Masatam-nhom3 f5 Final

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG: ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

BỘ MÔN: ĐỊA – CƠ NỀN MÓNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

KỸ THUẬT NỀN MÓNG NÂNG CAO

ĐỀ TÀI SỐ 3

ẢNH HƯỞNG MA SÁT ÂM

ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

GVHD: PGS. TS. VÕ PHÁN

NHÓM HVTH: NHÓM III

LỚP ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG K2012

1. 1. VÕ VĂN BÁCH 10. NGUYỄN TIẾN HOÀNG NGHĨA

2. ĐỖ THÀNH DANH 11. NGUYỄN TRÍ NGỌC

3. ĐINH HỮU DỤNG 12. VÕ THI PHƯƠNG NGỌC

4. LÊ ANH DUY 13. LÊ PHƯƠNG

5. NGUYỄN HOÀNG DUYỆT 14. ĐẶNG HƯNG THẠNH

6. LỘ TRỌNG ĐĂNG 15. HÀN THỊ XUÂN THẢO

7. VÕ MINH KHA 16. NGUYỄN VIẾT TUẤN

8. LIÊN HƯNG KIỆT 17. NGÔ THỊ THANH TÂM

9. TRƯƠNG THỊ THÚY LOAN

TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 11/2012

MÔN HỌC: KT NỀN MÓNG NÂNG CAO GVHD: PGS. TS. VÕ PHÁN

ĐỀ TÀI SỐ 3 i

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM ......................................... 4

1.1. Định nghĩa hiện tượng ma sát âm và các thuật ngữ liên quan ......................................... 4

1.1.2. Các thuật ngữ liên quan đến ma sát âm .......................................................................... 7

1.2. Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm ............................................................................ 8

1.2.2. Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền ................................................. 8

1.2.3. Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết ........................................................................ 10

1.2.4. Mực nước ngầm bị hạ thấp ........................................................................................... 11

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm .......................................................... 13

1.4. Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình và tư liệu thực tế ......................... 13

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MA SÁT ÂM ........................................... 15

2.1. Tính SCT của cọc xét đến ma sát âm theo tiêu chuẩn Việt Nam ................................... 15

2.1.1. Xác định độ lún ổn định của nền .................................................................................. 15

2.1.2. Xác định độ lún của cọc đơn ........................................................................................ 16

2.1.3. Xác định chiều sâu vùng có khả năng xuất hiện ma sát âm ......................................... 17

2.1.4. Xác định sức chịu tải của cọc có kể đến ma sát âm ...................................................... 17

2.2. Tính SCT của cọc xét đến ma sát âm tiêu chuẩn kỷ thuật các công trình cảng Nhật Bản17

2.2.1. Mở đầu .......................................................................................................................... 17

2.2.2. Lý thuyết tính toán ........................................................................................................ 18

2.3. Tính ma sát âm theo “Principles of foundation engineering” Braja Das ....................... 21

2.3.1. Nguyên nhân gây ra ma sát âm ..................................................................................... 21

2.3.2. Phương pháp tính lực ma sát âm .................................................................................. 21

2.4. Mô hình tính toán ma sát âm bằng phần mềm PTHH Plaxis ......................................... 24

2.4.1. Tổng quan ..................................................................................................................... 24

2.4.2. Mô hình tính toán đất nền ............................................................................................. 25

2.4.3. Quy trình mô hình cọc xuất hiện ma sát âm ................................................................. 26

2.4.4. Ứng dụng phương pháp truyền tải trọng (Load-transfer methods) xác định ma sát âm

bằng phần mềm Plaxis 3D. ..................................................................................................... 27

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VỚI CÔNG TRÌNH THỰC TẾ .................... 29

3.1. Xác định ảnh hưởng của ma sát âm đối với cọc đơn. .................................................... 29

3.1.1. Công trình Luồng cho tàu biển – Trà Vinh .................................................................. 29

3.1.2. Thống kê địa chất.......................................................................................................... 34

3.1.3. Tính toán ảnh hưởng ma sát âm .................................................................................... 34


ĐỀ TÀI SỐ 3 ii

3.1.4. Tính toán xác định giá trị lực ma sát âm theo lý thuyết Braja Das. .............................. 39

3.1.5. Xác định giá trị ma sát âm sử dụng phần mềm Plaxis. ................................................. 40

3.1.6. So sánh giá trị ma sát âm của cọc đơn giữa các phương pháp tính. ............................. 44

3.2. Xác định ảnh hưởng MSA đối với nhóm cọc bằng phần mềm Plaxis ........................... 45

3.2.1. Mô hình tính toán. ........................................................................................................ 45

3.2.2. Kết quả tính toán ........................................................................................................... 45

3.3. Ứng dụng phần mềm Plaxis trong đánh giá ảnh hưởng ma sát âm................................ 48

3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của ma sát âm đến công trình lân cận. ......................................... 48

3.3.2. Ảnh hưởng của MSA đối với móng cọc của công trình cũ khi xây dựng công trình kề

bên dạng móng bè ................................................................................................................... 54

3.3.3. Xem xét sự dâng lên và hạ xuống của mực nước ngầm ảnh hưởng đến sức chịu tải của

cọc ........................................................................................................................................... 60

3.3.4. Nhận xét ........................................................................................................................ 62

CHƯƠNG 4: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA MSA ............................... 63

4.1. Khái quát ........................................................................................................................ 63

4.2. Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất ..................................................... 63

4.2.1. Nội dung biện pháp ....................................................................................................... 63

4.3. Biện pháp làm giảm tải trọng lên đất nền ...................................................................... 64


4.3.2. Ưu điểm ........................................................................................................................ 65

4.3.3. Nhược điểm .................................................................................................................. 65

4.4. Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng ma sát âm ............................... 65


4.4.2. Ưu điểm ........................................................................................................................ 66

Thi công đơn giản, kinh phí thấp ............................................................................................ 66

4.4.3. Nhược điểm .................................................................................................................. 66

4.5. Các biện pháp khác ........................................................................................................ 66

4.5.1. Phương pháp điện thấm (Electro Osmosis) .................................................................. 66

4.5.2. Cách ly giữa vùng môi trường đất nền có khả năng xảy ra ma sát âm và bề mặt cọc . 67

4.5.3. Hệ thống cọc bảo vệ xung quanh nhóm cọc chính ....................................................... 67

4.5.4. Phương pháp sử dụng lớp bao phủ bằng bùn Betonite và Bittum ................................ 68

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ............................................................................ 75

5.1. Kết luận .......................................................................................................................... 75

5.1.1. Hiện tượng ma sát âm ................................................................................................... 75


ĐỀ TÀI SỐ 3 iii

5.1.2. Các phương pháp tính toán ma sát âm .......................................................................... 75

5.2. Kiến nghị ........................................................................................................................ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 78


ĐỀ TÀI SỐ 3 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MA SÁT ÂM

1.1. Định nghĩa hiện tượng ma sát âm và các thuật ngữ liên quan

1.1.1. Định nghĩa hiện tượng ma sát âm

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

trình cố kết chưa hoàn toàn, khi 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 chịu tải của cọc goïi laø hiện tượng ma sát âm,

lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm.

P P

ÑAÁT SEÙT MEÀM

hay

ÑAÁT ÑAÉP COÙ

TÍNH NEÙN LUÙN

ÑAÁT TOÁT

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

Ma sát âm (negative skin friction) là hiện tượng đất xung quanh cọc bị lún cố kết lớn

hơn chuyển vị xuống dưới/biến dạng nén của cọc; việc này gây thêm một tải trọng hướng

xuống lên cọc. Ma sát âm trên cọc là yếu tố không thể bỏ qua khi thiết kế móng cọc trong

khu vực mới san nền trên đất yếu và trong vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực

http://ketcau.wikia.com/wiki/C%E1%BB%8Dc

http://ketcau.wikia.com/wiki/L%C3%BAn

http://ketcau.wikia.com/wiki/Chuy%E1%BB%83n_v%E1%BB%8B

http://ketcau.wikia.com/wiki/Bi%E1%BA%BFn_d%E1%BA%A1ng

http://ketcau.wikia.com/wiki/T%E1%BA%A3i_tr%E1%BB%8Dng


ĐỀ TÀI SỐ 3 5

nước ngầm. Ma sát âm biến động theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ cố kết của đất và

tốc độ lún của cọc.

Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún 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 có lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân .


ĐỀ TÀI SỐ 3 6

Hình 2c. Ma sát âm khi lớp sét xốp cố kết do thoát nước hoặc có thêm lớp

đất mới đắp .

Qua các hình minh họa trên ta thấy được 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 chịu

tải của cọc không những không kể đến sức chịu tải do ma sát hông của đất và cọc mà còn

bị ma sát âm kéo xuống. Sức chịu tải lúc này chủ yếu là sức chịu tải của mũi cọc, chống

lên nền đất cứng hay đá.

Trường hợp cọc xuyên qua lớp đất mềm cắm vào lớp đất cứng và lớp đất mềm đang

diễn tiến lún do cố kết bởi lớp gia tải trên mặt hay do hạ mực nước ngầm,…, mà độ lún

các lớp đất lớn hơn độ lún của cọc thì phần lớp đất yếu có chuyển vị đứng nhiều hơn

chuyển vị đứng của thân cọc bên cạnh và các lớp bên trên nó gây ra lực ma sát âm. Ngay

cả trong trường hợp cọc chỉ nằm trong lớp đất yếu không tựa mũi vào lớp đất cứng, còn

gọi là cọc treo cũng có thể bị tác động bởi ma sát âm dưới tác động của tải bên trên mặt

đất hoặc do các tác động gây ra biến dạng đất nền như hạ mực nước ngầm (lún), hoặc

dâng mực nước ngầm (nở).

Lực ma sát âm không chỉ tác động lên mặt bên thân cọc mà còn tác dụng lên mặt

bên của đài cọc, hoặc mặt bên của mố cầu hay tường chắn có tựa lên cọc.

Khi tác động tải lên công trình gây ra lún của cọc và giảm độ dịch chuyển tương đối

giữa đất và cọc (đồng nghĩa giảm ma sát âm), ít nhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn


ĐỀ TÀI SỐ 3 7

dưới. Trong thực tế tính toán, những hoạt tải ngắn hạn nó được xem xét khi gây ra được

sự giảm ma sát âm.

1.1.2. Các thuật ngữ liên quan đến ma sát âm

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

a. Hiện tượng ma sát âm (negative skin friction): là lực ma sát bên được huy

động khi đất dịch chuyển xuống tương đối so với cọc. Các quan sát lâu dài từ các thiết bị

quan trắc hiện trường cho thấy hiện tượng ma sát âm xảy ra trong hầu hết tất cả các cọc.

b. Lực kéo xuống (Dragload): là lực nén dọc trục gây ra trong các phần tử của

cọc do sự tích lũy ma sát âm khi đất có khuynh hướng dịch chuyển tương đối đi xuống so

với cọc.

c. Mặt phẳng trung hòa (Neutral plane): là vị trí dọc theo cọc mà tại đó các

lực tác dụng dài hạn (lực kéo xuống cộng với tải công trình) cân bằng với tổ hợp lực

(chiều dương) kháng bên (bên dưới mặt trung hòa) và sức kháng mũi. Độ sâu này là nơi

có dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc bằng 0.

d. Biến dạng kéo xuống (Downdrag): là sự dịch chuyển đi xuống của cọc do

đất xung quanh cọc bị lún xuống. Độ lớn của biến dạng kéo xuống bằng với độ lún của

đất tại mặt trung hòa.

e. Cường độ chịu tải một trục địa kỹ thuật (Geotechnical axial capacity): là

tổ hợp của sức kháng mũi và ma sát bên khi không còn đạt trạng thái cân bằng tĩnh và sẽ

không tiếp tục dịch chuyển xuống. Ma sát dương xảy ra trên toàn thân cọc và lực kéo

xuống rất nhỏ.

f. Hệ số an toàn cho cường độ chịu tải địa kỹ thuật (Factor of safety on

geotechnical capacity): là hệ số giữa cường độ chịu tải một trục địa kỹ thuật chia cho

tổng tải tĩnh và hoạt tải, không tính đến lực kéo xuống.

g. Cường độ kết cấu một trục (Structural axial strength): là cường độ kháng

nén một trục của phần cọc chịu tải tĩnh và lực kéo xuống.

h. 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 một trục của kết cấu tại mặt

trung hòa chia cho tổng tĩnh tải và lực kéo xuống, không tính đến hoạt tải.

Theo Fellnius, vị trí mặt trung hòa là hàm số của sự cân bằng của các lực cắt dọc

thân khi chúng đã được huy động hoàn toàn. Các lực và sức kháng là kết quả quá trình

lún của đất là do sự khác biệt về độ cứng của đất và cọc. Yêu cầu tuyệt đối để thỏa mãn


ĐỀ TÀI SỐ 3 8

phương trinh cân bằng là lực cắt phát triển dọc phần chính 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 vị 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 vị trí mặt trung hòa sẽ thay đổi do kết quả

của sự cân bằng lực mới.

Mặt trung hòa là nơi cọc và đất dịch chuyển như nhau hay nói cách khác là nơi

không có sự dịch chuyển tương đối giữa cọc và đất. Điều này có nghĩa là khi giải bài toán

lún của nhóm cọc là công việc tìm ra độ lún của mặt trung hòa.

Độ lớn 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 dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc.

1.2. Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm

Một điều dễ dàng thấy rằng, mặt dù có độ lún của lớp đất xung quanh cọc, lực kéo

xuống (ma sát âm) sẽ không xuất hiện nếu sự chuyển dịch xuống phía dưới của cọc dưới

tác dụng của tĩnh tải và hoặc hoạt tải lớn hơn độ 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 khi cọc xuyên

qua lớp đất có tính cố kết và độ dày lớn, khi có phụ tải tác dụng lên mặt đất quanh cọc.

1.2.2. 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 bên

dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới, hoặc chính do tải trọng bản thân

làm cho lớp đất nền đắp xảy ra quá trình tự cố kết. Ta xét các trường hợp cụ thể sau:


ĐỀ TÀI SỐ 3 9

a. Trường hợp 1:

Khi có một lớp đất sét đắp 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.

b. Trường hợp 2:

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

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

c. Trường hợp 3:

Khi có một tầng đất dính đắp phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố

kết trong cả hai tầng đất đắp và tầng đất sét và tạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc.

Sét

Seùt ñaép

L

Z

Hf

L

Hf

Z

Sét

Caùt ñaép

L

Z

Hf

Cát

Seùt ñaép

(a) (b) (c) Hình 3. Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền .

Trường hợp các cọc được tựa trên tầng đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt, xảy

ra trong các trường hợp sau đây:

d. Trường hợp 4:

Với tầng cát lỏng sẽ có biến dạng lớn tức thời, đặc biệt khi đất nền chịu sự rung

động hoặc sự giao động của mực nước ngầm; sự tác động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra

sự biến dạng lún.

e. Trường hợp 5:

Đối với nền sét yếu, xu hướng xảy ra biến dạng lún có thể rất nhỏ nếu như không

chịu tác động của tải trọng bề mặt. Nhưng dù sao khi khoang tạo lỗ sẽ gây ra sự cấu trúc

lại của nền sét vì vậy biến dạng lún (nhỏ) của nền sét sẽ xảy ra dưới tác dụng của tải

trọng bản thân của nền sét.

f. Trường hợp 6:


ĐỀ TÀI SỐ 3 10

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 định mối quan hệ độ lún của đất nền 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 của cọc, một giải pháp an toàn có thể có

được khi giả thiết tải trọng truyền hoàn toàn tới đỉnh của lớp đất nền phía dưới.

1.2.3. 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 đựơc 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 dịch ngang của mố

cầu, nhưng sự dịch chuyển này có thể giảm thể nếu ta sử dụng một số giải pháp thiết kế

nền móng hợp lý.

Ma sát âm chỉ xảy ra một bên cọc do phần đường vào cầu có lớp đất đắp cao làm

cho lớp đất bên dưới bị lún do phải chịu tải trọng của lớp đất này, còn phần bên kia mố

(bờ sông) không chịu tải trọng đắp nên lớp đất không bị lún do tải trọng ngoài, do đó cọc

không ảnh hưởng ma sát âm. Vì vậy, một bên cọc chịu ma sát âm còn một bên chịu ma

sát dương.



Hình 6: 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

1.2.4. Mực nước ngầm bị hạ thấp

Việc hạ mực nước ngầm làm tăng ứng suất thẳng đứng có hiệu tại mọi điểm của đất

nền. Vì vậy, làm tăng độ lún cố kết của nền đất. Lúc đó, tốc độ lún 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 mực nước ngầm thì:

Phần áp lực nước lỗ rổng u sẽ giảm.

Phần áp lực có hiệu thẳng đứng h lên các hạt rắn của đất tăng.

Xem biểu đồ tương quan giữa u và h trong trường hợp bài toán nén một chiều và

tải trọng q phân bố đều khắp.

Nhịp Cầu

Tầng đất đắp

Tầng đất yếu

Tầng chịu lực

Mố cầu



Hình 7: Biểu đồ tương quan giữa áp lực nước lỗ rổng u và áp lực có hiệu thẳng

đứng lên hạt rắn của đất h trong trường hợp bài toán 1 chiều và tải trọng ngoài phân

bố đều khắp.

Trong đó:

h = p = 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 bth 2.0 .

Đất yếu: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó bth 1.0 .

bt : ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày Ha.

Theo TCVN 205 – 1998: Hiện tượng ma sát âm nên được xét 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 bị ngập nước.

Mực nước ngầm hạ thấp làm cho ứng suất có hiệu đất tăng lên, dẫn đến tăng

nhanh tốc cố kết của nền.

Nền công trình được tôn cao lớn hơn 1m trên nền đất yếu.

Phụ tải trên nền với tải trọng từ 2/2 mT trở lên.

Sự giảm thể tích trong đất do chất hữu cơ bị phân hủy…

P

h

H

Ñaát yeáu

Lôùp ñaát toát

q

q

u = 0min

u

h

a

ñ

u max

z= q = const

z



1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm

Ma sát âm là một hiện tượng phức tạp và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

Loại cọc, chiều dài cọc, phương pháp hạ cọc, mặt cắt ngang của cọc, bề mặt

tiếp xúc giữa cọc và đất nền, sự co nắn đàn hồi của cọc.

Đặt tính cơ lý của đất, chiều dày của lớp đất yếu, tính trương nở của đất.

Tải trọng tính toán (chiều cao đắp nền, phụ tải).

Thời gian chất tải đến khi xây dựng công trình.

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

Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc.

Trị số lực ma sát âm có liện quan tới sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng

suất hữu hiệu của đất xung quanh cọc. Như vậy lực ma sát âm phát triển theo thời gian và

có trị số lớn nhất khi kết thúc quá trình cố kết của đất.

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 hoàn toàn từ đất nền cho cọc khi mối tương

quan về chyển vị khoảng từ 3mm đến 15mm hoặc 1% đường kính cọc. Khi chuyển vị

tương đối của đất tới 15mm thì lực ma sát âm được phát huy đầy đủ. Một điều thường

được giả thiết trong thiết kế khi cho rằng toàn bộ lực ma sát âm sẽ xảy ra khi mà có một

sự chuyển dịch tương đối của đất nền được dự đoán trước.

1.4. Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình và tư liệu thực tế

Khi cọc trong đất, thì sức chịu tải của cọc được thể hiện qua thành phần ma sát

(dương) xung quanh cọc và sức kháng mũi cọc. Khi cọc bị ảnh hưởng lực ma sát âm thì

sức chịu tải của cọc sẽ giảm vì lúc này ngoài chuyển vị của cọc, cọc còn phải gánh thêm

một lực kéo xuống mà ta gọi là lực ma sát âm. Ngoài ra qúa 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 cọc có chiều dài lớn. Chẳng hạn (1972) Fellenius đã đo quá trình phát

triển của lực ma sát âm của hai cọc bê tông cốt thép được đóng qua lớp đất mềm dẻo dày

40m và lớp cát dày 15m cho thấy: sự cố kết lại của lớp sét mềm bị 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 chịu lực kéo xuống 440kN.



Johanessen và Bjerrum đã theo dõi sự phát triển hiện tượng ma sát âm của 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 1500kN ở

mũi cọc. Ứng suất ở mũi cọc ướt tính đạt tới 190kN/m2 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 chịu tải của đất nền xung quanh giết cát.

Qua phân tích trên cho thấy tác dụng chính của lực ma sát âm làm gia tăng lực nén

dọc trục cọc, làm tăng độ lún của cọc, ngoài ra đo lớp đất đắp bị lún tạo ra khe hở giữa

đài cọc và lớp đất bên dưới đài có thể thay đổi mômen uống 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 chịu tải của đất nền xung quanh giếng cát.

Ngoài ra lực ma sát âm làm tăng tải trọng ngang tác dụng lên cọc.



CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MA SÁT ÂM

2.1. Tính SCT của cọc xét đến ma sát âm theo tiêu chuẩn Việt Nam

2.1.1. Xác định độ lún ổn định của nền

Xác định độ lún ổn định của nền S theo kết quả thí nghiệm nén cố kết dựa vào

đường cong e-p hoặc theo e-log(p)

Tính độ lún của nền theo phương pháp tổng phân tố:

i

n

i i

iin

i

i he

eesS

1 1

21

1 1

Phương pháp tổng phân tố có hai dạng biểu thức tính lún như sau:

i

n

i

i

n

i

i

i

n

i

ivi

n

i

i

hpE

sS

hpmsS

11

11

Tính lún nền theo hệ số cố kết:

Trường hợp 1: Đối với đất cố kết thường ta có:

0

00

00

log1

1p

ppH

e

CS

p

pOCR cc

Trường hợp 2: Đối với đất cố kết nhẹ trước:

c

ccsc

p

ppH

e

C

p

pH

e

CSpppp

0

0

00

0

0

00 log1

log1

Trường hợp 3: Đối với đất cố kết nặng:

0

00

0

0 log1 p

ppH

e

CSppp s

c

Trong đó:

P0: ứng suất do trọng lượng bản thân )/( 2mkN .

p :áp lực tăng thêm do tải trọng công trình gây ra tại giữa lớp đất cần tính

toán )/( 2mkN .

cp :áp lực tiền cố kết )/( 2mkN .

e0:hệ số rỗng ban đầu.

Cc:chỉ số nén .



Cs:chỉ số nở.

H0: chiều cao lớp đất tính toán (m)

2.1.2. Xác định độ lún của cọc đơn

Độ lún của cọc đơn được xác định gồm ba thành phần:

bm SSLS

Trong đó:

L : Biến dạng đàn hồi của cọc.

Sm: Độ lún tại mũi cọc do tải công trình truyền xuống mũi cọc.

Sb: Độ lún tại mũi cọc do tải truyền dọc theo thân cọc.

Biến dạng đàn hồi thân cọc:

cp

tb

EA

LQL

Trong đó:

Ap: Diện tích tiết diện ngang của cọc.

L: Chiều dài tính toán của cọc.

Ec: Môđul đàn hồi của cọc.

Qtb: Lực nén trung bình tác dụng lên thân cọc.

Độ lún tại mũi cọc do tải công trình truyền xuống mũi cọc.

0

2 )1(

E

BqS

pthuc

m

Trong đó:

qpthuc: Sức kháng mũi đơn vị tải trọng làm việc.

B: Cạnh cọc.

E0: Môdul đàn hồi đất dưới mũi cọc.

: Hệ số Poisson (sét 43.0 , sét pha 43.03.0 , cát pha 3.025.0 ,

cát 25.0 .

: Hệ số phụ thuộc vào hình dáng cọc : cọc vuông 88.0 , cọc tròn

79.0 .

Độ lún tại mũi cọc do tải truyền dọc theo thân cọc.

0

2 )1(

E

BfS bsthuc

b



b : Hệ số phụ thuộc vào độ mảnh của từng đoạn cọc.

i

ib

B

L35.02

sthucf : Sức kháng bên đơn vị tại tải trọng làm việc tính trung bình cho từng

đoạn cọc.

2.1.3. Xác định chiều sâu vùng có khả năng xuất hiện ma sát âm

Vùng ma sát âm xuất hiện khi cọc qua lớp đất yếu chưa cố kết và có độ lún lớn hơn

tốc độ lún của cọc. Ma sát –âm tác dụng lên cọc và tạo lực cùng với cọc chuyển vị lún

nhanh hơn.

Một công thức xác định vùng ảnh hưởng ma sát âm như sau:

HzS

Sd 1

Trong đó:

Sd: độ lún của cọc đơn

S: Độ lún ổn định đất nền

H: Chiều dày lớp đất yếu

2.1.4. Xác định sức chịu tải của cọc có kể đến ma sát âm

u f si i p pQ u m f z A q

Trong đó:

u: chu vi cọc

mf: hệ số làm việc của đất ở mặt bên cọc

fs: sức kháng bên đơn vị, tính trung bình cho toàn đoạn cọc

Zi: bề dày của lớp đất tính toán

Ap: diện tích tiết diện cọc

qp: sức kháng mũi đơn vị

2.2. Tính SCT của cọc xét đến ma sát âm tiêu chuẩn Nhật Bản

2.2.1. Mở đầu

Nếu cọc xuyên qua lớp đất mà chịu ảnh hưởng cố kết thì ma sát âm sẽ được tính đến

khi tính toán sức chịu tải cho phép dọc trục của cọc

Chú giải : Khi cọc xuyên qua lớp sét mềm tới lớp địa tầng chịu lực, lực ma sát từ

lớp mềm sẽ tác động hướng lên phía trên và chịu một phần tải trọng tác động lên đầu cọc.



Khi lớp sét cố kết thì bản thân cọc được đỡ bởi sức chịu tải của tầng chịu lực và hầu như

không lún, hướng lực ma sát theo hướng ngược lại.

Lực ma sát trên toàn bộ chu vi xung quanh cọc bây giờ dừng chống lại tải trọng tác

dụng lên đầu cọc. Lực ma sát hướng xuống phía dưới và tác dụng lên tải trọng ở chân

cọc. Lực ma sát hướng xuống phía dưới trên toàn bộ chu vi xung quanh cọc được gọi là

ma sát tiếp xúc âm hay ma sát âm.

2.2.2. Lý thuyết tính toán

Trường hợp 1:

Giá trị ma sát âm vẫn còn mang tính lý thuyết và chưa được cụ thể, tuy nhiên giá trị

lớn nhất có thể được xác định từ phương trình:

snf fLR .. 2max, (1)

Trong đó:

Rnf,max: Lực ma sát tiếp xúc ma sát âm lớn nhất (cọc đơn) KN.

: chu vi xung quanh cọc (chu vi của diện tích kín trong trường hợp cọc

thép có tiết diện chữ H) (m).

L2: Chiều dài của cọc trong lớp đất cố kết (kN/m2).

sf : Cường độ lực ma sát tiếp xúc trong lớp đất cố kết.

Trường hợp 2

Trong trường hợp trên , sf : trong nền đất sét đôi khi được lấy bằng qu/2. Nếu lớp cát

kẹp giữa lớp sét cố kết , hoặc nếu lớp cát nằm trên lớp sét cố kết , thì chiều dày lớp cát sẽ

nằm trong L2 . Ma sát thành bên trong lớp cát đôi khi được xét đến để tính toán cho sf .

Giá trị lớn nhất của ma sát âm trong trường hợp này được thể hiện trong Phuong trình:

)2

2( 2max,cu

snf

LqLNR

Trong đó:

Ls2: Chiều dày lớp cát nằm trong L2.

Lc: Chiều dày lớp sét nằm trong L2.

L2 = Lc + L s2.

2sN : Giá trị trung bình của lớp cát có chiều dày Ls2.

qu: Cường độ trung bình nén nở hông của lớp sét có chiều dày Lc.



Trường hợp 3:

Trong trường hợp nhóm cọc, ma sát tiếp xúc âm có thể được tính toán bằng cách coi

sự làm việc của nhóm cọc như móng đơn sâu. Lực ma sát tiếp xúc âm cho một cọc được

tính toán bằng cách chia cho số cọc.

n

LAUHsR

g

nf

2

max,

(2)

Trong đó:

Rnf,max: Lực ma sát tiếp xúc ma sát âm lớn nhất (cọc đơn) KN.

U: Chu vi của nhóm cọc.

s : Cường độ cắt trung bình của đất trong phạm vi chiều dài L2.

Ag: Diện tích đáy nhóm cọc.

: dung trọng trung bình của đất trong phạm vi chiều dài L2.

n: số lượng cọc trong nhóm.

Phương trình (1) và (2) đưa ra giá trị lớn nhất của ma sát tiếp xúc âm. Giá trị thực tế

sẽ phụ thuộc vào trị số lún cố kết và tốc độ lún, tính chất từ biến của đất sét cà tính chất

biến dạng của tầng chịu lực.

Trường hợp 4:

Khi tính toán sức chịu tải cọc dọc trục cho phép của cọc, có một vài trường hợp thay

đổi trong việc đánh giá ảnh hưởng của lực ma sát âm được xác định bằng cách kiểm tra

bất kỳ một lực truyền lên mũi cọc vượt quá cả hai giá trị tải trọng chịu uốn của nền tại

mũi cọc và cường độ nén khi uốn của tiết diện ngang của cọc. Điều đó có nghĩa là sức

chịu tải cho phép dọc trục trong điều kiện bình thường Ra sẽ thỏa phương trình:



max,

max,2.1

1

nfefa

nfpa

RAR

RRR

Trong đó:

Ra: sức chịu tải dọc trục cho phép (trong điều kiện bình thường).

Rp: Sức chịu tải cuối cùng của cọc (giá trị tới hạn).

Rnf,max: lực ma sát âm thường tiếp xúc max nhất (giá trị thường nhỏ hơn cọc

đơn hoặc nhóm cọc).

:f cường độ nén khi uốn của cọc.

Ae: tiết diện ngang có hiệu của cọc.

Giá trị sức chịu tải tới hạn của cọc Rp có thể lấy tới 300NAp trong phương trình (1).

Nếu cọc xuyên vào địa tầng chịu lực, lực ma sát tiếp xúc trong địa tầng chịu lực có thể

bao gồm cả trong sức chịu tải tới hạn.

112300 sspp LNNAR

Trong đó:

Rp: Sức chịu tải mũi cọc (giá trị tới hạn).

N: Giá trị N của nền tại mũi cọc.

Ap: diện tích mũi cọc.

Ls1 = L1: chiều dài cọc nằm trong tầng chịu lực (nền cát).

1sN : Giá trị N trung bình trong miền Ls1.

: Chu vi cọc.



2.3. Tính ma sát âm theo “Principles of foundation engineering” Braja Das

2.3.1. Nguyên nhân gây ra ma sát âm

Ma sát âm là lực kéo xuống do đất xung quanh tác dụng lên cọc. Lực này xuất hiện

dưới những điều kiện sau:

Cọc xuyên qua lớp sét đắp nằm trên lớp đất rời: quá trình cố kết của lớp sét đắp

theo thời gian sẽ gây ra lực kéo xuống tác dụng lên cọc (hình a).

Cọc xuyên qua lớp cát đắp nằm trên lớp sét mềm, quá trình cố kết của lớp sét do

tải trọng đất đắp sẽ gây ra lực kéo xuống tác dụng lên cọc (hình b).

Hạ mực nước ngầm làm cho ứng suất hữu hiệu trong đất tăng lên và do đó làm

tăng tốc độ cố kết của đất sét gây ra lực kéo xuống tác dụng lên cọc.

Trong một số trường hợp, lực kéo xuống có thể lớn đến mức gây ra phá hoại cho

móng.

2.3.2. Phương pháp tính lực ma sát âm

Trong phần này tác giả giới thiệu hai phương pháp tính lực ma sát âm.

a. Trường hợp 1: Lớp sét đắp nằm trên lớp đất rời

Theo phương pháp β, lực ma sát âm (kéo xuống) đơn vị tác dụng lên cọc là:

fn = K’σo’tanδ’

Trong đó:

K’ = hệ số áp lực đất: K 1 sin '

σo’ = ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại độ sâu z = γf’z

γf’ = trọng lượng riêng hữu hiệu của lớp sét đắp



δ’ = góc ma sát giữa cọc và đất ≈ 0.5-0.7 '

Tổng lực kéo xuống tác dụng lên cọc là:

2

'tan')'tan'(

2'

0

'

ffH

fn

HpKzdzpKQ

f

với Hf = chiều cao lớp sét đắp.

Nếu lớp sét đắp nằm trên mực nước ngầm, trọng lượng riêng hữu hiệu γf’, nên được

thay thế bằng trọng lượng riêng tự nhiên.

b. Trường hợp 2: Lớp cát đắp nằm trên lớp sét

Trong trường hợp này, ma sát âm xuất hiện trong đoạn từ z = 0 đến z = L1, theo độ

sâu mặt trung hòa (Vesic, 1977). Độ sâu mặt trung hòa được xác định như sau (Bowles,

1982)

'

2

'2

)( ''

1

1

ffffff HHHL

L

HLL

Với γf’, γ’ = trọng lượng riêng hữu hiệu của lớp cát đắp và lớp sét bên dưới.

Đối với cọc chống, độ sâu trung hòa có thể xem là vị trí mũi cọc

(L1 = L - Hf)

Với mỗi giá trị L1 lực kéo xuống được xác định như sau:

Lực ma sát âm đơn vị tại độ sâu trong khoảng z = 0 đến z = L1 là:

fn = K’σo’tanδ’, với

K’ = K 1 sin '

σo’ = γf’z + γ’z

δ’ = 0.5-0.7 '

2

'tan'''tan''tan''

2

11

''

00

11

pKLLHpKdzzHpKdzpfQ ffff

LL

nn Nếu

lớp sét và lớp cát đắp nằm trên mực nước ngầm, trọng lượng riêng hữu hiệu nên thay

bằng trọng lượng riêng tự nhiên. Trong một vài trường hợp, các cọc có thể được phủ bên

ngoài bằng lớp bitumen trong vùng kéo xuống để tránh hiện tượng này.

Bjerrum et al. (1969) đã công bố kết quả kiểm tra lực kéo xuống khi thử cọc tại cảng

Oslo, Norway (ký hiệu là cọc G trong trong bài báo gốc). Nghiên cứu của Bjerrum et al.

(1969) còn được phân tích bởi Wong và Teh (1995) trong giới hạn của cọc khoan đến đá

gốc ở độ sâu 40 m. Hình c mô tả sơ lược đất và cọc. Wong và Ted tính toán theo các số

liệu sau:



Lớp đất đắp có khối lượng riêng tự nhiên γf = 16 kN/m3, trọng lượng riêng

bão hòa γsat = 18.5 kN/m3, do đó γ’f = 18.5 - 9.81 = 8.69 kN/m

3 và Hf = 13 m

Lớp đất sét: K’tanδ’ ≈ 0.22, trọng lượng riêng bão hòa hữu hiệu γ’ = 19.9.81

= 9.19 kN/m3

Chiều dài cọc L = 40 m, đường kính D = 500 mm.

Ma sát âm trên một cọc ở cảng Oslo, Norway (theo Bjerrum et al. (1969), Wong và

Ted (1995))

Cọc trong trường hợp này là cọc chống, chiều dài L1 = 27 m, lực kéo xuống lớn nhất

tác dụng lên cọc được tính theo công thức:

2

'tan''2132'tan'

2

11

,

KpLLpKQ ffn hay

23482

22.019.95.027271169.821622.05.0

2

nQ kN

Giá trị lớn nhất đo được Qn khoảng 2500 kN (hình d), khá gần so với giá trị tính

toán.



2.4. Mô hình tính toán ma sát âm bằng phần mềm PTHH Plaxis

2.4.1. Tổng quan

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp phổ biến nhất trong khoa học kỹ

thuật. Nó đã được ứng dụng rất thành công vào giải quyết nhiều vấn đề trong nhiều lĩnh

vực khác nhau. Sự phát triển của phương pháp PTHH trong lĩnh vực xây dựng đã tạo ra

nhiều bước tiến đáng kể: giải quyết những bài toán giải tích mà những phương pháp giải

tích thông thường phả tốn rất nhiều thời gian.

Plaxis là một phần mềm phần tử hữu hạn tính toán địa kỹ thuật với nhiều tính năng

vượt trội như:

Mô phỏng sự làm việc chung của đất và kết cấu móng qua hệ thống lưới phần tử

hữu hạn và các phần tử tiếp xúc giúp cho việc mô phỏng tương giác giữa đất và cọc gần

với làm việc thực tế hơn. Xét đến quan hệ giữa lực và chuyển vị trong bài toán chuyển vị

nút từ đó tính toán các thông số nội lực các phần tử thành phần.

Mô phỏng bài toán theo quá trình thi công: mỗi giai đoạn thi công ứng xử đất và cọc

có nhiều điểm khác biệt so với thiết kế ban đầu nên có thể xãy ra những tác động đến

công trình dang thi công cũng như công trình lân cận tính năng này giúp người thiết kế

đánh giá được tính hợp lý phương pháp thi công và hoàn thiện hơn bước thiết kế nền

móng.

Tính toán bài toán cố kết thấm theo thời gian dựa trên các lý thuyết cố kết thấm

phần mềm giải bài toán cố kết thấm và lún cố kết với các thông số đất nền do người dùng

nhập vào và các thông số ứng suất biến dạng từ các bước tính toán phần tử hữu hạn ở các

bước trên. Nhờ đó ta xét được những ảnh hưởng của quá trình cố kết tác động đến công

trình.

Xét đến những ảnh hưởng của việc tăng giảm mực nước ngầm.

Nhận xét: với các tính năng trên Plaxis là một phần mềm rất phù hợp giải quyết bài

toán địa kỹ thuật nói chung và bài toán thiết kế móng cọc nói riêng. Qua các bước tính

toán theo tiến độ thi công cũng như tính toán cố kết thấm ta xét được tất cả các ảnh

hưởng tác động lên cọc, chuyển vị tương đối giữa cọc và đất, các ứng suất phát sinh trong

cọc theo thời gian từ đó đưa ra phương án thiết kế khả thi nhất.



2.4.2. Mô hình tính toán đất nền

Đất nền được mô hình ứng xử như một vật liệu đàn hồi tuyến tính và tuyệt đối dẻo

(linear elastic –perfect plastic material) và hàm dẻo của nó được định nghĩa theo tiêu

chuẩn của Mohr Coulomb.

Đây là một mô hình tính toán đất nền được ứng dụng rỗng rãi trong thực tế với bộ

thông số được xác định được xác định từ các thí nghiệm địa chất.

Ứng xử thoát nước (long-term) và không thoát nước của đất (short-term)

Xem xét sự phát triển ma sát âm trong cọc thông qua quá trình cố kết của đất do đó

việc tính toán ứng xử của đất phải là một quá trình dài hạn (ứng xử thoát nước).

Trong phần mềm plaxis hai ứng xử trên có thể được mô phỏng theo 2 trạng thái tính

toán Drained (Single analysis) và Undrained (Double analysis). Ta sử dụng ứng xử

Undrained cho tính toán các lớp đất sét, đối với các lớp cát sử dụng ứng xử Drained vì cát

thoát nước nhanh sau khi chất tải.

Các thông số của mô hình Mohr Coulomb: được xác định dựa trên phương pháp

phân tích ứng suất hữu hiệu (thông số của chính bản thân khung hạt khi nước đã thoát

hoàn toàn do cố kết).

a. Thông số sức kháng cắt của đất hữu hiệu: lực dính c’, góc ma sát ’ đặc trưng

cho sức chống cắt và góc ma sát của chính khung hạt đất. Hai thông số này xác định từ

thí nghiệm nén ba trục (CU, CD) tuy nhiên trong giới hạn đề tài không có đầy đủ các

thông số từ những thí nghiệm trên nên chỉ dùng các số liệu từ thí nghiệm cắt trực tiếp.

b. Thông số về độ cứng E’ xác định từ thí nghiêm nén 3 trục CD tuy nhiên thí

nghiệm hầu như không được thực hiên vì phức tạp và tốn thời gian do đó giá trị độ cứng

E’ xác định thông qua thí nghiệm UU hay thi nghiệm nén cố kết.

Xác định E’ từ thí nghiệm UU

Hình II.3: Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng



Từ đồ thị xác định được Eu50. Suy ra E’ theo công thức

5.0,)'1(2

'

)1(2

u

u

u EEG

5.1

)'1('

uE

E

c. ’ hệ số Poisson do không có thí nghiệm xác định hệ số trên nên ta lấy theo

công thức kinh nghiệm:

Đối với sét: ’=0.25+0.00225PI , PI là chỉ số dẻo.

Đối với cát: Đối với đất cát: o

o

t

2545

253.01.0

0

, t là góc ma sát của đất.

Xác định modun đàn hồi E’oed từ thì nghiệm nén cố kết: cũng dựa trên đồ thị như

hình trên xác định E’oed.

d. Công thức tương quan giữa E’oed và E’:

e. Xác định hệ số thấm kx, ky từ thí nghiệm nén cố kết thông qua biểu đồ

chuyển vị của mẫu theo thời gian.

Từ đồ thị xác định hệ số cố kết cv

Từ đó suy ra hệ số thấm k theo công thức: 12

12);1

(

eea

e

aCk v

o

v

nv

2.4.3. Quy trình mô hình cọc xuất hiện ma sát âm

Nguyên nhân chính xác định giá trị ma sát âm là sự chuyển vị tương đối của đất nền

lớn hơn chuyển vị của cọc. Do đó để mô xác định được ma sát âm ta cần 2 gia đoạn cơ

bản.

Tác dụng lực lên đầu cọc:

Hình II.4: Biểu đồ phát triển độ lún cố kết theo thời gian -

lg(t)



Tải trọng tác dụng phải nhỏ hơn giá trị sức chịu tải thiết kế Qa của cọc. Vì như

vậy giá trị độ lún của cọc là hợp lý và phù hợp với thực tế.

Nếu giá trị Po nhập vào quá lớn thì độ lún của cọc lớn nhưng ma sát âm nếu có

cũng ảnh hưởng không đáng kể.

Do đó cần phải có bước tính toán để xác định giá trị SCT của cọc trước khi

nhập lực vào phần mềm.

Tạo chuyển vị tương đối của cọc và đất nền: chuyển vị tương đối này có thể do:

Cố kết của nền khi có tải trọng ngoài như : đất đấp hoặc các tải trọng thi công

(của chính công trình hoặc công trình lân cận)

Sự giảm mực nước ngầm.

…

2.4.4. Ứng dụng phương pháp truyền tải trọng (Load-transfer methods) xác định ma sát

âm bằng phần mềm Plaxis 3D.

Phương pháp truyền tải trọng sử dụng một bộ đường công đơn giản để phân tích ứng

xử của tải trọng dọc trục trong cọc đơn cũng như nhóm cọc như sau:

H 2.1. Minh họa ma sát âm trong cọc.

a. Hiện tượng ma sát âm; b. Sự truyền tải trọng dọc trục trong cọc;

c. Biên dạng lún của cọc và đất.



Ứng dụng các công cụ xuất kết quả của phần mềm Plaxis 3D ta dễ dàng xem xét

được truyền tải trọng dọc trục của cọc từ đó xác định giá trị lực ma sát âm.

H 2.2. Biểu đồ truyền truyền tải trọng dọc trục trong cọc.

Giá trị tải trọng tác dụng: Po=400kN.

Giá trị lực tổng lực dọc lớn nhất Ps=717kN.

Giá trị lực ma sát âm: Pn=Ps-Po=717-400=317kN .



CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VỚI CÔNG TRÌNH THỰC TẾ

3.1. Xác định ảnh hưởng của ma sát âm đối với cọc đơn

3.1.1. Công trình Luồng cho tàu biển trọng tải lớn vào sông Hậu – Trà Vinh

Dự án (LSH) do Cục Hàng Hải Việt Nam (CHHVN) làm chủ đầu tư (đại diện là

BQLDA Hàng Hải III). Dự án được xây dựng với mục tiêu mở luồng tàu ổn định, lâu

dài cho tàu biển trọng tải 10,000DWT (đầy tải) đến 20,000DWT (giảm tải) ra vào,

đảm bảo thông qua lượng hàng hóa của khu vực ĐBSCL.

Vị trí đoạn ngoài biển



Toàn bộ tuyến luồng dài khoảng 107km, được chia ra làm 04 đoạn bao gồm:

- Đoạn luồng sông Hậu (từ Đại An đến Cảng Cần Thơ) dài khoảng 73km;

- Đoạn kênh Quan Chánh Bố dài khoảng 19km;

- Đoạn Kênh Tắt dài khoảng 9 Km, đoạn này đào mới hoàn toàn;

- Đoạn luồng Biển dài 6km.

Toàn bộ tuyến luồng nằm trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Địa hình khu

vực dự án rất bằng phẳng không có núi đồi hay chướng ngại vật quá cao hay quá lớn che

chắn.

Nhằm tăng cường an toàn giao thông hàng hải thông qua giám sát, thông tin nhanh

chóng kịp thời về điều kiện của luồng, cảng và cung ấp những thông tin định hướng cũng

như những cảnh báo đáng tin cậy. Tại những vị trí trọng yếu, các hệ thống hàng hải điện

tử AIS được phát triển và lắp đặt phải có đủ khả năng cung cấp những thông tin chính

xác cho cơ quan có thẩm quyền



Tháp trụ đỡ

Tất cả các trụ đỡ được cung cấp & lắp đặt phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Trụ đỡ bằng lưới thép cao 40 mét, với thiết kế và xây dựng theo module để lắp đặt

nhanh chóng và an toàn.

Các đặc điểm chính của tòa tháp sẽ là:

Mặt cắt ngang hình vuông, theo mẫu tháp Eiffel.

Thiết kế để chịu được vận tốc gió hơn 200 km/h.



Thang nghiêng đi lên trong trụ đỡ và có chiếu nghỉ mỗi 5 mét với tay vịn an

toàn.

Tầng trên đỉnh rộng rãi và ổn định, kích thước 4x4 mét. Đây là khu vực đặt thiết

bị và là khu vực làm việc với các lan can bảo vệ cho phép lắp đặt hệ thống hoàn

chỉnh.

Cấu trúc tháp hoàn chỉnh được làm từ thép mạ kẽm nhúng nóng loại S275JR

hoặc cao hơn, khả năng chống ăn mòn cao.

Hệ thống chống sét bao gồm bộ thu sét đa đinh và dây dẫn, tấm nối đất được giữ

cố định.

Tại mỗi vị trí chân tháp thép dự kiến đặt hệ móng cọc với các kích thước chính

như sau:

Cọc BTCT cạnh 30x30cm, dài 30m, gồm 3 đoạn cọc nối lại, cọc được đóng vào

tầng đất có các thông số địa chất như sau:



Mực nước ngầm nằm ngay mặt đất tự nhiên.



3.1.2. Thống kê địa chất.

Thông số Lớp 3a Lớp 3b Lớp 4b Lớp 5

Chiều dày (m) 17.9 5.6 1.5 18

γsat (kN/m3) 16 20 192 19.6

C (kN/m2) (UU) 9

C (kN/m

2) (CD) 7.7 24.5 6 9.1

φ (0) (UU) 6

φ (

0) (CD) 23.6 27.1 27 27.2

μ 0.25 0.3 0.3 0.3

E (kN/m2) 2000 7000 15000 16000

0.25 0.3 0.3 0.3

kx (m/day) 7.50E-04 5.10E-05 1.50E+00 7.50E-06

ky (m/day) 5.00E-04 3.40E-05 1.00E+00 5.00E-06

3.1.3. Tính toán ảnh hưởng ma sát âm

Mô đun đàn hồi của cọc E = 2.65.106 T/m

2

Lực tác dụng lên đầu cọc P = 40T, β = 0.8.

a. Xác định độ gia tăng áp lực bên trên

Nhằm tôn tạo bãi, nâng cao trình nền, người ta đấp một khối đất có chiều cao 2m,

γsat = 19.0 kN/m2.

Áp lực gây lún:

p 19.0x2 38.0 (kN/m2)

b. Tính toán độ lún cho lớp đất yếu và độ lún của cọc

Tính độ lún của lớp sét yếu:

n

ii i

i 1 i

0.8S p h x38x17.9 0.272

E 2000

(m)

Tính độ lún của cọc

Biến dạng đàn hồi của bản thân cọc

3

6

p c

PxL 40x30l 5.031.10

A xE 0.3x0.3x2.65x10

(m) = 0.5 (cm)

Độ lún của đất ở mũi cọc (không xét đất đấp)



2

p

m

i

q B (1 )S

E

Ứng suất hữu hiệu do nền gây ra tại mũi cọc

' '

vp i ixH 6.0x17.9 10x5.6 9.2x1.5 9.6x5 225.2 (kN/m2)

Cọc được ngàm vào lớp 5: φ = 27.2 0; C = 9.1 (kN/m2)

→ Tra bảng:

q

c

N 16.26

N 29.69

N 13.15

Cường độ đất nền dưới mũi cọc:

p c vp qq 1.3CxN N 0.4 dN

pq 1.3x9.1x29.26 225.2x16.26 0.4x9.6x0.3x13.15

→ qp = 4.028x103 (kN/m

2)

Vậy: 3 2

m

4.028x10 x0.3x0.88x(1 0.3 )S 0.057

17000

(m)

Độ lún của đất ở thân cọc

2n

si ib

i 0i

f (1 )S B

E

Lớp đất 3a: φ = 6 0; C = 9 (kN/m

2); γsat = 16 (kN/m

3)

'

v3a

17.96x 53.7

2 (kN/m

2)

fs3a= (1-sin6)x53.7xtg6+9=14.05(kN/m3)

3a3a

H 17.92 0.35x 2 0.35x 4.704

B 0.3

3a

2 0.35

H3a

d

1

2

4.704

Sb3a

fs3a

d 3a

1 3a

2

E3a

9.296 103

(m)



Lớp đất 3b: φ = 27.1 0; C = 24.5 (kN/m

2); γsat = 20 (kN/m

3)

'

v3b

5.66x17.9 10x 135.4

2 (kN/m

2)

s3bf (1 sin 27.1)x135.4xtg27.1 24.5 62.224 (kN/m3)

3b3b

H 5.62 0.35x 2 0.35x 3.512

B 0.3

2

b3b

62.22x0.3x3.51x(1 0.3 )S 0.0085

7000

(m)

Lớp đất 4b: φ = 27 0; C = 6 (kN/m

2); γsat = 19.2 (kN/m

3)

'

v4b

1.56x17.9 10x5.6 9.2x 170.3

2 (kN/m

2)

s4bf (1 sin 27)x170.3xtg27 6 53.38 (kN/m3)

4b4b

H 1.52 0.35x 2 0.35x 2.783

B 0.3

2

b4b

53.38x0.3x2.78x(1 0.3 )S 0.0027

15000

(m)

Lớp đất 5: φ = 27.2 0; C = 9.1 (kN/m

2); γsat = 19.6 (kN/m

3)

'

v5

56x17.9 10x5.6 9.2x1.5 9.6 201.2

2 (kN/m

2)

s5f (1 sin 27.2)x201.2xtg27.2 9.1 65.24 (kN/m3)

55

H 52 0.35x 2 0.35x 3.429

B 0.3

2

b5

65.24x0.3x3.43x(1 0.3 )S 0.0038

16000

(m)

→ b b3a b3b b4b b5S S S S S 0.009 0.0085 0.0027 0.0038 0.024 (m)

Độ lún của cọc

d m bS l S S 0.005 0.06 0.024 0.09 (m)

c. Xác định chiều dài cọc chịu MSA

Chiều sâu ảnh hưởng đến ma sát âm

d3a

S 0.009z (1 )H (1 )x17.9 12

S 0.272 (m)

d. Xác định SCT của cọc khi không có MSA



Sức chịu tải cực hạn ban đầu của cọc khi chưa có khối đắp

p p pQ q xA 4028x0.3x0.3 362.52 (kN)

s s iQ u f xL

sQ 4x0.3x(8.55x17.9 62.22x5.6 53.38x1.5 65.24x5) 1208 (kN)

pS

a

QQ 1208 362.53Q 724.61

2 3 2 3 (kN)

e. Xác định SCT của cọc khi có MSA

TH1: Tính SCT cực hạn (tức thời) của cọc khi sét đến ma sát âm

Lớp 3a: Đoạn ma sát âm dài 12m

'

v3a

126x 36

2 (kN/m

2)

s3af (1 sin 6)x36xtg6 9 33.2 (kN/m3)

Đoạn ma sát dương dài 5.9m

'

v3a

5.96x12 6x 89.7

2 (kN/m

2)

s3af (1 sin6)x89.7xtg6 9 33.2 (kN/m3)

p p pQ q xA 4028x0.3x0.3 362.52

snew s iQ u f xL

sQ 4x0.3x( 27.4x12 33.2x5.9 62.22x5.6 53.38x1.5 65.24x5) 747 (kN)

pS

atk

QQ 747 362.53Q 494

2 3 2 3 kN

Độ giảm SCT khi sét ma sát âm:

a atkQ Q Q 724 494 230 (kN)

TH2: Tính SCT cực hạn (cuối giai đoạn lún cố kết) của cọc khi sét đến MSA

Thời gian để lớp đất sét đạt độ cố kết U=85%

Các thông số từ phòng thí nghiệm: 316 /kN m , K = 5e-4 m/ngày,

H = 18m.

Quan hệ ứng suất và hệ số rỗng:

P(kN/m2) 0 12.5 25 50 100 200 400

e 1.58 1.57 1.551 1.518 1.396 1.221 1.027



Hệ số nén a : e

aP

= 0.0018

Hệ số cố kết Cv : w

(1 )v

K eC

a

= 0.066 m

2/ngày

Nhân tố thời gian: Tv: 2

vv

C tT

H

=2.03x10

-4xt

Khi mức độ cố kết Uv = 85% thì

Tv = 1.718 - 0.933logx(100 - Uv ) :

1.718-0.933xlog(100-90 )= 2.03x10-4

xt t = 1986 ngày = 7 năm.

Từ thí nghiệm cố kết thoát - nước (CD). Các thông số c’ (kN/m2); φ’ (

0) của

Lớp 3a như sau:

c’ =7.7 (kN/m2); φ’ = 23.6

0

Tính toán tương tự như trên ta được các kết quả như sau:

Sức chịu tải khi chưa có đất đấp.

pS

atk

QQQ 807

2 3

Lớp 3a: Đoạn ma sát âm dài 11.65m

'

v3a

11.656x 34.96

2 (kN/m

2)

s3af 27.26 (kN/m3)

Đoạn ma sát dương dài 6.25 m

'

v3ad 88.66 (kN/m2)

s3af 33.06 (kN/m3)

p p pQ q xA 4028x0.3x0.3 362.52

snew s iQ u f xL 772.2 (kN)

pS

atk

QQQ 507

2 3

Độ giảm SCT khi sét ma sát âm:

a atkQ Q Q 807 500.7 300 (kN)

kN

kN



Kết luận:

Khi có kể đến ma sát âm SCT của cọc giảm 23 Tấn (khoảng 30%) trường

hợp nền đất yếu lún tức thời. Trường hợp nền đất yếu lún cố kết thì SCT của cọc giảm

30Tấn (khoảng 37.5%).

Dẫn chứng thêm từ tài liệu phân tích và tính toán móng cọc của Thầy Võ

Phán có đoạn: ”Năm 1972 Fellenius đã đo quá trình phát triển lực ma sát âm của hai

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 bị 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 chịu

lực kéo xuống là 440KN”

3.1.4. Tính toán xác định giá trị lực ma sát âm theo lý thuyết Braja Das

Trường hợp tính toán: lớp đất đắp là đất rời (cát) nằm trên lớp đất sét

Chiều sâu tại vị trí trục trung hòa:

' '

1 ' '1

2

2

f ff f f fH HL LH HL

L

Trong đó:

L1 chiều sâu tại vị trí trục trung hòa

L chiều dài cọc 30m

Hf chiều cao lớp đất đắp 2m

'

f trọng lượng riêng hữu hiệu của lớp cát đắp 19 KN/m 3

' trọng lượng riêng hữu hiệu của lớp sét bên dưới 16-10= 6 KN/m 3

6

2192

6

219

2

230)230(

1

1

LL

1L = 18.35 m

Tổng lực kéo xuống trong cọc là:

Q2

''')'(

2

11

''

tgKpLLtgHKp ffn

Trong đó:

p chu vi cọc 0.3x4= 1.2 m 2

K ' = 1- sin ' = 1- sin23.5 0 =0.6

'

f trọng lượng riêng hữu hiệu của lớp cát đắp 19 KN/m 3



’ góc ma sát giữa cọc và đất = 0.5- 0.7 ' = 0.5- 0.7x0.41= 0.213

L1 chiều sâu tại vị trí trục trung hòa 18.35 m

' trọng lượng riêng hữu hiệu của lớp sét bên dưới 16-10= 6 KN/m 3

Hf chiều cao lớp đất đắp 2m

Q n 2

213.066.02.11818213.02196.02.1

2 tgtg

= 260kN

3.1.5. Xác định giá trị ma sát âm sử dụng phần mềm Plaxis.

Mô hình cọc đơn.

H 3.1 Mặt bằng cọc và các mặt phẳng làm việc.

Cọc được dài 30.5m từ độ sâu -1.5 đến -32m.

Hình trụ hố khoan khoan.



H3.2. Hình trụ hố khoan các lớp đất với địa chất tương tự như mục 3.1.2.

Lưới phần tử hữu hạn

H.3.3. Lưới PTHH càng gần cọc được chia càng mịn.



Các phase tính toán.

Kết quả tính toán.



Nhận xét:

Giá trị ma sát âm và vị trí mặt phẳng trung hòa tăng dần theo thời gian cố

kết.

Kết thúc quá trình cố kết ma sát âm đạt cực đại, tuy nhiên quá trình cố kết

diễn ra rất lâu (trong bài toán này để cố kết đạt 99.999% là 43 năm) do lớp

đất sét yếu dày. Và sự thay đổi giá trị của ma sát âm không lớn từ 3 năm đến

cố kết hoàn toàn ma sát âm tăng: khoảng 5%

-40.0

-35.0

-30.0

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

-800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0

Loading

1-Year-Consolidation

3-Year-Consolidation

Minimum-Pore-Pressure



Do đó ta không cần thiết tính toán ma sát âm đến hết quá trình cố kết của

đất để giảm thời gian cố kế ta chỉ cần tính toán giá trị ma sát âm khi mức độ

cố kết của đất khoảng 85% (từ 3-7 năm tùy theo loại đất)

3.1.6. So sánh giá trị ma sát âm của cọc đơn giữa các phương pháp tính.

Bảng tổng kết kết quả:

Tiêu chuẩn Giai đoạn Giá trị lực MSA

(kN)

Vị trí mặt trung

hòa (m)

TCVN Tức thời 230 12

Cố kết hoàn toàn 300 11.65

DAS Cố kết hoàn toàn 280 18.35

PLAXIS Tức thời 260 12.1

Cố kết hoàn toàn 317 17.4

Nhận xét:

Các phương pháp đều cho giá trị ma sát âm gần như tương đương nhau. Tuy nhiên

giá trị mặt phẳng trung hòa của các phương pháp là khác nhau.

Theo tiêu chuẩn VN nhóm đề xuất xét ma sát âm trong 2 trường hợp thoát nước và

không thoát nước kể đến sự phát triển của sức chống cắt theo thời gian cố kết tuy nhiên

chưa kể đến sự phát triển của modun đàn hồi do đó kết quả giá trị mặt phẳng trung hòa

gần như không đổi.

Sử dụng phần mềm Plaixs cho thấy những thay đổi này rất nhiều và phù hợp với

kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trước. Tuy nhiên việc tính toán đòi hỏi các

thông số đầu vào phải chuẩn xác và dựa trên sơ đồ làm việc thoát nước (CD) của đất nền.

Tuy nhiên xét phương pháp này không đưa ra được sức chịu tải của cọc là bao nhiêu nên

vẫn phải tính toán SCT theo tiêu chuẩn để kiểm tra cọc có đảm bảo khả năng chịu lực hay

không.



3.2. Xác định ảnh hưởng MSA đối với nhóm cọc bằng phần mềm Plaxis

3.2.1. Mô hình tính toán.

Với các thông số về cọc và đất nền tương tự như mục 3.1 ta mô hình xác định giá

trị lực ma sát âm trong nhóm cọc 9 cọc như sau:

Bố trí cọc: khoảng cách 3 cọc là 3D và cọc cách mép đài là D. Các cọc được

đánh số khảo sát như hình dưới.

Tải trọng tác dụng lên đài: F=3500kN.

Mô hình tương tự với thời gian cố kết là 400 ngày. Ta được các kết quả như

sau:

3.2.2. Kết quả tính toán

1 2

3



Chuyển vị tổng của nhóm cọc và đất nền

Chuyển vị tương đối của nhóm cọc và đất nền

Sự truyền tải trọng trong cọc.



Nhận xét:

Từ kết quả trên ta thấy rằng ma sát âm ảnh hưởng lớn đến các cọc bên biên

và giảm dần đối với các cọc bên trong.

Giá trị ma sát âm thay đổi dần như sau.

Cọc đơn 1 2 3

Giá trị (kN) 717 711 619 443

% 100 99 86 62

Cọc ở trọng tâm móng chịu ảnh hưởng của ma sát âm nhỏ nhất chỉ bằng 62% giá

trị tính toán ma sát âm cho cọc đơn. Do đó nếu quá trình tính toán thiết kế móng nếu có

-35.0

-30.0

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

-800.0 -700.0 -600.0 -500.0 -400.0 -300.0 -200.0 -100.0 0.0

3

1

2

Single



kể đến ma sát âm mà không xét đến sự ảnh hưởng của hệ số nhóm thì chi phí thiết kế rất

cao.

Cần có thêm nhiều nghiên cứu tổng thể về vấn đề này, trên thế giới cũng đã có

nhiều đề tài nghiên cứu về ảnh hưởng của ma sát âm cho nhóm cọc tuy nhiên những

nghiên cứu này được thực hiện gần đây nên chưa phổ biến kết quả. Ở nước ta với địa chất

ở các vùng như quận 7, 8, Nhà Bè, Đồng Bằng Sông Cửu Long… rất thuận lợi cho sự

phát triển của ma sát âm. Do đó cần có thêm nhiều nghiên cứu mới về ảnh hưởng của ma

sát âm đối với nhóm cọc để thiết kế công trình hiệu quá và kinh tế nhất.

Vận dụng kết quả trên ta đề ra một phương pháp làm giảm ảnh hưởng ma sát âm là

tạo nhóm cọc trong đó các cọc biên sẽ được thiết kế với cùng dài cũng như khả năng chịu

lực đủ chịu lực kéo xuống và cọc ở tâm móng chủ yếu chịu tải trọng công trình.

3.3. Ứng dụng phần mềm Plaxis trong đánh giá ảnh hưởng ma sát âm.

Trong phần lý thuyết về ma sát âm ta đã biết những trường hợp ma sát âm gây

ảnh hưởng lên công trình, nhưng ảnh hưởng đó cụ thể như thế nào và có tính toán được

hay không?

Đối với phương pháp giải tích ta khó có thể đánh giá được hết các ảnh hưởng

này. Ứng dụng các công cụ mô hình và phân tích mạnh mẽ của Plaxis nhóm tiểu luận xin

đề xuất phương pháp đánh giá ảnh hưởng ma sát âm cho một số bài toán thực tế như sau:

3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của ma sát âm đến công trình lân cận.

Dữ kiện bài toán:

Cần xây dựng một công trình mới có 3 tầng hầm sát bên công trình hiện hữu.

Công trình hiện hữu sử dụng móng cọc ép BTCT tiết diện 30x30, cọc có sức chịu tải là

40T.

Công trình hiện hữu sử dụng móng cọc, cọc gần nhất nằm sát mép công trình

chuẩn bị xây dựng. Để tránh ảnh hưởng đến công trình kề bên, tường tầng hầm của

công trình mới sẽ cách mép công trình cũ 3m.

Thi công theo phương pháp hở, mực nước ngầm tại mặt đất tự nhiên. Trong suốt

quá trình thi công phải tiến hành hạ thấp mực nước ngầm để đảm bảo hố móng được

khô ráo.



Mô hình bài toán

Quy trình hạ mực nước ngầm theo từng giai đoạn đào đất:

Trạng thái ban đầu: MNN ở cao độ 0.000



Hạ MNN lần 1: cao độ MNN trong hố đào là -4.000






Bảng thông số đầu vào của cọc BTCT 30x30cm



Bảng thông số đầu vào của tường barette:

Bảng thông số đầu vào của thanh chống ( thép H):

Kết quả các Phase từ 1 đến 18:



Kết quả các phase từ 1 đến 18

Nội lực phát sinh trong cọc:



Nội lực thân tường:

Kết luận: Khi hạ MNN trong nền chưa cố kết gây ra ma sát âm.

3.3.2. Ảnh hưởng của MSA đối với móng cọc của công trình cũ khi xây dựng công trình

kề bên dạng móng bè

Công trình mới sử dụng móng bè trên nền đất tự nhiên. Cao độ đáy móng

là -2.000m.

Công trình củ sử dụng móng cọc, cọc 30x30, tải thiết kế tác dụng lên cọc là 40T.

Cao độ đáy đài móng là -2.000m.

Xem xét ảnh hưởng của móng bè đến SCT của cọc của công trình kề bên.

Công trình củ được mô phỏng như sau:



Một số kết quả:

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60

Series1



Nội lực giằng móng:

Mô hình khi có công trình mới:

Thông số cọc BTCT 30x30cm:



Thông số giằng móng D 30x60cm:

Thông số đài móng dày 80cm:



Thông số móng bè dày 30cm:

Kết quả các Phase :



Kết quả nội lực phát sinh trong cọc:

Nội lực tăng thêm trong cọc khoảng 32.5T

Nội lực giằng móng:

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100

Series1



3.3.3. Xem xét sự dâng lên và hạ xuống của mực nước ngầm ảnh hưởng đến sức chịu tải

của cọc

Dữ kiện bài toán:

Công trình ven sông, mực nước ngầm thay đổi theo mùa, quá trình dâng lên và hạ

xuống của nước ngầm sẽ làm cho đất cố kết hơn, gây nên ma sát âm.

Mô phỏng 1 cọc nhồi D = 600mm, tải trọng tác dụng lên cọc N = 500T.

Mực nước ngầm hạ thấp nhất vào mùa khô, cách mặt đất tự nhiên 20m.

Tiến hành tăng, giảm mực nước ngầm 4 lần để quan sát.

Mô hình bài toán 2D:

Kết quả các phase:



Các kết quả thu được:

Hạ MNN lần 1 Tăng MNN lần 1

Lực dọc trong cọc sau khi MNN sau 4 lần hạ, tăng mực nước ngầm:



Nhận xét: Lực dọc trong cọc tăng lên do quá trình hạ, tăng mực nước ngầm.

Trong tính toán thiết kế phải tìm hiểu kỹ về địa chất thủy văn để có kết quả hợp lý nhất.

3.3.4. Nhận xét

Có thể thấy rằng với phần mềm Plaxis ta có thể xử lý được rất nhiều vấn đề

của bài toán địa kỹ thuật.

Những ví dụ trên như một gợi ý về các ý tưởng thực tế sau này. Làm sao mô

phỏng được ứng xử thực tế của đất nền đó là vấn đề hết sức quan trong. Có thể ta mô

phỏng được quá trình làm việc của nền theo các Phase giống như thực tế nhưng những

thông số đúng của đất nền tương ứng với quá trình đó là bao nhiêu? Giá trị đó có thay

đổi theo thời gian không? Mô hình thế nào để kể đến ảnh hưởng của các giá trị đó?..

Đó là một số câu hỏi cần đặt ra trước khi sử dụng phương pháp này vì phần

mềm tuy mạnh nhưng các thông số đầu vào không chuẩn thì kết quả sẽ không đúng

với thực tế.



CHƯƠNG 4: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA MSA

4.1. Khái quát

Từ thực nghiệm hiện trường đã chỉ ra rằng lực ma sát âm nhỏ trên các cọc ngắn

có chiều dài không vượt quá 8m, nên nó có thể được bỏ qua (M.G.Khare và

S.R.Gandhi).

Đối với các cọc có chiều dài trung bình, ma sát âm được xét đến và giải pháp

khắc phục có thể được chọn là tăng khả năng chịu tải của cọc, bằng cách tăng chiều

dài hoặc giảm khoảng cách các cọc.

Tuy nhiên, khi mà ma sát âm quá lớn, giải pháp tăng khả năng chịu tải của cọc

không còn kinh tế hay đạt hiệu quả, thì cần phải sử dụng một trong các biện pháp giảm

ma sát âm. Xuất phát từ nguồn gốc và sự hình thành ma sát âm, biện pháp khắc phục

ma sát âm có thể chia làm 3 nhóm chính:

Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất.

Biện pháp làm giảm tải trọng lên đất nền.

Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng ma sát âm.

4.2. Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất

Giảm tối đa độ lún cũng như tốc độ lún còn lại của nền đất trước khi thi công cọc

bằng các biện pháp xử lý nền như gia tải trước bằng đất đắp hoặc chân không, kết hợp

với các giải pháp tăng nhanh quá trình cố kết, nghĩa là quá trình tiêu tán áp lực lỗ rỗng

thặng dư trong nền bằng cọc cát hay bấc thấm,v.v...

Ở đây cũng cần phải chú ý rằng, quá trình bơm nước ngầm của các công trình lân

cận cũng phát sinh ra quá trình cố kết trong nền, từ đó cũng có thể phát sinh ma sát âm

tác dụng lên cọc. Do đó, cần hết sức tránh hiện tượng bơm hút nước ngầm xung quanh

công trình móng cọc mà không kiểm soát phạm vi cũng như mức độ ảnh hưởng của nó

đối với công trình móng.

4.2.1. Nội dung biện pháp

Đối với công trình có thời gian thi công không gấp, công trình có hệ móng cọc

trong đất yếu chưa cố kết. Để giảm ma sát âm, có thể bố trí các phương tiện thoát nước

theo phương thẳng đứng (giếng cát hoặc bấc thấm) nên nước cố kết ở các lớp sâu trong

đất yếu dưới tác dụng tải trọng đắp sẽ có điều kiện để thoát nhanh (thoát theo phương

nằm ngang ra giếng cát hoặc bấc thấm rồi theo chúng thoát lên mặt đất tự nhiên). Tuy

nhiên, để đảm bảo phát huy được hiệu quả thoát nước này thì chiều cao nền đắp tối



thiểu nên là 4m, do đó nếu nền đắp không đủ lớn thì ta kết hợp với gia tải trước để

phát huy hiệu quả của các đường thấm thẳng đứng.

Khi sử dụng các giải pháp thoát nước cố kết thẳng đứng nhất thiết phải bố trí tầng

cát đệm.

Giếng cát chỉ nên dùng loại có đường kính từ 35-45 cm, bố trí kiểu hoa mai với

khoảng cách giữa các giếng bằng 8-10 lần đường kính giếng.

Nếu dùng bấc thấm thì cũng nên bố trí so le kiểu hoa mai với cự ly không nên

dưới 1,3m và không quá 2,2m.

Khi sử dụng các giải pháp thoát nước cố kết thẳng đứng nên kết hợp với biện

pháp gia tải trước và trong mọi trường hợp thời gian duy trì tải trọng đắp không nên

dưới 6 tháng.

Hình 4.1. Sơ đồ bố trí gia tải trước kết hợp giếng cát làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất

Ưu điểm: có thể áp dụng cho cả cọc đóng và cọc khoan nhồi.

Nhược điểm: cần thời gian thi công lâu và mặt bằng lớn (nếu có đắp gia tải).

4.3. Biện pháp làm giảm tải trọng lên đất nền

Kiểm soát và hạn chế đến mức có thể ứng suất phân bố trong nền đất yếu do tải trọng

chất thêm trong khi thi công công trình cũng như sau khi công trình được đưa vào sử

D L

Khoái ñaát ñaép (thöôøng laø caùt)

kh

kvkv

kh

kv

kh

kv

kh

kv

kh

kv

kh

Truï thoùat nöôùc

Ñeäm caùt

H

coá keát tröôùc lôùp ñaát yeáu nhaèm laøm giaûm ma saùt aâm

Hình 3-1: Gia taûi tröôùc keát hôïp duøng gieáng caùt thoaùt nöôùc laøm



dụng. Giải pháp có thể được đưa ra là sử dụng sàn giảm tải trên hệ cọc hoặc là nền đất

đắp trên hệ cọc vật liệu trộn (đất trộn xi măng, đất trộn vôi,...) có lót vải địa kỹ thuật.


Đối với các công trình có phụ tải là hàng hóa, vật liệu, container, …. tải trọng phụ

có giá trị lớn thì dùng các sàn bê tông có xử lý cọc để đặt phụ tải.

Trong công trình giao thông, sàn giảm tải (bố trí cho nền đường đắp cao sau mố

cầu), ngày càng được sử dụng rộng rãi, đất đắp nền được đắp lên sàn giảm tải chứ không

tác dụng trực tiếp lên nền đất yếu bên dưới. Các dự án lớn ở khu vực đồng bằng sông

Cửu Long đã sử dụng giải pháp sàn giảm tải như: các cầu Hưng Lợi, Mỹ Thanh, Rạch

Mọp … thuộc dự án xây dựng tuyến đường Nam Sông Hậu.

Trong trường hợp này, lực ma sát âm giảm đáng kể do phụ tải được truyền xuống

tầng đất tốt có khả năng chịu lực. Như vậy tải trọng phụ sẽ ít ảnh hưởng đến lớp đất có

tính nén lún cao từ đó làm giảm độ lún của đất nền, dẫn đến giảm lực kéo xuống của đất

xung quanh cọc.

4.3.2. Ưu điểm

Biện pháp này dễ thi công, làm giảm đáng kể lực kéo xuống của cọc, an toàn về kỹ

thuật. Biện pháp này đặc biệt thích hợp với các công trình được xây dựng tôn nền cao

trên nền đất yếu lớn như hiện nay.

4.3.3. Nhược điểm

Xét về mặt kinh tế thì chưa đạt hiệu quả cao.

Trong nhóm này còn phải kể đến phương pháp xử lý nền bằng phương pháp cố kết

chân không. Các phương pháp này mới được áp dụng tại Việt Nam có hiệu quả rất lớn

tuy nhiên giá thành còn cao.

4.4. Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng ma sát âm

Giảm ma sát, sự dính bám giữa bề mặt đất và cọc trong phần nền có xuất hiện ma sát

âm. Trong nhóm giải pháp này bao gồm nhiều phương án đã được nghiên cứu, chứng

minh và báo cáo trong các bài báo của nhiều tác giả.


Tạo lớp phủ mặt ngoài để ngăn ngừa tiếp xúc trực tiếp giữa cọc và đất xung quanh

làm giảm ma sát thành bên giữa cọc và lớp đất nền xung quanh cọc.

Bitumen thường được sử dụng để phủ xung quanh cọc bởi vì đặc tính dẻo nhớt của

nó, ứng xử như vật liệu rắn đàn hồi dưới tác động tải tức thời (đóng cọc) và như chất lỏng



nhớt với sức chống cắt nhỏ khi tốc độ di chuyển thấp. Những thành công sử dụng

bitumen để làm giảm lực kéo xuống phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như lọai và tính chất

của bitumen, mức độ thâm nhập của hạt đất vào bitumen, sự phá hỏng của bitumen khi

đóng cọc, và nhiệt độ môi trường.

Theo kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lớp phủ bitumen làm giảm ma sát âm trong

cọc của Brons (1969), kết quả nghiên cứu cho thấy lực ma sát âm giảm khoảng 90% so

với trường hợp không dùng lớp phủ mặt ngoài.

Theo kết quả nghiên cứu của Bjerrum (1969), đối với cọc dùng lớp phủ bitumen và

dùng bùn bentonite để bảo vệ khi hạ cọc thì lực kéo xuống giảm 92%. Trong trường cọc

dùng bùn bitonite để giữ ổn định thì lực kéo xuống giảm 15%.

Vì vậy có thể kết luận: lớp phủ bitumen có tác dụng làm giảm lực kéo xuống khoảng

75%. Tuy nhiên, nếu không có bùn bentonite khi hạ cọc thì tác dụng của bitumen chỉ còn

khoảng 30% mà thôi, do lớp phủ bitumen bị phá hỏng trong quá trình hạ cọc. Do đó

chiều dày lớp phủ bitumen nên vào khoảng 4-5mm để ngừa cho trường hợp bị xước khi

hạ cọc.

4.4.2. Ưu điểm

Thi công đơn giản, kinh phí thấp

4.4.3. Nhược điểm

Chỉ có thể áp dụng cho cọc đóng, không áp dụng được cho cọc khoan nhồi.

Ngoài ra, người ta có thể khoan tạo lỗ có kích thước lớn hơn kích thước cọc trong

vùng chịu ma sát âm, sau đó thi công cọc mà vẫn giữ nguyên khoảng trống xung quanh

và được lấp đầy bằng bentonite.

4.5. Các biện pháp khác

4.5.1. Phương pháp điện thấm (Electro Osmosis)

Nội dung biện pháp

Phương pháp này được sử dùng nhằm làm giảm tạm thời lực dính giữa đất (sét) và bề

mặt cọc thép. Bjerrum et al.(1969) đã trình bày kỹ thuật điện thấm với các cọc thép là các

đầu cực âm, nhằm làm giảm ma sát âm (Electro-osomosis gây ra sự di chuyển các hạt

proton tích điện dương xuyên qua một màng trao đổi proton (proton exchange membrane

- PEM), từ đó dẫn đến hiện tượng các phân tử nước bị kéo từ cực dương sang cực âm)



Trong các thí nghiệm hiện trường, khi dòng điện trong các cọc thép đóng vai trò là

các đầu cực âm được tăng từ 4A đến 80A, thì ma sát âm giảm đến giá trị nhỏ có thể được

bỏ qua.

Ưu điểm

Ưu điểm vượt trội của phương pháp là có khả năng hồi phục lực dính hữu ích giữa

đất và cọc sau khi quá trình phát sinh ma sát âm kết thúc.

Nhược điểm

Phương pháp này chỉ có tác dụng tức thời trong khi tác dụng dòng điện. Do đó, dòng

điện cần phải duy trì cho đến khi nền đất xung quanh cọc đạt độ lún ổn định, tốc độ lún

không còn lớn hơn so với cọc.

Nhìn chung, phương pháp này giá thành cao hơn so với các phương pháp khác do đó

hiếm khi được sử dụng.

4.5.2. Cách ly giữa vùng môi trường đất nền có khả năng xảy ra ma sát âm và bề mặt cọc

Ma sát âm trên bề mặt cọc có thể bị loại trừ bằng cách sử dụng một ống bao bên

ngoài cọc trong phạm vi có khả năng xuất hiện ma sát âm.

Tuy nhiên phương pháp này không nên sử dụng trong trường hợp khả năng chịu tải

của cọc cần đến thành phần ma sát bên (ma sát dương) sau khi kết thúc quá trình phát

sinh ma sát âm. Và nếu như chiều dài phát sinh ma sát âm là tương đối lớn thì tính kinh tế

không cao.

Sự cách ly giữa đất và cọc cũng có thể đạt được với các cọc được vuốt thon. Các thí

nghiệm mô hình của Sawaguchi (1982) đã cho thấy rằng cọc được vuốt thon giảm lực

kéo đến 90% so với các cọc thành thẳng.

4.5.3. Hệ thống cọc bảo vệ xung quanh nhóm cọc chính

Phương pháp này sử dụng một hệ thống các cọc đóng chịu tải bố trí gần nhau, xung

quanh được bao bọc bởi các cọc gọi là cọc bảo vệ. Chính các cọc bảo vệ này sẽ chịu ma

sát âm.

Okabe (1977) đã báo cáo một ứng dụng thành công theo phương pháp hệ thống cọc

bảo vệ, của công trình trạm chuyển (đường sắt) ở Nhật. Các cọc bảo vệ bên ngoài chịu

một lực ma sát âm là 3500KN trong khi đó các cọc bên trong (cọc chịu tải trọng chính

của móng công trình) lại gần như không có xuất hiện ma sát âm.



Tuy nhiên, ở đây cũng thấy rằng, phương pháp này đòi hỏi các cọc cịu tải phải bố trí

gần nhau, điều này làm giảm hệ số nhóm cọc. Và giá thành có thể đội lên cao. Do đó cần

phải cân nhắc về khả năng chịu tải của nhóm cọc cũng như tính kinh tế của phương pháp.

4.5.4. Phương pháp sử dụng lớp bao phủ bằng bùn Betonite và Bittum

4.5.4.1. Phương pháp bao phủ bằng bùn Betonite

Các kết quả thí nghiệm của Brons et al. (1969) và Bjerrum et al. (1969) đã chỉ ra

rằng, lớp bùn bentonite có khả năng làm giảm lực dính giữa đất và cọc.

Edwards và Visser (1969) cũng đã trình bày nghiên cứu của mình về vấn đề này

(1969). Trong nghiên cứu này, cọc được phủ một lớp bentonite dày từ 30mm – 40 mm.

Lực ma sát âm trên các cọc có bọc lớp Bentonite khoảng 120KN, trong khi đó trên các

cọc không phủ Bentonite là 700 – 800KN. Lớp phủ bentonite thường sử dụng cho cọc

đúc tại chỗ (cọc khoan nhồi).

4.5.4.2. Phương pháp bao phủ bằng sơn Bittum

Việc sơn phủ bề mặt cọc bằng các loại vật liệu có tính nhớt để giảm ma sát là giải

pháp khả thi và kinh tế nhất trên các cọc đúc sẵn (Baligh et al. 1978).

Các vấn đề đặt ra là:

Xác định loại vật liệu phù hợp để sử dụng.

Xác định chiều dày cần thiết.

Quy trình thi công.

4.5.4.3. Xác định loại vật liệu

a. Nội dung

M.G.Khare và S.R.Gandhi ở học viện công nghệ Madras, Chennai, Ấn Độ đã tiến

hành nghiên cứu trên mô hình bề mặt ma sát giữa cọc và đất thô, sử dụng bộ thiết bị cắt

trực tiếp. Bề mặt cọc được mô hình bằng khối thép mềm kích thước 8,5mm x 8,5 mm x

2,8mm. Đất sử dụng trong nghiên cứu này cho như trong bảng.



Bộ thiết bị cắt trực tiếp được cải tiến:

Hình 4.2. Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp trên lớp thép có sơn phủ và cát

Nghiên cứu được tiến hành đối với 2 loại vật liệu sơn phủ là Shalikote

(T-25) TM và bittum mác 30 - 40. Shalikote (T-25) cũng là một loại sản phẩm từ bittum,

nhưng có độ nhớt thấp hơn.

Cát được chứa trong hộp này được làm chặt đến độ chặt tương đối là 70%. Tốc độ

thí nghiệm cắt là 0,25mm/min.

Các mẫu được phủ lớp Shalikote (T-25) và bittum với chiều dày lần lượt là 2mm,

3mm, và 5mm.

Tất cả các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng là 31oC.



Hình 4.3. Ứng suất cắt

b. Kết quả

Sự giảm ứng suất cắt trong các thí nghiệm này được xem như là ảnh hưởng của lớp

sơn phủ đối với sự giảm của ma sát âm. Và kết quả thí nghiệm sức kháng cắt dư được

đưa ra để đánh giá mức độ ảnh hưởng của lớp phủ bằng Shalikote (T-25) TM và của

bittum.

Các thí nghiệm trên Shalikote (T-25) TM cho thấy một sự gia tăng ban đầu của ma

sát bề mặt sau đó giảm đáng kể khi mẫu bị cắt.



Đối với bittum, ma sát bề mặt gia tăng khi các hạt cát xuyên vào trong lớp phủ, sau

đó thì hầu như không đổi. Thí nghiệm cho thấy rằng, ma sát bề mặt được huy động đầy

đủ tương ứng với dịch chuyển tương đối chỉ khoảng vài milimet.

Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, lớp phủ bittum đạt được độ giảm ứng suất cắt

dư lớn nhất với mọi giá trị ứng suất pháp và chiều dày so với Shalikote (T-25)TM.

Ơ hình 4.3 tại ứng suất pháp bằng 25 KN, ứng suất cắt trên các mẫu được phủ 1 lớp

Shalikote (T-25) TM dày 1mm và 1.36mm cao hơn so với các mẫu không được phủ.

Điều này có thể là do thành phần lực dính của Shalikote (T-25). Tuy nhiên trong các mẫu

được quét bittum, điều này hoàn toàn không xảy ra.

Ở các mẫu phủ Shalikote (T-25) TM cho thấy một sự co ngót chiều dày lớp sơn phủ.

Chiều dày ban đầu sơn phủ là 2mm, 3mm và 5mm, nhưng sau khi bảo dưỡng thì chỉ còn

lại tương ứng là 1mm, 1.36mm, và 2.16mm. Sự co ngót này có thể gây ảnh hưởng không

tốt do có thể phát sinh hiện tượng nứt nẻ lớp phủ. Shalikote (T-25)TM có khả năng làm

giảm ứng suất cắt khoảng từ 23% đến 60%.

Đối với bittum cho thấy khả năng giảm ứng suất cắt một cách đáng kể. Trên các

mẫu phủ bittum, ứng suất cắt giảm từ 85% - 97% khi so sánh với các mẫu không phủ.

Khi chiều dày lớp phủ từ 2mm – 5mm thì ứng suất cắt giảm đáng kể. Khi chiều dày là

3mm, ứng suất cắt giảm đến bằng hoặc lớn 90%, và thích hợp với các trường hợp thực

tế. Do đó, chiều dày lớp phủ bằng bittum chỉ cần dày khoảng 3mm là có thể đủ khả năng

giảm lực ma sát âm.

c. Kết luận

Trong nghiên cứu này, các nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành để so sánh

giữa Shalikote (T-25) TM và bittum mac 30-40 với các chiều dày 2mm, 3mm và 5mm.

Shalikote (T-25) TM có thể giảm ứng suất cắt từ 30% - 50%. Tuy nhiên, nhược

điểm lớn nhất của nó là có thể phát sinh các vết nứt do co ngót khi sơn phủ lên bề mặt

cọc.

Bittum có thể năng giảm ứng suất cắt lớn nhất. Ưng suất cắt có thể giảm từ 80%

đến 97%, phụ thuộc vào ứng suất pháp và chiều dày lớp sơn phủ. Chiều dày lớp phủ

được khuyên nên sử dụng là khoảng 3mm.

Ảnh hưởng của lớp sơn phủ đối với việc giảm ma sát âm phụ thuộc vào các đặc tính

của cọc, đất và vật liệu sơn phủ. Như vậy, qua thí nghiệm này, và cũng giống như theo ý



kiến của các tác giả, vật liệu bao phủ có độ nhớt, tính mềm càng lớn thì khả năng giảm

ma sát âm càng cao (điển hình là so sánh giữa 2 vật liệu là Shalikote (T-25) và bittum).

Nếu bittum được sử dụng thì bittum có độ kim lún càng cao thì khả năng giảm ma

sát càng lớn. Với các thí nghiệm ở thực tế hiện trường và các thí nghiệm trong phòng

(Johannesen et al. 1965; và 1969; Walker và Darwall. 1973, Clemente 1979 và 1981, và

Fellenius 1975 và 1979) cũng đưa ra kết luận rằng, với chiều dày không lớn hơn 1/16 in

(bằng 1 – 2mm), với loại bittum có độ kim lún bằng hoặc lớn hơn cấp 80 / 100, sẽ có thể

giảm đáng kể lực cắt giữa bề mặt cọc và đất tại các tốc độ chuyển dịch tương đối thực tế

giữa đất và cọc.

Ngoài nguyên nhân giảm ma sát giữa đất và cọc, tính nhớt càng cao thì khả năng

bám dính của vật liệu bao phủ lên bề mặt cọc càng lớn, khả năng bị co ngót, nứt nẻ do

ảnh hưởng thời tiết càng nhỏ.

Do đó, theo ý kiến của nhiều tác giả khuyên nên sử dụng loại bittum có độ kim lún

từ 80/100. Đây là loại vật liệu có các đặc tính phù hợp, đáp ứng được yêu cầu và có sẵn

trên thị trường.

4.5.4.4. Chiều dày lớp bao phủ

Theo kết quả thí nghiệm trên, ta cũng có thể thấy rằng, chiều dày lớp bao phủ càng

lớn thì khả năng giảm ma sát âm càng cao. Tuy nhiên, vì các lý do kinh tế và điều kiện

thi công, cũng như trong quá trình lớp phủ làm việc, nên cần phải xác định chiều dày đủ

để giảm ma sát âm đến một giá trị mong muốn. Không phải lớp bittum có chiều dày càng

lớn thì càng tốt.

Theo ý kiến kiến của M.G.Khare và S.R.Gandhi, thì chiều dày lớp phủ yêu cầu là

khoảng 3mm.

Các kết quả đo đạc của Brons et al. (1969) và Bjerrum et al. (1969) cho thấy rằng

chỉ cần một lớp bittum sơn phủ mỏng cũng đủ làm giảm ma sát âm. Các kết quả thí

nghiệm của Bjerrum et al. (1969) cho thấy một lớp bittum sơn phủ dày 1mm có thể làm

giảm 90% độ lớn của lực kéo (ma sát âm) so với các cọc không sơn phủ.

Một vấn đề nữa có liên quan đến chiều dày lớp phủ là làm sao để bảo đảm chất

lượng lớp phủ trong quá trình lưu trữ, và tránh bị bóc tróc trong quá trình hạ cọc, đặc biệt

là khi hạ cọc xuyên qua các lớp đất hạt thô. Theo kinh nghiệm của Fellenius, thì chiều

dày lớp đất hạt thô chỉ cần vài mét là đã đủ gây ra nguy cơ cào rách lớp bittum rất lớn. Đã

từng có các ý kiến cho rằng, lớp phủ càng mỏng thì càng dễ bị trầy rách trong quá trình



hạ cọc. Trong một bài toán cụ thể được đưa ra của các tác giả Alphonus, I.M.Claessen, và

Endre Horvat (1974), chiều dày lớp phủ được đề nghị lên tới 10mm (1cm). Tuy nhiên,

theo quan điểm của Fellenius (1975), chiều dày 10 cm là không thực tế, nó quá dày,

không chỉ là quá mắc, mà còn là không thể để thực hiện được nếu không sử dụng các

biện pháp đặc biệt trong quá trình thi công sơn phủ, cũng như trong quá trình bảo dưỡng,

lưu trữ để tránh bị biến dạng do hiện tượng hoá mềm. Hơn nữa, Fellenius cũng không

đồng ý với ý kiến của các tác giả trên, vì theo ông, khả năng bị cào rách lớp phủ càng lớn

nến như lớp này càng dày. Các bài báo của Bjerrum et al, cũng đưa ra ý kiến rằng các cọc

được hạ xuyên qua một lớp đất hạt thô cũng có thể bị cào rách lớp bittum dù cho lớp này

dày hơn.

Nhiều kinh nghiệm được đúc kết từ thí nghiệm trong phòng và hiện trường đã cho

thấy rằng, ngoại trừ đảm bảo khối lượng bittum cần tối thiểu, một lớp sơn phủ mỏng

khoảng 1mm đến 2mm với các loại bittum mềm, Mác từ 60/70 trở lên là phù hợp bởi nó

hạn chế sự chảy mềm trong quá trình lưu trữ và sự bóc tách trong quá trình hạ cọc.

Hơn nữa, theo nhìn nhận thực tế của Fellenius, không cần phải đòi hỏi ma sát âm

phải bị loại trừ khoảng 90%, hay nghĩa là chỉ cần đạt khoảng 80%. Do đó, chỉ cần các

loại bittum thông thường có bán trên thị trường cũng đủ thích hợp. Fellenius đề nghị nên

sử dụng bittum có độ kim lún 85/100, theo hệ thống phân loại của American Society for

Testing and Material (ASTM) D-946, với chiều dày sơn phủ từ 1mm đến 2mm.

Đồng thời, theo ý kiến của Fellenius, thi tốc độ lún, hay biến dạng cắt thực tế ngoài

hiện trường rất nhỏ so với tốc độ thí nghiệm trong phòng. Theo kết quả thí nghiệm cắt mà

Fellenius từng thực hiện với mẫu đất sét trên bề mặt bêtông có phủ lớp bittum mac 120 ,

ứng suất cắt lại gia tăng khi tốc độ biến dạng tăng. Do đó, có thể nhìn nhận rằng, ứng suất

cắt của bề mặt tiếp xúc giữa cọc và đất thực tế trong nền sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với các

kết quả thí nghiệm trong phòng. Như vậy, chiều dày đòi hỏi thực tế của lớp phủ bittum

cũng sẽ nhỏ hơn so với các kết quả thí nghiệm.

4.5.4.5. Thi công lớp phủ bittum

Theo như khuyến nghị của Fellenius cùng nhiều tác giả khác, loại bittum thích hợp

để sử dụng có mác từ 85/100 theo ASTM D-946.

Loại bittum này có thể được sơn hoặc trét lên bề mặt cọc (có thể thi công ở công

trường hoặc tại nhà máy) sau khi đã được đun nóng đến trạng thái hoá lỏng, khoảng

175oC.



Trong trường hợp các cọc đúc sẵn, cần thiết phải đảm bảo độ dính của lớp bittum

với bề mặt cọc. Phương pháp rẻ nhất là hoà tan bittum với các loại dung môi thông

thường (như dầu hoả, hoặc xăng) đến khi hoá lỏng rồi sau đó sơn phủ lên bề mặt cọc.

Đặc biệt khi trong điều kiện khí hậu lạnh, việc thi công và sử dụng bittum nóng là

rất khó khăn và đắc đỏ. Do đó, trong các trường hợp này, cần phải pha bittum với một

loại dung môi nhằm làm mềm bittum sao cho nhiệt độ đun chỉ cần đạt 75oC là đủ. Tuy

nhiên, bittum lỏng phải có khả năng đông cứng nhanh chóng như đặc tính gốc của nó,

nhằm đảm bảo lớp phủ ổn định trên bề mặt cọc trong quá trình lưu trữ và khi hạ cọc vào

trong đất. Loại bittum như vậy trên thị trường gọi là “RC, cut – back bittum” (hay còn

gọi là nhũ tương phân tách nhanh).

4.5.4.6. Nhược điểm của lớp sơn phủ bittum

Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là ma sát dương không thể phụ hồi

trong vùng có sơn phủ lớp bittum khi xét về lâu dài (sau khi chấm dứt quá trình phát

sinh ma sát âm).

Theo kinh nghiệm của các tác giả Fellenius, Briaud, và nhiều tác giả khác, thì giá

thành các cọc có sơn phủ bittum lớn hơn các cọc không sơn phủ dao động trong

khoảng từ 10% - 20%. Khoảng chênh lệch giá thành này không phải là nhỏ. Do đó,

trong mỗi trường hợp thiết kế, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu các biện pháp giảm

ma sát âm đến một mức độ cho phép, bao gồm cả sự so sánh giá thành của các phương

án khác nhau.



CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

5.1. Kết luận

5.1.1. Hiện tượng ma sát âm

Ma sát âm hay sức kháng bên âm là một thành phần lực sinh ra trong các trường hợp

độ lún của lớp đất xung quanh cọc lớn hơn độ lún của cọc.

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm (chỉ tiêu cơ lý của đất, mực nước

ngầm, loại cọc, các kích thước của cọc, độ cố kết thời gian cố kết của đất…) cho nên việc

xây dựng một mô hình tính toán tổng quát cho bài toán này rất phức tạp.

Ma sát âm phát triển theo thời gian và đạt giá trị lớn nhất khi kết thúc cố kết.

Lực ma sát âm tỉ lệ với áp lực ngang của đất tác động lên cọc và tốc độ lún cố kết

của đất, hiện tượng ma sát âm sẽ kết thúc khi độ lún cố kết chấm dứt, lúc bấy giờ ma sát

của đất và cọc sẽ trở thành ma sát dương.

Lực ma sát âm không chỉ tác động lên mặt bên của cọc mà còn tác dụng lên mặt bên

của đài cọc, hoặc mặt bên của mố cầu hay mặt tường chắn có tựa lên cọc.

Khi tăng chiều cao đất đắp (hoặc phụ tải) thì ma sát âm tăng rất nhanh ở giai đầu và

chậm lại ở giai đoạn sau, và khi chiều cao đắp tăng đến một giới hạn nào đó thì ma sát

âm sẽ tăng không đáng kể (có thể là const). Kết quả tương tự cũng xảy ra đối với chiều

sâu vùng chịu ảnh hưởng z.

Tuỳ theo chiều cao của lớp đất đắp (hoặc độ lớn của phụ tải) và chiều dày của tầng

đất yếu mà chiều sâu vùng chịu ảnh hưởng của ma sát âm có thể không chỉ ở trong vùng

đất yếu mà có thể ảnh hưởng sang cả lớp đất tốt bên dưới (khi độ lún của lớp đất tốt lớn

hơn độ lún của cọc).

5.1.2. Các phương pháp tính toán ma sát âm

Nhóm tiểu luận đã tiến hành 3 phương pháp tính toán ma sát âm và nhận thấy rằng

kết quả 3 phương pháp này là tương đương nhau chứng tỏ các phương pháp tính là chuẩn

xác.

Trong đó phương pháp thiết kế theo TCVN là phương pháp được đề xuất sử dụng

trong thiết kế móng cọc ở nước ta. Phương pháp này đơn giản phù hợp với các quy trình

quy phạm và điều kiện địa chất ở Việt Nam.

Phương pháp theo nhà khoa học DAS cho phép xác định nhanh chống giá trị ma sát

âm và có thể dùng để dự báo độ ảnh hưởng của ma sát âm trong thiết kế sơ bộ.



Sử dụng phần mềm Plaxis là một phương pháp mới mà nhóm đã nổ lực nghiên cứu

và cho ra các kết quả rất phù hợp với những nghiên cứu trước. Với phương pháp này ta

có thể nghiên cứu sâu thêm các vấn đề về ảnh hưởng của ma sát âm mà các phương pháp

giải tích trước đây rất khó khăn thực hiện.

5.2. Kiến nghị

Trong thiết kế nếu có xét đến ảnh hưởng của ma sát âm cần tính toán cả hai ứng

xử thoát nước và không thoát nước của đất vì phân tích ảnh hưởng của ma sát âm là quá

trình phân tích ứng xử dài hạn (ứng xử thoát nước) của đất nên đòi hỏi phải có đầy đủ các

thông số ứng xử thoát nước từ các thí nghiệm địa chất. Nếu chỉ sử dụng các thông số từ

các thí nghiệm đơn giản như cắt trực tiếp, thí nghiệm nén nhanh thì những kết quả thu

được sẽ không chính xác đem lại cái nhìn không đúng về ma sát âm tăng chi phí thiết kế

nhưng không mang lại hiệu quả.

Cần xem xét ảnh hưởng của ma sát âm trong các trường hợp sau:

Cọc xuyên qua các lớp đất yếu với độ cố kết còn bé như sét yếu, bùn, than bùn…

Ở những nơi nền công trình được nâng cao với với chiều dày lớn hơn 1m trên lớp

đất yếu hay phụ tải nền với tải trọng lớn từ 20kPa trở lên.

Mực nước ngầm bị hạ thấp đáng kể do quá trình thi công công trình mới hay do

khai thác nước ngầm trong thành phố.

Quá trình thi công cọc ép của một số công trình xây chen có thể gây ra ma sát âm

đối các cọc biên của công trình cũ.

Thiết kế cọc nổi trên nền đang cố kết.

Sử dụng các giải pháp khắc phục cần nắm rõ các điều kiện của công trình và

những ưu nhược điểm của phương pháp đề có lựa chọn phù hợp. Mỗi phương pháp đều

có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với các công trình khác nhau nên cần phân tích

lựa chọn thật kỹ để quá trình thiết kế là hiệu quả và kinh tế nhất.

Ảnh hưởng của ma sát âm cho nhóm cọc là một vấn đề cần nghiên cứu sâu thêm

ở nước ta. Vì đối với địa chất ở các vùng như quận 7, 8, Nhà Bè, Đồng Bằng Sông Cửu

Long… lớp đất yếu trên mặt dày, rất dể xảy ra hiện tượng ma sát âm tác dụng lên cọc khi

san lấp mặt bằng. Nếu không có một nhận định chính xác về mức độ ảnh hưởng của ma

sát âm đến cọc trong những khu vực này dể dẫn đến các sự cố khi sử dụng công trình.

Nhưng tính đến ma sát âm ma không kể đến ảnh hưởng của nhóm cọc thì chi phí công



trình sẽ tăng. Nhưng giá trị tăng cũng như tiết kiệm là bao nhiêu thì cần có những nghiên

cứu cụ thể để xác định.

MÔN HỌC: KỸ THUẬT NỀN MÓNG NÂNG CAO GVGD: TS. VÕ PHÁN


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. PGS. TS . Võ Phán, Hoàng Thế Thao, Phân tích thiết kế Móng Cọc, NXB ĐH

Quốc Gia Hồ Chí Minh, 2010.

[2]. Joseph E.Bolwes, Foundation analysis and design – fifth edition, Page 1053,

McGraw-Hill Book Co – Singapore, 1997.

[3]. TS. Đậu Văn Ngọ, Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát âm đến công trình và các

biện pháp làm giảm thiểu ma sát âm, Science & Technology Development, Vol

12, No.06 – 2009.

[4]. “Nhóm 3 ĐKTXD2008”, Báo cáo tiểu luận môn học Móng cọc – Ma sát âm.

Tháng 6/2009.

[5]. Shen Ruifu, A Thesis Submitted For The Degree of Doctor of Philosophy

Departmentoof Civil Engineering National University of Singapore, 2008.

[6]. Dr Bengt H. Fellenius, 1984, Negative skin friction and Settlement on pile.

[7]. TS. Nguyễn Minh Tâm, Bài giảng ứng dụng Plaxis trong tính toán địa kỹ thuật.

[8]. Trần Văn Việt, Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật, Nhà xuất bản xây dựng.

[9]. Vũ Công Ngữ và Nguyễn Thái, Móng cọc phận tích và thiết kế, NXB khoa học và

kỹ thuật.

[10]. Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc - TCXDVN 205-1998.

[11]. Tiêu chuẩn thiết kế cầu - 22 TCN 272.

[12]. Châu Ngọc Ẩn, Cơ Học Đất, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh

[13]. Richard P. Long & Kent A. Healy, tháng 3/1974, Final report Negative skin

friction on pile.

[14]. Ali Sharif, Negative skin frition on single pile in clay to direct and indirect

loading, 1998.

[15]. E.E.Alonso, A.Josa and A.Ledesma, Negative skin friction on piles: A simplified

analysis and prediction procedure, 1984, Geo1technique 34, No.3, 341-357.

[16]. Manuals Plaxis 2D Foudation, 2001, A.Abalkema Publishers.

[17]. Các hình ảnh biểu đồ trong Phần 2 mục– III là các biểu đồ kết quả tính toán của

phần mềm Plaxis 2D Foundation.

Documents

Masatam-nhom3 f5 Final