Phân Tích Ảnh Hưởng Của Hệ Tường Vây Đến Sự Làm Việc Của Hệ Móng Cọc Đài Bè

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích địa kỹ thuật xây dựng phân tích ảnh hưởng của hệ tường vây đến sự làm việc của hệ móng cọc đài bè, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Hữu Tùng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân Tích Ảnh Hưởng Của Tường Vây Đến Hệ Móng Cọc Đài Bè
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ảnh Hưởng Tường Vây Đến Móng Cọc Đài Bè

Ngày nay, việc sử dụng tường vây trong xây dựng tầng hầm ngày càng phổ biến. Tường vây bê tông cốt thép có nhiều ưu điểm như độ cứng cao, thi công cơ giới hóa, ít gây tiếng ồn. Tường thường được dùng để chắn đất và làm tường ngoài cho tầng hầm. Tuy nhiên, trong thiết kế, tường vây thường được coi là kết cấu chắn giữ chịu áp lực ngang, mà chưa được đánh giá đầy đủ về khả năng chịu tải trọng dọc trục. Luận văn này tập trung vào việc phân tích sự làm việc đồng thời của tường vây bê tông cốt thép với hệ móng cọc đài bè khi chịu tải trọng thẳng đứng của công trình.

1.1. Mối quan hệ giữa tường vây và hệ móng công trình

Có hai loại quan hệ chính giữa tường vây và phần ngầm công trình. Thứ nhất, tường vây chỉ đóng vai trò là kết cấu chắn đất, giữ cho tường ngoài và phần cọc dưới đáy bè không chịu áp lực ngang. Thứ hai, tường vây không chỉ chắn giữ mà còn làm tường ngoài của phần ngầm, có tác dụng hạn chế chuyển vị ngang và giảm lún cho nhóm cọc dưới móng bè. Việc xét đến ma sát thành của tường để chịu lực ngang và momen là rất quan trọng, cũng như là khả năng chịu tải trọng dọc trục theo phương đứng như là một thành phần chịu lực trong kết cấu móng của công trình.

1.2. Vấn đề thiết kế riêng rẽ tường vây và móng cọc

Trong quá trình thiết kế hiện nay, hệ tường vây và hệ móng thường được thiết kế riêng lẻ, dẫn đến sai lệch lớn giữa giá trị thực tế và giá trị quan trắc. Ngoài các yếu tố như sai số khảo sát địa chất, xác định sai mô hình đất, việc không xét đến ảnh hưởng của tường vây đến sự làm việc của móng cọc đài bè là một nguyên nhân quan trọng. Vì vậy, cần thiết phải phân tích các ảnh hưởng của tường vây bê tông cốt thép đến sự làm việc của hệ móng bè, để đưa ra kết luận về sự làm việc của hệ móng cọc đài bè - tường.

II. Thách Thức Tính Toán Tương Tác Đất Tường Vây Móng Cọc

Việc tính toán khả năng chịu tải và chuyển vị của hệ móng cọc đài bè đã có nhiều tiến bộ. Tuy nhiên, khi xét đến sự làm việc đồng thời của hệ tường vây bê tông cốt thép với hệ móng cọc đài bè, xuất hiện sự tương tác phức tạp giữa các thành phần. Các tương tác này bao gồm: đất - bè - cọc - tường. Phạm vi nghiên cứu này tập trung vào sự làm việc đồng thời của tường vây với hệ móng cọc đài bè khi chịu tải trọng thẳng đứng, để so sánh và đánh giá khả năng chịu tải, chuyển vị so với hệ móng cọc đài bè khi chịu tải trọng đứng.

2.1. Sự phức tạp của tương tác đất công trình

Khi tính toán nền móng, cần xét đến sự làm việc của nhóm cọc và bè móng. Nếu phân tích các yếu tố chịu tải, cần xét đến ma sát của tường ngoài tầng hầm và áp lực đẩy nổi của nước lên đáy móng bè. Nếu tường vây được dùng làm tường ngoài của phần ngầm, cần kể thêm ma sát của mặt ngoài và mặt trong của tường vây. Sự tương tác giữa đất, tường vây, và móng cọc tạo ra một bài toán phức tạp.

2.2. Ứng dụng thực tế và yêu cầu tối ưu thiết kế

Với diện tích đất xây dựng hạn chế, việc tăng số lượng tầng hầm ngày càng phổ biến. Trong xây dựng tầng hầm, sử dụng hệ tường vây bê tông cốt thép để chắn giữ hố đào và làm tường vĩnh cửu đã được ứng dụng rộng rãi. Việc thiết kế tối ưu hệ móng cọc đài bè và so sánh với các phương án móng khác là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Đặc biệt là trong việc xem xét và tính toán lại hệ số an toàn cho công trình.

III. Phương Pháp Phân Tích Tác Động Tường Vây Lên Móng Cọc Đài

Luận văn sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng các công trình. Các thông số của tường vây và tải trọng được thay đổi để tìm hiểu quy luật ứng xử của hệ móng cọc đài bè khi xét đến sự làm việc của tường vây. Các giá trị tải trọng do cọc gánh đỡ và độ lún của hệ móng được dùng để so sánh. Từ các kết luận rút ra, tác giả chọn một trường hợp điển hình nhất để tối ưu lại thiết kế.

3.1. Mô phỏng bài toán móng cọc đài bè bằng Plaxis 3D

Để kiểm tra năng lực tính toán của phần mềm Plaxis 3D Foundation, tác giả mô phỏng lại bài toán kinh điển về hệ móng cọc đài bè do Poulos đề xuất. So sánh kết quả với các phương pháp thông dụng khác. Móng của một công trình thực tế bao gồm hệ móng cọc đài bè và tường vây bê tông cốt thép được mô phỏng trong Plaxis 3D Foundation.

3.2. Các bước phân tích ảnh hưởng của tường vây

Để phân tích ảnh hưởng của tường vây, tác giả thay đổi các thông số của tường vây và tải trọng. Tìm hiểu quy luật ứng xử của hệ móng cọc đài bè. Các giá trị được dùng để so sánh là tải trọng do cọc gánh đỡ và độ lún của hệ móng. Từ kết quả mô phỏng, kết luận được sự khác nhau khi hệ móng cọc đài bè làm việc riêng lẻ và khi kết hợp với tường vây để cùng chịu tải trọng công trình.

3.3. Tối ưu thiết kế dựa trên kết quả phân tích

Trên cơ sở giảm dần số lượng cọc đến khi nội lực thân cọc vượt quá giá trị sức chịu tải thiết kế của cọc hoặc chuyển vị cọc vượt quá giá trị độ lún cho phép. So sánh kết quả đạt được với trường hợp không có tường vây để chọn được thiết kế tối ưu nhất. Đây là một bước quan trọng để chứng minh tường vây bê tông cốt thép có khả năng chịu tải trọng công trình khi xem tường như là một bộ phận của hệ móng công trình.

IV. Ứng Dụng Phân Tích Móng Cọc Đài Bè Cho Nhà Cao Tầng

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp trên để phân tích móng cọc đài bè cho một công trình chung cư 18 tầng. Kết quả cho thấy tường vây chịu một phần tải trọng của công trình, khiến tải trọng tác dụng lên cọc và bè móng giảm đi. Khi chiều dài tường vây càng lớn thì ảnh hưởng của tường đến hệ cọc – bè càng lớn, đặc biệt các cọc nằm gần tường vây.

4.1. Giới thiệu công trình và thông số địa chất

Mô phỏng móng cọc đài bè của công trình chung cư 18 tầng bằng Plaxis 3D Foundation. Phân tích các kết quả tính toán. Các kết quả này cho thấy sự khác biệt khi hệ móng cọc đài bè làm việc riêng lẻ và khi kết hợp với tường vây để cùng chịu tải trọng công trình.

4.2. Phân tích ảnh hưởng của tường vây đến tải trọng cọc

Một số ảnh hưởng của tường với các thành phần bè, cọc về mặt chịu lực cũng được phân tích để giải thích sự làm việc của hệ móng cọc bè – tường. Nghiên cứu đề cập đến một số tương tác giữa cọc – tường, bè – tường mà chưa được đề cập đến trong các nghiên cứu về móng bè - cọc trước đây. Ảnh hưởng của vị trí tường đến sức chịu tải của các cọc, đặc biệt là các cọc nằm ở biên đài móng, được rút ra từ nghiên cứu.

4.3. Đánh giá ứng suất dưới đáy bè và chuyển vị của đất

Phân tích giá trị ứng suất lớn nhất dưới đáy bè và chuyển vị của đất trong các mô hình có tường vây. Kết quả cho thấy tường vây có khả năng chịu tải trọng công trình khi xem tường như là một bộ phận của hệ móng công trình. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở để thiết kế tối ưu hệ móng cọc đài bè và so sánh với các phương án móng khác.

V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Về Móng Cọc Đài Bè Tường Vây

Nghiên cứu chứng minh tường vây bê tông cốt thép có khả năng chịu tải trọng công trình khi xem tường như là một bộ phận của hệ móng. Nghiên cứu đề cập đến một số tương tác giữa cọc – tường, bè – tường. Kết luận từ nghiên cứu này có thể giúp người thiết kế có thêm cơ sở để tối ưu thiết kế cho hệ móng cọc đài bè khi kết cấu tường bao che cho tầng hầm là hệ tường bê tông cốt thép.

5.1. Đánh giá kết quả nghiên cứu và đóng góp

Về mặt khoa học, kết quả nghiên cứu chứng minh tường vây bê tông cốt thép có khả năng chịu tải trọng công trình khi xem tường như là một bộ phận của hệ móng công trình. Nghiên cứu đề cập đến một số tương tác giữa cọc – tường, bè – tường mà chưa được đề cập đến trong các nghiên cứu về móng bè - cọc trước đây.

5.2. Hướng phát triển nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu này cung cấp cho người thiết kế cơ sở để thiết kế tối ưu hệ móng cọc đài bè và so sánh với các phương án móng khác. Cần có thêm các nghiên cứu về ảnh hưởng của vị trí tường đến sức chịu tải của các cọc. Đặc biệt là các cọc nằm ở biên đài móng, cần có cơ sở để bố trí hợp lý vị trí các cọc trong hệ móng cọc đài bè.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.