Tài liệu Nghiên cứu sự làm việc của móng bè cọc trong điều kiện địa chất công trình thành phố sóc trăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI -------------- PHẠM QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA MÓNG BÈ – CỌC TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH THÀNH PHỐ SÓC TRĂNG Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 60-58-02-04 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN QUANG TUẤN HÀ NỘI – 2017 LỜI CAM ĐOAN Trong thời gian học tập tại trường với sự định hướng của các thầy cô, đồng thời với kinh nghiệm làm việc tại cơ quan, sự giúp đỡ của bạn bè và đồng nghiệp và đặc biệt là sự giúp đỡ hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Quang Tuấn. Việc thực hiện đề tài luận văn cao học “Nghiên cứu sự làm việc của móng bè – cọc trong điều kiện địa chất công trình thành phố Sóc Trăng” tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả tính toán được nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được sử dụng trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi gõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Phạm Quốc Tuấn i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sĩ, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình và quý báo của nhiều cá nhân, tập thể. Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể Quý Thầy, Cô Trường Đại học Thủy Lợi Hà Nội và nhất là các Thầy, Cô tại Bộ môn Địa kỹ thuật của trường đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin cảm ơn vì những kiến thức cần thiết, bổ ích và những kinh nghiệm mà các Thầy, Cô đã tận tình truyền giảng lại cho tôi để tôi vận dụng vào công việc thực tiễn, góp vào hành trang trên bước đường tương lai trong cuộc sống, và có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Tiếp đến, tôi xin gởi lời cảm ơn đến Thầy TS. Nguyễn Quang Tuấn đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy ân cần, truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu, cung cấp và đề ra định hướng trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy. Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học - Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ. Tôi xin gởi lời cảm ơn đến tất cả các anh chị, các bạn cùng học lớp Cao học 24ĐKT12 đã cung cấp tài liệu, giúp đỡ và đóng góp cho tôi những kiến thức bổ ích để tôi có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và lượng kiến thức bao la vô tận nên không thể tránh khỏi những thiếu xót nhất định. Tôi rất mong được sự đóng góp và ý kiến quý báu của Quý Thầy, Cô và bạn bè để ngày càng hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cám ơn! ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................ viii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG BÈ - CỌC ...................................................... 4 1.1 Tổng quan về móng bè - cọc ..................................................................................... 4 1.2 Các quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay ............................................................... 5 1.2.1 Quan điểm cọc chịu tải trọng hoàn toàn ................................................................. 5 1.2.2. Quan điểm bè chịu tải trọng hoàn toàn.................................................................. 6 1.2.3. Quan điểm móng bè - cọc đồng thời chịu tải trọng công trình ............................. 6 1.3 Cấu tạo và ứng dụng của móng bè - cọc ................................................................... 7 1.3.1. Cấu tạo của móng bè - cọc .................................................................................... 7 1.3.2 Ứng dụng của móng bè - cọc .................................................................................. 8 1.4 Cơ chế làm việc của móng bè - cọc ........................................................................... 9 1.5 Các phương pháp phân tích móng bè - cọc ............................................................. 12 1.5.1. Các phương pháp đơn giản .................................................................................. 12 1.5.2. Các phương pháp có kể đến sự tương tác cọc - đất nền và bè - đất nền ............. 19 1.6 Lựa chọn công trình áp dụng ở thành phố Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng ................... 24 1.7 Điều kiện địa chất công trình tại vị trí nghiên cứu .................................................. 24 1.7.1 Đặc điểm chung của địa hình khu vực nghiên cứu .............................................. 24 1.7.2 Đặc điểm chung địa chất khu vực nghiên cứu ..................................................... 25 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MÓNG BÈ - CỌC ......................................................................................................... 29 2.1 Phân tích tính toán theo các phương pháp thông thường ........................................ 29 2.1.1 Cơ sở lý thuyết...................................................................................................... 29 2.1.2 Trình tự thiết kế móng cọc ................................................................................... 30 2.1.3 Tính toán sức chịu tải của cọc .............................................................................. 31 2.1.4 Cọc chịu tải trọng ngang và cọc chịu uốn dọc ..................................................... 36 2.1.5 Mô phỏng bài toán móng cọc chịu tải trọng toàn bộ bằng chương trình Plaxis .. 37 2.2 Phân tích tính toán theo phương pháp số sử dụng phần mềm Plaxis ...................... 38 2.2.1 Cọc trong đất ........................................................................................................ 38 iii 2.2.2 Sức chịu tải của móng bè cọc ............................................................................... 42 2.2.3 Độ lún của móng bè cọc ....................................................................................... 42 2.2.4 Mô phỏng bài toán móng cọc bè bằng chương trình Plaxis ................................ 48 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MÓNG BÈ CỌC CHO CÔNG TRÌNH TẠI THÀNH PHỐ SÓC TRĂNG ................................................................... 51 3.1 Giới thiệu khái quát về công trình ........................................................................... 51 3.2 Điều kiện địa chất công trình tại vị trí xây dựng..................................................... 51 3.3 Các thông số đất nền tại vị trí xây dựng công trình ................................................ 53 3.4 Số liệu đầu vào sử dụng tính toán kết cấu công trình ............................................. 57 3.5 Kết quả phân tích tính toán theo từng phương pháp ............................................... 59 3.6 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đất nền tới hiệu quả của việc sử dụng giải pháp móng bè - cọc ................................................................................................................ 72 3.7 So sánh kết quả theo các phương pháp ................................................................... 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 81 PHỤ LỤC: HỒ SƠ ĐỊA CHẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN................. 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 97 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 - 1: Các phương án bố trí cọc trong đài ............................................................... 7 Hình 1 - 2: Cấu tạo móng bè cọc ..................................................................................... 8 Hình 1 - 3: Sự tương tác làm việc của móng bè cọc (Poulos, 2000) ............................... 9 Hình 1 - 4: Hiệu ứng nhóm cọc ..................................................................................... 11 Hình 1 - 5: Sơ đồ tính móng tuyệt đối cứng ................................................................. 14 Hình 1 - 6: Sơ đồ tính móng mềm theo giả thiết của E. Winkler .................................. 14 Hình 1 - 7: Mô hình thí nghiệm Terzaghi...................................................................... 15 Hình 1 - 8: Mô hình phân tích móng bè - cọc ............................................................... 20 Hình 1 - 9: Mặt bằng tổng thể địa hình khu vực thành phố Sóc Trăng ......................... 25 Hình 1 - 10: Mặt bằng tổng thể vị trí khoan địa chất khu vực ...................................... 25 Hình 2 - 1: Mặt bằng cọc chịu tải hoàn toàn mô phỏng bằng Plaxis ............................ 37 Hình 2 - 2: Phase Initial - Chương trình tự động phân tích. .......................................... 37 Hình 2 - 3: Phase - Vật liệu: Tất cả các phần tử cọc, đài được kích hoạt. .................... 38 Hình 2 - 4: Phase - Tải trọng: Gắn tải tập trung lên đài cọc .......................................... 38 Hình 2 - 5: Rời rạc hóa phần tử dầm trong đất được tượng trưng bằng đường đậm nét. Các vòng tròn tượng trưng cho các nút ảo của phần tử đất ........................................... 38 Hình 2 - 6: Quan hệ giữa độ lún không thoát nước với tải trọng .................................. 43 Hình 2 - 7: Hệ số ảnh hưởng lún I 0 ............................................................................... 45 Hình 2 - 8: Hệ số hiệu chỉnh tính nén lún, R K ............................................................... 45 Hình 2 - 9: Hệ số hiệu chỉnh theo độ sâu, R h ................................................................ 46 Hình 2 - 10: Hệ số hiệu chỉnh hệ số Poisson, R v .......................................................... 46 Hình 2 - 11: Hệ số giảm lún với L/d = 10 và móng tuyệt đối cứng .............................. 47 Hình 2 - 12: Hệ số giảm lún với L/d = 25 và móng tuyệt đối cứng .............................. 47 Hình 2 - 13: Hệ số giảm lún với L/d = 100 và móng tuyệt đối cứng ............................ 47 Hình 2 - 14: Hệ số giảm lún áp dụng cho móng mềm, trường hợp ở tâm..................... 47 Hình 2 - 15: Hệ số giảm lún áp dụng cho móng mềm, trường hợp ở góc ..................... 48 Hình 2 - 16: Tỉ số R G0 / R G0.5 cho L/d =25 ................................................................... 48 Hình 2 - 17: Tỉ số R G0 / R G0.5 cho L/d =100 ................................................................. 48 Hình 2 - 18: Mặt bằng mô phỏng bằng Plaxis ............................................................... 49 v Hình 2 - 19: Phase Initial - Chương trình tự động phân tích......................................... 49 Hình 2 - 20: Phase - Vật liệu: Tất cả các phần tử cọc, đài được kích hoạt. .................. 49 Hình 2 - 21: Phase - Tải trọng: Gắn tải tập trung lên bè cọc......................................... 49 Hình 3 - 1: Mặt bằng bố trí cột tầng hầm ...................................................................... 58 Hình 3 - 2: Mô hình 3D phân tích kết cấu công trình bằng phần mềm Etabs. .............. 58 Hình 3 - 3: Mặt bằng mô phỏng bằng Plaxis vị trí chân cột giữa ................................. 61 Hình 3 - 4: Phase Initial - Chương trình tự động phân tích........................................... 61 Hình 3 - 5: Phase - Vật liệu: Tất cả các phần tử cọc, đài được kích hoạt. .................... 62 Hình 3 - 6: Phase - Tải trọng: Gắn tải tập trung lên đài cọc ......................................... 62 Hình 3 - 7: Mặt bằng mô phỏng bằng Plaxis vị trí chân cột biên ................................. 63 Hình 3 - 8: Phase Initial - Chương trình tự động phân tích........................................... 63 Hình 3 - 9: Phase - Vật liệu: Tất cả các phần tử cọc, đài được kích hoạt. .................... 63 Hình 3 - 10: Phase - Tải trọng: Gắn tải tập trung lên đài cọc ....................................... 63 Hình 3 - 11: Mặt bằng mô phỏng bằng Plaxis .............................................................. 64 Hình 3 - 12: Phase Initial - Chương trình tự động phân tích......................................... 64 Hình 3 - 13: Phase - Vật liệu: Tất cả các phần tử cọc, đài được kích hoạt. .................. 65 Hình 3 - 14: Phase - Tải trọng: Gắn tải tập trung lên bè cọc......................................... 65 Hình 3 - 15: Mặt bằng mô phỏng bằng Plaxis vị trí chân cột biên ............................... 65 Hình 3 - 16: Phase Initial - Chương trình tự động phân tích......................................... 65 Hình 3 - 17: Phase - Vật liệu: Tất cả các phần tử cọc, đài được kích hoạt. .................. 66 Hình 3 - 18: Phase - Tải trọng: Gắn tải tập trung lên bè cọc......................................... 66 Hình 3 - 19: Kết quả chuyển vị đứng ............................................................................ 66 Hình 3 - 20: Kết quả chuyển vị ngang theo phương x .................................................. 67 Hình 3 - 21: Kết quả chuyển vị ngang theo phương z .................................................. 67 Hình 3 - 22: Ứng suất xung quanh đầu cọc tại y = - 4.80 ............................................. 67 Hình 3 - 23: Ứng suất xung quanh mũi cọc tại y = - 40.0 ............................................. 67 Hình 3 - 24: Kết quả chuyển vị đứng ............................................................................ 68 Hình 3 - 25: Kết quả chuyển vị ngang theo phương x .................................................. 68 Hình 3 - 26: Kết quả chuyển vị ngang theo phương z .................................................. 68 Hình 3 - 27: Ứng suất xung quanh đầu cọc tại y = - 4.80 ............................................. 69 Hình 3 - 28: Ứng suất xung quanh mũi cọc tại y = - 40.0 ............................................. 69 vi Hình 3 - 29: Kết quả chuyển vị đứng ............................................................................ 69 Hình 3 - 30: Kết quả chuyển vị ngang theo phương x .................................................. 70 Hình 3 - 31: Kết quả chuyển vị ngang theo phương z ................................................... 70 Hình 3 - 32: Ứng suất xung quanh đầu cọc tại y = - 4.50 ............................................. 70 Hình 3 - 33: Ứng suất xung quanh mũi cọc tại y = - 30.0 ............................................. 70 Hình 3 - 34: Kết quả chuyển vị đứng ............................................................................ 71 Hình 3 - 35: Kết quả chuyển vị ngang theo phương x .................................................. 71 Hình 3 - 36: Kết quả chuyển vị ngang theo phương z ................................................... 71 Hình 3 - 37: Ứng suất xung quanh đầu cọc tại y = -4.50 .............................................. 72 Hình 3 - 38: Ứng suất xung quanh mũi cọc tại y = -30.0 .............................................. 72 vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1 - 1: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất tại khu vực I. ............. 26 Bảng 1 - 2: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất tại khu vực II. ............ 27 Bảng 1 - 3: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất tại khu vực III. .......... 27 Bảng 2 - 1: Hệ số uốn dọc φ .......................................................................................... 32 Bảng 3 - 1: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất tại vị trí xây dựng ...... 52 Bảng 3 - 2: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 1. ............................... 53 Bảng 3 - 3: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 2. ............................... 54 Bảng 3 - 4: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 3. ............................... 55 Bảng 3 - 5: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 4. ............................... 56 Bảng 3 - 6: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 5. ............................... 57 Bảng 3 - 7: Bảng nội lực phân tích công trình, tại chân cột có nội lực lớn nhất........... 59 Bảng 3 - 8: Bảng thông số vật liệu đầu vào mô hình Plaxis ......................................... 60 Bảng 3 - 9: Bảng so sánh kết quả phân tích trường hợp chiều dài cọc L=16,0m. ........ 73 Bảng 3 - 10: Bảng so sánh kết quả phân tích trường hợp chiều dài cọc L=21,0m. ...... 74 Bảng 3 - 11: Bảng so sánh kết quả phân tích trường hợp chiều dài cọc L=27,0m. ...... 75 Bảng 3 - 12: Bảng so sánh kết quả phân tích trường hợp chiều dài cọc L=30,0m đối với móng bè cọc và L=36,0m đối với móng cọc........................................................... 76 Bảng 3 - 13: Bảng so sánh kết quả phân tích trường hợp chiều dài cọc L=30,0m đối với móng bè cọc và L=40,0m đối với móng cọc........................................................... 77 viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài Việc lựa chọn giải pháp móng phù hợp cho công trình có vai trò rất quan trọng. Trong các giải pháp nền móng, móng cọc ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam do nhu cầu phát triển của kinh tế dẫn đến nhu cầu xây dựng công trình dân dụng và hạ tầng được mở rộng và phát triển ở khắp các vùng miền trên cả nước. Trong điều kiện nước ta việc tính toán thiết kế móng cọc đến nay vẫn còn sử dụng những mô hình tính theo quan điểm cho rằng cọc chỉ có tác dụng giảm lún và gia cố nền hoặc cọc chịu toàn bộ tải trọng từ bè truyền xuống. Không giống như thiết kế móng cọc thông thường, giải pháp móng bè - cọc được thiết kế có kể đến sự làm việc đồng thời của cả cọc lẫn bè móng. Ưu điểm của kết cấu móng bè – cọc là: 1) phù hợp với điều kiện địa chất khi mà lớp chịu tải tốt nằm quá sâu; 2) tận dụng và phát huy tối đa khả năng chịu tải của bè móng, từ đó dẫn tới khả năng giảm giá thành xây dựng. Các nghiên cứu của Phùng Đức Long [1], Katzenbach [2] cho thấy phần móng bè có thể tiếp nhận từ 30% đến 60% tải trọng từ công trình trong nhiều điều kiện địa chất công trình. Giải pháp móng bè – cọc là một giải pháp đã được áp dụng cho rất nhiều công trình trên thế giới. Ở Việt Nam, dù còn mới mẻ song gần đây đã có những nghiên cứu về giải pháp này [1] [3] [4]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu áp dụng giải pháp móng bè – cọc cho các điều kiện địa chất công trình cụ thể vẫn còn hạn chế. Sóc Trăng là thành phố đang trên đà phát triển. Việc sử dụng móng cọc cho các nhà cao tầng đang là nhu cầu thiết yếu. Để thiết kế móng một cách phù hợp và kinh tế, luận văn này xem xét việc áp dụng giải pháp móng bè – cọc với điều kiện địa chất công trình khu vực thành phố Sóc trăng, từ đó đưa ra phương án thiết kế tối ưu cho các kỹ sư. 2. Mục đích của Đề tài Nghiên cứu áp dụng phương án móng bè - cọc cho điều kiện đại chất thành phố Sóc Trăng. 1 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu điều kiện đất nền khu vực thành phố Sóc Trăng. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đất nền tới sự làm việc của hệ móng bè cọc. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1. Cách tiếp cận Giới thiệu những nghiên cứu về sự làm việc đồng thời của móng và bè móng công trình của các tác giả Việt Nam và thế giới. Phân tích sự làm việc đồng thời của hệ móng bè cọc qua một ví dụ tổng quát là một công trình tại thành phố Sóc Trăng. Tính toán một công trình cụ thể để phân tích ảnh hưởng của các điều kiện đất nền tới thiết kế móng. 4.2. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về phần tử hữu hạn (FEM), các phầm mềm tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn chuyên ngành. Mô phỏng một công trình cụ thể. Thay đổi thông số hình học của hệ móng cọc đài bè để thu thập số liệu, phân tích để xây dựng các biểu đồ tương quan. Thay đổi các thông số về cọc, đất nền để tìm ra những kết luận tổng quát cho bài toán móng cọc - đài bè. Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm số trên mô hình toán. 5. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Móng công trình xây dựng đặt trên nền đất khu vực thành phố Sóc Trăng. 6. Kết quả đạt được Nghiên cứu được sự tương tác giữa móng bè và cọc. Nghiên cứu được sự chuyển vị của hệ móng bè - cọc trong đất nền, đồng thời có sự đánh giá ảnh hưởng qua lại giữa cọc với cọc phía dưới công trình. 2 Đánh giá được sức chịu tải của hệ móng bè cọc. Từ đó, đề xuất lựa chọn các giải pháp thiết kế đảm bảo an toàn chịu lực của công trình và tối ưu hóa chi phí xây dựng công trình mang lại giá trị to lớn xã hội. 7. Nội dung, bố cục của luận văn Với nội dung như trên, báo cáo của luận văn gồm ba chương nội dung chi tiết và phần kết luận. Chương 1: Tổng quan về móng bè cọc. Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích tính toán móng bè – cọc. Chương 3: Kết quả phân tích tính toán móng bè – cọc cho công trình dự kiến. Phần kết luận: Đánh giá các vấn đề mà luận văn đã giải quyết được, khả năng ứng dụng của đề tài vào việc thiết kế các công trình thực tế, nhiệm vụ cần tiếp tục nghiên cứu trong giai đoạn tiếp theo nhằm xây dựng hoàn chỉnh phương pháp tính. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG BÈ - CỌC 1.1 Tổng quan về móng bè - cọc Trong những năm gần đây, móng bè - cọc đang ngày càng được công nhận như là một giải pháp móng đem lại hiệu quả kinh tế cao trong xây dựng các công trình trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Giải pháp sử dụng móng bè - cọc không giống như thiết kế móng cọc thông thường, trong đó cọc được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng từ công trình, móng bè - cọc được thiết kế có kể đến sự phân phối tải trọng bên trên xuống nền đất dưới bè móng và cọc. Móng bè - cọc là một hệ thống kết hợp bao gồm các phần tử chịu lực làm việc đồng thời với nhau gồm có các cọc, bè và nền đất bên dưới. Trong đó, bè có chức năng liên kết và phân phối tải trọng từ chân kết cấu bên trên đến các cọc và truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa bè và nền đất; cọc có chức năng truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọc qua sức kháng mũi và truyền tải trọng vào nền đất xung quanh qua sức kháng bên. Ưu điểm của kết cấu móng bè - cọc là: - So sánh với móng cọc thì móng bè - cọc có số lượng cọc nhỏ hơn và chiều dài cọc cũng ngắn hơn. - Cải thiện được điều kiện làm việc của móng nông nhờ giảm độ lún cũng như độ lún lệch. Cọc giữ vai trò như bộ phận giảm lún. - Giảm được ứng suất cũng như moment nội lực trong móng bè nhờ sự sắp xếp hợp lý của cọc. - Phát huy vai trò chịu lực của phần móng bè. - Giảm thiểu khả năng phìn trồi khi đào hố móng. - Có thể bố trí cọc để chịu tải trọng lệch tâm từ công trình bên trên. Bên cạnh những ưu điểm, việc phân tích và áp dụng móng bè - cọc vào thực tế vẫn tồn 4 tại một số khó khăn, nhược điểm như: - Ở Việt Nam, việc tính toán móng bè - cọc chưa được xem xét kỹ, các thiết kế chưa đánh giá và phản ánh rõ vai trò của bè móng, đất và hệ thống cọc. - Việc thiết kế còn gặp nhiều khó khăn do thiếu các tiêu chuẩn làm cơ sở tính toán. - Ngoài ra, việc phân tích móng bè - cọc chưa xét đến các yếu tố tác động tới công trình. Theo Nguyễn Thanh Sơn [3] một phân tích đầy đủ tương tác bè - cọc với nền đất cần thiết phải xét đầy đủ các yếu tố: Sức chịu tải tới hạn của móng dưới tác động của tổ hợp tải trọng; Ảnh hưởng của tác động có tính chất chu kỳ đến ứng xử của móng; Độ lún tổng thể của móng; Độ lún lệch giữa các khối nhà và với công trình lân cận; Ảnh hưởng giữa móng bè với cọc, giữa các cọc với nhau; Ảnh hưởng của động đất bao gồm cả những trận động đất kích thích, khả năng hóa lỏng của đất và phản ứng động của kết cấu dưới tác động của tải trọng gió,… 1.2 Các quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay Hiện nay, việc thiết kế móng cọc chịu tải trọng cho công trình có nhiều quan điểm tính toán phân tích với những ưu điểm và nhược điểm khác nhau cho từng trường hợp, có thể kể đến một số quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay như sau: 1.2.1 Quan điểm cọc chịu tải trọng hoàn toàn Là quan điểm thiết kế cọc được xem là truyền thống và áp dụng rộng rãi, trong đó cọc được thiết kế để tiếp nhận toàn bộ tải trọng của công trình truyền xuống mà không kể tới sự tham gia chịu tải của nền đất dưới đài cọc. Trong tính toán, hệ móng còn tính như móng cọc đài thấp với nhiều giả thiết gần đúng như: - Tải trọng ngang do nền đất trên mức đáy đài tiếp thu. - Đài móng tuyệt đối cứng, ngàm cứng với các cọc, chỉ truyền tải trọng đứng lên các cọc, do đó cọc chỉ chịu kéo hoặc nén. - Cọc trong nhóm cọc làm việc như cọc đơn, và cọc chịu toàn bộ tải trọng từ đài móng. - Khi tính toán tổng thể móng cọc thì coi hệ móng là một khối móng quy ước. 5 -Tính toán theo cách này có ưu điểm là đơn giản, thiên về an toàn nhưng không đạt hiệu quả kinh tế, đo đó đây là một phương án thiết kế móng cọc lãng phí. 1.2.2. Quan điểm bè chịu tải trọng hoàn toàn Kết cấu bè được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng tác dụng lên móng, các cọc chỉ nhận một phần nhỏ tải trọng truyền xuống, cọc được bố trí hạn chế cả về số lượng sức chịu tải với mục đính chính là gia cố nền, giảm độ lún trung bình và lún lệch. Độ lún của móng thường lớn, vượt quá độ lún cho phép, ngoài ra với tải trọng công trình lớn, tính theo quan điểm này thường không đảm bảo sức chịu tải của nền đất dưới móng. 1.2.3. Quan điểm móng bè - cọc đồng thời chịu tải trọng công trình Hệ kết cấu móng đài - cọc đồng thời làm việc với đất nền theo một thể thống nhất, xét đến đầy đủ sự tương tác giữa các yếu tố đất nền - bè - cọc. Trong quan điểm này, các cọc ngoài tác dụng giảm lún cho công trình, còn phát huy hết được khả năng chịu tải, do đó số lượng cọc ít hơn, chiều dài cọc ngắn hơn. Khi cọc đã phát huy hết khả năng chịu tải, thì một phần tải trọng còn lại sẽ do phần bè chịu và làm việc như móng bè trên nền thiên nhiên. Trong quan điểm này, độ lún của công trình thường lớn hơn so với quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn nhưng về tổng thể, nó vẫn đảm bảo nằm trong quy định với một hệ số an toàn hợp lý, do đó quan điểm tính toán này cho hiệu quả kinh tế tốt hơn so với quan điểm cọc chịu tải trọng hoàn toàn. Tuy nhiên, quá trình tính toán phân tích cần sử dụng các mô hình phức tạp hơn, do đó hiện nay quan điểm này chưa được áp dụng phổ biến rộng rãi. Trên cơ sở giả thiết và mô hình, phương pháp tính toán móng bè - cọc được phân thành các nhóm như sau: - Những phương pháp kinh điển. - Phương pháp móng cọc tương đương hoặc móng bè tương đương. - Những phương pháp giải tích đơn giãn. - Những phương pháp số dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn. 6 1.3 Cấu tạo và ứng dụng của móng bè - cọc 1.3.1. Cấu tạo của móng bè - cọc Móng bè - cọc là một loại móng cọc, cho phép phát huy được tối đa khả năng chịu lực của cọc và tận dụng được một phần sức chịu tải của nền đất dưới đáy bè. Móng bè cọc còn được gọi là móng bè trên nền cọc. Móng bè - cọc cấu tạo gồm hai phần: bè và các cọc. - Bè hay đài cọc có nhiệm vụ liên kết và phân phối tải trọng từ chân kết cấu cho các cọc, đồng thời truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa đáy bè và đất nền. Bè có thể làm dạng bản phẳng hoặc bản dầm nhằm tăng độ cứng chống uốn. - Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức kháng bên. Có thể bố trí cọc trong đài thành nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lối hay bố trí bất kỳ tuỳ thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm điều chỉnh lún không đều, giảm áp lực lên nền ở đáy bè hay giảm nội lực trong bè... Hình 1 - 1: Các phương án bố trí cọc trong đài Cách bố trí cọc trong đài thường theo nguyên tắc trọng tâm nhóm cọc trùng hoặc gần với trọng tâm tải trọng công trình. Giải pháp này có ưu điểm là tải trọng xuống cọc được phân bố hợp lí hơn; tính làm việc tổng thể của nhóm cọc tốt hơn. 7 Hình 1 - 2: Cấu tạo móng bè cọc 1.3.2 Ứng dụng của móng bè - cọc Móng bè cọc thường được sử dụng tương đối nhiều trong các công trình xây dựng cao tầng. Sở dĩ lựa chọn giải pháp kết cấu móng bè cọc vì đa phần tại vị trí xây dựng công trình có lớp đất yếu rất dày, việc bố trí cọc theo đài đơn hay băng trên cọc không đủ. Cần phải bố trí cọc trên toàn bộ diện tích xây dựng mới mang đảm bảo khả năng chịu tải trọng của công trình. Hơn nữa bè cọc sẽ làm tăng tính cứng tổng thể của nền móng bù đắp lại sự yếu kém của nền đất. - Nhà dân dụng: Chủ yếu là móng bè trên cọc nhồi hoặc cọc barrette. Móng bè cọc thích hợp với kết cấu ống, kết cấu khung vách. - Nhà công nghiệp: Chủ yếu là móng bè trên cọc đóng hoặc ép. Đặc điểm nhà công nghiệp là diện tích mặt bằng lớn, cấu tạo địa chất thường không ổn định; cọc sử dụng trong công trình này thường có tác dụng chính là gia cố nền, giảm độ lún lệch và lún tuyệt đối. - Công trình cảng, thuỷ: Chủ yếu là móng bè trên cọc đóng hoặc ép. Đặc điểm của các công trình này là chịu tải trọng lớn, có quy định nghiêm ngặt về độ lún tuyệt đối và lún lệch. 8 1.4 Cơ chế làm việc của móng bè - cọc Móng bè - cọc là một giải pháp nền móng để giảm thiểu độ lún cũng như lún lệch, tận dụng được khả năng chịu tải của đất nền bên dưới móng bè và làm giảm thiểu moment uốn trong móng bè. Tính chất nổi bật của móng bè -cọc là sự ảnh hưởng tương hỗ giữa đất và kết cấu móng trong quá trình chịu tải. Hình 1 - 3: Sự tương tác làm việc của móng bè cọc (Poulos, 2000) - Sự tương tác giữa cọc với đất . - Sự tương tác giữa cọc với cọc . - Sự tương tác giữa bè với đất . - Sự tương tác giữa cọc với bè . Tùy theo độ cứng của móng bè mà nó tiếp thu tải trọng S t từ công trình bên trên và truyền qua đất nền bên dưới thông qua áp lực tiếp xúc của đất nền ký hiệu là R, và thông qua ma sát tiếp xúc giữa đất và các cọc ΣR pi . Vậy tổng phản lực của móng bè cọc là: R t = R r + ΣR pi ≥ S t (1 - 1) Theo quan điểm thiết kế trước đây thì tải trọng của công trình phải truyền qua móng bè 9 hoặc truyền qua cọc. Trên quan điểm của móng bè - cọc thì tải trọng của công trình vừa phân phối lên bè vừa phân phối lên cọc. Hệ số phân phối tải trọng cho cọc ký hiệu là α pr được định nghĩa là tỉ số giữa tổng tải trọng cọc chịu trên tải trọng mà cả hệ thống bè và cọc chịu: α pr = ΣR pi / R t (1 - 2) Hệ số α pr = 0 chỉ trường hợp của móng nông và α pr = 1 chỉ trường hợp thuần túy móng cọc mà không có sự tiếp xúc với đất bên dưới móng bè. Việc ảnh hưởng của cọc đến độ lún của móng bè tùy thuộc vào hệ số phân phối tải trọng, mà hệ số tải trọng lại phụ thuộc vào số lượng và chiều dài các cọc. Cơ chế làm việc và sự tác động qua lại giữa kết cấu móng bè - cọc và nền đất dưới bè móng như sau: + Bè móng: Bè móng có tác dụng liên kết các đầu cọc thành một khối thống nhất và khi tải trọng truyền xuống (gồm tải tập trung tại các vị trí chân cột), bè móng sẽ trực tiếp tiếp nhận các tải trọng này, sau đó phân phối một phần cho các cọc và một phần truyền thẳng xuống nền đất bên dưới. Sự phân phối này phụ thuộc vào việc bố trí các cọc, độ cứng của nền đất và độ cứng kháng uốn của đài. + Nền đất dưới bè móng: Khi bè móng chịu tác động của tải trọng, một phần tải trọng được truyền xuống cho các cọc và một phần được phân phối cho nền đất dưới bè móng. Tỷ lệ phân phối này còn phụ thuộc vào các yếu tố: độ cứng của nền đất, chuyển vị của đài, chuyển vị của cọc và việc bố trí các cọc. + Ảnh hưởng của cọc: Cơ chế làm việc của cọc là nhờ được hạ vào các lớp đất tốt phía dưới nên khi chịu tác động của tải trọng đứng từ đài móng nó sẽ truyền tải trọng này xuống lớp đất tốt thông qua lực ma sát giữa cọc với đất và lực kháng ở mũi cọc làm cọc chịu kéo hoặc nén. Trong quá trình làm việc cọc còn chịu thêm các tác động phức tạp khác như: hiệu ứng nhóm cọc, lực ma sát âm ... Do có độ cứng lớn nên cọc tiếp nhận phần lớn tải trọng từ móng bè truyền xuống và một phần do nền tiếp nhận. + Ảnh hưởng của nhóm cọc: Sự làm việc của cọc đơn khác với sự làm việc của nhóm cọc. Khi khoảng cách các cọc khá lớn (khoảng cách cọc lớn hơn 6D, với D là đường 10