Phân tích ứng xử phân chia tải của hệ móng bè cọc - tường vây

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ PHÂN CHIA TẢI CỦA<br /> HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY<br /> <br /> LÊ BÁ VINH*<br /> NGUYỄN NHỰT NHỨT<br /> NGUYỄN VĂN NHÂN<br /> <br /> Analysis of load sharing behavior of the piled raft foundation -<br /> diaphragm walls<br /> Abstract: The load-sharing behavior of the piled raft foundation -<br /> diaphragm walls system is extremely complicated by the load-sharing<br /> interaction of load distribution of the three components rafts, piles and<br /> diaphragm walls. It is important to assess the load carrying capacity of<br /> the diaphragm wall and the distribution of the load on the piles to be<br /> reduced when the diaphragm wall is plugged into the hard soil. Plaxis<br /> 3D finite element analysis is performed with cases of resizing raft,<br /> number of piles, pile length and diaphragm wall length. Based on the<br /> results of finite element analysis, the raft foundation - diaphragm wall<br /> system was proposed to be calculated when the load factor for the pile<br /> group βp ≤ 0.1.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* tƣờng vây. Kết quả nghiên cứu này giúp cho các<br /> Trong quan niệm thiết kế móng cho các công kỹ sƣ có sự nhìn nhận chính xác hơn về khả<br /> trình nhà cao tầng có tầng hầm, hiện nay chỉ năng mang tải của tƣờng vây trong hệ móng bè<br /> quan tâm đến khả năng mang tải của bè và cọc – tƣờng vây, qua đó có thể giảm bớt số<br /> nhóm cọc [1,2,3], thiết kế tƣờng vây với yêu cầu lƣợng cọc không cần thiết trong hệ móng bè cọc<br /> chịu tải theo phƣơng ngang trong quá trình thi – tƣờng vây và có thể hƣớng đến phƣơng án<br /> công móng tầng hầm mà chƣa xét đến khả năng móng bè - tƣờng vây khi hệ số chia tải của cọc<br /> mang tải đứng của tƣờng vây [7,8,9]. Các mô βp ≤ 0.1.<br /> phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 2. ỨNG XỬ TƢƠNG TÁC CỦA HỆ<br /> 3D đƣợc thực hiện trên các trƣờng hợp móng bè MÓNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƢỜNG VÂY<br /> cọc – tƣờng vây khác nhau về kích thƣớc móng, Móng bè cọc là một hệ móng kết hợp từ ba<br /> số lƣợng cọc, khoảng cách giữa các cọc và thành phần chịu lực nhƣ là: cọc, bè và đất nền<br /> chiều dài tƣờng vây. bên dƣới nhƣ hình 1. Tổng phản lực của móng<br /> Mục đích để khảo sát sự ảnh hƣởng của số cọc đài bè Rtotal:<br /> lƣợng cọc, khoảng cách giữa các cọc, chiều dài<br /> tƣờng vây đến sự tƣơng tác phân chia tải cho bè, Rtotal  Rraft   Rpile,i  Stot (1)<br /> các cọc và tƣờng vây trong hệ móng bè – cọc –<br /> <br /> Ứng xử phân chia tải của bè – nhóm cọc –<br /> *<br /> Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, tƣờng vây là rất phức tạp do các ảnh hƣởng<br /> Tr ng Đ i H c Bách Khoa - Đ i H c u c Gia<br /> tƣơng tác thay đổi theo độ lún và chiều dài<br /> Thành Ph Hồ Chí Minh. tƣờng vây nhƣ hình 2.<br /> Email: lebavinh@hcmut.edu.vn<br /> <br /> <br /> 4 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018<br />   T ơng tác móng bè cọc - tƣờng vây; Qr = khả năng mang<br /> c c – đất; tải của bè; Qp = khả năng mang tải của nhóm<br />  T ơng tác cọc; Qw = khả năng mang tải của tƣờng vây.<br /> c c – c c; Khả năng mang tải của hệ móng bè cọc -<br />  T ơng tác tƣờng vây là sự kết hợp từ khả năng mang tải<br /> bè – đất; của bè, khả năng mang tải của nhóm cọc và khả<br />  T ơng tác năng mang tải của tƣờng vây, ứng xử phân chia<br /> bè – c c; tải đƣợc mô tả bằng hệ số phân chia tải của<br /> tƣờng vây là αw và hệ số phân chia tải của nhóm<br /> cọc là βp , áp dụng cho tổng tải tác dụng lên hệ<br /> móng bè cọc - tƣờng vây đƣợc đƣa ra nhƣ sau:<br /> <br /> Qw<br /> w  (3)<br /> Qrpw<br /> Qp<br /> p  (4)<br /> Qrpw<br /> Hình 1. Hiệu ứng t ơng tác giữa đất và cấu<br /> trúc trong móng c c đài bè của Katzenbach et<br /> al. (1998) and Katzenbach et al. (2000). trong đó Qw = khả năng mang tải của tƣờng<br /> vây; Qp = khả năng mang tải của nhóm cọc;<br /> diaphragm wall Qrpw = khả năng mang tải của hệ móng bè cọc -<br /> tƣờng vây.<br /> Theo công thức (3), αw thay đổi từ 0 đến 1,<br /> raft<br /> hệ số αw ≈ 0 tƣờng vây gần nhƣ không tham gia<br /> gánh tải và hệ cấu móng là móng bè - cọc.<br /> 3 2 5 7 Theo công thức (4), βp thay đổi từ 0 đến 1, hệ<br /> số αp ≈ 0 các cọc gần nhƣ không tham gia gánh<br /> 6<br /> 4 tải và hệ cấu móng là hệ móng bè - tƣờng vây.<br /> 1 3. PHÂN TÍCH SỐ MÓNG BÈ CỌC KẾT<br /> pile HỢP TƢỜNG VÂY<br /> 3.1. Mô hình phần tử hữu hạn<br />  T ơng tác c c – đất;  T ơng tác bè – đất; <br /> Bè - cọc - tƣờng vây đƣợc mô hình trong<br /> T ơng tác t ng vây – đất;  T ơng tác c c – c c.<br /> Plaxis 3D bao gồm các nhóm cọc nhƣ là 4x4<br />  T ơng tác bè – c c;  T ơng tác t ng vây –<br /> cọc; 6x6 cọc và 8x8 cọc, đƣờng kính cọc d p =<br /> c c;  T ơng tác t ng vây – bè.<br /> 0.5m, bê tông cọc có cấp độ bền B50, chiều dài<br /> Hình 2. Ứng xử t ơng tác của hệ móng<br /> cọc Lp = 40m, khoảng cách giữa các cọc đƣợc<br /> bè c c - t ng vây.<br /> xem xét là 3dp; 6dp; 9dp. Tƣờng vây dày d w =<br /> 0.6m, bê tông tƣờng vây có cấp độ bền B50,<br /> Khả năng mang tải của hệ móng bè cọc -<br /> chiều dài tƣờng vây xem xét là L w = 6m; Lw =<br /> tƣờng vây bao gồm ba thành phần là: bè, nhóm<br /> 16m; Lw = 26m; Lw = 36m; Lw = 46m. Mô hình<br /> cọc, tƣờng vây.<br /> điển hình trong Plaxis 3D sử dụng để mô<br /> Qrpw  Qr  Qp  Qw (2) phỏng hệ móng bè - cọc - tƣờng vây nhƣ hình 3<br /> trong đó Qrpw = khả năng mang tải của hệ và hình 4.<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 5<br />  Lớp đất Lớp cát<br /> <br /> Mô đun cát tuyến xác<br /> E50ref<br /> định từ nén 3 trục, áp 18000<br /> (kN/m2)<br /> lực buồng pref<br /> <br /> Mô đun tiếp luyến<br /> Eoed<br /> xác định từ nén 1 18000<br /> (kN/m2)<br /> trục không nở hông<br /> Hình 3. Mô hình phần tử hữu h n bè - c c - Mô đun đƣờng dỡ<br /> t ng vây. Eur (kN/m2) 54000<br /> tải, gia tải<br /> <br /> Hệ số mũ m 0.5<br /> <br /> Lực dính đơn vị c‟ (kN/m2) 0<br /> <br /> Góc nội ma sát φ‟ (o) 28<br /> <br /> Góc nở ψ (o) 0<br /> <br /> Hệ số poisson giai<br /> Hình 4. Mô hình phân tích phần tử hữu<br /> đoạn làm việc dỡ tải υur 0.2<br /> h n hệ móng bè c c - t ng vây<br /> – gia tải<br /> 3.2. Các thông số đất trong mô hình phân Áp lực buồng khi<br /> tích phần tử hữu hạn pref (kN/m2) 100<br /> thí nghiệm<br /> Đất là một vật liệu phức tạp, có ứng xử khác<br /> nhau trong giai đoạn gia tải ban đầu, dỡ tải và Độ đáy lớp (m) 100<br /> gia tải lại. Trong nghiên cứu, lớp đất đƣợc mô<br /> phỏng với mô hình Hardening Soil. Chi tiết<br /> 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> thông số mô hình đƣợc chỉ dẫn trong PLAXIS<br /> 4.1. Phân chia tải cho bè, nhóm cọc và<br /> 3D manuals. Tóm tắc các thông số vật liệu đất<br /> tƣờng vây<br /> đƣợc sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn<br /> Theo hình 5, xét nhóm cọc 4x4, chiều dài<br /> nhƣ bảng 1.<br /> tƣờng vây Lw = 6m khoảng cách cọc 9D tại độ<br /> lún 0.02m có phần trăm chia tải cho bè là 31%<br /> Bảng 1. Thông số lớp đất của mô hình<br /> và phần trăm chia tải cho bè là 23% tại độ lún<br /> Hardening Soil sử dụng trong phân tích<br /> 0.08m. Nhóm cọc 8x8, chiều dài tƣờng vây L w<br /> = 6m khoảng cách cọc 9D tại độ lún 0.02m có<br /> Lớp đất Lớp cát<br /> phần trăm chia tải cho bè là 30% và phần trăm<br /> Trọng lƣợng riêng γunsat chia tải cho bè là 18% tại độ lún 0.08m. Vậy<br /> 18<br /> tự nhiên (kN/m3) trên cùng khoảng cách cọc và chiều dài tƣờng<br /> vây, sự phân chia tải cho bè giảm đáng kể theo<br /> Trọng lƣợng riêng<br /> γsat (kN/m3) 19 độ lún, sự phân chia tải cho bè giảm nhiều hơn<br /> đất no nƣớc<br /> khi tăng số lƣợng cọc.<br /> <br /> <br /> 6 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018<br />  nhiều hơn khi tăng số lƣợng cọc. Với cùng<br /> nhóm cọc và khoảng cách cọc, phần trăm chia<br /> tải cho nhóm cọc giảm mạnh khi chiều dài<br /> tƣờng vây tăng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Nhóm 4x4 c c.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Nhóm 4x4 c c.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (b) Nhóm 8x8 c c.<br /> Hình 5. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên bè và độ<br /> lún của bè theo các cự ly c c và chiều dài<br /> t ng vây.<br /> <br /> Theo hình 6, xét nhóm cọc 4x4, khoảng cách<br /> cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, tại độ lún<br /> 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc là<br /> (b) Nhóm 8x8 c c.<br /> 62% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 71%<br /> Hình 6. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên nhóm<br /> tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 4x4, khoảng cách<br /> c c và độ lún của bè theo các cự ly c c và<br /> cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, tại độ<br /> chiều dài t ng vây.<br /> lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc<br /> là 2% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 5%<br /> tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 8x8, khoảng cách<br /> cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, tại độ lún<br /> 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc là<br /> 64% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 73%<br /> tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 8x8, khoảng cách<br /> cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, tại độ<br /> lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc<br /> là 7% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là<br /> 11% tại độ lún 0.08m. Vậy trên cùng khoảng<br /> cách cọc, sự phân chia tải cho nhóm cọc tăng<br /> theo độ lún, sự phân chia tải cho nhóm cọc tăng (a) Nhóm 4x4 c c.<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 7<br />  phân chia tải lên nhóm cọc, bè bị giảm nhiều.<br /> Khi tăng khoảng cách giữa các cọc, sự phân<br /> chia tải cho bè và tƣờng vây tăng, và sự phân<br /> chia tải cho nhóm cọc giảm. Khi tăng số lƣợng<br /> cọc, phần trăm chia tải cho bè và tƣờng vây<br /> giảm, phân chia tải cho nhóm cọc tăng.<br /> 4.2. Hệ số phân chia tải của nhóm cọc và<br /> tƣờng vây<br /> Khả năng mang tải của móng bè cọc kết hợp<br /> (b) Nhóm 8x8 c c. tƣờng vây là từ ba thành phần bè, nhóm cọc và<br /> tƣờng vây. Trong đó nếu tƣờng vây không tham<br /> Hình 7. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên t ng gia mang tải hoặc mang tải rất ít (αw = 0 đến<br /> vây và độ lún của bè theo các cự ly c c và 0.1) thì xem kết cấu móng là hệ móng bè - cọc,<br /> chiều dài t ng vây. nếu nhóm cọc không tham gia mang tải hoặc<br /> mang tải rất ít (βp = 0 đến 0.1) thì xem kết cấu<br /> Theo hình 7, xét nhóm cọc 4x4, khoảng móng là hệ móng bè - tƣờng vây, trƣờng hợp<br /> cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây L w = 6m, tại tƣờng vây và các cọc cùng tham gia mang tải<br /> độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho tƣờng (αw > 0.1 và βp > 0.1) thì xem kết cấu móng là<br /> vây là 6% và phần trăm chia tải cho tƣờng vây hệ móng bè cọc - tƣờng vây.<br /> là 6% tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 4x4,<br /> khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây L w =<br /> 46m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải<br /> cho tƣờng vây là 87% và phần trăm chia tải<br /> cho tƣờng vây là 90% tại độ lún 0.08m. Nhóm<br /> cọc 8x8, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng<br /> vây L w = 46m, tại độ lún 0.02m có phần trăm<br /> chia tải cho tƣờng vây là 82% và phần trăm<br /> chia tải cho tƣờng vây là 82% tại độ lún<br /> 0.08m. Vậy trên cùng chiều dài tƣờng vây,<br /> khoảng cách cọc, nhóm cọc, sự phân chia tải<br /> cho tƣờng vây tăng rất ít theo độ lún, sự phân<br /> chia tải cho tƣờng vây tăng mạnh khi chiều<br /> dài tƣờng vây tăng.<br /> Độ lún của móng ảnh hƣởng nhiều đến sự Hình 8. uan hệ giữa hệ s phân chia tải của<br /> phân chia tải của bè và nhóm cọc, khi tải trọng t ng vây αw và chiều dài t ng vây theo cự<br /> tăng làm cho độ lún của móng tăng thì sự phân ly c c và nhóm c c, t i độ lún 0.08m.<br /> chia tải cho nhóm cọc tăng và sự phân chia tải<br /> cho bè giảm, phần trăm chia tải cho tƣờng vây Theo hình 8, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m<br /> tăng ít theo độ lún của hệ móng. của các trƣờng hợp 3D, 6D, 9D, 4x4 cọc, 6x6<br /> Chiều dài tƣờng vây ảnh hƣởng rất nhiều cọc, 8x8 cọc có hệ số αw < 0.1 khi đó kết cấu<br /> đến sự phân chia tải trong hệ móng bè - cọc - móng là móng bè cọc, tƣờng vây chỉ có một<br /> tƣờng vây, khi tăng chiều dài tƣờng vây thì sự chức năng chính là chịu tải ngang do áp lực đất<br /> phân chia tải lên tƣờng vây tăng nhanh và sự tác dụng ngang xung quanh tầng hầm.<br /> <br /> <br /> 8 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018<br />  cọc – tƣờng vây và hệ móng bè – tƣờng vây<br /> nhƣ bảng 2.<br /> <br /> Bảng 2. So sánh móng bè cọc kết hợp<br /> thƣờng vây và móng bè kết hợp tƣờng vây<br /> <br /> <br /> Khả<br /> Số Tổng thể<br /> năng<br /> lƣợng tích bê<br /> Mô hình mang<br /> cọc tông cọc<br /> làm việc tải<br /> <br /> Q (kN) nc Vp (m3)<br /> Hình 9. uan hệ giữa hệ s phân chia tải của<br /> nhóm c c βp và chiều dài t ng vây theo cự Hệ móng<br /> ly c c và nhóm c c, t i độ lún 0.08m. bè cọc - 339532 16 126<br /> tƣờng vây<br /> Theo hình 9, chiều dài tƣờng vây L w = 36m Hệ móng<br /> 347400 0 0<br /> của trƣờng hợp 9D, 4x4 cọc có hệ số β p = 0.07 bè - tƣờng vây<br /> < 0.1. Chiều dài tƣờng vây L w = 46m của<br /> trƣờng hợp 9D, 6D, 4x4 cọc, 6x6 cọc có hệ số Vậy khi có cùng chiều dài tƣờng vây L w =<br /> βp < 0.1 khi đó kết cấu móng là móng bè kết 46m, khả năng mang tải của hai phƣơng án<br /> hợp tƣờng vây, tƣờng vây có hai chức năng là móng bè cọc kết hợp tƣờng vây và móng bè<br /> chịu tải ngang do áp lực đất tác dụng ngang kết hợp tƣờng vây tƣơng đƣơng với nhau,<br /> xung quanh tầng hầm và chịu tải theo phƣơng nhƣng phƣơng án móng bè kết hợp tƣờng vây<br /> đứng nhƣ các cọc. có khối lƣợng bê tông móng ít hơn nên sẽ hiệu<br /> quả kinh tế.<br /> 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> Chiều dài tƣờng vây tác động mạnh mẽ đến<br /> sự phân chia tải trong hệ thống móng bè cọc kết<br /> hợp tƣờng vây. Phần trăm chia tải lên tƣờng vây<br /> tăng nhanh đồng thời sự phân chia tải lên các<br /> cọc giảm mạnh và phần trăm chia tải lên bè<br /> (a) (b) giảm ít khi chiều dài tƣờng vây tăng lên.<br /> Khoảng cách bố trí giữa các cọc cũng làm ảnh<br /> Hình 10. Mô hình làm việc của (a) hệ móng bè hƣởng đến sự phân chia tải trong móng, khoảng<br /> c c - t ng vây; (b) hệ móng bè - t ng vây cách giữa các cọc từ 6D đến 9D làm tăng nhanh<br /> khả năng phân chia tải lên bè và tƣờng vây.<br /> Nhƣ hình 10, xét nhóm 4x4 cọc đƣờng kính Khi thiết kế móng bè cọc kết hợp tƣờng vây<br /> cọc D = 0.5m, khoảng cách cọc 9D, chiều dài cho công trình dân dụng có từ hai tầng hầm trở<br /> cọc Lp = 40m, tƣờng vây có chiều dày d = lên, ngƣời thiết kế cần phải xem xét đến khả<br /> 0.6m, chiều dài tƣờng vây L w = 46m. Kết quả năng mang tải đứng của tƣờng vây để có<br /> phân tích mô hình làm việc của hệ móng bè phƣơng án móng hiệu quả và tiết kiệm nhất.<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 9<br /> Tƣờng vây đƣợc bố trí với yêu cầu ban đầu là 3. Poulos HG. Piled raft foundations:<br /> chống đỡ áp lực đất theo phƣơng ngang khi thi design and applications. Geotechnique<br /> công kết cấu móng tầng hầm và chân tƣờng vây 2001;51(2): 95–113.<br /> đƣợc cắm sâu vào nền đất dƣới móng, ta cần 4. Horikoshi K, Randolph MF. Centrifuge<br /> phải kiểm tra thêm khả năng chịu tải đứng của modelling of piled raft foundations on clay.<br /> tƣờng vây cùng tham gia chịu tải với các cọc để Geotechnique 1996;46(4):741–52<br /> từ đó bố trí lại số lƣợng cọc phù hợp nhất. 5. Katzenbach R, Arslan U, Moormann C.<br /> Trong trƣờng hợp điều kiện thi công hố đào sâu, Piled raft foundation projects in Germany.<br /> yêu cầu chặn dòng thấm dƣới hố đào,... mà Design Applications of Raft Foundations,<br /> tƣờng vây phải cắm sâu có chiều dài tƣơng Hemsley. Thomas Telford, London; 2000. p.<br /> đƣơng với chiều dài của các cọc thì ta phải đánh 323–91<br /> giá lại khả năng mang tải của cọc, nếu hệ số 6. Yamashita K, Hamada J, Soga Y.<br /> chia tải của cọc βp ≤ 0.1 thì sẽ loại bỏ hết các<br /> Settlement and load sharing of piled raft of a<br /> cọc để chuyển sang phƣơng án móng bè kết hợp<br /> 162m high residential tower. In: Proc.<br /> tƣờng vây.<br /> international conference on deep foundations<br /> Để đánh giá đúng sự phân chia tải cho<br /> and geotechnical in situ testing, Shanghai,<br /> tƣờng vây và các cọc ta cần phải xét đầy đủ<br /> China; 2010. p. 26–33.<br /> các yếu tố trên. Phƣơng pháp phân tích 3D<br /> 7. Conte G, Mandolini A, Randolph MF.<br /> bằng phần tử hữu hạn có thể đáp ứng đƣợc các<br /> Centrifuge modeling to investigate the<br /> yêu cầu nêu trên.<br /> performance of piled rafts. In: Van Impe, editor.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO Proc. 4th international geotechnical seminar on<br /> deep foundation on bored and auger piles.<br /> 1. Randolph MF. Design methods for pile Ghent: Millpress; 2003. p. 359–66<br /> groups and piled rafts. In: Proc. 13th 8. Liu JL, Yuan ZL, Shang KP. Cap-pile-soil<br /> international conference on soil mechanics and interaction of bored pile groups. In: Proc. 11th<br /> foundation engineering, vol. 5, New Delhi, 482 ICSMFE, San Francisco, vol. 3; 1985. p.<br /> India; 1994. p. 61–82. 1433–6.<br /> 2. Clancy P, Randolph MF. Simple design 9. Cooke RW. Piled raft foundations on stiff<br /> tools for piled raft foundations. Geotechnique clays: a contribution to design philosophy.<br /> 1996;46(2):313–28. Geotechnique 1986;36(2):169–203.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ng i phản biện: GS. NGUYỄN VĂN THƠ<br /> <br /> <br /> 10 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018<br />