TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
414 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG MA SÁT ÂM DO THAY ĐỔI TẢI TRỌNG
TÁC DỤNG ĐẾN VỊ TRÍ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA CỦA CỌC TRONG
ĐẤT YẾU
EVALUATION THE NEGATIVE SKIN FRICTION EFFECTS DUE TO
SURCHARGE LOAD ON THE NEUTRAL PLANE LOCATION OF SINGLE PILE
IN SOFT SOIL
PGS. TS.Võ Phán, KS. Tô Lê Hương
Trường Đại học Bách Khoa – TP.HCM
TÓM TẮT
Trong bài báo này, tác giả đánh giá sự phân bố vị trí mặt phẳng trung hòa khi xét
ảnh hưởng ma sát âm lên cọc trong đất yếu do thay đổi tải trọng tác dụng, cụ thể
là thay đổi chiều cao đất đắp tôn nền từ 1,7 m đến 3,0 m. Vị trí mặt phẳng trung
hòa được xác định theo ba phương pháp: Phương pháp đơn giản của W.H.Ting,
Phương pháp Thống nhất của Fellenius và Phương pháp mô phỏng bằng phần
mềm PLAXIS 2D v8.5. Cả ba phương pháp đều cho thấy khi tăng chiều cao đất
đắp thì độ sâu mặt phẳng trung hòa càng lớn, nghĩa là có xu hướng phát triển về
phía mũi cọc. Tuy vậy, giữa kết quả tính từ Plaxis và các phương pháp còn lại có
sự chênh lệch khá lớn về độ sâu mặt phẳng trung hòa ứng với cùng một chiều cao
tải đắp. So sánh các kết quả tính của PLAXIS ở các giai đoạn khác nhau, tác giả
nhận thấy với cùng một thời gian cố kết, chiều cao đất đắp tăng cũng làm cho vị
trí mặt phẳng trung hòa tăng lên nhưng mức độ tăng không đáng kể.
ABSTRACT
This paper aims to evaluate the negative skin friction effects on the neutral plane
location of single pile in soft soil due to surcharge loading, which is changing the
height of fill embankment from 1.7 to 3.0 meters. The location of neutral plane is
calculated by three different methods: Simple method (W. H. Ting), the Unified
method (B. H. Fellenius) and Numerical model analyzing with software PLAXIS
2D v8.5. All methods show the results that when increasing height of the fill
embankment, the neautral plane is larger, which means neutral plane location is
closer to the pile toe. However, with the same height of fill embankment, there is a
large difference from results of PLAXIS and the other. From the comparison of
neutral plane location in different phase in PLAXIS, it also shows that with the
same time of consolidation, the depth of neutral plane increases slightly with the
height of fill embankment.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Đối với các công trình xây dựng trên đất yếu, giải pháp móng cọc luôn được ưu
tiên hàng đầu vì tính hiệu quả và kinh tế. Tuy nhiên, đối với những khu vực có các tầng
đất chưa kết thúc cố kết, việc đặt móng cọc vào trong địa tầng như vậy sẽ cần xét đến
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 415
hiện tượng ma sát âm. Ma sát âm là hiện tượng đất xung quanh cọc lún nhanh hơn cọc,
từ đó sinh ra lực dọc kéo cọc đi xuống, làm ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc.
Có nhiều nguyên nhân gây ra ma sát âm, một trong những nguyên nhân đó là
chiều cao đắp nền quá lớn. Trong thực tế, trường hợp này có thể gặp ở các công trình
được xây trên một khu đất trũng, được cải tạo lại từ vùng đầm lầy, ao hồ. Do đặc trưng
trũng của địa hình và tránh ảnh hưởng của mực nước ngầm dâng lên khi triều cường, cần
thiết phải tôn nền lên cao, ít nhất là ngang bằng mặt đất tự nhiên hoặc cao hơn (xem Hình
1). Tuy nhiên, chiều cao tôn nền càng lớn thì cũng hình thành một tải đắp đủ lớn để làm
đất nền bên dưới tiếp tục cố kết, và như vậy, sinh ra ma sát âm ảnh hưởng đến cọc và
móng cọc của công trình. Mức độ ảnh hưởng này nhiều hay ít phụ thuộc vào phạm vi ảnh
hưởng của ma sát âm, thường được đánh giá thông qua vị trí mặt phẳng trung hòa.
Do đó, trong bài báo này, tác giả sẽ tiến hành khảo sát vị trí mặt phẳng trung hòa
khi cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm do thay đổi tải tác dụng, mà cụ thể là thay đổi chiều
cao đắp tôn nền.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp lý thuyết: Tìm hiểu một số cách tính toán theo phương pháp giải
tích để xác định vị trí mặt phẳng trung hòa trong cọc khi xảy ra hiện tượng ma
sát âm.
- Phương pháp mô phỏng: Ứng dụng phần mềm PLAXIS 2D v.8.5 để mô phỏng
ảnh hưởng hiện tượng ma sát âm do sự thay đổi tải trọng tác dụng đối với cọc
trong đất yếu. Thông qua kết quả mô phỏng, xác định độ sâu mặt phẳng trung
hòa trong cọc.
3. KHÁI QUÁT VỀ MA SÁT ÂM VÀ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA
3.1 . Khái quát về ma sát âm
Khi cọc được đóng trong nền đất tốt đã cố kết xong, tải trọng hướng xuống
Hình 1. Ma sát âm do chiều cao đắp tôn nền lớn.
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
416 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
truyền vào móng cọc sẽ hình thành trong đất những lực để cân bằng lại với tải trọng
này. Các lực này chủ yếu là lực ma sát bên thân cọc, thường theo chiều hướng lên (trong
trường hợp cọc treo) và có thêm sức kháng mũi cọc (nếu trường hợp cọc chống trong
nền đất cứng). Ma sát bên thân cọc trong trường hợp này gọi là ma sát dương.
Trường hợp cọc được xây dựng trong khu vực đất yếu chưa cố kết xong, do
nhiều nguyên nhân khác nhau (nâng hạ mực nước ngầm, lớp đất đắp san nền quá
dày,...), các lớp đất yếu dần dần cố kết lại, dẫn đến chuyển động lún xuống của đất và
hình thành lực ma sát bên thân cọc theo chiều hướng đi xuống, cùng chiều tải trọng tác
dụng lên cọc. Lực ma sát như vậy gọi là lực ma sát âm.
Ma sát âm là hiện tượng lớp đất yếu xung quanh thân cọc lún nhanh hơn tốc độ
lún của cọc. Vì thế, ma sát âm xảy ra không những không tạo lực ma sát có lợi để giữ
cọc mà còn sinh thêm lực kéo xuống, làm ảnh hưởng khả năng chịu tải của cọc.
3.2 . Vị trí mặt phẳng trung hòa
Trong quá trình sử dụng công trình, tải của kết cấu bên trên sẽ truyền xuống đầu
các cọc thông qua đài cọc. Tải trọng được chia thành tĩnh tải Qdead và hoạt tải Qlive. Ngay
cả khi chuyển vị của đất nền là nhỏ, đa số trường hợp đất sẽ di chuyển xuống so với cọc
và truyền lực vào cọc thông qua lực ma sát âm. Và chỉ cần một chuyển vị tương đối nhỏ
là đủ để gây nên một lượng đáng kể lực ma sát âm (cũng như ma sát dương). Do đó,
mọi cọc đều phát triển một cơ chế cân bằng lực, với một bên là tổng của tĩnh tải đặt lên
đầu cọc - Qd và lực kéo xuống – Qn (sinh ra bởi lực ma sát âm ở phần trên của cọc) sẽ
cân bằng với bên còn lại gồm tổng sức kháng mũi và ma sát dương ở phần dưới của cọc.
Vị trí cân bằng gọi là mặt phẳng trung hòa, là vị trí mà tại độ sâu đó mà ứng
suất cắt dọc theo thân cọc chuyển từ ma sát âm thành ma sát dương (sức kháng ma sát
thành cọc). Đây cũng là vị trí không có chuyển vị tương đối giữa cọc và đất, hay vị trí
mặt phẳng trung hòa còn gọi là vị trí cân bằng chuyển vị.
Hình 2. Các lực xuất hiện trong cọc khi xảy ra ma sát âm.
Q = Tải trọng
Qd = Tĩnh tải
Qi = Hoạt tải
rs = Sức kháng ma sát thành đơn vị
Rs = Tổng sức kháng ma sát thành
qn = Lực ma sát âm đơn vị
Qn = Lực kéo xuống
rt = Sức kháng mũi đơn vị
Rt = Tổng sức kháng mũi
L = Chiều dài cọc
D = Chiều dài phần cọc nằm trong đất
NP = Mặt phẳng trung hòa
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 417
4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA
4.1 . Phương phápđơn giản
Dựa vào tương quan giữa biểu đồ quan hệ độ lún cọc-đất và sự phân bố lực dọc
trong cọc khi xảy ra hiện tượng ma sát âm (Hình 3), W.H.Ting [1] đưa ra cách tính độ
sâu mặt phẳng trung hòa trong cọc dựa trên phương trình đơn giản như sau:
)
H
1(w
c
p
n
st
L
w−= (1)
Trong đó:
Wp: Độ lún cọc.
Wst: Độ lún của đất.
Ln: Độ sâu trục trung hòa (neutral axis) tính từ cao độ đáy lớp đất đắp.
Hc: Bề dày lớp đất có tính nén lún cao (bề dày lớp đất yếu)
Từ công thức trên, dễ dàng suy ra vị trí mặt phẳng trung hòa (hay độ sâu mặt
phẳng trung hòa) được tính như sau:
c
pH
w
w)1(L
st
n−= (2)
Tuy nhiên, Fellenius [2] đã xem xét lại cách tính này và cho rằng giả thiết “Độ lún
đất nền phân bố tuyến tính theo độ sâu” của W.H.Ting đưa ra là không hợp lý cho hầu
hết trường hợp, ví dụ như với các bài toán minh họa mà W.H.Ting đưa ra, vốn có lớp
đất yếu với tính nén lún cao và bề dày lớn (>50 m).
Hình 3. Hình ảnh vẽ lại các trường hợp tính toán vị trí mặt phẳng trung hòa của
cọc treo (Floating pile) được nêu trong bài báo của W.H.Ting[1]:
(a) Chiều dài cọc (Lo) nhỏ hơn chiều dày lớp đất yếu (Hc);
(b) Chiều dài cọc (Lo) lớn hơn chiều dày lớp đất yếu (Hc).
(a) (b)
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
418 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
Có thể vận dụng các công thức phổ biến để tính vị trí mặt phẳng trung hòa theo
công thức (2) với trình tự như sau:
1. Tiến hành chia đất nền thành các lớp phân tố có bề dày ≤ 2,0 m
2. Tính độ lún ổn định của đất nền wst:
Thông thường trong thực tế, các hồ sơ khảo sát địa chất không có đầy đủ các
thông số để tính toán độ lún đàn hồi (S1) và độ lún từ biến (S3). Do vậy, theo 22TCN-
262-2000 thì độ lún S có thể được dự đoán bằng công thức kinh nghiệm sau:
Wst = S = S1 + S2 + S3 = m.S2 (3)
Trong đó:
o S: độ lún ổn định của đất nền
o S1: độ lún đàn hồi của đất nền.
o S2: độ lún cố kết của đất nền, được tính theo phương pháp tổng phân tố.
o S3: độ lún từ biến của đất nền.
3. Tính độ lún của cọc đơn [3], wp, theo công thức:
w
p
= Sđ = ΔL + S
m
+ S
b
(4)
Trong đó:
o ΔL: độ lún đàn hồi của cọc. Tính theo công thức:
c
E
QL
L
p
Q
=Δ (5)
o Sm: độ lún do biến dạng nén của đất nền dưới mũi cọc được tính theo lý
thuyết nền đàn hồi:
0
2
mE
)1(
Svqap −
=
ω
(6)
o Độ lún Sb do chuyển dịch theo phương đứng bởi lực ma sát đất và mặt
bên của cọc có thể được tính theo công thức sau:
0
2
bE
)1(
SvDf bas −
=
ω
(7)
Với:
ωb: Hệ số ảnh hưởng, Vesic đề nghị công thức tính như sau:
(8)
35,02
b+
=
ω