2.3. CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG MÓNG BÈ CỌC BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D
3.1.2. Mô hình nghiên cứu
Mục này trình bày việc lựa chọn mô hình để nghiên cứu hoạt động của bè móng trong mối tương tác bè - kết cấu, bè - nền, cọc. Tiêu chí đặt ra để lựa chọn là mô hình phải tương đối giống với công trình thật và kết quả nghiên cứu có thể mang lại ý nghĩa thực tiễn cho việc thiết kế thi công các công trình trong điều kiện Việt Nam.
3.1.2.1. Lựa chọn công trình
Mục tiêu của việc chọn công trình để phân tích là công trình, mô hình đó phải có hệ kết cấu đơn giản, đặc trƣng kiểu móng bè cọc, đồng thời phải là công trình thực hoặc gần nhƣ là công trình thực. Để đáp ứng một phần hai mục tiêu đã đặt ra ở trên chúng tôi sƣ dụng thiết kế mô phỏng tại công trình VIETCOMBANK TOWER. Cấu tạo cọc bè và hệ kết cấu bên trên thể hiện hình.
- 60 -
Công trình VIETCOMBANK TOWER, số 5, Quảng Trường Mê Linh, Quận 1, TP. Hồ Chí Minh. Công trình cao 144 m, gồm 35 tầng, 4 tầng hầm xây dựng trên diện tích khoảng 3.200 m2, tiếp giáp quảng trường Mê Linh, đường Tôn Đức Thắng, Hai Bà Trưng, Mạc Thị Bưởi và Phan Văn Đạt. Bè móng dày 3 m, đáy bè móng được đặt ở lớp đất thứ 4 có cao trình là -15,6m.
Hình 3.4: Công trình Vietcombank Tower 3.1.2.2. Xây dựng mô hình
Xây dựng mô hình phân tích là một hệ móng bè cọc đơn giản, kích thước phần bè không đổi 14m x 14m, chịu tải trọng phân bố đều q = 400 kPa nhƣ chính tải trọng phân bố của công trình. Bằng cách lần lƣợt thay đổi các thông số cho bè, cho cọc và
- 61 -
cho đất nền, ta sẽ phân tích các ảnh hưởng tiêu biểu đến ứng xử của móng bè, đặc biệt là quan tâm đến thông số độ lún và hệ số phân phối tải trọng αPR
Bè đƣợc thiết kế là bản phẳng để đơn giản cho việc nghiên cứu và so sánh.
Chiều dày bè thay đổi từ 0.5m - 6m nhằm mục đích khảo sát vai trò của bè. Bè đƣợc mô phỏng nhƣ phần tử bản mỏng đặt trên nền móng gồm 25 cọc, bên cạnh đó cũng thay đổi vị trí và số lƣợng cọc.
Để có thể đánh giá đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử giữa bè – nền – cọc, chúng tôi kiến nghị sử dụng nhiều sơ đồ bố trí cọc khác nhau thể hiện trên hình 3.5. Cọc đƣợc cho là phải bố trí ở những vị trí trọng yếu nhằm làm giảm chuyển vị lệch. Nhƣng vị trí nào là trọng yếu? Randolph (1994) cho rằng cần thiết bố trí cọc tập trung ở giữa tâm bè để giảm chuyển vị lệch khi hình dạng phân bố áp lực tập trung ở giữa tâm bè. Tuy nhiên, theo Hrustinec (2002) sự phân bố áp lực tiếp xúc dưới bè phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: kết cấu bên trên, loại đất nền, độ lớn của tải trọng v.v…, sự phân bố áp lực tiếp xúc có khi tập trung ở mép, khi khác tập trung ở tâm bè, do đó việc đánh giá nhiều sơ đồ bố trí cọc là cần thiết.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất 4 sơ đồ bố trí cọc với phương án chiều dài và đường kính cọc khác nhau. Nhưng tổng sức chịu tải do cọc chịu ở tất cả các sơ đồ đều nhƣ nhau.
Sơ đồ 1 (cọc bố trí tại tâm bè) Sơ đồ 2 (cọc bố trí tại chu vi bè)
- 62 -
Sơ đồ 3 (cọc bố trí tại tâm và chu vi bè) Sơ đồ 4 (cọc bố trí đều trên bè)
Hình 3.5: Sơ đồ bố trí cọc
Các đặc trƣng của đất nền sử dụng cho nghiên cứu lấy từ công trình VIETCOMBANK TOWER, số 5, Quảng Trường Mê Linh, Quận 1, TP. Hồ Chí Minh.
Các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của đất đƣợc lấy dựa trên hồ sơ khảo sát địa chất. Tóm tắt các thông số đất nền dưới bè móng như bảng sau:
Bảng 3.2: Bảng tổng hợp địa chất tại công trình Vietcombank Tower
Thông số Ký
hiệu
3 lớp đất đầu (1+2+3)
Cát chứa bụi
(4) Sét (5) Đơn vị
Bề dày lớp đất Z 11.0 26.6 14.0 m
Khối lƣợng đơn vị đất
trên mực nước ngầm 16.5 17.5 17.0 kN/m3
Lực dính C 16.5 12.4 100 kN/m2
Góc ma sát trong φ 24.16 29.78 15.2 o
Góc trương nở ψ 0 0 0 o
Môdun đàn hồi E 8030 20270 23000 kN/m2
Hệ số Poisson ν 0.28 0.28 0.35 -
Hệ số giảm cường độ Rinter 0.9 0.9 0.9 -
- 63 -
3.1.2.2 Mô hình phân tích
Hình 3.6: Mô hình phân tích móng bè cọc đơn giản PHÂN TÍCH CÁC ẢNH HƯỞNG
3.2.
3.2.1. Ảnh hưởng của áp lực do tải trọng ngoài khác nhau 3.2.1.1 Tổng hợp các kết quả nghiên cứu trước đây
Áp lực do tải trọng càng tăng thì độ lún tối đa và độ lún lệch càng tăng theo.Do đó có thể nhận định, chiều dày bè nên thiết kế tăng cùng với chiều cao công trình để giữ nguyên khoảng lún lệch cho phép.
Từ số liệu thí nghiệm hiện trường công trình Changfeng Market ở Thượng Hải Trung Quốc, nghiên cứu về sự tương tác tồn tại tự nhiên giữa hệ kết cấu siêu cao tầng khung cứng - móng bè siêu dày - cọc khoan nhồi siêu dài trong địa tầng phức tạp, mềm yếu, nhiều lớp. Kết quả quan trắc lún cho thấy, tương ứng tăng tải trọng của một tầng sàn thì độ lún tăng thêm là 1mm. Dựa trên đo đạc tải trọng công trình cho thấy: nền đất (phần bè) chịu 25%, phần còn lại do nhóm cọc chịu khoảng 75% tổng tải trọng công trình.
3.2.1.2 Phân tích ảnh hưởng của áp lực do tải trọng tác dụng lên bè đến thông số độ lún & hệ số phân phối tải trọng αPR
- 64 -
MÔ HÌNH 1 ĐẶT VẤN ĐỀ
`
Phần bè cọc có kích thước không đổi:
Dài x Rộng x Cao = 14m x 14m x 3m ER = 30.000.000 kPa; ν = 0,2
Phần cọc có kích thước không đổi:
Số lƣợng cọc n = 25 Đường kính cọc D = 1,0m Chiều dài cọc L = 30m
Sơ đồ bố trí cọc đều trên bè 3D = 3,0m EP = 30.000.000 kPa; ν = 0,2
Tải trọng do bản thân bè phân bố đều:
γbt x Hbe = 25*3 = 75(kN/m2)
Tải trọng ngoài tác dụng lên bè thay đổi:
q1 = 100 kN/m2 (mô hình 1-1) q2 = 200 kN/m2 (mô hình 1-2) q3 = 300 kN/m2 (mô hình 1-3) q4 = 400 kN/m2 (mô hình 1-4)
→ Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tải trọng tác dụng lên bè đến thông số độ lún và hệ số phân bố tải trọng αPR
- 65 -
Hình 3.7: Mô hình móng bè cọc trong Plaxis 3D Foundation 3.2.1.3 Kết quả phân tích bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation
a) Kết quả phân tích mô hình với áp lực do tải trọng ngoài tác dụng 100kPa
Mô hình 1-1 MBC với độ lún trung bình = 19 mm
Moment uốn của bè móng trong mô hình 1-1 MBC
- 66 -
Phản lực đầu cọc trong mô hình 1-1 MBC
Tính toán hệ số phân bố tải trọng αPR Tổng tải trọng truyền xuống cọc:
Rtotal = (100+75) * (14*14) = 34300 (kN)
Tổng phản lực đầu cọc (kết quả lấy từ phần mềm Plaxis 3D Foundation) Rp = 23710 (kN)
Hệ số phân phối tải trọng trong mô hình:
∑
b) Kết quả phân tích mô hình với áp lực do tải trọng ngoài tác dụng 200kPa
Mô hình 1-2 MBC với độ lún trung bình = 33 mm
Moment uốn của bè móng trong mô hình 1-2 MBC
- 67 -
Phản lực đầu cọc trong mô hình 1-2 MBC
Tính toán hệ số phân bố tải trọng αPR Tổng tải trọng truyền xuống cọc:
Rtotal = (200+75) * (14*14) = 53900 (kN)
Tổng phản lực đầu cọc (kết quả lấy từ phần mềm Plaxis 3D Foundation) Rp = 39230 (kN)
Hệ số phân phối tải trọng trong mô hình:
∑
c) Kết quả phân tích mô hình với áp lực do tải trọng ngoài tác dụng 300kPa
Mô hình 1-3 MBC với độ lún trung bình = 59 mm
Moment uốn của bè móng trong mô hình 1- 3 MBC
- 68 -
Phản lực đầu cọc trong mô hình 1-3 MBC
Tính toán hệ số phân bố tải trọng αPR Tổng tải trọng truyền xuống cọc:
Rtotal = (300+75) * (14*14) = 73500 (kN)
Tổng phản lực đầu cọc (kết quả lấy từ phần mềm Plaxis 3D Foundation) Rp = 70590 (kN)
Hệ số phân phối tải trọng trong mô hình:
∑
d) Kết quả phân tích mô hình với áp lực do tải trọng ngoài tác dụng 400kPa
Mô hình 1-4 MBC với độ lún trung bình = 74 mm
Moment uốn của bè móng trong mô hình 1-4 MBC
- 69 -
Phản lực đầu cọc trong mô hình 1-4 MBC
Tính toán hệ số phân bố tải trọng αPR Tổng tải trọng truyền xuống cọc:
Rtotal = (400+75) * (14*14) = 93100 (kN)
Tổng phản lực đầu cọc (kết quả lấy từ phần mềm Plaxis 3D Foundation) Rp = 88190 (kN)
Hệ số phân phối tải trọng trong mô hình:
∑
3.2.1.4 Nhận xét và kết luận
Nhận xét:
- Độ lún trung bình móng bè cọc tăng theo áp lực do tải trọng ngoài tác dụng:
Hình 3.8: Tương quan giữa áp lực do tải trọng ngoài và độ lún
0 10 20 30 40 50 60 70 80
100 200 300 400
Đả lún (mm)
áp lảc do tải trảng ngoài (kPa)
Độ lún
- 70 -
- Hệ số phân phối tải trọng tăng theo từng cấp tải trọng:
Hình 3.9: Tương quan giữa áp lực do tải trọng ngoài và hệ số phân bố tải trọng αPR - Moment dương phân bố chủ yếu tại giữa bè, trong khi đó moment âm phân bố
tại mép bè.
Hình 3.10: Tương quan giữa áp lực do tải trọng ngoài và mô men uốn trong bè
- Nội lực trong cọc phân bố tập trung tại các đầu cọc.
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
100 200 300 400
Hả sả phân bả tải trảng
áp lảc do tải trảng ngoài (kPa)
Hệ số phân bố tải trọng αPR
-3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00
100 200 300 400
Mô men uản M11 (kNm/m)
áp lảc do tải trảng ngoài (kPa)
Mô men âm Mô men dương
- 71 -
Hình 3.11: Ảnh hưởng của tải trọng đến sự phân bố lực dọc trong cọc.
Kết luận:
1. Khi áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa thì độ lún tăng theo từ 19mm ÷ 74mm, trong khi đó độ lún lệch tăng từ 0.34mm ÷ 1.45mm, tuy nhiên ở đây chưa xét đến trường hợp thực tế là tải trọng ngoài phân bố lệch.
2. Theo một số quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay, người ta chưa xem xét đến sự làm việc của đất nền dưới đáy bè và xem tải trọng công trình là do cọc chịu 100%. Tuy nhiên theo quan điểm móng bè cọc thì tải trọng công trình vừa phân phối lên bè và vừa phân phối lên cọc, trong bài nghiên cứu này phần móng bè tham gia chịu lực từ 6% ÷ 29% khi áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa.
3. Khi áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa thì mô men uốn dương dọc trục tăng theo từ 0.10kNm/m ÷ 0.42kNm/m, trong khi đó mô men uốn âm dọc trục tăng theo từ 0.58kNm/m ÷ 2.60kNm/m, ta thấy mô men uốn chịu ảnh hưởng trực tiếp do tải trọng ngoài và tăng theo với tỉ lệ tương ứng.
4. Lực dọc cực đại trong cọc tại đỉnh cọc tăng từ 1400kN ÷ 5700kN và lực dọc cực tiểu trong cọc tại mũi cọc tăng từ 820kN ÷ 2050kN khi áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa, tuy nhiên tỉ lệ tăng lực dọc cực tiểu ít hơn tỉ lệ tăng
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
0.0 0.5 1.0
Chiảu dài cảc chuản hóa
N/Nmax
P1=100kN/m2 P2=200kN/m2 P3=300kN/m2 P4=400kN/m2
- 72 -
lực dọc cực đại là 21%. Vì vậy khi tải trọng ngoài tăng thì nội lực trong cọc phân bố chủ yếu tại các độ sâu gần đầu cọc.