Nhom 3 - Ma sat am

TL NỀN MÓNG NC – MA SÁT ÂM GVHD: PGS.TS. VÕ PHÁN

ẢNH HƯỞNG MA SÁT ÂM ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Page 1

LỜI NÓI ĐẦU

Từ rất xa xưa, con người đã biết sử dụng cọc gỗ đóng xuống sâu để gánh đỡ công trình có tải trọng lớn hoặc các lớp đất bên trên mặt không đủ khả năng chịu tải trọng trực tiếp. Ngày đó con người đã đóng cọc bằng những chày vồ lớn, những chày vồ kéo tay, những bánh xe nước đóng cọc.

Nhiệm vụ của cọc là truyền tải trọng từ công trình xuống các lớp đất dưới và xung quanh nó. Móng cọc là một trong những loại móng sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

Ngày nay, cùng với tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung móng cọc ngày càng được cải tiến, hoàn thiện và đa dạng về chủng loại cũng như phương pháp thi công, phù hợp với yêu cầu cho từng loại công trình. Sự phát triển của kỹ thuật làm cọc đã sản sinh không ngừng các kiểu cọc mới, điều đó đã mở ra cho việc thiết kế móng cọc nhà đặc biệt là cao tầng một địa bàn rộng rãi, khiến cho người thiết kế có thể lựa chọn được những loại cọc có tính năng kỹ thuật tốt hơn, lợi ích kinh tế cao hơn.

Bên cạnh quá trình phát triển các loại cọc, phát triển thêm những phương pháp hạ cọc cũng chính là sự phát triển nghiên cứu sức chịu tải trọng của cọc trong đất nền. Ma sát âm là một trong những đối tượng chính đã làm các nhà khoa học đâu đầu. Trong đó phải kể đến Terzaghi & Peck (1967) và Garlanger (1973).

Bài viết này chỉ xin trình bày hiểu biết hạn hẹp của nhóm về những vấn đề chung của ma sát âm. Bài viết không mang nội hàm khoa học, chỉ đơn thuần là cách nhìn tổng quan về ma sát âm và các phương pháp khắc phục để hình thành một cái nhìn sơ bộ cho người chưa có nghiên cứu về lĩnh vực này, tuyệt không hề có ý định khác. Những hiểu biết cá nhân của nhóm có thể khiếm khuyết hoặc không đúng do sự hiểu biết hạn hẹp của bản thân.



Chương I : Tổng quan về ma sát âm dưới cọc

1. Định nghĩa ma sát âm: Ma sát âm 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. Một số loại đất nhão cố kết đáng kể dưới trọng lượng bản thân của nó, và có thể gây ma sát âm. Lớp đất đắp phía trên tác dụng như là tải trọng, làm nhanh quá trình cố kết. Lớp đất phía trên là trầm tích trẻ là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ma sát âm đối với móng cọc. Trầm tích trẻ có nhiều loại đất từ trạng thái cứng đến chảy... thuộc Holocen.

Hình 1. Cọc trong đất mềm và chống trong lớp đất tốt

(a): Ma sát dương xuất hiện khi đóng cọc

(b): Ma sát âm xuất hiện do đất đắp



2. Phân tích ma sát âm.

Khi cọc chịu tác động của tải trọng nén, nó sẽ có xu hướng lún xuống. Nếu không có những nguyên nhân đề cập dưới đây, nói chung đất xung quanh thân cọc sẽ lún ít hơn độ lún của cọc. Do đó, sức kháng bên giữa đất và cọc sẽ có tác dụng kháng lại tải trọng ngoài.

Tuy nhiên, khi đất xung quanh thân cọc lún nhiều hơn độ lún của cọc, chuyển vị tương đối giữa cọc và đất sẽ có chiều ngược lại, do đó sức kháng bên giữa đất và cọc cũng có chiều ngược lại. Sức kháng bên này không kháng lại tải trọng ngoài mà còn góp phần đẩy cọc đi xuống, đó gọi là sức kháng bên âm mà người ta thường xử dụng thuật ngữ quen thuộc là "ma sát âm".

Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún của đất xung quanh 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 xuất hiện ma sát dương và ma sát âm thông qua các hình sau:



Hình 2. Sự xuất hiện ma sát dương khi đóng cọc

Hình 3. Sự xuất hiện ma sát âm do cố kết bản thân lớp đất đắp



Hình 4. Sự xuất hiện ma sát âm do cố kết của lớp mới đắp và thoát nước của lớp đất hiện hữu

Qua những hình minh họa trên, ta thấy rằng ma sát âm có thể xuất hiện trong một phần của cọc hoặc trên toàn cọc tùy thuộc vào các lớp trong đất nền. Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên toàn thân cọc thì rất nguy hiểm vì lúc này sức chịu tải của cọc không bao gồm ma sát hông mà thay vào đó là ma sát âm kéo cọc đi xuống. Sức chịu tải lúc này chính là sức chịu tải của mũi lên lớp đất tốt.

3. Nguyên nhân hình thành ma sát âm:

Lực ma sát âm có khuynh hướng kéo cọc đi xuống trong khi cọc chịu nén. Lực ma sát âm này tỷ 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.



Các tác nhân thường gặp làm cho đất quanh cọc lún nhiều hơn độ lún của cọc là:

v Sự lún do cố kết nền đất xung quanh cọc.

v Đắp cao trên nền đất có tính nén lún cao.

v Phụ tải của nền gần khu vực móng.

v Khi xây dựng công trình mới cạnh công trình cũ.

v Mực nước ngầm bị hạ thấp.

v Do sự nén chặt đất.

3.1. Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền:

Khi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết. Ta có thể xem xét cụ thể trong các trường hợp sau:

Hình 5. Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền



Trường hợp (a): Khi có một lớp đất sét đắp phía trên một tầng đất rời mà cọc sẽ xuyên qua nó, tầng sét sẽ cố kết dần dần. Quá trình cố kết này sẽ sinh ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc trong suốt quá trình cố kết.

Trường hợp (b): Khi có một tầng đất rời, đắp phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét bên dưới và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc.

Trường hợp (c): Khi có một tầng đất dính đắp ở trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và tầng đất sét gây ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc.

Trong trường hợp các cọc được tựa trên nền đất cứng và tồn tại tải trọng bề mặt có thể xảy ra các trường hợp sau:

Hình 6.các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tải trọng bề mặt



Trường hợp (d): Với tầng cát xốp sẽ có biến dạng lún tức thời, đặc biệt khi đất nền chịu sự dao động của mực nước ngầm, sự tác động của tải trọng bề mặt sẽ tạo ra biến dạng lún.

Trường hợp (e): Đối với nền sét yếu, khuynh hướng xảy ra biến dạng lún có thể rất nhỏ nếu như không chịu tác động của tải trọng bề mặt. Nhưng dù sau khi khoan tạo lỗ 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 trọng lượng bản thân của nền sét.

Trường hợp (f): Điều hiển nhiên là gần như bất kỳ sự đắp nào cũng sẽ xảy ra biến dạng lún theo thời gian dưới tác dụng của trọng lực.

3.2. Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết:

Thực tế một tình huống thường xuyên gặp phải trong thiết kế cầu đường nơi mà lực ma sát âm có thể xảy ra. Các cọc đã được thi công xong trong khi nền đất chưa kết thúc cố kết, mố cầu đã được xây dựng và đất nền đã được đắp. Độ lún của nền đất dọc theo thân cọc có thể rất khó khăn để loại bỏ, vì vậy lực ma sát âm thường xảy ra với dạng kết cấu như vậy, thậm chí còn có khuynh hướng tạo ra dịch chuyển ngang của mố cầu



Hình 7. Ma sát âm do đóng cọc mố cầu vào nền đất yếu chưa kết thúc cố kết

Ma sát âm chỉ xảy ra một bên cọc do phần đường dẫn vào cầu có lớp đất đắp cao làm cho nền đất bên dưới bị lún do phải chịu tải trọng của lớp đất đắp này, còn phần bên kia mố (phía sông) thì không có tải trọng đắp nên lớp đất nền không bị lún do tải trọng ngoài. Do đó cọc không bị ảnh hưởng của ma sát âm mà thay vào đó là cọc chiu ma sát dương.

3.3. Khi xây dựng công trình mới cạnh công trình cũ

Tải trọng phụ lớn đặt trên nền kho bãi làm cho lớp đất nền bên dưới bị lún xuống.

Phụ tải của nền gần móng ( hiện tượng xây chen các công trình mới cạnh công trình cũ). Nguyên tắc xác định ảnh hưởng của tải trọng đặt gần nhau là dựa trên đẳng ứng suất (ứng suất hướng thẳng đứng nếu xét về biến dạng lún hoặc ứng suất hướng ngang nếu xét về biến dạng trượt)



Hình 8. Biến dạng của công trình cũ trên cọc ma sát khi xây dựng gần nó công trình mới

3.4. Khi mực nước ngầm bị hạ thấp

Việc hạ thấp mực nước ngầm làm tăng ứng suất thẳng đứng có hiệu tại mọi điểm của đất nền. Vì vậy, làm đẩy nhanh tốc độ lún cố kết của nền đất. Lúc đó, tốc độ lún của đất xung quanh cọc vượt quá tốc độ lún của cọc và xảy ra hiện tượng kéo cọc đi xuống.

Khi hạ thấp mực nước ngầm thì :

Phần áp lực nước lỗ rỗng u giảm.

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



Hình 9. Biều đồ tương quan giữa áp lực nước lỗ rỗng u và áp lực có hiệu thẳng đứng lên hạt rắn của đất σh trong trường hợp bài toán nén một chiều và tải trọng

ngoài q phân bố đều khắp

Trong đó:

§ σh = q = const : ứng suất toàn phần.

§ Ha : vùng hoạt động của ứng suất phân bố trong đất

§ Đất bình thường: Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó σz = 1/5 σbt

§ Đất yếu : Ha tương ứng với chiều sâu mà tại đó σz = 1/10 σbt

§ σbt : ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày Ha



Hình 10. Ma sát âm xảy ra khi hạ thấp mực nước ngầm

3.5. Do sự nén chặt đất

Trong quá trình đóng cọc, đất xung quanh cọc bị nén lại do đó ứng suất nén cao, nước bắt đầu tiêu tán ra xung quanh. Sau khi đóng cọc xong, nước bắt đầu thấm trở lại và khôi phục về trạng thái ban đầu. Do sự luân chuyển của nước, quá trình cố kết bắt đầu xảy ra, do đó xuất hiện hiện tượng ma sát âm lên thân cọc. Tuy nhiên, theo thí nghiệm của Fellenius & Broms (1969) cho thấy giá trị ma sát âm trong trường hợp này là không lớn, nó chỉ chiếm khoảng 17% giá trị sức chống cắt trung bình không thoát nước của đất nền.



Hình 11. Sự di chuyển của nước gần thân cọc

(a) trong quá trình đóng cọc

(b) sau khi đóng cọc

Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998: Hiện tượng ma sát âm nên được xét đến trong các trường hợp sau:

Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích hiện đại và trầm tích kiến tạo

Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng của động lực

Sự lún ướt của đất khi bị ngập nước

Mực nước ngầm hạ thấp làm cho ứng suất hữu hiệu trong đất tăng lên dẫn đến tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền

Nền công trình được tôn cao với chiều dày lớn hơn 1m trên đất yếu

Phụ tải trên nền với tải trọng từ 2T/m2 trở lên

Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ có trong đất bị phá hủy.



4. Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm: Ma sát âm là hiện tượng phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Loại cọc, chiều dài cọc và mặt cắt ngang của cọc

- Bề mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền

- Sự co ngắn đàn hồi của cọc

- Đặc tính cơ lí của đất,chiều dày lớp đất yếu,tính trương nở của đất.

- Tải trọng chất tải (phụ tải).

- Độ cố kết của lớp đất yếu.

Trị số của lực ma sát âm có liên quan tới sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất có hiệu của đất xung quanh cọc. Như vậy lực ma sát âm phát triển theo thời gian và có trị số lớn nhất khi kết thúc cố kết.

Bất kỳ một sự di chuyển nào xuống phía dưới của nền đất đối với cọc đều sinh ra ma sát âm. Tải trọng này có thể truyền hoàn toàn từ đất nền cho 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 tới 15mm thì ma sát âm được phát huy đầy đủ. Một điều thường được giả thiết trong việc thiết kế khi cho rằng toàn bộ lực ma sát âm sẽ xảy ra khi mà có một sự chuyển dịch tương đối của nền đất được dự đoán trước.

5. Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình

Khi cọc ở trong đất, thì sức chịu tải của cọc được thể hiện qua thành phần ma sát dương xung quanh cọc và sức kháng mũi. Khi cọc bị ảnh hưởng ma sát âm thì sức chịu tải giảm do nó phải gánh chịu một lực kéo xuống mà ta thường gọi là ma sát âm. Ngoài ra do quá trình cố kết của lớp đất, đã gây nên khe hở giữa đài cọc và lớp đất dưới đài, giữa cọc và đất xung quanh cọc, từ đó gây tăng thêm ứng lực phụ tác dụng lên móng cọc. Đối với đất trương nở, ma sát âm có thể gây nên tải trọng phụ rất lớn tác dụng lên móng cọc.



Trong một số trường hợp lực ma sát âm khá lớn, có thể vượt qua tải trọng tác dụng lên đầu cọc nhất là đối với cọc có chiều dài lớn. Năm 1972 Fellenius đã đo quá trình phát triển lực ma sát âm của hai cọc bê tông cốt thép được đóng qua lớp đất sét mềm dẻo dày 40m và lớp cát dày 15m cho thấy: sự cố kết lại của 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.

Johanessen và Bjerrum đã theo dõi sự phát triển hiện tượng ma sát âm trên cọc thép xuyên qua lớp sét dày 53m và mũi cọc tựa trên nền đá. Lớp đất đắp cát dày 10m, quá trình cố kết của lớp đất sét đã gây ra độ lún 1,2m và lực kéo xuống khoảng 1.500KN ở mũi cọc. Ứng suất ở mũi cọc ước tính đạt đến 190KN/m2 và có khả năng xuyên thửng 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 làm cản trở độ lún và cản trở quá trình tăng khả năng chịu tải của đất nền xung quanh giếng cát.

Qua sự phân tích cho thấy tác dụng chính của lực ma sát âm là làm gia tăng lực nén dọc trục cọc, làm tăng độ lún của cọc, ngoài ra do lớp đất đắp bị lún tạo ra khe hở giữa đài cọc và lớp đất bên dưới đài có thể làm thay đổi moment uốn tác dụng lên đài cọc. Lực ma sát âm làm hạn chế quá trình cố kết thoát nước của nền đất yếu khi có gia tải trước và có dùng giếng cát, cản trở quá trình tăng khả năng chịu tải của đất nền xung quanh giếng cát. Mặt khác, ma sát âm còn có thể làm tăng lực ngang tác dụng lên cọc.



6. Một số hình ảnh về sự ảnh hưởng của ma sát âm lên công trình thực tế



PHẦN II: NGHIÊN CỨU VỀ MA SÁT ÂM CỦA CÁC NHÀ KHOA HỌC TRÊN THẾ GIỚI

Do tính chất quan trọng và mức độ nguy hiểm mà ma sát âm gây ra nên nhiều nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu như:

v Theo Terzaghi và Peck (1967) v Theo Garlanger (1973) v Theo Joseph E.Bowles ® v Theo Zeevart (1959) v Theo Brinch Hansen (1968) v Theo Johannessen và Bjerrum (1968) v Theo H.G.Poulos và E.H.Davis (1969) ® v Theo R.Frank ® v Theo Braja M.Das ®



1. Theo Joseph E.Bowles

Joseph E.Bowles (Foundation analysis and design) đề nghị rằng: để ma sát âm phát triển đáng kể thì một phần cọc phải cố định chống lại chuyển vị đứng như mũi cọc phải tựa lên lớp đá, đất cứng hoặc phần mũi cọc phải ngàm vào lớp cát chặt. Nếu toàn bộ cọc chuyển động xuống cùng với ảnh hưởng của quá trình cố kết thì sẽ không ảnh hưởng của ma sát âm. Để xác định được chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm Z0, ông lập luận rằng: “sức chịu tải của cọc gồm sức kháng mũi cọc, lực ma sát dương phải lớn hơn hoặc bằng với tải trọng tác dụng lên cọc và phần ma sát âm”, từ đó xác định được chiều sâu ảnh hưởng Z0.

Hình 12. Sự phát triển ma sát âm trong cọc đơn và trong nhóm cọc



1.1. Đối với cọc đơn:

A. Trường hợp cọc được đóng qua lớp đất đắp bên trên là đất dính và lớp đất bên dưới là đất rời (hình 12a)

Lực ma sát âm:

0

'. '. . .fL

nfP p q K dzα= ∫ (1)

Trong đó:

'α : Hệ số liên hệ áp lực ngang hữu hiệu (q×K) và sức chống cắt theo chu vi cọc.

' tanα δ= , với (0.5 0.9)δ φ= ± (φ là góc ma sát giữa cọc và đất)

P’: chu vi cọc

K: hệ số áp lực ngang, K = K0 = 1 - sinφ

q: ứng suất hữu hiệu tại độ sâu z, 0 '.q q zγ= +

q0: áp lực phụ tải (lớp đất đắp)



Hình 13. Sơ đồ vị trí điểm trung hòa (chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm)

B. trường hợp cọc đóng qua lớp đất đắp bên trên là lớp đất rời và lớp đất bên dưới là đất dính.

Lực ma sát âm:

0

'. '. . .fL

nfp p q K dzα= ∫ (2)



Lực ma sát dương từ điểm trung hòa đến mũi cọc:

1

'2. '. . .

fL

pf npL

p p q K dz Pα= +∫ (3)

Trong đó:

Pnp: độ lớn của phần ma sát âm khi sử dụng cọc chống, bằng 0 đối với cọc ma sát.

L1: khoảng cách từ đáy lớp đất đắp đến điểm trung hòa Z0.

Như vậy ta có:

Pa + Pnf ≤ Pnp + Pp + Ppf (4)

Pa: tải trọng tác dụng lên cọc

Pnf: lực ma sát âm

Pp: sức kháng của đất dưới mũi cọc

Ppf: thành phần lực ma sát dương

Nếu ta chọn '2'α α= và cọc ma sát Pnp ≈ 0, rút ra từ phương trình (2),(3):

22 21

0 1 0 1 1''. ' '. '. ( ) '. '. '( )2 2L Kp q L K p q L L K p L Lγ

α α α γ

= − + +

(5)

Khoảng cách L1 từ đáy lớp đất đắp đến điểm trung hòa:

0 01

1

22 ' '

q qL LLL γ γ

= + −

(6)

Nếu q0 = 0 thì

1 0.7072

LL L= =



1.2. Đối với nhóm cọc ma sát âm có thể được xác định

Khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ (tỷ số S/D nhỏ), thì ma sát âm sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên nhóm cọc theo chu vi nhóm cọc hơn là trên những cọc riêng lẻ.

Lực ma sát âm trong nhóm cọc bằng tổng các lực ma sát âm của cọc riêng lẻ (trường hợp khoảng cách giữa các cọc lớn)

'. . . .

n nf

n s f g f

Q P

Q f L p L Aγ

=

= +

∑

Trong đó:

γ : trọng lượng riêng của lớp đất xung quanh cọc tới độ sâu Lf

A: diện tích xung quanh nhóm cọc

fs: ma sát hữu hiệu trên chu vi nhóm cọc

Pg’: chu vi nhóm cọc



2. Theo H.G Poulos và E.H.Davis

Năm 1967, Terzaghi và Peck đề nghị công thức tính ma sát âm được sử dụng rộng rãi. Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc là tổng ứng suất cắt giới hạn dọc theo cọc.

Hình 14. Bài toán ma sát âm

Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc đơn tại độ sâu z

0

. .z

aP C dzτ= ∫ (7)

Trong đó:

C: chu vi cọc

aτ : ứng suất cắt giới hạn của cọc và đất. Được tính theo công thức Coulomb



' 'a a s v aC K tgτ σ ϕ= + × × (8)

Với:

'aC : lực dính giữa đất và cọc, đối với cọc bê tông lấy '

aC =C

C: lực dính của đất nền

Ks: hệ số áp lực ngang của đất, Ks = K0 = 1 – sinϕ

'vσ : ứng suất hữu hiệu thẳng đứng

'aϕ : góc ma sát giữa cọc và đất

Qua phương pháp so sánh các kết quả nghiên cứu Poulos với Mattes (1969) và Poulos với Davis (1972). Cho được quan hệ về sự thay đổi của lực kéo xuống ứng

với chiều sâu khác nhau của cọc và module đàn hồi p

s

EE

khi giả thiết đất nền đồng

nhất và đẳng hướng, tỷ số chiều dài và đường kính cọc l/d = 25 và độ lún đất nền giảm dần tuyến tính từ S0 trên mặt nền cho đến 0 tại mặt trên của lớp đất tốt. Quan hệ đó được trình bày ở hình 15 cho biết lực kéo xuống lớn nhất xảy ra ở mũi cọc.



Hình 15. Biểu đồ quan hệ trong việc phân tích lực kéo xuống cuối cùng



3. Theo R.Frank (Foundation Et Ouvrages En Terre)

Hình 16. Lực ma sát âm theo R.Frank

Hình 17. Khu vực có ảnh hưởng ma sát âm



A. Nguyên lý tính ma sát âm cực đại

Tại độ sâu z, giá trị ma sát âm đơn vị được tính bằng biểu thức

' 'n h a a v af tg C K tgσ ϕ σ ϕ= × + = × × (9)

Trong đó:

' ',h vσ σ : ứng suất hữu hiệu theo phương ngang và phương đứng

K: hệ số quan hệ giữa '

'h

v

σσ

aϕ : góc ma sát giữa đất và cọc

C: lực dính giữa cọc và đất

Tổng lực ma sát âm lên cọc

( )0

H h

n v af u K tg dzσ ϕ+

= × × ×∫ (10)

Trong đó:

u = 4B, B là cạnh cọc vuông

u = 2πR, R là bán kính cọc

H là chiều cao lớp đất đắp

h là chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm của cọc trong lớp đất yếu

Trong điều kiện dài hạn hoặc chống cắt trong điều kiện không thoát nước:

' ' ' 'n h a a v af tg C K tgσ ϕ σ ϕ= × + = × × (11)

Và

( )' '

0

H h


= × × ×∫ (12)



B. Chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm h.

Chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm h chưa phải là toàn bộ chiều dày lớp đất yếu. Ma sát âm chỉ xuất hiện khi tốc độ lún của lớp đất xung quanh cọc lớn hơn tốc độ lún của cọc. Tùy thuộc vào tính chất của đất, người ta chia ra 2 trường hợp tính

Đất nền yếu có biến dạng lớn:

h = h1: là độ sâu có ứng suất hữu hiệu thẳng đứng 'vσ (z), tiếp xúc cọc và đất có

kể ảnh hưởng treo của đất lên cọc, cân bằng với ứng suất thẳng đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thân γz khi chưa có tải và không có cọc

Đất nền rất ít biến dạng:

h = h2: là độ sâu mà chuyển vị đứng của đất bằng với độ lún của cọc, độ lún của cọc có thể được tính bằng phương pháp thông thường hoặc chọn một cách gần đúng bằng 0.01B hay 0.02R (B là cạnh cọc vuông, R là bán kính cọc tròn)

C. Giá trị K×tgφ

Giá trị K×tgφa phụ thuộc vào loại đất tự nhiên và loại cọc (tra bảng)

Giá trị K×tgφa để tính toán ma sát âm

Loại đất tự nhiên Loại cọc Cọc ống Cọc nhồi Cọc đóng

Bùn hữu cơ Đất hữu cơ 0.10 0.15 0.2

Đất sét sét pha cát

Đất mềm 0.10 0.15 0.2

Đất cứng 0.15 0.20 0.30

Rất rời 0.35

Rời 0.45

Cát Sỏi

Chặt 1.00



Để giảm ma sát âm, có thể quét lên mặt bên cọc một lớp bitumen, trong trưòng hợp dung bitumen để làm giảm ma sát âm ở cọc thì giá trị K×tgφ được chọn lớn nhất bằng 0.05

D. Ứng suất thẳng đứng hữu hiệu 'vσ (z) ở mặt tiếp xúc cọc-đất có kể đến ảnh

hưởng treo của đất lên cọc.

Hình 17. Ảnh hưởng của hiện tượng lún gây ma sát âm

Trong trường hợp cọc tròn, vùng ảnh hưởng treo kể từ mặt cọc đến khoảng cách p như trong hình vẽ. Vùng ngoài xa không có hiệu quả treo, ứng suất hữu hiệu thẳng đứng tại độ sâu z, ký hiệu '

1σ (z), tương ứng với trọng lượng cột đất bên trên và đất đắp. Khoảng cách r trong khoảng từ R đến p, ứng suất hữu hiệu thẳng đứng tại độ sâu z bị giảm bởi hiệu quả treo, ký hiệu '

vσ (z,r), nhỏ hơn trọng lượng cột đất bên trên và đất đắp. Tại mặt bên thân cọc, ứng suất này được ký hiệu là '

vσ (z). Cơ chế này được Combarieu khảo sát tại phòng thí nghiệm Cầu-Đường Paris năm 1985.



Điều kiện cân bằng lực tại độ sâu z:

' 2 2 '1( ) 2 ( , ) ( ) ( )

p

n vR

F z z r r dr p R zπ σ π σ+ × × = − ×∫ (13)

Trong đó, giá trị 'vσ (z,r) được cho bởi:

{' ' ' '1

( )( , ) ( ) ( ) ( ) 1v v vr Rz r z z z expR

λσ σ σ σ

− − = − × − } (14)

λ: hệ số treo của đất lên cọc, có giá trị như sau:

10.5 25 aK tg

λϕ

=+ ×

khi K×tgφa ≤ 0.150

0.385 aKtgλ ϕ= − khi 0.150 ≤ K×tgφa ≤ 0.385

λ = 0 khi K×tgφa ≥ 0.385

để tính giá trị 'vσ (z), chia đất nền thành nhiều lớp nhỏ theo phương ngang và tính

dần từ trên xuống. Từ biểu thức quan hệ giữa 'vσ (z,r) và '

vσ (z) bên trên, có thể suy ra biểu thức tổng quát tính ứng suất hữu hiệu ở mặt tiếp xúc đất-cọc, '

vσ (z), trong

những d '1σ (z) khoảng mà

'1( )d z

dzσ là hằng số có dạng:

' '

' '1 1( ) ( )1 1( ) (0)mzv v

d z d zz em dz m dz

σ σσ σ−

= × + − ×

(15)

Với: 2 .

1K tgm

Rλ δ

λ= ×

+

'vσ (0): ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở đáy lớp đất đắp, độ sâu z = 0.

λ = ∞ tương ứng với không có sự treo đất lên cọc và 'vσ (z) = 0 (không có ma

sát âm lên cọc)



v Trường hợp đơn giản với đất đồng nhất, trọng lượng riêng đẩy nổi γ’ nằm bên dưới một gia tải '

1( )zσ∆

' '1( ) ' ( )z z zσ γ σ= + ∆ (16)

Vi phân '1( )zσ∆ , ta được

' '1( ) ( )'d z d z

dz dzσ σ

γ∆

= + (17)

Thay vào '1( )zσ∆ ở phương trình (16), ta được:

' '

' ' '1 1( ) ( )1 1( ) (0) (mzv v

d z d zz em dz m dz

σ σσ σ γ− ∆

= × + − +

(18)

Tổng lực ma sát âm trong đất yếu tính đến độ sâu z

' '

0

( )H h


= × × ×∫ (19)

Thay giá trì ' ( )v zσ vào ta được:

' ' '2 ( ) (0)msa vR K tgG z z

mπ δ

γ σ σ× × = + + ∆ + (20)

v Trường hợp tổng quát λ ≠ 0 (m ≠ 0)

' ( )v zσ nhỏ hơn '1( )zσ và nó đạt giá trị γ’z tại độ sâu h1, bên dưới độ sâu này

không có ma sát âm.

Nếu h1 < D, tổng lực ma sát âm cho đến độ sâu h1 là:

' ' '1

2 ( ) (0) (0)msa vR K tgG h

mπ δ

σ σ σ× × = + ∆ + ∆ + (21)



v Trong trường hợp tải trên mặt đất là tải phân bố kín đều khắp '0( )z qσ∆ ≡ , và

sự treo đất lên cọc đạt cực đại trong lớp tải đắp ' '1(0) (0)vσ σ= các biệu thức

tính lực ma sát âm trở thành:

Nếu h1 < D, tổng lực ma sát âm

02 a

msaR K tgG q

mπ ϕ× ×

= (22)

Nếu h1 > D, tổng lực ma sát âm

'0

2 ( )amsa v

R K tgG D q Dm

π ϕγ σ

× × = × + − (23)

Nếu đất nền ít lún, h2 rất bé so với h1 và D thì tổng lực ma sát âm được phân tích theo h2 tương tự như h1

v Trong trường hợp đơn giản, chúng ta có thể ước tính với cực trị của ma sát âm với giả thiết sự treo đất lên cọc đạt tối đa, ứng với λ = 0 hay (m = 0), ta có:

'0( )v z q zσ γ= +

Từ đó ta có tổng lực ma sát âm giới hạn:

2 2'( ) ( ) ( )

2 2msa a dd dd a dy ddH DG u Ktg Ktg HDϕ γ γ γ γ

= × × × + × × × ×

(24)

E. Chiều dày có ma sát âm h lớn nhất được ước lượng theo hai cách sau:

- Trong đất tương đối tương đối yếu: h = h2 là độ sâu có độ lún (chuyển vị đứng) cuối cùng của đất có xét đến sự hiện diện của cọc, bằng 0.01B hay 0.02R (B cạnh cọc vuông, R bán kính cọc tròn). Độ lún nền đất được tính theo phương pháp cố kết thông thường không xét đến sự hiện diện của cọc.

- Trong đất yếu có khả năng biến dạng lớn: h = h1 là độ sâu có ứng suất hữu hiệu thẳng đứng có xét ảnh hưởng của đất đắp ' ( )v zσ , cân bằng



với ứng suất hữu hiệu thẳng đứng do trọng lượng bản thân γ’z của đất ban đầu. Điều kiện này chỉ có nghĩa khi có xét ảnh hưởng treo của đất xung quanh cọc.

F. Ma sát âm trên nhóm cọc

Xem xét 1 nhóm cọc, tất cả các cọc không được tác động như nhau và ma sát âm của cọc giữa thì không cao bằng cọc ngoài.

Fn(∞): ma sát âm cọc đơn

Fn(b): ma sát âm của 1 cọc trong nhóm cọc, xem xét với nhiều khoảng trục riêng d&d’ trong 2 chiều.

Fn(b): được tính bởi phương pháp đối với cọc đơn, hệ số μ được lấy trong đồ thị, hệ số μ phụ thuộc vào λ, b, R.



Hình 19. Biểu đồ xác định giá trị μ để tính lực ma sát âm cho cọc đơn



Giá trị b được cho bởi:

0.5'

db

d db

π

π

=

×=

Ma sát âm Fn trên từng hàng cọc được cho bởi công thức, hệ số α & β phụ thuộc vào vị trí so với cọc.

( ) ( )n n nF F b Fα β= × × × ∞ (25)

ü Trong một hàng duy nhất (hình 20a)

Hình 20a. Một hàng cọc

• Cọc ngoài (a): 1 2;3 3

λ β= =

• Cọc trong (e): 2 1;3 3

λ β= =



ü Trong nhóm cọc (hình 20b)

Hình 20b. Nhóm cọc

• Cọc nghiêng (a): 7 5;12 12

λ β= =

• Cọc ngoài (e): 5 1;6 6

λ β= =

• Cọc trong (i): 1; 0λ β= =



4. Theo Braja M.Das

Ma sát âm là hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh. Hiện tượng này xảy ra dưới các điều kiện sau:

v Nếu cọc đóng vào tầng đất có lớp sét nằm trên lớp cát (hình 21a), sự cố kết của lớp sét do trọng lượng bản thân của lớp đất đã kéo cọc đi xuống do có sự bám dính giữa cọc và đất, hiện tượng này xảy ra trong suốt quá trình cố kết của lớp đất.

v Nếu lớp cát nằm bên trên lớp đất sét (hình 21b), nó sẽ gây ra quá trình cố kết cho lớp đất sét và như vậy sẽ gây ra lực kéo xuống trong cọc.

v Hạ mực nước ngầm sẽ làm gia tăng ứng suất hữu hiệu thẳng đứng trong đất, khi ứng suất hữu hiệu tăng gây ra quá trình lún trong đất sét. Nếu cọc nằm trong lớp đất này thì nó sẽ bị kéo xuống.

Hình 21. Sự hình thành ma sát âm theo Braja M.Das



Trong một số trường hợp lực kéo xuống có thể lớn và là nguyên nhân phá hoại của nên móng. Xét hiện tượng ma sát âm trong hai trường hợp sau:

Ø Lớp đất đắp là đất sét nằm trên lớp đất rời (hình 21a)

Ứng suất cắt dọc thân cọc:

' 'n vF K tgσ δ= × × (26)

Trong đó:

K’: hệ số áp lực đất, K’ = K0 = 1- sinφ

'vσ : ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở độ sâu z, ' '

v f zσ γ=

'fγ : dung trọng của đất đắp (xét đẩy nổi nếu nằm dưới mực nước

ngầm)

δ = (0.5-0.7)φ là góc ma sát giữa cọc và đất

P = πd là chu vi cọc

Hf: chiều cao lớp đất đắp

Tổng lực kéo xuống trong cọc là:

' 2

'( )2

f fn f

P K H tgQ P K tg z dz

γ δγ δ

× × × ×= × × × × =∫ (27)

Ø Lớp đất đắp là đất rời nằm trên lớp đất sét (hình 21b)

Trong trường hợp này, ma sát âm trong cọc xuất hiện dọc theo thân cọc từ độ sâu z = 0 đến z = L1 (tại L1 chính là điểm trung hòa của đất và cọc, ứng suất cắt tại vị trí này sẽ bằng 0).

Chiều sâu tại vị trí trục trung hòa:

' '

1 ' '1

( ) 22

f f f f f fL H L H H HL

Lγ γ

γ γ

− − × ×= + −

(28)



Khi đó:

' ';fγ γ : dung trọng của lớp đất đắp và của lớp đất sét bên dưới

Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở độ sâu z

' ' 'v f fH zσ γ γ= × × × (29)

Tổng lực kéo xuống trong cọc là:

1 1

' '

0 0

( ) ( )L L

n n f fQ P f dz P K H tg dzγ γ δ= × = × × × ×∫ ∫ (30)

' 2

'1( )

2n fP K L tgQ P K tg L γ δ

γ δ× × × ×

= × × × + (31)



Theo quy phạm Việt Nam

Ma sát trong cọc xảy ra khi độ lún của đất nền lớn hơn dịch chuyển của cọc tại độ sâu tương ứng.

Theo TCXD 205-1998 Ma sát âm làm giảm khả năng chịu tải của cọc, nhất là đối với cọc nhồi, do đó cần xem xét khả năng xuất hiện của nó khi tính toán sức chịu tải của cọc trong các trường hợp sau:

Ø Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích đại và trầm tích kiến tạo.

Ø Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng của trọng lực.

Ø Tăng ứng suất hữu hiệu trong đất do mực nước ngầm bị hạ thấp.

Ø Tôn nền quy hoạch có chiều dày lớn hơn 1m.

Ø Phụ tải trên nền kho lớn hơn 20Kpa

Ø Sự giảm thể tích của đất do chất hữu cơ trong đất bị phá hủy.

Lực ma sát âm tác dụng lên cọc Pn được xác định theo công thức sau:

1

m

n ni ii

P C f l=

= ×∑ (32)

Trong đó:

fni: ma sát âm giới hạn tác dụng lên cọc tại lớp đất thứ i trên phần thân cọc chịu ma sát âm, KN/m2.

Giá trị tối đa của ma sát âm giới hạn: 'n vf F σ= ×

m: số lớp đất gây ra ma sát âm.

C: chu vi cọc.

F: hệ số lấy bằng 0.3

'vσ : ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng.



Chiều dài cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm lấy theo kết quả tính toán của Joseph E.Bowles. Chiều dài cọc chịu ma sát âm lấy bằng L1 = 0.7L

L1: chiều dài cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm.

L: chiều dài cọc nằm trong đất yếu.

v Đối với cọc khoan nhồi

Ước tính sức kháng của mũi cọc khoan nhồi trong đất dính phải dùng phương pháp α (tổng ứng suất). Ma sát đơn vị bề mặt được tính theo công thức sau:

s uq Sα= × (33)

qs: lực ma sát âm đơn vị (Mpa)

Su: cường độ kháng cắt không thoát nước trung bình (MPa)

α : hệ số kết dính áp dụng cho Su. Hệ số α có thể được giả định thay đổi với giá trị cường độ kháng cắt không thoát nước Su như trong bảng sau:

Su (Mpa) α

< 0.20

0.20 – 0.30

0.30 – 0.40

0.40 – 0.50

0.50 – 0.60

0.60 – 0.70

0.70 – 0.80

0.80 – 0.90

> 0.90

0.55

0.49

0.42

0.38

0.35

0.33

0.32

0.31

Xử lý như với đá cuội



Bảng giá trị α theo Su

Ta có thể minh họa về tải trọng, độ lún và mặt phẳng trung hòa của cọc chịu ma sát âm như hình vẽ sau:

Hình 22. Sơ đồ minh họa của tải trọng, độ lún và mặt phẳng trung hòa của cọc chịu ma sát âm

Phía trên mặt phẳng trung hòa, tải trọng tác dụng lên cọc tăng dần do ma sát âm, và tải trọng ma sát âm được cộng vào tĩnh tải. Phía dưới mặt phẳng trung hòa, sức kháng thành bên triệt tiêu được ma sát âm, sức kháng mũi cọc tạo nên khả năng chịu lực của cọc.

Lực ma sát âm không cộng với tải trọng động mà chỉ cộng với tĩnh tải.



PHAÀN III: CAÙC BÖÔÙC TÍNH TOAÙN SÖÙC CHÒU TAÛI CUÛA COÏC

CHÒU AÛNH HÖÔÛNG CUÛA HIEÄN TÖÔÏNG MA SAÙT AÂM

1. Tính sưc chịu tải của cọc khi chưa xét đến ma sát âm:

+ Sức chịu tải cọc theo vật liệu làm cọc

+ Sức chịu tải của cọc theo phụ lục B (TCXD 205-1998)

2. Tính toaùn chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm

+ Tính luùn cho neàn ñaát vôùi taûi laø troïng löôïng cuûa khoái ñaát ñaép cao H(m). => hS: Chieàu daøy vuøng aûnh höôûng luùn cuûa ñaát neàn khi tính luùn cho neàn ñaát.

+ Tính luùn cho moùng coïc => hp: Chieàu daøy vuøng aûnh höôûng luùn cuûa ñaát neàn khi tính luùn cho moùng coïc.

+ Duøng phaàn meàm Mathcad veõ ñoà thò z=f(t) Khi t (0 →+∞). Sau ñoù ta seõ thaáy ñöôïc vuøng aûnh höôûng ma saùt => z = Lnf.

3. Tính toaùn khaû naêng chòu taûi cuûa coïc coù xeùt ñeán ma saùt aâm:

+ Tính söùc chòu taûi cuûa coïc khi khoâng keå aûnh höôûng cuûa löïc ma saùt aâm: Qa.

+ Tính söùc chòu taûi cuûa coïc khi coù keå ñeán aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm: Qamsa



+ Tính cheânh leäch söùc chòu taûi cuûa coïc coù xeùt vaø khoâng xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm QCL

4. Tính thôøi gian coïc khoâng coøn bò aûnh höôûng bôûi ma saùt aâm:

+ Giaûi phöông trình caân baèng (4-28), ta seõ tìm ñöôïc giaù trò thôøi gian t(giaây) ma taïi ñoù chính laø thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc. Ta seõ tìm g(t)=0

+ Duøng phaàn meàm Mathcad veõ ñoà thò y=f(t) vaø tính moät soá giaù trò f(t):

Döïa vaøo ñoà thò ta ruùt ra ñöôïc giaù trò thôøi gian t ñeå cho giaù trò f(t)=0.

+ Sau ñoù ñöa ra bieän phaùp laøm giaûm ma saùt aâm.

5. Tính giaù trò löïc ma saùt aâm lôùn nhaát:

+ Töø Lnf chieàu saâu coïc bò aûnh höôûng ma saùt aâm ta seõ tính ñöôïc giaù trò löïc ma saùt aâm lôùn nhaát vôùi chieàu saâu treân Pnf

AÙP DUÏNG TÍNH TOAÙN SÖÙC CHÒU TAÛI CUÛA COÏC COÙ XEÙT ÑEÁN AÛNH HÖÔÛNG CUÛA HIEÄN TÖÔÏNG MA SAÙT AÂM VAØO COÂNG TRÌNH THÖÏC TEÁ:

I. Coâng trình caàu An Nghóa-huyeän Caàn Giôø:



Hình 23.Maët baèng boá trí coïc; Caáu taïo moá caàu vaø ñöôøng vaøo caàu An Nghóa



1.1 . Tính söùc chòu taûi cuûa coïc khi chöa xeùt ñeán ma saùt aâm: Keát quaû tính toaùn:

Haïng muïc Ñôn vò Keát quaû

Bieän phaùp thi coâng coïc Ñoùng

Caïnh coïc vuoâng m 0.4

Chieàu daøi coïc m 48

Cao ñoä ñænh coïc m -1.5

Cao ñoä muõi coïc m -49.5

Cao ñoä maët ñaát töï nhieân m 0.75

Cao ñoä möïc nöôùc ngaàm m 0.6

Söùc chòu taûi coïc theo vaät lieäu laøm coïc

Taán 177.34

Söùc chòu taûi coïc theo cöôøng ñoä ñaát neàn

TCXDVN 205-1998

Taán 124.19

Söùc chòu taûi cho pheùp cuûa coïc Taán 124.19

1.2 Tính toaùn chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc: Lyù thuyeát:

Ñeå xaùc ñònh chieàu daøi coïc bò aûnh höôûng ma saùt aâm Lnf ta döïa treân nhöõng laäp luaän veà hieän töôïng ma saùt aâm :“ Löïc ma saùt aâm xuaát hieän khi toác ñoä luùn cuûa ñaát gaàn coïc lôùn hôn toác ñoä luùn cuûa coïc xaûy ra do taùc duïng cuûa taûi troïng”. Töùc laø phaûi thoûa ñieàu kieän:



Vs≥ Vp ⇒ dt

tdSdt

tdS ps )()(≥

Ñeå coïc khoâng coøn bò aûnh höôûng ma saùt aâm ta phaûi coù ñieàu kieän :

“ Toác ñoä luùn cuûa ñaát xung quanh coïc ≤ toác ñoä luùn cuû coïc”.

Ñeå xaùc ñònh cvuøng ma saùt aâm cuûa coïc ta xeùt daáu baèng xaûy ra:

Vs= Vp ⇒ dt

tdSdt

tdS ps )()(=

Trong ñoù:

Ss : Ñoä luùn toaøn boä cuûa ñaát neàn.

Ss(t) : Ñoä luùn cuûa ñaát neàn theo thôøi gian.

Sp : Ñoä luùn toaøn boä cuûa coïc.

Sp(t) : Ñoä luùn cuûa coïc theo thôøi gian.

Vs = dttdS s )( : Toác ñoä luùn cuûa ñaát neàn.

Vp = dttdS p )( : Toác ñoä luùn cuûa coïc.

Ñoä luùn cuûa ñaát neàn vaø coïc:

Ñoä luùn cuoái cuøng cuûa ñaát neàn: sssss

sss hqahS ××=×

+−

= 01

21

1 εεε

Ñoä luùn theo thôøi gian t vaø chieàu saâu z cuûa ñaát neàn:

×

××

−×−×−××= thczhqatSs

vssss 2

12

20 4exp81)()( π

π



Vôùi: hs: chieàu daøy vuøng aûnh höôûng luùn cuûa ñaát neàn khi tính luùn cho ñaát neàn.

Ñoä luùn cuoái cuøng cuûa coïc ñôn: P

p LGNS×

×=1

β

Ñoä luùn cuoái cuøng cuûa nhoùm coïc: ppoppp

ppip hqahSS ××=×

+−

== ∑1

21

1 εεε

Ñoä luùn theo thôøi gian cuûa coïc ( khoâng phuï thuoäc chieàu saâu coïc)

×

××

−×−×−×××=×= thchqaStUtS

p

vppppp 2

22

20 4exp)21(161

21)()( π

ππ

Vôùi hp: Chieàu daøy vuøng aûnh höôûng luùn cuûa ñaát neàn khi tính luùn cho coïc.

Ñeå xaùc ñònh chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma sat aâm ta döïa vaøo phöông trình caân baèng cuûa cocï vaø toác ñoä chuyeån dòch ñaát neàn ôû ñoä saâu z, ta coù phöông trình caân baèng (4-12).

tbs

s ehahtfZ ×

×−==⇒ *

2*)( (4-12)

××==⇒

×tbs

eha

bzft *

2*

* ln1)( (4-12b)

Trong ñoù: 1

2)21(*

vsosp

vpop

cqah

cqaa

×××

×−××= π

××

−××

= 21

2

22

2

44*

s

v

p

v

hc

hcb ππ (4-22)

thcNs

vs ×

××

= 21

2

4π ; t

hcN

p

vs ×

××

= 22

2

4π

n

tbvv a

kc

γε

×−×

=)1( : Heä soá coá keát ñaát neàn, (cm2 /s).



21

21

ppa

−−

=εε : Heä soá neùn cuûa ñaát, (cm2 /kg).

11 ε+

=aao : Heä soá neùn töông ñoái, (cm2 /kg).

h : Chieàu daøi thoaùt nöôùc cuûa lôùp ñaát neàn caàn xöû lyù, (cm).

Neáu thoaùt nöôùc 2 chieàu thì thay trong coâng thöùc h=h/2.

q : Ñoä lôùn cuûa taûi troïng ngoaøi phaân boá ñeàu, (Kg/cm2).

t : Thôøi gian coá keát (giaây).

ε1 : Heä soá roãng ban ñaàu.

kv : Heä soá nhaùm, cm/s.

εtb : Heä soá roãng trung bình.

3/001.0 cmkgn =γ : Troïng löôïng theå tích cuûa nöôùc.

Töø phöông trình (4-12) vaø (4-12b) ta xaùc ñònh ñöôïc chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm z cuûa coïc theo thôøi gian coá keát t. Ta xeùt söï bieán thieân cuûa t ( 0→∞), ban ñaàu taêng t thì giaù trò z taêng theo nhöng ñeán moat giaù trò cuûa t naøo ñoù thì z khoâng taêng nöõa, giaù trò z luùc ñoù chính slaø vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm. Ta veõ ñöôïc ñoà thò haøm soá z=f(t) nhìn töø ñoà thò naøy ta xaùc ñònh ñöôc vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc.



Hình 24. Chieàu saâu aûnh höôûng ma saùt aâm



Tính toaùn:

* Tính luùn cho neàn ñaát vôùi taûi laø troïng löôïng khoái ñaát ñaép cao 3m:

Öùng suaát gaây luùn ( ñaát ñaép cao 3m) =1.1*1800*10-6*300=0.594kg/cm2

Keát quaû tính luùn theo phöông phaùp coäng luùn töøng lôùp phaân toá cuûa neàn ñaép cao 3m: ΣS=131.137(cm), vaø h=27m

Öùng suaát gaây luùn ( khoái moùng quy öôùc) =5.670124T/m2

Keát quaû tính luùn theo phöông phaùp coäng luùn töøng lôùp phaân toá cuûa khoái moùng quy öôùc ( moùng coïc): ΣS=2.701356(cm) vaø h=15m

Heä soá tính cho ñaát neàn Heä soá tính cho moùng coïc

sh =2700 cm ph =1500 cm

sq =0.594 kg/cm2 pq =0.567 kg/cm2

sk =1.15E-07 cm/s pk =5.99E-07 cm/s

sε =1.6727 pε =1.073

osa =0.08177 cm2/kg opa =0.01877 cm2/kg

)1( soss aa ε+= =0.2185 cm2/kg )1( popp aa ε+= =0.0389

cm2/kg

scmCVs

23104064.1 −×=

scmCVp

2210190.3 −×=



cmcqah

cqaa

vsosp

vpop 1102045.1104064.1594.008177.01500

10190.3)21(567.001877.0)21(* 2

3

2

1

2−

−

−

×=××××

××−××=

×××

×−××= ππ

sh

ch

cbs

v

p

v 11038027.12700

104064.11500

10190.3* 72

32

2

22

21

2

22

2−

−−

×=××

−××

=

×−

×=

ππππ

Thay vaøo phöông trình (4-12a)& (4-12b) ta ñöôïc:

te

tfZ××

−

−

××−== 71038027..1

23 2700102045.12700)( (5-1a)

−

××××

== −− )2700(

2700102045.1ln1038027.1

1)(2

37 z

zft (5-1b)

Töø phöông trình (5-1a) ta giaûi ñöôïc ñoä saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm z theo thôøi gian t. Ta xeùt söï bieán thieân cuûa t )0( +∞→ , ban ñaàu taêng thôøi gian thì

giaù trò z ( chieàu saâu aûnh höôûng MSA) taêng theo nhöng ñeán moät giaù trò cuûa t naøo ñoù thì z khoâng taêng nöõa, giaù trò z khoâng taêng ñoù chính laø chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm.

Veõ ñoà thò haøm )(tfz = khi t )0( +∞→ ,Töø (hình 5-3a) ta seõ thaáy ñöôïc giaù

trò vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cmz 2700= .



Hình 25. Ñoà thò quan heä giöõa chieàu saâu vuøng aûnh höôûng MSA vaø thôøi gian t

Tính moät soá giaù trò z theo thôøi gian t, ñeå thaáy ñöôïc vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc:

cmz 6.491)10( 7 = cmz 37 10145.2)102( ×=× cmz 37 106649.2)104( ×=×

cmz 37 106978.2)104( ×=× cmz 37 106999.2)108( ×=× cmz 38 10700.2)10( ×=

cmz 38 10700.2)102( ×=× cmz 38 10700.2)105( ×=× cmz 39 10700.2)10( ×=

Nhaän xeùt: Döïa vaøo ñoà thò ta thaáy, ban ñaàu khi t taêng thì z cuõng taêng theo, nhöng caøng veà sau t taêng nhöng giaù trò z=2700cm khoâng taêng nöõa. Töø ñoù coù giaù trò z=2700cm chính laø chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc.

Veõ ñoà thò haøm )(zft = khi t )270( → , Töø (hình 5-3a) ta seõ thaáy ñöôïc giaù trò vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cmz 2700= . Töø ñoù cuõng töông töï nhö ñoà thò ta suy ra ñöôïc chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm laø :z = 2700cm ñoù cuõng chính laø



chieàu daøy vuøng aûnh höôûng luùn cuûa ñaát neàn vôùi taûi caùt ñaép cao 3m (ñoä saâu maø coù öùng suaát baûn thaân =10 laàn öùng suaát gaây luùn).

Hình 26. Ñoà thò quan heä giöõa thôøi gian t vaø chieàu saâu vuøng aûnh höôûng MSA

1.3 . Tính toaùn khaû naêng chòu taûi cuûa caùc coïc coù xeùt ñeán ma saùt aâm: Lyù thuyeát:

Khi thieát keá moùng coïc beâ toâng coat theùp coù xeùt ñeán hieän töôïng ma saùt aâm, ta vaãn tính töông töï nhö tröôøng hôïp coïc khoâng bò aûnh höôûng ma saùt aâm nhöng luùc naøy söùc chòu taûi ma saùt thaønh beân giaûm do chæ tính phaàn chieàu daøi coïc coù aûnh höôûng cuûa hieän töôïng ma saùt döông. Luùc naøy söùc chòu taûi cuûa coïc khoâng nhöõng giaûm maø coøn chòu theâm taûi troïng cuûa löïc ma saùt aâm taùc duïng, löïc ma saùt aam xem nhö tónh taûi taùc duïng vaøo coïc. Söùc chòu taûi cuûa coïc ñöôïc xaùc ñònh nhöu sau:



Söùc chòu taûi cuûa coïc theo vaät lieäu laøm coïc:

( )atapna ARARQ ×+××= ϕ

Söùc chòu taûi cöïc haïn cuûa coïc theo ñaát neàn ñöôïc xaùc ñònh:

psu QQQ +=

Söùc chòu taûi cho pheùp cuûa coïc:

WFSQ

FSQ

FSQQ

p

p

s

sua −+==

Qs = As x fs

Qp = Ap x qp

FSs = 1.5~2.0 heä soá an toaøn ma saùt hoâng

FSp = 2.0~3.0 heä soá an toaøn choáng muõi coïc.

W = troïng löôïng baûn thaân cuûa coïc.

Khi coïc chòu aûnh höôûng ma saùt aâm, thaønh phaàn Qs seõ giaûm ñi chæ tính cho phaàn coïc coù ma saùt döông. Do ñoù ta caàn phaûi xaùc ñònh chieàu daøi ñoaïn coïc bj aûnh höôûng ma saùt aâm Lnf. Do vaäy:

snfs fLLuQ ×−×= )(

Söùc chòu taûi cho pheùp cuûa coïc khi xeùt ñeán ma saùt aâm: khi coù ma saùt aâm thì Qs giaûm ñoàng thôøi taûi troïng ngoaøi taùc duïng vaøo coïc seõ taêng leân do coù theâm thaønh phaàn löïc ma saùt aâm Pnf (xem löïc ma saùt aâm nhö tónh taûi taùc duïng vaøo coïc):

WFSQ

FSQ

FSQQ

p

p

s

sua −+==



Giaù trò löïc ma saùt aâm ñöôïc xaùc ñònh:

snfnf fLuP ××=

Tính toaùn:

Tính söùc chòu taûi cuûa coïc töông tuï nhö tröôøng hôïp khoâng coù aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm, chæ khaùc giaù trò ma saùt thaønh beân Qs, do chieàu daøi coïc chòu ma saùt döông ngaén laïi, moät phaàn coïc bò aûnh höôûng ma saùt aâm. Giaù trò Qs seõ nhoû hôn tröôøng hôïp coïc khoâng chòu aûnh höôûng ma saùt aâm.

Söùc chòu taûi cho pheùp cuûa coïc:

39.99=−+== WFSQ

FSQ

FSQQ

p

p

s

sua Taán

2=sFS 3=pFS Heä soá an toaøn

+ Troïng löôïng baûn thaân coïc

2.191.15.216.0485.2 =×××=××= pp ALW Taán

+ Thaønh phaàn ma saùt beân: 30.159=××=×= ssss fhufAQ Taán

u= 4x0.40 = 1.6 m (chu vi cọc)

avaahas kccf ϕσϕσ tantan '' ××+=×+=

+ Thaønh phaàn choáng muõi töông töï nhö tröôøng hôïp khoâng bò aûnh höôûng ma saùt aâm

24.9772.60716.0 =×=×= ppp qAQ Taán

72.607' =××+×+×= γγσ NdNNcq ppvpcp Taán

c = 0.39 Taán/m2 : Löïc dính cuûa ñaát döôùi muõi coïc



ϕ = 30o: Goùc ma saùt trong cuûa ñaát ôû muõi coïc. Tra baûng ta ñöôïc

2.30=cN 4.18=qN 32.15=γN

3/067.1 mTđn =γ : Dung troïng ñaåy noåi cuûa ñaát ôû muõi coïc

2' /03.32 mTvp =σ : ÖÙng suaát hieän höõu taï ñoä saâu muõi coïc

Söùc chòu taûi cuûa coïc khi khoâng chòu aûnh

höôûng cuûa löïc ma saùt aâm

Söùc chòu taûi cuûa coïc khi coù keå ñeán aûnh

höôûng cuûa löïc ma saùt aâm

Cheânh leäch SCT cuûa coïc xeùt vaø khoâng xeùt

aûnh höôûng cuûa löïc ma saùt aâm

19.124=aQ Taán 39.99=aQ Taán 8.24=CLQ Taán

1.4 . Thôøi gian coïc khoâng coøn bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm: Lyù thuyeát:

Ñeå coïc khoâng coøn aûnh höôûng ma saùt aâm töùc laø toác ñoä luùn cuûa phaân toá ñaát gaàn coïc phaûi nhoû hôn hoaëc baèng toác ñoä luùn cuûa phaân toá coïc

Ñeå ma saùt aâm khoâng coøn aûnh höôûng ñeán söùc chòu taûi cuûa coïc thì sau moät khoaûng thôøi gian t naøo ñoù, ñoä luùn coøn laïi cuûa ñaát neàn phaûi nhoû hôn hay baèng ñoä luùn coøn laïi cuûa coïc. Töùc laø ta coù:

)()( tSStSSSS ppsscònlaip

cònlais −<−⇔≤ (4-24)

Trong ñoù:

Ss : Ñoä luùn oån ñònh cuûa ñaát neàn.

Ss(t) : Ñoä luùn cuûa ñaát neàn theo thôøi gian ôû taïi thôøi ñieåm t

Sp : Ñoä luùn oån ñònh cuûa coïc.



Sp(t) : Ñoä luùn cuûa moùng coïc theo thôøi gian ôû thôøi ñieåm t

Xeùt daáu baèng xaûy ra ta tìm ñöôïc thôøi gian t ñoù chính laø thôøi gian coïc khoâng coøn aûnh höôûng cuûa löïc ma saùt aâm.

Ñoä luùn coøn laïi cuûa ñaát neàn sau thôøi gian t

×

××

−×−×××−××=−= thchqahqatSSSs

vssssssss

conlais 2

12

200 4exp81)( π

π

×

××

−××××=−=⇒ thchqatSSSs

vsssss

conlais 2

12

20 4exp8)( π

π

Ñoä luùn coøn laïi cuûa coïc sau thôøi gian t

×

××

−×

−××××=−= t

hchqatSSS

p

vppppp

conlaip 2

22

20 4exp2116

21)( π

ππ

Töø ñoù ta suy ra ñöôïc:

×−×××=

××××⇒ −− ps N

ppopN

ssos ehqaehqa )21(16218

22 πππ

0)21(16218)( 22 =

×−×××=

××××= −− ps N

ppopN

ssos ehqaehqatfπππ

(4-28)

th

cNs

vs ×

×= 2

12π t

hcN

p

vp ×

×= 2

22π

Giải phương trình (4-28) tìm ược giaù trò t chính laø thôøi gian coïc khoâng bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm.

Khi giaûi phöông trình ta thöôøng tìm ñöôïc keát quaû thôøi gian t khoâng coøn bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm laø raát lôùn: do ñoä luùn cuûa ñaát neàn khi ñaép ñaát thöôøng laø raát lôùn vaø sau 1 khaoûng thôøi gian daøi thì ñoä coá keát môùi ñaït ñöôïc 100%, trong khi ñoù ñoä luùn cuûa moùng coïc thöôøng raát beù. Ñeå ñaït ñöôïc ñoä luùn coøn laïi cuûa ñaát neàn



phaûi nhoû hôn hay baèng ñoä luùn coøn laïi cuûa coïc cònlaip

cònlais SS ≤ laø raát laâu coù theå tieán

ñeán moat giaù trò tieäm caän voâ cuøng.

Ñoàng thôøi khi ñoä luùn coøn laïi cuûa ñaát neàn nhoû ñeán 1 giaù trò giôùi haïn luùn cho pheùp trong caùc tieâu chuaån. Chính vì vaäy, trong tính toaùn ngöôøi ta keå ñeán aûnh höôûng cuûa löïc ma saùt aâm naèm phía treân maët phaúng ñi qua lôùp ñaát maø ôû ñoù thaûo maõn ñieàu kieän:

)()( tSStSS pghss −<−

Sgh : Ñoä luùn giôùi haïn cuûa neàn theo tieâu chuaån thieát keá.

Sp(t) : Ñoä luùn cuûa moùng coïc taïi thôøi ñieåm keát thuùc vieäc xaây döïng coâng trình.

Thoâng thöôøng cho pheùp laáy ghp StS ×= 5.0)(

Tính toaùn:

Veõ ñoà thò haøm )(tfy = vaø tính moät soá giaù trò f(t): döïa vaøo ñoà thò ta ruùt ra

ñöôïc thôøi gian t ñeå cho giaù trò f(t) = 0( f(t) = 0 coù nghóa laø toác ñoä luùn cuûa coïc vaø toác ñoä luùn cuûa ñaát ôû treân maët ñaát quanh coïc laø baèng nhau), giaù trò thôøi gian t (giaây) maø laøm cho f(0) = 0 ñoù chính laø thôøi gian coïc khoâng bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm. Döïa vaøo ñoà thò (hình 5-4a) ta thaáy thôøi gian t caøng lôùn thì f(t) seõ caøng gaàn baèng 0, trong moät sai soá nhoû cho pheùp ta coù theå xem thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng ma saùt aâm laø : 9107×=t giaây.



Hình 27. Ñoà thò xaùc ñònh thôøi gian t(giaây) khoâng coøn aûnh höôûng MSA

Tính moät soá giaù trò cuûa f(t) theo thôøi gian t, ñeå thaáy ñöôïc thôøi gian aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc.

cmf 39 10798.7)105( −×=× cmf 49 1073.1)107( −×=× cmf 710 1072.5)10( −×=

Thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm laø

namgiayt 051.225606024360

1071079

9 =×××

×=×=

Ta thaáy thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm raát laâu, do ñoä coá keát cuûa ñaát neàn raát laâu môùi ñaït ñöôïc ñoä coá keát hoaøn toaøn. Ñeå ñôn giaûn trong tính toaùn, ñoàng thôøi khoâng laøm aûnh höôûng ñeán keát quaû tính ma saùt aâm, ngöôøi ta chæ keå ñeán aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm naèm ôû treân maët phaúng ñi qua lôùp ñaát maø ôû



ñoù thoaû maõn ñieàu kieân ñoä luùn coøn laïi cuûa ñaát xung quanh baèng 0.5 laàn ñoà luùn giôùi haïn cuûa neàn.

cmcmStSS ghss 485.05.0)( =×=×=−

482 =

××××⇔ − sN

ssos ehqaπ

048)( 2 =−

××××=⇔ − sN

ssos ehqatgπ

(5-2)

Veõ ñoà thò haøm g(t) vaø giaûi phöông trình (5-2) ta ñöôïc thôøi gian t chính laø thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng ma saùt aâm. Giaù trò thôøi gian t (giaây) maø taïi ñoù ta coù g(t) = 0 chính laø thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc.

Hình 28. Ñoà thò xaùc ñònh thôøi gian t(giaây) khoâng coøn aûnh höôûng MSA



915..

.

2 1072264.110,0,,48 2

2

×=

−

××××

−

tcmehqarootst

hC

ssoss

vπ

π

910172264,)( ×=→ ttsolvetg giaây

Thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm laø:

namgiayt 383.55606024360

1072264.11072264.19

9 =×××

×=×=

* Do thôøi gian aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm laø raát laâu neân ñeå giaûm thôøi gian aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm, ta coù theå gia taûi cho ñaát neàn baèng caùch duøng gieáng caùt tröôùc khi xaây döïng coâng trình, ñeå khi xaây döïng coâng trình leân thì ñaát neàn ñaõ coá keát roài seõ khoâng coøn hieän töôïng coá keát cuûa ñaát neàn keùo coïc ñi xuoáng.

1.5 . Tính toaùn löïc ma saùt aâm lôùn nhaát taùc duïng vaøo coïc: Ta xem löïc ma saùt aâm nhö laø tónh taûi taùc duïng vaøo coïc, laøm taêng taûi troïng ngoaøi taùc duïng leân coïc trong khi söùc chòu taûi cuûa coïc laïi giaûm khi bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm.

Töø chieàu saâu coïc bò aûnh höôûng ma saùt aâm tìm ñöôïc phaàn treân, ta tính giaù trò löïc ma saùt aâm lôùn nhaát öùng vôùi chieàu saâu tìm ñöôïc:

∫ ××=nfL

snf dzfuP0

(4-29)

avsas kcf ϕσ tan' ××+=

Suy ra:

×××+××=

2tan nf

asanfnf

LkcLuP

γϕ (4-31)

Trong ñoù:



nfP : Löïc ma saùt aâm lôùn nhaát trong coïc.

6.1440.0 =×=u : chu vi coïc

nfL : Chieàu saâu aûnh höôûng ma saùt aâm – Vò trí ñieåm trung hoaø.

sf : Löïc ma saùt hoâng taùc duïng leân coïc.

γ : Dung troïng cuûa ñaát, coù xeùt tính ñaåy noåi khi ôû döôùi möïc nöôùc ngaàm.

ac : Löïc dính giöõa thaân coïc vaø ñaát T/m2.

+ Coïc ñoùng beâtoâng coát theùp: cca =

+ Coïc theùp : cca ×= 7.0 . Trong ñoù c laø löïc dính cuûa ñaát neàn.

ϕsin1−=sk : Heä soá aùp löïc ñaát.

'vσ : ÖÙng suaát höõu hieäu theo phöông ñöùng T/m2.

aϕ : Goùc ma saùt giöõa coïc vaø ñaát neàn.

+ Coïc ñoùng beâtoâng coát theùp: ϕϕ =a

+ Coïc theùp : ϕϕ ×= 7.0a . Trong ñoù ϕ laø löïc dính cuûa ñaát neàn.

Lôùp aC

T/m2

aϕ

(o) atgϕ Z(m)

γ

T/m3

'vσ

T/m2

sk

1-sinϕ

nfL

(m)

sf

T/m2

1 0.812 4.06 0.071 14.625 0.496 7.254 0.929 24.75 1.29



Chieàu saâu aûnh höôûng ma saùt aâm : cmLnf 75.24)75.05.10.27( =−−=

(chieàu daøi bò ma saùt aâm tröø ñi chieàu saâu choân moùng)

Löïc ma saùt aâm lôùn nhaát taùc duïng vaøo coïc:

10.5133.175.246.12

tan =××=

×××+××= nf

asanfnf

LkcLuP

γϕ Taán

Keát luaän : Söùc chòu taûi cuûa coïc khi khoâng xeùt ma saùt aâm thì lôùn, nhöng khi coù keå ñeán aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm thi söùc chòu taûi cuûa coïc nhoû laïi do thaønh phaàn ma saùt hoâng giaûm, ñoàng thôøi coïc coøn phaûi chòu moät löïc ma saùt aâm (xem nhö tónh taûi) taùc duïng keùo coïc ñi xuoáng.

Söùc chòu taûi cuûa coïc khi khoâng keå aûnh höôûng ma saùt aâm

Söùc chòu taûi cuûa coïc khi coù keå ñeán aûnh höôûng cuûa löïc ma saùt aâm

Löïc ma saùt aâm taùc duïng vaøo coïc

19.124=aQ Taán 39.99=aQ Taán 10.51=MSAQ Taán



II. COÂNG TRÌNH CHUNG CÖ MIEÁU NOÅI QUAÄN BÌNH THAÏNH TPHCM:





Hình 29. Sô ñoà boá trí coïc vaø maët caét ñòa chaát coâng trình chung cö Mieáu Noåi

2.1 . Tính söùc chòu taûi cuûa coïc khi chöa xeùt ñeán ma saùt aâm: Keát quaû tính toaùn:

Haïng muïc Ñôn vò Keát quaû

Bieän phaùp thi coâng coïc Nhoài

Ñöôøng kính coïc m 1.0

Chieàu daøi coïc m 40



Cao ñoä ñænh coïc m -5.0

Cao ñoä muõi coïc m -45.0

Cao ñoä maët ñaát töï nhieân m 0.0

Cao ñoä möïc nöôùc ngaàm m -0.5

Söùc chòu taûi coïc theo vaät lieäu laøm coïc

Taán 596.66

Söùc chòu taûi coïc theo cöôøng ñoä ñaát neàn

TCXDVN 205-1998

Taán 337.94

Söùc chòu taûi cho pheùp cuûa coïc Taán 337.94

Taûi troïng Pmax taùc duïng leân ñaàu 1 coïc

Taán 252.615

Kieåm tra söùc chòu taûi cuûa moãi coïc

Ñuû khaû naêng chòu taûi

2.2. Tính toaùn chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc:

Ñeå xaùc ñònh chieàu saâu vuøng aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm ta döïa vaøo phöông trình caân baèng toác ñoä chuyeån dòch cuûa coïc vaø toác ñoä chuyeån dòch cuûa ñaát neàn ôû ñoä saâu z, ta coù phöông trình caân baèng (4-21):

tbs

s ehahtfZ ×

×−== *

2*)( (4-21)

Tính luùn cho ñaát neàn vaø cho moùng coïc : chieàu saâu aûnh höôûng luùn chæ xeùt ôû ñoä saâu öùng suaát baûn thaân lôùn hôn hay baèng 10 laàn öùng suaát gaây luùn.



Keát quaû tính luùn theo phöông phaùp coäng luùn töøng lôùp phaân toá cuûa neàn ñaép cao 2m: ΣS=91.29691(cm), vaø h=24m

Keát quaû tính luùn theo phöông phaùp coäng luùn töøng lôùp phaân toá cuûa khoái moùng quy öôùc (moùngcoïc): ΣS=4.548751(cm), vaø h=10m

Heä soá tính cho ñaát neàn Heä soá tính cho moùng coïc

sh =2400 cm ph =1000 cm

sq =0.396 kg/cm2 pq =1.7508 kg/cm2

sk =4.664E-07 cm/s pk =1.694E-07 cm/s

sε =1.8505 pε =0.9299

osa =0.0961 cm2/kg opa =0.0145 cm2/kg

)1( soss aa ε+= =0.2739 cm2/kg )1( popp aa ε+= =0.02798

cm2/kg

scmCVs

2310853.4 −×=

scmCVp

2210168.1 −×=

cmcqah

cqaa

vssosp

vppop 110835.510853.4396.00961.01000

10168.1)21(7508.10145.0)21(* 4

3

2

−−

−

×=××××

××−××=

×××

×−××= ππ

sh

ch

cb

s

vs

p

vp 1100699.12400

10853.41000

10168.1* 72

32

2

22

2

2

2

2−

−−

×=××

−××

=

×−

×=

ππππ



Thay vaøo phöông trình (4-12a)&(4-21b) ta ñöôïc:

te

tfZ××

−

−

××−== 7100699.1

24 240010835.52400)( (5-3a)

−

××××

== −− )2400(

240010835.5ln100699.1

1)(2

47 z

zft (5-3b)

Töø phöông trình (5-3a) ta giaûi ñöôïc ñoä saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm z theo thôøi gian t. ban ñaàu taêng thôøi gian thì giaù trò z ( chieàu saâu aûnh höôûng MSA) taêng theo nhöng ñeán moät giaù trò cuûa t naøo ñoù thì z khoâng taêng nöõa, giaù trò z khoâng taêng ñoù chính laø chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm.

Veõ ñoà thò haøm )(tfz = khi t )0( +∞→ , Töø (hình 5-8a) ta seõ thaáy: ban ñaàu taêng thôøi gian thì giaù trò z ( chieàu saâu aûnh höôûng MSA) taêng theo nhöng ñeán moät giaù trò cuûa t naøo ñoù thì z khoâng taêng nöõa, giaù trò z khoâng taêng ñoù chính laø chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cmz 2400= .



Hình 30. Giaù trò z theo thôøi gian

Tính moät soá giaù trò z theo thôøi gian t, ñeå thaáy ñöôïc vuøng aûnh höôûng ma saùt am cuûa coïc

mz 47.12)10( 7 = mz 84.23)105( 7 =× mz 999.23)10( 8 =

mz 9999.23)102.1( 8 =× mz 00.24)105.1( 8 =× mz 00.24)102( 9 =×

Nhaän xeùt: Döïa vaøo ñoà thò hình 5-8 ta thaáy, ban ñaàu khi t taêng thì z cuõng taêng theo, nhöng caøng veà sau t taêng nhöng giaù trò z=2400cm khoâng taêng nöõa. Töø ñoù coù giaù trò z=2400cm chính laø chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc.

Duøng phaàn meàm Mathcad, veõ ñoà thò haøm )(zft = khi z )240( → , Töø (hình 5-1b) ta seõ thaáy ñöôïc giaù trò vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm cmz 2400= . Töø ñoù cuõng töông töï nhö ñoà thò 5-1b ta suy ra ñöôïc chieàu saâu vuøng aûnh höôûng ma saùt aâm laø :z=2400cm ñoù cuõng chính laø chieàu daøy vuøng aûnh höôûng luùn cuûa ñaát neàn vôùi taûi caùt ñaép cao 2m (ñoä saâu maø coù öùng suaát baûn thaân =10 laàn öùng suaát gaây luùn).



2.3. Tính toaùn khaû naêng chòu taûi cuûa caùc coïc coù xeùt ñeán ma saùt aâm:

Tính söùc chòu taûi cuûa coïc töông tuï nhö tröôøng hôïp khoâng coù aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm, chæ khaùc giaù trò ma saùt thaønh beân Qs, do chieàu daøi coïc chòu ma saùt döông ngaén laïi, moät phaàn coïc bò aûnh höôûng ma saùt aâm. Giaù trò Qs seõ nhoû hôn tröôøng hôïp coïc khoâng chòu aûnh höôûng ma saùt aâm.

Söùc chòu taûi cho pheùp cuûa coïc.

12.298=−+== WFSQ

FSQ

FSQQ

p

p

s

sua Taán

2=sFS 3=pFS Heä soá an toaøn

+ Troïng löôïng baûn thaân coïc

84.511.15.1785.0405.1 =×××=××= pp ALW Taán



+ Thaønh phaàn ma saùt beân: 22.396=××=×= ssss fhufAQ Taán

u= π . d = π .1=3.1416 m (chu vi cọc)

avaahas kccf ϕσϕσ tantan '' ××+=×+=

+ Thaønh phaàn choáng muõi töông töï nhö tröôøng hôïp khoâng bò aûnh höôûng ma saùt aâm

24.9772.60716.0 =×=×= ppp qAQ Taán

72.607' =××+×+×= γγσ NdNNcq ppvpcp Taán

c = 0.37 Taán/m2 : Löïc dính cuûa ñaát döôùi muõi coïc

ϕ = 29.5o : Goùc ma saùt trong cuûa ñaát ôû muõi coïc.

Tra baûng ta ñöôïc

25.29=cN 63.17=qN 48.14=γN

3/052.1 mTđn =γ : Dung troïng ñaåy noåi cuûa ñaát ôû muõi coïc

2' /42.31 mTvp =σ : ÖÙng suaát hieän höõu taï ñoä saâu muõi coïc

Söùc chòu taûi cuûa coïc khi khoâng chòu aûnh höôûng cuûa löïc ma saùt aâm


Cheânh leäch SCT cuûa coïc xeùt vaø khoâng xeùt aûnh höôûng cuûa löïc ma saùt aâm

94.337=aQ Taán 12.298=aQ Taán 82.39=CLQ Taán



2.4. Thôøi gian coïc khoâng coøn bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm:

Ñeå ma saùt aâm khoâng coøn aûnh höôûng ñeán söùc chòu taûi cuûa coïc thì sau moät khoaûng thôøi gian t naøo ñoù, ñoä luùn coøn laïi cuûa ñaát neàn phaûi nhoû hôn hay baèng ñoä luùn coøn laïi cuûa coïc. Ta coù :

)()( tSStSSSS ppsscònlaip

cònlais −<−⇔≤ (4-24)

×−×××=

×××× −− ps N

ppopN

ssos ehqaehqa )21(16218

22 πππ

0)21(16218)( 22 =

×−×××=

××××= −− ps N

ppopN

ssos ehqaehqatfπππ

(4-28)

th

cNs

vs ×

×= 2

12π t

hcN

p

vp ×

×= 2

22π

Giải phương trình (4-28) tìm ược giaù trò t chính laø thôøi gian coïc khoâng bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm.

Veõ ñoà thò haøm )(tfy = vaø tính moät soá giaù trò f(t): döïa vaøo ñoà thò ta ruùt ra

ñöôïc thôøi gian t ñeå cho giaù trò f(t) = 0( f(t) = 0 coù nghóa laø toác ñoä luùn cuûa coïc vaø toác ñoä luùn cuûa ñaát ôû treân maët ñaát quanh coïc laø baèng nhau), giaù trò thôøi gian t (giaây) maø laøm cho f(0) = 0 ñoù chính laø thôøi gian coïc khoâng bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm. Döïa vaøo ñoà thò (hình 5-4a) ta thaáy thôøi gian t caøng lôùn thì f(t) seõ caøng gaàn baèng 0, trong moät sai soá nhoû cho pheùp ta coù theå xem thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng ma saùt aâm laø : 9105.1 ×=t giaây.



Tính moät soá giaù trò cuûa f(t) theo thôøi gian t, ñeå thaáy ñöôïc thôøi gian aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc.

mf 3223.0)10( 8 = mf 0116.0)108( 8 =× mf 00018.0)10( 9 =

mf 58 103)102.1( −×=× mf 0)105.1( 9 =× mf 0)102( 9 =×

Thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm laø

namgiayt 225.48606024360

105.1105.19

9 =×××

×=×=

Ta thaáy thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm raát laâu, do ñoä coá keát cuûa ñaát neàn raát laâu môùi ñaït ñöôïc ñoä coá keát hoaøn toaøn. Ñeå ñôn giaûn trong tính toaùn, ñoàng thôøi khoâng laøm aûnh höôûng ñeán keát quaû tính ma saùt aâm, ngöôøi ta chæ keå ñeán aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm naèm ôû treân maët phaúng ñi qua lôùp ñaát maø ôû



ñoù thoaû maõn ñieàu kieân ñoä luùn coøn laïi cuûa ñaát xung quanh baèng 0.5 laàn ñoà luùn giôùi haïn cuûa neàn.

cmcmStSS ghss 485.05.0)( =×=×=−

482 =

××××⇔ − sN

ssos ehqaπ

048)( 2 =−

××××=⇔ − sN

ssos ehqatgπ

(5-4)

Veõ ñoà thò haøm g(t) vaø giaûi phöông trình (5-2) ta ñöôïc thôøi gian t chính laø thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng ma saùt aâm. Giaù trò thôøi gian t (giaây) maø taïi ñoù ta coù g(t) = 0 chính laø thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng ma saùt aâm cuûa coïc.



815..

.

2 1050916.310,0,,48 2

2

×=

−

××××

−

tcmehqarootst

hC

ssoss

vπ

π

58.350916097,)( =→ ttsolvetg giaây

Thôøi gian khoâng coøn aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm laø:

namgiayt 282.11606024360

1050916.31050916.38

8 =×××

×=×=

* Do thôøi gian aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm laø raát laâu neân ñeå giaûm thôøi gian aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm, ta coù theå gia taûi cho ñaát neàn baèng caùch duøng gieáng caùt tröôùc khi xaây döïng coâng trình, ñeå khi xaây döïng coâng trình leân thì ñaát neàn ñaõ coá keát roài seõ khoâng coøn hieän töôïng coá keát cuûa ñaát neàn keùo coïc ñi xuoáng.

2.5. Tính toaùn löïc ma saùt aâm lôùn nhaát taùc duïng vaøo coïc:

Ta xem löïc ma saùt aâm nhö laø tónh taûi taùc duïng vaøo coïc, laøm taêng taûi troïng ngoaøi taùc duïng leân coïc trong khi söùc chòu taûi cuûa coïc laïi giaûm khi bò aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm.

Töø chieàu saâu coïc bò aûnh höôûng ma saùt aâm tìm ñöôïc phaàn treân, ta tính giaù trò löïc ma saùt aâm lôùn nhaát öùng vôùi chieàu saâu tìm ñöôïc:

∫ ××=nfL

snf dzfuP0

(4-29)

avsas kcf ϕσ tan' ××+= (4-30)

Suy ra:

×××+××=

2tan nf

asanfnf

LkcLuP

γϕ (4-31)

Trong ñoù:

nfP : Löïc ma saùt aâm lôùn nhaát trong coïc.



6.1440.0 =×=u : chu vi coïc

nfL : Chieàu saâu aûnh höôûng ma saùt aâm – Vò trí ñieåm trung hoaø.

sf : Löïc ma saùt hoâng taùc duïng leân coïc.

γ : Dung troïng cuûa ñaát, coù xeùt tính ñaåy noåi khi ôû döôùi möïc nöôùc ngaàm.

ac : Löïc dính giöõa thaân coïc vaø ñaát T/m2.

+ Coïc ñoùng beâtoâng coát theùp : cca =

+ Coïc theùp : cca ×= 7.0 . Trong ñoù c laø löïc dính cuûa ñaát neàn.

ϕsin1−=sk : Heä soá aùp löïc ñaát.

'vσ : ÖÙng suaát höõu hieäu theo phöông ñöùng T/m2.

aϕ : Goùc ma saùt giöõa coïc vaø ñaát neàn.

Lôùp

aC

(T/m2

)

aϕ

(o) atgϕ Z(m

)

γ

(T/m3

)

'vσ

(T/m2)

sk

)sin1( ϕ−

nfL

(m)

sf

(T/m2

)

1 0.9 4 0.0699

14.5 0.487 7.0615

0.930 19 1.36

Chieàu saâu aûnh höôûng ma saùt aâm : cmLnf 19)50.24( =−=

(Tröø ñi chieàu saâu choân moùng: cao ñoä ñaùy ñaøi -5m)

Löïc ma saùt aâm lôùn nhaát taùc duïng vaøo coïc:



14.8136.1191416.32

tan =××=

×××+××= nf

asanfnf

LkcLuP

γϕ Taán

Keát luaän : Söùc chòu taûi cuûa coïc khi khoâng xeùt ma saùt aâm thì lôùn, nhöng khi coù keå ñeán aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm thi söùc chòu taûi cuûa coïc nhoû laïi do thaønh phaàn ma saùt hoâng giaûm, ñoàng thôøi coïc coøn phaûi chòu moät löïc ma saùt aâm (xem nhö tónh taûi) taùc duïng keùo coïc ñi xuoáng.

Söùc chòu taûi cuûa coïc khi khoâng keå aûnh höôûng ma saùt aâm


Löïc ma saùt aâm taùc duïng vaøo coïc

94.337=aQ Taán 12.298=aQ Taán 14.81=MSAQ Taán

III. TÍNH TOAÙN COÂNG TRÌNH CUÏ THEÅ THEO KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU TRÖÔÙC:

3.1. Coâng trình Caàu An Nghóa-huyeän Caàn Giôø:

Baûng tính keát quaû löïc ma saùt aâm coâng trình caàu An Nghóa-huyeän Caàn giôø, phuï taûi ñaát ñaép (cao 3m) 5.94 T/m2, ñòa chaát coù lôùp buøn daøy L= 27.7m


×××+××=

2tan nf

asanfnf

LkcLuP

γϕ

STT Phöông phaùp tính toaùn

Vuøng aûnh höôûng ma saùt

aâm )(mLnf )(TPnf Cheânh leäch

(%)



(theo QPVN)

1 Theo Quy Phaïm Vieät

Nam 0.71*L=19.67 m 36.924 0.00

2 Keát quaû nghieân cöùu cuûa

ñeà taøi 27.0 m 51.10 27.77

3 Phöông phaùp Jose

E.Boeles 0.707*L=19.68

m 36.735 -0.54

4 Phöông phaùp Braja

M.Das 59.192/ =L m 36.732 -0.52

5 Phöông phaùp R. Frank 29.7m 60.406 38.87

mLnf 0.27= : Chieàu daøy aûnh höôûng luùn cuûa lôùp ñaát ñaép beân treân

Chieàu saâu aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm theo phöông phaùp R. Frank laáy laïi ñoä saâu maø ñoä luùn cuûa ñaát =0.01B = 0.01*40 =0.4 cm, theo keát quaû tính luùn toång phaân toá taïi ñoä saâu 29.7m

3.2. Coâng trình Chung cö Mieáu Noåi quaän Bình Thaïnh TPHCM:

Baûng tính keát quaû löïc ma saùt aâm coâng trình Chung cö Mieáu Noåi quaän Bình Thaïnh TPHCM, phuï taûi ñaát ñaép (cao 2m) 3.96 T/m2, ñòa chaát coù lôùp buøn daøy L= 26.5m


×××+××=

2tan nf

asanfnf

LkcLuP

γϕ



STT Phöông phaùp tính toaùn

Vuøng aûnh höôûng ma saùt

aâm )(mLnf )(TPnf

Cheânh leäch (%)

(theo QPVN)

1 Theo Quy Phaïm Vieät

Nam 0.71*L=18.82 m 70.814 0.00

2 Keát quaû nghieân cöùu cuûa

ñeà taøi 24.0 m 81.140 12.73

3 Phöông phaùp Jose

E.Boeles 0.707*L=18.74

m 70.440 -0.53

4 Phöông phaùp Braja

M.Das 74.182/ =L m 70.454 -0.51

5 Phöông phaùp R. Frank 26.5m 94.49 25.06

mLnf 0.24= : Chieàu daøy aûnh höôûng luùn cuûa lôùp ñaát ñaép (2m) beân treân

Chieàu saâu aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm theo phöông phaùp R. Frank laáy laïi ñoä saâu maø ñoä luùn cuûa ñaát =0.02*R = 0.02*50 =1 cm, theo keát quaû tính luùn toång phaân toá taïi ñoä saâu 26.5m



PHẦN IV: CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM

Từ thực nghiệm 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 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 hai nhóm chính.

v Nhóm 1: 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 nước lỗ rỗng thặng dư trong nền bằng cọc cát hay bấc thấm... 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.

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

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, ta có thể bố trí các phương tiện thoát nước theo phương thẳng đứng (giếng cát hoặc bấc thấm) nên nước ở các lớp sâu trong đất yếu dưới tác dụng của tải trọng đắp sẽ có điều kiện để thoát nhanh (thoát theo phương nằm ngang ra bấc thấm hoặc giếng cát 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 phải là 4m. Do đó, nếu nền đắp không đủ lớn thì ta kết hợp với gia tải trước để phát huy hiệu quả tác dụng 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 35cm đến 45cm, bố trí kiểu hoa mai với khoảng cánh 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 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 23. Sơ đồ bố trí gia tải trước kết hợp với giếng cát làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất

Trong nhóm này còn phải kể đến phương pháp xử lý nền bằng cọc đất xi măng hay 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.

v Nhóm 2: Kiểm soát cũng như 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 dụng. Giải pháp 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.



2. Làm giảm tải trọng tác dụng vào đất nền – Sàn giảm tải có xử lý cọc

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 đắp cao sau mố cầu), 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 cao. Như vậy tải trọng phụ sẽ ít ảnh hưởng đến lớp đất có tính nén lún cao, từ đó giảm độ lún của đất nền, dẫn đến giảm lực kéo xuống của đất xung quanh cọc.

Biện pháp này dễ thi công, làm giảm đáng kể lực kéo xuống của cọc, an toàn về kỹ thuật nhưng xét về mặt kinh tế thì chưa đạt hiệu quà cao. Biện pháp này đặc biệt thích hợp với các công trình được xây dựng trên nền đất đắp cao như hiện nay.

v Nhóm 3: Giảm ma sát, sự bám dính giữa bề mặt cọc và đất 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.

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

Tạo lớp phủ mặt ngoài để ngăn ngừa sự 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: loại và tính chất của bitumen, mức độ thâm nhập của hạt đất vào bitumen, sự phá hỏng bitumen khi đóng cọc và nhiệt độ môi trường.



Theo 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 hợp cọc dùng bùn bentonite để giữ ổn định thì lực kéo xuống giảm 15%. Vì vậy có thể kết luận: lớp phủ bitumen 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 của lớp phủ bitumen nên vào khoảng 4mm đến 5mm để ngừa cho trường hợp bị xước khi hạ cọc.

Ưu điểm của phương pháp này là thi công đơn giản, chi phí thấp. Tuy nhiên, 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. Các biện pháp khác

A. Phương pháp điện thấm (Electro Osmosis)

Phương pháp này được sử dụng nhằm làm giảm tạm thời lực dính giữa đất (sét) và bề mặt cọc thép. Bjerrum 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). 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 đếm giá trị nhỏ và có thể được bỏ qua. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, phương pháp này chỉ có tác dụng tức thời dưới tác dụng của 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 có giá thành cao hơn so với các phương



pháp khác nên hiếm khi được sử dụng. Tuy nhiên, một 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.

B. 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 mô hình thí nghiệm của Sawaguchi (1982) đã cho thấy rằng cọc được vuốt thon giảm lực kéo đến 90% so với các cọc thành thẳng.

C. 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, phương pháp này đòi hỏi các cọc chịu tải phải được 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.

D. Phương pháp sử sụng lớp bao phủ bằng bùn bentonite và bitumen

v Các kết quả thí nghiệm của Brons (1969) và Bjerrum (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. Trong nghiên cứu này, cọc được phủ một lớp bentonite dày từ 30 – 40mm. Lực ma sát âm trên các cọc được bọc lớp bentonite khoảng 120KN, trong khi đó trên các cọc không phủ bentonite là 700 – 800KN.

v 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. Các vấn đề đặt ra là:

Ø Xác định loại vật liệu phù hợp để sử dụng.

Ø Xác định chiều dày cần thiết.

Ø Quy trình thi công.

ü Xác định loại vật liệu:

M.G.Khare và S.R.Gandhi đã tiến hành nghiên cứu trên mô hình bề mặt ma sát giữa cọc và đất khô, sử dụng bộ thiết bị cắt trực tiếp. Bề mặt cọc được mô hình bằng khối thép mềm kích thước 8.5mm – 8.5mm – 2.8mm. Đất sử dụng trong nghiên cứu này cho như trong bảng:

D50 (mm) D10 (mm) Cu Cc Gs γmax (KN/m3) γmin (KN/m3)

0.58 0.28 2.5 1.18 2.63 18.2 15.5

Bộ thiết bị cắt trực tiếp được cải tiến:



Hình 24. Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp trên lớp thép có sơn phủ và cát

Nghiên cứu được tiến hành đối với hai 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 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 Shalikote (T–25) và bittum với chiều dày lần lượt là 2mm, 3mm, 5mm.

Tất cả các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng là 310C.



Hình 25. Ứng suất cắt theo bề dày và ứng suất pháp

Kết quả:



Ø 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 bittum.

Ø Các thí nghiệm trên Shalikote (T–25) cho thấy một sự gia tăng ban đầu của ma sát bề mặt sau đó giảm đáng kể khi mẫu bị cắt.

Ø 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.

Ø 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.

Ø Ở hình 3, tại ứng suất pháp bằng 25KN, ứng suất cắt trên các mẫu được phủ một 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.

Ø 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, 5mm, nhưng sau khi bảo dưỡng chỉ còn lại tương ứng là 1mm, 1.36mm, 2.16mm. Sự co ngót này có thể gây ảnh hưởng không tốt. Do đó, có thể phát sinh hiện tượng nứt nẻ lớp phủ. Shalikote (T–25) TM có khả năng làm giảm ứng suất cắt từ 23 – 60%.

Ø 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 2 – 5mm thì ứng suất cắt giảm đáng kể. Khi chiều dày là 3mm, ứng suất cắt giảm đến bằng hoặc lớn hơn 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.

Kết luận:



v Trong nghiên cứu này, các nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành để so sánh giữa Shalikote (T–25) TM và bittum mác 30 – 40 với các chiều dày 2mm, 3mm, 5mm.

v 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.

v Bittum có khả năng giảm ứng suất cắt lớn nhất. Ứng suất cắt có thể giảm từ 80% đến 97%, phụ thuộc vào ứng suất pháp và chiều dày lớp sơn phủ. Chiều dày lớp sơn phủ được khuyên nên sử dụng là khoảng 3mm.

v 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 và tính mềm càng lớn thì khả năng giảm ma sát âm càng cao (điển hình là so sánh giữa hai vật liệu là Shalikote (T–25) TM và bittum).

v Nếu bittum được sử dụng là bittum có độ kim lún càng cao thì khả năng giảm ma sát âm càng lớn. Với các thí nghiệm ở thực tế hiện trường và các thí nghiệm trong phòng (Johannesen, 1965 và 1969; Walker và Darwall, 1973; Clemente, 1979 và 1981; Fellenius, 1975 và 1979) cũng đưa ra kết luận rằng, với chiều dày không lớn hơn 1/16 inch (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.

v 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, ảnh hưởng do thời tiết càng nhỏ.

v 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.

ü 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 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 (1969) và Bjerrum (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 (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, chiều dày lớp đất hạt thô chỉ cần vài mét là đã đủ nguy cơ gây ra 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 bởi các tác giả Alphonus, I.M.Claessen và Endre Horvat (1974), chiều dày lớp phủ được đề nghị lên tới 1cm. Tuy nhiên, theo quan điểm của Fellenius (1975, chiều dày 1cm là không thực tế, nó quá dày, quá mắc và còn là không thể 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 hóa 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 nếu như lớp này càng dày. Các bài báo của Bjerrum cũng đưa ra các 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, ngoài trừ đảm bảo khối lượng bittum cần tối thiểu, một lớp sơn phủ mỏng từ 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 bóc tách trong quá trình hạ cọc.

Hơn nữa, theo nhìn nhận thực tế của Fellenius, không cần đòi hỏi ma sát âm phải bị loại trừ khoảng 90%, 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 ASTM D-946, với chiều dày sơn phủ từ 1mm đến 2mm.

Đồng thời, theo ý kiến của Fellenius, thì tốc độ lún hay biến dạng cắt thực tế ngoài hiện trường rất nhỏ so với thí nghiệm trong phòng. Theo kết quả thí nghiệm cắt mà Fellenius từng thực hiện với mẫu đất sét trên bề mặt bê tông có phủ lớp bittum mác 120, ứng suất cắt lại gia tăng khi tốc độ biến dạng tăng. Do đó, ứng suất cắt của bề mặt tiếp xúc giữa đất và cọc 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.

ü Thi công lớp phủ bittum

Theo như kiến nghị của Fellenius cùng nhiều tác giả khác, loại bittum thích hợp để sử dụng có mác từ 85/100 thep ASTM D-946.

Loại bittum này có thể được sơn hoặc trét lên bề mặt cọc (có thể thi công tại công trường hoặc ở nhà máy), sau khi đã được đun nóng đến trạng thái hóa lỏng, khoảng 1750C.

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 hòa tan bittum với các loại dung môi thông thường (dầu hỏa, xăng) đến khi hóa lỏng rồi sơn phủ lên bề mặt cọc.

Đặc biệt khi trong điều kiện khí hậu lạnh, việc thi công sử dụng bittum nóng là rất khó khăn và tốn kém. 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 750C là đủ. Tuy nhiên, bittum lỏng phải có khả năng đông cứng nhanh chóng như đặc tính gốc của nó, nhằm bảo đảm 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 nhũ tương phân tách nhanh.



v Nhược điểm của lớp sơn phủ bittum

Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là ma sát dương không thể phục 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 nghệm 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 bittum dao động trong khoảng từ 10% đến 20%. Khoảng chênh lệch giá thành này không phải là nhỏ. Do đó, trong mỗi trường hợp thiết kế, cần 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.



PHẦN VI: NHẬN XÉT – KẾT LUẬN

1. Nhận xét

Ø Mối quan hệ giữa biến dạng lún của nền và biến dạng lún của cọc là nền tảng cơ bản để ma sát âm xuất hiện.

Ø Ma sát âm phụ thuộc rất nhiều các yếu tố (loại cọc, chiều dài cọc, đặc tính của đất, chiều dày lớp đất yếu, chiều cao đắp đất, phụ tải…). Nói chung, khảo sát một bài toán cọc chịu ảnh hưởng của ma sát âm là khá phức tạp.

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

Ø Lực ma sát âm tỷ lệ với áp lực ngang của đất tác dụng 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.

Ø Lực ma sát âm không chỉ tác dụng 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.

Ø Khi tăng chiều cao đất đắp (hoặc phụ tải) thì ma sát âm tăng rất nhanh ở giai đoạn 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. Kết quả tương tự cũng xảy ra đối với chiều sâu vùng chịu ảnh hưởng z.

Ø Tùy 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).



2. Kiến nghị

Ø Nếu gặp một trong những điều kiện sau đây, ma sát âm cần phải được xem xét trong lúc thiết kế:

Tổng độ lún của mặt đất lớn hơn 100mm.

Độ lún của mặt đất sau khi đóng cọc lớn hơn 10mm.

Chiều cao của đất đắp trên mặt đất vượt quá 2m.

Chiều dày của lớp đất yếu lớn hơn 10m.

Mực nước ngầm bị hạ thấp hơn 4m.

Chiều dài cọc lớn hơn 25m.

Ø Các phương pháp để giảm lực ma sát âm

Giảm độ lún của đất (gia tải trước, hạ mực nước ngầm…).

Dùng lớp đất đắp có trọng lượng nhẹ.

Sơn phủ bittum (nhựa đường) và tấm chất dẻo là hai phương pháp thường dùng để giảm ma sát ở bề mặt cọc và đất.

Gia tăng ứng suất cho phép của cọc.

Dùng sàn giảm tải có xử lý cọc (làm giảm tải trọng tác dụng vào đất nền).

Ø Về các mô hình tính toán: Mặc dù có nhiều mô hình tính toán, tuy nhiên, theo nhiều tài liệu ghi nhận mô hình tính toán của Bộ Giao Thông Mỹ là đơn giàn và phù hợp nhất. Việc tính toán độ lún cọc đơn thường cho kết quả không chính xác vì: không phải lúc nào ma sát bên và sức kháng mũi cũng huy động đồng thời đạt mức tối đa, mặt khác sự phân bố độ lún của nền theo độ sâu cũng không phải là tuyến tính.

Ø Về việc khai thác nước ngầm ở các thành phố lớn: Việc khai thác nước ngầm quá mức ở các thành phố lớn sẽ dẫn đến sụt lún bề mặt đất làm cho địa hình thay đổi theo thời gian. Vì vậy, khi quy hoạch xây dựng cần phải lưu ý để đưa ra giải pháp hợp lý trong việc xử lý san nền, xây dựng hệ thống thoát



nước. Đối với các công trình sử dụng giải pháp móng cọc, cần phải đặc biệt lưu ý đến yếu tố ma sát âm.

Ø Trong vùng có khả năng phát triển ma sát âm thì nên tránh dùng cọc dạng loe phía dưới (cọc mở rộng chân). Điều này trước tiên là do độ lớn của lực kéo xuống trên mặt ngoài cọc loe lớn hơn đáng kể so với cọc thẳng. Hiện tượng này có thể gây uốn quá mức đối với cọc.

Documents

Nhom 3 - Ma sat am