Phân tích sự thay đổi tải trọng và ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu

Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng phân tích tác động ma sát âm đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu, giúp hiểu rõ cơ chế thay đổi tải trọng.

• Tác giả: Tô Lê Hương
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Phán
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân tích sự thay đổi tải trọng tác dụng gây ra ma sát âm ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MA SÁT ÂM
• 1.1. Hiện tượng ma sát âm
• 1.2. Định nghĩa ma sát âm
• 1.3. Một số thuật ngữ liên quan đến ma sát âm
• 1.4. Ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu
• 1.5. Ảnh hưởng của ma sát âm do thay đổi tải trọng tác dụng lên cọc
• 1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm
• 1.7. Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài
• 1.8. Nghiên cứu trên thế giới
• 1.9. Nghiên cứu trong nước
• 1.10. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA VÀ TÍNH SỨC CHỊU TẢI CỌC CÓ XÉT ĐẾN MA SÁT ÂM
• 2.1. Lý thuyết tương tác lực giữa cọc và đất
• 2.2. Sức kháng ma sát thành
• 2.3. Sức kháng mũi
• 2.4. Sức chịu tải tới hạn
• 2.5. Phương pháp Thống Nhất (Unified Method) tính toán xác định sức chịu tải của cọc
• 2.6. Nguyên tắc chính xác định khả năng chịu tải của cọc
• 2.7. Tính toán sức chịu tải của cọc theo TCVN 10304:2014
• 2.7.1. Sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền
• 2.7.2. Sức chịu tải theo chỉ tiêu cường độ đất nền
• 2.7.3. Sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT
• 2.7.4. Tính toán sức chịu tải của cọc khi xét đến hiện tượng ma sát âm
• 2.8. Xác định độ lún ổn định của nền
• 2.9. Xác định độ lún của cọc đơn
• 2.10. Xác định chiều dài đoạn cọc bị ảnh hưởng bởi ma sát âm
• 2.11. Xác định sức chịu tải của cọc có xét đến ma sát âm
• 2.12. Phần mềm PLAXIS 2D và các mô hình đất
• 2.13. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG GÂY RA MA SÁT ÂM ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG ĐẤT YẾU
• 3.1. Thông số địa chất và yêu cầu bài toán
• 3.2. Yêu cầu bài toán
• 3.3. Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý đất nền
• 3.4. Sức chịu tải theo chỉ tiêu cường độ của đất nền
• 3.5. Sức chịu tải thiết kế của cọc
• 3.6. Tính toán sức chịu tải khi có xét đến ma sát âm
• 3.7. Phương pháp thống nhất — Unified Method
• 3.8. Phân tích kết quả tính toán theo TCVN 10304-2014 và Unified Method
• 3.9. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BÀI TOÁN SỰ THAY ĐỔI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG GÂY RA MA SÁT ÂM CHO CỌC TRONG ĐẤT YẾU
• 4.1. Mô hình bài toán và thông số đầu vào
• 4.2. Kết quả mô phỏng bằng Plaxis
• 4.3. Vị trí mặt phẳng trung hòa
• 4.4. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC LUẬN VĂN

Tóm tắt

I. Tổng quan về ma sát âm

Ma sát âm là hiện tượng xảy ra khi lớp đất yếu xung quanh thân cọc lún nhanh hơn tốc độ lún của cọc, tạo ra lực kéo xuống làm giảm sức chịu tải cọc. Hiện tượng này thường xuất hiện trong đất yếu do quá trình cố kết chưa hoàn tất. Ma sát âm không chỉ ảnh hưởng đến khả năng chịu tải mà còn gây ra các vấn đề về độ ổn định của công trình. Các yếu tố như sự thay đổi tải trọng cọc, đặc tính địa chất xây dựng, và phương pháp thi công đều có thể ảnh hưởng đến hiện tượng này.

1.1 Định nghĩa và cơ chế

Theo TCXD 205:1998, ma sát âm được định nghĩa là lực do đất tác dụng lên thân cọc cùng chiều với tải trọng, làm giảm khả năng chịu tải. Hiện tượng này xảy ra khi đất nền lún nhanh hơn cọc, tạo ra lực kéo xuống. Cơ chế này thường xuất hiện trong đất yếu do quá trình cố kết chưa hoàn tất hoặc do sự thay đổi tải trọng cọc.

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng

Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm bao gồm: đặc tính địa chất xây dựng, phương pháp thi công, và sự thay đổi tải trọng cọc. Đất yếu có độ lún lớn và quá trình cố kết chậm là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này. Ngoài ra, việc thay đổi chiều cao đắp đất cũng làm tăng ma sát âm.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích

Chương này trình bày các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc có xét đến ma sát âm. Các phương pháp bao gồm: phương pháp thống nhất của Fellenius, TCVN 10304-2014, và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D. Các phương pháp này giúp xác định vị trí mặt phẳng trung hòa và đánh giá ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải cọc.

2.1 Phương pháp thống nhất của Fellenius

Phương pháp này sử dụng để xác định sức chịu tải cọc có xét đến ma sát âm. Nó dựa trên việc phân tích lực kéo xuống và vị trí mặt phẳng trung hòa. Phương pháp này được so sánh với kết quả từ TCVN 10304-2014 và mô phỏng Plaxis 2D để đánh giá độ chính xác.

2.2 Mô phỏng bằng Plaxis 2D

Phần mềm Plaxis 2D được sử dụng để mô phỏng ảnh hưởng của ma sát âm do sự thay đổi tải trọng cọc. Kết quả mô phỏng giúp xác định độ lún của đất nền và cọc, cũng như vị trí mặt phẳng trung hòa. Phương pháp này cung cấp cái nhìn trực quan về hiện tượng ma sát âm.

III. Phân tích ảnh hưởng của ma sát âm

Chương này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải cọc trong đất yếu. Các kết quả tính toán từ TCVN 10304-2014 và phương pháp thống nhất của Fellenius được so sánh để đánh giá mức độ ảnh hưởng của ma sát âm. Kết quả cho thấy sự thay đổi tải trọng cọc làm tăng đáng kể ma sát âm, từ đó giảm sức chịu tải cọc.

3.1 Kết quả tính toán theo TCVN 10304 2014

Kết quả tính toán theo TCVN 10304-2014 cho thấy sự thay đổi sức chịu tải cọc khi xét đến ma sát âm. Các thông số như chiều cao đắp đất và đặc tính địa chất xây dựng được sử dụng để tính toán. Kết quả cho thấy ma sát âm làm giảm đáng kể sức chịu tải cọc.

3.2 So sánh với phương pháp thống nhất

Kết quả từ phương pháp thống nhất của Fellenius được so sánh với TCVN 10304-2014. Sự khác biệt về sức chịu tải cọc được đánh giá, cho thấy mức độ ảnh hưởng của ma sát âm trong các phương pháp tính toán khác nhau.

IV. Mô phỏng và đánh giá kết quả

Chương này trình bày kết quả mô phỏng bằng Plaxis 2D để đánh giá ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải cọc. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi độ lún của đất nền và cọc, cũng như vị trí mặt phẳng trung hòa. Các kết quả này được so sánh với tính toán lý thuyết để đánh giá độ chính xác.

4.1 Kết quả mô phỏng Plaxis 2D

Kết quả mô phỏng bằng Plaxis 2D cho thấy sự thay đổi độ lún của đất nền và cọc khi có ma sát âm. Vị trí mặt phẳng trung hòa được xác định rõ ràng, cho thấy mức độ ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải cọc.

4.2 So sánh với tính toán lý thuyết

Kết quả mô phỏng được so sánh với tính toán lý thuyết từ TCVN 10304-2014 và phương pháp thống nhất của Fellenius. Sự khác biệt về sức chịu tải cọc và vị trí mặt phẳng trung hòa được đánh giá, cho thấy độ chính xác của các phương pháp tính toán.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng ma sát âm là một trong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng, đặc biệt đối với các công trình móng cọc trên nền đất yếu. Theo ước tính, tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, nơi tập trung nhiều đất yếu, hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đến sức chịu tải và độ ổn định của cọc móng. Ma sát âm xảy ra khi lớp đất yếu xung quanh thân cọc lún nhanh hơn tốc độ lún của cọc, tạo ra lực kéo xuống làm giảm khả năng chịu tải của cọc. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích sự thay đổi tải trọng tác dụng gây ra ma sát âm và ảnh hưởng của nó đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu, đồng thời khảo sát sự phân bố vị trí mặt phẳng trung hòa theo ba phương pháp tính toán: theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304-2014, phương pháp thống nhất của Fellenius và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D v8.5. Nghiên cứu tập trung vào cọc đơn thi công bằng phương pháp ép trong đất yếu, phạm vi thời gian nghiên cứu từ năm 2015 đến 2016 tại khu vực TP.HCM và các vùng đất yếu lân cận. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế móng cọc an toàn, hiệu quả, giảm thiểu rủi ro do ma sát âm gây ra, góp phần nâng cao độ bền vững của các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong phân tích sức chịu tải cọc và hiện tượng ma sát âm:

1. Lý thuyết tương tác lực giữa cọc và đất theo B. Fellenius: Phân tích tải trọng truyền vào đất qua cọc, bao gồm sức kháng ma sát thành và sức kháng mũi cọc. Công thức xác định sức kháng ma sát thành đơn vị cực hạn được biểu diễn là $t = C + B \sigma_o$, trong đó hệ số B phụ thuộc vào đặc tính đất như cỡ hạt, độ chặt và lịch sử hình thành đất. Sức kháng mũi cọc được tính theo công thức $q_p = N_q \sigma_o$, với hệ số N_q xác định theo loại đất.

2. Phương pháp thống nhất (Unified Method) của Fellenius: Phương pháp này xác định sức chịu tải của cọc bằng cách phân tích sự phân bố lực kéo xuống (dragload) do ma sát âm và vị trí mặt phẳng trung hòa (neutral plane) nơi lực ma sát chuyển từ âm sang dương. Phương pháp bao gồm các bước lặp để xác định vị trí mặt phẳng trung hòa, sức kháng mũi và độ lún cọc, đảm bảo lực dọc lớn nhất trong cọc không vượt quá sức chịu tải vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: ma sát âm (negative skin friction), lực kéo xuống (dragload), biến dạng kéo xuống (downdrag), mặt phẳng trung hòa (neutral plane), sức kháng ma sát thành, sức kháng mũi, và độ lún cọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu địa chất thực tế tại TP.HCM và các vùng đất yếu, kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc, chỉ tiêu cơ lý và cường độ đất nền, cùng các thông số kỹ thuật của cọc đơn thi công bằng phương pháp ép. Phương pháp phân tích kết hợp giữa tính toán lý thuyết theo TCVN 10304-2014 và phương pháp thống nhất của Fellenius, đồng thời sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn Plaxis 2D v8.5 để mô phỏng ảnh hưởng của ma sát âm dưới các điều kiện tải trọng khác nhau.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các trường hợp cọc đơn với chiều dài và đường kính khác nhau, chiều cao lớp đất đắp thay đổi từ khoảng 1m đến 3m, tải trọng bề mặt từ 5 kPa đến 100 kPa. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trường hợp điển hình trong thực tế xây dựng trên nền đất yếu. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7/2016 đến tháng 12/2016, bao gồm thu thập số liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tải trọng thay đổi đến ma sát âm và sức chịu tải cọc: Khi chiều cao lớp đất đắp tăng từ 1.3m lên 3m, lực kéo xuống do ma sát âm trên thân cọc tăng lên đáng kể, làm giảm sức chịu tải của cọc theo TCVN 10304-2014 từ khoảng 800 kN xuống còn khoảng 600 kN, tương đương giảm khoảng 25%. Mô phỏng Plaxis cho thấy độ lún cọc tăng từ 5 mm lên 15 mm khi tải trọng bề mặt tăng từ 5 kPa lên 100 kPa.

2. Vị trí mặt phẳng trung hòa di chuyển theo tải trọng: Kết quả tính toán theo phương pháp thống nhất và mô phỏng Plaxis đều cho thấy mặt phẳng trung hòa di chuyển sâu hơn khi tải trọng bề mặt tăng, từ khoảng 15m xuống gần 30m, tương ứng với chiều dài đoạn cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm tăng gấp đôi.

3. So sánh các phương pháp tính toán: Sức chịu tải cọc tính theo TCVN 10304-2014 và phương pháp thống nhất của Fellenius có sự chênh lệch trong khoảng 10-15%, trong khi kết quả mô phỏng Plaxis 2D cho giá trị sức chịu tải thấp hơn khoảng 20% so với tính toán lý thuyết, phản ánh ảnh hưởng thực tế của ma sát âm và độ lún đất nền.

4. Độ lún cọc và đất nền: Độ lún đất nền dưới tải trọng tăng lên đến 20 mm sau 1 năm, trong khi độ lún cọc tăng lên đến 15 mm, cho thấy sự tương tác phức tạp giữa đất và cọc trong điều kiện ma sát âm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm sức chịu tải cọc là do ma sát âm phát sinh khi đất yếu xung quanh cọc lún nhanh hơn cọc, tạo ra lực kéo xuống làm tăng ứng suất kéo trong cọc. Sự di chuyển mặt phẳng trung hòa sâu hơn phản ánh chiều dài đoạn cọc chịu ma sát âm tăng, làm giảm phần sức kháng ma sát dương và sức kháng mũi, từ đó giảm sức chịu tải tổng thể. Kết quả mô phỏng Plaxis cho phép mô tả chi tiết hơn về phân bố ứng suất và độ lún, hỗ trợ kiểm chứng và hiệu chỉnh các phương pháp tính toán lý thuyết.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với quy luật phân bố lực kéo xuống và sự ảnh hưởng của tải trọng bề mặt đến ma sát âm. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn giúp đánh giá chính xác hơn các yếu tố phức tạp như biến dạng đất nền, chuyển vị tương đối giữa đất và cọc, điều mà các phương pháp lý thuyết truyền thống chưa thể mô tả đầy đủ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sức chịu tải cọc theo các phương pháp, bảng tổng hợp độ lún cọc và đất nền theo tải trọng, cũng như biểu đồ phân bố lực kéo xuống dọc thân cọc dưới các điều kiện tải trọng khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp tính toán kết hợp lý thuyết và mô phỏng: Khuyến nghị sử dụng đồng thời phương pháp thống nhất của Fellenius và mô phỏng phần tử hữu hạn Plaxis để đánh giá sức chịu tải cọc, giúp thiết kế móng cọc chính xác và an toàn hơn trong đất yếu. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng mới; Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật.

2. Kiểm soát chiều cao lớp đất đắp và tải trọng bề mặt: Hạn chế chiều cao đắp nền vượt quá 3m và kiểm soát tải trọng bề mặt để giảm thiểu hiện tượng ma sát âm, từ đó bảo vệ sức chịu tải của cọc. Thời gian áp dụng: trong quá trình thi công và vận hành công trình; Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và chủ đầu tư.

3. Theo dõi và giám sát độ lún cọc và đất nền sau thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc độ lún để phát hiện sớm hiện tượng ma sát âm và điều chỉnh biện pháp gia cố kịp thời. Thời gian áp dụng: trong vòng 1-2 năm sau thi công; Chủ thể thực hiện: đơn vị giám sát và quản lý dự án.

4. Nâng cao nhận thức và đào tạo chuyên môn về ma sát âm: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu về hiện tượng ma sát âm và phương pháp tính toán, mô phỏng cho kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế móng cọc. Thời gian áp dụng: định kỳ hàng năm; Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu và các tổ chức chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế móng cọc: Nắm bắt kiến thức về ma sát âm và các phương pháp tính toán, giúp thiết kế móng cọc an toàn, phù hợp với điều kiện đất yếu, giảm thiểu rủi ro công trình.

2. Chuyên gia địa kỹ thuật và tư vấn xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để tư vấn giải pháp gia cố nền móng, lựa chọn phương pháp thi công phù hợp, đồng thời áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong đánh giá công trình.

3. Nhà thầu thi công móng cọc: Hiểu rõ ảnh hưởng của ma sát âm đến quá trình thi công và vận hành móng cọc, từ đó điều chỉnh quy trình thi công, kiểm soát tải trọng đắp nền và giám sát độ lún.

4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tham khảo luận văn để mở rộng kiến thức chuyên sâu về ma sát âm, phương pháp tính toán và mô phỏng, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo hoặc luận văn tốt nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Ma sát âm là gì và tại sao nó quan trọng trong thiết kế móng cọc?
   Ma sát âm là lực kéo xuống phát sinh khi đất yếu xung quanh cọc lún nhanh hơn cọc, làm giảm sức chịu tải của cọc. Hiện tượng này quan trọng vì nếu không tính toán đúng, có thể dẫn đến lún lệch và hư hỏng công trình.

2. Phương pháp nào được sử dụng để xác định vị trí mặt phẳng trung hòa?
   Vị trí mặt phẳng trung hòa được xác định bằng phương pháp thống nhất của Fellenius, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304-2014 và mô phỏng phần tử hữu hạn Plaxis 2D, giúp đánh giá chính xác vùng ảnh hưởng ma sát âm.

3. Phần mềm Plaxis 2D có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   Plaxis 2D mô phỏng ảnh hưởng của ma sát âm và tải trọng lên cọc trong đất yếu, cho phép phân tích chi tiết độ lún, phân bố ứng suất và vị trí mặt phẳng trung hòa, hỗ trợ kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết.

4. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của ma sát âm trong thực tế?
   Có thể giảm thiểu bằng cách kiểm soát chiều cao lớp đất đắp, hạn chế tải trọng bề mặt, sử dụng vật liệu giảm ma sát trên thân cọc, và giám sát độ lún để điều chỉnh kịp thời.

5. Sự khác biệt giữa sức chịu tải tính theo TCVN và phương pháp thống nhất là gì?
   TCVN 10304-2014 cung cấp tiêu chuẩn tính toán sức chịu tải tổng thể, trong khi phương pháp thống nhất của Fellenius tập trung vào phân tích chi tiết lực kéo xuống và vị trí mặt phẳng trung hòa, giúp đánh giá chính xác hơn ảnh hưởng của ma sát âm.

Kết luận

• Ma sát âm là hiện tượng phổ biến và có ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu, đặc biệt khi tải trọng bề mặt thay đổi.
• Vị trí mặt phẳng trung hòa di chuyển sâu hơn khi tải trọng tăng, làm tăng chiều dài đoạn cọc chịu ma sát âm và giảm sức chịu tải tổng thể.
• Kết quả mô phỏng Plaxis 2D cho phép đánh giá chi tiết hơn về phân bố lực và độ lún, hỗ trợ kiểm chứng các phương pháp tính toán lý thuyết.
• Việc kết hợp phương pháp tính toán theo TCVN, phương pháp thống nhất và mô phỏng phần tử hữu hạn là cần thiết để thiết kế móng cọc an toàn và hiệu quả.
• Đề xuất áp dụng các giải pháp kiểm soát tải trọng, giám sát độ lún và đào tạo chuyên môn nhằm giảm thiểu rủi ro do ma sát âm gây ra trong các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

Hành động tiếp theo là áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của ma sát âm trong các điều kiện địa chất phức tạp hơn. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và ứng dụng các phương pháp và kết quả trong luận văn để nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TONG QUAN VE MA SÁT AM.1 Hiện tượng ma sat âm IL.1 Định nghĩa ma sat am Đối với công trình sử dụng móng cọc, cọc được đóng vào trong tầng đất nền có quá trình cô kết chưa hoàn tất, khi tốc độ lún của dét nên dưới công trình nhanh hơn tốc độ lún của cọc theo chiều đi xuống, thì sự lún tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống của tang đất đối với cọc, làm giảm khả năng chịu tải của cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm [1]. Trong TCXD 205:1998 [2], mục 1.4, định nghĩa về Lực ma sát âm như sau: “Luc ma sát âm: là giả trị lực do đất tác dụng lên than cọc có chiều cùng với chiều tải trọng cua công trình tác dụng lên cọc khi chuyến dịch của đất xung quanh cọc lớn hơn chuyên dịch của cọc.” Đối với TCVN 10304 - 2014 [3].2, định nghĩa này được nêu ngắn gon hon: “Luc ma sat am (Negative skin friction): Luc xuất hiện trên bê mặt thân coc khi độ lún cua dat xung quanh cọc lớn hơn độ lún của cọc và hưởng Xuông dưới.” Ma sát âm trên cọc là yếu tố không thé bỏ qua khi thiết kế móng cọc trong khu vực mới san nên trên đất yếu va trong vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngâm. Ma sát âm bién động theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ cô kết của đất và tôc độ lún của cọc. Khi cọc được đóng trong nên đất tốt đã có kết xong, tải trọng hướng xuống tác dụng vào móng coc sẽ hình thành trong đất lực dé cân bang lại với tải trọng này là ma sát bên thân cọc 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 hoặc có tải dap là đất yếu chưa cô kết xong: Lúc này, các lớp đất yếu do trọng lượng bản thân sẽ dần dần cô kết lại, dẫn đến chuyền động lún xuống của đất và hình thành lực ma sát bên thân Trang 3 cọc theo chiêu hướng đi xuông, cùng chiêu tải trọng tác dụng lên cọc. Lực ma sát như vậy gọi là lực ma sát âm. Ma sát âm trong cọc còn gặp trong trường hợp cọc chống trong nên đất cứng, nhưng trên lớp đất cứng này là các tầng đất sét xốp. Ban đầu khi xây dựng móng cọc tang sét xốp nay đã 6n định, tuy nhiên trong quá trình sử dụng vì lý do nào đó ma mực nước ngầm trong dat không ở cao trình như cũ, hoặc có thêm phụ tải đặt lên tang sét xốp nay.

Điêu này dẫn đến việc tăng ứng suất hữu hiệu trong tầng sét xốp, làm quá trình cỗ kết trong tầng sét xốp tiếp tục diễn ra, đất tiếp tục lún xuống sinh ra lực ma sát dọc thân cọc cùng chiêu với tải trọng gây nên hiện tượng ma sát âm. Như vậy, qua những trường hợp trên có thể thấy ma sát âm xuất hiện trong một phan đoạn thân cọc hoặc toàn bộ than coc, điều này phụ thuộc vào chiều dày của lớp dat yếu chưa cô kêt. Trong trường hợp ma sát âm tác dụng lên toàn bộ thân cọc thì rất nguy hiểm, sức chịu tải của cọc lúc này không kế đến ma sát hông cọc ma chủ yêu phụ thuộc sức chịu tải cua mũi coc, chong lên nên dat cứng, nên đá.2 Mot so thuật ngữ liên quan dén ma sat âm Theo Fellenius, các thuật ngữ trong nghiên cứu ma sát âm như sau: - _ Hiện tượng ma sát âm (negative skin friction): là lực ma sat bên thân cọc được huy động khi dat dịch chuyển xuống tương đối so với cọc. - Luc kéo xuống (dragload): là lực nén dọc trục gây ra trong các phan tử của cọc do sự tích lũy ma sát âm khi đất có khuynh hướng dịch chuyền tương đối đi xuống so với cọc.

- _ Biến dạng kéo xuống (downdrag): là sự dịch chuyên theo hướng đi xuống của cọc do hiện tương ma sat âm gây ra và được thé hiện qua độ lún. - Mat phăng trung hòa (Neutral plane) : là vi trí dọc theo cọc mà tại đó các lực tác dụng theo chiều hướng đi xuống như tĩnh tải lên cọc và lực kéo xuống do ma sát âm sẽ cân bang với lực hướng lên là ma sát dương va sự huy động sức kháng mũi cọc. Mặt phăng trung hòa cũng là vị trí có dịch chuyển tương đối giữa cọc và đất bằng 0.2 Anh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc trong đất yếu Theo [1], có thé kế một số nguyên nhân thường gặp gây ra lực ma sát âm: — Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc dap nén, chat thém phu tai; — Ma sát âm do coc đóng trên nên chưa kết thúc cỗ kết; — Mực nước ngâm bị hạ thấp; — Phụ tải của nền gần móng. Trong phạm vi luận văn, tác giả chỉ trình bày về nguyên nhân gây ma sát âm do lún dưới tai trong bản thân hoặc đắp nên, chất thêm phụ tải.1 Anh hưởng của ma sát âm do thay đổi tải trọng tác dụng lên cọc Quá trình xuất hiện ma sát âm được đặc trưng bởi độ lún của đất gân coc va tốc độ lún tương ứng của đất lớn hơn độ lún và tốc độ lún của cọc xảy ra do tác động của tai trọng.

Trong trường hop nay đất gan cọc như buông khỏi cọc , còn tai trọng thêm sẽ cộng vào tải trọng ngoài tác dụng lên cọc. Thông thường hiện tượng này xảy ra trong trường hợp cọc xuyên qua đất có tính cô kết và độ dày lớn; khi có phụ tải tác dụng trên mặt đất quanh cọc. a) Khi nên công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất bên dưới làm xảy ra hiện tượng cô kết cho lớp nên bên dưới, hoặc chính do tải trọng bản thân làm cho lớp đất nền đắp xảy ra quá trình tự cô kết. Ta xét các trường hợp cụ thể sau: GF ⁄⁄ Ws~ WY Sét ⁄ | Fma sát âm O,C ct 0c "5 506 965 5 49065 85 801 WN ® ct < MD Cc TAA Tata ae Ap an aaa (a) (b) (c) Hình 1.1 Các trường hop xuất hiện ma sát âm do tôn nên Trang 5 + o Trưởng hop T:Hình 1.1 a Khi có một lớp đất sét dap trên một tang đất dang hạt mà coc sẽ xuyên qua nó, tang dat sẽ cố kết dần dan.

Quá trình cỗ kết này sẽ sinh ra một lực ma sát âm tác dụng vao cọc trong suốt quá trình có kết. + o Trưởng hợp 2: Hình 1.1b Khi có một tang đất dang hạt, dap phía trên một tang sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cô kết trong tầng sét yếu và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc. G o Trưởng hợp 3: Hình 1.1¢ Khi có một tầng đất dính dap phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cỗ kết trong cả hai tang đất đắp và tang đất sét, và tạo ra lực ma sát âm tác dụng lên cọc. Trường hợp các cọc được tựa trên tang dat cứng va có ton tại tai trong bé mat xảy ra trong các trường hợp sau đây: Tải trọng bề mặt Tải trọng bề mặt Tải trọng bề mặt Sét ¡ ếu : | Fina sat am Tầng chịu lực - Tầng chịu lực 27/7/77 có Tang chịu lực (d) (f) Hình 1.2 Các trường hop xuất hiện ma sát âm khi coc tựa trên nên dat cứng và có ton tại tải trọng bê mặt Trang 6 “* Truong hợp 4: Hình 1.2a Với tầng cát lỏng có biến dạng lún tức thời, đặc biệt khi đất nền chịu sự rung động hoặc sự giao động của mực nước ngâm; sự tác động của tải trọng bê mặt sẽ tạo ra sự biên dạng lún.

“* + Truong hợp 5: Hình 1.2b Đối với nền sét yếu, xu hướng xảy ra bién dang lún có thé rất nhỏ nếu như không chịu tác động của tải trọng bề mặt. Nhưng dù sao khi khoan tạo lỗ sẽ gây ra sự cau trúc lại của nền sét, vì vậy biến dạng lún (nhỏ) của nền sét sẽ xảy ra dưới tác dụng của tải trong bản thân của nền sét. “+ Truong hop 6: Hình 1.2c Điều hiển nhiên là gần như bat ky sự dap nao sé tao ra bién dang lún theo thời gian dưới tác dụng của trọng lực. Đối với công trình sử dụng móng cọc trong nên đất yếu, việc nâng chiều cao đắp nền quá cao sau khi thi công cọc, hoặc chất tải quá nhiều trên san công trình trong quá trình sử dụng sẽ dê khiên hiện tượng ma sát âm xảy ra trong cọc.

` | Fma sát âm — t Fma sat dwong ⁄ DAT DAP ` DAT CUNG iezsTyoexe Hình 1.3 Ma sat âm xuất hiện trong cọc do nâng chiéu cao dap nên Trang 7 Khi chat hàng hóa, thiết bi nặng lâu ngày ở các nhà kho nam trên nền đất yếu (Hình 1.4) thì rất có thể gây ra hiện tượng ma sát âm tác động lên cọc, từ đó làm giảm sức chịu tải tức thời của cọc gây lún lệch cho công trình. a- — — TT smrrrrrr rrrrr—Tr† | ah om i mai dat sét yeu / Fam} ĐI dat sét vêu — oni OA oy Ee To i-—ễ - ———— THẾ —— a ogee) | ae ’ : -E. dương ft) Ou U | 3 dat tot “coc Hình 1.4 Ma sát âm xuất hiện trên thân cọc do chất tải nặng trên nên kho chúa 1. Các yếu tô ảnh hưởng đến hiện twong ma sát âm Ma sát âm là một hiện tượng phức tap va nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: - Loại cọc, chiều dai cọc, phương pháp hạ cọc, mặt cắt ngang của cọc, bề mặt tiếp xúc g1ữa cọc và đất nền, sự co ngắn đàn hôi của cọc.

- Dac tính cơ lý của đất, chiều dày của lớp đất yếu, tính trương nở của dat. - Tai trọng chất tải (chiều cao đắp nên, phụ tải). - _ Thời gian chất tải cho đến khi xây dựng công trình. - 6 lún của nên sau khi đóng cọc, độ lún của móng cọc.

- Quy luật phân bố ma sát âm trên cọc.3 Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài 1.1 Nghiên cứu trên thé giới Do tính chat quan trọng và mức độ nguy hiém của ma sát 4m gây ra nên hiện tượng này đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và đưa ra các phương Trang 8 pháp tính toán từ rất sớm như: Terzaghi và Peck (1948), Endo et al (1969), Bjerrum et al (1969), H.Davis (1972), Fellenius, Tomlinson. và hiện vẫn còn nhiêu nghiên cứu khác.