Luận án tiến sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích sự làm việc của bè móng trên hệ cọc

DANH MỤC CÁC TU VIET TATAp m’ Diện tích mặt cắt ngang của coc a m Bán kính tương đương của phan tử bè a = b/Vaaij Hệ số độ mém của đất nên biểu thị chuyền vi tại nut i do tai đơn vi tác

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHI MINHTRUONG DAI HOC BACH KHOA

CAO VAN HOA

PHAN TICH SU LAM VIEC CUA BE MONG TREN HE COC

LUAN AN TIEN SI KY THUAT

TP HO CHI MINH NAM 2017

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO VĂN HÓA

PHAN TÍCH SỰ LAM VIỆC CUA BE MONG TREN HỆ COC

Chuyén nganh: Dia ky thuat xay dungMã số chuyên ngành: 62.58.60.01

Phản biện độc lập 1: GS TSKH NGUYEN VAN THƠPhản biện độc lập 2: PGS TS CHAU TRƯỜNG LINH

Phản biện 1: GS TS TRAN THỊ THANHPhản biện 2: PGS TS TRAN TUẦN ANHPhan bién 3: PGS TS NGUYEN MINH TAM

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HOC: _PGS TS CHAU NGOC AN

LOI CAM DOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quanghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bấtkỳ một nguồn nào và dưới bat kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đãđược thực hiện trích dẫn và ghi ngu6n tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chit kýCao Văn Hóa

TOM TAT LUẬN AN

Kết quả thống kê từ 31 công trình móng bè — coc trong nước và trên thế giới, cho thaybề dày bè của chúng khác nhau đáng kể Có những công trình bè rất dày (MesseturmTower chi cao 256 m, bé day tới 6,0 m), có những công trình bè tương đối mỏng(Dubai Tower cao hơn 400 m, bề dày chỉ 2,5 m) Do đó việc nghiên cứu đánh giá ảnhhưởng của bè trong sự làm việc đồng thời kết cầu — bè — cọc, nền có ý nghĩa lý luận vàthực tiên nhăm làm sáng tỏ vai trò của nó trong ôn định tông thê của công trình.

Đầu tiên, luận án sử dụng phương pháp phân tích va tong hợp lý thuyết dé phân tíchthực tiễn thiết kế và nghiên cứu hoạt động của bè trong toàn hệ tương tác kết cầu bêntrên — bè — nền, cọc của các tác giả trong nước và trên thé giới Cho thấy: (i) Chiều daybè lớn có tác dụng phân bố đồng đều nội lực và biễn dạng trong cọc, trong nên, giữabè và nền, cũng như nội lực trong chính bản thân bè; (ii) Các yếu tô tác động đến biếndạng của bè gdm có hệ cọc, mô đun dan hồi cua dat nên và kêt câu bên trên.

Tiếp theo, luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học dé nghiên cứu đánh giáảnh hưởng của các yếu tố đã được đúc kết ở chương 1 đến sự làm việc của bè bangchương trình PRAB thông qua công trình mô hình giả định xây dựng trên nền cát TPHồ Chí Minh Từ đó rút ra được các kết luận sau: (i) Chiều day bè lớn nhằm dam bảogánh chịu các nội lực xuất hiện trong bè như mô men uốn và lực cắt, đặc biệt làchuyền vị lệch của hệ móng (ii) Các yếu t6 chủ yếu ảnh hưởng đến bién dạng của bègôm: chiêu dài và sơ đô bô trí cọc, mô đun đàn hôi của đât nên và sô lượng tâng.

Trên cơ sở các hiểu biết từ chương 1 và chương 3, nghiên cứu đã đề xuất phương phápđỗ thi để xác định chiều dày bè có xét đến ba nhóm yếu tố, được dé cập tại chương 4.Ứng dụng phương pháp đồ thị dé tính toán chiều dày bè và kiểm chứng chúng thôngqua phân tích sâu sáu công trình tiêu biểu, phân tích tổng hợp 31 công trình thống kêmột mặt nhằm hiệu chỉnh phương pháp đồ thi, mặt khác dé trả lời câu hỏi về chiều daybè lớn của các công trình xây dựng trong nước va trên thé giới Kết quả nghiên cứu chỉra rang: (i) Chưa có quan tâm đúng mức đến việc tối ưu chiều dày bè; (ii) Bè làm việcchủ yếu là chống lại biến dạng: (iii) Có ba yếu tố chính ảnh hưởng đến chiều dày bè làsố lượng tang, mô đun dan hồi của đất nền và hệ coc; (iv) Phương pháp đồ thị đượcthiết lập là đáng tin cậy và có giá trị ứng dụng cao

ii

With statistic data from 31 high-rised buildings constructed in Vietnam and over theworld, it can be recognized that the raft thicknesses are significantly varied Somebuildings have very thick raft (e.g Messeturm Tower is only 256 m tall, with raft of6.0 m thick), while the others have relatively thinner raft (e.g Dubai Tower is almost400 m tall, but raft is only 2.5 m thick).

At first, this study using method of analysis and synthesis of theory to review thedesign practice and available researches in Vietnam and over the world on raftbehavior in the upper-structure — raft — soil and pile’s interaction It shows that: (1)Raft thickness affects the distribution of internal forces and deformation in piles, soil,between raft and soil, and in raft structure significantly; (1) Factors affecting raftdeformation and internal forces are pile group design, soil Young’s modulus, andupper-structure.

Next, this study using scientific experimental method to analyze the conclusions fromchapter | using PRAB program on a prototype building constructed on Ho Chi Minhcity's sand (as specified in chapter 2) It indicates that raft thickness is designed to bearmoment, shear stress, and especially deformation (differential displacement) Thefactors affecting the mentioned deformation are: piles length and configuration, Youngmodulus of soil, number of floors.

From the conclusions of chapter 1, 3 it can be confirmed raft thickness is depended onnumber of floors, Young modulus of soil and piles length Based on these knowledges,this study propose a simplified graphical method for determining raft thickness.

By applying the graphical method to calculate raft thickness of the selected buildings;verifying the method and results of this study with six selected case studies in detail ;and, comparing with the actual raft thickness of all the statistic buildings, it shows that(i) There is much less interesting in optimizing of raft thickness; (1) The raft behavioris mainly to resist its deformation; (iii) There are three main factors affecting on raftthickness: Number of floors, Young modulus of soil and piles; (iv) The graphicalmethod proposed by this study is highly applicable in practice.

lil

LOI CAM ON

Tôi xin trân trọng cảm on PGS TS Châu Ngoc An đã tận tình hướng dan trong suốtquá trình nghiên cứu Tôi cũng xin được cảm ơn tất cả các thầy cô trong Bộ môn Địacơ — Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Dai học Bách khoa TP Hồ ChíMinh, mà người lãnh đạo trước đây là PGS TS Võ Phan và ở giai đoạn sau là PGS.TS Lê Bá Vinh, đã tạo mọi điều kiện, đóng góp nhiều ý kiến quí báu trong quá trìnhthực hiện luận án này Tôi thật sự biết ơn các thay cô và các đồng nghiệp tại trường đạihọc Kiến trúc TP Hồ Chí Minh, PGS TS Nguyễn Bá Kế, GS TS Nguyễn TiếnChương, PGS TS Đoàn Thị Minh Trinh đã khích lệ, động viên và giúp đỡ tôi dướimọi hình thức để tôi có thể hoàn thành được luận án đúng thời hạn Tôi đặc biệt biếtơn GS TS Tatsuo Matsumoto, Đại học Kanazawa đã cung cấp cho tôi chương trìnhPRAB, là công cụ chính để tôi hoàn thành nghiên cứu của mình

IV

I.3 Cac phương pháp phân tích bè - 6 <1 1999901 1 ng 6 ke rre 101.3.1 Các phương pháp giản lƯỢC ng ke 101.3.2 Các phương pháp giải tich - Ăn vn 121.3.3 Các phương pháp SỐ + ¿c6 S123 1 E5 E1 E1E11151521 1111111111111 cxe l61.4 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của kết cau bên trên và nền, cọc đến nội lực vàbiên dạng trong ĐÈ G G10 1914.1 Anh huong cua kết cau bên trên đến nội lực và biến dang của bè 19

142 Ảnh hưởng của hệ cọc đến nội lực và biến dạng của bè 21

14.3 Ảnh hưởng của đất nền bên dưới đến nội lực và biến dạng của bè 23

I0 ưỮưä 24

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN, CƠ SỞ CUA CHUONG TRÌNH PRABVÀ THIẾT LAP MO HINH NGHIÊN CỨU 6+ EE2E+EEeESEsEeE+EEEeEsesesee 262.1 Phương pháp luận - - < << 900 re 262.1.1 Phương pháp phân tích tương tác giữa bè với đất nền và hệ cọc 26

2.1.2 Phương pháp phân tích tương tác giữa bè và kết cau bên trên 26

2.1.3 Phương pháp phân tích chiều day bè hợp lý - - 2 c2 s5s+sc5s: 272.2 Cơ sở lý thuyết của chương trình PRAB 5- 252555252 E+ESE£zertererrsred 282.2.1 M6 phỏng mĩng bè - cọc trong PRAB G1, 282.2.2 Ứng xử ứng suất— bién dạng của đất nên theo lý thuyết đàn hồi 29

Vv

2.2.3 Sự phân bố tải trong và chuyền vị dọc chiều dài cọc - 392.24 Ma trận độ cứng cua móng bè — cọc [1], [2 ]_ - <<<<<<<<««<<<ss2 402.3 Thiết kế công trình mô hình phục vụ nghiên cứu - 552 s5s+s¿ 43

2.3.1 Lựa chọn công trình nguyên mẫu - + + + + +5+5+s+s+* +22 £z£z£z£z£czcxe 43

2.3.2 Thiết kế công trình mô hình ¿-¿- + - 2 2 *+E+E+E+EE£E£E£E+EzErErkrerereee 442.3.3 Đánh giá sơ bộ mô hình nghiên cứu - 5 5< ssessseeks 51“¡ch 52CHƯƠNG 3 NGHIÊN CUU DANH GIÁ CÁC YEU TO ANH HƯỚNG DENCHIEU DAY BE BANG PRAB - G HS ngọn ke 54

3.1 Anh hưởng của các tô hợp tải trọng đến nội lực và chuyên vị tại bè 543.2 Anh huong cua chiéu day bè đến nội lực, biến dang tại be, nên va COC 553.2.1 Sự phân phối tải trong giữa cọc & bè wececccsescscecsesssesescssesseseseseesseseees 553.2.2 Sự phân phối tai trọng tại đỉnh các cọc trong bè - 5 5 5 sec: 563.23 Sự phân phối nội lực trong cọc, ứng suất trong nên theo chiều dài cọc 573.2.4 Sự phân bố mô men trong bè - + ¿22 + 2 2 +E+E+E+E££E£E+EzEzEererersred 583.2.5 Chuyến vị lệch tại bè (Biến dạng của bè) - 2525255 2sceseszsrsceo 613.3 Anh hưởng của kết cau bên trên đến biến dang của bè -.- 525-5552 613.3.1 Ảnh hưởng của độ cứng kết cau bên tréte cccccsesseeesessseseseseeeseeeeee 613.3.2 Ảnh hưởng của số lượng tang (tai trong) đến chiều dày bè 633.3.3 Ảnh hưởng của khoảng cách cột ¿-+-¿- + 2 + 2 2+E£E+EeEeEErkrkrrerrsred 643.4 Ảnh hưởng của đất nên bên dưới đến biến dạng của bè - 653.4.1 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi đất nền nằm ngay dưới đáy bè 653.4.2 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp đất nền năm dưới mũi cọc 673.5 Ảnh hưởng của hệ cọc đến biến dạng của bè veces ssesessesesesesssesesesesesesees 683.5.1 Ảnh hưởng của sơ d6 bố tri COC ¿ + - + +22 SE£E£E+ESEEEEErErkerersred 683.5.2 Ảnh hưởng của số lượng CỌC - + 252262 2E EESE£EEEEEEEEEEEErkrkrkred 693.5.3 Ảnh hưởng của đường kính COC ¿- + - + +2 2 £E£E£E+E£EeEE£Erereerrsred 703.5.4 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các CỌC - 5c ccSececxctsesrersrei 713.5.5 Ảnh hưởng của chiều dài CỌC + + 2%E E2 SE2E£ESESEEEEEErErErrkrkrsred 723.5.6 Ảnh hưởng của độ cứng của móng - +2 2s+++c+cz££+E+x+ezrersred 73S0 ca 74

CHƯƠNG4 THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP ĐÔ THỊ DỰ TÍNH CHIEU DAY BE

764.1 Phương pháp chỉ xét đến ảnh hưởng của số lượng tầng — Phương pháp A 764.2 Phương pháp có xét đến ảnh hưởng đồng thời số lượng tầng và mô đun đàn

hôi cua dat nên — Phương pháp - + 101 ng ke 774.2 Trường hop Ì - cọ ng 7742.2 TruOng hop 2.0 a 784.2.3 Trường hop 3.0 ccccsssscccecesssssneeeeecessesnsceeeeessessseeeeeecesseesaeeeeceseesaeeeeeess 79Z2 Xđ (8o na 304.3 Phuong pháp có xét đến đồng thời số lượng tầng, ảnh hưởng của đất nên và hệ

cọc — Phương pháp đô thỊ S9 ng kg 32Na n na 84CHUONG 5 ỨNG DUNG PHƯƠNG PHAP ĐÔ THỊ VÀ KIEM CHUNG KETQUA NGHIÊN CUU wieeeecccccccccsscscsescsssscscscscscscecevecssssscscssssssscscscacavsvevsvsnsesssssessesseasess 85

5.1 Phân tích sâu sáu công trình chọn 1OC ccccccceessseeessneennnneeeeeeeeeeeeeeeeeeeees S55.1.1 Treptower, Berlin [45], |7 ] - - - << << s99 9 1 1v ke S55.1.2 Dubai Tower, Doha [52], [5 Ố | << {+ + 1131335 se css 865.1.3 ICC TOWER, HongKong [11], [Š⁄4] - 555cc ess 875.14 Messeturm Tower, Franfurt [Š | - - << = << css +1 Sseeesssseess 885.1.5 Bitexco Financial ÏOWT - «<< c0 101101 1 1111 1 11v 13 xe S95.1.6 Incheon Tower [5Š | -c ccc s11 n1 HH HH ng cn 905.1.7 Đánh giá phương pháp đỗ thị và số liệu thống kê với phân tích chiều dàybè hợp ly băng PRAAB -G LG HH ng 9]5.2 Ứng dụng và kiểm chứng phương pháp đô thị với toàn bộ 31 công trình thống

Ố.Ố.Ố.Ố 92

KET LUẬN VA KIÊN NGHỊ - - - =3 SE E S319 312 E11 ng ng: 95DANH MỤC CÁC CONG TRÌNH ĐÃ CONG BỒ - tt S12 gen 98TÀI LIEU THAM KHẢO G3911 569191 1E 911111 5 5181515113 E181 1e ki 99PHU LUC A CÁC THAM SO CUA 31 CONG TRINH THONG KỂ IPHU LUC B MOT SO THAM SO DUNG DE THIET KE VA DAC TRUNG CUACÁC MO HÌNH NGHIÊN CUU ¿5252252222222 II

Vil

PHU LUC C SỰ PHAN PHOI NỘI LỰC GIỮA NEN VA CỌC 5s: XIPHU LUC D SỰ PHAN PHOI NỘI LUC VÀ CHUYEN VỊ - 5 5 s2 XVIIPHU LUC E: SU PHAN PHOI NOI LUC TRONG BE VA BIEN DANG CUA BE /LUN CUA DAT NEN / CHUYEN VI CUA MÓNG -c-cccccccscscee XXXIXPHU LUC F ANH HUONG CUA KET CÂU BEN TREN - 5552 XLVPHU LUC G: PHƯƠNG PHAP MỞ RỘNG TỪ POULOS (2001) XLVIPHU LUC H: PHƯƠNG PHÁP ĐỎ THHỊ G- + 6 SE E9E E212 EvEsESEeEeEverserxes LXPHU LUC I: KIEM CHUNG VÀ HIỆU CHUAN PP ĐỎ THỊ LXVII

Vill

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phân biệt móng bè, móng cọc va móng bè — coc [1], [2]' -+- 4Hình 1.2 Mô hình tính toán độ cứng của cọc đơn [Ä | «<< << eeessessseees SHình 1.3 Mô phỏng cơ chế hoạt động của bè móng [10] 2-52 52 s+s+ss552 9Hình 1.4 Quan hệ chiều dày bè — số tang của 31 công trình thống kê [1 1].[12].[13].10Hình 1.5 Áp lực tiếp xúc (a) Bè cứng và (b) Bè mềm (Lopes, 1994) [14] 11Hình 1.6 Chiều dày bè theo Diep [16] va theo số liệu thống kê [11], [12], [13] 12Hình 1⁄7 Bề dày bè theo phương pháp Poulos mở rộng và theo thực tế (Phụ lục G) 16Hình 1.8 Tối ưu hóa chiều dày bè theo phương pháp PRAB (Xem mục 4.1) 18Hình 2.1 Mô phỏng móng bè - coc [1], [2] 29Hình 2.2 a) Biến dạng xung quanh coc, b) Ung suất tại phan tử dat [8] 32Hình 2.3 Mô hình đất nền nhiễu lớp [1], [2] 34Hình 24_ Mô đun đàn hỏi trung bình [1] 36Hình 2.5 Lời giải Mindlin cho tải tập trung thắng đứng và phương ngang 38Hình 2.6 Phương pháp truyền tai [7] 40Hình 2.7 Hệ tọa độ mô phỏng cọc nghiêng (Kitiyodom (2003) 4IHình 2.8 Mô phỏng cọc và bè bằng phương pháp phan tử hữu hạn [1] 42

Hình 2.9 Nguyên mẫu công trình Treptower, Berlin [45] 43

Hình 2.10 So đồ phân chia lưới phần tử hữu han cho bè móng (Sơ đỗ 4, cọc có

đường kính 2m, SỐ lượng cọc 49) 44Hình 2.11 Kết qua thí nghiệm SPT, số 36 Mac đĩnh Chi, Q1, TPHCM 46Hình 2.12 Quan điểm bồ trí cọc ở những vi trí trọng yếu để giảm chuyền vị lệch [5] 48Hình 2.13 Sự phân phối áp lực dưới móng bè (Terzaghi & Peck 1956) 46Hình 2.14 Sơ đồ bố trí cọc đường kính 2m, 2.5m và sơ đồ móng bè 49Hình 2.15 Sơ đồ bố trí cọcđường kính Im và đường kính 3m 49Hình 3.1 Phân bố mô men, lực dọc tại đỉnh cọc và chuyển vị tại mặt cat qua tâm bè ở

Hình 3.2Hình 3.3Hình 3.4Hình 3.5

Hình 3.6Hình 3.7

các trường hợp tổ hợp tải trọng khác nhau 55Su phan bồ tải trọng tại đỉnh cọc theo các mặt cắt song song với trục x 56Sự thay đổi tải trọng tại đỉnh cọc trong móng bè — cọc theo chiều dày bé 57Ảnh hưởng của chiều dày bè đến sự phân phối tải trọng trong cọc 57Ảnh hưởng của chiều dày bè đến sự phân phối mô men và lực dọc trong cọc

¬ ốỐốỐốỐỔỐÔ 58

Ảnh hưởng của chiều dày bè đến sự phân phối ứng suất trong nên 58Sự phân phối mô men uốn trong bè ¿+2 + 2 2£££E+E+Ez£z££szEzezree 59

IX

Hình 3.8 Sự thay đổi mô men âm và mô men dương khi bè có chiều dày khác nhau

¬ 60Hình 3.9 Ảnh hưởng của chiều day bè đến chuyền vị lệch - cece 61Hình 3.10 Quá trình tái phân bố nội lực và chuyến vị tai chân cột khi có xét đến ảnh

hưởng độ cứng kết cẫu bên trÊn - ¿+2 +2 E2 £E+E£E+EeEEErErkrrersrsred 62Hình 3.11 Ảnh hưởng của kết cau bên trên đến sự tái phân bố tải trọng tại chân cột 63Hình 3.12 Mức giảm chuyến vị lệch khi có xét đến độ cứng kết cau bên trên 63Hình 3.13 Mối quan hệ chiều dày bè và chiều cao tầng -555 2 5s+c+cscs2 64Hình 3.14 Mối quan hệ giữa chuyên vị và khoảng cách giữa các cột 65Hình 3.15 Anh hưởng của mô đun đàn hồi đến chuyên vị lệch và chiều dày bè 66Hình 3.16 Ảnh hưởng của lớp dat cứng dưới mũi coc đến chuyên vị lệch 67Hình 3.17 Chuyén vị trên mặt cắt qua tâm bè w cecececccccccsessssssessesssesesscseesesessssseseeseseeeees 69Hình 4.1 Mối quan hệ giữa chiều dày bè và số lượng tang theo phương pháp A 77Hình 4.2 Mối quan hệ chiều dày bè và số tầng tại E = 30MPa 78Hình 4.3 Mối quan hệ chiều dày bè và số tầng tại E = 50MPa 78Hình 4.4 Mối quan hệ chiều dày bè và số tầng tại E = 100MPa 70Hình 4.5 Mối quan hệ chiều dày bè và số tầng tại E = 150 MPa 70Hình 4.6 Biểu đỗ tương tác xác định chiều dày bè theo Phương pháp B SĨHình 4.7 Kiểm chứng phương pháp B với các phương pháp khác: a) Ứng với chuyền

vị lệch tương đối 0,05%, b) Ứng với chuyền vị lệch tương đối 0,2% SĨHình 4 8 So sánh phương pháp đồ thị với phương pháp B và kết quả thông kê 84Hình 5.1 a) So sánh chuyền vị tính toán theo PRAB và các kết quả của các tác giả đã

công bố, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB 85Hình 5.2 a) So sánh chuyền vị tính toán theo PRAB và các kết quả của các tác giả đã

công bó, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB - 5 55555: 86Hình 5.3 a) So sánh chuyền vị tính toán theo PRAB và các kết quả của các tác giả đã

công bó, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB - 5 55555: 87Hình 5.4 a) So sánh chuyền vị tính toán theo PRAB và các kết quả của các tác giả đã

công bó, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB - 5 55555: 88Hình 5.5 a) So sánh chuyền vị tính toán theo PRAB và các kết quả của các tác giả đã

công bó, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB - 5 55555: 89Hình 5.6 a) So sánh chuyền vị tính toán theo PRAB va các kết quả của các tác giả đã

công bó, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB - 5 55555: 90

Bang 2.1Bang 2.2Bang 2.3

Bang 3.1Bang 3.2

Bang 4.1Bang 4 2Bang 4 3

Bang 5.1

Bang 5.2Bang 5.3

DANH MUC BANG BIEU

Các tham số của mô hình nghiên cứu - + ¿55+ 2 s+x+cs+szsee 50

Các tham số của hệ cọc trong 13 mô hình nghiên cứu (PDR) 51

Độ cứng của móng va mức huy động sức chịu tải của cọc theo PDR 52

Chuyến vị lệch tương đối theo khoảng cách cột và chiều dày bè 65

Phân bồ tải trọng và chuyển vị của các sơ đồ cọc có đường kính 2 m 68

Các đặc trưng của mô hình dùng dé phân tích ảnh hưởng của số tang 76

Chiêu dày bè của các công trình được thiết kế dang móng bè 83

Chiêu dày bè của các công trình móng cọc (m) - + + ss+sze‹ 83Kiém chung va hiệu chuan phuong phap đồ thị với 6 công trình chọn lọc

91Kiểm chứng chiêu day bè theo phương pháp đồ thị - 92Bảng giá trị hệ số IK - + SE 1S S1 3 12151111 11111111 1111111111 re 94

XI

DANH MỤC CÁC TU VIET TAT

Ap (m’) Diện tích mặt cắt ngang của coc

a (m) Bán kính tương đương của phan tử bè a = b/Vaaij Hệ số độ mém của đất nên biểu thị chuyền vi tại nut i do tai đơn

vi tác dụng tại nút 7B (m) Chiều rộng của bé

b, d (m) Kích thước của phần tử bèDS (mm) Chuyén vi léch

DS/L (%) Chuyến vị lệch tương đối

Dp (m) Đường kính của cọc

dy (m) Khoảng cach từ mũi coc đến đất nền

đ, (m) Khoảng cách giữa các cọcE, (MPa) Mô dun dan hồi của cọc bê tông

hy (MPa) Mô đun đàn hôi của đất nềnE say (MPa) Mô dun dan hồi trung bình của dat doc thân cocEsp (MPa) Mô dun đàn hồi của đất đưới mũi cọc

Ey (MPa) Mô dun đàn hôi của dat tai mũi cọcES (MPa) Mô dun đàn hồi tương đương của đất nền

Ex (MPa) Mô dun đàn hồi tương đương của lớp đất thứ i

Grp, Ơi, (MPa) Mô đun chỗng cắt tại các độ sâu tương ứng,

Gs, (MPa) Mô dun chong cắt,

h (m) Bè day của lớp đất nên

lij Hệ số chuyén vi đứng của phan tử i do tải trọng tác dung tai

phân tử j[Tp] Ma trận tương tac cua coc[,Ì Ma trận hệ số chuyển vị của đất nên.Al;, Alr, sen Chênh lệch giữa các hệ số chuyền vị thăng đứngK Hệ sô ảnh hưởng của cọc dén chiêu dày bèK, (MPa) Độ cứng của bè

XI

( MPa)( MPa)( MPa)( MPa)(m)(m)(m)(m)(m)(cọc)(cọc)(MN)(MN)(MN)(MN)(MN)(MN)(MN)

(mm)

(mm)(mm)(m)

(mm)(mm)(mm)

Độ cứng cua móng bè — coc,Độ cứng của nhóm cọcĐộ cứng bẻ — nềnĐộ cứng két cau bên trên — nềnKhoảng cách giữa vị trí chuyển vị lớn nhất và nhỏ nhấtKhoảng cách giữa các cột

Chiều dài của bèChiều dài cọcChiều dài của phan tử cọcSố cọc trong hàng thứ ¡Số lượng cọc trong bèTai trọng tác dung tai nút i có độ cứng tương ứng k;Tai trọng tac dụng tại nút j có độ cứng tương ứng k;Tải trọng do bè chịu

Tổng tải trọng tác dụng lên bèTổng tải trọng cực han do cọc chịuTải trọng tác dụng tại đầu cọcTải trọng tác dụng tại đầu cộtVéc tơ ứng suất của cọcTỷ số diện tích tiết diện cọc và diện tích xung quanh cọc.Bán kính trung bình của phần tử bè, tương ứng với diện tích bèchia cho số lượng cọc

Bán kính vùng nên bị ảnh hưởng xung quanh cọcBán kính của cọc

Bán kính tương đương của cọc (trường hợp không phải là cọctròn)

Chuyến vị (mm)Chuyển vi của móng bè — cọcChuyến vị của của móng bèTỷ lệ tải trọng do bè chịu

Xiil

Chuyén vi của nút thứ 1Chuyén vị của nút thứ iChuyến vị của nút kChuyển vị của nhóm cọcChuyến vị của bè

Hệ số tương tác giữa cọc và bè.Hệ số tương tác giữa nut k và nút j (ay = 1 khi k =/)Hệ số chuyển vị của hệ cọc do tương tác của tải tác dụng lên bè.Hệ số chuyển vị của bè do tương tác của tải tác dụng lên hệ cọc.Hệ số độ sâu

Tỷ số mô đun đàn hồi của cọc và mô đun chồng cắt tại mũi cọcHệ số Poisson của đất nền

Tỷ số mô đun đàn hồi của đất tại mũi cọc và đưới mũi cọcTỷ số mô đun chống cắt ở độ sâu giữa thân cọc và tại mũi cọcVéc tơ chuyên vi của nên

XIV

MO DAU

1 Tính cap thiết của dé tài, mục đích của nghiên cứuTừ kết qua phân tích va tong hợp các nghiên cứu lý thuyết và số liệu thống kê của 31công trình cao tang sử dụng móng bè trên hệ cọc nên, của các tác giả trong nước vàtrên thế giới, cho thay dường như chưa có sự quan tâm thích đáng đến sự làm việc tốiưu của bẻ, do đó bề day của chúng thường có giá trị lớn Vi vậy, cần thiết phải làmsáng tỏ sự làm việc của bè, các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của nó trong toàn bộtương tác kết cau bên trên — bè móng — nên, cọc Từ đó, mục đích của nghiên cứu đượcxác định là: (i) Giải thích được nguyên nhân tại sao các nhà tư vấn thiết kế chọn chiềuday dày bè lớn; (ii) Có thé đưa ra được phương pháp tính hoặc định hướng cho các nhàtư vấn trình tự chọn lựa chiều dày hop ly cho bè của các công trình cao tầng dựa trênmột số it các yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứuBè móng là kết cau trung gian giữa kết cấu bên trên và nền, cọc ở bên dưới Trongthực tiễn thiết kế và thi công, kết cấu bên trên và nền, cọc ở bên dưới thường đượcthiết kế riêng rẽ với quan niệm là kết cau bên trên được ngàm vào hệ bè — nên, cọc Đãcó rất nhiều nghiên cứu về sự làm việc giữa bè và nên đất, giữa bè và hệ cọc, giữa bèvà kết câu bên trên Nhưng các nghiên cứu về sự làm việc của bè móng trong toàn bộtương tác kết cau bên trên — bè — nền, cọc chỉ mới tạm dừng ở mức độ khái niệm bècứng và bè mềm Nghiên cứu này sử dụng phương pháp số (PRAB) và các số liệuthống kê để phân tích sự làm việc của bè móng trong điều kiện tương tác đầy đủ kếtcầu bên trên — bè móng — nên, cọc Nội dung và kết quả của nghiên cứu thể hiện cáchtiép cận hoàn toàn mới về sự làm việc của bè móng, có ý nghĩa khoa học cao.

Số liệu thống kê từ 31 công trình đã được xây dựng trong nước và trên thế giới chothấy đại đa số bè móng được thiết kế dày theo quan niệm bè cứng, tuy nhiên cũng cónhiều công trình được thiết kế theo phương pháp bè mém Nghiên cứu chỉ ra rằng bèmềm với biến dang hợp lý có thé giảm được khoảng 14% chiều dày Phương pháp đồthị ma nghiên cứu dé xuất giúp cho các nhà tu vấn ước lượng nhanh chóng được chiềuday bè hợp lý trước khi tối ưu hóa nó bằng các phương pháp chính xác

3 Phương pháp nghiên cứuLuận án sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp với phươngpháp thực nghiệm khoa học Dau tiên, luận án phân tích và tong hợp thực tiễn thiết kế

và ly thuyết về sự làm việc của bè từ các công trình, nghiên cứu đã được công bó, dé

từ đó xác định các yếu tô ảnh hưởng đến chiều day bè Tiếp theo, luận án sử dụngphương thực nghiệm khoa học với việc ứng dụng chương trình PRAB và phương phápthống kê dé phân tích tách bach, lặp lại, biến thiên từng yếu tố ảnh hưởng va đánh giá,đo đạc sự biến đổi của từng yếu tố Dựa trên các yếu tô quan trọng nhất ảnh hưởng đếnchiều day bè được đúc kết từ phân tích thực nghiệm bang PRAB, Luận án thiết lậpPhương pháp đỗ thi để xác định sơ bộ chiều dày bè Từng bước phân tích và kết quanghiên cứu cuối cùng được kiểm chứng bởi số liệu thống kê và kết quả nghiên cứu đãđược công bố của một số tác giả khác Xem minh họa trên hình 1

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng của nghiên cứu là sự làm việc của bè trên hệ cọc của các công trình cao

tang, có xét đến toàn bộ các tương tác với kết cau bên trên và đất nền cũng như hệ cọcở bên dưới Luận án giới hạn nghiên cứu sự làm việc của bè trong điều kiện ứng xửđàn hồi của vật liệu kế cả đất nền và điều kiện tải trọng tĩnh: (i) Nghiên cứu này quantâm đến sự làm việc của bè móng ở giai đoạn ôn định cuối cùng, khi biến dang dẻo kécả từ biến đã kết thúc, ở giai đoạn nay nên ứng xử gần như đàn hồi Mặt khác, ứng xửcủa bè móng và kết cấu bên trên là đàn hồi, do đó để đảm bảo tính tương thích, chonên ứng xử của đất nền trong nghiên cứu này được chọn đàn hồi (ii) Dé dé dàng choviệc nghiên cứu tác giả chỉ xét đến tải trọng tĩnh (gồm cả thành phần tĩnh của tải trọnggió và động dat), không xét đến thành phần động của tải trọng động

5 Những đóng øóp mới của Luận án

Luận án có những phát hiện và đóng góp mới như sau:i) Dai đa số các đơn vị thiết kế chưa quan tâm đến thiết kế hợp lý chiều dày bè, nênthường chọn bè cứng, nên rất lãng phí Nghiên cứu chỉ ra răng bè mềm với biến dạnghợp lý cũng không làm ảnh hưởng sự làm việc bình thường của kết cấu bên trên Kếtquả phân tích 6 công trình thực tế và kết luận từ nghiên cứu của nhiều tác giả, cho thấy

phạm vi thay đối chuyền vị lệch tương đối từ 0,05% đến 0.4%, là rất rộng Nghiên cứudé nghị chiều dày của bè móng hợp lý tại chuyển vị lệch tương đối 0,2% (chưa xét đếnđộ cứng KC bên trên).

ii) Khi phân tích tối ưu chiều dày bè tối thiểu phải cần quan tâm đến 3 yếu tố chính,là: tải trọng (số lượng tầng), mô dun đàn hồi của đất nền có chiều day bang nửa bềrộng bè (hoặc chiều dài cọc), nam tiếp giáp bè va sự hợp lý của sơ dé bố trí cọc Cácyếu tô khác như độ cứng của kết cau bên trên, khoảng cách cột, khoảng cách và đườngkính cọc, đất nền dưới mũi coc cũng can được quan tâm khi phân tích chỉ tiết

iii) Luận án dé xuất phương pháp đồ thị, là phương pháp mới để xác định nhanhchóng chiều dày bè sơ bộ không chỉ cho móng bẻ — coc ma còn cho móng bè, móngcọc Phân tích hợp lý có thể giảm chiều dày bè của các công trình thống kê trung bình14%.

6 Cấu trúc của luận ánLuận án có năm chương, phan mở dau, kêt luận va chín phụ lục Câu trúc của Luận ánđược trình bày tóm tắt ở hình vẽ dưới đây:

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE SỰ LAM VIỆC CUA

BE MONG TREN HE COC

1.1 Cac khái niệm

1.1.1 Khái niệm về móng bè — cọcMóng bè — cọc còn được gọi là móng cọc đài bè, được hiểu là móng cọc chỉ có duynhất một đài (bè) Do bè có kích thước lớn cho nên không chỉ có hệ cọc gánh chịu tảitrọng từ kết cấu bên trên mà đất nền dưới bè cũng gánh chịu một phần quan trọng.Hình 1.1 phân biệt móng bè, móng cọc và móng bè — cọc trên cơ sở mối quan hệ giữamức độ giảm chuyên vi và ty lệ tải trọng do cọc hoặc nên dưới bè chịu.

Ty lệ tải trọng do cọc chịu @ /Q

P t0.0 1.00.0 T T T T |

Randolph đã đưa ra ba quan niệm thiết kế móng cọc, có thể tóm tắt như sau [3]:i) “Quan niệm móng cọc truyền thong” là khi phần lớn tải trọng do cọc chịu, bè chỉtham gia một phần nhỏ hoặc hầu như không tham gia Cọc thường chỉ làm việc ở 30 —40% sức chịu tải cực hạn.

ii) “Coc từ biến”: nguyên lý này xảy ra khi coc làm việc ở tải trọng, mà tại đó biéndạng dẻo bắt đầu xảy ra, thường vào khoảng từ 70 — 80% sức chịu tải cực hạn Do đó,chỉ cần một lượng cọc vừa đủ được đưa vào móng để giảm áp lực tiếp xúc giữa bè vànên về giá trị nhỏ hơn áp lực tiền có kết của đất nền Phan áp lực vượt quá áp lực tiềncố kết nói trên được gánh đỡ bởi cọc.

Một quan điểm khác của “cọc tir biến” là sử dụng toàn bộ sức chịu tải cực hạn củacọc, nghĩa là một số hoặc toàn bộ cọc được thiết kế để làm việc với 100% sức chịu tảicực han Từ đó nảy sinh quan điểm sử dụng coc chủ yếu như công cụ giảm chuyền vị,tức là cọc tham gia chịu tải cùng với đất nền trong hệ móng

iii) Nguyên lý “kiểm soát chuyển vị lệch” trong đó cọc được bỗ trí ở các vị trí trọngyếu để làm giảm chuyến vị lệch, chứ không phải là giảm chuyển vị tổng thể Nếuchuyển vị lệch được kiểm soát bởi cọc thì mô men, biến dạng của bè rất nhỏ, chiều dàybè chỉ còn phụ thuộc vào nội lực tại chân cột.

1.1.3) Quan niệm tính toán mong be — cọcMóng bè — cọc được định nghĩa là khi một phần tải trọng được truyền qua cọc và phancòn lại được truyền trực tiếp từ bẻ trực tiếp xuống nên Phương pháp PDR (Poulos —Davis — Randolph) sau day minh họa khái niệm móng bè — cọc [3], [4] Quan niệm naydựa trên 2 giả thiết:

1) Chuyển vị của cọc và của đất nền bang nhau tai be;

i) Opr/Ky = yp/y do tính thuận nghịch.

Ma trận tải trọng — chuyển vị mô phỏng sự làm việc của móng bè — cọc được xác địnhbởi Randolph [5]:

a Hệ số tương tác chuyển vị của bè do lực tác dụng tại hệ cọc.rp:Độ cứng (stiffness) cha móng bè — cọc là tổng hop độ cứng của 2 thành phan: do hệcọc và do bản thân bè Randolph đưa ra biéu thức xác định độ cứng của móng bè — cọcky, như sau [5]:

_+bh_ kạ+ k„(1 — 2ø„„)= = (1.2)

“ Wor 1 — (k,/ky a2,

Trong dé: : Tai trọng do cọc chịu;

P.: Tai trong do be chiu;Wyr: Chuyén vi của móng bé — cọc;Ary: Hệ số tương tác giữa bè và cọc

In (7, / Ty)

đrp = 1— (1.3)

In(r„/?®)ý = In(%n/t%) (14)

?„: bán kính cọc tương đương;7,: bán kính bè tương đương.

%m = {0,25 + €[2,5p(1 — v) — 0,25] }L (1.5)

Độ cứng của hệ cọc có thể xác định theo theo phương pháp bè tương đương củaTomlinson [6], phương pháp cột tương đương của Poulos & Davis [7] Nó cũng có théxác định từ độ cứng của cọc đứng độc lập theo biểu thức của Randolph & Wroth [8]theo các công thức (1.8), sau đó sử dụng biểu thức (1.6) của Butterfield & Douglas,(1981) dé tính độ cứng của cả hệ:

ky = TT = nk =— =n (1.6)p= R= 1T, n= Ran

Trong đó: k,: Độ cứng của hệ cọc;

nN: Số lượng cọc trong hệ;

ky: Độ cứng tại đỉnh cọc đứng độc lập;nN: =n~° Hệ số hiệu quả nhóm (Fleming et al, 1992);

Hang số (0,3 — 0,5 cho cọc ma sat; > 0,6 cọc chịu mũi);R;: = n° Tỷ số chuyển vị nhóm

Độ cứng của cọc đơn (đứng độc lap), xem Hình 1.2, có thé xác định từ biểu thức sauđây cua Randolph & Wroth [8]:

Ly: Chiêu dai cọc;G,: Mo dun cat cua dat nên tai mũi coc;n: = Tp/T,ạ, Tp là bán kính tại mũi coc;v,: — Hệ sô Poisson của dat;

¿ = Gr/Œp Tỷ sô mô đun cat của dat tại cao độ mũi cọc và dưới cao độ mũi

CỌC;

P= Gaye/G, Hệ số biến động mô dun cắt theo chiều sâu (Gaye mô đun cắt trung

bình của đât nên dọc thân cọc);A=E,/G, Độ cứng tương đối giữa đất và coc (sử dụng để đánh giá cọc dai,

Trong đó, Wave: Chuyén vị trung bình mong bè;

h-: Tải trọng do bè chịu;đẹạ= 1.134; Bán kính bè tương đương:A,: Diện tích bè, hoặc diện tích phan tử bè

Cọc

Hình 1 2 Mô hình tính toản độ cứng cua cọc đơn [3|Phương pháp PDR trên đây được sử dụng để xây dựng mô hình nghiên cứu.1.1.4 Cơ chế hoạt động của bè móng

Bè móng (sau đây gọi tắt là bè) là kết cầu trung gian năm giữa kết cấu bên trên và nên,cọc ở bên dưới Toàn bộ tải trọng từ kết cau bên trên truyền xuống nên và hệ cọc thôngqua bè Ngược lại, các biến dạng, chuyền vị của đất nền và hệ cọc ảnh hưởng ngượclên hệ thống kết cau bên trên, cũng thông qua bè Có thể nhận thay hai quá trình: (i) Sựphân phối nội lực và biến dang trong các kết câu móng dưới tác dung của tải trọng từkết cấu bên trên; (i) Sự phân phối lại nội lực và biến dạng của các kết cầu bên trên làhệ qua của chuyên vi và biên dạng của nên và cọc ở bên dưới.

Trong các quá trình đó, bè có nhiệm vụ triệt tiêu các nội lực va biến dạng xuất hiệntrong bản thân nó để cân bang sự làm việc của kết cau bên trên và hệ kết cau móng ởbên dưới Dé dang nhận thay có hai phương pháp để triệt tiêu các nội lực và bién dạngnói trên: hoặc là tăng chiều dày bè để gánh chịu bất cứ nội lực nào xuất hiện tại nó,hoặc là kết câu bên trên và kết cấu hệ móng phải được thiết kế hợp lý sao cho nội lựctrong bè không xuất hiện hoặc xuất hiện với giá trị nhỏ

Trong thực tế, cho dù có sự phối hợp hoàn hảo như thế nào đi chăng nữa giữa kỹ sưkết cấu và kỹ su địa kỹ thuật, các nội lực va biến dạng tại bè luôn luôn ton tại Do đócần thiết phải lựa chọn chiều dảy hợp lý, đảm bảo để bè gánh chịu phân nội lực và biễndạng nói trên, và đảm bảo tính kinh tế khi thiết kế bè Có thé liệt kê các yếu tổ liênquan đến đến thiết kế chiều dày bè như sau (Hình 1.3):

Tương tác bè vàkêt câu bên trên

Tương tác bè vànên cọc ở bên dướiTT TS s.s.ss.ss-

Hình 1.3 Mô phỏng cơ chế hoạt động của bè móng [10]° Vai trò của bè và sự phân phối nội lực, biến dạng trong bè, trong cọc, trong đấtnền, giữa các cọc cũng như giữa coc va đất nên;

¢ Vai trò của kết cau bên trên, bao gồm chiều cao, độ cứng, khoảng cách cột, đếnnội lực và biễn dang trong bè móng:

e Vai trò của hệ coc, bao gồm sơ đồ bố trí cọc, chiều dài, khoảng cách và một số yếutô khác, đến nội lực và biễn dạng trong bè;

° Vai trò của dat nên dưới bè và dưới mũi cọc đền nội lực và biên dạng trong bè.Phân tích các yếu tố nói trên nhằm các mục tiêu: Thứ nhất, để xác định yếu tố chínhyếu nhất ảnh hưởng đến sự làm việc của bè, từ đó có thể tìm ra một phương pháp đơngiản nhằm dé phân tích bè hoặc giới hạn được số lượng các yếu t6 ảnh hưởng giúp chocác kỹ sư kết cau và kỹ sư địa kỹ thuật dé dàng hơn khi tối ưu hóa chiều dày bè; Thứhai, để làm sáng tỏ các quan niệm về sự làm việc của bè hiện nay

1.2 Số liệu thống kê từ 31 công trình xây dựng trong nước và trên thế giớiTheo quan niệm của Nghiên cứu này, tât cả các loại móng được xem như là móng bè —cọc, là đôi tượng của nghiên cứu Hình 1.4 (a,b.c) dưới đây thé hiện mối quan hệ chiều

9

dày bè và số tang của toàn bộ 31 công trình thống kê Các đặc trưng kết cầu, móng của31 công trình nay thé hiện tại Bang A.1, Phụ lục A Trong đó 04 công trình được thiếtkế dạng móng bè, 13 công trình được thiết kế dạng móng cọc và 14 công trình đượcthiết kế dạng móng bè — cọc.

100 200 100 200 100 200

a) Số ta “VAT6 tần b a tầ wes8 ) Số tầng c) Số tầng

Hình 1.4 Quan hệ chiéu day be — số tang cua 31 công trình thong ké [11],[12],[13]Từ Hình 1.4 (a,b,c) có thé nhận xét: chiều dày bè tăng mạnh theo số lượng tang khicông trình có số tang ít, nhưng tăng it hơn khi công trình có số tang lớn Hình 1.4 (b)chỉ ra răng chiều dày bè thực tế ở một số công trình thống kê có sai lệch lớn so vớiđường xu hướng chung (độ lệch quân phương 0.597) Hình 1.4 (c) thể hiện phạm vichiều day bè thực tế của 31 công trình thống kê Có thé nhận xét:

i) Chiều dày bè phụ thuộc vao số lượng tầng (chiều cao của công trình)ii) Tòa tháp Dubai Doha cao 400 m, có chiều dày bè thực tế là 2,5 m được cho làtương đối mong.ICC tower, Hồng Kông cao 480m, chiều dày bè thực tế là 8m, tươngtự Messeturm chỉ cao 256 m nhưng chiều day bè tới 6 m được cho là tương đối lớn.Hình 1.4 (b, c) cho thấy, chiều dày bè không những phụ thuộc vào số lượng tang, macòn phụ thuộc vào những yếu t6 khác

13 Các phương pháp phan tích bè1.3.1 Các phương phap giản lược1.3.1.1 Các giả thiết

Phương pháp nay dựa trên 2 giả thiết [14]:- Ap lực tiếp xúc thay đôi tuyến tính dưới bè (Hình 1.5a):- Ap lực tiếp xúc phân bố đều trong phạm vi tác dụng của cột (Hình 1.5b)

(a) (b)

Hinh 1.5 — Ap luc tiếp xúc (a) Bè cứng và (b) Bè mém (Lopes, 1994) [14]Giả thiết thứ nhất phù hợp cho trường hợp bè cứng, giả thiết thứ hai phù hợp chotrường hợp bè mềm Hạn chế của phương pháp này là chỉ dùng để xác định nội lựctrong bè nhưng không xác định được biến dạng của bè

Hrustinec đã liệt kê 20 biểu thức phân loại bè cứng và bè mềm khi xét đến đất nên vàkết cau bên trên từ nhiều tác giả khác nhau như: Borowicka (1936), Heteney (1946),Gorbunov — Posadov (1957), Grasshof (1966), ACI và nhiều tác giả khác [15] Trongtrường hợp bè cứng, ví dụ: móng hộp hoặc bè có dầm lớn, áp lực tiếp xúc được xácđịnh từ tải trong của kết cấu bên trên Trường hợp bè mềm là khi không thỏa mãn cácbiểu thức trên Khi đó, đầu tiên xác định áp lực tiếp xúc dưới bè tại các vùng ảnhhưởng của từng cột, sau đó tính toán nội lực với giả thiết bè là một bản sàn chống đỡbởi các cột, chịu tải trọng là các áp lực tiép xúc nói trên.

1.3.1.2 Ví dụ tinh toán chiêu day bè theo quan niệm bè cứng của Diep (1995)Quan niệm này dựa trên cơ sở: chiêu dày các sàn của kêt cau bên trên được thiệt kê đêgánh chịu nội lực và biên dạng do tải trọng tác dụng, vì vậy chiêu dày bè băng tôngchiêu dày các sàn cũng gánh chịu được nội lực và biên dạng do tông tải trọng côngtrình tác dụng lên bè Do đó chiều dày bè xác định bởi Diep như sau [16]:

t = 0,058n (1.11)

Trong đó: 7 là chiều day bè (m), n là số tang, hệ số 0,058 lay của Diep Hình 1.6 (a,b,c)thé hiện chiều day bè thực tế của hầu hết 31 công trình thống kê va theo phương phápcủa Diep Có thé nhận thay quan điểm thiết kế chiều dày bè của hầu hết các công trìnhphù hợp với phương pháp này (Hình 1.óa, c) Bè của ICC Tower được cho là day sovới đường xu hướng của số liệu thống kê, nhưng hoàn toàn phù hợp với kết qua từphương pháp Diep.

II

| / 1O | 10 | Z /

xf Sở xf

/ = — ew ⁄/

= / * 4 32 2 My, ữ 52 ° ¬ ⁄z a ° by St Áo ⁄ +1 ys

" Incheon Tower cao 601 m, bè dày 5,5 m, được xem là mỏng va không thỏa mãnkết quả tính theo phương pháp của Diep

= Dubai tower cao 400 m, chiều dày bè 2.5 m, cũng được xem là mỏng và khôngthỏa mãn kết quả tính theo phương pháp của Diep

Tóm lại, bè của hầu hết các công trình thống kê được thiết kế theo quan niệm bè cứng.Bè của Incheon Tower và Dubai Tower mỏng hơn so với quan niệm của Diệp cho thấychúng được thiết kế như là bè mềm, được xem là có chiều dày hợp lý Phương phápgiản lược chỉ phân biệt hoặc là bè cứng, hoặc là bè mềm Có rất nhiều nghiên cứu vatiêu chuẩn quốc gia đề xuất thiết kế bè cứng, ví dụ Diep, GB 50007 — 2002 [16] hayTCVN 10304-2014 Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu và tài liệu hướng dẫn dé phân tíchtối ưu chiều dày bè trên quan điểm thiết kế bè mềm

13.2 Các phương phúp giải tích1.3.2.1 Cơ sở lý thuyết

Cơ sở của phương pháp này là lời giải phương trình vi phân chuyển vị (w) của banmỏng khi chịu uốn [15] Bản trên nền đàn hỏi chịu tải trọng (q), và phan lực nên có

cường độ (p), tại bất cứ vị trí nào dưới bản (p) được giả thiết là tỷ lệ với chuyền vị tạiđiểm đó sao cho p = k.w (trong đó k là hệ số phan lực nên):

d dˆw

rae Ta = q(x) — p(x) (1.12)

Có rất nhiều lời giải giải tích, đưa ra các biểu thức đơn giản dé tính toán chiều day bènhư lời giải của Kany cho trường hợp biến dạng phang hay lời giải của Bayer vaGrasshoff cho trường hợp đối xứng Tat cả các lời giải giải tích đều quan niệm nên đấtlà môi trường liên tục (lời giải của Grasshoff dựa trên nên Winkler) Các lời giải chỉtiết được trình bày ở các công trình của Selvadurai, Scott, Hemsley Bài toán banmỏng đàn hồi trên nền Winkler được nghiên cứu bởi Schleicher, Heténey và nhiều tácgia khác [15] Westergaard đã giới thiệu các biéu thức toán học để phân tích ứng suấttrong mặt đường bê tông Cho đến nay, các biểu thức của Westergaard và các biến thểcủa nó vẫn là cơ sở để thiết kế chiều dày bản bê tông trên nên đất [14]

Có 3 giả thiết được đặt ra dé giải phương trình vi phân chuyền vị là: ban đàn hồi, đồngnhất và dang hướng: phan lực nền là thắng đứng và ty lệ với biến dạng của ban; đấtnền là môi trường đàn héi và đặc trưng bởi hệ số phản lực nên (k) Lời giải củaWestergaard có thé tóm lược như sau [14] Ứng suất tại các vị trí tải tác dụng nam bêntrong bản bê tông được xác định bởi:

ơi = 0,275(1 + vwe)[logo(Eet3/kc) — 0,436] P/t? (1.13)

Trong đó: hệ số 0,436 không có trong biểu thức nguyên thủy của Westergaard, P lựctác dụng, £ chiều dày bè, E„ mô dun dan hồi của bê tông, k hệ số phản lực nên, v„ hệsố Poisson của bê tông, c hệ số thay thế bán kính thực a của diện tích chịu tai Gia trịcủa c được cho bởi:

(1,64? + t?)1⁄2 — 0,675t a< B22)

© Ề a>1,72t )

a = JjAr/T Ay là diện tích tải trọng bánh xe

Ứng suất sinh ra tại vị trí tải tác dụng năm ngay ở mép bè được xác định bởi:

13

6; = P/8kl? (1.18)

Ứng suất và biến dang của ban đàn hồi dài vô hạn có thé xác định bởi các biểu thức(1.13) và (1.18) Khi tải trọng tăng, ứng suất sinh ra do uốn dưới điểm đặt tải tiến dầnđến giá trị cường độ kháng uốn của bê tông Gía trị mô men chống uốn theo đơn vịchiều dải của bản bê tông không cốt thép được xác định bởi:

M,, = 0,393ƒ2/3t?/6 (1.19)

Sử dung ly thuyết đường biến dạng khi a > 0 và bỏ qua sự tham gia của phản lực nên,tải trọng cực hạn gây phá hoại khi uốn trong bản bê tông được xác định bởi:

h, = 2mMg (1.20)Trong đó: M, tong mô men cực hạn dương và âm sinh ra trong bản Dựa vảo biểu thức(1.20) Meyerhof đưa ra ba biểu thức dé xác định tải trọng cực hạn Trường hợp tải tácdụng tại vi tri nam bên trong bản:

Tương tự lời giải của Westergaad, Poulos, Heteney, Selvadurai và nhiều tác giả khácđã đưa ra các lời giải để xác định chiều dày của bè trong móng bè, khi biết tải trọng tạichân cột (tương ứng với số lượng tầng) [3].

1.3.2.2 Ban bê tông trên hệ cọcVới sự gia tăng nhu cầu xây dựng bản trên nền đất yếu, việc sử dụng cọc để truyền tảitrọng tác dụng lên bản xuống tầng đất tốt hơn ở bên dưới sẽ trở nên kinh tế hơn [14].Theo quan điểm thi công, việc truyền tải trực tiếp từ bản xuống cọc không thông quahệ dầm là có lợi về kinh tế nhất Do đó bản thường được thiết kế phăng, khi đó tiêu chíquan trọng nhất dé thiết kế bản là khả năng chống xuyên thủng phụ thuộc vào mác bêtong, kích thước cọc, chiêu dày bản, côt thép và mô men âm trên các đỉnh coc.

EC 02 và BS 8110 đề nghị một số phương pháp thiết kế bản bê tông trên hệ cọc, gồm:(a) lý thuyết đường biến dạng (b) phân tích lưới, (c) phương pháp dầm ảo (d) phươngpháp sử dụng các hệ số giản lược Trong các phương pháp trên, phương pháp (a) và (d)được sử dụng nhiều nhất Tiêu chuẩn EC 2 yêu cầu bản phăng được thiết kế sao chomô men uốn theo phương x và y trên dải bè nhỏ nhất trong khi lực cắt được nhân vớihệ số n Giá trị m tùy vào vi trí của cột: ở góc, ở cạnh hay ở bên trong be Sự xuất hiệnhiệu ứng màng trong bản chống đỡ bởi hệ cọc có thể dẫn đến chiều dày kinh tế hơn,đây là nội dung sẽ được nghiên cứu.

Tomlinson cho rang bè trong móng coc có nhiệm vụ truyền tải trọng kéo hoặc nén từkết cầu bên trên đến hệ cọc sao cho tải trọng này được chia đều giữa các cọc trong hệ.Bè móng còn có nhiệm vụ cân đối và phân phối lại tải trọng mỗi khi có những hư hỏngcủa một hoặc nhiều cọc Bè móng lớn được thiết kế như là một bản cứng chịu tai taptrung từ các cọc Bè có thể được thiết kế hoặc là theo lý thuyết phan tử chịu uốn đơngiản hoặc là phần tử dầm [6] Trong đó, lực nén do bê tông chịu và lực kéo do cốt thépchịu Chiều dày của bè được xác định bởi khả năng chống cắt của bê tông

1.3.2.3 Ví dụ phân tích chiêu dày bè bằng phương pháp giải tíchĐối với móng bè — cọc, Poulos đưa ra bốn tiêu chí đánh giá ứng xử cục bộ dưới chân

cột, để xác định sự cần thiết bồ trí cọc tại đó [3], [4] Ông cho rằng, nhiều nghiên cứu

móng bè — cọc không quan tâm đến cách thức tải trọng truyền lên bè móng mà coi như

15

tải phân bố đều lên toàn bộ diện tích bè Điều nay có thé phù hợp cho giai đoạn nghiêncứu sơ bộ nhưng có thể không phù hợp cho giai đoạn thiết kế chỉ tiết móng cọc đài bè.Ông đề xuất cách đánh gia tải trọng tối đa tác dụng tại chân cột mà bè có thể chịu đượcmà không cần cọc Có thể mở rộng bốn tiêu chí này để xác định chiều dày bè khi biếtthiết kế của hệ cọc, tải trọng từ kết câu bên trên, mô đun đàn hồi của đất nền va cáckích thước của cọc hay hàm lượng cốt thép dự kiến (Phương pháp Poulos mở rộngđược thiết lập và trình bày ở Phụ Lục G).

Ss 5 lag và# = 5| Zee8 yas?

re fe oye ] re tee * Qo! wa

theo phương pháp Poulos mở rộng tiệm cận với thực tế Tuy nhiên, nhược điểm của

phương pháp này không giải thích được bè mỏng của Dubai Tower cũng như bè dàycủa Messerturm Tower va ICC Tower.

1.3.3 Các phương pháp số1.3.3.1 Cơ sở lý thuyếtPhương pháp số sử dụng trong thiết kế chiều dày bè bao gồm: phương pháp sai phânhữu hạn, phương pháp phan tử hữu hạn, phương pháp phan tử biên và phương pháplưới hữu hạn [15] Phương pháp sai phân hữu han thay thé các phương trình vi phânbăng các phương trình dai sô thê hiện môi quan hệ chuyên vi của một điêm so với các

điểm bên cạnh, được đề xuất lần đầu bởi Allen & Severn Phương pháp phan tử hữuhạn được giới thiệu lần đầu bởi Zienkiewicz & Taylor, hiện nay phương pháp nàyđược ứng dụng trong rất nhiều chương trình thương mại 2D và 3D, nó có thể áp dụngcho mọi bài toán khoa học và kỹ thuật.

1.3.3.2 Chương trình PRABChương trình PRAB (Piled Raft Analysis with Battle piles) là sự kết hợp giữa phươngpháp số và lý thuyết ứng xử dan hồi của đất nền PRAB mô phỏng bè thành các phantử hữu hạn bản mỏng, cọc thành các phan tử dam hữu hạn va đất nên bang ba lò xotương tác tại các nút của be va coc [1], [2] Chương trình này được phat triển trên cơsở kế thừa các chương trình GASP (Geotechnical Analysis of Strip with Piles), GARP(Geotechnical Analysis of Raft with Piles) của Poulos và của Clancy & Randolph(1993).

Chương trình GASP hay GARP của Poulos mô phỏng bè là bản đàn hồi, đất nền làmôi trường đàn hồi liên tục và cọc bằng các lò xo tương tác tác dụng ngay tại các nútcủa bè Độ cứng của lò xo cọc được xác định từ sức chịu tải của cọc đơn hoặc từ thínghiệm nén tĩnh Độ cứng của lò xo nền cũng có thể xác định từ phân tích bản trên nềndan hồi Tương tác giữa các cọc được xét đến thông qua hệ số tương tác a; ¡: Nhượcđiểm của các phương này là chưa xét sự phân phối lực dọc và ma sát dọc chiêu daithân cọc Hệ số tương tác được xác định thông qua các biểu thức giản lược và mỗi cọcchỉ được đại diện bởi một lò xo [3], [17].

Kitiyodom et al [18] so sánh PRAB với PRABS (là PRAB được đơn giản hóa) trongđó cọc được mô phỏng băng lò xo tương tác, mà độ cứng của nó xác định từ sức chịutải của cọc đơn theo Randolph & Wroth (1978) Tác giả ghi nhận, đối với trường hợpcọc có chiều dài L/D < 25, s/D > 3 thi PRABS cho kết quả tương tự như PRAB,nhưng thời gian tính toán nhanh hơn.

Clancy & Randolph (1993) đề xuất phương pháp kết hợp trong đó, bè được mô phỏngthành các phan tử hữu hạn dạng bản mong, cọc thành các phan tử một chiêu va đất nềnthành các lò xo tương tác (theo phương đứng) tác dụng tại các nút của cọc và bè Biếndạng của bè va cọc được tính toán theo phương pháp phan tử hữu hạn Tương tác giữa

17

các nút sử dụng lời giải thứ nhất của Mindlin Ưu điểm của phương pháp này là có thểtính toán được mô men trong bè và sự phân phối lực dọc và phản lực nền dọc chiều dàicọc Nhược điểm của phương pháp nay là lời giải của Mindlin chỉ áp dụng cho đất nềnđàn hồi đồng nhất, mô men và lực cắt trong cọc không thể xác định, không áp dụngcho móng chịu tải ngang, ké cả khi công trình chịu tải đứng kết quả chỉ chính xác khihệ móng đối xứng Mặt khác, luôn luôn tồn tại mô men và chuyển vị ngang cho dùcông trình chịu tải đứng và tồn tại chuyển vị đứng va lực dọc khi công trình chỉ chịutải ngang [1], [2].

Với việc bố sung mỗi nút cọc và bè thêm hai lò xo theo phương ngang, như vậy PRABmô phỏng được ba bậc tự do tại mỗi nút, chỉ bỏ qua ba biến dạng cắt PRAB có khảnăng tính toán biến dang theo 3 phương của bẻ, coc và móng cọc khi chịu tải tong hợp.PRAB cũng có thể xét được ảnh hưởng của sự không đồng nhất của đất nền và tính phituyên của mô đun đàn hôi cua dat nên.

1.3.3.3 Ví dụ phân tích chiêu dày bè bằng phương pháp PTHHSử dụng PRAB dé tính toán chuyển vị của Treptower khi cho chiều dày bè biến thiêntừ 2 đến 8 m Từ đó có thé thiết lập mối quan hệ giữa chuyển vị lệch tương đối vàchiều day bè, xem Hình 1.8

0.6 T T |T T T

= Theo thiết kế |0.4 —

Theo PRAB ¬

DS/L (%) 0.2

VI L

4 8Chiều day bè (m)O.O

Hình 1.8 Tối wu hóa chiều dày bè theo phương pháp PRAB (Xem mục 4.1)Từ Hình 1.8 có thé nhận thay, ứng với mỗi chuyến vị lệch tương đối ta có thé chonđược chiều dày bè tương ứng Ví du, tại chuyển vị lệch được xem là hợp lý 0,2% thì tacó chiêu day bè hợp lý là 3,9 m Trong khi đó chiều day bè theo thiết kế của Treptowerlà 3 m tương ứng với chuyển vị lệch là 0,31% Nhu vậy bè của Treptower được thiết

kế tương đối mỏng so với yêu cầu chuyển vị lệch tương đối hợp lý 0,2% Thông quađỗ thị trên Hình 1.8, có thé thay phương pháp số (PRAB) có thé sử dụng dé chọn chiềuday bè hop lý dựa trên mức bién dạng tùy chọn của nhà tư van.

Tóm lại, phương pháp số là công cụ đáng tin cậy nhất để phân tích chiều dày bè hợplý Hạn chế của phương pháp này là mỗi một công trình cần phải phân tích riêng

14 Cac nghiên cứu về anh hướng của ket cầu bên trên và nền, cọc đền nội lực

và biên dạng trong bè

1.4.1 Anh hưởng của kết cau bên trên đến nội lực và biến dang của bèMeyerhof là người đầu tiên nhận thấy tầm quan trọng của độ cứng kết cấu bên trên khithiết kế móng Các nghiên cứu cụ thé tương tác giữa đất nền — bè — kết cầu bên trên đãđược chú trọng trong suốt thế kỷ 20, đặc biệt sau khi phương pháp số và ứng dụngmáy tính được hoàn thiện Summer chia nhỏ bè thành các phần tử và giả thiết rằng ởtâm của các phan tử đó được chống đỡ bởi các gối cứng Các phan lực tại các gối tựađó, được xác định từ tải trọng của kết cầu phan than theo nguyên lý cua co học Từ đó,tác gia đánh giá ảnh hưởng của độ cứng kết câu bên trên đến phân tích bè móng trênbán không gian nền đất đàn hồi, đồng nhất, và dang hướng Tác giả khang định rangmô men uốn trong bè tăng khi tăng độ cứng của móng và giảm khi tăng độ cứng củakết cấu bên trên Grasshof et al đã phân tích đồng thời hệ khung phang — móng bằngphương pháp phân tử hữu han, đã chứng minh được răng độ cứng kết câu bên trên vàđiều kiện ngàm giữa cột và kết câu móng, có ảnh hưởng đến mô men uốn và áp lựctiếp xúc dưới bè King & Chandrasekaran cũng đạt được kết quả tương tự với việc sửdụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích đồng thời hệ khungphang — mong, trong đó kết cau bên trên và kết cầu móng được rời rac thành các phầntử thanh chịu uốn và đất nên thành các phần tử tứ giác phăng [19]

Thangaraj & Ilamparuthi đã sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn (chương trìnhANSYS) để phân tích hệ kết cầu — bè — nên [20] Cột và dầm của kết cau bên trênđược mô phỏng bang các phan tử thanh chịu uốn có 2 nút với 6 bậc tự do cho mỗi nút.Liên kết giữa các thanh được xem là cứng Bè được mô phỏng bang các phan tử tamchịu uốn có 8 nút, mỗi nút có 6 bậc tự do Đất nền được mô phỏng băng phan tử khối 8

19

nút, mỗi nút có 3 bậc tự do tương ứng với chuyén vị 3 phương Các phan tử mặt tiếpxúc cũng được mô phỏng trong nghiên cứu nảy Các tác giả đã phân tích hệ kết cấu 5tang (4 x 6 cột) Ảnh hưởng của kết cau bên trên, chiều dày bè và mô đun đàn hồi củađất nền đến chuyển vị, ap lực tiếp xúc và nội lực được đánh giá trên cơ sở độ cứng bè- nên K,, và độ cứng kết cầu — nên K„ Với giá tri độ cứng cua bè — nên K, cỗ định,chuyền vị tong thé và chuyên vị lệch đều giảm khi gia tăng độ cứng của kết cấu phanthân.

Agrawal & Hora [21] phân tích ảnh hưởng của chuyền vị lệch đến ứng xử của tươngtác phi tuyến trong hệ khung phang — nền Natarajan & Vidiveli [22] đã phân tích ảnhhưởng của khoảng cách cột đên ứng xử của hệ kêt câu — bè — nên cọc.

Các nghiên cứu về tương tác kết cầu — bè — nền cọc cũng được thực hiện bởi Lee &Harrison (1970), Hain & Lee (1974), Hopper (1984), Stavridis (2002), Hora &Sharm(2007) Kết qua các nghiên cứu trên đây đều cho thấy chuyền vị trung bình vađặc biệt là chuyển vị lệch nhỏ hơn so với phân tích không xét đến tương tác của kếtcầu bên trên [19]

Nhiều tác gia cho rang dé nội luc và bién dang tai kết cấu bên trên (kế cả trong nên vàcọc) không bị phân phối lại do chiều dày bè mỏng, thì biễn dạng của bè phải thỏa mãncác giá trị cho phép Burland & Wroth (1975) cho răng chuyến vị lệch cho phép là:0.03 — 0,05% dé kết cau bên trên không bị phá hoại Poulos (2009) viện dẫn tiêu chuẩnTrung Quốc rang, khi công trình cao trên 100m, thì chuyền vị lệch nên nhỏ hơn 0.1%.Viet et al đề nghị chuyển vi lệch cho phép ở các công trình là 0,1 — 0,4% [23] Tiêuchuẩn Việt nam TCVN 10304 - 2014 cho phép chuyển vị lệch tối đa là 0,2% Có théthấy có hai mức chuyền vị lệch tương đối của bè nham đảm bảo để nội lực và biếndạng của các kết cầu bên trên và bên dưới không bị phân phối lại, sự phân phối lại nàynếu có cũng không gây nguy hiểm cho sự hoạt động an toàn của hệ kết cấu — bè — nên,cọc đó là: 0,05% và 0.2%.

Nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến ứng xử của toàn hệ kếtcầu — bè — nền cọc Boulanger et al [24] đã thực hiện thí nghiệm về ảnh hưởng củađộng đất đến chuyển vị ngang của kết cau bên trên Tương tự, Kumar v [25] đã phân

tích động hệ kết cầu — bè — nên, ông nhận thay su thay đối của mô dun đàn hồi của datnền có ảnh hưởng lớn đến dao động của toàn hệ, trong khi sự thay đôi của hệ sốPoisson là không đáng ké Cui et al [26] đã phân tích ảnh hưởng của thời gian đến hệmóng bè — cọc trong không gian ba chiều.

1.4.2 Ảnh hưởng của hệ cọc đến nội lực và biến dạng của bèRabiei đã phân tích về cách sắp xếp cọc dưới bè ảnh hưởng đến chuyền vị trung bìnhvà chuyền vị lệch [27] Cho thấy, khi cọc bồ trí ở những vi trí áp lực tiếp xúc tập trungcao có tác dụng làm giảm chuyển vị lệch, ngược lại cọc bố trí ở những vi tri có ap lựctiếp xúc thấp lam tăng giá trị chuyền vị lệch Cần chú ý răng nếu bố trí cọc đúng vi trícần thiết có thé phân phối được mô men trong bè đồng đều hơn

Poulos đã đánh giá ảnh hưởng của số lượng cọc đến chuyền vị, ông cho rang sự giatăng khoảng cách giữa các cọc dẫn đến sự giảm đáng ké tải trọng do cọc chịu [3| Cóthé thay rang số lượng cọc tương đối ít có ảnh hưởng khá rõ đến sự giảm chuyến vịcủa móng, nhưng khi cọc vượt quá số lượng can thiết thì ảnh hưởng giảm chuyển vịkhông còn đáng kế Vi vậy dé đảm bao tính kinh tế trong thiết kế móng cần bồ trí sốlượng cọc vừa phải trong đài để có thể giảm lún hiệu qua Oh ef al phân tích anhhưởng của số lượng cọc và khoảng cách giữa các cọc đến chuyển vi Tác giả ghi nhận

rằng, chuyển vi cực đại của móng phụ thuộc vào khoảng cách và số lượng cọc; Sự gia

tăng chiều day của bẻ chỉ làm giảm chuyển vị lệch mà không anh hưởng đáng kể đếnchuyển vị cực đại; Và độ cứng bè nền K„ có ảnh hưởng lớn nhất đến chuyển vị lệch[28].

Chow et al sử dung cách tiếp cận năng lượng tối thiểu dé phân tích móng bè — cọc[29] Khi so sánh khoảng cách giữa các cọc lớn hơn và nhỏ hơn 3d, cho thấy: Đối vớimóng cọc nhỏ khi tăng khoảng cách cọc và giảm bớt số lượng cọc thì chuyền vị lệch,mô men trong bè tăng lên đáng kể; Đối với móng lớn thay đổi khoảng cách giữa cáccọc và số lượng cọc không quá nhạy cảm Nói cách khác, khoảng cách lớn giữa cáccọc có thể chấp nhận được với nhóm cọc lớn khi xét tới chuyển vị, mô men trong bèvà phân bồ tải trọng giữa cọc và bè Poulos cho răng khoảng cách cọc có ảnh hưởngkhá rõ đến chuyển vị cho dù móng bè — cọc chịu tải ngang hay tải đứng, đặc biệt khikhoảng cách này nhỏ [3] Sự gia tăng khoảng cách dẫn đến sự giảm đáng ké tải trọng

21

do cọc chịu Nhung, với điều kiện E, /E, , E, /Es; = 2000 thì khoảng cach cọc có ảnh

hưởng không dang kế đến ty lệ tải trọng do cọc chịu Maybaum et al kết luận rằng,

khi khoảng cách từ mép bè đến cọc gần nhất lớn, cần phải xét đến mô men khi tínhtoán cọc và bè, còn khi khoảng cách giữa các cọc lớn, có thể mô hình riêng cho cọc vàtừng phan bè thay vì tính toán toàn hệ [30]

Vasudev & Unnikrisnan chứng minh được rằng, chiều sâu chôn cọc từ 0,833 đến 1,25

lần bề rộng bè có tác dụng giảm chuyển vị hiệu quả nhất, việc kéo dai cọc xuống tangđất tốt cũng có tác dụng như vậy nhưng với tốc độ giảm lún it hon [31] Tan et al [32]báo cáo về anh hưởng chiều dai coc khác nhau trong móng bè — cọc trên đất yếu Kếtquả quan trac chỉ ra rang dé chống lún lệch, nên bé trí cọc dải tại tâm của móng và cọcngăn hơn về phía mép móng, điều này hoản toàn phù hợp với nghiên cứu của Reul vàRandolph (2004) Chow và Small sử dụng kỹ thuật lớp hữu hạn để nghiên cứu móngbè — cọc, khăng định răng việc sử dụng cọc có chiều dài và đường kính khác nhau có

thé giam chuyén VỊ tong thé, chuyén vị lệch và tái phân bố tải dọc trục doc thân cọc ở

khu vực tâm móng [29].Ziaie — Moayed et al sử dụng PPPTHH 3D nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổiđường kính cọc đến việc giảm lún tổng thể và giảm lún lệch khi tải tác dụng không

đều Kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu tại mũi cọc là đất cát chặt thì việc thay đôi

đường kính cọc là rất hiệu quả Nhưng dưới mũi cọc là đất yếu thì nên xét đến việcthay đối chiều dai cọc [33]

Eslami và Malekshah phân tích móng bè cọc khi cọc không liên kết vào bè, kết quảcho thấy: chuyền vi tối da của móng có cọc liên kết và không liên kết với bè là nhưnhau, nhưng áp lực tại mặt tiếp xúc khi coc không liên kết với bè cao hơn [34] Tươngtự Seo et al [35] cũng đã phân tích móng bè cọc khi liên kết giữa cọc và bẻ là đệm cát.Small & Poulos [36] sử dụng chương trình GARP để phân tích ứng xử phi tuyến củamóng bè — cọc Kết quả tinh toán đối chiếu với số liệu quan trắc, cho thay chuyển vị ởgiai đoạn thi công cuối cùng phù hợp với kết quả đo được ở móng phía nam nhưng lớn

hơn ở móng phía bắc Dường như cọc còn có thé gánh thêm tai trọng, va chưa dat mức

độ “cọc giảm lún”.

Eslami et al [37] đã so sánh ứng xử của móng cọc và móng bè cọc khi công trình chịutải trọng động đất Matsumoto [38], [39] đã thực hiện các thí nghiệm bàn rung và thínghiệm nén ngang tinh cho móng be - cọc Nakai et al [40] đã phân tích ứng xử củamóng bè — cọc khi chịu tải động / tải ngang tinh Small & Zhang [41] đã phan tích ứngxử của móng bè cọc khi chịu tải ngang và đứng.

1.4.3 Ảnh hưởng của đất nên bên dưới đến nội lực và biến dạng của bèPhân tích tương tác bè — nền thường bỏ qua ứng xử ứng suất — biễn dạng của đất nên,thường đáp ứng các phương trình cần băng nhưng không được xét đến điều kiện tươngthích Trong thực tế đất nên, bè và kết cấu bên trên cùng làm việc với nhau như là mộtkhối thống nhất Do đó phân tích sự tương tác giữa các yếu t6 đất nền, bè va kết cấu làcân thiệt.

Vint & Elgood (1935) sử dụng phương pháp Raleigh — Ritz đã đưa ra lời giải bản chữnhật hữu hạn trên nền Winkler Hogg & Holl (1938) đã đưa ra lời giải giải tích cho bảnmỏng vô han năm trên bán không gian đàn hồi chịu tải trọng đối xứng Allen & Severn(1961) đã phân tích bản chữ nhật hữu han năm trên nền lò xo Winkler, chịu tải tậptrung với việc sử dụng kỹ thuật giản lược để giải phương trình vi phân giản lược.Nhưng có lẽ phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp mạnh nhất để phân tíchbản đồng nhất va đăng hướng năm trên nền lò xo Winkler Wardle et al (1975) đãphân tích bản trơn chữ nhật chịu tải phân bố, có độ cứng khác nhau nằm trên nền đànhồi đồng nhất Nhóm nghiên cứu đã đưa ra lời giải bằng đồ thị để xác định chuyền vịtại tam, tại góc va tại giữa cạnh bè Các tác gia kết luận rằng sự thay đôi độ cứng củabè, ty lệ chiều dài và bề rộng, chiều dày lớp đất nền, hệ số Poisson có ảnh hưởng đángkế đến chuyển vị và mô men uốn của bè móng Thangaraj & Ilamparuthi phân tíchchuyền vị tong thé và chuyên vị lệch của công trình thông qua hệ số độ cứng tương đốibè — nên K,, và kết cấu bên trên — nên K,,, chứng minh được rằng mô đun đàn hồi củađất nền đóng vai trò chính trong ứng xử của bè Mô men tại vị trí chân cột giảm khichiều dày bè và mô đun đàn hồi của đất nền tăng [19]

Các tiêu chí áp lực tiếp xúc lớn nhất và chuyển vị cục bộ lớn nhất để xác định nhu cầucần thiết phải bố trí cọc dưới chân cột của Poulos cũng cho thấy vai trò của mô đundan hồi có vai trò quan trọng để làm giảm chuyến vị của móng [3] Tác giả cho rang,

23

chuyên vị lớn khi tỷ số độ cứng cọc — nền nhỏ, chuyển vị đứng giảm khá mạnh theo sựgia tăng tỷ số độ cứng này Nhưng khi tỷ số độ cứng cọc — nền lớn hơn 1000 lần, thìchuyền vị đứng của móng bè - cọc giảm không đáng kể Ty số độ cứng bè — nên chỉ cóảnh hưởng rất nhỏ đến chuyển vị của móng bè cọc dù là tải trọng ngang hay tải trọngđứng Điều này không giống với ảnh hưởng khá lớn của ty số độ cứng cọc — nên đếnchuyển vị ngang.

Oh et al khi nghiên cứu về móng bè — cọc cho thay mỗi quan hệ giữa việc giảmchuyền vị lệch và độ cứng tương đối của bè — nền Cho thấy vai trò quan trọng của môđun đàn héi trong việc giảm chuyền vị lệch [28] Nandou & Breysser [42] đã phân tíchảnh hưởng của sự thay đôi của mô đun dàn hôi của đât nên dưới đáy bè.

Wotherspoon et al [43] đã phân tích ảnh hưởng của động đất đến hệ khung va móngnông, cho thấy khi giữa các móng không có liên kết các móng ở góc có xu hướng bịkéo lên, tách ra khỏi đất nền Nogami T [44] dé xuất các sơ đồ lưu biến tương tác giữacọc và nên khi chịu tải động đất Cho thấy lò xo, cản nhớt và khối lượng khi kết hợpcó thé mô phỏng khá tốt ứng xử của đất nền

15 Nhận xét

Vai trò chủ yếu của bè là phân bố đều tải trọng của kết cau bên trên xuống các kết caumóng và đất nền ở bên dưới Từ đó yêu cau giá trị biến dạng của bè (chuyền vị lệchcủa hệ móng) phải đủ nhỏ để không gây ra sự tái phân bồ tải trọng, nội lực, biến dạngđến tất cả các kết cấu của toàn hệ tương tác kết câu bên trên — bè — nền, cọc Do đóthiên về an toàn các nhà tư vân thiệt kê thường chọn bè cứng, có chiêu dày lớn.

Có hai quan niệm thiết kế bè, hoặc là bè cứng hoặc bè mềm Bè của đa số trong 31công trình thông kê được thiết kế theo quan niệm bè cứng Chính vì vậy, chiều dày củachúng trong thực tế thường tỏ ra lớn và không kinh tế Việc bè của một số ít công trìnhcó chiều day nhỏ hơn so với xu hướng chung (ví dụ Dubai Tower, Incheon Tower),chứng minh rằng chiều day bẻ cũng có thé được hợp lý hóa theo quan điểm bè mềm.Quan niệm bè mềm dé phân tích chiều dày hop lý vừa đủ dé cân bằng nội lực và biéndạng thường rất phức tạp, đòi hỏi phải xét đến nhiều yếu tố (đất nền, hệ cọc, kết cầubên trên) Phương pháp giản lược không có đủ cơ sở lý thuyết để phân tích hợp lý