Mục đích để khảo sát sự ảnh hưởng của số lượng cọc, khoảng cách giữa các cọc, chiều dài tường vây đến sự tương tác phân chia tải cho bè, các cọc và tường vây trong hệ móng bè – cọc – tường vây.
PHÂN TÍCH ỨNG XỬ PHÂN CHIA TẢI CỦA HỆ MĨNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY LÊ BÁ VINH* NGUYỄN NHỰT NHỨT NGUYỄN VĂN NHÂN Analysis of load sharing behavior of the piled raft foundation diaphragm walls Abstract: The load-sharing behavior of the piled raft foundation diaphragm walls system is extremely complicated by the load-sharing interaction of load distribution of the three components rafts, piles and diaphragm walls It is important to assess the load carrying capacity of the diaphragm wall and the distribution of the load on the piles to be reduced when the diaphragm wall is plugged into the hard soil Plaxis 3D finite element analysis is performed with cases of resizing raft, number of piles, pile length and diaphragm wall length Based on the results of finite element analysis, the raft foundation - diaphragm wall system was proposed to be calculated when the load factor for the pile group βp ≤ 0.1 ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong quan niệm thiết kế móng cho cơng trình nhà cao tầng có tầng hầm, quan tâm đến khả mang tải bè nhóm cọc [1,2,3], thiết kế tƣờng vây với yêu cầu chịu tải theo phƣơng ngang q trình thi cơng móng tầng hầm mà chƣa xét đến khả mang tải đứng tƣờng vây [7,8,9] Các mô phần tử hữu hạn phần mềm Plaxis 3D đƣợc thực trƣờng hợp móng bè cọc – tƣờng vây khác kích thƣớc móng, số lƣợng cọc, khoảng cách cọc chiều dài tƣờng vây Mục đích để khảo sát ảnh hƣởng số lƣợng cọc, khoảng cách cọc, chiều dài tƣờng vây đến tƣơng tác phân chia tải cho bè, cọc tƣờng vây hệ móng bè – cọc – * Bộ mơn Địa - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Tr ng Đ i H c Bách Khoa - Đ i H c Thành Ph Hồ Chí Minh u c Gia tƣờng vây Kết nghiên cứu giúp cho kỹ sƣ có nhìn nhận xác khả mang tải tƣờng vây hệ móng bè cọc – tƣờng vây, qua giảm bớt số lƣợng cọc khơng cần thiết hệ móng bè cọc – tƣờng vây hƣớng đến phƣơng án móng bè - tƣờng vây hệ số chia tải cọc βp ≤ 0.1 ỨNG XỬ TƢƠNG TÁC CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƢỜNG VÂY Móng bè cọc hệ móng kết hợp từ ba thành phần chịu lực nhƣ là: cọc, bè đất bên dƣới nhƣ hình Tổng phản lực móng cọc đài bè Rtotal: Rtotal Rraft Rpile,i Stot (1) Ứng xử phân chia tải bè – nhóm cọc – tƣờng vây phức tạp ảnh hƣởng tƣơng tác thay đổi theo độ lún chiều dài tƣờng vây nhƣ hình Email: lebavinh@hcmut.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 T ơng tác c c – đất; T ơng tác c c – c c; T ơng tác bè – đất; T ơng tác bè – c c; Hình Hiệu ứng t ơng tác đất cấu trúc móng c c đài bè Katzenbach et al (1998) and Katzenbach et al (2000) diaphragm wall raft pile T ơng tác c c – đất; T ơng tác bè – đất; T ơng tác t ng vây – đất; T ơng tác c c – c c T ơng tác bè – c c; T ơng tác t ng vây – c c; T ơng tác t ng vây – bè Hình Ứng xử t ơng tác hệ móng bè c c - t ng vây Khả mang tải hệ móng bè cọc tƣờng vây bao gồm ba thành phần là: bè, nhóm cọc, tƣờng vây Qrpw Qr Qp Qw Qrpw (2) = khả mang tải hệ ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 móng bè cọc - tƣờng vây; Qr = khả mang tải bè; Qp = khả mang tải nhóm cọc; Qw = khả mang tải tƣờng vây Khả mang tải hệ móng bè cọc tƣờng vây kết hợp từ khả mang tải bè, khả mang tải nhóm cọc khả mang tải tƣờng vây, ứng xử phân chia tải đƣợc mô tả hệ số phân chia tải tƣờng vây αw hệ số phân chia tải nhóm cọc βp , áp dụng cho tổng tải tác dụng lên hệ móng bè cọc - tƣờng vây đƣợc đƣa nhƣ sau: w Qw Qrpw p Qp Qrpw (3) (4) Qw = khả mang tải tƣờng vây; Qp = khả mang tải nhóm cọc; Qrpw = khả mang tải hệ móng bè cọc tƣờng vây Theo công thức (3), αw thay đổi từ đến 1, hệ số αw ≈ tƣờng vây gần nhƣ không tham gia gánh tải hệ cấu móng móng bè - cọc Theo công thức (4), βp thay đổi từ đến 1, hệ số αp ≈ cọc gần nhƣ không tham gia gánh tải hệ cấu móng hệ móng bè - tƣờng vây PHÂN TÍCH SỐ MĨNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƢỜNG VÂY 3.1 Mơ hình phần tử hữu hạn Bè - cọc - tƣờng vây đƣợc mơ hình Plaxis 3D bao gồm nhóm cọc nhƣ 4x4 cọc; 6x6 cọc 8x8 cọc, đƣờng kính cọc d p = 0.5m, bê tơng cọc có cấp độ bền B50, chiều dài cọc Lp = 40m, khoảng cách cọc đƣợc xem xét 3dp; 6dp; 9dp Tƣờng vây dày d w = 0.6m, bê tơng tƣờng vây có cấp độ bền B50, chiều dài tƣờng vây xem xét L w = 6m; Lw = 16m; Lw = 26m; Lw = 36m; Lw = 46m Mơ hình điển hình Plaxis 3D sử dụng để mơ hệ móng bè - cọc - tƣờng vây nhƣ hình hình Lớp đất Hình Mơ hình phần tử hữu h n bè - c c t ng vây Lớp cát Mô đun cát tuyến xác định từ nén trục, áp lực buồng pref E50ref (kN/m2) 18000 Mô đun tiếp luyến xác định từ nén trục không nở hông Eoed (kN/m2) 18000 Mô đun đƣờng dỡ tải, gia tải Eur (kN/m2) 54000 m 0.5 Lực dính đơn vị c‟ (kN/m2) Góc nội ma sát φ‟ (o) 28 Góc nở ψ (o) Hệ số poisson giai đoạn làm việc dỡ tải – gia tải υur 0.2 Áp lực buồng thí nghiệm pref (kN/m2) 100 Hệ số mũ Hình Mơ hình phân tích phần tử hữu h n hệ móng bè c c - t ng vây 3.2 Các thơng số đất mơ hình phân tích phần tử hữu hạn Đất vật liệu phức tạp, có ứng xử khác giai đoạn gia tải ban đầu, dỡ tải gia tải lại Trong nghiên cứu, lớp đất đƣợc mô với mơ hình Hardening Soil Chi tiết thơng số mơ hình đƣợc dẫn PLAXIS 3D manuals Tóm tắc thông số vật liệu đất đƣợc sử dụng phân tích phần tử hữu hạn nhƣ bảng Bảng Thơng số lớp đất mơ hình Hardening Soil sử dụng phân tích Lớp đất Lớp cát Trọng lƣợng riêng tự nhiên γunsat (kN/m3) 18 Trọng lƣợng riêng đất no nƣớc γsat (kN/m3) 19 Độ đáy lớp (m) 100 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Phân chia tải cho bè, nhóm cọc tƣờng vây Theo hình 5, xét nhóm cọc 4x4, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m khoảng cách cọc 9D độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho bè 31% phần trăm chia tải cho bè 23% độ lún 0.08m Nhóm cọc 8x8, chiều dài tƣờng vây L w = 6m khoảng cách cọc 9D độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho bè 30% phần trăm chia tải cho bè 18% độ lún 0.08m Vậy khoảng cách cọc chiều dài tƣờng vây, phân chia tải cho bè giảm đáng kể theo độ lún, phân chia tải cho bè giảm nhiều tăng số lƣợng cọc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 nhiều tăng số lƣợng cọc Với nhóm cọc khoảng cách cọc, phần trăm chia tải cho nhóm cọc giảm mạnh chiều dài tƣờng vây tăng (a) Nhóm 4x4 c c (a) Nhóm 4x4 c c (b) Nhóm 8x8 c c Hình uan hệ tỉ lệ chia tải lên bè độ lún bè theo cự ly c c chiều dài t ng vây Theo hình 6, xét nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc 62% phần trăm chia tải cho nhóm cọc 71% độ lún 0.08m Nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc 2% phần trăm chia tải cho nhóm cọc 5% độ lún 0.08m Nhóm cọc 8x8, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc 64% phần trăm chia tải cho nhóm cọc 73% độ lún 0.08m Nhóm cọc 8x8, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc 7% phần trăm chia tải cho nhóm cọc 11% độ lún 0.08m Vậy khoảng cách cọc, phân chia tải cho nhóm cọc tăng theo độ lún, phân chia tải cho nhóm cọc tăng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 (b) Nhóm 8x8 c c Hình uan hệ tỉ lệ chia tải lên nhóm c c độ lún bè theo cự ly c c chiều dài t ng vây (a) Nhóm 4x4 c c (b) Nhóm 8x8 c c Hình uan hệ tỉ lệ chia tải lên t ng vây độ lún bè theo cự ly c c chiều dài t ng vây Theo hình 7, xét nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây L w = 6m, độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho tƣờng vây 6% phần trăm chia tải cho tƣờng vây 6% độ lún 0.08m Nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây L w = 46m, độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho tƣờng vây 87% phần trăm chia tải cho tƣờng vây 90% độ lún 0.08m Nhóm cọc 8x8, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây L w = 46m, độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho tƣờng vây 82% phần trăm chia tải cho tƣờng vây 82% độ lún 0.08m Vậy chiều dài tƣờng vây, khoảng cách cọc, nhóm cọc, phân chia tải cho tƣờng vây tăng theo độ lún, phân chia tải cho tƣờng vây tăng mạnh chiều dài tƣờng vây tăng Độ lún móng ảnh hƣởng nhiều đến phân chia tải bè nhóm cọc, tải trọng tăng làm cho độ lún móng tăng phân chia tải cho nhóm cọc tăng phân chia tải cho bè giảm, phần trăm chia tải cho tƣờng vây tăng theo độ lún hệ móng Chiều dài tƣờng vây ảnh hƣởng nhiều đến phân chia tải hệ móng bè - cọc tƣờng vây, tăng chiều dài tƣờng vây phân chia tải lên tƣờng vây tăng nhanh phân chia tải lên nhóm cọc, bè bị giảm nhiều Khi tăng khoảng cách cọc, phân chia tải cho bè tƣờng vây tăng, phân chia tải cho nhóm cọc giảm Khi tăng số lƣợng cọc, phần trăm chia tải cho bè tƣờng vây giảm, phân chia tải cho nhóm cọc tăng 4.2 Hệ số phân chia tải nhóm cọc tƣờng vây Khả mang tải móng bè cọc kết hợp tƣờng vây từ ba thành phần bè, nhóm cọc tƣờng vây Trong tƣờng vây khơng tham gia mang tải mang tải (αw = đến 0.1) xem kết cấu móng hệ móng bè - cọc, nhóm cọc khơng tham gia mang tải mang tải (βp = đến 0.1) xem kết cấu móng hệ móng bè - tƣờng vây, trƣờng hợp tƣờng vây cọc tham gia mang tải (αw > 0.1 βp > 0.1) xem kết cấu móng hệ móng bè cọc - tƣờng vây Hình uan hệ hệ s phân chia tải t ng vây αw chiều dài t ng vây theo cự ly c c nhóm c c, t i độ lún 0.08m Theo hình 8, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m trƣờng hợp 3D, 6D, 9D, 4x4 cọc, 6x6 cọc, 8x8 cọc có hệ số αw < 0.1 kết cấu móng móng bè cọc, tƣờng vây có chức chịu tải ngang áp lực đất tác dụng ngang xung quanh tầng hầm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 cọc – tƣờng vây hệ móng bè – tƣờng vây nhƣ bảng Bảng So sánh móng bè cọc kết hợp thƣờng vây móng bè kết hợp tƣờng vây Mơ hình làm việc Hình uan hệ hệ s phân chia tải nhóm c c βp chiều dài t ng vây theo cự ly c c nhóm c c, t i độ lún 0.08m Theo hình 9, chiều dài tƣờng vây L w = 36m trƣờng hợp 9D, 4x4 cọc có hệ số β p = 0.07 < 0.1 Chiều dài tƣờng vây L w = 46m trƣờng hợp 9D, 6D, 4x4 cọc, 6x6 cọc có hệ số βp < 0.1 kết cấu móng móng bè kết hợp tƣờng vây, tƣờng vây có hai chức chịu tải ngang áp lực đất tác dụng ngang xung quanh tầng hầm chịu tải theo phƣơng đứng nhƣ cọc (a) (b) Hình 10 Mơ hình làm việc (a) hệ móng bè c c - t ng vây; (b) hệ móng bè - t ng vây Nhƣ hình 10, xét nhóm 4x4 cọc đƣờng kính cọc D = 0.5m, khoảng cách cọc 9D, chiều dài cọc Lp = 40m, tƣờng vây có chiều dày d = 0.6m, chiều dài tƣờng vây L w = 46m Kết phân tích mơ hình làm việc hệ móng bè ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 Hệ móng bè cọc tƣờng vây Hệ móng bè - tƣờng vây Khả mang tải Số lƣợng cọc Tổng thể tích bê tơng cọc Q (kN) nc Vp (m3) 339532 16 126 347400 0 Vậy có chiều dài tƣờng vây L w = 46m, khả mang tải hai phƣơng án móng bè cọc kết hợp tƣờng vây móng bè kết hợp tƣờng vây tƣơng đƣơng với nhau, nhƣng phƣơng án móng bè kết hợp tƣờng vây có khối lƣợng bê tơng móng nên hiệu kinh tế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chiều dài tƣờng vây tác động mạnh mẽ đến phân chia tải hệ thống móng bè cọc kết hợp tƣờng vây Phần trăm chia tải lên tƣờng vây tăng nhanh đồng thời phân chia tải lên cọc giảm mạnh phần trăm chia tải lên bè giảm chiều dài tƣờng vây tăng lên Khoảng cách bố trí cọc làm ảnh hƣởng đến phân chia tải móng, khoảng cách cọc từ 6D đến 9D làm tăng nhanh khả phân chia tải lên bè tƣờng vây Khi thiết kế móng bè cọc kết hợp tƣờng vây cho cơng trình dân dụng có từ hai tầng hầm trở lên, ngƣời thiết kế cần phải xem xét đến khả mang tải đứng tƣờng vây để có phƣơng án móng hiệu tiết kiệm Tƣờng vây đƣợc bố trí với yêu cầu ban đầu chống đỡ áp lực đất theo phƣơng ngang thi cơng kết cấu móng tầng hầm chân tƣờng vây đƣợc cắm sâu vào đất dƣới móng, ta cần phải kiểm tra thêm khả chịu tải đứng tƣờng vây tham gia chịu tải với cọc để từ bố trí lại số lƣợng cọc phù hợp Trong trƣờng hợp điều kiện thi cơng hố đào sâu, u cầu chặn dòng thấm dƣới hố đào, mà tƣờng vây phải cắm sâu có chiều dài tƣơng đƣơng với chiều dài cọc ta phải đánh giá lại khả mang tải cọc, hệ số chia tải cọc βp ≤ 0.1 loại bỏ hết cọc để chuyển sang phƣơng án móng bè kết hợp tƣờng vây Để đánh giá phân chia tải cho tƣờng vây cọc ta cần phải xét đầy đủ yếu tố Phƣơng pháp phân tích 3D phần tử hữu hạn đáp ứng đƣợc yêu cầu nêu TÀI LIỆU THAM KHẢO Randolph MF Design methods for pile groups and piled rafts In: Proc 13th international conference on soil mechanics and foundation engineering, vol 5, New Delhi, India; 1994 p 61–82 Clancy P, Randolph MF Simple design tools for piled raft foundations Geotechnique 1996;46(2):313–28 Ng 10 Poulos HG Piled raft foundations: design and applications Geotechnique 2001;51(2): 95–113 Horikoshi K, Randolph MF Centrifuge modelling of piled raft foundations on clay Geotechnique 1996;46(4):741–52 Katzenbach R, Arslan U, Moormann C Piled raft foundation projects in Germany Design Applications of Raft Foundations, Hemsley Thomas Telford, London; 2000 p 323–91 Yamashita K, Hamada J, Soga Y Settlement and load sharing of piled raft of a 162m high residential tower In: Proc international conference on deep foundations and geotechnical in situ testing, Shanghai, China; 2010 p 26–33 Conte G, Mandolini A, Randolph MF Centrifuge modeling to investigate the performance of piled rafts In: Van Impe, editor Proc 4th international geotechnical seminar on deep foundation on bored and auger piles Ghent: Millpress; 2003 p 359–66 Liu JL, Yuan ZL, Shang KP Cap-pile-soil interaction of bored pile groups In: Proc 11th 482 ICSMFE, San Francisco, vol 3; 1985 p 1433–6 Cooke RW Piled raft foundations on stiff clays: a contribution to design philosophy Geotechnique 1986;36(2):169–203 i phản biện: GS NGUYỄN VĂN THƠ ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 ... đến phân chia tải hệ móng bè - cọc tƣờng vây, tăng chiều dài tƣờng vây phân chia tải lên tƣờng vây tăng nhanh phân chia tải lên nhóm cọc, bè bị giảm nhiều Khi tăng khoảng cách cọc, phân chia tải. .. tải bè; Qp = khả mang tải nhóm cọc; Qw = khả mang tải tƣờng vây Khả mang tải hệ móng bè cọc tƣờng vây kết hợp từ khả mang tải bè, khả mang tải nhóm cọc khả mang tải tƣờng vây, ứng xử phân chia tải. .. cho bè tƣờng vây tăng, phân chia tải cho nhóm cọc giảm Khi tăng số lƣợng cọc, phần trăm chia tải cho bè tƣờng vây giảm, phân chia tải cho nhóm cọc tăng 4.2 Hệ số phân chia tải nhóm cọc tƣờng vây