Phân tích ảnh hưởng tương tác của tường vây và nhóm cọc trong hệ móng bè cọc-Tường vây

ng the construction of deep excavation pits, foundation construction pile raft and basement floor, at the same time the diaphragm wall combined with raft and basement floor form a system of "Pile raft foundation - Diaphragm wall" (PRF-Dw). In this study, comparative analysis with real works "Messeturm building" in Frankfurt Germany. A series of finite element analysis simulations using Plaxis 3D software was performed for different foundations of distance between pile group and diaphragm wall length. The results of this study give the designer an overall view and properly assess the vertical load capacity of the diaphragm wall, proving that the optimal distance of the boundary piles and diaphragm walls is equal to or greater than 5 times the road diameter of boundary pile (Sw ≥ 5dp). The behavior of load sharing in the system "Piled raft foundations - Diaphragm wall" (PRF-Dw), load-sharing for the pile group from 45% to 55%, load-sharing for the raft from 20% to 25% and load-sharing for the diaphragm wall from 20% to 35%. Keywords: Reinforced concrete sluices, numerical analysis, piled raft foundation, PLAXIS 3D. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Móng bè - cọc là loại móng kết hợp khả năng mang tải của bè và nhóm cọc [1], [2], [3]. Một số trường hợp áp dụng móng bè cọc cho các tòa nhà cao tầng trên thế giới [Bảng 1]. Các công trình nhà cao tầng có tầng hầm, tường vây cọc Barrette được thi công cắm sâu vào nền đất dưới đáy móng để chắn giữ đất, và chịu áp lực đất theo phương ngang trong giai đoạn thi công hố đào sâu, thi công hệ móng bè cọc và sàn tầng hầm, đồng thời tường vây liên kết với bè và sàn tầng hầm tạo thành một hệ “Móng bè cọc - Tường vây” (PRF-Dw) [Hình 2]. Trong các nghiên cứu, hiện nay chỉ xem xét khả * Bộ môn Địa cơ – Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. Email: nguyennhutnhut@hcmut.edu.vn năng mang tải của bè và cọc mà chưa xem xét đến khả năng mang tải đứng của tường vây, cũng như sự ảnh hưởng tương tác của tường vây và nhóm cọc trong mô hình làm việc chung trong hệ “Móng bè cọc - Tường vây" [4], [5], [6]. Trong nghiên cứu này, phân tích đối chiếu với công trình thực “Messeturm building” ở Frankfurt nước Đức. Một loạt các mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D được thực hiện cho các phương án móng khác nhau về khoảng cách giữa nhóm cọc và chiều dài tường vây. Khảo sát sự ảnh hưởng tương tác của tường vây và nhóm cọc, khoảng cánh và chiều dài tường vây đến sự tương tác phân chia tải cho bè, nhóm cọc và tường vây. Kết quả nghiên cứu này giúp cho người thiết kế đánh giá đúng khả năng mang tải đứng của tường vây, biết được khoảng cách tối ưu của ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 52 hàng cọc biên và tường vây, qua đó có thể giảm bớt số lượng cọc không cần thiết và hướng đến phương án “Móng bè cọc - Tường vây" tối ưu và tiết kiệm nhất. Bảng 1: Bảng tổng hợp một số công trình trên thế giới sử dụng giải pháp móng bè cọc STT Công trình Chiều cao, tầng Truyền tải (%) Độ lún lớn nhất Smax (mm) Cọc Bè 1 Messeturn, Frankfurt 256m, 60 tầng 57 43 144 2 Westend 1, Frankfurt 208m, 53 tầng 49 51 120 3 Commerzbank, Frankfurt (PF) 259m, 56 tầng 96 4 19 4 Skyper, Frankfurt 153m, 38 tầng 63 27 55 5 Messe-Torhaus, Frankfurt 130m, 30 tầng 75 25 N.A. 6 Treptower, Berlin 125m, 32 tầng 55 45 73 7 QV1, Perth, West Australia 163m, 40 tầng 70 30 40 8 Petronas, Kuala Lampur (PF) 450m, 88 tầng 85 15 40 Ghi chú: (PF) Giải pháp móng bè cọc; (D) Phân phối tải theo tính toán; N.A.= Không có thông tin. 2. ỨNG XỬ TƢƠNG TÁC CỦA HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƢỜNG VÂY Móng bè cọc là một hệ móng kết hợp từ hai thành phần: nhóm cọc và bè [Hình 1]. Tổng phản lực của móng bè cọc Rtotal: ,total raft pile i totR R R S   (1) Ứng xử phân chia tải cho Bè – Nhóm cọc – Tường vây là rất phức tạp do các ảnh hưởng tương tác trong móng [Hình 2]. Khả năng mang tải của Móng bè cọc - Tường vây gồm ba thành phần: bè, nhóm cọc, tường vây. wprrpw QQQQ  (2) trong đó, Qrpw = khả năng mang tải của hệ móng bè cọc - tường vây; Qr = khả năng mang tải của bè; Qp = khả năng mang tải của nhóm cọc; Qw = khả năng mang tải của tường vây. Khả năng mang tải của Móng bè cọc - Tường vây là sự kết hợp từ khả năng mang tải của bè, nhóm cọc và khả năng mang tải của tường vây, ứng xử phân chia tải được mô tả bằng hệ số phân chia tải của tường vây là αw và hệ số phân chia tải của nhóm cọc là βp , áp dụng cho tổng tải tác dụng lên hệ móng bè cọc - tường vây được đưa ra như sau: rpw w w Q Q  (3) rpw p p Q Q  (4) trong đó, Qw = khả năng mang tải của tường vây; Qp = khả năng mang tải của nhóm cọc; Qrpw = khả năng mang tải của hệ Móng bè cọc - Tường vây. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 53 raft pile diaphragm wall 1 23 4 5 6 7  Tương tác cọc – đất;  Tương tác bè – đất;  Tương tác tường vây – đất;  Tương tác cọc – cọc.  Tương tác bè – cọc;  Tương tác tường vây – cọc;  Tương tác tường vây – bè;  Tương tác tường vây – tường vây.  Tương tác cọc – đất;  Tương tác cọc – cọc;  Tương tác bè – đất;  Tương tác bè – cọc; Hình 1: Hiệu ứng tương tác giữa đất và cấu trúc trong móng cọc đài bè của Katzenbach et al. (1998) and Katzenbach et al. (2000). Hình 2: Ứng xử tương tác của hệ Móng bè cọc - Tường vây. 3. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 3.1 Phân tích tham số mô hình thực Công trình tòa tháp Messeturm được xây dựng trên nền đất Sét Frankfurt nước Đức. Công trình có chiều cao 256m, kết cấu móng công trình là móng bè cọc với kích thước bè là hình vuông có bề rộng 58.8m, chiều dày bè thay đổi từ 6 m ở giữa đến 3 m ở cạnh móng, tổng số 64 cọc có đường kính cọc đều nhau là 1.3 m nhưng chiều dài cọc thay đổi. Cọc được bố trí thành mô hình 3 vòng. Vòng trong gồm có 16 cọc với chiều dài cọc là 34.9 m, vòng giữa gồm có 20 cọc với chiều dài cọc là 30.9 m, và vòng ngoài gồm có 28 cọc với chiều dài cọc là 26.9 m [Hình 3]. Tổng tải trọng 1818.7 MN, bao gồm trọng lượng tòa nhà và trọng lượng bản thân bè, áp dụng với dạng áp lực thẳng đứng lên trên móng bè cọc (Reul 2000). Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng điều này cho việc áp dụng một khối kiến trúc gộp lại vào đơn vị móng (Tabesh và Poulos 2007; Castelli và Maugeri 2009). Bảng 2: Thông số mô hình bè và cọc nhập vào phần mềm Plaxis 3D (Dữ liệu từ Reul 2000) Tham số Ký hiệu / đơn vị Bè Cọc Trong lượng riêng γ (kN/m 3 ) 25 25 Mô đun đàn hồi E (kN/m 2 ) 34106 25106 Hệ số Poisson  0,2 0,2 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 54 Hình 3: Tòa tháp Messeturm và mô hình bố trí cọc (phỏng theo Katzenbach at al. 2005) Hình 4: Mô hình móng bè cọc trong phần mềm Plaxis 3D Bảng 3: Thông số mô hình đất Sét Frankfurt và sỏi sạn, cát nhập vào phần mềm Plaxis 3D (Dữ liệu từ Berth 1970 và Reul 2000) Tham số Ký hiệu / đơn vị Sỏi sạn và cát Sét Frankfurt Chiều dày lớp đất L (m) 8 90 Dung trọng tự nhiên γunsat (kN/m 3 ) 18,00 19,00 Dung trọng bão hòa γsat (kN/m 3 ) 18,19 19,00 Độ cứng cát tuyến E50 ref (kN/m 2 ) 75103 70103 2 5 6 m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 55 Tham số Ký hiệu / đơn vị Sỏi sạn và cát Sét Frankfurt Độ cứng tiếp tuyến Eoed ref (kN/m 2 ) 75103 70103 Độ cứng dỡ tải / gia tải lại Eur ref (kN/m 2 ) 225103 210103 Hệ số năng lượng m 0,5 0,85 Ứng suất tham chiếu Pref (kN/m 2 ) 100 100 Lực dính c‟ref (kN/m 2 ) 0 20 Góc nội ma sát φ‟ (độ) 30 20 Hệ số rỗng ban đầu einit 0,5 0,65 Hệ số thấm ngang kx = ky (m/ngày) 1 0,518410 -3 Hệ số thấm đứng Kz (m/ngày) 1 0,259210 -3 Hệ số tiếp xúc Rinter 1 0.8 Hình 5: Độ lún của móng bè cọc thu được thông qua Plaxis 3D Hình 6: Độ lún của móng bè cọc thu được thông qua Plaxis 3D Bảng 4: Kết quả phân chia tải thông qua Plaxis 3D và kết quả đo đƣợc tại hiện trƣờng Tổng tải trọng công tình (kN) 1818700 Móng bè cọc Cọc Bè Kết quả thu được thông qua Plaxis 3D Phân chia tải (kN) 1010052 808648 Truyền tải (%) 56 44 Kết quả đo được tại hiện trường Truyền tải (%) 57 43 Qua phân tích phần tử hữu hạn Plaxis 3D [Hình 4], [Hình 5], cho thấy độ lún lớn nhất của móng bè cọc thu được là 149.5 mm và độ lún đo được tại hiện trường vào ngày 17/12/1998 là 144 mm [Hình 6]. Kết quả phân tích trên Plaxis 3D cho thấy phần trăm truyền tải lên cọc là 56%, bè là 44% và thực tế tại hiện trường đo được phần trăm truyền tải lên cọc là 57%, bè là 43% [Bảng 4]. So sánh kết quả phân tích thu được từ Plaxis 3D và kết quả đo được tại hiện ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 56 trường có sự tương đồng về độ lún và ứng xử phân chia tải giữa bè – cọc. Từ các kết quả phân tích tải tĩnh, ta quan sát thấy rằng kết quả phân tích từ phần tử hữu hạn của Plaxis 3D mô phỏng các phép đo tại chỗ một cách hợp lý, cả về định tính và định lượng, vì vậy xác nhận mô hình số hiện tại. Do đó, cùng một mô hình số sẽ được tác giả sử dụng để phân tích ứng xử của móng bè cọc của Tháp Messeturm trong các điều kiện tải tĩnh khác nhau. 3.2 Phân tích mô hình Móng bè cọc - Tƣờng vây Xuất phát từ mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D của móng bè cọc của Tháp Messeturm đã được kiểm chứng là hợp lý, cả về định tính và định lượng, do đó xác nhận mô hình số hiện tại [Hình 7]. Để phân tích ảnh hưởng tương tác của tường vây và nhóm cọc trong hệ Móng bè cọc - Tường vây, tác giả tiến hành khảo sát khoảng cách và chiều dài tường vây đến ảnh hưởng đến sự phân chia tải cho bè, nhóm cọc và tường vây [Hình 8] và [Bảng 5]. Tường vây là một hệ các cọc barrette riêng biệt được bố trí gài với nhau, vì vậy mà độ cứng của hệ tường vây chỉ làm việc theo phương đứng, mô men kháng uốn của Tường vây theo phương ngang bằng không [Hình 9]. Tường vây được mô phỏng trên Plaxis 3D là kết cấu tấm với loại vật việu bất đẳng hướng [Hình 10]. Bảng 5: Tham số mô hình phân tích ảnh hƣởng tƣơng tác của Móng bè cọc - Tƣờng vây Tham số Ký hiệu Giá trị Chiều dày bè như [Hình 3] dR (m) 6 ÷ 3 Đường kính cọc như [Hình 3] dP (m) 1,3 Chiều dài cọc như [Hình 3] LP (m) 26,9 ÷ 30,9 ÷ 34,9 Chiều dày tường vây dW (m) 0,8 Khoảng cách giữa cọc vòng ngoài và tường vây SW (m) 1dP ; 2dP ; 3dP ; 4dP ; 5dP ; 6dP ; 7dP ; 8dP Khoảng cách giữa các vòng cọc SP (m) 5dP Chiều dài tường vây LW (m) 5; 10 ; 15 ; 20 ; 25 ; 30 Hình 7: Mô hình Móng bè cọc của Tháp Messeturm Hình 8: Mô hình Móng bè cọc - Tường vây ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 57 Hình 9: Mô hình Tường cọc Barrette quy đổi tương đương trên Plaxis 3D Hình 10: Mô hình Móng bè cọc - Tường vây trên Plaxis 3D 4. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MÓNG BÈ CỌC - TƢỜNG VÂY Trên [Hình 11], phần trăm truyền tải lên nhóm cọc tăng khi khoảng cách giữa tường vây và cọc biên Sw < 5dp , khi khoảng cách giữa tường vây và cọc biên Sw > 5dp thì phần trăm truyền tải lên nhóm cọc không tăng và có sưu hướng giảm. Trên [Hình 12], phần trăm truyền tải lên tường vây tăng khi khoảng cách giữa tường vây và cọc biên Sw tăng lên, tường vây góp phần tham gia mang tải hiệu quả ở chiều dài tường vây Lw ≥ 10m và khoảng cách giữa tường vây và cọc biên Sw ≥ 5dp. Trên [Hình 13], phần trăm truyền tải lên bè giảm khi khoảng cách giữa tường vây và cọc biên Sw < 5dp , khi khoảng cách Sw > 5dp thì phần trăm truyền tải lên bè gần như không thay đổi và có sưu hướng tăng khi chiều dài tường vây Lw ≤ 10m. Phân chia tải trọng của công trình lên tường vây trong hệ móng bè cọc là rất lớn, khi khoảng cách của tường vây với cọc biên Sw ≥ 5dp và chiều dài tường vây Lw ≥ 0.5LP , phân chia tải cho nhóm cọc 45% đến 55%, phân chia tải cho cho bè 20% đến 25% và phân chia tải cho tường vây 20% đến 35%. Độ lún của Móng bè cọc – Tường vây có khoảng cách tường vây với cọc biên Sw ≥ 5dp và chiều dài tường vây Lw ≥ 0.5LP là tương đồng với nhau, độ lún giảm dần và cùng đạt giá trị độ lún bằng 138mm khi chiều dài tường vây Lw = LP , [Hình 14]. Hình 11: Biểu đồ truyền tải lên nhóm cọc theo khoảng cách tường vây và cọc biên, với các chiều dài tường vây khác nhau Hình 12: Biểu đồ truyền tải lên tường vây theo khoảng cách tường vây và cọc biên, với các chiều dài tường vây khác nhau ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 58 Hình 13: Biểu đồ truyền tải lên bè theo khoảng cách tường vây và cọc biên, với các chiều dài tường vây khác nhau Hình 14: Biểu đồ độ lún của móng bè cọc – tường vây theo chiều dài tường vây, với khoảng cách tường vây và cọc biên khác nhau Hình 15: Biểu đồ truyền tải lên Bè - Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách tường vây và cọc biên Sw = 1dp , với các chiều dài tường vây khác nhau Hình 16: Biểu đồ truyền tải lên Bè - Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách tường vây và cọc biên Sw = 4dp , với các chiều dài tường vây khác nhau Hình 17: Biểu đồ truyền tải lên Bè - Nhóm cọc – Tường vây theo khoảng cách tường vây và cọc biên Sw = 5dp , với các chiều dài tường vây khác nhau Hình 18: Biểu đồ truyền tải lên Bè - Nhóm cọc - Tường vây theo khoảng cách tường vây và cọc biên Sw = 8dp , với các chiều dài tường vây khác nhau ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 59 Hình 19: Biểu đồ lực dọc trong cọc biên với chiều dài tường vây Lw = 15 m, theo độ sâu và khoảng khoảng cách của tường vây và cọc biên (đường kính cọc dp = 1.3 m) So sánh biểu đồ truyền tải của Móng bè cọc – Tường vây [Hình 15], [Hình 16], [Hình 17], [Hình 18], phần trăm chuyền tải lên bè giảm nhiều và phần trăm truyền tải lên nhóm cọc giảm rất ít khi tăng chiều dài tường vây Lw = (5 † 10)m. Điều đặc biệt là khi chiều dài tường vây Lw ≥ 15m, tức là chiều dài tường vây lớn hơn hoặc bằng 1/2 lần chiều dài của nhóm cọc thì phần trăm chia tải lên bè gần như không thay đổi, lúc này chỉ có nhóm cọc và tường vây là ảnh hưởng tương tác phân chia tải với nhau. Khảo sát lực dọc của cọc biên có cùng kích thước, khoảng cách trong mô hình Móng bè cọc và Móng bè cọc – Tường vây [Hình 19], ta thấy tải tác dụng lên đầu cọc là 15280 kN cho trường hợp Móng bè cọc không có tường vây và khi có sự tham gia gánh tải của tường vây cách cọc biên Sw = 1dp thì tải tác dụng lên đầu cọc là 10822 kN, như vậy là sức chịu tải của cọc biên bị giảm 30% do sự tham gia gánh tải của tường vây và ảnh hưởng tương tác của cọc biên với tường vây. Nhưng khi tăng khoảng cách của tường vây và cọc biên lên Sw = 5dp thì giá trị tải tác dụng lên đầu cọc là 14200 kN, sức chịu tải của cọc biên giảm 7%. Đồng thời khi tăng khoảng cách của cọc và tường vây lên Sw = 6dp, Sw = 7dp, Sw = 8dp thì tải tác dụng lên đầu cọc biến động không nhiều và bằng khoảng 14500 kN, sức chịu tải của cọc biên giảm 5%. Để trách sự ảnh hưởng tương tác của tường vây đến khả năng chịu tải của cọc biên thì khoảng cách giữa cọc biên và tường vây càng xa nhau càng tốt, nhưng qua những phân tích trên thì khi khoảng cách giữa cọc biên và tường vây Sw ≥ 5dp thì tải tác dụng lên đầu cọc biên tăng lên không nhiều, tức là ảnh hưởng tương tác giữa cọc biên và tường vây là nhỏ nhất. 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong hệ Móng bè cọc - Tường vây, ứng xử phân chia tải cho Nhóm cọc từ 45% đến 55%, phân chia tải cho cho Bè 20% đến 25% và phân chia tải cho Tường vây 20% đến 35%. Để tường vây làm việc hiệu quả, tường vây tham gia gánh tải trọng công trình tốt nhất là khi chiều dài của tường vây lớn hơn hoặc bằng phân nữa chiều dài của nhóm cọc (Lw ≥ 0.5Lp). Khoảng cách giữa Tường vây và cọc biên có tác động lớn đến ứng xử phân chia tải trong hệ Móng bè cọc - Tường vây. Để tránh hiệu ứng nhóm cọc và tường vây làm cho khả năng chịu tải của cọc biên làm việc không hiệu quả thì khoảng cách giữa tường vây và cọc biên làm việc tối ưu là lớn hơn hoặc bằng 5 lần đường kính cọc biên (Sw ≥ 5dp). Tường vây trong hệ Móng bè cọc - Tường vây góp phần làm giảm độ lún của bè, tường vây tham gia mang tải, phân bố lại biên dạng lún trong đất dưới móng trong phạm vi chiều dài tường vây và làm mở rộng diện tích truyền tải lên nền đất dưới chân tường vây góp phần làm giảm độ lún trong nền đất bên trong tường vây. Trong trường hợp thiết kế Móng bè cọc cho công trình có tầng hầm và buộc phải thi công tường vây hố đào để thi công hệ kết cấu móng, người thiết kế cần thiết kế tổng thể khả năng chịu tải ngang và mang tải đứng của hệ tường vây nhầm tận dụng tối đa khả năng mang tải của tường vây trong hệ kết cấu móng mới “Móng bè cọc - Tường vây”. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 60 Nghiên cứu này được tài trợ bởi trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh trong khuôn khổ đề tài mã số T-KTXD-2019-83. Lời cảm ơn Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ thời gian, phương tiện và cơ sở vật chất cho nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Randolph MF. Design methods for pile groups and piled rafts. In: Proc. 13th international conference on soil mechanics and foundation engineering, vol. 5, New Delhi, India; 1994. p. 61–82. [2] Clancy P, Randolph MF. Simple design tools for piled raft foundations. Geotechnique 1996;46(2):313–28. [3] Poulos HG. Piled raft foundations: design and applications. Geotechnique 2001;51(2):95–113. [4] Katzenbach R, Schmitt A. High - Rise Buildings in Germany Soil - Structure Interaction of Deep Foundations. Fifth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering New York, NY, April 13-17, 2004. [5] Sales MM, Small JC, Poulos HG. Compensated piled rafts in clayey soils: behaviour, measurements, and predictions. Can. Geotech. J. Vol. 47, 2010. p. 327–345. [6] Kumar A, Choudhury D, Katzenbach R: Effect of Earthquake on Combined Pile– Raft Foundation. International Journal of Geomechanics, © ASCE, ISSN 1532-3641; 2016. p. 040613-1– 040613-16. Người phản biện: PGS, TS. NGUYỄN VĂN DŨNG