Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng xử của hệ tường vây-móng bè-cọc cùng chịu tải trọng công trình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ***

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ BÁ VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trưởng khoa

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM QUỐC VIỆT MSHV: 2070006… Ngày, tháng, năm sinh: 01/04/1994 Nơi sinh: QUẢNG NGÃI Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số : 8580211

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG VÂY-MÓNG

BÈ-CỌC CÙNG CHỊU TẢI TRỌNG CÔNG TRÌNH (STUDY ON THE BEHAVIOR OF DIAPHRAGM WALLS-PILE RAFT FOUNDATION SUBJECTED TO BUILDING LOADS)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan các nghiên cứu về ảnh hưởng của hệ tường vây-móng bè-cọc cùng chịutải trọng công trình

2 Cơ sở lý thuyết về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong việc phân tíchchuyển vị ngang của tường vây trong hố đào và ứng xử trong móng bè cọc

3 Phân tích ứng xử của hệ tường vây-móng bè-cọc cùng chịu tải trọng công trình.

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/09/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/12/2022V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ BÁ VINH

Tp HCM, ngày tháng năm …

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bài Luận văn này, em xin trân trọng cảm ơn Thầy PGS.TS Lê Bá Vinh đã giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để em hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Địa cơ nền móng và Khoa Sau Đại học của trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, các bạn trong lớp cao học K2020, các đồng nghiệp đã giúp em trong suốt thời gian học tập và hoàn thiện luận văn

Xin cảm ơn mọi người trong gia đình em đã luôn hỗ trợ và đồng hành trong mọi bước đi của em

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên học viên cũng khó tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Em rất mong được sự giúp đỡ và đóng góp của quý Thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để các vấn đề phân tích cũng như báo cáo đề tài được hoàn thiện hơn

Tp.Hồ Chí Minh,ngày 05 tháng 12 năm.2022 Học viên

Phạm Quốc Việt

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong tính toán và thiết kế móng bè cọc cho các tòa nhà cao tầng, nhiều tính toán không quan tâm đến sự tham gia làm việc của cọc barrette Khả năng chịu tải của tường vây cọc barrette là đáng kể khi tường vây cắm sâu vào nền đất cứng Trong luận văn này, sự tham gia của hệ trường vây cọc barrette được phân tích và đánh giá bằng phần mềm Plaxis 2D V22, Plaxis 3D V20 cho công trình đặc biệt Với móng bè cọc sự phân bố tải lên bè là 13.48% còn hệ cọc là 86.52% Khi móng bè cọc liên kết với tường vây cọc barrette, phần trăm tải lên móng bè là 13.48%, phần trăm tải lên hệ cọc là 70.62% và tường vây cọc barrette là 15.9% Như kết quả trên thì phần trăm tải tác dụng lên hệ cọc giảm đi 15.9% khi móng bè cọc kết hợp với tường vây cọc barrette Điều này cho thấy đóng góp đáng kể của hệ tường vây cọc barrette khi tham gia chịu tải đứng Điều này có thể thiết kế để giảm số lượng cọc và giảm chi phí cho hệ móng

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

SUMMARY

In designing and calculating the piled rafft foundations for tall buildings, many calculations do not take into account the participation of the diaphragm walls The load-bearing capacity of the diaphragm wall is significant when the diaphragm wall is inserted into the hard ground In this paper, the involvement of the diaphragm wall system together with the piled raft foundation was analyzed and evaluated by the Plaxis 2D V22, PLAXIS 3D V20 software for specific project With the piled raft foundation, the distribution of load on the raft is 13.48%, and the pile group is 86.52% When the piled raft foundation is combined with the diaphragm wall , the percentage of load on the raft is 13.48%, the percentage of the load on the pile group is 70.62%, and the diaphragm wall is 15.9% As a result, the percentage of load on the pile group decreases by 15.9% when the piled raft foundation is combined with the diaphragm This shows the significant contribution of the diaphragm wall system, which can be designed to optimize the number of piles and save the pile foundation’s cost

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của em Các số liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả của luận án chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào Em hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án

Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 12 năm 2022 Học viên

Phạm Quốc Việt

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN iii

1.2 Điều kiện để lựa chọn móng bè cọc 7

1.3 Điều kiện để lựa chọn móng bè cọc 7

1.4 Các trường hợp sử dụng móng bè cọc cho các công trình thực tế 9

2.1 Các thông số cơ bản trong mô hình Plaxis 16

2.1.1 Loại vật liệu đất nền “Drained, Undrained, Non-porous” 16

2.1.2 Dung trọng không bão hoà và dung trọng bão hoà 17

2.1.3 Hệ số thấm 18

2.2.1.2 Xác định thông số cho mô hình 24

2.2.2 Mô hình Hardening Soil 26

2.2.2.1 Tổng quát về mô hình 26

2.2.2.2 Xác định thông số cho mô hình 30

2.3 Các phương pháp phân tích không thoát nước, thoát nước và phân tích kép (Không thoát nước kết hợp với cố kết) và ứng dụng các phương pháp này trong việc phân tích bằng Plaxis 34

2.3.1 Phân tích không thoát nước 34

2.3.2 Phân tích thoát nước 36

2.3.3 Phân tích kép (Couple Analysis) 37

2.4 Khái niệm thiết kế của móng bè cọc 37

2.4.1 Định nghĩa và khái niệm 37

2.4.2 Quan điểm và các phương án thiết kế 39

2.4.3 Vấn đề thiết kế 41

2.5 Phân loại các phương pháp phân tích 42

2.5.1 Phương pháp tính toán đơn giản 45

2.5.1.1 Phương pháp Poulos- Davis-Randolph (PDR) 45

2.5.1.2 Phương pháp Burland 49

2.5.2 Phương pháp phân tích gần đúng dựa trên máy tính 51

2.5.2.1 Phương pháp dải trên lò xo GASP 51

2.5.2.2 Phương pháp dải trên lò xo GASP 53

2.5.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phần tử biên 53

3.3 Lựa chọn chiều sâu tường vây Barrette và biện pháp thi công hố đào 73

3.3.1 Thứ tự thi công hố đào 73

3.3.2 Phương pháp phân tích 74

3.3.3 Mô hình hình học 74

3.3.4 Mô hình vật liệu cho các cấu kiện 75

3.3.5 Kết quả phân tích 76

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

3.3.6 Nhận xét 78

3.4 Phân tích ứng xử của hệ tường vây cọc Barrette – móng bè cọc 79

3.4.1 Khả năng tham gia chịu tải công trình của tường vây cọc Barrette trong hệ móng bè cọc – tường vây cọc Barrette 79

3.4.1.1 Xem xét trường hợp tường vây cọc barrette tham gia chịu tải của công trình 79

3.4.1.2 Xem xét trường hợp tường vây cọc barrette không tham gia chịu tải của công trình 80

3.4.2 Mô phỏng hệ tường vây cọc Barrette - móng bè cọc 80

3.4.3 Kết quả phân tích hệ móng với trường hợp móng bè kết hợp với tường vây 84

3.4.4 Kết quả phân tích hệ móng với trường hợp móng bè tách riêng tường vây 88

3.4.5 Tối ưu hóa số lượng cọc khi tận dụng tường vây chịu tải công trình 93

3.4.6 Ứng xử của móng khi thay đổi thông số của móng bè, móng cọc và tường vây Barrette 96

3.4.6.1 Kết quả phân tích 97

3.4.6.2 Tổng hợp các trường hợp đã phân tích 100

3.4.7 Nhận xét 109

KẾT LUẬN 111

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Móng bè cọc trên nền sét Frankfurt Katzenbach et al (2000) 10

Bảng 3-1 Liệt kê các phương pháp và tóm tắt các khả năng nhằm dự đoán các đặc trưng của hệ thống móng 44

Bảng 4-1 Tên các lớp đất 60

Bảng 4-2 Số liệu địa chất tại hố khoa BH-8 62

Bảng 4-3 Thông số vật liệu cho cấu kiện trong mô hình Plaxis 75

Bảng 4-4 Kết quả phân tích các trường hợp 98

Bảng 4-4 Kết quả phân tích các trường hợp (tiếp theo ) 99

Hình 1-6 Hình thể hiện chi tiết của công trình 12

Hình 1-7 Chi tiết mặt cắt của bè 13

Hình 1-8 Bố trí các vị trí quang trắc 13

Hình 2-1 Ý tưởng cơ bản của mô hình đàn dẻo lý tưởng 23

Hình 2-2 Xác định Eref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước 24

Hình 2-8 Xác định hệ số mũ (m) từ thí nghiệm 3 trục thoát nước 33

Hình 3-1 Móng bè cọc là một hệ thống kết hợp bao gồm các phần tử chịu lực như: cọc, bè và đất (Poulos, 2000) 38

Hình 3-2 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún của móng bè cọc theo những nguyên lí thiết kế khác nhau của Poulos, 2000 41

Hình 3-3 Sự trình bày đơn giản của một móng bè cọc (Poulos, 2001 ) 46

Hình 3-4 Đồ thị đơn giản về tải trọng-độ lún cho phân tích sơ bộ (Poulos, 2001) 49

Hình 3-5 Khái niệm thiết kế đơn giản của Burland’s 51Hình 3-6 Sự trình bày các vấn đề của dải cọc với phân tích GASP (Poulos, 2001) 52

Hình 4-5 Mô phỏng phần tử embedded pile 64

Hình 4-6 Mô phỏng vùng làm việc đàn hồi của cọc ( Septanika, 2005b) 64

Hình 4-7 Thông số cọc khoan nhồi D1800 65

Hình 4-8 Kết quả so sánh độ lún đầu cọc từ mô hình Plaxis 3D với thí nghiệm thử tĩnh cọc D1800 66

Hình 4-9 Kết quả so sánh độ co ngắn đàn hồi mũi cọc từ mô hình Plaxis 3D với thí nghiệm thử tĩnh cọc D1800 67

Hình 4-10 Kết quả so sánh lực dọc thân cọc từ mô hình Plaxis 3D với thí nghiệm thử tĩnh cọc D1800 68

Hình 4-11 Kết quả so sánh lực dọc thân cọc từ mô hình Plaxis 3D với thí nghiệm thử tĩnh cọc D1800 69

Hình 4-12 Kết quả so sánh độ lún dọc thân cọc từ mô hình Plaxis 3D với thí nghiệm thử tĩnh cọc D1800 71

Hình 4-13 Kết quả so sánh độ lún dọc thân cọc từ mô hình Plaxis 3D với thí nghiệm thử tĩnh cọc D1800 72

Hình 4-14 Mô hình hình học phân tích chuyển vị ngang của tường vây bằng Plaxis 2D V22 75

Hình 4-15 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường Barrette bằng Plaxis 2D V22 76

Hình 4-16 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư 76

Hình 4-17 Áp lực nước Active 77

Hình 4-18 Áp lực nước Steady 77

Hình 4-19 Lưu lượng dòng thấm 78

Hình 4-20 Chuyển vị ngang của khối đất 78

Hình 4-21 Mô hình móng bè cọc liên kết với tường vây barrette bằng Plaxis 3D 81

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

Hình 4-22 Mô hình phần tử tường vây trong phần mềm Plaxis 3D 81

Hình 4-23 Mặt bằng tải trọng công trình với tổ hợp tải (DL+LL) 82

Hình 4-24 Mặt bằng bố trí cọc khoan nhồi D1500 83

Hình 4-25 Mô hình 3D trong Plaxis 3D V20 84

Hình 4-26 Độ lún của khối móng 84

Hình 4-27 Độ lún của khối đất dưới đáy móng 85

Hình 4-28 Chuyển vị ngang của đất 85

Hình 4-35 Độ lún của khối đất dưới đáy móng 89

Hình 4-36 Chuyển vị ngang của đất 90

Hình 4-44 Độ lún theo chiều dài bè với hai trường hợp 95

Hình 4-45 Độ lún theo chiều rộng bè với hai trường hợp 95

Hình 4-46 Phần trăm tham gia chịu tải của cọc khi chiều dài cọc thay đổi 100

Hình 4-47 Độ lún của cọc khi chiều dài cọc thay đổi 100

Hình 4-48 Độ lún lớn nhất của bè khi chiều dài cọc thay đổi 101

Hình 4-49 Độ lún nhỏ nhất của bè khi chiều dài cọc thay đổi 101

Hình 4-50 Phần trăm tham gia chịu tải của tường khi chiều dài cọc thay đổi 101

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

Hình 4-51 Phần trăm tham gia chịu tải của bè khi chiều dài cọc thay đổi 102

Hình 4-52 Phần trăm tham gia chịu tải của cọc khi chiều dày bè thay đổi 102

Hình 4-53 Độ lún lớn nhất của cọc khi chiều dày bè cọc thay đổi 102

Hình 4-54 Độ lún lớn nhất của bè khi chiều dày bè cọc thay đổi 103

Hình 4-55 Độ lún nhỏ nhất của bè khi chiều dày bè cọc thay đổi 103

Hình 4-56 Phần trăm tham gia chịu tải của tường khi chiều dày bè thay đổi 103

Hình 4-57 Phần trăm tham gia chịu tải của bè khi chiều dày bè thay đổi 104

Hình 4-58 Phần trăm tham gia chịu tải của cọc khi chiều sâu bè thay đổi 104

Hình 4-59 Độ lún lớn nhất của cọc khi khi chiều sâu bè thay đổi 104

Hình 4-60 Độ lún lớn nhất của bè khi chiều sâu bè thay đổi 105

Hình 4-61 Độ lún nhỏ nhất của bè khi chiều sâu bè thay đổi 105

Hình 4-62 Phần trăm tham gia chịu tải của tường khi chiều sâu bè thay đổi 105

Hình 4-63 Phần trăm tham gia chịu tải của bè khi chiều sâu bè thay đổi 106

Hình 4-64 Phần trăm tham gia chịu tải của cọc khi chiều dày tường thay đổi 106

Hình 4-65 Phần trăm tham gia chịu tải của tường khi chiều dày tường thay đổi 106

Hình 4-66 Độ lún lớn nhất của cọc khi chiều dày tường thay đổi 107

Hình 4-67 Độ lún lớn nhất của bè khi chiều dày tường thay đổi 107

Hình 4-68 Độ lún nhỏ nhất của bè khi chiều dày tường thay đổi 107

Hình 4-69 Phần trăm tham gia chịu tải của cọc khi chiều dài tường thay đổi 108

Hình 4-70 Phần trăm tham gia chịu tải của tường khi chiều dài tường thay đổi 108

Hình 4-71 Độ lún lớn nhất của cọc khi chiều dài tường thay đổi 108

Hình 4-72 Độ lún lớn nhất của bè khi chiều dài tường thay đổi 109

Hình 4-73 Độ lún nhỏ nhất của bè khi chiều dài tường thay đổi 109

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

E50ref kN/m2 E50 Modul biến dạng ứng với nửa tải trọng phá hoại

Eoedref kN/m2 Eoed là mô-đun của đất nền được xác định từ thí nghiệm nén cố kết Eurref kN/m2 Eur là mô-đun đàn hồi trong quá trình nén lại và dở

Su kN/m2 Sức kháng cắt không thoát nước

γW kN/m3 Dung trọng nước

γunsat kN/m3 Trọng lượng riêng của đất trên mực nước ngầm γsat kN/m3 Trọng lượng riêng của đất dưới mực nước ngầm Kx m/day Hệ số thấm theo phương ngang

Ky m/day Hệ số thấm theo phương đứng c kN/m2 Lực dính của đất

Rinter Hệ số tiếp xúc

Phương pháp tính toán móng bè cọc, xem như cọc chịu hoàn toàn tải trọng của công trình có ưu điểm là các bước tính toán áp dụng các lý thuyết kết cấu thông dụng, đơn giản Nhưng phương pháp này không đúng với điều kiện làm việc thực tế của công trình, không tận dụng hết khả năng chịu lực của kết cấu cũng như đất nền Kết quả là sử dụng vật liệu nhiều hơn so với các phương án móng khác

Nghiên cứu trong luận văn này nhằm phân tích các ứng xử của hệ tường vây cọc barrette - móng bè cọc cùng làm việc đồng thời, trong điều kiện địa chất điển hình ở khu vực quận Ratchathewi, Bangkok, Thái Lan nhằm tối ưu hóa kết cấu hệ tường vây cọc barrette - móng bè cọc trong công trình nhà cao tầng có tầng hầm

2 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu tổng thể của nghiên cứu này là tận dụng tối đa khả năng làm việc của tường vây cọc barrette, xem xét khả năng tham gia chịu lực trong kết cấu móng bè cọc, nhằm mục đích giảm chiều dài cọc, số lượng cọc bố trí trong bè; nghiên cứu, phân tích trong tính toán, thiết kế móng bè cọc theo quan niệm cọc chịu toàn bộ tải trọng công trình

1 Phân tích, so sánh các tham số của tường vây cọc barrette trong quá trình phân tích ổn định hố đào sâu

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 2 Phân tích ứng xử của hệ móng bè cọc có xét đến khả năng tham gia chịu tải của tường vây cọc barrette

3 Phân tích phần trăm phân chia tải trên cọc, bè, tường vây cọc barrette, trong hệ móng bè cọc

4 Tối ưu hóa giải pháp móng bè cọc - tường vây, bố trí lại số lượng cọc và chiều dài cọc trong bè móng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn này tập trung nghiên cứu ứng xử của cọc khi chịu tải, quá trình thi công hố đào và ảnh hưởng của móng bè cọc, tường barrette dưới tác dụng của tải trọng công trình bằng phần mềm Plaxis 3D, 2D

4 Phương pháp nghiên cứu

Nội dung 1: Phân tích cọc khoan nhồi đường kính 1.8m trong quá trình thử tải

Nội dung 2: Phân tích ổn định hố đào sâu được gia cố bằng Jet grouting, xác

định các tham số đất nền, tường vây cọc barrette

Mục tiêu: Nghiên cứu phương pháp Jet grouting để hạn chế nước ngầm tràn vào hố đào trong quá trình thi công hạ mực nước ngầm

Phương pháp nghiên cứu: Mô phỏng bài toán phân tích hố đào sâu có tường vây cọc barrette và trường hợp gia cố nền bằng Jet grouting phần mềm Plaxis 2D để phân tích, đánh giá

Kết quả từ mô hình được vận dụng để so sánh với các phương trình thực nghiệm, hoặc kết quả quan trắc từ hiện trường được thu thập từ cá nhân, cơ quan, tổ chức có liên quan đến dự án

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Đề tài “Nghiên cứu ứng xử của hệ tường vây - móng bè-cọc cùng chịu tải trọng công trình” giúp cho người thiết kế có thêm cơ sở lý luận chính xác hơn trong việc lựa chọn phương án thiết kế kết cấu móng bè cọc - tường vây cọc barrette cùng làm việc đồng thời hợp lý hơn về mặt kết cấu chịu lực thực tế của nền móng công trình

Đề tài nghiên cứu còn có ý nghĩa thực tiễn về vấn đề tối ưu hóa sự tham gia cùng chịu tải của bè - cọc - tường vây cọc barrette Từ đó, không làm lãng phí sức chịu tải của bè - cọc - tường vây cọc barrette Đồng thời, có thể tiết kiệm được kinh phí do giảm số lượng cọc bố trí trong bè so với việc bố trí số lượng cọc theo quan niệm tính toán cọc chịu hoàn toàn tải trọng của công trình

6 Nội dung đề tài

Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phần phụ lục

PHẦN MỞ ĐẦU: Nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG VÂY-MÓNG BÈ-CỌC CÙNG CHỊU TẢI TRỌNG CÔNG TRÌNH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG VIỆC PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY TRONG HỐ ĐÀO VÀ ỨNG XỬ TRONG MÓNG BÈ CỌC

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG VÂY-MÓNG CỌC CÙNG CHỊU TẢI TRỌNG CÔNG TRÌNH

BÈ-PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận về hệ móng bè cọc kết hợp tường vây khi chịu tải trọng của công trình Đồng thời định hướng nghiên cứu tiếp sau nghiên cứu này

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG VÂY-MÓNG BÈ-CỌC CÙNG CHỊU TẢI TRỌNG CÔNG TRÌNH

1.1 Giới thiệu móng bè cọc

Khi móng bè không đáp ứng đủ các yêu cầu về thiết kế, cọc được đưa ra để cải thiện các khả năng về: chịu tải, độ lún, độ lún lệch không đều và cả độ dày cần thiết của bè Cả hai bè và cọc được sử dụng trong một móng được gọi là móng bè cọc Khái niệm về móng bè cọc được đưa ra bởi Poulos (2001) và rất nhiều nghiên cứu khác, được mô phỏng như hình 1.1

Hình 1-1 Móng bè, móng bè cọc và móng cọc [1]

Móng bè cọc là sự kết hợp của 3 yếu tố: cọc, bè và đất Do đó ứng xử của móng bè cọc phụ thuộc vào sự tương tác giữa phần tử móng và đất Katzenbach et al (2000) đã xác định được 4 loại tương tác (hình 1.2) và điều này rất cần thiết để đưa vào trong phân tích ứng xử của móng bè cọc

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 qt = ứng suất tác dụng Qt = tải truyền đến cọc qr = áp lực truyền lên đất

(S-P) Tương tác giữa đất và cọc (S-R) Tương tác giữa đất và bè (P-R) Tương tác giữa cọc và bè (P-P) Tương tác giữa cọc và cọc

Hình 1-2 Hiệu ứng tương tác giữa đất và cấu trúc trong móng bè cọc của Katzenbach et al (1998) and Katzenbach et al (2000) [2]

Trong thiết kế móng bè cọc, có 5 vấn đề cần thiết được xem xét bao gồm: 1 Khả năng giới hạn mang tải thẳng đứng, tải ngang và môment; 2 Độ lún tổng lớn nhất;

3 Độ lún chênh lệch lớn nhất;

4 Đánh giá các giá trị về lực cắt, môment đối với kết cấu móng bè;

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 5 Đánh giá các giá trị về môment và sức chịu tải của cọc đối với thiết kế móng cọc

1.2 Điều kiện để lựa chọn móng bè cọc

Cọc barrette là một loại cọc nhồi bê tông, khác cọc khoan nhồi về hình dạng tiết diện và phương pháp tạo lỗ: tạo lỗ bằng máy đào (máy cạp) để đào đất hoặc các phương pháp khác chứ không dùng phương pháp khoan bằng máy khoan Tiết diện cọc nhồi là hình tròn còn cọc barrette là chữ nhật, chữ thập, chữ I, chữ H và được tạo lỗ bằng gầu ngoạm Cọc Barrette được người Pháp cải tiến từ cọc nhồi để tạo ra sức chịu tải lớn hơn với cùng một thể tích bê tông sử dụng

1.3 Điều kiện để lựa chọn móng bè cọc

Franke et al (2000) đã đề nghị một quy trình để lựa chọn móng bè cọc như hình 1.6 Các móng bè cọc có thể được lựa chọn nếu như một mình bè vẫn không có đủ hệ số an toàn để chống lại sự phá hoại và sự lún lệch lớn Poulos (2000) đã chỉ ra điều kiện thuận lợi và không thuận lợi cho lớp đất bên dưới khi sử dụng cho móng bè cọc như sau:

1 Tình huống thuận lợi

a Đất có cấu tạo bao gồm lớp sét tương đối cứng b Đất có cấu tạo bao gồm lớp cát tương đối dày 2 Tình huống không thuận lợi

a Đất có cấu tạo chứa các lớp sét mềm gần bề mặt b Đất có cấu tạo chứa các lớp cát không chặt gần bề mặt c Đất cấu tạo có tính chịu nén yếu ở độ sâu tương đối nông

d Đất cấu tạo đã trải qua quá trình cố kết lún do các nguyên nhân bên ngoài e Đất cấu tạo đã trải qua quá trình trương nở do các nguyên nhân bên ngoài

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 Kiểm tra khả năng sử

dụng móng bè 1 Chỉ có một mình bè, hệ số an toàn phù hợp chống lại sự phá hoại (ultimate limit state design ULS) 2 Liên quan đến chuyển vị của móng (tổng độ lún, sự lún lệch, nghiêng) phải nằm trong phạm vi cho phép (serviceability limit

Móng của nhà cao tầng

Có sử dụng số lượng nhỏ cọc bên dưới cấu trúc chịu tải lớn làm cho sự lún giữa các phần tải khác nhau là không cần thiết hoặc làm giảm ứng suất bên trong bè

Không sử dụng móng bè cọc Kiểm tra khả năng sử

dụng móng bè cọc 1 Lớp đất nền bên dưới phù hợp với móng bè cọc 2 Phải có sự làm việc đồng thời giữa bè và cọc để tăng hệ số an toàn chống lại sự phá hoại (ULS)

3 Liên quan đến chuyển vị của móng (tổng độ lún, sự lún lệch, nghiêng) phải nằm trong phạm vi cho phép (SLS)

Thay thế bằng những móng khác VD: móng cọc, móng giếng

Sử dụng móng cọc đài bè

Hình 1-3 Phương pháp chọn lựa quy trình thiết kế đơn giản cho móng bè cọc của Franke et al (2000)

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

Bảng 1-1 Móng bè cọc trên nền sét Frankfurt Katzenbach et al (2000)

Building data

Torhaus

Messeturn

Westend 1

Eurotheum

Main Tower

American Expres

s

Japan Centre

Congress Centre

Franfurter Welle

6.0 3.5 3.0-6.0 3.0-6.0 3.5 Pp(MN) 1.7-6.9 5.8-

20.1

9.2-14.9 1.8-6.1 1.4-

αpr Pile load shareTotal load

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

Hình 1-5 Mặt bằng bố trí cọc

Hình 1-6 Hình thể hiện chi tiết của công trình

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

Hình 1-7 Chi tiết mặt cắt của bè

Hình 1-8 Bố trí các vị trí quang trắc

1.5 Phương pháp phân tích móng bè cọc 1.5.1 Các phương pháp phân tích

Đã có rất nhiều phương pháp nghiên cứu được đề xuất để phân tích móng bè cọc Burland (1995) đã đề nghị một cách đơn giản hóa trong việc thiết kế móng bè cọc Trong đó cọc được thiết kế nhằm làm giảm sự lún của móng (Ghi chú chỉ sử dụng cho cọc ma sát trong đất sét) Horikoshi et al (1999) đã phát triển một phương pháp nhằm ước lượng độ lún tổng thể của móng bè cọc Poulos (2000) and Poulos (2001) cũng đã tổng kết rất nhiều phương pháp đơn giản và phương pháp số trong việc thiết kế móng bè cọc Phương pháp giải bài toán 3 chiều bằng phần tử hữu hạn (3D-FEM) được áp dụng để dự đoán ứng xử của móng bè cọc đã được Reul et al

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 (2003, 2004), Reul (2004), Katzenbach et al (2005), Lisa J Novak et al (2005), Sanctis et al (2006) Ningombam Thoiba Singh et al (2008), Phongpat Kitpayuck (2009) and JinHyung Lee et al (2010) phân tích Ngoài ra việc áp dụng các máy ly tâm trong thí nghiệm để dự đoán các hành vi ứng xử của móng bè cọc cũng được Horikoshi et al (1996, 1998), Conte et al (2003) and Vincenzo Fioravante et al (2008) phân tích

Các phương pháp được sử dụng để phân tích móng bè cọc, được chia thành 3 nhóm:

1 Đơn giản hóa phương pháp tính (e.g Poulos-Davis-Randolph (PDR) Poulos (2001a) and Burland (1995)

2 Phương pháp tính gần đúng dựa trên máy tính a Phương pháp lò xo trong dãy (e.g Poulos (1991) b Phương pháp lò xo trong tấm (e.g Russo (1998) 3 Phương pháp tính chính xác dựa trên máy tính

a Phương pháp phần tử biên (BEM) (Butterfield, et al (1971), Brown and Wiesner (1975), and Sinha (1997))

b Phương pháp kết hợp phần tử biên cho các cọc và phân tích phần tử hữu hạn cho bè (Hain and Lee (1978), Ta and Small (1996), Small and Zhang (2002) and Mendonca et al (2003)

c Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) (Katzenbach et al (2005), Sanctis et al (2006), Ningombam Thoiba Singh et al (2008) and JinHyung Lee et al (2010)

Các kết luận được rút ra từ những nghiên cứu trước của Poulos

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 1 Phương pháp đơn giản có thể được sử dụng với sự tin cậy cho mục đích thiết kế cơ sở, với những phương pháp phức tạp hơn thì được sử dụng cho giai đoạn thiết kế chi tiết

2 Phương pháp phân tích 2D như là FLAC 2D có thể dẫn đến việc ước lượng lớn về độ lún và phần trăm tải trọng tác dụng lên cọc

3 Phương pháp phân tích 3D như là FLAC 3D, có khả năng cho kết quả chính xác nhất trong các phương pháp phân tích móng bè cọc Tuy nhiên cần nhiều thời gian để tạo mô hình và chạy kết quả

4 Trong móng bè cọc luôn có sự tương tác tồn tại giữa các thành phần: cọc-cọc, cọc-bè, bè-cọc và bè-bè Những tương tác này thường được bỏ qua trong hầu hết các phân tích cấu trúc thông thường, sự tương tác này có thể thật sự được đánh giá thấp về độ lún, độ lún lệch và lượng tải được mang bởi đất xung quanh bè

Móng bè cọc có tiềm năng về kinh tế, nếu phù hợp với điều kiện địa chất bên dưới Triết lí thiết kế móng bè cọc dựa trên hai tiêu chí cơ bản: Khả năng chịu tải cuối cùng và độ lún cho phép Khi thiết kế móng bè cọc ta cần trả lời câu hỏi chính sau “Số lượng cọc tối thiểu là bao nhiêu để thêm vào bè sao cho sức chịu tải giới hạn, độ lún và độ lún lệch thỏa các tiêu chuẩn về an toàn”

1.6 Tổng kết

Hiện nay móng bè cọc được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, móng bè cọc tận dụng được khả năng chịu tải và chống lún của bè và giảm được khối lượng cọc Khi móng bè cọc kết hợp với tường vây cọc Barrette thì khả năng chịu tải của hệ móng càng tang lên từ đó có thể giảm khối lượng cọc nhiều hơn nữa

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG VIỆC PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY TRONG HỐ ĐÀO VÀ ỨNG XỬ TRONG MÓNG BÈ CỌC

2.1 Các thông số cơ bản trong mô hình Plaxis

2.1.1 Loại vật liệu đất nền “Drained, Undrained, Non-porous”

Một trong những tính chất khác biệt giữa đất và các vật liệu khác là trong đất tồn tại các dạng vật chất ở ba thể khác nhau: thể rắn (hạt đất), thể lỏng (nước), thể khí (không khí) Đặc biệt là nước gây nên áp nước lỗ rỗng làm ảnh hưởng to lớn đến ứng xử của đất nền Do đó để mô phỏng ứng xử của đất nền trong sự tương tác giữa kết cấu hạt đất với nước trong đất việc phân loại đất nền thành ba loại: thoát nước (Drained), không thoát nước (Undrained), và không thấm (Non-porous) là cần thiết

Khi đất một lớp đất nền được chọn là loại vật liệu thoát nước áp lực nước lỗ rỗng sẽ không được tạo ra trong đất, các tải ngoài sẽ chuyển toàn bộ vào ứng suất hữu hiệu của đất nền Loại vật liệu này được sử dụng cho những lớp đất nền khô ráo (bên trên mực nước ngầm), các loại đất nền có hệ số thấm cao, hay trong các phân tích công trình ở trạng thái lâu dài mà không cần kể đến tính thấm kém của đất nền và thời gian cố kết

Ngược lại với vật liệu thoát nước, khi đất nền được thiết lập là vật liệu không thoát nước áp lực nước lỗ rỗng sẽ được tạo ra trong đất nền Dòng thấm trong đất nền có thể được bỏ qua do tính thấm kém của vật liệu, hệ số tải ngoài cao hay tiến hành phân tích trong trường hợp tức thời Khi các lớp đất nền được chọn thuộc tính không thoát nước thì chúng ứng xử không thoát nước hoàn toàn mặc dù lớp đất đó nằm trên mực nước ngầm Tuy nhiên các thông số nhập vào trong lớp đất nền lại là các thông số thoát nước vì mặc định Plaxis sẽ sử dụng những công thức tương quan để chuyển những thông số này về thông số không thoát nước

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 Đối với thuộc tính non-porous thì cả áp lực nước ban đầu và áp lực nước lỗ rỗng đều không được tạo ra trong vật liệu này Thuộc tính này thường kết hợp với kiểu mô hình đàn hồi dùng để mô phỏng các loại vật liệu bê tông, xi măng đất … Đối với loại vật liệu này không có sự phân biệt giữa dung trọng tự nhiên và dung trọng bão hoà

Việc lựa chọn loại vật liệu trong quá trình phân tích một bài toán là rất quan trọng vì nó quyết định ứng xử của đất nền và phương pháp phân tích Do đó việc lựa chọn loại vật liệu theo những kinh nghiệm và cảm nhận chủ quan của người phân tích dựa trên hệ số thấm, loại đất có thể dưa đến những kết quả phân tích không tin cậy Vermeer & Meier (1998) đã đưa ra một công thức giúp xác định loại vật liệu trong qua trình phân tích hố đào sâu

- t: thời gian thi công

- Khi T <0.1 đất nền ứng xử không thoát nước, T>0.4 đất nền ứng xử thoát nước

2.1.2 Dung trọng không bão hoà và dung trọng bão hoà

Dung trọng không bão hoà ( 6789:) và dung trọng bão hoà ( 89:) là dung trọng đơn vị của đất nền bao gồm cả nước trong các lỗ rỗng của kết cấu khung hạt đất Dung trọng không bão hoà đại diện cho dung trọng đơn vị của lớp đất nằm trên mực nước ngầm và dung trọng bão hoà là cho lớp đất nằm dưới mực nước ngầm Trong thực tế thì lớp đất nằm trên mực nước ngầm không hoàn toàn khô ráo do hiện tượng mao dẫn do đó không nên gán thông số dung trọng không bão hoà là dung trọng khô

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 của đất mà nên chọn là dung trọng tự nhiên của đất Dung trọng bão hoà được tính toán thông qua một công thức tương quan với các thông số khác

89: = <=8+ )1 + <2.2) Trong đó:

Plaxis cũng cung cấp thêm tính năng thay đổi hệ số thấm thông qua sự thay đổi hệ số rỗng e

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 công trình Vì vậy thông số về độ cứng của đất nền là thông số quan trọng trong các mô hình tính toán

Độ cứng của đất nền bao gồm các thông số là mô-đun E, mô-đun biến dạng cắt G, mô-đun biến dạng thể tích K và hệ số Poisson ν Theo lý thuyết đàn hồi các thông số này có mối liên hệ với nhau thông qua biểu thức sau:

= = 2<1 + G); I = 3<1 − 2G) <2.4)

Khác với các vật liệu thông thường khác, giá trị mô-đun E của đất nền không là một giá trị cố định Tuỳ theo phương pháp xác định ta có mô-đun tiếp tuyến hay cát tuyến trong các đường cong ứng suất biến dạng, ứng với các mức độ biến dạng ta lại có các giá trị mô-dun E của đất nền khác nhau, nếu xét đến biến dạng tổng và biến dạng đàn hồi thì mô-đun E lại phân thành mô-đun biến dạng và mô-đun đàn hồi Đất nền là vật liệu không đẳng hướng nên ứng với các phương khác nhau giá trị mô-đun lại khác nhau.Ứng với các lộ trình ứng suất ta lại có các mô-đun E dỡ tải, nén lại và mô-đun E nén chính

Mô-đun E oedonmeter là mô-đun của đất nền được xác định từ thí nghiệm nén cố kết Theo lý thuyết đàn hồi, mô-đun oedonmeter và mô-đun đàn hồi liên hệ với nhau theo công thức:

LMN =<1 − 2G)<1 + G) <2.5)<1 − G)

Ứng xử của đất nền chịu ảnh hưởng của nước trong đất nền nên khi xét đến thuộc tính thoát nước và không thoát nước của đất nền ta lại phân ra thành thông số độ cứng hữu hiệu (E’, G, K’, GO) và thông số độ cứng không thoát nước (Eu, G, Ku, G6)

=6 =2<1 + G6

6) = =O =

2<1 + GO) <2.6)

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 I6 =3<1 − 2G6

2.1.5 Thông số sức kháng cắt của đất nền

Nếu như thông số độ cứng quyết định biến dạng của đất nền thì thông số sức kháng cắt, chủ yếu là c và φ, quyết định cường độ của đất nền và mặt chảy dẻo trong các mô hình nền Trong Plaxis, tuỳ theo phương pháp và mục đích phân tích mà thông số sức chống cắt có thể thoát nước (c’, φ’) hay không thoát nước(cu, φu=0)

Thông số sức chống cắt thoát nước có thể sử dụng cả trong trường hợp loại đất nền được thiết lập là thoát nước (Drained) và không thoát nước (Undrained) Tuy nhiên việc sử dụng sức chống cắt thoát nước trong trường hợp đất nền được thiết lập là không thoát nước có thể dẫn đến sự sai lệch giữa thông số sức chống cắt không thoát nước trong mô hình và trong thực tế vì sự khác biệt về lộ trình ứng suất giữa mô hình và thực tế Đặc biệt trong mô hình Morh-Coulomb, sự kết hợp này dẫn đến

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 việc sức chống cắt không thoát nước trong mô hình lớn hơn thực tế Trong các mô hình tiên tiến hơn (Hardening Soil Model, Soft Soil Creep…) thì mô phỏng tốt hơn mô hình Morh-Coulomb nhưng trong mọi trường hợp cần có sự so sánh giữa việc tính toán từ mô hình với sức chống cắt không thoát nước thực tế (|Q[− Q\| ≤ 2F6) Ở một khía cạnh khác, sự kết hợp này giúp người phân tích thấy được sự thay đổi sức chống cắt theo quá trình cố kết Plaxis cũng có thể phân tích khi thông số sức chống cắt thoát nước c’=0, tuy nhiên trong một số trường hợp thì không nên vì sẽ gây những phức tạp trong ma trận tính toán Do đó, đối với những người chưa có kinh nghiệm nên nhập giá trị c’ nhỏ nhất là 0.2 KPa

Sức chống cắt không thoát nước sử dụng được trong trường hợp đất nền được thiết lập là không thoát nước trong các mô hình nền là Morh-Coulomb và Hardening Soil Khi đất nền được thiết lập là thoát nước kết hợp với thông số sức chống cắt không thoát nước thì đây là trường hợp phân tích ứng suất tổng chỉ ứng dụng được cho mô hình Morh-Coulomb Trong các trường hợp này, thì sức chống cắt của đất nền không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất và lộ trình ứng suất

Một thông số cũng liên quan đến sức chống cắt là góc giãn nở ở ψ (psi) Góc giãn nở ở ψ chỉ được chú ý đến đối với những loại đất sét cố kết nặng và đất cát chặt Khi góc ma sát nhỏ hơn 30 độ thì góc giãn nở bằng 0 Trong trường hợp đất cát từ khoáng thạch anh thì góc giãn nở có thể tính gần đúng ψ=φ-30 Khi đất nền thiết lập là không thoát nước thì việc sử dụng góc giãn nở nên cẩn thận vì sẽ đưa đến trường hợp không xác định được cường độ của đất nền

2.2 Các mô hình đất nền trong Plaxis

Có rất nhiều mô hình nền trong Plaxis, tuy nhiên trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu và phân tích trên hai mô hình nền: Morh-Coulomb Model và Hard-ening Soil Model

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

2.2.1 Mô hình Morh-Coulomb 2.2.1.1 Tổng quát về mô hình

Mô hình Morh-Coulomb là mô hình đàn dẻo lý tưởng Mô hình này thích hợp cho mọi loại đất Vì tính đơn giản và dễ sử dụng mà mô hình này thường được sử dụng trong giai đoạn đầu của quá trình tính toán Trong các trường hợp trạng thái ứng suất, thì quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mô hình là tuyến tính trong miền đàn hồi được mô tả thông qua 2 thông số độ cứng mô-đun Young E và hệ số Poisson ν Trong khi đó tiêu chuẩn về phá hoại của của đất nền được qui định bởi hai thông số sức chống cắt c, φ

Trong mô hình Plaxis biến dạng được định nghĩa gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi R^M và biến dạng dẻo R^_

R^ = R^M + R^_ <2.10) Theo lý thuyết đàn hồi:

3

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006

Hình 2-1 Ý tưởng cơ bản của mô hình đàn dẻo lý tưởng

Smith & Griffith, 1982; Vermeer & de Borst, 1984 đã đưa ra phương trình thể hiện mối liên hệ giữa ứng suất hữu hiệu và biến dạng trong mô hình đàn dẻo

Q^ = d`M −e`M bcbQO

b f

bQO `Mg R^ <2.14) Trong đó:

=bbQ′ `f M bc

bQ′ <2.15)f là hàm chảy dẻo:

1=σ−σ+σ+σϕ−c ϕ≤

2=σ−σ+σ+σϕ−c ϕ≤