Tính toán độ lún của móng bè theo các phương pháp khác nhau

Trong bài báo này các tác giả tính toán độ lún của nền theo phương pháp cộng lún các lớp phân tố, phương pháp lớp biến dạng tuyến tính với chiều dày tính toán của lớp biến dạng tuyến tính, xác định theo tiêu chuẩn TCVN 9362:2012, JGJ6-99 và các tác giả K.E.Egorov, B.L. Đalmatov, đồng thời mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D ứng với các kích thước móng 10x15; 15x22,5; 20x30; 25x37,5; 30x45; 35x52,5 và 40x60 m2, mỗi kích thước móng chịu các tải trọng phân bố đều 150, 200, 250 kN/m2.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 TÍNH TỐN ĐỘ LÚN CỦA MĨNG BÈ THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU STUDY ON THE SETTLEMENT OF RAFT FOUNDATIONS BY DIFFERENT METHODS PGS TS Lê Bá Vinh, KS Nguyễn Văn Nhân Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM TĨM TẮT Thơng thường, tính tốn độ lún móng bè thường áp dụng phương pháp cộng lún lớp phân tố phương pháp lớp biến dạng tuyến tính tùy theo điều kiện địa chất cơng trình Phương pháp cộng lún lớp phân tố, chất phương pháp tính lún cho điểm khơng xét đến độ cứng móng, với móng có kích thước lớn ta phải xét độ lún nhiều điểm sau tính độ lún trung bình móng Đối với phương pháp lớp biến dạng tuyến tính, kết tính tốn độ lún ổn định phụ thuộc chủ yếu vào việc xác định chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính, chiều dày tính tốn phụ thuộc vào kích thước móng, tỷ số L/B (L- chiều dài; B bề rộng móng), tải trọng cơng trình cấu tạo địa chất cơng trình Để phân tích ảnh hưởng kích thước, độ cứng móng tải trọng cơng trình đến phạm vi chiều dày chịu nén độ lún móng Trong báo tác giả tính tốn độ lún theo phương pháp cộng lún lớp phân tố, phương pháp lớp biến dạng tuyến tính với chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính, xác định theo tiêu chuẩn TCVN 9362:2012, JGJ6-99 tác giả K.E.Egorov, B.L Đalmatov, đồng thời mô phần mềm Plaxis 3D ứng với kích thước móng 10x15; 15x22,5; 20x30; 25x37,5; 30x45; 35x52,5 40x60 m2, kích thước móng chịu tải trọng phân bố 150, 200, 250 kN/m2 Từ kết tính lún, phân tích đánh giá kết tính tốn, để lựa chọn cách xác định chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính phương pháp tính lún hợp lý cho móng bè ABSTRACT Normally, the settlement of raft foundation can be calculated by different methods Depending on the geological conditions, there are several analytical methods such as the method of summation of partial settlements, the method of elastic layer with finite thickness, etc… Regarding to the method of summation of partial settlements, the settlement of center of foundation is calculated without the consideration of the foundation’s stiffness Regarding to the method of elastic layer with finite thickness, the settlement depends on the thickness of deformed layers which is determined by the shape, size of foundation, loads of the upper structure, and the ground condition In this paper, the thickness of deformed layers, and the final settlement of raft foundations are analyzed by the above analytical methods, and by the finite element method with the PLAXIS 3D software The effect of size of foundation are considered with many areas of 10x15, 15x22.5, 20x30, 25x37.5, 30x45, 35x52.5, and 40x60 m2, and the effect of loads of the upper structure are considered with many different VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 369 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 values of 150, 200, 250 kN/m2 There are remarkable differences between the analytical settlements and the simulated results by PLAXIS 3D From the analysis and evaluation of calculated results, this paper proposes a suitable method to determine the thickness of deformed layers, as well as the method of calculation of settlement for raft foundations ĐẶT VẤN ĐỀ Muốn cho cơng trình xây dựng sử dụng bình thường, điều cần thiết phải đảm bảo cho cơng trình khơng làm việc trạng thái giới hạn Các trạng thái giới hạn đất gồm trạng thái giới hạn thứ trạng thái giới hạn thứ hai Mục đích việc tính tốn theo trạng thái giới hạn thứ nhất, đảm bảo cường độ ổn định cho cơng trình tình bất lợi Theo trạng thái giới hạn thứ hai hạn chế độ lún, độ lún lệch, độ nghiêng móng để đảm bảo việc sử dụng bình thường cơng trình Cho nên, việc nghiên cứu vấn đề xác định độ lún đất tác dụng tải trọng vấn đề quan trọng, có ý nghĩa mặt lý thuyết thực tiễn lớn thiết kế móng cơng trình CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN MĨNG BÈ Theo TCVN 9362:2012, móng có kích thước lớn (bề rộng đường kính lớn 10 m), xác định chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính Htt (phạm vi chiều dày chịu nén) Nếu phạm vi Htt có lớp đất có mô đun biến dạng E < 10 MPa, lớp đất Htt có E < 10 MPa dày m độ lún tính theo phương pháp cộng lún lớp phân tố, khơng tính theo phương pháp lớp biến dạng tuyến tính 2.1 Phương pháp lớp biến dạng tuyến tính Dựa phương pháp đề nghị K.E.Egorov, TCVN 9362:2012 đưa cơng thức tính độ lún móng riêng rẽ theo sơ đồ tính tốn dạng lớp đàn hồi biến dạng tuyến tính có chiều dày hữu hạn Htt, xác định sau: n k i − k i −1 Ei i =1 S = p B.M ∑ (1) Trong đó: p – áp lực trung bình bên đáy móng; B - bề rộng móng hình chữ nhật đường kính móng trịn; M - hệ số điều chỉnh tra theo bảng C.2 [1], dựa vào 2Htt/b; ki, ki-1 - hệ số phụ thuộc hình dạng đáy móng ứng với độ sâu zi-1 đỉnh zi đáy lớp đất thứ i, tra Bảng C.3 [1], phụ thuộc tỷ số L/B, 2zi/B ki , phụ thuộc tỷ số L/B, 2zi-1/B ki-1 370 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Đối với phương pháp lớp biến dạng tuyến tính, kết tính tốn độ lún ổn định phụ thuộc chủ yếu vào việc xác định chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính, chiều dày tính tốn phụ thuộc vào kích thước móng, tỷ số L/B (L- chiều dài; B - bề rộng móng), tải trọng cơng trình cấu tạo địa chất cơng trình Theo TCVN 9362:2012, móng có kích thước lớn (bề rộng đường kính > 10 m) mơ đun biến dạng đất E ≥ 10 MPa, không phụ thuộc vào chiều sâu lớp đất nén Chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính Htt xác định theo: H tt = + 0,15B đất sét (2) Htt = + 0,1B đất cát Trong đó: B – bề rộng móng, đơn vị (m) Nếu đất bao gồm đất sét đất cát, giá trị Htt xác định giá trị trung bình Giá trị Htt cần cộng thêm chiều dày lớp đất có Eo < 10 MPa, lớp nằm Htt độ dày khơng vượt m Mặt khác, theo JGJ6-99 [4] chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính Htt xác định theo: H tt = ( Z m + ξ B ) β (3) Trong đó: Zm – hệ số kinh nghiệm, tra bảng theo tỷ số L/B; ξ – hệ số tra theo bảng 1; β – hệ số điều chỉnh, tra theo bảng 2; B – bề rộng móng Bảng Hệ số Zm ξ L/B Zm ξ ≤1 11,6 0,42 12,4 0,49 12,5 0,53 12,7 0,60 ≥5 13,2 1,0 Đất có sét 0,75 Đất mềm 1,00 Bảng Hệ số β Loại đất β Đá dăm 0,30 Đất cát 0,50 Đất bột 0,60 Theo K.E.Egorov giá trị Htt xác định dựa vào công thức (7) Đối với, B.L Đalmatov ông dựa vào phương pháp lớp tương đương N.A.Txutovits đề nghị xác định chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính Htt theo cơng thức sau: H tt = Aωt B (4) Trong đó: B – bề rộng móng; VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 371 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHEÄ 2017 - 2018 2Aωt – hệ số tra bảng Bảng Trị số hệ số 2Aωt Móng trịn 1,11 1,2 1,5 1,52 Móng chữ nhật L/B 1,65 1,88 2,03 2,14 10 2,27 2.2 Phương pháp cộng lún lớp phân tố Khi chiều dày lớp đất nằm bên Htt có Eo < 10 MPa lớn m, lớp đất phía có Eo < 10 MPa, việc tính tốn độ lún thực theo sơ đồ bán khơng biến dạng tuyến tính phương pháp cộng lún lớp phân tố Về chất phương pháp tính lún cho điểm khơng xét đến độ cứng móng Độ lún điểm nằm mặt tiếp xúc đáy móng tính theo cơng thức sau: n n S = ∑ Si = β ∑ i =1 i =1 pi hi Ei (5) Trong đó: S – độ lún cuối (ổn định) điểm xét; Si – độ lún cuối lớp đất thứ i; n – số lớp chia theo độ sâu tầng chịu nén nền; hi – chiều dày lớp đất thứ i; pi – áp lực thêm trung bình lớp đất thứ i; Ei – mơ đun biến dạng lớp đất thứ i; β – hệ số xét đến nở hông đất, theo TCVN 9362:2012 lấy 0,8 Đối với móng có kích thước lớn ta tính lún tâm móng, xem độ lún móng kết lớn nhiều so với lún móng thực tế Do đó, trường hợp móng có kích thước lớn ta phải tính độ lún nhiều điểm sau lấy độ lún trung bình cho: Diện tích Stt = Diện tích Stđ Hình Sơ đồ tính độ lún trung bình móng 372 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Ngồi ra, để đơn giản tính tính tốn, độ lún trung bình móng tính tốn theo cơng thức gần sau: S avg = S A + S B + SC + S D + S E + S F 13 (6) Trong đó: Savg – độ lún trung bình móng; SA,B,C,D,E,F – độ lún điểm A, B, C, D, E, F B C B A F E D L Hình Các điểm tính lún móng Một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến kết tính tốn độ lún việc xác định xác định chiều sâu vùng chịu nén để móng Cho đến nay, quan điểm xác định chiều sâu vùng chịu nén H cịn chưa trí Nếu đất đáy móng độ sâu vùng chịu nén có tầng cứng (đá) trị số H lấy toàn chiều dày lớp đất, kể từ đáy móng đến tầng cứng Theo TCVN 9362:2012, trị số H xác định dựa vào điều kiện: σ z ≤ 0, 2σ zbt (7) Với σz ứng suất phụ thêm độ sâu H Nếu trường hợp độ sâu tìm theo điều kiện lớp đất yếu có Eo < MPa lớp đất nằm trực tiếp phía giới hạn kể cần tính vào tầng chịu nén Trong trường hợp phạm vi vùng chịu nén lấy đến độ sâu thoả mãn σ z ≤ 0,1σ zbt Trị số H xác định theo quy ước độ sâu này, ứng suất gây lún nhỏ tới mức khơng cịn tác dụng gây lún Trên thực tế tính tốn độ lún móng sử dụng điều kiện (7) tính tổng độ lún lớp phân tố lớp phân tố Si ≈ 0, kết tính tốn cho kết sai khác nhiều Ngồi ra, tính tốn độ lún móng theo cơng thức (5) khơng xét đến điều kiện nở hơng kết thu nhỏ so với thực tế, nhiên ta tính lún tâm đáy móng (cho loại móng tương đối nhỏ VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 373 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 móng đơn) xem giá trị độ lún móng, kết tăng lên bù lại với sai sót Nhưng tính tốn khơng an tồn móng có kích thước lớn, trường hợp phải tính tổng độ lún lớp phân tố Si ≈ 2.3 Tính tốn độ lún móng theo Plaxis 3D Để tính tốn độ lún móng bè, báo sử dụng phần mềm Plaxis 3D với mô hình tính tốn Hardening – Soil, với mơ hình độ cứng đất thay đổi theo trạng thái ứng suất đất, phù hợp với ứng xử phần lớn loại đất Độ lún trung bình móng tính tốn theo cơng thức (6), dựa vào độ lún điểm hình (2) Hình Mơ hình tính tốn theo Plaxis 3D ÁP DỤNG TÍNH TỐN ĐỘ LÚN MĨNG BÈ VỚI CÁC SỐ LIỆU CỤ THỂ Để nghiên cứu ảnh hưởng chiều sâu vùng chịu nén đến kết tính lún, tiến hành tính tốn độ lún với móng có kích thước 10x15; 15x22,5; 20x30; 25x37,5; 30x45; 35x52,5 40x60 m2, kích thước móng chịu tải trọng phân bố 150, 200, 250 kN/m2, thông số đất kết cấu móng cho bảng bảng Độ lún móng chịu tải trọng tương ứng, tính tốn theo trình tự phương pháp sau: - Phương pháp cộng lún lớp phân tố với chiều sâu vùng chịu nén xác định theo điều kiện (7) đến chiều sâu mà độ lún lớp phân tố Si = 0; - Phương pháp lớp biến dạng tuyến tính với chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính, xác định theo tiêu chuẩn TCVN 9362:2012, JGJ6-99 tác giả K.E.Egorov, B.L Đalmatov; - Mô phần mềm Plaxis 3D 374 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Bảng Các thông số đất Lớp 1: Sét dẻo Lớp 4: Sét Lớp 5: Cát sét Lớp 2: Cát Lớp 3: Cát thấp lẫn cát, sét, trạng thái sét - Cát bụi, béo - Sét gầy, - Cát bụi, trạng thái dẻo chặt xốp đến trạng thái trạng thái trạng thái chặt mềm đến dẻo chặt vừa chặt vừa cứng đến chặt cứng Lớp đất γunsat (kN/m3) 20,25 19,93 20,12 21,06 20,98 γsat (kN/m ) 21,25 19,93 20,12 21,06 20,98 E (kN/m2) 11719 12094 25000 24923 48000 Chiều dày lớp đất (m) 9,5 33 14,3 30 Mực nước ngầm độ sâu (m) 9.5 Bảng Các thông số đất kết cấu móng mơ hình Hardening – Soil Lớp 1: Sét dẻo Lớp 2: Cát Lớp 3: Lớp 4: Sét Lớp 5: Cát thấp lẫn cát, sét, trạng Cát sét béo - Sét sét - Cát bụi, trạng thái dẻo thái chặt Cát bụi, gầy, trạng trạng thái Móng bè mềm đến dẻo xốp đến trạng thái thái chặt đến chặt cứng chặt vừa chặt vừa cứng Lớp đất Drained Drained Drained Drained Drained Linear elastic 20,25 19,93 20,12 21,06 20,98 25 21,25 19,93 20,12 21,06 20,98 22068 12195 26129 27697 42434 Eoed (kN/m ) 22068 12195 26129 27697 42434 νur 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 9,8 7,70 5,70 4,20 6,20 28,98 30,10 29,92 31,28 30,87 0,00 0,10 0,00 1,28 0,87 pref (kN/m ) 100 100 200 300 300 Chiều dày (m) 9,5 1,0 33,0 14,3 30,0 Type γunsat (kN/m3) γsat (kN/m ) ref E50 (kN/m ) 2 c (kN/m ) o φ() o ψ() Mực nước ngầm độ sâu (m) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 30000000 0,2 2,5 9,5 375 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình Quan hệ độ lún móng bề rộng móng ứng với p = 150 (kN/m2) Hình Quan hệ độ lún móng bề rộng móng ứng với p = 200 (kN/m2) Hình Quan hệ độ lún móng bề rộng móng với p = 250 (kN/m2) 376 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình Quan hệ độ lún móng áp lực đáy móng ứng với bề rộng móng 10 (m) Hình Quan hệ độ lún móng áp lực đáy móng ứng với bề rộng móng 20 (m) Hình Quan hệ độ lún móng áp lực đáy móng ứng với bề rộng móng 30 (m) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 377 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình 10 Quan hệ độ lún móng áp lực đáy móng ứng với bề rộng móng 40 (m) Dựa vào hình từ hình đến hình 10 nhận thấy rằng: độ lún móng tăng đáng kể kích thước móng tải trọng p tăng Nhưng tính tốn độ lún theo phương pháp lớp biến dạng tuyến tính, với chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính xác định theo cơng thức (2), cho kết tính lún phụ thuộc chủ yếu vào tải trọng cho kết tính lún nhỏ phương pháp tính tốn Khi kích thước móng tải trọng p tăng độ lún tính tốn theo phương pháp sai khác, chênh lệch lún lớn phương pháp tính tốn ứng với p = 150 kN/m2 kích thước móng 10x15 m2 52%, chênh lệch lún lớn phương pháp tính tốn ứng với p = 250 kN/m2 kích thước móng 40x60 m2 77,1% Độ lún móng tính theo phương pháp cộng lún lớp phân tố, mà tổng độ lún tính đến lớp phân tố có Si ≈ 0, độ lún tính theo Dalmatov cho kết tính tốn xấp xỉ nhau, chênh lệch lún phương pháp với kết mô Plaxis 3D thay đổi từ 8% đến 19% Nhưng chênh lệch lún phương pháp lớp biến dạng tuyến tính, với chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính xác định theo công thức (2) mô thay đổi từ 9,4% đến 59,3% Độ lún móng tính theo phương pháp cộng lún lớp phân tố, sử dụng điều kiện (2) tính tổng độ lún lớp phân tố lớp phân tố có Si ≈ 0, kết tính tốn cho kết sai khác nhiều thay đổi từ 23,55% đến 45,15% tùy theo kích thước tải trọng Độ lún tính theo phương pháp lớp biến dạng tuyến tính, với chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính xác định theo JGJ6-99, K.E.Egorov phương pháp cộng lún lớp phân tố sử dụng điều kiện (7) cho giá trị nằm phạm vi phương pháp lớp biến dạng tuyến tính, với chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính xác định theo cơng thức (2) mơ KẾT LUẬN Kết tính tốn độ lún định việc xác định phạm vi vùng chịu nén Nhưng cách xác định phạm vi vùng chịu nén theo phương pháp tác giả khác cho giá trị sai khác nhiều, chiều dày phụ thuộc vào kích thước 378 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 móng, tỷ số L/B (L- chiều dài; B - bề rộng móng), tải trọng cơng trình cấu tạo địa chất cơng trình Dựa vào kết phân tích mục (3), để bảo đảm an tồn cho cơng trình tính lún theo phương pháp cộng lún lớp phân tố, phạm vi vùng chịu nén nên xác định độ lún lớp phân tố Đối với phương pháp lớp biến dạng tuyến tính chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính nên xác định theo B.L Dalmatov Ngoài ra, cần quan trắc lún cơng trình để đưa cách xác định phạm vi vùng chịu nén phương pháp tính lún hợp lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 9362:201 Tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình [2] Vũ Cơng Ngữ Thiết kế tính tốn móng nơng, Trường Đại học Xây dựng, 1998 [3] Lê Quý An nnk Tính tốn móng theo trạng thái giới hạn, NXB Xây dựng, 1998 [4] Xiangfu Chen Settlement Calculation on High-Rise Buildings Theory and Application, Beijing: Science Press Phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 379 ... móng 40x60 m2 77,1% Độ lún móng tính theo phương pháp cộng lún lớp phân tố, mà tổng độ lún tính đến lớp phân tố có Si ≈ 0, độ lún tính theo Dalmatov cho kết tính tốn xấp xỉ nhau, chênh lệch lún. .. thước móng tải trọng p tăng độ lún tính tốn theo phương pháp sai khác, chênh lệch lún lớn phương pháp tính tốn ứng với p = 150 kN/m2 kích thước móng 10x15 m2 52%, chênh lệch lún lớn phương pháp tính. .. E < 10 MPa dày m độ lún tính theo phương pháp cộng lún lớp phân tố, khơng tính theo phương pháp lớp biến dạng tuyến tính 2.1 Phương pháp lớp biến dạng tuyến tính Dựa phương pháp đề nghị K.E.Egorov,