Đánh giá ảnh hưởng ma sát âm do thay đổi tải trọng tác dụng đến vị trí mặt phẳng trung hòa của cọc trong đất yếu

a khi xét ảnh hưởng ma sát âm lên cọc trong đất yếu do thay đổi tải trọng tác dụng, cụ thể là thay đổi chiều cao đất đắp tôn nền từ 1,7 m đến 3,0 m. Vị trí mặt phẳng trung hòa được xác định theo ba phương pháp: Phương pháp đơn giản của W.H.Ting, Phương pháp Thống nhất của Fellenius và Phương pháp mô phỏng bằng phần mềm PLAXIS 2D v8.5. Cả ba phương pháp đều cho thấy khi tăng chiều cao đất đắp thì độ sâu mặt phẳng trung hòa càng lớn, nghĩa là có xu hướng phát triển về phía mũi cọc. Tuy vậy, giữa kết quả tính từ Plaxis và các phương pháp còn lại có sự chênh lệch khá lớn về độ sâu mặt phẳng trung hòa ứng với cùng một chiều cao tải đắp. So sánh các kết quả tính của PLAXIS ở các giai đoạn khác nhau, tác giả nhận thấy với cùng một thời gian cố kết, chiều cao đất đắp tăng cũng làm cho vị trí mặt phẳng trung hòa tăng lên nhưng mức độ tăng không đáng kể. ABSTRACT This paper aims to evaluate the negative skin friction effects on the neutral plane location of single pile in soft soil due to surcharge loading, which is changing the height of fill embankment from 1.7 to 3.0 meters. The location of neutral plane is calculated by three different methods: Simple method (W. H. Ting), the Unified method (B. H. Fellenius) and Numerical model analyzing with software PLAXIS 2D v8.5. All methods show the results that when increasing height of the fill embankment, the neautral plane is larger, which means neutral plane location is closer to the pile toe. However, with the same height of fill embankment, there is a large difference from results of PLAXIS and the other. From the comparison of neutral plane location in different phase in PLAXIS, it also shows that with the same time of consolidation, the depth of neutral plane increases slightly with the height of fill embankment. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đối với các công trình xây dựng trên đất yếu, giải pháp móng cọc luôn được ưu tiên hàng đầu vì tính hiệu quả và kinh tế. Tuy nhiên, đối với những khu vực có các tầng đất chưa kết thúc cố kết, việc đặt móng cọc vào trong địa tầng như vậy sẽ cần xét đến TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 415 hiện tượng ma sát âm. Ma sát âm là hiện tượng đất xung quanh cọc lún nhanh hơn cọc, từ đó sinh ra lực dọc kéo cọc đi xuống, làm ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc. Có nhiều nguyên nhân gây ra ma sát âm, một trong những nguyên nhân đó là chiều cao đắp nền quá lớn. Trong thực tế, trường hợp này có thể gặp ở các công trình được xây trên một khu đất trũng, được cải tạo lại từ vùng đầm lầy, ao hồ. Do đặc trưng trũng của địa hình và tránh ảnh hưởng của mực nước ngầm dâng lên khi triều cường, cần thiết phải tôn nền lên cao, ít nhất là ngang bằng mặt đất tự nhiên hoặc cao hơn (xem Hình 1). Tuy nhiên, chiều cao tôn nền càng lớn thì cũng hình thành một tải đắp đủ lớn để làm đất nền bên dưới tiếp tục cố kết, và như vậy, sinh ra ma sát âm ảnh hưởng đến cọc và móng cọc của công trình. Mức độ ảnh hưởng này nhiều hay ít phụ thuộc vào phạm vi ảnh hưởng của ma sát âm, thường được đánh giá thông qua vị trí mặt phẳng trung hòa. Do đó, trong bài báo này, tác giả sẽ tiến hành khảo sát vị trí mặt phẳng trung hòa khi cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm do thay đổi tải tác dụng, mà cụ thể là thay đổi chiều cao đắp tôn nền. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp lý thuyết: Tìm hiểu một số cách tính toán theo phương pháp giải tích để xác định vị trí mặt phẳng trung hòa trong cọc khi xảy ra hiện tượng ma sát âm. - Phương pháp mô phỏng: Ứng dụng phần mềm PLAXIS 2D v.8.5 để mô phỏng ảnh hưởng hiện tượng ma sát âm do sự thay đổi tải trọng tác dụng đối với cọc trong đất yếu. Thông qua kết quả mô phỏng, xác định độ sâu mặt phẳng trung hòa trong cọc. 3. KHÁI QUÁT VỀ MA SÁT ÂM VÀ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA 3.1 . Khái quát về ma sát âm Khi cọc được đóng trong nền đất tốt đã cố kết xong, tải trọng hướng xuống Hình 1. Ma sát âm do chiều cao đắp tôn nền lớn. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 416 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM truyền vào móng cọc sẽ hình thành trong đất những lực để cân bằng lại với tải trọng này. Các lực này chủ yếu là lực ma sát bên thân cọc, thường 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 chưa cố kết xong, do nhiều nguyên nhân khác nhau (nâng hạ mực nước ngầm, lớp đất đắp san nền quá dày,...), các lớp đất yếu dần dần cố kết lại, dẫn đến chuyển động lún xuống của đất và hình thành lực ma sát bên thân cọc theo chiều hướng đi xuống, cùng chiều tải trọng tác dụng lên cọc. Lực ma sát như vậy gọi là lực ma sát âm. Ma sát âm là hiện tượng lớp đất yếu xung quanh thân cọc lún nhanh hơn tốc độ lún của cọc. Vì thế, ma sát âm xảy ra không những không tạo lực ma sát có lợi để giữ cọc mà còn sinh thêm lực kéo xuống, làm ảnh hưởng khả năng chịu tải của cọc. 3.2 . Vị trí mặt phẳng trung hòa Trong quá trình sử dụng công trình, tải của kết cấu bên trên sẽ truyền xuống đầu các cọc thông qua đài cọc. Tải trọng được chia thành tĩnh tải Qdead và hoạt tải Qlive. Ngay cả khi chuyển vị của đất nền là nhỏ, đa số trường hợp đất sẽ di chuyển xuống so với cọc và truyền lực vào cọc thông qua lực ma sát âm. Và chỉ cần một chuyển vị tương đối nhỏ là đủ để gây nên một lượng đáng kể lực ma sát âm (cũng như ma sát dương). Do đó, mọi cọc đều phát triển một cơ chế cân bằng lực, với một bên là tổng của tĩnh tải đặt lên đầu cọc - Qd và lực kéo xuống – Qn (sinh ra bởi lực ma sát âm ở phần trên của cọc) sẽ cân bằng với bên còn lại gồm tổng sức kháng mũi và ma sát dương ở phần dưới của cọc. Vị trí cân bằng gọi là mặt phẳng trung hòa, là vị trí mà tại độ sâu đó mà ứng suất cắt dọc theo thân cọc chuyển từ ma sát âm thành ma sát dương (sức kháng ma sát thành cọc). Đây cũng là vị trí không có chuyển vị tương đối giữa cọc và đất, hay vị trí mặt phẳng trung hòa còn gọi là vị trí cân bằng chuyển vị. Hình 2. Các lực xuất hiện trong cọc khi xảy ra ma sát âm. Q = Tải trọng Qd = Tĩnh tải Qi = Hoạt tải rs = Sức kháng ma sát thành đơn vị Rs = Tổng sức kháng ma sát thành qn = Lực ma sát âm đơn vị Qn = Lực kéo xuống rt = Sức kháng mũi đơn vị Rt = Tổng sức kháng mũi L = Chiều dài cọc D = Chiều dài phần cọc nằm trong đất NP = Mặt phẳng trung hòa TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 417 4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MẶT PHẲNG TRUNG HÒA 4.1 . Phương phápđơn giản Dựa vào tương quan giữa biểu đồ quan hệ độ lún cọc-đất và sự phân bố lực dọc trong cọc khi xảy ra hiện tượng ma sát âm (Hình 3), W.H.Ting [1] đưa ra cách tính độ sâu mặt phẳng trung hòa trong cọc dựa trên phương trình đơn giản như sau: ) H 1(w c p n st Lw −= (1) Trong đó: Wp: Độ lún cọc. Wst: Độ lún của đất. Ln: Độ sâu trục trung hòa (neutral axis) tính từ cao độ đáy lớp đất đắp. Hc: Bề dày lớp đất có tính nén lún cao (bề dày lớp đất yếu) Từ công thức trên, dễ dàng suy ra vị trí mặt phẳng trung hòa (hay độ sâu mặt phẳng trung hòa) được tính như sau: c p H w w )1(L st n −= (2) Tuy nhiên, Fellenius [2] đã xem xét lại cách tính này và cho rằng giả thiết “Độ lún đất nền phân bố tuyến tính theo độ sâu” của W.H.Ting đưa ra là không hợp lý cho hầu hết trường hợp, ví dụ như với các bài toán minh họa mà W.H.Ting đưa ra, vốn có lớp đất yếu với tính nén lún cao và bề dày lớn (>50 m). Hình 3. Hình ảnh vẽ lại các trường hợp tính toán vị trí mặt phẳng trung hòa của cọc treo (Floating pile) được nêu trong bài báo của W.H.Ting[1]: (a) Chiều dài cọc (Lo) nhỏ hơn chiều dày lớp đất yếu (Hc); (b) Chiều dài cọc (Lo) lớn hơn chiều dày lớp đất yếu (Hc). (a) (b) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 418 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Có thể vận dụng các công thức phổ biến để tính vị trí mặt phẳng trung hòa theo công thức (2) với trình tự như sau: 1. Tiến hành chia đất nền thành các lớp phân tố có bề dày ≤ 2,0 m 2. Tính độ lún ổn định của đất nền wst: Thông thường trong thực tế, các hồ sơ khảo sát địa chất không có đầy đủ các thông số để tính toán độ lún đàn hồi (S1) và độ lún từ biến (S3). Do vậy, theo 22TCN- 262-2000 thì độ lún S có thể được dự đoán bằng công thức kinh nghiệm sau: Wst = S = S1 + S2 + S3 = m.S2 (3) Trong đó: o S: độ lún ổn định của đất nền o S1: độ lún đàn hồi của đất nền. o S2: độ lún cố kết của đất nền, được tính theo phương pháp tổng phân tố. o S3: độ lún từ biến của đất nền. 3. Tính độ lún của cọc đơn [3], wp, theo công thức: wp = Sđ = ΔL + Sm + Sb (4) Trong đó: o ΔL: độ lún đàn hồi của cọc. Tính theo công thức: cE QL L pQ =Δ (5) o Sm: độ lún do biến dạng nén của đất nền dưới mũi cọc được tính theo lý thuyết nền đàn hồi: 0 2 m E )1( S vqap −= ω (6) o Độ lún Sb do chuyển dịch theo phương đứng bởi lực ma sát đất và mặt bên của cọc có thể được tính theo công thức sau: 0 2 b E )1(S vDf bas −= ω (7) Với: ƒ ωb: Hệ số ảnh hưởng, Vesic đề nghị công thức tính như sau: (8) 35,02b +=ω TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 419 4. Từ độ lún đất nền và độ lún cọc thế vào công thức (2) sẽ tính được vị trí trục trung hòa Ln (hay cũng chính là độ sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm trên cọc, ZL). Cùng với nhiều nghiên cứu ngày nay cũng cho thấy, độ lún của lớp đất yếu diễn biến khá phức tạp và là đường cong phi tuyến, chứ không hẳn là một đường thẳng tuyến tính theo độ sâu. Do vậy, cách tính của W.H.Ting chỉ mang tính ước lượng sơ bộ ban đầu, không có nhiều giá trị ứng dụng thực tiễn. 4.2 . Phương pháp thống nhất Dựa vào các thí nghiệm và tài liệu đã được công bố của nhiều tác giả, Fellenius đã phát triển cách thức thiết kế móng cọc dựa vào biểu đồ phân bố lực và chuyển vị, gọi là Phương pháp Thống nhất (Unified Method).Cách xác định sơ bộ vị trí mặt phẳng trung hòa theo lý thuyết phân tích tương tác truyền tải trọng cũng là một bước tính trong phương pháp Thống nhất. Vị trí mặt phẳng trung hòa được xác định theo trình tự như sau: 1. Chia nhỏ lớp đất thành từng lớp phân tố có bề dày ≤ 1 m. 2. Chọn các thông số β cho từng lớp đất theo Bảng 1. Riêng lớp đất ở mũi cọc xác định thêm thông số Nt theo Bảng 2. Bảng 1. Giá trị hệ số β của một số loại đất Đất ϕ β Đất loại Sét (Clay) 25 – 30 0,15 – 0,35 Đất loại Bột (Silt) 28 – 34 0,25 – 0,50 Đất loại Cát (Sand) 32 – 40 0,30 – 0,90 Đất loại Cuội sỏi (Gravel) 35 – 45 0,35 – 0,80 Bảng 2. Giá trị hệ số Nt của một số loại đất Đất ϕ Nt Đất loại Sét (Clay) 25 – 30 3 – 30 Đất loại Bột (Silt) 28 – 34 20 – 40 Đất loại Cát (Sand) 32 – 40 30 – 150 Đất loại Cuội sỏi (Gravel) 35 – 45 60 – 300 3. Tính các giá trị (Qd + Qn) và (Qu – Rs) theo các bước như sau: - Sức chịu tải tới hạn của cọc Qult là tổng của sức kháng mũi cực hạn và sức kháng ma sát thành cực hạn: Qult = Qu = Rs + Rt (9) - Khi sức kháng ma sát thành và sức kháng ma sát mũi được huy động tối đa, lực trong cọc là Qz được xác định bởi biểu thức: Qz = Qu - ∫Asβσ’zdz = Qu - Rs (10) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 420 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM - Phân bố lực dọc trong cọc ở phía trên mặt phẳng trung hòa: Qz = Qd + ∫Asqndz = Qd – Qn (11) Với: Qn = rs = βσ’z (12) 4. Thể hiện giá trị đường (Qd + Qn) theo độ sâu z. Làm tương tự với đường (Qu – Rs). Hình 4 biểu diễn dạng đường cong (Qd + Qn) và (Qu – Rs) khi tính theo các công thức (10),(11). 5. Xác định vị trí giao nhau của hai đường tính được ở bước 4. Từ đó suy ra được vị trí mặt phẳng trung hòa cũng như giá trị lực dọc tác dụng lên mặt phẳng trung hòa. 4.3 . Phương pháp phần tử hữu hạn (PLAXIS 2D v8.5) Khi giải các bài toán thực tế, nhiều phần mềm đã được phát triển trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn: PLAXIS, SAP2000, ANSYS, Để xác định vị trí mặt phẳng trung hòa khi sử dụng phần mềm Plaxis, cụ thể ở đây là Plaxis 2D, trước tiên cần tiến hành mô phỏng bài toán ảnh hưởng ma sát âm đối với cọc. Từ các thông số của biểu đồ lực ma sát của đất dọc thân cọc, dễ dàng xác định được vị trí mà lực ma sát thay đổi dấu từ âm sang dương. Tại vị trí lực ma sát này bằng 0 chính là vị trí cân bằng lực hay còn gọi là vị trí mặt phẳng trung hòa. Mặt phẳng trung hòa (NP) Hình 4. Cách xác định vị trí mặt phẳng trung hòa theo phương pháp Thống nhất TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 421 5. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN 5.1 . Thông số bài toán - Sơ đồ bài toán - Thông số địa chất sử dụng cho quá trình tính toán được trình bày trong bảng 3. Các thông số này cũng sử dụng khi khai báo thông số vật liệu và tính toán trong Plaxis. Bảng 3. Các thông số địa chất STT 1 2 3 4 5 Name Đất đắp Bùn sét Sét, sét pha nửa cứng Sét, sét pha, cứng Bê tông Model Mohr-Coulomb Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb Hardening Soil Linear Elastic Type Drained UnDrained UnDrained UnDrained Non-porous γunsat [kN/m3] 18 15,1 19,4 20,6 25 γsat [kN/m3] 19 15,54 19,82 21,2 25 kx [m/day] 1,00E-03 3,02E-05 1,33E-05 3,31E-05 0,00E+00 ky [m/day] 1,00E-03 2,02E-05 8,98E-06 2,20E-05 0,00E+00 ν [ - ] 0,3 0,35 0,35 - 0,2 Eref [kN/m2] 1035 347,8 2577,2 - 2,70E+07 E50ref [kN/m2] - - - 20480 - Hình 5. Sơ đồ bài toán TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 422 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM STT 1 2 3 4 5 Name Đất đắp Bùn sét Sét, sét pha nửa cứng Sét, sét pha, cứng Bê tông Eoedref [kN/m2] - - - 20480 - Eurref [kN/m2] - - - 61440 - cref [kN/m2] 10 8,3 36,2 6 - ϕ [ ° ] 25 2,75 12,63 29,78 - ψ [ ° ] 0 0 0 0 - νur [ - ] - - - 0,2 - pref [kN/m2] - - - 100 - Power (m) [ - ] - - - 0,875 - K0nc [ - ] - - - 0,5 - Rf [ - ] - - - 0,9 - Rinter [ - ] 0,9 0,7 0,85 0,9 1 Bài toán được khảo sát ở 4 trường hợp chiều cao đất đắp là: 1,7 m, 2,0 m, 2,5 m và 3,0 m. Khi sử dụng PLAXIS 2D v8.5 để mô phỏng bài toán ảnh hưởng ma sát âm trong cọc khi thay đổi chiều cao đất đắp, sử dụng các thông số vật liệu và đất ở Bảng 3. Tiến hành thiết lập trình tự các phase tính toán như sau: 1. Chất tải đất đắp 2. Cố kết đất nền 1 năm bằng tải đắp Hình 6. Mô hình bài toán trong PLAXIS 2D TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 423 3. Thi công cọc 4. Chất tải đầu cọc 1.000 kN. 5. Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm sau 1 năm sử dụng. 6. Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm sau 5 năm sử dụng. 7. Khảo sát ảnh hưởng ma sát âm khi đất hết cố kết. 5.2 . Kết quả tính toán vị trí mặt phẳng trung hòa theo các phương pháp khác nhau Kết quả tính toán chiều sâu mặt phẳng trung hòa trong cọc khi tăng chiều cao tải đắp từ 1.7m lên 3.0m bằng các phương pháp khác nhau được thể hiện trên Hình 7. Có thể thấy: - Các kết quả tính theo phương pháp giải tích (Phương pháp đơn giản, Phương pháp Thống nhất) nhỏ hơn kết quả tính theo phương pháp phần tử hữu hạn (PLAXIS 2D). - Mức chênh lệch độ sâu ZL là khá lớn khi chiều cao tải đắp còn nhỏ, giảm dần đi khi tăng chiều cao tải đắp (Bảng 4). Bảng 4. So sánh chênh lệch vùng ảnh hưởng ma sát âm ZL theo các phương pháp tính So sánh chênh lệch vùng ảnh hưởng zl giữa các phương pháp tính Chiều cao đất đắp (m) 1,7 2 2,5 3 Chênh lệch giữa Plaxis và Phương pháp đơn giản 44% 43% 28% 19% Chênh lệch giữa Plaxis và Phương pháp Fellenius 52% 45% 38% 33% Từ kết quả mô phỏng bằng PLAXIS 2D, có thể xác định độ sâu ZL ở từng thời điểm khác nhau, và cho ra phân bố như Hình 8). Ở cùng một thời điểm (cùng một phase tính toán) thì khi tăng chiều cao đất đắp, độ sâu mặt phẳng trung hòa không thay đổi đáng kể. Hình 7. So sánh kết quả tính toán độ sâu mặt phẳng trung hòa ZL theo các phương pháp khác nhau. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 424 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 . Kết luận 1. Việc tính toán vị trí mặt phẳng trung hòa theo các phương pháp khác nhau có sự chênh lệch đáng kể giữa kết quả tính theo phương pháp giải tích (phương pháp đơn giản, phương pháp thống nhất) và phương pháp phần tử hữu hạn (mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D v8.5). 2. Với mỗi chiều cao đắp tải, vị trí mặt phẳng trung hòa càng phát triển sâu xuống mũi cọc khi thời gian cố kết đất nền càng lâu. Hình 8. Phân bố độ sâu mặt phẳng trung hòa trong cọc ở các thời điểm khác nhau TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 425 3. Với kết quả mô phỏng theo Plaxis, ở cùng một thời điểm khảo sát, khi tăng chiều cao đất đắp thì vị trí mặt phẳng trung hòa tương ứng cũng tăng lên, nhưng mức tăng không nhiều. 6.2 . Kiến nghị 1. Khảo sát độ sâu mặt phẳng trung hòa với trường hợp chiều cao đắp > 3.0m. 2. So sánh vị trí mặt phẳng trung hòa khi áp dụng ba phương pháp tính ở các địa chất khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. W.H.Ting, "Drowndrag Settlement of a Single Floating Pile," Geotechnical Engineering, Vols. 31, No.2, pp. 83-90. 2. Bengt H. Fellenius, "Disscusion Bengt H.Fellenius on "Drowndrag Settlement a Single Floating Pile" authored by W.H.Ting," Geotechnical Engineering, Vols. 32, No.1, pp. 45-46. 3. Võ Phán and Hoàng Thế Thao, Phân tích và tính toán Móng cọc, NXB ĐHQG TPHCM, 2010. 4. Plaxis 2D v8 Tutorial Manual. 5. B.H. Fellenius, The Red Book - Basic of Foundation Design (Electronic Edition), 2015. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ