Phân tích ứng xử phân chia tải của hệ móng bè cọc - tường vây

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ PHÂN CHIA TẢI CỦA
HỆ MÓNG BÈ CỌC - TƯỜNG VÂY
LÊ BÁ VINH*
NGUYỄN NHỰT NHỨT
NGUYỄN VĂN NHÂN

Analysis of load sharing behavior of the piled raft foundation diaphragm walls
Abstract: The load-sharing behavior of the piled raft foundation diaphragm walls system is extremely complicated by the load-sharing
interaction of load distribution of the three components rafts, piles and
diaphragm walls. It is important to assess the load carrying capacity of
the diaphragm wall and the distribution of the load on the piles to be
reduced when the diaphragm wall is plugged into the hard soil. Plaxis
3D finite element analysis is performed with cases of resizing raft,
number of piles, pile length and diaphragm wall length. Based on the
results of finite element analysis, the raft foundation - diaphragm wall
system was proposed to be calculated when the load factor for the pile
group βp ≤ 0.1.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ*
Trong quan niệm thiết kế móng cho các công
trình nhà cao tầng có tầng hầm, hiện nay chỉ
quan tâm đến khả năng mang tải của bè và
nhóm cọc [1,2,3], thiết kế tƣờng vây với yêu cầu
chịu tải theo phƣơng ngang trong quá trình thi
công móng tầng hầm mà chƣa xét đến khả năng
mang tải đứng của tƣờng vây [7,8,9]. Các mô
phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis
3D đƣợc thực hiện trên các trƣờng hợp móng bè
cọc – tƣờng vây khác nhau về kích thƣớc móng,
số lƣợng cọc, khoảng cách giữa các cọc và
chiều dài tƣờng vây.
Mục đích để khảo sát sự ảnh hƣởng của số

lƣợng cọc, khoảng cách giữa các cọc, chiều dài
tƣờng vây đến sự tƣơng tác phân chia tải cho bè,
các cọc và tƣờng vây trong hệ móng bè – cọc –
*

Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng,
Tr

ng Đ i H c Bách Khoa - Đ i H c

Thành Ph Hồ Chí Minh.

u c Gia

tƣờng vây. Kết quả nghiên cứu này giúp cho các
kỹ sƣ có sự nhìn nhận chính xác hơn về khả
năng mang tải của tƣờng vây trong hệ móng bè
cọc – tƣờng vây, qua đó có thể giảm bớt số
lƣợng cọc không cần thiết trong hệ móng bè cọc
– tƣờng vây và có thể hƣớng đến phƣơng án
móng bè - tƣờng vây khi hệ số chia tải của cọc
βp ≤ 0.1.
2. ỨNG XỬ TƢƠNG TÁC CỦA HỆ
MÓNG BÈ CỌC KẾT HỢP TƢỜNG VÂY
Móng bè cọc là một hệ móng kết hợp từ ba
thành phần chịu lực nhƣ là: cọc, bè và đất nền
bên dƣới nhƣ hình 1. Tổng phản lực của móng
cọc đài bè Rtotal:
Rtotal  Rraft   Rpile,i  Stot

(1)

Ứng xử phân chia tải của bè – nhóm cọc –
tƣờng vây là rất phức tạp do các ảnh hƣởng
tƣơng tác thay đổi theo độ lún và chiều dài
tƣờng vây nhƣ hình 2.

Email:

4

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018


 T ơng tác
c c – đất;
 T ơng tác
c c – c c;
 T ơng tác
bè – đất;
 T ơng tác
bè – c c;

Hình 1. Hiệu ứng t ơng tác giữa đất và cấu
trúc trong móng c c đài bè của Katzenbach et
al. (1998) and Katzenbach et al. (2000).
diaphragm wall

raft

3

5

2

7
6

4
1

pile

 T ơng tác c c – đất;  T ơng tác bè – đất; 
T ơng tác t ng vây – đất;  T ơng tác c c – c c.
 T ơng tác bè – c c;  T ơng tác t ng vây –
c c;  T ơng tác t ng vây – bè.
Hình 2. Ứng xử t ơng tác của hệ móng
bè c c - t ng vây.

Khả năng mang tải của hệ móng bè cọc tƣờng vây bao gồm ba thành phần là: bè, nhóm
cọc, tƣờng vây.
Qrpw  Qr  Qp  Qw

trong đó Qrpw

(2)
= khả năng mang tải của hệ

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018

móng bè cọc - tƣờng vây; Qr = khả năng mang
tải của bè; Qp = khả năng mang tải của nhóm
cọc; Qw = khả năng mang tải của tƣờng vây.
Khả năng mang tải của hệ móng bè cọc tƣờng vây là sự kết hợp từ khả năng mang tải
của bè, khả năng mang tải của nhóm cọc và khả
năng mang tải của tƣờng vây, ứng xử phân chia
tải đƣợc mô tả bằng hệ số phân chia tải của
tƣờng vây là αw và hệ số phân chia tải của nhóm
cọc là βp , áp dụng cho tổng tải tác dụng lên hệ
móng bè cọc - tƣờng vây đƣợc đƣa ra nhƣ sau:

w 

Qw
Qrpw

p 

Qp
Qrpw

(3)
(4)

trong đó Qw = khả năng mang tải của tƣờng
vây; Qp = khả năng mang tải của nhóm cọc;
Qrpw = khả năng mang tải của hệ móng bè cọc tƣờng vây.
Theo công thức (3), αw thay đổi từ 0 đến 1,

hệ số αw ≈ 0 tƣờng vây gần nhƣ không tham gia
gánh tải và hệ cấu móng là móng bè - cọc.
Theo công thức (4), βp thay đổi từ 0 đến 1, hệ
số αp ≈ 0 các cọc gần nhƣ không tham gia gánh
tải và hệ cấu móng là hệ móng bè - tƣờng vây.
3. PHÂN TÍCH SỐ MÓNG BÈ CỌC KẾT
HỢP TƢỜNG VÂY
3.1. Mô hình phần tử hữu hạn
Bè - cọc - tƣờng vây đƣợc mô hình trong
Plaxis 3D bao gồm các nhóm cọc nhƣ là 4x4
cọc; 6x6 cọc và 8x8 cọc, đƣờng kính cọc d p =
0.5m, bê tông cọc có cấp độ bền B50, chiều dài
cọc Lp = 40m, khoảng cách giữa các cọc đƣợc
xem xét là 3dp; 6dp; 9dp. Tƣờng vây dày d w =
0.6m, bê tông tƣờng vây có cấp độ bền B50,
chiều dài tƣờng vây xem xét là L w = 6m; Lw =
16m; Lw = 26m; Lw = 36m; Lw = 46m. Mô hình
điển hình trong Plaxis 3D sử dụng để mô
phỏng hệ móng bè - cọc - tƣờng vây nhƣ hình 3
và hình 4.
5


Lớp đất

Hình 3. Mô hình phần tử hữu h n bè - c c t ng vây.

Lớp cát

Mô đun cát tuyến xác

định từ nén 3 trục, áp
lực buồng pref

E50ref
(kN/m2)

18000

Mô đun tiếp luyến
xác định từ nén 1
trục không nở hông

Eoed
(kN/m2)

18000

Mô đun đƣờng dỡ
tải, gia tải

Eur (kN/m2)

54000

m

0.5

Lực dính đơn vị

c‟ (kN/m2)

0

Góc nội ma sát

φ‟ (o)

28

Góc nở

ψ (o)

0

Hệ số poisson giai
đoạn làm việc dỡ tải
– gia tải

υur

0.2

Áp lực buồng khi
thí nghiệm

pref (kN/m2)

100

Hệ số mũ

Hình 4. Mô hình phân tích phần tử hữu
h n hệ móng bè c c - t ng vây
3.2. Các thông số đất trong mô hình phân
tích phần tử hữu hạn
Đất là một vật liệu phức tạp, có ứng xử khác
nhau trong giai đoạn gia tải ban đầu, dỡ tải và
gia tải lại. Trong nghiên cứu, lớp đất đƣợc mô
phỏng với mô hình Hardening Soil. Chi tiết
thông số mô hình đƣợc chỉ dẫn trong PLAXIS
3D manuals. Tóm tắc các thông số vật liệu đất
đƣợc sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn
nhƣ bảng 1.
Bảng 1. Thông số lớp đất của mô hình
Hardening Soil sử dụng trong phân tích
Lớp đất

Lớp cát

Trọng lƣợng riêng
tự nhiên

γunsat
(kN/m3)

18

Trọng lƣợng riêng

đất no nƣớc

γsat (kN/m3)

19

6

Độ đáy lớp (m)

100

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Phân chia tải cho bè, nhóm cọc và
tƣờng vây
Theo hình 5, xét nhóm cọc 4x4, chiều dài
tƣờng vây Lw = 6m khoảng cách cọc 9D tại độ
lún 0.02m có phần trăm chia tải cho bè là 31%
và phần trăm chia tải cho bè là 23% tại độ lún
0.08m. Nhóm cọc 8x8, chiều dài tƣờng vây L w
= 6m khoảng cách cọc 9D tại độ lún 0.02m có
phần trăm chia tải cho bè là 30% và phần trăm
chia tải cho bè là 18% tại độ lún 0.08m. Vậy
trên cùng khoảng cách cọc và chiều dài tƣờng
vây, sự phân chia tải cho bè giảm đáng kể theo
độ lún, sự phân chia tải cho bè giảm nhiều hơn
khi tăng số lƣợng cọc.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018

nhiều hơn khi tăng số lƣợng cọc. Với cùng
nhóm cọc và khoảng cách cọc, phần trăm chia
tải cho nhóm cọc giảm mạnh khi chiều dài
tƣờng vây tăng.

(a) Nhóm 4x4 c c.

(a) Nhóm 4x4 c c.

(b) Nhóm 8x8 c c.
Hình 5. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên bè và độ
lún của bè theo các cự ly c c và chiều dài
t ng vây.
Theo hình 6, xét nhóm cọc 4x4, khoảng cách
cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, tại độ lún
0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc là
62% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 71%
tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 4x4, khoảng cách
cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, tại độ
lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc
là 2% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 5%
tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 8x8, khoảng cách
cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m, tại độ lún
0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc là
64% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là 73%
tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 8x8, khoảng cách
cọc 9D, chiều dài tƣờng vây Lw = 46m, tại độ
lún 0.02m có phần trăm chia tải cho nhóm cọc
là 7% và phần trăm chia tải cho nhóm cọc là
11% tại độ lún 0.08m. Vậy trên cùng khoảng

cách cọc, sự phân chia tải cho nhóm cọc tăng
theo độ lún, sự phân chia tải cho nhóm cọc tăng

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018

(b) Nhóm 8x8 c c.
Hình 6. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên nhóm
c c và độ lún của bè theo các cự ly c c và
chiều dài t ng vây.

(a) Nhóm 4x4 c c.

7


(b) Nhóm 8x8 c c.
Hình 7. uan hệ giữa tỉ lệ chia tải lên t ng
vây và độ lún của bè theo các cự ly c c và
chiều dài t ng vây.
Theo hình 7, xét nhóm cọc 4x4, khoảng
cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây L w = 6m, tại
độ lún 0.02m có phần trăm chia tải cho tƣờng
vây là 6% và phần trăm chia tải cho tƣờng vây
là 6% tại độ lún 0.08m. Nhóm cọc 4x4,
khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng vây L w =
46m, tại độ lún 0.02m có phần trăm chia tải
cho tƣờng vây là 87% và phần trăm chia tải
cho tƣờng vây là 90% tại độ lún 0.08m. Nhóm
cọc 8x8, khoảng cách cọc 9D, chiều dài tƣờng
vây L w = 46m, tại độ lún 0.02m có phần trăm

chia tải cho tƣờng vây là 82% và phần trăm
chia tải cho tƣờng vây là 82% tại độ lún
0.08m. Vậy trên cùng chiều dài tƣờng vây,
khoảng cách cọc, nhóm cọc, sự phân chia tải
cho tƣờng vây tăng rất ít theo độ lún, sự phân
chia tải cho tƣờng vây tăng mạnh khi chiều
dài tƣờng vây tăng.
Độ lún của móng ảnh hƣởng nhiều đến sự
phân chia tải của bè và nhóm cọc, khi tải trọng
tăng làm cho độ lún của móng tăng thì sự phân
chia tải cho nhóm cọc tăng và sự phân chia tải
cho bè giảm, phần trăm chia tải cho tƣờng vây
tăng ít theo độ lún của hệ móng.
Chiều dài tƣờng vây ảnh hƣởng rất nhiều
đến sự phân chia tải trong hệ móng bè - cọc tƣờng vây, khi tăng chiều dài tƣờng vây thì sự
phân chia tải lên tƣờng vây tăng nhanh và sự
8

phân chia tải lên nhóm cọc, bè bị giảm nhiều.
Khi tăng khoảng cách giữa các cọc, sự phân
chia tải cho bè và tƣờng vây tăng, và sự phân
chia tải cho nhóm cọc giảm. Khi tăng số lƣợng
cọc, phần trăm chia tải cho bè và tƣờng vây
giảm, phân chia tải cho nhóm cọc tăng.
4.2. Hệ số phân chia tải của nhóm cọc và
tƣờng vây
Khả năng mang tải của móng bè cọc kết hợp
tƣờng vây là từ ba thành phần bè, nhóm cọc và
tƣờng vây. Trong đó nếu tƣờng vây không tham
gia mang tải hoặc mang tải rất ít (αw = 0 đến

0.1) thì xem kết cấu móng là hệ móng bè - cọc,
nếu nhóm cọc không tham gia mang tải hoặc
mang tải rất ít (βp = 0 đến 0.1) thì xem kết cấu
móng là hệ móng bè - tƣờng vây, trƣờng hợp
tƣờng vây và các cọc cùng tham gia mang tải
(αw > 0.1 và βp > 0.1) thì xem kết cấu móng là
hệ móng bè cọc - tƣờng vây.

Hình 8. uan hệ giữa hệ s phân chia tải của
t ng vây αw và chiều dài t ng vây theo cự
ly c c và nhóm c c, t i độ lún 0.08m.
Theo hình 8, chiều dài tƣờng vây Lw = 6m
của các trƣờng hợp 3D, 6D, 9D, 4x4 cọc, 6x6
cọc, 8x8 cọc có hệ số αw < 0.1 khi đó kết cấu
móng là móng bè cọc, tƣờng vây chỉ có một
chức năng chính là chịu tải ngang do áp lực đất
tác dụng ngang xung quanh tầng hầm.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018


cọc – tƣờng vây và hệ móng bè – tƣờng vây
nhƣ bảng 2.
Bảng 2. So sánh móng bè cọc kết hợp
thƣờng vây và móng bè kết hợp tƣờng vây

Mô hình
làm việc

Hình 9. uan hệ giữa hệ s phân chia tải của
nhóm c c βp và chiều dài t ng vây theo cự

ly c c và nhóm c c, t i độ lún 0.08m.
Theo hình 9, chiều dài tƣờng vây L w = 36m
của trƣờng hợp 9D, 4x4 cọc có hệ số β p = 0.07
< 0.1. Chiều dài tƣờng vây L w = 46m của
trƣờng hợp 9D, 6D, 4x4 cọc, 6x6 cọc có hệ số
βp < 0.1 khi đó kết cấu móng là móng bè kết
hợp tƣờng vây, tƣờng vây có hai chức năng là
chịu tải ngang do áp lực đất tác dụng ngang
xung quanh tầng hầm và chịu tải theo phƣơng
đứng nhƣ các cọc.

(a)

(b)

Hình 10. Mô hình làm việc của (a) hệ móng bè
c c - t ng vây; (b) hệ móng bè - t ng vây
Nhƣ hình 10, xét nhóm 4x4 cọc đƣờng kính
cọc D = 0.5m, khoảng cách cọc 9D, chiều dài
cọc Lp = 40m, tƣờng vây có chiều dày d =
0.6m, chiều dài tƣờng vây L w = 46m. Kết quả
phân tích mô hình làm việc của hệ móng bè
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018

Hệ móng
bè cọc tƣờng vây
Hệ móng
bè - tƣờng vây

Khả

năng
mang
tải

Số
lƣợng
cọc

Tổng thể
tích bê
tông cọc

Q (kN)

nc

Vp (m3)

339532

16

126

347400

0

0

Vậy khi có cùng chiều dài tƣờng vây L w =
46m, khả năng mang tải của hai phƣơng án
móng bè cọc kết hợp tƣờng vây và móng bè
kết hợp tƣờng vây tƣơng đƣơng với nhau,
nhƣng phƣơng án móng bè kết hợp tƣờng vây
có khối lƣợng bê tông móng ít hơn nên sẽ hiệu
quả kinh tế.
5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chiều dài tƣờng vây tác động mạnh mẽ đến
sự phân chia tải trong hệ thống móng bè cọc kết
hợp tƣờng vây. Phần trăm chia tải lên tƣờng vây
tăng nhanh đồng thời sự phân chia tải lên các
cọc giảm mạnh và phần trăm chia tải lên bè
giảm ít khi chiều dài tƣờng vây tăng lên.
Khoảng cách bố trí giữa các cọc cũng làm ảnh
hƣởng đến sự phân chia tải trong móng, khoảng
cách giữa các cọc từ 6D đến 9D làm tăng nhanh
khả năng phân chia tải lên bè và tƣờng vây.
Khi thiết kế móng bè cọc kết hợp tƣờng vây
cho công trình dân dụng có từ hai tầng hầm trở
lên, ngƣời thiết kế cần phải xem xét đến khả
năng mang tải đứng của tƣờng vây để có
phƣơng án móng hiệu quả và tiết kiệm nhất.
9


Tƣờng vây đƣợc bố trí với yêu cầu ban đầu là
chống đỡ áp lực đất theo phƣơng ngang khi thi
công kết cấu móng tầng hầm và chân tƣờng vây
đƣợc cắm sâu vào nền đất dƣới móng, ta cần

phải kiểm tra thêm khả năng chịu tải đứng của
tƣờng vây cùng tham gia chịu tải với các cọc để
từ đó bố trí lại số lƣợng cọc phù hợp nhất.
Trong trƣờng hợp điều kiện thi công hố đào sâu,
yêu cầu chặn dòng thấm dƣới hố đào,... mà
tƣờng vây phải cắm sâu có chiều dài tƣơng
đƣơng với chiều dài của các cọc thì ta phải đánh
giá lại khả năng mang tải của cọc, nếu hệ số
chia tải của cọc βp ≤ 0.1 thì sẽ loại bỏ hết các
cọc để chuyển sang phƣơng án móng bè kết hợp
tƣờng vây.
Để đánh giá đúng sự phân chia tải cho
tƣờng vây và các cọc ta cần phải xét đầy đủ
các yếu tố trên. Phƣơng pháp phân tích 3D
bằng phần tử hữu hạn có thể đáp ứng đƣợc các
yêu cầu nêu trên.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Randolph MF. Design methods for pile
groups and piled rafts. In: Proc. 13th
international conference on soil mechanics and
foundation engineering, vol. 5, New Delhi,
India; 1994. p. 61–82.
2. Clancy P, Randolph MF. Simple design
tools for piled raft foundations. Geotechnique
1996;46(2):313–28.

Ng

10

3. Poulos HG. Piled raft foundations:
design and applications. Geotechnique
2001;51(2): 95–113.
4. Horikoshi K, Randolph MF. Centrifuge
modelling of piled raft foundations on clay.
Geotechnique 1996;46(4):741–52
5. Katzenbach R, Arslan U, Moormann C.
Piled raft foundation projects in Germany.
Design Applications of Raft Foundations,
Hemsley. Thomas Telford, London; 2000. p.
323–91
6. Yamashita K, Hamada J, Soga Y.
Settlement and load sharing of piled raft of a
162m high residential tower. In: Proc.
international conference on deep foundations
and geotechnical in situ testing, Shanghai,
China; 2010. p. 26–33.
7. Conte G, Mandolini A, Randolph MF.
Centrifuge modeling to investigate the
performance of piled rafts. In: Van Impe, editor.
Proc. 4th international geotechnical seminar on
deep foundation on bored and auger piles.
Ghent: Millpress; 2003. p. 359–66
8. Liu JL, Yuan ZL, Shang KP. Cap-pile-soil
interaction of bored pile groups. In: Proc. 11th
482 ICSMFE, San Francisco, vol. 3; 1985. p.
1433–6.
9. Cooke RW. Piled raft foundations on stiff
clays: a contribution to design philosophy.
Geotechnique 1986;36(2):169–203.

i phản biện: GS. NGUYỄN VĂN THƠ
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018