Móng tâng hầm nhà cao tầng

Trong các thiết kế thực hành hiện nay ở Việt Nam, móng cọc vẫn thường được thiết kế theo các giả thiết thiên về an toàn như coi đài cọc là tuyệt đối cứng, nền làm việc đàn hồi tuyến tính...mà chưa xét đến các tác động tương hỗ giữa móng và nền đất hay móng với các bộ phận kết cấu ngầm khác của công trình như tường tầng hầm. Với sự phát triển từng ngày của khoa học công nghệ đặc biệt là máy tính điện tử với sức mạnh đáng kinh ngạc. Dựa trên sức mạnh đó có nhiều phương pháp phân tích kết cấu với độ chính xác rất cao đã ra đời như phần tử hữu hạn, phần tử rời rạc, phương pháp sai phân hữu hạn...Các phần mềm tính toán được viết trên cơ sở các phương pháp này có thể mô tả được sự làm việc của hệ móng bècọc và đất nền hay móng và tường tầng hầm trong tầng hầm nhà cao tầng do đó cho kết quả gần với thực tế hơn, đáng tin cậy hơn, ngoài ra còn đem lại lợi ích lớn về kinh tế. Hiện nay cùng một bài toán có thể giải bằng quyết bằng các phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng khác nhau với độ chính xác cũng khác nhau. Do đó phải hiểu rõ được những ưu điểm cũng như hạn chế của phần mềm thiết kế để lựa chọn, điều chỉnh số liệu đầu vào, mô hình nền móng một các hợp lý nhất. Chính vì vậy, việc hiểu rõ sự làm việc đồng thời của móng bècọc và đất nền, tường tầng hầm và móng bè cọc trong tầng hầm nhà cao tầng sẽ giúp cho việc khai báo thông số đầu vào cho các phần mềm phân tích kết cấu được chính xác hơn, đem lại hiệu quả , độ chính xác cao theo yêu cầu.

MỤC LỤC

1

Số hiệu hình Tên hình

Hình 1.1 Sơ đồ các giải pháp nền móng tầng hầm nhà

cao tầng

Hình 1.2 Các loại móng bè trên nền thiên nhiên

Hình 1.3 Cấu tạo chung của móng hộp

Hình 1.4 Phân loại móng đơn trên cọc theo hình dạng đài cọc

Hình 1.7 Móng bè trên tường trong đất

Hình 1.8 Sự làm việc của hệ đài cọc-cọc-nền đất

Hình 1.9 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún theo các

quan điểm thiết kế Hình 1.10 Sơ đồ phân bố thực tế áp lực đất

Hình 2.1 Độ lún Sbsk,j tại phần tử cọc thứ k do lực tập trung

tiếp xúc Qrj Hình 2.5 Độ lún Wbi,j ở nút i ở đáy bè do lực Qbj ở chân cọc j

gây ra

thân cọc gây ra Hình 2.7 Biểu đồ tải trọng - độ lún

Hình 3.6 Mặt bằng bố trí cọc khi d=0,8m, hb = 2m

Hình 3.7 Biến dạng bè khi d=0,8m, hb = 2m

Hình 3.8 Độ lún bè khi d=0,8m, hb = 2m

Hình 3.9 Phản lực đầu cọc khi d=0,8m, hb = 2m

Hình 3.10 Mặt bằng cọc kể đến tường tầng hầm khi d=0,8m, hb

b=0,45m

Số hiệu bảng Tên bảng

Bảng 3.1 Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất

Bảng 3.2 Tải trọng tác dụng lên móng

Bảng 3.3 Sức chịu tải nén thẳng đứng của cọc đơn

Bảng 3.4 Bảng quy đổi tiết diện cọc tiết diện chữ nhật sang tiết

diện tròn

Bảng 3.5 đến tác động tương hỗ của tường tầng hầm và móng

bè - cọc Bảng 3.6 Phản lực đầu cọc và độ lún của bè khi thay đổi độ

cứng tường tầng hầm

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đất nước ta trong những năm gần đây có sự chuyển mình mạnh mẽ về kinh

tế, khoa học kĩ thuật song song với đó là tốc độ đô thị hóa nhanh đặt ra nhu cầu vềkhông gian sống và làm việc ngày càng cao Kết cấu nhà cao tầng đã giải quyết tốtnhu cầu đó của xã hội, chính vì vậy mà móng cọc được sử dụng như yêu cầu bắtbuộc Trong đó móng bè-cọc được sử dụng rộng rãi vì đây là giải pháp móng đángtin cậy với công trình lớn trên nền đất yếu ở các đô thị Việt Nam

Trong các thiết kế thực hành hiện nay ở Việt Nam, móng cọc vẫn thườngđược thiết kế theo các giả thiết thiên về an toàn như coi đài cọc là tuyệt đối cứng,nền làm việc đàn hồi tuyến tính mà chưa xét đến các tác động tương hỗ giữa móng

và nền đất hay móng với các bộ phận kết cấu ngầm khác của công trình như tườngtầng hầm

Với sự phát triển từng ngày của khoa học công nghệ đặc biệt là máytính điện tử với sức mạnh đáng kinh ngạc Dựa trên sức mạnh đó có nhiềuphương pháp phân tích kết cấu với độ chính xác rất cao đã ra đời như phần tửhữu hạn, phần tử rời rạc, phương pháp sai phân hữu hạn Các phần mềm tínhtoán được viết trên cơ sở các phương pháp này có thể mô tả được sự làm việccủa hệ móng bè-cọc và đất nền hay móng và tường tầng hầm trong tầng hầmnhà cao tầng do đó cho kết quả gần với thực tế hơn, đáng tin cậy hơn, ngoài racòn đem lại lợi ích lớn về kinh tế

Hiện nay cùng một bài toán có thể giải bằng quyết bằng các phần mềmphân tích kết cấu chuyên dụng khác nhau với độ chính xác cũng khác nhau Do

đó phải hiểu rõ được những ưu điểm cũng như hạn chế của phần mềm thiết kế đểlựa chọn, điều chỉnh số liệu đầu vào, mô hình nền móng một các hợp lý nhất

Chính vì vậy, việc hiểu rõ sự làm việc đồng thời của móng bè-cọc vàđất nền, tường tầng hầm và móng bè cọc trong tầng hầm nhà cao tầng sẽ giúp

cho việc khai báo thông số đầu vào cho các phần mềm phân tích kết cấu đượcchính xác hơn, đem lại hiệu quả , độ chính xác cao theo yêu cầu.

2 Mục đích nghiên cứu

Làm sáng tỏ tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm và móng bè-cọc trongtầng hầm nhà cao tầng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Móng bè-cọc trong tầng hầm nhà cao tầng;

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu, tính toán móng bè-cọc có xét đến tácđộng tương hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè cọc và nền đất

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu tài liệu;

- Phân tích, so sánh các phương pháp, các phần mềm tính toán;

- Sử dụng phần mềm tính toán ví dụ cụ thể, từ đó đánh giá các yếu tốảnh hưởng đến sự làm việc của móng bè-cọc trong tầng hầm nhà cao tầng

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài luận văn

Góp phần làm cơ sở thực tiễn và lý thuyết để phát triển phương pháp tínhtoán móng bè-cọc có kể đến tác động tương hỗ của móng bè-cọc với đất nền vàtường tầng hầm trong tính toán thiết kế nền móng tầng hầm nhà cao tầng

6 Cấu trúc luận văn

Nội dung chính của luận văn có ba chương gồm có:

- Chương I: Tổng quan về nền móng tầng hầm nhà cao tầng

- Chương II: Tính toán nền móng tầng hầm nhà cao tầng có kể đến tácđộng tương hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè - cọc và đất nền

- Chương III: Áp dụng tính toán cho công trình cụ thể

 Về kiến trúc, công năng sử dụng:

Nhà cao tầng được xây dựng thường là các chung cư, trung tâm thương mại,văn phòng hoặc kết hợp các công năng sử dụng trên vì vậy việc đảm bảo khônggian phục vụ cho nhu cầu của cư dân sống và làm việc trong tòa nhà rất quan trọng.Tầng hầm nhà cao tầng là giải pháp hữu hiệu đáp ứng được yêu cầu này mà khônglàm mất mỹ quan chung của tòa nhà Thông thường tầng hầm được sủ dụng vào cácmục đích:

- Làm kho chứa hàng hóa phục vụ sinh hoạt của cư dân trong tòa nhà;

- Làm tầng phục vụ sinh hoạt công cộng như bể bơi, cửa hàng, quán bar

- Làm gara ô tô, xe máy;

- Làm tầng kĩ thuật giải quyết các vấn đề về điều hòa không khí, xử lý nướcthải, lắp đặt máy móc phục vụ giao thông (thang máy), cấp nước, cấp điện

- Làm nơi cư trú tạm thời khi có sự cố xảy ra (chiến tranh);

- Ở các ngân hàng, kho bạc còn là nơi lưu trữ các tài liệu mật, tiền bạc và cáctài sản quý cấp quốc gia

Tầng hầm trên cùng có thể nửa nổi chìm nếu ta muốn tận dụng thông gió,thông khí tự nhiên và số lượng tầng hầm.

 Về kết cấu :

Khi tính toán chịu lực của kết cấu nhà thấp tầng và nhiều tầng, chủ yếu ta xétđến tải trọng thẳng đứng bao gồm trọng lượng bản thân kết cấu và hoạt tải Còn khitính toán chịu lực của kết cấu nhà cao tầng, ngoài việc xem xét đến tải trọng thẳngđứng ra, ta còn cần đặc biệt chú ý đến các tải trọng nằm ngang gây nên bởi lực gió

và lực động đất (tại những vùng có động đất) Tải trọng thẳng đứng chủ yếu làmcho kết cấu chịu nén và tỷ lệ thuận với chiều cao của ngôi nhà do tường hoặc cộtgánh chịu Tải trọng nằm ngang tác động lên ngôi nhà làm việc như kết cấu côngson, chủ yếu sinh ra mômen uốn và lực trượt, mô men uốn tỷ lệ thuận với bìnhphương của chiều cao nhà Những công trình siêu cao tầng trị số tải trọng ngang sẽquyết định giải pháp móng chứ không phải tải trọng đứng

Để bảo đảm ổn định của nhà cao tầng và thoả mãn yêu cầu biến dạng củađất nền, móng của nhà cao tầng phải có một độ sâu chôn trong đất nhất định Khi sửdụng nền thiên nhiên đặt móng thì chiều sâu đó không được nhỏ hơn 1/12 chiều caongôn nhà Khi sử dụng móng cọc thì chiều sâu chôn móng không được nhỏ hơn1/15 chiều cao ngôi nhà; chiều dài của cọc không tính trong chiều sâu chôn móng

Do yêu cầu phải chôn ngàm vào trong đất nền của nhà cao tầng, thông thường phảiđưa từ một tầng đến một số tầng xuống dưới đất để làm tầng hầm.Nhà càng cao thì

số tầng hầm càng nhiều

Thêm vào đó nếu tầng hầm sâu dưới mực nước ngầm, theo định luậtAcsimet sẽ đẩy nổi công trình lên, vì vậy có thể làm giảm tải trọng đứng xuốngmóng công trình, đồng thời sẽ giảm lún cho công trình một các tự nhiên

Tầng hầm nhà cao tầng không chỉ có tác dụng làm hạ thấp trọng tâm củacông trình nhằm tăng độ ổn định mà đối với các công trình dùng tường trong đất

làm tường tầng hầm thì các tường này còn có tác dụng truyền một phần tải trọngngang cho nền xung quanh, do đó giảm được lực ngang và mô men xuống móng.

1.1.2 Các giải pháp nền móng tầng hầm nhà cao tầng

Tùy theo quy mô công trình, điều kiện địa chất, thủy văn, gió bão, khả năngcung cấp vật liệu tại khu vực xây dựng có thể lựa chọn các giải pháp nền móngtầng hầm nhà cao tầng khác nhau Thông thường có các giải pháp nền móng sau :

Hình 1.1 Sơ đồ các giải pháp nền móng tầng hầm nhà cao tầng

Móng bèMóng trên nền

thiên nhiên

Móng hộp

Móng đơntrên cọc

Móng băngtrên cọc

Móng hộptrên cọc

Móng bè trêntường trong đấtMóng trên tường

trong đất Móng hộp trên

tường trong đất

Móng bè là móng bê tông cốt thép đổ liền khối, có kích thước lớn, dưới

toàn bộ công trình hoặc dưới đơn nguyên đã được cắt ra bằng khe lún Móng

bè là loại móng đỡ nhiều cột theo hai phương hoặc đỡ toàn bộ cột của côngtrình

Móng bè được dùng cho nhà khung, nhà tường chịu lực khi tải trọnglớn hoặc trên đất yếu nếu dùng phương án móng băng hoặc móng băng giaothoa vẫn không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

Khi mực nước ngầm cao,để chống thấm cho tầng hầm ta có thể dùngphương án móng bè,lúc đó móng bè làm theo nhiệm vụ ngăn nước và chốnglại áp lực nước ngầm Móng bè có thể làm dạng bản phẳng hoặc bản sườnnhằm tăng độ cứng chống uốn Móng bè kết hợp với cột khung và các váchcứng tầng hầm tạo thành hệ kết cấu có độ cứng lớn nên có khả năng điềuchỉnh biến dạng lún không đều của móng

Hình 1.2 Các loại móng bè trên nền thiên nhiên a) Móng bè bản phẳng ; b) Móng bè bản phẳng có gia cường mũ cột

c) Móng bè bản sườn dưới ; d) Móng bè bản sườn trên

Móng hộp là kiểu móng không gian có độ cứng lớn, được tạo thành bởi

các tường ngang, tường dọc và bản đáy, bản đỉnh với chiều dày hợp lý

Hình 1.3 Cấu tạo chung của móng hộp

Ưu điểm của móng hộp là có độ cứng lớn (lớn hơn nhiều so với móngbè), truyền tải trọng đều trên nền đất, hạn chế lún không đều, hạn chế sự saikhác giữa thực tế và mô hình tính toán do liên kết giữa móng hộp với kết cấubên trên có độ cứng lớn gần như liên kết ngàm lý tưởng

Nhược điểm của móng hộp là không gian tầng hầm bị hạn chế vì yêucầu phải có hệ thống tường ngang, tường dọc bố trí đủ dày đóng vai trò sườncứng cho toàn bộ phần hộp móng Đối với các công trình cao tầng đòi hỏiphần ngầm phải có không gian rộng, thay đổi linh hoạt linh động theo côngnăng sử dụng như siêu thị, rạp xem phim thì phương án móng hộp không phùhợp [1] Ngoài ra móng hộp đòi hỏi chi phí cao

Móng đơn trên cọc là thuộc loại móng sâu do có chiều sâu chôn móng

khá lớn so với chiều rộng móng Đặc trưng của loại móng trên cọc là tải trọngtruyền xuống nền đất thông qua ma sát xung quanh thân cọc với đất và qua đầu cọc

Móng gồm 2 bộ phận chính là đài cọc và cọc:

Đài cọc là kết cấu dùng để liên kết các cột lại với nhau và phân bố tải trọng công trình lên các cọc

Cọc là kết cấu có chiều dài lớn hơn nhiều so với bề rộng tiết diện

ngang, được đóng hay thi công tại chỗ vào lòng đất, đá, để truyền tải tọng công trình xuống các tầng đất đá sâu hơn và đảm bảo công trình ổn định

Có nhiều cách để phân loại móng đơn trên cọc như dựa vào vật liệu sử dụng làm cọc (cọc gỗ, cọc tre, cọc bê tông cốt thép ), dựa vào sự làm việc của cọc (cọc ma sát, cọc chống ), dựa vào hình dạng đài cọc (móng cọc đài cao, móng cọc đài thấp)

Để nâng cao độ cứng tổng thể của hệ móng khi chịu tải trọng ngang, giữa các đài cọc thường bố trí hệ giằng móng

Hình 1.4 Phân loại móng đơn trên cọc theo hình dạng đài cọc

a) Móng cọc đài thấp; b) Móng cọc đài cao

Móng băng trên cọc truyền tải trọng công trình thông qua dầm móng

(còn gọi là dầm đài) xuống các cọc rồi xuống nền đất Dầm móng có chiềudày lớn, được đỡ bởi một hoặc nhiều hàng cọc

Giải pháp móng băng trên nền cọc thích hợp nhất cho móng cọc chống

vì cọc chống có khả năng chịu lực cao, số lượng cọc có thể giảm bớt, đài cọckhông cần quá rộng

Móng bè trên cọc hay móng bè-cọc Móng bè-cọc có rất nhiều ưu điểm

so với các loại móng khác, như khi chịu lực tải trọng lớn, độ cứng lớn, khônggian tự do thông thoáng thuận lợi cho việc bố trí tầng hầm, liên kết giữa bè vàkết cấu chịu lực bên trên như vách, cột có độ cứng lớn phù hợp sơ đồ làm việccủa công trình

Sở dĩ phải làm móng bè cọc vì trường hợp đất yếu rất dày, bố trí cọctheo đài đơn hay băng cọc không đủ Cần phải bố trí cọc trên toàn bộ diện tíchxây dựng mới mang đủ tải trọng của công trình Hơn nữa bè cọc sẽ làm tăngtính cứng tổng thể của nền móng bù đắp lại sự yếu kém của nền đất

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

Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọcthông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức khángbên Có thể bố trí cọc trong đài thành nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lốihay bố trí bất kỳ tuỳ thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm điều chỉnhlún không đều, giảm áp lực lên nền ở đáy bè hay giảm nội lực trong b

Hình 1.5 Móng bè trên nền cọc

Móng hộp trên cọc hay móng

hộp-cọc có cấu tạo giống như móng hộp trên

nền thiên nhiên nhưng được đỡ bởi hệ

cọc Loại móng này giải quyết tối ưu yêu

cầu của các công trình quy mô lớn với các

hình thức kiến trúc phức tạp cũng như

trên mọi loại điều kiện địa chất tuy nhiên

chi phí loại móng này cũng cao nhất trong

các loại móng cọc

Móng bè-cọc và móng hộp-cọc có

sự làm việc tương tự nhau nhưng về cấu

tạo móng hộp-cọc có các tường cứng liền

chạy dọc và ngang theo yêu cầu của móng

Hình 1.6 Móng hộp trên cọc

hộp nên có độ cứng cao hơn nhiều so với

móng bè-cọc

Móng bè trên tường trong đất hay móng

bè-tường trong đất, cấu tạo gồm bản đáy

tầng hầm làm nhiệm vụ phân phối tải

trọng công trình xuống các tường liên tục

trong đất làm việc như các cọc Loại

móng này vẫn đảm bảo không gian sử

dụng tầng hầm hiệu quả do hệ thống

tường liên tục chỉ là phần kéo dài của

tường biên tầng hầm (tường ngoài) và của

vách lõi thang máy (tường trong)

Hình 1.7 Móng bè trên tường

trong đất

Móng hộp trên tường trong đất có cấu tạo tương tự móng bè tường trong đất

nhưng có độ cứng lớn hơn, phân phối tải trọng đều hơn và hạn chế lún lệchtốt hơn

1.2 Giải pháp nền móng xét đến tác động tương hỗ giữa bè cọc và đất

nền

1.1.1 Sự làm việc đồng thời của móng bè-cọc và đất nền

Móng bè-cọc cấu tạo gồm hai bộ phận: bè và các cọc

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

Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọcthông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh thân cọc qua sức khángthành bên Có thể bố trí cọc theo nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lối haybất kỳ tùy thuộc vào mục đích người thiết kế

Nghiên cứu sự tác động qua lại khi kể đến ảnh hưởng của đài cọc, nềnđất dưới đáy đài và cọc cho thấy cơ cấu truyền tải trọng như sau:

- Sự làm việc của đài cọc: Tải trọng từ công trình truyền xuống móng.Đài cọc liên kết các đầu cọc thành một khối và phân phối tải trọng tại vị tríchân cột, tường cho các cọc Sự phân phối này phụ thuộc vào việc bố trí cáccọc và độ cứng kháng uốn của đài Ở một mức độ nhất định nó có khả năngđiều chỉnh độ lún không đều

- Ảnh hưởng của nền đất dưới đáy đài: Khi đài cọc chịu tác động củatải trọng một phần được truyền xuống cho các cọc chịu và một phần đượcphân phối cho nền đất dưới đáy đài Tỷ lệ phân phối còn phụ thuộc vào cácyếu tố: độ cứng của nền đất, chuyển vị của đài, chuyển vị của cọc và việc bốtrí các cọc

- Ảnh hưởng của cọc: Cơ chế làm việc của cọc là nhờ được hạ vào cáclớp đất tốt phía dưới nên khi chịu tác động của tải trọng đứng từ đài móng nó

sẽ truyền tải này xuống lớp đất tốt thông qua lực ma sát giữa cọc với đất vàlực kháng mũi cọc làm cọc chịu kéo hoặc nén Trong quá trình làm việc cọccòn chịu thêm các tác động phức tạp khác như: hiệu ứng nhóm cọc, lực ma sátâm Do có độ cứng lớn nên cọc tiếp nhận phần lớn tải trọng từ đài xuống, chỉ

có một phần nhỏ do nền tiếp nhận

Hình 1.8 Sự làm việc của hệ đài cọc-cọc-nền đất

Kết luận: Tóm lại sự làm việc của hệ đài cọc-cọc-nền đất là một hệ

thống làm việc đồng thời cùng nhau và tác động tương hỗ lẫn nhau phức tạp

Sự tác động tương hỗ đó phụ thuộc vào độ cứng kháng uốn của đài cọc, độcứng của nền đất dưới đáy đài, độ cứng của cọc (khả năng chịu tải và bố trícọc) Nhờ vào sự tác động tương hỗ đó mà tải trọng được phân phối xuốngnền đất gây ra chuyển vị của nền, chuyển vị này phân phối lại tải trọng chokết cấu bên trên từ đó có tác dụng điều chỉnh lún lệch, giữ ổn định cho móng

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tác động tương hỗ

Tương tự hệ kết cấu gồm nhiều loại cấu kiện chịu lực, sự khác nhau về

độ cứng giữa bè-cọc-đất nền chính là nguyên nhân gây ra tác động tương hỗgiữa chúng Vì vậy yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của bất cứ thành phần nàocủa hệ nền móng bè-cọc cũng ảnh hưởng đến tác động tương hỗ trong hệ

Do mỗi bộ phận của hệ có đặc trưng làm việc khác nhau nên khái niệm

độ cứng được hiểu tùy theo từng bộ phận Cụ thể, bè là bộ phận khi chịu tảitrọng sẽ bị biến dạng do cắt, nén và uốn Tuy nhiên trạng thái ứng suất, biếndạng do cắt và nén so với do uốn là không đáng kể nên độ cứng của bè đượchiểu như độ cứng chống uốn Tương tự độ cứng của nền đất được hiểu như độcứng chống nén Độ cứng của cọc trong trường hợp tổng quát là độ cứngchống nén và độ cứng chống uốn

Có thể phân chia các yếu tố ảnh hưởng đến tác động tương hỗ thành banhóm yếu tố:

- Nhóm các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của bè;

- Nhóm các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của đất nền;

- Nhóm các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của cọc

a. Nhóm các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của bè:

Độ cứng bản thân của bè tỉ lệ thuận với trị số mô đun đàn hồi của vậtliệu làm bè và mô men quán tính của tiết diện ngang bè (bao gồm cả phần tiếtdiện của sườn đối với bè bản sườn) Sự có mặt của các cọc dưới đáy bè cũnglàm tăng độ cứng của bè và làm giảm biến dạng uốn của bè Số lượng cọccàng nhiều, độ lún cọc càng giảm thì độ cứng bè càng tăng Ngoài ra, bè và hệkết cấu công trình liên kết với nhau cùng làm việc thành một hệ tổng thể, do

đó độ cứng của bè cũng tỉ lệ với độ cứng chống cắt của hệ kết cấu, tức tỉ lệthuận với chiều cao công trình

b. Nhóm các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng nền đất:

Độ cứng chống nén của nền đất tỉ lệ với trị số mô đun biến dạng theophương tác dụng của tải trọng, tỉ lệ nghịch với giá trị hệ số nở hông của cáclớp đất chịu tải trọng do đáy bè và các cọc truyền lên Ngoài ra quá trình thicông hạ cọc cũng ảnh hưởng đến độ cứng của nền đất Nếu hạ cọc theophương pháp cọc chiếm chỗ đất như đóng cọc, ép cọc thì quá trình hạ cọclàm giảm độ rỗng, tăng độ cứng, độ bền của đất xung quanh và chân cọc Nếuthi công cọc theo phương pháp cọc thay thế đất như cọc nhồi, baret thìkhông ảnh hưởng nhiều đến độ cứng của đất

c. Nhóm yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của cọc:

Trong sơ đồ làm việc của cọc, đầu cọc được liên kết với bè, mặt bêncủa cọc và chân cọc tựa lên nền đất Do đó độ cứng của cọc không chỉ phụ

thuộc vào độ cứng bản thân cọc mà còn phụ thuôc vào độ cứng của bè và nềnđất.

Độ cứng chống nén và chống uốn của cọc đều tỉ lệ với mô đun đàn hồicủa vật liệu làm cọc Sự khác biệt là độ cứng chống nén tỉ lệ với dieenjt íchtiết diện ngang của cọc, không phụ thuộc vào hình dạng tiết diện Còn độcứng chống uốn tỉ lệ với mô men quán tính của tiết diện ngang cọc do đó phụthuộc vào hình dạng tiết diện cọc

Kết luận: Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tác động tương hỗ

trong hệ bè-cọc-đất nền là khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của bàitoán, phải tính toán mới đánh giá được chính xác Tuy nhiên có thể nhận thấyrằng trong bất cứ trường hợp nào thì sự chênh lệch rất lớn giữa độ cứng củavật liệu cấu tạo bè, cọc (bê tông cốt thép ) so với độ cứng của đất nền là yếu

tố ảnh hưởng lớn nhất Độ cứng của vật liệu làm bè, cọc thường ít thay đổitrong khi độ cứng của đất nền thay đổi trong phạm vi rất lớn Trừ trường hợpnhư trường hợp đất cứng không kém vật liệu làm bè, cọc như đá gốc (ít xảyra) Khi thay đổi độ cứng của đất nền, ảnh hưởng của tác động tương hỗ sẽthay đổi đáng kể Ví dụ trường hợp chân cọc hạ vào nền đá gốc, cọc làm việctheo sơ đồ cọc chống Trong trường hợp này không có tác động tương hỗ cọc-cọc, cọc- đất nền Còn tác động tương hỗ bè-cọc, bè-đất nền sẽ có tầm ảnhhưởng rất khác so với trường hợp cọc ma sát khi chân cọc hạ vào lớp đấtmềm

1.2.1 Các phương pháp tính toán móng bè-cọc kể đến tác động tương hỗ

- Các phương chính xác hơn.

a. Các phương pháp tính toán giản lược:

Điểm chung của các phương pháp này sử dụng các giả thiết đơn giảnhóa khi mô hình hóa đất nền và mô tả điều kiện tải trọng tác dụng lên bè

 Phương pháp Poulos-Davis-Randolph (PDR) [ 13]

Phương pháp PDR dựa trên quan điểm bè được thiết kế tiếp nhận mộtphần đáng kể tải trọng lên móng, phần còn lại do các cọc chịu Ở tải trọng làmviệc sức chịu tải của cọc được huy động từ 70% đến 100% (hệ số an toàn sứcchịu tải bằng 1 đến 1,5), quan hệ tải trọng-độ lún của cọc là quan hệ phi tuyến

do cọc có sự 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 lựctiền cố kết của đất Cọc được sử dụng với mục đích làm giảm độ lún trungbình của bè nên còn được gọi là phương pháp thiết kế theo quan điểm giảmlún

Sức chịu tải cực hạn của móng bè-cọc được lấy theo trị số nhỏ hơntrong hai trị số sau:

- Tổng sức chịu tải cực hạn của bè và của tất cả các cọc;

- Sức chịu tải của khối móng hình thành bởi các cọc và phần bè nằmtrong chu vi các cọc cộng với sức chịu tải của phần bè còn lại nằm ngoài chu

vi các cọc

 Phương pháp Burland [12 ]

Giống như phương pháp PDR, phương pháp Burland cũng dựa trênquan điểm thiết kế cọc giảm lún Trình tự tính toán móng bè-cọc theo phươngpháp Burland gồm các bước sau:

- Thiết lập đường cong biểu diễn quan hệ tải trọng-độ lún cho móng bè(không có cọc) Tải trọng thiết kế P0 gây ra độ lún S0 ;

- Chọn một trị số độ lún thiết kế Sd với một hệ số an toàn nào đó

- Từ đường cong tải trọng - độ lún của móng bè xác định tải trọng P1ứng với khi móng bè có độ lún Sd ;

- Phần tải trọng còn lại Pp = P0 - P1 sẽ do các cọc giảm lún chịu Theoquan điểm dùng cọc giảm lún, sức chịu tải của cọc được huy động toàn

bộ, ứng với hệ số an toàn sức chịu tải bằng 1 Tuy nhiên, trong phươngpháp của mình, Burland dã đề nghị sử dụng hệ số an toàn bằng khoảng0,9 ;

- Nếu các cọc được bố trí dưới các cột và tải trọng đứng ở chân cột Qvượt quá sức chịu tải cực hạn của cọc Psu thì có thể coi móng bè-cọcnhư một móng bè chịu tải trọng từ chân cột với trị số được lấy giảm đimột giá trị bằng 0,9Psu Tức tải trọng tại các chân cột chỉ còn Qr = Q -0,9Psu ;

- Xác định mô men uốn trong bè khi coi bè như móng đặt trên nền thiênnhiên, chịu tải trọng Qr tại các chân cột

b. Các phương pháp số gần đúng ứng dụng máy tính:

 Phương pháp dải móng trên nền lò xo GASP[12 ]:

Phương pháp của Poulos được viết dưới dạng chương trình máy tínhGASP áp dụng cách tính này

Trong phương pháp này bè cọc được chia thành các dải bản độc lập (bỏqua tác động tương hỗ dải bản với nhau), cọc được thay thế bởi các lò xocùng độ cứng còn nền được coi là bán không gian đàn hồi, liên tục Bề rộngcác dải bản chọn càng nhỏ thì sự phân phối mô men càng chính xác Khi tínhtoán, cần xét các dải bản theo 2 phương vuông góc với nhau để xác định sựphân phối mô men của bản và độ lún của nền đất

Theo chiều dài của mỗi dải bản lại phân thành các đoạn nhỏ Trên mỗiđoạn, quan niệm ứng suất tiếp xúc dưới đáy bè phân bố đều, kể cả phản lựccọc

Theo phương pháp này, ảnh hưởng của các loại tác động tương hỗ mớiđược kể đến một cách gần đúng :

- Sự phân chia bè thành các dải bản sau đó xét đến sự làm việc đồngthời của dải bản với nền và các cọc (các lò xo có độ cứng) sẽ dẫn đếnđánh giá không đúng độ cứng của bè, của nền đất và của các cọc vì đã

bỏ qua sự làm việc không gian của chúng ;

- Quan niệm áp lực tiếp xúc trên các đoạn của dải bè phân bố đều làgần đúng ;

- Các cọc được thay thế bởi các lò xo có cùng độ cứng đã thay thế tảitrọng xung quanh cọc và dưới chân cọc bằng một tải trọng tại đầu cọc,dẫn đến đánh giá không đúng độ lún ảnh hưởng giữa các cọc với nhau

và giữa các cọc với bè

 Phương pháp bản trên nền lò xo GARP[ 12]:

Bè được thay thế bởi bản đàn hồi, các cọc được mô hình như các lò xotác động tương hỗ, còn đất nền được coi là bán không gian đàn hồi liên tục,khắc phục được một số nhược điểm của phương pháp dải móng trên nền lòxo:

- Xét đến sự làm việc không gian của bè, của đất nền, của hệ cọc do đóđánh giá đúng hơn độ cứng của các thành phần chịu lực chính trong hệmóng bè-cọc, đảm bảo độ lún tại một điểm chỉ có một trị số duy nhất

- Thay thế các cọc bởi các lò xo tác động tương hỗ có độ cứng thay đổi(không phải các lò xo có cùng độ cứng như cọc), đã xét được sự phânphối lại trạng thái ứng suất, biến dạng trong hệ móng bè-cọc

Tính gần đúng của phương pháp cũng giống như phương pháp dải trênnền lò xo là việc thay thế các cọc bằng các lò xo dẫn đến đánh giá khôngchính xác sự tác động tương hỗ giữa các cọc với nhau và giữa các cọc với bè

c. Các phương pháp chính xác hơn:

Các phương pháp này không thay thế các cọc bằng các lò xo làm việcđộc lập mà sử dụng các phương pháp số hóa để mô hình hóa bè, các cọc, đấtnền như vật liệu liên tục có kích thước thực và làm việc đồng thời

Trong mỗi miền V được chia thành một số hữu hạn các phần tử con,gọi là phần tử Các phần tử này được kết nối với nhau tại các điểm định trướctrên biên phần tử gọi là nút Trong phạm vi mỗi phần tử đại lượng cần tìmđược lấy xấp xỉ trong dạng một hàm đơn giản gọi là hàm xấp xỉ(approximation function) Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trịcủa hàm (có khi cả các giá trị đạo hàm của nó) tại các điểm nút trên phần tửu.Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là các ẩn sốcần tìm của bài toán Với bài toán cơ học vật rắn biến dạng và cơ kết cấu tùy

theo ý nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ, người ta có thể phân tích bài toán theo baloại mô hình như sau:

- Mô hình tương thích: Xem chuyển vị là đại lượng cần tìm trước vàhàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị phần tử.Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên

lý thế năng toàn phần dừng, hay nguyên lý biến phân Larange

- Mô hình cân bằng: Hầm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố củaứng suất hay nội lực phần tử Các ẩn số được xác định từ hệ phươngtrình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý năng lượng hệ toàn phần dừnghay nguyên lý biến phan về ứng suất ( nguyên lý Castigliano)

- Mô hình hỗn hợp: Coi đại lượng chuyển vị, ứng suất là hai yếu tố độclập Các hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị lẫnứng xuất trong phần tử Các ẩn số được xác định từ phương trình trên

cơ sở nguyên lý biến phân của Reisner

Sau khi tìm được các ẩn số bằng việc giải một hệ phương trình đại sốvừa nhân được thì cũng có nghĩa ta tìm được các xâp xỉ biểu diễn đại lượngcần tìm trong tất cả các phần tử Từ đó tìm được các đại lượng còn lại

Trong 3 mô hình trên, mô hình tương thích được sử dụng rộng rãi hơncả

Ngoài ra còn có các phương pháp khác như phương pháp phần tử hữu

hạn giản lược ( Desai, 1974 ), phương pháp sai phân hữu hạn FLAC ( Hewitt

& Gue, 1994 ).

d. Các phương pháp kết hợp:

Có nhiều phương pháp kết hợp được đề xuất để giải bài toán móng cọc có kể đến tác động tương hỗ giữa móng và đất nền Cần phân biệt cácphương pháp kết hợp với các phương pháp chính xác hơn được trình bày ởtrên Các phương pháp kết hợp không thỏa mãn được điều kiện cần mô hình

bè-hóa tất cả các thành phần chịu lực chính trong hệ móng bè-cọc gồm bè, cọc,đất nền như các vật liệu liên tục, có kích thước thực và làm việc đồng thời Cóthể kể đến một số phương pháp sau:

- Phương pháp của P Clancy và M.F Randolph , trong đó sử dụng cácquan hệ tải trọng-biến dạng của cọc đơn, kết hợp mô tả các tác độngtương hỗ đàn hồi cọc-cọc, cọc-bè từ đó đánh giá được sự làm việc tổngthể của hệ móng bè-cọc;

- Phương pháp của Pastsakorn Kitiyodom và Tatsunori Matsumoto,trong đó mô hình hóa bè như một bản mỏng có độ cứng hữu hạn, cáccọc như các dầm đàn hồi, các đất như các lò xo Sử dụng lời giải củaMindlin để kể đến các tác động tương hỗ cọc-đất-cọc, cọc-đất-bè, bè-đất-bè

- Phương pháp NPRD, trong đó độ lún bản thân của cọc được mô hìnhbằng cách sử dụng quan hệ phi tuyến thực nghiệm giữa tải trọng-độ lúntheo tiêu chuẩn DIN 4014 của Đức, độ lún của cọc do các tác độngtương hỗ cọc-cọc, cọc-bè, bè-đất được sử dụng bằng cách sử dụng hệ

số độ mềm theo lời giải của Mindlin Sử dụng phương pháp lặp để giải

hệ các phương trình tuyến tính của móng bè-cọc [14]

1.2.2 Một số nhận xét về các phương pháp tính toán nền móng tầng hầm nhà

cao tầng hiện hành

Hiện nay khi thiết kế các loại móng dạng băng cọc, bè cọc thường cóhai quan điểm tính toán như sau:

a) Quan điểm cọc chịu tải - cách tính truyền thống:

Theo quan điểm này, các cọc được thiết kế như một nhóm cọc để tiếpnhận hoàn toàn tải trọng của công trình mà không kể đến sự tham gia chịu tảicủa đất nền dưới đài cọc Đơn giản hơn trong quá trình tính toán hệ móng cònđược tính như móng cọc đài thấp với nhiều giả thiết gần đúng như sau:

- Tải trọng ngang do dất trên mức đáy đài tiếp nhận;

- Đài cọc tuyệt đối cứng, ngàm cứng với cọc và chỉ truyền tải lên các cọc, do đó các cọc chỉ chịu kéo, nén;

- Cọc trong nhóm cọc làm việc như các cọc đơn và cọc chịu toàn bộ tải trọng từ đài móng (bỏ qua ảnh hưởng của đất dưới đáy đài);

- Khi tính toán tổng thể móng cọc thì coi hệ móng cọc là móng khối quy ước.

Theo cách tính này là quá thiên về an toàn và không kinh tế, tuy nhiên

nó vẫn được sử dụng phổ biến hiện nay vì đơn giản, thiên về an toàn và đượchướng dẫn chi tiết trong các giáo trình Nền móng hiện nay

b) Quan điểm cọc giảm lún - sự làm việc đồng thời :

Theo quan điểm này, hệ kết cấu móng đài cọc - cọc cùng làm việc đồngthời với nền đất theo một thể thống nhất Các cọc được bố trí trong móng làmmục đích chính là giảm nhỏ nhất độ lún trung bình và lún lệch Ngoài ra còn

kể đến ảnh hưởng của đất dưới đáy đài

Quan sát quan hệ giữa tải trọng và độ lún ở hình 1.9 ta thấy:

- Đường cong 1: Mô tả phương pháp tính toán thiết kế truyền thống.Tại tải trọng thiết kế, đường cong quan hệ P-S là tuyến tính toàn bộ tảitrọng của công trình do cọc tiếp nhận, độ lún là rất nhỏ do đó cần một

số lượng cọc lớn, đồng thời chưa phát huy hết mức sự làm việc của cáccọc

- Đường cong 2: Thể hiện ý tưởng cọc giảm lún vafcacs cọc phát huyhết khả năng làm việc tại giá trị tải trọng thiết kế do cần ít cọc hơn dùgiá trị độ lún lớn nhưng về tổng thể nó vẫn thỏa mãn yêu cầu với một

hệ số an toàn hợp lý

- Đường cong 3: Tại tải trọng thiết kế, độ lún của bè là rất lớn, nềnkhông đủ khả năng chịu tải

Hình 1.9 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún theo các quan điểm thiết

kế

Các phương pháp đơn giản, phương pháp số gần đúng sử dụng máytính, các phương pháp chính xác hơn, các phương pháp kết hợp là các phươngpháp có kể đến tác động tương hỗ giữa bè, cọc, đất nền, có thể sử dụng đểphân tích, tính toán móng bè-cọc trong các giai đoạn thiết kế đòi hỏi độ chínhxác cao hơn và kinh tế hơn Tuy nhiên để lựa chọn phương pháp thích hợpcho từng trường hợp cụ thể cần phải hiểu rõ ưu nhược điểm của từng phươngpháp

Các phương pháp đơn giản chỉ cho biết tổng sức chịu tải và độ lúntrung bình của móng, không kiểm tra được lún lệch, không cho biết tải trọngtruyền lên từng cọc, do đó không tính được nội lực trong bè Các phươngpháp này chỉ sử dụng được cho giai đoạn thiết kế sơ bộ với mục đích kiểm trakhả năng chịu lực và dự tính sơ bộ độ lún của móng

Nguồn gốc gây ra sai số trong các phương pháp gần đúng sử dụng máytính xuất phát từ việc đã thay thế các cọc có kích thước cụ thể bằng một lò xođặt tại một điểm Thực tế các cọc có kích thước khác nhau có ảnh hưởng khác

nhau đến độ cứng của bè và gây ra trường ứng suất, biến dạng khác nhautrong đất.

Các phương pháp chính xác hơn, các phương pháp kết hợp mô hình hóa

hệ móng bè cọc gần thực tế hơn, giảm thiểu các giả thiết đơn giản hóa Trongcác phương pháp này tường tầng hầm, bè cọc và đất nền được mô hình hóavới kích thước thực và được coi cấu tạo bởi các vật liệu liên tục Đây là cácphương pháp có thể áp dụng cho giai đoạn thiết kế chi tiết Tuy nhiên, cácphương pháp này được viết dưới dạng phần mềm thương mại, chỉ một số đốitượng hạn chế mới tiếp cận được và chưa phổ biến ở nước ta

Trong thực tế thiết kế móng nói chung và móng cọc nói riêng thườngdùng các phần mềm phân tích kết cấu như SAP, ETABS, SAFE,PLAXIS mô hình hóa bè như bản đàn hồi, các cọc và nền như lò xo độc lập,trong phân tích của các phương pháp này bỏ qua các tác động tương hỗ giữacác bộ phận kết cấu như tường tầng hầm, bè, cọc, đất nền Ngoài ra việc xácđịnh độ cứng của lò xo thay thế (hệ số nền, độ cứng của cọc) gặp nhiều khókhăn, đặc biệt là việc xác định hệ số nền Hệ số nền đặc trưng cho độ cứngcủa nền đất nhưng chỉ số lại không chỉ phụ thuộc vào bản chất của các lớp đất

mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan như: đặc điểm của móng, tảitrọng, cấu tạo địa chất do đó không xác định được trực tiếp từ các thínghiệm trong phòng Việc xác định hệ số nền bước đầu thường dựa vào kinhnghiệm (tra bảng), cần có trị số phù hợp hơn thì phải chạy lặp bài toán chođến khi trị số nền đưa vào chênh lệch không nhiều trị số được tính Tính theophương pháp này đã bỏ qua tính liên tục, sự làm việc không gian của nền đất

và khối lượng công việc chưa được tự động hóa Với các hạn chế trên,phương pháp sử dụng các phần mềm kết cấu để tính móng bè cọc cho độ tincậy không cao, kết quả tính phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm xử lý số liệucủa người thiết kế

Các phương pháp tính toán móng cọc hiện nay vẫn chưa xét được ảnhhưởng tác động tương hỗ giữa tải trọng đứng và tải trọng ngang đến hệ móngcọc Móng cọc chịu tải trọng tổng quát được phân tích riêng rẽ thành hai bàitoán: bài toán chịu tải trọng đứng, mô men và bài toán chịu tải trọng ngang.Sau đó mới xét đến sự làm việc tổng thể của hệ bằng cách sử dụng nguyên lýcộng tác dụng, cộng đại số các kết quả tương ứng của hai bài toán.

1.3 Giải pháp nền móng tầng hầm nhà cao tầng xét đến tác động tương

hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè cọc và đất nền

1 Sự làm việc đồng thời của tường tầng hầm, móng bè cọc và đất nền

Trước đây, để xây dựng các công trình nhà cao tầng có nhiều tầng hầm,người ta thường sử dụng các phương pháp xây dựng phần ngầm yêu cầu chiphí cao như đào hở, đóng cọc cừ, làm ảnh hưởng tới các công trình lân cậnkhi xây xen trong thành phố Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứngsuất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào và có thể làm thayđổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịch chuyển và có thể lún gây hư hỏngcông trình lân cận nếu không có giải pháp thích hợp

Từ sau năm 1940, phương pháp "tường trong đất" được bắt đầu nghiêncứu áp dụng và vào những năm bảy mươi của thế kỷ XX phương pháp nàyđược áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, điều đó tạo điều kiện cho việc hoànthiện quy trình công nghệ và tính toán kết cấu Đây là một trong nhữngphương pháp thi công tiến bộ nhất để xây dựng các công trình ngầm và làphương pháp tốt nhất để xây dựng các công trình ngầm có độ sâu lớn trongcác thành phố có mật độ xây dựng dày đặc Các tường trong đất này nhiệm vụchủ yếu là để chắn giữ thành hố đào sâu trong quá trình thi công Yêu cầu củatường là phải đảm bảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áplực đất và các loại tải trọng do được cắm sâu vào đất, neo trong đất hoặc được

chống đỡ từ trong lòng hố đào theo nhiều cấp khác nhau.Tuy nhiên, thực tiễnxây dựng nhà cao tầng với nhiều tầng hầm, người ta sử dụng tường trong đấtnày để làm tường tầng hầm luôn Để thi công loại tường này áp dụng biệnpháp thi công cọc barrette.

Trong phạm vi luận văn này, tường tầng hầm được nghiên cứu là tườngvây barrette đổ tại chỗ, được thiết kế để chịu cả tải trọng đứng lớn của côngtrình làm việc như cọc khoan nhồi trong giai đoạn khai thác, sử dụng côngtrình Tường tầng hầm được thi công cùng với cọc khoan nhồi

Khi chịu tải trọng từ phần trên công trình truyền xuống, bè tiếp nhậnmột phần tải trọng tại vị trí chân tường, lõi thang máy, phân phối cho các cọc

và đất nền tiếp xúc với đáy đài Một phần tải trọng tường tầng hầm sẽ tiếpnhận thông qua dầm đỉnh tường và dầm bo đặt áp sát tường phía bên trongtầng hầm

Khác với sự làm việc đồng thời của móng bè cọc và đất nền, khi chịutải trọng đất ở gần trọng tâm bè sẽ bị nén nhiều hơn ở mép bè nên độ cứngcủa các cọc ở gần trọng tâm bè sẽ có độ cứng lớn hơn thì khi có mặt tườngtầng hầm sẽ ngăn cản nở hông của đất nền trong phạm vi chiều sâu của tườngtầng hầm vì vậy tất cả các cọc được gia tăng độ cứng và sự chênh lệch độcứng giữa chúng sẽ giảm đi, tải trọng sẽ được phân phối đều hơn tới các cọc

Sự có mặt của tường tầng hầm làm tăng độ cứng của bè do liên kết giữatường tầng và bè tại vị trí mép bè dẫn đến sự thay đổi trạng thái ứng suất, biếndạng trong bè Cùng với đó bè và hệ dầm bên trong tầng hầm liên kết vớitường tầng hầm sẽ làm giảm chuyển vị ngang của tường khi chịu áp lực đất,nước ngầm và sự gia tải trên mặt đất

Sự làm việc đồng thời của tường tầng hầm, bè, cọc, đất nền có sự tácđộng tương hỗ qua lại với nhau làm tăng cường độ cứng tổng thể của hệ kếtcấu phần ngầm và phân phối lại ứng suất, biến dạng một cách phức tạp

2 Tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè-cọc và đất nền

Tường tầng hầm là các cọc barrette liên tục bao quanh chu vi tầng hầmcông trình chịu các tải trọng do công trình truyền xuống, ngoài ra còn chịu áplực đất và nước ngầm nên về sự làm việc giống như các cọc trong móng Sơ

đồ truyền tải của tường xuống đất nền là tải trọng phân bố dạng dải chạy dọctheo chiều dài tường và ma sát giữa tường với đất nền dưới bè Sơ đồ truyềntải của cọc xuống đất nền là tải trọng phân bố dưới mũi cọc hoặc ma sát vớiđất xung quanh thân cọc Sơ đồ truyền tải của bè xuống đất là tải phân bốdưới đáy bè tiếp xúc với đất nền

a. Tác động tương hỗtường tầng hầm, cọc - đất :

Khi chịu tải trọng đứng, nếu chân cọc hạ vào lớp đất mềm, độ lún củachúng đủ lớn để huy động toàn bộ sức kháng ma sát giữa bề mặt cọc và đấtxung quanh thì tải trọng đứng sẽ được truyền một phần vào nền đất xungquanh cọc thông qua sức kháng bên dưới dạng ứng suất tiếp, phần còn lạitruyền lên nền đất ở chân tường, cọc dưới dạng ứng suất pháp Các ứng suấtnày truyền vào nền gây ra độ lún của nền ở xung quanh cọc và dưới chân cọc.Nếu chân cọc hạ vào lớp đá gốc hay cuội sỏi có mô dun biến dạng rất lớn, độlún của cọc nhỏ, không đủ để huy động sức kháng mặt bên cọc, thì cọc làmviệc theo sơ đồ cọc chống Tải trọng đứng truyền lên cọc coi như truyền toàn

bộ lên nền đất ở chân cọc bỏ qua sự tham gia chịu lực của đất xung quanhcọc

Trường hợp cọc chịu tải trọng ngang, tải trọng truyền lên nền đất ở mặtbên cọc dưới dạng áp lực pháp tuyến Sự phân phối tải trọng ngang vào đấtnền không chỉ phụ thuộc vào độ cứng chống nén của đất mà còn phụ thuộcvào độ cứng chống uốn của cọc và độ cứng liên kết giữa cọc và bè Ngoài ra,nhóm cọc bố trí đủ gần sẽ có sức chịu tải ngang nhỏ hơn tổng sức chịu tảingang của tất cả các cọc trong nhóm Hiện tượng trên gọi là hiệu ứng bóng

của nhúm cọc Nguồn gốc của hiện tượng trờn là do hàng cọc đầu trong nhúmcọc biến dạng đó tạo ra vựng chảy dẻo ở phớa trước cỏc hàng cọc sau Khichịu tải trọng ngang, hàng cọc đầu tiờn được tựa lờn nền đất tự nhiờn trongkhi cỏc hàng cọc sau tụa lờn nền đất nằm trong vựng búng của hàng cọc đầu.Hậu quả là giảm độ bền của đất đỡ cỏc hàng cọc sau và do đú độ cứng hàngcọc đầu sẽ lướn hơn, chịu tải trọng nhiều hơn Hiệu ứng này cũng dẫn đến sựhỡnh thành khoảng trống phớa sau cỏc cọc bố trớ gần và dễ dẫn đến sự tăngchuyển vị ngang của nhúm cọc.

b. Tỏc động tương hỗ tường tầng hầm - đất :

Khi tớnh toỏn kết cấu tường trong đất kết hợp làm kết cấu chịu lực chocụng trỡnh ( tường tầng hầm) ngoài cỏc tải trọng đứng và ngang cơ bản củaphần kết cấu bờn trờn truyền xuống, tường tầng hầm sẽ làm việc như một cọc

cú chiều dài lớn thỡ cũn chịu thờm ỏp lực đất Theo đặc điểm tỏc dụng tương

hỗ của đất với tường chia ra cỏc dạng ỏp lực bờn sau đõy của đất: chủ động, bịđộng và ỏp lực đất trong trạng thỏi tĩnh Áp lực chủ động và ỏp lực bị động là

ỏp lực giới hạn của đất

Vùng áp lực đất chủ động

Hình 1.10 Sơ đồ phõn bố thực tế ỏp lực đất

+ Áp lực chủ động phỏt sinh khi xảy ra xoay hoặc dịch chuyển tườngtheo hướng từ đất ra, cũn một phần đất (lăng thể trượt) làm dịch chuyểntường, truyền lờn tường một ỏp lực (chủ động)

+ Áp lực bị động phát sinh khi tường chịu tác dụng của ngoại lực bịxoay về phía đất (dịch chuyển về phía đất) Trong trường hợp này, tường chịuphản lực của đất (bị động) phụ thuộc vào trọng lượng đất bị đẩy trồi và hướngngược với sự chuyển dịch của tường.

+ Áp lực đất trong trạng thái tĩnh là áp lực tự nhiên, nhưng không xétđến sự phá hoại trạng thá ứng suất tự nhiên của khối đất gây ra do việc cótường chắn công trình Áp lực giới hạn này của đất nằm trong trạng thái cânbằng đàn hồi, được truyền bởi khối đất có cấu trúc không phá hoại khi không

có dịch chuyển trên các kết cấu chắn giữ cứng bất động của công trình Trongđịa tầng ngâm nước thì có thêm áp lực thủy tĩnh

Ngoài ra khi nền đất bị nén chặt do tải trọng phía trên truyền xuống, kếtcấu tường tầng hầm sẽ ngăn cản sự nở hông của phần đất nền nằm trong phạm

vi chiều sâu của tường, làm cho phần đất nền này nén chặt lại, làm giảm độlún của công trình

c. Tác động tương hỗ cọc - cọc :

Tải trọng từ cọc truyền vào đất nền thông qua sức kháng ma sát bêndưới dạng ứng suất tiếp và sức kháng mũi dưới dạng ứng suất pháp Các ứngsuất trên truyền vào nền đất gây ra độ lún của nền ở xung quanh và dưới châncọc đó, cũng như các cọc ở gần Như vậy, độ lún của một cọc còn chịu ảnhhưởng của tải trọng xung quanh và dưới chân cọc khác

Khi các cọc bố trí đủ gần, vùng biến dạng của các cọc sẽ giao nhau Đểgây ra cùng một trị số lún, tải trọng cần thiết tác dụng lên cọc ở tâm bè sẽ nhỏhơn tải trọng cần thiết tác dụng lên cọc biên

Cọc không thể lún tự do vì độ lún đầu cọc bị khống chế bằng độ lúnđáy bè Nếu bè đủ cứng, có thể điều chỉnh lún không đều, do tác động tương

hỗ cọc - cọc, tải trọng truyền lên cọc giữa sẽ giảm đi trong khi tải trọng truyềnlên cọc biên sẽ tăng lên

d. Tác động tương hỗ tường tầng hầm - cọc :

Tường tầng hầm khi chịu tải trọng cũng truyền ứng suất vào nền đấtthông qua mặt tiếp xúc với đất nền phía dưới đáy bè và dưới chân tường dướidạng dải tải trọng phân bố dọc theo chiều dài tường Các ứng suất này cũnggây ra độ lún, biến dạng của nền đất xung quanh và ảnh hưởng đến độ lún củacác cọc

Do tường tầng hầm bao quanh chu vi của công trình nên phần đất nằmgần tường sẽ bị nén chặt hơn do ma sát thành bên tường và ma sát cọc ép vào

Vì vậy các cọc gần tường sẽ có độ cứng lớn hơn, tiếp nhận tải nhiều hơn

e. Tác động tương hỗ bè - đất :

Khi đáy bè nằm thấp hơn mặt đất và nền đất không lún nữa dưới tácdụng của trọng lượng bản thân (đất đã cố kết hoàn toàn), thì phần đất tiếp xúcvới đáy bè sẽ tiếp nhận một phần tải trọng do công trình truyền xuống, áp lựctiếp xúc ở đáy bè sẽ có trị số dương Độ lún tại một điểm bất kỳ trong nền sẽ

do áp lực tiếp xúc ở tại tất cả các điểm dưới đáy bè gây ra

Theo chiều tác động tương hỗ ngược lại, khi nền đất đỡ bè lún xuốngkhông đều bè cũng lún không đều Bè có độ cứng chống uốn, có khả năng huyđộng phần đất ít lún hơn vào tham gia chịu tải trọng, để điều chỉnh lún Kếtquả là áp lực tiếp xúc dưới đáy bè bị phân phối lại Trạng thái ứng suất, biếndạng trong bè và nền bị thay đổi

f. Tác động tương hỗ tường tầng hầm - bè :

Tải trọng gây ra độ lún cho bè và cũng gây ra độ lún cho nền, điều nàylàm thay đổi trị số áp lực chủ động và bị động của đất tác dụng lên tường tầnghầm, đồng nghĩa với việc biến dạng, chuyển vị ngang của tường tầng hầm sẽthay đổi

Liên kết giữa bè và tường tầng hầm sẽ làm giảm chiều dài tính toán củatường đồng nghĩa với việc tăng khả năng chịu tải trọng ngang và ổn định của

tường Theo chiều ngược lại tường tầng hầm ngăn cản chuyển vị xoay tự dotại mép bè vì vậy trong bè có sự phân phối lại nội lực, tại mép đài xuất hiện

mô men âm

g. Tác động tương hỗ cọc - bè :

Tải trọng từ cọc truyền vào nền gây ra độ lún của nền do đó cũng gây

ra độ lún của bè Độ lún của một điểm dưới đáy bè không chỉ do áp lực tiếpxúc dưới đáy bè gây ra mà còn do cả tải tọng xung quanh và dưới chân tất cảcác cọc gây ra Theo chiều tác động tương hỗ ngược lại, độ lún của một cọctrong bè phải được tính đến cả phần do áp lực tiếp xúc tại tất cả các điểm dướiđáy bè gây ra

Ngoài ra, áp lực tiếp xúc ở đáy bè truyền vào trong nền các trị số ứngsuất pháp và ứng suất tiếp với trị số giảm dần theo chiều sâu và phươngngang Do đó, chiều dài các cọc nằm trong phạm vi phân bố ứng suất của áplực tiếp xúc, sẽ chịu thêm áp lực ngang ở bề mặt cọc Kết quả là sức kháng

ma sát bên giữa cọc và đất xung quanh, tỉ lệ bậc nhất với trị số áp lực pháptuyến sẽ tăng lên Như vậy, tác động tương hỗ bè - cọc sẽ làm tăng thêm sứckháng bên của cọc ma sát Đối với cọc chống, cọc được coi chỉ truyền tảitrọng xuống nền thông qua đất ở đáy đài, bỏ qua sức kháng bên thì tác độngtương hỗ cọc - đất nền sẽ được bỏ qua

Kết luận: Qua việc phân tích các loại tác động tương hỗ trên, ta thấy

muốn mô tả đúng sự làm việc đồng thời của hệ tường tầng hầm, móng bè cọc,đất nền thì phải xét đầy đủ ảnh hưởng của các loại tác động tương hỗ Vì cácloại tác động tương hỗ trên là yếu tố quyết định đến trạng thái ứng suất, biếndạng của từng thành phần chịu lực trong hệ, sức chịu tải và biến dạng tổng thểcủa hệ

Việc bỏ qua ảnh hưởng của một tác động tương hỗ nào không chỉ gây

ra đánh giá sai cục bộ nhưng do các hệ làm việc đồng thời nên đánh giá saicục bộ dẫn đến đánh giá sai tổng thể

Tuy nhiên việc áp dụng vào thiết kế thực tế rất khác với nghiên cứu.Trong điều kiện bài toán thực tế không thể có kết quả chính xác hoàn toàn dù

áp dụng phương pháp tính toán đúng đắn đến đâu Sự làm việc thực sự củacông trình phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khách quan và chủ quan không thểkiểm soát hết được Chẳng hạn như ta không thể khảo sát được đặc trưng độbền, biến dạng của tất cả các điểm trong nền đất với chỉ một số lượng lỗkhoan nhất định, trong khi nền đất hoàn toàn không đồng nhất Để giảm bớtkhối lượng tính toán và chi phí trong thiết kế thực tế vẫn cho phép sai số tronggiới hạn cho phép mà không gây mất an toàn cho công trình Vì vậy trongmột số trường hợp, khi ảnh hưởng của một loại tác động tương hỗ không đáng

kể có thể bỏ qua

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm,

móng bè-cọc và đất nền

Như đã đề cập đến ở mục 1.2.2, yếu tố ảnh hưởng đến tác động tương

hỗ của hệ kết cấu tường tầng hầm, bè cọc, đất nền là sự khác biệt về độ cứngcủa các thành phần chịu lực trong hệ gồm các nhóm yếu tố:

- Nhóm yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của bè;

- Nhóm yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của đất nền;

- Nhóm yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của cọc;

- Nhóm yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của tường tầng hầm

Trong đó 3 nhóm yếu tố trên đã được làm rõ ở mục 1.2.2 nên ở đây tachỉ cần nhắc đến thêm nhóm yếu tố thứ 4 là nhóm yếu tố ảnh hưởng đến độcứng của tường tầng hầm

Độ cứng của tường tầng hầm được nhắc đến ở đây là độ cứng chốngnén và độ cứng chống uốn trong mặt phẳng vuông góc với chiều dài tường.

Trong sơ đồ làm việc của tường tầng hầm, đỉnh tường được liên kết với

hệ dầm bên trong tầng hầm, bè cọc và mặt bên của tường, chân tường tựa vàonền đất Do đó độ cứng của tường không chỉ phụ thuộc vào độ cứng bản thâncủa tường mà còn phụ thuộc vào độ cứng của đất nền và của bè

Độ cứng chống nén và chống uốn của tường tỉ lệ với trị số mô đun đànhồi của vật liệu sử dụng làm tường Sự khác biệt là độ cứng chống nén phụthuộc vào chiều dày và chiều dài của tường còn độ cứng chống uốn phụ thuộcvào chiều dày và chiều cao ( sâu ) của tường

Chương 2

TÍNH TOÁN NỀN MÓNG TẦNG HẦM NHÀ CAO TẦNG

KỂ ĐẾN TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ GIỮA TƯỜNG TẦNG HẦM,

MÓNG BÈ-CỌC VÀ ĐẤT NỀN

2.1 Mô hình hóa số học [14]

Đã có nhiều tác giả đã sử dụng các quan hệ lý thuyết giữa tải trọng và

độ lún để nghiên cứu ứng xử phi tuyến của hệ cọc - đất Mandolinif Viggiani vàRusso đã sử dụng phương pháp các hệ số tác động tương hỗ để mô hình hóa

như các lò co tác động tương hỗ phi tuyến Trong phân tích của các tác giảtrên, quan hệ phi tuyến được sử dụng để mô hình háo tiếp xúc giữa cọc-đất,còn tác động tương hỗ giữa các thành phần khác trong hệ móng bè-cọc (cọc-cọc, cọc-bè, bè-cọc) có thể được đánh giá bằng các mô hình phi tuyến Ứng

xử phi tuyến cọc-đất của cọc đơn, có thể được diễn đạt bằng quan hệ hyperbolgiữa tải trọng-độ lún

Basile đã sử dụng một mô hình phi tuyến dựa trên quan hệ hyperbol

giữa ứng suất và biến dạng lâu dài của đất Mô hình này được đề xuất bởi

Duncan/Chang, trong đó giả thiết mô đun dàn hồi của đất biến đổi theo mức

ứng suất tại bề mặt tiếp xúc cọc-đất Đường cong hyperbol của mô hình nàyphụ thuộc vào một hằng số rất khó xác định Cách tốt nhất để xác định chúng

là hiệu chỉnh đường cong tải trọng-độ lún theo các số liệu có được từ thínghiệm thử tải trọng tĩnh

Witzel/Kempfert sử dụng kết quả thí nghiệm hiện trường, đề xuất các

quan hệ thực nghiệm dự đoán ứng xử tải trọng-độ lún của cọc đóng

Trên cơ sở phân tích, tổng kết các phương pháp trên, Mohamed El Gendy, Jyrgen Hanisch, Manfred Kany đã xây dựng một phương pháp kết

hợp để phân tích phi tuyến móng bè cọc Phương pháp sử dụng kết hợp cả mô