Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác kết cấu-móng-đất nền đến ứng xử của hệ móng bè cọc khi chịu tác động của động đất

Bài nghiên cứu này khảo sát ứng xử của móng cọc-bè khi chịu tải trọng giả của điều kiện động đất trong phần mềm phần tử hữu hạn. Trong đó, không chỉ nền móng và hệ thống đất mà cả kiến ​​trúc thượng tầng cũng được mô hình hóa để xem xét sự tương tác giữa đất và cấu trúc (SSI). Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của bài viết này.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-MÓNG-ĐẤT NỀN ĐẾN ỨNG XỬ CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT LÊ BÁ VINH*,** OÀNG NGỌC TR ỀU*,** Research on influence of the interaction of superstructure, foundation and soils on the behaviour of pile-raft foundation under earthquake loads Abstract: The pile-raft foundation has been widely known as an economic and rational design method for high-rise building partly because of its effectiveness in load sharing by both raft and piles, which results in smaller total and differential settlements of foundation Up to now, there have been quite a few studies focusing on the behaviour of pile-raft foundation under earthquake load due to the complexities included in the interaction of the superstructures, pile-raft foundation and soil This study concentrates on investigating the behaviour of pile-raft foundation under pseudostatic load of earthquake conditions in finite-element software In which, not only foundation and soil system but also superstructures are modelled to consider soil-structure interaction (SSI) The results of moment in piles under SSI analysis method are compared to the results of the method simulating the raft-pile foundation system only, which helps civil engineers to realize the important of soil-structure interaction and choose a suitable one for their study and design In addition to this, the behavior of the pile foundation system after analysis including internal force in the pile which is compared with the static analysis results to foster the sense of engineers in considering the effect of earthquake in their design concept Keywords: pile-raft foundation, earthquake load, pseudostatic load, soilstructure interaction, superstructure-foundation-soil system ẶT VẤN Ề * Ngày này, với thị hóa, cơng trình xây dựng ngày phát triển quy mô chiều cao Đối với tòa nhà cao tầng siêu cao tầng phƣơng án móng sử dụng đóng vai trò quan trọng việc truyền tải trọng cơng trình bên xuống đất bên dƣới giảm lún, lún lệch cho cơng trình Một phƣơng án móng thƣờng đƣợc lựa * ** Bộ mơn Địa - Nền móng, Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh Tác giả liên hệ: trieuhn@hcmut.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 chọn móng bè-cọc kết hợp với ƣu điểm vƣợt trội việc giảm số lƣợng cọc, giảm lún lệch tăng khả chịu tải đất Do đó, nhiều nghiên cứu đƣợc thực nhằm đề xuất phƣơng pháp ứng dụng thiết kế móng bè cọc, có nghiên cứu Poulos (2001) Randolph (1994) Tuy nhiên, nghiên cứu tách riêng ứng xử nhóm cọc bè độc lập thơng việc xác định hệ số phân chia tải bè cọc mà chƣa xét đến làm việc đồng thời hệ móng bè-cọc Sau đó, nhiều nghiên cứu tác giả Clancy Randolph (1993), Cooke (1996), 65 Cunha (2001) sử dụng phân tử lị xo để phân tích tƣơng tác bè-cọc tƣơng tác cọc với đất dƣới tác động tải trọng tĩnh Năm 2003, Horikoshi cộng [3] sử dụng thí nghiệm bàn rung để nghiên cứu ứng xử hệ móng bècọc dƣới tác động tải động Năm 2014, Banerjee cộng [6] khảo sát tác động động đất đến ứng xử đầu cọc ngàm vào đài thí nghiệm máy ly tâm kết hợp với phƣơng pháp mô số Đến năm 2015, Zheng cộng [8] thực thí nghiệm bàn rung để phân tích tƣơng tác cọc đất dƣới tác động động đất cho công trình xây dựng đất yếu Cùng năm đó, Kumar cộng nghiên cứu ứng xử động cọc cho móng bể chứa dầu phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS 3D Sau đó, Kumar Choudhury thực nghiên cứu phân tích tƣơng tác đất kết cấu cho móng cọc dƣới tác động tải trọng động phần mềm FLAC3D 4.0 Rất nhiều nghiên cứu đƣợc thực nhằm phân tích ứng xử móng bè cọc dƣới tác động tải trọng tĩnh tải trọng động [1,3,6,8] Tuy nhiên, đa phần nghiên cứu mơ hệ móng nhóm cọc riêng lẻ mơ hệ móng bè-cọc độc lập cịn kết cấu bên chƣa xét đến Do đó, nghiên cứu tiến hành phân tích ứng xử cọc dƣới tác động động đất xét đến làm việc chung hệ kết cấu bên trên, móng bè cọc đất bên dƣới Ở đây, phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS 3D đƣợc sử dụng để mơ cơng trình Messestum tác động động đất đƣợc mô nhƣ lực tĩnh ngang tƣơng đƣơng tác dụng lên đài cọc theo phƣơng pháp giả tĩnh Trong đó, giá trị lực ngang giả tĩnh động đất đƣợc tính tốn từ trận động đất Bhuj 2001, Sikkim 2011, Loma Prieta 1989 ElCentro 1979 Sau đó, để nhận thấy cần thiết việc mô hệ kết cấu bên trên, hệ bè cọc đất làm việc đồng thời, ứng xử hệ móng bè-cọc dƣới tác động động đất đƣợc phân tích so sánh phƣơng pháp mơ 66 hệ khung- móng- đất làm việc đồng thời (SSI) phƣơng pháp mơ hệ móng bè- cọc theo nghiên cứu tác giả Ashutosh Kumar [1] CƠNG TRÌN NG ÊN CỨU MESSETURM TOWER 2.1 Tổng quan cơng trình Messeturm Tower tịa nhà chọc trời thành phố Frankfurt am Main nƣớc Đức Cơng trình đƣợc xây dựng năm 1990 tòa nhà cao thứ hai Đức với tổng chiều cao 257 m gồm 63 tầng tầng hầm Hình Cơng trình Messeturm Tower Hình Mặt cắt đứng cơng trình [4] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 2.2 Kết cấu phƣơng đứng cơng trình Cơng trình sử dụng giải pháp kết cấu hình ống đƣợc cấu tạo ống bao xung quanh nhà gồm hệ thống cột, dầm phía nhà hệ lõi, vách cứng (Hình 2) Trong hệ cột đƣợc bố trí xung quanh cách 3,6 m có kích thƣớc 0,8x0,8 m tầng thay đổi tiết diện cm đến kích thƣớc 0,3x0,3 m tầng Đối với hệ vách chịu lực sử dụng vách bê tông cốt thép có chiều dày 64 cm vách tầng hầm hệ vách lõi bên cơng trình chọn tiết diện vách dày 22 cm 2.3 Kết cấu phƣơng ngang cơng trình Cơng trình đƣợc thiết kế theo giải pháp sàn bê tông cốt thép kết hợp với hệ dầm (Hình 3) Trong sàn có chiều dày 22 cm hệ dầm chính, dầm phụ có kích thƣớc lần lƣợt 40 x 80 cm 20x40 cm Hình Kết cấu vách hệ cột xung quanh cơng trình [4] Hình Mặt kết cấu cơng trình tầng đến tầng [4] Hình Mặt kết cấu cơng trình tầng n hình tầng đến tầng 58 [4] Hình Mặt kết cấu cơng trình tầng 59 đến tầng 60 [4] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 67 2.3 Kết cấu móng cơng trình Giải pháp móng đƣợc sử dụng giải pháp móng bè cọc kết hợp với phần bè có kích thƣớc 58,8 m x 58,8 m (Hình 7) chiều dày thay đổi từ m biên đến m khu vực tâm móng Phần cọc sử dụng phƣơng án cọc khoan nhồi có đƣờng kính 1,3 m với ba loại chiều dài cọc giảm dần từ tâm móng đến biên đƣợc thể Hình Ở khu vực tâm móng bố trí 16 cọc với chiều dài cọc 34,9 m, khu vực xung quanh phần tâm móng bố trí 20 cọc với chiều dài 30,9 m phần biên ngồi bố trí 28 cọc với chiều dài cọc 26,9 m 2.4 ịa chất cơng trình Cơng trình đƣợc xây dựng khu vực có mặt cắt địa chất nhƣ Hình 8, gồm lớp đất đá san lấp dày 8-10 m mặt Bên dƣới lớp san lấp lớp đất sét Frankfurt đến độ sâu khoảng 70 m Mực nƣớc ngầm khu vực độ sâu khoảng 4,55,0 m so với mặt đất tự nhiên Hình Mặt cắt địa chất khu vực Frankfurt am Main (Katzenbach et al [2]) PHÂN TÍCH ỨNG XỬ HỆ MÓNG BÈ CỌC KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT Trong nghiên cứu này, hệ kết cấu-móng-đất cơng trình Messesturm Tower đƣợc mơ PLAXIS 3D (Hình 14) dựa thông tin kết cấu, địa chất hệ móng bè cọc nhƣ trình bày mục Sau phân tích, kết ứng xử cọc đƣợc so sánh với phƣơng pháp mơ hệ móng bè-cọc theo nghiên cứu tác giả Ashutosh Kumar (Hình 15) [1] để thấy đƣợc khác biệt hai phƣơng pháp mô 3.1 Thông số kết cấu mô Kết cấu cột, vách, lõi sử dụng vật liệu bê tông mác B45 dầm, sàn sử dụng bê tông mác B35 với thông số trình bày Bảng Kết cấu móng sử dụng vật liệu bê tông với thông số mô trình bày Bảng 3.2 Thơng số địa chất mơ Địa chất cơng trình đƣợc mơ dựa mặt cắt địa chất khu vực Frankfurt am Main nhƣ Hình thơng số địa chất đƣợc tóm tắt Bảng ảng Thơng số vật liệu cột vách lõi dầm sàn mô Các thơng số Hình Mặt bố trí cọc bè cơng trình Messeturm Tower [1] 68 Module đàn hồ i Ký hiệu E Bê tông Bê tông B45 B35 37500 34500 (MN/m ) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Hệ số  0,2 0,2 25 25 Poisson Trọng lượng  (kN/m3) riêng ảng Thông số vật liệu bè cọc mô (Reul 2000) [5] Các thông Ký hiệu Bè Cọc E (MN/m2) 34000 25000  0,2 0,2  (kN/m3) 25 25 3.3 Thông số động đất mô Giá trị lực ngang giả tĩnh động đất đƣợc tính tốn từ số liệu ghi nhận đƣợc trận động đất Bhuj 2001, Sikkim 2011, Loma Prieta 1989 El-Centro 1979 (Hình đến Hình 13) giá trị lực tĩnh sau tính tốn đƣợc trình bày Bảng 3.8 Sau đó, lực tĩnh đƣợc gán vào đài cọc phân tích phần mềm PLAXIS 3D số Module đàn hồ i Hệ số Poisson Trọ ng lượng riêng Bảng Bảng tổng hợp thông số địa chất [7] Frankfurt Frankfurt clay limestone HSM HSM MCM 18 18,7 22 75000 50000 2000000 75000 50000 225000 150000 100 100 1,0 0,85 c' (kN/m2) 20 1000 ' (o) 30 20 15 Lớp đất Sand and Gravel Type  (kN/m ) E50 ref H nh Bi u đồ phổ gia tốc động đất (kN/m2) Eoedref (kN/m2) Eurref (kN/m ) Pref (kN/m2) m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 69 H nh 10 Băng gia tốc trận động đất Bhuj 2001 H nh 11 Băng gia tốc trận động đất Sikkim 2011 H nh 12 Băng gia tốc trận động đất Loma Prieta 1989 H nh 13 Băng gia tốc trận động đất El-Centro 1979 ảng Thông số trận ộng đất sử dụng ph n t ch số [1] Thông số trận ộng ất Gia tốc (g) Thời gian xảy Động đất (giây) Lực cắt đáy lớn (MN) Bhuj 2001 0,106 12,44 192,7 3.4 Kết moment cọc Các kết moment cọc dƣới tác động bốn trận động đất khác phân tích từ mơ hình mơ hệ kết cấu - móng đất làm việc đồng thời (SSI) đƣợc so sánh 70 Trận ộng đất Sikkim Loma Prieta 2011 1989 0,201 0,279 25,35 15,17 365,5 1635,6 El-Centro 1979 0,43 17,64 2520,8 với kết phân tích tác giả Ashutosh Kumar [1] (Hình 17 đến Hình 19) Trong ba cọc P1, P2, P3 ứng với chiều dài cọc vị trí cọc bè khác đƣợc khảo sát (Hình 16) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 H nh 14 Mơ h nh hệ kết cấu-móng-đất (SSI) PLAXIS 3D Hình 16 Vị trí cọc P1, P2, P3 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 H nh 15 Mơ h nh phân tích tác giả Ashutosh Kumar [1] Hình 17 Kết moment cọc P1 (Inner Pile) 71 Hình 18 Kết moment cọc P2 (Middle Pile) (a) (b) Hình 19 Kết moment cọc P3 (Outer Pile) (c) H nh 20 Giá trị moment chênh lệch phương pháp SSI phương pháp phân tích Ashutosh Kumar [1]: (a) Cọc P1, (b) Cọc P2, (c) Cọc P3 Dựa kết so sánh Hình 17, Hình 18 (Inner Pile) giá trị moment chênh lệch nhỏ Hình 19, nhận thấy kết moment cọc với khoảng 1150 kN.m (Hình 20 (a)) tƣơng chịu tác động động đất phƣơng pháp ứng với phần trăm chênh lệch 31 % Tuy nhiên, phân tích hệ kết cấu - móng - đất làm việc xa vị trí đầu cọc giá trị chênh lệch đồng thời (SSI) phƣơng pháp phân tích có xu hƣớng giảm dần đến khoảng nhỏ 300 Ashutosh Kumar [1] mơ hệ móng bè - kN.m vị trí mũi cọc (Hình 20) cọc có giống hình dạng biểu đồ Qua kết phân tích thấy rõ Tuy nhiên, giá trị có chênh lệch đáng cần thiết việc mô ứng xử thực kể, giá trị moment phân tích theo phƣơng tế cơng trình gồm hệ khung-móng-đất pháp phân tích SSI có xu hƣớng nhỏ so với làm việc đồng thời phân tích cơng trình chịu kết phân tích Ashutosh Kumar mơ tác động động đất So với phƣơng pháp hệ móng bè-cọc Tại vị trí đầu cọc, giá trị mơ hệ bè-cọc phƣơng pháp mơ moment chênh lệch hai phƣơng pháp lớn hệ khung-móng-đất khơng mơ nhất, đặc biệt nhóm cọc vị trí trung gian ứng xử thực tế mà cịn đem lại hiệu (Middle Pile) nhóm cọc (Outer mặt kinh tế thiết kế với kết moment Pile) với chênh lệch lên đến 3600 kN.m (Hình cọc nhỏ đáng kể lên đến 35%, giúp 20 (b) (c)) tƣơng ứng với phần trăm chênh lệch tiết kiệm vật liệu làm cọc 35 % Đối với nhóm cọc vị trí trung tâm đài 3.5 Khảo sát mức độ tác động động đất 72 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Hình 21 Kế t moment cọ c P1 Hình 22 Kế t moment cọ c P2 (Middle Pile) (Outer Pile) Hình 23 Kế t moment cọ c P3 Hình 24 Phầ n trăm gia tăng moment (Middle Pile) cọ c chị u tác độ ng củ a độ ng đấ t so vớ i giá trị tĩnh Các giá trị moment cọc phân tích tĩnh chịu tác động trận động đất với cƣờng độ khác đƣợc so sánh để khảo sát mức độ tác động động đất đến moment cọc Dựa vào kết moment Hình 21, Hình 22 Hình 23 nhận thấy giá trị moment lớn đầu cọc liên kết cứng đài cọc, xa vị trí đầu cọc giá trị moment giảm dần đến khoảng nhỏ 300 kN.m mũi cọc Khi cƣờng độ trận động đất gia tăng giá trị moment cọc tăng lên đáng kể đặc biệt phạm vi 15 m tính từ đầu cọc (Hình 21 đến Hình 23) Tuy nhiên, mức ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 độ gia tăng giá trị moment cọc phụ thuộc vào vị trí cọc bè (Hình 24) Đối với nhóm cọc vị trí đài (chiếm khoảng 50 % diện tích đài), mức độ gia tăng moment cọc chịu tác động động đất lớn, lên đến gần 390 % so với kết tĩnh chịu tác động trận động đất El-Centro (ag = 0,43g) Trong đó, nhóm cọc ngồi (khoảng 50 % diện tích đài bè), mức độ gia tăng moment cọc chịu tác động động đất nhỏ Cũng dƣới tác động trận động đất ElCentro nhƣng phần trăm giá trị moment gia tăng cọc so với giá trị tĩnh khoảng 110 %, 73 nhỏ gần lần so với phần trăm gia tăng nhóm cọc vị trí đài bè Qua kết phân tích Hình 24 nhận thấy mức độ gia tăng giá trị moment cọc chịu tác động động đất so với trƣờng hợp chịu tải trọng tĩnh cơng trình nhƣ thấy đƣợc cần thiết việc xét đến tác động động đất tốn thiết kế, đặc biệt vùng có nguy xảy động đất Khi cƣờng độ động đất tăng giá trị moment cọc tăng, đặc biệt phạm vi 15 m tính từ đầu cọc Tuy nhiên, cọc vị trí trung tâm đài bè có xu hƣớng chịu tác động nhiều cọc vị trí ngồi cọc có phần trăm gia tăng moment cọc gấp khoảng lần cọc Ở Việt Nam, vùng có nguy chịu tác động động đất lớn có gia tốc khoảng 0.144g dựa vào kết nghiên cứu thấy mức độ tác động động đất làm gia tăng đến 40% moment cọc so với trƣờng hợp chịu tải trọng tĩnh Do đó, việc xét đến động đất toán thiết kế thực cần thiết K T LUẬN Khi chịu tác động động đất giá trị moment cọc có gia tăng so với trƣờng hợp chịu tải trọng tĩnh mức độ gia tăng giá trị moment phụ thuộc vào cƣờng độ trận động đất Khi cƣờng độ động đất tăng giá trị moment cọc tăng, đặc biệt phạm vi 15 m tính từ đầu cọc Tuy nhiên, cọc vị trí trung tâm đài bè có xu hƣớng chịu tác động nhiều cọc vị trí ngồi cọc có phần trăm gia tăng moment cọc gấp khoảng lần cọc ngồi Do đó, việc xét đến tác động động đất thiết kế hệ móng bè-cọc bên dƣới thực cần thiết toán thiết kế, đặc biệt vùng có nguy chịu tác động động đất Một phƣơng pháp áp 74 dụng để xét đến tác động động đất đến hệ móng bè-cọc phƣơng pháp giả tĩnh, tác động động đất đƣợc mô nhƣ lực tĩnh ngang tƣơng đƣơng tác dụng lên đài cọc Tuy nhiên, qua kết nghiên cứu phân tích nhận thấy kết moment cọc chịu tác động động đất phƣơng pháp phân tích hệ kết cấu - móng - đất làm việc đồng thời (SSI) phƣơng pháp phân tích Ashutosh Kumar mơ hệ móng bè cọc có chênh lệch đáng kể, giá trị moment phân tích theo phƣơng pháp phân tích SSI có xu hƣớng nhỏ so với kết phân tích mơ hệ móng bè-cọc Tại vị trí đầu cọc, giá trị moment chênh lệch hai phƣơng pháp lớn nhất, lên đến 3600 kN.m tƣơng ứng với phần trăm chênh lệch 35 % Tuy nhiên, xa vị trí đầu cọc giá trị chênh lệch có xu hƣớng giảm dần đến khoảng nhỏ 300 kN.m vị trí mũi cọc So với phƣơng pháp mô hệ bè-cọc phƣơng pháp mơ hệ khung-móng-đất không mô ứng xử thực tế mà đem lại hiệu mặt kinh tế thiết kế với kết moment cọc nhỏ đáng kể lên đến 35 %, giúp tiết kiệm vật liệu làm cọc Do đó, phân tích tác động động đất lên hệ móng bè-cọc phần mềm phần tử hữu hạn cần mô hệ kết cấu bên xét đến làm việc đồng thời hệ khung-móng-đất Lời cảm ơn Chúng xin cảm ơn Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM hỗ trợ thời gian, phƣơng tiện sở vật chất cho nghiên cứu TÀ L ỆU T AM K ẢO [1] Ashutosh Kumar, Deepankar Choudhury and Roft Katzenbach, “Effect of Earthquake on Combined Pile-Raft Foundation”, International Journal of Geomechanics, vol 16, no 5, 2016 [2] Rolf Katzenbach, Gregor Bachmann and ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Hendrik Ramm, “Combined Pile Raft Foundations (CPRF): An Appropriate Solution for The Foundations of High-Rise Buildings”, Slovak Journal of Civil Engineering, vol 3, pp 19-29, 2005 [3] Horikoshi, K., Matsumoto, T., Hashizume, Y., Watanabe, T., and Fukuyama H, “Performance of piled raft foundations subjected to dynamic loading”, Int J Phys Model., vol 3, no 2, pp 51-62, 2003 [4] Sommer, H., Katzenbach, R., and DeBeneditis, “Lát Verformungsverhalten des mesturmes Frank am Mai”, Vortrage dẻ Baugrundtagung in Karlsruhe, DGGT, Essen, Germany, pp 371-380, 1990 [5] Reul, O., “In situ-Messungen und numerische stuien Zum Tragverhalten der Kombinierten Pfahl-plattengtundung.”, Mitteilungen des Institutes und der versuchsanstalt fur Geotechnik ser Technischen Universitat Darmstadt, Heft 53 (in German), 2000 [6] Banerjee, S., Goh, S H., and Lee, F H., “Earthquake induced bending moment in fixed head piles in soft clay”, Geotechnique, vol 64, no 6, pp 431-446, 2014 [7] Amann, P./ Breth, “Verformungsverhalten des Baugrundes beim Baugrubenaushub und anschließendem Hochhausbau am Beispiel des Frankfurter Ton Mitteilungen der Versuchsanstalt für Bodenmechanik und Grundbau der Technischen Hochschule Darmstadt”, (1975) [8] Zheng, C., Ding, X., and Sun, Y., “Vertical vibration of a pipe pile in viscoelastic soil considering the three-dimentional wave effect of soil”, Int J Geomech., 2015 [9] PLAXIS 3D Manual 2018 Người phản biện: PGS, TS NGUYỄN VĂN DŨNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 75 ... TÍCH ỨNG XỬ HỆ MĨNG BÈ CỌC KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT Trong nghiên cứu này, hệ kết cấu -móng- đất cơng trình Messesturm Tower đƣợc mơ PLAXIS 3D (Hình 14) dựa thông tin kết cấu, địa chất hệ móng. .. trọng động [1,3,6,8] Tuy nhiên, đa phần nghiên cứu mơ hệ móng nhóm cọc riêng lẻ mơ hệ móng bè- cọc độc lập cịn kết cấu bên chƣa xét đến Do đó, nghiên cứu tiến hành phân tích ứng xử cọc dƣới tác động. .. cần thiết việc mô hệ kết cấu bên trên, hệ bè cọc đất làm việc đồng thời, ứng xử hệ móng bè- cọc dƣới tác động động đất đƣợc phân tích so sánh phƣơng pháp mơ 66 hệ khung- móng- đất làm việc đồng