Phân tích sự làm việc của bè móng trên hệ cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CAO VĂN HĨA PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MÓNG TRÊN HỆ CỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CAO VĂN HĨA PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MÓNG TRÊN HỆ CỌC Địa kỹ thuật xây dựng Chuyên ngành: Mã số chuyên ngành: 62.58.60.01 Phản biện độc lập 1: GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ Phản biện độc lập 2: PGS TS CHÂU TRƢỜNG LINH Phản biện 1: GS TS TRẦN THỊ THANH Phản biện 2: PGS TS TRẦN TUẤN ANH Phản biện 3: PGS TS NGUYỄN MINH TÂM NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS CHÂU NGỌC ẨN 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, không chép từ nguồn dƣới hình thức nào.Việc tham khảo nguồn tài liệu đƣợc 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 nƣớc 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 tƣơng đối mỏng (Dubai Tower cao 400 m, bề dày 2,5 m) Do việc nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng bè làm việc đồng thời kết cấu – bè – cọc, có ý nghĩa lý luận thực tiễn nhằm làm sáng tỏ vai trị ổn định tổng thể cơng trình Đầu tiên, luận án sử dụng phƣơng pháp phân tích tổng hợp lý thuyết để phân tích thực tiễn thiết kế nghiên cứu hoạt động bè toàn hệ tƣơng tác kết cấu bên – bè – nền, cọc tác giả nƣớc giới Cho thấy: (i) Chiều dày bè lớn có tác dụng phân bố đồng nội lực biến dạng cọc, nền, bè nền, nhƣ nội lực thân bè; (ii) Các yếu tố tác động đến biến dạng bè gồm có hệ cọc, mơ đun đàn hồi đất kết cấu bên Tiếp theo, luận án sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm khoa học để nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng yếu tố đƣợc đúc kết chƣơng đến làm việc bè chƣơng trình PRAB thơng qua cơng trình mơ hình giả định xây dựng cát TP Hồ Chí Minh Từ rút đƣợc kết luận sau: (i) Chiều dày bè lớn nhằm đảm bảo gánh chịu nội lực xuất bè nhƣ mô men uốn lực cắt, đặc biệt chuyển vị lệch hệ móng (ii) Các yếu tố chủ yếu ảnh hƣởng đến biến dạng bè gồm: chiều dài sơ đồ bố trí cọc, mơ đun đàn hồi đất số lƣợng tầng Trên sở hiểu biết từ chƣơng chƣơng 3, nghiên cứu đề xuất phƣơng pháp đồ thị để xác định chiều dày bè có xét đến ba nhóm yếu tố, đƣợc đề cập chƣơng Ứng dụng phƣơng 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 phƣơng pháp đồ thị, mặt khác để trả lời câu hỏi chiều dày bè lớn cơng trình xây dựng nƣớc giới Kết nghiên cứu rằng: (i) Chƣa có quan tâm mức đến việc tối ƣu chiều dày bè; (ii) Bè làm việc chủ yếu chống lại biến dạng; (iii) Có ba yếu tố ảnh hƣởng đến chiều dày bè số lƣợng tầng, mô đun đàn hồi đất hệ cọc; (iv) Phƣơng pháp đồ thị đƣợc thiết lập đáng tin cậy có giá trị ứng dụng cao ii ABSTRACT With statistic data from 31 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 upper-structure – 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 applicable in practice iii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS TS Châu Ngọc Ẩn tận tình hƣớng dẫn suốt q trình nghiên cứu Tơi xin đƣợc cảm ơn tất thầy cô Bộ mơn Địa – Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trƣờng Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, mà ngƣời lãnh đạo trƣớc 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 Tôi thật biết ơn thầy cô đồng nghiệp trƣờng đại học Kiến trúc TP Hồ Chí Minh, PGS TS Nguyễn Bá Kế, GS TS Nguyễn Tiến Chƣơng, PGS TS Đoàn Thị Minh Trinh khích lệ, động viên giúp đỡ tơi dƣới hình thức để tơi hồn thành đƣợc luận án thời hạn Tôi đặc biệt biết ơn GS TS Tatsuo Matsumoto, Đại học Kanazawa cung cấp cho tơi chƣơng 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 xii MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MÓNG 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 móng 1.2 Số liệu thống kê từ 31 cơng trình xây dựng nƣớc giới 1.3 Các phƣơng pháp phân tích bè 10 1.3.1 Các phƣơng pháp giản lƣợc 10 1.3.2 Các phƣơng pháp giải tích 12 1.3.3 Các phƣơng pháp số 16 1.4 Các nghiên cứu ảnh hƣởng kết cấu bên nền, cọc đến nội lực biến dạng bè 19 1.4.1 Ảnh hƣởng kết cấu bên đến nội lực biến dạng bè 19 1.4.2 Ảnh hƣởng hệ cọc đến nội lực biến dạng bè 21 1.4.3 Ảnh hƣởng đất bên dƣới đến nội lực biến dạng bè 23 1.5 Nhận xét 24 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP LUẬN, CƠ SỞ CỦA CHƢƠNG TRÌNH PRAB VÀ THIẾT LẬP MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU 26 2.1 Phƣơng pháp luận .26 2.1.1 Phƣơng pháp phân tích tƣơng tác bè với đất hệ cọc 26 2.1.2 Phƣơng pháp phân tích tƣơng tác bè kết cấu bên 26 2.1.3 Phƣơng pháp phân tích chiều dày bè hợp lý .27 2.2 Cơ sở lý thuyết chƣơng trình PRAB 28 2.2.1 Mơ móng bè - cọc PRAB .28 2.2.2 Ứng xử ứng suất – biến dạng đất theo lý thuyết đàn hồi .29 v 2.2.3 Sự phân bố tải trọng chuyển vị dọc chiều dài cọc 39 2.2.4 Ma trận độ cứng móng bè – cọc [1], [2] .40 2.3 Thiết kế cơng trình mơ hình phục vụ nghiên cứu 43 2.3.1 Lựa chọn cơng trình ngun mẫu 43 2.3.2 Thiết kế cơng trình mơ hình 44 2.3.3 Đánh giá sơ mơ hình nghiên cứu 51 2.4 Nhận xét 52 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHIỀU DÀY BÈ BẰNG PRAB 54 3.1 Ảnh hƣởng tổ hợp tải trọng đến nội lực chuyển vị bè .54 3.2 Ảnh hƣởng chiều dày bè đến nội lực, biến dạng bè, cọc 55 3.2.1 Sự phân phối tải trọng cọc & bè .55 3.2.2 Sự phân phối tải trọng đỉnh cọc bè .56 3.2.3 Sự phân phối nội lực cọc, ứng suất theo chiều dài cọc 57 3.2.4 Sự phân bố mô men bè 58 3.2.5 Chuyển vị lệch bè (Biến dạng bè) 61 3.3 Ảnh hƣởng kết cấu bên đến biến dạng bè 61 3.3.1 Ảnh hƣởng độ cứng kết cấu bên 61 3.3.2 Ảnh hƣởng số lƣợng tầng (tải trọng) đến chiều dày bè 63 3.3.3 Ảnh hƣởng khoảng cách cột .64 3.4 Ảnh hƣởng đất bên dƣới đến biến dạng bè 65 3.4.1 Ảnh hƣởng mô đun đàn hồi đất nằm dƣới đáy bè .65 3.4.2 Ảnh hƣởng mô đun đàn hồi lớp đất nằm dƣới mũi cọc .67 3.5 Ảnh hƣởng hệ cọc đến biến dạng bè 68 3.5.1 Ảnh hƣởng sơ đồ bố trí cọc 68 3.5.2 Ảnh hƣởng số lƣợng cọc 69 3.5.3 Ảnh hƣởng đƣờng kính cọc 70 3.5.4 Ảnh hƣởng khoảng cách cọc 71 3.5.5 Ảnh hƣởng chiều dài cọc 72 3.5.6 Ảnh hƣởng độ cứng móng 73 3.6 Nhận xét 74 vi CHƢƠNG THIẾT LẬP PHƢƠNG PHÁP ĐỒ THỊ DỰ TÍNH CHIỀU DÀY BÈ 76 4.1 Phƣơng pháp xét đến ảnh hƣởng số lƣợng tầng – Phƣơng pháp A .76 4.2 Phƣơng pháp có xét đến ảnh hƣởng đồng thời số lƣợng tầng mô đun đàn hồi đất – Phƣơng pháp B .77 4.2.1 Trƣờng hợp .77 4.2.2 Trƣờng hợp .78 4.2.3 Trƣờng hợp .79 4.2.4 Trƣờng hợp .80 4.3 Phƣơng pháp có xét đến đồng thời số lƣợng tầng, ảnh hƣởng đất hệ cọc – Phƣơng pháp đồ thị 82 4.4 Nhận xét 84 CHƢƠNG ỨNG DỤNG PHƢƠNG 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 [45], [47] 85 5.1.2 Dubai Tower, Doha [52], [53] 86 5.1.3 ICC TOWER, HongKong [11], [54] 87 5.1.4 Messeturm Tower, Franfurt [5] 88 5.1.5 Bitexco Financial Tower 89 5.1.6 Incheon Tower [55] 90 5.1.7 Đánh giá phƣơng pháp đồ thị số liệu thống kê với phân tích chiều dày bè hợp lý PRAB 91 5.2 Ứng dụng kiểm chứng phƣơng pháp đồ thị với tồn 31 cơng trình thống kê 92 5.3 Nhận xét 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .95 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .99 PHỤ LỤC A CÁC THAM SỐ CỦA 31 CƠNG TRÌNH THỐNG KÊ I PHỤ LỤC B MỘT SỐ THAM SỐ DÙNG ĐỂ THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU III vii 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 MÓNG XXXIX PHỤ LỤC F ẢNH HƢỞNG CỦA KẾT CẤU BÊN TRÊN XLV PHỤ LỤC G: PHƢƠNG PHÁP MỞ RỘNG TỪ POULOS (2001) XLVI PHỤ LỤC H: PHƢƠNG PHÁP ĐỒ THỊ LX PHỤ LỤC I: KIỂM CHỨNG VÀ HIỆU CHUẨN PP ĐỒ THỊ LXVIII 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 đƣợc xác định từ tải trọng trung bình cho m2 sàn (theo giá trị thống kê 31 cơng trình nghiên cứu) Tải trọng đƣợc phân bố phần tử bè, tƣơng tự nhƣ 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 công bố số tác giả Kết dự tính theo PLAXIS 7,2 [11] là:chuyển vị tính tốn lớn tâm bè 40 mm; chuyển vị nhỏ tại mép bè mm Tác giả mơ 240 cọc thành vịng cọc, vịng có diện tích tƣơng ứng với tổng tiết diện cọc nằm phạm vi vịng 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 đƣợc từ 36,5 – 49 mm (Hình I.9a) Có thể thấy, chuyển vị lớn xác định theo PRAB tƣơng đƣơng với kết từ Plaxis 7,2 [11] Chuyển vị lệch xác định PRAB 12,5 mm (0.048%) kết từ Plaxis 7,2 31 mm (0.12%), có sai biệt nhƣng chấp nhận đƣợc Do đó, sử dụng PRAB mơ hình đƣợc 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, tƣơng ứng với chuyển vị lệch tƣơng đối theo phân tích chi tiết PRAB 0,048% Chiều dày bè theo phân tích chi tiết PRAB, với chuyển vị lệch cho phép 0,2%, 1,5 m (Hình I.9b) Chiều dày bè theo phƣơng pháp B 7,1 m ICC thiết kế theo phƣơng pháp móng cọc, hệ số K = 0,77, chiều dày bè theo phƣơng pháp đồ thị 5,5 m, Chiều dày bè thực tế ICC Tower lớn chiều dày theo phân tích chi tiết phƣơng pháp đồ thị Có thể nhà thiết kế quan ngại khoảng cách từ mũi cọc LXXX đến mặt đá gốc không nhƣ 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, nhƣng thiết kế móng cọc, chuyển vị lệch tƣơng đối nhỏ Nhƣ vậy, chiều dày bè thực tế lớn, thiên an tồn Chiều dày bè 0.20 theo phân tích chi tiết Chuyển vị lệch (%) Chuyển vị (mm) PP đồ thị 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 a) So sánh chuyển vị tính tốn theo PRAB kết tác giả công bố, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo 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 dƣ Nếu K = 1,1 chiều dày theo phƣơng pháp đồ thị tƣơng đƣơng với thiết kế Nếu K = 0,21 chiều dày bè theo phƣơng pháp đồ thị tƣơng đƣơng với phân tích chi tiết Theo quan niệm móng cọc bè thiết kế chịu cắt mà không cần quan tâm đến mô men uốn biến dạng Nhƣ K nên lấy  0,77 trƣờng 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 phịng có chiều cao lớn châu Âu vào thời điểm xây dựng (1988 – 1991) Ứng xử hệ móng đƣợc quan trắc thời gian năm sau xây dựng xong, thiết bị quan trắc Có 12 cọc đƣợc gắn thiết bị thí nghiệm, 13 đo LXXXI áp lực tiếp xúc, đo áp lực nƣớc 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 đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp móng bè – cọc Áp lực tác dụng đáy bè tính tốn đƣợc 543 kPa, sức chịu tải đất 570 kPa, cho thấy đất đủ sức gánh chịu tải trọng kết cấu bên Nhƣng, thiết kế móng bè (Summer et al., 1991), chuyển vị trung bình từ 300 – 400 mm lớn Do đó, cọc đƣợc đƣa vào móng để giảm chuyển vị lệch Kích thƣớc bè dài 58.8 m, rộng 58.8 m dày m Đáy bè nằm độ sâu - 14 m, mực nƣớc ngầm – 4,5  - m so với mặt đất Cọc có đƣờng kính 1,3 m đƣợc bố trí theo lớp: vịng 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 trƣng 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 LXXXII 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 vôi Franfurt Sét Franfurt cứng, cố kết, có giới hạn chảy, số dẻo, độ ẩm tự nhiên giống với đất sét Luân đôn Các lớp cát đá vôi xen kẹp lớp sét làm cho ứng xử lớp không đồng Cƣờng độ nén đá vôi Franfurt, bao gồm phiến lớn, đá đô-lô-mit, rạn san hô, sét lẫn cát vôi, lẫn vôi, so với lớp đất sét nhỏ Đất sét cố kết nằm gần mặt đất có có sức chịu tải thẳng đứng khoảng 570 kPa Mô đun đàn hồi đất theo chiều sâu xác định theo công thức thực nghiệm Reul (2000) cho bởi: Bảng I Chiều sâu (m) Mô 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 Dƣới 100 2000 0,25 12 1000 15 Đá vôi * Trọng lƣợng riêng mực nƣớc 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 dƣới lớp thứ lớp sét Franfurt tới độ sâu 70 m kể từ mặt đất; Lớp dƣới đá gốc Các tác giả ƣớc lƣợng cao độ mặt đá gốc 74,8 m Bảng I.7 thể mơ hình đặc trƣng chịu lực đất LXXXIII Tải trọng thẳng đứng Tổng tải trọng công trình 1880 MN [13] Do khơng có vẽ bố trí cột, chúng tơi giả thiết hệ lƣới cột m m Tải trọng thẳng đứng đƣợc phân bố chân cột theo tỷ lệ diện tích số lƣợng sàn mà gánh chịu Tải trọng cho m2 sàn đƣợc tính trung bình từ cơng trình thống kê Kiểm chứng PRAB công bố số tác giả 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, đƣợc thể Hình I.11, theo chuyển vị lớn sau hoàn thành xây dựng vào tháng 1-1990 80mm, tƣơng ứng với chuyển vị lệch tƣơng đối 0,048% chuyển vị lớn vào tháng – 1991 (1,5 năm sau hoàn thành cơng trình) 120mm, chuyển vị lệch tƣơng đối tƣơng 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 hoàn thành, nhƣng lớn chuyển vị quan trắc sau cơng trình hồn thành Có thể khẳng định chuyển vị dự tính PRAB đáng tin cậy Do chƣơng trình PRAB đƣợc tiếp tục sử dụng để hợp lý hóa thiết kế chiều dày bè LXXXIV Hiệu chuẩn phương pháp đồ thị Chiều dày bè theo thiết kế m, tƣơng ứng với chuyển vị lệch tƣơng đối 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 chuyển vị lệch tƣơng đối 0,2% m (Hình I.12b) Chiều dày bè theo phƣơng pháp B 4,1 m (tƣơng ứng với chuyển vị lệch tƣơng đối 0,2%) Hệ số ảnh hƣởng hệ cọc đến chiều dày bè trƣờng hợp móng bè – cọc, lấy 1,0 Nếu K = 1,0 chiều dày bè theo phƣơng pháp đồ thị 4,1 m Chiều dày bè thực tế lớn so với phƣơng 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 hƣởng hệ cọc 0.3 40 Chiều dày bè theo Chuyển vị lệch (%) (mm) phân tích chi tiết Chuyển vị 80 120 Theo PP đồ thị 0.2 Theo thiết kế 0.1 Mặt cắt 1-1 & 2-2 a) MC 1-1, sau hoaøn thaønh b) MC 2-2, sau hoàn thành MC 1-1, năm sau hoàn thành 10 Chiều dày bè (m) MC 2-2, năm sau hoàn thành MC 1-1, PRAB Hình I 12 MC 2-2, PRAB a) So sánh chuyển vị tính toán theo PRAB kết tác giả cơng bố, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo 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 toàn 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 phƣơng pháp đồ thị tƣơng đƣơng LXXXV phân tích chi tiết Nếu K =1,5 chiều dày bè theo phƣơng pháp đồ thị tƣơng đƣơng thực tế Nhƣ vậy, cơng trình thiết kế theo phƣơng pháp móng bè – cọc, trƣờng 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, đƣờng 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 đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp móng cọc Kết cấu bè có dạng van, đƣờng kính lớn 43,1 m, đƣờng 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, đƣờng kính 1,5 m, chúng đƣợc bố trí tƣơng đối đồng dƣới bè LXXXVI Nền đất mơ hình Cơng ty CTFE tiến hành khảo sát sơ địa chất dƣới cơng trình, với hố khoan sâu từ 40 – 82 m Kết thí nghiệm phịng đƣợc trình bày “Báo cáo khảo sát địa chất sơ bộ” lập vào tháng 5/ 2005 Trƣớc tiến hành thiết kế, tƣ 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 đƣợc thực hai hố khoan nhằm xác định mô đun nền, phục vụ cho việc mô tƣơng tác kết cấu – phƣơng pháp số Các thí nghiệm nén tĩnh cọc có chiều dài 62 m đƣợc thực để đánh giá sức kháng ma sát sức chịu mũi Các thiết bị đo ma sát hông sức kháng mũi, đƣợc gắn dọc thân mũi cọc, lớp đất xuất lỗ khoan Các thí nghiệm nén tĩnh lần thứ hai thứ ba sau đó, đƣợc thực cọc có đƣờng 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 trƣng chịu lực đất dƣới chân cơng trình Các đặc trƣng chịu lực đất đƣợc 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 đƣợc hiệu chuẩn theo kết thử tải tĩnh số liệu khảo sát sơ đề cập Sức chịu tải dài hạn cực hạn cọc có đƣờng kính 1,5 m dài 85 m đƣợc ghi nhận thuyết minh tính tốn đơn LXXXVII vị thiết kế lần lƣợt 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 đƣợc thiết lập ETABS, xác định đƣợc 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 đƣợc thể Hình I.13 Kiểm chứng PRAB với công bố số tác giả Công ty Shannon & Wilson Inc sử dụng chƣơng trình FLAC 3D để thiết kế chi tiết móng cơng trình Trong đó, chuyển vị trung bình chuyển vị lệch tƣơng đối đƣợc yêu cầu thỏa mãn TCVN Do chúng tơi khơng có kết quan trắc, nhƣ kết tính tốn từ đơn vị thiết kế, việc kiểm chứng PRAB đƣợc đối chiếu với giá trị cho phép TCVN 60 a) 0.20 b) Chiều dày bè theo 0.15 Chuyển vị lệch (%) Chuyển vị (mm) 65 70 75 Chiều dày bè 0.10 thiết kế PP đồ thị 0.075% 0.05 0.00 80 10 Chiều dày bè (m) Mặt cắt qua tâm bè Hình I 14 phân tích chi tiết a) So sánh chuyển vị tính toán theo PRAB kết tác giả cơng bố, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB Hình I.14(a) thể chuyển vị bè mặt cắt qua đƣờng kính lớn nhất, theo chƣơng trình PRAB Chuyển vị trung bình 63,4 mm, hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu Tiêu chuẩn Việt nam LXXXVIII Hiệu chuẩn phương pháp đồ thị Bitexco Tower có chiều dày bè thực tế m tƣơng ứng với chuyển vị lệch tƣơng đốitheo phân tích PRAB 0,075% Chiều dày bè theo phân tích chi tiết PRAB (Hình I.14b), chuyển vị lệch tƣơng đối 0,2%, 0,5 m Chiều dày bè xác định theo phƣơng pháp B m (chuyển vị lệch tƣơng đối 0,2%) Hệ số ảnh hƣởng hệ cọc đến chiều dày bè cho trƣờng hợp móng cọc K = 0,77, chiều dày bè theo phƣơng pháp đồ thị 4,62 m Chiều dày bè thực tế lớn so với phân tích chi tiết nhƣng nhỏ so với phƣơng pháp đồ thị, Chiều dày theo phân tích chi tiết cho giá trị nhỏ cơng trình đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp móng cọc Chiều dày bè theo phƣơng 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 tƣơng đối hợp lý, thiên an toàn (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 phƣơng pháp đồ thị tƣơng đƣơng chiều dày bè thực tế Nếu K = 0,1 chiều dày bè theo phƣơng pháp đồ thị tƣơng đƣơng chiều dày bè theo phân tích chi tiết Tóm lại, trƣờng 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: Tịa tháp Incheon Tower có chiều cao 151 tầng, đƣợc 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 LXXXIX Giải pháp cấu tạo hệ móng Cơng trình đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp móng cọc Hệ kết cấu gồm bè dày 5,5 m kết hợp hệ cọc phía dƣới lõi cứng phía Số lƣợng cọc, sơ đồ bố trí cọc kích thƣớc cọc đƣợc xác định sau hàng loạt phân tích lặp, có phối hợp kỹ sƣ kết cấu kỹ sƣ địa kỹ thuật Chiều dài cọc đƣợc lựa chọn sở ứng xử sức chịu tải cọc có chiều dài đƣờng kính khác Mục đích lựa chọn chiều dài cọc để kiểm soát chuyển vị tháp, chúng phải lớn chiều dài cần thiết để gánh đỡ tải trọng từ bên Từ phân tích trên, mũi cọc đƣợc đề nghị đặt đá mềm, thay lớp đá phong hóa nhẹ, nằm phía Có hai ngun tắc đƣợc đề để xác định chiều dài cọc: thứ mũi cọc đƣợc chôn 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 đƣợc đề xuất gồm 172 cọc đƣờng 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 nƣớc thủy triều Mặt cắt địa chất gồm: Lớp mặt cát rời đến cát bụi có chiều dày XC 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 dƣới (LMD) có chiều dày m; Lớp thứ đá phong hóa mạnh có tính chất chịu lực nhỏ, tƣơng tự nhƣ vật liệu đất; Dƣới lớp lớp đá phong hóa nhẹ có sức chịu tải lớn hơn; Ở phía dƣới 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 [52] 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 dƣới 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 (dƣới – 50 m) 10 1700 1190 750 12 Ghi chú: EV: Mô đun đàn hồi theo phƣơng đứng, Eh: Mô đun đàn hồi theo phƣơng ngang, fs: Ma sát hông 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 trƣng chịu lực lớp đƣợc xác định riêng rẽ cho lớp đất, chúng đƣợc hiệu chuẩn với kết khảo sát công trình lân cận Một vấn đề quan trọng ứng xử lớp sét trầm tích lớp (UMD) cơng trình chịu tải đứng nhƣ tải ngang Mơ hình đặc trƣng chịu lực lớp đất thể Bảng I.9 đƣợc sử dụng phục vụ cho công tác kiểm chứng hiệu chuẩn XCI Tải trọng thẳng đứng Nhƣ phân tích chuyên đề 1, ảnh hƣởng 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) đƣợc 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 [52] Loại tải trọng Gía trị Tải tĩnh 6.036 MN Hoạt tải 651 MN Tải ngang theo phƣơng x 149 MN Tải ngang theo phƣơng y 115 MN Tải động đất theo phƣơng x 110 MN Tải động đất theo phƣơng y 110 MN Mô men theo phƣơng x 21.600 MN-m Mô men theo phƣơng y 12.710 MN-m Kiểm chứng PRAB với công bố số tác giả Chƣơng trình PRAB đƣợc sử dụng nhƣ cơng cụ để phân tích ứng xử bè hệ móng Sử dụng kết phân tích chƣơng trình GARP (Small & Poulos, 2007) kết phân tích chƣơng trình PLAXIS 3D phiên thƣơng 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 tƣơng tác thiên an tồn Do có nghi ngờ ảnh hƣởng đất xung quanh mặt bên tầng hầm, làm giảm chuyển vị lệch tƣơng đối bè, Poulos et al (2011) sử dụng PLAXIS để phân tích hai trƣờng hợp: Trƣờng hợp thứ nhất, hệ móng tƣơng tác với đất dƣới đáy bè, nhƣng không tƣơng tác với đất phía đáy bè; Trƣờng hợp thứ hai, hệ móng đồng thời tƣơng tác với đất phía phía dƣới đáy bè, tức bao gồm toàn XCII 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 hƣởng đất xung quanh tƣờng hầm phía đáy bè, đƣợc Poulos et al (2011) ghi nhận mm, tƣơng ứng với 18% chuyển vị thẳng đứng Poulos et al (2011) ghi nhận phân tích Incheon tower chƣơng trình CLAP PLAXIS 3D, cho phân tích móng bè cọc có số lƣợng cọc lớn, bỏ qua ảnh hƣởng đất phía đáy bè 0.275 PLAXIS + ma sát tường hầm 30 Chiều dày bè theo PP đồ thị Chuyển vị lệch (%) Chuyển vị (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 a) So sánh chuyển vị tính tốn theo PRAB kết tác giả công bố, b) Tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB 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 tƣơng ứng với chuyển vị lệch tƣơng đối theo phân tích chi tiết phƣơng pháp PRAB 0,204% Chiều dày bè theo phân tích chi tiết PRAB, chuyển vị lệch tƣơng đối0,2% 5,8 m (Hình I.16b) Theo phƣơng pháp B, chuyển vị lệch tƣơng đối0,2% chiều dày bè Incheon Tower phải 7,75 m Cơng trình đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp móng cọc nên K đƣợc đề nghị lấy 0,77 Do chiều dày bè theo phƣơng pháp đồ thị 5,96 m XCIII Chiều dày bè theo thiết kế, theo phƣơng pháp đồ thị theo phân tích chi tiết tƣơng đƣơng Cho thấy đơn vị thiết kế dành quan tâm lớn thiết kế chiều dày bè (Trong thực tế diễn nhƣ 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 đƣợc 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 phƣơng pháp đồ thị tƣơng đƣơng chiều dày bè theo phân tích chi tiết Nếu hệ số ảnh hƣởng hệ cọc 0,71 chiều dày bè theo phƣơng pháp đồ thị tƣơng đƣơng chiều dày thực tế Tóm lại, hệ số < 0,77 cho móng cọc hợp lý = XCIV ... CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MÓNG TRÊN HỆ CỌC 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Khái niệm móng bè – cọc Móng bè – cọc cịn đƣợc gọi móng cọc đài bè, đƣợc hiểu móng cọc có đài (bè) Do bè có kích thƣớc... bè chịu Tỷ lệ tải trọng cọc chịu Q /Q p t 1.0 Mức độ giảm chuyển vị, Sr 0.0 0.0 1.0 Chuyển vị hệ móng S = r Chuyển vị móng bè Móng bè - cọc Móng bè Hình 1.1 Móng cọc Phân biệt móng bè, móng cọc. .. hợp móng cọc Nếu hệ cọc gánh chịu tải trọng với bè, trƣờng hợp móng bè – cọc Có thể xem móng bè – cọc trƣờng hợp tổng qt, cịn móng bè móng cọc hai trƣờng hợp đặc biệt 1.1.2 Khái niệm làm việc cọc