Tính toán 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

56<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016<br /> <br /> <br /> TÍNH TOÁN MA SÁT ÂM TRÊN CƠ SỞ KHẢO SÁT VỊ TRÍ CÂN<br /> BẰNG TĨNH GIỮA TẢI TRỌNG TÁC DỤNG VÀ CÁC LỰC<br /> TƯƠNG TÁC CỌC – ĐẤT<br /> CALCULATION OF NEGATIVE SKIN FRICTION BASED ON THE<br /> EXAMINATION OF THE EQUILIBRIUM POINT BETWEEN DEADLOAD AND<br /> PILE-SOIL INTERACTION FORCE<br /> Hoàng Thị Xuân<br /> Trung tâm KT&KĐCL, Trường ĐH Giao thông vận tải Tp. HCM<br /> Tóm tắt: Ma sát âm (MSÂ) là một hiện tượng khá phổ biến đối với móng cọc trong đất yếu.<br /> Cường độ lực MSÂ phụ thuộc lớn vào chiều sâu ảnh hưởng (Hah) của nó. Hiện nay, một số tài liệu<br /> trong nước đã chỉ dẫn tính toán Hah trên sự tương quan giữa độ lún của cọc và độ lún cố kết của đất<br /> nền xung quanh cọc. Trong bài báo này giới thiệu một phương pháp khác để xác định Hah, phương<br /> pháp này thực hiện dựa trên cơ sở khảo sát cân bằng tĩnh giữa tải trọng và các lực tương tác cọc –<br /> đất; bên cạnh đó tác giả luận bàn về một số ý kiến khác nhau của các nhà nghiên cứu liên quan đến<br /> hiện tượng này.<br /> Từ khóa: Ma sát âm, mặt phẳng trung hòa, vị trí cân bằng, tải trọng, lực tương tác cọc – đất.<br /> Abstract: Negative skin friction (NSF) is a popular phenomenon in pile foundation in soft soil.<br /> The intensity of NSF depends strongly on its affected range (Hah). Currently the value of Hah<br /> calculated based on the correlation between the settlements of a pile and of the surrounding soil has<br /> been shown in some dosmetic reports. In this study, we introduce another approach based on the<br /> examination of the steady equilibrium between deadload and pile-soil interaction force. Besides, some<br /> related ideas have also been discussed.<br /> Keywords: Negative skin friction, neutral plane, the point of equilibrium, deadload, the shaft<br /> resistance and the toe resistance.<br /> <br /> 1. Giới thiệu xác định Hah. Theo phương pháp này, Hah<br /> MSÂ là một trong những yếu tố tác động tính toán liên quan trực tiếp đến độ lún của<br /> tiêu cực đến hoạt động của móng cọc. Lực cọc và độ lún cố kết của đất nền xung quanh<br /> MSÂ trong cọc có thể phát triển lên đến một cọc. Hiện nay, một phương pháp khác để xác<br /> giá trị rất lớn so với sức chịu tải của cọc. định Hah đang được sử dụng phổ biến trong<br /> Johannessen và Bjerrum (1965), Bjerrum và các tiêu chuẩn xây dựng và tài liệu trên thế<br /> các cộng sự (1969), Bozozuk (1972) đã công giới [5, 6, 8] là phương pháp khảo sát vị trí<br /> bố các kết quả nghiên cứu cho thấy lực MSÂ cân bằng tĩnh giữa tĩnh tải tác dụng, sức<br /> đã vượt quá tải trọng tác dụng cho phép của kháng ma sát dương, sức kháng mũi và lực<br /> cọc. Bjerrum và các cộng sự (1969) công bố MSÂ (CBL).<br /> kết quả của thí nghiệm đo lực MSÂ trên cọc Trong bài báo này tác giả sẽ giới thiệu:<br /> thép với đường kính 500mm được đóng Những nét đặc trưng của phương pháp CBL;<br /> xuyên qua đất dày 55m đến lớp đá cứng, lớp trình bày ví dụ tính toán minh họa; khảo sát<br /> đất bị lún dưới ảnh hưởng của khối gia tải và ảnh hưởng của một số tham số đến sự phát<br /> giá trị lực MSÂ đo được là 4000kN. Trong triển của MSÂ và luận bàn về một số ý kiến<br /> phạm vi thử nghiệm bởi Bjerrum, cọc đóng của các nhà nghiên cứu khác nhau về hiện<br /> đến lớp đá, đẫn đến phát sinh lực MSÂ kéo tượng MSÂ.<br /> cọc xuyên vào bên trong lớp đá [6]. Rõ ràng, 2. Hiện tượng ma sát âm (negative<br /> MSÂ có thể gây hư hại đến công trình; nếu skin friction)<br /> trong thiết kế chúng ta không xét đến ảnh Cọc khi hạ vào nền đất, nếu độ lún của<br /> hưởng của MSÂ thì đây là một thiếu sót cọc nhiều hơn của đất nền sẽ làm phát sinh<br /> nguy hiểm. Một số tài liệu trong nước hiện sức kháng bên trong chống lại sự dịch<br /> nay có đề cập và hướng dẫn tính MSÂ [1, 2]; chuyển của cọc. Ngược lại, khi độ lún của<br /> và phương pháp xác định lực MSÂ dựa trên<br />  57<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016<br /> <br /> <br /> đất nền lớn hơn độ lún của cọc thì sẽ tạo ra Qd + Qn = Rt + Rs (1)<br /> hiện tượng MSÂ (hình 1). Tại vị trí MPTH ma sát tiếp xúc dọc theo<br /> Hiện tượng MSÂ có thể xuất hiện trong cọc thay đổi từ ma sát bên âm thành sức<br /> một phân đoạn cọc hoặc toàn bộ chiều dài kháng bên dương.<br /> cọc, phụ thuộc vào chiều dày lớp đất yếu và 3. Tính toán giá trị lực MSÂ lớn nhất<br /> tốc độ lún của nền đất xung quanh cọc [2, 3, Trước khi xây dựng công trình, mặt nền<br /> 4]. thường được san lấp tới một cao trình phù<br /> hợp. Tải san lấp làm quá trình cố kết diễn ra<br /> trong đất yếu, như vậy nền đất lún dần theo<br /> thời gian. Trong khi đó, cọc nhận tải trọng<br /> công trình và truyền thẳng xuống các tầng<br /> chịu lực bên dưới. Các tầng này thường có độ<br /> cứng lớn, do vậy độ lún của móng cọc sẽ nhỏ<br /> hơn nhiều so với độ lún cố kết của tầng đất<br /> yếu phía trên (do tải san lấp). Vậy, theo thời<br /> gian hiện tượng MSÂ sẽ xuất hiện trong cọc.<br /> Để xác định được giá trị lực MSÂ lớn<br /> a. Sức kháng bên. b. Ma sát âm. nhất bước đầu tiên chúng ta phải xác định<br /> Hình 1. Cọc chịu ma sát trong đất. được vị trí MPTH. Vị trí này được tìm thấy<br /> Tại vị trí độ lún của cọc bằng với độ lún tại giao điểm của hai đường cong phân phối<br /> của đất nền được gọi là vị trí MPTH. Tại đó tải trọng; đó là đường cong tải tác dụng và<br /> tồn tại sự cân bằng tĩnh của một bên là tổng đường cong sức kháng.<br /> tĩnh tải và lực MSÂ, một bên là tổng sức Đường cong tải tác dụng Y1 được xây<br /> kháng dương và sức kháng mũi. Tại vị trí dựng như sau: Từ đầu cọc vẽ đường cong với<br /> MPTH cường độ lực MSÂ đạt giá trị lớn giá trị tải trọng bắt đầu là tĩnh tải Qd và tăng<br /> nhất. Vì vậy, khi chúng ta xác định được vị dần với tải trọng do MSÂ lớn nhất Qnmax gây<br /> trí MPTH sẽ tìm ra được giá trị lực MSÂ lớn ra dọc theo chiều dài cọc.<br /> nhất.[5,6] Y1 = Qd +  As q nmax dz = Qd +Qnmax (2)<br /> Đường cong sức kháng bên Y2 được xây<br /> dựng như sau: Từ mũi cọc vẽ đường cong<br /> sức kháng đi lên bắt đầu là sức kháng mũi<br /> cọc cực hạn Rt và tăng dần cùng với giá trị<br /> sức kháng bên dương Rs.<br /> Y2 = Qu -  As rsmax dz = Qu - R s (3)<br /> Qu: Tổng sức kháng của cọc (bao gồm<br /> Hình 2. Vị trí MPTH & phương trình cân bằng lực. sức kháng bên + sức kháng mũi), kN;<br /> Hình 2 minh họa sự phân phối tải trọng As: Diện tích xung quanh của cọc, m2;<br /> trong cọc. Cọc khi hạ vào nền đất và chịu tải qnmax: Độ lớn của MSA đơn vị cực hạn<br /> trọng khai thác Qd. Giá trị ma sát tiếp xúc bằng độ lớn của sức kháng bên dương đơn vị<br /> dọc cọc được giả định độc lập với hướng cực hạn rsmax, kN/m2.<br /> chuyển dịch, nghĩa là độ lớn của MSÂ đơn vị<br /> Để xác định chính xác đường cong phân<br /> qn bằng độ lớn của sức kháng bên dương đơn<br /> phối tải trọng cần phải có thông tin chính xác<br /> vị rs. Rt là giá trị sức kháng mũi cọc. Lực<br /> về thông số cường độ đất nền. Phương pháp<br /> MSÂ Qn là tổng MSÂ đơn vị trong cọc. Sức<br /> hệ số β của ứng suất hữu hiệu được ưu tiên<br /> kháng dương Rs là tổng sức kháng bên dương<br /> trong lý thuyết tính này [6].<br /> của cọc. Phương trình cân bằng tại MPTH (z<br /> = z1) được viết như sau:<br /> 58<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016<br /> <br /> <br /> Khi tìm được vị trí MPTH, sử dụng tham khảo [5]. Giá trị sức kháng mũi Nt, beta<br /> phương trình cân bằng lực chúng ta sẽ xác (β) được trình bày ở trên được lấy theo tài<br /> định được giá trị lực MSÂ lớn nhất. liệu tham khảo [5].<br /> 4. Ví dụ minh họa và khảo sát ảnh Kết quả tính toán được thể hiện như<br /> hưởng các tham số đến sự phát triển của trong hình 3.<br /> MSÂ<br /> Số liệu đầu để tính toán như sau:<br /> Cọc BTCT D300mm, dài 30m được<br /> đóng vào nền đất có thông số địa chất như<br /> bảng 1. Tải trọng đặt ở đầu cọc Qd = 800kN.<br /> Mực nước ngầm nằm ngay mặt đất tự nhiên.<br /> Khối đất đắp phía trên cao 2.28m có kích<br /> thước 30x30m, dung trọng riêng 20kN/m3.<br /> Hệ số sức chịu tải mũi cọc Nt=14.88. Xác<br /> định vị trí MPTH và giá trị MSÂ lớn nhất. Hình 3. Xác định vị trí MPTH & lực MSA lớn nhất.<br /> Các công thức tính sức kháng bên đơn Giá trị MSÂ lớn nhất là 320kN (1120-<br /> vị, sức kháng bên tổng, sức kháng mũi đơn vị 800kN), vị trí MPTH tương ứng là - 15m.<br /> và sức kháng mũi tổng được lấy từ tài liệu<br /> Bảng 1. Thông số địa chất.<br /> Tên loại đất Bề dày (m) γsat (kN/m3) Beta (β) e IL<br /> Sét 17.9 16 0.3 1.436 1.1<br /> Sét pha cát 5.6 20 0.35 0.816 0.36<br /> Cát pha bụi 1.5 19.2 0.55 0.737 0.92<br /> Sét - 19.6 0.35 0.764 0.15<br /> - Ảnh hưởng của chiều dài cọc đến sự cọc gia tăng từ 26m đến 42m trong khi các<br /> phát triển MSÂ: tham số khác không thay đổi.<br /> Khảo sát sự thay đổi của giá trị lực<br /> MSÂ, vị trí MPTH tương ứng khi chiều dài<br /> Bảng 2. Các trường hợp thay đổi chiều dài cọc.<br /> Trường hợp 1 2 3 4 5<br /> <br /> Chiều dài cọc (m) 26 30 34 38 42<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Đồ thị quan hệ giữa lực MSA và chiều dài cọc. Hình 5. Đồ thị quan hệ giữa MPTH và chiều dài cọc.<br /> <br /> Kết quả tính toán thể hiện ở hình 4 và 5 tăng sức kháng mũi dẫn đến đường cong sức<br /> cho thấy khi gia tăng chiều dài cọc, giá trị lực kháng dịch chuyển tịnh tiến dần về bên phải<br /> MSÂ gia tăng và vị trí MPTH hạ thấp xuống. (hình 2). Trong khi đó đường cong phân bố<br /> Chiều dài cọc gia tăng làm tăng phạm vi huy tải trọng tác dụng lên cọc không dịch chuyển<br /> động sức kháng bên, đường cong sức kháng theo phương ngang mà chỉ tiếp tục kéo dài<br /> tiếp tục kéo dài xuống dưới; đồng thời ứng xuống dưới. Do vậy, giao điểm của đường<br /> suất có hiệu ở mũi cọc cũng tăng lên làm cong phân bố tải trọng trên thân cọc và<br />  59<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016<br /> <br /> <br /> đường cong phân bố sức kháng của cọc hạ - Ảnh hưởng của tĩnh tải đến sự phát<br /> thấp dần (hình 2) hay vị trí MPTH hạ thấp triển MSÂ.<br /> dần và giá trị MSÂ tăng lên. Vậy khi tăng Khảo sát sự thay đổi của giá trị lực<br /> chiều dài cọc, vị trí MPTH có xu hướng đi MSÂ, vị trí MPTH khi tĩnh tải tác dụng đầu<br /> xuống và giá trị lực MSÂ có xu hướng tăng cọc gia tăng từ 600kN đến 1000kN trong khi<br /> lên. các tham số khác không thay đổi.<br /> Bảng 3. Các trường hợp thay đổi tĩnh tải.<br /> Trường hợp 1 2 3 4 5<br /> Tĩnh tải (kN) 600 700 800 900 1000<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Đồ thị quan hệ giữa lực MSA và tĩnh tải. Hình 7. Đồ thị quan hệ giữa MPTH và tĩnh tải.<br /> <br /> Kết quả tính toán thể hiện ở hình 6 và 7 đóng trong đất sét khi cùng một hiện trường<br /> cho thấy khi gia tăng tĩnh tải tác dụng đầu của hai trường hợp như sau. Trường hợp 1:<br /> cọc, giá trị lực MSÂ giảm và vị trí MPTH Cọc dài 55m, nền đất lún do khối san lấp cao<br /> nâng cao dần. Tĩnh tải tác dụng lên cọc gia 2m vừa được san lấp. Trường hợp 2: Cọc dài<br /> tăng làm tăng giá trị đường cong phân bố tải 41m, nền đất lún do khối san lấp cùng chiều<br /> trọng tác dụng lên cọc; đường cong phân bố cao san lấp trước đó 70 năm, độ lún nền đất<br /> tải trọng dịch chuyển tịnh tiến dần về bên đo được 1 đến 2mm mỗi năm. Kết quả cho<br /> phải trong khi đường cong sức kháng không thấy lực MSÂ phát sinh bằng nhau ở hai<br /> thay đổi (hình 2). Do vậy, điểm giao của trường hợp [7]. Điều này cho thấy chỉ cần<br /> đường cong phân bố tải trọng trên thân cọc một sự chuyển dịch tương đối nhỏ giữa cọc<br /> và đường cong phân bố sức kháng của cọc và đất nền cũng đủ gây ra MSÂ.<br /> nâng cao dần hay vị trí MPTH nâng cao dần Fellenius và Broms (1969), Fellenius<br /> và giá trị MSÂ giảm dần. Vậy khi tăng giá trị (1992) công bố tải trọng đo đạc được của cọc<br /> tĩnh tải tác dụng lên cọc, vị trí MPTH có xu bê tông đường kính 300mm được đóng vào<br /> hướng nâng lên và giá trị lực MSÂ có xu trong lớp sét dày 40m, phía dưới là lớp cát.<br /> hướng giảm dần. Ngay sau khi đóng tải trọng trong cọc rất nhỏ<br /> 5. Luận bàn về một số ý kiến khác khoảng bằng tải trọng bản thân cọc. Sự cố<br /> nhau liên quan đến điều kiện xuất hiện, kết lại của đất sét xảy ra khoảng 5 tháng.<br /> thời gian tồn tại MSÂ Trong thời gian đó, MSÂ phát triển và lực<br /> Có những ý kiến cho rằng gắn liền với MSÂ đo được khoảng 300 đến 350kN [6].<br /> hiện tượng MSÂ là điều kiện nền đất yếu Điều này cho thấy rằng, việc phục hồi nền<br /> chưa cố kết hoàn toàn; khi kết thúc quá trình đất sau khi đóng cọc cũng đủ để hiện tượng<br /> cố kết thì lực MSÂ sẽ đổi chiều thành sức MSÂ xuất hiện. Thí nghiệm tiếp tục được<br /> kháng bên dương [1,2,3]. Tuy nhiên một số thực hiện. Khi độ lún của bề mặt nền đất do<br /> nhà khoa học như Bjerrum, Fellenius,… đã sự cố kết lại được nội suy từ các kết quả đo<br /> đưa ra kết quả nghiên cứu cho thấy hầu như đạc trong một thời gian dài là khoảng 1mm;<br /> các cọc đều xuất hiện MSÂ và lực MSÂ đạt sự chuyển dịch tương đối giữa cọc và đất sét<br /> giá trị lớn nhất khi kết thúc quá trình cố kết. được đo đạc bằng các thiết bị cảm ứng theo<br /> độ sâu rất nhỏ, giá trị lực kéo xuống đo được<br /> Năm 1969, Bjerrum và các cộng sự đã<br /> gấp 3 lần giá trị trên [6]. Fellenius (1972),<br /> công bố kết quả đo đạc lực MSÂ ở cọc được<br /> 60<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016<br /> <br /> <br /> Bjerin (1977) công bố thí nghiệm đo lực Tài liệu tham khảo<br /> MSÂ diễn ra trong 15 năm (bắt đầu từ năm [1] Võ Phán, Hoàng Thế Thao (2012), Phân tích và<br /> 1968 đến năm 1983). Khi kết thúc cuộc thử tính toán móng cọc, NXB Đại học Quốc gia Tp.<br /> nghiệm lực kéo đã phát triển đầy đủ và tải HCM.<br /> trọng lớn nhất đo được là 1750kN bao gồm [2] Trần Huy Thanh (11/2012), Ảnh hưởng của ma<br /> sát âm đến sức chịu tải của cọc trong công trình<br /> 800kN tĩnh tải và 950kN lực MSÂ [6]. Điều bến bệ cọc cao trên nền đất yếu, Tạp chí KHCN<br /> này cho thấy sau khi đất nền cố kết hoàn toàn Hàng hải, Số 32.<br /> thì lực ma sát âm vẫn tồn tại và đạt giá trị lớn [3] Châu Ngọc Ẩn (2002), Nền móng, Nhà xuất bản<br /> nhất. ĐH Quốc gia Tp.HCM, HCM.<br /> Khả năng hầu như các cọc đều chịu [4] Đậu Văn Ngọ (2009), Nghiên cứu ảnh hưởng của<br /> ma sát âm đến công trình và các biện pháp làm<br /> MSÂ đã được Fellenius giải thích như sau: giảm ma sát âm, Science & Technology<br /> Vật liệu cọc cứng hơn rất nhiều so với nền Development, Vol 12, No.6.<br /> đất, cùng với thời gian sẽ xuất hiện một độ [5] Fellenius BH (2014), Basic of Foundation<br /> lún nhỏ của nền đất tạo ra sự chuyển dịch Design, Electronic edition (fellenius.net).<br /> tương đối giữa cọc và đất nền, điều này là đủ [6] Fellenius BH (1984), Negative skin friction and<br /> để phát triển MSÂ [7]. settlement of piles, Second International Seminar,<br /> Pile Foundations, Nanyang Technological<br /> 6. Kết luận Institute, Singapore, November 28-30, 12p.<br /> Bài báo đã giới thiệu về phương pháp [7] Fellenius B.H (1988), Unified design of piles and<br /> xác định Hah trên cơ sở khảo sát vị trí cân pile groups, Geotechnical Instrumentation,<br /> bằng tĩnh giữa tải trọng tác dụng, sức kháng Transportation Research Board National Research<br /> Council Washington, D.C.<br /> dương, sức kháng mũi cọc và lực MSÂ; kèm<br /> [8] Canada geotechnical society (2006), Canadian<br /> theo là ví dụ minh họa. Chúng ta có thể tham Foundation Engineering Maual. CGS Publisher.<br /> khảo phương pháp này để sử dụng trong tính Canada.<br /> toán thiết kế. Ngày nhận bài: 13/04/2016<br /> Như kết quả tính toán trong mục 4 cho Ngày hoàn thành sửa bài: 03/05/2016<br /> thấy giá trị lực MSÂ khá lớn (320 kN) so với Ngày chấp nhận đăng: 10/05/2016<br /> tĩnh tải (800kN), bổ sung khoảng 40% giá trị<br /> lực dọc tác dụng lên cọc. Trong thiết kế,<br /> chúng ta nên xem xét bổ sung thành phần<br /> MSÂ để tránh các nguy hại có thể xảy ra cho<br /> công trình.<br /> Hiện tượng MSÂ sẽ xuất hiện khi chỉ có<br /> một sự chuyển dịch tương đối nhỏ giữa cọc<br /> và đất nền. Lực MSÂ vẫn tồn tại và đạt giá<br /> trị lớn nhất khi kết thúc quá trình cố kết của<br /> đất nền <br />