MỞ ĐẦU. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước. Ma sát âm là một hiện tượng phức tạp, đã có rất nhiều nhà khoa học công bố nghiên cứu của mình về ma sát âm theo nhiều trường phái khác nhau. Đã có rất nhiều các phương pháp tính toán ma sát âm đã được đề xuất, trong đó có thể phân thành 3 nhóm chính như sau: phương pháp kinh nghiệm (empirical methods), phương pháp truyền tải trọng (load-transfer methods), phương pháp mô hình phần tử hữu hạn.
Phương pháp kinh nghiêm đựa trên sự thay đổi ứng suất tiếp mặt bên của thân cọc, ứng suất tiếp này khi có ma sát âm sẽ chia ra thành 2 thành phần âm và dương, phân cách nhau bởi mặt phẳng trung hòa. Phương pháp truyền tải trọng sử dụng biểu đồ truyền tải trọng dọc theo thân cọc để phân tích ứng sử của cọc và nhóm cọc. Phương pháp mô hình đất được sử dụng để phân tích mối quan hệ giữa cọc và đất đồng thời dựa trên các mô hình đất nền như Mohr-Coulomb, Camclay… và các phần mềm phần tử hữu hạn (Abaqus, Plaxis.); Do đó để có những kết luận chính xác về hiện tượng ma sát âm và lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp ta cần đánh giá được tổng quan nghiên cứu về hiện tượng ma sát âm. Những kết quả nghiên cứu dưới đây được xem rất những nghiên cứu mang tính đột phá và làm rõ hiện tượng ma sát âm trong cọc.
Đó là các thí nghiệm đúng kích thước thực và quan trắc liên tục trong thời gian dài biến dạng dọc thân cọc và đường truyền tải trọng trong cọc. Johannessen và các cộng sự của ông là những nhà địa kỹ thuật đầu tiên tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm trong cọc bằng phương pháp quan trắc lâu dài ở hiện trường. Nhóm nghiên cứu tiến hành đóng và quan trắc 4 cọc thép (D300) xuyên vào lớp đá cứng ở Na uy. Hình 1 thể hiện mặt các địa chất và các loại cọc thí nghiệm: Luan van 2 Vị trí đặt Telltales Hình 1.
Mặt cắt địa chất và các cọc thí nghiệm. Cọc A: cọc thép tròn rỗng (D300). Cọc D: cọc thép tròn rỗng (D300) phủ bởi bùn bentonite khi đóng. Cọc B: cọc thép tròn rỗng (D300) được phủ 1 lớp nhựa đường (Bitumen) Các cọc được gắn các 3 thiết bị theo dõi biến dạng nén của cọc (Telltales-[3]) tại 3 điểm khác nhau dọc thân cọc.
Biến dạng nén dọc thân cọc sẽ được chuyển đổi thành lực dọc trung bình giữa 2 Telltales. Từ đó xác định được phân phối lực dọc theo thân cọc và ảnh hưởng của ma sát âm đến cọc. Kết quả thí nghiệm thu được sau 18 tháng quan trắc của cọc A & B. Đường truyền tải tính toán: fs=0.3x’z Giá trị lực dọc tính toán từ quan trắc Cọc A Cọc B Vị trí mặt phẳng trung hòa Hình 2.
Biểu đồ phân bố ứng suất – Chuyển vị dọc thân cọc – Phân bố lực dọc. Luan van 3 Sau khi đóng cọc không tác dụng ngoại lực lên đầu cọc tuy nhiên kết quả quan trắc sau 18 tháng cho thấy có lực nén lớn nhất đạt 1100kN trong cọc, thí nghiệm này chứng minh ma sát âm gây ra lực kéo xuống lớn nhất đạt 1100kN. Bjerrum cũng công bố các kết quả tổng hợp về nghiên cứu về ma sát âm ở các khu vực khác nhau ở Na uy: Bảng 1. Số liệu tổng hợp các nghiên cứu về ma sát âm ở Na uy Độ lún quan Ma Thời gian L d trắc Loại cọc Địa chất sát âm thí nghiệm (m) (cm) Nền Cọc (tấn) (năm) (cm) (cm) Cọc ống thép mũi Sét yếu, trầm 5 53 47 400 200 10 kín, đóng chống tích biển 2 57 50 300 27 5.2 Cọc A: Ống thép mũi kín, chống 1.3 30 vào đá 7m đất san lấp, Cọc B: Có mũi trên nền bụi sét mở rộng và phủ 1.5 27 30 10 20 4 ở Heroya Bitum Cọc 85: cọc thép 1.5 32 47 300 30 - tiết diện KP 24 Cọc thép rỗng Sét yếu ở 1 32 50 300 <1 - nhồi bê tông Alnabru Nhận xét: Quá trình cố kết của các nền đất có tính nén lún cao (bùn sét, bụi sét ven biển.) do tác động của tải trọng ngoài như đất đắp, tải trọng thi công làm phát sinh ma sát âm trong các lớp đất yếu xung quanh cọc.
Trong hầu hết các trường hợp tại một thời điểm mà độ lún cố kết của nền lớn hơn độ lún của cọc thì phát sinh ma sát âm trong cọc. Trong nghiên cứu trên có một trường hơp rất đặc biệt đó cọc đóng qua lớp sét yếu ở Alnabru có độ chênh lệch độ lún rất nhỏ nhưng cũng làm phát sinh ma sát âm trong cọc. Điều này chứng tỏ bất kỳ một sự dịch chuyển nào xuống phía dưới nền đất đối với cọc đều sinh ra ma sát âm. Luan van 4 Endo et al (1969) [4]., Minou và các công sự đã tiến hành một nghiên cứu đúng kích thước thực 4 cọc liên tục trong 3 năm ở Fukagawa, Tokyo, Japan.
Cọc thép ống thép (dài 43m, đường kính 609mm, dày 9.5mm) được gắn 7 thiết bị do biến dạng (strain-gage) dọc thân cọc. Địa chất khu vực thí nghiệm thể hiện ở hình 1. Giới hạn Atterberg (%) Áp lực nước lỗ rỗng (kPa) Hình 3. Mặt cắt địa chất – Giới hạn Atterberg - Áp lực nước lỗ rỗng.
Quan trắc chuyển vị nền và biến dạng cọc liên tục trong 3 năm Endo và các cộng sự đã công bố các kết quả như sau: Tải trọng (kN) Tải trọng (kN) Thời gian (ngày) Hình 4. Đường cong quan hệ nội lực Hình 5. Đường cong truyền tải trọng dọc thân cọc theo thời gian. trong cọc ở các thời điểm thí nghiệm Luan van 5 Hình 4 biểu diễn sự thay đổi lực dọc tại các điểm dọc thân cọc theo thời gian.
Không có tải tác dụng trên đầu cọc nên lực dọc dọc thân cọc tạo bởi tổng sức kháng bên sinh ra do quá trình cố kết của nền. Sức kháng bên tại các điểm tăng dần theo thời gian nói cách khác sức kháng bên huy động đầy đủ khi chuyển vị giữa cọc và đất đủ lớn. Sức kháng bên tăng dần đến khi đạt giá trị tới hạn sau đó không đổi hoặc giảm dần. Điểm #7 đặt tại mũi cọc và ta cố thể thấy rằng sức kháng mũi cũng gia tăng theo thời gian hay đúng hơn là theo chuyển vị của mũi cọc.
Hình 5 thể hiện các đường cong truyển tải trọng trong cọc, ma sát âm gây ra lực kéo xuống trong cọc và giá trị lực kéo xuống tăng dần theo quá trình cố kết của nền. Ma sát âm gia tăng theo quá trình cố kết tuy nhiên sức kháng bên dương cũng gia tăng do quá trình cố kết làm sắp xếp lại các hạt đất và làm gia tăng sức chống cắt của các vùng đất bên dưới. Lực kéo xuống làm mũi cọc xuyên sâu xuống nền hơn huy động được sức kháng mũi lớn hơn. Tại một thời điểm ta thấy lực dọc trong cọc tăng dần đến 1 giá trị lớn nhất rồi giảm dần.
Vị trí lực dọc lớn nhất trong cọc là vị trí cân bằng giữa tổng sức kháng âm (Pn) với tổng sức kháng dương (Qs) và sức kháng mũi (Qp) gọi là vị trí mặt phẳng trung hòa. Đường cong truyền tải trọng trong Hình 7. Đường cong phân bố độ cọc ở thời điểm 672 ngày. lún của coc và nền ở thời điểm 672 ngày.
Luan van 6 Hình 6 và 7 trình bày 2 phương pháp xác định vị trí mặt phẳng trung hòa, trong thiết kế thực tế nếu ta xác định được phân bố độ lún của nền và chuyển vị của cọc theo độ sâu thì ta hoàn toàn có thể xác định được vị trí của mặt phẳng trung hòa như hình 7 Từ đó có thể xác định được giá trị của lực ma sát âm. Fellenius and Broms (1969) [4]. Fellenius and Broms (1969) đã tiến hành một nghiên cứu hiện trường kéo dài lâu nhất về ma sát âm. Thí nghiệm được tiến hành ở Bäckebol – Göteborg – Thụy Điển, hai cọc bê tông cốt thép dài 55m, đường kính 300mm, tiết diện hình lục giác, được gắn các thiết bị đo áp lực (load-cell) dọc thân cọc.
Các cọc thí nghiệm và nền công trình được quan trắc biến dạng liên tục trong 14 năm (1969 -1983). Bäckebol là vùng đất nguyên sinh chưa hề có công trình xây dựng nào. Hình 8, 9 thống kê sơ bộ địa chất khu vực trên. Mặt cắt địa chất – Các giới hạn Hình 9.
Ứng suất hữu hiệu và sức Atterberg chống cắt không thoát nước. Luan van 7 Chiều dày lớp sét yếu lên đến 40m, với độ ẩm tự nhiên gần lớn hơn giới hạn chảy, dưới cùng là một lớp cát. Với địa chất trên móng cọc thi công ở khu vực này sẽ chịu ảnh hưởng của ma sát âm rất lớn. Tải trọng ở các đầu đo Thời gian kể từ sau khi đóng cọc (ngày) Hình 10.
Đường cong quan hệ nội lực dọc thân cọc theo thời gian. Mỗi cọc được lắp 4 thiết đo áp lực dọc thân cọc như hình 10, kết quả nội lực được ghi nhận liên tục và biểu diễn bằng biểu đồ 10. Vẽ lại biểu đồ nội lực dọc thân cọc theo độ sâu ở các thời điểm khác nhau ta được biểu đồ hình 11 Kết quả thí nghiệm nội lực dọc thân cọc cũng cho các kết luận tượng tự trong nghiên cứu của Endo (1969). Tuy nhiên bổ sung các nghiên cứu trước Fellenius kiểm tra ảnh hưởng của hoạt tải đến ma sát âm trong cọc.17 cho thấy rằng ngay sau khi kết thúc đóng cọc thì không xuất hiện ma sát âm.
Luan van 8 Hình 11. Đường cong truyền tải trọng trong cọc ở các thời điểm thí nghiệm. Ở thời điểm 496 ngày, chưa tác dụng tải trọng lên đầu cọc, lực kéo xuống trong cọc là gần 600kN. Giá trị ma sát âm là 600kN Ở thời điểm 518 ngày tác dụng 1 tải trọng dọc trục 500kN ơ đầu cọc, thì lực kéo xuống không gia tăng, giá trị ma sát âm giảm còn 100kN.
Cho nền tiếp tục cố kết, đến thời điểm 859 ngày lực kéo xuống tăng lên 800kN, ma sát âm đạt 200kN. Ở thời điểm 3128 ngày lực kéo xuống đạt 1600kN và ma sát âm đạt 800kN. Kết quả nghiên cứu của Fellenius cho thấy rằng quan hệ độ lún của cọc và nền là yếu tố quyết định đến sự phát triển của ma sát âm trong cọc. Ở một thời điểm ma sát âm có thể bị khử nếu độ lún của cọc vượt quá độ lún của nền.
Nhưng trong dài hạn, độ lún cố kết của nền đất yếu luôn vượt qua độ lún của cọc, và gây lực kéo xuống rất lớn trong cọc.