Phân tích sự làm việc của bè móng trên hệ cọc

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

CAO VĂN HÓA

PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MÓNG TRÊN HỆ CỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO VĂN HÓA

PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MÓNG TRÊN HỆ CỌC

Chuyên ngành:
Mã số chuyên ngành:

Phản biện độc lập 1:
Phản biện độc lập 2:
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS. TS. CHÂU NGỌC ẨN

Địa kỹ thuật xây dựng
62.58.60.01


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án

Chữ ký

Cao Văn Hóa

i


TÓM TẮT LUẬN ÁN
Kết quả thống kê từ 31 công trình móng bè – cọc trong nước và trên thế giới, cho thấy
bề dày bè của chúng khác nhau đáng kể. Có những công trình bè rất dày (Messeturm
Tower chỉ cao 256 m, bề dày tới 6,0 m), có những công trình bè tương đối mỏng
(Dubai Tower cao hơn 400 m, bề dày chỉ 2,5 m). Do đó việc nghiên cứu đánh giá ảnh
hưởng của bè trong sự làm việc đồng thời kết cấu – bè – cọc, nền có ý nghĩa lý luận và
thực tiễn nhằm làm sáng tỏ vai trò của nó trong ổn định tổng thể của công trình.
Đầu tiên, luận án sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để phân tích
thực tiễn thiết kế và nghiên cứu hoạt động của bè trong toàn hệ tương tác kết cấu bên
trên – bè – nền, cọc của các tác giả trong nước và trên thế giới. Cho thấy: (i) Chiều dày

bè lớn có tác dụng phân bố đồng đều nội lực và biến dạng trong cọc, trong nền, giữa
bè và nền, cũng như nội lực trong chính bản thân bè; (ii) Các yếu tố tác động đến biến
dạng tương đối của bè gồm có hệ cọc, mô đun đàn hồi của đất nền và kết cấu bên trên.
Tiếp theo, luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học để nghiên cứu đánh giá
ảnh hưởng của các yếu tố đã được đúc kết ở chương 1 đến sự làm việc của bè bằng
chương trình PRAB thông qua công trình mô hình giả định xây dựng trên nền cát TP
Hồ Chí Minh. Từ đó rút ra được các kết luận sau: (i) Chiều dày bè lớn nhằm đảm bảo
gánh chịu các nội lực xuất hiện trong bè như mô men uốn và lực cắt, đặc biệt là
chuyển vị lệch của hệ móng. (ii) Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến biến dạng của bè
gồm: chiều dài và sơ đồ bố trí cọc, mô đun đàn hồi của đất nền và số lượng tầng.
Trên cơ sở các hiểu biết từ chương 1 và chương 3, nghiên cứu đã đề xuất phương pháp
đồ thị để xác định chiều dày bè có xét đến ba nhóm yếu tố, được đề cập tại chương 4.
Ứng dụng phương pháp đồ thị để tính toán chiều dày bè và kiểm chứng chúng thông
qua phân tích sâu sáu công trình tiêu biểu, phân tích tổng hợp 31 công trình thống kê
một mặt nhằm hiệu chỉnh phương pháp đồ thị, mặt khác để trả lời câu hỏi về chiều dày
bè lớn của các công trình xây dựng trong nước và trên thế giới. Kết quả nghiên cứu chỉ
ra rằng: (i) Chưa có quan tâm đúng mức đến việc tối ưu chiều dày bè; (ii) Bè làm việc
chủ yếu là chống lại biến dạng; (iii) Có ba yếu tố chính ảnh hưởng đến chiều dày bè là
số lượng tầng, mô đun đàn hồi của đất nền và hệ cọc; (iv) Phương pháp đồ thị được
thiết lập là đáng tin cậy và có giá trị ứng dụng cao.
ii


ABSTRACT
With statistic data from 26 high-rised buildings constructed in Vietnam and over the
world, it can be recognized that the raft thicknesses are significantly varied. Some
buildings have very thick raft (e.g. Messeturm Tower is only 256 m tall, with raft of
6.0 m thick), while the others have relatively thinner raft (e.g. Dubai Tower is almost
400 m tall, but raft is only 2.5 m thick).
At first, this study using method of analysis and synthesis of theory to review the

design practice and available researches in Vietnam and over the world on raft
behavior in the upperstructure – raft – soil and pile’s interaction. It shows that: (i) Raft
thickness affects the distribution of internal forces and deformation in piles, soil,
between raft and soil, and in raft structure significantly; (ii) Factors affecting raft
deformation and internal forces are pile group design, soil Young’s modulus, and
upper-structure.
Next, this study using scientific experimental method to analyze the conclusions from
chapter 1 using PRAB program on a prototype building constructed on Ho Chi Minh
city's sand (as specified in chapter 2). It indicates that raft thickness is designed to bear
moment, shear stress, and especially deformation (differential displacement). The
factors affecting the mentioned deformation are: piles length and configuration, Young
modulus of soil, number of floors.
From the conclusions of chapter 1, 3 it can be confirmed raft thickness is depended on
number of floors, Young modulus of soil and piles length. Based on these knowledges,
this study propose a simplified graphical method for determining raft thickness.
By applying the graphical method to calculate raft thickness of the selected buildings;
verifying the method and results of this study with six selected case studies in detail ;
and, comparing with the actual raft thickness of all the statistic buildings, it shows that
(i) There is much less interesting in optimizing of raft thickness; (ii) The raft behavior
is mainly to resist its deformation; (iii) There are three main factors affecting on raft
thickness: Number of floors, Young modulus of soil and piles; (iv) The graphical
method proposed by this study is highly aplicable in practice.
iii


LỜI CÁM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Châu Ngọc Ẩn đã tận tình hướng dẫn trong suốt
quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin được cảm ơn tất cả các thầy cô trong Bộ môn địa
cơ nền móng, Khoa kỹ thuật Xây dựng Trường đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh,

mà người lãnh đạo trước đây là PGS. TS. Võ Phán và ở giai đoạn sau là PGS. TS. Lê
Bá Vinh, đã tạo mọi điều kiện, đóng góp nhiều ý kiến quí báu trong quá trình thực hiện
luận án này. Tôi thật sự biết ơn các thầy cô và các đồng nghiệp tại trường đại học Kiến
trúc TP Hồ Chí Minh, PGS. TS. Nguyễn Bá Kế, GS. TS. Nguyễn Tiến Chương, PGS.
TS. Đoàn Thị Minh Trinh đã khích lệ, động viên và giúp đỡ tôi dưới mọi hình thức để
tôi có thể hoàn thành được luận án đúng thời hạn. Tôi đặc biệt biết ơn GS. TS. Tatsuo
Matsumoto, Đại học Kanazawa đã cung cấp cho tôi chương trình PRAB, là công cụ
chính để tôi hoàn thành nghiên cứu của mình.

iv


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xiii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA BÈ MÓNG TRÊN HỆ CỌC
..............................................................................................................4

1.1 Các khái niệm .....................................................................................................4
1.1.1

Khái niệm về móng bè – cọc .......................................................................4

1.1.2

Khái niệm về sự làm việc của cọc ...............................................................4

1.1.3

Quan niệm tính toán móng bè – cọc ...........................................................5

1.1.4

Cơ chế hoạt động của bè .............................................................................8

1.2 Số liệu thống kê từ 31 công trình móng bè – cọc trong nước và trên thế giới ...9
1.3 Các phương pháp phân tích bè .........................................................................10
1.3.1

Các phương pháp giản lược ......................................................................10

1.3.2

Các phương pháp giải tích ........................................................................13

1.3.3

Các phương pháp số ..................................................................................17

1.4 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của kết cấu bên trên và nền, cọc đến nội lực và
biến dạng trong bè ............................................................................................19
1.4.1

Ảnh hưởng của kết cấu bên trên đến nội lực và biến dạng của bè ............19

1.4.2

Ảnh hưởng của hệ cọc đến nội lực và biến dạng của bè ...........................20

1.4.3

Ảnh hưởng của đất nền bên dưới đến nội lực và biến dạng của bè ..........22

1.5 Nhận xét............................................................................................................23
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP LUẬN, CƠ SỞ CỦA CHƯƠNG TRÌNH PRAB
VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................................25
2.1 Phương pháp luận .............................................................................................25
2.1.1
lại

Phương pháp phân tích tương tác giữa bè với đất nền và hệ cọc và ngược
...................................................................................................................25

2.1.2

Phương pháp phân tích tương tác giữa bè và kết cấu bên trên và ngược lại.
...................................................................................................................25

2.1.3

Phương pháp phân tích chiều dày bè hợp lý .............................................26

2.2 Cơ sở lý thuyết của chương trình PRAB ..........................................................27
2.2.1

Mô phỏng móng bè - cọc trong PRAB .....................................................27

v


2.2.2

Ứng xử ứng suất – biến dạng của đất nền theo lý thuyết đàn hồi .............28

2.2.3

Sự phân bố tải trọng và chuyển vị dọc chiều dài cọc ................................38

2.2.4

Ma trận độ cứng của móng bè – cọc [1], [2] .............................................39

2.3 Thiết kế công trình mô hình phục vụ nghiên cứu ............................................42
2.3.1

Lựa chọn công trình nguyên mẫu ..............................................................42

2.3.2

Thiết kế công trình mô hình ......................................................................43

2.3.3

Đánh giá sơ bộ mô hình nghiên cứu .........................................................50

2.4 Nhận xét............................................................................................................51
CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
CHIỀU DÀY BÈ BẰNG PRAB ...................................................................................53
3.1 Ảnh hưởng của các tổ hợp tải trọng đến nội lực và chuyển vị tại bè ...............53
3.2 Ảnh hưởng của chiều dày bè đến nội lực, biến dạng tại bè, nền và cọc ..........54
3.2.1

Sự phân phối tải trọng giữa cọc & bè .......................................................54

3.2.2

Sự phân phối tải trọng tại đỉnh các cọc trong bè .......................................55

3.2.3

Sự phân phối nội lực trong cọc, ứng suất trong nền theo chiều dài cọc ...56

3.2.4

Sự phân bố mô men trong bè ....................................................................57

3.2.5

Chuyển vị lệch tại bè (Biến dạng của bè) .................................................60

3.3 Ảnh hưởng của kết cấu bên trên đến biến dạng của bè ....................................60
3.3.1

Ảnh hưởng của độ cứng kết cấu bên trên ..................................................61

3.3.2

Ảnh hưởng của số lượng tầng (tải trọng) đến chiều dày bè ......................62

3.3.3

Ảnh hưởng của khoảng cách cột ...............................................................63

3.4 Ảnh hưởng của đất nền bên dưới đến biến dạng của bè ..................................64
3.4.1

Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi đất nền nằm ngay dưới đáy bè ...............65

3.4.2

Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp đất nền nằm dưới mũi cọc ...............66

3.5 Ảnh hưởng của hệ cọc đến biến dạng của bè ...................................................67
3.5.1

Ảnh hưởng của sơ đồ bố trí cọc ................................................................67

3.5.2

Ảnh hưởng của số lượng cọc.....................................................................69

3.5.3

Ảnh hưởng của đường kính cọc ................................................................70

3.5.4

Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc ................................................70

3.5.5

Ảnh hưởng của chiều dài cọc ....................................................................71

3.5.6

Ảnh hưởng của độ cứng của móng ...........................................................73
vi


3.6 Nhận xét............................................................................................................74
CHƯƠNG 4

THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ DỰ TÍNH CHIỀU DÀY BÈ..
............................................................................................................76

4.1 Phương pháp chỉ xét đến ảnh hưởng của số lượng tầng – Phương pháp A .....76
4.2 Phương pháp có xét đến ảnh hưởng đồng thời số lượng tầng và mô đun đàn
hồi của đất nền – Phương pháp B .....................................................................77
4.2.1

Trường hợp 1 .............................................................................................77

4.2.2

Trường hợp 2 .............................................................................................78

4.2.3

Trường hợp 3 .............................................................................................79

4.2.4

Trường hợp 4 .............................................................................................80

4.3 Phương pháp có xét đến đồng thời số lượng tầng, ảnh hưởng của đất nền và hệ
cọc – Phương pháp đồ thị .................................................................................82
4.4 Nhận xét............................................................................................................84
CHƯƠNG 5
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ VÀ KIỂM CHỨNG KẾT
QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................................................85
5.1 Phân tích sâu sáu công trình chọn lọc ..............................................................85
5.1.1

Treptower, Berlin [26], [28] ......................................................................85

5.1.2

Dubai Tower, Doha [32] ...........................................................................86

5.1.3

ICC TOWER, HongKong [10], [33] .........................................................87

5.1.4

Messeturm Tower, Franfurt [4] .................................................................88

5.1.5

Bitexco Financial Tower ...........................................................................89

5.1.6

Incheon Tower [34] ...................................................................................90

5.1.7

Ứng dụng và kiểm chứng phương pháp đồ thị với sáu công trình chọn lọc .
...................................................................................................................91

5.2 Ứng dụng và kiểm chứng phương pháp đồ thị với toàn bộ 31 công trình thống
kê ......................................................................................................................92
5.3 Nhận xét............................................................................................................93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................95
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .....................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................99
PHỤ LỤC A CÁC THAM SỐ CỦA 31 CÔNG TRÌNH THỐNG KÊ ........................... I

vii


PHỤ LỤC B MỘT SỐ THAM SỐ DÙNG ĐỂ THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA
CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ..................................................................................III
PHỤ LỤC C SỰ PHÂN PHỐI NỘI LỰC GIỮA NỀN VÀ CỌC ............................. XII
PHỤ LỤC D

SỰ PHÂN PHỐI NỘI LỰC VÀ CHUYỂN VỊ............................... XVII

PHỤ LỤC E: SỰ PHÂN PHỐI NỘI LỰC TRONG BÈ VÀ BIẾN DẠNG CỦA BÈ /
LÚN CỦA ĐẤT NỀN / CHUYỂN VỊ CỦA MÓNG .......................................... XXXIX
PHỤ LỤC F ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU BÊN TRÊN .................................. XLV
PHỤ LỤC G: PHƯƠNG PHÁP MỞ RỘNG TỪ POULOS (2001) ..................... XLVI
PHỤ LỤC H: PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ.................................................................... LX
PHỤ LỤC I: KIỂM CHỨNG VÀ HIỆU CHUẨN PP ĐỒ THỊ ............................ LXVII

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1

Phân biệt móng bè, móng cọc và móng bè – cọc [1], [2] ............................4

Hình 1. 2

Mô hình tính toán độ cứng của cọc đơn [3] ................................................8

Hình 1.3

Mô phỏng cơ chế hoạt động của bè móng [9] .............................................9

Hình 1.4 Quan hệ chiều dày bè – số tầng của 31 công trình thống kê [10],[11],[12] 10
Hình 1.5

Áp lực tiếp xúc (a) Bè cứng và (b) Bè mềm (Lopes, 1994) [13] ...............11

Hình 1.6

Chiều dày bè theo Diep [15] và theo số liệu thống kê [10], [11], [12] .....12

Hình 1.7 Bề dày bè theo phương pháp Poulos mở rộng và theo thực tế (Phụ lục G) .16
Hình 1.8

Tối ưu hóa chiều dày bè theo phương pháp PRAB (Xem mục 4.1)..........18

Hình 2.1

Mô phỏng móng bè - cọc [1], [2]

Hình 2.2

a) Biến dạng xung quanh cọc, b) Ứng suất tại phần tử đất [7] ................31

Hình 2.3

Mô hình đất nền nhiều lớp [1], [2] ............................................................33

Hình 2.4

Mô đun đàn hồi trung bình [1] ..................................................................35

Hình 2.5

Lời giải Mindlin cho tải tập trung thẳng đứng và phương ngang ............37

Hình 2.6

Phương pháp truyền tải [6] .......................................................................39

Hình 2.7

Hệ tọa độ mô phỏng cọc nghiêng (Kitiyodom (2003) ..............................40

28

Hình 2.8 Mô phỏng cọc và bè bằng phương pháp phần tử hữu hạn [1] .....................41
Hình 2.9

Nguyên mẫu công trình Treptower, Berlin [26] ........................................42

Hình 2.10

Sơ đồ phân chia lưới phần tử hữu hạn cho bè móng ................................43

Hình 2.11

Kết quả thí nghiệm SPT, số 36 Mạc đĩnh Chi, Q1, TPHCM ....................45

Hình 2.12 Quan điểm bố trí cọc ở những vị trí trọng yếu để giảm chuyển vị lệch [4]47
Hình 2.13

Sự phân phối áp lực dưới móng bè (Terzaghi & Peck 1956) ...................47

Hình 2.14

Sơ đồ bố trí cọc đường kính 2m, 2.5m và sơ đồ móng bè .........................48

Hình 2.15

Sơ đồ bố trí cọcđường kính 1m và đường kính 3m ...................................48

Hình 3.1

Phân bố mô men, lực dọc tại đỉnh cọc và chuyển vị tại mặt cắt qua tâm bè
ở các trường hợp tổ hợp tải trọng khác nhau

54

Hình 3.2

Sự phân bố tải trọng tại đỉnh cọc theo các mặt cắt song song với trục x. 55

Hình 3.3

Sự thay đổi tải trọng tại đỉnh cọc trong móng bè – cọc theo chiều dày bè...
...................................................................................................................56

Hình 3.4

Ảnh hưởng của chiều dày bè đến sự phân phối tải trọng trong cọc ........56
ix


Hình 3.5

Ảnh hưởng của chiều dày bè đến sự phân phối mô men và lực dọc trong

cọc

57

Hình 3.6

Ảnh hưởng của chiều dày bè đến sự phân phối ứng suất trong nền .........57

Hình 3.7

Sự phân phối mô men uốn trong bè ..........................................................58

Hình 3.8

Sự thay đổi mô men âm và mô men dương khi bè có chiều dày khác nhau

.......................................................................................................................................59
Hình 3.9

Ảnh hưởng của chiều dày bè đến chuyển vị lệch ......................................60

Hình 3.10

Quá trình tái phân bố nội lực và chuyển vị tại chân cột khi có xét đến ảnh

hưởng độ cứng kết cấu bên trên. ...................................................................................61
Hình 3.11

Ảnh hưởng của kết cấu bên trên đến sự tái phân bố tải trọng tại chân cột ..

...................................................................................................................62

Hình 3.12

Mức giảm chuyển vị lệch khi có xét đến độ cứng kết cấu bên trên ...........62

Hình 3.13

Mối quan hệ chiều dày bè và chiều cao tầng ............................................63

Hình 3.14

Mối quan hệ giữa chuyển vị và khoảng cách giữa các cột .......................64

Hình 3.15

Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi đến chuyển vị lệch và chiều dày bè .......65

Hình 3.16

Ảnh hưởng của lớp đất cứng dưới mũi cọc đến chuyển vị lệch ................66

Hình 3.17

Chuyển vị trên mặt cắt qua tâm bè............................................................68

Hình 4.1

Mối quan hệ giữa chiều dày bè và số lượng tầng theo phương pháp A ..77

Hình 4.2

Mối quan hệ chiều dày bè và số tầng tại

............................78

Hình 4.3

Mối quan hệ chiều dày bè và số tầng tại

.............................78

Hình 4.4

Mối quan hệ chiều dày bè và số tầng tại

...........................79

Hình 4.5

Mối quan hệ chiều dày bè và số tầng tại

..........................79

Hình 4.6

Biểu đồ tương tác xác định chiều dày bè theo Phương pháp B ........ Error!

Bookmark not defined.81
Hình 4.7

So sánh phương pháp đồ thị với phương pháp B và kết quả thống kê
Error! Bookmark not defined.82

Hình 4. 8

Kiểm chứng phương pháp đồ thị với các phương pháp khác ...................85

Hình 5.1

Chuyển vị tính toán theo các phương pháp và kết quả quan trắc, tối ưu
hóa chiều dày bè theo PRAB

85

Hình 5.2 Chuyển vị tính toán theo phương pháp, tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB
.......................................................................................................................................86
x


Hình 5.3 Chuyển vị tính toán theo phương pháp, tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB
.......................................................................................................................................87
Hình 5.4 Chuyển vị tính toán theo PRAB và kết quả quan trắc, tối ưu hóa chiều dày
bè theo PRAB .................................................................................................................88
Hình 5.5

Chuyển vị tính toán theo PRAB và kết quả quan trắc, tối ưu hóa chiều dày

bè theo PRAB .................................................................................................................89
Hình 5.6 Chuyển vị tính toán theo phương pháp, tối ưu hóa chiều dày bè theo PRAB

.......................................................................................................................................90

xi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1

Các tham số của mô hình nghiên cứu .......................................................49

Bảng 2.2

Các tham số của hệ cọc trong 13 mô hình nghiên cứu (PDR)..................50

Bảng 2.3

Độ cứng của móng và mức huy động sức chịu tải của cọc theo PDR ......51

Bảng 3.1

Chuyển vị lệch theo khoảng cách cột và chiều dày bè (%)........................64

Bảng 3.2

Phân bố tải trọng và chuyển vị của các sơ đồ cọc có đường kính 2 m .....68

Bảng 4.1

Các đặc trưng của mô hình dùng để phân tích ảnh hưởng của số tầng ....76

Bảng 4. 2

Chiều dày bè của các công trình được thiết kế dạng móng bè .................83

Bảng 4. 3

Chiều dày bè của các công trình móng cọc (m) ........................................83

Bảng 5.1 ......... Kiểm chứng và hiệu chuẩn phương pháp đồ thị với 6 công trình chọn lọc
.......................................................................................................................................91
Bảng 5.2
Bảng 5. 3

Kiểm chứng chiều dày bè theo phương pháp đồ thị..................................92
Bảng giá trị hệ số K ..................................................................................94

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

a

(m2)

Diện tích mặt cắt ngang của cọc

(m)

Bán kính tương đương của phần tử bè a = b/

aij

Hệ số độ mềm của đất nền biểu thị chuyển vị tại nút i do tải đơn
vị tác dụng tại nút j

B

(m)

Chiều rộng của bè

b, d

(m)

Kích thước của phần tử bè

DS

(mm)

Chuyển vị lệch

DS/L

(%)

Chuyển vị lệch tương đối

(m)

Đường kính của cọc

dn

(m)

Khoảng cách từ mũi cọc đến đất nền

dp

(m)

Khoảng cách giữa các cọc

Ep

( MPa) Mô đun đàn hồi của cọc bê tông

Es

( MPa) Mô đun đàn hồi của đất nền

Esav

( MPa) Mô đun đàn hồi trung bình của đất dọc thân cọc

Esb

( MPa) Mô đun đàn hồi của đất dưới mũi cọc

Esl

( MPa) Mô đun đàn hồi của đất tại mũi cọc
( MPa) Mô đun đàn hồi tương đương của đất nền
( MPa) Mô đun đàn hồi tương đương của lớp đất thứ i
Mô đun chống cắt tại các độ sâu tương ứng,

GL/2 , GL

(MPa)

Gs ,

( MPa) Mô đun chống cắt,

h

(m)

Chiều sâu nền
Hệ số chuyển vị đứng của phần tử i do tải trọng tác dụng tại
phần tử j

[IP]

Ma trận tương tác của cọc
Ma trận hệ số chuyển vị của đất nền.

,
K
Kr

Chênh lệch giữa các hệ số chuyển vị thẳng đứng
Hệ số ảnh hưởng của cọc đến chiều dày bè
( MPa) Độ cứng của bè
xiii


Kpr

( MPa) Độ cứng của móng bè – cọc,

Kp

( MPa) Độ cứng của nhóm cọc

Krs

( MPa) Độ cứng bè – nền

Ksb

( MPa) Độ cứng kêt cấu bên trên – nền

L

(m)

Khoảng các giữa vị trí chuyển vị lớn nhất và nhỏ nhất

Lc

(m)

Khoảng các giữa các cột

(m)

Chiều dài của bè

Lp

(m)

Chiều dài cọc

L

(m)

Chiều dài của phần tử cọc

(cọc)

Số cọc trong hàng thứ i

np

(cọc)

Số lượng cọc trong bè

Pi

(MN)

Tải trọng tác dụng tại nút i có độ cứng tương ứng ki

Pj

(MN)

Tải trọng tác dụng tại nút j có độ cứng tương ứng kj

Pr

(MN)

Tải trọng do bè chịu

Pt

(MN)

Tổng tải trọng tác dụng lên bè

Pup

(MN)

Tổng tải trọng cực hạn do cọc chịu

Pp

(MN)

Tải trọng tác dụng tại đầu cọc

Pc

(MN)

Tải trọng tác dụng tại đầu cột

ứ

Véc tơ ứng suất của cọc
Tỷ số diện tích tiết diện cọc và diện tích xung quanh cọc.

RA
rc

(mm)

Bán kính trung bình của phần tử bè, tương ứng với diện tích bè
chia cho số lượng cọc

rm

(mm)

Bán kính vùng nền bị ảnh hưởng xung quanh cọc

ro

(mm)

Bán kính của cọc

rp

(m)

Bán kính tương đương của cọc (trường hợp không phải là cọc
tròn)

S

(mm)

Chuyển vị (mm)

Spr

(mm)

Chuyển vị của móng bè – cọc

Sr

(mm)

Chuyển vị của của móng bè

X

Tỷ lệ tải trọng do bè chịu
xiv


w1

(mm)

Chuyển vị của nút thứ 1

wi

(mm)

Chuyển vị của nút thứ i

wk

(mm)

Chuyển vị của nút k

wp

(mm)

Chuyển vị của nhóm cọc

wr

(mm)

Chuyển vị của bè
Hệ số tương tác giữa cọc và bè.

kj

Hệ số tương tác giữa nut k và nút j (

kj

= 1 khi k = j)

αpr

Hệ số chuyển vị của hệ cọc do tương tác của tải tác dụng lên bè.

αrp

Hệ số chuyển vị của bè do tương tác của tải tác dụng lên hệ cọc.
Hệ số độ sâu
Tỷ số mô đun đàn hồi của cọc và mô đun chống cắt tại mũi cọc

Hệ số Poisson của đất nền

ξ

Tỷ số mô đun đàn hồi của đất tại mũi cọc và dưới mũi cọc
Tỷ số mô đun chống cắt ở độ sâu giữa thân cọc và tại mũi cọc
Véc tơ chuyển vị của nền

xv


MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài, mục đích của nghiên cứu

Từ kết quả phân tích và tổng hợp các nghiên cứu lý thuyết và số liệu thống kê của 31
công trình cao tầng của các tác giả trong nước và trên thế giới, cho thấy dường như
chưa có sự quan tâm thích đáng đến sự làm việc tối ưu của bè, do đó bề dày của chúng
thường có giá trị lớn. Vì vậy, cần thiết phải làm sáng tỏ sự làm việc của bè, các yếu tố
ảnh hưởng đến sự làm việc của nó trong toàn bộ tương tác kết cấu bên trên – bè móng
– nền, cọc. Từ đó, mục đích của nghiên cứu được xác định là: (i) Giải thích được
nguyên nhân tại sao các nhà tư vấn thiết kế chọn chiều dày dày bè lớn; (ii) Có thể đưa
ra được phương pháp tính hoặc định hướng cho các nhà tư vấn trình tự chọn lựa chiều
dày hợp lý cho bè của các công trình cao tầng dựa trên một số ít các yếu tố ảnh hưởng
quan trọng nhất.
2.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

Bè móng là kết cấu trung gian giữa kết cấu bên trên và nền, cọc ở bên dưới. Trong
thực tiễn thiết kế và thi công, kết cấu bên trên và nền, cọc ở bên dưới thường được
thiết kế riêng rẽ với quan niệm là kết cấu bên trên được ngàm vào hệ bè – nền, cọc. Đã
có rất nhiều nghiên cứu về sự làm việc giữa bè và nền đất, giữa bè và hệ cọc, giữa bè
và kết cấu bên trên. Nhưng các nghiên cứu về sự làm việc của bè móng trong toàn bộ
tương tác kết cấu bên trên – bè – nền, cọc chỉ mới tạm dừng ở mức độ khái niệm bè
cứng và bè mềm. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp số (PRAB) và các số liệu
thống kê để phân tích sự làm việc của bè móng trong điều kiện tương tác đầy đủ kết
cấu bên trên – bè móng – nền, cọc. Nội dung và kết quả của nghiên cứu thể hiện cách
tiếp cận hoàn toàn mới về sự làm việc của bè móng, có ý nghĩa khoa học cao.
Số liệu thống kê từ 31 công trình đã được xây dựng trong nước và trên thế giới cho
thấy đại đa số bè móng được thiết kế dày theo quan niệm bè cứng, tuy nhiên cũng có
nhiều công trình được thiết kế theo phương pháp bè mềm. Nghiên cứu chỉ ra rằng bè
mềm với biến dạng hợp lý có thể giảm được khoảng 14% chiều dày. Phương pháp đồ
thị mà nghiên cứu đề xuất giúp cho các nhà tư vấn ước lượng nhanh chóng được chiều
dày bè hợp lý trước khi tối ưu hóa nó bằng các phương pháp chính xác.
1


3.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp với phương
pháp thực nghiệm khoa học. Trước hết, luận án phân tích và tổng hợp thực tiễn thiết kế
và lý thuyết về sự làm việc của bè từ các công trình, nghiên cứu đã được công bố. Tiếp
theo, luận án sử dụng phương thực nghiệm khoa học với việc ứng dụng chương trình
PRAB và phương pháp thống kê để phân tích tách bạch, lặp lại, biến thiên từng yếu tố
ảnh hưởng và đánh giá, đo đạc sự biến đổi của mỗi một yếu tố. Kết quả cuối cùng của
nghiên cứu được kiểm chứng bởi số liệu thống kê, quan trắc và kết quả nghiên cứu của

một số tác giả khác.
4.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng của nghiên cứu là sự làm việc của bè trên hệ cọc của các công trình cao
tầng, có xét đến toàn bộ các tương tác với kết cấu bên trên và đất nền cũng như hệ cọc
ở bên dưới. Từ đó hiểu rõ được sự làm việc của bè, xác định được yếu tố nào là quan
trọng, yếu tố nào ít quan trọng hơn. Điều này giúp cho nhà thiết kế có thể tùy ý lược
bỏ những yếu tố ít quan trọng nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán tối ưu chiều dày
bè. Luận án chú trọng vào sự làm việc của bè trong điều kiện tải trọng tĩnh và ứng xử
đàn hồi. Thứ nhất là do ứng xử của bè móng và kết cấu bên trên là đàn hồi, do đó để
đảm bảo tính tương thích, mô hình nền trong nghiên cứu này cũng được chọn mô hình
nền đàn hồi. Thứ hai là để đơn giản cho việc nghiên cứu tác giả chỉ xét đến tải trọng
tĩnh, không xét đến tải trọng động, điều này phù hợp với nhận định của Fellenius
(2011) khi ông cho rằng khi tính lún chỉ cần quan tâm đến tải trọng dài hạn.
5. Những đóng góp mới của Luận án
Kết quả của nghiên cứu khẳng định đại đa số bè móng trong thực tế chưa được quan
tâm thiết kế tối ưu. Nghiên cứu này đã đề xuất phương pháp đồ thị, là phương pháp
mới để phân tích chiều dày bè hợp lý dựa trên ba yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất: số
lượng tầng, mô đun đàn hồi của đất nền và chiều dài cọc.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án có năm chương, hai phần mở đầu, kết luận và các phụ lục. Các kết quả sơ bộ
của nghiên cứu được trình bày trong các phụ lục.
2


Xuất phát điểm của nghiên cứu là sự hoài nghi về chiều dày bè dường như quá lớn của
các công trình cao tầng tại Thành phố Hồ Chí Minh (từ 2 đến 4 m). Để tìm nguyên
nhân của vấn đề này, tác giả của luận án tiến hành thống kê các tham số của 31 công

trình đã xây dựng trong nước và trên thế giới. Kết quả được ghi nhận là bè của tất cả
các công trình cao tầng có chiều cao từ 15 đến 601m có chiều dày từ 0,3 đến 8,0 m.
Tìm hiểu thêm cơ sở lý thuyết về sự làm việc của bè và các yếu tố ảnh hưởng đến nó
của các tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu đã ghi nhận: có hai quan niệm về sự
làm việc của bè trong tương tác kết cấu bên trên – bè – nền cọc, đó là bè mềm hoặc bè
cứng. Nhiều công trình nghiên cứu cũng cho rằng bè làm việc chủ yếu là chống lại
chuyển vị lệch của hệ móng (biến dạng của bè) nhằm đảm bảo sự làm việc an toàn cho
toàn hệ tương tác kết cấu bên trên – bè – nền, cọc.
Để kiểm chứng các đúc kết từ nghiên cứu của các tác giả đã đề cập, luận án sử dụng
chương trình PRAB, một sự kết hợp giữa phương pháp phần tử hữu hạn và lý thuyết
đàn hồi, để phân tích thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của bè như:
kết cấu bên trên, đất nền, hệ cọc thông qua các công trình mô hình.
Dựa trên cơ sở các phát hiện từ phân tích bằng PRAB, luận án thiết lập phương pháp
đồ thị để tính toán chiều dày bè hợp lý, thỏa mãn biến dạng cho phép theo yêu cầu của
tiêu chuẩn Việt nam cũng như khuyến nghị của các nhà nghiên cứu trong và ngoài
nước. Sự phù hợp của các kết quả tính toán chiều dày bè theo phương pháp này với số
liệu thống kê cho thấy các kết luận về vai trò của chiều dày bè và các yếu tố chủ yếu
ảnh hưởng đến biến dạng của bè đề cập trên đây là đáng tin cậy.
Ứng dụng phương pháp đồ thị để tính toán chiều dày bè và kiểm chứng chúng thông
qua phân tích sâu sáu công trình tiêu biểu và phân tích tổng hợp 31 công trình thống
kê, cho thấy: (i) Thực tiễn thiết kế hiện nay chưa quan tâm đúng mức đến việc tối ưu
chiều dày bè; (ii) Bè làm việc chủ yếu là chống lại biến dạng; (iii) Có ba yếu tổ chính
ảnh hưởng đến thiết kế hợp lý chiều dày bè là số lượng tầng, mô đun đàn hồi của đất
nền dưới bè và hệ cọc; (iv) Phương pháp đồ thị mà tác giả thiết lập là đáng tin cậy.
Số liệu thống kê, tham số của mô hình, giá trị nội lực, biến dạng và các kết quả nghiên
cứu sơ bộ thể hiện ở các phụ lục A, B, C, D, E, F, G, H, I, là cơ sở của nghiên cứu này.
3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA
BÈ MĨNG TRÊN HỆ CỌC

1.1 Các khái niệm
1.1.1 Khái niệm về móng bè – cọc
Móng cọc đài bè được hiểu là móng cọc chỉ có duy nhất một đài (bè) lớn, có thể gọi là
móng bè – cọc. Hình 1.1 phân biệt móng bè, móng cọc và móng bè – cọc trên cơ sở
mối quan hệ giữa mức độ giảm chuyển vị và tỷ lệ tải trọng do cọc (hoặc nền dưới bè)
chịu.
Tỷ lệ tải trọng do cọc chòu Q /Q
p

t

1.0

Mức độ giảm chuyển vò,

Sr

0.0

0.0

1.0

Chuyển vò của hệ móng
S =
r

Chuyển vò của móng bè

Móng bè - cọc
Móng bè

Hình 1.1

Móng cọc

Phân biệt móng bè, móng cọc và móng bè – cọc [1], [2]

Có thể thấy rằng khi móng bè khơng đáp ứng u cầu chịu lực, chuyển vị thì cần thiết
phải bố trí thêm cọc để giảm áp lực tiếp xúc dưới bè đồng thời để giảm chuyển vị q
mức. Nếu hệ cọc gánh chịu tồn bộ tải trọng, đó là trường hợp móng cọc. Nếu hệ cọc
cùng gánh chịu tải trọng với bè, đó là trường hợp móng bè – cọc. Có thể xem móng bè
– cọc là trường hợp tổng qt, còn móng bè và móng cọc là hai trường hợp đặc biệt.
1.1.2 Khái niệm về sự làm việc của cọc
Randolph đã đưa ra ba quan niệm thiết kế móng cọc, có thể tóm tắt như sau [3]:
i) “Quan niệm móng cọc truyền thống” là khi phần lớn tải trọng do cọc chịu, bè chỉ
tham gia một phần nhỏ hoặc hầu như khơng tham gia. Cọc thường chỉ làm việc ở 30 –
40% sức chịu tải cực hạn.
4


ii) “Cọc từ biến”: nguyên lý này xảy ra khi cọc làm việc ở tải trọng, mà tại đó biến
dạng dẻo bắt đầu xảy ra, thường vào khoảng từ 70 – 80% sức chịu tải cực hạn. Do đó,
chỉ cần một lượng cọc vừa đủ được đưa vào móng để giảm áp lực tiếp xúc giữa bè và
nền về giá trị nhỏ hơn áp lực tiền cố kết của đất nền. Phần áp lực vượt quá áp lực tiền
cố kết nói trên được gánh đỡ bởi cọc.
Một quan điểm khác của “cọc từ biến” là sử dụng toàn bộ sức chịu tải cực hạn của

cọc, nghĩa là một số hoặc toàn bộ cọc được thiết kế để làm việc với 100% sức chịu tải
cực hạn. Từ đó nảy sinh quan điểm sử dụng cọc chủ yếu như công cụ giảm chuyển vị,
tức là cọc tham gia chịu tải cùng với đất nền trong hệ móng.
iii) Nguyên lý “kiểm soát chuyển vị lệch” trong đó cọc được bố trí ở các vị trí trọng
yếu để làm giảm chuyển vị lệch, chứ không phải là giảm chuyển vị tổng thể. Nếu
chuyển vị lệch được kiểm soát bởi cọc thì mô men, biến dạng của bè rất nhỏ, chiều dày
bè chỉ còn phụ thuộc vào nội lực tại chân cột.
1.1.3 Quan niệm tính toán móng bè – cọc
Móng bè – cọc được định nghĩa là khi một phần tải trọng được truyền qua cọc và phần
còn lại được truyền trực tiếp từ bè trực tiếp xuống nền. Phương pháp PDR (Poulos –
Davis – Randolph) sau đây minh họa khái niệm móng bè – cọc [3]. Quan niệm này
dựa trên 2 giả thiết:
i)

Chuyển vị của cọc và của đất nền bằng nhau tại bè;
do tính thuận nghịch.

ii)

Ma trận tải trọng – chuyển vị mô phỏng sự làm việc của móng bè – cọc được xác định
bởi Randolph [4]:
(1.1)
Trong đó:

:

Chuyển vị của cọc;

:

Chuyển vị của bè;

:

Độ cứng chống chuyển vị của hệ cọc;

:

Độ cứng chống chuyển vị của bè;
: Hệ số tương tác chuyển vị của cọc do lực tác dụng tại bè;
5


: Hệ số tương tác chuyển vị của bè do lực tác dụng tại hệ cọc.
Độ cứng (stiffness) của móng bè – cọc là tổng hợp độ cứng của 2 thành phần: do hệ
cọc và do bản thân bè. Randolph đưa ra biểu thức xác định độ cứng của móng bè – cọc
như sau [4]:

Trong đó:

:

Tải trọng do cọc chịu;

:

Tải trọng do bè chịu;
: Chuyển vị của móng bè – cọc;
:

Hệ số tương tác giữa bè và cọc.

: bán kính cọc tương đương;
: bán kính bè tương đương.
(1.5)
Độ cứng của hệ cọc có thể xác định theo theo phương pháp bè tương đương của
Tomlinson [5], phương pháp cột tương đương của Poulos & Davis [6]. Nó cũng có thể
xác định từ độ cứng của cọc đứng độc lập theo biểu thức của Randolph & Wroth [7]
theo các công thức (1.8), sau đó sử dụng biểu thức (1.6) của Butterfield & Douglas,
(1981) để tính độ cứng của cả hệ:

Trong đó:

:

Độ cứng của hệ cọc;
Số lượng cọc trong hệ;

:
:

Độ cứng tại đỉnh cọc đứng độc lập;
Hệ số hiệu quả nhóm (Fleming et al, 1992);

:

=

:

Hằng số (0,3 – 0,5 cho cọc ma sát;
:

Tỷ số chuyển vị nhóm.
6

cọc chịu mũi);


Độ cứng của cọc đơn (đứng độc lập), xem Hình 1.2, có thể xác định từ biểu thức sau
đây của Randolph & Wroth [7]:

Từ (1.7) độ cứng của cọc đơn có thể viết:

Trong đó,

:

Tải trọng tại đỉnh cọc;

:

Chuyển vị tại đỉnh cọc;

:

Bán kính cọc;

:

Chiều dài cọc;

:

Mô đun cắt của đất nền tại mũi cọc;

:

=
:

=

/ ,

là bán kính tại mũi cọc;

Hệ số Poisson của đất;
Tỷ số mô đun cắt của đất tại cao độ mũi cọc và dưới cao độ mũi

/

cọc;
=

/

Hệ số biến động mô đun cắt theo chiều sâu (Gave mô đun cắt trung
bình của đất nền dọc thân cọc);

=

/

Độ cứng tương đối giữa đất và cọc (sử dụng để đánh giá cọc dài,
ngắn).
=

Độ cứng của móng bè được xác định bằng nhiều phương pháp, nó cũng có thể xác
định từ biểu thức sau đây của Muki (1981) [8]:

Do đó độ cứng của móng bè:

7


Trong đó,

:

Chuyển vị trung bình móng bè;
Tải trọng do bè chịu;

:

Bán kính bè tương đương;

=
:

Hình 1. 2

Diện tích bè, hoặc diện tích phần tử bè.

Mô hình tính toán độ cứng của cọc đơn [3]

Phương pháp PDR trên đây được sử dụng để xây dựng mô hình nghiên cứu.
1.1.4 Cơ chế hoạt động của bè
Bè là kết cấu trung gian nằm giữa kết cấu bên trên và nền, cọc ở bên dưới. Toàn bộ tải
trọng từ kết cấu bên trên truyền xuống nền và hệ cọc thông qua bè. Ngược lại, các biến
dạng, chuyển vị của đất nền và hệ cọc ảnh hưởng ngược lên hệ thống kết cấu bên trên,
cũng thông qua bè. Có thể nhận thấy hai quá trình: (i) Sự phân phối nội lực và biến
dạng trong các kết cấu móng dưới tác dụng của tải trọng từ kết cấu bên trên; (ii) Sự
phân phối lại nội lực và biến dạng của các kết cấu bên trên là hệ quả của chuyển vị và
biến dạng của nền và cọc ở bên dưới.
Trong các quá trình đó, bè có nhiệm vụ triệt tiêu các nội lực và biến dạng xuất hiện
trong bản thân bè để cân bằng sự làm việc của kết cấu bên trên và hệ kết cấu móng ở
bên dưới. Dễ dàng nhận thấy có hai phương pháp để triệt tiêu các nội lực và biến dạng
nói trên: hoặc là tăng chiều dày bè thật lớn để gánh chịu bất cứ nội lực nào xuất hiện
tại bè, hoặc là kết cấu bên trên và kết cấu hệ móng phải được thiết kế hợp lý sao cho
nội lực trong bè không xuất hiện hoặc xuất hiện với giá trị nhỏ.
8