “Downdrang
on Bitumen - Coated Piles” của Briaud và Tucker (1993).
Phương pháp xác đònh ma sát âm truyền thống:
Phương pháp α trong phần 9.7.1.3 thường được dùng để tính toán ma sát
âm trong đất dính. Trong phương pháp này, lực dính tính toán từ sức chống cắt
không thoát nước được lập phương trình lực kéo từ tầng đất đang cố kết. Tương tự ,
lực kéo (cản) từ lớp đất rời bên trên lớp đất đang cố kết được tính toán từ sức kháng
trong lớp đất rời.
Nhóm học viên thực hiện: 03
17

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Khi chọn lựa sức chống cắt không nước cho việc tính toán lực dính ma sát
âm trong phương pháp α , điều quan trọng cần ghi nhớ là lực dính của đất đang cố
kết sẽ cao hơn sức chống cắt không thoát nước theo thời gian. Lực dính nên được
tính toán bằng cách không dùng giá trò lực dính có giá trò cao, xác đònh từ sức chống
cắt không thoát nước lúc khoan lấy mẫu, hoặc đánh giá sức chống cắt không thoát
nước của đất sau khi cố kết. Lực cản bằng 100% sức chống cắt không thoát nước
của sét mềm, α =1, đựơc trình bày bởi Johansesen và Bjerrum (1965) cho mũi cọc
đóng vào lớp đất cứng. Công trình nên được thí nghiệm xác đònh tải trọng kéo vì thế
tải trọng kéo không được ước tính quá cao, kết quả là thiết kế nền móng sẽ quá đắt,
hoặc nếu ước tính thấp, kết quả sẽ vượt qua sức chòu tải của nền.

Các bước thiết kế ma sát âm :
1- Thiết lập mặt cắt đòa chất và các chỉ tiêu vật lý của đất nhằm phục vụ
cho tính toán độ lún.
2- Xác đònh độ gia tăng áp lực bên trên ∆p,
Độ gia tăng áp lực ∆p bằng với hệ số nén Kf, xác đònh từ biểu đồ phân bố
áp lực trên hình 2, bằng cách nhân chiều cao lớp đất hf và trọng lượng riêng của lớp
đất đắp δf.
Biểu đồ phân bố áp lực cho được hệ số nén Kf, ở các độ sâu khác nhau
bên dưới lớp đất đắp (x,b f) và ở các khoảng cách khác nhau từ tâm của lớp đất đắp.
Độ sâu bên dưới đáy đất đắp được cho khi nhân với b f, ở đây bf là khoảng cách từ
tâm lớp đất đắp, được cho trên hình 2.
3- Thực hiện tính toán độ lún cho các lớp đất dọc theo chiều sâu của cọc:
a- Xác đònh các thông số của thí nghiện nén cố kết từ kết quả thí nghiệm
nén cố kết trong phòng.
b- Tính toán độ lún của mỗi lớp đất sử dụng phương trình tính toán độ lún
thích hợp được cho trong mục 9.8.2.3 cho đất dính và mục 9.8.2.4 cho đất rời.
c- Tính toán độ lún tổng trên chiều sâu của cọc bằng cách tổng độ lún của
các lớp đất. Lưu ý không kể độ lún của lớp đất bên dưới mũi cọc.
4- Xác đònh chiều dài cọc sẽ chòu ma sát âm :
Ma sát âm xảy ra là do độ lún giữa đất và cọc. Giá trò độ lún giữa đất và
cọc đủ để tạo ra ma sát âm là khoảng 10mm. Vì vậy, ma sát âm chỉ xảy ra ở thân
cọc tại mỗi lớp đất hoặc một phần của lớp đất khi độ lún lớn hơn 10mm.
5- Xác đònh độ lớn của ma sát âm, QS-

Nhóm học viên thực hiện: 03
18

Trang:

Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Phương pháp sử dụng để tính toán lực ma sát âm tới hạn theo chiều dài
cọc xác đònh ở bước 4 giống như phương pháp sử dụng để tính toán lực ma sát dương
tới hạn, mặc dù rằng chúng ngược chiều nhau.
6- Tính toán khả năng chòu lực tới hạn của cọc bằng sức kháng dương và
sức kháng mũi QU+
Lực ma sát dương và kháng mũi sẽ xuất hiện bên dưới độ sâu mà sự
chuyển vò tương đối giữa đất và cọc nhỏ hơn 10mm. Lực ma sát dương có thể được
tính toán trên phần chiều dài cọc còn lại bên dưới đoạn cọc chòu ma sát âm ở bước
4.
7- Tính toán sức chòu tải của cọc QUnet có thể đạt được:
QUnet = QU+ - QS8-Xem xét các phương pháp khác để làm cho cọc có sức chòu tải cao hơn.
Phương án lựa chọn được mô tả trong mục 9.9.1.2 và bao gồm sử dụng gia
tải trước hoặc dùng bấc thấm thoát nước để giảm độ lún trước của công trình cọc,
dùng đất đắp có trọng lượng nhẹ để giảm độ lún gây ra ma sát âm, dùng việc giảm
ma sát để giảm tải trọng kéo xuống, dùng vật liệu cường độ cao, hoặc tách rời cọc
với đất đang cố kết.

3- Các phương pháp để giảm lực ma sát âm:
Ngoài thực tế hiện trường, những nơi mà ma sát âm trong cọc lớn và làm
giảm tải trọng thiết kế, lực ma sát âm có thể được xử lý hoặc giảm bớt bằng cách
một trong nhiều biện pháp kỹ thuật sau đây:
a- Giảm độ lún của đất:
Sự cố kết trước của đất có tính nén có thể được đạt được bằng cách gia tải
trước. Phương pháp này thường được sử dụng cho móng mố trụ cầu trong giai đoạn
đắp. Bấc thấm thoát nước thường được sử dụng kết hợp với gia tải trước nhằm mục
đích rút ngắn thời gian cố kết. Vấn đề thoát nước bằng bấc thấm có thể tham khảo

thêm vào quyển “Prefabricated Vertical Drains”, FHWA RD 86/168 của Rixner (1986)
và quyển “Ground Improvement Technology Manual” của FHWA Demonstration
Project 116, Elias et al (1996).
b- Dùng lớp đất đắp có trọng lượng nhẹ:
Cấu tạo của lớp đất đắp có trọng lượng nhẹ làm giảm tải trọng kéo xuống.
Đất đắp có trọng lượng nhẹ thường được sử dụng, phụ thuộc vào vật liệu có sẵn tại
chỗ, bao gồm đất, bọt, bê tông bọt, vỏ bào, xỉ bọt lò cao, và đá phiến xốp. Những dữ
Nhóm học viên thực hiện: 03
19

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

liệu thêm về đất đắp có trọng lượng nhẹ có thể tham khảo trong FHWA
Demonstration Project 116, Elias et al (1996).
c- Dùng thiết kế bò giảm ma sát:
Sơn phủ lớp bitum (nhựa đường) và tấm chất dẻo là hai phương pháp
thường dùng để giảm ma sát ở bề mặt cọc và đất. Nhựa đường chỉ nên đựơc dùng
khi chỉ một phần của cọc được đặt vào vùng ma sát âm. Trong thực tế lớp sơn phủ
bitum được ghi nhận là có thể giảm lực ma sát âm ít nhất từ 47% đến nhiều nhất là
90%. Goudreault và Fellenius (1994) đề nghò rằng sự giảm ma sát âm do hiệu ứng
của nhựa đường có thể tính toán bằng cách sử dụng giới hạn trên là 10 kPa cho lực
dính giữa cọc và đất trong vùng có lớp phủ bitum.
Một trong những vấn đề chính trong việc sử dụng lớp sơn phủ bề mặt
bitum là việc bảo vệ lớp phủ này trong quá trình hạ cọc, đặc biệt là khi đóng qua
lớp đất hạt thô. Giải pháp ít tốn kém cho vấn đề này là hàn 1 mặt bích có kích thước

dày xung quanh cọc tại vò trí kết thúc của lớp phủ nhựa đường. Cái mặt bích này sẽ
tạo một kích thước lỗ cọc thích hợp để bảo vệ lớp nhựa đường khi đóng cọc vào lớp
đất hạt mòn. Giải pháp sử dụng lớp phủ nhựa đường là một giải pháp thành công
được chấp nhận trong xây dựng, không phải là một giải pháp đặc biệt khác lạ trong
việc giải quyết cọc chòu ma sát âm.
Lớp nhựa đường phải có độ sệt thấp để tạo nên độ trượt trong đất, độ sệt
chưa đủ cao và độ bám dính, đảm bảo lớp phủ sẽ gây cản trở trong quá trình đóng
cọc, độ dẻo đủ sẽ chống lại nứt và hư hỏng lớp nhựa đường trong suốt quá trình
đóng cọc. Vì vậy, thời tiết khi đóng cọc nên được chọn lựa sao cho phù hợp.
Tấm chất dẻo làm giảm ma sát một cách tinh tế hơn Tawfig (1994) thực
hiện thí nghiệm trong phòng dùng một lớp màng polyetylen dày 0,15mm để giảm
ma sát âm. Kết quả thí nghiệm trong phòng cho thấy màng chất dẻo làm giảm ma
sát giữa đất và cọc lên đến 78% nếu dùng một lớp màng chất dẻo, và giảm đến 98%
khi sử dụng 2 lớp màng chất dẻo kết hợp với dầu kháng chất bôi trơn. Kết quả thí
nghiệm cho thấy ma sát giữa đất và cọc khi sử dụng một lớp màng vào khoảng 10
kPa và chỉ còn 1 kPa khi sử dụng hai lớp màng.
d- Gia tăng ứng suất cho phép của cọc:
Khi độ bền vật liệu cho phép của cọc không được tận dụng đầy đủ, ứng
suất thiết kế trong cọc có thể gia tăng song song với lực ma sát âm. Gia tăng độ bền
cấu trúc cũng có thể đạt được bằøng cách dùng vật liệu cọc có độ bền cao, hoặc
trong trường hợp cọc ống, có thể dùng cách gia tăng chiều dày thành ống. Độ lún
nền khi tăng tải nên được tính toán và kiểm tra lại lần nữa.

Nhóm học viên thực hiện: 03
20

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

4- Ứng dụng vào bài toán thực tế .
Cọc chòu Nam Abutment xảy ra hiện tượng ma sát âm là do độ lún của lớp
đất yếu do thi công lớp đất đắp bên trên cao khoảng 10m sau khi đóng cọc. Độ lún
này cần phải dược ưu tiên đánh giá trước để xác đònh chính xác vò trí ma sát âm và
ma sát dương dọc theo thân cọc. Phương pháp α được dùng để đánh giá cho cả hai
trường hợp ma sát âm và ma sát dương. Các bước dùng để xác đònh sức chòu tải của
cọc đã được trình bày trong phần lý thuyết ở trên.
Bước 1: Thiết lập mặt cắt đòa chất và các chỉ tiêu cơ lý của đất nhằm phục
vụ cho tính toán độ lún. (Xem hình 3).

Mặt cắt địa chất
Bước 2: Xác đònh độâ gia tăng áp lực ∆ P do lớp đất đắp.
Bề rộng mặt trên của lớp đất đắp = 12m
Độ dốc mái đắp: 2H: 1V
Chiều cao lớp đất đắp: hf = 10m
Vì vậy: bh =

12 10
+ ( ) X 2 = 16m
2
2

Nhóm học viên thực hiện: 03
21

Trang:

Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Tính toán áp lực ∆ P:
∆ P = kf. δf.hf

kf: hệ số nén
δf: trọng lượng riêng của khối đất đắp = 20 KN/m3
hf: chiều cao lớp đất đắp.

Nhóm học viên thực hiện: 03
22

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

Nhóm học viên thực hiện: 03
23

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Độ gia tăng áp lực tính toán cho trong bảng sau:

Bước 3: Thực hiện tính toán độ lún cho các lớp đất dọc theo chiều sâu
cọc.
a- Xác đònh các thông số của thí nghiệm nén cố kết thực hiện trong phòng.
Lớp đất 1: Áp lực cố kết trước, pc = 67 kPq
Hệ số rỗng ban đầu, lo = 0,94
Chỉ số nén, CC = 0,34
Nhóm học viên thực hiện: 03
24

Trang:


Tiểu luận : Móng cọc

GVHD: TS.GVC Võ Phán

Chỉ số nén lại, CC2 = 0,03
Lớp đất 2: Áp lực cố kết trước, pc = 200 kPq
Hệ số rỗng ban đầu, lo = 0,8
Chỉ số nén, CC = 0,30
Chỉ số nén lại, CC2 = 0,03
Lớp đất 3: Áp lực cố kết trước, pc = 297 kPq
Hệ số rỗng ban đầu, lo = 0,54
Chỉ số nén, CC = 0,20
Chỉ số nén lại, CC2 = 0,02
b- Tính toán độ nén cho mỗi lớp đất:

Sử dụng công thức tính toán sau:
 CC 2

. log
S=H 
1
+
l
o


po + ∆p 

po 

nếu po + ∆ p ≤ pc

 CC 2
 C
p 
p + ∆p 
. log c  + H  C . log o

po 
pC 
1 + lo
1 + lo

S = H

nếu po + ∆p > pC

Độ lún của mỗi lớp đất được cho trong bảng 2
b- Tính toán độ lún tổng trên chiều sâu của cọc bằng cách tổng độ lún của
các lớp đất.
Dựa trên bảng tính toán độ lún, độ lún tính toán là 0,499m. Bởi vì độ lún
tổng cộng dài hạn của đất sét là rất lớn (0,499m), giả thiết rằng sự gia tải trước của
đất sẽ được thực hiện bởi tải trọng phụ tạm thời trước khi đóng cọc. Cũng có giả
thiết rằng 90% độ cố kết của đất sét sẽ đạt được trước khi đóng cọc. Vì vậy, sau khi
đóng cọc, cọc sẽ chỉû lún khoảng 10% độ lún cố kết như chỉ dẫn ở cột 9 trong bảng
tính toán lún, hoặc tổng độ lún 0,0499 hay 49,9mm.

Nhóm học viên thực hiện: 03
25

Trang: