Phân tích sự làm việc của hệ móng bè cọc - tường vây tầng hầm

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 40 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY TẦNG HẦM LÊ BÁ VINH * NGUYỄN NHỰT NHỨT, NGUYỄN VĂN NHÂN An analysis of the piled raft foundation - diaphragm wall system Abstract: In designing and calculating the solution of piled raft foundations for tall buildings, many calculations do not take into account the participation of the diaphragm walls. The load - bearing capacity of the diaphragm wall system is significant when the diaphragm wall is inserted into the hard ground. In this paper, the involvement of the diaphragm wall system together with the piled raft foundation was analyzed and evaluated by the PLAXIS 3D software for specific projects. With the piled raft foundation, the distribution of load on the raft is 20%, and the piles group is 80%. When the piled raft foundation is combined with the diaphragm wall, the percentage of load on the raft is 20%, the percentage of the load on the pile group is 50%, and the diaphragm wall is 30%. As a result, the percentage of load on the piles group decreases by 30% when the piled raft foundation is combined with the diaphragm. This shows the significant contribution of the diaphragm wall system, which can be designed to optimize the number of piles and save the pile foundation’s cost. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* Móng bè cọc ngày nay đƣợc áp dụng rất phổ biến trong các công trình nhà cao tầng có tầng hầm trên thế giới [4,5,6], và tƣờng vây cọc barrette đƣợc thi công cắm sâu vào trong nền đất dƣới đáy móng để chắn giữ áp lực đất theo phƣơng ngang xung quanh hố đào sâu trong quá trình thi công móng bè cọc và các tầng hầm. Trong quan niệm thiết kế móng trong các công trình nhà cao tầng có tầng hầm hiện nay chỉ 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 [1,2,3]. Điều này có thể dẫn đến thiết kế không hợp lý cho 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 Trong nghiên cứu này, các phân tích mô phỏng 3D bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc thực hiện trên công trình cụ thể. Mục đích để khảo sát sự ảnh hƣởng của tƣờng vây đến khả năng mang tải và phân chia tải trong hệ thống móng bè cọc kết hợp tƣờng vây. Trong bài báo này các phân tích, tính toán đƣợc thực hiện theo 2 trƣờng hợp: * Trƣờng hợp 1: Tƣờng vây cọc barrette chỉ có một chức năng là chịu tải ngang do áp lực đất xung quanh hố đào sâu. Toàn bộ tải trọng đứng của công trình do hệ móng bè cọc chịu, nhƣ vậy hệ móng bè cọc và tƣờng vây cọc barrette đƣợc tính toán làm việc độc lập với nhau, nhƣ hình 1. * Trƣờng hợp 2: Tƣờng vây cọc barrette có hai chức năng là chịu tải ngang do áp lực đất xung quanh hố đào sâu và tham gia chịu tải đứng của công trình bên trên cùng với hệ móng bè cọc. Khi đó hệ kết cấu móng là móng bè cọc kết hợp tƣờng vây nhƣ hình 2. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 41 Qrp= Qr+Qp Raft Pile Wall Hình 1. Móng bè c c và t ng vây làm việc độc lập. Qrpw= Qr+Qp+Qw Raft Pile Wall Hình 2. Móng bè c c và t ng vây cùng tham gia chịu lực. 2. THIẾT KẾ KẾT CẤU MÓNG CHO CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 2.1. Xác định sơ bộ số lƣợng cọc 8 .0 5 6 .0 50 m 2 7 .0 5 8 m Hình 3. Mặt cắt ngang công trình. 29 m 5 1 m 1 1 7 m 1 19 m 9 m 9 m 7 m 7 m 7 m 7 m 7 m 7 m Hình 4. Mặt bằng kích th ớc móng Công trình đƣợc phân tích là nhà cao tầng, có 15 tầng và 2 tầng hầm nhƣ hình 3, với tổng tải tác dụng lên móng là FZtt = 439430 kN. Kích thƣớc mặt bằng móng là 29m x 51m nhƣ hình 4. Công trình đƣợc nghiên cứu với điều kiện địa chất điển hình ở khu vực Phƣờng 25, Quận Bình Thạnh, Thành Phố Hồ Chí Minh. Nền đất gồm có các lớp: Lớp 1: Cát đắp, cát mịn lẫn bột, chặt vừa(SM); Lớp 2: Bùn sét, bùn á sét, trạng thái chảy (OH); Lớp 3: Sét, á sét màu xám đen, dẻo chảy đến nửa cứng (CH); Lớp 4: Thấu kính cát mịn, chặt vừa (SM); Lớp 5: Sét, á sét màu xám đen, dẻo chảy đến nửa cứng (CH); Lớp 6: Cát mịn, ít sét, trạng thái chặt đến rất chặt 3a (SM); Lớp 7: Cát mịn, ít sét, trạng thái chặt vừa 3b (SM); Lớp 8: Cát mịn, ít sét, trạng thái chặt đến rất chặt 3a (SM); Lớp 9: Sét lẫn ít cát mịn, trạng thái rất cứng (CH), nhƣ bảng 1. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 42 Bảng 1. Thông số các lớp đất khai báo trong mô hình Plaxis Thông số Đơn vị Lớp 1: (SM) Lớp 2: (OH) Lớp 3: (CH) Lớp 4: (SM) Lớp 5: (CH) Lớp 6: (SM) Lớp 7: (SM) Lớp 8: (SM) Chiều dày m 5 19 5 2 7 5 2 49 Type - HS HS HS HS HS HS HS HS γunsat kN/m 3 18.63 14.25 18.02 19.07 18.02 19.87 19.65 19.87 γsat kN/m 3 19.16 15.03 18.24 19.80 18.24 20.52 20.27 20.52 kx m/day 1.368 4.72 E-8 1.374 E-7 3.04 E-7 1.37 4E-7 3.34 E-7 2.02 E-7 3.34 E-7 ky m/day 0.684 2.36 E-8 6.87 E-8 1.52 E-7 6.87 E-8 1.67 E-7 1.01 E-7 1.67 E-7 E50 ref kN/m 2 5368 19057 20979 21497 34972 56040 38892 56040 Eeod ref kN/m 2 5368 19057 20979 21497 34972 56040 38892 56040 Eur ref kN/m 2 16105 57172 62936 64490 104916 168119 116675 168119 m - 0.5 1 1 0.5 1 0.5 0.5 0.5 C‟ref kN/m 2 4.5 17.8 32 18 32 18.4 5.4 18.4 φ' độ 26.6 18.45 23.5 31.73 23.5 33.1 30.23 33.1 Ψ độ 0 0 0 1.73 0 3.1 0.23 3.1 υur - 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 pref kN/m 2 50 200 200 200 400 400 400 400 K0 nc - 0.552 0.684 0.601 0.474 0.601 0.454 0.497 0.454 e0 - 0.778 2.23 1.063 0.702 1.063 0.579 0.621 0.579 Hình 5. Sự thay đổi của sức chịu tải vl và Rcp theo độ sâu. Chọn cọc có đƣờng kính D = 800 mm, bê tông cọc B50. Qua tính toán sức chịu tải của cọc theo đất nền và theo vật liệu làm cọc, chiều dài làm việc của cọc tối ƣu là mũi cọc nằm ở độ sâu Z = 65m nhƣ hình 5. Sức chịu tải cho phép Rcp = 6690 kN. Kiểm tra lại sức chịu tải của cọc D800 mũi cọc ở độ sâu Z = 65m trên phần mềm Plaxis 2D, bài toán đối xứng trục vẽ đƣờng cong quan hệ cấp tải và độ lún nhƣ hình 6. Xác định đƣợc sức chịu tải giới hạn Pgh = 16250 kN, sức chịu tải cho phép Pcp = 16250/2.5 = 6500 kN. Từ đó, chọn sức chịu tải thiết kế là Ptk = min(Rcp; Pcp) = 6500 kN. Xác định số lƣợng cọc bố trí nc= (ΣFZtt/Ptk).β = (439430/6500).1,5 = 101 cọc. Chọn số lƣợng cọc bố trí trong đài là 105 cọc. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 43 Hình 6. uan hệ giữa tải tr ng P và độ lún S của c c D800, mũi c c ở độ sâu Z=65m. 2.2. Kích thƣớc tƣờng vây cọc barrette Yêu cầu tƣờng vây phải đủ khả năng chắn giữ đất xung quanh hố đào, chuyển vị ngang cho phép của tƣờng vây theo qui định để đảm bảo ổn định cho các công trình lân cận. Ngoài ra còn phải ngăn chặn đƣợc dòng thấm dƣới đáy hố đào. Hình 7. Mô phỏng kiểm tra chuyển vị của t ng vây c c barrette trên Plaxis 2D. Hình 8. Chuyển vị ngang của t ng vây c c barrette trong giai đo n thi công. Chọn tƣờng vây cọc barrette có bề dày d = 600 mm, bê tông B50. Chiều dài tƣờng vây L = 35 m, chân tƣờng vây cắm vào lớp đất thứ 5 (Sét, á sét màu xám đen, dẻo đến nửa cứng) nhƣ hình 7. Chuyển vị ngang lớn nhất của vách tƣờng vây cọc barrette trong giai đoạn thi công tầng hầm nhƣ hình 8 là Ux = 27.54 mm < [∆] = 8000/200 = 40 mm thỏa điều kiện chuyển vị ngang của vách tƣờng vây. 2.3. Chiều dày đài bè Sức chịu tải của tƣờng vây có chiều dày 600 mm đƣợc xác định nhƣ hình 9, chiều dài tƣờng vây L = 35 m có sức chịu tải Vtk = 590 kN/m. Từ biểu đồ quan hệ giữa chiều dày bè H và tải F truyền lên tƣờng vây nhƣ hình 10, chiều cao đài bè đƣợc giới hạn từ chiều cao đài bè theo điều kiện xuyên thủng đài bè Hxt = 2 m đến chiều cao đài bè theo sức chịu tải của tƣờng vây Hgh = 6 m. Để huy động tối đa khả năng mang tải của tƣờng vây, trên đƣờng cong quan hệ F-H nhƣ hình 10 vẽ tiếp tuyến qua hai đƣờng cong tuyến tính giao nhau và giống xuống, xác định đƣợc chiều cao thiết kế của bè là Htk = 5 m với Hxt ≤ Htk < Hgh. Hình 9. Sự thay đổi của sức chịu tải vl và Vtk theo độ sâu. Hình 10. uan hệ giữa chiều dày bè H và tải F truyền lên t ng vây. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 44 3. PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƢỜNG VÂY BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D Trong các phân tích chiều dày bè là H = 5 m bê tông B50, đƣờng kính cọc khoan nhồi D = 800 mm bê tông B50 chiều sâu mũi cọc Z = 65 m, vách tƣờng vây cọc barrette dày d = 600 mm bê tông B40 chiều sâu mũi tƣờng vây Z = 35 m. Trƣờng hợp 1, tƣờng vây cọc barrette và bè cọc làm việc độc lập với nhau theo phƣơng đứng. Khi đó liên kết giữa bè và tƣờng vây là liên kết ngàm trƣợt, đƣợc thay thế bằng 1 tấm bè có mô đun đàn hồi trƣợt G12=G13=G23=0 nhƣ hình 11. Hình 11. Liên kết ngàm tr ợt giữa bè và t ng vây Trƣờng hợp 2, tƣờng vây cọc barrette và bè cọc cùng làm việc đồng thời với nhau, tƣờng vây tham gia chịu tải công trình, liên kết giữa bè và tƣờng vây là liên kết ngàm. Hình 12. Mô hình phần tử các lớp đất trong phần mềm Plaxis 3D. Hình 13. Mô hình phần tử c c, bè, t ng vây trong phần mềm Plaxis 3D. 29 m 5 1 m Hình 14. Mặt bằng bè c c, t ng vây đánh s vị trí khảo sát. Khi xem xét tƣờng vây cọc barrette tham gia vào chịu tải đứng cùng hệ móng bè cọc nhƣ bảng 2, tải trọng tác dụng lên các cọc biên gần vách tƣờng vây giảm đi 51% đến 62% và tải tác dụng lên vách tƣờng vây (Hình 15. b) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 45 tăng trung bình 58% đến 69%, tải trọng tác dụng lên các cọc giảm dần từ tƣờng vây vào giữa bè 22% đến 9%. Độ lún của bè giảm không nhiều. Bảng 2. Tải tác dụng và độ lún của các cọc, tƣờng vây tại các vị trí khảo sát trên hình 14 Liên kết giữa bè và tƣờng vây Liên kết ngàm trƣợt Liên kết ngàm Phần trăm chênh lệch Cọc khảo sát 1 N (kN) 4332 1995 54% S (mm) 47.76 46.64 2% 2 N (kN) 3629 1786 51% S (mm) 48.24 46.87 3% 3 N (kN) 4147 1575 62% S (mm) 49.54 46.96 5% 4 N (kN) 2926 2416 17% S (mm) 48.46 47.05 3% 5 N (kN) 2580 2144 17% S (mm) 48.82 47.39 3% 6 N (kN) 2299 1803 22% S (mm) 49.94 47.76 4% 7 N (kN) 2409 1951 19% S (mm) 49.91 47.91 4% 8 N (kN) 1976 1793 9% S (mm) 50.41 48.68 3% 9 N (kN) 1928 1688 12% S (mm) 50.30 48.37 4% 10 N (kN) 1810 1641 9% S (mm) 50.40 48.56 4% Tƣờng vây khảo sát V1 N (kN/m) 237.56 770.63 69% S (mm) 44.53 47.02 5% V2 N (kN/m) 245.13 577.44 58% S (mm) 44.54 46.76 5% Khi xem xét tƣờng vây cọc barrette tham gia vào chịu tải đứng cùng hệ móng bè cọc nhƣ bảng 2, tải trọng tác dụng lên các cọc biên gần vách tƣờng vây giảm đi 51% đến 62% và tải tác dụng lên vách tƣờng vây (Hình 15.b) tăng trung bình 58% đến 69%, tải trọng tác dụng lên các cọc giảm dần từ tƣờng vây vào giữa bè 22% đến 9%. Độ lún của bè giảm không nhiều. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 46 (a) Móng bè cọc (b) Móng bè cọc - tƣờng vây Hình 15. Mặt cắt khảo sát 1-1, lực d c N2 của t ng vây và bè Nhƣ vậy, trong móng bè cọc kết hợp tƣờng vây, tƣờng vây ảnh hƣởng rất nhiều đến sự phân chia tải trong nhóm cọc, đặc biệt là tải trọng tác dụng lên các cọc biên ở gần tƣờng vây giảm mạnh. Để huy động nhiều hơn sức chịu tải của vách tƣờng vây ta tiến hành bỏ hết các cọc biên gần tƣờng vây và so sánh ba phƣơng án móng bè cọc, móng bè cọc kết hợp tƣờng vây, móng bè cọc kết hợp tƣờng vây và bỏ hàng cọc biên nhƣ bảng 3. Độ lún của ba phƣơng án móng là gần bằng nhau khoảng 5cm, nhƣng sự phân chia tải giữa nhóm cọc và tƣờng vây chênh lệch nhiều giữa phƣơng án móng bè cọc với móng bè cọc kết hợp tƣờng vây, khoảng 30% tải trọng công trình tác dụng lên nhóm cọc đƣợc chia qua cho tƣờng vây gánh chịu. Bảng 3. Phân chia tải cho bè, nhóm cọc và tƣờng vây trong các phƣơng án móng Phân chia tải Móng bè cọc Móng bè cọc kết hợp tƣờng vây Móng bè cọc kết hợp tƣờng vây, bỏ hàng cọc biên 1, 2, 3 Nhóm cọc 302931 kN 194116 kN 208299 kN 79% 51% 54% Đài bè 79179 kN 77796 kN 78882 kN 21% 20% 21% Tƣờng vây 0 kN 110198 kN 94929 kN 0% 29% 25% Độ lún của bè 49 mm 47 mm 54 mm 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong móng bè cọc phần trăm chia tải lên bè khoảng 20%, 80% trăm tải còn lại do nhóm cọc gánh chịu. Khi móng bè cọc có kết hợp với tƣờng vây, phần trăm chia tải lên bè là 20%, phần trăm chia tải lên nhóm cọc là 50%, và lên tƣờng vây là 30%. Nhƣ vậy, phần trăm chia tải lên nhóm cọc giảm đi 30% khi có xét đến sự tham gia cùng chịu lực của hệ tƣờng vây. Qua đó cho thấy sự tham gia chịu lực ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 47 đáng kể của hệ tƣờng vây, từ đó có thể thiết kế số lƣợng cọc tối ƣu và tiết kiệm cho hệ móng bè cọc. Trong móng bè cọc kết hợp tƣờng vây nếu bỏ hàng cọc biên gần vách tƣờng vây, phần trăm chia tải lên bè khoảng 20%, vách tƣờng vây 25%, nhóm cọc 55%. Với phƣơng án móng bè cọc kết hợp tƣờng vây, giảm bớt đƣợc 40 cọc trên tổng số 105 cọc khoan nhồi và tiết kiệm đƣợc 38% khối lƣợng bê tông cọc. Khi thiết kế phƣơng án móng bè cọc cho công trình dân dụng có từ hai tầng hầm trở lên, 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. Nếu tƣờng vây đƣợc cắm vào các tầng đất tốt, ngƣời thiết kế 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, để có phƣơng án móng hiệu quả và tiết kiệm nhất. Để đánh giá đúng sự phân chia tải cho vách tƣờng vây và các cọc ta cần phải xét đầy đủ các yếu tố trên. Phân tích 3D bằng phƣơng pháp 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. Ng i phản biện: PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG