- 1. CỨU TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ GIỮA TƯỜNG TẦNG HẦM VÀ MÓNG BÈ CỌC TRONG TẦNG HẦM NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂYDỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ------
- 2. 2014-2016 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ GIỮA TƯỜNG TẦNG HẦM VÀ MÓNG BÈ CỌC TRONG TẦNG HẦM NHÀ CAO TẦNG Chuyên ngành: Kĩ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOAHỌC: PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC NGUÔN Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂYDỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ------
- 3. lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Đức Nguôn, người thầy đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn khoa học và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Khoa sau đại học của nhà trường cùng các thầy cô giáo, những người đã trang bị kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập tại Trường. Xin chân thành cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp dỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này. TÁC GIẢ LUẬN VĂN CAO MINH QUYỀN
- 4. xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. TÁC GIẢ LUẬN VĂN CAO MINH QUYỀN
- 5. do chọn đề tài ......................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài luận văn......................................................2 6. Cấu trúc luận văn.....................................................................................2 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NỀN MÓNG TẦNG HẦM NHÀ CAO TẦNG............................................................................................................3 1.1. Khái niệm về nền móng nhà cao tầng...............................................3 1.1.1. Đặc điểm nhà cao tầng có tầng hầm ...............................................3 1.1.2. Các giải pháp nền móng tầng hầm nhà cao tầng .............................5 1.2. Giải pháp nền móng xét đến tác động tương hỗ giữa bè cọc và đất nền...........................................................................................................12 1.1.1. Sự làm việc đồng thời của móng bè-cọc và đất nền ...................... 12 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tác động tương hỗ ............................... 14 1.2.3. Các phương pháp tính toán móng bè-cọc kể đến tác động tương hỗ móng bè-cọc với đất nền ........................................................................ 16 1.2.4. Một số nhận xét về các phương pháp tính toán nền móng tầng hầm nhà cao tầng hiện hành........................................................................... 22 1.3. Giải pháp nền móng tầng hầm nhà cao tầng xét đến tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè cọc và đất nền ................................26
- 6. việc đồng thời của tường tầng hầm, móng bè cọc và đất nền ............................................................................................................... 26 1.1.2. Tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè-cọc và đất nền28 1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè-cọc và đất nền.......................................................................... 33 Chương 2. TÍNH TOÁN NỀN MÓNG TẦNG HẦM NHÀ CAO TẦNG KỂ ĐẾN TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ GIỮA TƯỜNG TẦNG HẦM, MÓNG BÈ-CỌC VÀ ĐẤT NỀN ............................................................... 35 2.1. Mô hình hóa số học..........................................................................35 2.2. Tác động tương hỗ tường tầng hầm-cọc ........................................36 2.3. Tác động tương hỗ tường tầng hầm - bè cọc và đất nền ...............46 2.3.1. Tác động tương hỗ tường tầng hầm - bè ....................................... 46 2.3.2. Tác động tương hỗ bè - tường tầng hầm ....................................... 48 2.3.3. Tác động tương hỗ bè - đất........................................................... 49 2.4. Thành lập các phương trình tác động tương hỗ tường tầng hầm với nền đất ....................................................................................................52 2.4.1. Nền gồm nhiều lớp đất ................................................................. 53 2.4.2. Hiệu ứng gia tải lại ....................................................................... 54 2.5. Phương pháp lặp .............................................................................55 2.6. Phần mềm ELPLA 9.3 ....................................................................58 2.6.1. Giới thiệu về phần mềm ELPLA 9.3............................................. 58 2.6.2. Áp dụng phần mềm ELPLA 9.3 trong tính toán móng bè - cọc cho tầng hầm nhà cao tầng............................................................................ 58 2.6.3. Nhận xét....................................................................................... 59
- 7. DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH CỤ THỂ...... 60 3.1. Giới thiệu công trình .......................................................................60 3.1.1. Đặc điểm công trình ..................................................................... 60 3.1.2. Điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn ........................... 60 3.1.3. Giải pháp kết cấu phân thân.......................................................... 62 3.2. Giải pháp kết cấu móng ..................................................................65 3.2.1. Xác định tải trọng tính móng........................................................ 65 3.2.2. Lựa chọn quan điểm thiết kế......................................................... 77 Có ba quan điểm thiết móng bè - cọc : ................................................... 77 3.2.3. Lựa chọn chiều dài cọc, chiều dày và chiều cao của tường tầng hầm và sức chịu tải cọc đơn........................................................................... 80 3.2.4. Lựa chọn đường kính cọc ............................................................. 82 3.3. Khảo sát ảnh hưởng tương hỗ của tường tầng hầm, móng và đất nền...........................................................................................................85 3.3.1. Tính toán kiểm tra móng khi không xét đến tác động tương hỗ tường tầng hầm, móng và đất nền........................................................... 85 3.3.2. Tính toán móng khi xét đến tác động tương hỗ tường tầng hầm, móng và đất nền..................................................................................... 88 3.3.3. Nhận xét kết quả 2 phương án ...................................................... 90 3.4. Ảnh hưởng của độ cứng tường tầng hầm đến móng bè - cọc........91 3.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng tường tầng hầm đến móng bè - cọc ........ 91 3.4.2. Nhận xét kết quả 2 phương án ...................................................... 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................95
- 8. VẼ Số hiệu hình Tên hình Hình 1.1. Sơ đồ các giải pháp nền móng tầng hầm nhà cao tầng Hình 1.2. Các loại móng bè trên nền thiên nhiên Hình 1.3. Cấu tạo chung của móng hộp Hình 1.4. Phân loại móng đơn trên cọc theo hình dạng đài cọc Hình 1.5. Móng bè trên nền cọc Hình 1.6. Móng hộp trên cọc Hình 1.7. Móng bè trên tường trong đất Hình 1.8. Sự làm việc của hệ đài cọc-cọc-nền đất Hình 1.9. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún theo các quan điểm thiết kế Hình 1.10. Sơ đồ phân bố thực tế áp lực đất Hình 2.1. Độ lún Sbsk,j tại phần tử cọc thứ k do lực tập trung Qbj ở chân cọc thứ i gây ra Hình 2.2. Độ lún Sssk,j ở phần tử cọc thứ k do lực ma sát bên Qsj = Tjlj ở mặt bên cọc thứ j gây ra Hình 2.3. Đường cong tải trọng - độ lún bản thân của cọc đơn theo DIN 4014 Hình 2.4. Độ lún Srsk,j ở phần tử cọc k chịu tác dụng của lực tiếp xúc Qrj
- 9. Wbi,j ở nút i ở đáy bè do lực Qbj ở chân cọc j gây ra Hình 2.6. Độ lún Wsi,j [m] ở nút i do lực ma sát Qsj = TjLj ở thân cọc gây ra Hình 2.7. Biểu đồ tải trọng - độ lún Hình 3.1. Địa tầng Hình 3.2. Mô hình 3D kết cấu phần thân trong ETABS Hình 3.3. Vị trí liên kết phần thân và móng Hình 3.4. Sơ đồ gán tải trọng đứng và mô men tác dụng lên móng trong phần mềm ELPLA 9.3 Hình 3.5. Độ lún của móng bè trên nền thiên nhiên Hình 3.6. Mặt bằng bố trí cọc khi d=0,8m, hb = 2m Hình 3.7. Biến dạng bè khi d=0,8m, hb = 2m Hình 3.8. Độ lún bè khi d=0,8m, hb = 2m Hình 3.9. Phản lực đầu cọc khi d=0,8m, hb = 2m Hình 3.10. Mặt bằng cọc kể đến tường tầng hầm khi d=0,8m, hb = 2m Hình 3.11. Biến dạng bè kể đến tường tầng hầm khi d=0,8m, hb = 2m Hình 3.12. Độ lún bè kể đến tường tầng hầm khi d=0,8m, hb = 2m Hình 3.13. Phản lực đầu cọc kể đến tầng hầm khi d=0,8m, hb = 2m
- 10. dạng bè khi chiều dày tường tầng hầm b=0,45m Hình 3.15. Độ lún bè khi chiều dày tường tầng hầm b=0,45m Hình 3.16. Phản lực đầu cọc khi chiều dày tường tầng hầm b=0,45m
- 11. BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Bảng 3.1. Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất Bảng 3.2. Tải trọng tác dụng lên móng Bảng 3.3. Sức chịu tải nén thẳng đứng của cọc đơn Bảng 3.4. Bảng quy đổi tiết diện cọc tiết diện chữ nhật sang tiết diện tròn Bảng 3.5. Phản lực đầu cọc và độ lún của bè khi kể và không kể đến tác động tương hỗ của tường tầng hầm và móng bè - cọc Bảng 3.6. Phản lực đầu cọc và độ lún của bè khi thay đổi độ cứng tường tầng hầm
- 12. Lý do chọn đề tài Đất nước ta trong những năm gần đây có sự chuyển mình mạnh mẽ về kinh tế, khoa học kĩ thuật...song song với đó là tốc độ đô thị hóa nhanh đặt ra nhu cầu về không gian sống và làm việc ngày càng cao. Kết cấu nhà cao tầng đã giải quyết tốt nhu cầu đó của xã hội, chính vì vậy mà móng cọc được sử dụng như yêu cầu bắt buộc. Trong đó móng bè-cọc được sử dụng rộng rãi vì đây là giải pháp móng đáng tin cậy với công trình lớn trên nền đất yếu ở các đô thị Việt Nam. Trong các thiết kế thực hành hiện nay ở Việt Nam, móng cọc vẫn thường được thiết kế theo các giả thiết thiên về an toàn như coi đài cọc là tuyệt đối cứng, nền làm việc đàn hồi tuyến tính...mà chưa xét đến các tác động tương hỗ giữa móng và nền đất hay móng với các bộ phận kết cấu ngầm khác của công trình như tường tầng hầm. Với sự phát triển từng ngày của khoa học công nghệ đặc biệt là máy tính điện tử với sức mạnh đáng kinh ngạc. Dựa trên sức mạnh đó có nhiều phương pháp phân tích kết cấu với độ chính xác rất cao đã ra đời như phần tử hữu hạn, phần tử rời rạc, phương pháp sai phân hữu hạn...Các phần mềm tính toán được viết trên cơ sở các phương pháp này có thể mô tả được sự làm việc của hệ móng bè-cọc và đất nền hay móng và tường tầng hầm trong tầng hầm nhà cao tầng do đó cho kết quả gần với thực tế hơn, đáng tin cậy hơn, ngoài ra còn đem lại lợi ích lớn về kinh tế. Hiện nay cùng một bài toán có thể giải bằng quyết bằng các phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng khác nhau với độ chính xác cũng khác nhau. Do đó phải hiểu rõ được những ưu điểm cũng như hạn chế của phần mềm thiết kế để lựa chọn, điều chỉnh số liệu đầu vào, mô hình nền móng một các hợp lý nhất. Chính vì vậy, việc hiểu rõ sự làm việc đồng thời của móng bè-cọc và đất nền, tường tầng hầm và móng bè cọc trong tầng hầm nhà cao tầng sẽ giúp
- 13. báo thông số đầu vào cho các phần mềm phân tích kết cấu được chính xác hơn, đem lại hiệu quả , độ chính xác cao theo yêu cầu. 2. Mục đích nghiên cứu Làm sáng tỏ tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm và móng bè-cọc trong tầng hầm nhà cao tầng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Móng bè-cọc trong tầng hầm nhà cao tầng; - Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu, tính toán móng bè-cọc có xét đến tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè cọc và nền đất. 4. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu tài liệu; - Phân tích, so sánh các phương pháp, các phần mềm tính toán; - Sử dụng phần mềm tính toán ví dụ cụ thể, từ đó đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của móng bè-cọc trong tầng hầm nhà cao tầng. 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài luận văn Góp phần làm cơ sở thực tiễn và lý thuyết để phát triển phương pháp tính toán móng bè-cọc có kể đến tác động tương hỗ của móng bè-cọc với đất nền và tường tầng hầm trong tính toán thiết kế nền móng tầng hầm nhà cao tầng. 6. Cấu trúc luận văn Nội dung chính của luận văn có ba chương gồm có: - Chương I: Tổng quan về nền móng tầng hầm nhà cao tầng. - Chương II: Tính toán nền móng tầng hầm nhà cao tầng có kể đến tác động tương hỗ giữa tường tầng hầm, móng bè - cọc và đất nền. - Chương III: Áp dụng tính toán cho công trình cụ thể.
- 14. được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
- 15. KIẾN NGHỊ Móng bè - cọc là phương án móng hiệu quả cho nhà cao tầng ở các vùng có địa chất thay đổi phức tạp, có khả năng điều chỉnh được độ lún không đều của công trình, có thể tận dụng tối đa khả năng làm việc của bè. Móng bè - cọc là hệ móng gồm nhiều bộ phận kết cấu cùng làm việc với nền đất thông qua các tác động tương hỗ lẫn nhau. Sự thay đổi về kích thước, đặc trưng vật lý của bất cứ bộ phận nào cũng dẫn đến sự thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng của cả hệ móng. Có nhiều phương pháp để tính toán móng bè - cọc nhưng chỉ nên áp dụng các phương pháp cổ điển trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Các phương pháp này dùng nhiều giả thiết đơn giản hóa, bỏ qua các tác động tương hỗ giữa các bộ phận móng với nền đất và với nhau, do đó mô tả không đúng sự làm việc thực của hệ móng, kết quả thiên về an toàn nhiều gây lãng phí. Phương pháp tính toán móng bè - cọc có kể đến tác động tương hỗ giữa các bộ phận móng với đất nền và với nhau được sử dụng hiệu quả là phương pháp sử dụng máy tính và phương pháp kết hợp. Các phương pháp này ít sử dụng các giả thiết đơn giản hóa, cho kết quả phân tích móng bè - cọc sát với các kết quả đo đạc ở hiện trường, là các phần mềm đã được thương mại hóa trên thế giới. Tuy nhiên dùng phương pháp nào thì độ chính xác của lời giải cũng chịu ảnh hưởng của yếu tố con người. Việc kiểm soát các số liệu đầu vào, lựa chọn mô hình tính vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế. Luận văn sử dụng phần mềm ELPLA 9.3, xây dựng trên cơ sở phương pháp NPRD để tính toán, phân tích móng bè - cọc có kể đến tương tác của các bộ phận móng và nền đất cho một công trình cụ thể với các số liệu đầu vào thay đổi thu được các kết quả sau:
- 16. toán bè - cọc theo quan điểm bè chịu phần lớn tải trọng, các cọc có tác dụng chính là làm giảm lún lệch không phản ánh đúng sự làm việc của hệ móng bè - cọc. Nếu tăng chiều dày bè sẽ làm tăng tải trọng lên nền, làm tăng độ lún khi đó sẽ không huy động được tối da sức chịu tải của nền đất dưới đáy bè. - Tính toán móng bè - cọc kể đến tác động tương hỗ của tương tầng hầm với hệ bè - cọc, nền đất (chính là hệ tường vây được sử dụng phục vụ thi công tầng hầm được tận dụng để tham gia chịu lực với hệ móng bè - cọc trong giai đoạn khai thác, sử dụng) cho kết quả độ lún tuyệt đối của hệ móng giảm 40-50% , độ lún lệch cũng giảm khoảng 52% so với khi không xét đến. - Xét trên phương diện kinh tế, nên chọn chiều dày tường tầng hầm nhỏ nhất có thể vì khi tăng chiều dày tường làm tăng tải trọng lớn nhất truyền vào tường (tải trọng có xu hướng truyền ra biên và các vị trí góc của công trình), tải trọng truyền vào các cọc phía trong bè giảm xuống không đáng kể. Độ lún lớn nhất cũng giảm không đáng kể trong khi tăng khối lượng vật liệu lên nhiều. Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã nỗ lực nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu liên quan với mong muốn hoàn thành tốt luận văn. Nội dung luận văn đã đạt được một số kết quả nhất định trong việc tính toán đánh giá tác động tương hỗ của kết cấu tường tầng hầm đến hệ móng bè - cọc nhưng do thời gian hạn chế, luận văn chưa giải quyết được một số vấn đề liên quan đến bài toán: - Chưa thu thập được số liệu thực tế để so sánh được kết quả tính bằng phần mềm với kết quả do đo đạc thực tế; - Chưa tìm hiểu, đánh giá được ảnh hưởng của kết cấu bên trên đến biến dạng của hệ móng;
- 17. dụng được quan điểm thiết kế cọc giảm lún vào tính toán công trình cụ thể. Quan điểm này cho phép huy động tối đa khả năng làm việc của đất nền, áp dụng thích hợp khi đáy đài tựa trên nền đât tương đối cứng; - Phiên bản phần mềm ELPLA 9.3 sử dụng chưa có công cụ cho phép mô hình hóa các cọc có hình dáng tiết diện bất kì nên phải quy đổi hệ tường liên tục thành các cọc tròn tương đương vì vậy chưa phản ánh sát nhất sự làm việc của hệ kết cấu móng. Sức mạnh của phần mềm mới cho phép phân tích được hệ kết cấu móng có số điểm mắt lưới hạn chế (300 điểm) nên với các công trình lớn sẽ khó khăn trong việc mô hình hóa. - Bài toán móng bè - cọc chịu cả tải trọng đứng, ngang và mô men nhưng khi sử dụng phần mềm ELPLA chưa xét đến được các loại tải trọng ngang. Vì vậy thành phần tải trọng như gió, động đất...chưa được xét đến. Các vấn đề trên có ý nghĩa thực tiễn đối với việc tính toán móng bè - cọc cần tiếp tục được nghiên cứu.
- 18. KHẢO Tiếng Việt 1. PGS.TS. Nguyễn Bá Kế, PGS.TS. Nguyễn Tiến Chương, Kts. Nguyễn Hiền, Ks. Trịnh Thành Huy (2004), Móng nhà cao tầng - Kinh nghiệm nước ngoài, NXB Xây dựng, Hà Nội, tr.39-102. 2. PGS.TS. Vương Văn Thành, PGS.TS. Nguyễn Đức Nguôn, ThS. Phạm Ngọc Thắng (2012), Tính toán thực hành nền móng công trình, NXB Xây dựng, Hà Nội, tr.55-340 3. GS.TS. Vũ Công Ngữ, Ths. Nguyễn Thái (2004), Móng cọc - phân tích và thiết kế, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr.53-54. 4. GS.TSKH. Nguyễn Văn Quảng (2003), Nền móng nhà cao tầng, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr.30-158. 5. R.Whitlow (1989), Cơ học đất, Tập 2, NXB Giáo dục, Hà Nội, 1998, tr.285-286. 6. Shamsher Prakash, Hari D.Sharma (1999), Móng cọc trong thực tế xây dựng, NXB Xây dựng, Hà Nội. 7. Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, NXB Khoa học và kỹ thuật. Tiếng Anh 8. Department of Defense, United States of America (2003), Deep Foundations, Unified Facilities Criteria (UFC), pp.127-135. 9. Department of the Army U.S.Army Corps of Engineers (1991), Design of Pile Foundations, US Army Corps of Engineers, pp.24-25, 50-73. 10.Der - GueyLin, Zheng - yi Feng, A Numerical Study of Piled Raft Foundations, pp. 1-10. 11.F.Basile, PhD, MEng (2003), Analysis and design of Pile groups, Halcrow Group Ltd, London, United Kingdom, pp. 1-7.
- 19. (2001), Method of analysis 0f Piled raft foundations, Coffey Geosciences Pty.Ltd. & The University of Sydney, Australia, pp. 3-9. 13.Geotechnical Engineering Office (2006), Foundation design and construction, The Government of the Hong Kong, pp. 192-198. 14.Mohamed El Gendy (2006), Empirical nonlinear analysis of pile raft, Port Said University, pp.1-31.
|
