Ứng dụng phương pháp PDR và phương pháp phần tử hữu hạn phân tích móng bè cọc của cống kênh

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 69 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PDR VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN PHÂN TÍCH MÓNG BÈ CỌC CỦA CỐNG KÊNH NGUYỄN NHỰT NHỨT* LÊ BÁ VINH NGUYỄN TOÀN KHOA Application of PDR and finite element method to analyze piled raft foundation of reinforced concrete sluice Abstract: Reinforced concrete sluices are used to control and regulate the flow of water in irrigation systems. With the setting of the structure, the bottom plate of sluices is also the foundation on the reinforced concrete pile foundation, so the foundation structure of the sluices works as a piled raft foundation system. The method of calculating the piled raft foundation sluices with the concept that the piles bear the entire vertical load of the building and spread evenly the piles on the bottom plate of sluices are applied by many designers, which helps to quickly calculate and arrange the piles simplified but will not accurately reflect the working model of the actual foundation system. The author applied the PDR (Poulous - Davis - Randolph) method and the Plaxis 3D finite element method to analyze the piled raft foundation sluices and evaluate the applicability of the two methods to each stage of foundation design. Proposing an effective piles arrangement under the bottom plate of sluices to optimize the arrangement of the piles under the raft to help maximize the load capacity of the pile and save 33% of the number of piles arranged under the bottom plate of sluices. Keywords: Reinforced concrete sluices, numerical analysis, piled raft foundation, PLAXIS 3D. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Đối với các công trình cống kênh thủy lợi có nhiệm vụ chính là kiểm soát, điều tiết nguồn nƣớc (mặn, lợ, ngọt), Hình 1. Bản đáy cống kênh đặt trực tiếp trên nền cọc bê tông cốt thép và đất nền bên dƣới, do đó hệ kết cấu móng của cống kênh làm việc nhƣ 1 hệ móng bè cọc, Hình 2. Thông thƣờng, ngƣời thiết kế sẽ tính toán kết cấu móng với quan niệm là các cọc chịu toàn bộ tải trọng đứng của công trình và bố trí rãi đều các cọc dƣới bản đáy. Có thể thấy rằng, * Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa K thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Email: nguyennhutnhut@hcmut.edu.vn với quan niệm tính toán nhanh và bố trí cọc đơn giản sẽ không phản ánh đúng mô hình làm việc của hệ móng ngoài thực tế, Hình 3. Hiện nay, đã có các nghiên cứu và phƣơng pháp tính toán móng bè cọc làm việc đồng thời [1], [2], [3]. Tác giả ứng dụng phƣơng pháp giải tích theo lý thuyết của Poulous - Davis - Randolph (PDR) để phân tích ứng xử phân chia tải của móng bè cọc cống kênh và sử dụng phƣơng pháp số để mô phỏng lại móng bè cọc cống kênh trên phần mềm Plaxis 3D. Kết quả phân tích giúp ta hiểu rõ sự làm việc thực tế của móng bè cọc và có phƣơng án bố trí cọc làm việc tối ƣu và hiệu quả hơn về kinh tế nhƣng vẫn đảm bảo công trình ổn định. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 70 Hình 1. Cống kênh thủy lợi. Hình 2. Móng bè cọc cống kênh.  Tương tác cọc-đất;  Tương tác cọc-cọc;  Tương tác bè-đất;  Tương tác bè-cọc; Hình 3. Hiệu ứng tương tác giữa đất và móng bè cọc của Katzenbach et al. (1998) and Katzenbach et al. (2000). 2. THIẾT KẾ KẾT CẤU MÓNG CHO CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 2.1. Móng bè cọc cống kênh Hình 4. Mặt bằng bố trí cọc dưới cống kênh Công trình cống Kênh Chợ thuộc xã Nhơn Ái, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ với kích thƣớc móng bè cọc có chiều dài Lm = 14m và chiều rộng Bm = 7m, chiều dày bản đáy dm = 1,2m, chiều dày bản thành t = 0.8m, tổng tải tác dụng lên bè bao gồm công trình bên trên cống và trọng lƣợng bản thân của cống là Q = 7650kN. Công trình sử dụng cọc bê tông cốt thép vuông cạch (0.3x0.3)m, chiều dài cọc Lc = 23,5m với sức chịu tải của cọc theo thiết kế Ptk = 470kN. Số lƣợng cọc cần bố trí dƣới bè n = 30 cọc, Hình 4. 2.2. Phƣơng pháp Poulous - Davis - Randolph (PDR) và phƣơng pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis 3D) Tổng hợp từ nhiều nghiên cứu trên thế giới, tác giả chia các phƣơng pháp phân tích móng bè cọc thành các nhóm sau: Nhóm 1: Phƣơng pháp tính toán đơn giản. Nhóm 2: Phƣơng pháp tính gần đúng dựa vào máy tính. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 71 Nhóm 3: Phƣơng pháp tính toán chính xác dựa vào máy tính. Phương pháp tính toán đơn giản bao gồm các phƣơng pháp của Poulos và Davis (1980) [4], Randolph (1983) [5], Poulos (2001) [6]. Các phƣơng pháp này đƣợc xây dựng dựa trên lý thuyết đàn hồi tuyến tính. Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong các phƣơng pháp mạnh nhất để phân tích móng bè cọc. Trong phƣơng pháp này, các kết cấu gồm bè cọc và nền đều đƣợc rời rạc hóa. Khi đó số lƣợng phƣơng trình cân bằng sẽ rất lớn, chỉ có thể tính toán dựa vào máy tính. ở đây tác giả sử dụng phần mềm Plaxis 3D. Hình 5. Mô hình móng bè cọc trên phần mềm Plaxis 3D.  Kết quả phân tích móng bè cọc cống kênh theo phƣơng pháp PDR: Bảng 1: Bảng kiểm tra tải tác dụng lên cọc và độ lún của móng bè cọc Với phƣơng pháp PDR, xác định tải tác dụng lên cọc lớn nhất và nhỏ nhất, tính khả năng mang tải của nhóm cọc, khả năng mang tải của bè và độ lún của móng bè cọc. Móng bè cọc thỏa các điều kiện về tải trọng tác dụng lên cọc và thỏa điều kiện về độ lún của móng bè cọc cống kênh ở Bảng 1. Hình 6. Biểu đồ quan hệ tải trọng và độ lún móng bè cọc, tính theo PDR. Bảng 2: Bảng phân chia tải của móng bè cọc cống kênh tính theo PDR Cọc chịu Qp (kN) Bè chịu Qr (kN) % cọc chịu αp % Bè chịu αr Tổng tải Q (kN) 7.427 223 97,09 2,91 7.650 Ta thấy trên Hình 6 khi độ lún của móng tăng cao thì phần trăm phân chia tải lên bè tăng và phân chia tải lên nhóm cọc giảm. Theo Bảng 2 nhận xét thấy phần trăm phân chia tải lên bè chiếm khoảng 3% là không đáng kể, cũng do độ lún của móng bè cống kênh khoảng 2,5cm là không lớn.  Kết quả phân tích móng bè cọc cống kênh theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis 3D: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 72 Bảng 3. Thông số địa chất các lớp đất trong mô hình PLAXIS 3D Thông số Lớp 1 (SM) Lớp 2 (OH) Lớp 3 (CH) Lớp 4 (CH) Lớp 5 (SM) Chiều dày 4,50 13,30 3,80 4,80 20,10 Mô hình HS HS HS HS HS γunsat (kN/m3) 18,80 15,70 17,40 19,30 18,80 γsat (kN/m3) 20,60 15,77 17,48 19,88 23,60 kx (m/day) 2,33E- 05 3,39E- 05 3,67E- 05 1,728 2,33E- 05 ky (m/day) 1,16E- 05 1,70E- 05 1,84E- 05 0,864 1,17E- 05 E50ref (kN/m2) 9809 1665 2596 8582 7847 Eeodref (kN/m2) 9809 1665 2596 8582 7847 Eurref (kN/m2) 29427 4995 7788 25746 23541 m (-) 0,8 0,77 0,900 0,600 0,700 c’ref (kN/m2) 25,60 11 20 15,00 25,60 υ' (độ ) 17,45 9,92 18 26,20 17,45 Ψ (độ ) 0 0 0 0 0 υur (-) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 pref (kN/m2) 100 100 100 100 100 K0 nc (-) 0,700 0,828 0,691 0,560 0,700 Để tƣơng đồng với phƣơng pháp tính PDR là bỏ qua độ cứng của bản thành cống kênh, xem tổng tải tác dụng lên bè là tải phân bố đều với giá trị q = Q/(Bm.Lm) = 7650/(7x14) = 78,06 kN/m 2 . Lực dọc trong cọc Hình 8, tải tác dụng lên cọc lớn nhất |N|max = 369.9kN < Ptk = 470 kN, thỏa điều kiện tải trọng tác dụng lên cọc và thỏa điều kiện độ lún của móng bè cọc cống kênh ở Bảng 4. Hình 7. Lưới chuyển vị của mô hình trong Plaxis 3D. Hình 8. Lực dọc của cọc trong Plaxis 3D. Bảng 4: Bảng kiểm tra độ lún của móng bè cọc, mô phỏng Plaxis 3D Bảng 5: Bảng phân chia tải của móng bè cọc cống kênh tính theo Plaxis 3D ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 73 Cọc chịu Qp (kN) Bè chịu Qr (kN) % cọc chịu αp % Bè chịu αr Tổng tải Q (kN) 7.276 374 95,11 4,89 7.650 Phần trăm chia tải lên bè khá thấp khoảng 5% trong Bảng 5, do độ lún của bè không lớn chỉ khoảng 2cm Bảng 4.  So sánh kết quả tính toán theo phƣơng pháp PDR và Plaxis 3D. Hình 9. Độ lún của móng bè cọc cống kênh tính theo PDR và Plaxis 3D Hình 10. Phần trăm chia tải của móng bè cọc cống kênh theo PDR và Plaxis 3D. Độ lún của móng bè cọc cống kênh tính theo PDR và Plaxis 3D trên Hình 9 có sự tƣơng đồng nhau, nhƣng sƣu hƣớng tính lún theo phƣơng pháp PDR cho ra độ lún của móng bè cọc lớn hơn độ lún của móng bè khi tính theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn Plaxis 3D. Điều đặt biệt ở đây là phần trăm chia tải của móng bè cọc trên Hình 10, ta nhận thấy sự phân chia tải lên bè là rất nhỏ và khoảng dƣới 5% là do tải trọng của công trình tác dụng theo phƣơng đứng không quá lớn, độ lún của móng bè cọc không lớn. Nhƣ đã nói ở trên, khả năng tham gia gánh tải công trình của bè có hiệu quả cao khi móng bè cọc đạt một độ lún lớn. 3. TỐI ƢU HÓA BỐ TRÍ CỌC CHO MÓNG BÈ CỌC CỐNG KÊNH Trong phƣơng án móng bè cọc cho công trình cống kênh, việc bố trí các cọc sao cho tối ƣu và hiệu cần đƣợc quan tâm một cách nghiêm túc hơn, chứ không phải lúc cũng bố trí cọc với phƣơng án rãi đều các cọc dƣới bè. Tác giả tiến hành khảo sát tiếp tục mô hình móng bè cọc cống kênh với phƣơng án 30 cọc nhƣ Hình 4, Hình 11 và xem xét loại bỏ hoặc rút ngắn các cọc chịu tải nhỏ, làm việc không hiệu quả. Hình 11. Mô hình một nữa đối xứng của móng bè cọc trên Plaxis 3D ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 74 Hình 12. Móng bè cọc cống kênh TH1: L0 = L3 = L2 = L1 = 23,5m Hình 13. Móng bè cọc cống kênh TH2: L0 = L3 = 23,5m; L2 =19,5m; L1 =15,5m. Hình 14. Móng bè cọc cống kênh TH3: L0 =23,5m; L3 =19,5m ; L2 =15,5m; L1 =11,5m. Hình 15. Móng bè cọc cống kênh TH4: L0 =23,5m; L3 =15,5m; L2 = L1 =11,5m. Hình 16. Móng bè cọc cống kênh TH5: L0 = L3 = L2 = 23,5m, L1 = 0m. Hình 17. Móng bè cọc cống kênh TH6: L0 = L3 = 23,5m L2 = L1 = 0m. Hình 18. Móng bè cọc cống kênh TH7: L0 = 23,5m L3 = L2 = L1 = 0m. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 75 Hình 19. Lực dọc trong cọc của TH1 Do đặc điểm phân bố lực của cống kênh tập trung phân bổ nhiều ở vị trí thành cống ngoài mép biên của bè móng, vì thế mà tải trọng tác dụng nhiều vào các cọc ở biên, còn các cọc ở giữa (cọc L3, cọc L2, cọc L1) chịu tác dụng của tải trọng nhỏ hơn nhiều nhƣ trên Hình 19. Từ hiệu quả làm việc của các cọc giữa là không nhiều, nên tác giả khảo sát các trƣờng hợp cắt giảm chiều dài cọc L1, L2, L3 và trƣờng hợp loại bỏ các cọc L1, L2, L3 nhƣ trên Hình 13; Hình 14; Hình 15; Hình 16; Hình 17; Hình 18. Hình 20. Giá trị độ lún của các trường hợp cắt giảm cọc Hình 21. Giá trị độ lún của các trường hợp loại bỏ cọc Hình 22. Phần trăm chia tải trên móng bè cọc của các trường hợp cắt giảm cọc. Hình 23. Phần trăm chia tải trên móng bè cọc của các trường hợp loại bỏ cọc. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 76 Hình 24. Lực dọc trong cọc của TH7. Độ lún của các trƣờng hợp cắt giảm chiều dài cọc Hình 20 và trƣờng hợp loại bỏ cọc Hình 21 không thay đổi nhiều, khoảng 2cm. Trên Hình 22, Hình 23 nhận thấy rằng việc cắt giảm chiều dài cọc và loại bỏ các cọc L3, L2, L1 không làm ảnh hƣởng nhiều đến khả năng mang tải của cọc, khoảng 95%. Từ các phƣơng án tối ƣu hóa bố trí cọc dƣới bè cống kênh thì phƣơng án loại bỏ hết các cọc làm việc không hiệu quả trong trƣờng hợp TH7 đem lại hiệu quả tiết kiệm nhất và giảm đƣợc 10 cọc bố trí dƣới bè, tiết kiệm đƣợc 33% số lƣợng cọc nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc khả năng chịu tải của cọc |N|max =468,2kN < Ptk =470 kN và thỏa điều kiện độ lún của móng bè cọc cống kênh S = 2cm < [S] = 8cm. 4. KẾT LUẬN Thông qua việc so sánh hai phƣơng pháp tính PDR và phƣơng pháp phần tử hữu hạn Plaxis 3D cho kết cấu móng bè cọc cống kênh và các trƣờng hợp tối ƣu hóa bố trí cọc dƣới bè đáy cống kênh, tác giả rút ra đƣợc những kết luận nhƣ sau: - Kết quả tính toán theo phƣơng pháp PDR và phƣơng pháp phần tử hữu hạn Plaxis 3D cho kết quả độ lún và phân chia tải của móng bè cọc tƣơng đƣơng nhau, nhƣng phƣơng pháp PDR không xem xét đƣợc độ lún lệch trong móng, cũng nhƣ nội lực trong bè và các cọc. Do đó, phƣơng pháp PDR chỉ nên đƣợc sử dụng trong tính toán thiết kế sơ bộ móng bè cọc, để xem đầy đủ các yếu tố về hình dạng kết cấu bản đáy, bản thành và công trình phụ trợ bên trên cống cùng làm việc đồng thời với đất nền ta cần phải sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích đúng đắng hơn. - Tối ƣu hóa bố trí cọc dƣới bè giúp tận dụng tối khả năng chịu tải của cọc và tiết kiệm đƣợc 33% số lƣợng cọc bố trí dƣới bản đáy cống kênh. Việc bố trí cọc dƣới móng bè cọc cống kênh cần đƣợc xem thật cẩn thận khi mà tải trọng tác dụng lên bè tập trung cục bộ tại các thành cống, do đó cần tập trung bố trí các cọc dọc theo bên dƣới thành cống và dọc theo mép biên của bè (bố trí cọc theo chu vi của bản đáy cống sẽ giúp cho cống kênh chịu được tải trọng ngang tốt hơn khi đóng cửa cống chặn dòng nước). 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. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Katzenbach R, Arslan U, Moormann C. (2000). ―Piled raft foundation projects in Germany‖. Design Applications of Raft Foundations, Hemsley. Thomas Telford, London; pp. 323–91. [2] Badelow, F., Kim, S., Poulos, H.G. and Abdelrazaq, A. (2009). ―Foundation design for a tall tower in a reclamation area‖. Proc. 7th Int. Conf. Tall Buildings, Hong Kong, Ed. F.T.K. Au, Research Publishing, pp.815-823. [3] Yamashita K, Hamada J, Soga Y. (2010) ―Settlement and load sharing of piled raft of a 162m high residential tower‖. In: Proc. international conference on deep foundations ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 77 and geotechnical in situ testing, Shanghai, China; pp. 26–33. [4] H. G. Poulos and E. H. Davis, Pile Foundation Analysis and Design. New York: Wiley, 1980. [5] M. F. Randolph, Design of pile raft foundations: Cambridge University Engineering Department, 1983. [6] H. Poulos, ― Pile raft foundations: design and applications,‖ Geotechnique, vol. 51, pp. 95-113, 2001. [7] PLAXIS 3D Manual 2018. Người phản biện: PGS,TS. NGUYỄN VĂN DŨNG