Phân tích ảnh hưởng tương tác của tường vây và nhóm cọc trong hệ móng bè cọc - tường vây

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, phân tích đối chiếu với công trình thực “Messeturm building” ở Frankfurt nước Đức. Một loạt các mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D được thực hiện cho các phương án móng khác nhau về khoảng cách giữa nhóm cọc và chiều dài tường vây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phân tích ảnh hưởng tương tác của tường vây và nhóm cọc trong hệ móng bè cọc - tường vây

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC CỦA TƯỜNG VÂY VÀ NHÓM CỌC TRONG HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY NGUYỄN NHỰT NHỨT * LÊ BÁ VINH, TÔ LÊ HƢƠNG Analysis of interaction effects of the diaphragm wall and the pile group in Piled raft foundations - Diaphragm wall. Abstract: High-rise buildings with basements, Barrette pile diaphragm walls are constructed deeply into the ground at the bottom of the foundation to hold the soil, subject to horizontal soil pressure during the construction of deep excavation pits, foundation construction pile raft and basement floor, at the same time the diaphragm wall combined with raft and basement floor form a system of "Pile raft foundation - Diaphragm wall" (PRF-Dw). In this study, comparative analysis with real works "Messeturm building" in Frankfurt Germany. A series of finite element analysis simulations using Plaxis 3D software was performed for different foundations of distance between pile group and diaphragm wall length. The results of this study give the designer an overall view and properly assess the vertical load capacity of the diaphragm wall, proving that the optimal distance of the boundary piles and diaphragm walls is equal to or greater than 5 times the road diameter of boundary pile (Sw ≥ 5dp). The behavior of load sharing in the system "Piled raft foundations - Diaphragm wall" (PRF-Dw), load-sharing for the pile group from 45% to 55%, load-sharing for the raft from 20% to 25% and load-sharing for the diaphragm wall from 20% to 35%. Keywords: Reinforced concrete sluices, numerical analysis, piled raft foundation, PLAXIS 3D. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * năng mang tải của bè và cọc mà chưa xem xét Móng bè - cọc là loại móng kết hợp khả năng đến khả năng mang tải đứng của tường vây, cũng mang tải của bè và nhóm cọc [1], [2], [3]. Một như sự ảnh hưởng tương tác của tường vây và số trường hợp áp dụng móng bè cọc cho các tòa nhóm cọc trong mô hình làm việc chung trong hệ nhà cao tầng trên thế giới [Bảng 1]. “Móng bè cọc - Tường vây" [4], [5], [6]. Các công trình nhà cao tầng có tầng hầm, Trong nghiên cứu này, phân tích đối chiếu tường vây cọc Barrette được thi công cắm sâu với công trình thực “Messeturm building” ở vào nền đất dưới đáy móng để chắn giữ đất, và Frankfurt nước Đức. Một loạt các mô phỏng chịu áp lực đất theo phương ngang trong giai phân tích phần tử hữu hạn bằng phần mềm đoạn thi công hố đào sâu, thi công hệ móng bè Plaxis 3D được thực hiện cho các phương án cọc và sàn tầng hầm, đồng thời tường vây liên móng khác nhau về khoảng cách giữa nhóm cọc kết với bè và sàn tầng hầm tạo thành một hệ và chiều dài tường vây. Khảo sát sự ảnh hưởng “Móng bè cọc - Tường vây” (PRF-Dw) [Hình 2]. tương tác của tường vây và nhóm cọc, khoảng Trong các nghiên cứu, hiện nay chỉ xem xét khả cánh và chiều dài tường vây đến sự tương tác phân chia tải cho bè, nhóm cọc và tường vây. * Bộ môn Địa cơ – Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Kết quả nghiên cứu này giúp cho người thiết kế Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia đánh giá đúng khả năng mang tải đứng của Thành Phố Hồ Chí Minh. Email: nguyennhutnhut@hcmut.edu.vn tường vây, biết được khoảng cách tối ưu của ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 51
hàng cọc biên và tường vây, qua đó có thể giảm phương án “Móng bè cọc - Tường vây" tối ưu bớt số lượng cọc không cần thiết và hướng đến và tiết kiệm nhất. Bảng 1: Bảng tổng hợp một số công trình trên thế giới sử dụng giải pháp móng bè cọc Truyền tải (%) Độ lún lớn nhất STT Công trình Chiều cao, tầng Cọc Bè Smax (mm) 1 Messeturn, Frankfurt 256m, 60 tầng 57 43 144 2 Westend 1, Frankfurt 208m, 53 tầng 49 51 120 3 Commerzbank, Frankfurt (PF) 259m, 56 tầng 96 4 19 4 Skyper, Frankfurt 153m, 38 tầng 63 27 55 5 Messe-Torhaus, Frankfurt 130m, 30 tầng 75 25 N.A. 6 Treptower, Berlin 125m, 32 tầng 55 45 73 7 QV1, Perth, West Australia 163m, 40 tầng 70 30 40 8 Petronas, Kuala Lampur (PF) 450m, 88 tầng 85 15 40 Ghi chú: (PF) Giải pháp móng bè cọc; (D) Phân phối tải theo tính toán; N.A.= Không có thông tin. 2. ỨNG XỬ TƢƠNG TÁC CỦA HỆ cọc; Qw = khả năng mang tải của tường vây. MÓNG BÈ CỌC - TƢỜNG VÂY Khả năng mang tải của Móng bè cọc - Tường Móng bè cọc là một hệ móng kết hợp từ hai vây là sự kết hợp từ khả năng mang tải của bè, thành phần: nhóm cọc và bè [Hình 1]. Tổng nhóm cọc và khả năng mang tải của tường vây, phản lực của móng bè cọc Rtotal: ứng xử phân chia tải được mô tả bằng hệ số phân chia tải của tường vây là α w và hệ số phân Rtotal  Rraft   Rpile,i  Stot (1) chia tải của nhóm cọc là βp , áp dụng cho tổng tải tác dụng lên hệ móng bè cọc - tường vây được đưa ra như sau: Ứng xử phân chia tải cho Bè – Nhóm cọc – Tường vây là rất phức tạp do các ảnh hưởng Qw tương tác trong móng [Hình 2]. Khả năng mang w  (3) tải của Móng bè cọc - Tường vây gồm ba thành Qrpw phần: bè, nhóm cọc, tường vây. Qp p  (4) Qrpw Qrpw  Qr  Q p  Qw (2) trong đó, Qw = khả năng mang tải của tường trong đó, Qrpw = khả năng mang tải của hệ vây; Qp = khả năng mang tải của nhóm cọc; móng bè cọc - tường vây; Qr = khả năng mang Qrpw = khả năng mang tải của hệ Móng bè cọc - tải của bè; Qp = khả năng mang tải của nhóm Tường vây. 52 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020
diaphragm wall raft 3 2 5 7 6 4 1 pile  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;  Tương tác cọc – đất;  Tương tác cọc –  Tương tác tường vây – tường vây. cọc;  Tương tác bè – đất;  Tương tác bè – cọc; Hình 1: Hiệu ứng tương tác giữa đất và cấu Hình 2: Ứng xử tương tác của hệ Móng trúc trong móng cọc đài bè của Katzenbach et bè cọc - Tường vây. al. (1998) and Katzenbach et al. (2000). 3. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng điều này 3.1 Phân tích tham số mô hình thực cho việc áp dụng một khối kiến trúc gộp lại Công trình tòa tháp Messeturm được xây vào đơn vị móng (Tabesh và Poulos 2007; dựng trên nền đất Sét Frankfurt nước Đức. Castelli và Maugeri 2009). Công trình có chiều cao 256m, kết cấu móng công trình là móng bè cọc với kích thước bè là Bảng 2: Thông số mô hình bè và hình vuông có bề rộng 58.8m, chiều dày bè cọc nhập vào phần mềm Plaxis 3D thay đổi từ 6 m ở giữa đến 3 m ở cạnh móng, (Dữ liệu từ Reul 2000) tổng số 64 cọc có đường kính cọc đều nhau là 1.3 m nhưng chiều dài cọc thay đổi. Cọc được Ký hiệu Tham số Bè Cọc bố trí thành mô hình 3 vòng. Vòng trong gồm / đơn vị có 16 cọc với chiều dài cọc là 34.9 m, vòng Trong lượng γ 25 25 giữa gồm có 20 cọc với chiều dài cọc là 30.9 riêng (kN/m3) m, và vòng ngoài gồm có 28 cọc với chiều dài Mô đun đàn E 34106 25106 cọc là 26.9 m [Hình 3]. Tổng tải trọng 1818.7 hồi (kN/m2) MN, bao gồm trọng lượng tòa nhà và trọng Hệ số lượng bản thân bè, áp dụng với dạng áp lực  0,2 0,2 Poisson thẳng đứng lên trên móng bè cọc (Reul 2000). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 53
256 m Hình 3: Tòa tháp Messeturm và mô hình bố trí cọc (phỏng theo Katzenbach at al. 2005) Hình 4: Mô hình móng bè cọc trong phần mềm Plaxis 3D Bảng 3: Thông số mô hình đất Sét Frankfurt và sỏi sạn, cát nhập vào phần mềm Plaxis 3D (Dữ liệu từ Berth 1970 và Reul 2000) Tham số Ký hiệu / đơn vị Sỏi sạn và cát Sét Frankfurt Chiều dày lớp đất L (m) 8 90 Dung trọng tự nhiên γunsat (kN/m3) 18,00 19,00 Dung trọng bão hòa γsat (kN/m3) 18,19 19,00 Độ cứng cát tuyến E50 ref (kN/m2) 75103 70103 54 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020
Tham số Ký hiệu / đơn vị Sỏi sạn và cát Sét Frankfurt Độ cứng tiếp tuyến Eoed ref (kN/m2) 75103 70103 Độ cứng dỡ tải / gia tải lại Eur ref (kN/m2) 225103 210103 Hệ số năng lượng m 0,5 0,85 Ứng suất tham chiếu Pref (kN/m2) 100 100 Lực dính c‟ref (kN/m2) 0 20 Góc nội ma sát φ‟ (độ) 30 20 Hệ số rỗng ban đầu einit 0,5 0,65 Hệ số thấm ngang kx = ky (m/ngày) 1 0,518410-3 Hệ số thấm đứng Kz (m/ngày) 1 0,259210-3 Hệ số tiếp xúc Rinter 1 0.8 Hình 5: Độ lún của móng bè cọc thu Hình 6: Độ lún của móng bè cọc thu được được thông qua Plaxis 3D thông qua Plaxis 3D Bảng 4: Kết quả phân chia tải thông qua Plaxis 3D và kết quả đo đƣợc tại hiện trƣờng Tổng tải trọng công tình (kN) 1818700 Móng bè cọc Cọc Bè Phân chia tải (kN) 1010052 808648 Kết quả thu được thông qua Plaxis 3D Truyền tải (%) 56 44 Kết quả đo được tại hiện trường Truyền tải (%) 57 43 Qua phân tích phần tử hữu hạn Plaxis 3D 3D cho thấy phần trăm truyền tải lên cọc là [Hình 4], [Hình 5], cho thấy độ lún lớn nhất của 56%, bè là 44% và thực tế tại hiện trường đo móng bè cọc thu được là 149.5 mm và độ lún đo được phần trăm truyền tải lên cọc là 57%, bè là được tại hiện trường vào ngày 17/12/1998 là 43% [Bảng 4]. So sánh kết quả phân tích thu 144 mm [Hình 6]. Kết quả phân tích trên Plaxis được từ Plaxis 3D và kết quả đo được tại hiện ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 55
trường có sự tương đồng về độ lún và ứng xử được kiểm chứng là hợp lý, cả về định tính và phân chia tải giữa bè – cọc. định lượng, do đó xác nhận mô hình số hiện tại Từ các kết quả phân tích tải tĩnh, ta quan [Hình 7]. Để phân tích ảnh hưởng tương tác của sát thấy rằng kết quả phân tích từ phần tử hữu tường vây và nhóm cọc trong hệ Móng bè cọc - hạn của Plaxis 3D mô phỏng các phép đo tại Tường vây, tác giả tiến hành khảo sát khoảng chỗ một cách hợp lý, cả về định tính và định cách và chiều dài tường vây đến ảnh hưởng đến lượng, vì vậy xác nhận mô hình số hiện tại. sự phân chia tải cho bè, nhóm cọc và tường vây Do đó, cùng một mô hình số sẽ được tác giả [Hình 8] và [Bảng 5]. Tường vây là một hệ các sử dụng để phân tích ứng xử của móng bè cọc cọc barrette riêng biệt được bố trí gài với nhau, của Tháp Messeturm trong các điều kiện tải vì vậy mà độ cứng của hệ tường vây chỉ làm tĩnh khác nhau. việc theo phương đứng, mô men kháng uốn của 3.2 Phân tích mô hình Móng bè cọc - Tường vây theo phương ngang bằng không Tƣờng vây [Hình 9]. Tường vây được mô phỏng trên Plaxis Xuất phát từ mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D là kết cấu tấm với loại vật việu bất đẳng 3D của móng bè cọc của Tháp Messeturm đã hướng [Hình 10]. Bảng 5: Tham số mô hình phân tích ảnh hƣởng tƣơng tác của Móng bè cọc - Tƣờng vây Tham số Ký hiệu Giá trị Chiều dày bè như [Hình 3] dR (m) 6÷3 Đường kính cọc như [Hình 3] dP (m) 1,3 Chiều dài cọc như [Hình 3] LP (m) 26,9 ÷ 30,9 ÷ 34,9 Chiều dày tường vây dW (m) 0,8 1dP ; 2dP ; 3dP ; 4dP ; 5dP Khoảng cách giữa cọc vòng ngoài và tường vây SW (m) ; 6dP ; 7dP ; 8dP Khoảng cách giữa các vòng cọc SP (m) 5dP Chiều dài tường vây LW (m) 5; 10 ; 15 ; 20 ; 25 ; 30 Hình 7: Mô hình Móng bè cọc Hình 8: Mô hình Móng bè cọc - Tường vây của Tháp Messeturm 56 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020
Hình 9: Mô hình Tường cọc Barrette quy đổi Hình 10: Mô hình Móng bè cọc - Tường vây tương đương trên Plaxis 3D trên Plaxis 3D 4. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MÓNG BÈ khoảng cách Sw > 5dp thì phần trăm truyền tải CỌC - TƢỜNG VÂY lên bè gần như không thay đổi và có sưu hướng Trên [Hình 11], phần trăm truyền tải lên tăng khi chiều dài tường vây Lw ≤ 10m. nhóm cọc tăng khi khoảng cách giữa tường vây Phân chia tải trọng của công trình lên tường và cọc biên Sw < 5dp , khi khoảng cách giữa vây trong hệ móng bè cọc là rất lớn, khi khoảng tường vây và cọc biên S w > 5dp thì phần trăm cách của tường vây với cọc biên S w ≥ 5dp và truyền tải lên nhóm cọc không tăng và có sưu chiều dài tường vây Lw ≥ 0.5LP , phân chia tải hướng giảm. Trên [Hình 12], phần trăm truyền cho nhóm cọc 45% đến 55%, phân chia tải cho tải lên tường vây tăng khi khoảng cách giữa cho bè 20% đến 25% và phân chia tải cho tường tường vây và cọc biên Sw tăng lên, tường vây vây 20% đến 35%. Độ lún của Móng bè cọc – góp phần tham gia mang tải hiệu quả ở chiều dài Tường vây có khoảng cách tường vây với cọc tường vây Lw ≥ 10m và khoảng cách giữa tường biên Sw ≥ 5dp và chiều dài tường vây Lw ≥ 0.5LP vây và cọc biên S w ≥ 5dp. Trên [Hình 13], phần là tương đồng với nhau, độ lún giảm dần và trăm truyền tải lên bè giảm khi khoảng cách cùng đạt giá trị độ lún bằng 138mm khi chiều giữa tường vây và cọc biên Sw < 5dp , khi dài tường vây Lw = LP , [Hình 14]. Hình 11: Biểu đồ truyền tải lên nhóm cọc theo Hình 12: Biểu đồ truyền tải lên tường vây theo khoảng cách tường vây và cọc biên, với các khoảng cách tường vây và cọc biên, với các chiều dài tường vây khác nhau chiều dài tường vây khác nhau ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 57
Hình 13: Biểu đồ truyền tải lên bè theo khoảng Hình 14: Biểu đồ độ lún của móng bè cọc – cách tường vây và cọc biên, với các chiều dài tường vây theo chiều dài tường vây, với khoảng tường vây khác nhau cách tường vây và cọc biên khác nhau Hình 15: Biểu đồ truyền tải lên Bè - Hình 16: Biểu đồ truyền tải lên Bè - Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách tường tường vây và cọc biên Sw = 1dp , với các chiều vây và cọc biên Sw = 4dp , với các chiều dài dài tường vây khác nhau tường vây khác nhau Hình 17: Biểu đồ truyền tải lên Bè - Hình 18: Biểu đồ truyền tải lên Bè - Nhóm cọc – Tường vây theo khoảng cách Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách tường tường vây và cọc biên Sw = 5dp , với các chiều vây và cọc biên Sw = 8dp , với các chiều dài dài tường vây khác nhau tường vây khác nhau 58 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020
biến động không nhiều và bằng khoảng 14500 kN, sức chịu tải của cọc biên giảm 5%. Để trách sự ảnh hưởng tương tác của tường vây đến khả năng chịu tải của cọc biên thì khoảng cách giữa cọc biên và tường vây càng xa nhau càng tốt, nhưng qua những phân tích trên thì khi khoảng cách giữa cọc biên và tường vây S w ≥ 5dp thì tải tác dụng lên đầu cọc biên tăng lên không nhiều, tức là ảnh hưởng tương tác giữa cọc biên và tường vây là Hình 19: Biểu đồ lực dọc trong cọc biên với nhỏ nhất. chiều dài tường vây Lw = 15 m, theo độ sâu và 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ khoảng khoảng cách của tường vây và cọc biên Trong hệ Móng bè cọc - Tường vây, ứng xử (đường kính cọc dp = 1.3 m) phân chia tải cho Nhóm cọc từ 45% đến 55%, phân chia tải cho cho Bè 20% đến 25% và phân So sánh biểu đồ truyền tải của Móng bè cọc chia tải cho Tường vây 20% đến 35%. Để tường – Tường vây [Hình 15], [Hình 16], [Hình 17], vây làm việc hiệu quả, tường vây tham gia gánh [Hình 18], phần trăm chuyền tải lên bè giảm tải trọng công trình tốt nhất là khi chiều dài của nhiều và phần trăm truyền tải lên nhóm cọc tường vây lớn hơn hoặc bằng phân nữa chiều giảm rất ít khi tăng chiều dài tường vây L w = dài của nhóm cọc (Lw ≥ 0.5Lp). (5 † 10)m. Điều đặc biệt là khi chiều dài Khoảng cách giữa Tường vây và cọc biên có tường vây L w ≥ 15m, tức là chiều dài tường tác động lớn đến ứng xử phân chia tải trong hệ vây lớn hơn hoặc bằng 1/2 lần chiều dài của Móng bè cọc - Tường vây. Để tránh hiệu ứng nhóm cọc thì phần trăm chia tải lên bè gần nhóm cọc và tường vây làm cho khả năng chịu như không thay đổi, lúc này chỉ có nhóm cọc tải của cọc biên làm việc không hiệu quả thì và tường vây là ảnh hưởng tương tác phân khoảng cách giữa tường vây và cọc biên làm chia tải với nhau. việc tối ưu là lớn hơn hoặc bằng 5 lần đường Khảo sát lực dọc của cọc biên có cùng kích kính cọc biên (Sw ≥ 5dp). thước, khoảng cách trong mô hình Móng bè cọc Tường vây trong hệ Móng bè cọc - Tường và Móng bè cọc – Tường vây [Hình 19], ta thấy vây góp phần làm giảm độ lún của bè, tường tải tác dụng lên đầu cọc là 15280 kN cho trường vây tham gia mang tải, phân bố lại biên dạng hợp Móng bè cọc không có tường vây và khi có lún trong đất dưới móng trong phạm vi chiều dài sự tham gia gánh tải của tường vây cách cọc tường vây và làm mở rộng diện tích truyền tải biên Sw = 1dp thì tải tác dụng lên đầu cọc là lên nền đất dưới chân tường vây góp phần làm 10822 kN, như vậy là sức chịu tải của cọc biên giảm độ lún trong nền đất bên trong tường vây. bị giảm 30% do sự tham gia gánh tải của tường Trong trường hợp thiết kế Móng bè cọc cho vây và ảnh hưởng tương tác của cọc biên với công trình có tầng hầm và buộc phải thi công tường vây. Nhưng khi tăng khoảng cách của tường vây hố đào để thi công hệ kết cấu móng, tường vây và cọc biên lên Sw = 5dp thì giá trị tải người thiết kế cần thiết kế tổng thể khả năng tác dụng lên đầu cọc là 14200 kN, sức chịu tải chịu tải ngang và mang tải đứng của hệ tường của cọc biên giảm 7%. Đồng thời khi tăng vây nhầm tận dụng tối đa khả năng mang tải của khoảng cách của cọc và tường vây lên S w = 6dp, tường vây trong hệ kết cấu móng mới “Móng bè Sw = 7dp, Sw = 8dp thì tải tác dụng lên đầu cọc cọc - Tường vây”. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 59
Nghiên cứu này được tài trợ bởi trường Đại [3] Poulos HG. Piled raft foundations: Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành design and applications. Geotechnique Phố Hồ Chí Minh trong khuôn khổ đề tài mã số 2001;51(2):95–113. T-KTXD-2019-83. [4] Katzenbach R, Schmitt A. High - Rise Buildings in Germany Soil - Structure Lời cảm ơn Interaction of Deep Foundations. Fifth Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách International Conference on Case Histories in Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ thời gian, phương Geotechnical Engineering New York, NY, April tiện và cơ sở vật chất cho nghiên cứu này. 13-17, 2004. TÀI LIỆU THAM KHẢO [5] Sales MM, Small JC, Poulos HG. Compensated piled rafts in clayey soils: [1] Randolph MF. Design methods for pile behaviour, measurements, and predictions. Can. groups and piled rafts. In: Proc. 13th Geotech. J. Vol. 47, 2010. p. 327–345. international conference on soil mechanics and [6] Kumar A, Choudhury D, Katzenbach foundation engineering, vol. 5, New Delhi, R: Effect of Earthquake on Combined Pile– India; 1994. p. 61–82. Raft Foundation. International Journal of [2] Clancy P, Randolph MF. Simple design Geomechanics, © ASCE, ISSN 1532-3641; tools for piled raft foundations. Geotechnique 1996;46(2):313–28. 2016. p. 040613-1– 040613-16. Người phản biện: PGS, TS. NGUYỄN VĂN DŨNG 60 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020