ma sát âm

Khái niệm ma sát âm

Ma sát âm (tiếng Anh negative skin friction) là hiện tượng đất xung quanh cọc bị lún cố kết lớn hơn chuyển vị xuống dưới/biến dạng nén của cọc; việc này gây thêm một tải trọng hướng xuống lên cọc. Ma sát âm trên cọc là yếu tố không thể bỏ qua khi thiết kế móng cọc trong khu vực mới san nền trên đất yếu và trong vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm. Ma sát âm biến động theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ cố kết của đất và tốc độ lún của cọc.

Một số loại đất nhão cố kết đáng kế dưới trọng lượng bản thân của nó, và có thể gây ma sát âm. Lớp đất đắp phía trên tác dụng như là tải trọng, làm nhanh quá trình cố kết. Lớp đất phía trên là trầm tích trẻ là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ma sát âm đối với móng cọc.Trầm tích trẻ có nhiều lắm đất từ trạng thái cứng đến chảy... thuộc Holocen. Hướng tác dụng của ma sát bên giữa cọc và đất phụ thuộc vào chuyển vị tương đối giữa đất và cọc.

Trong điều kiện thường gặp, chuyển vị của cọc dưới tác dụng của tải trọng từ kết cấu bên trên lớn hơn độ lún của đất nên ma sát bên giữa cọc và đất có xu hướng cản trở độ lún của cọc. Lực ma sát phát sinh trong điều kiện này có hướng tác dụng ngược với hướng của tải trọng của kết cấu bên trên và được gọi là ma sát dương.

Trường hợp cọc nằm trong nền đất đang bị lún do tải trọng của tải trọng bề mặt (đất mới san lấp, kho bãi, v.v.) hoặc do hạ mực nước ngầm, độ lún của đất nền lớn hơn độ lún của cọc. Khi đó một phần đất nền xung quanh có xu h ướng "treo" lên cọc nên trọng lượng của khối đất đó được truyền sang cọc thông qua ma sát bên.

Ma sát bên giữa cọc và đất phát sinh trong điều kiện này có cùng hướng tác dụng với tải trọng của kết cấu bên trên và được gọi là ma sát âm.

Ảnh hưởng

Theo Zeevaert (1972), ảnh hưởng của ma sát âm đối với sự làm việc của cọc thể hiện ở 2 khía cạnh:

- Làm tăng tải trọng tác dụng lên cọc: Ngoài tải trọng từ kết cấu bên trên , cây cọc còn phải chịu tác dụng của ma sát âm ;

- Làm giảm khả năng chịu tải của cọc: Do một phần trọng lượng của đất được truyền lên cọc nên áp lực của cột đất tại độ sâu mũi cọc giảm đi, làm giảm khả năng chịu tải của lớp đất tựa cọc.

Sự cố

Sự cố của móng cọc do ma sát âm gây ra đã được ghi nhận ở nhiều nứơc như Mỹ (Moore, 1947; Roberts & Darragh, 1963; Garlander 1974), Pháp (Florentin & L'Heriteau, 1948), Argentina (Moretto Bolognesi, 1960), Liên Xô (Iovchuk & Babitskii, 1967), Canada (Stermac, 1968) và Nhật Bản (Kishida & Takano, 1976). Các sự cố thường gặp là một số cây cọc trong cụm cọc bị mất khả năng chịu tải và bị kéo rời khỏi móng hoặc nghiêm trọng hơn là toàn bộ công trình xây dựng trên móng cọc bị lún quá mức cho phép.

Ở Việt Nam, hiện tượng ma sát âm trên cọc có thể là nguyên nhân chính dẫn đến sự cố nền móng của một số công trình xây dựng như:

- Nhà của khoa vật lý thuộc trường Đại học sư phạm Hà Nội sử dụng cọc đóng tiết diện 30x30 cm. Do ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm xung quanh khu vực nhà máy nước Mai Dịch, móng của công trình đã bị lún làm hư hỏng kết cấu bên trên.

- Một số chung cư và công trình công cộng tại khu vực Ngọc Khánh, Thành Công và lân cận: Đây là các khối nhà xây dựng trên móng nông. Nền đất khu vực này rất yếu, toàn bộ khu vực bị lún do tải trọng của đất san nền và do hạ mực nước ngầm gây ra. Sau khi đưa vào sử dụng, nhiều nhà đã bị lún và hư hỏng nên đã được đầu tư chống lún bằng móng cọc.Tại một số nhà công tác chống lún đã phát huy hiệu quả, tuy vậy tại một vài nhà khác độ lún vẫn tiếp tục phát triển sau khi đã chống lún bằng cọc. Nguyên nhân gây ra độ lún sau khi đã gia cường móng bằng cọc có thể do ma sát âm chưa được xét đến đầy đủ khi tính toán tải trọng tác dụng lên cọc.

- Một nhà máy tại khu công nghiệp Đình Vũ, Hải Phòng: Công trình được xây dựng ở khu vực mới san lấp trên nền đất yếu với bề dày lớn. Cọc móng với chiều dài khác nhau được sử dụng cho các hạng mục của công trình. Đối với kết cấu chính của nhà, cọc được đóng tựa vào đá trong khi các cọc thuộc hệ thống dây chuyền công nghệ ngắn hơn nên chỉ tựa vào lớp sét cứng nằm dưới lớp bùn sét. Trước khi thi công đại trà người ta đã tiến hành đóng cọc thử và nén tĩnh, kết quả thí nghiệm cho thấy tất cả các cọc thí nghiệm có sức chịu tải đạt yêu cầu với hệ số an toàn FS=2. Sau khi thi công móng và bắt đầu lắp đặt thiết bị đã phát hiện móng thuộc hệ thống dây chuyền công nghệ bị lún trên 10 cm và độ lún vẫn tiếp tục phát triển. Nguyên nhân gây lún móng cọc được xác định là do ma sát âm chưa được xét đến khi tính toán tải trọng lên cọc.

- Sự cố cục bộ xảy ra ở 1 cây cọc móng công tr ình ở Bà Rịa - Vũng Tàu: Theo thiết kế, các cọc của công trình có tiết diện 40x40 cm dài 32 m được đóng qua lớp cát san nền dày 3-4 m và lớp đất yếu dày 11-12 m và tựa vào lớp cát hạt trung ở phía dưới. Trong thiết kế đã cọc đã xét đến tải trọng phụ thêm do ma sát âm và cọc đã được quét bi tum nhựa để giảm ma sát, vì vậy các kết cấu đặt trên móng cọc đều ổn định. Sự cố chỉ xảy ra cục bộ ở 1 cây cọc bố trí d ưới cột một kết cấu nhẹ. Do tải trọng của kết cấu bên trên nhỏ nên dưới mỗi cột chỉ bố trí 01 cây cọc. ở cốt nền công trình có hệ giằng với độ cứng khá cao để đỡ tường bao che và truyền tải trọng tường xuống các móng. Cây cọc gặp sự cố có thể đã bị hư hại khi thi đóng nên đã bị giảm yếu. Cây cọc có xu hướng bị kéo lún do ma sát âm trong khi phần cổ cột được liên kết với kết cấu bên trên có độ cứng đủ lớn nên phần cổ cột đã chịu lực kéo trên 40 T, đủ lớn để kéo đứt 4 thanh thép f16 của cổ cột

Biện pháp khắc phục

Biện pháp giảm ma sát âm là tìm cách giảm ma sát giữa đất và cọc. Các phương pháp thường được áp dụng để giảm ma sát âm, qua đó giảm thiểu ảnh hưởng của nó đối với móng cọc là:

- Đưa yếu tố ma sát âm vào tính toán thiết kế cọc(tính toán sức chịu tải của cọc có kể đến ma sát âm)

- Sử dụng biện pháp thi công thích hợp: Có thể tiến hành hạ cọc trong lỗ khoan dẫn và sử dụng vữa bentonite để cách ly thân cọc với đất nền;

-Giảm diện tích mặt bên: Ví dụ có thể sử dụng cọc thép có cường độ vật liệu cao, đóng đến lớp đất rất cứng. Vì cọc có diện tích mặt bên nhỏ nên ma sát âm cũng giảm theo;

- Đối với cọc đúc sẵn, có thể quét bitum quanh thân cọc trong vùng chịu ma sát âm để giảm ma sát.

- Xử lý bề mặt thân cọc: Vật liệu thường được sử dụng để xử lý bề mặt thân cọc là bi-tum asphalt. Áo bi-tum nhựa đường là giải pháp thích hợp để giảm ma sát âm trên cọc. Khi áp dụng giải pháp này cần lưu ý đến tính chất của bi tum, bề dày và biện pháp bảo vệ lớp bi tum khi hạ cọc. Nghiên cứu do Bjerrum (1969) thực hiện cho thấy nếu có biện pháp bảo vệ lớp bi-tum khỏi bị hư hại khi đóng (khoan dẫn và cách ly với đất bằng vữa bentonite) thì ma sát âm có thể giảm đến 75%, tuy vậy khi không áp dụng biện pháp bảo vệ thì tác dụng giảm ma sát chỉ còn 30%. Kết quả thực nghiệm do Viện KHCN Xây dựng thực hiện tại hiện trường chống lún Viện Bảo vệ sức khoẻ trẻ em Hà Nội cho thấy khi sử dụng lớp bi tum dày 1 mm và không áp dụng biện pháp bảo vệ lớp này khi hạ cọc thì mức độ giảm ma sát chỉ đạt khoảng 10%. Hiệu quả giảm ma sát âm của dung dịch bentonite cũng đã được chứng minh qua nghiên cứu trong phòng do Koerner và Mukhopadhyay (1972) thực hiện, trong đó hiệu quả chống ma sát âm của lớp bi tum phụ thuộc vào tính dẻo và bề dày của nó. Vữa sét bentonite cũng có khả năng chống ma sát âm, trong điều kiện thuận lợi nếu cọc được quét bi tum và duy trì được lớp vữa sét cách ly thì ma sát âm có thể giảm tới 85%. Tuy vậy việc bảo vệ lớp này khỏi bị hư hại do thi công cọc lân cận là rất khó khăn. Thí nghiệm do Brons, Amesz và Rinck (1969) thực hiện cho thấy khi cọc đóng cách nhau 1.8 m thì hiệu quả giảm ma sát âm của vữa bentonite chỉ còn một nửa.

Việc tạo lớp bi tum trên thân cọc tương đối phức tạp. Theo Tomlinson (1981), loại bi-tum dùng để chống ma sát âm phải mềm ở nhiệt độ của môi trường đất và bề dày của lớp bi-tum phải ở mức 10 mm thì mới có hiệu quả tốt. Theo Briaud (1997), để đảm bảo cho sự bám dính của lớp bi-tum cần làm sạch bề mặt cọc và cần sơn lót trước khi quét bi-tum. Cần nhắc giữa: chi phí do tăng thêm chiều dài/số lượng cọc để chịu thêm lượng ma sát âm và chi phí quét bi tum, phương án nào có chi phí rẻ hơn thì áp dụng.

ST