CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE SỰ LAM VIỆC CUA BE MONG TREN HE COC 1.1 Cac khái niệm 1.1 Khái niệm về móng bè — cọc Móng bè — cọc còn được gọi là móng cọc đài bè, được hiểu là móng cọc chỉ có duy nhất một đài (bè). Do bè có kích thước lớn cho nên không chỉ có hệ cọc gánh chịu tải trọng từ kết cấu bên trên mà đất nền dưới bè cũng gánh chịu một phần quan trọng.1 phân biệt móng bè, móng cọc và móng bè — cọc trên cơ sở mối quan hệ giữa mức độ giảm chuyên vi và ty lệ tải trọng do cọc hoặc nên dưới bè chịu. Ty lệ tải trọng do cọc chịu @ /Q P t 0. 5 | š 2>) “Bb Chuyển vị của hệ móng " S10 ¬ ——] -¬ s Chuyển vi của mong bè | = I Móng bè - coc , a >" Mong be Mong coc Hinh 1.1 Phan biệt mong be, mong cọc va móng be — coc [1], [2] Có thé thay răng khi móng bè không đáp ứng yêu câu chịu lực, chuyền vi thì cần thiết phải bố trí thêm cọc để giảm áp lực tiếp xúc dưới bè đồng thời để giảm chuyền vị quá mức.
Nếu hệ cọc gánh chịu toàn bộ tai trong, đó là trường hợp móng cọc. Nếu hệ cọc cùng gánh chịu tải trọng với bè, đó là trường hợp móng bè — cọc. Có thể xem móng bè — cọc là trường hợp tong quát, còn móng bè và móng cọc là hai trường hợp đặc biệt.2 Khái niệm về sự làm việc của cọc Randolph đã đưa ra ba quan niệm thiết kế móng cọc, có thể tóm tắt như sau [3]: i) “Quan niệm móng cọc truyền thong” là khi phần lớn tải trọng do cọc chịu, bè chỉ tham gia một phần nhỏ hoặc hầu như không tham gia. Cọc thường chỉ làm việc ở 30 — 40% sức chịu tải cực hạn.
ii) “Coc từ biến”: nguyên lý này xảy ra khi coc làm việc ở tải trọng, mà tại đó bién dạng dẻo bắt đầu xảy ra, thường vào khoảng từ 70 — 80% sức chịu tải cực hạn. Do đó, chỉ cần một lượng cọc vừa đủ được đưa vào móng để giảm áp lực tiếp xúc giữa bè và nên về giá trị nhỏ hơn áp lực tiền có kết của đất nền. Phan áp lực vượt quá áp lực tiền cố kết nói trên được gánh đỡ bởi cọc. Một quan điểm khác của “cọc tir biến” là sử dụng toàn bộ sức chịu tải cực hạn của cọc, nghĩa là một số hoặc toàn bộ cọc được thiết kế để làm việc với 100% sức chịu tải cực han.
Từ đó nảy sinh quan điểm sử dụng coc chủ yếu như công cụ giảm chuyền vị, tức là cọc tham gia chịu tải cùng với đất nền trong hệ móng. iii) Nguyên lý “kiểm soát chuyển vị lệch” trong đó cọc được bỗ trí ở các vị trí trọng yếu để làm giảm chuyến vị lệch, chứ không phải là giảm chuyển vị tổng thể. Nếu chuyển vị lệch được kiểm soát bởi cọc thì mô men, biến dạng của bè rất nhỏ, chiều dày bè chỉ còn phụ thuộc vào nội lực tại chân cột.3) Quan niệm tính toán mong be — cọc Móng bè — cọc được định nghĩa là khi một phần tải trọng được truyền qua cọc và phan còn lại được truyền trực tiếp từ bẻ trực tiếp xuống nên. Phương pháp PDR (Poulos — Davis — Randolph) sau day minh họa khái niệm móng bè — cọc [3], [4].
Quan niệm nay dựa trên 2 giả thiết: 1) Chuyển vị của cọc và của đất nền bang nhau tai be; i) Opr/Ky = yp/y do tính thuận nghịch. Ma trận tải trọng — chuyển vị mô phỏng sự làm việc của móng bè — cọc được xác định bởi Randolph [5]: 1/k r/Ky|(P Trong đó: w„: Chuyển VỊ CỦa CỌC; w,: Chuyến vị của bè; Độ cứng chống chuyển vị của hệ coc; k„: Độ cứng chống chuyến vị của bè; Hệ sô tương tác chuyên vi của coc do lực tác dung tại be; a rp: Hệ số tương tác chuyển vị của bè do lực tác dụng tại hệ cọc. Độ cứng (stiffness) cha móng bè — cọc là tổng hop độ cứng của 2 thành phan: do hệ cọc và do bản thân bè. Randolph đưa ra biéu thức xác định độ cứng của móng bè — cọc ky, như sau [5]: _+bh_ kạ+ k„(1 — 2ø„„) = = (1.2) “ Wor 1 — (k,/ky a2, Trong dé: : Tai trọng do cọc chịu; P.: Tai trong do be chiu; Wyr: Chuyén vi của móng bé — cọc; Ary: Hệ số tương tác giữa bè và cọc.3) In(r„/?®) ý = In(%n/t%) (14) ?„: bán kính cọc tương đương; 7,: bán kính bè tương đương.5) Độ cứng của hệ cọc có thể xác định theo theo phương pháp bè tương đương của Tomlinson [6], phương pháp cột tương đương của Poulos & Davis [7].
Nó cũng có thé xác định từ độ cứng của cọc đứng độc lập theo biểu thức của Randolph & Wroth [8] theo các công thức (1.8), sau đó sử dụng biểu thức (1.6) của Butterfield & Douglas, (1981) dé tính độ cứng của cả hệ: ky = TT= p= R= 1T, nk =— =n n= Ran (1. Trong đó: k,: Độ cứng của hệ cọc; nN: Số lượng cọc trong hệ; ky: Độ cứng tại đỉnh cọc đứng độc lập; nN: =n~° Hệ số hiệu quả nhóm (Fleming et al, 1992); Hang số (0,3 — 0,5 cho cọc ma sat; > 0,6 cọc chịu mũi); R;: = n° Tỷ số chuyển vị nhóm. 6 Độ cứng của cọc đơn (đứng độc lap), xem Hình 1.2, có thé xác định từ biểu thức sau đây cua Randolph & Wroth [8]: +1 2m tanhuL L Pt _ (1-vs)§ TPS 4 HÙ ¬ Tp (1 7) i 1 4 tanhuL L : Từ (1.7) độ cứng của cọc đơn có thé viet: +1 + 0 2m tanthuL L k _- -= cự aos [oul Tp 18 1` Vy — LĨp 1 4n tanhuLL ( , ) t 1+— — Trong đó, P,: Tai trọng tại đỉnh coc; w,: — Chuyên vi tại đỉnh cọc; %: — Bán kính cọc; Ly: Chiêu dai cọc; G,: Mo dun cat cua dat nên tai mũi coc; n: = Tp/T,ạ, Tp là bán kính tại mũi coc; v,: — Hệ sô Poisson của dat; ¿ = Gr/Œp Tỷ sô mô đun cat của dat tại cao độ mũi cọc và dưới cao độ mũi CỌC; P= Gaye/G, Hệ số biến động mô dun cắt theo chiều sâu (Gaye mô đun cắt trung bình của đât nên dọc thân cọc); A=E,/G, Độ cứng tương đối giữa đất và coc (sử dụng để đánh giá cọc dai, ngăn). aL= VJ(2/6À)(L/1) Độ cứng của móng bè được xác định băng nhiêu phương pháp, nó cũng có thê xác định từ biểu thức sau đây của Muki (1961) [9] trang 166: w _ ha _— Vs) ave 4G, đọc (1.9) Do đó độ cứng của móng bè: P.10) Trong đó, Wave: Chuyén vị trung bình mong bè; h-: Tải trọng do bè chịu; đẹạ= 1.134; Bán kính bè tương đương: A,: Diện tích bè, hoặc diện tích phan tử bè.
2 Mô hình tính toản độ cứng cua cọc đơn [3| Phương pháp PDR trên đây được sử dụng để xây dựng mô hình nghiên cứu. Cơ chế hoạt động của bè móng Bè móng (sau đây gọi tắt là bè) là kết cầu trung gian năm giữa kết cấu bên trên và nên, cọc ở bên dưới. Toàn bộ tải trọng từ kết cau bên trên truyền xuống nên và hệ cọc thông qua bè. Ngược lại, các biến dạng, chuyền vị của đất nền và hệ cọc ảnh hưởng ngược lên hệ thống kết cau bên trên, cũng thông qua bè.
Có thể nhận thay hai quá trình: (i) Sự phân phối nội lực và biến dang trong các kết câu móng dưới tác dung của tải trọng từ kết cấu bên trên; (i) Sự phân phối lại nội lực và biến dạng của các kết cầu bên trên là hệ qua của chuyên vi và biên dạng của nên và cọc ở bên dưới. Trong các quá trình đó, bè có nhiệm vụ triệt tiêu các nội lực va biến dạng xuất hiện trong bản thân nó để cân bang sự làm việc của kết cau bên trên và hệ kết cau móng ở bên dưới. Dé dang nhận thay có hai phương pháp để triệt tiêu các nội lực và bién dạng nói trên: hoặc là tăng chiều dày bè để gánh chịu bất cứ nội lực nào xuất hiện tại nó, hoặc là kết câu bên trên và kết cấu hệ móng phải được thiết kế hợp lý sao cho nội lực trong bè không xuất hiện hoặc xuất hiện với giá trị nhỏ. 8 Trong thực tế, cho dù có sự phối hợp hoàn hảo như thế nào đi chăng nữa giữa kỹ sư kết cấu và kỹ su địa kỹ thuật, các nội lực va biến dạng tại bè luôn luôn ton tại.
Do đó cần thiết phải lựa chọn chiều dảy hợp lý, đảm bảo để bè gánh chịu phân nội lực và biễn dạng nói trên, và đảm bảo tính kinh tế khi thiết kế bè. Có thé liệt kê các yếu tổ liên quan đến đến thiết kế chiều dày bè như sau (Hình 1.3): Tương tác bè và kêt câu bên trên Tương tác bè và nên cọc ở bên dưới TT TS.3 Mô phỏng cơ chế hoạt động của bè móng [10] ° Vai trò của bè và sự phân phối nội lực, biến dạng trong bè, trong cọc, trong đất nền, giữa các cọc cũng như giữa coc va đất nên; ¢ Vai trò của kết cau bên trên, bao gồm chiều cao, độ cứng, khoảng cách cột, đến nội lực và biễn dang trong bè móng: e Vai trò của hệ coc, bao gồm sơ đồ bố trí cọc, chiều dài, khoảng cách và một số yếu tô khác, đến nội lực và biễn dạng trong bè; ° Vai trò của dat nên dưới bè và dưới mũi cọc đền nội lực và biên dạng trong bè. Phân tích các yếu tố nói trên nhằm các mục tiêu: Thứ nhất, để xác định yếu tố chính yếu nhất ảnh hưởng đến sự làm việc của bè, từ đó có thể tìm ra một phương pháp đơn giản nhằm dé phân tích bè hoặc giới hạn được số lượng các yếu t6 ảnh hưởng giúp cho các kỹ sư kết cau và kỹ sư địa kỹ thuật dé dàng hơn khi tối ưu hóa chiều dày bè; Thứ hai, để làm sáng tỏ các quan niệm về sự làm việc của bè hiện nay.2 Số liệu thống kê từ 31 công trình xây dựng trong nước và trên thế giới Theo quan niệm của Nghiên cứu này, tât cả các loại móng được xem như là móng bè — cọc, là đôi tượng của nghiên cứu.c) dưới đây thé hiện mối quan hệ chiều 9 dày bè và số tang của toàn bộ 31 công trình thống kê. Các đặc trưng kết cầu, móng của 31 công trình nay thé hiện tại Bang A.
Trong đó 04 công trình được thiết kế dạng móng bè, 13 công trình được thiết kế dạng móng cọc và 14 công trình được thiết kế dạng móng bè — cọc.