Mô hình móng bè cọc kích thước lớn bằng phần mềm Plaxis 3D

97 S¬ 28 - 2017 Mô hình móng bè cọc kích thước lớn bằng phần mềm Plaxis 3D Modeling of a large pile raft with Plaxis 3D software Trần Huy Hùng(1), Nguyễn Trung Hiếu(2) Tóm tắt Trong những năm gần đây, móng bè cọc kích thước lớn đã được áp dụng rộng rãi như là một phương án kinh tế cho kết cấu móng chịu tải trọng phân bố rộng như kho chứa than, kho thành phẩm, Trong bài báo này giới thiệu phương pháp phân tích số cho kết cấu móng cọc kho chứa than của Nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 2 (Thái Thụy-Thái Bình), trong đó sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (3D-FEM) cùng với sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis 3D để dự báo độ lún cho công trình cũng như tính toán phần kết cấu sàn cho kho than. Kết quả về sự phân bố tải trọng giữa nền và cọc cũng như độ lún lệch của hệ móng cọc cho thấy hiệu quả của việc sử dụng kết cấu móng cọc kích thước lớn cho các công trình chịu tải trọng rộng. Từ khóa: Móng cọc kích thước lớn, Phương pháp hần tử hữu hạn 3 chiều, Độ lún lệch, pileraft Abstract In recent years, the large pile raft is applied as one of the most economical methods for foundation systems under widely load condition such as coal storage, warehouse storage, This paper presents the numerical analyses of the piled raft foundation system for Coal storage in Thai Binh 2 Thermal Power Plant project, using three-dimensional Finite Element Method (3D FEM) with support of Plaxis 3D software for. The results in terms of load shared by piles and differential settlement, indicates the potential of using the large piled raft system under widely load condition. Keywords: Large pile raft, Finite Element Method, Differential settlement (1) Kỹ sư, Công ty Cổ phần FECON, Email: (2) Kỹ sư, Công ty Cổ phần FECON, Email: 1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của đất nước, những năm gần đây số lượng nhà máy nhiệt điện (đốt) sử dụng than đã tăng lên nhanh chóng để đáp ứng (yêu cầu về an ninh) nhu cầu về năng lượng. Các nhà máy nhiệt điện thường được xây dựng tại các khu vực ven sông hoặc ven biển để thuận tiện cho việc vận chuyển nguyên liệu than phục vụ quá trình vận hành. Do đó, địa chất ở các khu vực xây dựng nhà máy thường xuất hiện lớp đất yếu với chiều dày lớn, việc áp dụng giải pháp móng bè cọc kích thước lớn đã và đang được sử dụng rộng rãi cho kết cấu móng của kho chứa than. Việc áp dụng móng bè cọc kích thước lớn trên đất yếu (sức kháng cắt không thoát nước, Su<40kPa) dưới tác dụng của vùng tải trọng rộng đặt ra nhiều vần đề cho kỹ sư địa kỹ thuật ví dụ như: lún quá mức- đặc biệt là lún lệch, hiện tượng ma sát âm lên cọc và cọc không đạt được sức chịu tải mong muốn [1]. Theo De Sanctis và Viggiani [2], với loại móng bè cọc kích thước lớn, cọc được thiết kế để giảm độ lún tổng thể hoặc độ lún lệch. Để phân tích các vấn đề trên cũng như xem xét đến sự làm việc đồng thời giữa các thành phần của (hệ thống) kết cấu móng cọc kích thước lớn thì đã có nhiều phương pháp được thực hiện theo các nghiên cứu của Poulos và Divis [3] và Randolph [4]. Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế cọc của Việt Nam TCVN 10304-2014 yêu cầu việc phân tích hệ kết cấu móng cọc kích thước lớn cần thực hiện cho bài toán không gian có kể đến sự tương tác của kết cấu phần thân và phần ngầm, giữa (móng) cọc và nền. Bên cạnh đó, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cũng đã được nghiên cứu trong một số đề tài nghiên cứu gần đây của Phung [5], William Cheang [6], K. Watcharasawe & P.Jongpradist [7]. Trong bài báo này, nhóm tác giả giới thiệu việc áp dụng phương pháp PTHH ba chiều với sự trợ giúp của phần mềm Plaxis 3D để phân tích sự làm việc của kết cấu móng bè cọc kích thước lớn dưới tác dụng của vùng tải trọng phân bố rộng trong điều kiện đất yếu của kho chứa than Nhiệt điện Thái Bình 2. 2. Mô hình móng cọc kích thước lớn cho kho chứa than 2.1. Mô hình lưới phần tử và điều kiện biên Kho chứa than là một hạng mục quan trọng thuộc dự án Nhiệt điện Thái Bình 2 được xây dựng tại xã Mỹ Lộc, huyện Thái Thụy, tỉnh Thái Bình. Phân tích PTHH ba chiều bằng phần mềm Plaxis 3D đã được nhóm tác giả sử dụng để tính toán kết cấu móng cọc kích thước lớn cho dự án này. Trong số ba kho than (kho than 1, kho than 2 và kho than 3), kho than 1 và 2 có kích thước lớn nhất với giá trị chiều dài và chiều rộng lần lượt là 255m và 52.5m. Để đảm bảo mô hình trên phần mềm Plaxis 3D phản ánh đúng điều kiện làm việc thực tế của kho chứa than số 1 nhóm tác giả chọn kích thước mô hình với chiều rộng 52.5m và chiều dài bằng một nửa chiều dài thực của kho than tức là khoảng 127m. Bảng 1. Thông số cọc PHC D400 và sàn bê tông trong Plaxis 3D Thông số Cọc PHC D400 Sàn Đơn vị E Môđun Young 3.7E7 3.0E7 kPa γ Trọng lượng vật liệu cọc 23.5 23.5 kN/m3 D Đường kính ngoài của cọc 0.4 - m t Chiều dày thành cọc/ chiều dày sàn 0.08 0.4 m Ttop,max Sức kháng bên lớn nhất tại đầu cọc - - kN/m Tbottom,max Sức kháng bên lớn nhất tại mũi cọc 500 - kN/m Fmax Sức kháng mũi lớn nhất của cọc 500 - kN ν Hệ số Poisson - 0.2 - 98 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Đất nền được rời rạc hóa bằng phần tử khối 15 nút, trong đó bao gồm 6 nút dạng tam giác theo phương ngang và 8 nút dạng tứ giác theo phương thẳng đứng. Phương án cọc được đề xuất sử dụng là cọc bê tông cốt thép ly tâm dự ứng lực đường kính ngoài 400mm (PHC D400-Class A) và chiều dài thay đổi từ 35.5m ở vị trí tâm kho và giảm xuống 29.5m ở vị trí biên kho. Lý do nhóm tác giả chọn chiều dài cọc thay đổi là do tải trọng của công trình có dạng hình thang và để đảm bảo sàn kho than lún đều trong quá trình sử dụng và không bị nứt vỡ. Các cọc được mô hình bằng phần tử Embedded pile. Để tránh ảnh hưởng của quá trình chứa than đến nền đất, sàn bê tông với chiều dày 0.4m được bố trí trên đầu cọc và được mô hình bằng phần tử Plate. Thông số chính cho các kết cấu này được tổng hợp trong Bảng 1. 2.2. Điều kiện địa chất Điều kiện địa chất ban đầu của kho than có phân bố lớp đất yếu rất dày, do đó nếu áp dụng giải pháp móng bè cọc thì cọc sử dụng sẽ có đường kính rất lớn (cọc BTCT ly tâm DƯL D700 – Class A và chiều sâu lên đến 45m) để đảm bảo ổn định trong quá trình khai thác. Sau khi, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương án nhóm tác giả đã đề xuất: + Giai đoạn 1: Trước khi thi công kết cấu móng cọc, kho chứa than đã được xử lý nền bằng phương pháp cố kết hút chân không kết hợp bấc thấm với tải trọng thiết kế là 50kPa. Các thông số chính của đất như chỉ số SPT, qc và Su sau xử lý tăng lên 1.2÷3.4 lần so với khi chưa xử lý [8]. + Giai đoạn 2: Thi công cọc & thi công kết cấu sàn của kho than. Như vậy, do nền đất yếu đã được xử lý làm tốt lên trong giai đoạn 1 vì vậy giảm được hiệu ứng ma sát âm cho cọc nên kết cấu móng cọc sẽ đảm bảo tối ưu về kinh tế và kỹ thuật. Hình 3 thể hiện mặt cắt địa chất cũng như một số thông số cơ lý từ thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường (SPT, CPTu, VST) sau khi xử lý. Nằm trên cùng là lớp cát san lấp (lớp 1) với chiều dày khoảng 5m, phía dưới lớp đất này là các lớp 2-Sét dẻo và lớp 3-Bụi lẫn cát với chiều dày cả hai lớp khoảng 5m. Lớp cát đầu tiên được tìm thấy ở chiều sâu khoảng 12m và chiều Hình 1. Mặt bằng kho chứa than Hình 2. Mô hình PTHH 3 chiều cho kho chứa than bằng Plaxis 3D dày khoảng 2m là lớp 4-Cát, trạng thái chặt vừa. Nằm phía dưới lớp cát này là ba lớp 5,6 và 7-Sét dẻo/bụi lẫn cát với chiều dày khoảng 20m và sức kháng cắt không thoát nước Su khoảng 30kPa. Mặt cắt địa chất kho chứa than cho thấy các lớp 8, 9, 10 và 11 nằm ở chiều sâu khoảng từ 32m có sức chịu tải cao và dự kiến sẽ đặt mũi cọc vào các lớp đất này. Trong tính toán, mô hình Mohr-Colomb được sử dụng để mô phỏng ứng xử của các lớp đất. Thông số chính của các lớp đất được tổng hợp trong bảng 2. 2.3. Điều kiện tải trọng Tải trọng tác dụng lên nền đất là tải trọng bản thân của vật liệu than với giá trị khối lượng thể tích γ = 14 kN/m3 và góc nghỉ là Ɵ = 38o. Sơ đồ chất tải của vật liệu than là hình tam giác với cạnh đáy là 52.5m và chiều cao là 20.5m. Để tính toán thiết kế, sơ đồ tải trọng này được quy đổi về các cấp tải trọng khác nhau được thể hiện như hình 4. 99 S¬ 28 - 2017 2.4. Hiệu chỉnh thông số trong Plaxis 3D sát với kết quả thí nghiệm hiện trường Để xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc, từ kết quả số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế tại kho chứa than với khối lượng 8 cọc/ 1 kho chứa, việc hiệu chỉnh thông số cọc trong phần mềm Plaxis 3D sẽ được thực hiện bằng việc thay đổi giá trị Rinter trong khai báo phần tử Interface của tất cả các lớp đất cũng như giá trị sức kháng cực hạn (Ttop,max, Tbottom,max và Fmax) của cọc cho đến khi biểu đồ nén tĩnh hiện trường sát với biểu đồ nén tĩnh được mô hình trong Plaxis 3D. Sau khi hiệu chỉnh, các giá trị này được tổng hợp trong bảng 3 và sẽ được sử dụng để tính toán cho toàn bộ hệ móng cọc kích thước lớn. 3. Kết quả phân tích 3.1. Kết quả phân tích độ lún Hình 6 là kết quả phân bố độ lún thẳng đứng của hệ móng bè cọc kích thước lớn của kho chứa than theo mặt cắt ngang. Kết quả cho thấy độ lún giảm từ giữa tâm ra ngoài biên của Bảng 2. Thông số đất nền trong Plaxis 3D Tên lớp Mô hình vật liệu Ứng xử vật liệu Trọng lượng thể tích Mô đun Young Hệ số Poisson Lực dính đơn vị Góc ma sát trong γ(kN/m3) Eref(kPa) ν(-) c’(kPa) φ’(o) 1a MC D 19.00 26750 0.3 1 34 2 MC UD 18.90 8000 0.3 10 20 3 MC D 19.50 15500 0.3 10 20 4 MC D 18.00 10500 0.3 1 30 5 MC UD 18.30 8000 0.3 6 15 6 MC UD 18.00 5000 0.3 6 15 7 MC D 19.50 10000 0.3 10 20 8 MC D 19.90 13000 0.3 15 25 9 MC D 18.00 15580 0.3 1 30 10 MC UD 19.60 20630 0.3 15 25 11 MC D 18.00 32000 0.3 1 34 Ghi chú: MC: Mohr-Coulomb D: Drained; UD: Undrained Bảng 3. Thông số hệ số giảm cường độ Rinter sau hiệu chỉnh trong Plaxis 3D Tên lớp 1a 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Hệ số giảm cường độ Rinter 0.85 0.75 0.8 0.8 0.7 0.65 0.8 0.8 0.8 0.85 0.85 Bảng 4. Kết quả phân tích hệ số phân bố tải trọng Phân bố tải trọng lên cọc Phân bố tải trọng lên nền Hệ số phân bố tải trọng αrTải trọng tác dụng lên cọc % tải trọng phân bố lên cọc Tải trọng tác dụng lên nền % tải trọng phân bố lên nền 765540kN 66% 393297kN 34% 0.66 Hình 3. Điều kiện địa chất khu chứa than 100T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª kho than với các giá trị tương ứng là 15.5 cm và 13.6 cm. Độ lún trung bình của móng bè cọc có thể được xác định từ phần mềm Plaxis 3D theo công thức của Reul và Randolph [9]: 2 3 + = center conneravg s s s (1) Trong đó: savg = độ lún trung bình; scenter = độ lún tại tâm móng; sconner = độ lún tại biên móng. Từ các giá trị tính toán được, độ lún trung bình của móng cọc kho chứa than là 15.0cm nhỏ hơn giá trị cho phép [sghtb] =20cm áp dụng cho dự án. Kết quả này từ Plaxis 3D nhỏ hơn so với kết quả tính toán độ lún thẳng đứng của móng khối theo giải tích khoảng 13% (kết quả tính toán được là 17 cm). Độ lún thẳng đứng phân bố theo chiều dài của kho than tại độ sâu 0.5m được thể hiện trong Hình 7. Kết quả tính toán cho thấy, sự phân bố độ lún dọc theo chiều dài kho khá đồng đều. Độ lún lệch tại độ sâu này có thể được xác định bằng công thức: ∆ = −center conners s s (2) Với kết quả phân tích được, độ lún lệch của móng kho chứa than là Δs = 5cm tương ứng với giá trị độ ngiêng tương đối của móng là i = 0.002 nhỏ hơn giá trị cho phép [igh]=0.004 áp dụng cho dự án. Kết quả này có được là do việc bố trí đối xứng các cọc và chiều dài các cọc thay đổi từ tâm ra biên kho chứa than để phù hợp với sơ đồ chất tải. 3.2. Kết quả phân tích hệ số phân bố tải trọng Một trong những yêu cầu chính trong thiết kế móng bè cọc kích thước lớn là đánh giá hệ số phân bố tải trọng cho cọc và cho nền như được nêu dưới đây. Tổng tải trọng thẳng đứng truyền vào nền đất thông qua áp lực tiếp xúc dưới nền đất Pr và cọc ΣPp,i theo Katzenbach [10]: , = +∑t r p iP P P (3) Sự phân bố tổng tải trọng lên sàn và cọc được định nghĩa bằng hệ số phân bố tải trọng, là tỷ số giữa tổng sức kháng cọc và tổng khả năng chịu tải của móng: ,= ∑ p ir t P P α (4) Kết quả phân tích hệ số phân bố tải trọng lên hệ móng cọc kích thước lớn được tổng hợp trong Bảng 2. Kết quả từ bảng 2 cho thấy: tương ứng với độ lún trung bình savg = 15cm tại tâm kho chứa than, nền đất tiếp nhận 34% tổng tải trọng và hệ số phân bố tải trọng αr = 0.66. Khi đưa hệ số này vào biểu đồ quan hệ độ lún – hệ số phân bố tải trọng từ nghiên cứu của Katzenbach [11] trong Hình 8 cho thấy quan hệ giữa hai chỉ tiêu này được dự báo nằm trong vùng hệ số theo thống kê của các dự án được thực hiện trước đó. Hình 4. Sơ đồ tải trọng khu chứa than Hình 6. Phân bố độ lún thẳng đứng của móng theo mặt cắt ngang Hình 5. Hiệu chỉnh mô hình cọc trong Plaxis 3D và kết quả thí nghiệm nén tĩnh Hình 7. Phân bố độ lún thẳng đứng theo chiều dài kho chứa than tại độ sâu 0.5m (xem tiếp trang 126)