Phân tích sự làm việc của hệ móng bè cọc - tường vây tầng hầm

PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ<br /> MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY TẦNG HẦM<br /> LÊ BÁ VINH *<br /> NGUYỄN NHỰT NHỨT, NGUYỄN VĂN NHÂN<br /> <br /> An analysis of the piled raft foundation - diaphragm wall system<br /> Abstract: In designing and calculating the solution of piled raft<br /> foundations for tall buildings, many calculations do not take into<br /> account the participation of the diaphragm walls. The load - bearing<br /> capacity of the diaphragm wall system is significant when the<br /> diaphragm wall is inserted into the hard ground. In this paper, the<br /> involvement of the diaphragm wall system together with the piled raft<br /> foundation was analyzed and evaluated by the PLAXIS 3D software for<br /> specific projects. With the piled raft foundation, the distribution of load<br /> on the raft is 20%, and the piles group is 80%. When the piled raft<br /> foundation is combined with the diaphragm wall, the percentage of load<br /> on the raft is 20%, the percentage of the load on the pile group is 50%,<br /> and the diaphragm wall is 30%. As a result, the percentage of load on<br /> the piles group decreases by 30% when the piled raft foundation is<br /> combined with the diaphragm. This shows the significant contribution<br /> of the diaphragm wall system, which can be designed to optimize the<br /> number of piles and save the pile foundation’s cost.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong nghiên cứu này, các phân tích mô<br /> Móng bè cọc ngày nay đƣợc áp dụng rất phỏng 3D bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn<br /> phổ biến trong các công trình nhà cao tầng có đƣợc thực hiện trên công trình cụ thể. Mục đích<br /> tầng hầm trên thế giới [4,5,6], và tƣờng vây để khảo sát sự ảnh hƣởng của tƣờng vây đến<br /> cọc barrette đƣợc thi công cắm sâu vào trong khả năng mang tải và phân chia tải trong hệ<br /> nền đất dƣới đáy móng để chắn giữ áp lực đất thống móng bè cọc kết hợp tƣờng vây.<br /> theo phƣơng ngang xung quanh hố đào sâu Trong bài báo này các phân tích, tính toán<br /> trong quá trình thi công móng bè cọc và các đƣợc thực hiện theo 2 trƣờng hợp:<br /> tầng hầm. Trong quan niệm thiết kế móng * Trƣờng hợp 1: Tƣờng vây cọc barrette chỉ<br /> trong các công trình nhà cao tầng có tầng hầm có một chức năng là chịu tải ngang do áp lực đất<br /> hiện nay chỉ thiết kế tƣờng vây với yêu cầu xung quanh hố đào sâu. Toàn bộ tải trọng đứng<br /> chịu tải theo phƣơng ngang trong quá trình thi của công trình do hệ móng bè cọc chịu, nhƣ vậy<br /> công móng tầng hầm mà chƣa xét đến khả hệ móng bè cọc và tƣờng vây cọc barrette đƣợc<br /> năng mang tải đứng của tƣờng vây [1,2,3]. tính toán làm việc độc lập với nhau, nhƣ hình 1.<br /> Điều này có thể dẫn đến thiết kế không hợp lý * Trƣờng hợp 2: Tƣờng vây cọc barrette có<br /> cho hệ móng bè cọc. hai chức năng là chịu tải ngang do áp lực đất<br /> xung quanh hố đào sâu và tham gia chịu tải<br /> đứng của công trình bên trên cùng với hệ móng<br /> *<br /> Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng,<br /> Tr ng Đ i H c Bách Khoa - Đ i H c u c Gia<br /> Thành Ph Hồ Chí Minh<br /> bè cọc. Khi đó hệ kết cấu móng là móng bè cọc<br /> Email: lebavinh@hcmut.edu.vn kết hợp tƣờng vây nhƣ hình 2.<br /> <br /> 40 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018<br />  Qrp= Qr +Qp<br /> 29 m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> Raft<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7m<br /> Wall<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7m<br /> Pile<br /> <br /> <br /> Hình 1. Móng bè c c và t ng vây<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7m<br /> làm<br /> Q việc<br /> rpw= độcp+Q<br /> Qr +Q lập.w<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 51 m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7m<br /> Raft<br /> <br /> <br /> <br /> Wall<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7m<br /> Pile<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7m<br /> Hình 2. Móng bè c c và t ng vây<br /> cùng tham gia chịu lực.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7m<br /> 2. THIẾT KẾ KẾT CẤU MÓNG CHO<br /> CÔNG TRÌNH CỤ THỂ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> 1 9m 9m 9m 1<br /> 2.1. Xác định sơ bộ số lƣợng cọc<br /> Hình 4. Mặt bằng kích th ớc móng<br /> <br /> Công trình đƣợc phân tích là nhà cao tầng, có<br /> 15 tầng và 2 tầng hầm nhƣ hình 3, với tổng tải<br /> 58 m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> tác dụng lên móng là FZtt = 439430 kN. Kích<br /> thƣớc mặt bằng móng là 29m x 51m nhƣ hình 4.<br /> Công trình đƣợc nghiên cứu với điều kiện địa<br /> 50 m<br /> chất điển hình ở khu vực Phƣờng 25, Quận Bình<br /> 8.0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Thạnh, Thành Phố Hồ Chí Minh. Nền đất gồm<br /> có các lớp: Lớp 1: Cát đắp, cát mịn lẫn bột, chặt<br /> 27.0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> vừa(SM); Lớp 2: Bùn sét, bùn á sét, trạng thái<br /> chảy (OH); Lớp 3: Sét, á sét màu xám đen, dẻo<br /> chảy đến nửa cứng (CH); Lớp 4: Thấu kính cát<br /> 56.0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> mịn, chặt vừa (SM); Lớp 5: Sét, á sét màu xám<br /> đen, dẻo chảy đến nửa cứng (CH); Lớp 6: Cát<br /> mịn, ít sét, trạng thái chặt đến rất chặt 3a (SM);<br /> Lớp 7: Cát mịn, ít sét, trạng thái chặt vừa 3b<br /> (SM); Lớp 8: Cát mịn, ít sét, trạng thái chặt đến<br /> rất chặt 3a (SM); Lớp 9: Sét lẫn ít cát mịn, trạng<br /> Hình 3. Mặt cắt ngang công trình. thái rất cứng (CH), nhƣ bảng 1.<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 41<br />  Bảng 1. Thông số các lớp đất khai báo trong mô hình Plaxis<br /> <br /> Thông Đơn Lớp 1: Lớp 2: Lớp 3: Lớp 4: Lớp 5: Lớp 6: Lớp 7: Lớp 8:<br /> số vị (SM) (OH) (CH) (SM) (CH) (SM) (SM) (SM)<br /> Chiều<br /> m 5 19 5 2 7 5 2 49<br /> dày<br /> Type - HS HS HS HS HS HS HS HS<br /> γunsat kN/m3 18.63 14.25 18.02 19.07 18.02 19.87 19.65 19.87<br /> γsat kN/m3 19.16 15.03 18.24 19.80 18.24 20.52 20.27 20.52<br /> 4.72 1.374 3.04 1.37 3.34 2.02 3.34<br /> kx m/day 1.368<br /> E-8 E-7 E-7 4E-7 E-7 E-7 E-7<br /> 2.36 6.87 1.52 6.87 1.67 1.01 1.67<br /> ky m/day 0.684<br /> E-8 E-8 E-7 E-8 E-7 E-7 E-7<br /> E50ref kN/m2 5368 19057 20979 21497 34972 56040 38892 56040<br /> Eeodref kN/m 2<br /> 5368 19057 20979 21497 34972 56040 38892 56040<br /> ref 2<br /> Eur kN/m 16105 57172 62936 64490 104916 168119 116675 168119<br /> m - 0.5 1 1 0.5 1 0.5 0.5 0.5<br /> C‟ref kN/m2 4.5 17.8 32 18 32 18.4 5.4 18.4<br /> φ' độ 26.6 18.45 23.5 31.73 23.5 33.1 30.23 33.1<br /> Ψ độ 0 0 0 1.73 0 3.1 0.23 3.1<br /> υur - 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2<br /> 2<br /> pref kN/m 50 200 200 200 400 400 400 400<br /> nc<br /> K0 - 0.552 0.684 0.601 0.474 0.601 0.454 0.497 0.454<br /> e0 - 0.778 2.23 1.063 0.702 1.063 0.579 0.621 0.579<br /> <br /> tông cọc B50. Qua tính toán sức chịu tải của<br /> cọc theo đất nền và theo vật liệu làm cọc, chiều<br /> dài làm việc của cọc tối ƣu là mũi cọc nằm ở<br /> độ sâu Z = 65m nhƣ hình 5. Sức chịu tải cho<br /> phép Rcp = 6690 kN. Kiểm tra lại sức chịu tải<br /> của cọc D800 mũi cọc ở độ sâu Z = 65m trên<br /> phần mềm Plaxis 2D, bài toán đối xứng trục vẽ<br /> đƣờng cong quan hệ cấp tải và độ lún nhƣ hình<br /> 6. Xác định đƣợc sức chịu tải giới hạn P gh =<br /> 16250 kN, sức chịu tải cho phép P cp =<br /> 16250/2.5 = 6500 kN. Từ đó, chọn sức chịu tải<br /> Hình 5. Sự thay đổi của sức chịu tải thiết kế là P tk = min(Rcp; Pcp) = 6500 kN. Xác<br /> vl<br /> và Rcp theo độ sâu. định số lƣợng cọc bố trí nc= (ΣFZtt/Ptk).β =<br /> (439430/6500).1,5 = 101 cọc. Chọn số lƣợng<br /> Chọn cọc có đƣờng kính D = 800 mm, bê cọc bố trí trong đài là 105 cọc.<br /> <br /> <br /> 42 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018<br />  35 m, chân tƣờng vây cắm vào lớp đất thứ 5<br /> (Sét, á sét màu xám đen, dẻo đến nửa cứng) nhƣ<br /> hình 7. Chuyển vị ngang lớn nhất của vách<br /> tƣờng vây cọc barrette trong giai đoạn thi công<br /> tầng hầm nhƣ hình 8 là U x = 27.54 mm < [∆] =<br /> 8000/200 = 40 mm thỏa điều kiện chuyển vị<br /> ngang của vách tƣờng vây.<br /> 2.3. Chiều dày đài bè<br /> Sức chịu tải của tƣờng vây có chiều dày 600<br /> Hình 6. uan hệ giữa tải tr ng P và độ lún S mm đƣợc xác định nhƣ hình 9, chiều dài tƣờng<br /> của c c D800, mũi c c ở độ sâu Z=65m. vây L = 35 m có sức chịu tải Vtk = 590 kN/m. Từ<br /> biểu đồ quan hệ giữa chiều dày bè H và tải F<br /> 2.2. Kích thƣớc tƣờng vây cọc barrette truyền lên tƣờng vây nhƣ hình 10, chiều cao đài<br /> Yêu cầu tƣờng vây phải đủ khả năng chắn giữ bè đƣợc giới hạn từ chiều cao đài bè theo điều<br /> đất xung quanh hố đào, chuyển vị ngang cho kiện xuyên thủng đài bè Hxt = 2 m đến chiều cao<br /> phép của tƣờng vây theo qui định để đảm bảo ổn đài bè theo sức chịu tải của tƣờng vây Hgh = 6 m.<br /> định cho các công trình lân cận. Ngoài ra còn Để huy động tối đa khả năng mang tải của<br /> phải ngăn chặn đƣợc dòng thấm dƣới đáy hố đào. tƣờng vây, trên đƣờng cong quan hệ F-H nhƣ hình<br /> 10 vẽ tiếp tuyến qua hai đƣờng cong tuyến tính<br /> giao nhau và giống xuống, xác định đƣợc chiều cao<br /> thiết kế của bè là Htk = 5 m với Hxt ≤ Htk < Hgh.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Mô phỏng kiểm tra chuyển vị của t ng<br /> vây c c barrette trên Plaxis 2D.<br /> <br /> <br /> Hình 9. Sự thay đổi của sức chịu tải vl<br /> và Vtk theo độ sâu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Chuyển vị ngang của t ng vây c c<br /> barrette trong giai đo n thi công.<br /> Chọn tƣờng vây cọc barrette có bề dày d = Hình 10. uan hệ giữa chiều dày bè H<br /> 600 mm, bê tông B50. Chiều dài tƣờng vây L = và tải F truyền lên t ng vây.<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 43<br />  3. PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ<br /> MÓNG BÈ CỌC - TƢỜNG VÂY BẰNG<br /> PHẦN MỀM PLAXIS 3D<br /> Trong các phân tích chiều dày bè là H = 5 m<br /> bê tông B50, đƣờng kính cọc khoan nhồi D =<br /> 800 mm bê tông B50 chiều sâu mũi cọc Z = 65<br /> m, vách tƣờng vây cọc barrette dày d = 600 mm<br /> bê tông B40 chiều sâu mũi tƣờng vây Z = 35 m.<br /> Trƣờng hợp 1, tƣờng vây cọc barrette và bè cọc<br /> làm việc độc lập với nhau theo phƣơng đứng. Khi<br /> đó liên kết giữa bè và tƣờng vây là liên kết ngàm<br /> trƣợt, đƣợc thay thế bằng 1 tấm bè có mô đun đàn Hình 13. Mô hình phần tử c c, bè,<br /> hồi trƣợt G12=G13=G23=0 nhƣ hình 11. t ng vây trong phần mềm Plaxis 3D.<br /> <br /> 29 m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 11. Liên kết ngàm tr ợt giữa<br /> 51m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> bè và t ng vây<br /> Trƣờng hợp 2, tƣờng vây cọc barrette và bè<br /> cọc cùng làm việc đồng thời với nhau, tƣờng<br /> vây tham gia chịu tải công trình, liên kết giữa bè<br /> và tƣờng vây là liên kết ngàm.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 14. Mặt bằng bè c c, t ng vây<br /> đánh s vị trí khảo sát.<br /> <br /> Khi xem xét tƣờng vây cọc barrette tham<br /> gia vào chịu tải đứng cùng hệ móng bè cọc<br /> nhƣ bảng 2, tải trọng tác dụng lên các cọc biên<br /> Hình 12. Mô hình phần tử các lớp đất gần vách tƣờng vây giảm đi 51% đến 62% và<br /> trong phần mềm Plaxis 3D. tải tác dụng lên vách tƣờng vây (Hình 15. b)<br /> <br /> 44 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018<br /> tăng trung bình 58% đến 69%, tải trọng tác giữa bè 22% đến 9%. Độ lún của bè giảm<br /> dụng lên các cọc giảm dần từ tƣờng vây vào không nhiều.<br /> <br /> Bảng 2. Tải tác dụng và độ lún của các cọc, tƣờng vây tại các vị trí khảo sát trên hình 14<br /> <br /> Liên kết giữa Liên kết Liên kết Phần trăm<br /> bè và tƣờng vây ngàm trƣợt ngàm chênh lệch<br /> N (kN) 4332 1995 54%<br /> 1<br /> S (mm) 47.76 46.64 2%<br /> N (kN) 3629 1786 51%<br /> 2<br /> S (mm) 48.24 46.87 3%<br /> N (kN) 4147 1575 62%<br /> 3<br /> S (mm) 49.54 46.96 5%<br /> N (kN) 2926 2416 17%<br /> 4<br /> S (mm) 48.46 47.05 3%<br /> N (kN) 2580 2144 17%<br /> 5<br /> S (mm) 48.82 47.39 3%<br /> Cọc khảo sát<br /> N (kN) 2299 1803 22%<br /> 6<br /> S (mm) 49.94 47.76 4%<br /> N (kN) 2409 1951 19%<br /> 7<br /> S (mm) 49.91 47.91 4%<br /> N (kN) 1976 1793 9%<br /> 8<br /> S (mm) 50.41 48.68 3%<br /> N (kN) 1928 1688 12%<br /> 9<br /> S (mm) 50.30 48.37 4%<br /> N (kN) 1810 1641 9%<br /> 10<br /> S (mm) 50.40 48.56 4%<br /> N (kN/m) 237.56 770.63 69%<br /> Tƣờng V1<br /> S (mm) 44.53 47.02 5%<br /> vây<br /> N (kN/m) 245.13 577.44 58%<br /> khảo sát V2<br /> S (mm) 44.54 46.76 5%<br /> <br /> Khi xem xét tƣờng vây cọc barrette tham gia dụng lên vách tƣờng vây (Hình 15.b) tăng trung<br /> vào chịu tải đứng cùng hệ móng bè cọc nhƣ bình 58% đến 69%, tải trọng tác dụng lên các<br /> bảng 2, tải trọng tác dụng lên các cọc biên gần cọc giảm dần từ tƣờng vây vào giữa bè 22% đến<br /> vách tƣờng vây giảm đi 51% đến 62% và tải tác 9%. Độ lún của bè giảm không nhiều.<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 45<br />  (a) Móng bè cọc (b) Móng bè cọc - tƣờng vây<br /> Hình 15. Mặt cắt khảo sát 1-1, lực d c N2 của t ng vây và bè<br /> <br /> Nhƣ vậy, trong móng bè cọc kết hợp tƣờng bè cọc kết hợp tƣờng vây và bỏ hàng cọc biên<br /> vây, tƣờng vây ảnh hƣởng rất nhiều đến sự phân nhƣ bảng 3. Độ lún của ba phƣơng án móng là<br /> chia tải trong nhóm cọc, đặc biệt là tải trọng tác gần bằng nhau khoảng 5cm, nhƣng sự phân chia<br /> dụng lên các cọc biên ở gần tƣờng vây giảm tải giữa nhóm cọc và tƣờng vây chênh lệch<br /> mạnh. Để huy động nhiều hơn sức chịu tải của nhiều giữa phƣơng án móng bè cọc với móng bè<br /> vách tƣờng vây ta tiến hành bỏ hết các cọc biên cọc kết hợp tƣờng vây, khoảng 30% tải trọng<br /> gần tƣờng vây và so sánh ba phƣơng án móng công trình tác dụng lên nhóm cọc đƣợc chia qua<br /> bè cọc, móng bè cọc kết hợp tƣờng vây, móng cho tƣờng vây gánh chịu.<br /> <br /> Bảng 3. Phân chia tải cho bè, nhóm cọc và tƣờng vây trong các phƣơng án móng<br /> <br /> Móng Móng bè cọc kết hợp Móng bè cọc kết hợp tƣờng<br /> Phân chia tải<br /> bè cọc tƣờng vây vây, bỏ hàng cọc biên 1, 2, 3<br /> 302931 194116 208299<br /> Nhóm cọc kN kN kN<br /> 79% 51% 54%<br /> 79179 77796 78882<br /> Đài bè kN kN kN<br /> 21% 20% 21%<br /> 110198 94929<br /> 0 kN<br /> Tƣờng vây kN kN<br /> 0% 29% 25%<br /> Độ lún của bè 49 mm 47 mm 54 mm<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 20%, phần trăm chia tải lên nhóm cọc là 50%,<br /> Trong móng bè cọc phần trăm chia tải lên và lên tƣờng vây là 30%. Nhƣ vậy, phần trăm<br /> bè khoảng 20%, 80% trăm tải còn lại do nhóm chia tải lên nhóm cọc giảm đi 30% khi có xét<br /> cọc gánh chịu. Khi móng bè cọc có kết hợp đến sự tham gia cùng chịu lực của hệ tƣờng<br /> với tƣờng vây, phần trăm chia tải lên bè là vây. Qua đó cho thấy sự tham gia chịu lực<br /> <br /> <br /> 46 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018<br /> đáng kể của hệ tƣờng vây, từ đó có thể thiết TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> kế số lƣợng cọc tối ƣu và tiết kiệm cho hệ<br /> móng bè cọc. Trong móng bè cọc kết hợp [1] Randolph MF. Design methods for pile<br /> tƣờng vây nếu bỏ hàng cọc biên gần vách groups and piled rafts. In: Proc. 13th<br /> tƣờng vây, phần trăm chia tải lên bè khoảng international conference on soil mechanics and<br /> 20%, vách tƣờng vây 25%, nhóm cọc 55%. foundation engineering, vol. 5, New Delhi,<br /> Với phƣơng án móng bè cọc kết hợp tƣờng India; 1994. p. 61–82.<br /> vây, giảm bớt đƣợc 40 cọc trên tổng số 105 [2] Clancy P, Randolph MF. Simple design<br /> cọc khoan nhồi và tiết kiệm đƣợc 38% khối tools for piled raft foundations. Geotechnique<br /> lƣợng bê tông cọc. 1996;46(2):313–28.<br /> Khi thiết kế phƣơng án móng bè cọc cho [3] Poulos HG. Piled raft foundations:<br /> công trình dân dụng có từ hai tầng hầm trở lên, design and applications. Geotechnique<br /> tƣờng vây đƣợc bố trí với yêu cầu ban đầu là 2001;51(2):95–113.<br /> chống đỡ áp lực đất theo phƣơng ngang khi thi [4] Horikoshi K, Randolph MF. Centrifuge<br /> công kết cấu móng tầng hầm. Nếu tƣờng vây modelling of piled raft foundations on clay.<br /> Geotechnique 1996;46(4):741–52.<br /> đƣợc cắm vào các tầng đất tốt, ngƣời thiết kế<br /> [5] Katzenbach R, Arslan U, Moormann C.<br /> cần phải kiểm tra thêm khả năng chịu tải đứng<br /> Piled raft foundation projects in Germany.<br /> của tƣờng vây cùng tham gia chịu tải với các<br /> Design Applications of Raft Foundations,<br /> cọc để từ đó bố trí lại số lƣợng cọc phù hợp<br /> Hemsley. Thomas Telford, London; 2000. p.<br /> nhất, để có phƣơng án móng hiệu quả và tiết<br /> 323–91.<br /> kiệm nhất. [6] Yamashita K, Hamada J, Soga Y.<br /> Để đánh giá đúng sự phân chia tải cho vách Settlement and load sharing of piled raft of a<br /> tƣờng vây và các cọc ta cần phải xét đầy đủ các 162m high residential tower. In: Proc.<br /> yếu tố trên. Phân tích 3D bằng phƣơng pháp international conference on deep foundations<br /> phần tử hữu hạn có thể đáp ứng đƣợc các yêu and geotechnical in situ testing, Shanghai,<br /> cầu nêu trên. China; 2010. p. 26–33.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ng i phản biện: PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 47<br />