Báo cáo Xác định hệ số ảnh huởng của ma sát âm đến sức chịu tải của nhóm cọc trong thiết kế móng cọc ở Đồng bằng sông Cửu Long (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Xác định hệ số ảnh huởng của ma sát âm đến sức chịu tải của nhóm cọc trong thiết kế móng cọc ở Đồng bằng sông Cửu Long (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG XÁC ÐỊNH HỆ SỐ ẢNH HUỞNG CỦA MA SÁT ÂM ÐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦAS K C 0 0 3 9 5 9 NHÓM CỌC TRONG THIẾT KẾ MÓNG CỌC Ở ÐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG. MÃ SỐ: T2013-29 S KC 0 0 5 4 5 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA NHÓM CỌC TRONG THIẾT KẾ MÓNG CỌC Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG. Mã số: T2013-29 Chủ nhiệm đề tài: KS. LÊ PHƯƠNG TP. HCM, 11/2013
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG & CƠ HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA NHÓM CỌC TRONG THIẾT KẾ MÓNG CỌC Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG. Mã số: T2013-29 Chủ nhiệm đề tài: KS. LÊ PHƯƠNG TP. HCM, 11/2013
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU. 1 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước. 1 2. Tính cấp thiết. 11 3. Mục tiêu nghiên cứu. 11 4. Phương pháp nghiên cứu. 12 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. 12 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM ĐỐI MÓNG CỌC. 13 1.1. Giới thiệu chung. 13 1.1.1. Hiện tượng ma sát âm. 13 1.1.2. Nguyên nhân và các trường hợp xuất hiện. 13 1.1.3. Các trường hợp cần xem xét đến ảnh hường của ma sát âm theo quy phạm nước ta. 15 1.2. Một số sự cố công trình liên quan đến ma sát âm: 15 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM TRONG CỌC ĐƠN. 19 2.1. Phân tích lún của nền cố kết của nền. 19 2.1.1. Xác đinh độ lún sơ cấp từ thí nghiệm nén cố kết. 19 2.1.2. Xác định độ lún sơ cấp theo phương pháp của Janbu. 19 2.2. Phân tích sức chịu tải của cọc đơn bằng phương pháp truyền tải trọng. 22 2.2.1. Sức kháng ma sát của cọc. 22 2.2.2. Sức kháng mũi. 23 2.2.3. Sức chịu tải cực hạn 24 2.2.4. Đường cong truyền tải trọng trong cọc. 24 2.2.5. Phân tích độ lún của cọc đơn. 25 2.3. Phân tích ảnh hưởng của ma sát âm trong cọc đơn. 27 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG MA SÁT ÂM TRONG CỌC ĐƠN VÀ NHÓM CỌC. 30 3.1. Xác định ma sát bên của cọc từ thí nghiệm thử tĩnh và thử động móng cọc công trình kho lạnh LPG-Thi Vải. 30
5. 3.1.1. Tổng quan về địa chất công trình. 30 3.1.2. Xác định sức chịu tải cực hạn của cọc. 30 3.2. Xác định ma sát bên đơn vị từ các thí nghiệm trong phòng và hiện trường. 32 3.2.2. Mô phỏng phân tích ảnh hưởng của ma sát âm trong cọc đơn bằng phương pháp PTHH cho công trình kho lạnh LPG – Thị Vải. 34 3.2.3. Mô phỏng kiểm tra các thông số địa chất. 35 3.2.4. Nhận xét. 36 3.3. Phân tích ảnh hưởng ma sát âm trong cọc đơn bằng phương pháp PTHH. 37 3.3.1. Quy trình mô phỏng 37 3.3.2. Kết quả phân tích. 37 3.3.3. Nhận xét. 38 3.4. Phân tích ảnh hưởng của ma sát âm đến khả năng chịu tải của cọc đơn bằng phương pháp giải tích. 38 3.4.1. Quy trình tính toán. 38 3.4.2. Ứng dụng tính toán ảnh hưởng của ma sát âm trong cọc đơn công trình LPG – Thị Vải. 39 3.5. So sánh kết quả tính toán giải tích và mô phỏng. 43 3.6. Mô phỏng xác định ảnh hưởng của ma sát âm trong nhóm cọc công trình kho lạnh LPG – Thị Vải. 43 3.6.1. Đặt vấn đề nghiên cứu. 43 3.6.2. Mô phỏng ảnh hưởng của ma sát âm trong nhóm 5 cọc. 44 3.6.3. Mô phỏng ảnh hưởng của ma sát âm trong nhóm 9 cọc. 45 3.6.4. Kết quả phân tích. 46 3.6.5. Nhận xét ảnh hưởng ma sát âm trong nhóm cọc. 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 48 I. Kết luận. 48 II. Kiến nghị. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49
6. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Số liệu tổng hợp các nghiên cứu về ma sát âm ở Na uy 3 Bảng 2.1. Các thông số module của một số loại đất thông thường. 21 Bảng 2.2. Giá trị Ks 23 Bảng 2.3. Giá trị Nt theo góc ma sát trong. 24 Bảng 3.1. Thông số các cọc thí nghiệm. 31 Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm PDA từ phần mềm Capwap. 32 Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm trong phòng. 32 Bảng 3.4. Bảng kết quả tính toán với Ksét=0.9 và Kcát=0.7. 33 Bảng 3.5. Bảng thống kê địa chất sử dụng trong mô phỏng. 34 Bảng 3.6. Kết quả tính toán giá trị lực ma sát âm theo độ cố kết của nền. 38 Bảng 3.7. Thông số địa chất sử dụng tính toán. 39 Bảng 3.8. Bảng tính toán độ lún cố kết cố kết của nền ở độ cố kết U=95%. 40 Bảng 3.9. Tính toán độ lún của cọc 42 Bảng 3.10. Bảng so sánh hai phương pháp phân tích và mô phỏng. 43 Bảng 3.11. So sánh ảnh hưởng của ma sát âm trong cọc đơn và nhóm cọc 47
7. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc K. XÂY DỰNG &CƠ HỌC ƯD Tp. HCM, ngày 20 tháng 11 năm 2013 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Xác định hệ số ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải của nhóm cọc trong thiết kế móng cọc ở Đồng Bằng Sông Cửu Long. - Mã số: T2013-29 - Chủ nhiệm: KS. LÊ PHƯƠNG - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 1/2013 – 11/2013 2. Mục tiêu: - Xây dựng được mô hình giải tích tính toán giá trị lực ma sát âm theo thời gian cố kết của nền đất. - Xây dựng được phương pháp xác định hệ số nhóm của nhóm cọc có xét đến ảnh hưởng của ma sát âm. 3. Tính mới và sáng tạo: - Đề tài đã đề xuất được phương pháp giải tích xác định ma sát âm trong cọc đơn theo mức độ cố kết của nền dựa theo nguyên lý truyền tải trọng của Fellenius và lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi. Đây là sự vận dụng sáng tạo 2 lý thuyết nền tảng của lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng trong phân tích ảnh hưởng ma sát âm trong cọc. - Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 3D Foundation xác định hệ số ma sát âm trong nhóm cọc là một đóng góp mới của đề tài trong nghiên cứu về ma sát âm ở nước ta. 4. Kết quả nghiên cứu: - Giá trị ma sát âm tăng nhanh khi độ cố kết của nền nhỏ hơn 60% và gần như không đổi khi độ cố kết của nền đạt 85% trở lên. - Trong trường hợp chiều dày lớn đất yếu lớn hơn 40% chiều dài cọc lực kéo xuống do ma sát âm gây ra làm gia tăng lực dọc trong cọc, giá trị nội lực lớn nhất có thể lớn hơn sức chịu tải theo vật liệu của cọc. - Đối với nhóm có số cọc nhỏ hơn 5 thì giá trị lực ma sát âm của các cọc trong nhóm bằng khoảng 65-77% giá trị ma sát âm của cọc đơn. - Đối với nhóm từ 9 cọc trở lên ma sát âm chủ yếu ảnh hưởng đến các cọc ở vị trí biên của nhóm, trong khi đó những cọc ở tâm nhóm chịu ảnh hưởng nhỏ hơn. Giá trị lực ma sát âm lớn của cọc trong nhóm cọc bằng 40-53% so với giá trị ma sát âm của cọc đơn. 5. Sản phẩm: - Phương pháp giải tích xác định ma sát âm trong cọc đơn. - Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn xác định ma sát âm trong nhóm cọc. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
8. - So sánh kết quả nghiên cứu với kết quả thí nghiệm thử tĩnh cọc cho thấy phương pháp giải tích được đề xuất và phương pháp mô phỏng sử dụng trong nghiên cứu có độ tin cậy cao và dễ dàng áp dụng vào thực tế thiết kế móng cọc ở nước ta. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên)
9. 1 MỞ ĐẦU. 1. 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.  Bjerrum et. al., (1969) [4]. Bjerrum L. 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:
10. 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.
11. 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 1.1. 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 5.3 vào đá Sorenga. 2 41 50 250 7 3.2 Cọc A: Ống thép mũi kín, chống 1.5 30 120 20 3.3 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.
12. 4  Endo et al (1969) [4]. Endo M., 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 1.9. 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) ng (kN) ng ọ i tr i ả T 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
13. 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. Hình 6. 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.
14. 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. Hình 8. Mặt cắt địa chất – Các giới hạn Hình 9. Ứng suất hữu hiệu và sức Atterberg chống cắt không thoát nước.
15. 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. u đo u ầ các đ các ở ng ng ọ i tr i ả T 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. Biểu đồ 1.17 cho thấy rằng ngay sau khi kết thúc đóng cọc thì không xuất hiện ma sát âm.
16. 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. Từ các nghiên cứu hiện trường và tổng hợp các kết quả nghiên cứu của các nhà địa kỹ thuật khác GS. Fellenius đã đề xuất phương pháp thiết kế thống nhất. Đề tài nghiên cứu này áp dụng những nguyên lý của phương pháp thiết kế thống nhất vào công trình cụ thể ở nước ta.
17. 9  Các nghiên cứu khác. Từ sau 3 nghiên cứu trên đã có rất nhiều nghiên cứu tiếp theo về ma sát âm Ngoài ra, hiện tượng ma sát âm cho cọc đơn đã được nhiều tác giả như Joseph E.Bowles, M.J.Tomlinson, Braja M Das, phân tích ma sát âm dựa trên sự thay đổi ứng suất tiếp dọc thân cọc, hướng nghiên cứu này đã được áp dụng tính toán ở nước ta. Ở Việt Nam cũng có nhóm tác giả Pierre Lareal, Nguyễn Thành Long, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lục và Lê Bá Lương đã nghiên cứu và kiến nghị phương pháp tính ma sát âm áp dụng cho điều kiện đất yếu ở Việt Nam. Riêng thực nghiệm về ma sát âm cũng đã được thực hiện tại một số hiện trường. Một số luận văn thạc sĩ đã nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm lên cọc như: Phạm Văn Bảo, Nguyễn Như Thảo v.v Các tác giả cũng nghiên cứu hiện tượng ma sát âm dựa trên quan điểm tốc độ chuyển vị của cọc và tốc độ lún nền theo thời gian.  Ma sát âm trong nhóm cọc. Với những nghiên cứu hiện trường như trên bản chất của ma sát âm trong cọc đơn hầu hết đã được làm rõ, tuy nhiên cọc thường làm việc theo nhóm và ảnh hưởng của ma sát âm trong một nhóm cọc vẫn là đề tài đang được tiến hành nghiên cứu. Okabe (1977) [8] đã công bố kết quả nghiên cứu quan trắc dài hạn sự phát triển của ma sát âm trong nhóm 38 cọc. Các cọc đóng với đường kính D=0.7m, khoảng cách các tim cọc là 2.2D (Hình 12). Trong đó có 14 cọc bảo vệ, đó là những cọc bao xung quanh nhóm và không liên kết với đài cọc. 24 cọc còn lại liên kết cứng với đài. Kết quả quan trắc cho thấy hiệu ứng nhóm đạt khoảng 85-88% ở nhóm cọc phía trong, hầu như không xuất hiện ma sát âm ở các cọc được bảo vệ. Hiệu ứng nhóm của các cọc bảo vệ đạt khoảng 51% và lực kéo xuống đạt khoảng 605kN ở đầu cọc.
18. 10 Hình 12. Sơ đồ bố trí nhóm cọc thí nghiệm Okabe (1977). Ngoài ra còn nhiều nghiên cứu khác về ma sát âm trong nhóm cọc sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như mô phỏng phần tử hữu hạn, sử dụng mô hình quay ly tâm thu nhỏ Tuy nhiên kết quả nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm trong nhóm cọc vẫn chưa có được kết luận chung. Ví dụ khoảng cách bỏ qua ảnh hưởng của ma sát âm trong nhóm rất khác nhau: 2.5D (Koerner and Mukhopadhyay, 1972) to 3.5d (Tomas, 1998) to 6d (Lee,2002). Một số nghiên cứu thì cho rằng các cọc nằm bên trong nhóm thì có thể bỏ qua ma sát âm (Okabe, 1977) trong khi (Little, 1994) thì kết luận ma sát âm bên trong nhóm cọc có thể phát triển lớn hơn ngoài nhóm cọc. Những kết luận mâu thuẫn trên chứng tỏ rằng ma sát âm trong nhóm cọc là một vấn đề rất phức tạp cần thực hiện nghiên cứu để làm rõ hơn vấn đề này.  Nhận xét: Từ những kết quả của nghiên cứu trước ta rút ra các kết luận sau về ma sát âm trong cọc:  Mối quan hệ giữa độ lún của vùng đất xung quanh cọc và độ lún của cọc là nguyên nhân gây ra hiện tượng ma sát âm. Nếu độ lún của cọc vượt quá độ lún của nền thì không xuất hiện ma sát âm trong cọc. Nhưng khi độ lún cố kết của nền vượt qua độ lún của cọc thì sẽ sinh ra ma sát âm và gây lực kéo xuống trong cọc. Do đó chỉ kể đến ma sát âm trong cọc khi có tác nhân gây ra lún cố kết cho nền. Những tác nhân đó đã được quy định trong quy phạm nước ta.
19. 11  Vị trí lực dọc lớn nhất trong cọc là vị trí cân bằng giữa tổng: tải trọng đầu cọc và sức kháng âm (P+Pn) với tổng sức kháng dương và sức kháng mũi (Qs-p + Qp). Vị trí này được gọi là vị trí mặt phẳng trung hòa.  Vị trí mặt mặt trung hòa cũng chính là vị trí mà tại đó độ lún của nền bắt đầu nhỏ hơn độ lún của cọc. Do đó để xác định vị trí mặt phẳng trung hòa ta tiến hành phân tích lún của cọc và của nền theo độ sâu. Vi trí cân bằng giữa độ lún của cọc và độ lún của nền chính là vị trí mặt phẳng trung hòa. 2. Tính cấp thiết. Khi thiết kế móng cọc ở các khu vực có địa chất yếu (hình thành trên cơ sở phù sa bồi đắp) như Đồng bằng Sông Cửu Long, Quận 7, 8, Nhà Bè Tp Hồ Chí Minh thì cần phải xem xét ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải của cọc. Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của cọc đơn. Trong khi ảnh hưởng ma sát âm đối với nhóm cọc là một vấn đề đang được nghiên cứu ở nước ta cũng như trên thế giới. Từ những kết quả nghiên cứu trước ta có thể nhận thấy rằng ma sát âm có thể làm gia tăng nội lực trong cọc từ 10-50% tùy theo địa chất. Do đó chi phí thiết kế móng cọc ở các khu vực có ảnh hưởng của ma sát âm có thể tăng đến 50% so với thiết kế thông thường. Nhưng khi cọc làm việc theo nhóm thì mức độ ảnh hưởng trên chỉ đúng với các cọc biên và giảm dần đối với các cọc bên trong nhóm cọc. Mức độ giảm sức chịu tải của nhóm cọc khi chịu ma sát âm là bao nhiêu, và xác định như thế nào là hai đối tượng nghiên cứu chính của đề tài nghiên cứu này. Dựa trên các kết quả đó để đánh giá hiệu quả kinh tế của thiết kế móng cọc chịu ma sát âm kể đến hiệu ứng nhóm cọc so với chỉ xét ảnh hưởng của ma sát âm trong cọc đơn. Đồng bằng Sông Cửu Long là một khu vực phát triển năng động của nước ta. Cùng với quá trình công nghiệp hóa đất nước, cơ sở hạ tầng của khu vực này ngày càng được hoàn thiện và công trình sử dụng phương án móng cọc cho khu vực này ngày càng nhiều. Do đó cần có những đánh giá đúng mức độ ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải của cọc để có phương án thiết kế đảm bảo độ bền vững của công trình cũng như tiết kiệm chi phí đầu tư. 3. Mục tiêu nghiên cứu. Xây dựng được mô hình giải tích tính toán giá trị lực ma sát âm theo thời gian cố kết của nền đất.
20. 12 Xây dựng được phương pháp đơn giản xác định hệ số nhóm của nhóm cọc có xét đến ảnh hưởng của ma sát âm. Xác định được những hệ quả bất lợi của mất cân bằng ứng suất bên trong và bên ngoài nhóm cọc do ảnh hưởng của ma sát âm và đề xuất biện pháp khắc phục. Đánh giá hiệu quả kinh tế khi thiết kế của các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc có xét đến ảnh hưởng của ma sát âm cũng như không xét đến ảnh hưởng này. 4. Phương pháp nghiên cứu. Tiến hành xác định ma sát âm dọc thân cọc đơn bằng 2 phương pháp:  Phương pháp giải tích: Phương pháp truyền tải trọng Fenellius và lý thuyết cố kết thấm Terzaghi  Phương pháp mô hình phần tử hữu hạn Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation phân tích ứng xử giữa cọc và đất bằng các mô hình thích hợp như: Mohr Coulomb, Hardering Soil.  Kiểm nghiệm kết quả phân tích sức chịu tải cực hạn với thí nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng dọc thân cọc, thí nghiệm PDA.  Mô phỏng phân tích ảnh hưởng ma sát âm đến sức chịu tải của nhóm cọc. 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Đề tài nghiên chỉ so sánh các kết quả phân tích với thí nghiệm nén tĩnh kết hợp do biến dạng dọc thân cọc để đánh giá độ tin cậy của phương pháp.
21. 13 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM ĐỐI MÓNG CỌC. 1.1. Giới thiệu chung. 1.1.1. Hiện tượng ma sát âm. Trước hết, cần nhận thấy rằng sự hình thành ma sát bề mặt ở cọc cũng tuân theo quy luật hình thành lực ma sát giữa bất kì 2 vật thể nào trong tự nhiên. Để hình thành ma sát, các vật thể phải có xu hướng chuyển động tương đối với nhau. Trong giai đoạn đầu, khi đang thi công cọc hoặc vừa thi công cọc xong, đất xung quanh cọc sẽ lún ít hơn độ lún của cọc. Do đó, sức kháng bên giữa đất và cọc sẽ có tác dụng kháng lại tải trọng ngoài, còn gọi là ma sát dương. Tuy nhiên, khi đất xung quanh thân cọc lún nhiều hơn độ lún của cọc, chuyển vị tương đối giữa cọc và đất sẽ có chiều ngược lại, do đó sức kháng bên giữa cọc và đất lúc này cũng có chiều ngược lại. Sức kháng bên này không kháng lại tải trọng ngoài mà còn góp phần đẩy cọc xuống, đó gọi là sức kháng bên âm Hình 13. Cọc chịu ma sát trong đất. (ma sát âm). (a)Lực ma sát dương (b)Lực ma sát âm. 1.1.2. Nguyên nhân và các trường hợp xuất hiện. Theo [14] hiện tượng ma sát âm thường xảy ra trong trường hợp cọc xuyên qua đất có tính cố kết và độ dày lớn; khi có phụ tải tác dụng trên mặt đất quanh cọc. 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:
22. S K L 0 0 2 1 5 4