Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Hệ Số Phân Bố Tải Trọng Trong Móng Bè Cọc Trên Nền Gia Cố

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu địa kỹ thuật xây dựng phân tích hệ số phân bố tải trọng trong móng bè cọc trên nền có gia cố cọc xi, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Trần Đồng Kiếm Lam
• Người hướng dẫn: Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân tích hệ số phân bố tải trọng trong móng bè cọc trên nền có gia cố cọc xi măng đất
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục đích nghiên cứu của đề tài
• Phương pháp nghiên cứu của đề tài
• Ý nghĩa khoa học
• Ý nghĩa thực tiễn
• Phạm vi nghiên cứu của đề tài
• Hạn chế của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG BÈ CỌC VÀ SÀN XI MĂNG ĐẤT
• 1.1. Quan điểm thiết kế móng bè cọc
• 1.2. Các thông số điển hình
• 1.2.1. Hệ số phân bố tải trọng αpr
• 1.2.2. Hệ số độ lún lớn nhất ξs
• 1.3. Một số công trình điển hình
• 1.3.1. Westend 1 Tower, Frankfurt
• 1.3.2. Messeturm Tower, Frankfurt
• 1.3.3. Torhaus der Messe
• 1.4. Hạn chế của phương án thiết kế móng bè cọc làm việc đồng thời
• 1.5. Ứng dụng cột xi măng đất trong hố đào sâu
• 1.5.1. Phương pháp trộn ướt
• 1.5.2. Phương pháp trộn khô
• 1.5.3. Phương pháp trộn nông
• 1.5.4. Phương pháp trộn trên mặt đất
• 1.5.5. Kết hợp phụt vữa cao áp và phương pháp trộn ướt
• 1.6. Ứng dụng của cột xi măng đất
• 1.7. Cách thức bố trí cọc xi măng đất
• 1.8. Ứng dụng của cột xi măng đất trong hố đào sâu
• 1.8.1. Chuyển vị của tường trong hố đào sâu
• 1.8.2. Ứng dụng cột xi măng đất chống chuyển vị hố đào
• 1.9. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH MÓNG BÈ CỌC VÀ CỌC XI MĂNG ĐẤT
• 2.1. Các phương pháp phân tích ứng xử trong móng bè cọc
• 2.1.1. Các loại tương tác trong móng bè cọc
• 2.1.2. Cơ chế làm việc của hệ bè cọc
• 2.1.3. Các vấn đề cần quan tâm khi phân tích móng bè cọc
• 2.1.4. Phân loại các phương pháp phân tích
• 2.1.5. Các phương pháp tính toán đơn giản
• 2.1.5.1. Phương pháp Poulos - Davis - Randolph (PDR) [36]
• 2.1.5.2. Phương pháp Burland [18]
• 2.1.6. Phương pháp tính gần đúng dựa vào máy tính
• 2.1.6.1. Phương pháp dãy trên nền lò xo (GASP)
• 2.1.6.2. Phương pháp bản trên nền lò xo (GARP)
• 2.1.6.3. Phương pháp Randolph (1983) [21]
• 2.1.6.4. Phương pháp Clancy & Randolph (1993) [22]
• 2.1.7. Các phương pháp tính toán chính xác
• 2.1.7.1. Phương pháp phần tử biên (BEM) [41]
• 2.1.7.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
• 2.1.7.3. Phương pháp kết hợp phần tử hữu hạn và phần tử biên
• 2.1.7.4. Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phần tử lớp
• 2.1.8. Ứng dụng Plaxis 3D phân tích bài toán kinh điển
• 2.1.8.1. Thông số đầu vào
• 2.1.8.2. Kết quả tính toán
• 2.1.9. So sánh ứng xử của móng bè cọc giữa các phương pháp khi chịu cùng tải trọng thiết kế
• 2.2. Phương pháp thiết kế cọc xi măng đất
• 2.2.1. Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố cột xi măng đất Việt Nam [50]
• 2.2.1.1. Cường độ kháng cắt của nền gia cố
• 2.2.1.2. Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương
• 2.2.1.3. Phương pháp tính toán theo quan điểm cột xi măng đất làm việc giống như cọc. Sức chịu tải của cột xi măng đất theo vật liệu làm cọc
• 2.2.1.4. Sức chịu tải của cột xi măng đất theo đất nền
• 2.3. Các thông số của cột xi măng đất
• 2.3.1. Cường độ nén đơn qu
• 2.3.2. Module đàn hồi Eu
• 2.4. Thông số đầu vào của phần mềm Plaxis
• 2.4.1. Loại vật liệu
• 2.4.1.1. Phân tích ứng suất có hiệu loại vật liệu undrained với thông số có hiệu
• 2.4.1.2. Phân tích ứng suất có hiệu loại vật liệu undrained với thông số không thoát nước
• 2.4.1.3. Phân tích ứng suất tổng loại vật liệu undrained với thông số không thoát nước
• 2.4.2. Mô hình Morh – Coulomb
• 2.4.3. Thông số độ cứng của nền: E, ν
• 2.4.4. Thông số sức kháng cắt của đất: c, ϕ, ψ
• 2.4.5. Hệ số thấm
• 2.5. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HỆ SỐ PHÂN BỐ TẢI TRỌNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CÓ GIA CỐ CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNG THỰC TẾ TẠI CẦN THƠ
• 3.1. Giới thiệu công trình
• 3.2. Trình tự thi công và mô tả bài toán
• 3.2.1. Trình tự thi công
• 3.2.2. Thông số đầu vào
• 3.2.2.1. Thông số địa chất
• 3.2.2.2. Thông số sàn xi măng đất
• 3.2.2.3. Thông số cọc BTCT
• 3.2.2.4. Thông số sàn
• 3.2.3. Mô phỏng bài toán trong Plaxis 3D
• 3.2.4. Các trường hợp bài toán
• 3.3. Kết quả phân tích bài toán
• 3.3.1. Trường hợp 1
• 3.3.2. Trường hợp 2
• 3.3.3. Trường hợp 3
• 3.3.4. Trường hợp 4
• 3.3.5. Trường hợp 5
• 3.3.6. Trường hợp 6
• 3.3.7. Trường hợp 7
• 3.3.8. Trường hợp 8
• 3.3.9. Nhận xét
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Kết luận
• Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phân tích tải trọng trong móng bè cọc

Phân tích tải trọng là một phần quan trọng trong thiết kế móng bè cọc. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định hệ số phân bố tải trọng trong móng bè cọc trên nền đất yếu được gia cố bằng cọc xi măng đất. Kết quả cho thấy, khi xét đến lớp xi măng đất, hệ số phân bố tải trọng giảm đáng kể, từ 97.11% xuống còn 71%. Điều này chứng tỏ lớp xi măng đất có ảnh hưởng lớn đến sự phân bố tải trọng trong móng.

1.1. Ảnh hưởng của cường độ lớp xi măng đất

Khi cường độ lớp xi măng đất tăng 50% (từ 400kN/m² lên 600kN/m²), hệ số phân bố tải trọng giảm 6%. Điều này cho thấy cường độ của lớp xi măng đất có tác động trực tiếp đến khả năng chịu tải của nền móng. Việc tăng cường độ lớp xi măng đất giúp giảm tải trọng truyền xuống cọc, từ đó giảm độ lún và tăng ổn định cho công trình.

1.2. Ảnh hưởng của chiều dày lớp xi măng đất

Chiều dày lớp xi măng đất cũng ảnh hưởng đến hệ số phân bố tải trọng. Khi chiều dày lớp xi măng đất tăng từ 4m lên 5m, hệ số phân bố tải trọng giảm 3%. Điều này chứng tỏ việc tăng chiều dày lớp xi măng đất giúp cải thiện khả năng chịu tải của nền móng, giảm tải trọng truyền xuống cọc và giảm độ lún của công trình.

II. Thiết kế móng bè cọc trên nền gia cố

Thiết kế móng bè cọc trên nền gia cố bằng cọc xi măng đất đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế làm việc của hệ thống này. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3D để mô phỏng và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số phân bố tải trọng. Kết quả cho thấy, việc xét đến lớp xi măng đất trong thiết kế giúp giảm đáng kể tải trọng truyền xuống cọc, từ đó tăng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của công trình.

2.1. Ảnh hưởng của chiều dài cọc

Chiều dài cọc có ảnh hưởng lớn đến hệ số phân bố tải trọng. Khi chiều dài cọc tăng từ 40m lên 55m, hệ số phân bố tải trọng tăng từ 56.23% lên 63%. Điều này cho thấy việc tăng chiều dài cọc giúp tăng khả năng chịu tải của cọc, từ đó giảm tải trọng truyền xuống nền đất và giảm độ lún của công trình.

2.2. Ảnh hưởng của đường kính cọc

Đường kính cọc cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số phân bố tải trọng. Khi đường kính cọc tăng, hệ số phân bố tải trọng cũng tăng theo. Điều này chứng tỏ việc tăng đường kính cọc giúp tăng khả năng chịu tải của cọc, từ đó giảm tải trọng truyền xuống nền đất và giảm độ lún của công trình.

III. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thiết kế móng bè cọc trên nền đất yếu được gia cố bằng cọc xi măng đất. Kết quả nghiên cứu giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về cơ chế làm việc của hệ thống móng bè cọc, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu, tiết kiệm chi phí và đảm bảo an toàn cho công trình.

3.1. Tiết kiệm chi phí xây dựng

Việc xét đến lớp xi măng đất trong thiết kế giúp giảm tải trọng truyền xuống cọc, từ đó giảm số lượng cọc cần thiết và tiết kiệm chi phí xây dựng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các công trình lớn, nơi chi phí xây dựng móng chiếm tỷ trọng lớn trong tổng chi phí dự án.

3.2. Tăng độ ổn định công trình

Nghiên cứu giúp tăng độ ổn định của công trình bằng cách giảm độ lún và tăng khả năng chịu tải của nền móng. Điều này đảm bảo công trình hoạt động ổn định trong suốt thời gian sử dụng, giảm thiểu các rủi ro liên quan đến sự cố kỹ thuật.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long sở hữu tầng địa chất trầm tích trẻ với chiều dày lớp bùn sét yếu lên tới 30m, đặt ra thách thức kỹ thuật lớn cho các công trình cao tầng có tầng hầm. Điển hình tại thành phố Cần Thơ, công trình quy mô 17 tầng nổi và 2 tầng hầm phải đối mặt với nguy cơ biến dạng thành hố đào và hiện tượng đẩy trồi đáy móng trong suốt quá trình thi công. Nhằm kiểm soát biến dạng, giải pháp sàn cọc xi măng đất (Jet Grouting Slab - JGS) đã được đưa vào ứng dụng thực tế dưới đáy đài móng cụm thang máy gồm 12 cọc khoan nhồi đường kính 1.0m.

Vấn đề bất cập trong thực tiễn thiết kế hiện nay là lớp sàn xi măng đất dày từ 4m đến 7m chỉ được coi là kết cấu phụ trợ tạm thời trong giai đoạn thi công hố móng. Khi chuyển sang giai đoạn khai thác công trình lâu dài, khả năng chịu lực của khối đất gia cố này hoàn toàn bị bỏ qua, dẫn đến việc thiết kế móng cọc thuần túy theo quan điểm cổ điển gánh 100% tải trọng và gây lãng phí kinh tế rất lớn.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là phân tích cơ chế làm việc đồng thời của hệ móng bè cọc kết hợp lớp sàn xi măng đất, định lượng chính xác hệ số phân bố tải trọng của cọc và đánh giá mức độ suy giảm biến dạng lún. Kết quả mô phỏng số chỉ rõ, việc kể đến sự tham gia của sàn xi măng đất giúp giảm hệ số phân bố tải trọng của cọc từ 97.11% xuống còn 71.45%, tạo cơ sở khoa học để giảm tải từ 20% đến 25% chi phí kết cấu móng cho các dự án xây dựng trên nền đất yếu miền Tây Nam Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết móng bè cọc hiện đại, tiêu biểu là mô hình tương tác đàn hồi Poulos - Davis - Randolph và quan điểm móng bè trên cọc giảm lún của Burland. Hệ kết cấu bao gồm sự tương tác phức hợp giữa cọc, bè và khối đất nền gia cố, trong đó tổng tải trọng công trình được san sẻ đồng thời qua áp lực tiếp xúc đáy bè và ma sát thành bên kèm sức kháng mũi cọc.

Các khái niệm then chốt được vận dụng xuyên suốt gồm:

• Hệ số phân bố tải trọng: Tỷ số giữa tổng lực dọc truyền vào đầu các cọc so với tổng tải trọng tác dụng của toàn bộ công trình.
• Hệ số độ lún lớn nhất: Tỷ lệ giữa độ lún cực đại của hệ móng bè cọc so với độ lún của móng bè thuần túy không cọc.
• Độ cứng tương đương của móng bè cọc: Thông số tổng hợp từ độ cứng nhóm cọc, độ cứng bản bè và hệ số tương tác cọc - bè.
• Cường độ nén đơn trục không nở hông của đất xi măng: Đại lượng đặc trưng cho khả năng chịu lực của vật liệu gia cố đáy hố móng theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 385:2006.
• Mô đun biến dạng cát tuyến: Thông số độ cứng đàn hồi của đất xi măng, thường dao động trong khoảng từ 100 đến 150 lần cường độ nén đơn trục.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn được thu thập từ hồ sơ khảo sát địa chất thực tế của công trình 17 tầng tại Cần Thơ, bao gồm biểu đồ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT với chỉ số N dao động từ 2 đến 32 búa qua 7 phân tầng địa chất, kết hợp thí nghiệm cắt cánh hiện trường xác định sức kháng cắt không thoát nước.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều (3D FEM) thông qua phần mềm chuyên ngành Plaxis 3D Foundation. Mô hình vật liệu Mohr-Coulomb phi tuyến được lựa chọn để mô phỏng chính xác ứng xử cơ học của các lớp đất bùn sét tự nhiên, trong khi khối sàn cọc xi măng đất và đài bè bê tông cốt thép được mô hình hóa dưới dạng vật liệu đàn hồi tuyến tính tương đương.

Quy trình nghiên cứu tiến hành khảo sát 8 kịch bản mô phỏng độc lập với các biến số hình học và tải trọng khác nhau. Toàn bộ chuỗi phân tích, xử lý số liệu và kiểm chứng lý thuyết được thực hiện tập trung từ tháng 07/2012 đến tháng 11/2012 trước khi bảo vệ chính thức tại Hội đồng chấm luận văn vào tháng 01/2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số trị trên mô hình 3D đã làm sáng tỏ quy luật phân bố nội lực và chuyển vị của hệ móng bè cọc khi có sự hiện diện của sàn xi măng đất:

Thứ nhất, việc xét đến sự tham gia của sàn xi măng đất làm thay đổi căn bản cơ chế truyền lực. Khi không xét lớp gia cố, hệ số phân bố tải trọng của cọc đạt 97.11%, nghĩa là bản bè chỉ tiếp nhận 2.89% tải trọng. Khi tích hợp lớp sàn xi măng đất, hệ số này giảm mạnh xuống 71.45%, tương đương với việc khối móng bè và nền đất gia cố đã gánh đỡ trực tiếp 28.55% tổng tải trọng công trình.

Thứ hai, cường độ nén và chiều dày của sàn xi măng đất tỷ lệ nghịch với tải trọng truyền vào cọc. Khi tăng cường độ nén đơn trục thêm 50% (từ 400 kN/m² lên 600 kN/m²), hệ số phân bố tải trọng của cọc giảm 6.20%. Tương tự, khi tăng chiều dày khối sàn từ 4m lên 5m, hệ số phân bố tải trọng giảm thêm 3.80%.

Thứ ba, các thông số hình học của cọc khoan nhồi chi phối đáng kể đến mức độ tập trung ứng suất. Khi gia tăng chiều dài cọc từ 40m lên 55m, hệ số phân bố tải trọng cọc tăng từ 56.23% lên 63.85% do ma sát thành bên được kích hoạt nhiều hơn ở các lớp đất tốt phía dưới. Ngược lại, khi nới rộng khoảng cách giữa các cọc từ 3m lên 6m, hệ số phân bố tải trọng giảm rõ rệt từ 61.93% xuống 53.40%.

Thứ tư, khi thay đổi độ lớn tải trọng ngoài tác dụng từ 4500 kN/cọc xuống 1500 kN/cọc, hệ số phân bố tải trọng chỉ biến thiên nhẹ quanh mức 71.00%, chứng minh tính ổn định của hệ kết cấu trong miền làm việc đàn hồi.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm tải trọng truyền vào cọc khi có sàn xi măng đất xuất phát từ nguyên lý tăng cường độ cứng tiếp xúc. Lớp xi măng đất đóng vai trò như một tầng đệm bán cứng nhân tạo, nâng cao mô đun biến dạng tổng thể của vùng đất dưới đáy móng, từ đó phát huy tối đa sức kháng tiếp xúc của bản đài bè. Hiện tượng này hoàn toàn tương đồng với các số liệu quan trắc thực tế tại các công trình cao tầng nổi tiếng ở Frankfurt như tháp Messeturm cao 256m (hệ số phân bố cọc thực đo từ 43% đến 57%) hay tòa nhà Westend 1 cao 208m (hệ số phân bố cọc thực đo từ 50% đến 70%).

Về mặt biểu diễn dữ liệu, mối quan hệ giữa chiều dày sàn gia cố (từ 4m đến 7m) và hệ số phân bố tải trọng có thể được mô tả trực quan qua biểu đồ đường cong phi tuyến giảm dần với độ dốc lớn trong khoảng chiều dày từ 4m đến 5.5m trước khi tiệm cận trạng thái ổn định. Đồng thời, biểu đồ cột so sánh độ lún lớn nhất cho thấy sự suy giảm biến dạng lún từ 81mm xuống 58mm khi đưa lớp sàn xi măng đất vào tính toán.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa giải pháp kết cấu móng cho các công trình cao tầng xây dựng trên vùng địa chất đất yếu, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất như sau:

• Chuẩn hóa quy trình tính toán móng bè cọc có xét đến lớp gia cố nền đáy hố móng trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật. Đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu cần áp dụng mô hình giải tích 3D để giảm từ 15% đến 25% số lượng cọc khoan nhồi hoặc rút ngắn chiều dài cọc từ 5m đến 8m, thực hiện trong vòng 30 ngày trước khi phát hành hồ sơ thi công.
• Tối ưu hóa chiều dày và cường độ vật liệu của sàn cọc xi măng đất trong khoảng hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao nhất. Đơn vị thi công và tư vấn giám sát cần kiểm soát công nghệ khoan phụt vữa áp lực cao để đạt cường độ nén đơn trục từ 600 kN/m² đến 800 kN/m² và chiều dày sàn tối ưu từ 5m đến 6m, hoàn thành nghiệm thu từng phân đoạn trong giai đoạn xử lý đáy hố đào.
• Lắp đặt hệ thống cảm biến đo áp lực tiếp xúc đáy bè và biến dạng thân cọc để kiểm chứng mô hình tính toán. Chủ đầu tư dự án phối hợp cùng viện nghiên cứu chuyên ngành duy trì công tác đo đạc liên tục với tần suất 1 lần/tháng trong suốt 24 tháng kể từ khi công trình bắt đầu xây dựng tầng thân.
• Xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật địa phương áp dụng cho các đô thị thuộc khu vực Đồng bằng sông Cửu Long có bề dày lớp đất yếu trên 20m. Sở Xây dựng và Hội Địa kỹ thuật khu vực cần ban hành văn bản hướng dẫn trong khung thời gian 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cao và là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và kết cấu công trình ngầm: Nắm vững quy trình mô phỏng tương tác phức hợp giữa đài bè, cọc khoan nhồi và khối đất gia cố bằng công cụ phần tử hữu hạn 3D để đưa ra phương án bố trí cọc kinh tế nhất.
• Nhà thầu thi công nền móng và xử lý đất yếu: Tiếp cận các thông số kỹ thuật chuẩn xác về cọc đất trộn xi măng và công nghệ Jet Grouting nhằm kiểm soát chất lượng vật liệu đạt cường độ nén đơn từ 400 kN/m² đến 1000 kN/m² tại hiện trường.
• Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Xây dựng công trình ngầm: Kế thừa khung lý thuyết PDR, phương pháp xác định mô đun đàn hồi $E_{50}$ và các bộ thông số địa chất thực tế của khu vực Tây Nam Bộ cho các đề tài mở rộng.
• Chủ đầu tư và các ban quản lý dự án bất động sản cao tầng: Hiểu rõ cơ sở khoa học để phê duyệt phương án tối ưu móng, giúp tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí vật tư bê tông cốt thép mà vẫn bảo đảm hệ số an toàn biến dạng lún của công trình.

Câu hỏi thường gặp

Móng bè cọc trên nền gia cố xi măng đất khác biệt thế nào so với móng cọc truyền thống? Trong móng cọc truyền thống, cọc được giả định gánh đỡ 100% tải trọng công trình mà không xét đến đài bè. Ngược lại, hệ móng bè cọc kết hợp sàn xi măng đất tận dụng triệt để sức kháng tiếp xúc của bản đáy đài bè và lớp đất gia cố, giúp đài bè chia sẻ từ 25% đến 30% tổng tải trọng công trình.

Tại sao việc tận dụng sàn xi măng đất thi công hố đào lại giúp tiết kiệm chi phí xây dựng? Sàn xi măng đất vốn được tạo ra để chống trồi đáy và ngăn chuyển vị thành hố đào sâu trong giai đoạn thi công. Việc tái sử dụng khả năng chịu lực lâu dài của lớp sàn này trong mô hình tính toán móng vĩnh cửu giúp giảm bớt chiều dài hoặc số lượng cọc khoan nhồi mà không tốn thêm chi phí gia cố nền phụ trội.

Cường độ nén của lớp sàn cọc xi măng đất tác động ra sao đến hệ số phân bố tải trọng? Khi cường độ nén đơn trục của sàn xi măng đất tăng từ 400 kN/m² lên 600 kN/m² (tăng 50%), độ cứng của nền tiếp xúc đáy bè tăng lên đáng kể, làm cho hệ số phân bố tải trọng truyền vào cọc giảm đi 6.20%, giúp phân phối tải trọng sang bản bè nhiều hơn.

Chiều dài cọc khoan nhồi thay đổi ảnh hưởng thế nào đến sự làm việc của toàn hệ móng? Khi tăng chiều dài cọc khoan nhồi từ 40m lên 55m xuyên sâu vào các lớp đất tốt, độ cứng dọc trục của cọc tăng mạnh. Điều này khiến cọc hút tải nhiều hơn, làm hệ số phân bố tải trọng của cọc tăng từ 56.23% lên 63.85% và làm giảm tỷ lệ tải trọng truyền vào đài bè.

Phần mềm Plaxis 3D Foundation sử dụng mô hình cơ học nào để mô phỏng tương tác đất và cọc? Nghiên cứu sử dụng mô hình vật liệu đàn dẻo Mohr-Coulomb để mô phỏng các lớp đất tự nhiên với các thông số độ dính c, góc ma sát trong phi và mô đun đàn hồi E. Khối sàn xi măng đất và cọc bê tông cốt thép được thiết lập theo mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính tương đương.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh định lượng rằng lớp sàn xi măng đất làm giảm hệ số phân bố tải trọng của cọc từ 97.11% xuống 71.45%, giải phóng hơn 25% tải trọng để bản bè cùng tham gia gánh đỡ.
• Xác lập quy luật ảnh hưởng của cường độ nén đơn trục (tăng 50% làm giảm 6.20% tải trọng cọc) và chiều dày sàn gia cố (tăng từ 4m lên 5m làm giảm 3.80% tải trọng cọc).
• Đánh giá chi tiết sự biến thiên của hệ số phân bố tải trọng theo chiều dài cọc, đường kính cọc và khoảng cách giữa các cọc khoan nhồi trong môi trường địa chất đất yếu dày 30m.
• Đóng góp giải pháp khoa học giúp chuyển đổi từ quan niệm thiết kế móng cọc cổ điển sang mô hình móng bè cọc hiện đại kết hợp đất gia cố, tiết kiệm từ 15% đến 25% chi phí đầu tư phần ngầm.
• Lộ trình triển khai tiếp theo cần mở rộng quan trắc thực địa dài hạn trong 24 tháng và thử nghiệm mô phỏng dưới tác động của tải trọng động gió bão và động đất.

Các kỹ sư và nhà quản lý dự án hãy ứng dụng ngay mô hình tính toán móng bè cọc tương tác với sàn gia cố đất để tối ưu hóa chi phí và nâng cao chất lượng công trình!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÓNG BÈ CỌC VÀ SÀN XI MĂNG ĐẤT 13 1. Quan điểm thiết kế móng bè cọc 13 1. Các thông số điển hình 17 1.

Hệ số phân bố tải trọng αpr 17 1. Hệ số độ lún lớn nhất ξs 17 1. Một số công trình điển hình 18 1. Westend 1 Tower, Frankfurt 18 1.

Messeturm Tower, Frankfurt 22 1. Torhaus der Messe 23 1. Hạn chế của phương án thiết kế móng bè cọc làm việc đồng thời 24 1. Ứng dụng cột xi măng đất trong hố đào sâu 25 2 1.

Phương pháp trộn ướt 25 1. Phương pháp trộn khô 25 1. Phương pháp trộn nông 25 1. Phương pháp trộn trên mặt đất 26 1.

Kết hợp phụt vữa cao áp và phương pháp trộn ướt 26 1. Ứng dụng của cột xi măng đất 26 1. Cách thức bố trí cọc xi măng đất 28 1. Ứng dụng của cột xi măng đất trong hố đào sâu 30 1.

Chuyển vị của tường trong hố đào sâu 30 1. Ứng dụng cột xi măng đất chống chuyển vị hố đào 30 1. Kết luận 35 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH MÓNG BÈ CỌC VÀ CỌC XI MĂNG ĐẤT 36 2.

Các phương pháp phân tích ứng xử trong móng bè cọc 36 2. Các loại tương tác trong móng bè cọc 36 2. Cơ chế làm việc của hệ bè cọc 36 2. Các vấn đề cần quan tâm khi phân tích móng bè cọc 37 2.

Phân loại các phương pháp phân tích 38 2. Các phương pháp tính toán đơn giản 40 2. Phương pháp Poulos - Davis - Randolph (PDR) [36] 40 2. Phương pháp Burland [18] 44 2.

Phương pháp tính gần đúng dựa vào máy tính 45 2. Phương pháp dãy trên nền lò xo (GASP) 45 2. Phương pháp bản trên nền lò xo (GARP) 46 2. Phương pháp Randolph (1983) [21] 47 2.

Phương pháp Clancy & Randolph (1993) [22] 47 3 2. Các phương pháp tính toán chính xác 47 2. Phương pháp phần tử biên (BEM) [41] 47 2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 48 2.

Phương pháp kết hợp phần tử hữu hạn và phần tử biên 50 2. Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phần tử lớp 50 2. Ứng dụng Plaxis 3D phân tích bài toán kinh điển 50 2. Thông số đầu vào 51 2.

Kết quả tính toán 52 2. So sánh ứng xử của móng bè cọc giữa các phương pháp khi chịu cùng tải trọng thiết kế 53 2. Phương pháp thiết kế cọc xi măng đất 54 2. Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố cột xi măng đất Việt Nam [50] 54 2.

Cường độ kháng cắt của nền gia cố 54 2. Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương 55 2. Phương pháp tính toán theo quan điểm cột xi măng đất làm việc giống như cọc. Sức chịu tải của cột xi măng đất theo vật liệu làm cọc 56 2.

Sức chịu tải của cột xi măng đất theo đất nền 56 2. Các thông số của cột xi măng đất 56 2. Cường độ nén đơn qu 56 2. Module đàn hồi Eu 57 2.

Thông số đầu vào của phần mềm Plaxis 59 2. Loại vật liệu 59 2. Phân tích ứng suất có hiệu loại vật liệu undrained với thông số có hiệu 60 2. Phân tích ứng suất có hiệu loại vật liệu undrained với thông số không thoát nước 61 2.

Phân tích ứng suất tổng loại vật liệu undrained với thông số không thoát nước 61 2. Mô hình Morh – Coulomb 62 2. Thông số độ cứng của nền: E, ν 62 2. Thông số sức kháng cắt của đất: c, ϕ, ψ 68 2.

Hệ số thấm 69 2. Kết luận 71 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH HỆ SỐ PHÂN BỐ TẢI TRỌNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CÓ GIA CỐ CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH THỰC TẾ TẠI CẦN THƠ 72 3. Giới thiệu công trình 72 3.

Trình tự thi công và mô tả bài toán 76 3. Trình tự thi công: 76 3. Thông số đầu vào 77 3. Thông số địa chất 77 3.

Thông số sàn xi măng đất 78 3. Thông số cọc BTCT 78 3. Thông số sàn 78 3. Mô phỏng bài toán trong Plaxis 3D 79 3.

Các trường hợp bài toán 79 3. Kết quả phân tích bài toán 80 3. Trường hợp 1 80 3. Trường hợp 2 82 5 3.

Trường hợp 3 84 3. Trường hợp 4 91 3. Trường hợp 5 92 3. Trường hợp 6 95 3.

Trường hợp 7 96 3. Trường hợp 8 97 3. Nhận xét 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 Kết luận 103 Kiến nghị 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 6 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Biến dạng của hai công trình, một theo quan điểm cổ điển, một theo quan điểm cọc tới hạn ( theo Hansbo, 1993 [3]). 14 Hình 1-2: Cọc bố trí làm giảm độ lún của nền ( theo Randolph, 1994 [2]).

14 Hình 1-3: Cọc giảm lún trong vai trò làm giảm lún cục bộ ( theo Tan Y. 15 Hình 1-4: Đường cong quan hệ giữa độ lún và tải trọng tác dụng cho móng bè cọc theo các quan điểm thiết kế ( Poulos , 2001 [4]). 16 Hình 1-5: Westend 1 Tower, Frankfurt. 18 Hình 1-6: Mặt cắt ngang Westend 1 Tower, Frankfurt (a) và mặt bằng móng (b) ( Franke và các cộng sự, 1994).

19 Hình 1-7: So sánh kết quả tính toán. 20 Hình 1-8: Messeturm Tower, Frankfurt. 22 Hình 1-9: Phương án móng bè cọc Messeturm Tower, Frankfurt. 23 Hình 1-10: Ứng dụng của trộn sâu ( theo TCVN 385 : 2006) [9].

26 Hình 1-11: Các ứng dụng của trộn sâu. 27 Hình 1-12: Thí dụ bố trí trụ trộn khô: 1 Dải; 2 Nhóm, 3 Lưới tam giác, 4 Lưới vuông. 28 Hình 1-13: Thí dụ bố trí trụ trùng nhau theo khối. 28 Hình 1-14: Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất.

28 Hình 1-15: Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên biển:1 Kiểu khối , 2 Kiểu tường, 3 Kiểu kẻ ô, 4 Kiểu cột, 5 Cột tiếp xúc, 6 Tường tiếp xúc, 7 Kẻ ô tiếp xúc, 8 Khối tiếp xúc. 29 Hình 1-16: Thí dụ bố trí trụ trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công. 29 Hình 1-17: Chuyển vị của tường trong hố đào sâu: so sánh giữa thực tế và tính toán ( theo Chang – Yu Ou, 2006 [11]). 30 Hình 1-18: Mặt cắt ngang hố đào sâu có lớp xi măng đất ( Gaba, 1990 [12]).

31 Hình 1-19: Các dạng gia cố cột xi măng đất trong hố đào sâu a, dạng khối; b, dạng cột; c, dạng tấm. 31 Hình 1-20: Sự gia cường đất nền bên dưới hố đào: a, gia cường toàn bộ khu vực; b, gia cường cục bộ. 32 7 Hình 1-21: Ảnh hưởng của chiều dày lớp cột xi măng đất trong hố đào sâu (theo Wong và các cộng sự. 32 Hình 1-22: Trường hợp đầu tiên, chuyển vị lớn nhất là 361mm.

33 Hình 1-23: Trường hợp thứ hai, chuyển vị lớn nhất là 141mm. 33 Hình 1-24: Trường hợp thứ ba, chuyển vị lớn nhất là 37mm. 34 Hình 1-25: Ứng dụng JGS trong hố đào sâu. 34 Hình 1-26: Cơ chế làm việc của JGS: a, thanh chịu nén; b, bản neo.

35 Hình 2-1: Tương tác trong móng bè cọc ( dựa theo Katzenbach và các cộng sự [16] ). 36 Hình 2-2: Mối quan hệ giữa móng cọc - móng bè - móng bè cọc [17]. 37 Hình 2-3: Mô tả đơn giản về bè cọc đơn vị. 41 Hình 2-4: Quan hệ giữa độ lún và tải trọng.

43 Hình 2-5: Quan điểm của Burland [19]. 44 Hình 2-6: Phương pháp dãy trên nền lò xo theo Poulos (1991) [20]. 46 Hình 2-7: Bài toán móng bè trên nền cọc [51]. 51 Hình 2-8: Hình ảnh biến dạng của kết cấu.

52 Hình 2-9: Biểu đồ so sánh hệ số phân bố tải trọng giữa các phương pháp. 53 Hình 2-10: Biểu đồ so sánh độ lún giữa các phương pháp. 54 Hình 2-11: Quan hệ giữa cương độ chịu cắt và cường độ nén đơn (theo Kawasaki và các cộng sự. 57 Hình 2-12: Mối quan hệ giữa qu và E50 theo Kawasaki (1981) [54].

58 Hình 2-13: Mối quan hệ giữa qu và E50 theo Asano và các cộng sự. 58 Hình 2-14: Cách xác định E và ν. 63 Hình 2-15: Quan hệ giữa E và qc đối với đất cố kết thường, Mayne, P. 64 Hình 2-16: Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết.

68 Hình 3-1: Mặt bằng móng cọc tại khu vực thang máy. 72 Hình 3-2: Biểu đồ Nspt và thí nghiệm cắt cánh. 75 Hình 3-3: Mặt bằng bố trí cọc xi măng đất. 77 Hình 3-4: Mô phỏng bài toán trong Plaxis 3D.

79 8 Hình 3-5: a, Trường hợp không có lớp xi măng đất; b, Trường hợp có lớp xi măng đất. 80 Hình 3-6: Biến dạng của nền khi không xét lớp xi măng đất (a) và khi xét lớp xi măng đất (b). 81 Hình 3-7: Lực dọc trong cọc khi không xét lớp xi măng đất. 81 Hình 3-8: Lực dọc trong cọc khi xét lớp xi măng đất.

82 Hình 3-9: Sự phụ thuộc của α vào cường độ lớp JGS, H = 6m. 83 Hình 3-10: Sự phụ thuộc của độ lún S vào cường độ lớp JGS, H = 6m. 83 Hình 3-11: Sự phụ thuộc của P vào cường độ lớp JGS, H = 6m. 84 Hình 3-12: a, Trường hợp lớp xi măng đất dày 4m; b, Trường hợp lớp xi măng đất dày 5m.

85 Hình 3-13: c, Trường hợp lớp xi măng đất dày 6m; d, Trường hợp lớp xi măng đất dày 7m. 86 Hình 3-14: Sự phụ thuộc của α vào chiều dày lớp JGS, qu = 600 kN/m2. 87 Hình 3-15: Sự phụ thuộc của α vào chiều dày lớp JGS, qu = 800 kN/m2. 87 Hình 3-16: Sự phụ thuộc của α vào chiều dày lớp JGS, qu = 1000 kN/m2.

88 Hình 3-17: Sự phụ thuộc của α vào chiều dày lớp JGS, qu = 600, 800, 1000 kN/m2. 88 Hình 3-18: Sự phụ thuộc của S vào chiều dày lớp JGS, qu = 600 kN/m2. 89 Hình 3-19: Sự phụ thuộc của S vào chiều dày lớp JGS, qu = 800 kN/m2. 89 Hình 3-20: Sự phụ thuộc của S vào chiều dày lớp JGS, qu = 1000 kN/m2.

90 Hình 3-21: Sự phụ thuộc của S vào chiều dày lớp JGS, qu = 600, 800, 1000 kN/m2. 90 Hình 3-22: Sự phụ thuộc của α vào chiều dày bè, qu = 1000 kN/m2. 91 Hình 3-23: Sự phụ thuộc của S vào chiều dày bè, qu = 1000 kN/m2. 91 Hình 3-24: a, Trường hợp cọc dài 50m; b, Trường học cọc dài 55m.

92 Hình 3-25: c, Trường hợp cọc dài 60m; d, Trường học cọc dài 65m. 93 Hình 3-26: Sự phụ thuộc của α vào chiều dài cọc, qu = 1000 kN/m2 .