Phân tích ứng xử phân chia tải của hệ móng bè cọc - tường vây

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 4 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ PHÂN CHIA TẢI CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY LÊ BÁ VINH * NGUYỄN NHỰT NHỨT NGUYỄN VĂN NHÂN Analysis of load sharing behavior of the piled raft foundation - diaphragm walls Abstract: The load-sharing behavior of the piled raft foundation - diaphragm walls system is extremely complicated by the load-sharing interaction of load distribution of the three components rafts, piles and diaphragm walls. It is important to assess the load carrying capacity of the diaphragm wall and the distribution of the load on the piles to be reduced when the diaphragm wall is plugged into the hard soil. Plaxis 3D finite element analysis is performed with cases of resizing raft, number of piles, pile length and diaphragm wall length. Based on the results of finite element analysis, the raft foundation - diaphragm wall system was proposed to be calculated when the load factor for the pile group βp ≤ 0.1. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong quan niệm thiết kế móng cho các công trình nhà cao tầng có tầng hầm, hiện nay chỉ quan tâm đến khả năng mang tải của bè và nhóm cọc [1,2,3], thiết kế tƣờng vây với yêu cầu chịu tải theo phƣơng ngang trong quá trình thi công móng tầng hầm mà chƣa xét đến khả năng mang tải đứng của tƣờng vây [7,8,9]. Các mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D đƣợc thực hiện trên các trƣờng hợp móng bè cọc – tƣờng vây khác nhau về kích thƣớc móng, số lƣợng cọc, khoảng cách giữa các cọc và chiều dài tƣờng vây. Mục đích để khảo sát sự ảnh hƣởng của số lƣợng cọc, khoảng cách giữa các cọc, chiều dài tƣờng vây đến sự tƣơng tác phân chia tải cho bè, các cọc và tƣờng vây trong hệ móng bè – cọc – * Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Tr ng Đ i H c Bách Khoa - Đ i H c u c Gia Thành Ph Hồ Chí Minh. Email: lebavinh@hcmut.edu.vn tƣờng vây. Kết quả nghiên cứu này giúp cho các kỹ sƣ có sự nhìn nhận chính xác hơn về khả năng mang tải của tƣờng vây trong hệ móng bè cọc – tƣờng vây, qua đó có thể giảm bớt số lƣợng cọc không cần thiết trong hệ móng bè cọc – tƣờng vây và có thể hƣớng đến phƣơng án móng bè - tƣờng vây khi hệ số chia tải của cọc βp ≤ 0.1. 2. ỨNG XỬ TƢƠNG TÁC CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƢỜNG VÂY Móng bè cọc là một hệ móng kết hợp từ ba thành phần chịu lực nhƣ là: cọc, bè và đất nền bên dƣới nhƣ hình 1. Tổng phản lực của móng cọc đài bè Rtotal: ,total raft pile i totR R R S   (1) Ứng xử phân chia tải của bè – nhóm cọc – tƣờng vây là rất phức tạp do các ảnh hƣởng tƣơng tác thay đổi theo độ lún và chiều dài tƣờng vây nhƣ hình 2. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 5  T ơng tác c c – đất;  T ơng tác c c – c c;  T ơng tác bè – đất;  T ơng tác bè – c c; Hình 1. Hiệu ứng t ơng tác giữa đất và cấu trúc trong móng c c đài bè của Katzenbach et al. (1998) and Katzenbach et al. (2000). raft pile diaphragm wall 1 23 4 5 6 7  T ơng tác c c – đất;  T ơng tác bè – đất;  T ơng tác t ng vây – đất;  T ơng tác c c – c c.  T ơng tác bè – c c;  T ơng tác t ng vây – c c;  T ơng tác t ng vây – bè. Hình 2. Ứng xử t ơng tác của hệ móng bè c c - t ng vây. Khả năng mang tải của hệ móng bè cọc - tƣờng vây bao gồm ba thành phần là: bè, nhóm cọc, tƣờng vây. wprrpw QQQQ  (2) trong đó Qrpw = khả năng mang tải của hệ móng bè cọc - tƣờng vây; Qr = khả năng mang tải của bè; Qp = khả năng mang tải của nhóm cọc; Qw = khả năng mang tải của tƣờng vây. Khả năng mang tải của hệ móng bè cọc - tƣờng vây là sự kết hợp từ khả năng mang tải của bè, khả năng mang tải của nhóm cọc và khả năng mang tải của tƣờng vây, ứng xử phân chia tải đƣợc mô tả bằng hệ số phân chia tải của tƣờng vây là αw và hệ số phân chia tải của nhóm cọc là βp , áp dụng cho tổng tải tác dụng lên hệ móng bè cọc - tƣờng vây đƣợc đƣa ra nhƣ sau: rpw w w Q Q  (3) rpw p p Q Q  (4) trong đó Qw = khả năng mang tải của tƣờng vây; Qp = khả năng mang tải của nhóm cọc; Qrpw = khả năng mang tải của hệ móng bè cọc - tƣờng vây. Theo công thức (3), αw thay đổi từ 0 đến 1, hệ số αw ≈ 0 tƣờng vây gần nhƣ không tham gia gánh tải và hệ cấu móng là móng bè - cọc. Theo công thức (4), βp thay đổi từ 0 đến 1, hệ số αp ≈ 0 các cọc gần nhƣ không tham gia gánh tải và hệ cấu móng là hệ móng bè - tƣờng vây. 3. PHÂN TÍCH SỐ MÓNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƢỜNG VÂY 3.1. Mô hình phần tử hữu hạn Bè - cọc - tƣờng vây đƣợc mô hình trong Plaxis 3D bao gồm các nhóm cọc nhƣ là 4x4 cọc; 6x6 cọc và 8x8 cọc, đƣờng kính cọc dp = 0.5m, bê tông cọc có cấp độ bền B50, chiều dài cọc Lp = 40m, khoảng cách giữa các cọc đƣợc xem xét là 3dp; 6dp; 9dp. Tƣờng vây dày dw = 0.6m, bê tông tƣờng vây có cấp độ bền B50, chiều dài tƣờng vây xem xét là Lw = 6m; Lw = 16m; Lw = 26m; Lw = 36m; Lw = 46m. Mô hình điển hình trong Plaxis 3D sử dụng để mô phỏng hệ móng bè - cọc - tƣờng vây nhƣ hình 3 và hình 4. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 6 Hình 3. Mô hình phần tử hữu h n bè - c c - t ng vây. Hình 4. Mô hình phân tích phần tử hữu h n hệ móng bè c c - t ng vây 3.2. Các thông số đất trong mô hình phân tích phần tử hữu hạn Đất là một vật liệu phức tạp, có ứng xử khác nhau trong giai đoạn gia tải ban đầu, dỡ tải và gia tải lại. Trong nghiên cứu, lớp đất đƣợc mô phỏng với mô hình Hardening Soil. Chi tiết thông số mô hình đƣợc chỉ dẫn trong PLAXIS 3D manuals. Tóm tắc các thông số vật liệu đất đƣợc sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn nhƣ bảng 1. Bảng 1. Thông số lớp đất của mô hình Hardening Soil sử dụng trong phân tích Lớp đất Lớp cát Trọng lƣợng riêng tự nhiên γunsat (kN/m 3 ) 18 Trọng lƣợng riêng đất no nƣớc γsat (kN/m 3 ) 19 Lớp đất Lớp cát Mô đun cát tuyến xác định từ nén 3 trục, áp lực buồng pref E50 ref (kN/m 2 ) 18000 Mô đun tiếp luyến xác định từ nén 1 trục không nở hông Eoed (kN/m 2 ) 18000 Mô đun đƣờng dỡ tải, gia tải Eur (kN/m 2 ) 54000 Hệ số mũ m 0.5 Lực dính đơn vị c‟ (kN/m2) 0 Góc nội ma sát φ‟ (o) 28 Góc nở ψ (o) 0 Hệ số poisson giai đoạn làm việc dỡ tải – gia tải υur 0.2 Áp lực buồng khi thí nghiệm p ref (kN/m 2 ) 100 Độ đáy lớp (m) 100 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Phân chia tải cho bè, nhóm cọc và tƣờng vây Theo hình 5, xét nhóm cọc 4x4, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m khoảng cách cọc 9D tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho bè là 31% và phần trăm chia tải cho bè là 23% tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 8x8, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m khoảng cách cọc 9D tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho bè là 30% và phần trăm chia tải cho bè là 18% tại độ lún 0.08m. Vậy trên cùng khoảng cách cọc và chiều dài tƣờng vây, sự phân chia tải cho bè giảm đáng kể theo độ lún, sự phân chia tải cho bè giảm nhiều hơn khi tăng số lƣợng cọc. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 7 (a) Nhóm 4x4 c c. (b) Nhóm 8x8 c c. Hình 5. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên bè và độ lún của bè theo các cự ly c c và chiều dài t ng vây. Theo hình 6, xét nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 62% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 71% tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 2% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 5% tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 8x8, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 64% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 73% tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 8x8, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 7% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 11% tại độ lún 0.08m. Vậy trên cùng khoảng cách cọc, sự phân chia tải cho nhóm cọc tăng theo độ lún, sự phân chia tải cho nhóm cọc tăng nhiều hơn khi tăng số lƣợng cọc. Với cùng nhóm cọc và khoảng cách cọc, phần trăm chia tải cho nhóm cọc giảm mạnh khi chiều dài tƣờng vây tăng. (a) Nhóm 4x4 c c. (b) Nhóm 8x8 c c. Hình 6. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên nhóm c c và độ lún của bè theo các cự ly c c và chiều dài t ng vây. (a) Nhóm 4x4 c c. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 8 (b) Nhóm 8x8 c c. Hình 7. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên t ng vây và độ lún của bè theo các cự ly c c và chiều dài t ng vây. Theo hình 7, xét nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho tƣờng vây là 6% và phần trăm chia tải cho tƣờng vây là 6% tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho tƣờng vây là 87% và phần trăm chia tải cho tƣờng vây là 90% tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 8x8, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho tƣờng vây là 82% và phần trăm chia tải cho tƣờng vây là 82% tại độ lún 0.08m. Vậy trên cùng chiều dài tƣờng vây, khoảng cách cọc, nhóm cọc, sự phân chia tải cho tƣờng vây tăng rất ít theo độ lún, sự phân chia tải cho tƣờng vây tăng mạnh khi chiều dài tƣờng vây tăng. Độ lún của móng ảnh hƣởng nhiều đến sự phân chia tải của bè và nhóm cọc, khi tải trọng tăng làm cho độ lún của móng tăng thì sự phân chia tải cho nhóm cọc tăng và sự phân chia tải cho bè giảm, phần trăm chia tải cho tƣờng vây tăng ít theo độ lún của hệ móng. Chiều dài tƣờng vây ảnh hƣởng rất nhiều đến sự phân chia tải trong hệ móng bè - cọc - tƣờng vây, khi tăng chiều dài tƣờng vây thì sự phân chia tải lên tƣờng vây tăng nhanh và sự phân chia tải lên nhóm cọc, bè bị giảm nhiều. Khi tăng khoảng cách giữa các cọc, sự phân chia tải cho bè và tƣờng vây tăng, và sự phân chia tải cho nhóm cọc giảm. Khi tăng số lƣợng cọc, phần trăm chia tải cho bè và tƣờng vây giảm, phân chia tải cho nhóm cọc tăng. 4.2. Hệ số phân chia tải của nhóm cọc và tƣờng vây Khả năng mang tải của móng bè cọc kết hợp tƣờng vây là từ ba thành phần bè, nhóm cọc và tƣờng vây. Trong đó nếu tƣờng vây không tham gia mang tải hoặc mang tải rất ít (αw = 0 đến 0.1) thì xem kết cấu móng là hệ móng bè - cọc, nếu nhóm cọc không tham gia mang tải hoặc mang tải rất ít (βp = 0 đến 0.1) thì xem kết cấu móng là hệ móng bè - tƣờng vây, trƣờng hợp tƣờng vây và các cọc cùng tham gia mang tải (αw > 0.1 và βp > 0.1) thì xem kết cấu móng là hệ móng bè cọc - tƣờng vây. Hình 8. uan hệ giữa hệ s phân chia tải của t ng vây αw và chiều dài t ng vây theo cự ly c c và nhóm c c, t i độ lún 0.08m. Theo hình 8, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m của các trƣờng hợp 3D, 6D, 9D, 4x4 cọc, 6x6 cọc, 8x8 cọc có hệ số αw < 0.1 khi đó kết cấu móng là móng bè cọc, tƣờng vây chỉ có một chức năng chính là chịu tải ngang do áp lực đất tác dụng ngang xung quanh tầng hầm. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 9 Hình 9. uan hệ giữa hệ s phân chia tải của nhóm c c βp và chiều dài t ng vây theo cự ly c c và nhóm c c, t i độ lún 0.08m. Theo hình 9, chiều dài tƣờng vây Lw = 36m của trƣờng hợp 9D, 4x4 cọc có hệ số βp = 0.07 < 0.1. Chiều dài tƣờng vây Lw = 46m của trƣờng hợp 9D, 6D, 4x4 cọc, 6x6 cọc có hệ số βp < 0.1 khi đó kết cấu móng là móng bè kết hợp tƣờng vây, tƣờng vây có hai chức năng là chịu tải ngang do áp lực đất tác dụng ngang xung quanh tầng hầm và chịu tải theo phƣơng đứng nhƣ các cọc. (a) (b) Hình 10. Mô hình làm việc của (a) hệ móng bè c c - t ng vây; (b) hệ móng bè - t ng vây Nhƣ hình 10, xét nhóm 4x4 cọc đƣờng kính cọc D = 0.5m, khoảng cách cọc 9D, chiều dài cọc Lp = 40m, tƣờng vây có chiều dày d = 0.6m, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m. Kết quả phân tích mô hình làm việc của hệ móng bè cọc – tƣờng vây và hệ móng bè – tƣờng vây nhƣ bảng 2. Bảng 2. So sánh móng bè cọc kết hợp thƣờng vây và móng bè kết hợp tƣờng vây Mô hình làm việc Khả năng mang tải Số lƣợng cọc Tổng thể tích bê tông cọc Q (kN) nc Vp (m 3 ) Hệ móng bè cọc - tƣờng vây 339532 16 126 Hệ móng bè - tƣờng vây 347400 0 0 Vậy khi có cùng chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, khả năng mang tải của hai phƣơng án móng bè cọc kết hợp tƣờng vây và móng bè kết hợp tƣờng vây tƣơng đƣơng với nhau, nhƣng phƣơng án móng bè kết hợp tƣờng vây có khối lƣợng bê tông móng ít hơn nên sẽ hiệu quả kinh tế. 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chiều dài tƣờng vây tác động mạnh mẽ đến sự phân chia tải trong hệ thống móng bè cọc kết hợp tƣờng vây. Phần trăm chia tải lên tƣờng vây tăng nhanh đồng thời sự phân chia tải lên các cọc giảm mạnh và phần trăm chia tải lên bè giảm ít khi chiều dài tƣờng vây tăng lên. Khoảng cách bố trí giữa các cọc cũng làm ảnh hƣởng đến sự phân chia tải trong móng, khoảng cách giữa các cọc từ 6D đến 9D làm tăng nhanh khả năng phân chia tải lên bè và tƣờng vây. Khi thiết kế móng bè cọc kết hợp tƣờng vây cho công trình dân dụng có từ hai tầng hầm trở lên, ngƣời thiết kế cần phải xem xét đến khả năng mang tải đứng của tƣờng vây để có phƣơng án móng hiệu quả và tiết kiệm nhất. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 10 Tƣờng vây đƣợc bố trí với yêu cầu ban đầu là chống đỡ áp lực đất theo phƣơng ngang khi thi công kết cấu móng tầng hầm và chân tƣờng vây đƣợc cắm sâu vào nền đất dƣới móng, ta cần phải kiểm tra thêm khả năng chịu tải đứng của tƣờng vây cùng tham gia chịu tải với các cọc để từ đó bố trí lại số lƣợng cọc phù hợp nhất. Trong trƣờng hợp điều kiện thi công hố đào sâu, yêu cầu chặn dòng thấm dƣới hố đào,... mà tƣờng vây phải cắm sâu có chiều dài tƣơng đƣơng với chiều dài của các cọc thì ta phải đánh giá lại khả năng mang tải của cọc, nếu hệ số chia tải của cọc βp ≤ 0.1 thì sẽ loại bỏ hết các cọc để chuyển sang phƣơng án móng bè kết hợp tƣờng vây. Để đánh giá đúng sự phân chia tải cho tƣờng vây và các cọc ta cần phải xét đầy đủ các yếu tố trên. Phƣơng pháp phân tích 3D bằng phần tử hữu hạn có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu nêu trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Randolph MF. Design methods for pile groups and piled rafts. In: Proc. 13th international conference on soil mechanics and foundation engineering, vol. 5, New Delhi, India; 1994. p. 61–82. 2. Clancy P, Randolph MF. Simple design tools for piled raft foundations. Geotechnique 1996;46(2):313–28. 3. Poulos HG. Piled raft foundations: design and applications. Geotechnique 2001;51(2): 95–113. 4. Horikoshi K, Randolph MF. Centrifuge modelling of piled raft foundations on clay. Geotechnique 1996;46(4):741–52 5. Katzenbach R, Arslan U, Moormann C. Piled raft foundation projects in Germany. Design Applications of Raft Foundations, Hemsley. Thomas Telford, London; 2000. p. 323–91 6. Yamashita K, Hamada J, Soga Y. Settlement and load sharing of piled raft of a 162m high residential tower. In: Proc. international conference on deep foundations and geotechnical in situ testing, Shanghai, China; 2010. p. 26–33. 7. Conte G, Mandolini A, Randolph MF. Centrifuge modeling to investigate the performance of piled rafts. In: Van Impe, editor. Proc. 4th international geotechnical seminar on deep foundation on bored and auger piles. Ghent: Millpress; 2003. p. 359–66 8. Liu JL, Yuan ZL, Shang KP. Cap-pile-soil interaction of bored pile groups. In: Proc. 11th 482 ICSMFE, San Francisco, vol. 3; 1985. p. 1433–6. 9. Cooke RW. Piled raft foundations on stiff clays: a contribution to design philosophy. Geotechnique 1986;36(2):169–203. Ng i phản biện: GS. NGUYỄN VĂN THƠ