CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ MÓNG CỌC ĐÀI BÈ VÀ TƯỜNG CHỊU LỰC 1.Tổng quan hệ về mối quan hệ giữa tường vây và phần ngầm công trình: Khi thi công tầng hầm trong vùng đất yếu, đặc biệt là với những công trình có phầm ngầm có độ sâu lớn thì luôn luôn phải dùng đến hệ thống tường vây. Theo sự làm việc của tường vây có thể phân ra hai loại quan hệ giữ tường vây và tường ngoài của công trình: - (1): Khi tường vây chỉ là kết cấu chắn đất để tạo không gian thi công phần ngầm, nó giới hạn tường ngoài và giữ cho tường ngoài, phần cọc dưới đáy bè không chịu áp lực ngang (Hình 1. Cao độ sân Tầng hầm Mực nước ngầm Đài móng Tường chắn giữ Cọc Hình 1. 1 - Tường vây tách riêng khỏi kết cấu móng -5- Trong trường hợp này, kết cấu tường vây tương đối đa dạng và phụ thuộc vào độ sâu phầm ngầm, độ lớn áp lực đất để lựa chọn phương án kết cấu tường vây.
(2): Khi tường vây không chỉ là kết cấu chắn giữ mà còn được dùng để làm tường ngoài của phần ngầm công trình (Hình 1.2), thì có thể xem nó như là một bộ phận chịu lực công trình. Khi đó, nó sẽ có thêm tác dụng hạn chế chuyển vị ngang và giảm lún cho nhóm cọc dưới móng bè. Cao độ sân Tầng hầm Mực nước ngầm Tường tầng hầm Đài móng Cọc Hình 1. 2 - Tường vây kết hợp với hệ móng cọc đài bè.
Thông thường trong tính toán nền móng chỉ xét đến sự làm việc của nhóm cọc và bè móng. Nếu phân tích các yếu tố chịu tải trọng công trình thì trong trường hợp (1), ta phải xét đến ma sát của tường ngoài tầng hầm và áp lực đẩy nổi của nước lên -6- đáy móng bè; trường hợp (2) thì phải kể thêm đến ma sát của mặt ngoài và mặt trong của tường vây. Các nghiên cứu về sự làm việc đồng thời giữa tường vây và kết cấu móng. Harry G Poulos, Foundation Desgin for Tall Building , Geotechnical Engineering State of the Art and Practice, 786-809 , 2012 [2].
Giới thiệu công trình Trong bài báo, tác giả đưa ví dụ về tính toán móng công trình Incheon Tower ở Hàn Quốc (Hình 1. Đây là công trình siêu cao tầng với 151 tầng nằm ở Songdo, Hàn Quốc. 3 - Tòa nhà Incheon 151 Tower Các thông số sử dụng để mô phỏng tính toán nền móng được trình bày trong Bảng 1. 1 - Tổng hợp thông số địa chất Chiều dày lớp Ev Eh Fs Fb Lớp đất m MPa MPa kPa MPa Lớp trầm tích đại dương phía trên 25.2 7 - 15 5 -11 29 – 48 - Lớp trầm tích đại dương phía dưới 2.5 1700 1190 750 12 -7- Ev = Độ cứng theo phương đứng fs = ma sát bên tới hạn Eh = Độ cứng phương ngang fb = sức chịu mũi tới hạn Kết cấu móng bao gồm bản đáy bê tông dày 5.5m, các cọc đỡ cột và lõi cứng ở trung tâm.
Số lượng cọc là 172 cọc đường kính 2.5m đặt vào tầng đá phong hóa. Mặt đáy sàn hầm nằm ở độ sâu 14.6m dưới mặt đất. Sơ đồ cọc được lựa chọn từ nhiều phương án khác nhau, được thể hiện ở Hình 1. 4 - Mặt bằng cọc công trình Tải trọng sử dụng để thiết kế nền móng được đề xuất bởi bộ phận thiết kế kết cấu và được tổng hợp trong Bảng 1.
2 - Tổng hợp nội lực tính toán nền móng Thành phần tải Giá trị Tĩnh tải 5921.4 MN Hoạt tải 639 MN Tải gió phương X 149 MN Tải gió phương Y 115 MN Tải động đất phương X 110 MN Tải động đất phương Y 110 MN Momen theo phương X 21600 MNm -8- Momen theo phương Y 12710 MNm 1. Phân tích ban đầu: Để phân tích nền móng, mô hình đơn giản được thiết lập với bề dày các lớp đất là không đổi, chiều dài cọc đồng nhất là 50m. Trong bước phân tích ban đầu chỉ xét đến tải trọng thẳng đứng do công trình truyền xuống trong trường hợp tổ hợp tải trọng gồm tĩnh tải và hoạt tải. Tổng tải trọng do nhóm cọc chịu được tính toán là 172*244 = 41968 MN, sức chịu tải của bè là 5930 MN.
Vậy tổng tải là 47898 MN. Chương trình GARP do Small và Poulos thiết kế được sử dụng làm công cụ phân tích chính. Kết quả chuyển vị lớn nhất là 67mm và độ lún lệch lớn nhất là 34mm, kết quả này thõa mãn yêu cầu đặt ra. Thiết kế chi tiết: Để kiểm tra kết quả từ phân tích bằng chương trình GARP và nghiên cứu về ảnh hưởng của tường vây đến ứng xử của hệ móng cọc đài bè, các nhà thiết kế đã sử dụng phần mềm PLAXIS 3-D Foundation để phân tích trong 02 trường hợp.
- Trường hợp 1: Cọc liên kết với bè tạo thành hệ cọc – bè và tương tác với phần đất từ bên dưới đáy bè trở xuống. Đây là trường hợp thông thường để phân tích thiết kế móng cọc đài bè hiện nay. - Trường hợp 2: Hệ tường tầng hầm được kết nối với hệ cọc – bè và xét đến tương tác của đất xung quanh tường (Hình 1. Đây là trường hợp đúng với thực tế làm việc của công trình.
Tường vây (chiều dài 14.2m) được sử dụng như là một bộ phận chịu lực dọc. 5 - Mô hình Plaxis 3D của công trình Phân tích chuyển vị: Từ biểu đồ tải trọng – chuyển vị (Hình 1.6) nhận thấy rằng khi kết hợp tường vây vào hệ cọc đài bè thì độ lún của bè giảm đi. Trong trường hợp này chuyển vị của 2 trường hợp chênh lệch nhau là 8mm. Chuyển vị của hệ bè – cọc là 54 mm, của hệ tường – bè –cọc là 46 mm.
Không có hệ tường Có hệ tường Chuyển vị đứng của cọc Hình 1. 6 - Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị bè -10- Nhận xét: Khi kể đến tường vây tầng hầm thì chuyển vị đã giảm đi 14. Điều này có nghĩa là tải trọng công trình truyền xuống cọc đã phân phối một phần sang cho tường hầm, tải trọng tác dụng lên đầu cọc sẽ giảm đi. Nguyễn Bá Kế, Móng nhà cao tầng - Kinh nghiệm nước ngoài, NXB Xây dựng, 2008 [3].
Phân tích tính toán tường liên tục trong đất đồng thời chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang của công trình mở rộng thư viện Đại học Đồng Tế, Trung Quốc. Hệ móng được lựa chọn là móng hộp đặt trên lớp cát mịn, tường vây tầng hầm đặt trong lớp đất sét bùn nhão màu xám. Trong thiết kế tường chỉ tính tường chịu tải trọng ngang do thi công và làm nhiệm vụ ngăn nước, chống thấm. Khi tính toán với quan niệm móng hộp riêng lẻ thì kết quả độ lún là 31.7cm trong khi quan trắc thực tế thì chỉ 12cm.
Kết quả cho thấy sự chênh lệch khá lớn giữa thực tế và kết quả tính toán với quan niệm trên. Xét đến sự làm việc chịu tải trọng đứng của tường liên tục: - Khả năng chịu tải đứng P của tường liên tục trong đất được tổ thành từ lực cản ma sát thành F và lực chống đáy tường R: P =F + R Trong đó: F : lực cản ma sát thành R : lực chống ở đáy tường. Tải trọng còn lại do móng hộp chịu. Dùng tải trọng này để tính lún cho móng hộp theo phương pháp Mindlin thì kết quả là 14.4cm, sát với thực tế.
Từ đó có thể thấy khi kể đến sự làm việc chịu tải đứng của tường liên tục thì độ lún của móng có thể giảm đi đúng với thực tế đo đạc được tai công trình. Kết luận: Khi kể đến thành phần chịu lực đứng của tường liên tục trong đất có thể làm giảm đi nhiều độ lún của móng. Điều này cần được xem xét kĩ lưỡng trong lựa chọn kiểu và thiết kế móng. Nguyễn Võ Nhất Huy, Luận văn thạc sĩ: Phân tích móng bè xét đến tác dụng của tường vây, ĐH Bách Khoa TP.
Trong luận văn này, hệ xem xét kết cấu móng và tường này làm việc đồng thời, sau đó phân tích ảnh hưởng của tường vây đến sức chịu tải và độ lún móng bè. Các thông số của tường vây được đề nghị ở đây gồm có: Chiều sâu và bề dầy. Hai thông số này được phân tích lần lượt đối với trường hợp móng bè có cọc và không có cọc. Luận văn sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 3D Foundation để phân tích hệ móng cọc đài bè và tường vây với các trường hợp thay đổi chiều dài tường vây và số lượng cọc Chiều sâu của tường vây có ảnh hưởng lớn đến độ lún của bè cũng như sức chịu tải của hệ.
Chiều sâu tường vây có ý nghĩa lớn trong việc làm giảm chuyển vị của bè khi tải trọng tác dụng lên bè lớn hơn lượng đất đào lên để thi công tầng hầm. Chiều dầy của tường vây ảnh hưởng không lớn đến độ lún của bè và sức chịu tải hệ. 7 – Trường hợp 25 cọc -12- Hình 1.7: Bè kích thước 15m x 15m, bè có 25 cọc, chiều dài cọc 16m, chiều sâu tường vây thay đổi: 0 m, 2m, 6m, 10m, 20m, 30m, tường vây dày 0,8 m. Tải trọng thay đổi trong các trường hợp 100 KPa, 200 KPa, 300 KPa, 400 KPa.
Quan hệ tải trọng – chuyển vị được thể hiện trong Hình 1. 8 – Biểu đồ chuyển vị trường hợp 25 cọc Hình 1.9: Bè kích thước 15mx15m, bè có 16 cọc, chiều dài cọc khoảng 16m, chiều sâu tường vây thay đổi: 0 m, 2m, 6m, 10m, 20m, 30m, tường vây dày 0,8. Tải trọng thay đổi trong các trường hợp 100 KPa, 200 KPa, 300 KPa, 400 Kpa. 9 – Trường hợp 16 cọc Quan hệ tải trọng – chuyển vị được thể hiện trong Hình 1.
10 – Biểu đồ chuyển vị trường hợp 16 cọc -14- Kết luận: - Khi chiều dài tường vây tăng thì khả năng chịu tải của bè cọc tăng lên và độ lún của cọc giảm. - Lúc chiều dài tường vây dài hơn chiều dài cọc, sức chịu tải của móng cọc đài bè ít phụ thuộc vào số lượng cọc bên dưới của bè. - Sự thay đổi bề dày tường vây không làm thay đổi nhiều đến sự làm việc của cọc. KẾT LUẬN CHƯƠNG Dù chưa có những kết luận cụ thể nhưng các tác giả trên đều khẳng định ảnh hưởng của tường vây đến khả năng chịu tải của kết cấu móng công trình.
Đến nay phần lớn các thiết kế của hệ móng cọc đài bè đều bỏ qua khả năng chịu tải công trình của hệ tường vây. Khi xét đến hệ tương vây bê tông cốt thép cùng làm việc đồng thời với hệ móng cọc đài bè thì tường sẽ nhận một phần tải trọng của công trình.