nghiên cứu sự lm việc đồng thời móng băng, bè cọc v nền đất ks. Phan huy đông Divison of Soil mechanics and foundation engineering Civil University email: phdong_hucevn@yahoo.com 1. Tho lun. Vi nhu cu s dng ngy cng tng, cỏc cụng trỡnh nh trung v cao tng ang c xõy dng nhiu nc ta hin nay, c bit l cỏc thnh ph ln. c im ca cỏc cụng trỡnh trung v cao tng l cú ti trng ng v ti trng ngang (giú v ng t) l rt ln, trong ú ti trng ngang úng vai trũ quan trng trong cụng tỏc thit k. Khi chu tỏc ng ca ti trng ngang s sinh ra mụmen lt ln nờn gii phỏp kt cu múng cú yờu cu rt kht khe v kh nng chu lc, tớnh n nh v chờnh lỳn cho cụng trỡnh. Kt cu múng thng rt a dng v linh hot, tuy nhiờn cú my dng ph bin nh sau: Hỡnh 1: Mt s gii phỏp múng ph bin cho nh cao tng móng hộp móng hộp v cọc khoan nhồi móng bè, bè + cọc móng cọc (khoan nhồi, baret) Móng băng tng cng khụng gian ca múng cng nh gim chờnh lỳn tt nht thỡ gii phỏp múng cc kt hp vi i dng bng, bố c s dng nhiu hn c. Thờm vo ú phn ln cỏc cụng trỡnh nh cao tng thng thit k cú cỏc tng ngm tn dng khụng gian s dng, khi ú múng cc c t trong cỏc h o sõu cho nờn ngoi vic chu ti trng ca cụng trỡnh, cc cũn chu cỏc tỏc ng do cú hin tng phng ca t khi m h o v ỏp lc y ni ca nc, lm cc cú kh nng chu kộo nhiu hn. Do ú ngoi vn gim ti cho cụng trỡnh thỡ vic tớnh toỏn múng cc di tng ngm ging nh múng bng, bố - cc. Vi mc ớch tng hp cỏc kin thc chuyờn mụn, xõy dng mt mụ hỡnh tớnh toỏn mụ phng c s lm vic ng thi ca kt cu múng - cc - nn t mt cỏch hp lý, lm ti liu tham kho thờm cho sinh viờn ngnh xõy dng tụi post lờn ketcau.com ý ca mi ngi. bi vit ny mong c s gúp 2. Cơ chế làm việc của hệ móng băng, bè cọc và các quan điểm thiết kế. Nghiờn cu tỏc ng qua li khi k ti nh hng ca i cc, nn t di ỏy i v cc cho thy c cu truyn ti trng nh sau: + S lm vic ca i cc: Ti trng t cụng trỡnh truyn xung múng. i cc liờn kt cỏc u cc thnh mt khi v phõn phi ti trng tp trung ti cỏc v trớ chõn ct, tng cho cỏc cc. S phõn phi ny ph thuc vo vic b trớ cỏc cc v cng khỏng un ca i (EJ). mt mc nht nh nú cú kh nng iu chnh lỳn khụng u (lỳn lch). + nh hng ca nn t di ỏy i: Khi i cc chu tỏc ng ca ti trng mt phn c truyn xung cho cỏc cc chu v mt phn c phõn phi cho nn t di ỏy i. T l phõn phi ny cũn ph thuc vo cỏc yu t: cng ca nn t, chuyn v ca i, chuyn v ca cc v vic b trớ cỏc cc. + nh hng ca cc: C ch lm vic ca cc l nh c h vo cỏc lp t tt phớa di nờn khi chu tỏc ng ca ti trng ng t i múng nú s truyn ti ny xung lp t tt thụng qua lc ma sỏt gia cc vi t v lc khỏng mi cc lm cc chu kộo hoc nộn. Trong quỏ trỡnh lm vic cc cũn chu thờm cỏc tỏc ng phc tp khỏc nh: hiu ng nhúm cc, lc ma sỏt õm Do cú cng ln nờn cc tip nhn phn ln ti trng t i xung, ch cú mt phn nh do nn tip nhn. đi cọc đờng chuyển vị của đi cọc cọc nền đất dới đáy móng cọc Hình 2: sự làm việc của hệ đài cọc- cọc - nền đất. Tóm lại sự làm việc của hệ đài cọc - cọc - nền đất là một hệ thống nhất làm việc đồng thời cùng nhau và tơng tác lẫn nhau rất phức tạp. Sự tơng tác đó phụ thuộc vào độ cứng kháng uốn của đài cọc, độ cứng của nền đất (đáy đài), độ cứng của cọc (khả năng chịu tải và bố trí cọc). Nhờ vào sự tơng tác đó mà tải trọng đợc phân phối xuống nền đất gây ra chuyển vị của nền, chuyển vị này phân phối lại tải trọng cho kết cấu bên trên từ đó có tác dụng điều chỉnh chênh lún, giữ đợc độ ổn định không gian cho móng. 3. Các quan điểm thiết kế. Hiện nay khi thiết kế các loại móng dạng băng cọc, bè cọc thờng có hai quan điểm tính toán nh sau: a. Quan điểm cọc chịu tải - cách tính truyền thống: Theo quan điểm này, các cọc đợc thiết kế nh một nhóm cọc để tiếp nhận hoàn toàn tải trọng của công trình mà không kể tới sự tham gia chịu tải của nền đất dới đài cọc. Thô sơ hơn trong quá trình tính toán hệ móng còn đợc tính nh móng cọc đài thấp với nhiều giả thiết gần đúng nh sau: 1- Tải trọng ngang do đất trên mức đáy đài tiếp thu. 2- Đài cọc tuyệt đối cứng, ngàm cứng với cọc và chỉ truyền tải lên các cọc, do đó các cọc chỉ chịu nén, kéo. 3- Cọc trong nhóm cọc làm việc nh các cọc đơn, và cọc chịu toàn bộ tải trọng từ đài móng (bỏ qua ảnh hởng của đất dới đáy đài). 4 - Khi tính toán tổng thể móng cọc thì coi hệ móng cọc là móng khối qui ớc. Theo cỏch tớnh ny l quỏ thiờn v an ton v khụng kinh t, tuy nhiờn nú vn c s dng ph bin hin nay vỡ n gin, thiờn v an ton v c hng dn chi tit trong cỏc giỏo trỡnh Nn múng hin nay. b. Quan im cc gim lỳn - s lm vic ng thi: Theo quan im ny, h kt cu múng i cc - cc cựng lm vic ng thi vi nn t theo mt th thng nht. Cỏc cc c b trớ trong múng lm mc ớch chớnh l gim nh nht lỳn trung bỡnh v chờnh lỳn. Ngoi ra cũn k n c nh hng ca t di ỏy i. Quan sỏt quan h gia ti trng v lỳn hỡnh 3 cho thy: - ng cong 1: mụ t phng phỏp thit k truyn thng. Ti ti trng thit k, ng cong quan h P S l tuyn tớnh ton b ti trng ca cụng trỡnh do cc tip nhn, lỳn l rt nh do ú cn mt s lng cc ln, ng thi cha phỏt huy ht mc s lm vic ca cỏc cc. - ng cong 3: Ti ti trng thit k, lỳn ca bố l rt ln, nn khụng kh nng chu ti. - ng cong 2: Th hin ý tng cc gim lỳn v cỏc cc phỏt huy ht kh nng lm vic ti giỏ tr ti trng thit k do ú cn ớt cc hn cho dự giỏ tr lỳn ln nhng v tng th nú vn tha món yờu cu vi mt h s an ton hp lý. S Hình 3: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún theo các quan điểm thiết kế. II. NI DUNG TI. II.1. S lm vic ng thi ca ca nhúm cc. t l mt mụi trng rt phc tp vỡ vy khi múng cc lm vic thỡ s lm vic ca cc trong nhúm khỏc nhiu so vi s lm vic ca cc n cựng loi. Do cú phn chp ca vựng ng sut tng di mi cỏc cc chng v nhúm cc hot ng nh mt th thng nht, ng sut tng cng cú th ln gp vi ln so vi ng sut di cc n. Vi cc chng thng c xuyờn mt on ngn vo tng di t cú kh nng chu lc tt v cc truyn ti trng cho t trong phm vi qu bu ỏp lc di mi cc. Nu tng t ny v cỏc tng t phớa di cú kh nng chu ti ln thỡ mi cc trong nhúm s chu mt ti trng nh nhau v nh mt cc n. Nu lp t di mi cc cú tớnh bin dng ln thỡ lỳn ca nhúm cc s cú th ln hn nhiu so vi lỳn thu c trong thớ nghim cc n, mc dự ỏp lc chng cú th nh hn giỏ tr cho phộp. S lm vic ca cc ma sỏt trong nhúm, nhỡn chung l khỏc vi s lm vic ca cc n. Nguyờn nhõn ca s khỏc nhau ny l do cú s nh hng qua li ca cc, lc ma sỏt dc theo thõn cc gim i vỡ gim vựng phõn b ng sut trong t ca khụng gian gia cỏc cc, cũn sc khỏng ca t mi c tng lờn do nộn cht t khi h cỏc cc lõn cn. Mc thay i sc chu ti gii hn v lỳn ca cc ph thuc vo chiu di cc, s cc trong nhúm, tớnh cht ca t di mi cc, cng nh vo t s ti trng truyn qua thõn cc v qua mi cc. Hình 4 : Các đờng đẳng ứng suất của cọc đơn và nhóm cọc II.2. xây dựng mô hình tính. Trờn c s phõn tớch trờn, gii quyt bi ton cú k n s lm vic ng thi gia h kt cu: i cc - cc - nn t mt cỏch tng i hp lý, tụi s dng phng phỏp PTHH mụ hỡnh h kt cu múng l cỏc phn t hu hn nh sau: + i cc c khai bỏo l cỏc phn t SHELL. i c chia thnh li hỡnh ụ vuụng hoc hỡnh ch nht. + Cc c thay th bng cỏc gi n hi (SPRING) cú cng K cọc tng ng . + t di ỏy i c thay bng cỏc gi SPRING cú cng K t thay i tu theo vo iu kin a cht. Hình 5: Sơ đồ mô hình kết cấu tính móng băng, bè Vi cỏch mụ hỡnh hoỏ ny, cú k n s lm vic ng thi ca cỏc cc trong nhúm, k n nh hng ca cỏc tng tỏc cc vi t, t vi t v t vi cc thụng qua vic xỏc nh cỏc thụng s ca mụ hỡnh ú l cng ca cỏc gi n hi thay th cc K cc v thay th t K t . 3. xác định các thông số của mô hình tính. 3.1. Xỏc nh cng gi n hi thay th cc K cc . - Cc c thay th bng cỏc gi n hi cú cng K cc - c trng cho cng ca cc. K cc i = i i S P (1) Trong ú: + S i : lỳn ca cc th i khi chu ti trng P i . Theo cỏc nghiờn cu ca nhiu nh khoa hc, lỳn ca cc n cú k n hiu ng nhúm c xỏc nh nh sau: S i = S c .(1+ 2 mc i i = ) (2) Vi: + 2 mc i i = H s nh hng ca nhúm cc, c xỏc nh theo cụng thc kinh nghim: = )/ln( )/ln(.5,0 dL L vi < L. = 0 vi > L. + L: Chiu di cc; : Khong cỏch gia cỏc tõm cc; d: ng kớnh cc. hệ số m g E E =ρ + E g ;E m : Là module biến dạng của đất tại điểm giữa chiều dài cọc và mũi cọc + S c là độ lún cọc đơn dưới tác dụng của lực P i xác định trên cơ sở tương tác giữa cọc và đất, nền đất ở mũi cọc và bản thân biến dạng đàn hồi của cọc. S c có thể được tính thông qua các công thức thực nghiệm như nhiều tác giả đã đưa ra như: Phương pháp truyền tải của Coyle và Reese (1960); phương pháp của Gambin (tài liệu tham khảo 1), phương pháp của Mindlin theo lý thuyết đàn hồi (tài liệu tham khảo 2)…. Sau đây xin giới thiệu một cách tính đơn giản, thông dụng của Gambin. - Bài toán tính lún của cọc đơn có kể đến ảnh hưởng của nhóm cọc của Gambin dựa theo nguyên lý bài toán truyền tải trọng. σ 1 s1 si si+1 L/n q so σ ι σ ι+1 ι s ι max chuyÓn vÞ t−¬ng ®èi cäc vμ ®Êt ι 1 ι i ι i+1 Hình 6: Mô tả phương pháp tính lún của Gambin Chia cọc thành n đoạn. Tính toán được bất đầu từ mũi cọc, dưới 1 áp lực tác dụng vào đất, giả thiết ban đầu là 1 σ (tạo ra độ lún s 1 ). Ta tính toán chuyển dần đến đoạn cọc thứ i, có các thành phần: + Ứng suất pháp tuyến 1 σ tác dụng ở đáy đoạn cọc thứ i và đỉnh đoạn cọc i -1. + Độ lún s i ở đáy đoạn cọc i. + Ứng suất cắt cọc đất i τ ở thành đoạn cọc thứ i, do độ lún s i gây ra. + Ứng suất pháp tuyến 1i σ + tác động lên đầu đoạn cọc thứ i, có tính đến ma sát thành đoạn thứ i được xác định theo biểu thức: 1i σ + = i σ + 2 2. ii R h R π τ π (3) Nếu ta gọi là độ biến dạng của vật liệu đoạn cọc thứ i, thì độ lún (S HiΔ i + ) chính là độ lún chuyển lên đáy đoạn thứ i +1. Cứ như thế tiếp tục tính lên các đoạn phía trên cho đến đỉnh cọc sẽ tìm được giá trị tải về đầu cọc Q tương ứng. HiΔ So sánh giá trị Q vừa tìm được và giá trị tải trọng làm việc theo thiết kế, tính lặp cho đến khi hội tụ về giá trị Q thì dừng lại. 3.2. Xác định độ cứng gối đàn hồi thay thế đất. Độ cứng của gối lo xo thay thế đất được xác định như sau: K đất = C. F i (4) F i - diện tích phần chịu tải thay thế; C - độ cứng đơn vị – còn gọi là hệ số nền. Giá trị này có thể chọn theo kinh nghiệm hoặc tính theo các công thức thực nghiệm: Vesic, poulos…, ví dụ như công thức của Vesic: c = 4 12 2 0.65 . .1 dd E BE BEJ μ − (5) + B: Chiều rộng móng. + E(KN/m 2 ),µ: lần lượt là modun biến dạng và hệ số nở hông của đất. +E d .J d : Độ cứng kháng uốn của đài cọc. 4. Thiết kế và áp dụng. 4.1. Các bước tính toán móng băng, bè cọc. Trên sơ sở lý thuyết và các thông số đầu vào đã có thể xác định ở trên, tôi xin đưa ra nội dung thiết kế móng cọc đài băng, bè làm việc đồng thời với đất nền theo các bước sau: - Bước 1: Xác định sơ bộ số lượng cọc cần bố trí. + Xác định độ cứng nhóm cọc. + Xác định độ cứng bản thân băng (bè). + Tính độ cứng móng băng (bè) cọc. + Xác định tải trọng được mang bởi đài cọc. - Bước 2: Xác định vị trí cần bố trí cọc. Xác định vị trí cần bố trí cọc: Ta phải xác định được các trường hợp mà ở đó cọc có thể cần phải bố trí theo yêu cầu.Trên cơ sở đó ta có khả năng chịu lực của bè mà không cần bố trí cọc là [P]. Đây là nội dung cơ bản của việc thiết kế loại móng này. - Bước 3: Thiết kế chi tiết. + Xác định sức chịu tải của cọc đơn (tốt nhất là bằng thí nghiệm nén tĩnh). + Xác định độ cứng của lò xo thay thế cọc, đất dưới đáy đài. - Bước 4: Kiểm tra các hiện tượng đặc biệt trong thiết kế móng nhà cao tầng. + Hiện tượng đẩy nổi của áp lực nước. + Hiện tượng kéo xuống xung quanh thành. Lưu ý: Các trường hợp cần bố trí cọc: + Nếu Momen lớn nhất trong bè dưới cột vượt giá trị cho phép. + Nếu lực cắt lớn nhất trong bè dưới cột vượt giá trị cho phép của bè móng. + Nếu áp lực tiếp xúc lớn nhất dưới bè móng vượt quá giá trị thiết kế cho phép của đất. + Nếu chuyển vị bên dưới cột vượt quá giá trị cho phép. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN Từ cơ sở l thuyết trên tôi đã lập chương trình tính toán móng băng, bè trên nền cọc và qua kết quả tính toán cụ thể cho một số công trình, tôi đưa ra một số kết luận sau: 1. Về kết quả tính toán. Như đã trình bày ở trên, hệ kết cấu đài cọc - cọc - đất làm việc đồng thời với nhau, tương tác với nhau rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tuy nhiên, qua số liệu phân tích ở một số ví dụ ở một số công trình, rút ra một số kết luận sau: + Khi kể đến ảnh hưởng của đất dưới đài cọc, tùy theo độ cứng của nền mà tỷ lệ tải trọng do đất chịu thay đổi từ 10% đến 20% (với móng đài bè thậm trí lên tới 30%) còn lại là do cọc chịu. + Khi kể đến ảnh hưởng của cọc làm việc theo nhóm (tức là có sự tương tác giữa đất và cọc) thì chuyển vị của cọc thay đổi không nhiều thường 3% - 5% (đất dính thì tỷ lệ này cao hơn). + Ảnh hưởng tương tác giữa các cọc không đáng kể khi bố trí các cọc với khoảng cách lớn hơn 5d (d - đường kính cọc). Summary: Analyse the interaction between raft cap, piles and soils under the cap. The raft pile is popular solution in high or medium building. There are two main point of views to analyse the pile and raft cap systerm. Indetail it’s seemed piles under the raft cap support whole the load from the upper structure, and the other, piles are installed to reduce the deformation of the foundation. Raft cap and soil under the cap are combined and they are interacted work to the supper structure. To solve this problem, I simulated system piles and raft cap as follows: Raft pile are shell elements and piles and soils are as springs with corresponding rigid confection K pile and K soil . Estimating K pile and K soil are mentioned to the interaction. Thereafter, from the above theory basis I wrote the a software by Visual Basic language which help us to analyse this problem. tµI liÖu tham kh¶o 1. Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật - Trần văn Việt 2. Luận văn thạc sĩ “ Nghiên cứu và lập chương trình tính toán móng lệch làm việc đồng thời với nền“ - Nguyễn Tiến Dũng 3. Luận văn thạc sĩ “Tương tác giữa nền và móng cọc, bài toán hiệu ứng nhóm cọc“ - Phan Vũ Anh 4. Broja M. Das. Shallow foundations, bearing capacity and settlement. 5. Foundation Design and construction, Part 5 – Buoyancy rafts and basement (box foundation), pp. 167 – 212. 6. 10. Bài báo “Xem xét ảnh hưởng của nhóm cọc trong trường hợp chịu tải trọng thẳng đứng “ (Tạp chí Xây dựng 11/2004) - Trần Hữu Hà 7. Vũ Công Ngữ . Thiết kế móng nông .Trường Đại Học Xây Dựng –1998. 8. Lê Đức Thắng.Thiết kế móng cọc. Trường Đại Học Xây Dựng –1998. 9. Tiêu chuẩn nền móng. TCXD-205-1998. 10. Tiêu chuẩn nền móng. TCXD-206-1998. 11. Phân tích và thiết kế kết cấu bằng phần mềm SAP2000 12. PROGRAMMING MICROSOFT VISUAL B 6.0 . cọc đờng chuyển vị của đi cọc cọc nền đất dới đáy móng cọc Hình 2: sự làm việc của hệ đài cọc- cọc - nền đất. Tóm lại sự làm việc của hệ đài cọc - cọc. gii phỏp múng ph bin cho nh cao tng móng hộp móng hộp v cọc khoan nhồi móng bè, bè + cọc móng cọc (khoan nhồi, baret) Móng băng