Đang tải... (xem toàn văn)
Ma sát âm (MSÂ) là một hiện tượng khá phổ biến đối với móng cọc trong đất yếu. Cường độ lực MSÂ phụ thuộc lớn vào chiều sâu ảnh hưởng (Hah) của nó. Hiện nay, một số tài liệu trong nước đã chỉ dẫn tính toán Hah trên sự tương quan giữa độ lún của cọc và độ lún cố kết của đất nền xung quanh cọc. Trong bài báo này giới thiệu một phương pháp khác để xác định Hah, phương pháp này thực hiện dựa trên cơ sở khảo sát cân bằng tĩnh giữa tải trọng và các lực tương tác cọc – đất; bên cạnh đó tác giả luận bàn về một số ý kiến khác nhau của các nhà nghiên cứu liên quan đến hiện tượng này.
56 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 TÍNH TỐN MA SÁT ÂM TRÊN CƠ SỞ KHẢO SÁT VỊ TRÍ CÂN BẰNG TĨNH GIỮA TẢI TRỌNG TÁC DỤNG VÀ CÁC LỰC TƯƠNG TÁC CỌC – ĐẤT CALCULATION OF NEGATIVE SKIN FRICTION BASED ON THE EXAMINATION OF THE EQUILIBRIUM POINT BETWEEN DEADLOAD AND PILE-SOIL INTERACTION FORCE Hoàng Thị Xuân Trung tâm KT&KĐCL, Trường ĐH Giao thông vận tải Tp HCM Tóm tắt: Ma sát âm (MSÂ) tượng phổ biến móng cọc đất yếu Cường độ lực MSÂ phụ thuộc lớn vào chiều sâu ảnh hưởng (Hah) Hiện nay, số tài liệu nước dẫn tính tốn Hah tương quan độ lún cọc độ lún cố kết đất xung quanh cọc Trong báo giới thiệu phương pháp khác để xác định Hah, phương pháp thực dựa sở khảo sát cân tĩnh tải trọng lực tương tác cọc – đất; bên cạnh tác giả luận bàn số ý kiến khác nhà nghiên cứu liên quan đến tượng Từ khóa: Ma sát âm, mặt phẳng trung hòa, vị trí cân bằng, tải trọng, lực tương tác cọc – đất Abstract: Negative skin friction (NSF) is a popular phenomenon in pile foundation in soft soil The intensity of NSF depends strongly on its affected range (Hah) Currently the value of Hah calculated based on the correlation between the settlements of a pile and of the surrounding soil has been shown in some dosmetic reports In this study, we introduce another approach based on the examination of the steady equilibrium between deadload and pile-soil interaction force Besides, some related ideas have also been discussed Keywords: Negative skin friction, neutral plane, the point of equilibrium, deadload, the shaft resistance and the toe resistance Giới thiệu MSÂ yếu tố tác động tiêu cực đến hoạt động móng cọc Lực MSÂ cọc phát triển lên đến giá trị lớn so với sức chịu tải cọc Johannessen Bjerrum (1965), Bjerrum cộng (1969), Bozozuk (1972) công bố kết nghiên cứu cho thấy lực MSÂ vượt tải trọng tác dụng cho phép cọc Bjerrum cộng (1969) cơng bố kết thí nghiệm đo lực MSÂ cọc thép với đường kính 500mm đóng xun qua đất dày 55m đến lớp đá cứng, lớp đất bị lún ảnh hưởng khối gia tải giá trị lực MSÂ đo 4000kN Trong phạm vi thử nghiệm Bjerrum, cọc đóng đến lớp đá, đẫn đến phát sinh lực MSÂ kéo cọc xuyên vào bên lớp đá [6] Rõ ràng, MSÂ gây hư hại đến cơng trình; thiết kế khơng xét đến ảnh hưởng MSÂ thiếu sót nguy hiểm Một số tài liệu nước có đề cập hướng dẫn tính MSÂ [1, 2]; phương pháp xác định lực MSÂ dựa xác định Hah Theo phương pháp này, Hah tính tốn liên quan trực tiếp đến độ lún cọc độ lún cố kết đất xung quanh cọc Hiện nay, phương pháp khác để xác định Hah sử dụng phổ biến tiêu chuẩn xây dựng tài liệu giới [5, 6, 8] phương pháp khảo sát vị trí cân tĩnh tĩnh tải tác dụng, sức kháng ma sát dương, sức kháng mũi lực MSÂ (CBL) Trong báo tác giả giới thiệu: Những nét đặc trưng phương pháp CBL; trình bày ví dụ tính tốn minh họa; khảo sát ảnh hưởng số tham số đến phát triển MSÂ luận bàn số ý kiến nhà nghiên cứu khác tượng MSÂ Hiện tượng ma sát âm (negative skin friction) Cọc hạ vào đất, độ lún cọc nhiều đất làm phát sinh sức kháng bên chống lại dịch chuyển cọc Ngược lại, độ lún TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 đất lớn độ lún cọc tạo tượng MSÂ (hình 1) Hiện tượng MSÂ xuất phân đoạn cọc toàn chiều dài cọc, phụ thuộc vào chiều dày lớp đất yếu tốc độ lún đất xung quanh cọc [2, 3, 4] a Sức kháng bên b Ma sát âm Hình Cọc chịu ma sát đất Tại vị trí độ lún cọc với độ lún đất gọi vị trí MPTH Tại tồn cân tĩnh bên tổng tĩnh tải lực MSÂ, bên tổng sức kháng dương sức kháng mũi Tại vị trí MPTH cường độ lực MSÂ đạt giá trị lớn Vì vậy, xác định vị trí MPTH tìm giá trị lực MSÂ lớn nhất.[5,6] 57 Qd + Qn = Rt + Rs (1) Tại vị trí MPTH ma sát tiếp xúc dọc theo cọc thay đổi từ ma sát bên âm thành sức kháng bên dương Tính toán giá trị lực MSÂ lớn Trước xây dựng cơng trình, mặt thường san lấp tới cao trình phù hợp Tải san lấp làm trình cố kết diễn đất yếu, đất lún dần theo thời gian Trong đó, cọc nhận tải trọng cơng trình truyền thẳng xuống tầng chịu lực bên Các tầng thường có độ cứng lớn, độ lún móng cọc nhỏ nhiều so với độ lún cố kết tầng đất yếu phía (do tải san lấp) Vậy, theo thời gian tượng MSÂ xuất cọc Để xác định giá trị lực MSÂ lớn bước phải xác định vị trí MPTH Vị trí tìm thấy giao điểm hai đường cong phân phối tải trọng; đường cong tải tác dụng đường cong sức kháng Đường cong tải tác dụng Y1 xây dựng sau: Từ đầu cọc vẽ đường cong với giá trị tải trọng bắt đầu tĩnh tải Qd tăng dần với tải trọng MSÂ lớn Qnmax gây dọc theo chiều dài cọc Y1 = Qd + As q nmax dz = Qd +Qnmax (2) Đường cong sức kháng bên Y2 xây dựng sau: Từ mũi cọc vẽ đường cong sức kháng lên bắt đầu sức kháng mũi cọc cực hạn Rt tăng dần với giá trị sức kháng bên dương Rs Y2 = Qu - As rsmax dz = Qu - R s (3) Hình Vị trí MPTH & phương trình cân lực Hình minh họa phân phối tải trọng cọc Cọc hạ vào đất chịu tải trọng khai thác Qd Giá trị ma sát tiếp xúc dọc cọc giả định độc lập với hướng chuyển dịch, nghĩa độ lớn MSÂ đơn vị qn độ lớn sức kháng bên dương đơn vị rs Rt giá trị sức kháng mũi cọc Lực MSÂ Qn tổng MSÂ đơn vị cọc Sức kháng dương Rs tổng sức kháng bên dương cọc Phương trình cân MPTH (z = z1) viết sau: Qu: Tổng sức kháng cọc (bao gồm sức kháng bên + sức kháng mũi), kN; As: Diện tích xung quanh cọc, m2; qnmax: Độ lớn MSA đơn vị cực hạn độ lớn sức kháng bên dương đơn vị cực hạn rsmax, kN/m2 Để xác định xác đường cong phân phối tải trọng cần phải có thơng tin xác thông số cường độ đất Phương pháp hệ số β ứng suất hữu hiệu ưu tiên lý thuyết tính [6] 58 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 Khi tìm vị trí MPTH, sử dụng phương trình cân lực xác định giá trị lực MSÂ lớn Ví dụ minh họa khảo sát ảnh hưởng tham số đến phát triển MSÂ Số liệu đầu để tính tốn sau: Cọc BTCT D300mm, dài 30m đóng vào đất có thông số địa chất bảng Tải trọng đặt đầu cọc Qd = 800kN Mực nước ngầm nằm mặt đất tự nhiên Khối đất đắp phía cao 2.28m có kích thước 30x30m, dung trọng riêng 20kN/m3 Hệ số sức chịu tải mũi cọc Nt=14.88 Xác định vị trí MPTH giá trị MSÂ lớn Các cơng thức tính sức kháng bên đơn vị, sức kháng bên tổng, sức kháng mũi đơn vị sức kháng mũi tổng lấy từ tài liệu tham khảo [5] Giá trị sức kháng mũi Nt, beta (β) trình bày lấy theo tài liệu tham khảo [5] Kết tính tốn thể hình Hình Xác định vị trí MPTH & lực MSA lớn Giá trị MSÂ lớn 320kN (1120800kN), vị trí MPTH tương ứng - 15m Bảng Thông số địa chất Tên loại đất Bề dày (m) Sét 17.9 Sét pha cát γsat (kN/m3) Beta (β) e IL 16 0.3 1.436 1.1 5.6 20 0.35 0.816 0.36 Cát pha bụi 1.5 19.2 0.55 0.737 0.92 Sét - 19.6 0.35 0.764 0.15 - Ảnh hưởng chiều dài cọc đến phát triển MSÂ: Khảo sát thay đổi giá trị lực MSÂ, vị trí MPTH tương ứng chiều dài cọc gia tăng từ 26m đến 42m tham số khác không thay đổi Bảng Các trường hợp thay đổi chiều dài cọc Trường hợp Chiều dài cọc (m) 26 30 34 38 42 Hình Đồ thị quan hệ lực MSA chiều dài cọc Hình Đồ thị quan hệ MPTH chiều dài cọc Kết tính tốn thể hình cho thấy gia tăng chiều dài cọc, giá trị lực MSÂ gia tăng vị trí MPTH hạ thấp xuống Chiều dài cọc gia tăng làm tăng phạm vi huy động sức kháng bên, đường cong sức kháng tiếp tục kéo dài xuống dưới; đồng thời ứng suất có hiệu mũi cọc tăng lên làm tăng sức kháng mũi dẫn đến đường cong sức kháng dịch chuyển tịnh tiến dần bên phải (hình 2) Trong đường cong phân bố tải trọng tác dụng lên cọc không dịch chuyển theo phương ngang mà tiếp tục kéo dài xuống Do vậy, giao điểm đường cong phân bố tải trọng thân cọc TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 đường cong phân bố sức kháng cọc hạ thấp dần (hình 2) hay vị trí MPTH hạ thấp dần giá trị MSÂ tăng lên Vậy tăng chiều dài cọc, vị trí MPTH có xu hướng xuống giá trị lực MSÂ có xu hướng tăng lên 59 - Ảnh hưởng tĩnh tải đến phát triển MSÂ Khảo sát thay đổi giá trị lực MSÂ, vị trí MPTH tĩnh tải tác dụng đầu cọc gia tăng từ 600kN đến 1000kN tham số khác không thay đổi Bảng Các trường hợp thay đổi tĩnh tải Trường hợp Tĩnh tải (kN) 600 700 800 900 1000 Hình Đồ thị quan hệ lực MSA tĩnh tải Kết tính tốn thể hình cho thấy gia tăng tĩnh tải tác dụng đầu cọc, giá trị lực MSÂ giảm vị trí MPTH nâng cao dần Tĩnh tải tác dụng lên cọc gia tăng làm tăng giá trị đường cong phân bố tải trọng tác dụng lên cọc; đường cong phân bố tải trọng dịch chuyển tịnh tiến dần bên phải đường cong sức kháng không thay đổi (hình 2) Do vậy, điểm giao đường cong phân bố tải trọng thân cọc đường cong phân bố sức kháng cọc nâng cao dần hay vị trí MPTH nâng cao dần giá trị MSÂ giảm dần Vậy tăng giá trị tĩnh tải tác dụng lên cọc, vị trí MPTH có xu hướng nâng lên giá trị lực MSÂ có xu hướng giảm dần Luận bàn số ý kiến khác liên quan đến điều kiện xuất hiện, thời gian tồn MSÂ Có ý kiến cho gắn liền với tượng MSÂ điều kiện đất yếu chưa cố kết hồn tồn; kết thúc q trình cố kết lực MSÂ đổi chiều thành sức kháng bên dương [1,2,3] Tuy nhiên số nhà khoa học Bjerrum, Fellenius,… đưa kết nghiên cứu cho thấy cọc xuất MSÂ lực MSÂ đạt giá trị lớn kết thúc trình cố kết Năm 1969, Bjerrum cộng công bố kết đo đạc lực MSÂ cọc Hình Đồ thị quan hệ MPTH tĩnh tải đóng đất sét trường hai trường hợp sau Trường hợp 1: Cọc dài 55m, đất lún khối san lấp cao 2m vừa san lấp Trường hợp 2: Cọc dài 41m, đất lún khối san lấp chiều cao san lấp trước 70 năm, độ lún đất đo đến 2mm năm Kết cho thấy lực MSÂ phát sinh hai trường hợp [7] Điều cho thấy cần chuyển dịch tương đối nhỏ cọc đất đủ gây MSÂ Fellenius Broms (1969), Fellenius (1992) công bố tải trọng đo đạc cọc bê tơng đường kính 300mm đóng vào lớp sét dày 40m, phía lớp cát Ngay sau đóng tải trọng cọc nhỏ khoảng tải trọng thân cọc Sự cố kết lại đất sét xảy khoảng tháng Trong thời gian đó, MSÂ phát triển lực MSÂ đo khoảng 300 đến 350kN [6] Điều cho thấy rằng, việc phục hồi đất sau đóng cọc đủ để tượng MSÂ xuất Thí nghiệm tiếp tục thực Khi độ lún bề mặt đất cố kết lại nội suy từ kết đo đạc thời gian dài khoảng 1mm; chuyển dịch tương đối cọc đất sét đo đạc thiết bị cảm ứng theo độ sâu nhỏ, giá trị lực kéo xuống đo gấp lần giá trị [6] Fellenius (1972), 60 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 Bjerin (1977) cơng bố thí nghiệm đo lực MSÂ diễn 15 năm (bắt đầu từ năm 1968 đến năm 1983) Khi kết thúc thử nghiệm lực kéo phát triển đầy đủ tải trọng lớn đo 1750kN bao gồm 800kN tĩnh tải 950kN lực MSÂ [6] Điều cho thấy sau đất cố kết hồn tồn lực ma sát âm tồn đạt giá trị lớn Khả cọc chịu MSÂ Fellenius giải thích sau: Vật liệu cọc cứng nhiều so với đất, với thời gian xuất độ lún nhỏ đất tạo chuyển dịch tương đối cọc đất nền, điều đủ để phát triển MSÂ [7] Kết luận Bài báo giới thiệu phương pháp xác định Hah sở khảo sát vị trí cân tĩnh tải trọng tác dụng, sức kháng dương, sức kháng mũi cọc lực MSÂ; kèm theo ví dụ minh họa Chúng ta tham khảo phương pháp để sử dụng tính tốn thiết kế Như kết tính tốn mục cho thấy giá trị lực MSÂ lớn (320 kN) so với tĩnh tải (800kN), bổ sung khoảng 40% giá trị lực dọc tác dụng lên cọc Trong thiết kế, nên xem xét bổ sung thành phần MSÂ để tránh nguy hại xảy cho cơng trình Hiện tượng MSÂ xuất có chuyển dịch tương đối nhỏ cọc đất Lực MSÂ tồn đạt giá trị lớn kết thúc trình cố kết đất Tài liệu tham khảo [1] Võ Phán, Hoàng Thế Thao (2012), Phân tích [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] tính tốn móng cọc, NXB Đại học Quốc gia Tp HCM Trần Huy Thanh (11/2012), Ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải cọc cơng trình bến bệ cọc cao đất yếu, Tạp chí KHCN Hàng hải, Số 32 Châu Ngọc Ẩn (2002), Nền móng, Nhà xuất ĐH Quốc gia Tp.HCM, HCM Đậu Văn Ngọ (2009), Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến cơng trình biện pháp làm giảm ma sát âm, Science & Technology Development, Vol 12, No.6 Fellenius BH (2014), Basic of Foundation Design, Electronic edition (fellenius.net) Fellenius BH (1984), Negative skin friction and settlement of piles, Second International Seminar, Pile Foundations, Nanyang Technological Institute, Singapore, November 28-30, 12p Fellenius B.H (1988), Unified design of piles and pile groups, Geotechnical Instrumentation, Transportation Research Board National Research Council Washington, D.C Canada geotechnical society (2006), Canadian Foundation Engineering Maual CGS Publisher Canada Ngày nhận bài: 13/04/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 03/05/2016 Ngày chấp nhận đăng: 10/05/2016 ... lún đất xung quanh cọc [2, 3, 4] a Sức kháng bên b Ma sát âm Hình Cọc chịu ma sát đất Tại vị trí độ lún cọc với độ lún đất gọi vị trí MPTH Tại tồn cân tĩnh bên tổng tĩnh tải lực MSÂ, bên tổng... Hình Đồ thị quan hệ lực MSA tĩnh tải Kết tính tốn thể hình cho thấy gia tăng tĩnh tải tác dụng đầu cọc, giá trị lực MSÂ giảm vị trí MPTH nâng cao dần Tĩnh tải tác dụng lên cọc gia tăng làm tăng... MSÂ Khảo sát thay đổi giá trị lực MSÂ, vị trí MPTH tĩnh tải tác dụng đầu cọc gia tăng từ 600kN đến 1000kN tham số khác không thay đổi Bảng Các trường hợp thay đổi tĩnh tải Trường hợp Tĩnh tải