Nghiên cứu ứng xử của hệ kết cấu công trình móng bè cọc đất nền cùng làm việc đồng thời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA O0O NGUYỄN VĂN NHÂN NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH - MĨNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số: 60.58.02.11 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường đại học Bách khoa – ĐHQG – Tp.HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ BÁ VINH Cán chấm nhận xét 1: TS LÊ TRỌNG NGHĨA Cán chấm nhận xét 2: TS PHẠM VĂN HÙNG Luận Văn Thạc Sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng 01 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ PGS.TS NGUYỄN THÀNH ĐẠT TS LÊ TRỌNG NGHĨA TS PHẠM VĂN HÙNG PGS.TS VÕ NGỌC HÀ Xác nhận Chủ tịch hội đồng đánh giá Luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ TRƯỞNG KHOA TS LÊ ANH TUẤN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM CỢNG HỊA XÃ HỢI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : NGUYỄN VĂN NHÂN Ngày tháng năm sinh : 10/12/1988 Chuyên ngành I : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MSHV : 1670654 Nơi sinh : Bình Định Mã số ngành : 60.58.02.11 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MĨNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mở đầu Chương Tổng quan các phương pháp phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình - móng bè cọc – đất làm việc đồng thời Chương Nguyên lý làm việc móng bè – cọc Chương Nghiên cứu ứng xử tải trọng – độ lún móng bè cọc Chương Nghiên cứu đánh giá các phương pháp tính toán độ lún móng bè Chương Phân tích ứng xử chia tải móng bè cọc Chương Nghiên cứu đánh giá phần mềm sap 2000 phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình-móng bè cọc-đất làm việc đồng thời Chương Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày bè cách bớ trí cọc bè đến ứng xử hệ khung – bè cọc và đất Chương Nghiên cứu ảnh hưởng tầng hầm đến ứng xử hệ khung –tường vây – bè cọc và đất Chương Nghiên cứu ứng xử hệ khung – bè cọc đất tác dụng động đất Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018 IV NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018 V CÁN BỢ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Lê Bá Vinh Tp HCM, ngày tháng năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS LÊ BÁ VINH TRƯỞNG KHOA TS LÊ ANH TUẤN LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu để hồn thành khố học, ngồi nổ lực thân cịn có hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè gia đình Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Bá Vinh, người Thầy tận tình hướng dẫn hết lịng giúp đỡ tơi suốt thời gian hoàn thành luận án, chân thành tri ân sâu sắc đến Thầy môn Địa Cơ Nền Móng trực tiếp giảng dạy thời gian học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn quan tâm động viên giúp đỡ bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành khố học Cuối xin gửi đến Cha Mẹ gia đình lịng biết ơn vơ hạn ln động viên cho thời gian học tập Xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018 Học viên NGUYỄN VĂN NHÂN TĨM TẮT Đối với tịa nhà cao tầng siêu cao tầng phương án móng bè - cọc thường lựa chọn Bởi vì, sử dụng phương án móng bè – cọc làm giảm số lượng cọc, tăng khả chịu tải đất nền, giảm lún lún lệch cho cơng trình Để giải vấn đề từ giai đoạn thiết kế sơ đến mô ứng xử hệ khung – bè cọc đất nền, Luận Văn này, Học Viên thực nghiên cứu sau: Nghiên cứu nguyên lý làm việc móng bè – cọc; nghiên cứu ứng xử tải trọng – độ lún móng bè cọc; nghiên cứu đánh giá phương pháp tính tốn độ lún móng bè; nghiên cứu đánh giá phần mềm sap 2000 phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình-móng bè cọc-đất làm việc đồng thời, dựa kết mô phần mềm Plaxis 3D; nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày bè cách bố trí cọc bè đến ứng xử hệ khung – bè cọc đất nền; nghiên cứu ảnh hưởng số tầng hầm, chiều dài chiều dày tường vây đến ứng xử hệ khung –tường vây – bè cọc đất nền; nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài cọc, chiều dày bè cách bố trí cọc bè đến ứng xử hệ khung – bè cọc đất tác dụng động đất Kết nghiên cứu giúp cho người thiết kế có định hướng thiết kế kết cấu bên trên, bè – cọc, tường vây, mô ứng xử hệ kết cấu cơng trình - móng bè cọc – đất làm việc đồng thời Ngoài ra, đề tài nêu lên cần thiết phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình - móng bè cọc – đất làm việc đồng thời, đặc biệt trường hợp cơng trình có tầng hầm cơng trình chịu động đất ABSTRACT For tall buildings and Super High-Rise Buildings, the piled raft foundation is usually selected Because, using the piled raft foundation will reduce the number of piles, increase the load capacity of the ground, reduce the foundation settlement and differential settlement To solve problems from the preliminary design stage to simulate the behavior of frame - piled raft and soil systems In this thesis, The author performs the following research: Study the working principle of the piled raft foundation; Study on load behavior - the settlement of the piled raft foundation; Research on methods of calculating the settlement of raft foundation; Sap 2000 software evaluation in the analysis of the behavior of frame - piled raft and soil systems based on simulation results on Plaxis 3D software; study on effect of raft thickness and pile layout in rafts to the behavior of frame - piled raft and soil systems; Study on the effect of basement number, length and thickness of diaphragm wall on the behavior of framediaphragm wall-piled raft and soil systems; study on effects of pile length, raft thickness and pile layout in rafts to the behavior of frame - piled raft and soil systems under the effects of earthquakes The results of the study help the designers to orient themselves in the design of the upper structure, piled raft foundation, diaphragm wall, and simulation of the behavior of frame - piled raft and soil systems In addition, this thesis also demonstrates the need to analyze the behavior of frame - piled raft and soil systems, especially in the case of buildings with basements or buildings subject to earthquakes LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ tơi thực hướng dẫn Thầy PGS.TS LÊ BÁ VINH Các kết đạt Luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm kết thực Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018 Học viên NGUYỄN VĂN NHÂN MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MĨNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 1.1 PHƯƠNG PHÁP TÁCH RIÊNG PHẦN KẾT CẤU BÊN TRÊN VÀ NỀN MĨNG ĐỂ TÍNH TỐN 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MĨNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 1.2.1 Cơng trình – bè hệ thống lò xo cọc [1] 1.2.2 Công trình – bè hệ thống lị xo cọc đất 1.2.3 Công trình – bè – cọc hệ thống lị xo đất [3] & [4] 11 1.2.4 Mô phần mềm Sap 2000 với đất mô phần tử Solid 12 1.2.5 1.3 Mô số với phần mềm chun dụng có mơ hình đất 13 NHẬN XÉT VÀ CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MÓNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 14 CHƯƠNG NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÓNG BÈ – CỌC 15 2.1 KHÁI NIỆM CỦA MÓNG BÈ – CỌC 15 2.1.1 Định nghĩa 15 2.1.2 Các tương tác móng bè – cọc 17 2.1.3 Các ưu điểm móng bè – cọc 18 2.2 ỨNG XỬ CỦA MÓNG BÈ – CỌC CHO NHÀ CAO TẦNG 20 2.3 PHÂN TÍCH CÁC TƯƠNG TÁC TRONG MÓNG BÈ – CỌC 25 2.3.1 Tương tác cọc bè 25 2.3.2 Ảnh hưởng tương tác bè – cọc cọc – cọc lên ứng xử móng bè cọc 27 2.3.3 Kết tương tác 30 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TẢI TRỌNG – ĐỘ LÚN CỦA MÓNG BÈ CỌC 31 3.1 ĐỘ LÚN CỦA MÓNG BÈ – CỌC 31 3.1.1 Phương pháp giải tích 31 3.1.2 Phương pháp mô 33 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN MĨNG BÈ 34 3.2.1 Phương pháp lớp biến dạng tuyến tính 34 3.2.2 Phương pháp cộng lún lớp phân tố 36 3.3 ĐỘ LÚN CỦA CỌC ĐƠN 38 3.4 ĐỘ LÚN CỦA NHÓM CỌC 39 3.4.1 Phương pháp tỷ số độ lún 39 3.4.2 Phương pháp trụ tương đương 41 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘ LÚN CỦA MÓNG BÈ 43 4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 43 4.2 TÍNH TỐN ĐỘ LÚN CỦA MÓNG THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU 44 4.3 ĐỘ LÚN THAY ĐỔI THEO CHIỀU SÂU ĐẶT BÈ 48 4.4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 49 CHƯƠNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CHIA TẢI CỦA MĨNG BÈ CỌC 51 5.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 51 5.2 ỨNG XỬ MANG TẢI CỦA MÓNG BÈ CỌC 52 5.3 PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ CỦA MÓNG BÈ CỌC 55 5.3.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 55 5.3.2 Các thơng số đất cho phân tích phần tử hữu hạn 56 5.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57 5.4.1 Phân chia tải cho bè 57 5.4.2 Các hệ số hiệu chỉnh độ cứng 61 5.5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 63 thước Trong phân tích lún tốn tĩnh, độ lún trung bình móng PA1 4.65cm, độ lún trung bình móng PA2 4.73cm, độ lún trung bình móng PA3 8.2cm Độ lún trung bình móng PA1 PA2 xấp xỉ nhau, PA1 PA3 có số lượng kích thước cọc, cách bố trí cọc bè, chênh lệch độ lún trung bình móng PA3 so với độ lún trung bình móng PA1 76% a) b) Hình 9.11 a) Chuyển vị ngang lớn đỉnh cơng trình theo phương án móng; b) Gia tốc lớn đỉnh cơng trình theo phương án móng Chuyển vị ngang lớn đỉnh cơng trình phương án móng có giá trị xấp xỉ (hình 9.11) Chênh lệch chuyển vị ngang lớn đỉnh cơng trình PA2 so với chuyển vị ngang lớn đỉnh cơng trình PA3 4.8% Gia tốc lớn đỉnh cơng trình PA2 PA3 có giá trị xấp xỉ Chênh lệch gia tốc lớn đỉnh cơng trình PA2 so với gia tốc lớn đỉnh cơng trình PA1 18% Theo hình 9.12, mơ men cột thay đổi theo phương án bố trí cọc bè Đối với cột 13 PA1, giá trị mô men lớn chân cột thuộc biểu đồ Mmin, PA2 PA3 có giá trị mơ men lớn chân cột thuộc biểu đồ Mmax Đối với cột 14 PA1, giá trị mô men lớn chân cột thuộc biểu đồ Mmin, PA2 PA3 có giá trị mơ men lớn chân cột thuộc biểu đồ Mmax Ngoài ra, đỉnh cột 14 PA3 có giá trị mơ men lớn thuộc biểu đồ Mmin 117 Hình 9.12 Biểu đồ mô men a) Cột 13; b) Cột 14 a) b) Hình 9.13 a) Biểu đồ mơ men bè thuộc trục C; b) Biểu đồ lực cắt bè thuộc trục C Theo hình 9.13, mơ men bè thay đổi theo phương án bố trí cọc bè Đối với PA1, giá trị mô men lớn thuộc biểu đồ M max, PA2 118 PA3 có giá trị mơ men lớn thuộc biểu đồ Mmin Chênh lệch giá trị mô men lớn bè PA2 so với giá trị mô men lớn bè PA3 21%, giá trị lực cắt lớn phương án xấp xỉ a) b) Hình 9.14 Tổng giá trị mô men lớn đầu cọc; b) Tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc Nội lực cọc thay đổi theo phương án bố trí cọc bè (hình 9.14) Tổng giá trị nội lực lớn đầu cọc PA1 lớn nhỏ PA3 Chênh lệch tổng giá trị mô men lớn đầu cọc PA1 so với tổng giá trị mô men lớn đầu cọc PA2 15%, chênh lệch tổng giá trị mô men lớn đầu cọc PA1 so với tổng giá trị mô men lớn đầu cọc PA3 136% Chênh lệch tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc PA1 so với tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc PA2 4%, chênh lệch tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc PA1 so với tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc PA3 145% 9.6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG Khi tăng chiều dài cọc làm giảm nội lực khung, bè, cọc, chuyển vị gia tốc đỉnh cơng trình Đặc biệt chuyển vị ngang giảm đáng kể, tăng chiều dài cọc từ L = 40m đến L = 80m, chuyển vị ngang đỉnh giảm xuống 36% Tuy nhiên biện pháp không kinh tế, để giảm chuyển vị ngang cơng trình ta tăng tiết diện cọc thay đổi loại cọc Tăng chiều dày bè làm tăng nội lực bè, cọc, chuyển vị gia tốc đỉnh cơng trình Đặc biệt nội lực bè cọc, tăng chiều dày bè từ tr = 2.5m đến tr = 7.5m, giá trị mô men lớn bè tăng lên 149%, tổng giá trị lực 119 cắt lớn đầu cọc tăng lên 33% Ngoài ra, nội lực chân cột giảm đáng kể tăng chiều dày bè, tăng chiều dày bè từ tr = 2.5m đến tr = 7.5m, giá trị mô men lớn giảm xuống 165% ứng với cột 13 148% ứng với cột 14 Theo phân tích tốn tĩnh chương 7, độ lún lệch tương đối cơng trình nhỏ 0.007% nội lực khung không thay đổi (thay đổi bé), điều có nghĩa nội lực khung khơng bị ảnh hưởng thay đổi chiều dày bè toán tĩnh thoải mãn điều kiện lún lệch Nội lực khung, bè, cọc, chuyển vị gia tốc đỉnh cơng trình thay đổi theo phương án bố trí cọc bè Giá trị lớn nội lực cột bè bị thay đổi dấu thay đổi cách bố trí cọc bè Tổng giá trị nội lực lớn đầu cọc PA3 nhỏ nhất, tổng giá trị mô men lớn đầu cọc PA3 giảm so với tổng giá trị mô men lớn đầu cọc PA1 136%, tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc PA3 giảm so với tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc PA1 145% Nhưng bố trí cọc theo PA3 làm tăng độ lún trung bình cơng trình gần gấp đơi so với PA1 PA2 Kết hợp với phân tích tốn tĩnh, PA2 nên lựa chọn thiết kế Dựa phân tích trên, nội lực khung, bè, cọc, chuyển vị gia tốc đỉnh công trình thay đổi theo chiều dài cọc, cách bố trí cọc bè chiều dày bè Vì vậy, phân tích kết cấu cơng trình cần phải phân tích hệ kết cấu móng bè cọc – đất làm việc đồng thời Để thiết kế kết cấu công trình tối ưu, khơng nên tăng chiều dày bè để giảm lún lệch, tăng chiều dày bè làm tăng nội lực cọc, bè, chuyển vị gia tốc theo phương ngang công trình Chiều dày bè cần đảm bảo điều kiện chọc thủng 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ vấn đề nghiên cứu Luận Văn, tác giả đưa số kết luận sau: Các phương pháp tính tốn độ lún móng bè 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 móng, tỷ số L/B (L- chiều dài; B - bề rộng móng), tải trọng cơng trình cấu tạo địa chất cơng trình Theo phương pháp cộng lún lớp với móng có kích thước 40x60 m2 chịu tải trọng 200kN/m2, chênh lệch chiều dày vùng chịu nén điều kiện phân tố Si = với điều kiện (3.14) 452% Đối với phương pháp lớp biến dạng tuyến tính, chiều dày tính tốn lớp biến dạng tuyến tính xác định theo B.L Dalmatov lớn nhất, theo TCVN 9362:2012 nhỏ nhất, chênh lệch hai phương pháp 386% Dựa vào kết phân tích mục (4.2), để đảm bảo 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 có độ lún 0, móng có kích thước lớn (móng bè), độ lún móng tính theo cơng thức (3.7) 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 Đối với móng có kích thước lớn độ sâu chơn móng sâu (cơng trình có tầng hầm), tính lún độ cứng móng phải xét đến trình nở, nén lại giảm ứng suất đứng theo độ sâu chơn móng Muốn làm điều có cách mơ phần mềm địa kỹ thuật Ứng xử chia tải móng bè cọc Sự phân chia tải cho bè phụ thuộc vào độ lún móng, khoảng cách cọc, số lượng cọc, kích thước cọc đặc điểm cơng trình có tầng hầm hay khơng 121 Trên nhóm cọc, phân chia tải cho bè tăng đáng kể theo khoảng cách cọc độ lún Trên khoảng cách cọc, phân chia tải cho bè giảm mạnh tăng số lượng cọc bè Và phân chia tải cho bè tăng đáng kể theo chiều sâu đặt bè Để tận dụng khả mang tải bè nên thiết kế móng bè-cọc làm việc độ lún khoảng cách cọc lớn Khoảng cách tối thiểu cọc nên lấy 4dp nhóm cọc 2x2, 6dp nhóm cọc 10x10 Trong trường hợp nhà có tầng hầm khoảng cách tối thiểu cọc lấy thấp Ngồi ra, thay tăng số lượng cọc móng ta nên tăng chiều dài cọc Sự phân chia tải cho bè phụ thuộc vào nhiều yếu tố xác định cơng thức giải tích đơn giản Muốn xác định phân chia tải cho bè ta cần phải xét đầy đủ yếu tố nêu Các phần mềm Plaxis 3D, Abaqus, Midas GTX NX, Ansys,… đáp ứng yêu cầu nêu Tương tự phân chia tải cho bè, hệ số hiệu chỉnh độ cứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, phức tạp trình tương tác thành phần móng bè-cọc Hệ số hiệu chỉnh độ cứng bè (αr) tăng mạnh theo độ lún, khoảng cách cọc, giảm mạnh tăng số lượng cọc Trái lại, hệ số hiệu chỉnh độ cứng nhóm cọc (αp) giảm mạnh theo độ lún, khoảng cách cọc, thay đổi tăng số lượng cọc So với hệ số hiệu chỉnh độ cứng nhóm cọc, hệ số hiệu chỉnh độ cứng bè thay đổi phạm vi rộng Trong thiết kế sơ sử dụng biểu đồ hình 5.13 để xác định độ cứng bè cọc (kpr) phân chia tải cho bè Phần mềm sap 2000 phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình-móng bè cọc-đất làm việc đồng thời Từ phân tích trên, phần mềm Sap 2000 tốn phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình – móng – đất làm việc đồng thời, thích hợp khi: Đất chịu tải trọng nén (chịu tải trọng ngang nhỏ, thích hợp nhà thấp tầng); nền, quan hệ ứng suất biến dạng tuyến tính; Cơng trình khơng có tầng hầm 122 Ảnh hưởng chiều dày bè cách bố trí cọc bè đến ứng xử hệ khung – bè cọc đất (cơng trình tầng hầm) Phương án bố trí cọc khoảng cách kích thước cọc mặt cọc, phương án cọc biên có độ cứng lớn giảm dần vào tâm bè, điều làm tăng lún lệch cho cơng trình cơng trình có lõi cứng tâm cơng trình Khi lún lệch tăng dẫn đến tăng góc xoay chân cột đầu cọc làm tăng nội lực khung, bè cọc Đối với cơng trình có lõi cứng cơng trình có khối cao khối thấp, sử dụng phương án móng bè cọc phương án phương án tối ưu lựa chọn để thiết kế Bởi vì, bố trí cọc có kích thước lớn khoảng cách cọc bé nơi tập trung tải trọng lớn, nơi có tải trọng bé bố trí cọc có kích thước nhỏ khoảng cách cọc lớn Bằng cách bố trí mặt cho phép điều chỉnh lún lệch công trình phạm vi cho phép, có nghĩa điều chỉnh nội lực kết cấu đến mức nhỏ Vì vậy, phương án nên chọn thiết kế móng bè cọc Tăng chiều dày bè làm giảm độ lún lệch, chuyển vị ngang, góc xoay đầu cọc chân cột, điều dẫn đến mô men, lực cắt đầu cọc khung giảm theo độ tăng chiều dày bè Ngoài ra, tăng chiều dày bè làm tăng lực dọc cọc tăng lực cắt, mô men cọc biên Sự gia tăng nội lực trọng lượng thân bè ứng suất theo phương ngang tăng Ngoài ra, tăng chiều dày bè làm tăng độ cứng chống uốn trọng lượng thân bè, điều dẫn đến mô men lực cắt bè tăng theo chiều dày Trong khung, chuyển vị ngang góc xoay chân cột gây mô men đáng kể tầng (đặc biệt góc xoay gây mô men lớn) Chuyển vị đứng gây mơ men lớn tầng có xu hướng giảm gần theo chiều cao tầng Lực dọc cột chủ yếu chuyển vị đứng gây ảnh hưởng thay đổi theo chiều cao tầng Đối với phương án 2, chiều dày bè thay đổi từ 1.5m đến 9.5m, độ lún lệch tương đối lớn bè giảm từ 0.081% đến 0.007% Chênh lệch mô men lớn cột trường hợp phân tích hệ kết cấu cơng trình – móng bè 123 cọc – đất làm việc đồng thời với sơ đồ ngàm từ 26622% đến 5% lực dọc từ 9% đến 0.2% Nghiên cứu này, độ lún lệch, mô men lực cắt khung, mô men lực cắt cọc, mô men lực cắt bè thay đổi mạnh phạm vi chiều dày bè từ 1,5m đến 5.5m Vì vậy, tăng chiều dày bè phạm vi hiệu việc thay đổi nội lực kết cấu Trong phạm vi chiều dày bè từ 5.5m đến 9.5m, nội lực khung bè thay đổi, làm tăng lực dọc cọc tăng mô men, lực cắt cọc biên Do đó, trường hợp này, chiều dày bè tối đa nên lấy 5.5m Dựa phân tích trên, nhận thấy cơng trình nhạy cảm với lún lệch (đặc biệt mô men) phân tích kết cấu cơng trình cần phải phân tích hệ kết cấu - móng bè cọc – đất làm việc đồng thời Trường hợp phân tích nội lực khung theo sơ đồ ngàm cần đưa độ lún lệch cho phép có xét đến chuyển vị đứng, ngang góc xoay Vì, cơng trình bị lún lệch chân cột khơng tồn chuyển vị đứng mà tồn chuyển vị ngang góc xoay, chân cột liên kết với bè Trong nghiên cứu này, độ lún lệch tương đối 0.007% xem độ lún lệch tương đối cho phép cơng trình có kết cấu khung lõi kết hợp với phương án móng bè – cọc Để thiết kế kết cấu cơng trình tối ưu, không nên tăng chiều dày bè để giảm lún lệch, chiều dày bè cần đảm bảo điều kiện chọc thủng Để giảm lún lệch cách hiệu quả, bố trí cọc có kích thước lớn khoảng cách cọc bé nơi tập trung tải trọng lớn, nơi có tải trọng bé bố trí cọc có kích thước nhỏ khoảng cách cọc lớn Ảnh hưởng tầng hầm đến ứng xử hệ khung –tường vây – bè cọc đất Khi số lượng tầng hầm tăng, độ lún cơng trình nội lực cọc giảm mạnh, độ cứng bè phân chia tải cho bè tăng mạnh Do đó, thiết kế cần xem xét tác dụng tầng hầm việc giảm nội lực cọc tăng phân chia tải cho bè, từ giảm kích thước số lượng cọc Đối với nhà cao 124 tầng tác dụng tải trọng gió cọc móng hồn tồn chịu nén số tầng hầm đủ lớn Khi chiều dài tường vây tăng, nội lực cọc giảm mạnh (đặc biệt mô men lực cắt cọc), điều dẫn đến giảm kích thước, số lượng cọc cốt thép cọc Do đó, để tối ưu thiết kế, thiết kế biện pháp thi công tầng hầm thiết kế kết cấu công trình cần xem xét tường vây, kết cấu bên móng làm việc đồng thời Áp lực đất tác dụng lên tường phụ thuộc vào độ cứng tường (mức độ chuyển vị ngang tường), loại đất tải trọng Đối với nhà cao tầng, tải trọng cơng trình lớn nên tạo áp lực ngang tác dụng lên tường vây lớn Do đó, cần phải xem xét ảnh hưởng tải trọng cơng trình đến áp lực ngang tác dụng lên tường vây Chiều dày tường vây ảnh hưởng đáng kể đến nội lực cột, dầm, sàn vách thuộc tầng hầm Khi chiều dày tường vây tăng, nội lực khung cọc giảm đáng kể Ngoài ra, tăng chiều dày tường vây dẫn đến áp lực đất, nội lực tường vây nội lực bè (mép bè) tăng Từ phân tích ta nhận thấy tường vây-kết cấu bên trên-móng bè cọc-đất làm việc đồng thời tác dụng tương hỗ lẫn phận cơng trình Do đó, phân tích kết cấu cần phân tích tốn tường vây-kết cấu bên trên-móng-đất làm việc đồng thời Để phân tích tốn ta sử dụng phần mềm Plaxis 3D, Abaqus, Midas GTX NX, Ansys,… để phân tích Ứng xử hệ khung – bè cọc đất tác dụng động đất Khi tăng chiều dài cọc làm giảm nội lực khung, bè, cọc, chuyển vị gia tốc đỉnh cơng trình Đặc biệt chuyển vị ngang giảm đáng kể, tăng chiều dài cọc từ L = 40m đến L = 80m, chuyển vị ngang đỉnh giảm xuống 36% Tuy nhiên biện pháp không kinh tế, để giảm chuyển vị ngang công trình ta tăng tiết diện cọc thay đổi loại cọc Tăng chiều dày bè làm tăng nội lực bè, cọc, chuyển vị gia tốc đỉnh cơng trình Đặc biệt nội lực bè cọc, tăng chiều dày bè từ t r = 2.5m đến tr = 7.5m, giá trị mô men lớn bè tăng lên 149%, tổng giá trị lực 125 cắt lớn đầu cọc tăng lên 33% Ngoài ra, nội lực chân cột giảm đáng kể tăng chiều dày bè, tăng chiều dày bè từ tr = 2.5m đến tr = 7.5m, giá trị mô men lớn giảm xuống 165% ứng với cột 13 148% ứng với cột 14 Vậy, nội lực khung bị thay đổi theo chiều dày bè tác dụng động đất, cơng trình thoải mãn điều kiện lún lệch toán tĩnh Nội lực khung, bè, cọc, chuyển vị gia tốc đỉnh cơng trình thay đổi theo phương án bố trí cọc bè Giá trị lớn nội lực cột bè bị thay đổi dấu thay đổi cách bố trí cọc bè Tổng giá trị nội lực lớn đầu cọc PA3 nhỏ nhất, tổng giá trị mô men lớn đầu cọc PA3 giảm so với tổng giá trị mô men lớn đầu cọc PA1 136%, tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc PA3 giảm so với tổng giá trị lực cắt lớn đầu cọc PA1 145% Nhưng bố trí cọc theo PA3 làm tăng độ lún trung bình cơng trình gần gấp đơi so với PA1 PA2 Kết hợp với phân tích toán tĩnh, PA2 nên lựa chọn thiết kế Dựa phân tích trên, nội lực khung, bè, cọc, chuyển vị gia tốc đỉnh cơng trình thay đổi theo chiều dài cọc, cách bố trí cọc bè chiều dày bè Vì vậy, phân tích kết cấu cơng trình cần phải phân tích hệ kết cấu móng bè cọc – đất làm việc đồng thời Tương tự toán tĩnh, không nên tăng chiều dày bè để giảm lún lệch, tăng chiều dày bè làm tăng nội lực cọc, bè, chuyển vị gia tốc theo phương ngang cơng trình Chiều dày bè cần đảm bảo điều kiện chọc thủng KIẾN NGHỊ Độ lún lệch tương đối giới hạn ∆Sgh không nên số cơng trình, giá trị phụ thuộc vào loại kết cấu cơng trình (khung, khung-vách, khungvách-lõi,…), số tầng nhịp cơng trình Vì vậy, cần tiến hành nghiên cứu loại kết cấu để đưa giá trị độ lún lệch tương đối giới hạn phù hợp Thơng thường tính tốn lún móng, áp lực gây lún xác định theo cơng thức (4.1) (móng có bề rộng đường kính nhỏ 10m) Theo cơng thức lún xảy áp lực đáy móng lớn γDf, cơng thức phù hợp cho 126 móng có kích thước nhỏ, chiều sâu chơn móng nơng, đặc biệt cơng trình khơng đào đất thi cơng móng (nền đường, đập, móng đặt mặt đất,…) Đối với móng có kích thước lớn (móng bè), chiều sâu chơn móng lớn đặc biệt cơng trình đào đất thi cơng móng (các cơng trình có tầng hầm) sử dụng cơng thức khơng phù hợp Do đó, cần tiến hành nghiên cứu tính lún móng có xét đến q trình nở, nén lại giảm ứng suất đứng theo độ sâu chơn móng Phần mềm Sap 2000 quen thuộc với kỹ sư thiết kế kết cấu Để đáp ứng tính ứng dụng cao thực tiễn, phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình - móng – đất làm việc đồng thời, định hướng nghiên cứu sử dụng phần tử Gap (phần tử không chịu kéo) để mô vùng không chịu kéo đất (đặc biệt vùng tiếp xúc với bè tường vây) Ngoài ra, nghiên cứu tính Nonlinear Staged Construction để phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình - móng – đất làm việc đồng thời, đặc biệt trường hợp nhà có tầng hầm Nghiên cứu ảnh hưởng tầng hầm đến ứng xử hệ khung –tường vây – bè cọc đất tác dụng động đất 127 Danh mục cơng trình khoa học Tạp chí quốc tế Vinh Le Ba, Nhan Nguyen Van, Khanh Le Ba, “Study on the settlement of raft foundations by different methods” MATEC Web of Conferences IPICSE-2018, ISSN 2261236X (Scopus Journal) Tạp chí nước Lê Bá Vinh, Nguyễn Văn Nhân Ảnh hưởng chiều dày bè đến ứng xử hệ khung – bè cọc đất Tạp chí Xây dựng - số 608, - (2018) ISBN/ISSN: 0866 - 8762 Lê Bá Vinh, Nguyễn Văn Nhân Phân tích ứng xử chia tải móng bè cọc Tạp chí Xây dựng - số 608, - 12 (2018) -ISBN/ISSN: 0866 - 8762 Lê Bá Vinh, Nguyễn Nhựt Nhứt, Nguyễn Văn Nhân Phân tích làm việc hệ móng bè cọc – tường vây tầng hầm Tạp chí Địa Kỹ Thuật - số 4-2018, 32 39 (2018) -ISBN/ISSN: 0868-279X Lê Bá Vinh, Nguyễn Văn Nhân, Cao Văn Vui, Lê Bá Khánh, Nguyễn Nhựt Nhứt Ảnh hưởng động đất đến ứng xử hệ khung – bè cọc đất Tạp chí Xây dựng - số 608, 138 - 141 (2018) -ISBN/ISSN: 0866 - 8762 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Amornfa K, Phienwej N, and Kitpayuck P, “Current practice on foundation design of high-rise buildings in Bangkok, Thailand”, Lowland technology international, 2012, Vol.14, pp 70-83 [2] Kiyoshi yamashifa, Takeshi Yamad & Masaaki Kakurai Simplified method for analyzing piled raft foundations Proc.3rd Int geotech seminar on deep foundations on bored and Auger piles, 19-25 October 1998 [3] Kitiyodom, P and Matsumoto, T (2002) A simplified analysis method for piled raft and pile group foundations with batter piles International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 26: 1349-1369 [4] Sangseom Jeong, Jaeyeon Cho Proposed nonlinear 3-D analytical method for piled raft foundations, Computers and Geotechnics 59 (2014) 112–126 [5] TCVN 10304:2014 Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế, 2014 [6] Das Principles of foundation engineering, Cengage Learning, 2016 [7] TCVN 9362:2012 Tiêu chuẩn thiết kế nhà công trình, 2012 [8] X Chen, Settlement Calculation on High-Rise Buildings Theory and Application, (Beijing: Science Press, 2011) [9] Vũ Công Ngữ Thiết kế tính tốn móng nơng Trường Đại học Xây Dựng năm 1998 [10] Vương Văn Thành – Nguyễn Đức Ngn – Phạm Ngọc Thắng Tính tốn thực hành Nền Móng Cơng Trình dân dụng cơng nghiệp Nhà xuất Xây Dựng Hà Nội năm 2012 [11] Burland JB Piles as settlement reducers Keynote address 18th Italian congress on soil mechanics Italy: Pavia; 1995 [12] Hansbo, S and Jendeby, L 1983 A case study of two alternative foundation principles: conventional friction piling and creep piling., Vag-och Vattenbyggaren 7-8: 29-31 129 [13] 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 [14] Poulos HG Piled-raft foundation; design and applications Geotechnique 2001;51(2):95–113 [15] Clancy P, Randolph MF An approximate analysis procedure for piled raft foundations Int J Numer Anal Meth Geomech 1993;17:849–69 [16] Clancy P, Randolph MF Simple design tools for piled raft foundations Geotechnique 1996;46(2):313–28 [17] Lee J, Park G, Choi K Analysis of load sharing behavior for piled rafts using normalized load response model Comput Geotech 2014;57:65–74 [18] Lee J, Park D, Park D, Park K Estimation of load-sharing ratios for piled rafts in sands that includes interaction effects Comput Geotech 2015;63:306–314 [19] Omeman ZM Load sharing of piled-raft foundations in sand subjected to vertical loads PhD thesis, Quebec, Canada: Concordia University Montreal; 2012 [20] Han J, Ye SL A field study on the behavior of a foundation underpinned by micropiles Can Geotech J 2006;43(1):30–42 [21] Horikoshi K, Randolph MF Centrifuge modelling of piled raft foundations on clay Geotechnique 1996;46(4):741–52 [22] 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 [23] Katzenbach R, Schmitt A, Turek J Assessing settlement of high-rise structures by 3D simulations Comput-Aided Civ Infrastruct Eng 2005;20(3):221–9 [24] 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 1433–36 [25] Phung D Long Footings with settlement-reducing piles in non-cohesive soil PhD thesis, Gothenburg, Sweden: Chalmers University of Technology; 1993 [26] de Sanctis L, Mandolini A Bearing capacity of piled rafts on soft clay soils J Geotech Geoenviron Eng ASCE 2006;132(12):1600–10 130 [27] PLAXIS 3D Foundation In: Brinkgreve RB, Swolfs WM, editors PLAXIS 3D foundation user manual, version 2.0 PLAXIS Inc.; 2008 [28] Reul O, Randolph MF Design Strategies for Piled Rafts Subjected to Nonuniform Vertical Loading J Geotech Geoenviron Eng ASCE 2004;1(1): 130 [29] Fleming, W G K., Weltman, A J., Randolph, M F & Elson, W K (1992) Piling engineering, 2nd edn Surrey University Press [30] Poulos, H.G and Davis, E.H 1980 Pile Foundation Analysis and Design John Wiley, New York [31] Mayerhof G Some recent foundation research and its application to design Struct Eng 1953;31(6):151–67 [32] Lee IK, Brown PT Structures and foundation interaction analysis J Struct Div ASCE 1972;11:2413–31 [33] Viladkar MN, Godbole PN, Noorzaei J Space frame-raft-soil interaction including efect of slab stiffness Comput structr 1992; 43: 93-106 [34] Natarajan K, Vidivelli B Effect of column spacing on the behavior of frameraft and soil systems Journal of applied sciences 2009; 20: 3629-3640 [35] Sert S, Kılıc AN Numerical Investigation of Different Superstructure Loading Type Effects in Mat Foundations Int J Civ Eng 2016;14:171–180 [36] Ko J, Cho J, Jeong S Nonlinear 3D interactive analysis of superstructure and piled raft foundation Engineering Structures 2017;143:204–218 [37] Brinkgreve RBJ, Swolfs WM, Engine E PLAXIS 3D Foundation Version user’s manual, PLAXIS bv The Netherlands: Delft Univ of Technology; 2016 131 ... – móng bè cọc – đất làm việc đồng thời tác dụng động đất PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ứng xử hệ kết cấu cơng trình – móng bè cọc – đất làm việc đồng thời cơng trình giả định Trong phân tích ứng. .. tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình- móng bè cọc- đất làm việc đồng thời, dựa kết mô phần mềm Plaxis 3D; nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày bè cách bố trí cọc bè đến ứng xử hệ khung – bè cọc đất nền; nghiên. .. xử hệ kết cấu cơng trình – móng bè cọc – đất làm việc đồng thời xét điều kiện đất lún ổn định Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài ? ?nghiên cứu ứng xử hệ kết cấu cơng trình - móng bè cọc – đất làm