intTypePromotion=1

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

Chia sẻ: Nguyễn Đức Nghĩa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

0
21
lượt xem
0
download

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

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: 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 />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2