MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. Trong những năm gần đây, cùng với xu thế phát triển nói chung của đất nước, ngành xây dựng nói riêng ở nước ta cũng có nhiều bước tiến đáng kể. Các cao ốc văn phòng, các chung cư cao tầng … mọc lên ngày càng nhiều, đặc biệt là ở các thành phố lớn, một mặt giải quyết nhu cầu nhà ở cho người dân, mặt khác tạo được điểm nhấn kiến trúc cho các khu trung tâm.
Thông thường, ngoài việc đảm bảo vẻ mỹ quan về mặt kiến trúc, các công trình này còn có một diện tích phần ngầm khá lớn nhằm giải quyết các vấn đề như: hệ thống điện, nước, bãi giữ xe, hệ thống giao thông ngầm… khi đó, móng bè là một trong những phương án tốt nhất được nghĩ đến khi thiết kế tầng hầm, mà điển hình ở đây là móng cọc đài bè dùng để chịu tải trọng lớn của hầu hết các công trình cao tầng. Đối với móng cọc đài bè, khả năng chịu lực và độ lún được cải thiện đáng kể so với móng cọc thông thường. Theo Katzenbach (2000) cho rằng móng cọc đài bè thích hợp cho đất sét cứng vì khi đó xuất hiện thêm sự chịu tải đáng kể của bè. Bên cạnh đó,Hemsley (2000) lại cho rằng móng cọc đài bè có thể sử dụng cho các cấu trúc đất khác nhau.
Nói một cách rõ ràng là các cọc phải được thiết kế làm sao huy động gần hết khả năng làm việc của cọc khi chịu tải, kết hợp với phần bè đồng thời chịu lực cho công trình. Đây là một bài toán kinh tế - kỹ thuật mang tính cấp thiết cần được quan tâm nghiên cứu cụ thể, rõ ràng, tạo tính thuyết phục cao. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Nội dung chính của đề tài nghiên cứu này là tìm ra cơ chế phân bố tải trọng lên cọc và đất nền dưới bè; đồng thời xác định độ lún của móng cọc đài bè dưới tác động của tải trọng bằng phương pháp giải tích và phương pháp PTHH được mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation.
Từ đó so sánh các kết quả với nhau, và tìm ra phương pháp tính toán thích hợp cho móng cọc đài bè ở nước ta. Để đạt được những mục tiêu nghiên cứu trên, thì các vấn đề sau đây cần được xem xét: Sự phân chia tải trọng công trình lên cọc và đất nền trong móng bè đài cọc. -2- Khi chiều dài, đường kính cũng như khoảng cách giữa các cọc, bề dày bè… thay đổi sẽ ảnh hưởng đến độ lún của móng như thế nào? Từ đó dựa vào độ lún cho phép của công trình ta có thể thiết kế lượng cọc hợp lý, đảm bảo tính kinh tế. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Đã có nhiều phương pháp được đề xuất để phân tích móng cọc đài bè. Horikoshi (1999) đã đưa ra phương pháp ước lượng độ lún tổng thể của móng cọc đài bè. Poulos (2000) cũng đã tổng kết rất nhiều phương pháp đơn giản và phương pháp số trong việc thiết kế móng cọc đài bè. Phương pháp giải bài toán 3 chiều bằng phần tử hữu hạn (3D-FEM) được áp dụng để dự đoán ứng xử của móng cọc đài bè đã được Reul (2003, 2004), Reul (2004), Katzenbach (2005), Lisa J.
Novak (2005), Sanctis (2006) Ningombam Thoiba Singh (2008), Phongpat Kitpayuck (2009) và JinHyung Lee (2010) phân tích. Ngoài ra việc áp dụng các máy ly tâm trong thí nghiệm để dự đoán các ứng xử của móng cọc đài bè cũng được Horikoshi (1996, 1998), Conte (2003) và Vincenzo Fioravante (2008) phân tích. Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài này là: Dùng phương pháp giải tích để tính khả năng chịu lực của cọc trong bè. Dùng phương pháp mô phỏng xem sự phân bố tải trọng lên các cọc, lên bè.
So sánh kết quả của 2 phương pháp trên -3- Vấn đề nghiên cứu - Sự phân chia tải trọng giữa cọc và bè. Nôi dung nghiên cứu - Ảnh hưởng của chiều dài, đường kính, khoảng cách cọc đến độ lún của móng. - Tính khả năng chịu tải của cọc bằng Phương pháp nghiên cứu các PP giải tích. - Tính khả năng chịu tải của cọc bằng PP mô phỏng.
-So sánh khả năng chịu tải của cọc giữa Phân tích kết quả các phương pháp tính - Từ đó phân tích sự phân chia tải trọng công trình lên cọc và đất nền. Lựa chọn phương pháp thiết kế tối ưu cả vệ mặt kỹ thuật lẫn kinh tế cho móng cọc đài bè ở Việt Nam Hình S. Sơ đồ tổng thể của phương pháp nghiên cứu. TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN.
Hiện nay, các phương pháp tính móng bè - cọc ở nước ta còn đơn giản, phần lớn đều xem như cọc chịu hoàn toàn tải trọng công trình hoặc hệ bè chịu hoàn toàn tải của công trình. Tuy nhiên phương pháp này lại mô phỏng không đúng điều kiện làm việc thực tế của công trình, không tận dụng hết khả năng chịu lực của kết cấu cũng như đất nền. Kết quả là sử dụng vật liệu nhiều hơn so với các phương án móng khác nên gây nhiều lãng phí. Để thay đổi quan điểm chưa chính xác về móng bè – cọc, các chuyên gia cơ đất đã tìm cách đưa ra các lý thuyết tính toán hệ thống móng này, trong đó có Poulos & Davis (1980), Fleming (1992), Randolph (1994), Burland (1995), Katzenbach (1998) và những nghiên cứu gần đây của Poulos (1994, 2001a, 2001b).
Áp dụng phương trình Midlin của bán không gian đàn hồi vào trong bài toán bè - cọc và những thử nghiệm thực tế để phân tích ngược, Poulos (1994) đã đưa ra một mô hình gần với thực tế. Mô hình này được chấp nhận rộng rãi, được áp dụng để xây dựng nhiều công trình và tiếp tục được phát triển. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún của móng cọc đài bè theo những nguyên lí thiết kế khác nhau (H.Poulos) Hình ảnh trên (Hình S.2) trong nghiên cứu về Móng cọc đài bè của H.Poulos thể hiện rõ nhất sự kết hợp đồng thời của cọc và bè làm cho độ lún công trình giảm đáng kể so với móng bè hoặc móng cọc thông thường. -5- Ngoài ra còn có nhiều nghiên cứu của các tác giả Việt Nam về tính kinh tế của móng cọc đài bè.
Trong tạp chí KHCN Xây dựng số 3/2007 có đưa ra nhận xét tỉ lệ chia tải cho bè ứng với L/D (L: chiều dài cọc, D: đường kính cọc) thay đổi từ 21-32% đến 11-17%, đặc biệt phát huy hiệu quả trên đất tốt. Đồng thời tạp chí trên cũng đưa ra bài toán kinh tế khá thuyết phục nếu sử dụng móng cọc đài bè cho một số công trình cao tầng điển hình ở Việt Nam như sau: 1. Chung cư cao 25 tầng Lê Hồng Phong – Phan Văn Trị tiết kiệm được 31,44% bê tông và 23,46% thép so với phương án móng cọc khoan nhồi. Tỉ lệ phân chia tải trọng cho bè là 12.
Chung cư cao cấp GrandView tiết kiệm được 18,05% bê tông và 37,99% thép so với phương án móng cọc khoan nhồi. Tỉ lệ phân chia tải cho bè là 13%. Thêm vào đó móng bè còn giúp giảm lệch, chịu tải ngang tốt; hệ bè – cọc còn có khả năng kháng chấn hơn hẳn các hệ thống móng khác. Vì vậy móng bè cọc nếu sử dụng hợp lý sẽ là một hệ thống móng ưu việt không chỉ ở tính kinh tế mà còn ở tính ổn định cao.
GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI. Khi nền đất thay đổi (xét Es thay đổi) thì độ lún của móng cũng thay đổi rõ rệt với cùng cấp tải trọng công trình. Nghiên cứu gần đây của tác giả Dilip Kumar Maharaj (Assistant Professor, Civil Engineering Group; Birla Institute of Technology and Science, Pilani, Rajasthan, India) chứng minh rằng độ lún của công trình không chỉ phụ thuộc vào loại móng bè hay móng bè đài cọc mà còn thay đổi theo Modul đàn hồi Es của đất rất rõ rệt. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún đối với móng bè Hình S.
Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún đối với móng bè đài cọc Theo Hình S.4, so với móng bè thì ở loại đất cùng Modul đàn hồi Es, móng bè đài cọc có độ lún nhỏ hơn khi chịu cùng một cấp áp lực. Quan trọng hơn từ các biểu đồ trên cho ta thấy khi Es càng tăng thì độ lún càng giảm với cùng cấp tải trọng, tức đất càng tốt thì độ lún càng giảm. Tuy nhiên ở giới hạn nghiên cứu đề tài này tác giả chỉ nghiên cứu cho địa chất cho một số vùng ở thành phố Hồ Chí Minh. -7- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ SỰ LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI CỦA CỌC-BÈ-NỀN ĐẤT.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÓNG CỌC ĐÀI BÈ: Thông thường, khi thiết kế nền móng thì phương án đầu tiên được nghĩ đến là móng nông hoặc móng bè; nếu cả 2 phương án này không thích hợp thì chuyển sang phương án móng cọc trong đó toàn bộ tải trọng công trình đều do cọc chịu. Điều quan tâm là khi móng bè không đáp ứng đủ các yêu cầu thiết kế, lúc đó cọc được thêm vào nhằm cải thiện khả năng chịu tải, giảm độ lún và sự lún lệch, đồng thời có thể cải thiện độ dày cần thiết của bè mà không ảnh hưởng đến độ an toàn và hiệu suất làm việc của nền móng. Đây là tiêu chí chính của đề tài. Sự giảm độ lún khi có sự xuất hiện của cọc.
-8- Móng kết hợp giữa bè và cọc được gọi là móng cọc đài bè. Khái niệm móng cọc đài bè không thật sự mới mẻ và đã được trình bày bởi nhiều tác giả như: Zeevaert, Davis and Pouslos, Hooper, Burland, Price và Wardle, Franke, …. Móng bè, móng cọc đài bè và móng cọc. Móng cọc đài bè là sự kết hợp của 3 yếu tố : cọc, bè và đất.
Do đó ứng xử của móng cọc đài bè phụ thuộc vào sự tương tác giữa phần tử móng và đất. Katzenbach và cộng sự (2000) đã xác định được 4 loại tương tác như trong Hình 1.3 rất cần thiết khi phân tích ứng xử của móng cọc đài bè. -9- qt = tải phân bố đều lên đài; Qp = 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. Hiệu ứng tương tác giữa đất – cấu trúc trong móng cọc đài bè của Katzenbach và cộng sự (1998), (2000).
CÁC ĐIỀU KIỆN THUẬN LỢI VÀ BẤT LỢI CỦA MÓNG CỌC ĐÀI BÈ: Ứng dụng hiệu quả nhất của móng cọc đài bè đó là khi bè có thể chịu toàn bộ tải trọng, nhưng tổng độ lún hoặc các độ lún cục bộ lại vượt quá giá trị cho phép.
