Phân tích ảnh hưởng tương tác của tường vây và nhóm cọc trong hệ móng bè cọc - tường vây

Trong nghiên cứu này, phân tích đối chiếu với công trình thực “Messeturm building” ở Frankfurt nước Đức. Một loạt các mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D được thực hiện cho các phương án móng khác nhau về khoảng cách giữa nhóm cọc và chiều dài tường vây.

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC CỦA TƯỜNG VÂY VÀ NHÓM CỌC TRONG HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY NGUYỄN NHỰT NHỨT * LÊ BÁ VINH, TÔ LÊ HƢƠNG Analysis of interaction effects of the diaphragm wall and the pile group in Piled raft foundations - Diaphragm wall Abstract: High-rise buildings with basements, Barrette pile diaphragm walls are constructed deeply into the ground at the bottom of the foundation to hold the soil, subject to horizontal soil pressure during the construction of deep excavation pits, foundation construction pile raft and basement floor, at the same time the diaphragm wall combined with raft and basement floor form a system of "Pile raft foundation - Diaphragm wall" (PRF-Dw) In this study, comparative analysis with real works "Messeturm building" in Frankfurt Germany A series of finite element analysis simulations using Plaxis 3D software was performed for different foundations of distance between pile group and diaphragm wall length The results of this study give the designer an overall view and properly assess the vertical load capacity of the diaphragm wall, proving that the optimal distance of the boundary piles and diaphragm walls is equal to or greater than times the road diameter of boundary pile (Sw ≥ 5dp) The behavior of load sharing in the system "Piled raft foundations - Diaphragm wall" (PRF-Dw), load-sharing for the pile group from 45% to 55%, load-sharing for the raft from 20% to 25% and load-sharing for the diaphragm wall from 20% to 35% Keywords: Reinforced concrete sluices, numerical analysis, piled raft foundation, PLAXIS 3D ĐẶT VẤN ĐỀ * Móng bè - cọc loại móng kết hợp khả mang tải bè nhóm cọc [1], [2], [3] Một số trường hợp áp dụng móng bè cọc cho tịa nhà cao tầng giới [Bảng 1] Các cơng trình nhà cao tầng có tầng hầm, tường vây cọc Barrette thi cơng cắm sâu vào đất đáy móng để chắn giữ đất, chịu áp lực đất theo phương ngang giai đoạn thi công hố đào sâu, thi cơng hệ móng bè cọc sàn tầng hầm, đồng thời tường vây liên kết với bè sàn tầng hầm tạo thành hệ “Móng bè cọc - Tường vây” (PRF-Dw) [Hình 2] Trong nghiên cứu, xem xét khả * Bộ môn Địa – Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Email: nguyennhutnhut@hcmut.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 mang tải bè cọc mà chưa xem xét đến khả mang tải đứng tường vây, ảnh hưởng tương tác tường vây nhóm cọc mơ hình làm việc chung hệ “Móng bè cọc - Tường vây" [4], [5], [6] Trong nghiên cứu này, phân tích đối chiếu với cơng trình thực “Messeturm building” Frankfurt nước Đức Một loạt mơ phân tích phần tử hữu hạn phần mềm Plaxis 3D thực cho phương án móng khác khoảng cách nhóm cọc chiều dài tường vây Khảo sát ảnh hưởng tương tác tường vây nhóm cọc, khoảng cánh chiều dài tường vây đến tương tác phân chia tải cho bè, nhóm cọc tường vây Kết nghiên cứu giúp cho người thiết kế đánh giá khả mang tải đứng tường vây, biết khoảng cách tối ưu 51 hàng cọc biên tường vây, qua giảm bớt số lượng cọc không cần thiết hướng đến phương án “Móng bè cọc - Tường vây" tối ưu tiết kiệm Bảng 1: Bảng tổng hợp số cơng trình giới sử dụng giải pháp móng bè cọc STT Cơng trình Chiều cao, tầng Truyền tải (%) Độ lún lớn Cọc Bè Smax (mm) Messeturn, Frankfurt 256m, 60 tầng 57 43 144 Westend 1, Frankfurt 208m, 53 tầng 49 51 120 Commerzbank, Frankfurt (PF) 259m, 56 tầng 96 19 Skyper, Frankfurt 153m, 38 tầng 63 27 55 Messe-Torhaus, Frankfurt 130m, 30 tầng 75 25 N.A Treptower, Berlin 125m, 32 tầng 55 45 73 QV1, Perth, West Australia 163m, 40 tầng 70 30 40 Petronas, Kuala Lampur (PF) 450m, 88 tầng 85 15 40 Ghi chú: (PF) Giải pháp móng bè cọc; (D) Phân phối tải theo tính tốn; N.A.= Khơng có thơng tin ỨNG XỬ TƢƠNG TÁC CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƢỜNG VÂY Móng bè cọc hệ móng kết hợp từ hai thành phần: nhóm cọc bè [Hình 1] Tổng phản lực móng bè cọc Rtotal: Rtotal  Rraft   Rpile,i  Stot (1) Ứng xử phân chia tải cho Bè – Nhóm cọc – Tường vây phức tạp ảnh hưởng tương tác móng [Hình 2] Khả mang tải Móng bè cọc - Tường vây gồm ba thành phần: bè, nhóm cọc, tường vây Qrpw  Qr  Q p  Qw w  Qw Qrpw p  Qp Qrpw (3) (4) (2) đó, Qrpw = khả mang tải hệ móng bè cọc - tường vây; Qr = khả mang tải bè; Qp = khả mang tải nhóm 52 cọc; Qw = khả mang tải tường vây Khả mang tải Móng bè cọc - Tường vây kết hợp từ khả mang tải bè, nhóm cọc khả mang tải tường vây, ứng xử phân chia tải mô tả hệ số phân chia tải tường vây α w hệ số phân chia tải nhóm cọc βp , áp dụng cho tổng tải tác dụng lên hệ móng bè cọc - tường vây đưa sau: đó, Qw = khả mang tải tường vây; Qp = khả mang tải nhóm cọc; Qrpw = khả mang tải hệ Móng bè cọc Tường vây ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 diaphragm wall raft pile  Tương tác cọc – đất;  Tương tác cọc – cọc;  Tương tác bè – đất;  Tương tác bè – cọc; Hình 1: Hiệu ứng tương tác đất cấu trúc móng cọc đài bè Katzenbach et al (1998) and Katzenbach et al (2000) MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU 3.1 Phân tích tham số mơ hình thực Cơng trình tịa tháp Messeturm xây dựng đất Sét Frankfurt nước Đức Công trình có chiều cao 256m, kết cấu móng cơng trình móng bè cọc với kích thước bè hình vng có bề rộng 58.8m, chiều dày bè thay đổi từ m đến m cạnh móng, tổng số 64 cọc có đường kính cọc 1.3 m chiều dài cọc thay đổi Cọc bố trí thành mơ hình vịng Vịng gồm có 16 cọc với chiều dài cọc 34.9 m, vịng gồm có 20 cọc với chiều dài cọc 30.9 m, vịng ngồi gồm có 28 cọc với chiều dài cọc 26.9 m [Hình 3] Tổng tải trọng 1818.7 MN, bao gồm trọng lượng tòa nhà trọng lượng thân bè, áp dụng với dạng áp lực thẳng đứng lên móng bè cọc (Reul 2000) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020  Tương tác cọc – đất;  Tương tác bè – đất;  Tương tác tường vây – đất;  Tương tác cọc – cọc  Tương tác bè – cọc;  Tương tác tường vây – cọc;  Tương tác tường vây – bè;  Tương tác tường vây – tường vây Hình 2: Ứng xử tương tác hệ Móng bè cọc - Tường vây Các nghiên cứu trước sử dụng điều cho việc áp dụng khối kiến trúc gộp lại vào đơn vị móng (Tabesh Poulos 2007; Castelli Maugeri 2009) Bảng 2: Thơng số mơ hình bè cọc nhập vào phần mềm Plaxis 3D (Dữ liệu từ Reul 2000) Tham số Trong lượng riêng Mô đun đàn hồi Hệ số Poisson Ký hiệu / đơn vị γ (kN/m3) E (kN/m2)  Bè Cọc 25 25 34106 25106 0,2 0,2 53 256 m Hình 3: Tịa tháp Messeturm mơ hình bố trí cọc (phỏng theo Katzenbach at al 2005) Hình 4: Mơ hình móng bè cọc phần mềm Plaxis 3D Bảng 3: Thơng số mơ hình đất Sét Frankfurt sỏi sạn, cát nhập vào phần mềm Plaxis 3D (Dữ liệu từ Berth 1970 Reul 2000) Tham số Chiều dày lớp đất Dung trọng tự nhiên Dung trọng bão hòa Độ cứng cát tuyến 54 Ký hiệu / đơn vị L (m) γunsat (kN/m3) γsat (kN/m3) E50 ref (kN/m2) Sỏi sạn cát 18,00 18,19 75103 Sét Frankfurt 90 19,00 19,00 70103 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Tham số Độ cứng tiếp tuyến Độ cứng dỡ tải / gia tải lại Hệ số lượng Ứng suất tham chiếu Lực dính Góc nội ma sát Hệ số rỗng ban đầu Hệ số thấm ngang Hệ số thấm đứng Hệ số tiếp xúc Ký hiệu / đơn vị Eoed ref (kN/m2) Eur ref (kN/m2) m Pref (kN/m2) c‟ref (kN/m2) φ‟ (độ) einit kx = ky (m/ngày) Kz (m/ngày) Rinter Hình 5: Độ lún móng bè cọc thu thông qua Plaxis 3D Sỏi sạn cát 75103 225103 0,5 100 30 0,5 1 Sét Frankfurt 70103 210103 0,85 100 20 20 0,65 0,518410-3 0,259210-3 0.8 Hình 6: Độ lún móng bè cọc thu thông qua Plaxis 3D Bảng 4: Kết phân chia tải thông qua Plaxis 3D kết đo đƣợc trƣờng Tổng tải trọng công tình (kN) 1818700 Móng bè cọc Kết thu thông qua Plaxis 3D Kết đo trường Cọc Bè 1010052 808648 Truyền tải (%) 56 44 Truyền tải (%) 57 43 Phân chia tải (kN) Qua phân tích phần tử hữu hạn Plaxis 3D [Hình 4], [Hình 5], cho thấy độ lún lớn móng bè cọc thu 149.5 mm độ lún đo trường vào ngày 17/12/1998 144 mm [Hình 6] Kết phân tích Plaxis ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 3D cho thấy phần trăm truyền tải lên cọc 56%, bè 44% thực tế trường đo phần trăm truyền tải lên cọc 57%, bè 43% [Bảng 4] So sánh kết phân tích thu từ Plaxis 3D kết đo 55 trường có tương đồng độ lún ứng xử phân chia tải bè – cọc Từ kết phân tích tải tĩnh, ta quan sát thấy kết phân tích từ phần tử hữu hạn Plaxis 3D mô phép đo chỗ cách hợp lý, định tính định lượng, xác nhận mơ hình số Do đó, mơ hình số tác giả sử dụng để phân tích ứng xử móng bè cọc Tháp Messeturm điều kiện tải tĩnh khác 3.2 Phân tích mơ hình Móng bè cọc Tƣờng vây Xuất phát từ mơ hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D móng bè cọc Tháp Messeturm kiểm chứng hợp lý, định tính định lượng, xác nhận mơ hình số [Hình 7] Để phân tích ảnh hưởng tương tác tường vây nhóm cọc hệ Móng bè cọc Tường vây, tác giả tiến hành khảo sát khoảng cách chiều dài tường vây đến ảnh hưởng đến phân chia tải cho bè, nhóm cọc tường vây [Hình 8] [Bảng 5] Tường vây hệ cọc barrette riêng biệt bố trí gài với nhau, mà độ cứng hệ tường vây làm việc theo phương đứng, mô men kháng uốn Tường vây theo phương ngang khơng [Hình 9] Tường vây mơ Plaxis 3D kết cấu với loại vật việu bất đẳng hướng [Hình 10] Bảng 5: Tham số mơ hình phân tích ảnh hƣởng tƣơng tác Móng bè cọc - Tƣờng vây Tham số Ký hiệu Giá trị Chiều dày bè [Hình 3] dR (m) 6÷3 Đường kính cọc [Hình 3] dP (m) 1,3 Chiều dài cọc [Hình 3] LP (m) 26,9 ÷ 30,9 ÷ 34,9 Chiều dày tường vây dW (m) 0,8 Khoảng cách cọc vịng ngồi tường vây SW (m) 1dP ; 2dP ; 3dP ; 4dP ; 5dP ; 6dP ; 7dP ; 8dP Khoảng cách vòng cọc SP (m) 5dP Chiều dài tường vây LW (m) 5; 10 ; 15 ; 20 ; 25 ; 30 Hình 7: Mơ hình Móng bè cọc Tháp Messeturm 56 Hình 8: Mơ hình Móng bè cọc - Tường vây ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 9: Mơ hình Tường cọc Barrette quy đổi tương đương Plaxis 3D Hình 10: Mơ hình Móng bè cọc - Tường vây Plaxis 3D KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MĨNG BÈ CỌC - TƢỜNG VÂY Trên [Hình 11], phần trăm truyền tải lên nhóm cọc tăng khoảng cách tường vây cọc biên Sw < 5dp , khoảng cách tường vây cọc biên S w > 5dp phần trăm truyền tải lên nhóm cọc khơng tăng có sưu hướng giảm Trên [Hình 12], phần trăm truyền tải lên tường vây tăng khoảng cách tường vây cọc biên Sw tăng lên, tường vây góp phần tham gia mang tải hiệu chiều dài tường vây Lw ≥ 10m khoảng cách tường vây cọc biên S w ≥ 5dp Trên [Hình 13], phần trăm truyền tải lên bè giảm khoảng cách tường vây cọc biên Sw < 5dp , khoảng cách Sw > 5dp phần trăm truyền tải lên bè gần khơng thay đổi có sưu hướng tăng chiều dài tường vây Lw ≤ 10m Phân chia tải trọng cơng trình lên tường vây hệ móng bè cọc lớn, khoảng cách tường vây với cọc biên S w ≥ 5dp chiều dài tường vây Lw ≥ 0.5LP , phân chia tải cho nhóm cọc 45% đến 55%, phân chia tải cho cho bè 20% đến 25% phân chia tải cho tường vây 20% đến 35% Độ lún Móng bè cọc – Tường vây có khoảng cách tường vây với cọc biên Sw ≥ 5dp chiều dài tường vây Lw ≥ 0.5LP tương đồng với nhau, độ lún giảm dần đạt giá trị độ lún 138mm chiều dài tường vây Lw = LP , [Hình 14] Hình 11: Biểu đồ truyền tải lên nhóm cọc theo khoảng cách tường vây cọc biên, với chiều dài tường vây khác Hình 12: Biểu đồ truyền tải lên tường vây theo khoảng cách tường vây cọc biên, với chiều dài tường vây khác ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 57 Hình 13: Biểu đồ truyền tải lên bè theo khoảng cách tường vây cọc biên, với chiều dài tường vây khác Hình 14: Biểu đồ độ lún móng bè cọc – tường vây theo chiều dài tường vây, với khoảng cách tường vây cọc biên khác Hình 15: Biểu đồ truyền tải lên Bè Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách tường vây cọc biên Sw = 1dp , với chiều dài tường vây khác Hình 16: Biểu đồ truyền tải lên Bè Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách tường vây cọc biên Sw = 4dp , với chiều dài tường vây khác Hình 17: Biểu đồ truyền tải lên Bè Nhóm cọc – Tường vây theo khoảng cách tường vây cọc biên Sw = 5dp , với chiều dài tường vây khác Hình 18: Biểu đồ truyền tải lên Bè Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách tường vây cọc biên Sw = 8dp , với chiều dài tường vây khác 58 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 19: Biểu đồ lực dọc cọc biên với chiều dài tường vây Lw = 15 m, theo độ sâu khoảng khoảng cách tường vây cọc biên (đường kính cọc dp = 1.3 m) So sánh biểu đồ truyền tải Móng bè cọc – Tường vây [Hình 15], [Hình 16], [Hình 17], [Hình 18], phần trăm chuyền tải lên bè giảm nhiều phần trăm truyền tải lên nhóm cọc giảm tăng chiều dài tường vây L w = (5 † 10)m Điều đặc biệt chiều dài tường vây L w ≥ 15m, tức chiều dài tường vây lớn 1/2 lần chiều dài nhóm cọc phần trăm chia tải lên bè gần khơng thay đổi, lúc có nhóm cọc tường vây ảnh hưởng tương tác phân chia tải với Khảo sát lực dọc cọc biên có kích thước, khoảng cách mơ hình Móng bè cọc Móng bè cọc – Tường vây [Hình 19], ta thấy tải tác dụng lên đầu cọc 15280 kN cho trường hợp Móng bè cọc khơng có tường vây có tham gia gánh tải tường vây cách cọc biên Sw = 1dp tải tác dụng lên đầu cọc 10822 kN, sức chịu tải cọc biên bị giảm 30% tham gia gánh tải tường vây ảnh hưởng tương tác cọc biên với tường vây Nhưng tăng khoảng cách tường vây cọc biên lên Sw = 5dp giá trị tải tác dụng lên đầu cọc 14200 kN, sức chịu tải cọc biên giảm 7% Đồng thời tăng khoảng cách cọc tường vây lên S w = 6dp, Sw = 7dp, Sw = 8dp tải tác dụng lên đầu cọc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 biến động không nhiều khoảng 14500 kN, sức chịu tải cọc biên giảm 5% Để trách ảnh hưởng tương tác tường vây đến khả chịu tải cọc biên khoảng cách cọc biên tường vây xa tốt, qua phân tích khoảng cách cọc biên tường vây S w ≥ 5dp tải tác dụng lên đầu cọc biên tăng lên không nhiều, tức ảnh hưởng tương tác cọc biên tường vây nhỏ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong hệ Móng bè cọc - Tường vây, ứng xử phân chia tải cho Nhóm cọc từ 45% đến 55%, phân chia tải cho cho Bè 20% đến 25% phân chia tải cho Tường vây 20% đến 35% Để tường vây làm việc hiệu quả, tường vây tham gia gánh tải trọng cơng trình tốt chiều dài tường vây lớn phân chiều dài nhóm cọc (Lw ≥ 0.5Lp) Khoảng cách Tường vây cọc biên có tác động lớn đến ứng xử phân chia tải hệ Móng bè cọc - Tường vây Để tránh hiệu ứng nhóm cọc tường vây làm cho khả chịu tải cọc biên làm việc khơng hiệu khoảng cách tường vây cọc biên làm việc tối ưu lớn lần đường kính cọc biên (Sw ≥ 5dp) Tường vây hệ Móng bè cọc - Tường vây góp phần làm giảm độ lún bè, tường vây tham gia mang tải, phân bố lại biên dạng lún đất móng phạm vi chiều dài tường vây làm mở rộng diện tích truyền tải lên đất chân tường vây góp phần làm giảm độ lún đất bên tường vây Trong trường hợp thiết kế Móng bè cọc cho cơng trình có tầng hầm buộc phải thi công tường vây hố đào để thi cơng hệ kết cấu móng, người thiết kế cần thiết kế tổng thể khả chịu tải ngang mang tải đứng hệ tường vây nhầm tận dụng tối đa khả mang tải tường vây hệ kết cấu móng “Móng bè cọc - Tường vây” 59 Nghiên cứu tài trợ trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh khn khổ đề tài mã số T-KTXD-2019-83 Lời cảm ơn Chúng xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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 [2] Clancy P, Randolph MF Simple design tools for piled raft foundations Geotechnique 1996;46(2):313–28 [3] Poulos HG Piled raft foundations: design and applications Geotechnique 2001;51(2):95–113 [4] Katzenbach R, Schmitt A High - Rise Buildings in Germany Soil - Structure Interaction of Deep Foundations Fifth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering New York, NY, April 13-17, 2004 [5] Sales MM, Small JC, Poulos HG Compensated piled rafts in clayey soils: behaviour, measurements, and predictions Can Geotech J Vol 47, 2010 p 327–345 [6] Kumar A, Choudhury D, Katzenbach R: Effect of Earthquake on Combined Pile– Raft Foundation International Journal of Geomechanics, © ASCE, ISSN 1532-3641; 2016 p 040613-1– 040613-16 Người phản biện: PGS, TS NGUYỄN VĂN DŨNG 60 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 ... Để phân tích ảnh hưởng tương tác tường vây nhóm cọc hệ Móng bè cọc Tường vây, tác giả tiến hành khảo sát khoảng cách chiều dài tường vây đến ảnh hưởng đến phân chia tải cho bè, nhóm cọc tường vây. .. bè cọc (Reul 2000) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020  Tương tác cọc – đất;  Tương tác bè – đất;  Tương tác tường vây – đất;  Tương tác cọc – cọc  Tương tác bè – cọc;  Tương tác tường vây – cọc;  Tương. .. tải tường vây Khả mang tải Móng bè cọc - Tường vây kết hợp từ khả mang tải bè, nhóm cọc khả mang tải tường vây, ứng xử phân chia tải mô tả hệ số phân chia tải tường vây α w hệ số phân chia tải nhóm