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