Nghiên cứu phân tích sự phân phối tải trọng giữa cọc và đài trong kết cấu móng bè cọc

HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 1- TÊN ĐỀ TÀI: “ Nghiên cứu phân tích dự phân phối tải trọng giữa cọc và đài trong kết cấu móng bè cọc ” 2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HUỲNH LÊ HƯNG

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH SỰ PHÂN PHỐI TẢI TRỌNG GIỮA

CỌC VÀ ĐÀI TRONG KẾT CẤU MÓNG BÈ CỌC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM

Mã số : 60.58.02.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2016

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS LÊ VĂN PHA

2 PGS.TS CHU CÔNG MINH

3 TS LÊ VĂN PHA

4 TS NGUYỄN VIỆT TUẤN

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

-

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-oOo -

Tp HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1- TÊN ĐỀ TÀI: “ Nghiên cứu phân tích dự phân phối tải trọng giữa cọc và đài trong kết cấu móng bè cọc ”

2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ:

Phân tích sự phân phối tải trọng giữa cọc và đài trong móng cọc đài bè nhằm nghiên cứu

và làm rõ vai trò cũng như khả năng đóng góp vào quá trình làm việc của các thành phần bao gồm phần đất dưới đáy bè và các cọc trong hệ móng cọc đài bè Cụ thể là tiến hành phân tích các ứng xử trong bè và cọc trong quá trình làm việc của kết cấu móng bè cọc

Nội dung luận văn:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và các phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng trong móng bè cọc bằng phần mền

SAFE

Chương 4: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng trong móng bè cọc bằng phần mền

Plaxis 3D

Kết luận và Kiến nghị

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 11 tháng 01 năm 2016

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 17 tháng 06 năm 2016

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS TRẦN TUẤN ANH

PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

Đầu tiên,học viên xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo Khoa

Kỹ Thuật Xây Dựng - Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận

tình hướng dẫn, trang bị nhiều kiến thức giúp cho học viên có thể hoàn thành Luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn quý Thầy Cô Bộ môn Địa Cơ Nền Móng đã giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành Luận văn này

Tôi xin gửi lời tri ân đến Thầy PGS.TS Trần Tuấn Anh, người đã tận tình

hướng dẫn, chỉ bảo và truyền thụ những kiến thức quý báu cũng như động viên, khuyến khích tôi tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện Luận văn Qua thầy, học viên không những được truyền đạt kiến thức, mà còn học được phương pháp nghiên cứu, phương pháp làm việc và cả nhiệt huyết trong nghề nghiệp

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã là nguồn động lực rất lớn, quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện Luận văn

Trân trọng!

Học viên

HUỲNH LÊ HƯNG

Hiện nay, ở Việt Nam móng bè cọc đã trở nên phổ biến và được ứng dụng nhiều trong các công trình dân dụng, công nghiệp Công trình nhà cao tầng tại các đô thị lớn thường sử dụng giải pháp móng bè cọc và làm tầng hầm để mở rộng diện tích sử dụng Tuy nhiên, việc tính toán và phân tích móng bè cọc còn chưa phổ biến nhiều ở Việt Nam

Theo một số quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay, người ta chưa xem xét đến sự làm việc của đất nền dưới đáy bè mà chỉ xem tải trọng công trình là do cọc chịu 100%, nhưng theo quan điểm móng bè cọc (MBC) thì tải trọng công trình vừa phân phối lên

bè và vừa phân phối lên cọc Vì thế, móng bè cọc đã trở thành giải pháp móng hữu hiệu nhất áp dụng cho các công trình cao tầng ở trên thế giới vì khả năng chịu lực, độ lún của bè và sức chịu tải của cọc được cải thiện đáng kể so với móng cọc thông thường

Sự hiệu quả về kinh tế của móng bè cọc hầu hết được trình bày bởi Randolph (1994) là những chiếc bè và cọc cùng tham gia chịu tải và làm cho độ lún, độ lún lệch giữa bè-cọc vẫn nằm trong phạm vi cho phép

Trong luận văn này tác giả sẽ sử dụng phần mền SAFE và phần mềm Plaxis 3D foundation để so sánh với kết quả tính toán theo quan điểm cọc chịu tải trọng hoàng toàn Bên cạnh đó, tác giả cũng sử dụng phần mềm Plaxis 3D foundation để xác định lực dọc trục của cọc, tải trọng và độ lún của bè, sự phân bố tải trọng tác dụng lên nhóm cọc và bè, momen, lực cắt của bè cọc trong điều kiện bình thường

extensively in the civil engineering and industry High-rise buildings in large cities often use solutions of piled raft foundation and basement to expand the area of use

However, analysis and calculation of piled raft foundation are not popular in Viet Nam

According to some views the current pile foundation design, it is not considered the work of the ground at the bottom of raft only see the work load is due to take 100% pile, but in view of piled raft foundation (PRF), the workload has distributed to raft and just distribution on the pile Piled raft foundations have become the most effective solution applicable to many high-rise buildings in the world because both bearing capacity and settlements of the foundation are significantly improved, compared to conventional piled foundation Generally, the most economical design of piled raft, as presented by Randolph (1994), is that the raft and the piles themselves can adequately support the loads of the structures to limit the total and differential settlements of the foundation within allowable margins

In this thesis, the author will use the software SAFE and Plaxis 3D Foundation for comparison with the calculated results for comparison with the view of pile works with 100% load of building Besides, the author alsouses Plaxis 3D Foundation for determining the axial force of piles, the load and the settlement of piled raft foundation, the distribution of the load exerted on the piles and raft, the moments and shear of raft

in conditions of normal

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết luận đưa ra trong luận văn này được thực hiện theo phương pháp khoa học khách quan, không sao chép và có trích dẫn nguồn tài liệu đầy

đủ

Học viên

Huỳnh Lê Hưng

1.TÍNH THỰC TIỂN VÀ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2.MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

4.Ý NGHĨA KHOA HỌC 2

5.GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1.MỐT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ MÓNG BÈ CỌC 4

1.2 KHÁI QUÁT MÓNG BÈ-CỌC 5

1.2.1 Khái niệm 5

1.2.2 Ưu điểm của móng bè cọc 8

1.3.CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN MÓNG BÈ-CỌC 9

1.3.1 Nguyên lý thiết kế móng bè cọc 9

1.3.2 Quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn 9

1.3.2 Quan điểm bè chịu tải hoàn toàn 10

1.3.3 Quan điểm bè - cọc đồng thời chịu tải 11

1.3.4 Quan điểm thiết kế móng bè cọc của các chuyên gia: 14

1.3.5 Quy trình lựa chọn móng cọc bè trong giai đoạn thiết kế: 16

1.3.6 Hệ số phân bố tải trọng αPR trong thiết kế: 17

1.3.7 Kết luận 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÓNG BÈ CỌC .20

2.1.1 Các phương pháp số gần đúng 21

2.1.1.1 Phương pháp Randolph (1983) 21

2.1.2 Các phương pháp tính toán chính xác 24

2.1.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 24

2.1.2.2 Phương pháp phần tử biên (BEM) 25

2.1.3 Các phương pháp phân tích giản lược 27

2.1.3.1 Phương pháp Burland (1995) 27

2.1.3.2 Phương pháp Poulos – Davis- Randolph (PDR) 29

2.1.4 Các phương pháp thí nghiệm 33

2.1.4.1 Phương pháp thí nghiệm bàn rung 33

2.1.4.2 Phương pháp thí nghiệm quay ly lâm 38

2.2 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH MÓNG BÈ CỌC 40

2.2.1 Đặt vấn đề 40

2.2.2 Phương pháp phân tích: 41

2.2.3 Thông số đầu vào: 42

2.2.4 So sánh kết quả theo các phương pháp khác nhau: 2

2.2.5 Nhận xét: 43

2.3 NHẬN XÉT 43

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG MÓNG BÈ CỌC BẰNG PHẦN MỀM SAFE 45

3.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .45

3.1.1 Giới thiệu phần mềm SAFE: 45

3.1.2 Mô hình tính toán: 45

3.1.3 Phương pháp hệ số nền Winkler: 47

3.2 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 57

3.2.1 Lựa chọn công trình 57

3.2.2 Xây dựng mô hình 58

3.2.3 Phân tích các ứng xử trong kết cấu móng bè cọc 62

3.2.4 Thông số kỹ thuật chính của công trình 62

3.2.5 Tính toán theo phương pháp giải tích quan điểm cọc chịu tải trọng hoàn toàn theo thiết kế 63

3.2.5.1 Sức chịu tải theo vật liệu 63

3.2.5.3 Sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT ( Theo

phụ lục G ; TCXD 10304-2014): 66

3.3 TÍNH TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BẰNG PHẦN MỀN PTHH FEM .70

3.4.KẾT LUẬN .77

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG MÓNG BÈ CỌC BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D 78

4.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .78

4.1.1 Giới thiệu phần mềm Plaxis 3D Foudation: 78

4.1.1.1 Thông số đầu vào của phần mềm Plaxis 3D Foundation 78

4.1.2 Mô hình nghiên cứu 83

4.1.3 Các thông số địa chất 83

4.2 PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG MÔ HÌNH MÓNG BÈ CỌC TRONG PHẦN TỬ HỮU HẠN 86

4.2.1 Mô hình mô phỏng 87

4.2.2 Nội lực phân bố đều cho toàn công trình 88

4.2.3 Nội lực tập trung cho công trình 93

4.2.4 Phương án giảm 5m chiều dài cọc 98

4.3.KẾT LUẬN 102

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

Hình 1.1 Toàn nhà Messeturn cao 256m được xây dựng năm 1988 tại Đức 5

Hình 1 2 Mô hình móng bè trên nền cọc 6

Hình 1.3 Mô hình móng kết cấu công trình trên móng bè trên nền cọc 6

Hình 1.4 Hiệu ứng tương tác giữa đất – cấu trúc trong móng bè cọc (Katzenbach et al., 2000) 7

Hình 1.5 Cọc bố trí làm giảm độ lún của nền (theo Randolph, 1994) 8

Hình 1.6 Mô hình cọc – đất 12

Hình 1.7 Đường cong P-Y và T-Z của đất 13

Hình 1.8 Biểu đồ quan hệ tải trọng- độ lún các quan điểm thiết kế 14

Hình1.9 Tòa nhà Messe- Torhaus với phướng án móng bè cọc 15

Hình1.10 Sự phân bố tải trọng và sự làm việc của cọc 15

Hình1.11 Phân biệt móng bè,móng bè cọc và móng cọc ( Kittyodom et al 2002) 17

Hình 2.1 Mô phỏng cọc và nền 21

Hình 2.2 Phương pháp dãy móng trên nền lò xo theo Poulos (1991) 23

Hình2.3 Bố trí cọc giảm lún và tính toán móng bè điều chỉnh (Poulos, 2011) 28

Hình 2.4 Đường cong Tải – Lún tính toán cho móng bè (Poulos, 2001) 29

Hình 2.5 Mô tả đơn giản về bè cọc đơn vị 30

Hình 2.6 Quan hệ giữa độ lún và tải trọng 32

Hình 2.7 Mô hình MBC có đầu cọc liên kết với bè 34

Hình 2.8 Khối lượng mô phỏng kết cấu phần thân 36

Hình 2.9 Thiết bị thí nghiệm ly tâm, có bán kính 9m tại trường đại học California 38

Hình 2.10 Ứng suất quán tính trong mô hình ly tâm phát sinh do việc quay xung quanh trục cố định trong tương quan với ứng suất trọng trường của nguyên mẫu 39

Hình 2.11 Các loại mô hình móng trong thí nghiệm ly tâm Nakai et al (2004) 39

Hình 2.12 Bài toán móng bè cọc do Poulos đặt ra năm 1994 41

Hình 2.13 Biểu đồ so sánh độ lún trung bình móng bè cọc giữa các phương pháp 42

Hình 3.2 Mô hình trên nền đàn hồi 47

Hình 3.3 Biểu đồ xác định hệ số IF 50

Hình 3.4 Công trình German House 57

Hình 3.5 Thi công tầng hầm công trình German House 58

Hình 3.6 Mô hình Etab công trình German House 60

Hình 3.7 Mặt bằng bố trí cọc và giằng móng 61

Hình 3.8 Mô hình bè cọc làm việc trên nền đàn hồi 70

Hình 3.9 Khai báo giá trị đầu vào phần mền SAFE 71

Hình 3.10 Chuyển vị lớn nhất trong bè của bè 72

Hình 3.11 Biểu đồ Moment lớn nhất dưới đáy bè 72

Hình 3.12 Biểu đồ lực cắt lớn dưới đáy bè 73

Hình 3.13 Giá trị phản lực tại các đầu cọc và đất nền 73

Hình 3.14 Biểu đồ chênh lệch sức chịu tải của cọc 75

Hình 3.15 Biểu đồ phản lực của đất nền 75

Hình 3.16 Biểu đồ hệ số phần phối tải trọng 76

Hình 4.1 Xác định E và v từ thí nhiệm nén đơn 80

Hình 4.2 Xác định E 0 và E 50 từ thí nghiệm 3 trục thoát nước C-D 81

Hình 4.3 Xác định Eoed thí nghiệm nén cố kết 81

Hình 4.4 Mặt cắt địa chất 84

Hình 4.5 Mặt bằng bố trí cọc 87

Hình 4.6 Mô hình Plaxis 3D Foundation 87

Hình 4.7 Tải phân bố đều lực dọc trục của cọc giữa và biên mô hình H-S 90

Hình 4.8 Tải phân bố đều lực dọc trục của cọc giữa và biên mô hình M-C 90

Hình 4.9 Tải phân bố đều Momen trong bè theo mô hình H-S 91

Hình 4.10 Tải phân bố đều Momen trong bè theo mô hình M-C 91

Hình 4.11 Tải tập trung Momen trong bè theo mô hình H-S 95

Hình 4.12 Tải tập trung Momen trong bè theo mô hình M-C 95

Hình 4.15 Giảm 5m chiều dài cọc Momen trong bè theo mô hình H-S 101

Hình 4.16 Giảm 5m chiều dài cọc Momen trong bè theo mô hình M-C 101

Hình 4.17 Biểu đồ tỉ lệ % đất nền chịu tải trọng công trình 102

Hình 4.18 Biểu đồ độ lún của công trình 103

Bảng 1.1 Phương pháp lựa chọn quy trình thiết kế móng bè cọc của Franke et all

(2000) 16

Bảng 1.2 Tỷ lệ tải trọng do cọc chịu và nền chịu ở một số công trình nước ngoài 18

Bảng 2.1 Các đặc trưng hình học và cơ học của mô hình và nguyên mẫu 36

Bảng 2.2 Các đặc trưng của mô hình và nguyên mẫu 40

Bảng 3.1 Bảng tra hệ số K theo đặc trưng đất nền theo phương pháp thiết kế và tính toán móng nông 51

Bảng 3.2 Hệ số K theo Phương pháp J.E BOWLES 52

Bảng 3.3 Hệ số K theo sách móng cọc PGT.TS Võ Phán 52

Bảng 3.4 Bảng tra giá trị µ theo Vesic 53

Bảng 3.5 Bảng tra các giá trị Nc; Nq; Nγ theo Terzaghi 54

Bảng 3.6 - Bảng tra các giá trị z ; x ;  56

Bảng 3.7 Tổng hợp kết quả sứ chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT 67

Bảng 3.8 Bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc 74

Bảng 4.1 Module biến dạng một số loại đất theo nghiên cứu của giáo sư M.Das 82

Bảng 4.2 Tổng hợp địa chất 86

Bảng 4.3 Tải phân bố đều bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình H-S 92

Bảng 4.4 Tải phân bố đều bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình M-C 92 Bảng 4.5 Tải tập trung bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình H-S 97

Bảng 4.6 Tải tập trung bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình M-C 97

Bảng 4.7 Giảm chiền dài cọc 5m bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình M-C 100

Bảng 4.8 Giảm chiền dài cọc 5m bảng tổng hợp giá trị phản lực đầu cọc theo mô hình M-C 100

Mở đầu

1 TÍNH THỰC TIỂN VÀ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, ở Việt Nam móng bè cọc đã trở nên phổ biến và được ứng nhiều trong các công trình dân dụng, công nghiệp Công trình nhà cao tầng tại các đô thị lớn thường sử dụng móng bè và tầng hầm để mở rộng diện tíc sử dụng bên cạnh việc đảm bảo khả năng chịu lực an toàn trong quá trình thi công và sử dụng, các công trình được thiết kế và tính toán sao cho đạt được tính hiệu quả về kinh tế nhất Giải pháp móng bè trên nền cọc cho các công trình cao tầng là một trong những phương án móng được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới nhờ tận dụng khả năng làm việc đồng thời giữa cọc và phần đất dưới đáy bè Hiện tại, về quan niệm tính toán móng bè trên nền cọc ở Việt Nam đơn giản là hệ cọc chịu (xem như cọc chịu hoàn toàn tải của công trình, bè là bảng đế móng liên kết và phân bố tải công trình lên đầu cọc) Các quan niệm này có thuận lợi là các bước tính toán áp dụng các lý thuyết kết cấu thông dụng, đơn giản nhưng không phản ánh sát với điều kiện làm việc thực tế của công trình, không tận dụng hết khả năng chịu lực của kết cấu cũng như của đất nền Kết quả là sử dụng vật liệu nhiều hơn so với các phương án móng khác, gây lãng phí rất lớn cho công trình

Xuất phát từ yêu cầu thực tế nêu trên, học viên thực hiện đề tài “Phân tích sự

phân phối tải trọng giữa cọc và đài trong kết cấu móng bè cọc” nhằm nghiên cứu và

làm rõ vai trò cũng như khả năng đóng góp vào quá trình làm việc của các thành phần bao gồm phần đất dưới đáy bè và các cọc trong hệ móng cọc đài bè Cụ thể là tiến hành phân tích các ứng xử trong bè và cọc trong quá trình làm việc của hệ móng bè trên nền cọc nhồi Qua đó đề xuất quan điểm tính toán hợp lý trong quá trình thiết kế và xây dựng công trình nhà cao tầng

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Các mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài “Phân tích sự phân phối tải trọng

giữa cọc và đài trong kết cấu móng bè cọc” bao gồm:

Mục tiêu của đề tài này là phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số phân bố tải trọng và độ lún của móng bè cọc nhà cao tầng Để dạt được mục tiêu nghiên cứu trên trên, thì các vấn đề sau đây cần được xem xét:

- Nghiên cứu các phương pháp giải tích, phương pháp tính toán trên nên Winkler và so sánh với phương pháp phần tử hữu hạn (FEM 3D)

- Mô phỏng một công trình thực tế

- Phân tích khả năng tối ưu hóa thiết kế nhằm đạt hiệu quả cao nhất về kinh tế bằng cách giảm chiều dài cọc

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu nêu trên, học viên lựa chọn các phương pháp nghiên cứu sau:

Tính toán theo các phương pháp giải tích

Tính toán phân tích theo phương pháp mô hình Winkler với sự hỗ trợ của phần mền SAFE để mô phỏng trên để so sánh với kết quả thực nghiệm để lựa chọn phương pháp mô phỏng hợp lý vào việc mô hình hóa và tính toán công trình

Tính toán phương pháp phần tử hữu hạn với sự hổ trợ của phần mềm Plaxis 3D Foundation, sử dụng để phân tích và tính toán các ứng xử trong kết cấu móng bè cọc Dùng chương trình Plaxis 3D Foundation để phân tích các ảnh hưởng đến ứng xử lún

và việc phân phối tải trọng của kết cấu móng bè cọc

Áp dụng một công trình cụ thể trên đia bàn thành phố Hồ Chí Minh

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC

Từ kết quả nghiên cứu có thể giúp các đơn vị tư vấn thiết kế có phương án thiết

kế móng hiệu quả và kinh tế nhất cho một khu vực ở thành phố Hồ Chí Minh Cụ thể đối với công trình kết cấu móng bè cọc, kết quả nghiên cứu giúp hạn chế số lượng cọc đáng kể so với các quan niệm tính toán cũ trước đây, làm tăng hiệu quả kinh tế trong thiết kế xây dựng

Kết quả nghiên cứu của đề tài “Phân tích sự phân phối tải trọng giữa cọc và

đài trong kết cấu móng bè cọc” giúp ta có thêm cơ sở lý thuyết cũng như cách nhìn

toàn diện hơn về khả năng ứng xử trong móng cọc đài bè, từ đó làm cơ sở lựa chọn kết cấu bè - cọc phù hợp trong quá trình lựa chọn phương án thiết kế nền móng cho một dự án cụ thể

5 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đối với các kết quả thu nhận được từ các tính toán mô phỏng, mức độ chính xác

từ việc tính toán còn phụ thuộc vào các yếu tố khách quan và sự chủ quan của con người cũng như thiết bị thí nghiệm… mà trong đó yêu cầu cao nhất là các thông số đầu vào của các bài toán Mặt khác, Luận văn sử dụng địa chất ở Quận 1 để phân tích và tính toán các ứng xử trong kết cấu móng bè cọc Do chỉ sử dụng địa chất tại khu vực Quận 1, Thành Phố Hồ Chí Minh để áp dụng cho một công trình cụ thể cũng là một yếu tố hạn chế Các khu vực Quận khác cần các nghiên cứu thêm của các nhà nghiên cứu khác

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 MỐT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ MÓNG BÈ CỌC

Móng bè cọc đã được sử dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng bởi cả hai tính năng chịu lực và giảm độ lún của móng được cải thiện đáng kể so với móng cọc thông thường Katzenbach et al (2000) cho thấy nhiều ưu điểm của bè cọc và đưa

ra một số ví dụ về các ứng dụng của bè cọc trên đất sét cứng Hiệu quả kinh tế của móng bè cọc cũng được trình bày bởi Randolph (1994), bên cạnh bộ phận chính là các cọc, thì bè có khả năng đóng góp một cách đáng kể khả năng chịu tải trọng của công trình Rõ ràng các cọc phải được thiết kế sao cho khả năng chịu lực của nó là hoàn toàn huy động được khi tải làm việc

Có nhiều phương pháp được đề xuất để phân tích móng cọc đài bè Burland (1995) đề xuất một phương pháp tính đơn giản khi thiết kế móng bè trên nền cọc, trong đó các cọc được thiết kế để hoạt động như giảm độ lún (lưu ý rằng phương pháp này chỉ phù hợp với cọc ma sát trong đất sét) Horikoshi et al (1999) phát triển một phương pháp để tính toán giải quyết tổng thể của móng cọc đài

bè Và những nghiên cứu thêm của Poulos (2000) và Poulos (2001a, 2001b) với việc áp dụng phương trình Midlin của bán không gian đàn hồi vào bài toán bè cọc và những thử nghiệm thực tế để phân tích ngược lại bài toán Phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều (3D-FEM) được áp dụng cho dự đoán của các ứng xử của bè cọc bởi Reul et al (2003, 2004), Lisa J Novak et al (2005), Ningombam Thoiba Singh et al (2008), Phongpat Kitpayuck (2009) và JinHyung Lee et al (2010) Máy gia tốc ly tâm được

áp dụng thử nghiệm cho dự đoán của các ứng xử của hệ bè cọc được đề xuất bởi Horikoshi et al (1996, 1998), Conte et al (2003) và Vincenzo Fioravante et al (2008)

Hình 1.1 – Toàn nhà Messeturn cao 256m được xây dựng năm 1988 tại Đức

Đề tài “ Phân tích và tính toán các ứng xử trong móng cọc đài bè ” tiếp tục

hướng nghiên cứu bằng các phương pháp giải tích kết hợp sự hổ trợ của phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 3D Foundation được sử dụng để phân tích và tính toán các ứng

xử trong móng cọc đài bè Qua đó giúp đọc giả có được cái nhìn cụ thể hơn, rõ ràng hơn và tổng quát hơn về phương án móng bè trên nền cọc, qua đó ứng dụng rộng rãi trong việc lựa chọn phương án móng hợp lý tính toán các công trình nhà cao tầng

do lực tập trung tại chân cột, chân vách, hay do phản lực cọc Để điều chỉnh lún không đều có thể làm bè với chiều dày thay đổi

Hình 1.2 - Mô hình móng bè trên nền cọc

Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất tốt dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức kháng bên Có thể bố trí cọc trong đài thành nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lối hay bố trí bất kỳ tuỳ thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm điều chỉnh lún không đều, giảm áp lực lên nền ở đáy bè hay giảm nội lực trong bè Cọc thể thể sử dụng là cọc ép chế tạo sằn hoắc khoan nhồi…

Hình 1.3 - Mô hình móng kết cấu công trình trên móng bè trên nền cọc

Móng bè cọc là một giải pháp nền móng để giảm thiểu độ lún cũng như lún lệch, tận dụng được khả năng chịu tải của đất nền bên dưới móng bè và làm giảm thiểu moment uốn trong bè Tính chất nổi bật nhất của móng bè cọc là ảnh hưởng tương hỗ giữa đất

và kết cấu móng, được cân đối trong thiết kế khi có một phần tải trọng truyền xuống đất nền thông qua bè và phần còn lại thông qua cọc Katzenbach (2000) đã xác định đươc 4 loại tương tác trong ứng xử của móng bè cọc như sau:

Hình 1.4: Hiệu ứng tương tác giữa đất – cấu trúc trong móng bè cọc (Katzenbach et

al., 2000)

Trong đó :

qt = ứng suất tác dụng Qp = tải truyền đến cọc qr = áp lực truyền lên đất

(S-P) Tươnng tác giữa đất và cọc (S-R) Tương tác giữa đất và bè

(P-R) Tương tác giữa cọc và bè (P-P) Tương tác giữa cọc và cọc

1.2.2 Ưu điểm của móng bè cọc

Móng bè trên nền cọc có rất nhiều ưu điểm so với các loại móng khác, sở dĩ phải làm móng bè - cọc vì trường hợp đất yếu rất dày, bố trí cọc theo đài đơn hay băng cọc không đủ Cần phải bố trí cọc trên toàn bộ diện tích xây dựng mới mang đủ tải trọng của công trình, làm tăng khả năng chịu tải và giảm lún cho công trình Hơn nữa móng cọc đài bè sẽ làm tăng độ cứng tổng thể của nền móng bù đắp lại sự yếu kém của nền đất

Cải thiện đươc điều kiện làm việc của móng nông nhờ giảm độ lún cũng như lún lệch Cọc đóng vai trò như bộ phận giảm lún Ngoái ra còn giảm được ứng suất cũng như moment nội lực trong móng bè nhớ vào sự sắp xếp hợp lý của các cọc, phát huy vài trò chịu lực của phần bè Khi bố trí cọc hợp lí thể chịu tải lệch tâm từ công trình bên trên

Hình 1.5: Cọc bố trí làm giảm độ lún của nền (theo Randolph, 1994.)

Trong việc đánh giá về tính tiện ích của việc sử dụng móng cọc đài bè, trước tiên cần phải đánh giá ước lượng qua quy phạm kỹ thuật khả năng mang tải đứng, tải

ngang, giá trị độ lún tổng và độ lún lệch của móng bè độc lập không bố trí thêm cọc Theo Burland 1995, Randolph 1994, nếu đánh giá riêng móng bè chỉ có khả năng mang tải đạt yêu cầu mức độ nhỏ, giống như chỉ thiết kế móng bè lý thuyết qui phạm, còn cọc được tính toán chịu hầu hết tải trọng công trình Như vậy nhiệm vụ đơn thuần của

bè chỉ tác dụng giảm bớt một phần rất nhỏ khả năng chịu tải cho cọc Song nếu đánh giá chỉ riêng bè đã vừa đủ hoặc thừa đủ khả năng mang tải, nhưng không thỏa mãn độ lún tổng hoặc độ lún lệch cho phép, như vậy khả năng phải xem xét việc bố trí thêm cọc để cọc giữ vai trò giảm bớt lún cho bè

1.3 CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN MÓNG BÈ-CỌC

1.3.1 Nguyên lý thiết kế móng bè cọc

Trong thiết kế móng bè cọc, có các vấn đề cần thiết được quan tâm :

• Điều kiện địa chất địa hình, thủy văn

• Sức chịu tải cực hạn khi chịu tải đứng, tải ngang và moment tác dụng lên móng

• Độ lún tối đa

• Độ lún lệch

• Khả năng chống xuyên thủng của mỏng bè móng

• Đánh giá các giá trị moment, lực cắt của bè để thiết kế bè móng

• Đánh giá các giá trị moment, sức chịu tải của cọc để thiết kế cọc

• Chọn tiết diện bè và cọc phù hợp hiểu quả kinh tế

1.3.2 Quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn

Quan niệm này toàn bộ tải trọng công trình do các cọc tiếp nhận Đóng góp của phần đất dưới đáy bè thường bị bỏ qua, kể cả khi đáy đài tiếp xúc với đất nền tốt Theo quan niệm này, các cọc được thiết kế như một nhóm cọc để tiếp nhận hoàn toàn tải trọng của công trình mà không kể đến sự tham gia chịu tải của nền đất xung quanh dưới đáy bè Trong tính toán, hệ móng bè còn được tính như móng cọc đài thấp với nhiều giả thuyết gần đúng như:

- Cọc trong nhóm cọc làm việc như cọc đơn và chịu toàn bộ tải trọng tiếp nhận từ đài móng

- Đài móng tuyệt đối cứng, ngàm cứng với các cọc và chỉ truyền tải trọng lên các cọc Do đó, cọc chỉ có chịu kéo hoặc chịu kéo

- Tải trọng ngang do nền đất trên đáy đài tiếp nhận

- Khi tính toán tổng thể móng cọc thì xem hệ móng là một khối móng quy ước

Với quan điểm này phù hợp khi thiết kế những nhóm cọc có kích thước đáy đài không đáng kể so với chiều dài cọc Vì khi ấy vùng ứng suất tăng thêm trong nền do áp lực đáy đài gây ra nhỏ, ít ảnh hưởng đến sự làm việc của các cọc Tuy nhiên, nếu bỏ qua sự làm việc của bè khi thiết kế móng cọc đài bè (có kích thước đáy đài đáng kể so với chiều dài cọc) sẽ dẫn đến sự mô tả không đúng sự phân phối tải trọng lên các cọc

và độ lún của móng

Tính toán theo quan điểm này có ưu điểm là đơn giản, thiên về an toàn và được hướng dẫn chi tiết trong các tài liệu về nền móng công trình hiện nay Độ lún của móng tính theo phương pháp này cho kết quả lớn, vì thế sử dụng nhiều cọc và có thường có

hệ số an toàn cao, chưa phát huy được hết sức chịu tải của cọc Như vậy, ta thấy đây là quan điểm thiết kế rất thiên về an toàn, nhưng chưa phát hết vai trò và khả năng làm việc của cọc

Nhận xét: Quan điểm tính toán này phù hợp cho những kết cấu móng cọc có

chiều dày đài lớn kích thước đài nhỏ, hoặc nền đất dưới đáy đài yếu, có tính biến dạng lớn Khi đó, ta có thể bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy đài và xem toàn bộ tải trọng công trình do cọc chịu

1.3.2 Quan điểm bè chịu tải hoàn toàn

Bè được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng lên móng Các cọc chỉ tiếp nhận một phần nhỏ của tổng tải trọng, được bố trí hợp lý với mục đích chính là gia cố nền giảm

độ lún lệch cho công trình Theo quan điểm này thiết kế chỉ sử dụng móng bè để chịu tải trọng công trình mà không thỏa mãn yêu cầu bền vững hoặc biến dạng đất nền lún nhiều hoặc lún chênh lệch quá lớn, thì đòi hỏi thiết kế phải bố trí tăng cường thêm cọc

để giảm lún cho móng bè Để tận dụng khả năng mang tải móng bè với độ lún tổng và

độ lún lệch đạt đến giới hạn thì tại vị trí móng bè bị lún quá giới hạn phải bố trí thêm cọc với số lượng giới hạn tối thiểu

Nhận xét: Quan điểm này phù hợp với những công trình không lớn lắm đặt

trên nền đất yếu có chiều dày không lớn lắm Theo quan điểm này thì cọc chỉ có tác dụng là gia cô nền để giảm lún lệch ngoài ra sự liên kết giữa đài và cọc ko được xét đến

1.3.3 Quan điểm bè - cọc đồng thời chịu tải

Quan điểm này, hệ kết cấu móng bè - cọc đồng thời làm việc với đất nền theo một thể thống nhất, xét đến đầy đủ sự phân bố giữa các yếu tố đất - bè -cọc Ở đây, các cọc ngoài tác dụng giảm lún cho công trình, còn phát huy hết được khả năng chịu tải,

do đó cần ít cọc hơn, chiều dài cọc nhỏ hơn Khi cọc đã phát huy hết khả năng chịu tải, thì một phần tải trọng còn lại sẽ do phần đất bên dưới bè (xung quanh cọc) gánh chịu

và làm việc như móng bè trên nền thiên nhiên

Trong quan điểm này, độ lún của công trình thường lớn hơn so với quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn nhưng về tổng thể, nó vẫn đảm bảo nằm trong quy định với một

hệ số an toàn hợp lý, do đó quan điểm tính toán này cho hiệu quả kinh tế tốt hơn so với quan điểm đầu Tuy nhiên, quá trình tính toán cần sử dụng các mô hình phức tạp hơn,

do đó hiện nay quan điểm này chưa được phổ biến rộng rãi

Randolph (1994) đã đưa ra ba lý thuyết thiết kế khác nhau đối với móng bè trên nền cọc như sau:

- Phương pháp đơn giản: cọc được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng, trong khi

bè tham gia hổ trợ để đạt sức chịu tải cực hạn

- Phương pháp “creep piling”: cọc được thiết kế hoạt động khi từ biến xảy ra đáng kể, thường là khoảng 70 - 80% sức chịu tải cực hạn, cọc làm giảm sự tương tác giữa bè và đất dưới áp lực tiền cố kết

- Kiểm soát độ lún lệch: cọc được thiết kế để làm giảm độ lún lệch trong bè chứ không có tác dụng giảm độ lún tổng của công trình

Khi cọc chịu tải, dưới tác dụng của tải trọng

đứng (kéo hoặc nén), nền đất sẽ tương tác với cọc

qua những gối đàn hồi theo phương đứng Quan hệ

giữa phản lực (ký hiệu là t ) và chuyển vị đứng của

các gối (ký hiệu là z) là t = kz.z, với kz là độ cứng

của gối đàn hồi theo phương đứng Biểu đồ quan

hệ giữa t và z gọi là đường cong t-z

Dưới tải trọng ngang, nền đất sẽ tương tác

với cọc qua những gối đàn hồi theo phương ngang

Quan hệ giữa phản lực (ký hiệu là y) và chuyển vị

ngang của các gối đàn hồi (ký hiệu là y) là p =

ky.y, với ky là độ cứng của gối đàn hồi theo phương

ngang Biều đồ quan hệ giữa p và y gọi là đường

cong p-y

Như vậy, phương pháp này sử dụng

phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình nền

Winkler Trong phương pháp này, người ta chia

cọc thành nhiều phần tử, trên mỗi đoạn, tương tác giữa cọc với đất được mô tả bằng các gối đàn hồi

Do khối lượng tính toán rất lớn, ta cần phải sử dụng máy tính để giải bài toán trên thông qua các phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Đường cong P-Y và đường cong T-Z : Hình dạng và độ dốc của đường cong không những phụ thuộc vào tính chất của đất, mà còn phụ thuộc vào độ sâu đoạn cọc đang xét, kích thước cọc, mực nước ngầm và dạng tải trọng (tĩnh hay động)

Hình 1-7: Đường cong P-Y và T-Z của đất

a) Đường cong P-Y của đất sét yếu chịu tải trọng tĩnh

b) Đường cong T-Z của đất sét yếu chịu tải trọng tĩnh

Nhận xét : Qua các phân tích ở trên, ta thấy móng bè – cọc là một hệ móng rất

phức tạp, sự làm việc của móng phụ thuộc vào sự tương tác giữa các thành phần : cọc - đất – bè, chỉ cần một trong các thành phần này thay đổi, sự làm việc của móng đã lập tức thay đổi theo Trên thực tế, các thông số đặc trưng cho các thành thần này, đặc biệt

là số liệu đất nền, không phải là một giá trị cố định mà có tính chất ngẫu nhiên, phân tán Do đó, để kết quả tính chính xác, ta cần xét đến tính chất ngẫu nhiên của các giá trị này trong tính toán kết cấu

Nhận xét:

Quan điểm cọc chiu tải hoàn toàn thiên về an toàn, nhưng không phát huy hết khả năng làm việc của cọc, chi phí cho quan điểm thiết kế này cao nên áp dụng khi công trình có yêu cầu cao về khống chế độ lún Quan điểm bè chiu tải hoan toàn, móng

bè trên nền thiên nhiên là phương án phổ biến trong xây dựng các công trình ở Việt Nam nhưng độ lún của bè là rất lớn và thường nền đất không đủ sức chịu tải với công trình có tải trọng lớn và địa chất yếu Quan điểm bè – cọc đồng thơi chịu tải, dung hòa được các ưu, nhược điểm của hai quan điểm trên, nên trường hợp công trình không có yêu cầu quá cao về độ lún, có thể sử dụng để tăng tính kinh tế

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ tải trọng- độ lún các quan điểm thiết kế

1.3.4 Quan điểm thiết kế móng bè cọc của các chuyên gia:

Theo Poulos (2001), tác giả có 3 quan điểm thiết kế như sau:

Quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn: Ở tải trọng làm việc, cọc chỉ chịu tải trọng từ 35% đến 50% sức chịu tải cực hạn (hệ số an toàn SCT từ 2 đến 3), quan hệ tải trọng độ lún của cọc vẫn là tuyến tính Gần như toàn bộ tải trọng tác dụng lên móng đều do cọc tiếp nhận Phần bè chỉ tiếp nhận phần tải trọng rất nhỏ, phân phối lên nền đất bên dưới đáy

bè

Quan điểm bè chịu tải hoàn toàn: Phần bè được thiết kế tiếp nhận một phần đáng kể tải trọng lên móng, phần còn lại do các cọc chịu Ở tải trọng làm việc, sức chịu tải của cọc được huy động từ 70% đến 100% (hệ số an toàn SCT từ 1 đến 1,5), quan hệ tải trọng-

độ lún của cọc là quan hệ phi tuyến do cọc có chuyển dịch tương đối so với đất nền Số lượng cọc được bố trí đủ nhằm giảm áp lực tiếp xúc thực giữa bè và đất nền xuống nhỏ hơn áp lực tiền cố kết của đất Cọc được sử dụng với mục đích làm giảm độ lún trung bình của bè

- Quan điểm bè- cọc đồng thời chịu tải: Cọc được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng lên móng, bè chỉ tiếp nhận một phần nhỏ của tổng tải trọng, các cọc được bố trí hợp lý với mục đích chính là giảm độ lún lệch (chứ không phải độ lún trung bình như ở quan điểm thiết kế bè chịu tải hoàng toàn)

Theo De Sanctis et al (2001) và Viggiani (2001), tác giả có 2 quan điểm sau:

- Móng bè cọc "nhỏ", lý do chính thêm vào các cọc nhằm làm tăng hệ số an toàn (điều này thường liên quan đến các bè có bề rộng dao động từ 5m đến 15m)

- Móng bè cọc "lớn" có đủ khả năng chịu tải trọng tác dụng với một biên độ an toàn hợp lý, nhưng cọc được yêu cầu để giảm độ lún và độ lún lệch Trong trường hợp này

bề rộng của bè phải lớn khi so sánh với chiều dài của cọc (thông thường chiều rộng bố trí cọc vượt quá chiều dài cọc)

Hình 1.9 : Tòa nhà Messe- Torhaus với phướng án móng bè cọc

Hình 1.10: Sự phân bố tải trọng và sự làm việc của cọc

1.3.5 Quy trình lựa chọn móng cọc bè trong giai đoạn thiết kế:

Bảng 1.1: Phương pháp lựa chọn quy trình thiết kế móng bè cọc của Franke et all

(2000)

1.3.6 Hệ số phân bố tải trọng αPR trong thiết kế:

Bè móng tiếp nhận tải trọng từ kết cấu bên trên, sau đó phân phối xuống cọc và đất nền Trong quá trình này, bè móng biến dạng đồng thời với kết cấu bên trên và hệ thống cọc-đất bên dưới

Hệ số αPR được định nghĩa là tỉ lệ tổng tải trọng cọc chiu ΣRpi trên tổng tải trọng mà hệ thống bè và cọc cùng chiu Rt

số αPR này phụ thuộc vào số lượng cọc

Việc xác định chính xác tải trọng do cọc chịu và do nền chịu là vấn đề khó khăn

Để đơn giản hóa vấn đề, ta có thể áp dụng phương pháp cộng tác dụng thông qua giả thiết các phần tử của hệ thống nền và móng ứng xử theo quy luật đàn hồi

Tham khảo sự phân bố tải trọng các công trình thực tế:

Tác giả Phùng Đức Long (2011) đã thống kê 13 công trình cao tầng trên thế giới cho thấy sự phân phối tải trọng tác dụng lên cọc và đất nền theo tỷ lệ cọc / nền thay đổi như bảng sau:

Bảng 1.2: Tỷ lệ tải trọng do cọc chịu và nền chịu ở một số công trình nước ngoài:

(mm Cao (m) Số tầng Do cọc Do đất

Ghi Chú : N/A không có thông tin

• Phương án móng bè cọc kết hợp là phương án kinh tế hơn hẳn phương án móng cọc thuần túy vì phương án này có sự kết hợp làm việc giữa cọc và đất nền Sẽ là rất lãng phí nếu ta không xét đến sự làm việc của phần bè trong móng bè cọc

• Qua thực tế cho thấy, sức chịu tải của nền có thể chiếm từ 20-50% sức chịu tải của hệ bè-cọc, đặc biệt là các công trình có nhiều tầng ngầm nằm sâu phía trên nền đất tốt Tuy nhiên, nếu tồn tại lớp đất yếu ở mặt tiếp xúc với đáy bè thì bè không tham gia chịu lực, khi đó chuyển thành phương án móng cọc cổ điển (100% cọc chịu)

• Móng bè cọc làm hạ thấp trọng tâm của nhà cao tầng và giúp cân bằng với áp lực nước đẩy nổi nơi có mực nước ngầm cao

• Ngoài ra móng bè còn giúp giảm lún lệch, chịu tải ngang Hệ bè - cọc còn có khả năng kháng chấn hơn hẳn các hệ thống móng khác Như vậy móng bè cọc nếu sử dụng phương pháp tính toán hợp lý sẽ là một hệ thống móng ưu việt không chỉ ở tính kinh tế

mà còn có tính ổn định cao

• Điều kiện địa chất ở nhiều khu vực trung tâm TP.Hồ Chí Minh rất thuận lợi để áp dụng giải pháp móng bè cọc này

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÓNG BÈ CỌC

Có nhiều phương pháp đã được nêu ra để dự đoán ứng xử trong móng bè cọc Năm

1997, Poulos chia các phương pháp phân tích thành ba nhóm chính sau:

- Nhóm 1: Phương pháp tính toán đơn giản

- Nhóm 2 : Phướng pháp tính toán gấn đúng dựa vào máy tính

- Nhóm 3 : Phương pháp tính toán chính xác dựa vào máy tính

(1980), Randolph (1983,1994), van Impe và Clerq (1995), và Burland (1995)

- Phương pháp dải móng trên lò xo trong đó bè được đại diện bởi các dải móng và cọc được đại diện là các lò xo ( như Poulos, 1991)

- Phương pháp tấm trên lò xo (plate on springs) trong đó bè được dại diện bởi tấm còn cọc là các lò xo (như là của Clancy and Randolph, 1993; Poulos, 1994; Viggiani, 1998)

- Phương pháp do Randolph đề nghị

- Phương pháp do Clancy và Randolph đề nghị

- Phương pháp chính xác hơn bao gồm:

- Phương pháp phần tử biên (như là của Butterfield and Banerjee, 1971; Brown and Wiesner, 1975; Kuwabara, 1989; Sinha, 1997; Mendonça, A V và de Paiva, J B (2000)

- Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn như bài toán biến dạng phẳng

(Desai,1974 ) hoặc đối xứng trục (Hooper, 1973) và ứng dụng phần mềm FLAC 2D (như là Hewitt and Gue, 1994); Zhuang và các cộng sự, 1991; Lee, 1993; Katzenbach

và các cộng sự, 1998) kết hợp với phần mềm FLAC 3D; Chow và Teh, 1991; Katzenbach và Reul, 1997; Prakoso và Kulhawy,2001, Reul và Randolph, 2003

- Phương pháp kết hợp giữa phần tử biên cho cọc và phần tử hữu hạn cho bè (như là của Hain and Lee, 1978; Ta and Small, 1996; Franke và các cộng sự, 2000; Mendonça,

A V và de Paiva, J B., 2003…)

- Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp phần tử lớp như công trình nghiên cứu của Ta

và Small, 1996, Small và Booker, 1984, 1986

2.1.1 Các phương pháp số gần đúng

2.1.1.1 Phương pháp Randolph (1983)

Randolph (1983) giới thiệu một phương pháp ma trận dẻo được dùng để tính toán độ cứng tổng thể của bè cọc bằng việc kết hợp các độ cứng đơn vị của từng đơn nguyên bè cọc đơn

2.1.1.2 Phương pháp Clancy & Randolph (1993)

Clancy & Randolph (1993) kết hợp phần tử hữu hạn và lời giải tích phân để phân tích bài toán trong đó bè được mô phỏng là một bản mỏng hai phương, còn cọc được mô phỏng là các thanh một phương đồng thời ứng xử của đất nền được tính toán bằng lời giải tích phân

2.1.1.3 Bản móng trên nền lò xo (GARP)

Hình 2.1:Mô phỏng cọc và nền

Với phương pháp này, bè được mô phỏng là bản đàn hồi, còn cọc được mô phỏng là các lò xo gánh đỡ bản Phương pháp này đầu tiên được khởi xướng bởi Hongladaromp và các cộng sự (1973) với tương tác giữa cọc và cọc bị bỏ qua và giá trị

độ cứng bè cọc được lấy rất lớn Poulos (1994) phát triển phần mềm GARP (Geotechnical Analysis of Raft with Piles) áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn cho

bè có kể đến tất cả các tương tác trong móng bè cọc Điều này giúp cho cọc có thể đạt đến tải trọng cực hạn và bè có thể đạt đến phá hoại cục bộ Phần mềm GARP có khả năng kể đến các thông số sau trong phân tích móng bè cọc:

a Khai báo trụ địa chất không đồng nhất, nền nhiều lớp

b Giới hạn áp lực dưới bè bao gồm cả áp lực nén và kéo

c Ứng xử phi tuyến giữa tải trọng và độ lún của cọc, bao gồm khả năng chịu tải cực hạn về nén và kéo của cọc

d Độ cứng khác nhau và khả năng chịu tải khác nhau của các cọc

e Dễ dàng khai báo vị trí và số lượng cọc

f Tải trọng tác dụng gồm tải trọng tập trung, momen và tải trọng phân bố đều trên bản

g Ảnh hưởng chuyển vị thẳng đứng trong đất

Russo (1998) dùng phương pháp tương tự nhưng cọc và bè được mô phỏng lần lượt là các lò xo tuyến tính và phi tuyến Chuyển vị của nền đất được tính toán dựa theo lời giải Boussinesq Ứng xử phi tuyến của cọc được mô phỏng dựa trên giả thiết đường cong tải trọng - chuyển vị cho cọc đơn Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế

là chỉ cho phép nghiên cứu tương tác theo phương thẳng đứng giữa bè, cọc và đất nền

2.1.1.4 Dãy móng trên nền lò xo (GASP)

Phương pháp dãy trên nền lò xo được Poulos (1991) kiến nghị dùng để phân tích móng bè cọc Một phần của bè được mô phỏng như một dầm và cọc được mô phỏng là những lò xo như hình 2.2

Phương pháp này cho phép kể đến bốn thành phần tương tác trong móng bè cọc là: tương tác giữa các phần tử bè – bè, cọc – cọc, bè – cọc, cọc – bè, và ảnh hưởng của các phần tử bè bên ngoài dãy được phân tích và được tính vào trọng bài toán Phương pháp này được phát triển dựa vào phần mềm GASP (Geotechnical Analysis of Strip with Piles)

Hình 2.2: Phương pháp dãy móng trên nền lò xo theo Poulos (1991)

2.1.2 Các phương pháp tính toán chính xác

2.1.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong các phương pháp mạnh nhất để phân tích móng bè cọc Trong phương pháp này, cả kết cấu gồm bè cọc và nền đều được rời rạc hóa Khi đó số lượng phương trình cân bằng sẽ rất lớn, chỉ có thể tính toán dựa vào máy tính Một trong những phương pháp làm giảm sự phụ thuộc vào máy tính là chuyển bài toán không gian ba chiều thành bài toán đối xứng trục hoặc bài toán ứng suất phẳng

Ví dụ tính toán đầu tiên về móng bè cọc dùng phương pháp phần tử hữu hạn

được trình bày bởi Hooper (1973), với mô hình đối xứng trục dùng phần tử tám nút

Trong phương pháp này, độ cứng của nhóm cọc được ước lượng một cách gần đúng Nền đất được mô phỏng như một vật liệu đồng nhất đàn hồi tuyến tính với module tăng tuyến tính theo độ sâu Hooper dùng phương pháp này để phân tích móng bè cọc của công trình Hyde Park Barracks Năm 1975, Ottaviani ứng dụng phương pháp này để phân tích bè tuyệt đối cứng đặt trên nhóm cọc trong một không gian đồng nhất

Chow and Teh (1991) dùng phương pháp số phân tích ứng xử của móng bè cọc tuyệt đối cứng trên nền không đồng nhất Bè được rời rạc hóa thành các phần tử con hình vuông Tác giả xem bè tiếp xúc hoàn toàn với đất nền và mặt tiếp xúc giữa bè và nền được tính toán chính xác thông qua các vùng chia nhỏ hình vuông đó ( Chow, 1987a) Đất nền được mô phỏng là vật liệu tuyến tính đàn hồi đẳng hướng và module Young tăng tuyến tính theo độ sâu Cọc tiết diện hình tròn và được rời rạc thành hai phần tử nút tại mặt tiếp xúc giữa đất và cọc ( Chow, 1987b) Tương tác giữa bè, cọc và

đất nền được kể đến vào quá trình tính toán

Katzenbach and Reul (1997) dùng phương pháp phần tử hữu hạn để mô tả ứng

xử của đất thành vật liệu đàn dẻo Cọc được mô hình bằng phần tử ba chiều, còn bè

được mô phỏng bằng phần tử tấm Quan hệ ứng suất biến dạng của đất được mô phỏng

bằng mô hình nền bao gồm hai phần mặt dẻo chính: mặt áp lực phụ thuộc hoàn toàn

vào phá hoại cắt dẻo và mặt dẻo nắp chịu nén Katzenbach và các cộng sự (2000) dùng

mô hình tương tự thực hiện các nghiên cứu phân tích ứng xử của móng bè cọc tại đất sét Frankfurt Reul (1998) tinh chỉnh lại mô hình bằng cách dùng phân tử vô cùng tại biên để mô hình nền đất thành bán không gian đàn hồi

Prakoso and Kulhawy (2001) phân tích móng bè cọc bằng mô hình phần tử hữu hạn biến dạng phẳng phi tuyến và đàn hồi tuyến tính thông qua mô phỏng móng bè cọc

ba chiều thành móng bè hai chiều Phân tích này dựa trên phần mềm Plaxis version 6.1

và phần tử tam giác sáu nút được dùng để mô phỏng móng bè cọc và đất nền Các dãy cọc trong bè được tính gộp thành các cọc tương đương biến dạng phẳng với module Young tương đương Eep được tính toán phụ thuộc vào số lượng cọc trong dãy, kích thước cọc và kích thước bè:

ow

p r i p p eq

- Ep: module Young của cọc

- Lr: chiều dài của bè

- Dp: đường kính cọc

Reul and Randolph (2003) - với sự trợ giúp của phần mềm ABAQUS - giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn đàn dẻo ba chiều để phân tích móng bè cọc trên nền đất sét quá cố kết – đất sét Frankfurt

2.1.2.2 Phương pháp phần tử biên (BEM)

Phương pháp phần tử biên là phương pháp mà sự rời rạc chỉ xảy ra trên biên của kết cấu Vì chỉ có biên của kết cấu bị rời rạt hóa nên số lượng phương trình cân bằng ít

hơn phương pháp phần tử hữu hạn Ứng suất và chuyển vị có thể tìm được từ việc giải

hệ các phương trình cân bằng Là một phương pháp cung cấp lời giải trực tiếp và chính xác, đồng thời yêu cầu dung lượng bộ nhớ máy tính nhỏ, BEM thường được sử dụng

để phân tích các nhóm cọc lớn

Butterfield, R và Banerjee, P K (1971) dùng phương pháp phần tử biên để phân tích ứng xử của nhóm cọc trong bán không gian đàn hồi lý tưởng được liên kết với bè tuyệt đối cứng Tác giả dùng lời giải Mindlin để mô tả ứng xử của các tương tác trong móng bè cọc

Brown, P T và Wiesner, T J (1975) dùng phương pháp phần tử biên để phân tích móng băng trên nền cọc trong môi trường bán không gian đàn hồi đồng nhất đẳng hướng Trong phương pháp này, bè và cọc được chia ra thành nhiều vùng với lực hoặc

ứng suất trên bề mặt tác dụng vào các vùng tương ứng Lời giải Mindlin cũng được sử

dụng để phân tích các mối quan hệ tương tác do lực bề mặt gây ra

Kuwabara, F (1989) dùng phương pháp phần tử biên dựa trên lý thuyết đàn hồi

để phân tích ứng xử của móng bè cọc trong khối đất đàn hồi tuyến tính Trong phân

tích này, bè được xem như tuyệt đối cứng, nhưng cọc thì được xem có thể biến dạng dọc trục được Phần bè được rời rạc hóa thành nhiều phần tử chữ nhật và cọc thì được rời rạc thành các phần tử ma sát thành và sức kháng mũi

Mendonça, A V.và de Paiva, J B (2000) giới thiệu phương pháp phần tử biên cho phân tích móng bè cọc với tất cả các tương tác giữa bè, cọc và nền đất Không giống như các phương pháp BEM khác sự rời rạc hệ móng không được đề cập đến trong phương pháp này Nền đất được mô tả như một bán không gian đàn hồi đồngnhất tuyến tính Mindlin Bè được xem như là một bản mỏng và được mô tả bằng các phương trình tích phân Cọc được mô tả như các phần tử đơn và ứng suất cắt dọc trục

được tính toán gần đúng bằng đa thức bậc hai Tương tác giữa bè và cọc được phân

tích bằng cách chia bề mặt thành những phần tử tam giác