Các biện pháp làm giảm ảnh hưởng của ma sát âm

LÔØI NOÙI ÑAÀU

Cuøng vôùi söï phaùt trieån chung cuûa ñaát nöôùc, coâng taùc xaây döïng cuõng phaùt trieån

theo. Nhieàu coâng trình ñöôïc xaây döïng khaép nôi keå caû treân nhöõng vuøng ñaát yeáu.

Khi neàn moùng ñaët tong khu vöïc coù ñaát yeáu, coïc ñoùng xuyeân qua lôùp ñang

trong quaù trình coá keát, do dòch chuyeån töông ñoái cuûa ñaát vaø coïc, seõ xuaát hieän moät

“löïc keùo xuoáng” keùo coïc xuoáng phía döôùi, coøn goïi laø hieän töôïng ma saùt aâm. Caùc

vaán ñeà veà coïc choáng ñöôïc ñaët trong taàng seùt ñang coá keát ñaõ ñöôïc nghieân cöùu khaù

sôùm. Töø 1965 Johanessen vaø Bjerrum ñaõ nhaän thaáy raèng löïc keùo xuoáng naøy ñoâi khi

lôùn ñeán möùc vöôït qua taûi thieát keá vaø keøm theo laø ñoä luùn cuûa coïc. Ñoâi khi coù theå gaây

hö hoûng coïc.

Mục đích của tieåu luaän naøy chuû yeáu nghieân cöùu vaøo moät phaàn nhỏ cuûa vaán ñeà

ma saùt aâm. Noäi dung nghieân cöùu bao goàm :

- Caùc nguyeân nhaân gaây ra ma saùt aâm.

- Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán ma saùt aâm.

- Caùc phöông phaùp tính toaùn ma saùt aâm.

- Ảnh höôûng cuûa ma saùt aâm ñeán neàn moùng coâng trình.

- Caùch khaéc phuïc hieän töôïng ma saùt aâm.

- Trong tieåu luaän coøn trình baøy caùc nghieân cöùu veà ma saùt aâm cuûa caùc taùc giaû

khaùc nhau, sô löôïc caùc moâ hình tính toaùn thoâng duïng hieän nay.

Tuy nhieân, do löôïng kieán thöùc cuûa caùc hoïc vieân trong nhoùm coøn haïn cheá neân

khoâng theå traùnh khoûi nhöõng thieáu soùt trong baùo caùo. Nhoùm mong nhaän ñöôïc söï ñoùng

goùp cuûa caùc baïn vaø hieäu chænh cuûa Thaày ñeå baøi baùo caùo ñöôïc hoaøn chænh hôn.

TP. Hoà Chí Minh, ngaøy 30/05/2009

Nhoùm 3 – Lôùp ÑKTXD 2008 – ÑHBK TP HCM

Gvhd: Voõ Phaùn Tieåu luaän Moân hoïc Moùng coïc

Lôùp ÑKTXD2008 - Nhoùm 3 Ma saùt aâm

MUÏC LUÏC

PHAÀN I : TOÅNG QUAN VEÀ HIEÄN TÖÔÏNG MA SAÙT AÂM

I.1. Ñònh nghóa hieän töôïng ma saùt

Trang 2

I.2. Caùc thuaät ngöõ lieân quan ñeán ma saùt aâm Trang 5

I.3. Caùc nguyeân nhaân gaây ra löïc ma saùt aâm Trang 7

I.4. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán hieän töôïng ma saùt aâm Trang 14

I.5. Aûnh höôûng cuûa ma saùt aâm ñeán neàn moùng coâng trình Trang 15

I.6. Caùc nghieân cöùu veà ma saùt aâm Trang 15

I.7. Moät soá aûnh höôûng cuûa MSA ñeán caùc coâng trình thöïc teá

Trang 32

PHAÀN II : NGHIEÂN CÖÙU MA SAÙT AÂM CUÛA BOÄ GIAO THOÂNG

MYÕ

II.1. Hieän töôïng ma saùt aâm

Trang 42

II.2. Phöông phaùp saùt ñònh ma saùt aâm Trang 43

II.3. caùc böôùc tính toaùn ma saùt aâm Trang 43

II.4. ÖÙng duïng tính toaùn vaøo moät baøi toaùn thöïc Trang 45

PHAÀN III : TÍNH TOAÙN SÖÙC CHÒU TAÛI CUÛA COÏC COÙ XEÙT ÑEÁN

AÛNH HÖÔÛNG CUÛA MA SAÙT AÂM THEO TCVN

III.1. Lyù thuyeát tính toaùn Trang 56

III.2. ÖÙng duïng tính toaùn vaøo moät baøi toaùn thöïc teá Trang 60

PHAÀN IV : CAÙC BIEÄN PHAÙP LAØM GIAÛM AÛNH HÖÔÛNG CUÛA MA

SAÙT AÂM

2

Gvhd: Voõ Phaùn Tieåu luaän Moân hoïc Moùng coïc

Lôùp ÑKTXD2008 - Nhoùm 3 Ma saùt aâm

IV.1. Bieän phaùp laøm taêng nhanh toác ñoä coá keát cuûa neàn ñaát Trang 73

IV.2. Bieän phaùp laøm giaûm ma saùt giöõa ñaát vaø coïc trong vuøng MSA Trang 73

PHAÀN V : NHAÄN XEÙT – KIEÁN NGHÒ Trang 84

PHAÀN I: TOÅNG QUAN VEÀ HIEÄN TÖÔÏNG MA SAÙT AÂM

I.1 Ñònh nghóa hieän töôïng ma saùt aâm

Ñoái vôùi coâng trình coù söû duïng moùng coïc, khi coïc ñöôïc ñoùng vaøo trong taàng

ñaát coù tính neùn luùn hoaëc ñaát vöøa môùi ñaép maø muõi coïc ñaët trong taàng ñaát chaët. Seõ

xaûy ra ñoàng thôøi quaù trình luùn cuûa ñaát vaø coïc sau khi ñoùng coïc vaø ñaët taûi. Ngay sau

khi ñoùng vaø trong quaù trình ñoùng coïc, moät phaàn taûi ñöôïc ñaát khaùng laïi do löïc dính

cuûa ñaát vaø coïc. Tuy nhieân khi quaù trình coá keát xaûy ra noù seõ truyeàn toaøn boä taûi leân

muõi coïc. Trong moät soá tröôøng hôïp (Taylor, 1948) ñoä luùn cuûa ñaát coù theå lôùn hôn cuûa

coïc, söï chuyeån vò töông ñoái naøy phaùt sinh ra löïc keùo xuoáng cuûa taàng ñaát ñoái vôùi coïc

goïi laø hieän töôïng ma saùt aâm, löïc keùo xuoáng goïi laø löïc ma saùt aâm.

3

Gvhd: Voõ Phaùn Tieåu luaän Moân hoïc Moùng coïc

Lôùp ÑKTXD2008 - Nhoùm 3 Ma saùt aâm

P P

ÑAÁT SEÙT MEÀM

hay

ÑAÁT ÑAÉP COÙ

TÍNH NEÙN LUÙN

ÑAÁT TOÁT

H

(a) (b)

B

Hình 1. Coïc trong ñaát meàm vaø choáng vaøo lôùp ñaát toát

(a) Löïc ma saùt döông ngay vaø trong khi ñoùng coïc – (b) Löïc ma saùt aâm

Löïc ma saùt aâm xaûy ra treân moät phaàn thaân coïc phuï thuoäc vaøo toác ñoä luùn

cuûa ñaát xung quanh coïc vaø toác ñoä luùn cuûa coïc. Löïc ma saùt aâm coù chieàu höôùng thaúng

ñöùng xuoáng döôùi, coù khuynh höôùng keùo coïc ñi xuoáng, do ñoù laøm taêng löïc taùc duïng

leân coïc. Ta coù theå so saùnh söï phaùt sinh ma saùt aâm vaø ma saùt döông thoâng qua hình

sau:

4

Gvhd: Voõ Phaùn Tieåu luaän Moân hoïc Moùng coïc

Lôùp ÑKTXD2008 - Nhoùm 3 Ma saùt aâm

Hình 2a. Söï phaùt sinh ma saùt döông

Hình 2b . Ma saùt aâm co ù lôùp ñaát môùi ñaép xaûy ra coá keát do troïng löôïng baûn thaân

5

Gvhd: Voõ Phaùn Tieåu luaän Moân hoïc Moùng coïc

Lôùp ÑKTXD2008 - Nhoùm 3 Ma saùt aâm

Hình 2c. Ma saùt aâm khi lôùp seùt xoáp coá keát do thoaùt nöôùc

hoaëc coù theâm lôùp ñaát môùi ñaép.

Qua ba hình minh hoaï treân ta thaáy ma saùt aâm coù theå xuaát hieän trong moät phaàn

ñoaïn cuûa thaân coïc hay toaøn thaân coïc, phuï thuoäc vaøo chieàu daøy cuûa lôùp ñaát yeáu chöa

coá keát. Trong tröôøng hôïp ma saùt aâm taùc duïng treân toaøn thaân coïc thì raát nguy hieåm,

söùc chòu taûi cuûa coïc khoâng nhöõng khoâng keå ñeán söùc chòu taûi do ma saùt hoâng cuûa ñaát

vaø coïc maø coøn bò ma saùt aâm keùo xuoáng. Söùc chòu taûi luùc naøy chuû yeåu laø söùc chòu taûi

cuûa muõi, choáng leân neàn ñaát cöùng hay ñaù.

Thoâng thöôøng khi taùc ñoäng caùc taûi leân coâng trình seõ gaây ra ñoä luùn cuûa coïc vaø

giaûm ñoä dòch chuyeån töông ñoái giöõa ñaát vaø coïc (ñoàng nghóa vôùi giaûm ma saùt aâm), ít

nhaát ôû phaàn treân vaø nhieàu hôn ôû ñoaïn döôùi nhö vaäy nhöõng taùc ñoäng ma saùt aâm coù

nhieàu ôû khu vöïc gaàn ñaàu coïc

6

Gvhd: Voõ Phaùn Tieåu luaän Moân hoïc Moùng coïc

Lôùp ÑKTXD2008 - Nhoùm 3 Ma saùt aâm

Hình 3. Moâ hình ma saùt aâm trong nhoùm coïc

Vôùi laäp luaän töông töï nhö treân, neáu coïc chòu nhoå trong vuøng ñaát tröông nôû lôùn

löïc tröông nôû cuûa ñaát cuõng truyeàn leân thaân coïc keùo coïc leân treân cuøng chieàu vôùi löïc

nhoå tröôøng hôïp naøy cuõng goïi laø ma saùt aâm (?). Tuy nhieân tröôøng hôïp naøy ít phoå

bieán, haàu heát caùc nghieân cöùu chuû yeáu taäp trung vaøo hieän töông ma saùt aâm keùo coïc

xuoáng.

I.2 Caùc thuaät ngöõ lieân quan trong nghieân cöùu ma saùt aâm

Theo Fellenius, caùc thuaät ngöõ trong nghieân cöùu ma saùt aâm nhö sau:

• Hieän töôïng ma saùt aâm (Negative skin friction) : Laø löïc ma saùt beân ñöôïc

huy ñoäng khi ñaát dòch chuyeån xuoáng töông ñoái so vôùi coïc. Caùc quan saùt

laâu daøi töø caùc thieát bò quan traéc hieän tröôøng cho thaáy hieän töôïng ma saùt aâm

xaûy ra trong haàu heát taát caû caùc coïc.

• Löïc keùo xuoáng (Dragload) : Laø löïc neùn doïc truïc gaây ra trong caùc phaàn töû

cuûa coïc do söï tích luõy ma saùt aâm khi ñaát coù khuynh höôùng dòch chuyeån

töông ñoái ñi xuoáng so vôùi coïc.

• Maët phaúng trung hoøa (Neutral plane): Laø vò trí doïc theo coïc maø taïi ñoù

caùc löïc taùc duïng daøi haïn (löïc keùo xuoáng coäng vôùi taûi coâng trình) caân baèng

vôùi toå hôïp löïc (chieàu döông) khaùng beân (beân döôùi maët trung hoøa) vaø söùc

khaùng muõi. Ñoä saâu naøy laø nôi coù dòch chuyeån töông ñoái cuûa ñaát vaø coïc

baèng 0.

7

Gvhd: Voõ Phaùn Tieåu luaän Moân hoïc Moùng coïc

Lôùp ÑKTXD2008 - Nhoùm 3 Ma saùt aâm

• Bieán daïng keùo xuoáng (Downdrag): Laø söï dòch chuyeån ñi xuoáng cuûa coïc

do ñaát xung quanh coïc bò luùn xuoáng. Ñoä lôùn cuûa bieán daïngï keùo xuoáng

baèng vôùi ñoä luùn cuûa ñaát taïi maët trung hoøa.

• Cöôøng ñoä chòu taûi 1 truïc ñòa kyõ thuaät (Geotechnical axial capacity): Laø toå

hôïp cuûa söùc khaùng muõi vaø ma saùt beân khi khoâng coøn ñaït traïng thaùi caân

baèng tónh vaø seõ khoâng tieáp tuïc dòch chuyeån xuoáng. Ma saùt döông xaûy ra

treân toaøn thaân coïc vaø löïc keùo xuoáng raát nhoû.

• Heä soá an toaøn cho cöôøng ñoä chòu taûi ñòa kyõ thuaät (Factor of safety on

geotechnical capacity): Laø heä soá giöõa cöôøng ñoä chòu taûi 1 truïc ñòa kyõ thuaät

chia cho toång taûi tónh vaø hoaït taûi, khoâng tính ñeán löïc keùo xuoáng.

• Cöôøng ñoä keát caáu 1 truïc (Structural axial strength) : Laø cöôøng ñoä khaùng

neùn 1 truïc cuûa phaàn coïc chòu taûi tónh vaø löïc keùo xuoáng.

• Heä soá an toaøn keát caáu taïi maët trung hoøa (Factor of safety on structural

strength at neutral plane): Laø heä soá giöõa cöôøng ñoä khaùng neùn 1 truïc cuûa

keát caáu taïi maët trung hoaø chia cho toång tónh taûi vaø löïc keùo xuoáng, khoâng

tính ñeán hoaït taûi.

Theo Fellenius, vò trí maët trung hoøa laø haøm soá cuûa söï caân baèng cuûa caùc löïc

caét doïc thaân coïc khi chuùng ñaõ ñöôïc huy ñoäng hoaøn toaøn. Söùc khaùng muõi cuõng ñaõ

ñöôïc huy ñoäng 1 phaàn hoaëc hoaøn toaøn. Caùc löïc vaø söùc khaùng laø keát quaû cuûa quaù

trình luùn cuûa ñaát vaø laø do söï khaùc bieät veà ñoä cöùng cuûa ñaát vaø coïc. Yeâu caàu tuyeät ñoái

ñeå thoõa maõn phöông trình caân baèng laø löïc caét phaùt trieån doïc phaàn phía treân thaân coïc

coù daáu aâm vaø phaàn döôùi coïc coù daáu döông. Vuøng chuyeån tieáp töø aâm sang döông

ñöôïc goïi laø maët trung hoøa. Moät soá ít tröôøng hôïp vò trí maët trung hoøa naèm trong lôùp

ñaát ñang luùn, hay trong lôùp ñaát toát hôn hoaëc trong lôùp ñaát ít luùn.

Khi thay ñoåi löïc taùc duïng leân ñaàu coïc thì vò trí maët trung hoøa seõ thay ñoåi do

keát quaû cuûa söï caân baèng löïc môùi.

Maët trung hoøa cuõng laø nôi coïc vaø ñaát dòch chuyeån nhö nhau hay noùi caùch khaùc

laø nôi khoâng coù söï dòch chuyeån töông ñoái giöõa coïc vaø ñaát. Ñieàu naøy coù nghóa laø khi

giaûi baøi toaùn luùn cuûa nhoùm coïc laø coâng vieäc tìm ra ñoä luùn cuûa ñaát taïi maët trung hoøa.

Ma saùt aâm gaây ra 1 löïc keùo xuoáng(dragload), khoâng xeùt ñeán ñoä lôùn cuûa löïc

naøy, neáu ñoä luùn taïi maët trung hoøa laø nhoû, seõ khoâng coù löïc keùo xuoáng(Vôùi ñieàu kieän

cöôøng ñoä vaät lieäu coïc phaûi ñuû ñeå chòu ñöôïc taûi taùc duïng taïi ñaàu coïc coäng vôùi löïc keùo

xuoáng). Caàn nhaán maïnh ôû ñieåm naøy: löïc keùo xuoángcaøng lôùn, moùng seõ caøng cöùng vaø

toát hôn, bieán daïngï keùo xuoáng (downdrag) caøng lôùn moùng caøng yeáu.

Coïc khoâng chòu ma saùt aâm seõ coù maët trung hoøa taïi maët ñaát vaø coù löïc keùo

xuoáng lôùn nhaát – Moùng luùn cuøng vôùi maët ñaát – laø tình huoáng ngoaøi yù muoán.

8

Gvhd: Voõ Phaùn Tieåu luaän Moân hoïc Moùng coïc

Lôùp ÑKTXD2008 - Nhoùm 3 Ma saùt aâm

Ñoä lôùn cuûa ma saùt aâm phuï thuoäc vaøo caùc yeáu toá sau (Brejum,1973):

• Vaät lieäu coïc

• Phöông phaùp thi coâng coïc

• Ñieàu kieän töï nhieân cuûa ñaát neàn

• Vaän toác dòch chuyeån töông ñoái cuûa ñaát vaø coïc

I.3 Caùc nguyeân nhaân gaây ra löïc ma saùt aâm

Caùc nguyeân nhaân gaây ra ma saùt aâm chuû yeáu:

o Söï luùn do coá keát cuûa neàn ñaát xung quanh coïc.

o Ñaép cao treân neàn ñaát coù tính neùn luùn cao.

o Phuï taûi cuûa neàn gaàn khu vöïc moùng

o Haï thaáp möïc nöôùc ngaàm.

o Neàn ñaát chöa coá keát xong.

o Söï neùn chaët cuûa neàn do ñoùng coïc.

I.3.1 Ma saùt aâm do luùn döôùi taûi troïng baûn thaân hoaëc ñaép neàn:

Khi neàn coâng trình ñöôïc toân cao, gaây ra taûi troïng phuï taùc duïng xuoáng

lôùp ñaát phía döôùi laøm xaûy ra hieän töôïng coá keát cho lôùp neàn beân döôùi; hoaëc

chính baûn thaân lôùp neàn ñaép döôùi taùc duïng cuûa troïng löôïng baûn thaân cuõng xaûy

ra quaù trình coá keát. Ta coù theå xem xeùt cuï theå trong caùc tröôøng hôïp sau:

Sét

Seùt ñaép

L

Z

Hf

L

Hf

Z

Sét

Caùt ñaép

L

Z

Hf

Cát

Seùt ñaép

(a) (b) (c)

Hình 4. Caùc tröôøng hôïp xuaát hieän ma saùt aâm do toân neàn

9