NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG VÂY-MÓNG BÈ-CỌC CÙNG CHỊU TẢI TRỌNG CÔNG TRÌNH

Luận văn nghiên cứu ứng xử hệ tường vây móng bè cọc chịu tải trọng công trình. Phân tích địa kỹ thuật xây dựng, giải pháp nền móng hiệu quả cho công trình.

• Tác giả: Phạm Quốc Việt
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Bá Vinh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu Ứng Xử Của Hệ Tường Vây-Móng Bè-Cọc Cùng Chịu Tải Trọng Công Trình
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Xử Hệ Tường Vây Móng Bè Cọc

Nghiên cứu ứng xử của hệ tường vây – móng bè cọc là một vấn đề quan trọng trong xây dựng các công trình cao tầng, đặc biệt là ở những khu vực có nền đất yếu. Việc hiểu rõ cách hệ thống này tương tác với đất nền và chịu tải trọng công trình giúp kỹ sư thiết kế những giải pháp an toàn, hiệu quả và tiết kiệm. Theo tài liệu gốc, trong thiết kế móng bè cọc, việc xem xét sự tham gia của tường vây cọc barrette thường bị bỏ qua, dẫn đến việc sử dụng vật liệu quá mức. Nghiên cứu này nhằm mục đích khắc phục hạn chế đó.

1.1. Giới Thiệu Về Hệ Móng Bè Cọc Và Ứng Dụng Thực Tế

Móng bè cọc là một loại móng sâu kết hợp giữa móng bè và cọc, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng. Móng bè có tác dụng phân phối tải trọng xuống các cọc, đồng thời chịu một phần tải trọng trực tiếp từ công trình. Các công trình thực tế sử dụng móng bè cọc thường có nền đất yếu hoặc chịu tải trọng lớn. Luận văn gốc đề cập đến việc nghiên cứu trong điều kiện địa chất khu vực Ratchathewi, Bangkok, Thái Lan.

1.2. Vai Trò Của Tường Vây Cọc Barrette Trong Hệ Thống Móng

Tường vây cọc barrette không chỉ đóng vai trò là tường chắn đất trong quá trình thi công mà còn có khả năng chịu tải trọng công trình khi được liên kết với móng bè và sàn tầng hầm. Theo tóm tắt luận văn, khi móng bè cọc liên kết với tường vây cọc barrette, phần trăm tải lên hệ cọc giảm đi 15.9%. Điều này cho thấy đóng góp đáng kể của hệ tường vây khi tham gia chịu tải đứng.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Phân Tích Hệ Tường Vây Móng Bè Cọc

Việc phân tích hệ tường vây móng bè cọc gặp nhiều thách thức do sự phức tạp trong tương tác giữa đất và kết cấu. Các phương pháp tính toán truyền thống thường bỏ qua sự tham gia của tường vây hoặc đơn giản hóa các yếu tố khác, dẫn đến kết quả không chính xác. Điều này có thể gây ra lãng phí vật liệu hoặc thậm chí ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình. Sự khó khăn trong việc xác định chính xác các thông số đầu vào của đất nền cũng là một thách thức lớn.

2.1. Những Hạn Chế Của Phương Pháp Tính Toán Móng Truyền Thống

Các phương pháp tính toán móng bè cọc truyền thống thường xem cọc chịu toàn bộ tải trọng của công trình. Điều này bỏ qua đóng góp của móng bè và tường vây, dẫn đến việc thiết kế quá an toàn và tốn kém. Theo tài liệu gốc, phương pháp này "không đúng với điều kiện làm việc thực tế của công trình, không tận dụng hết khả năng chịu lực của kết cấu cũng như đất nền."

2.2. Khó Khăn Trong Mô Hình Hóa Tương Tác Đất Kết Cấu Phức Tạp

Mô hình hóa tương tác giữa đất và kết cấu trong hệ tường vây móng bè cọc là một bài toán phức tạp, đòi hỏi kiến thức sâu rộng về địa kỹ thuật và kết cấu. Việc xác định chính xác các thông số đầu vào cho mô hình, đặc biệt là các thông số của đất nền, là một thách thức lớn. Phân tích số bằng các phần mềm như Plaxis hỗ trợ giải quyết vấn đề này, nhưng cần có kinh nghiệm và sự hiểu biết để sử dụng hiệu quả.

III. Phương Pháp Phân Tích Ứng Xử Bằng Phần Mềm PLAXIS 3D

Luận văn sử dụng phần mềm PLAXIS 3D và PLAXIS 2D để phân tích ứng xử của hệ tường vây móng bè cọc. Đây là một công cụ mạnh mẽ cho phép mô hình hóa và phân tích các bài toán địa kỹ thuật phức tạp, bao gồm tương tác giữa đất và kết cấu. Việc sử dụng phần mềm phân tích kết cấu giúp kỹ sư hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định và khả năng chịu tải của hệ thống.

3.1. Mô Hình Hóa Cọc Khoan Nhồi D1800 Trong PLAXIS 3D

Luận văn mô phỏng cọc khoan nhồi D1800 bằng PLAXIS 3D để so sánh kết quả với thí nghiệm nén tĩnh cọc ngoài hiện trường. Mục tiêu là xác định các thông số đất nền và cọc phù hợp với điều kiện thực tế. Theo nội dung 1 của luận văn, việc phân tích thử tải cọc giúp xác định thông số phù hợp với điều kiện thực tế.

3.2. Phân Tích Ổn Định Hố Đào Sâu Bằng PLAXIS 2D V22

Luận văn sử dụng PLAXIS 2D V22 để phân tích ổn định hố đào sâu có tường vây cọc barrette và gia cố nền bằng Jet grouting. Mục tiêu là nghiên cứu phương pháp Jet grouting để hạn chế nước ngầm tràn vào hố đào. Phần mềm cho phép mô phỏng bài toán phân tích hố đào sâu có tường vây cọc barrette và trường hợp gia cố nền bằng Jet grouting để phân tích, đánh giá.

IV. Đánh Giá Khả Năng Chịu Tải Của Tường Vây Barrette Nghiên Cứu

Một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá khả năng chịu tải của tường vây cọc barrette trong hệ móng bè cọc. Bằng cách so sánh các trường hợp có và không có sự tham gia của tường vây, luận văn đã chứng minh rằng tường vây có thể đóng góp đáng kể vào khả năng chịu tải của hệ thống, giúp giảm tải cho cọc và tiết kiệm vật liệu.

4.1. So Sánh Phân Bố Tải Trọng Khi Có Và Không Có Tường Vây

Luận văn so sánh phân bố tải trọng trong hệ thống khi có và không có sự tham gia của tường vây. Kết quả cho thấy khi có tường vây, phần trăm tải trọng lên cọc giảm đi đáng kể, trong khi phần trăm tải trọng lên tường vây tăng lên. Điều này chứng minh khả năng chịu tải của tường vây và tiềm năng tối ưu hóa thiết kế.

4.2. Tối Ưu Hóa Số Lượng Cọc Khi Tận Dụng Tường Vây Chịu Tải

Việc tận dụng tường vây chịu tải cho phép tối ưu hóa số lượng cọc trong hệ thống. Bằng cách giảm số lượng cọc, kỹ sư có thể tiết kiệm chi phí vật liệu và thi công mà vẫn đảm bảo an toàn cho công trình. Điều này đặc biệt quan trọng trong các dự án lớn, nơi chi phí móng có thể chiếm một phần đáng kể trong tổng chi phí xây dựng.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn Về Ứng Xử Hệ

Nghiên cứu này cung cấp những kết quả quan trọng về ứng xử của hệ tường vây móng bè cọc và tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong thiết kế và thi công. Các kết quả này có thể được sử dụng để phát triển các phương pháp tính toán chính xác hơn và tối ưu hóa thiết kế móng bè cọc, đặc biệt là trong các khu vực có nền đất yếu.

5.1. Đề Xuất Giải Pháp Thiết Kế Tối Ưu Hóa Hệ Móng Tường Vây

Dựa trên kết quả nghiên cứu, luận văn đề xuất các giải pháp thiết kế tối ưu hóa hệ móng tường vây, bao gồm việc xem xét sự tham gia của tường vây trong tính toán, sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu hiện đại và thực hiện các thí nghiệm kiểm tra chất lượng. Các giải pháp này giúp kỹ sư thiết kế những công trình an toàn, hiệu quả và tiết kiệm.

5.2. Hướng Dẫn Thi Công Hệ Tường Vây Móng Bè Cọc An Toàn

Nghiên cứu cũng cung cấp hướng dẫn thi công hệ tường vây móng bè cọc an toàn và hiệu quả. Hướng dẫn này bao gồm các quy trình thi công chi tiết, các biện pháp kiểm soát chất lượng và các lưu ý quan trọng để đảm bảo sự ổn định và an toàn của công trình trong quá trình thi công. Việc áp dụng hướng dẫn này giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo chất lượng công trình.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Hệ Tường Vây

Nghiên cứu về ứng xử hệ tường vây móng bè cọc đã đạt được những kết quả quan trọng, mở ra những hướng phát triển mới trong lĩnh vực địa kỹ thuật và kết cấu. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tính toán chính xác hơn, cũng như các giải pháp thi công hiệu quả hơn, sẽ giúp xây dựng những công trình an toàn, bền vững và tiết kiệm.

6.1. Tóm Tắt Những Điểm Chính Và Đóng Góp Của Luận Văn

Luận văn đã trình bày một cách chi tiết về ứng xử của hệ tường vây móng bè cọc, phương pháp phân tích bằng phần mềm PLAXIS, và đánh giá khả năng chịu tải của tường vây. Đóng góp chính của luận văn là chứng minh khả năng tham gia chịu tải của tường vây và đề xuất các giải pháp thiết kế tối ưu hóa hệ thống.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Móng Bè Cọc Và Tường Vây

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình tính toán chính xác hơn về tương tác giữa đất và kết cấu, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như động đất và tải trọng ngang, và phát triển các giải pháp thi công sáng tạo để giảm chi phí và thời gian xây dựng. Nghiên cứu sâu hơn về móng bè cọc và tường vây là cần thiết để ứng dụng hiệu quả vào thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU: Nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài. HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 –4– CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG VÂY-MÓNG BÈ-CỌC CÙNG CHỊU TẢI TRỌNG CÔNG TRÌNH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG VIỆC PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY TRONG HỐ ĐÀO VÀ ỨNG XỬ TRONG MÓNG BÈ CỌC. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG VÂY-MÓNG BÈ- CỌC CÙNG CHỊU TẢI TRỌNG CÔNG TRÌNH PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận về hệ móng bè cọc kết hợp tường vây khi chịu tải trọng của công trình. Đồng thời định hướng nghiên cứu tiếp sau nghiên cứu này.

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 –5– CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG VÂY-MÓNG BÈ-CỌC CÙNG CHỊU TẢI TRỌNG CÔNG TRÌNH 1.1 Giới thiệu móng bè cọc Khi móng bè không đáp ứng đủ các yêu cầu về thiết kế, cọc được đưa ra để cải thiện các khả năng về: chịu tải, độ lún, độ lún lệch không đều và cả độ dày cần thiết của bè. Cả hai bè và cọc được sử dụng trong một móng được gọi là móng bè cọc. Khái niệm về móng bè cọc được đưa ra bởi Poulos (2001) và rất nhiều nghiên cứu khác, được mô phỏng như hình 1. Móng bè, móng bè cọc và móng cọc [1] Móng bè cọc là sự kết hợp của 3 yếu tố: cọc, bè và đất.

Do đó ứng xử của móng bè cọc phụ thuộc vào sự tương tác giữa phần tử móng và đất. Katzenbach et al. (2000) đã xác định được 4 loại tương tác (hình 1.2) và điều này rất cần thiết để đưa vào trong phân tích ứng xử của móng bè cọc. HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 –6– qt = ứng suất tác dụng Qt = tải truyền đến cọc qr = áp lực truyền lên đất (S-P) Tương tác giữa đất và cọc (S-R) Tương tác giữa đất và bè (P-R) Tương tác giữa cọc và bè (P-P) Tương tác giữa cọc và cọc Hình 1-2.

Hiệu ứng tương tác giữa đất và cấu trúc trong móng bè cọc của Katzenbach et al. (1998) and Katzenbach et al. Trong thiết kế móng bè cọc, có 5 vấn đề cần thiết được xem xét bao gồm: 1. Khả năng giới hạn mang tải thẳng đứng, tải ngang và môment; 2.

Độ lún tổng lớn nhất; 3. Độ lún chênh lệch lớn nhất; 4. Đánh giá các giá trị về lực cắt, môment đối với kết cấu móng bè; HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 –7– 5. Đánh giá các giá trị về môment và sức chịu tải của cọc đối với thiết kế móng cọc.2 Điều kiện để lựa chọn móng bè cọc.

Cọc barrette là một loại cọc nhồi bê tông, khác cọc khoan nhồi về hình dạng tiết diện và phương pháp tạo lỗ: tạo lỗ bằng máy đào (máy cạp) để đào đất hoặc các phương pháp khác chứ không dùng phương pháp khoan bằng máy khoan. Tiết diện cọc nhồi là hình tròn còn cọc barrette là chữ nhật, chữ thập, chữ I, chữ H. và được tạo lỗ bằng gầu ngoạm. Cọc Barrette được người Pháp cải tiến từ cọc nhồi để tạo ra sức chịu tải lớn hơn với cùng một thể tích bê tông sử dụng.3 Điều kiện để lựa chọn móng bè cọc.

Franke et al. (2000) đã đề nghị một quy trình để lựa chọn móng bè cọc như hình 1. Các móng bè cọc có thể được lựa chọn nếu như một mình bè vẫn không có đủ hệ số an toàn để chống lại sự phá hoại và sự lún lệch lớn. Poulos (2000) đã chỉ ra điều kiện thuận lợi và không thuận lợi cho lớp đất bên dưới khi sử dụng cho móng bè cọc như sau: 1.

Tình huống thuận lợi. Đất có cấu tạo bao gồm lớp sét tương đối cứng b. Đất có cấu tạo bao gồm lớp cát tương đối dày 2. Tình huống không thuận lợi.

Đất có cấu tạo chứa các lớp sét mềm gần bề mặt. Đất có cấu tạo chứa các lớp cát không chặt gần bề mặt. Đất cấu tạo có tính chịu nén yếu ở độ sâu tương đối nông. Đất cấu tạo đã trải qua quá trình cố kết lún do các nguyên nhân bên ngoài e.

Đất cấu tạo đã trải qua quá trình trương nở do các nguyên nhân bên ngoài. HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 –8– Móng của nhà cao tầng Kiểm tra khả năng sử Kiểm tra khả năng sử dụng móng bè cọc dụng móng bè 1. Lớp đất nền bên dưới 1. Chỉ có một mình bè, hệ phù hợp với móng bè cọc số an toàn phù hợp chống 2.

Phải có sự làm việc đồng lại sự phá hoại (ultimate thời giữa bè và cọc để tăng limit state design ULS) hệ số an toàn chống lại sự 2. Liên quan đến chuyển vị phá hoại (ULS) của móng (tổng độ lún, sự 3. Liên quan đến chuyển vị lún lệch, nghiêng) phải của móng (tổng độ lún, sự nằm trong phạm vi cho lún lệch, nghiêng) phải phép (serviceability limit nằm trong phạm vi cho phép (SLS) Có sử dụng số lượng nhỏ cọc bên dưới cấu trúc chịu tải lớn làm cho sự lún giữa các phần tải khác nhau là không cần thiết hoặc làm giảm ứng suất bên trong bè Thay thế bằng những móng khác Sử dụng móng Không sử dụng VD: móng cọc, cọc đài bè móng bè cọc móng giếng Hình 1-3. Phương pháp chọn lựa quy trình thiết kế đơn giản cho móng bè cọc của Franke et al.

(2000) HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 –9– 1.4 Các trường hợp sử dụng móng bè cọc cho các công trình thực tế.1 Móng bè cọc trên nền đất tốt. Móng bè cọc trên nền sét Frankfurt được tóm tắt trên bảng 1.1 theo Katzenbach et al. HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 – 10 – Bảng 1-1 Móng bè cọc trên nền sét Frankfurt Katzenbach et al. Americ Congre Buildin Torhau Messe Westen Euroth Main an Japan Franfurt ss g data s turn d1 eum Tower Expres Centre er Welle Centre s H(m) 130 256.2 25 55 60 40-60 - H: Chiều cao lớn nhất của tòa nhà; P: tổng tải tác dụng; A diện tích bè; tr: chiều dày bè; zr: chiều sâu chôn bè; n: số lượng cọc; Lp: chiều dài cọc; dp: đường kính cọc; i: khoảng các trung bình của cọc; Pp: tải đo được ở cọc; S: độ lún αpr Pile load share Total load HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 – 11 – Hình 1-4.

Cấu tạo lớp đất bên dưới của Thành phố Frankfurt 1.2 Móng bè cọc trên nền đất mềm. Tan et al. (2006) đã trình bày việc sử dụng móng bè cọc cho đất sét mềm ở công trình như hình 1. Tải lớn nhất tác dụng ở chân cột là 750 KN, tải tường tác dụng là 9 KN/m và hoạt tải là 2.

Diện tích của công trình là 30x70 m với bề dày của bè là 300 mm và sử dụng các dãy băng gia cường diện tích 350x700 mm. Cọc sử dụng có diện tích là 200x200 mm chiều dài cọc dao động từ 18->24 m. Tổng cộng ta có 504 cọc. Kết quả quan trắc từ khi xây dựng đến khi kết thúc công trình ta đo được độ lún trung bình là 87 mm và độ lún lệch là 27 mm, góc nghiêng là 1/685.

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 – 12 – Hình 1-5. Mặt bằng bố trí cọc Hình 1-6. Hình thể hiện chi tiết của công trình HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 – 13 – Hình 1-7. Chi tiết mặt cắt của bè Hình 1-8.

Bố trí các vị trí quang trắc 1.5 Phương pháp phân tích móng bè cọc.1 Các phương pháp phân tích. Đã có rất nhiều phương pháp nghiên cứu được đề xuất để phân tích móng bè cọc. Burland (1995) đã đề nghị một cách đơn giản hóa trong việc thiết kế móng bè cọc. Trong đó cọc được thiết kế nhằm làm giảm sự lún của móng (Ghi chú chỉ sử dụng cho cọc ma sát trong đất sét).

Horikoshi et al. (1999) đã phát triển một phương pháp nhằm ước lượng độ lún tổng thể của móng bè cọc. Poulos (2000) and Poulos (2001) cũng đã tổng kết rất nhiều phương pháp đơn giản và phương pháp số trong việc thiết kế móng bè cọc. Phương pháp giải bài toán 3 chiều bằng phần tử hữu hạn (3D-FEM) được áp dụng để dự đoán ứng xử của móng bè cọc đã được Reul et al.

HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 – 14 – (2003, 2004), Reul (2004), Katzenbach et al. Novak et al. (2005), Sanctis et al. (2006) Ningombam Thoiba Singh et al.

(2008), Phongpat Kitpayuck (2009) and JinHyung Lee et al. Ngoài ra việc áp dụng các máy ly tâm trong thí nghiệm để dự đoán các hành vi ứng xử của móng bè cọc cũng được Horikoshi et al. (1996, 1998), Conte et al. (2003) and Vincenzo Fioravante et al.

Các phương pháp được sử dụng để phân tích móng bè cọc, được chia thành 3 nhóm: 1. Đơn giản hóa phương pháp tính (e. Poulos-Davis-Randolph (PDR) Poulos (2001a) and Burland (1995). Phương pháp tính gần đúng dựa trên máy tính.

Phương pháp lò xo trong dãy (e. Phương pháp lò xo trong tấm (e. Phương pháp tính chính xác dựa trên máy tính. Phương pháp phần tử biên (BEM) (Butterfield, et al.

Phương pháp kết hợp phần tử biên cho các cọc và phân tích phần tử hữu hạn cho bè (Hain and Lee (1978), Ta and Small (1996), Small and Zhang (2002) and Mendonca et al. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) (Katzenbach et al. (2005), Sanctis et al. (2006), Ningombam Thoiba Singh et al.

(2008) and JinHyung Lee et al. Các kết luận được rút ra từ những nghiên cứu trước của Poulos. HV: Phạm Quốc Việt MSHV: 2070006 – 15 – 1. Phương pháp đơn giản có thể được sử dụng với sự tin cậy cho mục đích thiết kế cơ sở, với những phương pháp phức tạp hơn thì được sử dụng cho giai đoạn thiết kế chi tiết.

Phương pháp phân tích 2D như là FLAC 2D có thể dẫn đến việc ước lượng lớn về độ lún và phần trăm tải trọng tác dụng lên cọc. Phương pháp phân tích 3D như là FLAC 3D, có khả năng cho kết quả chính xác nhất trong các phương pháp phân tích móng bè cọc. Tuy nhiên cần nhiều thời gian để tạo mô hình và chạy kết quả. Trong móng bè cọc luôn có sự tương tác tồn tại giữa các thành phần: cọc-cọc, cọc-bè, bè-cọc và bè-bè.

Những tương tác này thường được bỏ qua trong hầu hết các phân tích cấu trúc thông thường, sự tương tác này có thể thật sự được đánh giá thấp về độ lún, độ lún lệch và lượng tải được mang bởi đất xung quanh bè. Móng bè cọc có tiềm năng về kinh tế, nếu phù hợp với điều kiện địa chất bên dưới.