Trong bài viết này giới thiệu phương pháp phân tích số cho kết cấu móng cọc kho chứa than của Nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 2 (Thái Thụy-Thái Bình), trong đó sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (3D-FEM) cùng với sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis 3D để dự báo độ lún cho công trình cũng như tính toán phần kết cấu sàn cho kho than.
Trang 197 S¬ 28 - 2017
Mô hình móng bè cọc kích thước lớn
bằng phần mềm Plaxis 3D
Modeling of a large pile raft with Plaxis 3D software
Trần Huy Hùng(1), Nguyễn Trung Hiếu(2)
Tóm tắt
Trong những năm gần đây, móng bè
cọc kích thước lớn đã được áp dụng
rộng rãi như là một phương án kinh tế
cho kết cấu móng chịu tải trọng phân
bố rộng như kho chứa than, kho thành
phẩm,… Trong bài báo này giới thiệu
phương pháp phân tích số cho kết cấu
móng cọc kho chứa than của Nhà máy
Nhiệt điện Thái Bình 2 (Thái Thụy-Thái
Bình), trong đó sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn (3D-FEM) cùng với sự
hỗ trợ của phần mềm Plaxis 3D để dự
báo độ lún cho công trình cũng như
tính toán phần kết cấu sàn cho kho
than Kết quả về sự phân bố tải trọng
giữa nền và cọc cũng như độ lún lệch
của hệ móng cọc cho thấy hiệu quả
của việc sử dụng kết cấu móng cọc kích
thước lớn cho các công trình chịu tải
trọng rộng.
Từ khóa: Móng cọc kích thước lớn, Phương
pháp hần tử hữu hạn 3 chiều, Độ lún lệch,
pileraft
Abstract
In recent years, the large pile raft is
applied as one of the most economical
methods for foundation systems under
widely load condition such as coal storage,
warehouse storage,… This paper presents
the numerical analyses of the piled raft
foundation system for Coal storage in Thai
Binh 2 Thermal Power Plant project, using
three-dimensional Finite Element Method
(3D FEM) with support of Plaxis 3D software
for The results in terms of load shared by
piles and differential settlement, indicates
the potential of using the large piled raft
system under widely load condition.
Keywords: Large pile raft, Finite Element
Method, Differential settlement
(1) Kỹ sư, Công ty Cổ phần FECON,
Email: <hungth@fecon.com.vn>
(2) Kỹ sư, Công ty Cổ phần FECON,
Email: <hieunt2@fecon.com.vn>
1 Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của đất nước, những năm gần đây số lượng nhà máy nhiệt điện (đốt) sử dụng than đã tăng lên nhanh chóng để đáp ứng (yêu cầu về an ninh) nhu cầu về năng lượng Các nhà máy nhiệt điện thường được xây dựng tại các khu vực ven sông hoặc ven biển để thuận tiện cho việc vận chuyển nguyên liệu than phục vụ quá trình vận hành Do đó, địa chất ở các khu vực xây dựng nhà máy thường xuất hiện lớp đất yếu với chiều dày lớn, việc áp dụng giải pháp móng bè cọc kích thước lớn đã và đang được sử dụng rộng rãi cho kết cấu móng của kho chứa than
Việc áp dụng móng bè cọc kích thước lớn trên đất yếu (sức kháng cắt không thoát nước, Su<40kPa) dưới tác dụng của vùng tải trọng rộng đặt ra nhiều vần đề cho kỹ sư địa kỹ thuật ví dụ như: lún quá mức- đặc biệt là lún lệch, hiện tượng ma sát âm lên cọc
và cọc không đạt được sức chịu tải mong muốn [1] Theo De Sanctis và Viggiani [2], với loại móng bè cọc kích thước lớn, cọc được thiết kế để giảm độ lún tổng thể hoặc độ lún lệch Để phân tích các vấn đề trên cũng như xem xét đến sự làm việc đồng thời giữa các thành phần của (hệ thống) kết cấu móng cọc kích thước lớn thì đã có nhiều phương pháp được thực hiện theo các nghiên cứu của Poulos và Divis [3] và Randolph [4] Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế cọc của Việt Nam TCVN 10304-2014 yêu cầu việc phân tích hệ kết cấu móng cọc kích thước lớn cần thực hiện cho bài toán không gian
có kể đến sự tương tác của kết cấu phần thân và phần ngầm, giữa (móng) cọc và nền Bên cạnh đó, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cũng đã được nghiên cứu trong một số đề tài nghiên cứu gần đây của Phung [5], William Cheang [6], K Watcharasawe
& P.Jongpradist [7]
Trong bài báo này, nhóm tác giả giới thiệu việc áp dụng phương pháp PTHH ba chiều với sự trợ giúp của phần mềm Plaxis 3D để phân tích sự làm việc của kết cấu móng bè cọc kích thước lớn dưới tác dụng của vùng tải trọng phân bố rộng trong điều kiện đất yếu của kho chứa than Nhiệt điện Thái Bình 2
2 Mô hình móng cọc kích thước lớn cho kho chứa than
2.1 Mô hình lưới phần tử và điều kiện biên
Kho chứa than là một hạng mục quan trọng thuộc dự án Nhiệt điện Thái Bình 2 được xây dựng tại xã Mỹ Lộc, huyện Thái Thụy, tỉnh Thái Bình Phân tích PTHH ba chiều bằng phần mềm Plaxis 3D đã được nhóm tác giả sử dụng để tính toán kết cấu móng cọc kích thước lớn cho dự án này Trong số ba kho than (kho than 1, kho than 2
và kho than 3), kho than 1 và 2 có kích thước lớn nhất với giá trị chiều dài và chiều rộng lần lượt là 255m và 52.5m Để đảm bảo mô hình trên phần mềm Plaxis 3D phản ánh đúng điều kiện làm việc thực tế của kho chứa than số 1 nhóm tác giả chọn kích thước
mô hình với chiều rộng 52.5m và chiều dài bằng một nửa chiều dài thực của kho than tức là khoảng 127m
Bảng 1 Thông số cọc PHC D400 và sàn bê tông trong Plaxis 3D
Ttop,max Sức kháng bên lớn nhất tại đầu cọc - - kN/m
Tbottom,max Sức kháng bên lớn nhất tại mũi cọc 500 - kN/m
Trang 2-98 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
KHOA H“C & C«NG NGHª
Đất nền được rời rạc hóa bằng
phần tử khối 15 nút, trong đó bao
gồm 6 nút dạng tam giác theo
phương ngang và 8 nút dạng tứ giác
theo phương thẳng đứng
Phương án cọc được đề xuất
sử dụng là cọc bê tông cốt thép ly
tâm dự ứng lực đường kính ngoài
400mm (PHC D400-Class A) và
chiều dài thay đổi từ 35.5m ở vị trí
tâm kho và giảm xuống 29.5m ở vị
trí biên kho Lý do nhóm tác giả chọn
chiều dài cọc thay đổi là do tải trọng
của công trình có dạng hình thang
và để đảm bảo sàn kho than lún đều
trong quá trình sử dụng và không bị
nứt vỡ
Các cọc được mô hình bằng
phần tử Embedded pile Để tránh
ảnh hưởng của quá trình chứa than
đến nền đất, sàn bê tông với chiều
dày 0.4m được bố trí trên đầu cọc và
được mô hình bằng phần tử Plate
Thông số chính cho các kết cấu này
được tổng hợp trong Bảng 1
2.2 Điều kiện địa chất
Điều kiện địa chất ban đầu của
kho than có phân bố lớp đất yếu rất
dày, do đó nếu áp dụng giải pháp
móng bè cọc thì cọc sử dụng sẽ có
đường kính rất lớn (cọc BTCT ly tâm
DƯL D700 – Class A và chiều sâu
lên đến 45m) để đảm bảo ổn định
trong quá trình khai thác Sau khi,
phân tích các ưu nhược điểm của
từng phương án nhóm tác giả đã đề
xuất:
+ Giai đoạn 1: Trước khi thi công
kết cấu móng cọc, kho chứa than đã
được xử lý nền bằng phương pháp
cố kết hút chân không kết hợp bấc
thấm với tải trọng thiết kế là 50kPa
Các thông số chính của đất như chỉ
số SPT, qc và Su sau xử lý tăng lên
1.2÷3.4 lần so với khi chưa xử lý [8]
+ Giai đoạn 2: Thi công cọc & thi
công kết cấu sàn của kho than Như
vậy, do nền đất yếu đã được xử lý
làm tốt lên trong giai đoạn 1 vì vậy
giảm được hiệu ứng ma sát âm cho
cọc nên kết cấu móng cọc sẽ đảm
bảo tối ưu về kinh tế và kỹ thuật
Hình 3 thể hiện mặt cắt địa
chất cũng như một số thông số cơ
lý từ thí nghiệm trong phòng và thí
nghiệm hiện trường (SPT, CPTu,
VST) sau khi xử lý Nằm trên cùng là
lớp cát san lấp (lớp 1) với chiều dày
khoảng 5m, phía dưới lớp đất này là
các lớp 2-Sét dẻo và lớp 3-Bụi lẫn
cát với chiều dày cả hai lớp khoảng
5m Lớp cát đầu tiên được tìm thấy
ở chiều sâu khoảng 12m và chiều
Hình 1 Mặt bằng kho chứa than
Hình 2 Mô hình PTHH 3 chiều cho kho chứa than bằng Plaxis 3D
dày khoảng 2m là lớp 4-Cát, trạng thái chặt vừa Nằm phía dưới lớp cát này là ba lớp 5,6 và 7-Sét dẻo/bụi lẫn cát với chiều dày khoảng 20m và sức kháng cắt không thoát
11 nằm ở chiều sâu khoảng từ 32m có sức chịu tải cao và dự kiến sẽ đặt mũi cọc vào các lớp đất này
Trong tính toán, mô hình Mohr-Colomb được sử dụng để mô phỏng ứng xử của các lớp đất Thông số chính của các lớp đất được tổng hợp trong bảng 2
2.3 Điều kiện tải trọng
Tải trọng tác dụng lên nền đất là tải trọng bản thân của vật liệu than với giá trị khối lượng thể tích γ = 14 kN/m3 và góc nghỉ là Ɵ = 38o Sơ đồ chất tải của vật liệu than
là hình tam giác với cạnh đáy là 52.5m và chiều cao là 20.5m Để tính toán thiết kế,
sơ đồ tải trọng này được quy đổi về các cấp tải trọng khác nhau được thể hiện như hình 4
Trang 399 S¬ 28 - 2017
2.4 Hiệu chỉnh thông số trong Plaxis 3D sát với kết quả thí
nghiệm hiện trường
Để xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc, từ kết
quả số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế tại kho chứa than
với khối lượng 8 cọc/ 1 kho chứa, việc hiệu chỉnh thông số
cọc trong phần mềm Plaxis 3D sẽ được thực hiện bằng việc
thay đổi giá trị Rinter trong khai báo phần tử Interface của tất
cả các lớp đất cũng như giá trị sức kháng cực hạn (Ttop,max,
Tbottom,max và Fmax) của cọc cho đến khi biểu đồ nén tĩnh hiện
trường sát với biểu đồ nén tĩnh được mô hình trong Plaxis
3D
Sau khi hiệu chỉnh, các giá trị này được tổng hợp trong bảng 3 và sẽ được sử dụng để tính toán cho toàn bộ hệ móng cọc kích thước lớn
3 Kết quả phân tích
3.1 Kết quả phân tích độ lún
Hình 6 là kết quả phân bố độ lún thẳng đứng của hệ móng
bè cọc kích thước lớn của kho chứa than theo mặt cắt ngang Kết quả cho thấy độ lún giảm từ giữa tâm ra ngoài biên của
Bảng 2 Thông số đất nền trong Plaxis 3D
Trọng lượng
Ghi chú: MC: Mohr-Coulomb
D: Drained; UD: Undrained
Bảng 3 Thông số hệ số giảm cường độ Rinter sau hiệu chỉnh trong Plaxis 3D
Hệ số giảm
Bảng 4 Kết quả phân tích hệ số phân bố tải trọng
Hệ số phân bố tải trọng αr
Tải trọng
tác dụng lên cọc phân bố lên cọc% tải trọng tác dụng lên nềnTải trọng % tải trọng phân bố lên nền
Hình 3 Điều kiện địa chất khu chứa than
Trang 4100T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
KHOA H“C & C«NG NGHª
kho than với các giá trị tương ứng là 15.5 cm và 13.6 cm Độ
lún trung bình của móng bè cọc có thể được xác định từ phần
mềm Plaxis 3D theo công thức của Reul và Randolph [9]:
2
3
+
avg
s
(1) Trong đó: savg = độ lún trung bình; scenter = độ lún tại tâm
móng; sconner = độ lún tại biên móng
Từ các giá trị tính toán được, độ lún trung bình của móng
cọc kho chứa than là 15.0cm nhỏ hơn giá trị cho phép [sghtb]
=20cm áp dụng cho dự án Kết quả này từ Plaxis 3D nhỏ hơn
so với kết quả tính toán độ lún thẳng đứng của móng khối
theo giải tích khoảng 13% (kết quả tính toán được là 17 cm)
Độ lún thẳng đứng phân bố theo chiều dài của kho than
tại độ sâu 0.5m được thể hiện trong Hình 7 Kết quả tính toán
cho thấy, sự phân bố độ lún dọc theo chiều dài kho khá đồng
đều Độ lún lệch tại độ sâu này có thể được xác định bằng
công thức:
Với kết quả phân tích được, độ lún lệch của móng kho
chứa than là Δs = 5cm tương ứng với giá trị độ ngiêng tương
đối của móng là i = 0.002 nhỏ hơn giá trị cho phép [igh]=0.004
áp dụng cho dự án Kết quả này có được là do việc bố trí đối
xứng các cọc và chiều dài các cọc thay đổi từ tâm ra biên kho
chứa than để phù hợp với sơ đồ chất tải
3.2 Kết quả phân tích hệ số phân bố tải trọng
Một trong những yêu cầu chính trong thiết kế móng bè cọc kích thước lớn là đánh giá hệ số phân bố tải trọng cho cọc và cho nền như được nêu dưới đây
Tổng tải trọng thẳng đứng truyền vào nền đất thông qua
áp lực tiếp xúc dưới nền đất Pr và cọc ΣPp,i theo Katzenbach [10]:
,
= +∑
Sự phân bố tổng tải trọng lên sàn và cọc được định nghĩa bằng hệ số phân bố tải trọng, là tỷ số giữa tổng sức kháng cọc và tổng khả năng chịu tải của móng:
,
= ∑ p i r
t
P P
α
Kết quả phân tích hệ số phân bố tải trọng lên hệ móng cọc kích thước lớn được tổng hợp trong Bảng 2
Kết quả từ bảng 2 cho thấy: tương ứng với độ lún trung
34% tổng tải trọng và hệ số phân bố tải trọng αr = 0.66 Khi đưa hệ số này vào biểu đồ quan hệ độ lún – hệ số phân bố tải trọng từ nghiên cứu của Katzenbach [11] trong Hình 8 cho thấy quan hệ giữa hai chỉ tiêu này được dự báo nằm trong vùng hệ số theo thống kê của các dự án được thực hiện trước đó
Hình 4 Sơ đồ tải trọng khu chứa than
Hình 6 Phân bố độ lún thẳng đứng của móng theo
mặt cắt ngang
Hình 5 Hiệu chỉnh mô hình cọc trong Plaxis 3D và kết quả thí nghiệm nén tĩnh
Hình 7 Phân bố độ lún thẳng đứng theo chiều dài kho chứa than tại độ sâu 0.5m
(xem tiếp trang 126)