Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc tại công trình nhà công nghiệp cần thơ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.5 MB, 154 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
NGUYỄN NHƯ THẢO
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MA SÁT ÂM
ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
TẠI CƠNG TRÌNH NHÀ CƠNG NGHIỆP – CẦN THƠ
Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng
Mã số: 60.58.60
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012
Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS Võ Phán
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Lê Trọng Nghĩa
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Võ Ngọc Hà
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
Ngày 09 tháng 01 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ
2. PGS.TS Võ Phán
3. TS Lê Bá Vinh
4. TS Lê Trọng Nghĩa
5. TS Võ Ngọc Hà
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
GS. TSKH Nguyễn Văn Thơ
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
PGS. TS Võ Phán
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN NHƯ THẢO
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 01-10-1978
Nơi sinh: Bến Tre
Chuyên ngành: Địa Kỹ thuật Xây dựng
MSHV: 11091029
1. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MA SÁT ÂM ĐẾN SỨC CHỊU
TẢI CỦA CỌC TẠI CƠNG TRÌNH NHÀ CƠNG NGHIỆP – CẦN THƠ
2. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
2.1.
Nhiệm vụ: Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc tại
cơng trình nhà cơng nghiệp – Cần Thơ
2.2.
Nội dung:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng ma sát âm.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về cách xác định sức chịu tải của cọc và biện pháp
làm giảm ma sát âm.
Chương 3: Ứng dụng lý thuyết tính tốn sức chịu tải của cọc khi xét đến ma sát
âm.
Chương 4: Tính tốn cho cơng trình thực tế tại Tp Cần Thơ.
Kết luận và Kiến nghị
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
ngày 02 tháng 07
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :
ngày 30 tháng 11 năm 2012
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS.TS VÕ PHÁN
năm 2012
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng chuyên ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
PGS.TS VÕ PHÁN
PGS.TS VÕ PHÁN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Tính cấp thiết của đề tài: ...................................................................................... 1
I.
II. Mục tiêu nghiên cứu: ........................................................................................... 1
III. Phương pháp nghiên cứu: .................................................................................... 2
IV. Tính khoa học và tính thực tiễn của đề tài: .......................................................... 2
Tính khoa học: ..................................................................................................... 2
a.
b. Tính thực tiễn: ...................................................................................................... 2
V. Giới hạn đề tài nghiên cứu: .................................................................................. 2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM ................................... 3
1.1
Định nghĩa hiện tượng ma sát âm..................................................................... 3
1.2
Các nguyên nhân gây ra ma sát âm .................................................................. 6
1.2.1 Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết: ...................................................... 7
1.2.2 Khi xây dựng cơng trình mới cạnh cơng trình cũ ......................................... 8
1.2.3 Hạ thấp mực nước ngầm: ............................................................................. 8
1.2.4 Do sự nén chặt đất ........................................................................................ 9
1.3
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm ......................................... 10
1.4
Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng cơng trình ..................................... 11
1.5
Các nghiên cứu về ma sát âm ......................................................................... 12
1.6
Một số sự cố cơng trình liên quan đến ma sát âm: ......................................... 14
1.7
Nhận xét: ........................................................................................................ 18
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁCH XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA
CỌC VÀ BIỆN PHÁP LÀM GIẢM MA SÁT ÂM ................................................. 19
2.1
Mơ hình theo Joseph E.Bowles ...................................................................... 19
2.1.1 Đối với cọc đơn ma sát âm có thể được ước lượng như sau:..................... 19
2.1.2 Đối với nhóm cọc ma sát âm có thể được xác định .................................... 22
2.2
Mơ hình theo R. Frank: .................................................................................. 22
2.2.1 Ước lượng ma sát âm lớn nhất: .................................................................. 22
2.2.2 Nguyên lý tính ma sát âm cực đại: ............................................................. 23
2.2.3 Bề dày có vùng ma sát âm: ......................................................................... 23
2.2.4 Giá trị của Ktgφa: ....................................................................................... 24
2.2.5 Chiều dày h có ma sát âm lớn nhất được ước lượng như sau: .................. 24
2.3
Mơ hình theo Braja M.Das: ............................................................................ 25
2.3.1 Trường hợp:Đất sét đắp trên đất cát: ........................................................ 25
2.3.2 Trường hợp: Đất cát đắp trên đất sét ......................................................... 26
2.4
Mơ hình theo M.J.Tomlinson: ........................................................................ 26
2.5
Theo qui trình thiết kế: ................................................................................... 29
2.5.1 Theo tiêu chuẩn Xây Dựng Việt Nam TCXD 189:1996 ............................ 29
2.5.2 Theo sổ tay tính tốn thiết kế xây dựng Trung Quốc ................................ 30
2.6
Theo Briaud (1997) ........................................................................................ 30
2.7
Biện pháp làm giảm ma sát: ........................................................................... 32
2.7.1 Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của đất: ...................................... 32
2.7.2 Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng ma sát âm: ......... 33
2.7.3 Dùng sàn giảm tải có xử lý cọc hoặc tường cừ ngăn ma sát âm: .............. 34
2.8
Lý thuyết cố kết thấm trong đất yếu:.............................................................. 36
2.8.1 Bài toán cơ bản: ......................................................................................... 36
2.8.2 Bài tốn tính lún theo thời gian hoặc thời gian lún .................................. 36
2.9
Nhận xét: ........................................................................................................ 38
Chương 3: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỦA
CỌC KHI XÉT ĐẾN MA SÁT ÂM......................................................................... 40
3.1 Xác định sức chịu tải của cọc khi chưa xét đến ma sát âm ................................ 40
3.2
Xác định độ lún của cọc đơn: ......................................................................... 45
3.3
Xác định sức chịu tải của cọc theo thời gian có xét đến ma sát âm .............. 46
3.4
Nhận xét: ........................................................................................................ 48
Chương 4: TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ...................................... 49
TẠI Tp CẦN THƠ .................................................................................................... 49
4.1
Tính tốn theo nghiên cứu của đề tài: ............................................................ 49
4.2
Mơ tả về cơng trình: ....................................................................................... 49
4.3
Hướng nghiên cứu cụ thể của đề tài: .............................................................. 51
4.4
Tính tốn cụ thể: ............................................................................................. 52
4.4.1 Kết quả phân tích các số liệu tính tốn sức chịu tải của cọc khi chưa xét
đến ảnh hưởng ma sát âm: .................................................................................... 52
4.4.2 Kết quả phân tích các số liệu tính tốn sức chịu tải của cọc khi xét đến
ảnh hưởng ma sát âm: ........................................................................................... 52
4.5
Sử dụng phần mềm Plaxis mô phỏng bài toán: .............................................. 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 78
I.
Kết luận: ............................................................................................................. 78
II. Kiến nghị: ........................................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 81
PHỤ LỤC
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu với chương trình đào tạo cao học,
được sự giảng dạy tận tình của các thầy cơ bộ mơn, sau cùng tác giả đã hoàn thành
luận văn cao học chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng. Kết quả này không những là sự
cố gắng, nổ lực của bản thân mà cịn có sự động viên khuyến khích về mặt tinh thần
của cả gia đình. Xin chân thành cảm ơn ba, mẹ và tất cả mọi thành viên trong gia đình
vì đã thông cảm, ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô trong bộ môn địa cơ Nền - Móng vì đã truyền
đạt cho tác giả những kiến thức quý báu trong suốt những học kỳ qua.
Xin chân thành cám ơn PGS.TS. Võ Phán, người thầy đã tận tình hướng dẫn
và tạo sự thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn
này.
Xin chân thành cám ơn Ban Giám Đốc công ty Cổ phần Tư Vấn Cấp Thốt
Nước và Mơi Trường (Wase) đã tạo điều kiện về thời gian cho tác giả trong q trình
học và hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cám ơn Khoa quản lý chuyên ngành, Phòng Đào tạo Sau Đại
học đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt q trình học tập.
TP. Hồ Chí Minh, 30 tháng 11 năm 2012
Học viên
Nguyễn Như Thảo
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Tên đề tài:
Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc tại công trình nhà
cơng nghiệp – Cần Thơ
Tóm tắt:
Tuy việc sử dụng móng cọc bê tơng cốt thép trong các cơng trình xây dựng trên
nền đất yếu hiện nay là rất phổ biến, nhưng khi tính tốn sức chịu tải của cọc người
thiết kế thường chỉ xét đến sức kháng ở mũi cọc và ma sát tác dụng lên phần thân nằm
trong lớp đất tựa cọc, còn ma sát bên trong các lớp đất yếu thường được bỏ qua. Tuy
nhiên đối với những cơng trình được xây dựng trên nền đất mới san lấp hoặc khu vực
chịu ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm, việc bỏ qua ảnh hưởng ma sát bên
của các lớp đất yếu đối với sự làm việc của cọc có thể dẫn đến một số sự cố của các
cơng trình xây dựng trên móng cọc. Theo các số liệu báo cáo ở nước ngoài cho thấy
ma sát âm là nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng móng sâu (móng cọc).
Trong luận văn này tác giả nghiên cứu vùng ảnh hưởng ma sát âm dựa trên
chuyển vị tương đối giữa cọc và đất nền xung quanh cọc. Dựa trên quan điểm lý thuyết
về vùng ảnh hưởng ma sát âm của các tác giả đi trước, tác giả nghiên cứu xây dựng
phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo thời gian khi chịu ảnh hưởng ma sát
âm, phương pháp này dựa trên độ lún cố kết của đất nền dưới tác dụng của tải trọng
bản thân lớp đất san lấp. Đồng thời so sánh sức chịu tải của cọc trong phương pháp
này với sức chịu tải của cọc khi tính tốn trong trường hợp đất nền đạt độ cố kết “Ut =
100%” và ứng dụng tính tốn cho cơng trình cụ thể tại khu cơng nghiệp Hưng Phú 1 –
thành phố Cần Thơ. Ngoài ra tác giả cịn dùng chương trình Plaxis để mơ phỏng và lấy
số liệu tính tốn lực ma sát âm “Qnf”
SUMMARY OF THESIS
Title:
Study on the pile capacity under the influence of negative friction of the
project: Industrial Factory - Can Tho
Abstract:
The use of reinforced concrete piles in the construction on soft soil is now very
popular. However, when calculating the pile bearing capacity, the designer often
considers only end-pile resistance and friction acting on pile shaft in the soil, but
ignores the friction within soft soils. For the works to be built on a new levelled
ground or an area which is affected by the lowering of underground water, ignoring
the effect of shaft friction of weak soil layerson the pile can lead to a breakdown of the
construction work sitting on the pile foundation. According to the reported data from
foreign countries, negative friction was proved to be the top reason that causes
damaging deep foundations (pile foundation).
In this thesis, the author has studied the effective zone of negative friction based
on the relative displacement between the pile and the soil surrounding. Based on the
theoretical point of effective zone of negative friction of previous authors, the author
has studied to conduct a method for determining pile capacity with negative friction
effect; this method is based on the consolidated settlement of soil under self-weight
loading of leveling soil. Besides, the author has also compared the pile bearing
capacity of this method with the capacity of a case which the base gains consolidation
“Ut = 100%”, and applied into a specific project in Hung Phu 1 Industrial Park - Can
Tho city. The author also used the PLAXIS program to simulate and gather data to
calculate the negative friction “Qnf”.
1
MỞ ĐẦU
I.
Tính cấp thiết của đề tài:
Theo các số liệu báo cáo ở nước ngoài cho thấy ma sát âm là một trong những
nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng cho các cơng trình sử dụng móng sâu (móng
cọc). Những sự cố nền móng do ma sát âm trên cọc cũng đã được ghi nhận ở nhiều
nước như Mỹ (Moore 1947; Garlander 1974), Pháp (Florentin & L’Heriteau 1948),
Canada (Stermac 1968), v.v.... Các sự cố thường gặp là một số cây cọc trong nhóm
cọc bị kéo rời khỏi móng hoặc nghiêm trọng hơn là tồn bộ cơng trình xây dựng
trên móng cọc bị lún, vượt quá mức độ cho phép. Ở Việt Nam, hiện tượng ma sát
âm xảy ra trên cọc có thể là ngun nhân chính dẫn đến sự cố nền móng của một số
cơng trình. Vì vậy khi thiết kế móng cọc trong khu vực nền đất đang bị lún do tải
trọng bề mặt (san lấp) hoặc do hạ mực nước ngầm, v.v..., cần phải xét đến ảnh
hưởng của ma sát âm và đưa ra các biện pháp làm giảm bớt hay triệt tiêu nó. Nhiều
nghiên cứu của các tác giả về hiện tượng ma sát âm đều có chung quan điểm là:
“Vùng ảnh hưởng của ma sát âm được xác định dựa trên lý luận về cân bằng tải
trọng của lực tác dụng, sức kháng bên và sức kháng mũi của cọc”. Từ đó xác
định vùng ảnh hưởng, chiều dài đoạn cọc bị ảnh hưởng bởi ma sát âm. Đối với
những khu vực có điều kiện địa chất gồm các lớp đất yếu nằm nông bên trên so với
mặt đất tự nhiên như: Quận 7, Nhà Bè, khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, v.v...,
hoặc các khu vực trước đây là vùng trũng (ao - hồ, ruộng, v.v...), hiện tại xây dựng
cơng trình có san nền để đạt đến cao độ quy hoạch chung, hoặc tôn nền vượt lũ với
chiều dày lớp đất san nền 1m bị nghiêng, nứt, v.v.... do sự cố kết của lớp đất yếu
bên dưới nền đắp gây ra lực ma sát âm tác dụng lên cọc, làm tăng tải trọng tác dụng
lên cọc. Những sự cố đó làm ảnh hưởng đến cơng năng sử dụng hoặc sức chịu tải
của nền-móng cơng trình.
II.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Sự phân bố lực ma sát âm đối với cọc bê tông cốt thép trong đất nền.
- Phân tích các yếu tố về độ cứng và chiều dài cọc bê tông cốt thép khi chịu
ảnh hưởng của ma sát âm.
2
- Thiết lập mối quan hệ giữa giá trị lực ma sát âm theo thời gian (tùy thuộc vào
chiều cao khối đắp) với sức chịu tải cực hạn và sức chịu tải cho phép của cọc
bằng việc tính tốn chi tiết dựa vào số liệu thực tế tại cơng trình ở Cần Thơ. Từ
đó so sánh tỷ số giữa giá trị lực ma sát âm theo thời gian và lực ma sát âm lớn
nhất (giá trị an tồn) khi khơng xét đến ảnh hưởng của độ lún cố kết.
III.
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cách tính tốn sức chịu tải của cọc bê tơng cốt
thép khi chịu ma sát âm của các tác giả đi trước.
- Trong tính tốn tác giả đã sử dụng phần mềm Microsoft Excel để lập các
cơng thức. Ngồi ra tác giả cịn sử dụng phần mềm Plaxis để mơ phỏng và lấy
số liệu tính tốn lực ma sát âm “Qnf”, của cơng trình nhà cơng nghiệp Hưng Phú
1 - Tp Cần Thơ.
IV.
Tính khoa học và tính thực tiễn của đề tài:
a. Tính khoa học:
Tính sức chịu tải của cọc tại cơng trình được xây dựng trên nền đất yếu, do
các điều kiện khách quan hoặc chủ quan gây ra ma sát âm làm giảm sức chịu tải
của cọc
b. Tính thực tiễn:
- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm của cọc và cách khắc phục
- Xác định sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép theo thời gian khi chịu ảnh
hưởng ma sát âm.
- Xác định độ lún của nền và độ lún của cọc đơn.
- Xác định khoảng chiều dài thân cọc chịu ma sát âm.
V.
Giới hạn đề tài nghiên cứu:
- Cơng trình nghiên cứu cịn mang tính chất tổng hợp các lý thuyết đã học và
sưu tầm.
- Chỉ xét đến ảnh hưởng của ma sát âm trên cọc đơn, chưa xét đến nhóm cọc.
- Khơng có đủ điều kiện kiểm chứng sức chịu tải của cọc ở hiện trường để so
sánh với lý thuyết đã tính tốn.
3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM
1.1 Định nghĩa hiện tượng ma sát âm
Khi san lấp bên trên lớp đất có tính nén lún thì q trình lún cố kết sẽ xảy ra.
Sau khi cọc xuyên qua lớp đất này (sau hoặc trước khi san lấp) và trước khi quá
trình cố kết của lớp đất chấm dứt hoặc do hạ mực nước ngầm, v.v.... [2][15] Nếu tốc
độ lún cố kết của đất nền nhanh hơn tốc độ lún của cọc, thì sự lún tương đối này sẽ
phát sinh lực kéo cọc đi xuống gọi là lực ma sát âm (Negative skin friction or drag
load and downdrag). Trường hợp cọc chỉ nằm trong lớp đất yếu (đất mềm), khơng
tựa mũi vào lớp đất tốt (đất cứng) cịn gọi là “cọc treo”, cũng có thể bị ảnh hưởng
của ma sát âm dưới tác động của tải phân bố trên mặt đất hoặc do các tác động gây
ra biến dạng đất nền như việc nâng hay hạ mực nước ngầm, v.v....
Lực ma sát âm có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, nó tỷ lệ với áp lực ngang
của đất tác động lên cọc và tốc độ lún cố kết. Hiện tượng này sẽ kết thúc khi độ lún
cố kết của đất chấm dứt, khi đó ma sát giữa đất và cọc trở thành ma sát dương.
Lực ma sát âm không chỉ tác động lên mặt bên của thân cọc mà còn tác động
lên mặt bên của đài cọc, mặt bên của mố cầu, hoặc mặt tường chắn có tựa lên cọc.
[20] Khi có tác động của tải trọng cơng trình, sẽ gây ra độ lún cho cọc, vì vậy làm
giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc (giảm ma sát âm) ít nhất ở phần
trên và nhiều hơn ở đoạn dưới. Trong thực tế tính tốn, những tác động của hoạt tải
ngắn hạn chỉ được xem xét khi nó gây ra được sự giảm ma sát âm.
[5] Theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả nước ngoài khi đóng cọc trong
nền đất yếu, sự nén chặt của đất xung quanh cọc và đặc biệt ở mũi cọc hầu như
không đáng kể. Biến dạng phụ thêm cũng như biến dạng khơng đồng đều có khả
năng phát triển theo thời gian, vì vậy khi sử dụng móng cọc cần nghiên cứu kỹ đối
với mỗi trường hợp địa chất cụ thể.
Ta có thể so sánh sự phát sinh lực ma sát âm và lực ma sát dương thơng qua
hình vẽ sau: (hình 1.1) 18
4
Hình 1.1.Cọc xuyên qua lớp đất mềm và chống vào lớp đất tốt
(a) Lực ma sát dương ngay khi đóng cọc – (b) Lực ma sát âm
Theo Fellenius, [19][21] vị trí mặt trung hịa là hàm số của sự cân bằng giữa
các lực cắt dọc thân cọc khi chúng đã được huy động hoàn toàn. Sức kháng mũi
cũng đã được huy động một phần hoặc toàn bộ. Các lực và sức kháng là kết quả của
quá trình lún của đất, hay sự khác biệt về độ cứng giữa đất và cọc. Khi thiết kế
móng cọc cần phải lưu ý đến các yếu tố như: sự phân bố sức kháng bên và sức
kháng mũi, sự cân bằng lâu dài giữa tổng sức kháng bên, sức kháng mũi với lực tác
dụng của ma sát âm (ma sát âm tồn tại từ vị trí đầu cọc đến mặt phẳng trung hịa),
[20] độ dài của vùng chuyển tiếp ở lân cận phía trên và dưới của mặt phẳng trung
hòa (mặt phẳng trung hòa là nơi mà lực cắt dọc theo cọc chuyển từ âm sang dương).
Khi thay đổi lực tác dụng lên đầu cọc thì vị trí mặt phẳng trung hịa sẽ thay đổi do
sự xuất hiện kết quả của sự cân bằng lực mới. Khi phân tích chuyển vị của móng
cọc cần phân biệt chuyển vị do ngoại lực tác dụng lên cọc và chuyển vị do các
nguyên nhân khác (hạ mực nước ngầm, gia tải, v.v...).
Trong các điều kiện thường gặp, chuyển vị của cọc dưới tác dụng của tải trọng
từ kết cấu bên trên lớn hơn độ lún của đất nền, khi đó ma sát bên giữa đất và cọc có
xu hướng cản trở độ lún của cọc. Lực ma sát phát sinh trong điều kiện này có hướng
tác dụng ngược với hướng tác dụng do tải trọng của kết cấu bên trên, được gọi là
ma sát dương. Ta có thể so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương từ các hình
vẽ sau (hình 1.2)15:
5
Hình 1.2a. Phát sinh ma sát dương
Hình 1.2b. Ma sát âm do lớp đất mới đắp gây ra hiện tượng cố kết cho lớp đất yếu
Hình 1.2c. Ma sát âm khi lớp sét xốp cố kết do thoát nước hoặc có thêm lớp đất mới đắp.
Qua ba hình minh họa trên ta thấy ma sát âm có thể xuất hiện trong một phần
hay tồn bộ thân cọc, nó phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưa cố kết.
Trường hợp toàn bộ thân cọc chịu tác dụng của ma sát âm thì rất nguy hiểm, vì sức
chịu tải của cọc lúc này chỉ cịn sức kháng mũi cọc.
Thơng thường khi tác động các tải trọng lên cơng trình, sẽ gây ra độ lún cho
cọc vì vậy làm giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghĩa làm
6
giảm ma sát âm), ít nhất ở đoạn trên và nhiều hơn ở đoạn dưới của cọc. Như vậy
những tác động do ma sát âm sẽ xuất hiện nhiều ở khu vực gần đầu cọc.
1.2 Các nguyên nhân gây ra ma sát âm
Ma sát âm xuất hiện do tải trọng bản thân của lớp đất chưa cố kết hoặc do san
lấp mặt bằng, nó được thể hiện qua độ lún của đất gần cọc và độ lún này lớn hơn độ
lún và tốc độ lún của cọc khi cọc chịu tác động của tải trọng cơng trình. Trong
trường hợp này đất gần như buông khỏi cọc và tải trọng của đất xung quanh lúc này
sẽ cộng vào tải trọng công trình tác dụng lên cọc (do lớp đất này phát sinh lực ma
sát kéo cọc đi xuống).
Khi nền cơng trình được tôn cao, sẽ tạo ra tải trọng tác dụng xuống lớp đất bên
dưới, gây ra hiện tượng cố kết cho lớp đất này, hoặc chính lớp đất đắp này dưới tác
dụng của tải trọng bản thân cũng xảy ra q trình cố kết. Ta có thể xem xét cụ thể
các trường hợp sau: (hình 1.3) 15 [17]:
Hình 1.3. Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền
+ Trường hợp (a): Cọc xuyên qua lớp sét đắp bên trên một tầng cát, tầng sét
đắp này sẽ cố kết từ từ, sinh ra một lực ma sát âm tác dụng lên cọc trong suốt quá
trình lớp đất cố kết.
+ Trường hợp (b): Cọc xuyên qua lớp cát đắp bên trên lớp sét yếu, sẽ gây ra sự
cố kết trong lớp sét này, tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc.
+ Trường hợp (c): Cọc xuyên qua lớp sét đắp bên trên lớp sét yếu, sẽ gây ra sự
cố kết trong cả lớp sét đắp và lớp sét yếu bên dưới, tạo ra một lực ma sát âm tác
dụng vào cọc.
Trường hợp cọc chống vào tầng đất chịu lực cùng với sự xuất hiện của tải
trọng bề mặt, có thể xảy ra các trường hợp như hình vẽ sau:15 [18]
7
Hình 1.3. Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền (tiếp theo)
+ Trường hợp (d): Với nền đắp là tầng cát xốp sẽ có biến dạng lún tức thời,
đặc biệt khi đất nền chịu sự rung động hoặc sự thay đổi của mực nước ngầm, sự tác
động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra biến dạng lún cho lớp cát này.
+ Trường hợp (e): Với nền đắp là tầng sét yếu, biến dạng lún có thể rất nhỏ khi
nền không chịu tác động của tải trọng bề mặt. Tuy nhiên khi đóng hay ép cọc sẽ gây
ra sự cấu trúc lại của nền sét, vì vậy biến dạng lún của nền sét sẽ xảy ra dưới tác
dụng của tải trọng bản thân nền.
+ Trường hợp (f): Bình thường là bất kỳ nền đất đắp nào cùng sẽ tạo ra biến
dạng lún theo thời gian dưới tác dụng của trọng lực.
Việc xác định mối quan hệ giữa độ lún của đất nền ở phía trên và độ lún của
cọc là cần thiết để có thể đưa ra biện pháp xử lý phù hợp. Biện pháp thiên về an
tồn trong trường hợp đất nền ở phía trên lún xuống phía dưới lớn hơn độ lún cọc là
giả định tải trọng truyền toàn bộ tới đỉnh của lớp đất nền bên dưới.
1.2.1 Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết:[15]
Trong thực tế việc đóng hoặc ép cọc trên nền đất đang cố kết, thường xuyên
xảy ra trong các cơng trình xây dựng: cầu - đường, nhất là đoạn đường dẫn vào cầu
(tại vị trí tiếp giáp). Dưới tác dụng của tải trọng do lớp đất đắp gây ra, tầng đất yếu
bên dưới sẽ bị lún tạo ra ma sát âm tác dụng lên cọc, giá trị của lực ma sát âm này
có khi cịn lớn hơn sức chịu tải của cọc, thậm chí cịn có khuynh hướng tạo ra
chuyển dịch ngang của mố cầu, nhưng sự dịch chuyển này có thể giảm nếu ta sử
dụng phương pháp thiết kế nền móng hợp lý.
8
1.2.2 Khi xây dựng cơng trình mới cạnh cơng trình cũ
Đối với các cơng trình nhà xưởng, kho hàng, v.v..., xây dựng tại những vùng
đất yếu. Các tải trọng phụ lớn đặt trên nền kho bãi làm cho lớp đất yếu bên dưới bị
lún xuống.[3] Phụ tải của nền gần móng (đối với các cơng trình xây chen) ngun
tắc xác định vùng ứng suất ở đáy móng của cơng trình mới lên đáy móng cơng trình
cũ, ảnh hưởng của các tải trọng phụ đặt gần nhau là dựa trên đường đẳng ứng suất
(ứng suất hướng thẳng đứng nếu xét đến biến dạng lún hoặc ứng suất hướng ngang
nếu xét đến biến dạng trượt), xem hình vẽ sau:[7]
Hình1.4. Ma sát âm tác dụng lên cọc của cơng trình cũ khi xây dựng cơng trình mới
1.2.3 Hạ thấp mực nước ngầm:[15]
Việc hạ thấp mực nước ngầm cũng 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, làm tốc độ
lún của đất xung quanh cọc vượt quá tốc độ lún của cọc và xảy ra hiện tượng các
lớp đất xung quanh kéo cọc đi xuống.
Hiện tượng này được giải thích như sau: Khi hạ thấp mực nước ngầm:
+ Áp lực nước lỗ rổng u giảm;
+ Áp lực có hiệu thẳng đứng h lên các hạt đất tăng;
Biểu đồ tương quan giữa u và h trong trường hợp bài tốn nén một chiều và
tải trọng ngồi q phân bố đều khắp:
9
Hình 1.5. Biểu đồ tương quan giữa u và h
Trong đó:
+ h = q = const: Ứng suất tồn phần.
+ Ha: Vùng hoạt động của ứng suất phân bố trong đất
+ Đất bình thường: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó: z = 0.2bt
+ Đất yếu: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó:z = 0.1bt
+ bt : Ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày Ha
1.2.4 Do sự nén chặt đất
Trong q trình đóng (ép) cọc, đất xung quanh cọc sẽ bị nén lại. Do ứng suất
nén cao, nước bắt đầu tiêu tán ra xung quanh (hình 1.6a). Sau khi đóng cọc, nước
bắt đầu thấm trở lại và khơi phục về trạng thái ban đầu (hình 1.6b). Do sự luân
chuyển của nước, quá trình cố kết bắt đầu xảy ra, xuất hiện hiện tượng ma sát âm
tác dụng lên thân cọc. Tuy nhiên theo thí nghiệm của Fellenius & Broms (1969) cho
thấy giá trị ma sát âm trong trường hợp này là không lớn, chỉ khoảng 17% giá trị
sức chống cắt trung bình khơng thốt nước của đất nền.
10
Hình 1.6. Sự di chuyển của nước gần thân cọc
(a) Trong q trình đóng cọc (b) Sau khi đóng cọc
Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998: Hiện tượng ma sát âm được xét đến trong
các trường hợp sau 9:
- 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 bị ngập nước;
- Tăng ứng suất hữu hiệu trong đất do mực nước ngầm bị hạ thấp;
- Tôn nền quy hoạch có chiều dày lớn hơn 1m;
- Phụ tải trên nền kho lớn hơn 20 kPa;
- Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ trong đất bị phân hủy.
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm [15]
Ma sát âm là hiện tượng phức tạp, 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 nền, chiều dày lớp đất yếu, tính trương nở của đất;
- Tải trọng chất tải (chiều cao lớp đất san nền, phụ tải, v.v...);
- Thời gian chất tải cho đến khi xây dựng cơng trình;
- Độ lún của nền đất sau khi đóng cọc, độ lún của móng cọc;
- Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc ….
11
Trị số của lực ma sát âm có liên quan đến sự cố kết của đất, phụ thuộc vào ứng
suất có hiệu của đất xung quanh cọc. Như vậy lực ma sát âm sẽ phát triển theo thời
gian và có trị số lớn nhất khi đất nền kết thúc cố kết.
[12] Bất kỳ một sự dịch chuyển nào xuống phía dưới của nền đất đối với cọc
đều sinh ra lực ma sát âm. Tải trọng này có thể truyền hồn toàn từ đất nền sang cọc
khi mối tương quan về chuyển vị khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kính
cọc. Khi chuyển vị tương đối của đất đến 15mm thì ma sát âm được phát huy đầy
đủ. Một giả thiết thường được sử dụng trong thiết kế là toàn bộ lực ma sát âm sẽ
xảy ra khi có một sự dịch chuyển tương đối của nền đất.
Theo Zevaert (1972) ảnh hưởng của ma sát âm đối với sự làm việc của cọc
được thể hiện ở hai khía cạnh sau:
- Làm tăng tải trọng tác dụng lên cọc: Ngoài tải trọng từ kết cấu bên trên, cọc
còn phải chịu tác dụng của ma sát âm.
- Làm giảm khả năng chịu tải của cọc: Do một phần trọng lượng của đất được
truyền lên cọc nên áp lực của cột đất tại độ sâu mũi cọc giảm đi, làm giảm
khả năng chịu tải của lớp đất tựa cọc.
1.4 Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng cơng trình[15]
Khi cọc ở trong đất thì sức chịu tải của cọc được thể hiện qua thành phần sức
kháng ma sát bên và sức kháng mũi cọc. Khi cọc bị ảnh hưởng ma sát âm thì sức
chịu tải của cọc giảm do phải gánh thêm lực kéo xuống. Ngồi ra do q trình cố
kết của các lớp đất gây nên khe hở giữa đài cọc và lớp đất dưới đài, lúc này toàn bộ
tải trọng của đài đều do cọc gánh chịu, làm tăng thêm ứng suất phụ tác dụng lên
móng cọc. Đối với đất trương nở, ma sát âm có thể gây ra tải trọng phụ rất lớn tác
dụng lên móng cọc.
Theo báo cáo đo đạc của Bjerrum và các cộng sự (1969), Bozozuk (1972),
Bozozuk và các cộng sự (1979), ma sát âm có thể vượt quá tải trọng cho phép của
cọc.
Trong một số trường hợp lực ma sát âm có thể khá lớn, có thể vượt quá tải
trọng tác dụng lên đầu cọc nhất là đối với cọc có chiều dài lớn như: Năm 1972,
Fellenius đã đo được quá trình phát triển lực ma sát âm của 02 cọc bê tông cốt thép
12
đóng qua lớp đất sét dẻo mềm dày 40m, và lớp cát dày 15m. Sự cố kết lại của lớp
sét do đóng cọc đã tạo ra lực kéo xuống cho mỗi cọc là: 300 (KN) trong thời gian 5
tháng và lực kéo này đạt giá trị 440 (KN) 16 tháng sau đó.
Johanessen và Bjerrum đã theo dõi sự phát triển của hiện tượng ma sát âm trên
cọc thép xuyên qua lớp đất sét dày 53m tựa mũi trên nền đá. Với lớp đất đắp bằng
cát dày 10m bên trên, quá trình cố kết của lớp đất sét bên dưới đã gây ra độ lún
1,2m và một lực kéo xuống tại mũi cọc khoảng 1500 (KN). Ứng suất tại mũi cọc lúc
này ước tính đạt đến 190 (KN/m2) và có khả năng xuyên thủng nền đá.
Khi sử dụng giếng cát: Ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết của nền đất có
sử dụng giếng cát, gây ra hiệu ứng treo của đất xung quanh giếng, lớp đất xung
quanh bám vào giếng cát làm cản trở độ lún và cản trở quá trình tăng khả năng chịu
tải của đất nền xung quanh giếng cát.
Qua phân tích cho thấy tác dụng chính của ma sát âm: Làm gia tăng lực nén
dọc trục cọc, làm tăng độ lún của cọc, ngoài ra do lớp đất đắp bị lún tạo ra khe hở
giữa đài cọc và lớp đất bên dưới đài nên có thể làm thay đổi moment uốn tác dụng
lên đài cọc. Lực ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết thốt nước của nền khi có
gia tải trước và có dùng giếng cát, cản trở q trình gia tăng khả năng chịu tải của
đất nền xung quanh giếng cát. Ngồi ra ma sát âm cịn có thể làm tăng lực ngang tác
dụng lên cọc.
1.5 Các nghiên cứu về ma sát âm
Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về ma sát âm phát sinh do tải trọng
của đất đắp và do ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm đã được thực hiện ở nhiều
nước. Theo các báo cáo cho thấy sự phát triển của ma sát âm phụ thuộc vào nhiều
yếu tố, trong đó có yếu tố thời gian. Theo Poulos (1980), các yếu tố có ảnh hưởng
lớn nhất đến ma sát âm là: [12]
a) Các đặc điểm của cọc: Loại cọc, phương pháp thi công, chiều dài, mặt cắt
tiết diện, biện pháp xử lý bề mặt (nếu có);
b) Các đặt điểm của đất nền: Cường độ, tính nén lún, độ sâu của lớp đất yếu, độ
cứng của lớp đất tựa cọc;
c) Nguyên nhân gây lún nền;
13
d) Thời gian kể từ khi thi công cọc.
Poulos (1980) đã tổng kết một số kết quả quan trắc về ma sát âm tác dụng lên
cọc trong những điều kiện đất nền khác nhau của các tác giả, cho thấy lực ma sát
âm phát sinh trên cọc rất lớn. Với lực ma sát âm như vậy, nếu sức chống của lớp đất
tựa cọc khơng đủ lớn thì cọc có khả năng bị phá hoại ngay khi chưa chịu tải trọng
của kết cấu bên trên.
Bảng 1.1. Kết quả quan trắc ma sát âm tác dụng lên cọc (theo Poulos, 1980)
Nguồn tài
liệu
Loại cọc
Johannesen Cọc ống thép mũi
& Bjerrum kín, đóng chống
(1965)
vào đá
Cọc A: Ống thép
mũi kín, chống vào
đá
Bjerrum & Cọc B: Có mũi mở
Johannesen rộng
(1969)
Cọc D: Có mũi mở
rộng
Hiện trường
Sorenga: Cọc C,
Bjerrum &
ống thép đóng
Johannesen
chống vào đá
(1969)
Cọc D: Có mũi mở
rộng
Fellenius, Cọc BTCT đúc sẵn
Broms
chống vào lớp cát
(1969)
bụi
(1) Cọc ống thép,
Endo,
mũi kín, đóng,
chống vào đất bồi
Minou,
Kawasaki, tích
Shibata
Cọc ống thép, mũi
(1969)
hở, đóng, như cọc
(1)
Bozozuk Cọc hỗn hợp ống
&Labreque thép bên trong đổ
(1969)
bê tông
Điều kiện
đất nền
Sét yếu, trầm
tích biển
7m đất san
lấp, sét pha,
cát pha
Sét trầm tích
biển yếu
Sét trầm tích
biển rất yếu
và nhạy
L (m)
d
(cm)
Lực
ma sát
âm
(tấn)
53
47
400
57
50
300
41
50
250
30
30
120
Khơng
qt bitum
27
30
10
Có qt
bitum
30
30
100
Khơng
qt bitum
57
50
300
Khơng
qt bitum
57
50
15
Có qt
bitum
40
32
30
43
61
250
300
43
61
180
82
99
920
Cát bụi, bụi
Cát pha
Ghi chú
Không
quét bitum
14
Tóm lại, hiện tượng ma sát âm đã được nhiều tác giả như Joseph E.Bowles,
M.J.Tomlinson, Braja M Das, Fellenius, ..., nghiên cứu với các quan điểm khác
nhau, nhưng đều có chung kết luận là “phạm vi ảnh hưởng ma sát âm từ 2/3L đến
3/4L” (L: chiều dài cọc xuyên qua lớp đất yếu). Ở Việt Nam cũng có nhóm tác giả
[16] đã nghiên cứu và kiến nghị phương pháp tính ma sát âm áp dụng cho điều kiện
đất yếu ở Việt Nam. Riêng thực nghiệm về ma sát âm cũng đã được thực hiện tại
một số hiện trường (như thí nghiệm nhổ cọc tại hiện trường Bà Rịa – Vũng tàu).
Ngồi ra cịn có các luận văn thạc sĩ [4] [7][13].... Các tác giả cũng đã nghiên cứu
hiện tượng ma sát âm dựa trên quan điểm về vùng ảnh hưởng của ma sát âm.
1.6 Một số sự cố cơng trình liên quan đến ma sát âm:
Sự cố móng cọc do ma sát âm [10] đã được ghi nhận ở nhiều nước như Mỹ
(Moore 1947; Roberts & Daragh 1963; Garlander 1974), Pháp (Florentin &
L’heriteau 1948), Argentina (Moretto Bolognesi 1960), Liên Xô (Iovchuk &
Babitskii 1967), Canada (Stermac 1968) và Nhật Bản (Kishida & Takano 1976).
Các sự cố thường gặp là một số cọc trong nhóm cọc bị mất khả năng chịu tải và bị
kéo rời khỏi móng hoặc nghiêm trọng hơn là tồn bộ cơng trình xây dựng trên móng
cọc bị lún q mức cho phép.
Vài hình ảnh thực tế về cơng trình hư hỏng do ma sát âm (khi sử dụng móng
cọc có chiều dài khác nhau. Sau đây là một cơng trình xây dựng trên nền sét yếu
Bangkok, bị hư hỏng do hiện tượng ma sát âm:(theo kiwi ket cau)
Hình1.7. Cơng trình sử dụng móng cọc có độ dài khác nhau
15
Hình1.8. Theo thời gian, cọc bị kéo xuống do ma sát âm
Hình 1.9. Cọc bị kéo xuống
Ở Việt Nam hiện tượng ma sát âm có thể là ngun nhân chính dẫn đến sự cố
nền móng của một số cơng trình như:[10]
Nhà của khoa vật lý thuộc trường Đại học sư phạm Hà Nội sử dụng cọc đóng
tiết diện (30x30)cm. Do ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm xung quanh
khu vực nhà máy nước Mai Dịch, móng của cơng trình bị lún làm hư hỏng kết cấu
bên trên.
Sự sụt lún Cơng trình Sân vận động Long An do việc khai thác nước ngầm ở
tầng sâu 300m của Nhà máy cấp nước Long An ngay bên cạnh. Những hình ảnh
16
khảo sát tại thời điểm tháng 11/2007 cho thấy ảnh hưởng của hệ khung chịu lực
khán đài sân vận động do quá trình cố kết của đất nền bởi hoạt động khai thác
nước ngầm q gần với cơng trình.
Chân cột bị lún làm hỏng kết cấu
Dầm Bậc cấp bị ảnh hưởng
Cột bị lún gây hỏng kết cấu
Cột bị hỏng kết cấu tại đầu ngàm
Bậc cấp bị lệch do lún
Lún vẫn phát triển gây nứt dù đã sữa chữa
Sự cố cục bộ xảy ra ở 01 cọc (40x40)cm2 dài 32m được bố trí dưới cột một
kết cấu nhẹ thuộc cơng trình ở Bà Rịa – Vũng tàu, cọc được đóng vào lớp cát san
nền dày (3 4)m và lớp đất yếu dày (11 12)m, tựa mũi vào lớp cát hạt trung bên
