ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----O0O----

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC
GIỮA HỆ KHUNG NHÀ VÀ MÓNG CỌC

Chuyên ngành:

ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số ngành:

8580211

Họ và tên học viên:

NGUYỄN MINH TÂN

Mã số học viên:

2070003

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên

MSHV

: 2070003

Ngày tháng năm sinh : 23/02/1997

Nơi sinh

: Bình Thuận

Chuyên ngành

Mã số ngành

: 8580211

I.

: NGUYỄN MINH TÂN
: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA HỆ KHUNG NHÀ VÀ MÓNG CỌC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về các phương pháp phân tích ứng xử của hệ kết cấu cơng trình móng cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời
Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế móng cọc
Chương 3. Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế khung kết cấu
Chương 4. Nghiên cứu ứng xử của hệ kết cấu cơng trình - móng cọc – đất nền cùng làm
việc đồng thời
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
II.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/12/2021

III. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Lê Bá Vinh

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2021
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. LÊ BÁ VINH

PGS.TS LÊ BÁ VINH


2


MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ...................................................... 1
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................... 2
4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................................... 4
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI ............................................................ 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG
XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MÓNG CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG
LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI ..................................................................................... 5
1.1. PHƯƠNG PHÁP TÁCH RIÊNG PHẦN KẾT CẤU BÊN TRÊN VÀ NỀN
MĨNG ĐỂ TÍNH TỐN..................................................................................... 5
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG
TRÌNH - MÓNG CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI .............. 7
1.2.1. Cơng trình trên hệ thống lị xo cọc [1] ........................................................ 7
1.2.2. Cơng trình trên hệ thống lị xo cọc và đất ................................................... 8
1.2.3. Cơng trình móng cọc trên hệ thống lò xo đất [3] & [4] ............................. 12
1.2.4. Mô phỏng bằng phần mềm Sap 2000 với đất nền mô phỏng bằng phần tử
Solid .............................................................................................................. 13
1.2.5. Mô phỏng số với các phần mềm chun dụng có các mơ hình đất nền ..... 14
1.3. NHẬN XÉT VÀ CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ
CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MÓNG CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM
VIỆC ĐỒNG THỜI ........................................................................................... 16
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÓNG CỌC .. 17
2.1. KHÁI NIỆM CỦA MÓNG CỌC ................................................................ 17
2.1.1. Định nghĩa ............................................................................................... 17
2.1.2. Các ưu điểm của móng cọc....................................................................... 17
2.2. PHÂN TÍCH CÁC TƯƠNG TÁC TRONG MĨNG CỌC CĨ VÀ KHƠNG
CĨ HỆ KẾT CẤU BÊN TRÊN.......................................................................... 17
2.2.1. Phân tích cọc đơn theo sự thay đổi kích thước và địa chất ........................ 18
2.2.2. Phân tích nhóm cọc theo sự thay đổi khoảng cách bố trí và địa chất ......... 19

2.2.3. Phân tích nhóm cọc theo sự thay đổi các yếu tố có hoặc khơng có hệ kết
cấu bên trên........................................................................................................ 20
2.2.4. Kết quả của tương tác ................................................................................. 8
2.3. CÁC VẤN ĐỀ XEM XÉT CHO THIẾT KẾ MÓNG CỌC ......................... 25
2.3.1. Các u cầu về phương pháp tính tốn thiết kế móng cọc ......................... 25
2.3.2. Phương pháp giám sát .............................................................................. 26
2.4. THIẾT KẾ MÓNG CỌC............................................................................. 26
2.4.1. Nguyên lý thiết kế móng cọc .................................................................... 26

1


2.4.2. Các vấn đề thiết kế ................................................................................... 26
2.4.3. Quy trình thiết kế móng cọc ..................................................................... 26
2.4.4. Quy trình thiết kế móng cọc cho trường hợp móng và khung làm đồng thời
với nền .............................................................................................................. 26
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG KẾT
CẤU...................................................................................................................... 27
3.1. KHÁI NIỆM CỦA KHUNG KẾT CẤU ..................................................... 27
3.1.1. Định nghĩa ............................................................................................... 27
3.1.2. Các ưu điểm của khung kết cấu ................................................................ 27
3.2. PHÂN TÍCH CÁC TƯƠNG TÁC TRONG KHUNG KẾT CẤU CÓ HỆ
CỌC BÊN DƯỚI ............................................................................................... 27
3.2.1. Phân tích chuyển vị ngang, độ lún và xoay ở chân cột từ kết quả thực
nghiệm, FEA tuyến tính và FEA phi tuyến......................................................... 28
3.2.2. Phân tích lực cắt trong khung bằng phương pháp thơng thường, thí nghiệm,
FEA tuyến tính và FEA phi tuyến ...................................................................... 32
3.2.3. Phân tích moment uốn ở đầu cột bằng phương pháp thơng thường, thí
nghiệm, tuyến tính FEA và FEA phi tuyến......................................................... 33
3.2.4. Phân tích moment uốn ở chân cột bằng phương pháp thông thường, thí

nghiệm, tuyến tính FEA và FEA phi tuyến......................................................... 34
3.2.5. Kết quả của tương tác ............................................................................... 36
3.3. CÁC VẤN ĐỀ XEM XÉT CHO THIẾT KẾ KHUNG KẾT CẤU .............. 37
3.3.1. Các u cầu về phương pháp tính tốn thiết kế khung kết cấu .................. 37
3.3.2. Phương pháp giám sát .............................................................................. 38
3.4. THIẾT KẾ KHUNG KẾT CẤU .................................................................. 38
3.4.1. Nguyên lý thiết kế khung kết cấu ............................................................. 38
3.4.2. Các vấn đề thiết kế ................................................................................... 38
3.4.3. Quy trình thiết kế khung kết cấu ............................................................... 39
3.4.4. Quy trình thiết kế khung kết cấu cho trường hợp móng và khung làm đồng
thời với nền ........................................................................................................ 39
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH MĨNG CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI .......................... 40
4.1. CƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG ...................................................................... 40
4.1.1. Giới thiệu ................................................................................................. 40
4.1.2. Thông số đất nền ...................................................................................... 40
4.2. TÍNH TỐN THIẾT KẾ SƠ BỘ PHƯƠNG ÁN MĨNG CỌC................... 40
4.3. MƠ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM SAP 2000.............................................. 41
4.3.1. Mơ hình chân cột ngàm tại mặt móng ....................................................... 41
4.3.2. Mơ hình cơng trình – móng cọc – đất nền cùng làm việc .......................... 41
4.4. MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PLAXIS 3D .......................................... 41

2


4.5. SO SÁNH ĐÁNH GIÁ CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN............................... 42
4.5.1. Nội lực trong khung ................................................................................. 42
4.5.2. Nội lực và biến dạng trong móng cọc ....................................................... 42
4.5.3. Độ lún của móng cọc................................................................................ 42
4.5.4. Phân chia tải trọng cho các cọc................................................................. 42
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 43

KẾT LUẬN ....................................................................................................... 43
KIẾN NGHỊ....................................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 44

3


PHẦN MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, với sự phát triển của xã hội các tòa nhà cao tầng mọc lên ngày càng
nhiều, gia tăng cả về kích thước mặt bằng và chiều cao phần thân lẫn phần ngầm.
Theo thống kê, tòa nhà cao nhất thế giới hiện này là “Tòa Tháp Jeddah Tower” tại
Ả Rập Xê Út với chiều cao lên đến 1.007 (m) gồm 228 tầng nổi và 2 tầng hầm. Tại
Việt Nam, tòa nhà “Landmark 81” với chiều cao 461 (m) gồm 81 tầng nổi và 3 tầng
hầm, đứng thứ 16 trong các tòa nhà cao nhất thế giới hiện nay.
Sự phát triển của các tòa nhà cao tầng ngày một dày đặc, đã xuất hiện nhiều
phần mềm thiết kế kết cấu phần thân và phần ngầm, thông dụng là Sap2000, Etabs,
Safe, Plaxis 2D, Plaxis 3D, Solidworks, Ansys, Abaqus, Prokon, GeoSlope,... ra đời
và cải tiến liên tục. Nhưng vấn đề đặt ra là ứng xử giữa kết cấu nhà bên trên và nền
móng bên dưới chưa được giải quyết.
Thông thường, phần lớn các kỹ sư kết cấu khi thiết kế phần bên trên thì xem
cơng trình làm việc trên nền cứng (khơng biến dạng). Tải trọng của phần kết cấu
bên trên được tổng hợp và chuyển sang làm dữ kiện cho việc thiết kế nền móng.
Với sơ đồ tính riêng rẽ từng phần như vậy kết quả có thể sai khác đáng kể so với
ứng xử thực tế của cơng trình trên nền đất biến dạng khơng đồng đều.
Sở dĩ cách tính riêng rẽ từng phần đến nay vẫn được sử dụng vì việc giải quyết
tính tốn sự làm việc đồng thời giữa khung – móng – nền gặp nhiều khó khăn phức
tạp và kết quả có thể chấp nhận được khi cơng trình được đặt trên nền đất tốt hoặc
chênh lệch lún giữa các chân cột nhỏ.
Để phản ánh đúng sự làm việc thực tế của cơng trình cần thiết phải phân tích bài

tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền. Từ kết quả phân tích ứng xử của
kết cấu bên trên và móng cọc bên dưới cũng như sự tương tác qua lại giữa các bộ
phận của cơng trình nhằm tối ưu hóa kết cấu của cơng trình.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Thiết lập quy trình tính tốn bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền
cho phương án móng cọc;

1


Phân tích ứng xử của kết cấu bên trên và móng cọc bên dưới trong phân tích bài
tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền;
Phân tích ảnh hưởng của các tham số về chiều dài cọc, cách bố trí cọc và chiều
dày móng đến nội lực, chuyển vị chênh lệch của các chân cột trong móng cũng như
nội lực kết cấu bên trên;
Phân tích sự phân chia tải trọng cho cọc cho trường hợp bài tốn móng và
khung làm việc đồng thời với nền và trường hợp chỉ xét riêng phần móng bên dưới.
Từ kết quả phân tích trên, tiến hành so sánh và đánh giá sự sai khác của việc phân
chia tải trọng lên cọc cho hai trường hợp;
Khảo sát nội lực của kết cấu khung bên trên trong trường hợp phân tích nội lực
xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng và trường hợp phân tích móng và
khung làm việc đồng thời với nền, ứng với các chuyển vị chênh lệch khác nhau của
các chân cột. Từ đó đánh giá sự sai khác nội lực trong hai trường hợp, ứng với các
chuyển vị chênh lệch khác nhau của các chân cột và đưa ra kiến nghị áp dụng bài
tốn phân tích nội lực xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng, ứng với mức độ
chuyển vị chênh lệch của các chân cột cho phép bao nhiêu thì đảm bảo yêu cầu;
Đánh giá kết quả mô phỏng trên phần mềm Sap 2000 với đất nền được mô
phỏng bằng phần tử Solid dựa trên kết quả mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung 1: Thiết lập quy trình tính tốn bài tốn móng và khung làm việc

đồng thời với nền cho phương án móng cọc.
Mục tiêu nội dung 1: Thiết lập quy trình tính tốn bài tốn móng và khung làm
việc đồng thời với nền cho phương án móng cọc.
Phương pháp nghiên cứu: Căn cứ vào lý thuyết tính tốn của các tác giả đi
trước, để thiết lập quy trình tính bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền
cho phương án móng cọc, dùng các lý thuyết về:
- Tính tốn độ lún của móng cọc;
- Phương pháp chọn sơ bộ số lượng cọc dưới chân cột.

2


Nội dung 2: Phân tích ảnh hưởng của các tham số về chiều dài cọc, cách bố trí
cọc và chiều dày móng đến nội lực, chuyển vị chênh lệch của các chân cột cũng như
đến nội lực kết cấu bên trên.
Mục tiêu nội dung 2: Để tối ưu hóa trong việc tính tốn thiết kế kết cấu của
cơng trình, thể hiện thông qua các mục tiêu sau:
- Nội lực trong cọc cũng như chuyển vị chênh lệch giữa các chân cột;
- Sự ảnh hưởng tương tác của hệ thống móng – cọc đến kết cấu bên trên nhỏ,
dẫn đến nội lực trong kết cấu bên trên bé.
Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng công cụ PLAXIS Coupling tool trong
Plaxis 3D 2020 để kết nối các ứng dụng trong Plaxis 3D và Sap 2000. Trong công
cụ này cho phép người dùng trực tiếp kết nối mơ hình kết cấu bên trên và nền đất
bên dưới để phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền.
Nội dung 3: Phân tích sự phân chia tải trọng cho cọc cho trường hợp bài tốn
móng và khung làm việc đồng thời với nền và trường hợp chỉ xét riêng phần móng
bên dưới. Từ kết quả phân tích trên đi so sánh và đánh giá sự sai khác của việc phân
chia tải trọng lên cọc cho hai trường hợp;
Mục tiêu nội dung 3: So sánh và đánh giá sự sai khác của việc phân chia tải
trọng lên cọc cho trường hợp phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời

với nền và trường hợp chỉ xét riêng phần móng bên dưới.
Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng công cụ PLAXIS Coupling tool trong
Plaxis 3D 2017 để kết nối các ứng dụng trong Plaxis 3D và Sap 2000. Trong công
cụ này cho phép người dùng trực tiếp kết nối mơ hình kết cấu bên trên và nền đất
bên dưới để phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền.
Nội dung 4: Khảo sát nội lực của kết cấu khung bên trên trong trường hợp phân
tích nội lực xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng và trường hợp phân tích
móng và khung làm việc đồng thời với nền đối với phương án móng cọc, ứng với
các chuyển vị chênh lệch khác nhau của các chân cột. Từ đó đánh giá sự sai khác
nội lực trong hai trường hợp, ứng với các chuyển vị chênh lệch khác nhau của các
chân cột và đưa ra kiến nghị áp dụng bài tốn phân tích nội lực xem chân cột được

3


ngàm cứng tại mặt móng, ứng với mức độ chuyển vị chênh lệch của các chân cột
cho phép bao nhiêu thì đảm bảo yêu cầu.
Mục tiêu nội dung 4: Đưa ra kiến nghị phạm vi áp dụng bài toán phân tích nội
lực xem chân cột được ngàm cứng tại mặt móng.
Phương pháp nghiên cứu: Mơ phỏng trên phần mềm Plaxis 3D, Sap 2000 và
kết hợp với các quy định về độ lún lệch cho phép theo TCVN 10304:2014 và các
tác giả đi trước.
Nội dung 5: Đánh giá kết quả mô phỏng trên phần mềm Sap 2000 với đất nền
được mô phỏng bằng phần tử Solid dựa trên kết quả mô phỏng trên phần mềm
Plaxis 3D.
Mục tiêu nội dung 5: Đánh giá phạm vi áp dụng phần mềm Sap 2000 với đất
nền được mô phỏng bằng phần tử Solid để phân tích bài tốn móng và khung làm
việc đồng thời với nền với phương án móng cọc.
Phương pháp nghiên cứu: Mơ phỏng trên phần mềm Sap 2000 với đất nền
được mô phỏng bằng phần tử Solid và trên phần mềm Plaxis 3D. Căn cứ vào kết

quả mơ phỏng để phân tích đánh giá phạm vi áp dụng phần mềm Sap 2000, với đất
nền được mô phỏng bằng phần tử Solid để phân tích bài tốn móng và khung làm
việc đồng thời với nền với phương án móng cọc.
4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu ứng xử của hệ kết cấu cơng trình và móng cọc cùng làm việc đồng
thời trên cơng trình giả định, với phần kết cấu đơn giản và chỉ chịu tĩnh tải và hoạt
tải (khơng xét đến gió và động đất). Trong phân tích ứng xử của hệ kết cấu cơng
trình – móng cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài “Nghiên cứu tương tác giữa hệ khung nhà và móng cọc” có thể giúp
cho người thiết kế có thêm cơ sở lý luận để tính tốn thiết kế kết cấu và nền móng
cơng trình làm việc đồng thời, tăng sự chính xác giữa tính tốn và thực tế đồng thời
giảm chi phí cho cơng trình. Là tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu về ứng xử
của hệ kết cấu cơng trình – móng – đất nền cùng làm việc đồng thời.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG
XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MĨNG CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG
LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI
1.1.

PHƯƠNG PHÁP TÁCH RIÊNG PHẦN KẾT CẤU BÊN TRÊN VÀ

NỀN MĨNG ĐỂ TÍNH TỐN
Hiện nay việc tính tốn thiết kế kết cấu bên trên, nền móng bên dưới thường
được thực hiện một cách riêng rẽ từng phần. Đây là phương pháp tính tốn cơ bản
được trình bày trong các giáo trình và tiêu chuẩn.

Hình 1.1. Sơ đồ tính tốn kết cấu nên trên
Để tính toán kết cấu bên trên, người thiết kế coi kết cấu bên trên tựa vững chắc
lên móng theo liên kết ngàm hoặc khớp ở tại chân cột (hoặc chân tường). Với sơ đồ
kết cấu này, tính tốn nội lực trong hệ kết cấu bên trên dưới tác dụng của tải trọng
cơng trình. Tải trọng của phần kết cấu bên trên (nội lực chân cột) được tổng hợp và
chuyển sang làm dữ kiện cho việc thiết kế nền móng. Với sơ đồ tính riêng rẽ từng
phần như vậy cho kết quả có thể sai khác đáng kể so với ứng xử thực tế của cơng
trình trên nền đất biến dạng khơng đồng đều.
Sở dĩ cách tính riêng rẽ từng phần đến nay vẫn được sử dụng vì việc giải quyết
tính tốn sự làm việc đồng thời giữa khung – móng – nền gặp nhiều khó khăn phức

5


tạp và kết quả có thể chấp nhận được khi cơng trình được đặt trên nền đất tốt hoặc
chênh lệch lún giữa các chân cột bé.
Để tính tốn kết cấu bên trên, người thiết kế coi kết cấu bên trên tựa vững chắc
lên móng theo liên kết ngàm hoặc khớp ở tại chân cột (hoặc chân tường). Với sơ đồ
kết cấu này, tính tốn nội lực trong hệ kết cấu bên trên dưới tác dụng của tải trọng
cơng trình. Tải trọng của phần kết cấu bên trên (nội lực chân cột) được tổng hợp và
chuyển sang làm dữ kiện cho việc thiết kế nền móng. Với sơ đồ tính riêng rẽ từng
phần như vậy cho kết quả có thể sai khác đáng kể so với ứng xử thực tế của cơng
trình trên nền đất biến dạng khơng đồng đều.
Đối với phương pháp tính riêng rẽ từng phần này, khi thiết kế phần nền móng
thì u cầu độ lún lệch tương đối cho phép được quy định như sau:
- Theo TCVN 10304:2014, về độ lún lệch tương đối cần thỏa mãn các điều kiện
sau:
S  S gh

(1.1)

Trong đó:
ΔS – đối với nhà khung là độ lún lệch tương đối giữa các móng liền kề trong
cơng trình,ΔS = max(ΔSij);
ΔSij- độ lún lệch tương đối giữa hai móng i và móng j liền kề:
Sij 

Si  S j

(1.2)

Lij

Si, Sj - là độ lún trung bình của móng i và móng j;
Lij - khoảng cách giữa trọng tâm hai cột được đỡ bởi móng i và móng j;
ΔSgh- độ lún lệch tương đối gới hạn. Đối với khung bê tơng cốt thép khơng có
tường chèn ΔSgh = 0,002; Khung bê tơng cốt thép có tường chèn ΔSgh = 0,001.
- Dựa vào kinh nghiệm, Polshin và Tokar (1957) đã đề nghị độ lún lệch tương
đối gới hạn cho cơng trình phụ thuộc vào tỷ số chiều dài / chiều cao cơng trình:

L
 0, 0003 cho
2
L
H

6

(1.3)


L
 0, 001 cho
8
L
H

- Theo Soviet Code of Practice 1955, độ lún lệch tương đối gới hạn được cho
theo bảng sau:
Loại cơng trình

L/H

Cơng trình cao tầng và
nhà ở dân dụng

≤3

/L
0,0003 (cho cát)
0,0004 (cho sét)

≥5

0,0005 (cho cát)
0,0007 (cho sét)

Nhà sản suất một tầng
1.2.

0,001

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU

CƠNG TRÌNH - MĨNG CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI
Hiện nay khi tính tốn thiết kế cơng trình xét đến sự làm việc chung của móng cọc và cơng trình cùng làm việc với nền, thì tồn tại một số phương pháp cơ bản sau:
1.2.1. Công trình trên hệ thống lị xo cọc [1]
Phương pháp này được dùng phổ biến trong thiết kế thực tế. Trong phương
pháp này sự làm việc của đất, sự tương tác giữa cọc với cọc được bỏ qua.

Hình 1.2. Sơ đồ phân tích nội lực trong khung và móng cọc

7


Thơng thường, giá trị độ cứng lị xo theo, được xác định dựa vào đường cong
quan hệ độ lún và tải trọng từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc. Khi khơng có kết quả
thí nghiệm, giá trị KP có thể lấy theo công thức thực nghiệm Kp = 2EA/L (E –
modulus đàn hồi của cọc, A diện tích tiết diện ngang của cọc, và L chiều dài cọc).
Dựa trên phân tích các kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc của 237 cọc ở Bangkok,
Kiattivisanchai (2001) tổng kết giá trị Kp của cọc nhồi nằm trong khoảng từ
0.5EA/L đến 4EA/L với giá trị trung bình là Kp = 2EA/L.

Hình 1.3. Quan hệ giữa độ cứng dọc trục và độ cứng thẳng đứng lị xo của
cọc nhồi
1.2.2. Cơng trình trên hệ thống lị xo cọc và đất
1.2.2.1. Khơng xét đến tương tác giữa cọc với cọc [1]
Phân tích tương tự phương pháp trên, nhưng cịn có các lị xo đất giữa các cọc.
Giá trị độ cứng lò xo đất được xác định thông qua bàn nén hiện trường hoặc ước

lượng thông qua các công thức thực nghiệm. Công thức thực nghiệm xác định ks
được nhiều tác giả đánh giá cao là cơng thức của Vesic:
kS 

Es
B(1  2 )

(1.4)

Trong đó:
Es - mơđun biến dạng trung bình của nền đất trong phạm vi chịu nén của nền
ν - hệ số nở hông (hệ số poisson) của nền

8


Hình 1.4. Sơ đồ phân tích nội lực trong khung và móng cọc
1.2.2.2. Xét đến tương tác giữa cọc với cọc [2]
Trong phương pháp này có xét đến sự ảnh hưởng tương hỗ giữa đất và kết cấu.
Có bốn ảnh hưởng sau:
- Sự tương tác giữa cọc và đất (1);
- Sự tương tác giữa cọc và cọc (2);
- Sự tương tác giữa đất và đài móng (3);
- Sự tương tác giữa cọc và đài móng (4).

Hình 1.5. Các loại tương tác trong hệ thống móng - cọc
* Xác định độ cứng lò xo cọc
- Chuyển vị do ảnh hưởng giữa cọc với cọc và do sự tương tác của áp lực bề
mặt tới cọc

9


Xác định ρppk: chuyển vị đứng của lò xo cọc thứ K do sự tương tác của cọc tới
cọc. Đối với nhóm có n cọc giống nhau:
n

 ppk  1  ( RpL KL )  1 RpK
L 1
L K

(1.5)

Trong đó:
δ1 – chuyển vị của cọc do lực đơn vị;
RpL– lực tác dụng trên cọc L;
RpK– lực tác dụng lên cọc K;
αKL – hệ số tương tác giữa cọc K và L.
Xác định ρpsk: chuyển vị đứng của lò xo cọc thứ K do sự tương tác của áp lực bề
mặt tới cọc.
4

4

i 1

i 1

 psk    psik  

qBi

 1  2  
(1   2 )  I1i  
 I 2i 
2E
 1   


(1.6)

Trong đó:
2
2
 1  m2  n2  1 
1   1  mi  ni  mi 
i
i

  mi ln 

ln 
I1i 
2
2
2
 1  m  n2  1 
   1  mi  ni  1 
i
i




 

I 2i 


mi
arctg 
 n 1  m2  n 2

i
i
 i
ni






mi = Li/Bi và ni = z/Bi, Li, Bi – Chiều dài và chiều rộng của từng hình chữ nhật
- Độ cứng lị xo cọc thứ K
Chuyển vị đứng của cọc thứ K do sự tương tác của cọc tới cọc và của áp lực bề
mặt tới cọc được xác định như sau:
 pk   ppk   psk

(1.7)

Trong đó:
ρppk - chuyển vị đứng của lò xo cọc thứ K do sự tương tác của cọc tới cọc;
ρpsk - chuyển vị đứng của lò xo cọc thứ K do sự tương tác của áp lực bề mặt tới
cọc
Độ cứng lò xo cọc thứ K

10


K pk 

R pk

(1.8)

 pk

Trong đó:
RpK - phản lực của lò xo cọc thứ K;
* Xác định độ cứng lò xo đất
- Chuyển vị do ảnh hưởng giữa cọc và đất
Đối với nhóm có n cọc giống nhau
n

 spM  1  ( RpK  KM )

(1.9)

k 1

Trong đó:
δ1 – chuyển vị của cọc do lực đơn vị;
RpK – lực tác dụng trên cọc K;
αKM – hệ số tương tác giữa cọc K và điểm đặt lò xo đất M.
- Chuyển vị do ảnh hưởng áp lực bề mặt tới đất
Chuyển vị được xác định ở độ sâu z = 0 tại bề mặt đất như sau: Chia áp lực bên
dưới đáy móng bè thành bốn hình chữ nhật có chung góc tại vị trí của lị xo đất, tính
chuyển vị gây ra do từng hình chữ nhật một rồi cộng tác dụng.
4

4

i 1

i 1

 ssM    ssiM  

qBi

 1  2  
(1   2 )  I1i  
 I 2i 
2E
 1  


(1.10)

Trong đó:

I1i 

2
2
 1  m2  n2  1 
1   1  mi  ni  mi 
i
i
ln 
  mi ln 

 1  m2  n2  1 
   1  mi2  ni2  1 
i
i



 

I 2i 


mi
arctg 
2
2


 ni 1  mi  ni

ni






mi = Li/Bi và ni = z/Bi, Li, Bi – Chiều dài và chiều rộng của từng hình chữ nhật
- Độ cứng lị xo đất
Chuyển vị đứng của lò xo đất thứ M do sự tương tác của áp lực bề mặt tới đất ở
bề mặt và của cọc tới đất ở bề mặt:

11


 sM   ssM   spM

(1.11)

Trong đó:
ρssM - chuyển vị đứng của lò xo đất thứ M do sự tương tác của áp lực bề mặt tới
bề mặt đất;
ρspM - chuyển vị đứng của lò xo đất thứ M do sự tương tác của cọc tới bề mặt
đất.
Độ cứng lị xo đất thứ M
K sM 

RsM

(1.12)

 sM

Trong đó:
RsM - là phản lực của lò xo đất thứ M.
1.2.3. Cơng trình móng cọc trên hệ thống lị xo đất [3] & [4]
Đối với phương pháp này, độ cứng lò xo trong nền đất đồng nhất theo phương
đứng K zR và theo phương nằm ngang K xR , K yR được xác định từ Muki (1961) như
sau:
K zR 

4Gs a
1  s

K xR  K yR 

(1.13)
32(1   s )Gs a
7  8 s

(1.14)

Trong đó:
a – bán kính tương đương của 1 phần tử bè.
Độ cứng của lò xo cọc – nền tại mũi cọc theo phương đứng K zpb và theo phương
nằm ngang K xpb , K ypb , cũng được xác định theo các biểu thức trên.

12

Hình 1.6. Sơ đồ phân tích nội lực trong khung và móng cọc
Độ cứng của lị xo nền dọc thân cọc theo phương đứng K zp trong nền đồng nhất
xác định theo Radolph & Wroth như sau:
K zp 

2 Gs L
r
ln m
ro

(1.15)

rm  0, 25    2, 5  (1   s )  0, 25 L

Độ cứng của lò xo cọc – nền dọc thân cọc theo phương ngang (x,y) được xác
định theo lời giải của Midlin, như sau:
K xp  K yp   Es L

(1.16)

  pD /  Es

1.2.4. Mô phỏng bằng phần mềm Sap 2000 với đất nền mô phỏng bằng phần
tử Solid
Trong phương pháp này, đất nền được mô phỏng bằng phần tử Solid, các điểm
kết nối với các phần tử Solid khác và các mặt định nghĩa của phần tử Solid được thể
hiện trên hình. Trong phần mềm sap 2000 có hai loại mơ hình vật liệu: linear elastic
materials và nonlinear materials
Đối với mơ hình vật liệu linear elastic materials các thơng số khai báo vật liệu
đó là: Mơ đun đàn hồi E; hệ số Poisson ν và trọng lượng riêng của vật liệu γ.

13


Hình 1.7. Mơ phỏng móng – cơng trình – đất nền trên phần mềm sap 2000

Hình 1.8. Phần tử Solid và các thành phần ứng suất
1.2.5. Mô phỏng số với các phần mềm chun dụng có các mơ hình đất nền
Trên thực tế khi thiết kế các cơng trình, để mơ phỏng đúng sự làm việc của
cơng trình người ta thường dùng các phần mềm chuyên dụng (phần mềm Plaxis 3D,
ABAQUS, Midas GTX NX, ANSYS ...). Trong các phần mềm này cho phép mô
phỏng cả kết cấu bên trên và nền đất bên dưới cơng trình, khi đó ta sẽ phân tích
được bài tốn tổng qt móng và cơng trình làm việc đồng thời với nền. Do đó, nó
phản ánh đúng bản chất làm việc của cơng trình.
Để mơ phỏng đất nền, trong các phần mềm trên có các mơ hình đất mơ phỏng
gần đúng ứng xử của đất nền như:
- Mơ hình Mohr-Coulomb;
- Mơ hình Hardening-Soil;
- Mơ hình Soft-Soil (Cam-clay);

14


- Mơ hình Soft-Soil-Creep (Ứng xử theo thời gian); …

Hình 1.9. Mơ hình trong phần mềm Ansys

Hình 1.10. Mơ hình trong phần mềm Plaxis 3D

Hình 1.11. Mơ hình trong phần mềm Midas GTX NX

15


1.3.

NHẬN XÉT VÀ CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ

CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MĨNG CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM
VIỆC ĐỒNG THỜI
Khi phân tích ứng xử của hệ kết cấu cơng trình - móng cọc – đất nền cùng làm
việc đồng thời, thay nền đất bằng hệ thống lị xo sẽ khơng thể hiện đúng bản chất
làm việc của nền đất. Khi tính tốn độ cứng của lò xo phải xét đến các tương tác
giữa cọc – đất, cọc – cọc, đất – đài móng, và cọc – đài móng, việc tính tốn này khá
phức tạp và áp dụng các công thức của lý thuyết đàn hồi. Nhưng thực tế quan hệ
ứng suất – biến dạng trong đất là phi tuyến, do đó độ cứng của lị xo cũng khơng
phải là hằng số. Nhưng mức độ tin cậy của kết quả phân tích ứng xử của hệ kết cấu
cơng trình - móng cọc – đất nền cùng làm việc đồng thời phụ thuộc chủ yếu vào
cách xác định độ cứng lị xo.
Trong thực tế, khi tính tốn thiết kế kết cấu cơng trình phần mềm Sap 2000,
Etabs và Safe là các phần mềm khá quen thuộc đối với kỹ sư thiết kế. Với mục đích
nghiên cứu có tính ứng dụng cao, đề tài lựa chọn phần mềm Sap 2000 với Plaxis 3D
để phục vụ cho việc nghiên cứu. Mô phỏng trên phần mềm Sap 2000 với đất nền
được mô phỏng bằng phần tử Solid để phân tích bài tốn móng và khung làm việc
đồng thời với nền với phương án móng cọc. Sử dụng cơng cụ PLAXIS Coupling
tool trong Plaxis 3D để kết nối các ứng dụng trong Plaxis 3D và Sap 2000, trong
công cụ này cho phép người dùng trực tiếp kết nối mơ hình kết cấu bên trên và nền
đất bên dưới để phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền.

16

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ MĨNG CỌC
2.1.

KHÁI NIỆM CỦA MĨNG CỌC

2.1.1. Định nghĩa
Móng cọc là một hệ thống cọc được nối lại với nhau trong một cấu trúc thống
nhất truyền tải trọng lên nền.

Hình 2.1. Sơ đồ móng cọc
2.1.2. Các ưu điểm của móng cọc
Áp dụng phương án móng cọc có các ưu điểm sau:
- Có khả năng chịu tải vơ cùng tốt đối với độ chắc chắn và tuổi thọ của các cơng
trình cao tầng;
- Giảm khối lượng đất đào và bê tông trong móng;
- Phù hợp với nhiều loại địa chất;
- Phổ biến trong các dự án cao tầng hiện nay;
- Giảm sự dịch chuyển đất bên trong và bên ngoài hố đào trong suốt q trình
thi cơng tầng hầm.
2.2.

PHÂN TÍCH CÁC TƯƠNG TÁC TRONG MĨNG CỌC CĨ VÀ

KHƠNG CĨ HỆ KẾT CẤU BÊN TRÊN
Tương tác giữa đất, cọc và cơng trình rất phức tạp trong việc phân tích kết cấu.
Các thiết kế hiện tại đang chưa xem xét hết sự làm việc của nhóm cọc. Các ứng xử

17

thực tế của nhóm cọc có thể thay đổi theo sự tương tác với đất. Để thiết kế móng
cọc phù hợp, người ta phải xem xét sự tương tác của việc xây dựng khung, đất và
nhóm cọc. Trong nghiên cứu này, xem xét dự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc có
và khơng có khung xây dựng cố định trong đất chưa cố kết để hiểu được ảnh hưởng
của việc xây dựng khung về ứng xử của nhóm cọc khi nó chịu tác động của tải
trọng. Ngồi ra, phân tích số được thực hiện bởi phương pháp phần tử hữu hạn dựa
trên phần mềm ANSYS. Ảnh hưởng của khung kết cấu đến ứng xử của nhóm cọc
đã được xem xét về độ lún cọc, xoay mũi cọc, độ võng đầu cọc và moment uốn
trong cọc bằng cách thay đổi các thông số (tỷ lệ co của cọc. khoảng cách thay đổi
giữa các cọc và mật độ tương đối của cát.

Hình 2.2. Sơ đồ phân tích ảnh hưởng của khung kết cấu đến cọc đơn và nhóm
cọc
2.2.1. Phân tích cọc đơn theo sự thay đổi kích thước và địa chất
Cọc đơn xem xét với các tỷ lệ cọc L/D lần lượt là 15, 25 và 40 trong trường hai
hợp đất cát với hàm lượng cát lần lượt là 35% và 70%. Kết quả thực nghiệm cho
thấy sức chịu tải của cọc tăng lên theo tỷ lệ co của cọc đồng thời tăng lên theo mật
độ lớp cát.

18


Hình 2.3. Ứng xử độ lún theo tải trọng của cọc đơn đối với ba tỷ lệ cọc L/D
và mật độ cát 35% (hình a) và 70 % (hình b)
2.2.2. Phân tích nhóm cọc theo sự thay đổi khoảng cách bố trí và địa chất
Nhóm cọc với khoảng cách bố trí cọc lần lượt là 3D, 4D và 5D xem xét với tỷ
lệ cọc L/D là 25 trong trường hai hợp đất cát với hàm lượng cát lần lượt là 35% và
70%. Kết quả thực nghiệm cho thấy sức chịu tải của cọc tăng khi khoảng cách các

cọc tăng. Ngoài ra, trong trường hợp cát rời hàm lượng hạt cát là 35% khả năng
chịu tải tăng 8.3%, 19.8% và 10.6% tương ứng với các khoảng cách 3D, 4D và 5D.
Đối với trường hợp cát dày đặc hàm lượng hạt cát là 70% thì khả năng chịu tải của
cọc tăng 3.8 lần.

19