Bài nghiên cứu này khảo sát ứng xử của móng cọc-bè khi chịu tải trọng giả của điều kiện động đất trong phần mềm phần tử hữu hạn. Trong đó, không chỉ nền móng và hệ thống đất mà cả kiến trúc thượng tầng cũng được mô hình hóa để xem xét sự tương tác giữa đất và cấu trúc (SSI). Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của bài viết này.
Trang 1NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-MÓNG-ĐẤT NỀN ĐẾN ỨNG XỬ CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC
KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
LÊ BÁ VINH *,** OÀNG NGỌC TR ỀU *,**
Research on influence of the interaction of superstructure, foundation and soils on the behaviour of pile-raft foundation under earthquake loads
Abstract: The pile-raft foundation has been widely known as an economic
and rational design method for high-rise building partly because of its effectiveness in load sharing by both raft and piles, which results in smaller total and differential settlements of foundation Up to now, there have been quite a few studies focusing on the behaviour of pile-raft foundation under earthquake load due to the complexities included in the interaction of the superstructures, pile-raft foundation and soil This study concentrates on investigating the behaviour of pile-raft foundation under pseudostatic load
of earthquake conditions in finite-element software In which, not only foundation and soil system but also superstructures are modelled to consider soil-structure interaction (SSI) The results of moment in piles under SSI analysis method are compared to the results of the method simulating the raft-pile foundation system only, which helps civil engineers
to realize the important of soil-structure interaction and choose a suitable one for their study and design In addition to this, the behavior of the pile foundation system after analysis including internal force in the pile which is compared with the static analysis results to foster the sense of engineers in considering the effect of earthquake in their design concept
Keywords: pile-raft foundation, earthquake load, pseudostatic load,
soil-structure interaction, supersoil-structure-foundation-soil system
1 ẶT VẤN Ề *
Ngày này, cùng với sự đô thị hóa, các công
trình xây dựng ngày càng phát triển về quy mô
và chiều cao Đối với các tòa nhà cao tầng và
siêu cao tầng này thì phương án móng sử dụng
đóng vai trò rất quan trọng trong việc truyền tải
trọng công trình bên trên xuống nền đất bên
dưới và giảm lún, lún lệch cho công trình Một
trong những phương án móng thường được lựa
* Bộ môn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ Thuật Xây dựng,
Trường Đại học Bách khoa TP.HCM
** Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh
Tác giả liên hệ: trieuhn@hcmut.edu.vn
chọn là móng bè-cọc kết hợp với những ưu điểm vượt trội trong việc giảm số lượng cọc, giảm lún lệch và tăng khả năng chịu tải của đất nền Do đó, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đề xuất các phương pháp ứng dụng trong thiết kế móng bè cọc, trong đó có nghiên cứu của Poulos (2001) và Randolph (1994) Tuy nhiên, các nghiên cứu này tách riêng ứng xử của nhóm cọc và bè độc lập thông bằng việc xác định hệ số phân chia tải giữa bè và cọc mà chưa xét đến sự làm việc đồng thời của cả hệ móng bè-cọc Sau đó, nhiều nghiên cứu của các tác giả Clancy và Randolph (1993), Cooke (1996),
Trang 2Cunha (2001) đã sử dụng phân tử lò xo để phân
tích tương tác bè-cọc và tương tác giữa cọc với
đất dưới tác động của tải trọng tĩnh Năm 2003,
Horikoshi và cộng sự [3] đã sử dụng thí nghiệm
bàn rung để nghiên cứu ứng xử của hệ móng
bè-cọc dưới tác động của tải động Năm 2014,
Banerjee và cộng sự [6] đã khảo sát tác động
của động đất đến ứng xử đầu cọc ngàm vào đài
bằng thí nghiệm máy ly tâm kết hợp với phương
pháp mô phỏng số Đến năm 2015, Zheng và
cộng sự [8] đã thực hiện thí nghiệm bàn rung để
phân tích tương tác giữa cọc và đất dưới tác
động của động đất cho công trình xây dựng trên
nền đất yếu Cùng năm đó, Kumar và cộng sự
đã nghiên cứu ứng xử động của cọc cho móng
của bể chứa dầu bằng phần mềm phần tử hữu
hạn PLAXIS 3D Sau đó, Kumar và Choudhury
đã thực hiện nghiên cứu phân tích tương tác đất
nền kết cấu cho móng cọc dưới tác động của tải
trọng động bằng phần mềm FLAC3D 4.0
Rất nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm
phân tích ứng xử móng bè cọc dưới tác động tải
trọng tĩnh và tải trọng động [1,3,6,8] Tuy nhiên,
đa phần các nghiên cứu chỉ mô phỏng hệ móng
và nhóm cọc riêng lẻ hoặc chỉ mô phỏng hệ
móng bè-cọc độc lập còn kết cấu bên trên thì
chưa xét đến Do đó, nghiên cứu này tiến hành
phân tích ứng xử của cọc dưới tác động của
động đất khi xét đến sự làm việc chung của hệ
kết cấu bên trên, móng bè cọc và đất nền bên
dưới Ở đây, phần mềm phần tử hữu hạn
PLAXIS 3D sẽ được sử dụng để mô phỏng công
trình Messestum và sự tác động của động đất
được mô phỏng như một lực tĩnh ngang tương
đương tác dụng lên đài cọc theo phương pháp
giả tĩnh Trong đó, giá trị lực ngang giả tĩnh do
động đất được tính toán từ 4 trận động đất Bhuj
2001, Sikkim 2011, Loma Prieta 1989 và
El-Centro 1979 Sau đó, để nhận thấy sự cần thiết
của việc mô phỏng cả hệ kết cấu bên trên, hệ bè
cọc và đất nền cùng làm việc đồng thời, ứng xử
của hệ móng bè-cọc dưới tác động của động đất
được phân tích và so sánh giữa phương pháp mô
phỏng hệ khung- móng- đất nền làm việc đồng thời (SSI) và phương pháp chỉ mô phỏng hệ móng bè- cọc theo nghiên cứu của tác giả Ashutosh Kumar [1]
2 CÔNG TRÌN NG ÊN CỨU MESSETURM TOWER
2.1 Tổng quan công trình
Messeturm Tower là tòa nhà chọc trời ở thành phố Frankfurt am Main nước Đức Công trình được xây dựng năm 1990 và là tòa nhà cao thứ hai của Đức với tổng chiều cao 257 m gồm
63 tầng nổi và 2 tầng hầm
Hình 1 Công trình Messeturm Tower
Hình 2 Mặt cắt đứng công trình [4]
Trang 32.2 Kết cấu phương đứng công trình
Công trình sử dụng giải pháp kết cấu hình
ống được cấu tạo bằng một ống bao xung quanh
nhà gồm hệ thống cột, dầm và phía trong nhà là
hệ lõi, vách cứng (Hình 2) Trong đó hệ cột
được bố trí xung quanh cách nhau 3,6 m có kích
thước 0,8x0,8 m tại tầng 7 và thay đổi tiết diện 5
cm đến kích thước 0,3x0,3 m ở tầng trên cùng
Đối với hệ vách chịu lực sử dụng vách bê tông
cốt thép có chiều dày 64 cm đối với vách tầng hầm và hệ vách lõi bên trong công trình chọn tiết diện vách dày 22 cm
2.3 Kết cấu phương ngang công trình
Công trình được thiết kế theo giải pháp sàn
bê tông cốt thép kết hợp với hệ dầm (Hình 3) Trong đó bản sàn có chiều dày 22 cm và hệ dầm chính, dầm phụ có kích thước lần lượt 40 x 80
cm và 20x40 cm
Hình 3 Kết cấu vách và hệ cột xung quanh
công trình [4]
Hình 4 Mặt bằng kết cấu công trình tầng trệt
đến tầng 6 [4]
Hình 5 Mặt bằng kết cấu công trình tầng đi n
hình tầng 7 đến tầng 58 [4]
Hình 6 Mặt bằng kết cấu công trình tầng 59
đến tầng 60 [4]
Trang 42.3 Kết cấu móng công trình
Giải pháp nền móng được sử dụng là giải
pháp móng bè cọc kết hợp với phần bè có kích
thước 58,8 m x 58,8 m (Hình 7) và chiều dày
thay đổi từ 3 m ở biên đến 6 m ở khu vực tâm
móng Phần cọc sử dụng phương án cọc khoan
nhồi có đường kính 1,3 m với ba loại chiều
dài cọc giảm dần từ tâm móng đến biên được
thể hiện trên Hình 7 Ở khu vực tâm móng bố
trí 16 cọc với chiều dài mỗi cọc 34,9 m, trong
khi đó ở khu vực xung quanh phần tâm móng
bố trí 20 cọc với chiều dài 30,9 m và phần
biên ngoài cùng bố trí 28 cọc với chiều dài
mỗi cọc 26,9 m
2.4 ịa chất công trình
Công trình được xây dựng ở khu vực có mặt
cắt địa chất như Hình 8, gồm lớp đất đá san lấp
dày 8-10 m ở trên mặt Bên dưới lớp san lấp là
lớp đất sét Frankfurt đến độ sâu khoảng 70 m
Mực nước ngầm khu vực ở độ sâu khoảng
4,5-5,0 m so với mặt đất tự nhiên
Hình 7 Mặt bằng bố trí cọc trong bè công trình
Messeturm Tower [1]
Hình 8 Mặt cắt địa chất khu vực Frankfurt am Main (Katzenbach et al [2])
3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ HỆ MÓNG BÈ CỌC KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
Trong nghiên cứu này, hệ kết cấu-móng-đất nền công trình Messesturm Tower được mô phỏng trong PLAXIS 3D (Hình 14) dựa trên các thông tin về kết cấu, địa chất và hệ móng bè cọc như đã trình bày ở mục 2 Sau khi phân tích, kết quả ứng xử trong cọc được so sánh với phương pháp chỉ mô phỏng hệ móng bè-cọc theo nghiên cứu của tác giả Ashutosh Kumar (Hình 15) [1]
để thấy được sự khác biệt giữa hai phương pháp
mô phỏng
3.1 Thông số kết cấu mô phỏng
Kết cấu cột, vách, lõi sử dụng vật liệu bê tông mác B45 và dầm, sàn sử dụng bê tông mác B35 với các thông số trình bày trong Bảng 1 Kết cấu móng sử dụng vật liệu bê tông với các thông số mô phỏng trình bày trong Bảng 2
3.2 Thông số địa chất mô phỏng
Địa chất công trình được mô phỏng dựa trên mặt cắt địa chất khu vực Frankfurt am Main như Hình 8 và các thông số địa chất được tóm tắt trong Bảng 3
ảng 1 Thông số vật liệu cột vách lõi dầm sàn trong mô phỏng
Các thông
Bê tông B45
Bê tông B35 Module đàn
hồ i
E (MN/m 2 )
37500 34500
Trang 5Hệ số
Poisson
Trọng lượng
riêng
ảng 2 Thông số vật liệu bè và cọc trong
mô phỏng (Reul 2000) [5]
Các thông
số
Module đàn
hồ i
E (MN/m 2 ) 34000 25000
Poisson
Trọ ng
lượng riêng
Bảng 3 Bảng tổng hợp các thông số địa chất [7]
Lớp đất
1
Sand and Gravel
2
Frankfurt clay
3
Frankfurt limestone
E 50ref
(kN/m 2 )
75000 50000 2000000
E oedref
(kN/m 2 )
75000 50000
E urref
(kN/m 2 )
225000 150000
P ref
(kN/m 2 )
3.3 Thông số động đất trong mô phỏng
Giá trị lực ngang giả tĩnh do động đất đƣợc tính toán từ số liệu ghi nhận đƣợc của 4 trận động đất Bhuj 2001, Sikkim 2011, Loma Prieta
1989 và El-Centro 1979 (Hình 9 đến Hình 13)
và các giá trị lực tĩnh sau khi tính toán đƣợc trình bày trong Bảng 3.8 Sau đó, các lực tĩnh này đƣợc gán vào đài cọc và phân tích bằng phần mềm PLAXIS 3D
H nh 9 Bi u đồ phổ gia tốc động đất
Trang 6H nh 10 Băng gia tốc trận động đất
Bhuj 2001
H nh 11 Băng gia tốc trận động đất
Sikkim 2011
H nh 12 Băng gia tốc trận động đất
Loma Prieta 1989
H nh 13 Băng gia tốc trận động đất
El-Centro 1979
ảng 4 Thông số các trận ộng đất sử dụng trong ph n t ch số [1]
Thông số trận ộng ất
Trận ộng đất Bhuj 2001 Sikkim
2011
Loma Prieta
1989
El-Centro
1979
Thời gian xảy ra Động đất (giây) 12,44 25,35 15,17 17,64 Lực cắt đáy lớn nhất (MN) 192,7 365,5 1635,6 2520,8
3.4 Kết quả moment trong cọc
Các kết quả moment trong cọc dưới tác
động của bốn trận động đất khác nhau phân
tích từ mô hình mô phỏng hệ kết cấu - móng -
đất nền làm việc đồng thời (SSI) được so sánh
với kết quả phân tích của tác giả Ashutosh Kumar [1] (Hình 17 đến Hình 19) Trong đó
ba cọc P1, P2, P3 ứng với chiều dài cọc và vị trí cọc trong bè khác nhau được khảo sát (Hình 16)
Trang 7H nh 14 Mô h nh hệ kết cấu-móng-đất
nền (SSI) trong PLAXIS 3D
H nh 15 Mô h nh phân tích của tác giả
Ashutosh Kumar [1]
(Inner Pile)
Trang 8
Hình 18 Kết quả moment trong cọc P2
(Middle Pile)
Hình 19 Kết quả moment trong cọc P3
(Outer Pile)
H nh 20 Giá trị moment chênh lệch giữa phương pháp SSI và phương pháp phân tích
của Ashutosh Kumar [1]: (a) Cọc P1, (b) Cọc P2, (c) Cọc P3
Dựa trên kết quả so sánh Hình 17, Hình 18 và
Hình 19, nhận thấy kết quả moment trong cọc khi
chịu tác động của động đất giữa phương pháp
phân tích hệ kết cấu - móng - đất nền làm việc
đồng thời (SSI) và phương pháp phân tích của
Ashutosh Kumar [1] chỉ mô phỏng hệ móng bè -
cọc có sự giống nhau về hình dạng của biểu đồ
Tuy nhiên, các giá trị này có sự chênh lệch đáng
kể, trong đó giá trị moment phân tích theo phương
pháp phân tích SSI có xu hướng nhỏ hơn so với
kết quả phân tích của Ashutosh Kumar chỉ mô
phỏng hệ móng bè-cọc Tại vị trí đầu cọc, giá trị
moment chênh lệch giữa hai phương pháp lớn
nhất, đặc biệt là nhóm cọc ở vị trí trung gian
(Middle Pile) và nhóm cọc ngoài cùng (Outer
Pile) với sự chênh lệch lên đến 3600 kN.m (Hình
20 (b) và (c)) tương ứng với phần trăm chênh lệch
là 35 % Đối với nhóm cọc ở vị trí trung tâm đài
(Inner Pile) thì giá trị moment chênh lệch nhỏ hơn với chỉ khoảng 1150 kN.m (Hình 20 (a)) tương ứng với phần trăm chênh lệch 31 % Tuy nhiên, càng xa vị trí đầu cọc thì các giá trị chênh lệch này
có xu hướng giảm dần đến khoảng nhỏ hơn 300 kN.m tại vị trí mũi cọc (Hình 20)
Qua kết quả phân tích này có thể thấy rõ sự cần thiết của việc mô phỏng đúng ứng xử thực
tế của công trình gồm hệ khung-móng-đất nền làm việc đồng thời khi phân tích công trình chịu tác động của động đất So với phương pháp chỉ
mô phỏng hệ bè-cọc thì phương pháp mô phỏng
cả hệ khung-móng-đất nền không chỉ mô phỏng đúng ứng xử thực tế mà còn đem lại hiệu quả về mặt kinh tế trong thiết kế với kết quả moment trong cọc nhỏ hơn đáng kể lên đến 35%, giúp tiết kiệm vật liệu làm cọc
3.5 Khảo sát mức độ tác động của động đất
Trang 9
Hình 21 Kết quả moment trong cọc P1
(Middle Pile)
Hình 22 Kết quả moment trong cọ c P2
(Outer Pile)
Hình 23 Kết quả moment trong cọ c P3
(Middle Pile)
Hình 24 Phần trăm gia tăng moment trong cọc khi chịu tác động của động đất
so với giá trị tĩnh
Các giá trị moment trong cọc khi phân tích
tĩnh và khi chịu tác động của 4 trận động đất với
cường độ khác nhau được so sánh để khảo sát
mức độ tác động của động đất đến moment
trong cọc Dựa vào kết quả moment Hình 21,
Hình 22 và Hình 23 nhận thấy giá trị moment
lớn nhất tại đầu cọc do liên kết cứng giữa đài và
cọc, càng xa vị trí đầu cọc các giá trị moment
này giảm dần đến khoảng nhỏ hơn 300 kN.m ở
mũi cọc Khi cường độ trận động đất gia tăng thì
giá trị moment trong cọc cũng tăng lên đáng kể
đặc biệt là trong phạm vi 15 m đầu tiên tính từ
đầu cọc (Hình 21 đến Hình 23) Tuy nhiên, mức
độ gia tăng giá trị moment trong cọc phụ thuộc vào vị trí của cọc trong bè (Hình 24) Đối với nhóm cọc ở vị trí giữa đài (chiếm khoảng 50 % diện tích đài), mức độ gia tăng moment trong cọc khi chịu tác động của động đất lớn, lên đến gần 390 % so với kết quả tĩnh khi chịu tác động trận động đất El-Centro (ag = 0,43g) Trong khi
đó, đối với nhóm cọc ở ngoài cùng (khoảng 50
% diện tích đài bè), mức độ gia tăng moment trong cọc khi chịu tác động của động đất là nhỏ hơn Cũng dưới tác động của trận động đất El-Centro nhưng phần trăm giá trị moment gia tăng trong cọc so với giá trị tĩnh chỉ khoảng 110 %,
Trang 10nhỏ hơn gần 3 lần so với phần trăm gia tăng của
nhóm cọc ở vị trí giữa đài bè
Qua kết quả phân tích Hình 24 có thể nhận
thấy mức độ gia tăng của giá trị moment trong
cọc khi chịu tác động của động đất so với
trường hợp chỉ chịu tải trọng tĩnh công trình
cũng như thấy được sự cần thiết của việc xét
đến tác động của động đất trong các bài toán
thiết kế, đặc biệt ở những vùng có nguy cơ xảy
ra động đất Khi cường độ động đất càng tăng
thì giá trị moment trong cọc càng tăng, đặc biệt
là trong phạm vi 15 m tính từ đầu cọc Tuy
nhiên, các cọc ở vị trí trung tâm đài bè có xu
hướng chịu tác động nhiều hơn các cọc ở vị trí
ngoài cùng khi các cọc này có phần trăm gia
tăng moment trong cọc gấp khoảng 3 lần các
cọc ở ngoài cùng
Ở Việt Nam, vùng có nguy cơ chịu tác động
của động đất lớn nhất có gia tốc nền khoảng
0.144g và dựa vào kết quả nghiên cứu này có
thể thấy mức độ tác động của động đất có thể
làm gia tăng đến 40% moment trong cọc so với
trường hợp chỉ chịu tải trọng tĩnh Do đó, việc
xét đến động đất trong bài toán thiết kế là thực
sự cần thiết
5 K T LUẬN
Khi chịu tác động của động đất thì giá trị
moment trong cọc có sự gia tăng so với trường
hợp chỉ chịu tải trọng tĩnh và mức độ gia tăng
giá trị moment phụ thuộc vào cường độ của trận
động đất Khi cường độ động đất càng tăng thì
giá trị moment trong cọc càng tăng, đặc biệt là
trong phạm vi 15 m tính từ đầu cọc Tuy nhiên,
các cọc ở vị trí trung tâm đài bè có xu hướng
chịu tác động nhiều hơn các cọc ở vị trí ngoài
cùng khi các cọc này có phần trăm gia tăng
moment trong cọc gấp khoảng 3 lần các cọc ở
ngoài cùng Do đó, việc xét đến tác động của
động đất trong thiết kế hệ móng bè-cọc bên dưới
là thực sự cần thiết trong các bài toán thiết kế,
đặc biệt là ở những vùng có nguy cơ chịu tác
động của động đất
Một trong những phương pháp có thể áp
dụng để xét đến tác động của động đất đến hệ móng bè-cọc là phương pháp giả tĩnh, trong đó tác động của động đất được mô phỏng như một lực tĩnh ngang tương đương tác dụng lên đài cọc Tuy nhiên, qua kết quả nghiên cứu và phân tích nhận thấy kết quả moment trong cọc chịu tác động của động đất giữa phương pháp phân tích hệ kết cấu - móng - đất nền làm việc đồng thời (SSI) và phương pháp phân tích của Ashutosh Kumar chỉ mô phỏng hệ móng bè - cọc có sự chênh lệch đáng kể, trong đó giá trị moment phân tích theo phương pháp phân tích SSI có xu hướng nhỏ hơn so với kết quả phân tích chỉ mô phỏng hệ móng bè-cọc Tại vị trí đầu cọc, giá trị moment chênh lệch giữa hai phương pháp lớn nhất, lên đến 3600 kN.m tương ứng với phần trăm chênh lệch là 35 % Tuy nhiên, càng xa vị trí đầu cọc thì các giá trị chênh lệch này có xu hướng giảm dần đến khoảng nhỏ hơn 300 kN.m tại vị trí mũi cọc So với phương pháp chỉ mô phỏng hệ bè-cọc thì phương pháp mô phỏng cả hệ khung-móng-đất nền không chỉ mô phỏng đúng ứng xử thực tế
mà còn đem lại hiệu quả về mặt kinh tế trong thiết kế với kết quả moment trong cọc nhỏ hơn đáng kể lên đến 35 %, giúp tiết kiệm vật liệu làm cọc Do đó, khi phân tích tác động của động đất lên hệ móng bè-cọc trong các phần mềm phần tử hữu hạn cần mô phỏng cả hệ kết cấu bên trên và xét đến sự làm việc đồng thời của hệ khung-móng-đất nền
Lời cảm ơn
Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ thời gian, phương tiện và cơ sở vật chất cho nghiên cứu này
TÀ L ỆU T AM K ẢO
[1] Ashutosh Kumar, Deepankar Choudhury and Roft Katzenbach, “Effect of Earthquake on
Combined Pile-Raft Foundation”, International
Journal of Geomechanics, vol 16, no 5, 2016
[2] Rolf Katzenbach, Gregor Bachmann and
![Hình 2. Mặt cắt đứng công trình [4] - Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác kết cấu-móng-đất nền đến ứng xử của hệ móng bè cọc khi chịu tác động của động đất](https://123doc.top/img.php?url=https%3A%2F%2F123docz.com%2Fimage%2Fdoc_normal.png)