Phân tích ứng xử của móng Topbase trên nền đất yếu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS HẠ Ỹ * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách kho

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS HẠ Ỹ

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học

Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Thời gian cố k t giảm 2- l n so với nhiều phư ng pháp khác

Phân bố đều ng suất dưới nền giảm tải trọng truyền sâu vào l ng đất

và m ng khi s dụng phư ng pháp gia cố nền b ng Top-Base o đ trong luận án

này tập trung h n t h n món Top-Base t n n n t u n h n

h h n t h u hạn nh m c được nh ng đánh giá ch nh xác về ng x c a nền

và m ng khi s dụng phư ng pháp gia cố Top-Base ph hợp với điều kiện th như ng tại iệt Nam Đây là đề tài mang t nh thời sự và cấp thi t mà trong ngành xây dựng c n phải uan tâm đối với nhà nhiều t ng và k t cấu nh p lớn tăng nhanh

2 Mục tiêu nghiên cứu

Công nghệ Top-Base s dụng ph bi n tại Nhật Bản và Hàn uốc nhưng chưa được nghiên c u với điều kiện th như ng tại iệt Nam o vậy việc nghiên

c u ng x c a nền đất và m ng Top-Base với đ a chất vào kh hậu iệt Nam là

c n thi t

o sánh t nh hiệu uả với m ng cọc trong nhà nhiều t ng

3 Đố ượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên c u: Nền m ng s dụng công nghệ Top-Base

Phạm vi nghiên c u:

Phân t ch ng x c a nền đất dưới Top-Base;

Phân t ch ng x c a m ng trên Top-Base;

o sánh, đánh giá với m ng cọc trong nhà nhiều t ng

ô ph ng và phân t ch k t uả mô ph ng

T ng hợp, đánh giá và đề xuât giải pháp thi công th ch hợp

5 C u trúc luậ vă

ở đ u

Chư ng 1 Đ , T N N C N N H TOP-BASE

Chư ng 2 C L TH T PH N T CH C N N H TOP-BASE Chư ng XÂY N H NH PH N T CH PH N T H H N

K T L N K N N H

CHƯ NG 1 TỔNG QUAN V C NG NGH TOP-BASE

1.1 C g g ệ Top -Base ê g

1.1.1. Giới thiệu chung

Công nghệ Top-Base vốn được coi là một bước đột phá về công nghệ xây dựng , đ được hoàn thiện và áp dụng thành công trên nền đất y u h n năm ở Nhật Bản, Hàn Quốc Công nghệ Top-Base được phát minh tại Nhật Bản vào nh ng năm

1980 Các công trình xây dựng trên nền Top-Base đ ua được các trận động đất

kh ng khi p tại Chiba năm 1987 và Kobe năm 199 mà h u như không b hư hại

gì

Đ u nh ng năm 199 công nghệ được nghiên c u ng dụng tại Hàn Quốc và

đ c nhiều phát minh quan trọng k t đ , đ c biệt trong lĩnh vực thi công Các cải

ti n c a Hàn Quốc đ làm cho Top-Base trở nên đ n giản và nhanh ch ng h n trong thi công, thân thiện với môi trường và đ c biệt giá thành hạ một cách thuy t phục

1.1.2. Trình tự thi công móng Top-Base

a) Thi công theo công nghệ Nhật Bản: dùng các Top-Block ú sẵn

b) Thi công theo công nghệ Hàn Quốc: dùng các Top-Block ỗ tại chỗ

1.2 C g g ệ Top-Base g ư

Tình hình áp dụng

Năm 2 8, l n đ u tiên Công nghệ móng Top-Base được nghiên c u tại Trường Đại học Xây dựng trên qui mô mô hình trong phòng thí nghiệm C học đất Tháng 08/2008, Công ty TBS Việt Nam ra đời nh m th c đẩy áp dụng công nghệ mới vào Việt nam L n đ u tiên công nghệ mới TB được áp dụng x lý nền tại công trình 110 Mai Hắc Đ Hà nội vào tháng 8 năm 2 8 và được ng dụng tại khu

đô th mới PG c a Hải Phòng

1.3 C ạ ề Top-Base

1.3.1. ấu tạo khối Top-Block

Hiện nay công nghệ Top-Base đưa ra loại Top-Block với các k ch thước

tư ng ng là Ø330mm, Ø500mm và Ø 2000mm

1.3.2. Cấu tạo nền Top-Base

Hình 1.1: Cấu tạo nền Top –Base

1.3.3. Nguyên lý chịu lực của móng Top – Base

a) Tác dụng giảm lún

Được ch ng minh thông qua quá trình th nghiệm ở ngoài hiện trường và ở trong phòng thí nghiệm được bi u th b ng quan hệ độ lún theo thời gian

b) Cải thiện s c chịu tải c a n n:

Tác dụng truyền tải đều xuống đất y u giảm tập trung ng suất và h n n a s c chống ma sát xuất hiện trong đá dăm, ph n cọc c a Top-Base có tác dụng ngăn

ch n bi n dạng ngang c a nền xung quanh

1.4 Gi i thiệ g a ươ g á g ê ứu

1.4.1. Phương pháp tính toán th ết kế

Hiện tại, việc thi t k Top-Base đang được thực hiện b ng cách s dụng Bảng móng áp dụng ph bi n Đây là phư ng pháp ước lượng giá tr ho c lực cố k t

c a nền ban đ u và c a nền Top-Base t mối quan hệ với tải k t cấu

1.4.2. Ướ lượng thông số ứng suất bằng giá trị N

Công th c kinh nghiệm sau được s dụng đ đưa ra thông số thi t k an toàn:

Xác đ nh cách bố trí các Top-Block L c này, đ tạo ra hiệu ng phễu, hãy x p các Top-Block thành ít nhất 3 hàng dọc và ngang

b) Tính toán khả năn hịu lực cho phép c a Top-Base

Khả năng ch u lực cho phép c a Top-Base ka t nh được b ng công th c sau

1.4.4. ánh g á tính ư ệt của phương pháp Top–Base

Ưu đi m về giá thành : Rút ngắn thời gian thi công móng công trình chỉ còn ½ thời gian và chi phí ph n móng chỉ còn 60% - 70% so với các phư ng án m ng khác

Phạm vi ng dụng c a phư ng pháp m ng Top-Base như:

Công trình liên uan tới bảo vệ môi trường : b i san lấp chất thải , n i x lý chất thải

Nhà dân dụng bao gồm thấp t ng và cao t ng

Nhà công nghiệp

B ch a , bồn ch a , các công trình x lý chất thải

Các công trình giao thông và thông tin liên lạc

2.1.2. há n ệ ng ng t nh

Móng công trình là một bộ phận k t cấu bên dưới c a công trình, nó liên k t với k t cấu ch u lực bên trên như cột, tường v.v Móng có nhiệm vụ ti p thu tải trọng t công trình và truyền tải trọng đ phân tán xuống nền

Bảo đảm sự làm việc bình thường c a công trình trong quá trình xây dựng

Bảo đảm n đ nh về cường độ và bi n dạng c a t ng k t cấu và toàn bộ công trình

Bảo đảm thời gian xây dựng ngắn nhất với giá thành hợp lý nhất

b) Nội dung công tác thi t k n n móng

Việc tính toán nền móng có th được ti n hành tính toán theo 3 trạng thái giới hạn:

Trạng thái giới hạn th I: Tính toán về cường độ và n đ nh c a nền và móng Trạng thái giới hạn th II: Tính toán về bi n dạng

Trạng thái giới hạn th III: Tính toán sự hình thành và phát tri n c a khe n t (chỉ được áp dụng cho các k t cấu đ c biệt như tường t ng h m, bản đáy ch a

chất l ng )

2.2 Phân tích g ê àm v ệ nền Top-Base

2.2.1. ấ tạo op-Block

trong nền đá dăm lèn ch t Khi tải trọng tác dụng lên m t trên c a Top-Block thì tải trọng này sẽ phân bố đều trên diện tích xung quanh c a Top-Block, ua đ tải trọng

b) T ờng hợp thi t k hai lớp Top-Block

Đối với trường hợp nền hai lớp Top-Base cũng tư ng tự như trường hợp nền một lớp Top-Base, tải trọng P t đáy m ng công trình truyền qua hai lớp Top-Block trong nền đá dăm khi xuống dưới đáy m ng giả đ nh sẽ là P’’ và hệ số giảm tải sẽ là k2

2.2.4. Qui trình tính toán

Đ u tiên là d liệu đ u vào cho uá trình thi t k , n bao gồm số liệu t ng hợp

số liệu t ng hợp thống kê đ a chất tải trọng công trình truyền vào m ng đ c trưng vật liệu bê tông và cốt thép v v

2.3 ạ m ươ g á g a Top-Base và đ

2.3.1. Phương t nh hủ ạo của nền Top-Base

Ch ng ta xem xét tải trong ngang và dọc trục và mô men t công trình truyền vào m ng cho như trong Hình 2.1, nền Top-Base ch u đồng thời tải trọng ngang và

áp lực trên bề m t Top-Base, gây nên sự uốn và bi n dạng theo phư ng vuông g c với m t Top-Base ch ng ta chọn trục Y là trục vuông g c với m t đất

Hình 2.1: đồ truyền tải c a công trình vào nền 1 lớp Top-Base

2.3.2. Chọn phần tử phát s nh lưới cho nền Top-Base

Nền Top-Base c hình dạng là hình trụ và n n cụt, đ khảo sát đ c tính này nền Top-Base được s dụng ph n t khối 8-nút C3D8P Pore Fluid/Stress Phân tích

ph n t h u hạn cho mô hình đất nền

2.4 Phân tích ph n t h u hạ m đ t nền

2.4.1 Phương trình chủ ạo của ất nền

Chuy n v n t cục bộ được tách ra như sau:

2.4.2 Mô hình vật liệu nền ất

ô hình rucker-Prager cải ti n ô hình này ch y u mô ph ng ng x vật liệu ch u tải trọng đ n, chẳng hạn như phân t ch giới hạn c a tải trọng c a đất dưới nền móng

2.4.3 h nh ap tiê n

Trong ph n này ch y u tập trung vào mô tả vật liệu đất nền mô hình đất ph hợp chọn đ mô ph ng là mô hình Cap cải ti n Bề m t phá hoại mô hình rucker-Prager cải ti n

2.4.4 Phân tích sự tương tác giữa nền ất và Top-Base

Bề sâu c a sự thâm nhập tại một đi m ti p x c được đ nh nghĩa như phư ng

trình sau:

{ ‖ ‖ ‖ ‖ ‖ ‖ (2.7)

Đ đánh giá lực ti p x c tại đi m c u phư ng trên m t ti p x c ch ng ta s

dụng mô hình lực ti p x c c a Hert như sau:

Trong đ là h ng số phá hoại N u ch ng ta xác đ nh được khoảng cách d ch

chuy n c a n t trên m t ti p x c trong khoảng thời gian như:

CHƯ NG 3 NG H NH H N T CH H N T H HẠN

3.1 g á m g

Luận văn sẽ thay phư ng án m ng cọc b ng phư ng án s dụng nền Top-Base,

t đ so sánh đánh giá hiệu uả kỹ thuật gi a 2 phư ng án

Bảng 3.1: T ng hợp nội lực trên m t m ng c a công trình

-9

189.8

5

5245.9

-7

10.4

-8

87.8

6

15.9

-0

165.0

9

4561.7

-1

9.1

Hình 3.4: ô hình ph n t h u hạn c a nền Top-Base và m ng công trình

Hình 3.5: M t cắt đ a chất tại Khu đô th VCN Phước Hải, TP Nha Trang, tỉnh

Khánh Hoà

t cắt đ a chất lớp 1 là lớp cát san lấp, lớp 2 là lớp b n sét ở trạng thái chảy

d o, đây là một nền đất y u Trong thực t đ s dụng m ng cọc thi công như trong Hình 3.6 Luận văn sẽ thay th hệ m ng cọc b ng hệ m ng băng đ t trên nền 1 lớp 2 lớp Top-Base:

Hình 3.6: Chi ti t cọc c a công trình

Hình 3.7: đồ truyền tải c a công trình vào nền 2 lớp Top-Base

3.2.2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho nền ất

Sự bi n dạng c a k t cấu và sự thay đ i c a dòng chảy chất l ng trong lỗ rỗng

c a đất được k t hợp, k t quả c a việc phát sinh lưới cho nền đất xem Hình 3.8

Hình 3.8: Mô hình ph n t h u hạn/phát sinh lưới c a nền đất

3.2.3. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho nền Top-Base

Nền Top-Base bao gồm 2 thành ph n: nền đá dăm và các lớp Top-Block

3.2.4. ự tương tá

Một số tư ng tác tồn tại trong k t cấu gi a các vật liệu khác nhau và phải được

x lý ch nh xác đ đảm bảo mô hình h a ng x k t cấu hiệu quả và chính xác

3.3 K t qu và th o luận

3.3.1. h o sát nền lớp Top-Base

Hình 3.11: ô hình PTHH s dụng 1 lớp Top-Base Đây là loại m ng nông do đ trường ng suất t công trình truyền vào nền không uá sâu ua uá trình khảo sát với mô hình nền đất ch ng ta chọn lớp đ u

k t hợp với việc s dụng ph n t biên vô hạn in inite element

a) Phân t h sự h n ố lự t on n n t

p lực là nh ng đường đẳng áp n m ngang h i v ng tại khu vực gi a nền Base, ch ng t áp lực dưới đáy m ng băng sau khi truyền ua lớp Top-Base n được phân phối lại và tuyền đều xuống dưới nền đất p lực đ ng giảm, một ph n

Top-áp lực thẳng đ ng thông ua m t n n phát sinh Top-áp lực n m ngang và Top-áp lực này

gi a các m t n n sẽ c độ lớn b ng nhau nhưng ngược chiều xem Hình 3.13) o vậy áp lực ngang này gi a các m t n n với nhau tự triệt tiêu lẫn nhau

Hình 3.13: Ph phân bố áp lực ngang theo phư ng X gi a các khối Top-Base Thời gian ban đ u tư ng ng với m c độ gia tải trong khoảng , thì áp lực trong nền đất tăng rất nhanh Khi thời gian mô ph ng vượt ua 2 với cường

độ gia tải thì nền đất c sự bi n dạng lớn Sau thời đi m này áp lực tăng chậm cho đ n khoảng thì áp lực phân bố trong nền c xu hướng giảm chậm

và khi lực tác động đạt đ n giá tr , thì áp lực đảo chiều c xu hướng c ng

4 thì nền đất bắt đ u chảy d o và ph phân bố bi n dạng chảy d o được cho như trong Hình 3.16 Ph bi n dạng d o tập trung ch y u dưới đáy nền Top-Base

ti p x c với nền đất Khi nền đất bắt đ u chảy d o thì khả năng ch u lực c a nền đất bắt đ u giảm Đường ng x bi n dạng sau khi vượt ua giá tr thì độ dốc đường cong bé và ti n về n m ngang

Đối với nền Top-Base độ l n đạt tư ng ng với lực l c đ tác dụng lên

m t m ng là Đối với m ng cọc nhồi được t nh toán thi t k theo TCVN 10304:2014 thì độ l n tối đa đạt được là với tải trọng tác động lên m t

m ng là (xem Bảng 3.1 ua k t uả phân t ch số đạt giá tr thì

l c này chuy n v c a nền Top-Base và m ng chỉ đạt ới c ng một tải trọng công trình tải trọng vào các m ng cọc thì hiệu uả về l n sẽ không b ng khi

ch ng ta phân bố n đều ra thông ua nền Top-Base k t hợp với hệ m ng băng đ t trên nền Top-Base

phư ng

Khi ch ng ta gia tải đ n giá tr thì chuy n v t ng cộng c a m ng đạt

được là , theo tiêu chuẩn TC N 1 :2 1 khoảng Đối với dạng

công trình với chiều cao không vượt uá 1 -18 t ng, thì việc s dụng phư ng pháp

gia cố nền b ng nền Top-Base mang lại hiệu uả kỹ thuật lớn h n so với phư ng án

m ng cọc

Chuy n v nền đất theo phư ng ngang đối với nền Top-Base rất bé khoảng

Trong khi đ chuy n v ngang trong nền m ng cọc được cho trong Hình

3.18 là Như vậy chuy n v ngang c a nền Top-Base cũng hạn ch h n so

ng suất phân bố trong nền Top-Base khá lớn nhưng ng suất phân bố trong

lớp đất dưới nền Top-Base rất bé Đối với công trình đang nghiên c u thì áp lực

chuẩn TC N 1 :2 1 và diện t ch đài cọc, k ch thước cọc đ cho trong Hình

3.2 và Hình 3.6 thì áp lực trung bình và áp lực cực đại dưới đáy khối m ng uy ước

ng suất theo phư ng đ ng phân bố đều và tư ng đối lớn h n so với hai ng suất

c n lại

3.3.2. h o sát n n lớp Top-Base

a) o s nh lự h n ố t on n n t i n n s ụn lớ với lớ Base

p lực phân bố trong nền một lớp Top-Base khá lớn, gấp 1 7 l n so với nền s dụng 2 lớp Top-Base

Đối với nền hai lớp Top-Base thì khả năng ch u tác động tải trọng xuống m t

m ng công trình rất lớn, giá tr vượt gấp đôi so với nền s dụng 1 lớp Top-Base (Hình 3.23-a Trong khi đ chuy n v c a nền 2 lớp Top-Base bé h n một n a so với nền 1 lớp Top-Base ới nền c 2 lớp Top-Base khả năng hấp thụ tải trọng công trình truyền vào g n như gấp đôi, sẽ làm giảm tải trọng c a công trình truyền vào nền đất

Trong cả hai nền s dụng 1 lớp và 2 lớp Top-Base thì giá tr cực hạn c a lực tác dụng đều xảy ra khi chuy n v c a nền đạt khoảng

0 50 100 150 200 250

Thời gian mô ph ng

Thời gian mô ph ng

Nền 1 lớp Top-Base

a) b)

c) h n t h h h n ố n su t

Ch ng ta thấy r ng ph n lớn các ng suất tập trung vào trong 2 lớp Top-Base,

c n khu vực nền đất dưới nền Top-Base ph ng suất phân bố rất bé Điều này

ch ng t ph n lớn tải trọng c a công trình khi truyền vào lớp Top-Base sẽ được hấp thụ, ph n c n lại được nền Top-Base phân phối đều cho nền đất bên dưới Điều này gi p cho người thi t k t nh đ n phư ng án chọn lựa trong trường hợp thi t k

1 lớp Top-Base vẫn chưa đáp ng được yêu c u kỹ thuật c a dự án, thì ch ng ta

t nh đ n phư ng án s dụng 2 lớp Top-Base

iệc s dụng phư ng án m ng Top-Base mang nhiều hiệu uả kinh t cho dự

án, n u thi công theo công nghệ Hàn uốc ch ng ta ti t kiệm được nhà máy, kho

b i, máy m c thi t b thi công Đồng thời s dụng các khuôn đ c b ng nhựa gi p

ch ng ta s dụng các vật liệu rác thải nhựa, tăng hàm lượng s dụng vật liệu tái ch cho công trình, g p ph n vào việc thi t k xanh giải uy t bài toán ô nhiễm môi trường hiện nay