Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích ảnh hưởng của hệ tường vây đến sự làm việc của hệ móng cọc đài bè

TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐỀ TÀI “PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ TƯỜNG VÂY ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ MÓNG CỌC ĐÀI BÈ” Tường vây bê tông cốt thép và móng cọc đài bè được sử dụng ngày càng rộng rãi tron

Giới thiệu chung

Ngày nay, việc sử dụng hệ tường liên tục trong đất để làm kết cấu chắn giữ trong quá trình thi công và đồng thời làm tường ngoài cho tầng hầm trong quá trình sử dụng đã trở nên phổ biến Tường liên tục trong đất bằng bê tông cốt thép có ưu điểm là độ cứng lớn, cường độ cao, phương pháp thi công cơ giới hóa, ít gây tiếng ồn và chấn động Với những ưu điểm trên tường bê tông cốt thép thường được sử dụng để làm kết cấu chắn giữ hố đào và tường ngoài cho tầng hầm công trình

Thông thường, trong thiết kế nền móng và tính toán lún cho công trình quan niệm tường liên tục là kết cấu chắn giữ chịu áp lực ngang của đất, của nước ngầm trong quá trình thi công và sử dụng công trình Hiện nay một số nghiên cứu đã bắt đầu quan tâm đến việc tận dụng ma sát thành của tường để chịu lực ngang và momen, nhưng việc xét đến khả năng chịu tải trọng dọc trục theo phương đứng như là một thành phần chịu lực trong kết cấu móng của công trình thì vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ

Việc tính toán khả năng chịu tải và chuyển vị của hệ móng cọc đài bè đã đạt được nhiều kết quả trong thời gian qua Quan niệm tính toán móng cọc đài bè với mối tương tác giữa đất – bè –cọc được chấp nhận rộng rãi, tuy nhiên khi xét đến sự làm việc đồng thời của hệ tường vây bê tông cốt thép với hệ móng cọc đài bè dẫn đến sự tương tác phức tạp giữa các thành phần của hệ nền móng bao gồm các tương tác giữa: đất - bè – cọc – tường

Trong phạm vi đề tài, tác giả sẽ xét đến sự làm việc đồng thời của tường vây bê tong cốt thép với hệ móng cọc đài bè khi chịu tải trọng thẳng đứng của công trình để so sánh, đánh giá khả năng chịu tải, chuyển vị của hệ móng cọc - đài bè - tường vây so với hệ móng cọc đài bè khi chịu tải trọng đứng của công trình Bên cạnh đó, ảnh hưởng của tường đến sự làm việc của từng thành phần bè, cọc cũng được xem xét, phân tích.

Tính cấp thiết của đề tài

Với diện tích đất xây dựng ngày càng hạn chế, đặc biệt là trong các đô thị lớn thì việc tăng số lượng tầng hầm để tăng diện tích sử dụng của công trình là vấn đề

-2- ngày càng phổ biến Trong việc xây dựng tầng hầm thì phương pháp sử dụng hệ tường vây bê tông cốt thép để chắn giữ hố đào trong quá trình thi công đồng thời dùng làm tường vĩnh cửu cho tầng hầm đã được ứng dụng rộng rãi Trong quá trình thiết kế tường vây hiện nay, hệ tường vây và hệ móng được thiết kế riêng lẻ chưa có sự làm việc chặt chẽ với nhau dẫn đến sai lệch lớn giữa giá trị thực tế và giá trị quan trắc được mà trong thực tế đã xảy ra Bên cạnh những lý do thông thường như: Sai số trong khảo sát địa chất, xác định sai mô hình đất, sai sót trong quá trình tính toán – mô phỏng thì việc không xét đến ảnh hưởng của tường vây đến sự làm việc của móng cọc đài bè

Do đó trong luận văn này tác giả sẽ phân tích các ảnh hưởng của tường vây bê tông cốt thép đến sự làm việc của hệ móng bè để từ đó đưa ra những kết luận về sự làm việc của hệ móng cọc đài bè – tường

Nghiên cứu này sẽ tập trung tìm hiểu các vấn đề sau:

- Đánh giá khả năng chịu tải trọng công trình khi kết hợp hệ tường vây bê tông cốt thép cùng với móng cọc đài bè

- So sánh sự làm việc của các thành phần trong hệ móng cọc đài bè với hệ móng cọc bè – tường

- Đánh giá khả năng tối ưu thiết kế khi tính toán hệ tường vây cùng làm việc với móng cọc đài bè.

Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu trên, tác giả nghiên cứu những đề tài có liên quan đến sự làm việc riêng lẻ và đồng thời của hệ tường chịu lực và hệ móng cọc đài bè được công nhận rộng rãi Bên cạnh những lý thuyết tính toán, tác giả cũng chú ý đến những ứng xử của từng thành phần tường – cọc – bè – đất với nhau trong các nghiên cứu trên để làm cơ sở giải thích những kết quả đạt được trong đề tài của mình Để kiểm tra năng lực tính toán của phần mềm Plaxis 3D Foundation, tác giả mô phỏng lại bài toán kinh điển về hệ móng cọc đài bè do Poulos đề xuất bằng phần mềm Plaxis và so sánh với các kết quả của các phương pháp thông dụng

Móng một công trình thực tế bao gồm hệ móng cọc đài bè và tường vây bê tông cốt thép được mô phỏng lại trong chương trình Plaxis 3D Foundation Từ kết quả của

-3- các mô hình kết luận được sự khác nhau khi hệ móng cọc đài bè làm việc riêng lẻ và khi kết hợp với tường vây để cùng chịu tải trọng công trình Một số ảnh hưởng của tường với các thành phần bè, cọc về mặt chịu lực cũng được phân tích để giải thích sự làm việc của hệ móng cọc bè – tường.

Phương pháp nghiên cứu

Phần mềm Plaxis 3D Foundation được sử dụng để mô phỏng một công trình cụ thể với hệ móng cọc đài bè và tường vây Các thông số tường vây và tải trọng được thay đổi để tìm hiểu qui luật, ứng xử của hệ móng cọc đài bè khi xét đến sự làm việc của tường vây Các giá trị được dùng để so sánh là tải trọng do cọc gánh đỡ và độ lún của hệ móng

Từ các kết luận rút ra, tác giả chọn một trường hợp điển hình nhất để tối ưu lại thiết kế Trên cơ sở giảm dần số lượng cọc đến khi nội lực thân cọc vượt quá giá trị sức chịu tải thiết kế của cọc hoặc chuyển vị cọc vượt quá giá trị độ lún cho phép, so sánh kết quả đạt được với trường hợp không có tường vây để chọn được thiết kế tối ưu nhất

6 Đóng góp của nghiên cứu:

Kết quả nghiên cứu chứng minh tường vây bê tông cốt thép có khả năng chịu tải trọng công trình khi xem tường như là một bộ phận của hệ móng công trình Nghiên cứu đề cập đến một số tương tác giữa cọc – tường , bè – tường mà chưa được đề cập đến trong các nghiên cứu về móng bè - cọc trước đây

Nghiên cứu cung cấp cho người thiết kế cơ sở để thiết kế tối ưu hệ móng cọc đài bè và so sánh với các phương án móng khác Ảnh hưởng của vị trí tường đến sức chịu tải của các cọc, đặc biệt là các cọc nằm ở biên đài móng, được rút ra từ nghiên cứu sẽ giúp người thiết kế có thêm cơ sở để bố trí hợp lý vị trí các cọc trong hệ móng cọc đài bè

Tổng quan hệ về mối quan hệ giữa tường vây và phần ngầm công trình

Khi thi công tầng hầm trong vùng đất yếu, đặc biệt là với những công trình có phầm ngầm có độ sâu lớn thì luôn luôn phải dùng đến hệ thống tường vây Theo sự làm việc của tường vây có thể phân ra hai loại quan hệ giữ tường vây và tường ngoài của công trình:

- (1): Khi tường vây chỉ là kết cấu chắn đất để tạo không gian thi công phần ngầm, nó giới hạn tường ngoài và giữ cho tường ngoài, phần cọc dưới đáy bè không chịu áp lực ngang (Hình 1.1)

Hình 1 1 - Tường vây tách riêng khỏi kết cấu móng

Tường chắn giữ Đài móng Tầng hầm

Trong trường hợp này, kết cấu tường vây tương đối đa dạng và phụ thuộc vào độ sâu phầm ngầm, độ lớn áp lực đất để lựa chọn phương án kết cấu tường vây

(2): Khi tường vây không chỉ là kết cấu chắn giữ mà còn được dùng để làm tường ngoài của phần ngầm công trình (Hình 1.2), thì có thể xem nó như là một bộ phận chịu lực công trình Khi đó, nó sẽ có thêm tác dụng hạn chế chuyển vị ngang và giảm lún cho nhóm cọc dưới móng bè

Hình 1 2 - Tường vây kết hợp với hệ móng cọc đài bè

Thông thường trong tính toán nền móng chỉ xét đến sự làm việc của nhóm cọc và bè móng Nếu phân tích các yếu tố chịu tải trọng công trình thì trong trường hợp (1), ta phải xét đến ma sát của tường ngoài tầng hầm và áp lực đẩy nổi của nước lên

Tường tầng hầm Đài móng

-6- đáy móng bè; trường hợp (2) thì phải kể thêm đến ma sát của mặt ngoài và mặt trong của tường vây.

Các nghiên cứu về sự làm việc đồng thời giữa tường vây và kết cấu móng

1.2.1 Harry G Poulos, Foundation Desgin for Tall Building , Geotechnical Engineering State of the Art and Practice, 786-809 , 2012 [2]

Trong bài báo, tác giả đưa ví dụ về tính toán móng công trình Incheon Tower ở Hàn Quốc (Hình 1.3) Đây là công trình siêu cao tầng với 151 tầng nằm ở Songdo,

Hình 1 3 - Tòa nhà Incheon 151 Tower

Các thông số sử dụng để mô phỏng tính toán nền móng được trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1 1 - Tổng hợp thông số địa chất

Lớp đất Chiều dày lớp m

Lớp trầm tích đại dương phía trên 25.2 7 - 15 5 -11 29 – 48 -

Lớp trầm tích đại dương phía dưới 2.5 30 21 50 - Đất phong hóa 2.0 60 42 75 - Đá phong hóa 13.5 200 140 50 - Đá (trên độ sâu 50m) 10 300 210 750 12 Đá (dưới độ sâu 50m) 36.5 1700 1190 750 12

Ev = Độ cứng theo phương đứng fs = ma sát bên tới hạn Eh = Độ cứng phương ngang fb = sức chịu mũi tới hạn Kết cấu móng bao gồm bản đáy bê tông dày 5.5m, các cọc đỡ 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 nằm ở độ sâu 14.6m dưới mặt đất Sơ đồ cọc được lựa chọn từ nhiều phương án khác nhau, được thể hiện ở Hình 1.4

Hình 1 4 - Mặt bằng cọc công trình

Tải trọng sử dụng để thiết kế nền móng được đề xuất bởi bộ phận thiết kế kết cấu và được tổng hợp trong Bảng 1.2

Bảng 1 2 - Tổng hợp nội lực tính toán nền móng

Thành phần tải Giá trị

Tải động đất phương X 110 MN Tải động đất phương Y 110 MN Momen theo phương X 21600 MNm

1.2.1.2 Phân tích ban đầu: Để phân tích nền móng, mô hình đơn giản được thiết lập với bề dày các lớp đất là không đổi, chiều dài cọc đồng nhất là 50m Trong bước phân tích ban đầu chỉ xét đến tải trọng thẳng đứng do công trình truyền xuống trong trường hợp tổ hợp tải trọng gồm tĩnh tải và hoạt tải

Tổng tải trọng do nhóm cọc chịu được tính toán là 172*244 = 41968 MN, sức chịu tải của bè là 5930 MN Vậy tổng tải là 47898 MN

Chương trình GARP do Small và Poulos thiết kế được sử dụng làm công cụ phân tích chính Kết quả chuyển vị lớn nhất là 67mm và độ lún lệch lớn nhất là 34mm, kết quả này thõa mãn yêu cầu đặt ra

1.2.1.3 Thiết kế chi tiết: Để kiểm tra kết quả từ phân tích bằng chương trình GARP và nghiên cứu về ảnh hưởng của tường vây đến ứng xử của hệ móng cọc đài bè, các nhà thiết kế đã sử dụng phần mềm PLAXIS 3-D Foundation để phân tích trong 02 trường hợp

- Trường hợp 1: Cọc liên kết với bè tạo thành hệ cọc – bè và tương tác với phần đất từ bên dưới đáy bè trở xuống Đây là trường hợp thông thường để phân tích thiết kế móng cọc đài bè hiện nay

- Trường hợp 2: Hệ tường tầng hầm được kết nối với hệ cọc – bè và xét đến tương tác của đất xung quanh tường (Hình 1.5) Đây là trường hợp đúng với thực tế làm việc của công trình Tường vây (chiều dài 14.6m, dày 1.2m) được sử dụng như là một bộ phận chịu lực dọc

Hình 1 5 - Mô hình Plaxis 3D của công trình

Phân tích chuyển vị: Từ biểu đồ tải trọng – chuyển vị (Hình 1.6) nhận thấy rằng khi kết hợp tường vây vào hệ cọc đài bè thì độ lún của bè giảm đi Trong trường hợp này chuyển vị của 2 trường hợp chênh lệch nhau là 8mm Chuyển vị của hệ bè – cọc là 54 mm, của hệ tường – bè –cọc là 46 mm

Hình 1 6 - Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị bè

Không có hệ tường Có hệ tường

Chuyển vị đứng của cọc

Khi kể đến tường vây tầng hầm thì chuyển vị đã giảm đi 14.8 % Điều này có nghĩa là tải trọng công trình truyền xuống cọc đã phân phối một phần sang cho tường hầm, tải trọng tác dụng lên đầu cọc sẽ giảm đi

1.2.2 Nguyễn Bá Kế, Móng nhà cao tầng - Kinh nghiệm nước ngoài , NXB

Phân tích tính toán tường liên tục trong đất đồng thời chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang của công trình mở rộng thư viện Đại học Đồng Tế, Trung Quốc Hệ móng được lựa chọn là móng hộp đặt trên lớp cát mịn, tường vây tầng hầm đặt trong lớp đất sét bùn nhão màu xám

Trong thiết kế tường chỉ tính tường chịu tải trọng ngang do thi công và làm nhiệm vụ ngăn nước, chống thấm Khi tính toán với quan niệm móng hộp riêng lẻ thì kết quả độ lún là 31.7cm trong khi quan trắc thực tế thì chỉ 12cm Kết quả cho thấy sự chênh lệch khá lớn giữa thực tế và kết quả tính toán với quan niệm trên

 Xét đến sự làm việc chịu tải trọng đứng của tường liên tục:

- Khả năng chịu tải đứng P của tường liên tục trong đất được tổ thành từ lực cản ma sát thành F và lực chống đáy tường R:

F : lực cản ma sát thành R : lực chống ở đáy tường

Tải trọng còn lại do móng hộp chịu Dùng tải trọng này để tính lún cho móng hộp theo phương pháp Mindlin thì kết quả là 14.4cm, sát với thực tế Từ đó có thể thấy khi kể đến sự làm việc chịu tải đứng của tường liên tục thì độ lún của móng có thể giảm đi đúng với thực tế đo đạc được tai công trình

Khi kể đến thành phần chịu lực đứng của tường liên tục trong đất có thể làm giảm đi nhiều độ lún của móng Điều này cần được xem xét kĩ lưỡng trong lựa chọn kiểu và thiết kế móng

1.2.3 Nguyễn Võ Nhất Huy, Luận văn thạc sĩ: Phân tích móng bè xét đến tác dụng của tường vây, ĐH Bách Khoa TP.HCM, 2013 [7]

Trong luận văn này, hệ xem xét kết cấu móng và tường này làm việc đồng thời, sau đó phân tích ảnh hưởng của tường vây đến sức chịu tải và độ lún móng bè Các thông số của tường vây được đề nghị ở đây gồm có: Chiều sâu và bề dầy Hai thông số này được phân tích lần lượt đối với trường hợp móng bè có cọc và không có cọc

Luận văn sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 3D Foundation để phân tích hệ móng cọc đài bè và tường vây với các trường hợp thay đổi chiều dài tường vây và số lượng cọc

Phương pháp phân tích riêng lẻ

Đây là phương pháp đơn giản được PGS.TS Nguyễn Bá Kế đề xuất [3] để tính toán các thành phần trong hệ kết cấu móng hỗn hợp cọc – bè – tường Trong đó:

- Thành phần tường vây được xem như là một kết cấu chịu lực theo phương đứng lẫn phương ngang

- Thành phần bè và cọc được xem như là một hệ móng cọc đài bè để tính toán chịu phần tải trọng còn lại của công trình

2.1.1 Phương pháp phân tích tường chịu tải trọng thẳng đứng Để tính toán tường chịu tải trọng thẳng đứng có thể xem tường là một hệ cọc barette khép kín Tính sức chịu tải của cọc barette về cơ bản cũng giống như tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi, chỉ khác nhau về tiết diện ngang của cọc [4] Do đó có thể tham khảo cách tính toán theo tiêu chuẩn về thiết kế móng cọc hiện hành (TCVN 10304:2014)

Tác giả Nguyễn Bá Kế [3] trình bày cách tính toán đơn giản hóa khả năng chịu lực đứng của tường liên tục như sau:

Khả năng chịu lực đứng của tường liên tục trong đất được tổ hợp thành từ lực ma sát thành F và lực chống đáy tường R:

2.1.1.1 Tính lực cản ma sát thành F:

F L  h E tg i i  i (2.2) Trong đó L là chiều dài tường, hi, φi, Ei lần lượt là độ dày, góc ma sát trong và áp lực đất tĩnh (hợp lực của độ dày hi với độ dài đơn vị) của lớp đất thứ I ở mặt ngoài của tường; hoặc tính theo trị tiêu chuẩn lực ma sát qsi của đất ở mặt ngoài tường:

Trong đó, qsi có thể lấy theo tiêu chuẩn thiết kế nền móng, thân tường từ bản đáy trở xuống phải tính thêm với lực cản ma sát ở phía mặt trong

- ξ : hệ số giảm lực cản ma sát

- L, l: độ dài mặt bên trong, ngoài

- φi, φj, và ci, cj : góc ma sát trong và lực dính của lớp đất i, j bên trong, ngoài

- λi, λj,: hệ số áp lực bên của lớp đất thứ i, j

-  czi ,  czj : ứng suất trọng lượng bản thân trung bình của lớp đất i, j hi, hj : độ dày của lớp đất thứ I, j bên trong, ngoài

Dựa theo thí nghiệm cắt trực tiếp với mặt cắt ngang tại mặt tiếp xúc giữa phần bê tông và phần đất để nghiên cứu mối quan hệ giữa lực ma sát của thân tường bê tông với đất hoặc mối quan hệ giữa ứng suất cắt τ với chuyển dịch tương đối S Dưới các cấp áp lực nén khác nhau xác định biểu đồ (τ –S)

Thực nghiệm cho thấy τ là hàm số của cường độ chịu cắt của đất và chuyển dịch tương đối giữa tường với đất

Với  n = γh đã biết, các hằng số thí nghiệm d, a, b lấy theo Bảng

2.1 Với các loại đất khác nhau Phải lần lượt làm thí nghiệm cho từng loại

Bảng 2 1- Trị số tham số thí nghiệm a, b, d khi  n khác nhau

2.1.1.2 Tính lực chống ở đáy tường R

Lực chống ở đáy tường R có thể tính theo công thức Terzaghi, công thức Meyerhof, hoặc công thức Vesic có kể đến ảnh hưởng của độ sâu Cũng có thể ước tính gần đúng theo khả năng chịu lực ở mũi cọc:

Trong đó, B và L lần lượt là bề rộng và bề dài của tường liên tục, qp là trị tiêu chuẩn khả năng chịu lực của đất ở đáy tường, tham khảo và lấy theo trị tiêu chuẩn khả năng chịu lực của đất ở mũi cọc

2.1.2 Phương pháp phân tích hệ móng cọc đài bè:

2.1.2.1 Khái niệm hệ móng cọc đài bè:

Móng cọc đài bè là một hệ thống móng kết hợp bao gồm ba phần tử chịu lực như: cọc, bè và đất nền bên dưới Tùy theo độ cứng của móng bè mà bè nhận tải trọng Stot từ công trình bên trên và truyền qua đất nền bên dưới thông qua áp lực tiếp xúc của đất nền ký hiệu là Rraft và thông qua ma sát tiếp xúc giữa đất và các cọc, hình 2.1 Vậy tổng phản lực của móng cọc đài bè là:

(1)Tương tác giữa đất và cọc (2) Tương tác giữa cọc và cọc (3) Tương tác giữa đất và móng bè (4) Tương tác giữa cọc và móng bè

Hình 2 1 - Tương tác của các thành phần móng cọc đài bè với đất

Theo quan điểm thiết kế trước đây thì tải trọng của công trình phải truyền qua móng bè hoặc truyền qua cọc Còn trên quan điểm của móng cọc đài bè thì tải trọng của công trình phải vừa phân phối lên đất xung quanh bè vừa phân phối lên cọc Hệ số phân phối tải trọng cho cọc  pr được định nghĩa là tỉ số giữa tổng tải trọng cọc chịu trên tải trọng mà cả hệ thống bè và cọc chịu

Hệ số  pr = 0 chỉ trường hợp của móng nông và  pr = 1 chỉ cho trường hợp thuần túy của móng cọc, không có sự tiếp xúc đất bên dưới móng bè Việc ảnh hưởng của cọc đến độ lún của móng bè tùy vào hệ số phân phối tải trọng, mà hệ số này lại phụ thuộc vào số lượng và chiều dài của các cọc

Theo Poulos (2001) [5] có ba quan điểm thiết kế móng cọc đài bè có kể đến sự làm việc của bè:

• Quan điểm thiết kế thứ nhất: ở tải trọng làm việc cọc chỉ chịu tải trọng

-19- quan hệ tải trọng -độ lún của cọc vẫn là tuyến tính Gần như toàn bộ tải trọng tác dụng lên móng do cọc tiếp nhận Bè chỉ tiếp nhận phần tải trọng rất nhỏ, phân phối lên nền đất ở đáy bè

• Quan điểm thiết kế thứ hai: bè được thiết kế tiếp nhận một phần đáng kể tải trọng lên móng, phần còn lại do các cọc chịu Sức chịu tải của cọc được huy động từ 70 đến 100% (hệ số an toàn sức chịu tải bằng 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 của 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)

2.1.2.2 Các loại phương pháp phân tích

Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu móng cọc đài bè được phát triển và một trong những phương pháp này được tóm tắt bởi Poulos et al (1997) [6]

Ba phương pháp phân tích này đã được xác định

- Phương pháp đơn giản: bao gồm của những tác giả Poulos and Davis

(1980), Randolph (1983,1994) (PDR methode), Van Impe and Clerq (1995), and Burland (1995) Tất cả bao gồm một số giải pháp đơn giản hóa trong mối quan hệ về mô hình của đất và điều kiện về tải trọng trong bè

- Phương pháp tính gần đúng dựa váo máy tính:

 Phương pháp dãy trên lò xo GASP

(Geotechnical Analysis of Strip with Piles)

 Phương pháp tấm trên lò xo GARP

(Geotechnical Analysis of Raft with Piles)

 Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phần tử biên - Phương pháp tính chính xác dựa trên máy tính:

 Phân tích số theo mô hình 2D: Trong các phân tích này phần mềm FLAC 2D được sử dụng để mô hình các móng cọc đài bè Các móng được mô hình biến dạng phẳng hoặc đối xứng trục

Phân tích đồng thời hệ cọc – bè – tường bằng chương trình Plaxis 3D

2.2.1 Giới thiệu chương trình PLAXIS 3D Foundation:

PLAXIS 3D là một chương trình phần tử hữu hạn dùng để phân tích biến dạng và ổn định trong không gian ba chiều trong ngành địa kỹ thuật Nó được trang bị với các tính năng để xử lý với các khía cạnh khác nhau của các cấu trúc địa chất phức tạp và quá trình xây dựng, phần mềm sử dụng các qui trình tính toán mạnh mẽ và lý thuyết vững chắc

Hình 2 2- Mô phỏng phần ngầm công trình bằng chương trình 3PDF

Chế độ Model cho phép xây dựng hình dạng của mô hình (Hình 2.2) Biên của các lớp đất và đặc trưng vật liệu được thiết lập Xây dựng các phần tử như tường và dầm tại các vị trí trong mô hình và đặc trưng tiếp xúc được định nghĩa Cuối cùng lưới

-21- được tạo ra và đạt một độ mịn thích hợp Trong đó việc lựa chọn mô hình đất là rất quan trọng, và sẽ được trình bày trong phần sau

Chế độ Staged construction cho phép mô phỏng thực tế quá trình thi công và đào đất bằng cách kích hoạt và tắt các khối đất trong các vùng hình học, các đối tượng kết cấu, đặt tải trọng, thay đổi mực nước ngầm, v.v

Các loại tính toán phải được định nghĩa có thể là tính dẻo (Plastic) hoặc cố kết (consolidation) Phân tích cố kết (consolidation) được sử dụng khi mô hình các ứng xử phụ thuộc vào thời gian như sự phát triển và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng hay khi yêu cầu tính toán độ lún do từ biến Tính toán phân tích dẻo (Plastic) được dùng để phân tích biến dạng đàn – dẻo (elastic-plastic) theo lý thuyết biến dạng nhỏ (Brinkgreve,

2007) Ứng suất và biến dạng được tính toán cho tất cả các nút còn trong trạng thái giới hạn

Chương trình Output để xuất kết quả tính toán để xử lý Biến dạng, ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng sẽ được thể hiện trong mỗi bước tính toán, còn đối với các cấu kiện công trình ta có thể xem được chuyển vị đứng, chuyển vị ngang, lực dọc, mômen uốn và lực cắt…

2.2.2 Các mô hình nền của chương trình Plaxis 3D Foundation:

Trong chương trình Plasix 3D Foundation, nhà sản xuất cho phép sử dụng các mô hình sau để mô phỏng vật liệu đất:

- Mô hình Joint Rock (JR) - Mô hình Hardening – Soil (HS) - Mô hình Soft – Soil – Creep (SSC)

- Mô hình Soft Soil (SS) Nhà sản xuất chương trình đã khuyến nghị sử dụng mô hình MC cho bước tính toán và phân tích đầu tiên vì mô hình MC giải quyết bài toán nhanh và đơn giản, giảm sai lầm Trong nhiều trường hợp, nếu công trình được xây trên nền đất yếu, thì có thể sử dụng mô hình HS cho lần phân tích thêm Phân tích SSC có thể sử dụng để tính toán độ lún từ biến

Trong thực tế hiếm khi có được kết quả của cả thí nghiệm 3 trục và nén cố kết cho tất cả các lớp đất nhưng từ dữ liệu của một loại thí nghiệm có thể bổ sung các thông số đất nền khác bằng các hệ số tương quan hay từ thí nghiệm hiện trường Ý tưởng giải quyết bài toán với nhiều mô hình khác nhau có thể có giá trị trong nghiên cứu còn trong thực tiễn thiết kế thường ít được vận dụng

2.2.3 Các thông số cơ bản trong chương trình:

2.2.3.1 Ứng xử của đất nền

Trong đất tồn tại các dạng vật chất ở 3 dạng rắn, lỏng, khí Đặc biệt nước gây ra áp lực nước lỗ rỗng làm ảnh hưởng lớn đến ứng xử của đất nền Do đó chương trình phân loại ứng xử của đất thành 3 loại: drained, undrained, no-porous

Drained: khi đất nền được chọn là ứng xử như trên thì toàn bộ áp lực nước lỗ rỗng sẽ không tồn tại trong đất, toàn bộ tải trọng sẽ truyền vào khung hạt Ứng xử này sử dụng cho đất bên trên mực nước ngầm, có hệ số thầm cao, hay áp dụng trong phân tích lâu dài mà không kể đến tính thấm kém của nền và thời gian cố kết

Undrained: Đất nền sẽ ứng xử như vật liệu không thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng sẽ xảy ra trong nền Dòng thấm của đất nền bỏ qua do tính thấm kém của đất, hệ số gia tải ngoài cao hay tính thấm tức thời Khi đất nền ứng xử không thoát nước thì sẽ không thoát nước hoàn toàn mặc dù lớp đất nằm trên mực nước ngầm.Tuy nhiên các thông số nhập vào trong đất nền là thông số thoát nước vì Plaxis sẽ sử dụng công thức tương quan để chuyển về thông số không thoát nước

Non-porous: Áp lực nước ban đầu và áp lực nước lỗ rỗng đều không tạo ra trong vật liệu này Thường kết hợp với kiểu mô hình đàn hồi dùng để mô phỏng các vật liệu như bê tông, xi măng đất Các vật liệu này không phân biệt dung trọng tự nhiên và dung trọng bảo hòa

Vermeer&Meier (1998) đã đưa ra công thức giúp xác định ứng xử của vật liệu trong quá trình phân tích hố đào:

K: hệ số thấm Eoed :module oedonmeter γ w :dung trọng nước D: đường thấm t: Thời gian thi công Khi T0.4 đất nền ứng xử thoát nước

Dung trọng không bão hòa và dung trọng bảo hòa bao gồm dung trọng đơn vị của đất nền và nước trong lổ rỗng

Dung trọng không bão hòa đại diện cho dung trọng đơn vị của lớp đất trên mực nước ngầm và dung trọng bão hòa đại niện cho lớp đất dưới mực nước ngầm Trong thực tế lớp đất nằm trên mực nước ngầm không hoàn toàn khô ráo do hiện tượng mao dẫn do đó không nên gán dung trọng bão hòa là dung trọng khô mà nên chọn là dung trọng tự nhiên của đất Dung trọng bão hòa được tính toán như sau:

Gs: Tỉ trọng hạt e: hệ số rỗng

Hệ số thấm có ý nghĩa lớn trong phân tích cố kết và phân tích dòng thấm Plaxis phân biệt hệ số thấm ngang kx và hệ số thấm đứng ky

Các loại đất khác nhau hệ số thấm thay đổi rất lớn từ 10 -1 m/s (sỏi sạn) đến 10 -

10 (sét chặt) tuy nhiên plaxis cho phép sự sai khác khoảng 10 5 lần

2.2.3.4 Thông số độ cứng đất nền

Khác với các vật liệu đàn hồi giới hạn về cường độ khi đạt đến giới hạn về biến dạng, đất là vật liệu đàn dẻo có tính nhớt do đó giới hạn về biến dạng của nó thường xảy ra đồng thời hay trước khi đạt tới giới hạn về cường độ gây mất ổn định công trình Vì vậy thông số về độ cứng công trình là thông số quan trọng trong tính toán.Thông số độ cứng của đất nền gồm có Modul đàn hồi E, module biến dạng cắt G,

-24- module biến dạng thể tích K và hệ số Poisson v Theo lý thuyết đàn hồi các thông số này liên hệ với nhau qua công thức sau:

So sánh các phương pháp phân tích

Để so sánh kết quả của Plaxis với các phương pháp giải tích đã nêu ở Chương 2 đồng thời xem xét ảnh hưởng của việc xem hệ tường vây chịu tải trọng cùng với móng cọc đài bè, bài toán móng cọc đài bè điển hình của Poulos được sử dụng và so sánh với các số liệu tính toán đã được công nhận rộng rãi của Ir W.F van Impe [7]

Bài toán do Poulos đề xuất như sau : Một móng cọc đài bè có số lượng cọc dưới bè là 9 cọc, chịu tải trọng tập trung P2 = 2P1 Tổng tải trọng tác dụng lên bè cọc là 12MN, P1 = P3 = 1MN, P2 = 2MN như Hình 3.1

Hình 3.1- Bài toán móng cọc đài bè do Poulos đề xuất

Kết quả do Polous và Ir W.F van Impe tính toán bằng các phương pháp được tổng hợp trong Bảng 3.1

Bảng 3 1 - Tổng hợp kết quả tính toán móng cọc đài bè

Cọc giữa Độ lún cọc góc

Momen đài móng % tải cọc chịu Poulos – Davis-

FLAC 3-D 39.9 35.8 - 58.2 Để so sánh kết quả của chương trình Plasix 3D Foundation (viết tắt: P3DF) với các phương pháp khác, bài toán trên được mô phỏng lại trên nền chương trình P3DF

Ngoài ra để xem xét ảnh hưởng của hệ tường vây lên sự làm việc của móng cọc đài bè, các trường hợp với thông số chiều sâu tường vây khác nhau cũng được thực hiện

3.1.2 Mô phỏng bài toán móng cọc đài bè bằng chương trình P3DF

Các thông số vật liệu mô hình nhập vào phần mềm P3DF được cho trong Bảng

Bảng 3 2 - Thông số vật liệu của mô hình

Thông số Ký hiệu Loại vật nền đất Đơn vị Đất nền Bê tông

Mẫu vật liệu Model M- C Linear Elastic -

Loại vật liệu tác động Type Drained Non-porous - Khối lượng đơn vị đất trên mực nước ngầm γunsat 18 25 kN/m 3

Khối lượng đơn vị đất γsat 18 - kN/m 3

 Trình tự thi công trong trình đơn Calculation được mô tả đơn giản như sau:

- Phase Initial: Chương trình tự động phân tích

- Phase Construction: Tất cả các phần tử cọc, đài được kích hoạt

- Phase Active Loading: Gán tải trọng tập trung lên đầu cọc tại mặt bằng đài móng

Sau khi chương trình tính toán có thể xem các giá trị chuyển vị, nội lực của kết cấu móng Ở đây, dùng các giá trị chuyển vị mũi cọc (Uy) và lực dọc tại đầu cọc, mũi cọc (Py) để phân tích Các cọc được chọn để xem kết quả là cọc ở giữa bè, cọc góc bè, cọc biên cạnh ngắn, cọc biên cạnh dài Vị trí các cọc thể hiện trong Hình 3.2 Mô hình được dựng lên trong P3DF thể hiện ở Hình 3.3

Hình 3 2- Sơ đồ cọc được chọn để phân tích

Hình 3 3 - Kết quả chuyển vị tại vùng mũi cọc

Kết quả do chương trình tính toán được trình bày trong Bảng 3.3:

Bảng 3 3 - Kết quả tính toán trường hợp chưa có tường vây

Vị trí cọc Độ lún

Lực dọc đầu cọc (kN)

Lực dọc mũi cọc (kN)

 Tỷ lệ tải trọng do cọc gánh: ΣPcọc = ΣPi x ni = 872.12*1 + 818.36*4 + 767.34*2 + 984.03*2 = 7648.3 kN Φ = (ΣPcọc / ΣP)*100% = (7648.3/12000)x100% = 63.7%

Hình 3 4 - Biểu đồ so sánh chuyển vị cọc của các phương pháp

Hình 3 5 - Biểu đồ so sánh phần trăm tải trọng do hệ cọc chịu

 Lực dọc ở mũi cọc bằng 29.3% đến 35.5% ở đầu cọc Điều này cho thấy thành phần ma sát thân cọc chịu lực chủ yếu

 Cọc biên chịu tải P = 2MN có chuyển vị lớn nhất

 Phương pháp phân tích bằng Plaxis 3D cho kết quả gần tương đồng với phương pháp GARP, GASP, Burland Kết quả từ chương trình FLAC 2D, FLAC 3D cho kết quả sai khác lớn nhất

 Phương pháp GASP cho kết quả lún lệch giữa cọc giữa và cọc góc lớn nhất, 11.8mm, đây có thể là kết quả lớn và chưa chính xác

 Trong các kết quả trên, kết quả của phương pháp GARP gần giống với kết quả từ Plaxis 3D nhất

Phân tích ảnh hưởng của tường vây đến hệ móng cọc đài bè trong ví dụ Poulos

4.1.1 Mô phỏng các trường hợp

Hệ tường vây được thêm vào mô hình bài toán điển hình Poulos để có cơ sở đánh giá phân tích ảnh hưởng của tường vây đến hệ móng cọc đài bè Độ sâu tường vây được tính toán trong trường hợp là 2.5m, 5m, 7.5m, 10m

 Trường hợp chiều cao tường L =2.5m

Hình 4- 1: Hệ móng - tường vây cao 2.5m

Vị trí cọc Độ lún

Lực dọc đầu cọc (kN)

Lực dọc mũi cọc (kN)

Tỷ lệ tải trọng do cọc gánh: ΣPcọc = ΣPi x ni = 645.2*1 + 487.9*4 + 487.1*2 + 612.1*2 = 6828.2 kN Φ = (ΣPcọc / ΣP)*100% = (6828.2 /12000)x100% = 56.9%

 Trường hợp chiều cao tường L =5m

Hình 4- 2 – Hệ móng - tường vây cao 5m

Vị trí cọc Độ lún

Lực dọc đầu cọc (kN)

Lực dọc mũi cọc (kN)

Tỷ lệ tải trọng do cọc gánh: ΣPcọc = ΣPi x ni = 645.2*1 + 487.9*4 + 487.1*2 + 612.1*2 = 4795.2 kN Φ = (ΣPcọc / ΣP)*100% = (4795.2 /12000)x100% = 39.9%

 Trường hợp chiều cao tường L =7.5m

Hình 4- 3 – Hệ móng - tường vây cao 7.5m

Vị trí cọc Độ lún

Lực dọc đầu cọc (kN)

Lực dọc mũi cọc (kN)

- Tỷ lệ tải trọng do cọc gánh: ΣPcọc = ΣPi x ni = 610.1*1 + 362.0*4 + 387.5*2 + 507.2*2 = 3847.5 kN Φ = (ΣPcọc / ΣP)*100% = (3847.5/12000)x100% = 32.0%

 Trường hợp chiều cao tường L m

Hình 4- 4 – Hệ móng - tường vây cao 10m

Vị trí cọc Độ lún

Lực dọc đầu cọc (kN)

Lực dọc mũi cọc (kN)

- Tỷ lệ tải trọng do cọc gánh: ΣPcọc = ΣPi x ni = 538.3*1 + 182.3*4 + 249.3*2 + 357.6*2 = 2481.3 kN Φ = (ΣPcọc / ΣP)*100% = (3847.5/12000)x100% = 20.6%

- Tỷ lệ chịu tải của thành phần cọc trong các trường hợp được tổng hợp trong Bảng 4.1

Bảng 4 1 - Tỷ lệ chịu tải của thành phần cọc

Tỷ lệ tải do cọc chịu

- Từ Hình 4.5 - Biểu đồ chuyển vị mũi cọc nhận thấy:

 Khi xuất hiện tường vây làm cho độ cứng tổng thể của bè tăng lên Điều này làm cho độ lún lệch giảm, đặc biệt là khi so sánh giữa lúc chưa có tường (6.6 mm) và khi có tường sâu 2.5m (2.4mm), độ lún lệch giảm 63% Từ 2.5m trở đi độ lún lệch được giữ ổn định dù chiều dài tường vây tăng

 Khi chiều sâu tường vây tăng thì chuyển vị mũi cọc giảm

Hình 4 5 – Biểu đồ chuyển vị mũi cọc

Hình 4 6 – Biểu đồ lực dọc đầu cọc

 Đồ thị giá trị lực dọc của các cọc: cọc góc, cọc biên cạnh ngắn, cọc biên cạnh dài có hình dạng tương đồng nhau

 Đồ thị cọc góc, cọc biên cạnh ngắn, cọc biên cạnh dài dốc hơn so với cọc giữa Điều này cho thấy lực dọc trong các cọc này giảm nhanh hơn khi chiều sâu tường vây tăng

 Rõ ràng nhất là khi so sánh đồ thị của cọc giữa và cọc biên cạnh dài, lúc đầu giá trị lực dọc ở đầu cọc biên cạnh dài có giá trị lớn hơn nhưng khi xuất hiện tường vây thì giá trị này đã giảm đi nhanh chóng Khi chiều sâu tường vây chưa tới 5m thì giá trị lực dọc đầu cọc của cọc biên cạnh dài đã nhỏ hơn so với cọc giữa

Từ Hình 4.7: Tỷ lệ gánh tải của hệ cọc giảm gần như tuyến tính khi chiều sâu tường vây tăng tuyến tính

Hình 4 7 – Biểu đồ tỷ lệ chịu tải của hệ cọc

Kết quả lực dọc đầu cọc – mũi cọc được tổng hợp trong Bảng 4.2 Lực dọc ở mũi cọc giảm so với đầu cọc là do bị thành phần ma sát hông bên thân cọc được huy động trong suốt chiều dài cọc Tỷ lệ này càng lớn thì thành phần ma sát thân cọc càng nhỏ (Hình 4.8)

Bảng 4 2 – Bảng tổng hợp giá trị lực dọc thân cọc

L Vị trí cọc Độ lún

Lực dọc mũi cọc % Lực truyền từ đầu cọc đến mũi cọc

Thành phần ma sát (kN) (kN) %

Hình 4 8 – Tỷ lệ lực dọc truyền từ đầu cọc đến mũi cọc

Hình 4.8 cho thấy cọc nằm ở vị trí góc bè (cột màu đậm), có thành phần ma sát thân cọc giảm đi khi chiều dài tường tăng; ngược lại cọc giữa (màu nhạt) giảm rất ít

- Khi xuất hiện tường vây, độ cứng tổng thể của móng bè được tăng cường, độ lún lệch giữa các giảm đi

- Độ sâu tường vây càng lớn thì lực dọc, chuyển vị cọc càng giảm

- Các cọc nằm gần tường vây thì được tường vây gánh đỡ nhiều tải trọng hơn cọc ở xa tường vây Các cọc nằm càng xa tường vây càng ít chịu ảnh hưởng của tường vây.

Phân tích móng cọc đài bè công trình chung cư 18 tầng

Dự án là chung cư 18 tầng nổi, 2 tầng hầm (Hình 4.8) Công trình tọa lạc tại phường 12, Quận Bình Thạnh, TP.HCM

Hình 4 9 – Mặt đứng kiến trúc công trình

Mặt cắt địa chất tiêu biểu được chọn nằm trong phạm vi 2 hố khoa LK1, LK2

Chiều sâu hố khoan khảo sát là 48m kể từ mặt đất tự nhiên (Hình 4.9)

Mực nước ngầm nằm ở cao độ -1.5m so với cốt +0.00

Hình 4 10 – Mặt cắt địa chất

-48- Địa chất đất nền công trình được chia thành 6 lớp, cụ thể:

- Lớp 1: Đất nhựa đường, đất cát san lấp, h2 = 0.9m

- Lớp 2: Bùn sét hữu cơ, h2 = 1m, γsat = 14.8 kN/m 3 , c = 8.9 kN/m 2 , φ = 3 o 23’, Eoed = 6389 kN/m 2 , υ = 0.33, k = 10 -6 cm/s = 8.64x10 -4 m/day, B = 0.655, undrained

- Lớp 3: Sét dẻo mềm, h3 = 2.2m, γsat = 19.3 kN/m 3 , c = 13.2 kN/m 2 , φ = 13 o 30’, Eoed = 12567 kN/m 2 , υ = 0.33, k = 10 -5 cm/s = 8.64x10 -3 m/day, B = 0.55, undrained

- Lớp 4: Sét lẫn sạn latterite, h4 = 6.1m, γsat = 19.3 kN/m 3 , c = 14.3 kN/m 2 , φ 12 o 18’, Eoed = 14020 kN/m 2 , υ = 0.33, k = 10 -5 cm/s = 8.64x10 -3 m/day, B 0.67, undrained

- Lớp 5: Cát pha vàng dẻo, h5 = 7.8m, γsat = 19.3 kN/m 3 , c = 9.1 kN/m 2 , φ 17 o 48’, Eoed = 17680 kN/m 2 , υ = 0.33, k = 10 -5 cm/s = 8.64x10 -3 m/day, B 0.648, drained

- Lớp 6: Cát vàng chặt vừa, h6 = 30m, γsat = 19.5 kN/m 3 , c = 2 kN/m 2 , φ = 28 o 58’, Eoed = 20000 kN/m 2 , υ = 0.33, k = 10 -2 cm/s = 8.64x10m/day, drained

Bảng 4.3 – Thông số đất nền chương trình P3DF

Ký hiệu Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Lớp 6 Bêtông Đơn vị

Type - Undrained Undrained Undrained Drained Drained N-P -

4.2.3 Các thông số nền móng:

Trong phạm vi luận văn, móng cọc bè M2 dưới vách T2 và T3 của công trình được chọn để phân tích

Từ kết quả phân tích mô hình trong chương trình Etabs ver 9.5 do thiết kế kết cấu thực hiện, tổng hợp được các giá trị nội lực nguy hiểm nhất truyền xuống chân vách T2&T3 như Bảng 4.3

Bảng 4 4 – Tải trọng truyền xuống móng M2

Giá trị N max (kN) M x (kNm) Q x (kN) M y (kNm) Q y (kN)

Phương án cọc được chọn là cọc khoan nhồi đường kính D800, chiều dài cọc L

= 25m, từ cao độ dưới đáy đài -7.3m đến -32.3m Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo TCVN 10304:2014[12] là Qa = 3000 kN

Tải từ chân vách được xem như phân bố đều trên móng bè cứng với giá trị q = N/S = 48708.4/(12*12) = 333.8 kN/m 2

(tương đương với giá trị 16.69kN/m 2 /tầng) Số cọc là 16

Chiều cao đài 1.8m, diện tích đài 12x12 m 2 , chiều sâu đáy đài là -7.3m so với cote ±0.00

Mặt bằng bố trí cọc móng M2 được thể hiện trên Hình 4.10

4.2.4 Tính toán bằng phần mềm P3DF:

Phạm vi để xem xét sự làm việc của cọc, bè, tường là các lớp đất tiếp xúc trực tiếp với bè, tường, cọc Mặt trên đài móng được xem là cote ±0.00 của mô hình, đài móng cao 1.8m

Chọn biên bài toán theo các dữ kiện sau: Kích thước bè 12m x 12m, mũi cọc nằm ở cote -27.3m Đưa toàn bộ hệ móng cọc đài bè về cote ±0.00 Các mặt phẳng làm việc cần khai báo như sau:

Cote thực tế (m) Mặt phẳng làm việc Ý nghĩa

Mực nước ngầm nằm ở độ sâu -1.5m nằm trên đài móng nên khai báo mực nước ngầm ở cote ±0.00

Thông số đầu vào của cọc và đài cọc được cho theo Bảng 4.4

Bảng 4 5 – Thông số mô hình MC

Mô hình các thông số đất nền, hình dạng kết cấu như đã trình bày ở phần trên vào phần Model của chương trình Plaxis 3D Hố khoan HK1 khai báo các lớp vật liệu từ đáy đài trở xuống

Cote thực tế (m) Bề dày Lớp đất

Theo thiết kế ban đầu số lượng cọc là 16 khi chưa xét tới sự làm việc của hệ tường vây 15m, để kết luận về sự ảnh hưởng của tường vây đến khả năng chịu lực của hệ móng cọc bè, tiến hành mô phỏng các trường hợp giảm số lượng cọc xuống 14, 12, 10 cọc

Tải trọng phân bố lên bè cũng được xét thêm các trường hợp ứng giá trị khi thay đổi số tầng như trong Bảng 4.5

Bảng 4 6 - Các trường hợp phân tích Plaxis 3D Foundation

Lực phân bố lên đài

Tên mô hình 16 cọc 14 cọc 12 cọc 10 cọc

18 300 TH1 TH1.1 TH2.1 TH3.1 TH4.1

20 333.8 TH2 TH2.1 TH2.2 TH3.2 TH4.2

21 350 TH3 TH3.1 TH2.3 TH3.3 TH4.3

24 400 TH4 TH4.1 TH2.4 TH3.4 TH4.4

Mô phỏng các trường hợp 16, 14, 12, 10 cọc thành các trường hợp 8 cọc, 7 cọc, 6 cọc đối xứng như Hình 4.11

Mặt bằng móng 8 cọc đối xứng

Hệ tường và cọc trong mô hình Plaxis 3D

(a) Mô hình 8 cọc đối xứng

Mặt bằng móng 7 cọc đối xứng

Hệ tường và cọc trong mô hình Plaxis 3D

(b) Mô hình 7 cọc đối xứng

Mặt bằng móng 6 cọc đối xứng

Hệ tường và cọc trong mô hình Plaxis 3D

(c) Mô hình 6 cọc đối xứng

Mặt bằng móng 5 cọc đối xứng

Hệ tường và cọc trong mô hình Plaxis 3D

(d) Mô hình 5 cọc đối xứng

Hình 4 12 – Các trường hợp mô phỏng

4.2.5 Phân tích các kết quả tính toán:

Từ chương trình Output của bộ phần mềm P3DF, giá trị lực dọc lớn nhất của cọc trong từng trường hợp thể hiện ở Bảng 3.4 Việc phân tích kết quả lực dựa vào biểu đồ ở Bảng 4.6; 4.7 và Hình 4.13

Bảng 4 7 - Giá trị lực dọc lớn nhất của cọc (kN)

Trường hợp Lực phân bố đều lên bè móng (kN/m 2 )

Bảng 4 8 - Chuyển vị lớn nhất của cọc (kN)

Lực phân bố đều lên bè móng (kN/m 2 )

8 cọc + Tường 15m 4.53 mm 5.82 mm 6.52 mm 8.79 mm

7 cọc + Tường 15m 5.12 mm 6.58 mm 6.89 mm 9.69 mm

6 cọc + Tường 15m 5.08 mm 6.56 mm 7.31 mm 9.85 mm

5 cọc + Tường 15m 5.58 mm 7.11 mm 7.88 mm 10.52 mm

Hình 4 13 - Biểu đồ giá trị lực dọc lớn nhất trong thân cọc

- Trường hợp TH1, khi tải phân bố đều lên đài móng có giá trị 300 kN/m 2 , mô hình 10 cọc + Tường có giá trị lực dọc và chuyển vị cọc đều thõa điều kiện thiết kế Trong trường này có thể giảm được 6 cọc, tương đương 37.5% số lượng cọc

- Trường hợp TH3, khi tải trọng phân bố đều lên đài móng có giá trị 350 KN/m 2 , mô hình 12 cọc + Tường có giá trị (Ncọc-max= 2860 kN) xấp xỉ với trường hợp 16 cọc không tường vây (Ncọc-max= 2810 kN) Trong trường hợp này có thể giảm được 4 cọc nhưng vẫn thõa điều kiện SCT thiết kế, tương đương giảm 25% số lượng cọc

- Như vậy khi xét đến sự làm việc của tường cùng chịu lực với hệ móng cọc đài bè có thể giảm được từ 25% - 37.5% cho qui mô công trình tương tự

4.2.6 Phân tích sự ảnh hưởng của tường đến khả năng chịu tải của hệ móng cọc đài bè

Phần này sẽ phân tích ảnh hưởng của chiều dài tường đến ứng xử của hệ móng cọc bè Các trường hợp chiều dài tường là 5m, 10m, 15m, 20m

Cọc góc và cọc giữa được chọn để so sánh, phân tích ảnh hưởng của tường lên sự làm viẹc của từng cọc Cọc góc ở vị trí gần tường nhất và cọc giữa là cọc xa tường nhất

4.2.6.1 Ảnh hưởng của tường đến sức chịu tải của cọc:

Từ chương trình Output của bộ phần mềm P3DF, tổng hợp được bảng giá trị lực dọc tại cọc giữa và cọc góc Các giá trị lực dọc N của thân cọc được tổng hợp trong đồ thị Hình 4.13; Hình 4.14

Hình 4 14 - Lực dọc N của cọc góc ứng với các trường hợp tường vây

Hình 4 15 -Lực dọc N của cọc giữa ứng với các trường hợp tường vây

Trên các đồ thị Hình 4.13; 4.14 nhận thấy điểm đặc biệt là ứng với trường từng trường hợp chiều dài của tường thì đồ thị lực dọc thân cọc xuất hiện 1 điểm uốn, cụ thể với tường 5m, 10m, 15m, 20m thì điểm uốn nằm ở vị trí độ sâu 5m, 10m, 15m, 20m dưới đài móng Điều này cho thấy trong đoạn cọc từ đáy đài đến ngang mũi tường vây, không có hiện tượng ma sát giữa cọc và đất Lực dọc trong thân cọc tăng lên có thể do ma sát âm hoặc trọng lượng bản thân cọc gây ra Để làm rõ nhận định trên, chuyển vị của đất và cọc trong tường trường hợp được thể hiện trong các Hình 4.15 (a), (b), (c), (d)

Hình 4.15 (a) - Chuyển vị của đất và cọc khi không có tường

Hình 4.15 (b) - Chuyển vị của đất và cọc khi tường vây 5m

Hình 4.15 (c) - Chuyển vị của đất và cọc khi tường vây 10m

Hình 4.15 (d) - Chuyển vị của đất khi chiều dì tường vây 15m

Hình 4.15 (e) - Chuyển vị của đất khi chiều dài tường vây 20m

Hình 4 16 – Chuyển vị của đất trong các mô hình có tường vây

Các hình trên biểu diễn giá trị của chuyển vị dưới dạng phổ màu, chuyển vị càng lớn thì màu hiển thị càng đỏ đậm Từ các hình trên có thể thấy rằng khi xuất hiện tường vây xung quanh cọc thì phần đất “bị” tường vây quanh có xu hướng cùng dịch chuyển chung với hệ móng – bè (có giá trị chuyển vị như nhau) do đó ma sát giữa đất và cọc đã bị giảm yếu hoặc có thể triệt tiêu Nguyên nhân trên làm cho giá trị lực dọc trong thân cọc không giảm đi mà còn có xu hướng tăng lên do trọng lượng bản thân của phần cọc phía trên truyền xuống

- Lực dọc N tăng trong phạm vi từ đầu cọc đến cao độ tường vây

- Trường hợp (TH1), (TH2) (tường vây dài 5m, 10m) lực dọc thân cọc tăng lên so với trường hợp không có tường vây Lúc này mũi tường đặt lên lớp đất cát pha có tính cơ lý trung bình nên chưa gánh được tải trọng công trình Khi này, hệ tường vây được gắn với móng cọc đài bè nên trọng lượng của tường sẽ làm tăng thêm tải trọng cho hệ bè cọc

- (TH3), (TH4), giá trị lực dọc N của cọc nhỏ hơn nhiều so với trường hợp móng cọc đài bè không có tường vây Vì mũi tường đặt trong lớp đất cát chặt vừa có khả năng chịu lực tốt nên hệ tường đã tham gia cùng chịu tải trọng của công trình

- Trường hợp (TH4) chiều dài tường vây 20m, lực đọc đầu cọc là 619 kN, bằng 23% so với TH (1) Tường vây đã chịu phần lớn tải trọng công trình

4.2.6.2 Tương quan giữa vị trí tường – cọc và sự làm việc của cọc:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

 Ngoài tác dụng chống đỡ trong quá trình thi công và sử dụng làm tường ngoài cho tầng hầm, hệ tường vây bê tông còn có khả năng chịu tải trọng công trình

Khả năng chịu tải của hệ tường phụ thuộc vào chiều dài tường và lớp đất mà mũi tường đặt lên Với công trình được nghiên cứu trong luận văn, khi xét đến hệ tường đã giảm được 25% - 37.5% số lượng cọc mà vẫn thõa các điều kiện thiết kế về sức chịu tải cọc và chuyển vị cho phép

 Hệ tường có khả năng chịu tải khi mũi tường đặt trong lớp đất tốt

 Sự có mặt của tường khiến cho ma sát giữa đất và cọc trong phạm vi tường vây quanh bị giảm yếu đáng kể do đất có xu hướng chuyển vị cùng với hệ móng bè – cọc Vì vậy khi thiết kế cọc ma sát cần xem xét ảnh hưởng của tường để phương án thiết kế được chính xác hơn

 Khi chiều dài tường tăng gần đến chiều dài cọc thì sức chịu tải của cọc giảm nhanh chóng Tường đã chịu phần tải trọng đáng kể của công trình Cụ thể với trường hợp tường vây 15m (Ncọc-max = 2093kN) lực dọc cọc đã giảm 22% so với trường hợp không có tường vây; khi tường vây 20m (Ncọc-max = 619kN) đã giảm 77% Điều này dẫn đến lãng phí và không hợp lý khi thiết kế móng cọc cho công trình

 Khi chiều dài tường tăng, áp lực đất lên đáy bè cũng giảm Sự làm việc của bè trong hệ móng cọc đài bè cũng giảm đi

 Khi kể đến hệ tường trong kết cấu móng cọc bè, cọc càng gần vị trí tường sẽ càng chịu ảnh hưởng của tường gây ra, cụ thể là giảm tải trọng tác dụng lên cọc

 Đối với thiết kế nền móng cần phải xem xét sự làm việc của tường vây vào trong kết cấu móng công trình Khi mũi tường đặt trên một lớp đất có tính chất cơ lý tốt

-68- có thể tận dụng khả năng chịu tải của hệ tường trong quá trình thiết kế để giảm số lượng cọc, tăng tính kinh tế cho phương án móng

 Trong luận văn chỉ xét đến các trường hợp thay đổi chiều dài tường để phân tích, đánh giá mà chưa kể đến các thông số khác của tường như bề dày, hình dáng hệ tường…Ngoài ra, trong luận văn chỉ xét đến hệ móng cọc bè – tường chịu tải trọng thẳng đứng mà chưa xét đến lực cắt và momen Để nội dung nghiên cứu tổng quát hơn cần có thêm những nghiên cứu về các vấn đề trên

 Khi diện tích móng bè càng lớn vị trí các cọc nằm xa tường, ảnh hưởng của hệ tường có thể giảm đi Để có thêm cơ sở định lượng cho vấn đề này cần có thêm nghiên cứu khác để làm rõ