Xem mẫu
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 29 + 30 – Tháng 01/2022
NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỔ TẢI TRỌNG
TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÓNG BÈ CỌC
Study on the weight distribution during the pile raft
foundation working process
1 2
Nguyễn Trường Hải và Nguyễn Ngọc Thắng
1
Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An, Long An, Việt Nam
truonghaicr2@gmail.com
2
Giảng viên Trường Đại học Tiền Giang, Tiền Giang, Việt Nam
nguyenngocthang@tgu.edu.vn
Tóm tắt — Móng bè cọc ngày càng được áp dụng rộng rãi, đặc biệt là cho các tòa nhà cao tầng. Trong
móng bè cọc, cọc không được thiết kế để chịu toàn bộ tải trọng mà chỉ để giảm độ lún đến một mức độ
cho phép. Phương pháp này có thể được sử dụng kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn để thiết kế
móng bè cọc. Trong khi đó móng bè cọc được nghiên cứu như là một phương án móng thay thế. Phân
tích phần mềm Plaxis 3D để xác định độ lún và hệ số phân bố tải trọng trong móng bè cọc.
Abstract — Nowadays pile raft foundation is more and more widely applied, especially for high-rise
buildings. For pile raft foundation, pile is not designed is not to bear full loading. But it minimizes the
level of subsidence on allowance limited. This method can combine with FEM (Finite elements method)
to design pile raft foundation. It is also studied such as an alternative proposal for foundation structure.
The Plaxis 3D software is used to measure settlement and factor of weight distribution in pile raft
foundation.
Từ khóa — Móng bè cọc, phần tử hữu hạn, đất yếu, pile raft foundation, weight.
1. Đặt vấn đề
Theo một số quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay, người ta chưa xem xét đến sự làm việc
của đất nền dưới đáy bè mà chỉ xem tải trọng công trình là do cọc chịu 100%, nhưng theo quan
điểm móng bè cọc (MBC) thì tải trọng công trình vừa phân phối lên bè và vừa phân phối lên
cọc. Vì thế, móng bè cọc đã trở thành giải pháp móng hữu hiệu nhất áp dụng cho các công trình
cao tầng ở trên thế giới vì khả năng chịu lực, độ lún của bè và sức chịu tải của cọc được cải
thiện đáng kể so với móng cọc thông thường. Sự hiệu quả về kinh tế của móng bè cọc hầu hết
được trình bày bởi Randolph (1994), là những chiếc bè và cọc cùng tham gia chịu tải và làm
cho độ lún, độ lún lệch giữa bè - cọc vẫn nằm trong phạm vi cho phép.
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Phương pháp Poulos - Davis - Randolph (PDR)
Theo Châu Ngọc Ẩn (2012), khi thiết kế móng ta cần quan tâm hai giá trị: Sức chịu tải và
độ lún của móng.
Sức chịu tải cực hạn của móng bè cọc là giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị sau:
+ Tổng khả năng chịu tải cực hạn của bè và các cọc.
+ Khả năng chịu tải cực hạn của khối gồm cọc và bè cộng với một phần bè nằm bên ngoài
cọc.
Theo Randolph (1994), độ cứng của móng bè cọc có thể tính theo công thức sau:
K p K r (1 cp )
K pr (1)
1 cp2 K r / K p
Trong đó Kpr: Độ cứng của bè cọc; Kp: Độ cứng của nhóm cọc;
Kr: Độ cứng của bè; αcp: Hệ số tương tác giữa bè và cọc.
147
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 29 + 30 – Tháng 01/2022
3
E fdn t
K r (2)
E sAV a
Trong đó a: Bán kính móng; Efdn: Module đàn hồi của vật liệu móng (như bê tông cốt thép);
EsAV: Module đàn hồi của đất bên dưới móng; t: Chiều dày móng.
Trong trường hợp đơn giản, độ cứng của cọc đơn được tính dựa vào giả thiết đàn hồi rồi
nhân thêm hệ số độ cứng nhóm, với e nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,5.
Đối với cọc ma sát, các biểu đồ để xác định giá trị e được tính như sau:
e e1 .(l / d ).c1 .( E p / G).c2 .(s / d ).c3 ( ).c4 ( )
(3)
Tỉ số tải trọng được gánh đỡ bởi phần bè gọi là PR được tính dựa theo công thức sau:
Pr K r (1 cp )
PR (4)
Pt K p K r (1 cp )
Trong đó Pr: Tải trọng được gánh đỡ bởi bè; Pt: Tổng tải trọng tác dụng lên bè cọc.
Hệ số tương tác giữa bè và cọc αcp có thể tính theo công thức sau:
r
ln( c )
ro (5)
cp 1
Trong đó rc: Bán kính trung bình của bè; r0: Bán kính của cọc; : Hệ số poissons của đất;
L: Chiều dài cọc; Esl: Module Young của đất tại độ sâu đầu mũi cọc; Esb: Module Young của
đất bên dưới mũi cọc; Easv: Module Young trung bình dọc thân cọc.
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
Theo Cao Văn Hóa (2013), phương pháp phần tử hữu hạn là một trong các phương pháp
mạnh nhất để phân tích móng bè cọc. Trong phương pháp này, cả kết cấu gồm bè cọc và nền
đều được rời rạc hóa. Khi đó số lượng phương trình cân bằng sẽ rất lớn, chỉ có thể tính toán dựa
vào máy tính.
3. Xây dựng mô hình nghiên cứu và quy trình mô phỏng
3.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu
Áp lực do tải trọng càng tăng thì độ lún tối đa và độ lún lệch càng tăng theo. Do đó có thể
nhận định, chiều dày bè nên thiết kế tăng cùng với chiều cao công trình để giữ nguyên khoảng
lún lệch cho phép.
Ảnh hưởng của sơ đồ bố trí cọc và số lượng cọc: Theo Katzenbach (2013), nghiên cứu ảnh
hưởng của cách sắp xếp cọc dưới bè đến độ lún và sự phân phối mômen trong bè. Tác giả cho
biết, khi cọc bố trí ở những vị trí ứng suất tập trung cao có tác dụng làm giảm lún lệch, ngược
lại ở những vị trí có ứng suất thấp làm tăng giá trị lún lệch nhiều. Điều này cho thấy ảnh hưởng
của môment trong bè do việc bố trí cọc, bố trí cọc đúng vị trí cần thiết có thể phân phối được
môment trong bè đồng đều. Nghiên cứu của Kitiyodom et al. (2011), sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn (PTHH) 3D, cho rằng độ lún tối đa của móng bè cọc phụ thuộc vào khoảng
cách giữa các cọc và số lượng cọc. Chiều dày bè không ảnh hưởng gì đến lún tổng thể.
Trên cơ sở nghiên cứu những công trình có liên quan, tác giả xây dựng mô hình phân tích
là một hệ móng bè cọc đơn giản, kích thước phần bè không đổi 11m x 11m, chịu tải trọng phân
bố đều q = 400kPa như chỉnh tải trọng phân bố của công trình. Bằng cách lần lượt thay đổi các
thông số cho bè, cho cọc và cho đất nền, ta sẽ phân tích các ảnh hưởng tiêu biểu đến ứng xử
của móng bè, đặc biệt là quan tâm đến thông số độ lún và hệ số phân phối tải trọng αPR.
148
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 29 + 30 – Tháng 01/2022
Bè được thiết kế là bản phẳng để đơn giản cho việc nghiên cứu và so sánh. Chiều dày bè
thay đổi từ 0,5m – 2,0m nhằm mục đích khảo sát vai trò của bè. Bè được mô phỏng như phần
tử bản mỏng đặt trên nền móng gồm 16 cọc, bên cạnh đó cũng thay đổi vị trí và số lượng cọc.
Trong nghiên cứu này, đề xuất sơ đồ bố trí cọc đều trên bè với phương án chiều dài cọc L
= 30m và L = 40m và đường kính cọc D = 1,0m. Nhưng tổng sức chịu tải do cọc chịu ở tất cả
các cọc đều như nhau.
Các đặc trưng của đất nền sử dụng cho nghiên cứu được lấy từ công trình Trung tâm Ung
bướu - Bệnh viện Chợ Rẫy, 201B Nguyễn Chí Thanh, phường 12, quận 5, TP. Hồ Chí Minh.
Các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của đất được lấy dựa trên hồ sơ khảo sát địa chất.
Ứng xử của vật liệu: Đất là vật liệu phức tạp gồm 3 thành phần tạo thành từ hạt đất, nước
và khí. Khi chịu tải trọng ngoài, tải trọng này gần như được gánh đỡ bởi phần nước tạo thành
áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất. Theo thời gian, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sẽ tiêu tán
đồng thời với quá trình này, các hạt đất sẽ gánh đỡ phần áp lực do nước truyền sang. Chính điều
này gây ra sự phức tạp trong quá trình tính toán và thiết kế nền. Phần mềm Plaxis chia ra làm 3
loại vật liệu ứng xử: Ứng xử Drained; Ứng xử Undrained; Ứng xử Non – porous.
Mô hình nền trong là một tập hợp các phương trình toán học quy định mối quan hệ giữa
ứng suất và biến dạng của đất nền khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài. Trong nghiên cứu này
là sử dụng mô hình Morh – Coulomb, mô hình bao gồm các thông số sau:
E: Mô đun đàn hồi vật liệu (kN/m2); ν: Hệ số Poisson; φ: Góc ma sát trong (o); c: Lực dính
(kN/m2); γ: Dung trọng (kN/m3).
3.2. Quy trình mô phỏng
Theo Phung & Raft (2010), nghiên cứu phân tích các mô hình bài toán bằng phương pháp
phần tử hữu hạn 3D (Plaxis 3D Foundation), phương pháp này giúp làm rõ được ảnh hưởng của
từng thông số địa chất đến ứng xử lún cũng như việc phân phối tải trọng cho cọc và đất nền.
Plaxis 3D giúp người kỹ sư thiết kế có cái nhìn tổng quát và lựa chọn giải pháp móng bè cọc là
khả thi hay không. Quá trình mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation. Phần mềm
Plaxis được phát triển đầu tiên tại Trường Đại học Công nghệ Deff – Hà Lan năm 1987, đến
năm 1993 thì công ty Plaxis BV được thành lập và từ năm 1998, các phần mềm Plaxis được
xây dựng trên cơ sở phương pháp PTHH. Hiện nay, bộ phần mềm Plaxis gồm các modul như
sau: Plaxis V 8.2, Plaxis Dynamics, PlaxFlow V.1, Plaxis 3D Foundation, Plaxis 3D tunnel (V
1.2, V 2.0). Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng modul Plaxis 3D Foundation.
Kết quả mô phỏng chuyển vị của móng bè cọc, ứng suất trong móng bè cọc, ứng suất tại
đầu cọc và ứng suất trong bè tại hình 1 và hình 2.
Hình 1. Kết quả phân tích mô hình với áp lực do tải trọng ngoài tác dụng 400kPa, trường hợp 12; l = 30m
Mô phỏng TH-12 MBC với độ lún trung Ứng suất trong móng bè mô phỏng TH-12MBC
bình = 31.89 mm
149
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 29 + 30 – Tháng 01/2022
Ứng suất đầu cọc trong mô phỏng TH-12 MBC
Nguồn: Kết quả xử lý dữ liệu của tác giả
Tính toán hệ số phân bố tải trọng αPR
Tổng tải trọng truyền xuống cọc:
Rtotal = (400 + 50) * (11,0*11,0) = 54450 (kN)
Tổng phản lực đầu cọc (kết quả lấy từ phần mềm Plaxis 3D Foundation)
Rp = 42327 (kN)
Hệ số phân phối tải trọng trong mô hình:
∑ 𝑅𝑝𝑖 42327
𝛼𝑃𝑅 = = = 0.78
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 54450
Hình 2. Kết quả phân tích mô hình với áp lực do tải trọng ngoài tác dụng 400kPa, trường hợp 24; l = 40m
Mô phỏng TH-24 MBC với độ lún trung bình Ứng suất trong móng bè mô phỏng TH-24 MBC
= 17.71mm
Ứng suất đầu cọc trong mô phỏng TH-24 MBC
Nguồn: Kết quả xử lý dữ liệu của tác giả
150
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 29 + 30 – Tháng 01/2022
Tính toán hệ số phân bố tải trọng αPR
Tổng tải trọng truyền xuống cọc:
Rtotal = (400 + 50) * (11,0*11,0) = 54450 (kN)
Tổng phản lực đầu cọc (kết quả lấy từ phần mềm Plaxis 3D Foundation)
Rp = 33786 (kN)
Hệ số phân phối tải trọng trong mô hình:
∑ 𝑅𝑝𝑖 33786
𝛼𝑃𝑅 = = = 0.62
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 54450
4. Kết quả tính toán
Với chiều dài cọc L = 30m, khi áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa thì độ
lún tăng theo chiều dày bè móng 0,5m từ 10,02mm ÷ 37,36mm, trong khi đó độ lún lệch giảm
dần theo chiều dày bè móng 1,0m từ 9,21mm ÷ 33,73mm, chiều dày bè móng 2,0m từ 8,97mm
÷ 31,89mm (hình 3).
Hình 3. Ảnh hưởng của tải trọng ngoài đến chuyển vị theo phương đứng
khi móng có chiều dày bè thay đổi, L = 30m
Nguồn: Kết quả xử lý dữ liệu của tác giả
Với chiều dài cọc L = 40m, khi áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa thì độ
lún tăng theo chiều dày bè móng 0,5m từ 6,05mm ÷ 21,51mm, trong khi đó độ lún lệch giảm
dần theo chiều dày bè móng 1,0m từ 5,53mm÷19,17mm, chiều dày bè móng 2,0m từ 5,29mm
÷ 17,71mm (hình 4).
Hình 4. Ảnh hưởng của tải trọng ngoài đến chuyển vị theo phương đứng
khi móng có chiều dày bè thay đổi, L = 40m
Nguồn: Kết quả xử lý dữ liệu của tác giả
Độ lún tối đa móng bè cọc không bị ảnh hưởng bởi việc thay đổi chiều dày bè, độ lún dao
động trong khoảng từ 31,89mm đến 37,36mm khi cọc có chiều dài L = 30m (hình 5) và từ
17,71mm đến 21,51mm khi cọc có chiều dài L = 40m (hình 6). Độ lún lệch giữa tâm bè và cạnh
151
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 29 + 30 – Tháng 01/2022
bè bị ảnh hưởng rất lớn do sự thay đổi chiều dày bè và khi đạt đến một chiều dày ổn định thì độ
lún lệch không còn nữa.
Hình 5. Ảnh hưởng của chiều dày bè đến chuyển vị theo phương đứng
khi móng chịu tải trọng ngoài thay đổi, L = 30m
Nguồn: Kết quả xử lý dữ liệu của tác giả
Hình 6. Ảnh hưởng của chiều dày bè đến chuyển vị theo phương đứng
khi móng chịu tải trọng ngoài thay đổi, L = 40m
Nguồn: Kết quả xử lý dữ liệu của tác giả
Theo Võ Phán (2012), một số quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay cho thấy chưa xem
xét đến sự làm việc của đất nền dưới đáy bè và xem tải trọng công trình là do cọc chịu 100%.
Tuy nhiên theo quan điểm móng bè cọc thì tải trọng công trình vừa phân phối lên bè và vừa
phân phối lên cọc, trong bài nghiên cứu này phần móng bè tham gia chịu lực từ 6 % ÷ 29% khi
áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa.
5. Kết luận
Kết quả nghiên cứu theo quan điểm tải trọng công trình vừa phân phối lên bè và vừa phân
phối lên cọc, khi chiều dài cọc L = 30m thì phần móng bè tham gia chịu lực từ 6% ÷ 29% khi
áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa, khi chiều dài cọc L = 40m thì phần móng
bè tham gia chịu lực từ 6 % ÷ 29% khi áp lực do tải trọng ngoài tăng từ 100kPa ÷ 400kPa.
Chiều dày bè không ảnh hưởng nhiều đến chuyển vị trung bình, việc chuyển vị trung bình
giảm khi tăng chiều dày bè là hậu quả của việc giảm chuyển vị lệch. Nhưng chiều dày bè lớn
có thể giảm chuyển vị lệch rất mạnh mẽ, hỗ trợ cho các thiếu sót khi chọn sơ đồ bố trí cọc, lựa
chọn cọc hoặc các nguyên nhân về đất nền. Khi chiều dài cọc L = 30m, tăng chiều dày của bè
tăng từ 0,5m ÷ 2,0m thì độ lún lệch giảm từ 37mm ÷ 9mm. Khi chiều dài cọc L = 40m, tăng
chiều dày của bè tăng từ 0,5m ÷ 2,0m thì độ lún lệch giảm từ 21mm ÷ 5mm. Trong nghiên cứu
này độ lún lệch không đáng kể khi chiều dày bè bằng 2m.
152
- TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 29 + 30 – Tháng 01/2022
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Châu Ngọc Ẩn (2012). Nền móng. Nhà xuất bản Kinh tế Thành phố Hồ Chí Minh.
[2] Cao Văn Hóa (2013). Phân tích ứng xử lún của bản móng trên hệ cọc bằng chương trình PRAB.
Tuyển tập hội thảo "Địa kỹ thuật vì sự phát triển xanh".
[3] Võ Phán (2012). Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong phòng. Trường
Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
[4] Katzenbach, R., et al (2013). Geotechnical challenges at super high-rises buildings. Geotechnics
for sustainable development, Geotec Hanoi.
[5] Kitiyodom et al. (2011). Approximate numerical analysis of a large piled raft foundation. Soils and
Foundations, vol. 51, No 1, 1-10.
[6] Phung, D. L. & Raft, P. (2010). A Cost - Effective foundation method for high - rises. Geotechnical
Engineering Journal of the Seags & Agssea, Vol 41, No 3, Issn 0046 - 5828.
[7] Randolph (1994). An approximate numerical analysis of pile raft interaction. International journal
of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol.18, pp.73 - 92.
Ngày nhận: 28/06/2021
Ngày duyệt đăng: 12/10/2021
153
nguon tai.lieu . vn
