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

ƯỚC LƯỢNG HỆ SỐ ĐIỀU CHỈNH ĐỘ CỨNG CỦA<br /> HỆ MÓNG BÈ - CỌC - TƯỜNG VÂY<br /> <br /> LÊ BÁ VINH *<br /> NGUYỄN NHỰT NHỨT, NGUYỄN VĂN NHÂN<br /> <br /> <br /> Estimating the adjusting coefficient of stiffness of piled raft foundation –<br /> diaphragm wall system<br /> Abstract: The piled raft foundation - diaphragm wall has three main<br /> components: rafts, piles and diaphragm walls that join the load. Plaxis 3D<br /> finite element analysis is performed with cases of varying raft size, number<br /> of piles, pile distance and length of the diaphragm wall. Load carrying<br /> capacity of rafts, piles and diaphragm walls that incorporated into a<br /> system becomes completely different from the raft, pile and diaphragm<br /> walls independently. The interaction analysis model is given with a<br /> coefficient of stiffness correction of the raft δr, the stiffness modulus of the<br /> pile group δp, the coefficient of stiffness of the diaphragm wall δw.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Móng bè cọc là loại móng kết hợp khả năng<br /> Hệ móng bè cọc - tường vây có ba thành mang tải của bè và nhóm cọc [1,2,3]. Một số<br /> phần chính là bè, các cọc và tường vây cùng trường hợp ví dụ đã được báo cáo cho việc áp<br /> tham gia mang tải. Các phân tích phần tử hữu dụng móng bè cọc vào các tòa nhà cao tầng<br /> hạn Plaxis 3D được thực hiện với các trường [4,5,6]. Trong các công trình nhà cao tầng có<br /> hợp thay đổi kích thước bè, số lượng cọc, tầng hầm, tường vây cọc barrette được thi công<br /> khoảng cách cọc và chiều dài tường vây khác cắm sâu vào trong nền đất dưới đáy móng để<br /> nhau. Khả năng mang tải của bè, các cọc và chắn giữ áp lực đất theo phương ngang xung<br /> tường vây khi được kết hợp thành hệ móng bè quanh hố đào sâu trong quá trình thi công móng<br /> cọc - tường vây, trở nên khác hoàn toàn với bè bè cọc và các tầng hầm, tường vây liên kết với<br /> không cọc, nhóm cọc và tường vây làm việc độc bè, các sàn tầng hầm tạo thành một hệ thống<br /> lập. Mô hình phân tích sự tương tác được đưa ra móng bè cọc - tường vây. Trong các nghiên cứu,<br /> với hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè δr, hệ số hiện nay chỉ xem xét khả nang tải của hệ bè cọc<br /> hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc δp, hệ số hiệu mà chưa xem xét đến khả năng mang tải đứng<br /> chỉnh độ cứng của tường vây δw. của tường vây, cũng như sự ảnh hưởng tương<br /> Các công trình nhà cao tầng có tầng hầm tác của tường vây và bè cọc trong mô hình làm<br /> được xây dựng ngày càng nhiều trên thế giới, việc chung của hệ móng bè cọc kết hợp tường<br /> với công trình có tải trọng lớn và phải có sàn vây [7,8,9].<br /> hầm thì phương án móng bè cọc là sự lựa chọn Trong nghiên cứu này, một loạt các mô<br /> hàng đầu cho kết cấu móng của công trình. phỏng phân tích phần tử hữu hạn bằng phần<br /> mềm Plaxis 3D được thực hiện trên các phương<br /> án móng khác nhau về: Kích thước móng, số<br /> *<br /> Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng,<br /> lượng cọc, khoảng cách giữa các cọc và chiều<br /> Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia<br /> dài tường vây. Mục đích để khảo sát sự ảnh<br /> Thành Phố Hồ Chí Minh.<br /> Email: lebavinh@hcmut.edu.vn hưởng của số lượng cọc, khoảng cách giữa các<br /> <br /> 20 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019<br /> cọc, chiều dài tường vây đến sự tương tác phân tương tác thay đổi theo độ lún và chiều dài<br /> chia tải cho bè, các cọc và tường vây, cũng như tường vây như hình 2.<br /> sự suy giảm độ cứng của bè, nhóm cọc và độ<br /> cứng của tường vây khi chúng làm việc trong hệ diaphragm wall<br /> <br /> bè - cọc - tường vây. Kết quả nghiên cứu này<br /> giúp cho các kỹ sư có những định hướng trong raft<br /> việc lựa chọn số lượng cọc, khoảng cách giữa<br /> các cọc và chiều dài tường vây để tải trọng được<br /> 5 7<br /> chia sẽ cho tường vây và bè là lớn nhất, qua đó 3 2<br /> có thể giảm bớt tối đa số lượng cọc không cần 6<br /> 4<br /> thiết và có thể hướng đến phương án móng bè 1<br /> kết hợp tường vây khi hệ số hiệu chỉnh của pile<br /> nhóm cọc δp ≤ 0.1.<br /> 2. ỨNG XỬ TƯƠNG TÁC CỦA HỆ  Tương tác cọc – đất;  Tương tác bè – đất;<br /> MÓNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƯỜNG VÂY  Tương tác tường vây – đất;  Tương tác<br /> cọc – cọc.  Tương tác bè – cọc;  Tương tác<br /> tường vây – cọc;  Tương tác tường vây – bè.<br />  Tương tác Hình 2. Ứng xử tương tác của hệ móng<br /> cọc – đất; bè cọc - tường vây.<br />  Tương tác Khả năng mang tải của hệ móng bè cọc -<br /> cọc – cọc; tường vây bao gồm ba thành phần là: bè, nhóm<br />  Tương tác cọc, tường vây.<br /> Qrpw  Qr  Q p  Qw (2)<br /> bè – đất;<br />  Tương tác trong đó Qrpw = khả năng mang tải của hệ<br /> bè – cọc; móng bè cọc - tường vây; Qr = khả năng<br /> mang tải của bè; Qp = khả năng mang tải của<br /> nhóm cọc; Qw = khả năng mang tải của<br /> tường vây.<br /> Khả năng mang tải Qr và Qp cũng như Qw<br /> của hệ móng bè cọc - tường vây sẽ khác với khả<br /> năng mang tải của bè không cọc và nhóm cọc<br /> cũng như tường vây trong mô hình làm việc<br /> Hình 1. Hiệu ứng tương tác giữa đất và cấu riêng lẽ như (Hình 3. b; c; d). Công thức (2)<br /> trúc trong móng cọc đài bè của Katzenbach et được viết lại như sau:<br /> al. (1998) and Katzenbach et al. (2000). Qrpw   r .Qur   p .Qgp   w .Quw (3)<br /> trong đó Qur = khả năng mang tải của bè<br /> Móng bè cọc là một hệ móng kết hợp từ ba không cọc làm việc độc lập; Qgp = khả năng<br /> thành phần chịu lực như là: cọc, bè và đất nền mang tải của nhóm cọc làm việc độc lập;<br /> bên dưới như hình 1. Tổng phản lực của móng Quw = khả năng mang tải của tường vây làm<br /> cọc đài bè Rtotal: việc độc lập; η r = hệ số mang tải của bè =<br /> Rtotal  Rraft   Rpile,i  Stot (1) Qr/Qur; η p = hệ số mang tải của nhóm cọc =<br /> Ứng xử phân chia tải của bè – nhóm cọc – Qp /Qgp ; η w = hệ số mang tải của tường vây =<br /> tường vây là rất phức tạp do các ảnh hưởng Qw/ Q uw.<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 21<br />  Q rpw = Q r + Q p + Q w Q gp<br /> S ur S gp S dw<br />  S rpw    (5)<br /> r p w<br /> <br /> Qr với Sr = độ lún của bè trong hệ bè - cọc -<br /> tường vây; Sp = độ lún của nhóm cọc trong hệ<br /> Qw bè - cọc - tường vây; Sw = độ lún của tường vây<br /> trong hệ bè - cọc - tường vây; Srpw = độ lún của<br /> Qp hệ bè - cọc - tường vây; Sur = độ lún của bè<br /> (a) (c) không cọc làm việc độc lập; Sgp = độ lún của<br /> Q ur Q uw nhóm cọc làm việc độc lập; Sdw = độ lún của<br /> tường vây làm việc độc lập.<br /> Tải phân chia cho bè, nhóm cọc và tường vây<br /> được xác định như sau:<br /> <br />  r kr<br /> Pr  Prpw (6)<br /> (b) (d) krpw<br /> Hình 3. Mô hình làm việc (a) hệ móng bè cọc  pkp<br /> - tường vây; (b) bè không cọc; (c) nhóm cọc; Pp  Prpw (7)<br /> krpw<br /> (d) tường vây.<br /> Thực tế các tương tác của bè, các cọc và Pw  Prpw  Pr  Pp<br /> tường vây thay đổi theo chiều dài tường vây,<br /> đường kính cọc, khoảng cách cọc, số lượng cọc   k  pk p <br /> và độ lún của hệ móng. Độ cứng của hệ móng  1  r r   Prpw (8)<br />  k rpw k rpw <br /> bè cọc - tường vây được tính như sau:  <br /> k rpw   r k r   p k p   w k w (4)<br /> Để xác định các hệ số hiệu chỉnh cần xác<br /> trong đó krpw = độ cứng của hệ móng bè<br /> định tải phân chia cho bè P r , tải phân chia<br /> cọc – tường vây; k r = độ cứng của bè; kp = độ<br /> cho nhóm cọc Pp , độ cứng của bè k r , độ<br /> cứng của nhóm cọc; k w = độ cứng của tường<br /> cứng nhóm cọc k p , độ cứng của tường vây k w<br /> vây; δr = hệ số điều chỉnh độ cứng của bè do<br /> và độ cứng của hệ móng bè cọc - tường vây<br /> sự tương tác của các cọc và tường vây; δp = hệ<br /> k rpw cho mỗi trường hợp. Sau đó, giá trị δr<br /> số điều chỉnh độ cứng của nhóm cọc do sự<br /> xác định từ công thức (6). Lấy giá trị δp xác<br /> tương tác của bè và tường vây; δw = hệ số điều<br /> định từ công thức (7). Giá trị δw xác định<br /> chỉnh độ cứng của tường vây do sự tương tác<br /> được từ công thức (8).<br /> của bè và các cọc.<br /> Giả thuyết tại cao độ đài bè, bè và các cọc, 3. PHÂN TÍCH SỐ MÓNG BÈ CỌC KẾT<br /> tường vây có cùng độ lún Srpw. Khi quan hệ của HỢP TƯỜNG VÂY<br /> cấp tải P và độ lún S trong giai đoạn đàn hồi 3.1 Mô hình phần tử hữu hạn<br /> tuyến tính, hệ số điều chỉnh độ cứng cũng chính Phần mềm Plaxis 3D được sử dụng trong<br /> là hệ số điều chỉnh độ lún. phân tích, ứng xử phân chia tải của hệ móng.<br /> Các mô phỏng được xem xét bao gồm móng bè<br /> cọc kết hợp tường vây, nhóm cọc, bè không cọc,<br /> S rpw  S r  S p  S w<br /> tường vây như hình 4.<br /> <br /> <br /> 22 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019<br />  GP<br /> như móng bè cọc kết hợp tường vây. Mô hình<br /> RPW<br /> Lw<br /> 0.05m điển hình trong Plaxis 3D sử dụng để mô phỏng<br /> bè - cọc - tường vây như hình 5.<br /> Lp Lp<br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> UW DW<br /> Lw<br /> 0.05m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (c) (d)<br /> Hình 5. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn<br /> Hình 4. Mô hình làm việc của (a) hệ bè – cọc<br /> móng bè cọc kết hợp tường vây<br /> – tường vây; (b) nhóm cọc; (c) bè không cọc;<br /> (d) tường vây<br /> 3.2 Các thông số đất trong mô hình phân<br /> tích phần tử hữu hạn<br /> Bè - cọc - tường vây được mô hình trong<br /> Plaxis 3D bao gồm các nhóm cọc sau: 4x4; 6x6 Đất là một vật liệu phức tạp, có ứng xử khác<br /> và 8x8. Đường kính cọc dp = 0.5m bê tông có nhau trong giai đoạn gia tải ban đầu, dỡ tải và<br /> cấp độ bền B50 cho tất cả các cọc, chiều dài cọc gia tải lại. Trong nghiên cứu, lớp đất được mô<br /> Lp = 40m. Khoảng cách cọc trong mỗi nhóm phỏng với mô hình Hardening Soil. Chi tiết<br /> được xem xét: 3dp; 6dp; 9dp. Tường vây dày thông số mô hình được chỉ dẫn trong PLAXIS<br /> 0.6m bê tông có cấp độ bền B50, chiều dài 3D manuals. Tóm tắc các thông số vật liệu đất<br /> tường vây xem xét: Lw = 6m; Lw = 16m; Lw = được sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn<br /> 26m; Lw = 36m; Lw = 46m. Các kính thước của như bảng 1.<br /> bè không cọc, nhóm cọc và tường vây tương tự<br /> Bảng 1. Thông số lớp đất của mô hình Hardening Soil sử dụng trong phân tích<br /> <br /> Lớp đất Lớp cát<br /> Trọng lượng riêng tự nhiên γunsat (kN/m3) 18<br /> 3<br /> Trọng lượng riêng đất no nước γsat (kN/m ) 19<br /> ref<br /> Mô đun cát tuyến xác định từ nén 3 trục, áp lực buồng p E50ref (kN/m2) 18000<br /> 2<br /> Mô đun tiếp luyến xác định từ nén 1 trục không nở hông Eoed (kN/m ) 18000<br /> Mô đun đường dỡ tải, gia tải Eur (kN/m2) 54000<br /> Hệ số mũ m 0.5<br /> Lực dính đơn vị c’ (kN/m2) 0<br /> Góc nội ma sát φ’ (o) 28<br /> Góc nở ψ (o) 0<br /> Hệ số poisson giai đoạn làm việc dỡ tải - gia tải υur 0.2<br /> ref 2<br /> Áp lực buồng khi thí nghiệm p (kN/m ) 100<br /> Độ đáy lớp (m) 100<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 23<br />  4. HỆ SỐ TƯƠNG TÁC CỦA BÈ - tăng từ 3D lên 9D có hệ số hiệu chỉnh độ cứng<br /> NHÓM CỌC - TƯỜNG VÂY của bè tăng 35%. Nhóm 4x4 cọc, khoảng cách<br /> giữa các cọc 3D chiều dài tường vây tăng từ L w<br /> = 6m lên L w = 46m có hệ số hiệu chỉnh độ<br /> cứng của bè giảm 44%. Chiều dài tường vây<br /> Lw = 6m, khoảng cách giữa các cọc 3D, nhóm<br /> cọc tăng từ 4x4 cọc lên 8x8 cọc có hệ số hiệu<br /> chỉnh độ cứng của bè giảm 56%. Vậy khi tăng<br /> khoảng cách cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng<br /> của bè tăng. Khi tăng chiều dài tường vây, tăng<br /> số lượng cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng của<br /> (a) Bè. bè giảm.<br /> Theo (Hình 6. b) nhóm 4x4 cọc, chiều dài<br /> tường vây L w = 6m, khoảng cách giữa các cọc<br /> tăng từ 3D lên 9D có hệ số hiệu chỉnh độ cứng<br /> của nhóm cọc giảm 39%. Nhóm 4x4 cọc,<br /> khoảng cách giữa các cọc 3D chiều dài tường<br /> vây tăng từ L w = 6m lên L w = 46m có hệ số<br /> hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc giảm 82%.<br /> Chiều dài tường vây L w = 6m, khoảng cách<br /> (b) Nhóm cọc. giữa các cọc 9D, nhóm cọc tăng từ 4x4 cọc<br /> lên 8x8 cọc có hệ số hiệu chỉnh độ cứng của<br /> nhóm cọc tăng 23%. Vậy khi tăng số lượng<br /> cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng của nhóm<br /> cọc tăng. Khi tăng chiều dài tường vây, tăng<br /> khoảng cách cọc thì hệ số điều chỉnh độ cứng<br /> của nhóm cọc giảm.<br /> Theo (Hình 6. c) nhóm 8x8 cọc, chiều dài<br /> tường vây L w = 6m, khoảng cách giữa các cọc<br /> (c) Tường vây. tăng từ 3D lên 9D có hệ số hiệu chỉnh độ cứng<br /> Hình 6. Quan hệ giữa hệ số tương tác của bè của tường vây tăng 67%. Nhóm 8x8 cọc,<br /> δr, nhóm cọc δp, tường vây δw và cự ly cọc khoảng cách giữa các cọc 3D chiều dài tường<br /> theo nhóm cọc và chiều dài tường vây. vây tăng từ L w = 6m lên L w = 46m có hệ số<br /> hiệu chỉnh độ cứng của tường vây tăng 89%.<br /> Theo hình 6, hệ số hiệu chỉnh độ cứng của Chiều dài tường vây L w = 6m, khoảng cách<br /> bè, nhóm cọc, tường vây thay đổi theo khoảng giữa các cọc 9D, nhóm cọc tăng từ 4x4 cọc<br /> cách cọc, đường kính, số lượng cọc và chiều dài lên 8x8 cọc có hệ số hiệu chỉnh độ cứng độ<br /> tường vây. Hệ số hiệu chỉnh độ cứng của bè cứng của tường vây tăng 42%. Vậy khi tăng<br /> tăng khi khoảng cách giữa các cọc tăng và hệ số chiều dài tường vây, tăng khoảng cách cọc thì<br /> hiệu chỉnh độ cứng của bè tăng nhanh khi chiều hệ số điều chỉnh độ cứng của tường vây tăng.<br /> dài tường vây giảm, số lượng cọc ít. Khi tăng số lượng cọc thì hệ số điều chỉnh độ<br /> Theo (Hình 6. a) nhóm 4x4 cọc, chiều dài cứng của tường vây cũng tăng, do chu vi của<br /> tường vây Lw = 6m, khoảng cách giữa các cọc tường vây tăng lên.<br /> <br /> <br /> 24 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019<br />  vi tường vây, xét trên cùng khoảng cách cọc 9D,<br /> chiều dài tường vây Lw = 6m.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Bè.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Tường vây.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (b) Nhóm cọc.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (b) Nhóm cọc.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (c) Tường vây.<br /> Hình 7. Quan hệ giữa hệ số tương tác của bè<br /> δr, nhóm cọc δp, tường vây δw và số lượng cọc<br /> theo các cự ly cọc và chiều dài tường vây.<br /> <br /> (c) Bè.<br /> Theo (Hình 7. a), hệ số điều chỉnh độ cứng<br /> của bè giảm nhanh khi tăng số lượng cọc, xét Hình 8. Hệ số hiệu chỉnh độ cứng của (a)<br /> trên cùng khoảng cách cọc 9D, chiều dài tường tường vây theo tỷ số kw/krpw; (b) nhóm cọc<br /> vây Lw = 6m. Theo (Hình 7. b), Hệ số điều theo tỷ số kp/krpw; (c) bè theo tỷ số kr/krpw.<br /> chỉnh độ cứng của nhóm cọc tăng nhanh khi<br /> tăng số lượng cọc, xét trên cùng khoảng cách Theo hình 8, hệ số hiệu chỉnh độ cứng của<br /> cọc 9D, chiều dài tường vây L w = 6m. Theo tường vây, nhóm cọc và bè thay đổi rất phức<br /> (Hình 7. c), Hệ số điều chỉnh độ cứng của tường tạp. (Hình 8. a) hệ số hiệu chỉnh độ cứng của<br /> vây tăng ít khi tăng số lượng cọc làm tăng chu tường vây thay đổi từ 0.07 đến 0.88. (Hình 8. b)<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 25<br /> hệ số hiệu chỉnh độ cứng của nhóm cọc thay đổi tools for piled raft foundations. Geotechnique<br /> từ 0.01 đến 0.9. (Hình 8. c) hệ số hiệu chỉnh độ 1996;46(2):313–28.<br /> cứng của bè thay đổi từ 0.1 đến 1. Ta thấy hệ số [3] Poulos HG. Piled raft foundations:<br /> hiệu chỉnh độ cứng của tường vây, nhóm cọc và design and applications. Geotechnique<br /> bè thay đổi rất rộng, sự tương tác của nhóm cọc, 2001;51(2): 95–113.<br /> tường vây và bè có sự tương quan tương đối [4] Horikoshi K, Randolph MF. Centrifuge<br /> theo đường bậc hai giữa hệ số hiệu chỉnh độ modelling of piled raft foundations on clay.<br /> cứng và tỷ số độ cứng k w/krpw, kp/ krpw, kr/ krpw. Geotechnique 1996;46(4):741–52<br /> 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ [5] Katzenbach R, Arslan U, Moormann C.<br /> Móng bè cọc kết hợp tường vây gồm có Piled raft foundation projects in Germany.<br /> nhóm cọc, bè, tường vây cùng tham gia chịu tải Design Applications of Raft Foundations,<br /> và tương tác với nhau, tương tác với đất nền. Hemsley. Thomas Telford, London; 2000. p.<br /> Theo quan niệm thiết kế hiện nay chỉ tập trung 323–91<br /> vào khả năng mang tải của nhóm cọc và bè mà [6] Yamashita K, Hamada J, Soga Y.<br /> bỏ qua khả năng mang tải của tường vây trong Settlement and load sharing of piled raft of a<br /> trường hợp chiều dài tường vây lớn và nằm 162m high residential tower. In: Proc.<br /> trong lớp đất tốt, như vậy là không phù hợp với international conference on deep foundations<br /> mô hình làm việc chung đồng thời, nên số lượng and geotechnical in situ testing, Shanghai,<br /> cọc bố trí rất nhiều. China; 2010. p. 26–33.<br /> Trong thiết kế sơ bộ độ cứng của móng bè [7] Conte G, Mandolini A, Randolph MF.<br /> cọc kết hợp tường vây krpw có thể tính toán ước Centrifuge modeling to investigate the<br /> lượng ban đầu từ các độ cứng của bè, nhóm cọc performance of piled rafts. In: Van Impe, editor.<br /> và tường vây riêng biệt thông qua các hệ số điều Proc. 4th international geotechnical seminar on<br /> chỉnh δr, δp, δw ở hình 8. deep foundation on bored and auger piles.<br /> Ghent: Millpress; 2003. p. 359–66<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO [8] Liu JL, Yuan ZL, Shang KP. Cap-pile-<br /> soil interaction of bored pile groups. In: Proc.<br /> [1] Randolph MF. Design methods for pile 11th 482 ICSMFE, San Francisco, vol. 3; 1985.<br /> groups and piled rafts. In: Proc. 13th p. 1433–6.<br /> international conference on soil mechanics and [9] Cooke RW. Piled raft foundations on stiff<br /> foundation engineering, vol. 5, New Delhi, clays: a contribution to design philosophy.<br /> India; 1994. p. 61–82. Geotechnique 1986;36(2):169-203.<br /> [2] Clancy P, Randolph MF. Simple design<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: PGS,TS. NGUYỄN VĂN DŨNG<br /> <br /> <br /> <br /> 26 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019<br />