Nghiên cứu ứng xử của hệ kết cấu công trình móng bè cọc đất nền cùng làm việc đồng thời

Để giải quyết các vấn đề từ giai đoạn thiết kế sơ bộ đến mô phỏng ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền, trong Luận Văn này, Học Viên thực hiện các nghiên cứu sau: Nghiên cứu nguyên lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

O0

O NGUYỄN VĂN NHÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH - MÓNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN

Công trình được hoàn thành tại: Trường đại học Bách khoa – ĐHQG – Tp.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ BÁ VINH

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số ngành : 60.58.02.11

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH - MÓNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về các phương pháp phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời

Chương 2 Nguyên lý làm việc của móng bè – cọc

Chương 3 Nghiên cứu ứng xử tải trọng – độ lún của móng bè cọc

Chương 4 Nghiên cứu đánh giá các phương pháp tính toán độ lún của móng bè

Chương 5 Phân tích ứng xử chia tải của móng bè cọc

Chương 6 Nghiên cứu đánh giá phần mềm sap 2000 trong phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình-móng bè cọc-đất nền cùng làm việc đồng thời

Chương 7 Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày bè và cách bố trí cọc trong bè đến ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền

Chương 8 Nghiên cứu ảnh hưởng của tầng hầm đến ứng xử của hệ khung –tường vây – bè cọc và đất nền

Chương 9 Nghiên cứu ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền dưới tác dụng của động đất

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Lê Bá Vinh

Tp HCM, ngày tháng năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA

TS LÊ ANH TUẤN

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự quan tâm động viên và giúp đỡ của bạn bè

và đồng nghiệp đã tạo điều kiện tốt để tôi hoàn thành khoá học

Cuối cùng xin gửi đến Cha Mẹ và gia đình lòng biết ơn vô hạn vì đã luôn động viên cho con trong thời gian học tập

Xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018

Học viên

NGUYỄN VĂN NHÂN

TÓM TẮT

Đối với các tòa nhà cao tầng và siêu cao tầng phương án móng bè - cọc thường được lựa chọn Bởi vì, khi sử dụng phương án móng bè – cọc sẽ làm giảm số lượng cọc, tăng khả năng chịu tải của đất nền, giảm lún và lún lệch cho công trình

Để giải quyết các vấn đề từ giai đoạn thiết kế sơ bộ đến mô phỏng ứng xử của

hệ khung – bè cọc và đất nền, trong Luận Văn này, Học Viên thực hiện các nghiên cứu sau: Nghiên cứu nguyên lý làm việc của móng bè – cọc; nghiên cứu ứng xử tải trọng – độ lún của móng bè cọc; nghiên cứu đánh giá các phương pháp tính toán độ lún của móng bè; nghiên cứu đánh giá phần mềm sap 2000 trong phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình-móng bè cọc-đất nền cùng làm việc đồng thời, dựa trên kết quả mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D; nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày

bè và cách bố trí cọc trong bè đến ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền; nghiên cứu ảnh hưởng của số tầng hầm, chiều dài và chiều dày tường vây đến ứng xử của

hệ khung –tường vây – bè cọc và đất nền; nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài cọc, chiều dày bè và cách bố trí cọc trong bè đến ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền dưới tác dụng của động đất

Kết quả nghiên cứu giúp cho người thiết kế có những định hướng trong thiết kế kết cấu bên trên, bè – cọc, tường vây, và mô phỏng ứng xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời Ngoài ra, trong đề tài này cũng nêu lên sự cần thiết phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời, đặc biệt trong trường hợp công trình có tầng hầm hoặc công trình chịu động đất

ABSTRACT

For tall buildings and Super High-Rise Buildings, the piled raft foundation is usually selected Because, using the piled raft foundation will reduce the number of piles, increase the load capacity of the ground, reduce the foundation settlement and differential settlement

To solve problems from the preliminary design stage to simulate the behavior of frame - piled raft and soil systems In this thesis, The author performs the following research: Study the working principle of the piled raft foundation; Study on load behavior - the settlement of the piled raft foundation; Research on methods of calculating the settlement of raft foundation; Sap 2000 software evaluation in the analysis of the behavior of frame - piled raft and soil systems based on simulation results on Plaxis 3D software; study on effect of raft thickness and pile layout in rafts to the behavior of frame - piled raft and soil systems; Study on the effect of basement number, length and thickness of diaphragm wall on the behavior of frame-diaphragm wall-piled raft and soil systems; study on effects of pile length, raft thickness and pile layout in rafts to the behavior of frame - piled raft and soil systems under the effects of earthquakes

The results of the study help the designers to orient themselves in the design of the upper structure, piled raft foundation, diaphragm wall, and simulation of the behavior of frame - piled raft and soil systems In addition, this thesis also demonstrates the need to analyze the behavior of frame - piled raft and soil systems, especially in the case of buildings with basements or buildings subject to earthquakes

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ này do chính tôi thực hiện dưới sự hướng

dẫn của Thầy PGS.TS LÊ BÁ VINH Các kết quả đạt được trong Luận văn này là

đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm

về kết quả thực hiện của mình

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018

Học viên

NGUYỄN VĂN NHÂN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH - MÓNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 6

1.1 PHƯƠNG PHÁP TÁCH RIÊNG PHẦN KẾT CẤU BÊN TRÊN VÀ NỀN MÓNG ĐỂ TÍNH TOÁN 6

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH - MÓNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 8

1.2.1 Công trình – bè trên hệ thống lò xo cọc [1] 8

1.2.2 Công trình – bè trên hệ thống lò xo cọc và đất 9

1.2.3 Công trình – bè – cọc trên hệ thống lò xo đất [3] & [4] 11

1.2.4 Mô phỏng bằng phần mềm Sap 2000 với đất nền mô phỏng bằng phần tử Solid 12

1.2.5 Mô phỏng số với các phần mềm chuyên dụng có các mô hình đất nền 13

1.3 NHẬN XÉT VÀ CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH - MÓNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 14

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÓNG BÈ – CỌC 15

2.1 KHÁI NIỆM CỦA MÓNG BÈ – CỌC 15

2.1.1 Định nghĩa 15

2.1.2 Các tương tác trong móng bè – cọc 17

2.1.3 Các ưu điểm của móng bè – cọc 18

2.2 ỨNG XỬ CỦA MÓNG BÈ – CỌC CHO NHÀ CAO TẦNG 20

2.3 PHÂN TÍCH CÁC TƯƠNG TÁC TRONG MÓNG BÈ – CỌC 25

2.3.1 Tương tác giữa cọc và bè 25

2.3.2 Ảnh hưởng tương tác bè – cọc và cọc – cọc lên ứng xử của móng bè cọc 27

2.3.3 Kết quả của tương tác 30

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TẢI TRỌNG – ĐỘ LÚN CỦA MÓNG BÈ CỌC 31

3.1 ĐỘ LÚN CỦA MÓNG BÈ – CỌC 31

3.1.1 Phương pháp giải tích 31

3.1.2 Phương pháp mô phỏng 33

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN MÓNG BÈ 34

3.2.1 Phương pháp lớp biến dạng tuyến tính 34

3.2.2 Phương pháp cộng lún các lớp phân tố 36

3.3 ĐỘ LÚN CỦA CỌC ĐƠN 38

3.4 ĐỘ LÚN CỦA NHÓM CỌC 39

3.4.1 Phương pháp tỷ số độ lún 39

3.4.2 Phương pháp trụ tương đương 41

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA MÓNG BÈ 43

4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 43

4.2 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA MÓNG THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU 44

4.3 ĐỘ LÚN THAY ĐỔI THEO CHIỀU SÂU ĐẶT BÈ 48

4.4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 49

CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CHIA TẢI CỦA MÓNG BÈ CỌC 51

5.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 51

5.2 ỨNG XỬ MANG TẢI CỦA MÓNG BÈ CỌC 52

5.3 PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ CỦA MÓNG BÈ CỌC 55

5.3.1 Mô hình phần tử hữu hạn 55

5.3.2 Các thông số đất nền cho phân tích phần tử hữu hạn 56

5.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57

5.4.1 Phân chia tải cho bè 57

5.4.2 Các hệ số hiệu chỉnh độ cứng 61

5.5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 63

CHƯƠNG 6 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ PHẦN MỀM SAP 2000 TRONG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH-MÓNG BÈ CỌC-ĐẤT NỀN

CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 64

6.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 64

6.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG TRÌNH XEM XÉT 64

6.3 ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH 66

6.4 MÔ PHỎNG SỐ HỆ KẾT CẤU - MÓNG - ĐẤT NỀN 67

6.5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 67

6.5.1 Chuyển vị ngang công trình 67

6.5.2 Độ lún (chuyển vị đứng) của móng 68

6.5.3 Nội lực trong cọc 69

6.6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 70

CHƯƠNG 7 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY BÈ VÀ CÁCH BỐ TRÍ CỌC TRONG BÈ ĐẾN ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG – BÈ CỌC VÀ ĐẤT NỀN 71 7.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 71

7.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG TRÌNH XEM XÉT 73

7.3 CÁC THÔNG SỐ ĐẤT NỀN CHO PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 75

7.4 MÔ PHỎNG SỐ CỦA HỆ KẾT CẤU – MÓNG – ĐẤT NỀN 76

7.5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 76

7.5.1 Chuyển vị ngang công trình 76

7.5.2 Độ lún trung bình và lún lệch 77

7.5.3 Nội lực trong cọc 78

7.5.4 Nội lực trong bè 81

7.5.5 Nội lực trong khung 83

7.6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 87

CHƯƠNG 8 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG HẦM ĐẾN ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG –TƯỜNG VÂY – BÈ CỌC VÀ ĐẤT NỀN 90

8.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 90

8.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG TRÌNH ĐƯỢC XEM XÉT 90

8.3 CÁC THÔNG SỐ ĐẤT NỀN CHO PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 93

8.4 MÔ PHỎNG SỐ CỦA HỆ KẾT CẤU-MÓNG-TƯỜNG VÂY-ĐẤT NỀN 94

8.5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 94

8.5.1 Ảnh hưởng của số tầng hầm 94

8.5.2 Ảnh hưởng của chiều dài tường 97

8.5.3 Sự thay đổi áp lực đất theo chiều cao của công trình 100

8.5.4 Ảnh hưởng của chiều dày tường vây 101

8.6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 107

CHƯƠNG 9 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG – BÈ CỌC VÀ ĐẤT NỀN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 108

9.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 108

9.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG TRÌNH XEM XÉT 108

9.3 CÁC THÔNG SỐ ĐẤT NỀN CHO PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 110

9.4 MÔ PHỎNG SỐ CỦA HỆ KẾT CẤU – MÓNG – ĐẤT NỀN 111

9.5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 112

9.5.1 Ảnh hưởng của chiều dài cọc 112

9.5.2 Ảnh hưởng của chiều dày bè 114

9.5.3 Ảnh hưởng của cách bố trí cọc trong bè 116

9.6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

KẾT LUẬN 121

KIẾN NGHỊ 126

Danh mục các công trình khoa học 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 129

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ tính toán kết cấu bên trên 6

Hình 1.2 Nền móng được tính toán độc lập với các tải trọng tác dụng lên móng là nội lực chân cột 7

Hình 1.3 Sơ đồ phân tích nội lực trong khung và bè 9

Hình 1.4 Quan hệ giữa độ cứng dọc trục và độ cứng thẳng đứng lò xo của cọc nhồi 9

Hình 1.5 Sơ đồ phân tích nội lực trong khung và bè 10

Hình 1.6 Các loại tương tác trong hệ thống móng bè - cọc 10

Hình 1.7 Sơ đồ phân tích nội lực trong khung và bè – cọc 11

Hình 1.8 Mô phỏng móng – công trình – đất nền trên phần mềm Sap 2000 12

Hình 1.9 Phần tử Solid và các thành phần ứng suất 12

Hình 1.10 Mô hình trong phần mềm Plaxis 3D 13

Hình 1.11 Mô hình trong phần mềm Midas GTX NX 13

Hình 2.1 Sự biệt giữa móng bè, móng nhóm cọc, và móng bè – cọc 15

Hình 2.2 Móng bè cọc cho nhà cao tầng 15

Hình 2.3 Lún của bè – cọc như một hàm số theo bè – cọc α L 16

Hình 2.4 Các thành phần chính của móng bè cọc 17

Hình 2.5 Sự phân bố ứng suất và độ cứng theo chiều sâu cho móng nông và sự chuyển tải trọng trong móng bè - cọc 18

Hình 2.6 Nhà cao tầng ở Frankfurt am Main 19

Hình 2.7 Ứng xử lún của các nhà cao tầng ở Frankfurt, Germany 19

Hình 2.8 Địa tầng nhiều lớp vùng Frankfurt am Main 20

Hình 2.9 Công trình Messeturm building, Frankfurt 21

Hình 2.10 Mặt bằng và mặt đứng của móng bè – cọc 22

Hình 2.11 Bố trí các thiết bị đo đạc trong móng bè cọc: a) mặt bằng móng; b) các vị trí đặt strain gauges dọc thân cọc; c) chi tiết strain gauges 22

Hình 2.12 Kết quả đo lún cho công trình: a) độ lún theo phương ngang; b) độ lún theo phương đứng; c) các đường lún (mm); d) độ lún của móng theo các mặt cắt A-A, B-B 23

Hình 2.13 Quan sát ứng xử của móng bè – cọc: a) lực dọc trục và ma sát đơn vị trung bình; b) áp lực tiếp xúc; c) đường cong tải trọng – lún; d) chia tải trọng cho bè và cọc 24

Hình 2.14 Các mô hình khảo sát tương tác bè – cọc: a) cọc đơn; b) bè – cọc đơn vị 25

Hình 2.15 Ảnh hưởng tương tác bè – cọc lên sự phân bố lực dọc và sức kháng bên đơn vị

dọc theo thân cọc: a) cọc đơn; b) bè – cọc đơn vị 26

Hình 2.16 Ảnh hưởng tương tác bè – cọc lên áp lực tiếp xúc giữa bè và đất 27

Hình 2.17 Mô hình sử dụng nghiên cứu số: a) mô hình M1 có 64 cọc; b) mô hình M2 có 16 cọc 27

Hình 2.18 Kết quả mô phỏng số: a) đường cong tải trọng – lún cho mô hình M1; b) đường cong tải trọng – lún cho mô hình M2; c) chia tải giữa các cọc và bè cho mô hình M1 và M2 28

Hình 2.19 Các đường cong tải trọng – lún cho các cọc trong mô hình M1 29

Hình 2.20 Các đường cong tải trọng – lún cho cọc đơn độc lập và cọc bên trong của mô hình M1 và M2 30

Hình 3.1 Sơ đồ của móng bè – cọc 32

Hình 3.2 Đường cong tải trọng - lún đơn giản cho phân tích sơ bộ 32

Hình 3.3 Các điểm tính lún của móng 33

Hình 3.4 Sơ đồ tính độ lún trung bình của móng 37

Hình 3.5 Giả định mô đun cắt của đất thay đổi theo độ sâu 39

Hình 3.6 Sự gia tăng tỷ số độ lún nhóm R S theo số lượng cọc trong nhóm 40

Hình 3.7 Nhóm cọc được thay thế bằng trụ tương đương 41

Hình 4.1 a) Mô hình tính toán Plaxis 3D; b) Phổ biến dạng theo phương đứng của nền đất 44

Hình 4.2 Quan hệ giữa độ lún và bề rộng của bè ứng với các tải trọng phân bố đều: a) p = 150 (kN/m 2 ); b) p = 250 (kN/m 2 ) 1-theo B.L Dalmatov; 2-theo S i = 0; 3-theo Plaxis 3D; 4-theo K.E Egorov; 5-theo điều kiện (3.15) ; 6-theo JGJ6-99; 7-theo TCVN 9362 46

Hình 4.3 Quan hệ giữa độ lún và tải trọng ứng với các bề rộng móng: a) B = 10m; b) B = 20m 1-theo B.L Dalmatov; 2-theo S i = 0; 3-theo Plaxis 3D; 4-theo K.E Egorov; 5-theo điều kiện (3.15) ; 6-theo JGJ6-99; 7-theo TCVN 9362 46

Hình 4.4 Quan hệ giữa độ lún và tải trọng ứng với các bề rộng móng: a) B = 30m; b) B = 40m 1-theo B.L Dalmatov; 2-theo S i = 0; 3-theo Plaxis 3D; 4-theo K.E Egorov; 5-theo điều kiện (3.15) ; 6-theo JGJ6-99; 7-theo TCVN 9362 47

Hình 4.5 Sự giảm độ lún của móng theo độ sâu đặt móng; b) Sự tăng độ cứng của móng theo độ sâu đặt móng 48

Hình 5.1 Các thành phần chính của móng bè cọc và các loại tương tác trong móng bè-cọc

53

Hình 5.2 Các loại móng được sử dụng trong phân tích: a) Bè cọc; b) Nhóm cọc; c) Bè không cọc [18] 55

Hình 5.3 Mô hình phần tử hữu hạn cho móng bè cọc 55

Hình 5.4 Định nghĩa của E 0 , E 50 và E ur cho kết quả thí nghiệm ba trục thoát nước 56

Hình 5.5 Phân chia tải cho bè theo độ lún: a) Nhóm cọc 2x2;b) Nhóm cọc 4x4 57

Hình 5.6 Phân chia tải cho bè theo độ lún: a) Nhóm cọc 6x6;b) Nhóm cọc 8x8 57

Hình 5.7 Phân chia tải cho bè theo độ lún của nhóm cọc 10x10: a) Theo phần trăm (%); b) Theo lực (kN) 58

Hình 5.8 Phân chia tải cho bè theo khoảng cách cọc: a) Độ lún 2cm ;b) Độ lún 4cm 59

Hình 5.9 Phân chia tải cho bè theo khoảng cách cọc: a) Độ lún 6cm ;b) Độ lún 8cm 59

Hình 5.10 a) Tổng tải trọng tác dụng lên bè – cọc theo độ lún; b) Ảnh hưởng của D r đến phân chia tải cho bè 60

Hình 5.11.a) Lộ trình ứng suất của điểm nằm trên trục thẳng đứng đi qua tâm bè và cách đáy bè 4m; b) Ứng suất theo độ sâu chôn móng của điểm nằm trên trục thẳng đứng đi qua tâm bè và cách đáy bè 4m 60

Hình 5.12 a) độ cứng bè theo độ lún và độ sâu đặt bè; b) Phân chia tải theo tỷ số kp/kr 61 Hình 5.13 Các hệ số hiệu chỉnh độ cứng ứng với độ lún 4cm: a) Hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè;b) Hệ số hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc 62

Hình 5.14 a) Hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè theo tỷ số kp/kr;b) Hệ số hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc theo tỷ số kp/kr 62

Hình 6.1 a) Mặt bằng bố trí cọc; b) Mô hình phân tích trong Plaxis 3D 65

Hình 6.2 Mô hình phân tích trong Sap2000 66

Hình 6.3 Chuyển vị ngang của công trình theo chiều cao tầng với chiều dày bè t r = 2.5m

67

Hình 6.4 Độ lún của móng tính toán bằng phần mềm Sap 2000 và Plaxis 3D với chiều dày bè t r = 2.5m 68

Hình 6.5 a) Tổng giá trị mô men đầu cọc; b) Tổng giá trị lực cắt đầu cọc 69

Hình 7.1 a) Mô hình phân tích trong Plaxis 3D và mặt bằng bố trí cọc PA1; b) Mô hình phân tích trong Plaxis 3D và mặt bằng bố trí cọc PA2 74

Hình 7.2 Chuyển vị ngang của công trình theo chiều cao tầng 76

Hình 7.3 a) Độ lún tăng theo chiều dày bè của phương án 2;b) Quan hệ giữa độ lún lệch tương đối lớn nhất của 2 phương án móng theo chiều dày bè 77 Hình 7.4 Sự thay đổi lực dọc trong cọc theo chiều dày bè cho trường hợp công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải: a) Phương án 1; b) Phương án 2 78 Hình 7.5 Sự thay đổi nội lực trong cọc thuộc trục C theo chiều dày bè của phương án 1 chịu tác dụng tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Biểu đồ mô men; b) Biểu đồ lực cắt 79 Hình 7.6 Sự thay đổi nội lực trong cọc thuộc trục C theo chiều dày bè của phương án 2 chịu tác dụng tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Biểu đồ mô men; b) Biểu đồ lực cắt 79 Hình 7.7 Tổng giá trị nội lực đầu cọc theo chiều dày bè cho công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải: a) Biểu đồ mô men; b) Biểu đồ lực cắt 80 Hình 7.8 Tổng giá trị nội lực đầu cọc theo chiều dày bè cho công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Biểu đồ mô men; b) Biểu đồ lực cắt 81 Hình 7.9 Biểu đồ mô men của bè thuộc trục C với bề rộng dải 4 m dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải: a) Phương án 1; b) Phương án 2 81 Hình 7.10 Biểu đồ lực cắt của bè thuộc trục C với bề rộng dải 4 m dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải: a) PA1; b) PA2 82 Hình 7.11 Biểu đồ mô men của bè thuộc trục C với bề rộng dải 4 m dưới tác dụng của tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Phương án 1; b) Phương án 2 82 Hình 7.12 Biểu đồ lực cắt của bè thuộc trục C với bề rộng dải 4 m dưới tác dụng của tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Phương án 1; b) Phương án 2 82 Hình 7.13 Sự thay đổi nội lực lớn nhất của bè thuộc trục C theo chiều dày bè: a) Giá trị

mô men lớn; b) Giá trị lực cắt lớn nhất 83 Hình 7.14 Sơ đồ kết cấu: a) Mặt bằng bố trí cột và lõi; b) Khung trục C 84 Hình 7.15 Biểu đồ nội lực của cột 14 dưới tác dụng của tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Biểu

đồ mô men; b) Biểu đồ lực dọc 85 Hình 7.16 Biểu đồ nội lực của cột 16 dưới tác dụng của tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Biểu

đồ mô men; b) Biểu đồ lực dọc 86 Hình 8.1 a) Mô hình phân tích trong Plaxis 3D và mặt bằng bố trí cọc cho công trình 0 tầng hầm; b) Mô hình phân tích trong Plaxis 3D và mặt bằng bố trí cọc cho công trình 2 tầng hầm 91 Hình 8.2 Sơ đồ kết cấu của công trình 2 tầng hầm: a) Mặt bằng bố trí cột và lõi; b) Khung trục C 92

Hình 8.3 Chia tải cho bè theo số tầng hầm 94 Hình 8.4 Chia tải cho bè theo số tầng hầm 95 Hình 8.5 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục A theo số tầng hầm: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 95 Hình 8.6 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục B theo số tầng hầm: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 96 Hình 8.7 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục C theo số tầng hầm: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 96 Hình 8.8 Tổng giá trị mô men và lực cắt đầu cọc theo số tầng hầm cho công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió (TT + HT + GIO): a) Biểu đồ mô men; b) Biểu đồ lực cắt 97 Hình 8.9 Thay đổi độ lún theo chiều dài tường vây 97 Hình 8.10 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục A theo chiều dài tường: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 98 Hình 8.11 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục B theo chiều dài tường: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 98 Hình 8.12 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục C theo chiều dài tường: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 99 Hình 8.13 Tổng giá trị mô men và lực cắt đầu cọc theo chiều dài tường cho công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió (TT + HT + GIO): a) Biểu đồ mô men; b) Biểu đồ lực cắt 99 Hình 8.14 Áp lực đất tác dụng lên tường vây: a) Theo phương dọc tường; b) Theo phương ngang tường ở độ sâu 6m 100 Hình 8.15 Áp lực đất tác dụng lên tường ứng với công trình chịu: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 101 Hình 8.16 Áp lực đất tác dụng lên tường ở độ sâu 6m ứng với công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 101 Hình 8.17 Biểu đồ bao mô men của tường vây theo chiều dày tường: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 102 Hình 8.18 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục A theo chiều dày tường: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 103 Hình 8.19 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục B theo chiều dày tường: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 103

Hình 8.20 Sự thay đổi mô men trong cọc thuộc khung trục C theo chiều dày tường: a) Công trình chịu tĩnh tải và hoạt tải; b) Công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió 104 Hình 8.21 Tổng giá trị mô men và lực cắt đầu cọc theo chiều dày tường cho công trình chịu tĩnh tải, hoạt tải và gió (TT + HT + GIO): a) Biểu đồ mô men; b) Biểu đồ lực cắt 104 Hình 8.22 Biểu đồ mô men của bè thuộc trục C dưới tác dụng của: a) Tĩnh tải và hoạt tải; b) Tĩnh tải, hoạt tải và gió 105 Hình 8.23 Biểu đồ Lực cắt của bè thuộc trục C dưới tác dụng của: a) Tĩnh tải và hoạt tải; b) Tĩnh tải, hoạt tải và gió 105 Hình 8.24 Biểu đồ bao mô men trong cột tầng hầm 1 và 2 của công trình chịu tác dụng tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Cột 14; b) Cột 16 106 Hình 8.25 Biểu đồ bao mô men trong dầm tầng hầm 1 và 2 của công trình chịu tác dụng tĩnh tải, hoạt tải và gió: a) Dầm 1; b) Dầm 2 106 Hình 9.1 a) Mô hình phân tích trong Plaxis 3D; b) Mặt bằng bố trí cọc PA1; c) Mặt bằng

bố trí cọc PA2; d) Mặt bằng bố trí cọc PA3; e) Mặt bằng bố trí cột và lõi 109 Hình 9.2 Bảng ghi gia tốc của trận động đất Kocaeli Earthquake 110 Hình 9.3 a) Chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh của công trình theo chiều dài cọc; b) Gia tốc lớn nhất tại đỉnh của công trình theo chiều dài cọc 112 Hình 9.4 Biểu đồ mô men a) Cột 13; b) Cột 14 113 Hình 9.5 a) Biểu đồ mô men của bè thuộc trục C; b) Biểu đồ lực cắt của bè thuộc trục C 113 Hình 9.6 Tổng giá trị mô men lớn nhất đầu cọc; b) Tổng giá trị lực cắt lớn nhất đầu cọc 114 Hình 9.7 a) Chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh của công trình theo chiều dày bè; b) Gia tốc lớn nhất tại đỉnh của công trình theo chiều dày bè 114 Hình 9.8 Biểu đồ mô men a) Cột 13; b) Cột 14 115 Hình 9.9 a) Biểu đồ mô men của bè thuộc trục C; b) Biểu đồ lực cắt của bè thuộc trục C 116 Hình 9.10 Tổng giá trị mô men lớn nhất đầu cọc; b) Tổng giá trị lực cắt lớn nhất đầu cọc 116 Hình 9.11 a) Chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh của công trình theo các phương án móng; b) Gia tốc lớn nhất tại đỉnh của công trình theo các phương án móng 117 Hình 9.12 Biểu đồ mô men a) Cột 13; b) Cột 14 118

Hình 9.13 a) Biểu đồ mô men của bè thuộc trục C; b) Biểu đồ lực cắt của bè thuộc trục C 118 Hình 9.14 Tổng giá trị mô men lớn nhất đầu cọc; b) Tổng giá trị lực cắt lớn nhất đầu cọc 119

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của các thành phố trên toàn thế giới đã dẫn đến sự tăng lên nhanh chóng về số lượng và chiều cao của tòa nhà cao tầng và siêu cao tầng Đối với các tòa nhà này phương án móng bè - cọc thường được lựa chọn Bởi vì, khi sử dụng phương án móng bè – cọc sẽ làm giảm số lượng cọc, tăng khả năng chịu tải của đất nền, giảm lún và lún lệch cho công trình

Theo nhiều nhà nghiên cứu, việc bỏ qua ảnh hưởng của độ lún không đều của nền đất trong tính toán kết cấu khung bên trên, sẽ dẫn tới giá trị nội lực trong khung sai khác nhiều so với ứng xử thật của công trình Điều này làm giảm độ tin cậy của công trình và chất lượng khai thác công trình

Thông thường, phần lớn các kỹ sư kết cấu khi thiết kế phần bên trên thì xem công trình làm việc trên nền cứng (không biến dạng) Tải trọng của phần kết cấu bên trên được tổng hợp và chuyển sang làm dữ kiện cho việc thiết kế nền móng Với sơ đồ tính riêng rẽ từng phần như vậy kết quả có thể sai khác đáng kể so với ứng xử thực tế của công trình trên nền đất biến dạng không đồng đều

Sở dĩ cách tính riêng rẽ từng phần đến nay vẫn được sử dụng vì việc giải quyết tính toán sự làm việc đồng thời giữa khung – móng – nền gặp nhiều khó khăn phức tạp và kết quả có thể chấp nhận được khi công trình được đặt trên nền đất tốt hoặc chênh lệch lún giữa các chân cột trong bè bé

Để phản ánh đúng sự làm việc thực tế của công trình cần thiết phải phân tích bài toán móng và khung làm việc đồng thời với nền Từ kết quả phân tích ứng xử của kết cấu bên trên và móng bè – cọc bên dưới cũng như sự tương tác qua lại giữa các

bộ phận của công trình nhằm tối ưu hóa kết cấu của công trình

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Để giải quyết các vấn đề từ giai đoạn thiết kế sơ bộ đến mô phỏng ứng xử của

hệ khung – bè cọc và đất nền Trong Luận Văn này, Học Viên thực hiện các mục tiêu nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu nguyên lý làm việc của móng bè – cọc;

- Nghiên cứu ứng xử tải trọng – độ lún của móng bè cọc;

- Nghiên cứu đánh giá các phương pháp tính toán độ lún của móng bè;

- Nghiên cứu ứng xử chia tải của móng bè cọc;

- Nghiên cứu đánh giá phần mềm sap 2000 trong phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình-móng bè cọc-đất nền cùng làm việc đồng thời, dựa trên kết quả mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày bè và cách bố trí cọc trong bè đến ứng

xử của hệ khung – bè cọc và đất nền Khảo sát nội lực của khung bên trên trong trường hợp phân tích nội lực xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng và trường hợp phân tích móng và khung làm việc đồng thời với nền, ứng với các chuyển vị chênh lệch khác nhau của các chân cột trong bè Từ đó kiến nghị giá trị độ lún lệch tương đối gới hạn cho trường hợp phân tích nội lực xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của số tầng hầm, chiều dài và chiều dày tường vây đến ứng xử của hệ khung –tường vây – bè cọc và đất nền;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài cọc, chiều dày bè và cách bố trí cọc trong

bè đến ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền dưới tác dụng của động đất

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung 1: Nghiên cứu nguyên lý làm việc của móng bè – cọc

Mục tiêu nội dung 1: Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của móng kết hợp Từ đó

có những định hướng đúng trong việc mô phỏng ứng xử của móng bè – cọc, cũng như mô phỏng ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền

Phương pháp nghiên cứu: Căn cứ vào các tài liệu của các tác giả đi trước Nội dung 2: Nghiên cứu ứng xử tải trọng – độ lún của móng bè cọc

Mục tiêu nội dung 2: Để hiểu rõ ứng xử tải trọng – độ lún của móng bè cọc, và

sự huy động độ cứng của bè và nhóm cọc trong móng bè – cọc theo các giai đoạn chịu tải

Phương pháp nghiên cứu: Căn cứ vào các tài liệu của các tác giả đi trước Nội dung 3: Nghiên cứu đánh giá các phương pháp tính toán độ lún của móng

bè

Mục tiêu nội dung 3: Chọn phương pháp tính lún và cách xác định phạm vi

vùng chịu nén phù hợp cho móng bè để phục vụ việc tính lún móng bè – cọc và sự phân chia tải cho bè và nhóm cọc

Phương pháp nghiên cứu: Khảo sát độ lún của móng bè theo các phương pháp

tính lún trong các tài liệu, tiêu chuẩn và kết hợp mô phỏng số, kích thước móng và tải trọng tác dụng lên móng được thay đổi trong quá trình khảo sát Từ đó kiến nghị phương pháp tính lún và cách xác định phạm vi vùng chịu nén phù hợp

Nội dung 4: Nghiên cứu ứng xử chia tải của móng bè cọc

Mục tiêu nội dung 4: Khảo sát sự ảnh hưởng của độ lún, độ sâu đặt bè, số

lượng cọc, kích thước cọc và khoảng cách giữa các cọc đến sự phân chia tải cho bè

và các cọc, và sự suy giảm độ cứng của bè và nhóm cọc khi chúng làm việc trong hệ bè-cọc Kết quả nghiên cứu này giúp cho người thiết kế có những định hướng trong việc lựa chọn kích thước cọc, số lượng cọc, khoảng cách giữa các cọc và độ lún của bè-cọc để tải trọng được mang bởi bè là lớn nhất Ngoài ra, trong thiết kế sơ bộ độ cứng của bè-cọc có thể ước tính từ độ cứng bè không cọc và nhóm cọc thông qua các hệ số hiệu chỉnh độ cứng

Phương pháp nghiên cứu: Các mô phỏng số được thực hiện trên các móng

khác nhau về: Loại móng; độ sâu đặt bè; số lượng cọc; kích thước cọc và khoảng cách giữa các cọc

Nội dung 5: Nghiên cứu đánh giá phần mềm sap 2000 trong phân tích ứng xử

của hệ kết cấu công trình-móng bè cọc-đất nền cùng làm việc đồng thời, dựa trên kết quả mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D

Mục tiêu nội dung 5: Đánh giá kết quả mô phỏng trên phần mềm Sap 2000 với

đất nền được mô phỏng bằng phần tử Solid dựa trên kết quả mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D Và đánh giá phạm vi áp dụng phần mềm Sap 2000 với đất nền được mô phỏng bằng phần tử Solid để phân tích bài toán móng và khung làm việc đồng thời với nền với phương án móng bè – cọc Mặt khác, đưa ra các định hướng nghiên cứu để nâng cao khả năng ứng dụng của phần mềm Sap 2000

Phương pháp nghiên cứu: Các mô phỏng số được thực hiện trên phần mềm

Sap 2000 và Plaxis 3D để mô phỏng bài toán khung – móng bè cọc – đất nền làm việc đồng thời

Nội dung 6: Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày bè và cách bố trí cọc trong

bè đến ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền Khảo sát nội lực của khung bên trên trong trường hợp phân tích nội lực xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng

và trường hợp phân tích móng và khung làm việc đồng thời với nền, ứng với các chuyển vị chênh lệch khác nhau của các chân cột trong bè Từ đó kiến nghị giá trị

độ lún lệch tương đối gới hạn cho trường hợp phân tích nội lực xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng

Mục tiêu nội dung 6: Để tối ưu hóa trong thiết kế công trình, và kiến nghị giá

trị độ lún lệch tương đối gới hạn cho trường hợp phân tích nội lực xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng

Phương pháp nghiên cứu: Các mô phỏng số được thực hiện trên phần mềm

Plaxis 3D để mô phỏng bài toán khung – móng bè cọc – đất nền làm việc đồng thời

Nội dung 7: Nghiên cứu ảnh hưởng của số tầng hầm, chiều dài và chiều dày

tường vây đến ứng xử của hệ khung – tường vây – bè cọc và đất nền

Mục tiêu nội dung 7: Khảo sát sự ảnh hưởng của số tầng hầm và chiều dài

tường vây đến nội lực cọc, độ lún công trình và sự chia tải cho bè Khảo sát sự ảnh hưởng của chiều dày tường vây đến nội lực cọc, nội lực bè, nội lực khung, nội lực tường vây và áp lực đất tác dụng lên tường vây Ngoài ra, khảo sát sự ảnh hưởng của chiều cao công trình đến áp lực đất tác dụng lên tường vây

Phương pháp nghiên cứu: Các mô phỏng số được thực hiện trên phần mềm

Plaxis 3D để mô phỏng bài toán khung – móng bè cọc – tường vây – đất nền làm việc đồng thời

Nội dung 8: Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài cọc, chiều dày bè và cách bố

trí cọc trong bè đến ứng xử của hệ khung – bè cọc và đất nền dưới tác dụng của động đất

Mục tiêu nội dung 8: Khảo sát sự ảnh hưởng của chiều dài cọc, chiều dày bè

và cách bố trí cọc trong bè đến nội lực của kết cấu, chuyển vị và gia tốc theo

phương ngang của công trình Kết quả nghiên cứu này giúp cho các kỹ sư có những định hướng thiết kế tối ưu, và cho thấy sự cần thiết phân tích bài toán khung – móng – đất nền làm việc đồng thời

Phương pháp nghiên cứu: Các mô phỏng số được thực hiện trên phần mềm

Plaxis 3D để mô phỏng bài toán khung – móng bè cọc – đất nền làm việc đồng thời dưới tác dụng của động đất

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu ứng xử của hệ kết cấu công trình – móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời trên công trình giả định Trong phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình – móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời chỉ xét trong điều kiện đất nền đã lún ổn định

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài “nghiên cứu ứng xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời” giúp cho người thiết kế có những định hướng trong

thiết kế kết cấu bên trên, bè – cọc, tường vây, và mô phỏng ứng xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời Ngoài ra, trong đề tài này cũng nêu lên sự cần thiết phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời, đặc biệt trong trường hợp công trình có tầng hầm hoặc công trình chịu động đất

Làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu về ứng xử của hệ kết cấu công trình – móng – đất nền cùng làm việc đồng thời dưới tác dụng của tải trọng tĩnh hoặc động đất, độ lún lệch tương đối giới hạn ∆Sgh của công trình, độ lún của móng bè – cọc, sự phân chia tải cho bè và cọc trong móng bè – cọc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG

XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH - MÓNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN

Hình 1.1 Sơ đồ tính toán kết cấu bên trên

Để tính toán kết cấu bên trên, người thiết kế coi kết cấu bên trên tựa vững chắc lên móng theo liên kết ngàm hoặc khớp ở tại chân cột (hoặc chân tường) Với sơ đồ kết cấu này, tính toán nội lực trong hệ kết cấu bên trên dưới tác dụng của tải trọng công trình Tải trọng của phần kết cấu bên trên (nội lực chân cột) được tổng hợp và chuyển sang làm dữ kiện cho việc thiết kế nền móng Với sơ đồ tính riêng rẽ từng phần như vậy cho kết quả có thể sai khác đáng kể so với ứng xử thực tế của công trình trên nền đất biến dạng không đồng đều

Sở dĩ cách tính riêng rẽ từng phần đến nay vẫn được sử dụng vì việc giải quyết tính toán sự làm việc đồng thời giữa khung – móng – nền gặp nhiều khó khăn phức

tạp và kết quả có thể chấp nhận được khi công trình được đặt trên nền đất tốt hoặc chênh lệch lún giữa các chân cột trong bè bé

Hình 1.2 Nền móng được tính toán độc lập với các tải trọng tác dụng lên

Lij - khoảng cách giữa trọng tâm hai cột được đỡ bởi móng i và móng j;

ΔSgh- độ lún lệch tương đối gới hạn Đối với khung bê tông cốt thép không có tường chèn ΔSgh = 0,002; Khung bê tông cốt thép có tường chèn ΔSgh = 0,001

- Dựa vào kinh nghiệm, Polshin và Tokar (1957) đã đề nghị độ lún lệch tương đối gới hạn cho công trình phụ thuộc vào tỷ số chiều dài / chiều cao công trình:

Hiện nay khi tính toán thiết kế công trình xét đến sự làm việc chung của móng

bè - cọc và công trình cùng làm việc với nền, thì tồn tại một số phương pháp cơ bản sau:

1.2.1 Công trình – bè trên hệ thống lò xo cọc [1]

Phương pháp này được dùng phổ biến trong thiết kế thực tế Trong phương pháp này sự làm việc của đất dưới bè, sự tương tác giữa cọc với cọc và sự tương tác giữa cọc với bè được bỏ qua

Thông thường, giá trị độ cứng lò xo cọc được xác định dựa vào đường cong quan hệ độ lún và tải trọng từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc Khi không có kết quả thí nghiệm, giá trị KP có thể lấy theo công thức thực nghiệm Kp = 2EA/L (E – modulus đàn hồi của cọc, A diện tích tiết diện ngang của cọc, và L chiều dài cọc) Dựa trên phân tích các kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc của 237 cọc ở Bangkok, Kiattivisanchai (2001) tổng kết giá trị Kp của cọc nhồi nằm trong khoảng từ 0.5EA/L đến 4EA/L với giá trị trung bình là Kp = 2EA/L

Hình 1.3 Sơ đồ phân tích nội lực trong khung và bè

Hình 1.4 Quan hệ giữa độ cứng dọc trục và độ cứng thẳng đứng lò xo của

cọc nhồi

1.2.2 Công trình – bè trên hệ thống lò xo cọc và đất

1.2.2.1 Không xét đến tương tác giữa cọc với cọc và giữa cọc với bè [1]

Phân tích tương tự phương pháp trên, nhưng còn có các lò xo đất giữa các cọc Giá trị độ cứng lò xo đất được xác định thông qua bàn nén hiện trường hoặc ước lượng thông qua các công thức thực nghiệm Công thức thực nghiệm xác định ks

được nhiều tác giả đánh giá cao là công thức của Vesic:

2 (1 )

s S

E k



Trong đó:

Es - môđun biến dạng trung bình của nền đất trong phạm vi chịu nén của nền;

ν - hệ số nở hông (hệ số poisson) của nền

1.2.3 Công trình – bè – cọc trên hệ thống lò xo đất [3] & [4]

Đối với phương pháp này, độ cứng lò xo bè – nền trong nền đất đồng nhất theo

4 1

z

s

G a K

a – bán kính tương đương của 1 phần tử bè

Độ cứng của lò xo cọc – nền tại mũi cọc theo phương đứng pb

Hình 1.7 Sơ đồ phân tích nội lực trong khung và bè – cọc

Độ cứng của lò xo nền dọc thân cọc theo phương đứng p

z

K trong nền đồng nhất xác định theo Radolph & Wroth như sau:

2 ln

z

m o

K

r r



(1.7)

Hình 1.8 Mô phỏng móng – công trình – đất nền trên phần mềm Sap 2000

Hình 1.9 Phần tử Solid và các thành phần ứng suất

1.2.5 Mô phỏng số với các phần mềm chuyên dụng có các mô hình đất nền

Trên thực tế khi thiết kế các công trình, để mô phỏng đúng sự làm việc của công trình người ta thường dùng các phần mềm chuyên dụng (phần mềm Plaxis 3D,

ABAQUS, Midas GTX NX, ANSYS .) Trong các phần mềm này cho phép mô

phỏng cả kết cấu bên trên và nền đất bên dưới công trình, khi đó ta sẽ phân tích được bài toán tổng quát móng và công trình làm việc đồng thời với nền Do đó, nó phản ánh đúng bản chất làm việc của công trình Để mô phỏng đất nền, trong các phần mềm này có các mô hình đất như: Mô hình Mohr-Coulomb; Mô hình Hardening-Soil; …

Hình 1.10 Mô hình trong phần mềm Plaxis 3D

Hình 1.11 Mô hình trong phần mềm Midas GTX NX

1.3 NHẬN XÉT VÀ CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH - MÓNG BÈ CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI

Móng bè-cọc là loại móng kết hợp, và do tính chất kết hợp nên các tương tác giữa bè và các cọc xảy ra Sự tương tác của bè-cọc xảy ra là do sự chồng chất ứng suất, chuyển vị của bè và các cọc dưới tác dụng của tải trọng Do ảnh hưởng của các tương tác, khả năng mang tải của bè và các cọc khi liên kết thành bè-cọc trở nên khác với khả năng mang tải của bè không cọc và nhóm cọc, và độ cứng của bè và các cọc khi liên kết thành bè-cọc trở nên nhỏ hơn độ cứng của bè không cọc và nhóm cọc Vì vậy vấn đề tương tác trong móng bè-cọc cần được quan tâm một cách thích đáng trong thiết kế móng bè-cọc, và phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời

Đối với các phương pháp thay đất nền bằng các lò xo đã tồn tại các giả thiết không hợp lý như: Áp lực dưới đáy bè phân bố đều; cọc tuyệt đối cứng; sức kháng thành cọc phân bố đều hoặc theo hình tam giác; độ cứng của lò xo không thay đổi;… Ngoài ra, các hệ số tương tác giữa các cọc được thiết lập cho nền đất đồng nhất

Trên thực tế khi thiết kế các công trình, để mô phỏng đúng sự làm việc của công trình người ta thường dùng các phần mềm như: Sap2000; Plaxis 3D; ABAQUS; Midas GTX NX; ANSYS Trong các phần mềm này cho phép mô phỏng cả kết cấu bên trên, nền đất bên dưới công trình và đặc biệt là mô phỏng được các ảnh hưởng của tương tác trong hệ móng bè-cọc, khi đó ta sẽ phân tích ứng

xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời và nó phản ánh đúng bản chất làm việc của công trình

Trong phạm vi giới hạn của đề tài, phần mềm Plaxis 3D và Sap2000 được sử dụng để phân tích ứng xử của hệ kết cấu công trình - móng bè cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÓNG BÈ – CỌC

mô men uốn trong bè

Hình 2.1 Sự biệt giữa móng bè, móng nhóm cọc, và móng bè – cọc

Hình 2.2 Móng bè cọc cho nhà cao tầng

Móng bè – cọc sinh ra sức kháng cự kết hợp khi chịu tải trọng công trình bao gồm sức kháng mũi cọc Rpi, sức kháng bên Rfi, và sức kháng của móng bè Rr Hệ số

bè – cọc “αL” được định nghĩa là tỷ số giữa tải trọng được mang bởi n cọc chia cho tổng tải trọng được mang bởi bè – cọc, theo công thức:

1 ( ) ( )

n

i L

Tác dụng của các cọc để giảm lún cho móng bè phụ thuộc vào hệ số bè – cọc (piled raft coeficient), hệ số này lần lượt phụ thuộc vào điều kiện đất nền, số lượng

cọc, kích thước các cọc và bè Ở cùng điều kiện địa chất và cùng diện tích bè, hệ số

bè – cọc là một hàm số phụ thuộc vào kích thước cọc, số lượng cọc và độ lún của móng, như thể hiện trên hình 2.3

Tiêu chí chính chi phối việc thiết kế của móng bè – cọc liên quan đến hệ số bè – cọc αL, và hệ số hiệu quả của cọc thêm vào chống lún cho móng αs Hệ số αL nằm giữa 0.3 và 0.9 đã được thực hiện trong thiết kế Nhưng liên quan đến các khía cạnh

kỹ thuật và kinh tế, hệ số αL nằm giữa 0.5 và 0.7 có thể được coi là tối ưu

2.1.2 Các tương tác trong móng bè – cọc

Trong hình 2.4 thể hiện các thành phần chính của móng bè cọc và các loại tương tác (cọc/cọc, cọc/đất, bè/cọc và bè/đất), các loại tương tác này là nguyên nhân chính tạo nên các ứng xử phức tạp của hệ thống móng bè – cọc

Hình 2.4 Các thành phần chính của móng bè cọc

Do sự tương tác của các thành phần trong móng bè – cọc, nên việc xác định các giá trị Rpi, Rfi, và Rr rất khó khăn bằng các phương tiện đơn giản, bởi vì chúng phụ thuộc vào sự dịch chuyển của đất nền xung quanh các cọc và dưới bè Vì lý do này,

cách tốt nhất để dự đoán ứng xử của móng bè cọc là thông qua phương pháp phần

tử hữu hạn Cách tiếp cận điển hình theo các bước sau:

- Tiến hành kiểm tra tải với hiệu ứng nhóm nếu có thể;

- Hiệu chỉnh mô hình FEM để phù hợp với các kết quả kiểm tra tải;

- Sử dụng mô hình được hiệu chuẩn để dự đoán ứng xử của móng bè – cọc hoàn chỉnh;

- Giám sát việc thi công công trình để kiểm tra dự đoán và nếu cần thiết thực hiện điều chỉnh

2.1.3 Các ưu điểm của móng bè – cọc

Áp dụng phương án móng bè – cọc có các ưu điểm sau:

- So với móng cọc, giảm đáng kể về số lượng hoặc chiều dài cọc;

- Giảm lún và lún lệch của móng bè;

- Theo cách kinh tế, giảm ứng suất và mô men uốn trong bè bằng việc bố trí tối

ưu các cọc dưới bè;

- Cải thiện khả năng chịu tải của móng bè;

- Giảm sự dịch chuyển đất bên trong và bên ngoài hố đào trong suốt quá trình thi công tầng hầm;

- Cho các móng bè chịu tải không đối xứng, tập trung sức kháng của móng bằng cách bố trí các cọc bên dưới khu vực chịu tải lệch tâm của móng bè

Hình 2.5 Sự phân bố ứng suất và độ cứng theo chiều sâu cho móng nông và

sự chuyển tải trọng trong móng bè - cọc

Các ưu điểm trên dẫn đến một phương án móng kinh tế Theo kết quả đo lún các nhà cao tầng trong vùng Frankfurt có 60 – 80 % độ lún của móng bè là trong đất sét yếu Lớp đất sét yếu này chiếm 1/3 chiều sâu gây lún đáng kể của móng Trong vùng này, ứng suất gây lún lớn đồng thời mô đun biến dạng lại nhỏ dẫn đến độ lún của móng lớn (hình 2.5) Trong trường hợp này, phương án móng bè – cọc dẫn đến

độ lún nhỏ, bởi vì các cọc chuyển một phần tải trọng công trình xuống lớp đất sâu hơn và có mô đun biến dạng lớn hơn Hình 2.6 và hình 2.7 cho thấy sự thành công của giải pháp móng bè – cọc để giảm lún cho công trình so với móng bè truyền thống

Hình 2.6 Nhà cao tầng ở Frankfurt am Main

Hình 2.7 Ứng xử lún của các nhà cao tầng ở Frankfurt, Germany

2.2 ỨNG XỬ CỦA MÓNG BÈ – CỌC CHO NHÀ CAO TẦNG

Nhu cầu cần thêm không gian văn phòng tại các trung tâm của các thành phố lớn (ví dụ như Frankfurt), dẫn đến sự gia tăng nhu cầu về các tòa nhà cao tầng do thiếu các nơi xây dựng Frankfurt là nơi xây dựng không thuận lợi do lớp đất sét dẻo cao quá cố kết nằm ngay bên dưới lớp bề mặt (Breth 1970), dẫn đến lún tương đối lớn cho công trình xây dựng Giải pháp móng bè – cọc được phát triển và áp dụng rộng rãi đã đạt được yêu cầu về kinh tế, sự ổn định cũng như về khả năng sử dụng của công trình

Hình 2.8 Địa tầng nhiều lớp vùng Frankfurt am Main

Để có nhìn nhận tổng quan về ứng xử của móng bè – cọc cho nhà cao tầng, trong phần này trình bày các nghiên cứu về ứng xử của móng bè – cọc, dựa trên các kết quả đo đạt và quan trắc của công trình Messeturm

Công trình Messeturm có 60 tầng với chiều cao là 256m, tổng trọng lượng công trình 1900MN Mặt cắt ngang của phần thân công trình là 41 x 41m2 và bè có diện tích 58.8 x 58.8m2 Độ cứng của công trình đạt được yêu cầu bởi kết cấu lõi Vì lún của móng bè khoảng 400mm, nên phương án móng bè – cọc được chọn và độ lún của phương án này giảm hơn một nửa

Hình 2.9 Công trình Messeturm building, Frankfurt

Tải trọng ngang lớn nhất được tính đến là do gió và những ảnh hưởng không thuận lợi cho sự ổn định công trình chỉ khoảng 1% tải trọng đứng Nhưng thậm chí tải trọng đứng đúng tâm, độ nghiêng của công trình có thể gây ra bởi sự không đồng nhất của nền đất có thể đạt đến 1/750 Độ lún của móng bè lớn, hiện tượng nghiêng của công trình có thể xảy ra và độ mảnh của công trình khoảng 4 dẫn đến giải pháp móng bè – cọc được quyết định Công trình có 64 cọc được bố trí theo các vòng tròn đồng tâm hình 2.10, chiều dài cọc từ 27 đến 35 m, và đường kính cọc là 1.3 m Chiều dày bè là 6 m ở phần giữa và 3 m ở các cạnh của móng Bằng việc sử dụng các cọc, tổng độ lún của móng được giảm đến 150mm hình 2.12 và 2.13c, và nghiêng xuống 1/4100 Trong hình 2.12 thể hiện độ lún theo độ sâu và các vị trí trong khu vực móng bè, độ võng của bè và độ nghiêng của công trình