Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu phân tích sự phân phối tải trọng giữa cọc và đài trong kết cấu móng bè cọc

HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 1- TÊN ĐỀ TÀI: “ Nghiên cứu phân tích dự phân phối tải trọng giữa cọc và đài trong kết cấu móng bè cọc ” 2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUN

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

MỐT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ MÓNG BÈ CỌC

Móng bè cọc đã được sử dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng bởi cả hai tính năng chịu lực và giảm độ lún của móng được cải thiện đáng kể so với móng cọc thông thường Katzenbach et al (2000) cho thấy nhiều ưu điểm của bè cọc và đưa ra một số ví dụ về các ứng dụng của bè cọc trên đất sét cứng Hiệu quả kinh tế của móng bè cọc cũng được trình bày bởi Randolph (1994), bên cạnh bộ phận chính là các cọc, thì bè có khả năng đóng góp một cách đáng kể khả năng chịu tải trọng của công trình Rõ ràng các cọc phải được thiết kế sao cho khả năng chịu lực của nó là hoàn toàn huy động được khi tải làm việc

Có nhiều phương pháp được đề xuất để phân tích móng cọc đài bè Burland (1995) đề xuất một phương pháp tính đơn giản khi thiết kế móng bè trên nền cọc, trong đó các cọc được thiết kế để hoạt động như giảm độ lún (lưu ý rằng phương pháp này chỉ phù hợp với cọc ma sát trong đất sét) Horikoshi et al (1999) phát triển một phương pháp để tính toán giải quyết tổng thể của móng cọc đài bè Và những nghiên cứu thêm của Poulos (2000) và Poulos (2001a, 2001b) với việc áp dụng phương trình Midlin của bán không gian đàn hồi vào bài toán bè cọc và những thử nghiệm thực tế để phân tích ngược lại bài toán Phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều (3D-FEM) được áp dụng cho dự đoán của các ứng xử của bè cọc bởi Reul et al (2003, 2004), Lisa J Novak et al (2005), Ningombam Thoiba Singh et al (2008), Phongpat Kitpayuck (2009) và JinHyung Lee et al (2010) Máy gia tốc ly tâm được áp dụng thử nghiệm cho dự đoán của các ứng xử của hệ bè cọc được đề xuất bởi Horikoshi et al (1996, 1998), Conte et al (2003) và Vincenzo Fioravante et al (2008)

Hình 1.1 – Toàn nhà Messeturn cao 256m được xây dựng năm 1988 tại Đức Đề tài “ Phân tích và tính toán các ứ ng x ử trong móng c ọ c đ ài bè ” tiếp tục hướng nghiên cứu bằng các phương pháp giải tích kết hợp sự hổ trợ của phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 3D Foundation được sử dụng để phân tích và tính toán các ứng xử trong móng cọc đài bè Qua đó giúp đọc giả có được cái nhìn cụ thể hơn, rõ ràng hơn và tổng quát hơn về phương án móng bè trên nền cọc, qua đó ứng dụng rộng rãi trong việc lựa chọn phương án móng hợp lý tính toán các công trình nhà cao tầng.

KHÁI QUÁT MÓNG BÈ-CỌC

Móng cọc đài bè hay còn được gọi là móng bè trên nền cọc bao gồm hai thành phần sau:

Bè hay đài cọc có nhiệm vụ liên kết và phân phối tải trọng từ các chân kết cấu cho các cọc, đồng thời truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa đáy bè và đất nền Bè có thể làm dạng bản phẳng hoặc bản dầm nhằm tăng độ cứng chống uốn Chiều dày tối thiểu của bè được xác định theo điều kiện bè bị chọc thủng do lực tập trung tại chân cột, chân vách, hay do phản lực cọc Để điều chỉnh lún không đều có thể làm bè với chiều dày thay đổi

Hình 1.2 - Mô hình móng bè trên nền cọc

Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất tốt dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức kháng bên Có thể bố trí cọc trong đài thành nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lối hay bố trí bất kỳ tuỳ thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm điều chỉnh lún không đều, giảm áp lực lên nền ở đáy bè hay giảm nội lực trong bè Cọc thể thể sử dụng là cọc ép chế tạo sằn hoắc khoan nhồi…

Hình 1.3 - Mô hình móng kết cấu công trình trên móng bè trên nền cọc

Móng bè cọc là một giải pháp nền móng để giảm thiểu độ lún cũng như lún lệch, tận dụng được khả năng chịu tải của đất nền bên dưới móng bè và làm giảm thiểu moment uốn trong bè Tính chất nổi bật nhất của móng bè cọc là ảnh hưởng tương hỗ giữa đất và kết cấu móng, được cân đối trong thiết kế khi có một phần tải trọng truyền xuống đất nền thông qua bè và phần còn lại thông qua cọc Katzenbach (2000) đã xác định đươc 4 loại tương tác trong ứng xử của móng bè cọc như sau:

Hình 1.4: Hiệu ứng tương tác giữa đất – cấu trúc trong móng bè cọc (Katzenbach et al., 2000)

Trong đó : qt = ứng suất tác dụng Qp = tải truyền đến cọc qr = áp lực truyền lên đất (S-P) Tươnng tác giữa đất và cọc (S-R) Tương tác giữa đất và bè

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

1.2.2 Ưu điểm của móng bè cọc

Móng bè trên nền cọc có rất nhiều ưu điểm so với các loại móng khác, sở dĩ phải làm móng bè - cọc vì trường hợp đất yếu rất dày, bố trí cọc theo đài đơn hay băng cọc không đủ Cần phải bố trí cọc trên toàn bộ diện tích xây dựng mới mang đủ tải trọng của công trình, làm tăng khả năng chịu tải và giảm lún cho công trình Hơn nữa móng cọc đài bè sẽ làm tăng độ cứng tổng thể của nền móng bù đắp lại sự yếu kém của nền đất

Cải thiện đươc điều kiện làm việc của móng nông nhờ giảm độ lún cũng như lún lệch Cọc đóng vai trò như bộ phận giảm lún Ngoái ra còn giảm được ứng suất cũng như moment nội lực trong móng bè nhớ vào sự sắp xếp hợp lý của các cọc, phát huy vài trò chịu lực của phần bè Khi bố trí cọc hợp lí thể chịu tải lệch tâm từ công trình bên trên

Hình 1.5: Cọc bố trí làm giảm độ lún của nền (theo Randolph, 1994.)

Trong việc đánh giá về tính tiện ích của việc sử dụng móng cọc đài bè, trước tiên cần phải đánh giá ước lượng qua quy phạm kỹ thuật khả năng mang tải đứng, tải ngang, giá trị độ lún tổng và độ lún lệch của móng bè độc lập không bố trí thêm cọc Theo Burland 1995, Randolph 1994, nếu đánh giá riêng móng bè chỉ có khả năng mang tải đạt yêu cầu mức độ nhỏ, giống như chỉ thiết kế móng bè lý thuyết qui phạm, còn cọc được tính toán chịu hầu hết tải trọng công trình Như vậy nhiệm vụ đơn thuần của bè chỉ tác dụng giảm bớt một phần rất nhỏ khả năng chịu tải cho cọc Song nếu đánh giá chỉ riêng bè đã vừa đủ hoặc thừa đủ khả năng mang tải, nhưng không thỏa mãn độ lún tổng hoặc độ lún lệch cho phép, như vậy khả năng phải xem xét việc bố trí thêm cọc để cọc giữ vai trò giảm bớt lún cho bè.

CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN MÓNG BÈ-CỌC

1.3.1 Nguyên lý thiết kế móng bè cọc

Trong thiết kế móng bè cọc, có các vấn đề cần thiết được quan tâm :

• Điều kiện địa chất địa hình, thủy văn

• Sức chịu tải cực hạn khi chịu tải đứng, tải ngang và moment tác dụng lên móng

• Khả năng chống xuyên thủng của mỏng bè móng

• Đánh giá các giá trị moment, lực cắt của bè để thiết kế bè móng

• Đánh giá các giá trị moment, sức chịu tải của cọc để thiết kế cọc

• Chọn tiết diện bè và cọc phù hợp hiểu quả kinh tế

1.3.2 Quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn

Quan niệm này toàn bộ tải trọng công trình do các cọc tiếp nhận Đóng góp của phần đất dưới đáy bè thường bị bỏ qua, kể cả khi đáy đài tiếp xúc với đất nền tốt Theo quan niệm này, các cọc được thiết kế như một nhóm cọc để tiếp nhận hoàn toàn tải trọng của công trình mà không kể đến sự tham gia chịu tải của nền đất xung quanh dưới đáy bè Trong tính toán, hệ móng bè còn được tính như móng cọc đài thấp với nhiều giả thuyết gần đúng như:

- Cọc trong nhóm cọc làm việc như cọc đơn và chịu toàn bộ tải trọng tiếp nhận từ đài móng

- Đài móng tuyệt đối cứng, ngàm cứng với các cọc và chỉ truyền tải trọng lên các cọc Do đó, cọc chỉ có chịu kéo hoặc chịu kéo

- Tải trọng ngang do nền đất trên đáy đài tiếp nhận

- Khi tính toán tổng thể móng cọc thì xem hệ móng là một khối móng quy ước

Với quan điểm này phù hợp khi thiết kế những nhóm cọc có kích thước đáy đài không đáng kể so với chiều dài cọc Vì khi ấy vùng ứng suất tăng thêm trong nền do áp lực đáy đài gây ra nhỏ, ít ảnh hưởng đến sự làm việc của các cọc Tuy nhiên, nếu bỏ qua sự làm việc của bè khi thiết kế móng cọc đài bè (có kích thước đáy đài đáng kể so với chiều dài cọc) sẽ dẫn đến sự mô tả không đúng sự phân phối tải trọng lên các cọc và độ lún của móng

Tính toán theo quan điểm này có ưu điểm là đơn giản, thiên về an toàn và được hướng dẫn chi tiết trong các tài liệu về nền móng công trình hiện nay Độ lún của móng tính theo phương pháp này cho kết quả lớn, vì thế sử dụng nhiều cọc và có thường có hệ số an toàn cao, chưa phát huy được hết sức chịu tải của cọc Như vậy, ta thấy đây là quan điểm thiết kế rất thiên về an toàn, nhưng chưa phát hết vai trò và khả năng làm việc của cọc

Nhận xét: Quan điểm tính toán này phù hợp cho những kết cấu móng cọc có chiều dày đài lớn kích thước đài nhỏ, hoặc nền đất dưới đáy đài yếu, có tính biến dạng lớn Khi đó, ta có thể bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy đài và xem toàn bộ tải trọng công trình do cọc chịu

1.3.2 Quan điểm bè chịu tải hoàn toàn

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 gia cố nền giảm độ lún lệch cho công trình Theo quan điểm này thiết kế chỉ sử dụng móng bè để chịu tải trọng công trình mà không thỏa mãn yêu cầu bền vững hoặc biến dạng đất nền lún nhiều hoặc lún chênh lệch quá lớn, thì đòi hỏi thiết kế phải bố trí tăng cường thêm cọc để giảm lún cho móng bè Để tận dụng khả năng mang tải móng bè với độ lún tổng và độ lún lệch đạt đến giới hạn thì tại vị trí móng bè bị lún quá giới hạn phải bố trí thêm cọc với số lượng giới hạn tối thiểu

Nhận xét: Quan điểm này phù hợp với những công trình không lớn lắm đặt trên nền đất yếu có chiều dày không lớn lắm Theo quan điểm này thì cọc chỉ có tác dụng là gia cô nền để giảm lún lệch ngoài ra sự liên kết giữa đài và cọc ko được xét đến

1.3.3 Quan điểm bè - cọc đồng thời chịu tải

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

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

Randolph (1994) đã đưa ra ba lý thuyết thiết kế khác nhau đối với móng bè trên nền cọc như sau:

- Phương pháp đơn giản: cọc được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng, trong khi bè tham gia hổ trợ để đạt sức chịu tải cực hạn

- Phương pháp “creep piling”: cọc được thiết kế hoạt động khi từ biến xảy ra đáng kể, thường là khoảng 70 - 80% sức chịu tải cực hạn, cọc làm giảm sự tương tác giữa bè và đất dưới áp lực tiền cố kết

- Kiểm soát độ lún lệch: cọc được thiết kế để làm giảm độ lún lệch trong bè chứ không có tác dụng giảm độ lún tổng của công trình

Khi cọc chịu tải, dưới tác dụng của tải trọng đứng (kéo hoặc nén), nền đất sẽ tương tác với cọc qua những gối đàn hồi theo phương đứng Quan hệ giữa phản lực (ký hiệu là t ) và chuyển vị đứng của các gối (ký hiệu là z) là t = k z z, với k z là độ cứng của gối đàn hồi theo phương đứng Biểu đồ quan hệ giữa t và z gọi là đường cong t-z

Dưới tải trọng ngang, nền đất sẽ tương tác với cọc qua những gối đàn hồi theo phương ngang

Quan hệ giữa phản lực (ký hiệu là y) và chuyển vị ngang của các gối đàn hồi (ký hiệu là y) là p k y y, với k y là độ cứng của gối đàn hồi theo phương ngang Biều đồ quan hệ giữa p và y gọi là đường cong p-y

Như vậy, phương pháp này sử dụng phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình nền

Winkler Trong phương pháp này, người ta chia cọc thành nhiều phần tử, trên mỗi đoạn, tương tác giữa cọc với đất được mô tả bằng các gối đàn hồi

Do khối lượng tính toán rất lớn, ta cần phải sử dụng máy tính để giải bài toán trên thông qua các phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Đường cong P-Y và đường cong T-Z : Hình dạng và độ dốc của đường cong không những phụ thuộc vào tính chất của đất, mà còn phụ thuộc vào độ sâu đoạn cọc đang xét, kích thước cọc, mực nước ngầm và dạng tải trọng (tĩnh hay động) Đoạn 1 Đoạn 2 Đoạn 3 Đoạn n-2 Đoạn n-1 Đoạn n

Hình 1-6: Mô hình cọc – đất

Hình 1-7 : Đường cong P-Y và T-Z của đất a) Đường cong P-Y của đất sét yếu chịu tải trọng tĩnh b) Đường cong T-Z của đất sét yếu chịu tải trọng tĩnh

Nhận xét : Qua các phân tích ở trên, ta thấy móng bè – cọc là một hệ móng rất phức tạp, sự làm việc của móng phụ thuộc vào sự tương tác giữa các thành phần : cọc - đất – bè, chỉ cần một trong các thành phần này thay đổi, sự làm việc của móng đã lập tức thay đổi theo Trên thực tế, các thông số đặc trưng cho các thành thần này, đặc biệt là số liệu đất nền, không phải là một giá trị cố định mà có tính chất ngẫu nhiên, phân tán Do đó, để kết quả tính chính xác, ta cần xét đến tính chất ngẫu nhiên của các giá trị này trong tính toán kết cấu

Quan điểm cọc chiu tải hoàn toàn thiên về an toàn, nhưng không phát huy hết khả năng làm việc của cọc, chi phí cho quan điểm thiết kế này cao nên áp dụng khi công trình có yêu cầu cao về khống chế độ lún Quan điểm bè chiu tải hoan toàn, móng bè trên nền thiên nhiên là phương án phổ biến trong xây dựng các công trình ở Việt Nam nhưng độ lún của bè là rất lớn và thường nền đất không đủ sức chịu tải với công trình có tải trọng lớn và địa chất yếu Quan điểm bè – cọc đồng thơi chịu tải, dung hòa được các ưu, nhược điểm của hai quan điểm trên, nên trường hợp công trình không có yêu cầu quá cao về độ lún, có thể sử dụng để tăng tính kinh tế

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ tải trọng- độ lún các quan điểm thiết kế

1.3.4 Quan điểm thiết kế móng bè cọc của các chuyên gia:

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

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÓNG BÈ CỌC

Có nhiều phương pháp đã được nêu ra để dự đoán ứng xử trong móng bè cọc Năm

1997, Poulos chia các phương pháp phân tích thành ba nhóm chính sau:

- Nhóm 1: Phương pháp tính toán đơn giản

- Nhóm 2 : Phướng pháp tính toán gấn đúng dựa vào máy tính

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

• Phương pháp tính toán đơn giản bao gồm các phương pháp của Poulos và Davis (1980), Randolph (1983,1994), van Impe và Clerq (1995), và Burland (1995)

• Phương pháp tính toán gần đúng bao gồm các phương pháp sau:

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

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

- Phương pháp do Randolph đề nghị

- Phương pháp do Clancy và Randolph đề nghị

- Phương pháp chính xác hơn bao gồm:

- Phương pháp phần tử biên (như là của Butterfield and Banerjee, 1971; Brown and Wiesner, 1975; Kuwabara, 1989; Sinha, 1997; Mendonỗa, A V và de Paiva, J B (2000)

- Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn như bài toán biến dạng phẳng

(Desai,1974 ) hoặc đối xứng trục (Hooper, 1973) và ứng dụng phần mềm FLAC 2D (như là Hewitt and Gue, 1994); Zhuang và các cộng sự, 1991; Lee, 1993; Katzenbach và các cộng sự, 1998) kết hợp với phần mềm FLAC 3D; Chow và Teh, 1991; Katzenbach và Reul, 1997; Prakoso và Kulhawy,2001, Reul và Randolph, 2003

- Phương pháp kết hợp giữa phần tử biên cho cọc và phần tử hữu hạn cho bè (như là của Hain and Lee, 1978; Ta and Small, 1996; Franke và cỏc cộng sự, 2000; Mendonỗa,

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

2.1.1 Các phương pháp số gần đúng

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

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

2.1.1.3 Bản móng trên nền lò xo (GARP)

Hình 2.1:Mô phỏng cọc và nền

Với phương pháp này, bè được mô phỏng là bản đàn hồi, còn cọc được mô phỏng là các lò xo gánh đỡ bản Phương pháp này đầu tiên được khởi xướng bởi Hongladaromp và các cộng sự (1973) với tương tác giữa cọc và cọc bị bỏ qua và giá trị độ cứng bè cọc được lấy rất lớn Poulos (1994) phát triển phần mềm GARP (Geotechnical Analysis of Raft with Piles) áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn cho bè có kể đến tất cả các tương tác trong móng bè cọc Điều này giúp cho cọc có thể đạt đến tải trọng cực hạn và bè có thể đạt đến phá hoại cục bộ Phần mềm GARP có khả năng kể đến các thông số sau trong phân tích móng bè cọc: a Khai báo trụ địa chất không đồng nhất, nền nhiều lớp b Giới hạn áp lực dưới bè bao gồm cả áp lực nén và kéo c Ứng xử phi tuyến giữa tải trọng và độ lún của cọc, bao gồm khả năng chịu tải cực hạn về nén và kéo của cọc d Độ cứng khác nhau và khả năng chịu tải khác nhau của các cọc e Dễ dàng khai báo vị trí và số lượng cọc f Tải trọng tác dụng gồm tải trọng tập trung, momen và tải trọng phân bố đều trên bản g Ảnh hưởng chuyển vị thẳng đứng trong đất

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

2.1.1.4 Dãy móng trên nền lò xo (GASP)

Phương pháp dãy trên nền lò xo được Poulos (1991) kiến nghị dùng để phân tích móng bè cọc Một phần của bè được mô phỏng như một dầm và cọc được mô phỏng là những lò xo như hình 2.2

Phương pháp này cho phép kể đến bốn thành phần tương tác trong móng bè cọc là: tương tác giữa các phần tử bè – bè, cọc – cọc, bè – cọc, cọc – bè, và ảnh hưởng của các phần tử bè bên ngoài dãy được phân tích và được tính vào trọng bài toán Phương pháp này được phát triển dựa vào phần mềm GASP (Geotechnical Analysis of Strip with Piles)

Hình 2.2: Phương pháp dãy móng trên nền lò xo theo Poulos (1991)

2.1.2 Các phương pháp tính toán chính xác

2.1.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

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

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

Chow and Teh (1991) dùng phương pháp số phân tích ứng xử của móng bè cọc tuyệt đối cứng trên nền không đồng nhất Bè được rời rạc hóa thành các phần tử con hình vuông Tác giả xem bè tiếp xúc hoàn toàn với đất nền và mặt tiếp xúc giữa bè và nền được tính toán chính xác thông qua các vùng chia nhỏ hình vuông đó ( Chow, 1987a) Đất nền được mô phỏng là vật liệu tuyến tính đàn hồi đẳng hướng và module Young tăng tuyến tính theo độ sâu Cọc tiết diện hình tròn và được rời rạc thành hai phần tử nút tại mặt tiếp xúc giữa đất và cọc ( Chow, 1987b) Tương tác giữa bè, cọc và đất nền được kể đến vào quá trình tính toán

Katzenbach and Reul (1997) dùng phương pháp phần tử hữu hạn để mô tả ứng xử của đất thành vật liệu đàn dẻo Cọc được mô hình bằng phần tử ba chiều, còn bè được mô phỏng bằng phần tử tấm Quan hệ ứng suất biến dạng của đất được mô phỏng bằng mô hình nền bao gồm hai phần mặt dẻo chính: mặt áp lực phụ thuộc hoàn toàn vào phá hoại cắt dẻo và mặt dẻo nắp chịu nén Katzenbach và các cộng sự (2000) dùng mô hình tương tự thực hiện các nghiên cứu phân tích ứng xử của móng bè cọc tại đất sét Frankfurt Reul (1998) tinh chỉnh lại mô hình bằng cách dùng phân tử vô cùng tại biên để mô hình nền đất thành bán không gian đàn hồi

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

- n p-rowi : số lượng cọc dãy thứ i

- A p : diện tích mặt cắt ngang cọc

Reul and Randolph (2003) - với sự trợ giúp của phần mềm ABAQUS - giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn đàn dẻo ba chiều để phân tích móng bè cọc trên nền đất sét quá cố kết – đất sét Frankfurt

2.1.2.2 Phương pháp phần tử biên (BEM)

SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH MÓNG BÈ CỌC

Giải bài toán móng bè cọc kinh điển Poulos (1994) Một móng bè cọc 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 vẽ sau:

Hình 2.12: Bài toán móng bè cọc do Poulos đặt ra năm 1994

Phân tích bài toán trên bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3D (dùng phần mềm Plaxis 3D Foundation) Sau đó, học viên sẽ tiến hành so sánh kết quả từ những phương pháp khác nhau do nhiều tác giả đã thực hiện và rút ra nhận xét, kết luận

2.2.4 So sánh kết quả theo các phương pháp khác nhau:

Hình 2.13: Biểu đồ so sánh độ lún trung bình móng bè cọc giữa các phương pháp

Hình 2.14: Biểu đồ so sánh tỷ lệ % tải trọng do cọc chịu giữa các phương pháp

• Từ những kết quả thu được ở trên ta thấy mỗi phương pháp tính toán cho ra một đáp án khác nhau và khó có thể nói đáp án nào là chính xác hoàn toàn

• Từ biểu đồ [2.13] - So sánh độ lún trung bình thu được giữa các phương pháp Ta nhận thấy, phương pháp FE Ta & Small và phương pháp FLAC 2D cho kết quả độ lún trung bình là cao nhất và chênh lệch khá lớn so với các phương pháp còn lại Chương trình PLAXIS 3D Foundation có độ lún nhỏ hơn so với các phương pháp khác

• Từ biểu đồ [2.14] - So sánh tỷ lệ phần trăm tải trọng do cọc chịu giữa các phương pháp Ta nhận thấy, tất cả các phương pháp đều cho kết quả là cọc gánh đỡ phần lớn tải trọng của kết cấu và phần còn lại do đất nền gánh đỡ Kết quả cao nhất là từ phương pháp FLAC 2D 79,5%; thấp nhất là PLAXIS 3D 52%.

NHẬN XÉT

Có rất nhiều phương pháp tiếp cận để tính toán, phân tích móng bè cọc chịu tải trọng đứng, tải trọng ngang và mô men ứng dụng các mô hình ứng xử đàn hồi tuyến tính, phi tuyến và đàn hồi dẻo của đất nền Chưa có công cụ nào sẵn có để áp dụng để phân tích hoạt động của bè móng trong mối liên quan đến sự làm việc đồng thời giữa kết cấu phần thân và hệ móng

Qua khảo sát các phương pháp phân tích mà các tác giả sử dụng khi phân tích móng cọc (móng bè cọc) chúng tôi có một số nhận xét sau: a) Các phương pháp giải tích giản lược có thể sử dụng để chọn lựa các thành phần của kết cấu móng Khi thiết kế chi tiết cần sử dụng các phương pháp chính xác hơn, không phù hợp cho việc nghiên cứu bè móng b) Các phương pháp số gần đúng như GASP của Poulos (1991), Clancy & Randolph (1993), Kitiyodom & Matsumoto (2003, 2004) có thể sử dụng để phân tích sự làm việc của bè móng với sự chính xác có thể chấp nhận và không cần nhiều thời gian Phương pháp của Kitiyodom & Matsumoto (2003, 2004) phù hợp để nghiên cứu bè móng khi chịu tải đứng, ngang và mô ment c) Phương pháp PTB và PTHH là các phương pháp mạnh, nhưng đòi hỏi thời gian tính toán và dung lượng máy tính lớn d) Phương pháp thí nghiệm (ly tâm, bàn rung) và phương pháp thống kê cung cấp một công cụ kiểm chứng tuyệt vời sau khi sử dụng các phương pháp nói trên để phân tích

PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG MÓNG BÈ CỌC BẰNG PHẦN MỀM SAFE

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

3.1.1 Giới thiệu phần mềm SAFE:

Học viên phân tích các mô hình bài toán ứng xử với đất nền bằng phương pháp phần tử hữu hạn SAFE, phương pháp này giúp quá trình làm việc của mòng bè trên đất đàn hồi

Hiện nay có rất nhiều dạng mô hình nền để mô phỏng sự làm việc tiếp xúc của móng và đất nền, khi tính toán có thể sử dụng các mô hình nền khác nhau Tuy nhiên, khi áp dụng vào tính toán, cần hiểu rõ phạm vi áp dụng của từng mô hình nền vào từng trường hợp cụ thể Mô hình khác nhau thì kết quả tính toán cũng khác nhau, nhiều khi sự khác biệt là rất lớn Việc sử dụng sai mô hình, sai quan điểm tính toán có thể mang lại sự cố cho công trình

Trong phương pháp tính toán móng chịu uốn có xét đến ứng xử thực của đất nền Đất nền được tương đồng với hệ vô số các lò xo đàn hồi tuyến tính, thông thường được biết đến với tên nền Winkler hoặc nền đàn hồi cục bộ Hằng số đàn hồi của hệ các lò xo được gọi là hệ số phản lực nền

Mô hình nền Winkler còn gọi là mô hình nền biến dạng cục bộ, là mô hình đơn giản và phổ biến nhất với thông số duy nhất của đất được đưa vào tính toán là hệ số nền C z Đặc điểm của mô hình này là chỉ xét đến biến dạng đàn hồi ngay tại nơi có tải trọng ngoài tác dụng, mà không xét đến biến dạng đàn hồi của đất ở vùng lân cận, bỏ qua đặc điểm đất như một vật liệu có tính dính và tính ma sát Mô hình biến dạng tương ứng với lý thuyết này là một nền đàn hồi gồm một hệ lò xo có biến dạng luôn luôn tỷ lệ với áp lực tác dụng lên chúng với k là hệ số nền của đất Độ cứng lò xo k, với k = Cz F, trong đó F là diện tích phần ảnh hưởng của mặt đáy móng với nút đang xét, theo quy tắc phân phối trung bình

Mô hình nền Winkler có ưu điểm là đơn giản, tiện dụng trong tính toán, có thể sử dụng những phần mềm phần tử hữu hạn có sẵn, thiết kế gần đúng với thực tế, đặc biệt là với những nền đất yếu, có lực dính và lực ma sát nhỏ, khi đó ảnh hưởng của vùng lân cận xung quanh vùng chịu tải nhỏ, có thể bỏ qua

Bên cạnh đó, mô hình nền này cũng có những nhược điểm:

- Không phản ánh được sự liên hệ của đất nền, khi chịu tải, đất có thể lôi kéo hay gây ra ảnh hưởng ra các vùng lân cận

- Khi nền đồng nhất thì tải trọng phân bố đều liên tục trên dầm, thì theo mô hình này, dầm sẽ lún đều và không biến dạng, nhưng thực tế thì dầm vẫn bị võng ở giữa, nên ảnh hưởng ra xung quanh cũng như lún nhiều hơn so với đầu dầm

- Khi móng tuyệt đối cứng, đặt tải trọng đối xứng thì móng sẽ lún đều, ứng suất đáy móng phân bố đều, nhưng theo các đo đạc thực tế thì ứng suất cũng phân bố không đều

- Hệ số nền C z có tính chất quy ước, không phải là hằng số với toàn bộ đất nền dưới móng

Nhận xét: Mô hình nền Winkler thường áp dụng tốt cho đất yếu, thể hiện tính biến dạng tại chỗ, khi chịu tải, không lan truyền ra xung quanh Mô hình này chỉ dùng để tính bản thân kết cấu móng, không dùng để tính lún, vì bài toán tính lún là bài toán phức tạp, liên quan đến nhiều quá trình như thoát nước lỗ rỗng, từ biến, cố kết … và trong tính toán phải sử dụng nhiều thông số cơ lý của đất, chứ không thể chỉ dựa vào hệ số nền C z đối đơn giản cho tính toán và cho phép xây dựng sơ đồ tính kết cấu móng trong các phần mềm phần tử hữu hạn thông dụng hiện nay

Hình 3.1 - Mô hình nền Winkler

3.1.3 Phương pháp hệ số nền Winkler:

Xét một đoạn dầm có độ cứng EJ không đổi đặt trên nền đàn hồi và chịu tải trọng phân bố dọc theo trục dầm q(z) như hình 1 Giả thiết rằng khi chịu lực, dầm và nền không bong tách khỏi nhau, có nghĩa là độ võng của dầm luôn luôn bằng độ lún của nền tại mọi điểm Gọi y(z) là độ võng của dầm hay độ lún của nền tại mặt cắt bất kỳ có hoành độ z, theo Winkler ta có phản lực nền: p(z) = k y(z)

Hình 3.2 - Mô hình trên nền đàn hồi

3.1.4 Các phương pháp xác định hệ số nền k :

Căn cứ vào bản chất của hệ số nền Winkler là quan hệ giữa ứng suất và độ lún

Có nhiều phương pháp xác định hệ số nền

Phương pháp thí nghiệm tại hiện trường là chính xác nhất Một bàn nén vuông có kích thước 1mx1m, chất tải, tìm quan hệ giữa ứng suất gây lún và độ lún

Hệ số nền được tính bằng công thức: m in 3 m in

Trong đó: σ min - ứng suất gây lún ở giai đoạn nén đàn hồi (kG/cm 2 ), ứng với độ lún bằng 1/4 ÷ 1/5 so với độ lún cho phép S

S min – độ lún trong giai đoạn đàn hồi, ứng với ứng suất σ min

Khi tính lún của nền, phải sử dụng mô hình nào phản ánh được nhiều yếu tố ảnh hưởng, do đó có thể xác định được gần đúng độ lún của nền đất Còn khi tính toán kết cấu bên trên có xét đến biến dạng nền, phải dùng mô hình nào thể hiện gần đúng tính biến dạng của nền đất nhưng phải đơn giản, thuận tiện cho việc tính toán kết cấu

Từ các nhận xét trên, để khắc phục nhược điểm của các phương pháp xác định hệ số nền trên, ta có thể làm như sau: tính độ lún của nền theo mô hình và đã có suy ra hệ số nền C z , và cuối cùng tính được độ cứng lò xo tương đương Độ lún trực tiếp khi đặt tải: (Immediate Settlement) có thể xác định theo công thức của Timoshenko và Goodier và được đơn giản hóa bởi Bowles [9]:

Móng có kích thước BxL chịu tải trọng phân bố đều q, chiều sâu chôn móng D:

Trong đó: B’ : Khoảng cách từ điểm tính lún ra đến biên của móng

B’ = 0,5B tại tâm móng và B’=B tại góc

E 0 : Môđun biến dạng của đất Nếu trong phạm vi chiều sâu tính lún có nhiều lớp đất thì giá trị E s được lấy trung bình à: Hệ số poỏt xụng m : số các hình chữ nhật chia ra được theo phương pháp điểm góc: m = 4 tại tâm móng; m = 2 tại cạnh móng; m=1 tại góc

Với I 1 và I 2 tính theo công thức của Steinbrenner:

Hình 3.3 : Biểu đồ xác định hệ số I F

Trong đó: M = L/B; N = H/B’ với H là chiều sâu vùng chịu nén

I F : Hệ số tra bảng hoặc biểu đồ, dựa vào tỷ số L/B; D/B; và hệ số poỏt xụng à với D là chiều sâu chôn móng

Xác định hệ số nền:

Sau khi xác định được độ lún trực tiếp khi đặt tải, ta tính hệ số nền theo công thức sau:

C z = q Để tăng độ chính xác, ta tính hệ số nền cho điểm ở tâm và góc, sau đó lấy giá trị trung bình Có thể so sánh với công thức thực nghiệm của Bowles hoặc Vesic để tăng độ tin cậy cho kết quả

Trong điều kiện thiếu số liệu thí nghiệm, người ta có thể xác định hệ số nền k theo cách tra bảng và ước lệ Phương pháp tra bảng được nhiều người đề cập đến, tuy nhiên, kết quả của nó không được chính xác, bởi vì chỉ dựa vào phân loại đất và một số chỉ tiêu cơlý của đất đặt móng là chưa hợp lý, mặt khác phạm vi tra bảng lại rất rộng nên khó chọn lựa đúng trị số k Còn phương pháp ước lệchỉlà phương pháp định lượng tương đối, không có cơ sởkhoa học Cả hai phương pháp đều không dựa vào ứng suất gây lún và độ lún tương ứng a Phương pháp tra bảng

- Cách thứ nhất: Dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng

- Cách thứ hai: Dựa vào phân loại đất, thành phần hạt, hệ số rỗng và độ sệt của lớp đất đặt móng

MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của việc chọn công trình để phân tích là công trình, mô hình đó phải có hệ kết cấu đơn giản, đặc trưng kiểu móng bè cọc, đồng thời phải là công trình thực hoặc gần như là công trình thực Để đáp ứng một phần hai mục tiêu đã đặt ra ở trên chúng tôi sư dụng thiết kế mô phỏng tại công trình GERMAN HOUSE ( ngôi nhà Đức) Cấu tạo cọc bè và hệ kết cấu bên trên thể hiện hình

Công trình GERMAN HOUSE ( Ngôi nhà Đức) , số 33, Lê Duẩn, Quận 1, TP.Hồ Chí Minh Cao 25 tầng, 4 tầng hầm xây dựng trên bịa bàn Quận 1 với diện tích khoảng 3.500m 2

Hình 3.4: Công trình German House

Hình 3.5: Thi công tầng hầm công trình German House

Xây dựng mô hình phân tích là một hệ móng bè cọc đơn giản, kích thước phần bè không đổi, chịu tải trọng phân bố đều như chính tải trọng phân bố của công trình Bằng cách lần lượt thay đổi các thông số cho bè, cho cọc và cho đất nền, ta sẽ phân tích các ảnh hưởng tiêu biểu đến ứng xử của móng bè

Bè được thiết kế là bản phẳng để đơn giản cho việc nghiên cứu và so sánh Chiều dày bè thay đổi từ 0.5m - 3m nhằm mục đích khảo sát vai trò của bè Bè được mô phỏng như phần tử bản mỏng đặt trên nền móng gồm 50 cọc Để có thể đánh giá đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử giữa bè – nền – cọc, học viên kiến nghị sử dụng các phần mền tính toán chuyên tính toán về nền móng để có các thông số cần thiết Bố trí cọc được cho là phải bố trí ở những vị trí trọng yếu nhằm làm giảm chuyển vị lệch Nhưng vị trí nào là trọng yếu? Randolph (1994) cho rằng cần thiết bố trí cọc tập trung ở giữa tâm bè để giảm chuyển vị lệch khi hình dạng phân bố áp lực tập trung ở giữa tâm bè Tuy nhiên, theo Hrustinec (2002) sự phân bố áp lực tiếp xúc dưới bè phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: kết cấu bên trên, loại đất nền, độ lớn của tải trọng v.v…, sự phân bố áp lực tiếp xúc có khi tập trung ở mép, khi khác tập trung ở tâm bè, do đó việc mô phỏng đúng với sự làm việc của công trình thật tế là cần thiết để tìm ra sự phân phối tải trọng giữa cọc và bè lên nền đất Để có được tải trọng chính xác từ công trình học viên mô phỏng công trình bằng phần mền ETABS nhằm miêu tả được quá trình làm việc cụ thể để có được kết quả nội lực chính xác nhất, sau đó xuất kết quả nội lực qua phần mền SAFE để phân tích sự phân phối nội lực trong kết cấu móng bè cọc

Hình 3.6: Mô hình Etab công trình German House

880mm SEACANT PILE WALL (SPW)

MEP OPENNING REFER MEP DRAWING FOR MORE INFORMATION

Hình 3.7: Mặt bằng bố trí cọc và giằng móng

3.2.3 Phân tích các ứng xử trong kết cấu móng bè cọc

Quan niệm móng bè cọc làm việc đồng thời, tức cọc và bè (phần đất xung quanh cọc) cùng chịu tải trọng công trình được xem là hiệu quả về mặt kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế Theo quan điểm này, hệ kết cấu móng đài - cọc đồng thời làm việc với đất nền theo một thể thống nhất, xét đến đầy đủ sự tương tác giữa các yếu tố đất - bè - cọc Ở đây, các cọc ngoài tác dụng giảm lún cho công trình, còn phát huy hết được khả năng chịu tải Khi cọc đã phát huy hết khả năng chịu tải, thì một phần tải trọng còn lại sẽ do phần đất bên dưới bè (xung quanh cọc) gánh chịu và làm việc như móng bè trên nền thiên nhiên Tuy nhiên, phần lớn các kỹ sư khi tính toán lại bỏ qua yếu tố chịu tải của phần đất xung quanh cọc, dẫn đến kết quả là các cọc được thiết kế dài hơn, nhiều hơn hay có tiết diện lớn hơn để nhận tải trọng công trình một cách an toàn Đồng thời cũng làm tăng nội lực trong bè

Trên cơ sở đó, học viên sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Safe ) để đánh giá sự phân bố ứng suất giữa cọc và phần đất xung quanh cọc trong quá trình tiếp nhận toàn bộ tải trọng công trình từ móng bè truyền xuống, đề tài sẽ tiến hành mô phỏng cọc khoan nhồi có đường kính 1m Quá trình mô phỏng trực tiếp và so sánh kết quả về chuyển vị, khả năng chịu tải đứng trong hệ cọc (cọc khoan nhồi); các ứng xử trong bè bao gồm moment và lực cắt trong bè Vấn đề cốt yếu trong phần này là sự phân chia ứng suất giữa hệ cọc và phần đất xung quanh cọc tiếp nhận là bao nhiêu phần trăm Tổng ứng suất phân bố trên nền đất được tính toán bằng cách lấy tổng ứng suất trền xuống móng bè trừ đi tổng ứng suất truyền lên đài cọc Để đưa ra phương pháp hợp lý khi mô phỏng cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM, luận văn sẽ tiến hành mô phỏng cọc khoan nhồi lần lượt bằng 1 lò xo và ứng xử của nền bằng các lò xo tương ứng

3.2.4 Thông số kỹ thuật chính của công trình

Số tầng hầm : 4 tầng hầm Đáy bè được đặt ở lớp đất thứ 3 cao trình : -15,8m

Số lượng cọc : 50 cọc Đường kính cọc: 2m

3.2.5 Tính toán theo phương pháp giải tích quan điểm cọc chịu tải trọng hoàn toàn theo thiết kế

Các cọc được thiết kế để tiếp nhận hoàn toàn tải trọng của công trình mà không kể đến sự tham gia chịu tải của nền đất xung quanh dưới đáy bè

• Bê tông sử dụng chọn bêtông cấp độ bền chiu nén B25

• Cường độ chịu nén tính toán: R b 5(MPa)

• Cường độ chịu kéo tính toán: R bt =1.05(MPa)

• Cốt thép sử dụng loại CII cho thép đài cọc và CIII cho thép cọc

• Giới hạn chảy của cốt thép f c 00(MPa)

• Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép R s (0(MPa)

• Đoạn đập đầu cọc âm vào đài: 0,8m

• Dung trọng trung bình của đất và bêtông: γ = 22 kN / m 2

• Bê tông cọc khoan nhồi: B25 có: R b 5MPa R; bt =1.05MPa

• Đường kính cọc khoan nhồi d=2 m

• Chọn cốt thép bố trí trong cọc: 22d25 có A s =0, 01078m 2

3.2.5.1 Sức chịu tải theo vật liệu

Sức chịu tải của cọc theo độ bền vật liệu làm cọc:

Trong đó: R : cường độ tính toán của bêtông cọc khoan nhồi, được xác định như sau: u u 4.5

R = R khi đổ bêtông dưới nước hoặc dưới dung dịch sét, nhưng không lớn hơn 6000kN/m 2 ( với R là mác thiết kế của bêtông)

= R đối với cọc đổ bêtông trong lỗ khoan khô, nhưng không lớn hơn 7000kN/m 2

Diện tích tiết diện ngang của cốt thép dọc trục trong cọc

Diện tích tiết diện ngang của bêtông trong cọc

R sn : Cường độ tính toán của cốt thép, được xác định như sau : Đối với cốt thép có φ15 khá dày vật liệu cọc

- NSPT > 35 thì khả năng đóng hay ép cọc qua lớp này rất khó cần phải khoan mồi hoặc đổi thành cọc khoan nhồi

Mục này trình bày việc lựa chọn mô hình để nghiên cứu hoạt động của bè móng trong mối tương tác bè - kết cấu, bè - nền, cọc Tiêu chí đặt ra để lựa chọn là mô hình phải tương đối giống với công trình thật và kết quả nghiên cứu có thể mang lại ý nghĩa thực tiễn cho việc thiết kế thi công các công trình trong điều kiện Việt Nam

4.1.3 Các thông số địa chất

Sandy lean CLAY, whittish grey - yellowish brown, firm to stiff

Sandy lean CLAY with gravel - Clayey GRAVEL with sand, reddish brown

Clayey SAND, greyish white, loose

Clayey SAND-Silty SAND, yellow light - yellowish brown, medium dense

Clayey SAND - Silty SAND, bluish grey-yellowish grey, medium dense to dense

Fat CLAY, bluish grey, hard

SILT - Sandy SILT, bluish grey, very stiff

Clayey SAND, bluish grey, dense

Clayey SAND - Silty SAND, bluish grey, dense to very dense

Fat CLAY - Lean CLAY, redish brown - yellowish brown, hard

Hình 4.4: Mặt cắt địa chất Đất nền trong phạm vi khảo sát được chia thành các lớp sau (theo thứ tự từ mặt đất xuống):

- Lớp F: Đất tái lập Lớp này xuất hiện từ mặt đất và gặp trong tất cảcác hố khoan Thành phần gồm: cát, đá, bê tông Chiều dày thay đổi từ 0.7m đến 1.2m

- Lớp 1 : Sét dẻo thấp lẫn cát, màu xám vàng - xám trắng, trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng Lớp này xuất hiện trong tất cả các hố khoan Chiều dày thay đổi từ2.0m đến 4.0m

- Lớp 2 : Sét lẫn cát và sạn - Sạn lẫn sét và cát, màu nâu đỏ Lớp này xuất hiện trong tất cả các hốkhoanChiều dày thay đổi từ 3.6m đến 6.3m

- Lớp 2-3 : Cát sét, màu vàng nâu - xám trắng, trạng thái chặt xốp đến chặt vừa Lớp này xuất hiện trong tất cảcác hố khoan Chiều dày thay đổi từ 1.0m đến 3.5m

PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG MÔ HÌNH MÓNG BÈ CỌC TRONG PHẦN TỬ HỮU HẠN

Khu vực địa chất khảo sát thuộc Quận 1,Tp Hồ Chí Minh có đặc điểm địa chất tương đối ổn định Theo số liệu địa chất học viên đưa ra mô hình mô phỏng lại công trình với công trình gồm 4 tầng hầm và đặt trên hệ móng bè - cọc khoang nhồi, dáy bè được đặt ở lớp đất thứ 3 cát sét - cát bụi, màu vàng nhạt - nâu vàng, trạng thái chặt vừa Lớp này xuất hiện trong tất cả các hố khoan và được đặt tại cao trình là -15,8m Tổng tải trọng tác dụng lên công trình N 2500 kN Số lượng cọc n = 20 cọc đường kính cọc D 2m chiều dài cọc 60m cắm vào lớp đất số 7 cát sét - Cát bụi, màu xám xanh, trạng thái chặt đến rất chặt

+ Sơ đồ bố trí cọc

Hình 4.5: Mặt bằng bố trí cọc

Hình 4.6: Mô hình Plaxis 3D Foundation

4.2.2 Nội lực phân bố đều cho toàn công trình

Mô hình móng bè cọc theo 2 phương án: theo mô hình Morh-Coulomb (M-C) và mô hình Hardening-Soil (H-S) Độ lún trong móng bè cọc mô hình H-S với độ lún trung bình = 29mm Độ lún trong móng bè cọc mô hình M-C với độ lún trung bình = 43mm

Lực dọc trong móng bè cọc mô hình H-S với lực dọc lớn nhất = 6,34x103kN

Tổng độ lún trong móng bè cọc mô hình H-

S độ lún giữa bè = 28mm

Lực dọc trong móng bè cọc mô hình M-C với lực dọc lớn nhất = 6,29x103kN Tổng độ lún trong móng bè cọc mô hình M-C độ lún giữa bè = 42mm

Hình 4.7 Lực dọc trục của cọc giữa và biên mô hình H-S

Hình 4.8 Lực dọc trục của cọc giữa và biên mô hình M-C

Hình 4.9 Momen trong bè theo mô hình H-S

Hình 4.10 Momen trong bè theo mô hình M-C

BẢNG TỔNG HỢP GIÁ TRỊ PHẢN LỰC ĐẦU CỌC (kN)

TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN)

B ả ng 4.3: Bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình H-S

Tổng phản lực đầu cọc trên bè cọc Ncọc = 86624,76 kN

Giá trị phản lực đất nền N n ề n = 45875,23 kN

Tỉ lên % đất nền chịu tải trọng lực công trình 4 5 8 7 5, 2 3

BẢNG TỔNG HỢP GIÁ TRỊ PHẢN LỰC ĐẦU CỌC (kN)

TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN)

B ả ng 4.4: Bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình M-C

Tổng phản lực đầu cọc trên bè cọc N c ọ c = 80354,83 kN

Giá trị phản lực đất nền N n ề n = 52354,83 kN

Tỉ lên % đất nền chịu tải trọng lực công trình 52145,16

4.2.3 Nội lực tập trung cho công trình

Mô hình móng bè cọc theo 2 phương án: theo mô hình Morh-Coulomb (M-C) và mô hình Hardening-Soil (H-S) Độ lún trong móng bè cọc mô hình H-S với độ lún trung bình = 34mm Độ lún trong móng bè cọc mô hình M-C với độ lún trung bình = 51mm

Lực dọc trong móng bè cọc mô hình H-S với lực dọc lớn nhất = 6,62x103kN

Tổng độ lún trong móng bè cọc mô hình H-

S độ lún giữa bè = 34mm

Lực dọc trong móng bè cọc mô hình M-C với lực dọc lớn nhất = 6,68x103kN Tổng độ lún trong móng bè cọc mô hình M-C độ lún giữa bè = 51mm

Hình 4.11 Momen trong bè theo mô hình H-S

Hình 4.12 Momen trong bè theo mô hình M-C

Hình 4.13 Lực dọc trục của cọc giữa và biên mô hình H-S

Hình 4.14 Lực dọc trục của cọc giữa và biên mô hình M-C

BẢNG TỔNG HỢP GIÁ TRỊ PHẢN LỰC ĐẦU CỌC (kN)

TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN)

B ả ng 4.5: Bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình H-S

Tổng phản lực đầu cọc trên bè cọc Ncọc = 86763,2 kN

Giá trị phản lực đất nền N n ề n = 45736,75 kN

Tỉ lên % đất nền chịu tải trọng lực công trình 45736, 75

= BẢNG TỔNG HỢP GIÁ TRỊ PHẢN LỰC ĐẦU CỌC (kN)

TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN)

B ả ng 4.6: Bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình M-C

Tổng phản lực đầu cọc trên bè cọc N c ọ c = 80611,28 kN

Giá trị phản lực đất nền N n ề n = 51888,71 kN

Tỉ lên % đất nền chịu tải trọng lực công trình 51888, 71

4.2.4 Phương án giảm 5m chiều dài cọc

Mô hình móng bè cọc theo 2 phương án: theo mô hình Morh-Coulomb (M-C) và mô hình Hardening-Soil (H-S) với tải trọng phân bố đều cho toàn công trình

Phương án được giảm 5m chiều dài cọc so với công trình hiện hữu Độ lún trong móng bè cọc mô hình H-S với độ lún trung bình = 38mm Độ lún trong móng bè cọc mô hình H-S với độ lún trung bình = 56mm

Lực dọc trong móng bè cọc mô hình H-S với lực dọc lớn nhất = 6,18x10 3 kN

Tổng độ lún trong móng bè cọc mô hình

H-S độ lún giữa bè = 38mm

Lực dọc trong móng bè cọc mô hình H-S với lực dọc lớn nhất = 6,2x10 3 kN

Tổng độ lún trong móng bè cọc mô hình H-S độ lún giữa bè = 56mm

BẢNG TỔNG HỢP GIÁ TRỊ PHẢN LỰC ĐẦU CỌC (kN)

TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN)

B ả ng 4.7: Bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình H-S

Tổng phản lực đầu cọc trên bè cọc Ncọc = 84761,8 kN

Giá trị phản lực đất nền N n ề n = 47738,2 kN

Tỉ lên % đất nền chịu tải trọng lực công trình 47738, 2

= BẢNG TỔNG HỢP GIÁ TRỊ PHẢN LỰC ĐẦU CỌC (kN)

TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN) TT Giá trị (kN)

B ả ng 4.8: Bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình M-C

Tổng phản lực đầu cọc trên bè cọc N c ọ c = 78659,88 kN

Giá trị phản lực đất nền N n ề n = 53840,16 kN

Tỉ lên % đất nền chịu tải trọng lực công trình 53840,16

= Hình 4.15 Momen trong bè theo mô hình H-S

Hình 4.16 Momen trong bè theo mô hình M-C.

KẾT LUẬN

• Qua kết quả phân tích trên móng bè cọc trên phần mềm Plaxis 3D với mô hình nền Mohr-Coulonb, các số liệu đầu vào trong phạm vị nghiêm cứu như sau:

• Tải trọng của công trình truyền xuống móng bè cọc, một phần lớn tải trọng sẽ truyền vào các cọc trong bè và một phần khác sẽ truyền vào bản mòng bè khi tiếp xúc với đất

• Độ chuyển vị lớn nhất của bè móng thường xuất hiện ở vị trí tâm của bè móng và càng xa tâm thì độ chuyển vị càng nhỏ

• Cùng một điều kiện địa chất thì phần tải trọng tập trung gây ra chuyển vị lớn hơn tải trọng phân bố đều trên bè

• Từ kết quả phân tích cho thấy trên mô hình nền Hardening-Soil cho kết quả độ lún nhỏ hơn so với mô hình Morh- Coulumb khoảng 30%

• Ngoài phần cọc chịu tải trọng chính của công trình ra, đất nền có tham gia vào chiu tải trọng công trình

Hình 4.17 Biểu đồ tỉ lệ % đất nền chịu tải trọng công trình

Tải trọng phân bố đều Tải trọng tập trung

% Tỉ Lệ % đất nền chịu tải trọng công trình

• Độ lún của của công trình cũng khác nhau theo các phương pháp tính cũng như tải trọng tác dụng lên công trình

Hình 4.18 Biểu đồ độ lún của công trình

• Từ các số liệu phân tích đầu vào trong phạm vi nghiên cứu, khi thay đổi phương án thiết kế, giảm 5m cọc so với quan điểm cọc chịu tải trọng hoàn toàn, phương án thiết kế cho cọc và nền cùng đồng thời làm việc mô phỏng phần mền Flaxis 3D Foundation cho thấy kết cầu bè cọc vẫn đảm bảo khả năng chịu tải trọng của trỉnh

Tải trọng phân bố đều

PA giảm cọc 5m m m Độ Lún Công Trình (mm)

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

- Móng bè – cọc là một phương án móng hiện đại, thích hợp cho nhiều dạng công trình khác nhau, đặc biệt là những công trình cao tầng, chịu tải trọng lớn Cho phép tận dụng tối đa khả năng chịu lực của cọc Tải trọng công trình không những chia cho cọc mà còn chia cho cả bè

- Hệ móng bè - cọc còn giúp công trình giảm lún lệch, tăng khả năng chịu tải trọng ngang Khả năng kháng chấn cũng cao hơn các loại móng khác Vì vậy, nếu sử dụng phương pháp tính toán hợp lý sẽ là một hệ thống móng ưu việt, không chỉ ở tính kinh tế mà còn có tính ổn định cao

- Theo một số quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay, người ta chưa xem xét đến sự làm việc của đất nền dưới dáy bè mà chỉ xem tải trọng công trình là do cọc chịu 100% Tuy nhiên theo quan điểm kết cấu móng bè cọc, trong bài nghiên cứu này thì phần bè tham gia chịu lực từ 30% -40% khi áp lực do tải trọng phân đều hay tập trung

- Chiều dày bè càng tăng, tải trọng truyền lên cọc càng đồng đều, chênh lệch phản lực đầu cọc max và min giảm, nhưng tính kinh tế không cao và tỷ lệ chia tải cho bè cũng tăng không đáng kể Để giải quyết vấn đề đó, nên chọn chiều dày bè nhỏ và bố trí cọc hợp lý, mật độ tập trung vào những nơi tải trọng công trình truyền xuống nhiều, thay đổi chiều dài cọc để tăng giảm sức chịu tải cọc

- Luận văn chỉ mới đánh giá về nội lực của kết cấu móng bè cọc, chưa xét đến biến dạng của móng, vốn là vấn đề rất quan trọng trong thiết kế công trình

- Luận văn chưa xét đến quá trình tương tác của cọc với nền đất dưới bè Thực tế, khi cọc làm việc, nền đất xung quanh cọc cũng bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi độ cứng lò xo thay thế đất nền ở phạm vi quanh cọc

- Chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác như: độ cứng kết cấu bên trên, tải trọng động đất, các ảnh hưởng liên kết giữa cọc và bè, và việc khai thác mực nước ngầm

- Luận văn chỉ tập trung nghiên cứu khu vực Quận 1 TP.Hồ Chí Minh, chưa mở rộng đến các khu vực khác

- Ở Việt Nam cần sớm có tiêu chuẩn thiết kế móng bè cọc

[1] Trần Quang Hộ Giải pháp nền móng nhà cao tầng, NXB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 455-487, 2011

[2] Võ Phán Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong phòng, Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh, 220-226, 2012

[3] Võ Phán Móng cọc , NXB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2012

[4 Châu Ngọc Ẩn Nền móng, NXB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2012

[5] Katzenbach Geotechnical challenges at super high-rises buildings, Geotechnics for sustainable development, Geotec Hanoi 2013

[6 Nguyễn Bá Kế Móng nhà cao tầng, kinh nghiệm nước ngoài, NXB Xây dựng

[7] Cao Văn Hóa Phân tích ứng xử lún của bản móng trên hệ cọc bằng chương trình PRAB, tuyển tập hội thảo "Địa kỹ thuật vì sự phát triển xanh", 2013

[8] H G Poulos Pile-raft interaction - alternative methods of analysis, pp.1-19

[9] H G Poulos and E H David Pile Foundation Analysis and Design, T W Lambe and R V Whitman, Eds New York: Wiley, 1980

[10] M F Randolph Design Methods for Pile Groups and Piled Rafts, XIII

[11] P W Mayne and H G Poulos Approximate Displacement Influence Factors For Elastic Shallow Foundations, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol 125, no 6, pp 453-460, Jul 1999

[12] K Fleming, A Weltman, M Randolph, and K Elson Piling Engineering New York, USA: Taylor & Francis, 2009

[13] H G Poulos Pile behaviour-theory and application, Géotechnique, vol 39, no 3, pp 365-415, 1989

[15] M F Randolph Design of Piled raft Foundations, in Proceeding of the international symposium on recent developments in laboratory and field tests and analysis of geotechnical problems, Bangkok, 1983, pp 525-537

[16] P Clancy and M F Randolph An approximate analysis procedure for piled raft foundations, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, vol 17, no 12, pp 849-869, Dec 1993

[17] R Butterfield and P K Banerjee The Problem of Pile Group - Pile Cap Interaction, Géotechnique, vol 21, no 1, pp 43-60, 1971

[18] F Kuwabara An elastic analysis for piled raft foundations in a homogeneous soil, Soils and foundations , vol 29, no 1, pp 82-92, 1989

[19] A V Mendonỗa and J B de Paiva, A boundary element method for the static analysis of raft foundations on piles, Engineering Analysis with Boundary

Elements, vol 24, no 3, pp 237-247, Mar 2000

[20] Nakai et al An analysis for stress distribution of piled raft foundations,

[21] Kitiyodom et al Approximate numerical analysis of a large piled raft foundation, Soils and Foundations vol 51, No 1, 1-10, Feb 2011

[22] R Katzenbach and O Reul Design and Performance of Piled Rafts, in XIVth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, volume

[23] R Katzenbach, U Arslan, and C Moormann Piled raft foundation projects in Germany, in Design Applications of Raft Foundations, J A Hemsley, Ed London: Thomas Telford Ltd, 2000, ch 13, pp 323-391

[24] O Reul and M F Randolph Piled Rafts in Overconsolidated Clay:

Comparison of In situ Measurements and Numerical Analyses, Géotechnique, vol