HỆ SỐ BÁM DÍNH TRONG MỐI QUAN HỆ GIỮA HÌNH DẠNG TIẾT DIỆN CỌC VỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG ĐẤT
TRẦN THƢỢNG BÌNH* NGUYỄN HỒNG DƢƠNG
Adhesion coefficient in the relationship between the pile cross-sectional shape and the bearing capacity of the pile in the soil
Abstract: The paper presents the adhesion coefficient in the formation of the bearing capacity of the pile and analyzes the change of the adhesion force when the cross-sectional shape of the coc changes, as a basis for evaluating the influence of the pile cross-section on pile load capacity.
Keywords: coefficient of adhesion, shape of pile section, load capacity
1. GIỚI THIỆU CHUNG *
Theo Tomlinson [2] sức kháng thành cọc đối với cọc đƣợc đóng vào đất dính thƣờng lớn hơn tám mƣơi (80%) hoặc chín mƣơi (90%) phần trăm tổng sức chịu tải.. Điều này đặc biệt đúng đối với khả năng chịu tải của cọc ma sát trong đất sét có độ bền cắt từ trung bình đến cao (Cu>
100 kN/m2). Khi đó để ƣớc tính khối lƣợng cọc, ma sát thành có thể đƣợc tính nhƣ sau:
Qsf=fsPL (1) Trong đó:
fs = hệ số ma sát hoặc độ bám dính thành đơn vị trung bình tính bằng (kPa)
P = chu vi của cọc (m.)
L = chiều dài nhúng của cọc (m.)
Ứng suất cắt khi phá hoại trên mặt tiếp xúc cọc- đất thƣờng đƣợc gọi là "độ bám dính" (Ca). Ma sát thành đơn vị danh ngh a trung bình (fs) trong đất sét bão hòa đồng nhất, đƣợc biểu thị bằng:
fs= Ca=αCu (2) trong biểu thức này:
Ca- lực bám dính của đất vào thân cọc Cu- lực dính kết của đất
- hệ số bám dính thực nghiệm
Trong khi theo TC VN 10304 , sức chịu tải
* Đ i học Kiến trúc Hà Nội
Km 10, Đ ng Nguyễn Trãi, quận Thanh Xuân, thành phố Hà Nội, Việt Nam
cực hạn Rcu, tính bằng kN, của cọc treo, kể cả cọc ống có lõi đất, hạ bằng phƣơng pháp đóng hoặc ép, đƣợc xác định bằng tổng sức kháng của đất dƣới mũi cọc và trên thân cọc:
Rc,u = c ( cq qb Ab + u∑cf fi li) (3) trong đó:
c là hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, c =1;
qb là cƣờng độ sức kháng của đất dƣới mũi cọc, lấy theo Bảng 2;
u là chu vi tiết diện ngang thân cọc;
fi là cƣờng độ sức kháng trung bình của lớp đất thứ “i” trên thân cọc, lấy theo Bảng 3;
Ab là diện tích cọc tựa lên đất, lấy bằng diện tích tiết diện ngang mũi cọc đặc, cọc ống có bịt mũi; bằng diện tích tiết diện ngang lớn nhất của phần cọc đƣợc mở rộng và bằng diện tích tiết diện ngang không kể lõi của cọc ống không bịt mũi;
li là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ “i”;
cq và cf tƣơng ứng là các hệ số điều kiện làm việc của đất dƣới mũi và trên thân cọc có xét đến ảnh hƣởng của phƣơng pháp hạ cọc đến sức kháng của đất (tra bảng phụ thuộc vào loại đất, phƣơng pháp hạ cọc và kích thƣợc của tiết diện vuông)
Nhƣ vậy, trong biểu thức của TC VN 10304, khái niệm vê hệ số bám dính chƣa tƣơng minh, có thể hệ số bám dính α đang ẩn trong các hệ số
cq , cf và fi,
Kết quả nghiên cứu của Ahmed M Elsharief1 [3] khi nghiên cứu thực nghiệm về phƣơng pháp xác định sức chịu tải của cọc ông thép đã thấy rầng, lực bám dính lên thân của cọc trong đất sét là một hàm của ứng suất pháp với thân cọc.
Một số kết quả thực nghiệm so sánh về sức chịu tải giữa các cọc có tiết diện khác nhau, trong đó điển hình là so sánh cọc chữ T với cọc tiết diện vuông [4] có cùng thể tích hay cùng diện tích tiết diện cọc đã cho thấy sự khác nhau rõ rệt về sức chịu tải trong cùng 1 nền đất, trong đó cọc chữ T lớn hơn 1,2 lần nhƣng theo tính toán bằng phƣơng pháp trong sổ tay địa kỹ thuật (Geotechnical Manual) chỉ lớn hơn 1,1 lần do phần diện tích thân cọc chữ T.
Tất cả, những trình bày trên cho thấy, cần xem xét lực bám dinh của đất lên thanh cọc và hệ số của nó trong sự hình thành sức chịu tải của cọc, đặc biệt sự ảnh hƣởng qua lại giữa lực bám dính với hình dạng tiết diện cọc.
2. LỰC BÁM DÍNH VÀ HỆ SỐ BÁM DÍNH Xét một vật rắn tiếp xúc với một vật rắn khác thông qua hiện trƣợt trên một mặt phẳng tiếp xúc, thì điều kiện để chúng trƣợt lên nhau mô tả bằng bất phƣơng trình
F> K.N (kPa) (4)
Trong đó F- lực tác dụng phƣơng mặt trƣợt hay lực tiếp tuyến
N – lực pháp tuyến phƣơng mặt trƣợt
K- là hệ số ma sát phụ thuộc vào đặc điểm bề mặt tiếp xúc giũa 2 vật.
Xét hệ phân tán tự nhiên ba thành phần rắn, lỏng và khí, hiện tƣợng trƣợt trên một mặt ở trong hệ, từ lâu đã tƣờng minh bởi các thành phần sức kháng cắt của đất là: lực ma sát Fms và lực dính kết Fdk với mối quan hệ theo phƣơng trình Coulomb
= Fms+ Fdk = tg +c (5) Trong đó:
- sức kháng cắt (kPa)
C là lực dính kết đơn vị (kPa). C đƣợc hình thành là do mối liên kết giữa các hạt trong hệ phân tán, có độ lớn phụ thuộc vào năng lƣợng
bề mặt của hệ theo quy luật kích thƣớc hạt càng nhỏ năng lƣợng bề mặt càng lớn và lực dính kết càng lớn. Với những hạt kích thƣớc đƣờng kính d nhỏ d<0,005mm có năng lƣợng bề mặt lớn nên thƣờng hút nƣớc để hình thành màng nƣớc xung quanh hạt gọi là màng nƣớc liên kết. Đối với m i loại hạt có màng nƣớc cực đại luôn xác định, phụ thuộc vào đƣờng kính hạt và thành phần khoáng hóa của hạt và pH của môi trƣờng.
Khi màng nƣớc càng dày năng lƣợng bề mặt càng nhỏ và ngƣợc lại, theo đó độ ẩm đất càng tăng lực dính kết C càng nhỏ. Đồng thời khi màng nƣớc liên kết dày, sự tiếp xúc giũa các hạt khoáng phải thông qua màng nƣớc nên không chịu ảnh hƣởng bởi hình dạng và độ nhám của bề mặt hạt, theo đó tính ma sát giũa các hạt không thể hiện rõ ràng.
tg- lực ma sát (kPa). Lực ma sát là một hàm của lực pháp tuyến với góc ma trong là một hằng số theo khái niệm ban đầu của định luật Coulomb. Độ lớn của góc ma sát phu thuộc vào bề mặt, kich thƣớc hạt của hệ phân tán theo quy luật hạt càng lớn, bề mặt càng xù xì góc ma sát trong càng lớn. Ngoài sự tăng góc ma sát, lực ma sát tăng khi ứng suất pháp tăng, thế nên lƣc ma sát của một loại đất khi ở trong nƣớc sẽ nhỏ hơn khi không ở trong nƣớc, vì ở trong nƣớc có ứng suất pháp nhỏ hơn do lực đẩy acximet lên các hạt. Đối với những hạt đƣờng kính d>0,1mm năng lƣợng bề mặt rất nhỏ không đáng kể, thế nên xem nhƣ không có lực dính kết giữa các hạt.
Khi một hệ phân tán 3 pha (đất) tiếp xúc với một bề mặt vật rắn, so với tiếp xúc của vật rắn và tiếp xúc giũa đất với đất có thể nhận thấy những đặc điểm sau:
- Có sự tiếp xúc đồng thời của các pha trong đất, trong đó có nƣớc của màng liên kết khi tiếp xức với bề mặt vật rắn sẽ thể hiện những tính chất bám dính của chất lỏng vào vật rắn [5] có giá trị thƣờng lớn hơn lực liên kết giữa các hạt qua màng nƣớc.
- Đó là tiếp xúc của một vật đƣợc hình
thành từ mối liên kết keo nƣớc (liên kết phân tử) rất nhỏ khi so với vật có liên kết ion, hoặc kim loại… của vật tắn rất bền vững, nên mối liên kết trên mặt tiếp xúc, trƣớc hết phụ thuộc vào tính bền vững của các liên kết trong hệ phân tán.
Nhƣ vậy, lực bám dính của đất lên cọc khác với sức kháng cắt của đất về giá trị, nhƣng chúng có mối liên hệ với các đặc trƣng kháng cắt của đất và về bản chất, lực bám dính lên thân cọc của đất cát khác với đất sét.
-Đối với đất cát, lực bám dính của nó lên cọc chính là lực ma sát của cát trên mặt phẳng thân cọc, cũng phụ thuộc vào độ lớn lực pháp tuyến, vào đặc điểm bề mặt cọc và có một chút vào đặc điểm thành phần hạt, bao gồm hàm lƣợng các nhóm hạt, thành phần khoáng hóa của hạt. Nếu gọi lực bám dính đơn vị của cát lên thân cọc fbs
(kPa) thì có thể biểu diễn giá trị chủa chúng theo biểu thức
fbs= αk. (5)
Trong đó fbs- lực cùng phƣơng, ngƣợc chiều với phƣơng dich chuyển của cọc trong đất
- áp lực khối đất tác dụng lên mặt cọc theo phƣơng pháp tuyến
αk- hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào chất liệu làm cọc và đặc điểm loại cát tƣơng tự nhƣ hệ số ma sát K
- Đối với đất sét, lực bám dính lên cọc là liên kết phân tử của màng nƣớc liên kết, độ lớn của nó phụ thuộc vào bề dày màng nƣớc, trong khi màng nƣớc phụ thuộc vào kích thƣớc hạt, thành phần khoáng hóa của vật và áp lực tác dụng lên màng [5]. Do đó thực chất lực bán dính của đất sét lên thành cọc cũng phụ thuộc vào áp lực bên ngoài nhƣ lực ma sát, trong đó cũng phụ thuộc vào đặc điểm bề mặt thân cọc, nhƣng không liên quan đến hệ số ma sát K trong biểu thức (4) mà thông qua sự ép chặt làm giảm bề dày màng nƣớc liên kết. Để có sự phân biệt tạm gọi lực bám dính đơn vị của đất sét lên thân cọc là fbc và để đơn giản trong việc xác định có thể chấp
nhận fbc quan hệ tuyến tính với áp lực pháp tuyến nhƣ phƣơng trình Coulomb, theo biểu thức sau:
fbc=co+tgo (6)
trong đó:- áp lực của đất lên cọc theo phƣơng pháp tuyến mặt cọc
co- lực bám dính của đất trên m i loại cọc,
o- góc ma sát giữa bề mặt cọc với đất Ở đây các thông số co, o là các hệ số bám
dính của đất lên thân cọc để hình thành sức chịu tải của coc, chúng đƣợc xác định bằng mô hình cắt phẳng hoăc ba trục cho m i loại chất liệu cọc và trên các mẫu đất thực có tại vị trí thân cọc.
So sánh (6) với (5) có thể thấy với đất rời C=0 biểu thức 6 trở về biểu thức (5). Nhƣ vậy, biểu thức (6) là phƣơng trình tổng quát không phân biệt đất dính với đất rời
Nhìn lại biểu thức (2) của Tomlinson [2] sức kháng thành của cọc đối với cọc đƣợc đóng vào đất dính :
fs= Ca=αCu trong biểu thức này:
Cu- cƣờng độ cắt không thoát nƣớc trung bình của đất sét nguyên dạng trong chiều dài cọc trong đất dính.
- hệ số bám dính thực nghiệm. Hệ sốphụ thuộc vào tính chất và cƣờng độ của đất sét, kích thƣớc cọc, phƣơng pháp đóng cọc và ảnh hƣởng của thời gian. Các giá trị của thay đổi trong giới hạn rộng và giảm nhanh chóng với tăng sức chống cắt. Các giá trị của có thể nhận đƣợc từ bảng tra theo loại dất và vật liệu cọc bảng 1.
Nếu so sánh biểu thức ( 2) với (6) thì có nhận xét: ở biểu thức (2) hệ số bám dính là hệ số tra bảng dựa vào rất nhiều điều kiện, còn trong ở biểu thức (6) các hệ số của lực bám dính là các thông số của phƣơng trình bậc nhất cho m i loại cọc. Sử dụng (6) sẽ hạn chế tính chủ quan hơn trong việc lựa chọn hệ số , nhƣng phức tạp hơn vì phải thí nghiệm xác đinh covà o
Bảng 1: Hệ số bám dính thực nghiệm α Vật liệu cọc Độ đặc của đất Lực dính kết
c u [ kPa ] Hệ số bám dính α [-]
Cọc g và bê tông Rất mềm mại 0 - 12 0,00 - 1,00
Mềm mại 12 - 24 1,00 - 0,96
Cứng vừa 24 - 48 0,96 - 0,75
Cứng 48 - 96 0,75 - 0,48
Rất cứng rắn 96 - 192 0,48 - 0,33
Cọc thép Rất mềm mại 0 - 12 0,00 - 1,00
Mềm mại 12 - 24 1,00 - 0,92
Cứng vừa 24 - 48 0,92 - 0,70
Cứng 48 - 96 0,70 - 0,36
Rất cứng rắn 96 - 192 0,36 - 0,19
3. ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH DẠNG TIẾT DIỆN CỌC ĐẾN LỰC DÍNH BÁM DÍNH CỦA ĐẤT LÊN THÂN CỌC
Để nghiên cứu ảnh hƣởng hình dạng tiết diên cọc đến sức chịu tải của nó, vấn đề là xem xét các cọc có cùng diện tích tiêt diện và cùng chiều dài cọc trong đất để đảm bảo đất nền có cùng thể tích biến dạng khi hạ các cọc có hình dạng tiết diện khác nhau nhƣng cùng thể tích. Vì vậy, sẽ có sự phân biệt hình tiết diện theo các loại nhƣ sau:
Trƣớc hết phân biệt giữa tiết diện r ng với tiết diện đặc. Tiết diện r ng chình là các cọc ống,
Tiết diện đặc gồm các hình dạng thông thƣờng: nhƣ tam giác, vuông, tròn, chữ nhật, chữ thập, chữ T, chữ U, chữ H. Đối với các hình, nhƣ: vuông, tròn và tam giác, nếu cùng diện tích thì chu vi của chúng sẽ giảm dần theo thứ tự: tam giác, vuông, tròn và giảm dần từ đều đến không đều. Ngoài mối quan hệ về chu vi, giữa các hình đặc đƣợc phân thành hai nhóm xét theo góc hợp bởi hai cạnh:
Nhóm A là hình tròn và các hình mà các cạnh của chúng luôn hợp với nhau góc α<1800, nhóm này gồm các hình: tam giác, vuông, thang, thoi, chữ nhât… và hình tròn.
Nhóm B là các hình mà một số cạnh của chúng luôn hợp với nhau góc α >1800, nhóm này gồm các hình tiêu biểu nhƣ :chữ thập, chữ T chữ H, chữ U…
Nếu xét phƣơng chiều pháp tuyến ở các điểm trên mặt thân cọc, có nhận xét về sự giống nhau của hình dạng tiết diện trong cùng một nhóm nhƣ sau:
Các loại tiết diện thuộc nhóm A, các phƣơng của pháp tuyến của mặt cọc không cắt nhau và luôn tỏa ta xung quanh
Các loại tiết diện nhóm B và hình r ng phƣơng của pháp tuyến ở các điểm trên mặt có ch giao nhau thành nhiều trục hoặc giao nhau tại một trục nhƣ trƣờng hợp cọc ống.
Hình 1: Sự dịch chuyển đát theo ph ơng đối xứng truc
Theo Randolph và cộng sự 1979 khi hạ cọc tròn vào trong nền sẽ hình thành vùng chuyển vị. nhƣ hình 1, theo đó phƣơng chuyển vị trùng với pháp tuyến, có chiều hƣớng từ mặt cọc ra bên ngoài. Điều đó có ngh a, khi có tƣơng tác cọc với đất xung quanh, thì cọc chịu áp lực đất cùng phƣơng ngƣợc chiều với chuyển vị. Nhận định Randolph về phƣơng chiểu chuyển vị và lực tác dụng lên cọc hoàn toàn đúng cho mọi tiết diện loại đặc nhóm A, theo đó xung quanh thân cọc không có vùng tập trung ứng suất biến dạng.
Ngƣợc lại loại tiết diện r ng và các tiết diện nhóm B, tại các ch giao nhau của các vùng biến dạng lan truyền đến từ các mặt thân cọc sẽ tạo thành các đới nén làm lực bám dính với thân cọc ở đó tăng lên. Mức tăng của lực bám dính làm liên kết cọc vơi một phần đất lớn hơn liên kết các thành phần trong đất, khi đó diện tích tiết diện làm việc của cọc xem nhƣ đƣợc tăng lên qua đó sức chịu tải của cọc tăng lên.
Sự tăng diện tích làm việc của cọc đã đƣợc Trofimenkov [4] xác nhận, khi tác giả lấy mầu đất ở thân cọc chữ T và cọc vuông để xác định các chỉ tiêu độ ẩm, khối lƣợng và chỉ tiêu kháng cắt, sau đó so sánh với nhau. Các kết quả trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc ống thép[3]cũng xác nhận điều đó. Sự tăng diện tích làm việc của tiết diện còn thể hiện trong biểu thức (3)
KẾT LUẬN
- Lực bám dính lên thân cọc của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ tính chất cơ lý ban đầu của đất nền, điều kiện thoát nƣớc của đất xung quanh thân cọc, áp lực đất lên thân cọc và đặc điểm bề mặt của thân cọc
- Lực bám dính của đất dinh và đất rời lên
thân coc khác nhau về bản chất, đối với đát rời đó là bản chất của lực ma sát, đối với đất dinh đó là lực dính kết của hệ phân tán lên bề mặt cọc.
- Sự hình thành và biến đổi lực bám dính của đất với thân cọc có sự khác nhau cơ bản giữa loại tiết diện đặc với tiết diện r ng và giữa tiết diện mà các mặt của nó có pháp tuyến không giao nhau nhƣ: hình vuông, tròn tam giác với tiết diện có mặt pháp tuyến giao nhau nhƣ: hình chữ U chữ T và chữ Thập
- Cùng một thể tích cọc, đối với cọc có tiết diện loại B, nhƣ: chữ U, chữ thập .. và tiết diện r ng sự tăng giảm sức chịu tải của cọc khi thay đổi hình dạng tiết diện cọc, ngoài nguyên nhân là sự tăng giảm diện tích thân cọc, còn là sự tăng giảm diện tích tiêt diện làm việc danh ngh a của cọc nhờ sự hình thành khối đất cứng chắc xung quanh thân cọc, do sự tăng giảm lực bám dính của đất lên thân coc.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TCVN- 10304: 2014.
[2] Geotechnical Manual 2016.
[3]Ahmed M Elsharief, Rasha Abu Elgasim Abdelrahman Bearing Capacity Parameters for Pipe Piles in Stiff to Hard Highly Plastic Clays, Journal of BRR VOL 16 Aug 2014.
[4] Oleg Malyshev Bearing capacity of T-cross section piles in sand CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING REPORTS 133-144 DOI: 10.1515/ceer-2017-0041.
[5] E.D Sukina Cơ lý hóa hệ p.hân tán tự nhiên, tiếng Nga, NXB Mockva 1985.
Ng i phản biện: GS,TS. NGUYỄN BÁ KẾ