Đang tải... (xem toàn văn)
TIỂU LUẬN MA SÁT ÂM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH LỚP ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 2008 TIỂU LUẬN MÓNG CỌC Ma sát âm GVHD : TS. VÕ PHÁN Thực hiện : Nhóm 3 NGUYỄN HIẾU NGHỊ - MSHV : 00908548 NGUYỄN THANH ĐẠT - MSHV: 00908542 NGUYỄN HỮU BẢO TOÀN - MSHV : 00908552 PHAN VĂN KHÁNH - MSHV: 10908015 ĐẶNG DUY QUỐC CƯỜNG - MSHV: 12108026 ĐẶNG HUY PHONG - MSHV: 12108025 NGUYỄN CHÂU VINH - MSHV: 00908553 VƯƠNG HỒNG SƠN - MSHV: 00908550 VÕ NGUYÊN HÙNG - MSHV: 00907775 THÁNG 6 NĂM 2009 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển chung của đất nước, công tác xây dựng cũng phát triển theo. Nhiều công trình được xây dựng khắp nơi kể cả trên những vùng đất yếu. Khi nền móng đặt trong khu vực có đất yếu, cọc đóng xuyên qua lớp đang trong quá trình cố kết, do dòch chuyển tương đối của đất và cọc, sẽ xuất hiện một “lực kéo xuống” kéo cọc xuống phía dưới, còn gọi là hiện tượng ma sát âm. Các vấn đề về cọc chống được đặt trong tầng sét đang cố kết đã được nghiên cứu khá sớm. Từ 1965 Johanessen và Bjerrum đã nhận thấy rằng lực kéo xuống này đôi khi lớn đến mức vượt qua tải thiết kế và kèm theo là độ lún của cọc. Đôi khi có thể gây hư hỏng cọc. Mục đích của tiểu luận này chủ yếu nghiên cứu vào một phần nhỏ của vấn đề ma sát âm. Nội dung nghiên cứu bao gồm : - Các nguyên nhân gây ra ma sát âm. - Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm. - Các phương pháp tính toán ma sát âm. - Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình. - Cách khắc phục hiện tượng ma sát âm. - Trong tiểu luận còn trình bày các nghiên cứu về ma sát âm của các tác giả khác nhau, sơ lược các mô hình tính toán thông dụng hiện nay. Tuy nhiên, do lượng kiến thức của các học viên trong nhóm còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong báo cáo. Nhóm mong nhận được sự đóng góp của các bạn và hiệu chỉnh của Thầy để bài báo cáo được hoàn chỉnh hơn. TP. Hồ Chí Minh, ngày 30/05/2009 Nhóm 3 – Lớp ĐKTXD 2008 – ĐHBK TP HCM GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 1 MỤC LỤC PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT ÂM I.1. Đònh nghóa hiện tượng ma sát Trang 2 I.2. Các thuật ngữ liên quan đến ma sát âm Trang 5 I.3. Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm Trang 7 I.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm Trang 14 I.5. nh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình Trang 15 I.6. Các nghiên cứu về ma sát âm Trang 15 I.7. Một số ảnh hưởng của MSA đến các công trình thực tế Trang 34 PHẦN II : NGHIÊN CỨU MA SÁT ÂM CỦA BỘ GIAO THÔNG MỸ II.1. Hiện tượng ma sát âm Trang 43 II.2. Phương pháp sát đònh ma sát âm Trang 44 II.3. Các bước tính toán ma sát âm Trang 44 II.4. Ví dụ tính tốn Trang 46 PHẦN III : TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM III.1. Lý thuyết tính toán Trang 57 III.2. Ứng dụng tính toán vào bài toán thực tế Trang 62 III.2.1 Bài toán mố phía Nam Cầu Peach Trang 62 III.2.2 Phần mở rộng Trang 66 III.2.3 Công trình khách sạn Thái Bình – Thò Xã Long Xuyên – An Giang Trang 70 PHẦN IV : CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM IV.1. Biện pháp làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất Trang 77 IV.2. Biện pháp làm giảm giảm tải trọng lên đất nền Trang 77 IV.3. Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc trong vùng MSA Trang 79 IV.4. Các biện pháp khác Trang 80 PHẦN V : NHẬN XÉT – KIẾN NGHỊ Trang 88 GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 2 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT ÂM I.1 Đònh nghóa hiện tượng ma sát âm Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đóng vào trong tầng đất có tính nén lún hoặc đất vừa mới đắp mà mũi cọc đặt trong tầng đất chặt. Sẽ xảy ra đồng thời quá trình lún của đất và cọc sau khi đóng cọc và đặt tải. Ngay sau khi đóng và trong quá trình đóng cọc, một phần tải được đất kháng lại do lực dính của đất và cọc. Tuy nhiên khi quá trình cố kết xảy ra nó sẽ truyền toàn bộ tải lên mũi cọc. Trong một số trường hợp (Taylor, 1948) độ lún của đất có thể lớn hơn của cọc, sự chuyển vò tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm. P P ĐẤT SÉT MỀM hay ĐẤT ĐẮP CÓ TÍNH NÉN LÚN ĐẤT TỐT H ( a ) (b) B Hình 1. Cọc trong đất mềm và chống vào lớp đất tốt (a) Lực ma sát dương ngay và trong khi đóng cọc – (b) Lực ma sát âm GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 3 Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún của đất xung quanh cọc và tốc độ lún của cọc. Lực ma sát âm có chiều hướng thẳng đứng xuống dưới, có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, do đó làm tăng lực tác dụng lên cọc. Ta có thể so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương thông qua hình sau: Hình 2a. Sự phát sinh ma sát dương Hình 2b . Ma sát âm co ù lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 4 Hình 2c. Ma sát âm khi lớp sét xốp cố kết do thoát nước hoặc có thêm lớp đất mới đắp. Qua ba hình minh hoạ trên ta thấy ma sát âm có thể xuất hiện trong một phần đoạn của thân cọc hay toàn thân cọc, phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưa cố kết. Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên toàn thân cọc thì rất nguy hiểm, sức chòu tải của cọc không những không kể đến sức chòu tải do ma sát hông của đất và cọc mà còn bò ma sát âm kéo xuống. Sức chòu tải lúc này chủ yểu là sức chòu tải của mũi, chống lên nền đất cứng hay đá. Thông thường khi tác động các tải lên công trình sẽ gây ra độ lún của cọc và giảm độ dòch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghóa với giảm ma sát âm), ít nhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn dưới như vậy những tác động ma sát âm có nhiều ở khu vực gần đầu cọc GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 5 34 Hình 3. Mô hình ma sát âm trong nhóm cọc Với lập luận tương tự như trên, nếu cọc chòu nhổ trong vùng đất trương nở lớn lực trương nở của đất cũng truyền lên thân cọc kéo cọc lên trên cùng chiều với lực nhổ trường hợp này cũng gọi là ma sát âm (?). Tuy nhiên trường hợp này ít phổ biến, hầu hết các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hiện tương ma sát âm kéo cọc xuống. I.2 Các thuật ngữ liên quan trong nghiên cứu ma sát âm Theo Fellenius (Pile dragload and downdrag considering liquefaction), các thuật ngữ trong nghiên cứu ma sát âm như sau: • Hiện tượng ma sát âm (Negative skin friction) : Là lực ma sát bên được huy động khi đất dòch chuyển xuống tương đối so với cọc. Các quan sát lâu dài từ các thiết bò quan trắc hiện trường cho thấy hiện tượng ma sát âm xảy ra trong hầu hết tất cả các cọc. • Lực kéo xuống (Dragload) : Là lực nén dọc trục gây ra trong các phần tử của cọc do sự tích lũy ma sát âm khi đất có khuynh hướng dòch chuyển tương đối đi xuống so với cọc. • Mặt phẳng trung hòa (Neutral plane): Là vò trí dọc theo cọc mà tại đó các lực tác dụng dài hạn (lực kéo xuống cộng với tải công trình) cân bằng GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 6 với tổ hợp lực (chiều dương) kháng bên (bên dưới mặt trung hòa) và sức kháng mũi. Độ sâu này là nơi có dòch chuyển tương đối của đất và cọc bằng 0. • Biến dạng kéo xuống (Downdrag): Là sự dòch chuyển đi xuống của cọc do đất xung quanh cọc bò lún xuống. Độ lớn của biến dạngï kéo xuống bằng với độ lún của đất tại mặt trung hòa. • Cường độ chòu tải 1 trục đòa kỹ thuật (Geotechnical axial capacity): Là tổ hợp của sức kháng mũi và ma sát bên khi cọc không còn đạt trạng thái cân bằng tónh và sẽ tiếp tục dòch chuyển xuống. Ma sát dương xảy ra trên toàn thân cọc và lực kéo xuống rất nhỏ. • Hệ số an toàn cho cường độ chòu tải đòa kỹ thuật (Factor of safety on geotechnical capacity): Là hệ số giữa cường độ chòu tải 1 trục đòa kỹ thuật chia cho tổng tải tónh và hoạt tải, không tính đến lực kéo xuống. • Cường độ kết cấu 1 trục (Structural axial strength) : Là cường độ kháng nén 1 trục của phần cọc chòu tải tónh và lực kéo xuống. • Hệ số an toàn kết cấu tại mặt trung hòa (Factor of safety on structural strength at neutral plane): Là hệ số giữa cường độ kháng nén 1 trục của kết cấu tại mặt trung hoà chia cho tổng tónh tải và lực kéo xuống, không tính đến hoạt tải. Theo Fellenius, vò trí mặt trung hòa là hàm số của sự cân bằng của các lực cắt dọc thân cọc khi chúng đã được huy động hoàn toàn. Sức kháng mũi cũng đã được huy động 1 phần hoặc hoàn toàn. Các lực và sức kháng là kết quả của quá trình lún của đất và là do sự khác biệt về độ cứng của đất và cọc. Yêu cầu tuyệt đối để thõa mãn phương trình cân bằng là lực cắt phát triển dọc phần phía trên thân cọc có dấu âm và phần dưới cọc có dấu dương. Vùng chuyển tiếp từ âm sang dương được gọi là mặt trung hòa. Một số ít trường hợp vò trí mặt trung hòa nằm trong lớp đất đang lún, hay trong lớp đất tốt hơn hoặc trong lớp đất ít lún. Khi thay đổi lực tác dụng lên đầu cọc thì vò trí mặt trung hòa sẽ thay đổi do kết quả của sự cân bằng lực mới. Mặt trung hòa cũng là nơi cọc và đất dòch chuyển như nhau hay nói cách khác là nơi không có sự dòch chuyển tương đối giữa cọc và đất. Điều này có nghóa là khi giải bài toán lún của nhóm cọc là công việc tìm ra độ lún của đất tại mặt trung hòa. Ma sát âm gây ra 1 lực kéo xuống (dragload), không xét đến độ lớn của lực này, nếu độ lún tại mặt trung hòa là nhỏ, sẽ không có lực kéo xuống (Với điều kiện cường độ vật liệu cọc phải đủ để chòu được tải tác dụng tại đầu cọc cộng với lực kéo xuống). Cần nhấn mạnh ở điểm này: lực kéo xuốngcàng lớn, móng sẽ càng cứng và tốt hơn, biến dạngï kéo xuống (downdrag) càng lớn móng càng yếu. GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 7 Cọc không chòu ma sát âm sẽ có mặt trung hòa tại mặt đất và có lực kéo xuống lớn nhất – Móng lún cùng với mặt đất – là tình huống ngoài ý muốn. Độ lớn của ma sát âm phụ thuộc vào các yếu tố sau (Brejum,1973): • Vật liệu cọc • Phương pháp thi công cọc • Điều kiện tự nhiên của đất nền • Vận tốc dòch chuyển tương đối của đất và cọc I.3 Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm Các nguyên nhân gây ra ma sát âm chủ yếu: o Sự lún do cố kết của nền đất xung quanh cọc. o Đắp cao trên nền đất có tính nén lún cao. o Phụ tải của nền gần khu vực móng o Hạ thấp mực nước ngầm. o Nền đất chưa cố kết xong. o Sự nén chặt của nền do đóng cọc. I.3.1 Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền: Khi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết. Ta có thể xem xét cụ thể trong các trường hợp sau: GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 8 Sét Sét đắp L Z H f L H f Z Sét Cát đắp L Z H f Cát Sét đắp (a) (b) (c) Hình 4. Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do tôn nền + Trường hợp (a): Khi có một lớp đất sét đắp phía trên một tầng đất rời mà cọc sẽ xuyên qua nó, tầng đất sét sẽ cố kết dần dần. Quá trình cố kết này sẽ sinh ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc trong suốt quá trình cố kết. + Trường hợp (b): Khi có một tầng đất rời, đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét bên dưới và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc. + Trường hợp (c): Khi có một tầng đất dính đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và tầng đất sét và tạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc. Trong trường hợp các cọc được tựa trên nền đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt, có thể xảy ra các trường hợp sau: [...]... cọc fs: ma sát hữu hiệu trên chu vi nhóm cọc p 'g : Chu vi của nhóm cọc I.6.2 Theo H.G Poulos và E.H Davis Năm 1967, Terzaghi và Peck đã đề nghò công thức tính lực ma sát âm được sử dụng rộng rãi Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc là tổng ứng suất cắt giới hạn dọc theo cọc Hình 12 Bài toán ma sát âm 19 GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm Lực ma sát âm cực đại... trước 14 GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm I.5 Ảnh hưởng của ma sát âm đến nền móng công trình Khi cọc ở trong đất, thì sức chòu tải của cọc được thể hiện qua thành phần ma sát (dương) xung quanh cọc và sức kháng mũi cọc Khi cọc bò ảnh hưởng ma sát âm thì sức chòu tải giảm do nó phải gánh chòu một lực kéo xuống mà thường gọi là lực ma sát âm Ngoài ra do quá trình... 0.707 L 2 * Đối với nhóm cọc ma sát âm có thể được xác đònh Khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ (tỷ số s/D nhỏ), thì ma sát âm sẽ ảnh 18 (6) GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm hưởng trực tiếp lên nhóm cọc theo chu vi nhóm cọc hơn là trên những cọc riêng lẻ, xét 2 trường hợp nghiên cứu: - Lực ma sát âm trong nhóm cọc bằng tổng các lực ma sát âm của cọc riêng lẻ (trường... sâu ảnh hưởng ma sát âm ) 17 GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm b Trường hợp cọc được đóng qua lớp đất đắp bên trên là đất rời và lớp đất bên dưới là đất dính (Hình 10b) Lực ma sát âm : Pnf = Lf (2) ∫ α ' p '.q.K dz 0 Lực ma sát dương từ điểm trung hòa đến mũi cọc: Lf (3) P Pf = ∫ α '2 p '.q.K dz + P np L1 Trong đó : Pnp : sát Độ lớn của phần ma sát âm khi sử dụng... sát âm theo R.Frank Hình 15 Khu vực có ảnh hưởng ma sát âm 21 GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm a Nguyên lý tính ma sát âm cực đại Tại độ sâu z, giá trò lực ma sát âm đơn vò được tính bởi biểu thức f n = σ 'h × tgϕa + c a = σ 'v × K × tgϕa (9) Trong đó: σ’h, σ’v : Ứng suất hữu hiệu theo phương ngang và phương đứng σ 'h K : Hệ số quan hệ giữa ' σv ϕa : Góc ma sát. .. × σ’v m : Số lớp đất gây ra ma sát âm C : Chu vi cọc F : Hệ số lấy bằng 0.3 σ’v : Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng Chiều dài cọc chòu ảnh hưởng ma sát âm lấy theo kết quả tính toán của Joseph E Bowles Chiều dài cọc chòu ma sát âm lấy bằng: L1 = 0.71L L1 : chiều dài cọc ảnh hưởng ma sát âm 31 GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm L : chiều dài cọc nằm trong... các biểu thức tính lực ma sát âm trở thành: - Nếu h1 < D , tổng lực ma sát âm G msa = 2.π R.K tgϕa qo m (22) - Nếu h1 > D tổng lực ma sát âm G msa = 2.π R.K tgϕa × [γ '.D + q o − σ v ( D)] m (23) - Nếu đất nền rất ít lún, h2 rất bé so với h1 hay D, tổng lực ma sát âm được phân tích theo h2 tương tự như h1 * Trong trường hợp đơn giản, chúng ta có thể ước tính với cực trò của ma sát âm với giả thiết sự... học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm để lực ma sát âm phát triển đáng kể thì một phần của cọc phải cố đònh chống lại chuyển vò đứng như mũi cọc phải tựa lên lớp đá, đất cứng hoặc phần mũi cọc phải ngàm vào lớp cát chặt Nếu toàn bộ cọc chuyển động xuống cùng với ảnh hưởng của quá trình cố kết thì sẽ không ảnh hưởng của ma sát âm Để xác đònh được chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm ZO, Ông lập luận. .. nhau; ma sát âm của cọc giữa thì không cao bằng cọc ngoài Fn (∞) : ma sát âm cọc đơn F n(b) : ma sát âm của 1 cọc trong nhóm cọc, xem xét với nhiều khoảng trục riêng d & d’ trong 2 chiều F n(b) : được tính bởi phương pháp đối với cọc đơn, hệ số μ được lấy trong đồ thò, hệ số μ phụ thuộc vào λ , b và R Hình 17 Biều đồ xác đònh giá tròμ để tính lực ma sát âm cho cọc đơn μ 27 GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn... bò hạ thấp - Tôn nền quy hoạch có chiều dày lớn hơn 1m - Phụ tải trên nền kho lớn hơn 20 kPa - Sự giảm thể tích của đất do chất hữu cơ trong đất bò phá hủy Lực ma sát âm tác dụng lên cọc Pn được xác đònh theo công thức: m pn = C.∑ f ni × l i (32) i =1 Trong đó: fni : Ma sát âm giới hạn tác dụng lên cọc tại lớp đất i trên phần thân cọc chòu ma sát âm , KN/m² Giá trò tối đa của ma sát âm giới hạn: fn=F . vấn đề ma sát âm. Nội dung nghiên cứu bao gồm : - Các nguyên nhân gây ra ma sát âm. - Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát âm. - Các phương pháp tính toán ma sát âm. - Ảnh hưởng của ma sát âm. ngày 30 /05/2009 Nhóm 3 – Lớp ĐKTXD 2008 – ĐHBK TP HCM GVHD: Võ Phán Tiểu luận Môn học Móng cọc Lớp: ĐKTXD2008 - Nhóm 3 Ma sát âm 1 MỤC LỤC PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯNG MA SÁT. nghóa hiện tượng ma sát Trang 2 I.2. Các thuật ngữ liên quan đến ma sát âm Trang 5 I .3. Các nguyên nhân gây ra lực ma sát âm Trang 7 I.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng ma sát âm Trang