Trong nghiên cứu này, các phân tích mô phỏng 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện trên công trình cụ thể. Mục đích để khảo sát sự ảnh hưởng của tường vây đến khả năng mang tải và phân chia tải trong hệ thống móng bè cọc kết hợp tường vây.
Trang 1PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY TẦNG HẦM
LÊ BÁ VINH * NGUYỄN NHỰT NHỨT, NGUYỄN VĂN NHÂN
An analysis of the piled raft foundation - diaphragm wall system Abstract: In designing and calculating the solution of piled raft foundations for tall buildings, many calculations do not take into account the participation of the diaphragm walls The load - bearing capacity of the diaphragm wall system is significant when the diaphragm wall is inserted into the hard ground In this paper, the involvement of the diaphragm wall system together with the piled raft foundation was analyzed and evaluated by the PLAXIS 3D software for specific projects With the piled raft foundation, the distribution of load
on the raft is 20%, and the piles group is 80% When the piled raft foundation is combined with the diaphragm wall, the percentage of load
on the raft is 20%, the percentage of the load on the pile group is 50%, and the diaphragm wall is 30% As a result, the percentage of load on the piles group decreases by 30% when the piled raft foundation is combined with the diaphragm This shows the significant contribution
of the diaphragm wall system, which can be designed to optimize the number of piles and save the pile foundation’s cost
Móng bè cọc ngày nay được áp dụng rất
phổ biến trong các công trình nhà cao tầng có
tầng hầm trên thế giới [4,5,6], và tường vây
cọc barrette được thi công cắm sâu vào trong
nền đất dưới đáy móng để chắn giữ áp lực đất
theo phương ngang xung quanh hố đào sâu
trong quá trình thi công móng bè cọc và các
tầng hầm Trong quan niệm thiết kế móng
trong các công trình nhà cao tầng có tầng hầm
hiện nay chỉ thiết kế tường vây với yêu cầu
chịu tải theo phương ngang trong quá trình thi
công móng tầng hầm mà chưa xét đến khả
năng mang tải đứng của tường vây [1,2,3]
Điều này có thể dẫn đến thiết kế không hợp lý
cho hệ móng bè cọc
*
Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng,
Tr ng Đ i H c Bách Khoa - Đ i H c u c Gia
Thành Ph Hồ Chí Minh
Trong nghiên cứu này, các phân tích mô phỏng 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện trên công trình cụ thể Mục đích
để khảo sát sự ảnh hưởng của tường vây đến khả năng mang tải và phân chia tải trong hệ thống móng bè cọc kết hợp tường vây
Trong bài báo này các phân tích, tính toán được thực hiện theo 2 trường hợp:
* Trường hợp 1: Tường vây cọc barrette chỉ
có một chức năng là chịu tải ngang do áp lực đất xung quanh hố đào sâu Toàn bộ tải trọng đứng của công trình do hệ móng bè cọc chịu, như vậy
hệ móng bè cọc và tường vây cọc barrette được tính toán làm việc độc lập với nhau, như hình 1
* Trường hợp 2: Tường vây cọc barrette có hai chức năng là chịu tải ngang do áp lực đất xung quanh hố đào sâu và tham gia chịu tải đứng của công trình bên trên cùng với hệ móng
bè cọc Khi đó hệ kết cấu móng là móng bè cọc kết hợp tường vây như hình 2
Trang 2Qrp= Q r +Qp
Raft
Pile Wall
Hình 1 Móng bè c c và t ng vây
làm việc độc lập
Q rpw = Q r +Q p +Q w
Raft
Pile Wall
Hình 2 Móng bè c c và t ng vây
cùng tham gia chịu lực
2 THIẾT KẾ KẾT CẤU MÓNG CHO
CÔNG TRÌNH CỤ THỂ
2.1 Xác định sơ bộ số lượng cọc
50 m
Hình 3 Mặt cắt ngang công trình
29 m
Hình 4 Mặt bằng kích th ớc móng
Công trình được phân tích là nhà cao tầng, có
15 tầng và 2 tầng hầm như hình 3, với tổng tải tác dụng lên móng là FZtt = 439430 kN Kích thước mặt bằng móng là 29m x 51m như hình 4 Công trình được nghiên cứu với điều kiện địa chất điển hình ở khu vực Phường 25, Quận Bình Thạnh, Thành Phố Hồ Chí Minh Nền đất gồm
có các lớp: Lớp 1: Cát đắp, cát mịn lẫn bột, chặt vừa(SM); Lớp 2: Bùn sét, bùn á sét, trạng thái chảy (OH); Lớp 3: Sét, á sét màu xám đen, dẻo chảy đến nửa cứng (CH); Lớp 4: Thấu kính cát mịn, chặt vừa (SM); Lớp 5: Sét, á sét màu xám đen, dẻo chảy đến nửa cứng (CH); Lớp 6: Cát mịn, ít sét, trạng thái chặt đến rất chặt 3a (SM); Lớp 7: Cát mịn, ít sét, trạng thái chặt vừa 3b (SM); Lớp 8: Cát mịn, ít sét, trạng thái chặt đến rất chặt 3a (SM); Lớp 9: Sét lẫn ít cát mịn, trạng thái rất cứng (CH), như bảng 1
Trang 3Bảng 1 Thông số các lớp đất khai báo trong mô hình Plaxis
Thông
số
Đơn
vị
Lớp 1:
(SM)
Lớp 2:
(OH)
Lớp 3:
(CH)
Lớp 4:
(SM)
Lớp 5:
(CH)
Lớp 6:
(SM)
Lớp 7:
(SM)
Lớp 8: (SM) Chiều
γsat kN/m3 19.16 15.03 18.24 19.80 18.24 20.52 20.27 20.52
kx m/day 1.368 4.72
E-8
1.374 E-7
3.04 E-7
1.37 4E-7
3.34 E-7
2.02 E-7
3.34 E-7
ky m/day 0.684 2.36
E-8
6.87 E-8
1.52 E-7
6.87 E-8
1.67 E-7
1.01 E-7
1.67 E-7
E50ref kN/m2 5368 19057 20979 21497 34972 56040 38892 56040
Eeodref kN/m2 5368 19057 20979 21497 34972 56040 38892 56040
Eurref kN/m2 16105 57172 62936 64490 104916 168119 116675 168119
C‟ref kN/m2 4.5 17.8 32 18 32 18.4 5.4 18.4 φ' độ 26.6 18.45 23.5 31.73 23.5 33.1 30.23 33.1
K0nc - 0.552 0.684 0.601 0.474 0.601 0.454 0.497 0.454
e0 - 0.778 2.23 1.063 0.702 1.063 0.579 0.621 0.579
Hình 5 Sự thay đổi của sức chịu tải vl
và R cp theo độ sâu
Chọn cọc có đường kính D = 800 mm, bê
tông cọc B50 Qua tính toán sức chịu tải của cọc theo đất nền và theo vật liệu làm cọc, chiều dài làm việc của cọc tối ưu là mũi cọc nằm ở
độ sâu Z = 65m như hình 5 Sức chịu tải cho phép Rcp = 6690 kN Kiểm tra lại sức chịu tải của cọc D800 mũi cọc ở độ sâu Z = 65m trên phần mềm Plaxis 2D, bài toán đối xứng trục vẽ đường cong quan hệ cấp tải và độ lún như hình
6 Xác định được sức chịu tải giới hạn Pgh =
16250 kN, sức chịu tải cho phép Pcp = 16250/2.5 = 6500 kN Từ đó, chọn sức chịu tải thiết kế là Ptk = min(Rcp; Pcp) = 6500 kN Xác định số lượng cọc bố trí nc= (ΣFZtt/Ptk).β = (439430/6500).1,5 = 101 cọc Chọn số lượng cọc bố trí trong đài là 105 cọc
Trang 4Hình 6 uan hệ giữa tải tr ng P và độ lún S
của c c D800, mũi c c ở độ sâu Z=65m
2.2 Kích thước tường vây cọc barrette
Yêu cầu tường vây phải đủ khả năng chắn giữ
đất xung quanh hố đào, chuyển vị ngang cho
phép của tường vây theo qui định để đảm bảo ổn
định cho các công trình lân cận Ngoài ra còn
phải ngăn chặn được dòng thấm dưới đáy hố đào
Hình 7 Mô phỏng kiểm tra chuyển vị của t ng
vây c c barrette trên Plaxis 2D
Hình 8 Chuyển vị ngang của t ng vây c c
barrette trong giai đo n thi công
Chọn tường vây cọc barrette có bề dày d =
600 mm, bê tông B50 Chiều dài tường vây L =
35 m, chân tường vây cắm vào lớp đất thứ 5 (Sét, á sét màu xám đen, dẻo đến nửa cứng) như hình 7 Chuyển vị ngang lớn nhất của vách tường vây cọc barrette trong giai đoạn thi công tầng hầm như hình 8 là Ux = 27.54 mm < [∆] = 8000/200 = 40 mm thỏa điều kiện chuyển vị ngang của vách tường vây
2.3 Chiều dày đài bè
Sức chịu tải của tường vây có chiều dày 600
mm được xác định như hình 9, chiều dài tường vây L = 35 m có sức chịu tải Vtk = 590 kN/m Từ biểu đồ quan hệ giữa chiều dày bè H và tải F truyền lên tường vây như hình 10, chiều cao đài
bè được giới hạn từ chiều cao đài bè theo điều kiện xuyên thủng đài bè Hxt = 2 m đến chiều cao đài bè theo sức chịu tải của tường vây Hgh = 6 m
Để huy động tối đa khả năng mang tải của tường vây, trên đường cong quan hệ F-H như hình
10 vẽ tiếp tuyến qua hai đường cong tuyến tính giao nhau và giống xuống, xác định được chiều cao thiết kế của bè là Htk = 5 m với Hxt ≤ Htk < Hgh
Hình 9 Sự thay đổi của sức chịu tải vl
và V tk theo độ sâu
Hình 10 uan hệ giữa chiều dày bè H
và tải F truyền lên t ng vây
Trang 53 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ
MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY BẰNG
PHẦN MỀM PLAXIS 3D
Trong các phân tích chiều dày bè là H = 5 m
bê tông B50, đường kính cọc khoan nhồi D =
800 mm bê tông B50 chiều sâu mũi cọc Z = 65
m, vách tường vây cọc barrette dày d = 600 mm
bê tông B40 chiều sâu mũi tường vây Z = 35 m
Trường hợp 1, tường vây cọc barrette và bè cọc
làm việc độc lập với nhau theo phương đứng Khi
đó liên kết giữa bè và tường vây là liên kết ngàm
trượt, được thay thế bằng 1 tấm bè có mô đun đàn
hồi trượt G12=G13=G23=0 như hình 11
Hình 11 Liên kết ngàm tr ợt giữa
bè và t ng vây
Trường hợp 2, tường vây cọc barrette và bè
cọc cùng làm việc đồng thời với nhau, tường
vây tham gia chịu tải công trình, liên kết giữa bè
và tường vây là liên kết ngàm
Hình 12 Mô hình phần tử các lớp đất
trong phần mềm Plaxis 3D
Hình 13 Mô hình phần tử c c, bè,
t ng vây trong phần mềm Plaxis 3D
29 m
Hình 14 Mặt bằng bè c c, t ng vây
đánh s vị trí khảo sát
Khi xem xét tường vây cọc barrette tham gia vào chịu tải đứng cùng hệ móng bè cọc như bảng 2, tải trọng tác dụng lên các cọc biên gần vách tường vây giảm đi 51% đến 62% và tải tác dụng lên vách tường vây (Hình 15 b)
Trang 6tăng trung bình 58% đến 69%, tải trọng tác
dụng lên các cọc giảm dần từ tường vây vào
giữa bè 22% đến 9% Độ lún của bè giảm không nhiều
Bảng 2 Tải tác dụng và độ lún của các cọc, tường vây tại các vị trí khảo sát trên hình 14
Liên kết giữa
bè và tường vây
Liên kết ngàm trượt
Liên kết ngàm
Phần trăm chênh lệch
Cọc khảo sát
Tường
vây
khảo sát
Khi xem xét tường vây cọc barrette tham gia
vào chịu tải đứng cùng hệ móng bè cọc như
bảng 2, tải trọng tác dụng lên các cọc biên gần
vách tường vây giảm đi 51% đến 62% và tải tác
dụng lên vách tường vây (Hình 15.b) tăng trung bình 58% đến 69%, tải trọng tác dụng lên các cọc giảm dần từ tường vây vào giữa bè 22% đến 9% Độ lún của bè giảm không nhiều
Trang 7(a) Móng bè cọc (b) Móng bè cọc - tường vây
Hình 15 Mặt cắt khảo sát 1-1, lực d c N2 của t ng vây và bè
Như vậy, trong móng bè cọc kết hợp tường
vây, tường vây ảnh hưởng rất nhiều đến sự phân
chia tải trong nhóm cọc, đặc biệt là tải trọng tác
dụng lên các cọc biên ở gần tường vây giảm
mạnh Để huy động nhiều hơn sức chịu tải của
vách tường vây ta tiến hành bỏ hết các cọc biên
gần tường vây và so sánh ba phương án móng
bè cọc, móng bè cọc kết hợp tường vây, móng
bè cọc kết hợp tường vây và bỏ hàng cọc biên như bảng 3 Độ lún của ba phương án móng là gần bằng nhau khoảng 5cm, nhưng sự phân chia tải giữa nhóm cọc và tường vây chênh lệch nhiều giữa phương án móng bè cọc với móng bè cọc kết hợp tường vây, khoảng 30% tải trọng công trình tác dụng lên nhóm cọc được chia qua cho tường vây gánh chịu
Bảng 3 Phân chia tải cho bè, nhóm cọc và tường vây trong các phương án móng
Phân chia tải Móng
bè cọc
Móng bè cọc kết hợp tường vây
Móng bè cọc kết hợp tường vây, bỏ hàng cọc biên 1, 2, 3 Nhóm cọc
302931
kN
194116
kN
208299
kN
Đài bè
79179
kN
77796
kN
78882
kN
Tường vây 0 kN
110198
kN
94929
kN
4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong móng bè cọc phần trăm chia tải lên
bè khoảng 20%, 80% trăm tải còn lại do nhóm
cọc gánh chịu Khi móng bè cọc có kết hợp
với tường vây, phần trăm chia tải lên bè là
20%, phần trăm chia tải lên nhóm cọc là 50%,
và lên tường vây là 30% Như vậy, phần trăm chia tải lên nhóm cọc giảm đi 30% khi có xét đến sự tham gia cùng chịu lực của hệ tường vây Qua đó cho thấy sự tham gia chịu lực
Trang 8đáng kể của hệ tường vây, từ đó có thể thiết
kế số lượng cọc tối ưu và tiết kiệm cho hệ
móng bè cọc Trong móng bè cọc kết hợp
tường vây nếu bỏ hàng cọc biên gần vách
tường vây, phần trăm chia tải lên bè khoảng
20%, vách tường vây 25%, nhóm cọc 55%
Với phương án móng bè cọc kết hợp tường
vây, giảm bớt được 40 cọc trên tổng số 105
cọc khoan nhồi và tiết kiệm được 38% khối
lượng bê tông cọc
Khi thiết kế phương án móng bè cọc cho
công trình dân dụng có từ hai tầng hầm trở lên,
tường vây được bố trí với yêu cầu ban đầu là
chống đỡ áp lực đất theo phương ngang khi thi
công kết cấu móng tầng hầm Nếu tường vây
được cắm vào các tầng đất tốt, người thiết kế
cần phải kiểm tra thêm khả năng chịu tải đứng
của tường vây cùng tham gia chịu tải với các
cọc để từ đó bố trí lại số lượng cọc phù hợp
nhất, để có phương án móng hiệu quả và tiết
kiệm nhất
Để đánh giá đúng sự phân chia tải cho vách
tường vây và các cọc ta cần phải xét đầy đủ các
yếu tố trên Phân tích 3D bằng phương pháp
phần tử hữu hạn có thể đáp ứng được các yêu
cầu nêu trên
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Randolph MF Design methods for pile groups and piled rafts In: Proc 13th international conference on soil mechanics and foundation engineering, vol 5, New Delhi, India; 1994 p 61–82
[2] Clancy P, Randolph MF Simple design tools for piled raft foundations Geotechnique 1996;46(2):313–28
[3] Poulos HG Piled raft foundations: design and applications Geotechnique 2001;51(2):95–113
[4] Horikoshi K, Randolph MF Centrifuge modelling of piled raft foundations on clay Geotechnique 1996;46(4):741–52
[5] Katzenbach R, Arslan U, Moormann C Piled raft foundation projects in Germany Design Applications of Raft Foundations, Hemsley Thomas Telford, London; 2000 p 323–91
[6] Yamashita K, Hamada J, Soga Y Settlement and load sharing of piled raft of a 162m high residential tower In: Proc international conference on deep foundations and geotechnical in situ testing, Shanghai, China; 2010 p 26–33
Ng i phản biện: PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG