Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích ứng xử của hệ móng bè-cọc-đệm vật liệu rời

- - LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN HUYNH

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ MÓNG BÈ – CỌC- ĐỆM VẬT LIỆU RỜI

STUDY ON THE BEHAVIORS OF THE RAFT FOUNDATION –PILE – CUSHION SYSTEM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2022

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ BÁ VINH Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS TÔ VĂN LẬN Cán bộ chấm nhận xét 2: TS LÊ TRỌNG NGHĨA

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ngày 15 tháng 7 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS TS VÕ PHÁN - Chủ tịch 2 TS LÊ TRỌNG NGHĨA - Phản biện 1 3 PGS.TS TÔ VĂN LẬN - Phản biện 2 4 PGS.TS NGUYỄN ANH TUẤN - Ủy viên 5 TS NGUYỄN TRUNG KIÊN - Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa Kỹ thuật Xây dựng sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -

-oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HUYNH Ngày, tháng, năm sinh : 17/09/1998 Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng

MSHV: 2070684 Nơi sinh: Thái Bình Mã số: 8580211

I- TÊN ĐỀ TÀI:

STUDY ON THE BEHAVIORS OF RAFT FOUNDATION - PILE – CUSHION SYSTEM

II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Nhiệm vụ: Nghiên cứu phân tích ứng xử của hệ móng bè - cọc – đệm vật liệu rời, đưa ra cơ sở

lý luận trong việc thiết kế móng bè- cọc có thêm đệm vật liệu rời Nội dung:

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/09/2021

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:06/06/ 2022 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ BÁ VINH

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện luận văn của mình, tôi đã nhận được rất nhiều sự chỉ dẫn, giúp

đỡ tận tình của thầy PGS.TS LÊ BÁ VINH cùng với quý thầy cô trong bộ môn địa cơ nền

móng Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc nhất của mình đến quý thầy cô Những kiến thức và kinh nghiệm mà các thầy cô đã truyền đạt cho tôi là nền tảng, chìa khóa để tôi có thể hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Luận văn thạc sĩ của học viên khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự chỉ dẫn của quý thầy cô để tôi củng cố và hoàn thiện kiến thức của mình hơn

Xin cảm ơn các anh chị khóa trước đã giúp đỡ em về phần mềm, tài liệu và giải đáp những thắc mắc Cảm ơn toàn thể các bạn học viên đã từng đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian qua Lời cảm ơn sâu sắc nhất, con xin gửi đến bố mẹ và em đã động viên tinh thần con rất nhiều trong suốt thời gian học tập cũng như làm luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chúc quý thầy cô hành công và luôn dồi dào sức khỏe để có thể tiếp tục sự nghiệp truyền đạt kiến thức cho thế hệ sau

Tôi xin chân thành cảm ơn

Thành phố HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2022 Học viên

NGUYỄN HUYNH

TÓM TẮT

Phần nền móng công trình là vấn đề được sự quan tâm nhiều của xã hội, hầu hết các sự cố đều liên quan đến phần này Lựa chọn giải pháp cho phần nền móng nhà cao tầng nói riêng và các công trình nói chung là một vấn đề quan trọng vì nó ảnh hưởng nhiều đến tiến độ cũng như suất đầu tư của công trình Chính vì thế cần phải có một giải pháp tối ưu cho công trình Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về móng bè- cọc đã và đang phát triển với sự giúp đỡ của các phần mềm hiện đại ứng dụng các lý thuyết về ứng xử của đất và giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các nghiên cứu này đặt ra nhiều vấn đề về móng bè- cọc do phương án móng bè- cọc tối ưu hơn so với phương án cọc chịu tải hoàn toàn do có thể khai thác thêm được sức chịu tải của phần bè Tuy nhiên móng bè- cọc vẫn chưa được áp dụng phổ biến ở Việt Nam do còn nhiều lo ngại Do đó cần thiết phải nghiên cứu thêm về móng bè- cọc Cụ thể là phương án móng bè- cọc hiện chưa có nghiên cứu về vấn đề cọc và bè không liên kết, xử lý bằng một lớp đệm vật liệu rời Học viên tin tưởng đây sẽ là một chủ đề mới có tính ứng dụng trong thực tế Trong luận văn này học viên sử dụng phương pháp nghiên cứu chính là mô hình bằng plaxis 3d Mô hình này sinh viên thực hiện khai báo bè- cọc không liên kết và tiến hành thay đổi các điều kiện như chiều dày bè, chiều dày lớp đệm vật liệu rời, độ cứng của đệm vật liệu rời, thay đổi số lượng cọc và đường kình cọc trong bè Sau khi tiến hành khảo sát hết các biến trên, sinh viên tiến hành bắt đầu áp dụng vào công trình thực tế kingdom 101 trên một đài lớn

Kết quả đạt được của đề tài là đưa ra các điều kiện tối ưu về hệ bè – cọc – đệm vật liệu rời (chiều dài cọc, bề dày bè, bề dày lớp đệm, cách phân bố cọc) Áp dụng để xem xét tính kinh tế, khả năng tối ưu của phương án so với phương án thông thường

Từ các kết quả của luận văn, học viên tin tưởng rằng hệ móng bè – cọc – đệm vật liệu rời có tính ứng dụng rất cao, đẩy nhanh tiến độ thi công, tiết kiệm vật liệu đem lại hiệu quả kinh tế cho xã hội

ABSTRACT

At present, many studies about piled raft foundation have developed with the helping of modern software based on behavior of soil and finite element method A lot of research studied about pile raft foundation have the result piled raft foundation is better than the traditional pile foundation because strengthen of soil can be exploited However, piled raft foundation is not approval to real structural in Vietnam, because of the concern about the soil is spongy But this problem can be solved with new modern method improving soil strengthen It is necessary to study more about piled raft foundation

The study method is using software plaxis 3d Study on effect of pile length, raft thickness, cushion thickness, number of pile in behavior of raft foundation –pile – cushion system After all the result of analyzing, applied in kingdom 101 in one foundation

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy

PGS.TS LÊ BÁ VINH Các kết quả đạt được trong luận văn này là đúng sự thật và chưa

được công bố ở các nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm về kết quả thực hiện của mình Thành phố HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2022

Học viên

NGUYỄN HUYNH

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Phạm vi nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ MÓNG BÈ - CỌC – ĐỆM VẬT LIỆU RỜI 2

1.1 Giới thiệu 2

1.2 Cơ chế làm việc của móng bè - cọc - đệm vật liệu rời: 2

1.3 Một số ưu điểm của móng bè - cọc - đệm vật liệu rời 4

1.4 Vấn đề thiết kế móng bè - cọc - đệm vật liệu rời 4

1.5 Các quan điểm thiết kế hiện nay 4

1.5.1 Quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn 4

1.5.2 Quan điểm bè- cọc đồng thời chịu tải 5

1.5.3 Quan điểm tính bè - cọc - đệm vật liệu rời 6

1.6 Các công trình trên thế giới sử dụng móng bè- cọc 7

1.7 Nhận xét về các kết quả đã đạt được trong nghiên cứu móng bè – cọc – đệm vật liệu rời 8 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH HỆ MÓNG BÈ - CỌC – ĐỆM VẬT LIỆU RỜI 9

2.1 Các phương pháp phân tích giản lược [5] 10

2.1.1 Phương pháp Poulos - Davis - Randolph (PDR) 10

2.1.2 Phương pháp của Burland (1995) 13

2.3.1 Phương pháp phần tử biên (BEM) 15

2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 16

2.4 Tương tác trong hệ bè cọc đệm vật liệu rời [3] 17

2.5 Một số nghiên cứu hệ móng bè - cọc- đệm vật liệu rời 21

2.5.1 Fa- Yun Liang, Long Zhu Chen, Xu- Guang Shi [4] 21

2.5.2 Xiao Dong Cao, Ing Hieng Wong, Ming-Fang Chang [6] 22

2.5.3 Alaa Ata, Essam Badrawi, Marwa Nabil [1] 23

3.2 Mô hình kiểm chứng của hệ móng bè-cọc-đệm vật liệu rời 26

3.3 Các mô hình nghiên cứu 32

3.4 Đánh giá bè – cọc – đệm vật liệu rời so với phương án bè- cọc thông thường 34

3.5 Ảnh hưởng của chiều dầy đệm đến hệ móng bè – cọc – đệm vật liệu rời 39

3.6 Phân tích ảnh hưởng module đàn hồi của đệm vật liệu rời đến móng bè –cọc –đệm vật liệu rời 42

3.7 Phân tích ảnh hưởng của số lượng cọc đến ứng xử của hệ bè - cọc - đệm vật liệu rời 45

3.8 Phân tích ảnh hưởng của đường kính cọc đến hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời 48

3.9 Phân tích ảnh hưởng bề dày bè đến ứng xử của hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời 51

4.1.2 Điều kiện địa chất 59

4.2 Tính toán thiết kế sơ bộ móng bè- cọc 64

4.2.1 Tính sức chịu tải của cọc đơn 64

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.Sự làm việc của móng bè- cọc, bè – cọc – đệm vật liệu rời 3

Hình 1.2 Các đường đẳng ứng suất của cọc đơn và nhóm cọc 4

Hình 1.3.Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún theo các quan điểm thiết kế 6

Hình 1.4 a) Tòa nhà Incheon 151 Tower; b) Mặt bằng cọc công trình 8

Hình 2.1 Mô hình bè - cọc đơn giản 11

Hình 2.2 Quan hệ giữa độ lún và tải trọng 12

Hình 2.3.Bố trí cọc giảm lún, và tính toán móng bè điều chỉnh (Poulos, 2001) 13

Hình 2.4 Đường cong Tải – Lún tính toán cho móng bè (Poulos, 2001) 13

Hình 2.5 Phương pháp dãy móng trên nền lò xo theo Poulos (1991) 14

Hình 2.6 Mô phỏng cọc và nền 15

Hình 2.7 Ma sát trong cọc trong trường hợp bè – cọc thông thường và bè – cọc – đệm vật liệu rời 18

Hình 2.8 Biến dạng ngang trong vùng diện tích đệm giữa bè và đầu cọc 20

Hình 2.9 Quan hệ giữa αav và q tại các tỉ lệ h/d khác nhau 20

Hình 2.10 So sánh giữa độ cứng nén theo phương pháp số và lý thuyết trong vùng đệm bị nén giữa cọc và bè ở các độ dày đệm khác nhau 20

Hình 2.11 Ảnh hưởng của các thông số hình học / cơ học đến độ cứng nén trong vùng đệm giữa bè và đầu cọc 21

Hình 2.12 Mô hình sử dụng của Fa- Yun Liang, Long Zhu Chen, Xu- Guang Shi 22

Hình 2.13 Chi tiết dụng cụ thí nghiệm của Xiao Dong Cao, Ing Hieng Wong, Ming-Fang Chang 22

Hình 2.14.Sơ đồ đặt tải của Xiao Dong Cao, Ing Hieng Wong, Ming-Fang Chang 23

Hình 2.15 Mô hình sử dụng của Alaa Ata, Essam Badrawi, Marwa Nabil 23

Hình 2.16 Sơ đồ thí nghiệm của Xiao-jun Zhu 24

Hình 3.1 Mô hình kiểm chứng [2] 27

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng plaxis 3d 28

Hình 3.3 Kết quả độ lún của các trường hợp xem xét của bài báo [3] 28

Hình 3.4 Kết quả độ lún của học viên mô phỏng bằng plaxis 3d trường hợp chỉ có bè 29

Hình 3.5 Kết quả độ lún của học viên mô phỏng bằng plaxis 3d trường hợp h=0.5m 29

Hình 3.6 Kết quả độ lún của học viên mô phỏng bằng plaxis 3d trường hợp h=1m 30

Hình 3.7 Kết quả độ lún của học viên mô phỏng bằng plaxis 3d trường hợp h=2m 30

Hình 3.8 Kết quả lực dọc trong các cọc ở trường hợp h=0.5m trong nghiên cứu của nhóm tác giả f Tradigo, f Pisanò, c Di prisco [3] 31

Hình 3.9 Kết quả moment trong các cọc ở trường hợp h=0.5m trong nghiên cứu của nhóm tác giả f Tradigo, f Pisanò, c Di prisco [3] 31

Hình 3.10 Lực dọc trong cọc p1, p2 và p3 (trái), moment trong cọc p2, p3 (phải) 32

Hình 3.11 Mô hình plaxis 3d sử dụng trong nghiên cứu 33

Hình 3.12 Các kích thước bè - cọc - đệm vật liệu rời 33

Hình 3.13 Mặt bằng bè – cọc – đệm vật liệu rời được nghiên cứu 33

Hình 3.14 Lực dọc trong cọc p3 35

Hình 3.15 Moment trong cọc p3 36

Hình 3.16 Độ lún của các hệ móng xem xét với mặt cắt đi qua tâm bè 36

Hình 3.17 Lực dọc trong cọc P1 37

Hình 3.18 Biểu đồ moment trong bè của các trường hợp được xem xét tại mặt cắt qua tâm bè

37

Hình 3.19 Tỉ lệ chia tải cho các cọc ở 2 trường hợp bè - cọc - đệm vật liệu rời và bè- cọc truyền thống 38

Hình 3.20 Lực dọc trong cọc P3 khi thay đổi bề dày đệm từ 0.25m đến 1.5m 39

Hình 3.21 Độ lún trong bè khi thay đổi bề dày đệm từ 0.25m đến 1.5m 39

Hình 3.22 Lực dọc trong cọc P1 khi thay đổi bề dày đệm từ 0.25m đến 1.5m 40

Hình 3.23 Moment trong bè khi thay đổi bề dày đệm từ 0.25m đến 1.5m 40

Hình 3.24 Lực cắt trong bè khi thay đổi bề dày đệm từ 0.25m đến 1.5m 41

Hình 3.25 Tỉ lệ chia tải cho các cọc khi thay đổi bề dày đệm từ 0.25m đến 1.5m 41

Hình 3.26 Lực dọc trong cọc P3 khi thay đổi module đàn hồi đệm từ 50000kN/m² đến 3.4x107kN/m² 42

Hình 3.27 Tỉ lệ chia tải cho các cọc khi thay đổi thay đổi module đàn hồi đệm từ 50000kN/m² đến 3.4x107 kN/m² 43

Hình 3.28 Lực dọc trong cọc P1 khi thay đổi thay đổi module đàn hồi đệm từ 50000kN/m² đến 3.4x107 kN/m² 43

Hình 3.29 Độ lún trong bè khi thay đổi bề thay đổi module đàn hồi đệm từ 50000kN/m² đến 3.4x107 kN/m² 44

Hình 3.30 Lực cắt trong bè khi thay đổi thay đổi module đàn hồi đệm từ 50000kN/m² đến 3.4x107 kN/m² 44

Hình 3.31 Moment trong bè khi thay đổi thay đổi module đàn hồi đệm từ 50000kN/m² đến 3.4x107 kN/m² 45

Hình 3.32 Lực dọc và lực cắt cọc P3 khi thay đổi số lượng cọc từ 4 cọc lên 25 cọc 46

Hình 3.33 Tỉ lệ chia tải cho các cọc khi thay đổi số lượng cọc từ 1 cọc lên 25 cọc 46

Hình 3.34 Lực dọc trong cọc P1 khi thay đổi số lượng cọc từ 1 cọc lên 25 cọc 47

Hình 3.35 Độ lún trong bè khi thay đổi số lượng cọc từ 1 cọc lên 25 cọc 47

Hình 3.36 Lực dọc trong cọc P3 khi thay đổi đường kính cọc từ 0.8m lên 1.5m 48

Hình 3.37 Moment trong cọc P3 khi thay đổi đường kính cọc từ 0.8m lên 1.5m 49

Hình 3.38 Độ lún trong bè khi thay đổi đường kính cọc từ 0.8m lên 1.5m 49

Hình 3.39 Lực dọc trong cọc P1 khi thay đổi đường kính cọc từ 0.8m lên 1.5m 50

Hình 3.40 Lực cắt trong bè khi thay đổi đường kính cọc từ 0.8m lên 1.5m 50

Hình 3.41 Moment trong bè khi thay đổi đường kính cọc từ 0.8m lên 1.5m 51

Hình 3.42 Tỉ lệ chia tải cho các cọc khi thay đổi đường kính cọc từ 0.8m lên 1.5m 51

Hình 3.43 Lực dọc và lực cắt cọc P3 khi thay đổi bề dày bè từ 1m lên 4m 52

Hình 3.44 Moment trong cọc P3 khi thay đổi bề dày bè từ 1m lên 4m 53

Hình 3.45 Độ lún trong bè khi thay đổi bề dày bè từ 1m lên 4m 53

Hình 3.46 Lực dọc trong cọc P1 khi thay đổi bề dày bè từ 1m lên 4m 54

Hình 3.47 Lực cắt trong bè khi thay đổi bề dày bè từ 1m lên 4m 54

Hình 3.48 Moment trong bè khi thay đổi bề dày bè từ 1m lên 4m 55

Hình 3.49 Tỉ lệ chia tải cho các cọc khi thay đổi bề dày bè từ 1m lên 4m 55

Hình 4.1 Mô hình bằng chương trình ETABS 57

Hình 4.2 Mặt bằng phản lực chân cột của công trình (kN) 58

Hình 4.3 Mặt cắt địa chất 59

Hình 4.4 Sơ đồ bố trí móng 64

Hình 4.5 Mặt bằng bố trí cọc khoan nhồi 67

Hình 4.6 Mặt bằng bố trí cọc khoan nhồi theo phương án bè - cọc - đệm vật liệu rời 68

Hình 4.7 Mô hình sử dụng để mô phỏng thí nghiệm thử tĩnh cọc 69

Hình 4.8 Biểu đồ quan hệ tải trọng độ lún trong thí nghiệm nén tĩnh cọc và Plaxis 3d 72

Hình 4.9 Độ lún trong bè của mô hình bè- cọc gốc 72

Hình 4.10 Lực cắt Q23 trong bè của mô hình bè- cọc gốc 73

Hình 4.11 Lực cắt Q13 trong bè của mô hình bè- cọc gốc 73

Hình 4.12 Moment M11 trong bè của mô hình bè- cọc gốc 74

Hình 4.13 Moment M22 trong bè của mô hình bè- cọc gốc 74

Hình 4.14 Lực dọc trong cọc của mô hình bè- cọc gốc 75

Hình 4.15 Lực cắt trong cọc của mô hình bè- cọc gốc 76

Hình 4.16 Moment trong cọc của mô hình bè- cọc gốc 77

Hình 4.17 Độ lún trong mô hình bè - cọc - đệm vật liệu rời 77

Hình 4.18 Lực cắt Q23 trong bè của mô hình bè - cọc - đệm vật liệu rời 78

Hình 4.19 Lực cắt Q13 trong mô hình bè - cọc - đệm vật liệu rời 78

Hình 4.20 Moment M11 trong mô hình bè - cọc - đệm vật liệu rời 79

Hình 4.21 Moment M22 trong mô hình bè - cọc - đệm vật liệu rời 79

Hình 4.22 Lực dọc trong các cọc trong mô hình bè - cọc - đệm vật liệu rời 80

Hình 4.23 Lực cắt trong các cọc trong mô hình bè- cọc - đệm vật rời 81

Hình 4.24 Moment trong các cọc trong mô hình bè- cọc - đệm vật rời 82

Hình 4.25 Tỉ lệ chia tải cho các cọc trong 2 trường hợp bè- cọc truyền thống và bè - cọc - đệm vật liệu rời 82

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các công trình trên thế giới sử dụng móng bè- cọc 7

Bảng 2.1 Bảng liệt kê các phương pháp cũng như khả năng dự đoán tính toán đặc trưng móng bè- cọc của từng phương pháp [5] 10

Bảng 3.1.các thông số vật liệu được sử dụng [3] 26

Bảng 3.2.các thông số mô hình được mô phỏng kiểm chứng 27

Bảng 3.3 So sánh kết quả mô hình plaxis 3d và kết quả của nhóm tác giả bài báo 32

Bảng 3.4 Tổng hợp các thông số phân tích hệ bè - cọc - đệm vật liệu rời 34

Bảng 4.1.Cao độ mỗi tầng 58

Bảng 4.2 Hệ số tỷ lệ k theo công thức (A.1) 65

Bảng 4.3 Hệ số tỉ lệ K từng lớp đất bao quanh cọc (A.1 Phụ lục A 10304) 65

Bảng 4.4 Bảng tính sức kháng hông theo viện kiến trúc Nhật Bản 66

Bảng 4.5 Bố trí cọc trong đài móng 67

Bảng 4.6 Bố trí cọc trong đài móng 68

Bảng 4.7 Thông số vật liệu được sử dụng 69

Bảng 4.8 Quy trình gia tải trong thí nghiệm nén tĩnh 70

Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm nén tĩnh 71

PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Có thể thấy trong những năm vừa qua ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về móng bè- cọc, tuy nhiên vẫn chưa có ứng dụng đáng kể nào vào thực tiễn, một phần do các kĩ sư chưa thực sự tin tưởng vào các kết quả trong nước và quốc tế, một phần nữa là do các công trình sử dụng đến hệ thống móng bè- cọc thường chịu tải trọng rất lớn, có tầm quan trọng cao Nhưng những nghiên cứu này vẫn mang tính lập lại và trong nhiều năm vừa qua vẫn chưa có thêm những hướng nghiên cứu mới Một hướng đi khác khi nghiên cứu về móng bè- cọc là sử dụng hệ bè và cọc không liên kết với nhau thay vì cọc phải ngàm vào bè như hiện nay, thay vào đó ngăn cách giữa bè và cọc là một lớp đệm vật liệu rời, chính lớp đệm này sẽ giúp phân phối tải giữa bè và cọc, giảm tải cho cọc và khai thác them sức chịu tải của lớp đất dưới bè từ đó đem lại hiệu quả kinh tế cho chủ đầu tư Hệ bè- cọc không liên kết này sẽ được học viên nghiên cứu bằng phần mềm Plaxis 3d để tìm ra mối quan hệ giữa bè, cọc và lớp đệm vật liệu rời đền sự phân chia tải trọng giữa bè và cọc Vì các yếu tố trên học viên quyết định chọn đề tài “Phân tích ứng xử của hệ móng bè - cọc – đệm vật liệu rời”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân phối lại tải trọng giữa cọc và bè trong hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời Từ đó đưa ra thiết kế tối ưu cho công trình sử dụng hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời

Các yếu tố được xem xét:

₋ Ảnh hưởng của chiều dày lớp đệm vật liệu rời

₋ Ảnh hưởng của module đàn hồi của lớp đệm vật liệu rời ₋ Ảnh hưởng của cọc (số lượng cọc, đường kính cọc) ₋ Ảnh hưởng của chiều dày bè

₋ Tối ưu hóa giải pháp sử dụng hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời, bố trí lại số lượng cọc và chiều dài cọc trong bè móng

3 Phương pháp nghiên cứu

Học viên sử dụng phần mềm Plaxis 3d, để nghiên cứu các ảnh hưởng của các yếu tố đến sự phân bố tải giữa bè và cọc trong hệ bè - cọc - đệm vật liệu rời

4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời trên các điều kiện giả định, thay đổi nhiều yếu tố để tìm ra mối quan hệ giữa bè, cọc và lớp đệm vật liệu rời Từ đó chọn một móng của công trình Kingdom 101 qui mô 30 tầng nổi, 2 tầng hầm tại quận 10, Tp Hồ Chí Minh

5 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài

Đề tài: “phân tích ứng xử của hệ móng bè - cọc – đệm vật liệu rời” sẽ mang lại một hướng thiết kế mới dựa trên các cơ sở nghiên cứu sẵn có và nghiên cứu này về hệ móng bè- cọc không liên kết Mang lại hiệu quả kinh tế hơn cho chủ đầu tư so với phương án thiết kế hiện nay Góp phần mang lý thuyết về hệ móng bè- cọc – đệm vật liệu rời nói riêng và móng bè- cọc nói chung vào thực tiễn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ MÓNG BÈ - CỌC – ĐỆM VẬT LIỆU RỜI 1.1 Giới thiệu

Nhà cao tầng ngày càng được xây dựng nhiều ở các thành phố lớn của Việt Nam Công tác thiết kế nền móng công trình cao tầng là một trong những bài toán kỹ thuật và kinh tế phức tạp Móng bè- cọc có rất nhiều ưu điểm so với các loại móng khác, như khi chịu lực tải trọng lớn, độ cứng lớn, liên kết giữa bè và kết cấu chịu lực bên trên như vách, cột có độ cứng lớn phù hợp sơ đồ làm việc của công trình

Móng bè- cọc là một hệ thống móng kết hợp, bao gồm các phần tử chịu lực như bè móng, các cọc và đất nền bên dưới Móng bè- cọc có cấu tạo gồm hai phần như sau:

+ Bản móng có nhiệm vụ liên kết các đầu cọc lại với nhau thành khối và phân phối lại tải trọng từ chân kết cấu cho các cọc, đồng thời truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa đáy bè và đất nền

+ Cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức kháng hông Có nhiều cách bố trí cọc trong mặt bằng đài cọc nhằm đảm bảo điều kiện kinh tế và kỹ thuật Bố trí cọc trong đài tùy thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm giảm lún lệch, giảm áp lực lên nền ở đáy bè hay giảm nội lực trong bè Cách bố trí cọc trong đài thường theo nguyên tắc trọng tâm nhóm cọc trùng hoặc gần với trọng tâm tải trọng công trình Giải pháp này có ưu điểm là tải trọng xuống cọc được phân bố hợp lí; tính làm việc tổng thể của nhóm cọc tốt Các cọc dưới bè có thể là cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, cọc khoan nhồi hoặc cọc baret

So với móng bè- cọc thông thường thì móng bè - cọc - đệm vật liệu rời các cọc không liên kết với bè mà được ngăn cách bởi một lớp đệm vật liệu rời được thêm vào nhằm mục đích khai thác tốt hơn sức chịu tải của đất nền

Sự nghiên cứu về móng bè- cọc trong các năm vừa qua đã đạt được nhiều thành tựu Tuy vẫn chưa được ứng dụng vào thực tiễn, nhưng đã có rất nhiều nghiên cứu được công bố Với nghiên cứu này, học viên đi theo một hướng mới về móng bè- cọc đó là hệ móng bè- cọc trên đệm vật liệu rời với các cọc không liên kết với bè mà ngăn cách bằng lớp đệm vật liệu rời Từ đó hi vọng đem lại một hướng thiết kế mới cho móng bè – cọc

1.2 Cơ chế làm việc của móng bè - cọc - đệm vật liệu rời:

Đặc điểm nổi bật của móng bè - cọc là sự ảnh hưởng tương hỗ giữa đất và kết cấu móng trong quá trình chịu tải theo các ảnh hưởng sau:

+ Sự tương tác giữa cọc và đất; + Sự tương tác giữa cọc và cọc; + Sự tương tác giữa đất và móng bè; + Sự tương tác giữa cọc và móng bè;

+ Sự tương tác giữa lớp đệm vật liệu rời và bè; + Sự tương tác giữa đệm vật liệu rời và cọc

Hình 1.1.Sự làm việc của móng bè- cọc, bè – cọc – đệm vật liệu rời

Khi kể tới ảnh hưởng của đài cọc, nền đất dưới đáy đài và cọc cho thấy cơ cấu truyền tải trọng như sau:

+ Sự làm việc của đài cọc: Tải trọng từ công trình truyền xuống móng Đài cọc liên kết các

đầu cọc thành một khối và phân phối lại tải trọng tập trung tại các vị trí chân cột, vách cho đệm vật liệu rời Ở một mức độ nhất định nó có khả năng giảm lún lệch

+ Ảnh hưởng của đệm vật liệu rời: Khi tải trọng truyền từ đài xuống, nhờ có lớp đệm này, tải

không trực tiếp truyền xuống cho các cọc mà được truyền gián tiếp qua lớp đệm vật liệu rời, tùy theo độ cứng của lớp đệm này mà tỉ lệ chia tải cho các cọc sẽ thay đổi khác nhau

+ Ảnh hưởng của nền đất dưới đáy đài: Khi đài cọc chịu tác động của tải trọng, một phần

được truyền xuống cho các cọc chịu và một phần được phân phối lại cho nền đất dưới đáy đài Tỷ lệ phân phối lại này còn phụ thuộc vào các yếu tố: độ cứng của nền đất, chuyển vị của đài, chuyển vị của cọc và việc bố trí các cọc

+ Ảnh hưởng của cọc: Cơ chế làm việc của cọc là nhờ được hạ vào các lớp đất tốt phía dưới

nên khi chịu tác động của tải trọng đứng từ đài móng nó sẽ truyền tải này xuống lớp đất tốt thông qua lực ma sát giữa cọc với đất và lực kháng ở mũi cọc làm cọc chịu nén Trong quá trình làm việc cọc chịu thêm các tác động phức tạp khác như: hiệu ứng nhóm cọc, lực ma sát âm Do có độ cứng lớn nên cọc tiếp nhận phần lớn tải trọng từ đài xuống

+ Sự làm việc của nhóm cọc: Sự làm việc của cọc đơn khác với sự làm việc của nhóm cọc

Khi khoảng cách các cọc khá lớn (ví dụ lớn hơn 6d) cọc làm việc như cọc đơn Xét cọc và nhóm cọc các đường cong thể hiện đường đẳng ứng suất do cọc đơn gây ra, ta thấy ứng suất ở giữa nhóm cọc sẽ do tải trọng truyền từ nhiều cọc tới, do đó ứng suất dưới nhóm cọc lớn hẳn lên Nếu mỗi cọc trong nhóm và cọc đơn cùng chịu một tải trọng làm việc thì độ lún của nhóm cọc lớn hơn cọc đơn

Hình 1.2 Các đường đẳng ứng suất của cọc đơn và nhóm cọc

1.3 Một số ưu điểm của móng bè - cọc - đệm vật liệu rời

Việc sử dụng móng bè - cọc - đệm vật liệu rời có nhiều ưu điểm sau đây:

+ So với móng cọc thì móng bè - cọc - đệm vật liệu rời có số lượng cọc nhỏ hơn và chiều dài cọc cũng nhỏ hơn

+ Cải thiện được điều kiện làm việc của móng nhờ giảm độ lún cũng như độ lún lệch Cọc đóng vai trò như bộ phận giảm lún

+ Giảm được ứng suất cũng như nội lực trong móng nhờ vào sự sắp xếp hợp lý của các cọc + Phát huy vai trò chịu lực của phần bè

+ Không cần thép liên kết giữa bè và cọc

1.4 Vấn đề thiết kế móng bè - cọc - đệm vật liệu rời

Các yêu cầu chung khi thiết kế nền móng:

+ Bảo đảm cho tải trọng được truyền dẫn đủ tin cậy; + Góp phần điều chỉnh biến dạng, giảm thiểu lún lệch;

+ Phân tích nội lực có tính đến sự cùng làm việc của kết cấu móng và đất nền; + Hoàn thiện thiết kế thi công kết cấu móng

Trong thiết kế móng bè- cọc – đệm vật liệu rời, có các vấn đề cần thiết được xem xét bao gồm: + Sức chịu tải cực hạn khi chịu tải đứng, tải ngang và moment;

+ Tải trọng ngang do nền đất trên mức đáy đài tiếp thu

+ Đài móng tuyệt đối cứng, ngàm cứng với các cọc, chỉ truyền tải trọng đứng lên các cọc, do đó cọc chỉ chịu kéo hoặc nén

+ Cọc trong nhóm cọc làm việc như cọc đơn, và cọc chịu toàn bộ tải trọng từ đài móng Khi tính toán tổng thể móng cọc có thể coi hệ móng là một khối móng quy ước Tính toán theo cách này có ưu điểm là đơn giản, thiên về an toàn và được hướng dẫn chi tiết trong các giáo trình về nền móng hiện nay Độ lún của móng tính toán theo phương pháp này nhỏ, sử dụng

nhiều cọc và thường hệ số an toàn cao, chưa phát huy được hết sức chịu tải của cọc Như vậy, ta thấy nó có nhược điểm là thiên về an toàn và không kinh tế

Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế móng bè- cọc Phương pháp tính móng bè- cọc hiện nay ở Việt Nam là đơn giản cho hệ cọc chịu (xem như cọc chịu hoàn toàn tải của công trình) hoặc hệ bè chịu (xem như bè chịu hoàn toàn tải của công trình) Phương pháp này 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 Móng bè –cọc do đó được coi như là một phương án “lãng phí” và hầu như không nằm trong kế hoạch thiết kế của các kỹ sư

Nhận xét: Quan điểm tính toán này phù hợp cho những kết cấu móng cọc có chiều dày đài lớn,

kích thước đài nhỏ, hoặc nền đất dưới đáy đài yếu, có tính biến dạng lớn Khi đó, ta có thể bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy đài và xem toàn bộ tải trọng công trình do cọc chịu

1.5.2 Quan điểm bè- cọc đồng thời chịu tải

Theo quan điểm này, hệ kết cấu móng đài - cọc đồng thời làm việc với đất nền theo một thể thống nhất, xét đến đầy đủ sự tương tác giữa các yếu tố đất-bè-cọc Trong quan điểm này, các cọc ngoài tác dụng giảm lún cho công trình, còn phát huy hết được khả năng chịu tải, do đó cần ít cọc hơn, chiều dài cọc nhỏ hơn Khi cọc đã phát huy hết khả năng chịu tải, thì một phần tải trọng còn lại sẽ do phần bè chịu và làm việc như móng bè trên nền thiên nhiên

Trong quan điểm này, độ lún của công trình thường lớn hơn so với quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn nhưng về tổng thể, nó vẫn đảm bảo nằm trong quy định với một hệ số an toàn hợp lý, do đó quan điểm tính toán này cho hiệu quả kinh tế tốt hơn so với quan điểm đầu Tuy nhiên, quá trình tính toán cần sử dụng các mô hình phức tạp hơn, do đó hiện nay quan điểm này chưa được phổ biến rộng rãi

Dựa trên quan điểm này, cùng với việc giảm ứng suất cục bộ ở đầu cọc, đưa đến việc nghiên cứu hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời

Theo Poulos (2001), tác giả có 3 quan điểm thiết kế móng bè- cọc như sau:

+ Quan điểm thiết kế thứ nhất: Ở tải trọng làm việc, cọc chỉ chịu tải trọng từ 35% đến 50% sức chịu tải cực hạn (hệ số an toàn sức chịu tải từ 2 đến 3), quan hệ tải trọng-độ lún của cọc vẫn là tuyến tính Gần như toàn bộ tải trọng tác dụng lên móng đều do cọc tiếp nhận Phần bè chỉ tiếp nhận phần tải trọng rất nhỏ, phân phối lại lên nền đất bên dưới đáy bè + Quan điểm thiết kế thứ hai: Phần bè được thiết kế tiếp nhận một phần đáng kể tải trọng lên

móng, phần còn lại do các cọc chịu Ở tải trọng làm việc, sức chịu tải của cọc được huy động từ 70% đến 100% (hệ số an toàn sức chịu tải từ 1 đến 1,5), quan hệ tải trọng- độ lún của cọc là quan hệ phi tuyến do cọc có chuyển dịch tương đối so với đất nền Số lượng cọc được bố trí đủ nhằm giảm áp lực tiếp xúc thực giữa bè và đất nền xuống nhỏ hơn áp lực tiền cố kết của đất Cọc được sử dụng với mục đích làm giảm độ lún trung bình trong bè + Quan điểm thiết kế thứ ba: Bè được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng lên móng Các cọc

chỉ tiếp nhận một phần nhỏ của tổng tải trọng, được bố trí hợp lý với mục đích chính là giảm độ lún lệch (chứ không phải độ lún trung bình như ở quan điểm thiết kế thứ hai) Theo De Sanctis et al (2001) và Viggiani (2001), tác giả có 2 quan điểm sau:

+ Móng bè- cọc "nhỏ", lý do chính thêm vào các cọc nhằm làm tăng hệ số an toàn (điều này thường liên quan đến các bè có bề rộng dao động từ 5m đến 15m)

+ Móng bè- cọc "lớn" có đủ khả năng chịu tải trọng tác dụng với một biên độ an toàn hợp lý, nhưng cọc được yêu cầu để giảm độ lún và độ lún lệch Trong trường hợp này bề rộng trong bè phải lớn khi so sánh với chiều dài của cọc (thông thường chiều rộng bố trí cọc vượt quá chiều dài cọc)

Hình 1.3.Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún theo các quan điểm thiết kế

1.5.3 Quan điểm tính bè - cọc - đệm vật liệu rời

Đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm về móng bè - cọc - đệm vật liệu rời Hầu hết các trường hợp nghiên cứu thì lớp đất dưới bè và nằm trên đầu cọc bị bè nén xuống và truyền lực xuống cọc thì đều cho thấy hiện tượng chung là chúng có ứng xử tuyến tính Từ đó đây là cơ sở chung về phương pháp tính bè cọc đệm vật liệu rời Khi đó quan điểm tính về bè và cọc là bè truyền lực vào lớp đệm vật liệu rời sau đó đệm vật liệu rời mới truyền tải vào đất nền và đầu cọc Một phần khá lớn tải được truyền xuống hệ cọc thông qua ma sát âm giữa đất nền và đầu cọc Do cơ chế này nhìn chung có thể giúp cho đất nền mang tải nhiều hơn so với bè cọc truyền thống Nhưng chính vì hệ móng bè – cọc – đệm vật liệu rời có cấu tạo gồm đệm và bè và hệ cọc tách biệt nhau không liên kết nên độ lún giữa bè, cọc và đất nền có sự khác biệt và do đệm vật liệu rời có thêm biến dạng bản thân nên hệ móng này có độ lún lớn hơn so với móng bè cọc thông thường Nhưng bù lại khuyết điểm về độ lún thì hệ móng bè – cọc – đệm vật liệu rời có nội lực trong hệ cọc và phần bè nhỏ hơn đáng kể so với móng bè cọc thông thường do đó mới có ý tưởng về một hệ móng mà bè và cọc không liên kết với nhau và tách biệt bởi lớp đệm vật liệu rời

Hình 1.4 Ma sát trong cọc trong trường hợp bè – cọc thông thường và bè – cọc – đệm vật liệu rời

1.6 Các công trình trên thế giới sử dụng móng bè- cọc

Tác giả Phùng Đức Long (2011) đã thống kê các công trình cao tầng trên thế giới cho thấy sự phân phối lại tải trọng tác dụng lên cọc và đất nền theo tỷ lệ cọc / nền thay đổi như bảng sau:

Bảng 1.1 Các công trình trên thế giới sử dụng móng bè- cọc

tầng

% truyền tái Độ lún lớn nhất s

(mm) Cọc Đất nền

Hình 1.5 a) Tòa nhà Incheon 151 Tower; b) Mặt bằng cọc công trình

Kết cấu móng bao gồm bản đáy bê tông dày 5.5m, các cọc ở cột và lõi cứng ở trung tâm Số lượng cọc là 172 cọc đường kính 2.5m đặt vào tầng đá phong hóa Mặt đáy sàn hầm đặt ở độ sâu 14.6m dưới mặt đất

1.7 Nhận xét về các kết quả đã đạt được trong nghiên cứu móng bè – cọc – đệm vật liệu

rời

₋ Sử dụng phương án móng bè - cọc - đệm vật liệu rời là phương án có hiệu quả về kinh tế so với phương án móng cọc thuần túy vì có xét đến sự làm việc của đất nền trực tiếp bên dưới bản móng bè với sự gia cố bằng lớp đệm vật liệu rời

₋ Một số kết quả khảo sát đo đạc, tính toán cho thấy sức chịu tải của nền có thể chiếm từ 50% sức chịu tải của hệ bè-cọc, đặc biệt là các công trình có nhiều tầng ngầm nằm sâu phía trên nền đất tốt Nếu kết hợp với đệm vật liệu rời có thể khai thác được khả năng chịu tải của đất nền một cách tốt hơn

10-₋ Trong điều kiện địa chất có lớp đất yếu ở mặt tiếp xúc với đáy bè thì bè không tham gia chịu lực, lúc đó tải trọng hầu như chỉ truyền vào cọc mà không truyền vào lớp đất trực tiếp dưới đáy bè Với việc sử dụng đệm vật liệu rời hi vọng có thể cải thiện được hiện tượng trên

₋ Sử dụng phương pháp xét đến mối quan hệ tương hỗ giữa đất, bè, cọc và áp dụng các lý thuyết nghiên cứu gần đây đem lại hiệu quả kinh tế đáng kể Nguyên nhân là giảm bớt được số lượng cọc, tận dụng tối đa sức chịu tải cực hạn của cọc, chia tải không chỉ cho cọc mà cả cho bè Ngoài ra móng bè - cọc - đệm vật liệu rời còn giúp giảm lún lệch Như vậy móng bè - cọc - đệm vật liệu rời nếu sử dụng phương pháp tính toán hợp lý sẽ là một hệ thống móng ưu việt không chỉ ở tính kinh tế mà còn có tính ổn định cao

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH HỆ MÓNG BÈ - CỌC – ĐỆM VẬT LIỆU RỜI

Có nhiều phương pháp đã được nêu ra để dự đoán ứng xử trong móng bè- cọc Năm 1997, Poulos chia các phương pháp phân tích thành ba nhóm chính sau:

₋ Nhóm 1: Phương pháp tính toán đơn giản + Phương pháp của Poulos và Davis (1980), + Phương pháp của Randolph (1983,1994), + Phương pháp của Van Impe và Clerq (1995), + Phương pháp của Burland (1995)

₋ Nhóm 2: Phương pháp tính gần đúng dựa vào máy tính

+ Phương pháp dải móng trên lò xo trong đó bè được đại diện bởi các dải móng và cọc được đại diện là các lò xo (Poulos, 1991)

+ Phương pháp tấm trên lò xo (plate on springs) trong đó bè được dại diện bởi tấm còn cọc là các lò xo (như là của Clancy and Randolph, 1993; Poulos, 1994; Viggiani, 1998)

+ Phương pháp do Randolph đề nghị

+ Phương pháp do Clancy và Randolph đề nghị

₋ Nhóm 3: Phương pháp tính toán chính xác dựa vào máy tính

+ Phương pháp phần tử biên (như là của Butterfield and Banerjee, 1971; Brown and Wiesner, 1975; Kuwabara, 1989; Sinha, 1997; Mendonça, A V và de Paiva, J B (2000)) + Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn như bài toán biến dạng phẳng (Desai,1974) hoặc đối xứng trục (Hooper, 1973) và ứng dụng phần mềm FLAC 2D (như là Hewitt and Gue, 1994); Zhuang và các cộng sự, 1991; Lee, 1993; Katzenbach và các cộng sự, 1998) kết hợp với phần mềm FLAC 3D; Chow và Teh, 1991; Katzenbach và Reul, 1997; Prakoso và Kulhawy, 2001, Reul và Randolph, 2003

+ Phương pháp kết hợp giữa phần tử biên cho cọc và phần tử hữu hạn cho bè (như là của Hain and Lee, 1978; Ta and Small, 1996; Franke và các cộng sự, 2000; Mendonça, A V và de Paiva, J B., 2003…)

+ Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp phần tử lớp như công trình nghiên cứu của Ta và Small, 1996, Small và Booker, 1984, 1986

Bảng 2.1 Bảng liệt kê các phương pháp cũng như khả năng dự đoán tính toán đặc trưng móng bè- cọc của từng phương pháp [5]

2.1 Các phương pháp phân tích giản lược [5]

2.1.1 Phương pháp Poulos - Davis - Randolph (PDR)

Khi thiết kế móng ta cần quan tâm hai giá trị: sức chịu tải và độ lún của móng Sức chịu tải cực hạn của móng bè- cọc là giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị sau:

+ Tổng khả năng chịu tải cực hạn trong bè và các cọc

+ Khả năng chịu tải cực hạn của khối gồm cọc và bè cộng với một phần bè nằm bên ngoài cọc

Quan hệ giữa tải trọng và độ lún của móng bè- cọc được tính toán bằng phương pháp đơn giản của Poulos và Davis (1980) [3] Năm 1994, Randolph đã phát triển phương pháp này để tính toán sự phân bố tải trọng giữa bè và cọc

Hình 2.1 Mô hình bè - cọc đơn giản

Theo Randolph, độ cứng của móng bè- cọc có thể tính theo công thức sau:

Với:

- Kpr: độ cứng trong bè- cọc - Kp: độ cứng của nhóm cọc - Kr: độ cứng trong bè

Trong đó

Pr: tải trọng được gánh đỡ bởi bè Pt: tổng tải trọng tác dụng lên bè- cọc

Hệ số tương tác giữa bè và cọc αcp có thể tính theo công thức sau:

Phương trình trên được dùng để xây dựng và phát triển thành đường cong tải trọng độ lún

Hình 2.2 Quan hệ giữa độ lún và tải trọng

Trước tiên độ cứng trong bè- cọc được tính theo công thức trên với số lượng cọc được cho trước Độ cứng của cọc sẽ được huy động đến khi phần cọc được huy động tối đa sức chịu tải của nó P1 là sức chịu tải của cọc có thể đạt được:

Với sự trợ giúp của máy tính, ta có thể dùng excel hay một số phần mềm toán học khác như Mathcad để vẽ những đồ thị thể hiện quan hệ giữa tải trọng và độ lún trong bè với số lượng cọc khác nhau Bằng cách này ta có thể tính toán đơn giản mối quan hệ giữa số lượng cọc và độ lún trung bình của móng

2.1.2 Phương pháp của Burland (1995)

Cọc được thiết kế như công cụ giảm lún và để huy động toàn bộ sức chịu tải ngang với tải thiết kế Các bước trình tự thiết kế giản lược như sau:

₋ Bước 1 Xác định mối quan hệ tải lún dài hạn cho bè không có cọc Tải TK P0 gây ra tổng lún S0.

Hình 2.3.Bố trí cọc giảm lún, và tính toán móng bè điều chỉnh (Poulos, 2001)

₋ Bước 2 Đánh giá lún cho phép Sa Sa bao gồm cả hệ số an toàn P1 là sức chịu tải chỉ trong bè, tương ứng với mức lún Sa

₋ Bước 3 Phần tải trọng dư, P0 – P1, được giả thiết do cọc giảm lún chịu

₋ Bước 4 Nếu cọc bố trí dưới chân cột để chịu tải dư Psu, móng bè- cọc có thể được phân tích như móng bè do tải trọng đã điều chỉnh tác dụng Sức kháng hông của các cọc này sẽ được huy động hoàn toàn (không áp dụng hệ số an toàn) Tuy nhiên, Burland đề nghị “hệ số an toàn" 0.9 được áp dụng cho “hệ số an toàn tốt nhất" của sức kháng hông cực hạn, Psu ₋ Bước 5 Mô men uốn trong bè có thể xác định bằng cách phân tích móng bè - cọc như

móng bè chịu tải trọng điều chỉnh Qr

Hình 2.4 Đường cong Tải – Lún tính toán cho móng bè (Poulos, 2001)

Tuy nhiên trình tự tính toán lún của móng bè - cọc Burland (1995) không được đề cập Để dự đoán lún có thể áp dụng phương pháp gần đúng của Randolph (1994):

Trong đó:

Spr = Lún của móng bè - cọc

Sr= Lún của móng bè kr = Độ cứng của móng bè

kpr = Độ cứng của móng bè - cọc

2.2 Các phương pháp số gần đúng [5] 2.2.1 Dãy móng trên nền lò xo (GASP)

Phương pháp dãy trên nền lò xo được Poulos (1991) kiến nghị dùng để phân tích móng bè- cọc Một phần trong bè được mô phỏng như một dầm và cọc được mô phỏng là những lò xo Phương pháp này cho phép kể đến bốn thành phần tương tác trong móng bè- cọc là:

- Tương tác giữa các phần tử bè – bè - Tương tác cọc – cọc

- Tương tác bè – cọc - Tương tác cọc – bè

Ngoài ra ảnh hưởng của các phần tử bè bên ngoài dãy được phân tích và được tính vào tải trọng bài toán

Phương pháp này được phát triển dựa vào phần mềm GASP (Geotechnical Analysis of Strip with Piles)

Hình 2.5 Phương pháp dãy móng trên nền lò xo theo Poulos (1991)

2.2.2 Bản móng trên nền lò xo (GARP)

Hình 2.6 Mô phỏng cọc và nền

Với phương pháp này, bè được mô phỏng là bản đàn hồi, còn cọc được mô phỏng là các lò xo gánh đỡ bản Phương pháp này đầu tiên được khởi xướng bởi Hongladaromp và các cộng sự (1973), với tương tác giữa cọc và cọc bị bỏ qua và giá trị độ cứng bè- cọc được lấy rất lớn Poulos (1994) phát triển phần mềm GARP (Geotechnical Analysis of Raft with Piles) áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn cho bè có kể đến tất cả các tương tác trong móng bè- cọc Điều này giúp cho cọc có thể đạt đến tải trọng cực hạn và bè có thể đạt đến phá hoại cục bộ Phần mềm GARP có khả năng kể đến các thông số sau trong phân tích móng bè- cọc:

+ Khai báo trụ địa chất không đồng nhất, nền nhiều lớp; + Giới hạn áp lực dưới bè bao gồm cả áp lực nén và kéo;

+ Ứng xử phi tuyến giữa tải trọng và độ lún của cọc, bao gồm khả năng chịu tải cực hạn về nén và kéo của cọc;

+ Độ cứng khác nhau và khả năng chịu tải khác nhau của các cọc; + Dễ dàng khai báo vị trí và số lượng cọc;

+ Tải trọng tác dụng gồm tải trọng tập trung, momen và tải trọng phân bố đều trên bản; + Khai báo chuyển vị đứng trong đất

Russo (1998) dùng phương pháp tương tự nhưng cọc và bè được mô phỏng lần lượt là các lò xo tuyến tính và phi tuyến Chuyển vị của nền đất được tính toán dựa theo lời giải Boussinesq Ứng xử phi tuyến của cọc được mô phỏng dựa trên giả thiết đường cong tải trọng - chuyển vị cho cọc đơn Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là chỉ cho phép nghiên cứu tương tác theo phương thẳng đứng giữa bè, cọc và đất nền

2.2.3 Phương pháp Randolph (1983)

Randolph (1983) giới thiệu một phương pháp ma trận dẻo được dùng để tính toán độ cứng tổng thể trong bè- cọc bằng việc kết hợp các độ cứng đơn vị của từng đơn nguyên bè- cọc đơn

2.2.4 Phương pháp Clancy & Randolph (1993)

Clancy & Randolph (1993) kết hợp phần tử hữu hạn và lời giải tích phân để phân tích bài toán trong đó bè được mô phỏng là một bản mỏng hai phương, còn cọc được mô phỏng là các thanh một phương đồng thời ứng xử của đất nền được tính toán bằng lời giải tích phân

2.3 Các phương pháp tính toán chính xác [5]

2.3.1 Phương pháp phần tử biên (BEM)

Phương pháp phần tử biên là phương pháp mà sự rời rạc chỉ xảy ra trên biên của kết cấu Vì chỉ có biên của kết cấu bị rời rạc hóa nên số lượng phương trình cân bằng ít hơn phương pháp phần tử hữu hạn Ứng suất và chuyển vị có thể tìm được từ việc giải hệ các phương trình cân bằng Là một phương pháp cung cấp lời giải trực tiếp và chính xác, đồng thời yêu cầu dung lượng bộ nhớ máy tính nhỏ, BEM thường được sử dụng để phân tích các nhóm cọc lớn

Butterfield, R và Banerjee, P K (1971) dùng phương pháp phần tử biên để phân tích ứng xử của nhóm cọc trong bán không gian đàn hồi lý tưởng được liên kết với bè tuyệt đối cứng Tác giả dùng lời giải Mindlin để mô tả ứng xử của các tương tác trong móng bè- cọc

Brown, P T và Wiesner, T J (1975) dùng phương pháp phần tử biên để phân tích móng băng trên nền cọc trong môi trường bán không gian đàn hồi đồng nhất đẳng hướng Trong phương pháp này, bè và cọc được chia ra thành nhiều vùng với lực hoặc ứng suất trên bề mặt tác dụng vào các vùng tương ứng Lời giải Mindlin cũng được sử dụng để phân tích các mối quan hệ tương tác do lực bề mặt gây ra

Kuwabara, F (1989) dùng phương pháp phần tử biên dựa trên lý thuyết đàn hồi để phân tích ứng xử của móng bè- cọc trong khối đất đàn hồi tuyến tính Trong phân tích này, bè được xem như tuyệt đối cứng, nhưng cọc thì được xem có thể biến dạng dọc trục được Phần bè được rời rạc hóa thành nhiều phần tử chữ nhật và cọc thì được rời rạc thành các phần tử ma sát thành và sức kháng mũi

Mendonça, A V và de Paiva, J B (2000) giới thiệu phương pháp phần tử biên cho phân tích móng bè- cọc với tất cả các tương tác giữa bè, cọc và nền đất Không giống như các phương pháp BEM khác sự rời rạc hệ móng không được đề cập đến trong phương pháp này Nền đất được mô tả như một bán không gian đàn hồi đồng nhất tuyến tính Mindlin Bè được xem như là một bản mỏng và được mô tả bằng các phương trình tích phân Cọc được mô tả như các phần tử đơn và ứng suất cắt dọc trục được tính toán gần đúng bằng đa thức bậc hai Tương tác giữa bè và cọc được phân tích bằng cách chia bề mặt thành những phần tử tam giác

2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong các phương pháp mạnh nhất để phân tích móng bè- cọc Trong phương pháp này, cả kết cấu gồm bè- cọc và nền đều được rời rạc hóa Khi đó số lượng phương trình cân bằng sẽ rất lớn, chỉ có thể tính toán dựa vào máy tính Một trong những phương pháp làm giảm sự phụ thuộc vào máy tính là chuyển bài toán không gian ba chiều thành bài toán đối xứng trục hoặc bài toán ứng suất phẳng

Ví dụ tính toán đầu tiên về móng bè- cọc dùng phương pháp phần tử hữu hạn được trình bày bởi Hooper (1973), với mô hình đối xứng trục dùng phần tử tám nút Trong phương pháp này, độ cứng của nhóm cọc được ước lượng một cách gần đúng Nền đất được mô phỏng như một vật liệu đồng nhất đàn hồi tuyến tính với module tăng tuyến tính theo độ sâu Hooper dùng phương pháp này để phân tích móng bè- cọc của công trình Hyde Park Barracks Năm 1975, Ottaviani ứng dụng phương pháp này để phân tích bè tuyệt đối cứng đặt trên nhóm cọc trong một không gian đồng nhất

Chow và Teh (1991) dùng phương pháp số phân tích ứng xử của móng bè- cọc tuyệt đối cứng trên nền không đồng nhất Bè được rời rạc hóa thành các phần tử con hình vuông Tác giả xem bè tiếp xúc hoàn toàn với đất nền và mặt tiếp xúc giữa bè và nền được tính toán chính xác thông qua các vùng chia nhỏ hình vuông đó (Chow, 1987a) Đất nền được mô phỏng là vật liệu tuyến tính đàn hồi đẳng hướng và module Young tăng tuyến tính theo độ sâu Cọc tiết diện hình tròn và được rời rạc thành hai phần tử nút tại mặt tiếp xúc giữa đất và cọc (Chow, 1987b) Tương tác giữa bè, cọc và đất nền được kể đến vào quá trình tính toán Katzenbach and Reul (1997) dùng phương pháp phần tử hữu hạn để mô tả ứng xử của đất thành vật liệu đàn dẻo Cọc được mô hình bằng phần tử ba chiều, còn bè được mô phỏng bằng phần tử tấm Quan hệ ứng suất biến dạng của đất được mô phỏng bằng mô hình nền bao gồm hai phần mặt dẻo chính: mặt áp lực phụ thuộc hoàn toàn vào phá hoại cắt dẻo và mặt dẻo nắp chịu nén Katzenbach và các cộng sự (2000) dùng mô hình tương tự thực hiện các nghiên cứu phân tích ứng xử của móng bè- cọc tại đất sét Frankfurt Reul (1998) tinh chỉnh lại mô hình bằng cách dùng phần tử vô cùng tại biên để mô hình nền đất thành bán không gian đàn hồi

Prakoso và Kulhawy (2001) phân tích móng bè- cọc bằng mô hình phần tử hữu hạn biến dạng phẳng phi tuyến và đàn hồi tuyến tính thông qua mô phỏng móng bè- cọc ba chiều thành móng bè hai chiều Phân tích này dựa trên phần mềm Plaxis version 6.1 và phần tử tam giác sáu nút được dùng để mô phỏng móng bè- cọc và đất nền Các dãy cọc trong bè được tính gộp thành các cọc tương đương biến dạng phẳng với module Young tương đương Eeq được tính toán phụ thuộc vào số lượng cọc trong dãy, kích thước cọc và kích thước bè:

Reul và Randolph (2003) – sử dụng phần mềm ABAQUS - giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn đàn dẻo ba chiều để phân tích móng bè- cọc trên nền đất sét quá cố kết – đất sét Frankfurt

2.4 Tương tác trong hệ bè cọc đệm vật liệu rời [3]

Đã có một số nghiên cứu bằng mô hình phần tử hữu hạn trên móng bè – cọc – đệm vật liệu rời đánh giá ảnh hưởng của nhiều yếu đố địa cơ khác nhau như bề dày đệm, bề dày bè, các thông số về cọc Tiêu biểu như Lieng nghiên cứu bằng mô hình tuyến tính về độ cứng của đệm và bề dày trong bè ảnh hưởng tới phân bố tải giữa cọc và bè, nghiên cứu này đề xuất cách để tối ưu hóa cách bố trí cọc để phân bố đều các tải và giảm tập trung ứng xuất tại các cọc dài Eslami và Malekshah nghiên cứu bằng mô hình đàn- dẻo về giảm độ lún trung bình bằng cách giảm bề dày đệm và tăng độ cứng của lớp đệm vật liệu rời này Các tác giả nhận thấy lún lệch giảm khi cọc được tập trung tại khu vực tâm trong bè Lực dọc lớn nhất trong các cọc xuất hiện tại các vị trí khác nhau dọc theo thân cọc tùy thuộc vào bề dày và độ cứng trong bè, cọc và đệm vật liệu rời

Thông thường ở bè – cọc truyền thống độ lún của đất, bè và cọc là bằng nhau, nhưng ở bè cọc đệm vật liệu rời độ lún của đất nền và cọc khác nhau, làm bè lún nhiều hơn cọc từ đó gây ra ma sát âm lên thành cọc Lực ma sát âm này đóng vai trò quan trọng trong hệ móng bè cọc đệm vật liệu rời, lực ma sát âm giúp truyền tải cho cọc thông qua ma sát giữa cọc và đất nền

Hình 2.7 Ma sát trong cọc trong trường hợp bè – cọc thông thường và bè – cọc – đệm vật liệu rời

Như hình trên thể hiện vùng ma sát âm và ma sát dương lên thành cọc, đường ranh giới giữa vùng ma sát âm và vùng ma sát dương tạm gọi là đường trung hòa, tại đây lực dọc lớn nhất trong cọc trong cọc xuất hiện, vị trí này có thể được xác định bằng công thức dưới đây:

Trong đó là ứng xuất cắt trung bình trên chu vi cọc ở độ sâu z

Đa phần các nghiên cứu mô hình phần tử hữu hạn ở trên đều được kiểm chứng bằng các thí nghiệm mô phỏng bè cọc với tỉ lệ nhỏ ở phòng thí nghiệm Trong khi đó điều quan trọng nhất của mô hình số là tính tự chứng minh, các kiểm chứng bằng thực nghiệm đã nói ở trên tương đối đắt tiền và đòi hỏi yêu cầu về thời gian Chính việc tốn kém và yêu cầu thời gian của các thực nghiệm đã đòi hỏi cần có một mô hình số có độ tin cậy cao khi mô phỏng móng bè – cọc – đệm vật liệu rời

Việc hiệu chỉnh các lò xo tiếp xúc ở đầu cọc không đơn giản, do thực tế khi gặp tải đứng ở đầu cọc xẩy ra biến dạng theo dạng 3d, tuy nhiên lò xo ở đầu cọc chỉ làm việc theo một phương Sự phát triển của trạng thái ứng suất - biến dạng trong đệm giữa bè - cọc được phân tích số bằng mô hình Mohr – Coulomb Mặc dù mô hình Mohr- Coulomb không phải là mô hình hiện đại nhất nhưng nó đáp ứng tốt các tiêu chuẩn trong phân tích địa kĩ thuật bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các ứng xuất tập trung lớn xảy ra ở phần đệm vật liệu rời do đệm bị nén bởi bè và cọc Vùng ứng xuất lớn này ứng xử gần như tuyến tính Trong thực tế các kết quả phân tích

phần tử hữu hạn cho thấy đa phần các điểm trong đệm tiếp túc với bè và cọc có các đường ứng suất ‘giống như xuyên tâm’ trong không gian ứng suất

Các thí nghiệm về vùng đệm vật liệu rời giữa cọc và bè dưới tác dụng của tải đứng diễn ra tại 1 cột vật liệu rời giữa cọc và bè Đối với mô hình embedded pile, các thí nghiệm này gợi ý cho khái niệm về liên kết nút - nút giữa bè và đầu cọc hoạt động song song với đất xung quanh và được đặc trưng bởi độ cứng thích hợp Nếu không có liên kết như vậy, đầu cọc sẽ vẫn không tải - điều này không chính xác cả về kết cấu và quan điểm địa kỹ thuật Điều này dẫn đến 2 kết quả: một là không có lực dọc tại đầu cọc và hai là đánh giá thấp độ cứng tổng thể của hệ móng Đối với vấn đề đang xem xét, độ cứng của liên kết nút nút giữa bè và cọc có thể được ước lượng bẳng giả định sau: một là vùng bị nén giữa bè và cọc giới hạn bởi một mặt trụ đều, có đáy trùng với đầu cọc; hai là trạng thái ứng suất-biến dạng bên trong hình trụ là đồng nhất (trọng lượng bản thân và tác dụng ma sát hông được bỏ qua); ba là hình trụ ứng xử đàn hồi Theo các giả thuyết này, độ cứng tổng thể lý thuyết Kth của hình trụ, liên quan đến các lực biên và biến dạng dọc trục, có thể được biểu thị theo kiểu không thứ nguyên như công thức dưới đây:

(1)

Trong đó d là đường kính cọc, h là chiều dày đệm, E và ν là module đàn hồi của đất và hệ số poisson, α là tỷ lệ giữa các thành phần biến dạng gia tăng hướng tâm và dọc trục α định lượng giới hạn bên của hình trụ lý tưởng và có xu hướng bằng không khi nén cố kết (ngăn cản sự giãn nở hông)

Khi các giả thiết lý thuyết thiếu thuyết phục, các kết quả phần tử hữu hạn đã được khai thác để tìm ra α bị ảnh hưởng như thế nào bởi các yếu tố hình học / cơ học, một giá trị trung bình αav

đã nhận được là:

(2)

Trong đó Rp là bán kính cọc, ΔSr,avvà ΔSa,av đại diện cho chuyển vị gia tăng hướng tâm và hướng trục trung bình tại các biên hình trụ Như được thể hiện trong Hình 2.8 đối với thành phần nằm ngang, theo công thức (2) làm tăng giá trị trung bình trên vùng đệm giữa bè và đầu cọc, bỏ qua sự không đồng nhất của trường ứng suất / biến dạng và sau đó được thay thế trong (1) (dựa trên thực tế cân nhắc ở cấp phần tử điểm) Trong khi Hình 2.8 cho thấy cách tính toán chuyển vị / biến dạng ngang trung bình từ phân bố không đồng nhất trong vùng đệm giữa bè và đầu cọc (áp dụng tương tự cho phần tử thẳng) Hình 2.9 minh họa sự phụ thuộc của αav vào mức tải thẳng đứng q ở các tỷ số h / d khác nhau Kết quả quan hệ q - αav gần như không đổi cho mỗi h = d, xác nhận ứng xử tuyến tính trong vùng đệm giữa đầu cọc và bè ở mức tải thậm chí cao (dao động phát sinh ở tỷ lệ h = d cao nhất do kết quả của sự phù hợp ít hơn không đáng kể trong vùng đệm giữa đầu cọc và bè) Các giá trị αav hằng số đều khá thấp, cho thấy rằng vùng tập trung ứng suất biến dạng dưới giới hạn bền cao: bị ảnh hưởng khá nhiều bởi độ dày đệm, và thực tế αav phát triển khi tăng h

(3)

Để đánh giá độ chính xác của công thức (1), độ cứng nén số kNum đã được đánh giá theo phương trình (3), trong đó F là giá trị trung bình của các lực tạo ra bởi ứng suất đứng lên mặt trên / mặt dưới của hình trụ và s là biến thiên hiện tại trong chiều dày đệm h

Hình 2.8 Biến dạng ngang trong vùng diện tích đệm giữa bè và đầu cọc

Hình 2.9 Quan hệ giữa αav và q tại các tỉ lệ h/d khác nhau

Hình 2.10 So sánh giữa độ cứng nén theo phương pháp số và lý thuyết trong vùng đệm bị nén giữa cọc và bè ở các độ dày đệm khác nhau

Hình 2.11 Ảnh hưởng của các thông số hình học / cơ học đến độ cứng nén trong vùng đệm giữa bè và đầu cọc

Trong Hình 2.10, các giá trị kNum được so sánh với các giá trị lý thuyết Kth thu được cho các điều kiện nén lún cố kết (α = 0, đường liền nét màu đỏ) và giới hạn bên ‘‘thực” (α = αav, đường đứt nét, tức là kết quả từ phân tích phần tử hữu hạn) Sự thống nhất giữa các phân tích số và lý thuyết rõ ràng là rất tốt, trong khi ảnh hưởng thấp của α đến độ cứng nén có thể dễ dàng nhận thấy Hình 2.11 cho thấy phương trình (1) vẫn có thể áp dụng cho các loại cọc hình dạng khác nhau khác nhau (đường kính kép) và các đặc tính đàn hồi của đệm (E = 80 MPa, hoặc tỷ lệ Poisson được đặt thành ν = 0,4)

2.5 Một số nghiên cứu hệ móng bè - cọc- đệm vật liệu rời 2.5.1 Fa- Yun Liang, Long Zhu Chen, Xu- Guang Shi [4]

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3d do Ottaviani đề xuất, sử dụng phần mềm ANSYS (một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn được phát triển bởi ANSYS Inc của Hoa Kỳ) bởi vì hầu hết nền móng ở trạng thái đàn hồi trong các điều kiện tải trọng làm việc, bè, đệm, cọc và lớp đất dưới đều được giả định là không trọng lượng

Mô hình đàn hồi tuyến tính Phần biên dưới của mô hình được mô phỏng là ngàm Cọc và bè sử dụng các thông số thông dụng Các cọc dài và bè là bê tông, các cọc ngắn và đệm cát được khai báo vật liệu là cát – sỏi, các cọc vuông này có kích thước cạnh là 0.45m, bè có kích thước 2.7mx2.7m, dày 0.5m Tác giả đưa ra 1 số kết luận sau:

- Xét ảnh hưởng của module đàn hồi và chiều dài, số lượng cọc, cọc dài có tác dụng rõ rệt trong việc giảm lún và cải thiện độ cứng của hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời hơn là cọc ngắn - Đệm vật liệu rời có thể điều chỉnh tỉ lệ chia tải giữa cọc và bè, tận dụng tốt khả năng mang tải của các cọc ngắn So sánh với hệ không có đệm, ứng suất dọc trục lớn nhất thay đổi cách đầu cọc một đoạn do đó khả năng chịu lực của đất nền có thể được khai thác tốt hơn thông qua việc áp dụng kỹ thuật đệm, đặc biệt là cho mặt đất chứa lớp đất tốt ở các lớp có độ sâu thấp

- Module của lớp đệm này một cách hợp lý có thể giảm ứng suất tập trung ở cọc dài và huy động khả năng chịu tải của cọc ngắn

Hình 2.12 Mô hình sử dụng của Fa- Yun Liang, Long Zhu Chen, Xu- Guang Shi

2.5.2 Xiao Dong Cao, Ing Hieng Wong, Ming-Fang Chang [6]

Sử dụng một mô hình thực nghiệm gồm cọc và bản và sử dụng các cảm biến để đo đạc lại các ứng suất, chuyển vị của mô hình Tác giả đưa ra một số kết luận sau trong hệ bè - cọc - đệm vật liệu rời:

1 Khi các cọc giảm lún không liên kết được thêm vào, lún lệch và moment trong bè giảm 2 Đối với nhóm cọc, việc tăng chiều dài cọc có hiệu quả tốt đối với việc cải thiện độ cứng của hệ bè – cọc – đệm vật liệu rời

3 Tải trong các cọc tăng nhanh trong các giai đoạn gia tải đầu, sau đó duy trì ở mức ổn định trong các giai đoạn tiếp theo Việc tăng độ cứng trong bè làm giảm tỉ lệ tải mang bởi cọc Việc tăng chiều dài cọc tăng tỉ lệ chia tải cho các cọc

4 Ma sát âm xuất hiện ở phần trên của cọc Ma sát âm phần đỉnh cọc giúp truyền lực từ bè xuống cọc

5 Việc bố trí số lượng cọc giảm lún ở mức nhỏ là rất quan trọng Sự phân bố của các cọc trong khu vực trung tâm trong bè giúp giảm đáng kể lún lệch và moment uốn trong bè Bản thân việc tăng số lượng cọc được cho là không hiệu quả trong việc kiểm soát độ lún và mômen uốn của bè

Hình 2.13 Chi tiết dụng cụ thí nghiệm của Xiao Dong Cao, Ing Hieng Wong, Ming-Fang

Chang

Hình 2.14.Sơ đồ đặt tải của Xiao Dong Cao, Ing Hieng Wong, Ming-Fang Chang

2.5.3 Alaa Ata, Essam Badrawi, Marwa Nabil [1]

Sử dụng mô hình 3d bằng phần mềm ABAQUS để phân tích hệ móng bè - cọc - đệm vật liệu rời Trong nghiên cứu này, lớp đất sét yếu được sử dụng mô hình modified cam clay, các lớp đất khác như lớp sét cứng, lớp cát sử dụng mô hình Morh – Coulomb Các tác giả đưa ra một số kết luận sau:

- Độ lún giữa trường hợp bè- cọc truyền thống và trườn hợp bè - cọc - đệm vật liệu rời có sự chênh lệch không đáng kể (giảm 77% lún và giảm 74% lún)

- Tải chia cho cọc giảm khi độ cứng của lớp đệm vật liệu rời tăng lên

Hình 2.15 Mô hình sử dụng của Alaa Ata, Essam Badrawi, Marwa Nabil

2.5.4 Xiao-jun Zhu [7]

Sử dụng phương pháp thí nghiệm để nghiên cứu hệ bè- cọc- đệm vật liệu rời

- Độ lún trong bè tăng theo chiều dày đệm và giảm theo đường kính cọc Ngoài ra, tỷ lệ tập trung ứng suất của cọc-đất giảm theo tỷ lệ và với kích thước hạt của đệm sỏi

- Ma sát âm của cọc xảy ra trong trường hợp 3–5 do lớp đệm sỏi ở đầu mỗi cọc có độ dày vừa đủ Mặt phẳng trung hòa của cọc di chuyển xuống khi tải trọng đứng tăng lên Mặt phẳng trung hòa ở độ sâu thấp hơn giữa cọc khi bắt đầu chịu tải và sau đó chuyển xuống dưới khi tải trọng tác dụng tăng lên

- Chuyển vị đất được tái tạo bằng cách sử dụng kỹ thuật DIC Mặt phẳng cắt hình quạt xảy ra ở đệm và một diện tích hình nón xảy ra ở đầu cọc Ngoài ra, một mặt phẳng cắt xuất hiện ở rìa của các khu vực do mật độ ở rìa của các khu vực bị giảm do đất bị giãn nở do kết quả của sự lún của đất nền

- Dạng phá hoại đệm được đưa ra theo mặt phẳng trượt của đệm

- So sánh lượng ứng suất dọc trên cọc được dự đoán theo phương pháp hiện nay cho thấy kết quả của Guido và Abusharar là hợp lý Đối với phương pháp đã trình bày, các giá trị của tỷ lệ tập trung ứng suất được dự đoán theo phương pháp của Guido cho giá trị tiệm cận vì các phương pháp này không xem xét sự tương tác của nền đất bởi các chất cơ lý của đất Trong nghiên cứu này, tất cả các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã được tiến hành sử dụng cọc cứng và đệm sỏi Trong nghiên cứu trong tương lai, các thí nghiệm với các loại đất đệm và đất nền khác nhau và với các cọc khác nên được nghiên cứu để mô phỏng lại cơ chế phá hoại của đệm

Hình 2.16 Sơ đồ thí nghiệm của Xiao-jun Zhu

2.6 Kết luận chương

- Nhìn chung có nhiều phương pháp đãđược đưa ra để tính hệ móng bè cọc từ đơn giản đến phức tạp, nhưng nổi bật nhất và được áp dụng rộng rải là các phương pháp tính toán bằng phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn có độ chính xác cao

- Về cơ chế làm việc của hệ móng bè – cọc – đệm vật liệu rời thì có thể thấy hệ móng bè cọc đệm vật liệu rời có cơ chế làm việc phức tạp, ngoài các tương tác xuất hiện trong hệ móng bè cọc thông thường ra còn có sự xuất hiện của ma sát âm

- Các nghiên cứu về hệ móng bè – cọc – đệm vật liệu rời nhìn chung đều có thống nhất các điểm sau:

+ Đệm vật liệu rời giúp điều chỉnh tỉ lệ chia tải giữa cọc và đất nền

+ Độ lún của hệ bè – cọc đệm vật liệu rời lớn hơn so với bè cọc thông thường

+ Có sự xuất hiện của ma sát âm trong hệ móng bè cọc đệm vật liệu rời, do đó lực dọc lớn nhất trong hệ móng bè – cọc – đệm vật liệu rời xuất hiện tại vị trí đường trung hoà

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG XỬ CỦA HỆ MÓNG BÈ - CỌC – ĐỆM VẬT LIỆU RỜI

3.1 Đặt vấn đề

Móng bè-cọc được sử dụng để nâng đỡ nhà cao tầng hoặc các kết cấu chịu tải lớn Thông thường quan điểm tính toán là cọc chịu tải, bè đóng vai trò là kết cấu trung gian truyền lực từ hệ kết cấu bên trên xuống các cọc Đối với móng bè cọc thì ngoài tác dụng truyền lực từ hệ kết cấu bên trên xuống hệ cọc thì còn truyền lực xuống đất nền Tuy nhiên trong hệ móng bè cọc này moment và lực cắt trong cọc và bè vẫn còn rất lớn Khi có thêm lớp đệm vật liệu rời, các tải này sẽ truyền xuống cho đất nền bên dưới nhiều hơn, giảm nội lực trong cọc và bè

Trong quá trình đào xới đất để thi công móng hầm chắc chắn sẽ làm ảnh hưởng đến cấu trúc của đất, gây ra hiện tượng đất bị tơi xốp Do đó có thêm một lớp đệm vật liệu rời giúp gia cố lại nền bị tơi xốp và nâng cao khả năng chịu lực của bè

Thông thường, móng bè được sử dụng trên nền đất tốt, có nhiều ưu điểm như tiết kiệm, tính toán đơn giản Tuy nhiên nó có nhiều hạn chế như có độ lún lớn, khi làm công trình cao tầng nhiều người nghi ngại vấn đề chống lật của công trình Còn về móng cọc thì quan điểm chịu tải là do cọc chịu hoàn toàn, tính toán thường dư Về phần của lớp đệm vật liệu rời, từ trước đến nay chỉ dùng để gia cố các nền có lớp đất yếu mỏng, dùng để thay thế hoàn toàn lớp đất yếu này trong vùng nền

Do đó có thể thấy hệ móng bè-cọc-đệm vật liệu rời sẽ là một phương án thay thế kinh tế hơn hệ móng bè-cọc truyền thống do giảm đi được moment và lực cắt trong bè và cọc Nhưng đến nay vẫn ít nghiên cứu về hệ móng bè-cọc này

3.2 Mô hình kiểm chứng của hệ móng bè-cọc-đệm vật liệu rời

Tiến hành phân tích, học viên tiến hành mô phỏng dựa trên các thông số trong bài báo ‘on the use of embedded pile elements for the numerical analysis of disconnected piled rafts’ của

nhóm tác giả f Tradigo, f Pisanò, c Di prisco đăng trên tạp chí computers and geotechnics Bảng 3.1.các thông số vật liệu được sử dụng [3]

Trọng lượng riêng

Module đàn hồi

Độ tăng module đàn

Hình 3.1 Mô hình kiểm chứng [2]

Bảng 3.2.các thông số mô hình được mô phỏng kiểm chứng

Khoảng cách h từ bè đến cọc

(m)

Dài x

rộng (m)

Chiều dày (m)

Khoảng cách

(m)

Số

lượng Đường kính (m)

Chiều dài (m)