Ước lượng hệ số điều chỉnh độ cứng của hệ móng bè - cọc - tường vây

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 20 ƯỚC LƯỢNG HỆ SỐ ĐIỀU CHỈNH ĐỘ CỨNG CỦA HỆ MÓNG BÈ - CỌC - TƯỜNG VÂY LÊ BÁ VINH * NGUYỄN NHỰT NHỨT, NGUYỄN VĂN NHÂN Estimating the adjusting coefficient of stiffness of piled raft foundation – diaphragm wall system Abstract: The piled raft foundation - diaphragm wall has three main components: rafts, piles and diaphragm walls that join the load. Plaxis 3D finite element analysis is performed with cases of varying raft size, number of piles, pile distance and length of the diaphragm wall. Load carrying capacity of rafts, piles and diaphragm walls that incorporated into a system becomes completely different from the raft, pile and diaphragm walls independently. The interaction analysis model is given with a coefficient of stiffness correction of the raft δr, the stiffness modulus of the pile group δp, the coefficient of stiffness of the diaphragm wall δw. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Hệ móng bè cọc - tường vây có ba thành phần chính là bè, các cọc và tường vây cùng tham gia mang tải. Các phân tích phần tử hữu hạn Plaxis 3D được thực hiện với các trường hợp thay đổi kích thước bè, số lượng cọc, khoảng cách cọc và chiều dài tường vây khác nhau. Khả năng mang tải của bè, các cọc và tường vây khi được kết hợp thành hệ móng bè cọc - tường vây, trở nên khác hoàn toàn với bè không cọc, nhóm cọc và tường vây làm việc độc lập. Mô hình phân tích sự tương tác được đưa ra với hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè δr, hệ số hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc δp, hệ số hiệu chỉnh độ cứng của tường vây δw. Các công trình nhà cao tầng có tầng hầm được xây dựng ngày càng nhiều trên thế giới, với công trình có tải trọng lớn và phải có sàn hầm thì phương án móng bè cọc là sự lựa chọn hàng đầu cho kết cấu móng của công trình. * Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. Email: lebavinh@hcmut.edu.vn Móng bè cọc là loại móng kết hợp khả năng mang tải của bè và nhóm cọc [1,2,3]. Một số trường hợp ví dụ đã được báo cáo cho việc áp dụng móng bè cọc vào các tòa nhà cao tầng [4,5,6]. Trong các công trình nhà cao tầng có tầng hầm, tường vây cọc barrette được thi công cắm sâu vào trong nền đất dưới đáy móng để chắn giữ áp lực đất theo phương ngang xung quanh hố đào sâu trong quá trình thi công móng bè cọc và các tầng hầm, tường vây liên kết với bè, các sàn tầng hầm tạo thành một hệ thống móng bè cọc - tường vây. Trong các nghiên cứu, hiện nay chỉ xem xét khả nang tải của hệ bè cọc mà chưa xem xét đến khả năng mang tải đứng của tường vây, cũng như sự ảnh hưởng tương tác của tường vây và bè cọc trong mô hình làm việc chung của hệ móng bè cọc kết hợp tường vây [7,8,9]. Trong nghiên cứu này, một loạt các mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D được thực hiện trên các phương án móng khác nhau về: Kích thước móng, số lượng cọc, khoảng cách giữa các cọc và chiều dài tường vây. Mục đích để khảo sát sự ảnh hưởng của số lượng cọc, khoảng cách giữa các ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 21 cọc, chiều dài tường vây đến sự tương tác phân chia tải cho bè, các cọc và tường vây, cũng như sự suy giảm độ cứng của bè, nhóm cọc và độ cứng của tường vây khi chúng làm việc trong hệ bè - cọc - tường vây. Kết quả nghiên cứu này giúp cho các kỹ sư có những định hướng trong việc lựa chọn số lượng cọc, khoảng cách giữa các cọc và chiều dài tường vây để tải trọng được chia sẽ cho tường vây và bè là lớn nhất, qua đó có thể giảm bớt tối đa số lượng cọc không cần thiết và có thể hướng đến phương án móng bè kết hợp tường vây khi hệ số hiệu chỉnh của nhóm cọc δp ≤ 0.1. 2. ỨNG XỬ TƯƠNG TÁC CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƯỜNG VÂY  Tương tác cọc – đất;  Tương tác cọc – cọc;  Tương tác bè – đất;  Tương tác bè – cọc; Hình 1. Hiệu ứng tương tác giữa đất và cấu trúc trong móng cọc đài bè của Katzenbach et al. (1998) and Katzenbach et al. (2000). Móng bè cọc là một hệ móng kết hợp từ ba thành phần chịu lực như là: cọc, bè và đất nền bên dưới như 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 – tường vây là rất phức tạp do các ảnh hưởng tương tác thay đổi theo độ lún và chiều dài tường vây như hình 2. raft pile diaphragm wall 1 23 4 5 6 7  Tương tác cọc – đất;  Tương tác bè – đất;  Tương tác tường vây – đất;  Tương tác cọc – cọc.  Tương tác bè – cọc;  Tương tác tường vây – cọc;  Tương tác tường vây – bè. Hình 2. Ứng xử tương tác của hệ móng bè cọc - tường vây. Khả năng mang tải của hệ móng bè cọc - tường vây bao gồm ba thành phần là: bè, nhóm cọc, tường vây. wprrpw QQQQ  (2) trong đó Qrpw = khả năng mang tải của hệ móng bè cọc - tường vây; Qr = khả năng mang tải của bè; Qp = khả năng mang tải của nhóm cọc; Qw = khả năng mang tải của tường vây. Khả năng mang tải Qr và Qp cũng như Qw của hệ móng bè cọc - tường vây sẽ khác với khả năng mang tải của bè không cọc và nhóm cọc cũng như tường vây trong mô hình làm việc riêng lẽ như (Hình 3. b; c; d). Công thức (2) được viết lại như sau: uwwgppurrrpw QQQQ ...   (3) trong đó Qur = khả năng mang tải của bè không cọc làm việc độc lập; Qgp = khả năng mang tải của nhóm cọc làm việc độc lập; Quw = khả năng mang tải của tường vây làm việc độc lập; ηr = hệ số mang tải của bè = Qr/Qur; ηp = hệ số mang tải của nhóm cọc = Qp/Qgp; ηw = hệ số mang tải của tường vây = Qw/Quw. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 22 Q p Q r Q w Q rpw =Q r+Q p+Q w Q g p (a) (c) Q ur Q uw (b) (d) Hình 3. Mô hình làm việc (a) hệ móng bè cọc - tường vây; (b) bè không cọc; (c) nhóm cọc; (d) tường vây. Thực tế các tương tác của bè, các cọc và tường vây thay đổi theo chiều dài tường vây, đường kính cọc, khoảng cách cọc, số lượng cọc và độ lún của hệ móng. Độ cứng của hệ móng bè cọc - tường vây được tính như sau: wwpprrrpw kkkk   (4) trong đó krpw = độ cứng của hệ móng bè cọc – tường vây; kr = độ cứng của bè; kp = độ cứng của nhóm cọc; kw = độ cứng của tường vây; δr = hệ số điều chỉnh độ cứng của bè do sự tương tác của các cọc và tường vây; δp = hệ số điều chỉnh độ cứng của nhóm cọc do sự tương tác của bè và tường vây; δw = hệ số điều chỉnh độ cứng của tường vây do sự tương tác của bè và các cọc. Giả thuyết tại cao độ đài bè, bè và các cọc, tường vây có cùng độ lún Srpw. Khi quan hệ của cấp tải P và độ lún S trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính, hệ số điều chỉnh độ cứng cũng chính là hệ số điều chỉnh độ lún. wprrpw SSSS  w dw p gp r ur rpw SSS S   (5) với Sr = độ lún của bè trong hệ bè - cọc - tường vây; Sp = độ lún của nhóm cọc trong hệ bè - cọc - tường vây; Sw = độ lún của tường vây trong hệ bè - cọc - tường vây; Srpw = độ lún của hệ bè - cọc - tường vây; Sur = độ lún của bè không cọc làm việc độc lập; Sgp = độ lún của nhóm cọc làm việc độc lập; Sdw = độ lún của tường vây làm việc độc lập. Tải phân chia cho bè, nhóm cọc và tường vây được xác định như sau: rpw rpw rr r P k k P   (6) rpw rpw pp p P k k P   (7) prrpww PPPP  rpw rpw pp rpw rr P k k k k           1 (8) Để xác định các hệ số hiệu chỉnh cần xác định tải phân chia cho bè Pr , tải phân chia cho nhóm cọc Pp , độ cứng của bè kr , độ cứng nhóm cọc kp , độ cứng của tường vây kw và độ cứng của hệ móng bè cọc - tường vây krpw cho mỗi trường hợp. Sau đó, giá trị δr xác định từ công thức (6). Lấy giá trị δp xác định từ công thức (7). Giá trị δw xác định được từ công thức (8). 3. PHÂN TÍCH SỐ MÓNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƯỜNG VÂY 3.1 Mô hình phần tử hữu hạn Phần mềm Plaxis 3D được sử dụng trong phân tích, ứng xử phân chia tải của hệ móng. Các mô phỏng được xem xét bao gồm móng bè cọc kết hợp tường vây, nhóm cọc, bè không cọc, tường vây như hình 4. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 23 RPW Lp Lw GP Lp 0.05m (a) (b) UW DW Lw 0.05m (c) (d) Hình 4. Mô hình làm việc của (a) hệ bè – cọc – tường vây; (b) nhóm cọc; (c) bè không cọc; (d) tường vây Bè - cọc - tường vây được mô hình trong Plaxis 3D bao gồm các nhóm cọc sau: 4x4; 6x6 và 8x8. Đường kính cọc dp = 0.5m bê tông có cấp độ bền B50 cho tất cả các cọc, chiều dài cọc Lp = 40m. Khoảng cách cọc trong mỗi nhóm được xem xét: 3dp; 6dp; 9dp. Tường vây dày 0.6m bê tông có cấp độ bền B50, chiều dài tường vây xem xét: Lw = 6m; Lw = 16m; Lw = 26m; Lw = 36m; Lw = 46m. Các kính thước của bè không cọc, nhóm cọc và tường vây tương tự như móng bè cọc kết hợp tường vây. Mô hình điển hình trong Plaxis 3D sử dụng để mô phỏng bè - cọc - tường vây như hình 5. Hình 5. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn móng bè cọc kết hợp tường 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 được mô phỏng với mô hình Hardening Soil. Chi tiết thông số mô hình được chỉ dẫn trong PLAXIS 3D manuals. Tóm tắc các thông số vật liệu đất được sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn như bảng 1. Bảng 1. Thông số lớp đất của mô hình Hardening Soil sử dụng trong phân tích Lớp đất Lớp cát Trọng lượng riêng tự nhiên γunsat (kN/m 3) 18 Trọng lượng riêng đất no nước γsat (kN/m 3) 19 Mô đun cát tuyến xác định từ nén 3 trục, áp lực buồng pref E50 ref (kN/m2) 18000 Mô đun tiếp luyến xác định từ nén 1 trục không nở hông Eoed (kN/m 2) 18000 Mô đun đường 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 pref (kN/m2) 100 Độ đáy lớp (m) 100 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 24 4. HỆ SỐ TƯƠNG TÁC CỦA BÈ - NHÓM CỌC - TƯỜNG VÂY (a) Bè. (b) Nhóm cọc. (c) Tường vây. Hình 6. Quan hệ giữa hệ số tương tác của bè δr, nhóm cọc δp, tường vây δw và cự ly cọc theo nhóm cọc và chiều dài tường vây. Theo hình 6, hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè, nhóm cọc, tường vây thay đổi theo khoảng cách cọc, đường kính, số lượng cọc và chiều dài tường vây. Hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè tăng khi khoảng cách giữa các cọc tăng và hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè tăng nhanh khi chiều dài tường vây giảm, số lượng cọc ít. Theo (Hình 6. a) nhóm 4x4 cọc, chiều dài tường vây Lw = 6m, khoảng cách giữa các cọc tăng từ 3D lên 9D có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè tăng 35%. Nhóm 4x4 cọc, khoảng cách giữa các cọc 3D chiều dài tường vây tăng từ Lw = 6m lên Lw = 46m có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè giảm 44%. Chiều dài tường vây Lw = 6m, khoảng cách giữa các cọc 3D, nhóm cọc tăng từ 4x4 cọc lên 8x8 cọc có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè giảm 56%. Vậy khi tăng khoảng cách cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng của bè tăng. Khi tăng chiều dài tường vây, tăng số lượng cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng của bè giảm. Theo (Hình 6. b) nhóm 4x4 cọc, chiều dài tường vây Lw = 6m, khoảng cách giữa các cọc tăng từ 3D lên 9D có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc giảm 39%. Nhóm 4x4 cọc, khoảng cách giữa các cọc 3D chiều dài tường vây tăng từ Lw = 6m lên Lw = 46m có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc giảm 82%. Chiều dài tường vây Lw = 6m, khoảng cách giữa các cọc 9D, nhóm cọc tăng từ 4x4 cọc lên 8x8 cọc có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc tăng 23%. Vậy khi tăng số lượng cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng của nhóm cọc tăng. Khi tăng chiều dài tường vây, tăng khoảng cách cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng của nhóm cọc giảm. Theo (Hình 6. c) nhóm 8x8 cọc, chiều dài tường vây Lw = 6m, khoảng cách giữa các cọc tăng từ 3D lên 9D có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của tường vây tăng 67%. Nhóm 8x8 cọc, khoảng cách giữa các cọc 3D chiều dài tường vây tăng từ Lw = 6m lên Lw = 46m có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của tường vây tăng 89%. Chiều dài tường vây Lw = 6m, khoảng cách giữa các cọc 9D, nhóm cọc tăng từ 4x4 cọc lên 8x8 cọc có hệ số hiệu chỉnh độ cứng độ cứng của tường vây tăng 42%. Vậy khi tăng chiều dài tường vây, tăng khoảng cách cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng của tường vây tăng. Khi tăng số lượng cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng của tường vây cũng tăng, do chu vi của tường vây tăng lên. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 25 (a) Bè. (b) Nhóm cọc. (c) Tường vây. Hình 7. Quan hệ giữa hệ số tương tác của bè δr, nhóm cọc δp, tường vây δw và số lượng cọc theo các cự ly cọc và chiều dài tường vây. Theo (Hình 7. a), hệ số điều chỉnh độ cứng của bè giảm nhanh khi tăng số lượng cọc, xét trên cùng khoảng cách cọc 9D, chiều dài tường vây Lw = 6m. Theo (Hình 7. b), Hệ số điều chỉnh độ cứng của nhóm cọc tăng nhanh khi tăng số lượng cọc, xét trên cùng khoảng cách cọc 9D, chiều dài tường vây Lw = 6m. Theo (Hình 7. c), Hệ số điều chỉnh độ cứng của tường vây tăng ít khi tăng số lượng cọc làm tăng chu vi tường vây, xét trên cùng khoảng cách cọc 9D, chiều dài tường vây Lw = 6m. (a) Tường vây. (b) Nhóm cọc. (c) Bè. Hình 8. Hệ số hiệu chỉnh độ cứng của (a) tường vây theo tỷ số kw/krpw; (b) nhóm cọc theo tỷ số kp/krpw; (c) bè theo tỷ số kr/krpw. Theo hình 8, hệ số hiệu chỉnh độ cứng của tường vây, nhóm cọc và bè thay đổi rất phức tạp. (Hình 8. a) hệ số hiệu chỉnh độ cứng của tường vây thay đổi từ 0.07 đến 0.88. (Hình 8. b) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 26 hệ số hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc thay đổi từ 0.01 đến 0.9. (Hình 8. c) hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè thay đổi từ 0.1 đến 1. Ta thấy hệ số hiệu chỉnh độ cứng của tường vây, nhóm cọc và bè thay đổi rất rộng, sự tương tác của nhóm cọc, tường vây và bè có sự tương quan tương đối theo đường bậc hai giữa hệ số hiệu chỉnh độ cứng và tỷ số độ cứng kw/krpw, kp/ krpw, kr/ krpw. 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Móng bè cọc kết hợp tường vây gồm có nhóm cọc, bè, tường vây cùng tham gia chịu tải và tương tác với nhau, tương tác với đất nền. Theo quan niệm thiết kế hiện nay chỉ tập trung vào khả năng mang tải của nhóm cọc và bè mà bỏ qua khả năng mang tải của tường vây trong trường hợp chiều dài tường vây lớn và nằm trong lớp đất tốt, như vậy là không phù hợp với mô hình làm việc chung đồng thời, nên số lượng cọc bố trí rất nhiều. Trong thiết kế sơ bộ độ cứng của móng bè cọc kết hợp tường vây krpw có thể tính toán ước lượng ban đầu từ các độ cứng của bè, nhóm cọc và tường vây riêng biệt thông qua các hệ số điều chỉnh δr, δp, δw ở hình 8. 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. Người phản biện: PGS,TS. NGUYỄN VĂN DŨNG