Phân tích sự làm việc của bè móng trên hệ cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CAO VĂN HĨA PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MĨNG TRÊN HỆ CỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CAO VĂN HĨA PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MĨNG TRÊN HỆ CỌC Chun ngành: Mã số chun ngành: Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS CHÂU NGỌC ẨN Địa kỹ thuật xây dựng 62.58.60.01 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, khơng chép từ nguồn hình thức nào.Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Cao Văn Hóa i TĨM TẮT LUẬN ÁN Kết thống kê từ 31 cơng trình móng bè – cọc nước giới, cho thấy bề dày bè chúng khác đáng kể Có cơng trình bè dày (Messeturm Tower cao 256 m, bề dày tới 6,0 m), có cơng trình bè tương đối mỏng (Dubai Tower cao 400 m, bề dày 2,5 m) Do việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng bè làm việc đồng thời kết cấu – bè – cọc, có ý nghĩa lý luận thực tiễn nhằm làm sáng tỏ vai trò ổn định tổng thể cơng trình Đầu tiên, luận án sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết để phân tích thực tiễn thiết kế nghiên cứu hoạt động bè tồn hệ tương tác kết cấu bên – bè – nền, cọc tác giả nước giới Cho thấy: (i) Chiều dày bè lớn có tác dụng phân bố đồng nội lực biến dạng cọc, nền, bè nền, nội lực thân bè; (ii) Các yếu tố tác động đến biến dạng tương đối bè gồm có hệ cọc, mơ đun đàn hồi đất kết cấu bên Tiếp theo, luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng yếu tố đúc kết chương đến làm việc bè chương trình PRAB thơng qua cơng trình mơ hình giả định xây dựng cát TP Hồ Chí Minh Từ rút kết luận sau: (i) Chiều dày bè lớn nhằm đảm bảo gánh chịu nội lực xuất bè mơ men uốn lực cắt, đặc biệt chuyển vị lệch hệ móng (ii) Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến biến dạng bè gồm: chiều dài sơ đồ bố trí cọc, mơ đun đàn hồi đất số lượng tầng Trên sở hiểu biết từ chương chương 3, nghiên cứu đề xuất phương pháp đồ thị để xác định chiều dày bè có xét đến ba nhóm yếu tố, đề cập chương Ứng dụng phương pháp đồ thị để tính tốn chiều dày bè kiểm chứng chúng thơng qua phân tích sâu sáu cơng trình tiêu biểu, phân tích tổng hợp 31 cơng trình thống kê mặt nhằm hiệu chỉnh phương pháp đồ thị, mặt khác để trả lời câu hỏi chiều dày bè lớn cơng trình xây dựng nước giới Kết nghiên cứu rằng: (i) Chưa có quan tâm mức đến việc tối ưu chiều dày bè; (ii) Bè làm việc chủ yếu chống lại biến dạng; (iii) Có ba yếu tố ảnh hưởng đến chiều dày bè số lượng tầng, mơ đun đàn hồi đất hệ cọc; (iv) Phương pháp đồ thị thiết lập đáng tin cậy có giá trị ứng dụng cao ii ABSTRACT With statistic data from 26 high-rised buildings constructed in Vietnam and over the world, it can be recognized that the raft thicknesses are significantly varied Some buildings have very thick raft (e.g Messeturm Tower is only 256 m tall, with raft of 6.0 m thick), while the others have relatively thinner raft (e.g Dubai Tower is almost 400 m tall, but raft is only 2.5 m thick) At first, this study using method of analysis and synthesis of theory to review the design practice and available researches in Vietnam and over the world on raft behavior in the upperstructure – raft – soil and pile’s interaction It shows that: (i) Raft thickness affects the distribution of internal forces and deformation in piles, soil, between raft and soil, and in raft structure significantly; (ii) Factors affecting raft deformation and internal forces are pile group design, soil Young’s modulus, and upper-structure Next, this study using scientific experimental method to analyze the conclusions from chapter using PRAB program on a prototype building constructed on Ho Chi Minh city's sand (as specified in chapter 2) It indicates that raft thickness is designed to bear moment, shear stress, and especially deformation (differential displacement) The factors affecting the mentioned deformation are: piles length and configuration, Young modulus of soil, number of floors From the conclusions of chapter 1, it can be confirmed raft thickness is depended on number of floors, Young modulus of soil and piles length Based on these knowledges, this study propose a simplified graphical method for determining raft thickness By applying the graphical method to calculate raft thickness of the selected buildings; verifying the method and results of this study with six selected case studies in detail ; and, comparing with the actual raft thickness of all the statistic buildings, it shows that (i) There is much less interesting in optimizing of raft thickness; (ii) The raft behavior is mainly to resist its deformation; (iii) There are three main factors affecting on raft thickness: Number of floors, Young modulus of soil and piles; (iv) The graphical method proposed by this study is highly aplicable in practice iii LỜI CÁM ƠN Tơi xin trân trọng cảm ơn PGS TS Châu Ngọc Ẩn tận tình hướng dẫn suốt q trình nghiên cứu Tơi xin cảm ơn tất thầy Bộ mơn địa móng, Khoa kỹ thuật Xây dựng Trường đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, mà người lãnh đạo trước PGS TS Võ Phán giai đoạn sau PGS TS Lê Bá Vinh, tạo điều kiện, đóng góp nhiều ý kiến q báu q trình thực luận án Tơi thật biết ơn thầy đồng nghiệp trường đại học Kiến trúc TP Hồ Chí Minh, PGS TS Nguyễn Bá Kế, GS TS Nguyễn Tiến Chương, PGS TS Đồn Thị Minh Trinh khích lệ, động viên giúp đỡ tơi hình thức để tơi hồn thành luận án thời hạn Tơi đặc biệt biết ơn GS TS Tatsuo Matsumoto, Đại học Kanazawa cung cấp cho tơi chương trình PRAB, cơng cụ để tơi hồn thành nghiên cứu iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MĨNG TRÊN HỆ CỌC 1.1 Các khái niệm .4 1.1.1 Khái niệm móng bè – cọc .4 1.1.2 Khái niệm làm việc cọc .4 1.1.3 Quan niệm tính tốn móng bè – cọc 1.1.4 Cơ chế hoạt động bè .8 1.2 Số liệu thống kê từ 31 cơng trình móng bè – cọc nước giới 1.3 Các phương pháp phân tích bè 10 1.3.1 Các phương pháp giản lược 10 1.3.2 Các phương pháp giải tích 13 1.3.3 Các phương pháp số 17 1.4 Các nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu bên nền, cọc đến nội lực biến dạng bè 19 1.4.1 Ảnh hưởng kết cấu bên đến nội lực biến dạng bè 19 1.4.2 Ảnh hưởng hệ cọc đến nội lực biến dạng bè 20 1.4.3 Ảnh hưởng đất bên đến nội lực biến dạng bè 22 1.5 Nhận xét 23 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP LUẬN, CƠ SỞ CỦA CHƯƠNG TRÌNH PRAB VÀ THIẾT LẬP MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU 25 2.1 Phương pháp luận .25 2.1.1 lại Phương pháp phân tích tương tác bè với đất hệ cọc ngược 25 2.1.2 Phương pháp phân tích tương tác bè kết cấu bên ngược lại .25 2.1.3 Phương pháp phân tích chiều dày bè hợp lý .26 2.2 Cơ sở lý thuyết chương trình PRAB 27 2.2.1 Mơ móng bè - cọc PRAB .27 v 2.2.2 Ứng xử ứng suất – biến dạng đất theo lý thuyết đàn hồi .28 2.2.3 Sự phân bố tải trọng chuyển vị dọc chiều dài cọc 38 2.2.4 Ma trận độ cứng móng bè – cọc [1], [2] .39 2.3 Thiết kế cơng trình mơ hình phục vụ nghiên cứu 42 2.3.1 Lựa chọn cơng trình ngun mẫu 42 2.3.2 Thiết kế cơng trình mơ hình 43 2.3.3 Đánh giá sơ mơ hình nghiên cứu 50 2.4 Nhận xét 51 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHIỀU DÀY BÈ BẰNG PRAB 53 3.1 Ảnh hưởng tổ hợp tải trọng đến nội lực chuyển vị bè .53 3.2 Ảnh hưởng chiều dày bè đến nội lực, biến dạng bè, cọc 54 3.2.1 Sự phân phối tải trọng cọc & bè .54 3.2.2 Sự phân phối tải trọng đỉnh cọc bè .55 3.2.3 Sự phân phối nội lực cọc, ứng suất theo chiều dài cọc 56 3.2.4 Sự phân bố mơ men bè 57 3.2.5 Chuyển vị lệch bè (Biến dạng bè) 60 3.3 Ảnh hưởng kết cấu bên đến biến dạng bè 60 3.3.1 Ảnh hưởng độ cứng kết cấu bên 61 3.3.2 Ảnh hưởng số lượng tầng (tải trọng) đến chiều dày bè 62 3.3.3 Ảnh hưởng khoảng cách cột .63 3.4 Ảnh hưởng đất bên đến biến dạng bè 64 3.4.1 Ảnh hưởng mơ đun đàn hồi đất nằm đáy bè .65 3.4.2 Ảnh hưởng mơ đun đàn hồi lớp đất nằm mũi cọc .66 3.5 Ảnh hưởng hệ cọc đến biến dạng bè 67 3.5.1 Ảnh hưởng sơ đồ bố trí cọc 67 3.5.2 Ảnh hưởng số lượng cọc 69 3.5.3 Ảnh hưởng đường kính cọc 70 3.5.4 Ảnh hưởng khoảng cách cọc 70 3.5.5 Ảnh hưởng chiều dài cọc 71 3.5.6 Ảnh hưởng độ cứng móng 73 vi 3.6 Nhận xét 74 CHƯƠNG THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ DỰ TÍNH CHIỀU DÀY BÈ 76 4.1 Phương pháp xét đến ảnh hưởng số lượng tầng – Phương pháp A .76 4.2 Phương pháp có xét đến ảnh hưởng đồng thời số lượng tầng mơ đun đàn hồi đất – Phương pháp B .77 4.2.1 Trường hợp .77 4.2.2 Trường hợp .78 4.2.3 Trường hợp .79 4.2.4 Trường hợp .80 4.3 Phương pháp có xét đến đồng thời số lượng tầng, ảnh hưởng đất hệ cọc – Phương pháp đồ thị 82 4.4 Nhận xét 84 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 85 5.1 Phân tích sâu sáu cơng trình chọn lọc 85 5.1.1 Treptower, Berlin [26], [28] 85 5.1.2 Dubai Tower, Doha [32] 86 5.1.3 ICC TOWER, HongKong [10], [33] 87 5.1.4 Messeturm Tower, Franfurt [4] 88 5.1.5 Bitexco Financial Tower 89 5.1.6 Incheon Tower [34] 90 5.1.7 Ứng dụng kiểm chứng phương pháp đồ thị với sáu cơng trình chọn lọc 91 5.2 Ứng dụng kiểm chứng phương pháp đồ thị với tồn 31 cơng trình thống kê 92 5.3 Nhận xét 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .95 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .99 PHỤ LỤC A CÁC THAM SỐ CỦA 31 CƠNG TRÌNH THỐNG KÊ I vii PHỤ LỤC B MỘT SỐ THAM SỐ DÙNG ĐỂ THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU III PHỤ LỤC C SỰ PHÂN PHỐI NỘI LỰC GIỮA NỀN VÀ CỌC XII PHỤ LỤC D SỰ PHÂN PHỐI NỘI LỰC VÀ CHUYỂN VỊ XVII PHỤ LỤC E: SỰ PHÂN PHỐI NỘI LỰC TRONG BÈ VÀ BIẾN DẠNG CỦA BÈ / LÚN CỦA ĐẤT NỀN / CHUYỂN VỊ CỦA MĨNG XXXIX PHỤ LỤC F ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU BÊN TRÊN XLV PHỤ LỤC G: PHƯƠNG PHÁP MỞ RỘNG TỪ POULOS (2001) XLVI PHỤ LỤC H: PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ LX PHỤ LỤC I: KIỂM CHỨNG VÀ HIỆU CHUẨN PP ĐỒ THỊ LXVII viii Tải trọng thẳng đứng Tải trọng sử dụng cho thiết kế xác định theo tổ hợp 1,0D + 1,0L, 4.174 MN Do khơng có thiết kế chi tiết kết cấu bên trên, nên tải trọng cơng trình xác định từ tải trọng trung bình cho m2 sàn (theo giá trị thống kê 31 cơng trình nghiên cứu) Tải trọng phân bố phần tử bè, tương tự quan niệm nhiều tác giả [35, 40], có giá trị tỷ lệ với chiều cao tầng hai khu vực: phần tháp 124 tầng phần bao quanh 12 tầng kể tầng hầm Kiểm chứng PRAB phương pháp khác Kết dự tính theo PLAXIS 7,2 [9] là:chuyển vị tính tốn lớn tâm bè 40 mm; chuyển vị nhỏ tại mép bè mm Tác giả mơ 240 cọc thành vòng cọc, vòng có diện tích tương ứng với tổng tiết diện cọc nằm phạm vi vòng Đất mơ theo mơ hình đàn hồi – dẻo (tiêu chuẩn phá hoại Mohr Coulomb) Kết từ PRAB với giả thiết cọc có chiều dài trung bình 52 m, mũi cọc cách cao độ đá gốc m Chuyển vị xác định từ 36,5 – 49 mm (Hình I.9a) Có thể thấy, chuyển vị lớn xác định theo PRAB tương đương với kết từ Plaxis 7,2 [9] Chuyển vị lệch xác định PRAB 12,5 mm (0.048%) kết từ Plaxis 7,2 31 mm (0.12%), có sai biệt chấp nhận Do đó, sử dụng PRAB mơ hình chọn trên, để hợp lý thiết kế chiều dày bè Hiệu chuẩn phương pháp đồ thị Bè ICC Tower có chiều dày thực tế m, tương ứng với biến dạng theo phân tích chi tiết PRAB 0,048% Chiều dày bè theo phân tích chi tiết PRAB, với biến dạng cho phép 0,2%, 1,5 m (Hình I.9b) Chiều dày bè theo phương pháp B 7,1 m ICC thiết kế theo phương pháp móng cọc, hệ số K = 0,77, chiều dày bè theo phương pháp đồ thị 5,5 m, Chiều dày bè thực tế ICC Tower lớn chiều dày theo phân tích chi tiết phương pháp đồ thị Có thể nhà thiết kế quan ngại khoảng cách từ mũi cọc LXXIX đến mặt đá gốc khơng giả định m (chiều dài cọc chênh lệch tới 35 m) Tỷ số chiều dài cọc / bề rộng bè 0,46 ~ 0,92, cọc ngắn so với chiều dài hiệu quả, thiết kế móng cọc, biến dạng nhỏ Như vậy, chiều dày bè thực tế lớn, thiên an tồn Chiều dày bè 0.20 theo phân tích chi tiết Chuyển vò lệch (%) Chuyển vò (mm) PP đồ thò 25 Plaxis PRAB 0.15 Theo thiết kế 0.10 0.048% 0.05 50 Mặt cắt qua tâm bè a) b) 10 Chiều dày bè (m) Hình I So sánh chuyển vị tính tốn theo PRAB PPPTHH, tối ưu hóa chiều dày bè PRAB Đánh gía chiều dày bè ICC Tower Từ phân tích cho thấy, chiều dày bè hợp lý khoảng từ từ 1,5 m đến 5,5 m Đơn vị thiết kế chọn chiều dày bè lớn m q dư Nếu K = 1,1 chiều dày theo phương pháp đồ thị tương đương với thiết kế Nếu K = 0,21 chiều dày bè theo phương pháp đồ thị tương đương với phân tích chi tiết Theo quan niệm móng cọc bè thiết kế chịu cắt mà khơng cần quan tâm đến mơ men uốn biến dạng Như K nên lấy  0,77 trường hợp I.4 Messeturm Tower, Franfurt (Randolph, 1994) Giới thiệu: Messerturm Tower (Franfurt – Đức) có chiều cao 256 m, 60 tầng tầng hầm Là cao ốc văn phòng có chiều cao lớn châu Âu vào thời điểm xây dựng (1988 – 1991) Ứng xử hệ móng quan trắc thời gian năm sau xây dựng xong, thiết bị quan trắc Có 12 cọc gắn thiết bị thí nghiệm, 13 đo LXXX áp lực tiếp xúc, đo áp lực nước lỗ rỗng, điểm đo biến dạng Hình I.10 thể kết cấu phần thân móng cơng trình Messerturm Tower Hình I 10 Mơ hình kết cấu bên móng cọc cơng trình Messerturm (Thaher & Jessberger, 1991) Giải pháp cấu tạo hệ móng Messeturm Tower thiết kế theo phương pháp móng bè – cọc Áp lực tác dụng đáy bè tính tốn 543 kPa, sức chịu tải đất 570 kPa, cho thấy đất đủ sức gánh chịu tải trọng kết cấu bên Nhưng, thiết kế móng bè (Summer et al., 1991), chuyển vị trung bình từ 300 – 400 mm lớn Do đó, cọc đưa vào móng để giảm chuyển vị lệch Kích thước bè dài 58.8 m, rộng 58.8 m dày m Đáy bè nằm độ sâu - 14 m, mực nước ngầm – 4,5  - m so với mặt đất Cọc có đường kính 1,3 m bố trí theo lớp: vòng ngồi gồm 28 cọc dài 26,9 m, vòng 20 cọc dài 30,9 m, vòng 16 coc dài 34,9 m Cấu tạo đặc trưng chịu lực kết cấu móng thể Bảng I.6 Hình I.10 Bảng I Kết cấu Bè Cọc g’ (KN/m3) 25 25 Đặc trưng kết cấu móng E (KPa) 34.000.000 22.000.000 LXXXI Hệ số Poisson 0,2 0,2 Nền đất mơ hình Đất Franfurt am Main, Đức có nguồn gốc từ kỷ đệ tam Gồm lớp đất sét dày nằm đá vơi Franfurt Sét Franfurt cứng, q cố kết, có giới hạn chảy, số dẻo, độ ẩm tự nhiên giống với đất sét Ln đơn Các lớp cát đá vơi xen kẹp lớp sét làm cho ứng xử lớp khơng đồng Cường độ nén đá vơi Franfurt, bao gồm phiến lớn, đá đơ-lơ-mit, rạn san hơ, sét lẫn cát vơi, lẫn vơi, so với lớp đất sét nhỏ Đất sét q cố kết nằm gần mặt đất có có sức chịu tải thẳng đứng khoảng 570 kPa Mơ đun đàn hồi đất theo chiều sâu xác định theo cơng thức thực nghiệm Reul (2000) cho bởi: Bảng I Chiều sâu (m) Mơ hình đặc trưng chịu lực đất (Reul & Randolph, 2003; Small & Poulos, 1997) HS g’ (Mpa) (Mpa) Poisson (KN/m3) E Từ - 10 75 Từ 10 - 20 40 Từ 20 - 25 E’ c’ f’ KPa (độ) Ghi 0,25 18* 32,5 Cát 30,6 0,15 20 20 Sét franfurt 53 40,6 0,15 20 20 Sét franfurt Từ 25 - 40 73 55,9 0,15 20 20 Sét franfurt Từ 40 - 60 110 84,3 0,15 20 20 Sét franfurt Từ 60 - 100 157 120,3 0,15 20 20 Sét franfurt Dưới 100 2000 0,25 12 1000 15 Đá vơi * Trọng lượng riêng mực nước ngầm Mặt cắt địa chất phạm vi móng Messerturm Tower, gồm: Lớp thứ nhất, lớp đất bồi tích cát kỷ đệ tứ có chiều dày đến 10 m kể từ mặt đất; Lớp thứ 2, phía lớp thứ lớp sét Franfurt tới độ sâu 70 m kể từ mặt đất; Lớp đá gốc Các tác giả ước lượng cao độ mặt đá gốc 74,8 m Bảng I.7 thể mơ hình đặc trưng chịu lực đất LXXXII Tải trọng thẳng đứng Tổng tải trọng cơng trình 1880 MN [12] Do khơng có vẽ bố trí cột, chúng tơi giả thiết hệ lưới cột m m Tải trọng thẳng đứng phân bố chân cột theo tỷ lệ diện tích số lượng sàn mà gánh chịu Tải trọng cho m2 sàn tính trung bình từ cơng trình thống kê Kiểm chứng PRAB phương pháp khác Tamaro (1996) ghi nhận chuyển vị dự tính đơn vị thiết kế 150 – 200 mm, chuyển vị quan trắc vào tháng 12/1998 115mm Summer et al (1991) tổng hợp kết quan trắc lún, thể Hình I.11, theo chuyển vị lớn sau hồn thành xây dựng vào tháng 1-1990 80mm, tương ứng với biến dạng 0,048% chuyển vị lớn vào tháng – 1991 (1,5 năm sau hồn thành cơng trình) 120mm, biến dạng tương ứng 0,06% Hình I 11 Chuyển vị theo kết quan trắc (Randolph, 1994) So sánh chuyển vị dự tính PRAB chuyển vị quan trắc (Sommer et al, 1991) theo mặt cắt - – (Hình I.12a) Cho thấy chuyển vị theo PRAB nhỏ chuyển vị quan trắc hai năm sau hồn thành, lớn chuyển vị quan trắc sau cơng trình hồn thành Có thể khẳng định chuyển vị dự tính PRAB đáng tin cậy Do chương trình PRAB tiếp tục sử dụng để hợp lý hóa thiết kế chiều dày bè LXXXIII Hiệu chuẩn phương pháp đồ thị Chiều dày bè theo thiết kế m, tương ứng với biến dạng theo PRAB 0,062% Chuyển vị lệch phù hợp với kết quan trắc 0,048% (cho ngắn hạn) 0,06% (cho dài hạn) Chiều dày bè theo phân tích chi tiết PRAB biến dạng 0,2% m (Hình I.12b) Chiều dày bè theo phương pháp B 4,1 m (tương ứng với biến dạng 0,2%) Hệ số ảnh hưởng hệ cọc đến chiều dày bè trường hợp móng bè – cọc, lấy 1,0 Nếu K = 1,0 chiều dày bè theo phương pháp đồ thị 4,1 m Chiều dày bè thực tế lớn so với phương pháp đồ thị phân tích chi tiết Lý do đơn vị thiết kế quan niệm thiết kế chiều dày bè theo quan điểm móng bè bỏ qua ảnh hưởng hệ cọc 0.3 (mm) 40 Chiều dày bè theo Chuyển vò lệch (%) phân tích chi tiết Chuyển vò 80 120 Theo PP đồ thò 0.2 Theo thiết kế 0.1 Mặt cắt 1-1 & 2-2 MC 1-1, sau hoàn thành MC 2-2, sau hoàn thành a) MC 1-1, năm sau hoàn thành b) MC 2-2, năm sau hoàn thành MC 1-1, PRAB Hình I 12 10 Chiều dày bè (m) MC 2-2, PRAB So sánh chuyển vị xác định theo PRAB kết quan trắc Tối ưu hóa chiều dày bè PRAB Đánh gía chiều dày bè Messeturm Tower Từ phân tích chi tiết cho thấy, chiều dày bè hợp lý khoảng từ từ  4,1 m Đơn vị thiết kế chọn chiều dày 6,0 m, thiên an tồn Tỷ số chiều dài cọc bề rộng bè 0,59 < 0,833 ngắn chiều dài hiệu quả, K nên > 1,0, Nếu hệ số K = 0,5 chiều dày bè theo phương pháp đồ thị tương đương phân tích chi tiết Nếu K =1,5 chiều dày bè theo phương pháp đồ thị tương đương LXXXIV thực tế Như vậy, cơng trình thiết kế theo phương pháp móng bè – cọc, trường hợp cọc ngắn, nên hệ số K nên lấy > 1,0 hợp lý I.5 Bitexco Financial Tower Giới thiệu Bitexco Finance Tower gồm hai phần: Phần tháp có chiều cao cao 262 m (68 tầng, tầng hầm) phần bao quanh gồm tầng tầng hầm Cơng trình tọa lạc số 2, đường Hải Triều, Q1, TP HCM Là cơng trình cao Việt nam thời điểm xây dựng Hình I.13 thể mơ hình kết cấu bên móng Bitexco Hình I 13 Mơ hình kết cấu bên kết cấu móng cơng trình Bitexco Giải pháp cấu tạo kết cấu móng Cơng trình thiết kế theo phương pháp móng cọc Kết cấu bè có dạng van, đường kính lớn 43,1 m, đường kính nhỏ 33,6 m, chiều dày bè m, cao độ đáy bè -10,7 m Có 46 cọc dài 85 m 63 cọc dài 75 m, đường kính 1,5 m, chúng bố trí tương đối đồng bè LXXXV Nền đất mơ hình Cơng ty CTFE tiến hành khảo sát sơ địa chất cơng trình, với hố khoan sâu từ 40 – 82 m Kết thí nghiệm phòng trình bày “Báo cáo khảo sát địa chất sơ bộ” lập vào tháng 5/ 2005 Trước tiến hành thiết kế, tư vấn thiết kế tiến hành khảo sát bổ sung, gồm hố khoan sâu 110 m hố khoan sâu 140 m Các thí nghiệm nén hố khoan thực hai hố khoan nhằm xác định mơ đun nền, phục vụ cho việc mơ tương tác kết cấu – phương pháp số Các thí nghiệm nén tĩnh cọc có chiều dài 62 m thực để đánh giá sức kháng ma sát sức chịu mũi Các thiết bị đo ma sát hơng sức kháng mũi, gắn dọc thân mũi cọc, lớp đất xuất lỗ khoan Các thí nghiệm nén tĩnh lần thứ hai thứ ba sau đó, thực cọc có đường kính 1,2 1,5 m, chiều dài 85 m để cung cấp bổ sung số liệu cho cọc có chiều dài lớn Bảng I Mơ hình đặc trưng chịu lực đất (báo cáo CTFE) Đất ν Fs,max (KPa) Qc,max (KPa) N/A N/A N/A N/A -11 đến -17 15.559 0,35 84 1.574 -17 đến -34 26.202 0,35 134 2.661 -34 đến -51 59.116 0,35 185 6.300 -51 đến -68 81.579 0,35 236 8.388 -68 đến -85 95.022 0,35 287 9.864 E (KPa) đến -11 -85 đến -102 104.789 0,35 337 10.884 Ghi chú: Fs,max ma sát bên cọc, Qc,max sức kháng mũi cọc Bảng I.8 thể mơ hình đặc trưng chịu lực đất chân cơng trình Các đặc trưng chịu lực đất tổng hợp từ số liệu khảo sát địa chất khu vực quận 1, TP Hồ Chí Minh (Từ cơng trình 36 Mạc Đĩnh Chi, khu tứ giác EDEN theo số liệu thống kê C N Ẩn, 2001) Các số liệu hiệu chuẩn theo kết thử tải tĩnh số liệu khảo sát sơ đề cập Sức chịu tải dài hạn cực hạn cọc có đường kính 1,5 m dài 85 m ghi nhận thuyết minh tính tốn đơn LXXXVI vị thiết kế 16.000 cọc 75m 13.000 Chúng tơi sử dụng mơ hình để phân tích Tải trọng Từ mơ hình thiết kế kết cấu bên đơn vị thiết kế thiết lập ETABS, chúng tơi xác định tải trọng chân cột Tổng tải trọng thiết kế (DL+LL) 7.116 MN, tải trọng trung bình cho cọc 6.500 Mơ hình hệ kết cấu phần thân thể Hình I.13 Kiểm chứng PRAB với kết tính tốn khác Cơng ty Shannon & Wilson Inc sử dụng chương trình FLAC 3D để thiết kế chi tiết móng cơng trình Trong đó, chuyển vị trung bình biến dạng u cầu thỏa mãn TCVN Do chúng tơi khơng có kết quan trắc, kết tính tốn từ đơn vị thiết kế, việc kiểm chứng PRAB đối chiếu với giá trị cho phép TCVN 60 a) 0.20 b) Chiều dày bè theo 0.15 Chuyển vò lệch (%) Chuyển vò (mm) 65 70 75 phân tích chi tiết Chiều dày bè 0.10 thiết kế PP đồ thò 0.075% 0.05 0.00 80 10 Chiều dày bè (m) Mặt cắt qua tâm bè Hình I 14 Chuyển vị tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB Hình I.14(a) thể chuyển vị bè mặt cắt qua đường kính lớn nhất, theo chương trình PRAB Chuyển vị trung bình 63,4 mm, hồn tồn thỏa mãn TCVN LXXXVII Hiệu chuẩn phương pháp đồ thị Bitexco Tower có chiều dày bè thực tế m tương ứng với biến dạng theo phân tích PRAB 0,075% Chiều dày bè theo phân tích chi tiết PRAB (Hình I.14b), biến dạng 0,2%, 0,5 m Chiều dày bè xác định theo phương pháp B m (biến dạng 0,2%) Hệ số ảnh hưởng hệ cọc đến chiều dày bè cho trường hợp móng cọc K = 0,77, chiều dày bè theo phương pháp đồ thị 4,62 m Chiều dày bè thực tế lớn so với phân tích chi tiết nhỏ so với phương pháp đồ thị, Chiều dày theo phân tích chi tiết cho giá trị nhỏ cơng trình thiết kế theo phương pháp móng cọc Chiều dày bè theo phương pháp đồ thị cho giá trị lớn lấy hệ số K lớn Đánh gía chiều dày bè Bitexco Tower Từ phân tích cho thấy, chiều dày bè hợp lý khoảng từ 0,5  4,62 m Đơn vị thiết kế chọn chiều dày bè m tương đối hợp lý, thiên an tồn (Lp / B) từ 2,2 – 2,5 lớn tỷ số giảm chuyển vị có hiệu 0,833, nên K < 0,77 Nếu K = 0,67 chiều dày bè theo phương pháp đồ thị tương đương chiều dày bè thực tế Nếu K = 0,1 chiều dày bè theo phương pháp đồ thị tương đương chiều dày bè theo phân tích chi tiết Tóm lại, trường hợp móng cọc, cọc ma sát có chiều dài lớn, hệ số K nên lấy tối thiểu (< 0,77) I.6 Incheon Tower (Poulos et al., 2011) Giới thiệu: Tòa tháp Incheon Tower có chiều cao 151 tầng, xây dựng khu vực san lấp, đất sét biển yếu, Songdo, Hàn Quốc Kết cấu bên sơ đồ bố trí cọc thể Hình I.15 LXXXVIII Giải pháp cấu tạo hệ móng Cơng trình thiết kế theo phương pháp móng cọc Hệ kết cấu gồm bè dày 5,5 m kết hợp hệ cọc phía lõi cứng phía Số lượng cọc, sơ đồ bố trí cọc kích thước cọc xác định sau hàng loạt phân tích lặp, có phối hợp kỹ sư kết cấu kỹ sư địa kỹ thuật Chiều dài cọc lựa chọn sở ứng xử sức chịu tải cọc có chiều dài đường kính khác Mục đích lựa chọn chiều dài cọc để kiểm sốt chuyển vị tháp, chúng phải lớn chiều dài cần thiết để gánh đỡ tải trọng từ bên Từ phân tích trên, mũi cọc đề nghị đặt đá mềm, thay lớp đá phong hóa nhẹ, nằm phía Có hai ngun tắc đề để xác định chiều dài cọc: thứ mũi cọc chơn ngập vào đá m; thứ hai cao độ mũi cọc vào khoảng EL -50,0 m (Bảng I.9) Hình I 15 Mơ hình kết cấu bên hệ móng Incheon Tower Sơ đồ bố trí cọc cuối đề xuất gồm 172 cọc đường kính 2,5 m, có chiều dài kể từ đáy bè thay đổi từ 36 – 66 m Đáy bè cao độ - 14,6 m (Hình I.15) Nền đất mơ hình Nền đất khu vực xây dựng chủ yếu cát lẫn bùn, gần bờ biển, vùng ngập nước thủy triều Mặt cắt địa chất gồm: Lớp mặt cát rời đến cát bụi có chiều dày LXXXIX m; Lớp thứ sét trầm tích lớp (UMD), mềm đến chặt vừa, có chiều dày 20 m; Lớp thứ cát chặt vừa vừa đến chặt có tên gọi trầm tích biển lớp (LMD) có chiều dày m; Lớp thứ đá phong hóa mạnh có tính chất chịu lực nhỏ, tương tự vật liệu đất; Dưới lớp lớp đá phong hóa nhẹ có sức chịu tải lớn hơn; Ở phía lớp đá phong hóa nói đá gốc, phân biệt hai lớp, lớp đá mềm nằm độ sâu nhỏ 50 m so với mặt đất, lớp đá gốc cứng nằm độ sâu lớn 50 m Bảng I Mơ hình số liệu địa chất Incheon Tower [32] Lớp đất Chiều dày (m) EV MPa Eh MPa fb fs kPa MPa Cát rời, cát bụi - - - - Sét biển lớp UMD 20 – 15 – 11 29 – 48 - -Sét biển lớp LMD 30 21 50 - Đất phong hóa 24 60 42 75 - Đá phong hóa 10 200 140 500 Đá mềm (trên – 50 m) 10 300 210 750 12 Đá mềm (dưới – 50 m) 10 1700 1190 750 12 Ghi chú: EV: Mơ đun đàn hồi theo phương đứng, Eh: Mơ đun đàn hồi theo phương ngang, fs: Ma sát hơng cực hạn, fb: Sức kháng mũi cực hạn Từ hố khoan địa chất, Badelow et al.(2009) phát cao độ mặt đá nơi đặt cao độ mũi cọc, có cao độ khác Chính vậy, đơn vị thiết kế chia mặt móng thành khu vực, với điều kiện địa chất mơ hình khác Các đặc trưng chịu lực lớp xác định riêng rẽ cho lớp đất, chúng hiệu chuẩn với kết khảo sát cơng trình lân cận Một vấn đề quan trọng ứng xử lớp sét trầm tích lớp (UMD) cơng trình chịu tải đứng tải ngang Mơ hình đặc trưng chịu lực lớp đất thể Bảng I.9 sử dụng phục vụ cho cơng tác kiểm chứng hiệu chuẩn XC Tải trọng thẳng đứng Như phân tích chun đề 1, ảnh hưởng tổ hợp tải trọng đến phân tích chiều dày bè khơng đáng kể Do để đơn giản, tổ hợp tải trọng thẳng đứng (1,0D + 1,0L) sử dụng để nghiên cứu Tổng tải trọng cơng trình 6687 MN (xem Hình I.15 Bảng I.10) Bảng I 10 Tải trọng từ kết cấu bên [32] Loại tải trọng Gía trị Tải tĩnh 6.036 MN Hoạt tải 651 MN Tải ngang theo phương x 149 MN Tải ngang theo phương y 115 MN Tải động đất theo phương x 110 MN Tải động đất theo phương y 110 MN Mơ men theo phương x 21.600 MN-m Mơ men theo phương y 12.710 MN-m Kiểm chứng PRAB với kết từ phương pháp khác Chương trình PRAB sử dụng cơng cụ để phân tích ứng xử bè hệ móng Sử dụng kết phân tích chương trình GARP (Small & Poulos, 2007) kết phân tích chương trình PLAXIS 3D phiên thương mại Poulos et al (2011), để hiệu chuẩn kiểm chứng PRAB Từ phân tích Poulos et al (2011) nhận thấy: Kết từ GARP cho chuyển vị lớn 67 mm, chuyển vị lệch 34 mm (0.29%) Gía trị chuyển vị lớn từ GARP giải thích việc sử dụng hệ số tương tác thiên an tồn Do có nghi ngờ ảnh hưởng đất xung quanh mặt bên tầng hầm, làm giảm biến dạng bè, Poulos et al (2011) sử dụng PLAXIS để phân tích hai trường hợp: Trường hợp thứ nhất, hệ móng tương tác với đất đáy bè, khơng tương tác với đất phía đáy bè; Trường hợp thứ hai, hệ móng đồng thời XCI tương tác với đất phía phía đáy bè, tức bao gồm tồn mặt bên tầng hầm kể chiều dày bè (14,6 m) Kết từ PLAXIS cho chuyển vị lớn 56 mm, chuyển vị lệch 40 mm (0.34%) Mức độ giảm chuyển vị thẳng đứng có xét đến ảnh hưởng đất xung quanh tường hầm phía đáy bè, Poulos et al (2011) ghi nhận mm, tương ứng với 18% chuyển vị thẳng đứng Poulos et al (2011) ghi nhận phân tích Incheon tower chương trình CLAP PLAXIS 3D, cho phân tích móng bè cọc có số lượng cọc lớn, bỏ qua ảnh hưởng đất phía đáy bè 0.275 PLAXIS + ma sát tường hầm 30 Chiều dày bè theo PP đồ thò Chuyển vò lệch (%) Chuyển vò (mm) 0.250 PRAB PLAXIS 60 Chiều dày bè theo thiết kế 0.225 Phân tích chi tiết 0.204% 0.200 GARP 0.175 (a) Nút (b) 600 Chiều dày bè (m) Mặt cắt theo đường chéo bè Hình I 16 Chuyển vị lệch thiết kế chiều dày bè hợp lý Kết phân tích PRAB, với tổ hợp tải trọng (1,0D+ 1,0L) thể Hình I.16(a), cho thấy chuyển vị tối đa 53 mm, chuyển vị lệch 24 mm, phù hợp với kết từ PLAXIS 3D GARP Do PRAB với mơ hình Bảng I.9, đáng tin cậy để phân tích chi tiết làm việc bè Hiệu chuẩn phương pháp đồ thị Chiều dày bè theo thiết kế 5,5 m tương ứng với biến dạng theo phân tích chi tiết phương pháp PRAB 0,204% Chiều dày bè theo phân tích chi tiết PRAB, biến dạng 0,2% 5,8 m (Hình I.16b) Theo phương pháp B, biến dạng 0,2% chiều dày bè Incheon Tower phải 7,75 m Cơng trình thiết kế theo phương pháp móng cọc nên K đề nghị lấy 0,77 Do chiều dày bè theo phương pháp đồ thị 5,96 m XCII Chiều dày bè theo thiết kế, theo phương pháp đồ thị theo phân tích chi tiết tương đương Cho thấy đơn vị thiết kế dành quan tâm lớn thiết kế chiều dày bè (Trong thực tế diễn vậy) Đánh gía chiều dày bè Incheon Tower Từ phân tích cho thấy, chiều dày bè hợp lý khoảng từ 5,8  5,96 m Chiều dày bè theo thiết kế 5,5 m, hợp lý Cho thấy, Incheon Tower số cơng trình đơn vị thiết kế quan tâm đến thiết kế chiều dày bè hợp lý Móng cơng trình móng cọc, đặt đá nên hệ số K nên < 0,77 Khi K =0,77 chiều dày bè theo phương pháp đồ thị tương đương chiều dày bè theo phân tích chi tiết Nếu hệ số ảnh hưởng hệ cọc 0,71 chiều dày bè theo phương pháp đồ thị tương đương chiều dày thực tế Tóm lại, hệ số < 0,77 cho móng cọc hợp lý XCIII ... VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MĨNG TRÊN HỆ CỌC 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Khái niệm móng bè – cọc Móng cọc đài bè hiểu móng cọc có đài (bè) lớn, gọi móng bè – cọc Hình 1.1 phân biệt móng bè, móng cọc móng. .. vò móng bè Móng bè - cọc Móng bè Hình 1.1 Móng cọc Phân biệt móng bè, móng cọc móng bè – cọc [1], [2] Có thể thấy móng bè khơng đáp ứng u cầu chịu lực, chuyển vị cần thiết phải bố trí thêm cọc. .. quan niệm làm việc bè tương tác kết cấu bên – bè – cọc, bè mềm bè cứng Nhiều cơng trình nghiên cứu cho bè làm việc chủ yếu chống lại chuyển vị lệch hệ móng (biến dạng bè) nhằm đảm bảo làm việc an