Ứng dụng phương pháp PDR và phương pháp phần tử hữu hạn phân tích móng bè cọc của cống kênh

Thông qua việc so sánh hai phương pháp tính PDR và phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis 3D cho kết cấu móng bè cọc cống kênh và các trường hợp tối ưu hóa bố trí cọc dưới bè đáy cống kênh. Bài viết trình bày cách thiết kế kết cấu móng cho công trình cụ thể, tối ưu hóa bố trí cọc cho móng bè cọc cống kênh.

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PDR VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN PHÂN TÍCH MĨNG BÈ CỌC CỦA CỐNG KÊNH NGUYỄN NHỰT NHỨT* LÊ BÁ VINH NGUYỄN TOÀN KHOA Application of PDR and finite element method to analyze piled raft foundation of reinforced concrete sluice Abstract: Reinforced concrete sluices are used to control and regulate the flow of water in irrigation systems With the setting of the structure, the bottom plate of sluices is also the foundation on the reinforced concrete pile foundation, so the foundation structure of the sluices works as a piled raft foundation system The method of calculating the piled raft foundation sluices with the concept that the piles bear the entire vertical load of the building and spread evenly the piles on the bottom plate of sluices are applied by many designers, which helps to quickly calculate and arrange the piles simplified but will not accurately reflect the working model of the actual foundation system The author applied the PDR (Poulous - Davis Randolph) method and the Plaxis 3D finite element method to analyze the piled raft foundation sluices and evaluate the applicability of the two methods to each stage of foundation design Proposing an effective piles arrangement under the bottom plate of sluices to optimize the arrangement of the piles under the raft to help maximize the load capacity of the pile and save 33% of the number of piles arranged under the bottom plate of sluices Keywords: Reinforced concrete sluices, numerical analysis, piled raft foundation, PLAXIS 3D ĐẶT VẤN ĐỀ * Đối với cơng trình cống kênh thủy lợi có nhiệm vụ kiểm sốt, điều tiết nguồn nƣớc (mặn, lợ, ngọt), Hình Bản đáy cống kênh đặt trực tiếp cọc bê tông cốt thép đất bên dƣới, hệ kết cấu móng cống kênh làm việc nhƣ hệ móng bè cọc, Hình Thơng thƣờng, ngƣời thiết kế tính tốn kết cấu móng với quan niệm cọc chịu tồn tải trọng đứng cơng trình bố trí rãi cọc dƣới đáy Có thể thấy rằng, * Bộ mơn Địa - Nền móng, khoa K 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 với quan niệm tính tốn nhanh bố trí cọc đơn giản khơng phản ánh mơ hình làm việc hệ móng ngồi thực tế, Hình Hiện nay, có nghiên cứu phƣơng pháp tính tốn móng bè cọc làm việc đồng thời [1], [2], [3] Tác giả ứng dụng phƣơng pháp giải tích theo lý thuyết Poulous - Davis - Randolph (PDR) để phân tích ứng xử phân chia tải móng bè cọc cống kênh sử dụng phƣơng pháp số để mô lại móng bè cọc cống kênh phần mềm Plaxis 3D Kết phân tích giúp ta hiểu rõ làm việc thực tế móng bè cọc có phƣơng án bố trí cọc làm việc tối ƣu hiệu kinh tế nhƣng đảm bảo cơng trình ổn định 69 THIẾT KẾ KẾT CẤU MĨNG CHO CƠNG TRÌNH CỤ THỂ 2.1 Móng bè cọc cống kênh Hình Cống kênh thủy lợi Hình Móng bè cọc cống kênh Hình Mặt bố trí cọc cống kênh  Tương tác cọc-đất;  Tương tác cọc-cọc;  Tương tác bè-đất;  Tương tác bè-cọc; Hình Hiệu ứng tương tác đất móng bè cọc Katzenbach et al (1998) and Katzenbach et al (2000) 70 Cơng trình cống Kênh Chợ thuộc xã Nhơn Ái, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ với kích thƣớc móng bè cọc có chiều dài L m = 14m chiều rộng Bm = 7m, chiều dày đáy d m = 1,2m, chiều dày thành t = 0.8m, tổng tải tác dụng lên bè bao gồm cơng trình bên cống trọng lƣợng thân cống Q = 7650kN Cơng trình sử dụng cọc bê tông cốt thép vuông cạch (0.3x0.3)m, chiều dài cọc L c = 23,5m với sức chịu tải cọc theo thiết kế P tk = 470kN Số lƣợng cọc cần bố trí dƣới bè n = 30 cọc, Hình 2.2 Phƣơng pháp Poulous - Davis Randolph (PDR) phƣơng pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis 3D) Tổng hợp từ nhiều nghiên cứu giới, tác giả chia phƣơng pháp phân tích móng bè cọc thành nhóm sau: Nhóm 1: Phƣơng pháp tính tốn đơn giản Nhóm 2: Phƣơng pháp tính gần dựa vào máy tính ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Nhóm 3: Phƣơng pháp tính tốn xác dựa vào máy tính Phương pháp tính tốn đơn giản bao gồm phƣơng pháp Poulos Davis (1980) [4], Randolph (1983) [5], Poulos (2001) [6] Các phƣơng pháp đƣợc xây dựng dựa lý thuyết đàn hồi tuyến tính Phương pháp phần tử hữu hạn phƣơng pháp mạnh để phân tích móng bè cọc Trong phƣơng pháp này, kết cấu gồm bè cọc đƣợc rời rạc hóa Khi số lƣợng phƣơng trình cân lớn, tính tốn dựa vào máy tính tác giả sử dụng phần mềm Plaxis 3D Với phƣơng pháp PDR, xác định tải tác dụng lên cọc lớn nhỏ nhất, tính khả mang tải nhóm cọc, khả mang tải bè độ lún móng bè cọc Móng bè cọc thỏa điều kiện tải trọng tác dụng lên cọc thỏa điều kiện độ lún móng bè cọc cống kênh Bảng Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng độ lún móng bè cọc, tính theo PDR Bảng 2: Bảng phân chia tải móng bè cọc cống kênh tính theo PDR Hình Mơ hình móng bè cọc phần mềm Plaxis 3D  Kết phân tích móng bè cọc cống kênh theo phƣơng pháp PDR: Bảng 1: Bảng kiểm tra tải tác dụng lên cọc độ lún móng bè cọc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Cọc chịu Qp (kN) 7.427 Bè chịu Qr (kN) 223 % cọc chịu αp 97,09 % Bè chịu αr 2,91 Tổng tải Q (kN) 7.650 Ta thấy Hình độ lún móng tăng cao phần trăm phân chia tải lên bè tăng phân chia tải lên nhóm cọc giảm Theo Bảng nhận xét thấy phần trăm phân chia tải lên bè chiếm khoảng 3% khơng đáng kể, độ lún móng bè cống kênh khoảng 2,5cm không lớn  Kết phân tích móng bè cọc cống kênh theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis 3D: 71 Bảng Thông số địa chất lớp đất mô hình PLAXIS 3D Thơng Lớp Lớp Lớp Lớp Lớp số (SM) (OH) (CH) (CH) (SM) 4,50 13,30 3,80 4,80 20,10 HS HS HS HS HS 18,80 15,70 17,40 19,30 18,80 20,60 15,77 17,48 19,88 23,60 Chiều dày Mơ hình γunsat (kN/m3) γsat (kN/m3) kx 2,33E- 3,39E- (m/day) 3,67E- 1,728 2,33E- 05 05 05 1,16E- 1,70E- 1,84E- 05 05 05 9809 1665 2596 8582 7847 9809 1665 2596 8582 7847 29427 4995 7788 25746 23541 0,8 0,77 0,900 0,600 0,700 25,60 11 20 15,00 25,60 υ' (độ ) 17,45 9,92 18 26,20 17,45 Ψ (độ ) 0 0 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 100 100 100 100 100 0,700 0,828 0,691 0,560 0,700 ky (m/day) E50 ref (kN/m2) Eeodref (kN/m2) Eurref (kN/m2) m (-) c’ref (kN/m2) υur (-) pref (kN/m2) K0nc (-) 0,864 05 1,17E05 Để tƣơng đồng với phƣơng pháp tính PDR bỏ qua độ cứng thành cống kênh, xem tổng tải tác dụng lên bè tải phân bố với giá trị q = Q/(Bm.Lm) = 7650/(7x14) = 78,06 kN/m2 Lực dọc cọc Hình 8, tải tác dụng lên cọc lớn |N|max = 369.9kN < Ptk = 470 kN, thỏa điều kiện tải trọng tác dụng lên cọc thỏa điều kiện độ lún móng bè cọc cống kênh Bảng 72 Hình Lưới chuyển vị mơ hình Plaxis 3D Hình Lực dọc cọc Plaxis 3D Bảng 4: Bảng kiểm tra độ lún móng bè cọc, mô Plaxis 3D Bảng 5: Bảng phân chia tải móng bè cọc cống kênh tính theo Plaxis 3D ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Cọc chịu Qp (kN) 7.276 Bè chịu Qr (kN) 374 % cọc chịu αp 95,11 % Bè chịu αr 4,89 Tổng tải Q (kN) 7.650 Phần trăm chia tải lên bè thấp khoảng 5% Bảng 5, độ lún bè không lớn khoảng 2cm Bảng  So sánh kết tính tốn theo phƣơng pháp PDR Plaxis 3D phần trăm chia tải móng bè cọc Hình 10, ta nhận thấy phân chia tải lên bè nhỏ khoảng dƣới 5% tải trọng cơng trình tác dụng theo phƣơng đứng khơng q lớn, độ lún móng bè cọc khơng lớn Nhƣ nói trên, khả tham gia gánh tải cơng trình bè có hiệu cao móng bè cọc đạt độ lún lớn TỐI ƢU HĨA BỐ TRÍ CỌC CHO MĨNG BÈ CỌC CỐNG KÊNH Trong phƣơng án móng bè cọc cho cơng trình cống kênh, việc bố trí cọc cho tối ƣu hiệu cần đƣợc quan tâm cách nghiêm túc hơn, lúc bố trí cọc với phƣơng án rãi cọc dƣới bè Tác giả tiến hành khảo sát tiếp tục mơ hình móng bè cọc cống kênh với phƣơng án 30 cọc nhƣ Hình 4, Hình 11 xem xét loại bỏ rút ngắn cọc chịu tải nhỏ, làm việc khơng hiệu Hình Độ lún móng bè cọc cống kênh tính theo PDR Plaxis 3D Hình 10 Phần trăm chia tải móng bè cọc cống kênh theo PDR Plaxis 3D Độ lún móng bè cọc cống kênh tính theo PDR Plaxis 3D Hình có tƣơng đồng nhau, nhƣng sƣu hƣớng tính lún theo phƣơng pháp PDR cho độ lún móng bè cọc lớn độ lún móng bè tính theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn Plaxis 3D Điều đặt biệt ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 11 Mơ hình đối xứng móng bè cọc Plaxis 3D 73 Hình 12 Móng bè cọc cống kênh TH1: L0 = L3 = L2 = L1 = 23,5m Hình 16 Móng bè cọc cống kênh TH5: L0 = L3 = L2 = 23,5m, L1 = 0m Hình 13 Móng bè cọc cống kênh TH2: L0 = L3 = 23,5m; L2 =19,5m; L1 =15,5m Hình 17 Móng bè cọc cống kênh TH6: L0 = L3 = 23,5m L2 = L1 = 0m Hình 14 Móng bè cọc cống kênh TH3: L0 =23,5m; L3 =19,5m ; L2 =15,5m; L1 =11,5m Hình 15 Móng bè cọc cống kênh TH4: L0 =23,5m; L3 =15,5m; L2 = L1 =11,5m 74 Hình 18 Móng bè cọc cống kênh TH7: L0 = 23,5m L3 = L2 = L1 = 0m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 19 Lực dọc cọc TH1 Do đặc điểm phân bố lực cống kênh tập trung phân bổ nhiều vị trí thành cống ngồi mép biên bè móng, mà tải trọng tác dụng nhiều vào cọc biên, cọc (cọc L3, cọc L2, cọc L1) chịu tác dụng tải trọng nhỏ nhiều nhƣ Hình 19 Từ hiệu làm việc cọc không nhiều, nên tác giả khảo sát trƣờng hợp cắt giảm chiều dài cọc L1, L2, L3 trƣờng hợp loại bỏ cọc L1, L2, L3 nhƣ Hình 13; Hình 14; Hình 15; Hình 16; Hình 17; Hình 18 Hình 20 Giá trị độ lún trường hợp cắt giảm cọc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 21 Giá trị độ lún trường hợp loại bỏ cọc Hình 22 Phần trăm chia tải móng bè cọc trường hợp cắt giảm cọc Hình 23 Phần trăm chia tải móng bè cọc trường hợp loại bỏ cọc 75 Hình 24 Lực dọc cọc TH7 Độ lún trƣờng hợp cắt giảm chiều dài cọc Hình 20 trƣờng hợp loại bỏ cọc Hình 21 khơng thay đổi nhiều, khoảng 2cm Trên Hình 22, Hình 23 nhận thấy việc cắt giảm chiều dài cọc loại bỏ cọc L 3, L2, L1 không làm ảnh hƣởng nhiều đến khả mang tải cọc, khoảng 95% Từ phƣơng án tối ƣu hóa bố trí cọc dƣới bè cống kênh phƣơng án loại bỏ hết cọc làm việc không hiệu trƣờng hợp TH7 đem lại hiệu tiết kiệm giảm đƣợc 10 cọc bố trí dƣới bè, tiết kiệm đƣợc 33% số lƣợng cọc nhƣng đảm bảo đƣợc khả chịu tải cọc |N| max =468,2kN < Ptk =470 kN thỏa điều kiện độ lún móng bè cọc cống kênh S = 2cm < [S] = 8cm KẾT LUẬN Thông qua việc so sánh hai phƣơng pháp tính PDR phƣơng pháp phần tử hữu hạn Plaxis 3D cho kết cấu móng bè cọc cống kênh trƣờng hợp tối ƣu hóa bố trí cọc dƣới bè đáy cống kênh, tác giả rút đƣợc kết luận nhƣ sau: - Kết tính tốn theo phƣơng pháp PDR phƣơng pháp phần tử hữu hạn Plaxis 3D cho kết độ lún phân chia tải móng bè cọc tƣơng đƣơng nhau, nhƣng phƣơng pháp PDR không xem xét đƣợc độ lún lệch 76 móng, nhƣ nội lực bè cọc Do đó, phƣơng pháp PDR nên đƣợc sử dụng tính tốn thiết kế sơ móng bè cọc, để xem đầy đủ yếu tố hình dạng kết cấu đáy, thành cơng trình phụ trợ bên cống làm việc đồng thời với đất ta cần phải sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để mơ phân tích đắng - Tối ƣu hóa bố trí cọc dƣới bè giúp tận dụng tối khả chịu tải cọc tiết kiệm đƣợc 33% số lƣợng cọc bố trí dƣới đáy cống kênh Việc bố trí cọc dƣới móng bè cọc cống kênh cần đƣợc xem thật cẩn thận mà tải trọng tác dụng lên bè tập trung cục thành cống, cần tập trung bố trí cọc dọc theo bên dƣới thành cống dọc theo mép biên bè (bố trí cọc theo chu vi đáy cống giúp cho cống kênh chịu tải trọng ngang tốt đóng cửa cống chặn dòng nước) 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Katzenbach R, Arslan U, Moormann C (2000) ―Piled raft foundation projects in Germany‖ Design Applications of Raft Foundations, Hemsley Thomas Telford, London; pp 323–91 [2] Badelow, F., Kim, S., Poulos, H.G and Abdelrazaq, A (2009) ―Foundation design for a tall tower in a reclamation area‖ Proc 7th Int Conf Tall Buildings, Hong Kong, Ed F.T.K Au, Research Publishing, pp.815-823 [3] Yamashita K, Hamada J, Soga Y (2010) ―Settlement and load sharing of piled raft of a 162m high residential tower‖ In: Proc international conference on deep foundations ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 and geotechnical in situ testing, Shanghai, China; pp 26–33 [4] H G Poulos and E H Davis, Pile Foundation Analysis and Design New York: Wiley, 1980 [5] M F Randolph, Design of pile raft foundations: Cambridge University Engineering Department, 1983 [6] H Poulos, ― Pile raft foundations: design and applications,‖ Geotechnique, vol 51, pp 95-113, 2001 [7] PLAXIS 3D Manual 2018 Người phản biện: PGS,TS NGUYỄN VĂN DŨNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 77 ... THỂ 2.1 Móng bè cọc cống kênh Hình Cống kênh thủy lợi Hình Móng bè cọc cống kênh Hình Mặt bố trí cọc cống kênh  Tương tác cọc- đất;  Tương tác cọc- cọc;  Tương tác bè- đất;  Tương tác bè- cọc; Hình... độ lún móng bè cọc cống kênh Bảng Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng độ lún móng bè cọc, tính theo PDR Bảng 2: Bảng phân chia tải móng bè cọc cống kênh tính theo PDR Hình Mơ hình móng bè cọc phần mềm... phân chia tải lên bè chiếm khoảng 3% không đáng kể, độ lún móng bè cống kênh khoảng 2,5cm khơng lớn  Kết phân tích móng bè cọc cống kênh theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis 3D: