Tối ưu hóa hệ móng bè cọc của cống kênh thủy lợi
Tóm tắt Tối ưu hóa hệ móng bè cọc của cống kênh thủy lợi: ...ới, tác giả chia các phƣơng pháp phân tích móng bè cọc thành các phƣơng pháp sau: Phƣơng pháp tính toán đơn giản bao g m các phƣơng pháp của Poulos và Davis (1980) [4], Randolph (1983) [5], Poulos (2001) [6]. Các phƣơng pháp này đƣợc xây d ng d a trên lý thuyết đàn h i tuyến tính Phƣ... 56007/(39x22) = 65,26 kN/m 2 . L c dọc trong cọc Hình 8, tải tác dụng lên cọc lớn nhất |N|max = 1508kN < Ptk = 1600 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. H h 7. L ới h ử c ô h h g h ề Plaxis 3D H h 8. L c d...L c dọc g cọc c TH1 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 87 Do đặc điểm phân bố l c của cống kênh tập trung phân bổ nhiều ở vị trí thành cống và mép biên của bè móng, vì thế mà tải trọng tác dụng nhiều vào các cọc ở vị trí thành cống và ở biên, còn các cọc ở giữa chịu tác dụng của tải trọng nhỏ hơ...
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 81 TỐI ƯU HÓA H MÓNG BÈ CỌC CỦA CỐNG KÊNH THỦY LỢI LÊ BÁ VINH ĐOÀN TẦN DUY* N UYỄN NHỰT NHỨT Optimization of rafts- piles foundations of irrigation canals. Abstract: Reinforced concrete sluices are used for tidal control and water regulation in irrigation systems. With the structure of the culvert bottom slab which is also the foundation on the reinforced concrete pile foundation, the culvert foundation structure acts as the pile raft system. The method of calculating pile foundation culverts with the concept of the pile bearing the entire vertical weight of the project and evenly spreading the piles on the sluice bottom slab is applied by many designers, making the calculation and arrangement of piles simple. but will not reflect the actual working model of the actual pile foundation system. The author has applied PDR method (Poulous - Davis - Randolph) and Plaxis 3D software to analyze pile foundation foundation and evaluate the applicability of the two methods in each foundation design stage. Proposing an effective pile arrangement under the culvert bottom slab to optimize the placement of the piles under the raft to maximize the pile load capacity and save 41% of the number of piles arranged under the culvert bottom slab. Keywords: Reinforced concrete sluices, numerical analysis, piled raft foundation, PLAXIS 3D. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Hiện nay, đối với các công trình cống kênh thủy lợi có nhiệm vụ chính là kiểm soát, điều tiết ngu n nƣớc (mặn, lợ, ngọt), Hình 1 Bản đáy cống kênh đặt tr c 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 * B ô ị cơ – Nề g Kh th y d g T g i học Bách h - i học Q c gia Thành ph Hồ Chí Mi h. Email:dbtduy.sdh19@hcmut.edu.vn các cọc dƣới bản đáy Có thể thấy rằng, 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 th c tế, Hình 3 Hiện nay, đã có các nghiên cứu và phƣơng pháp tính toán móng bè cọc làm việc đ ng 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 r s làm việc th c tế của móng bè cọc và có phƣơng án bố trí cọc làm việc tối ƣu và hiệu quả hơn về kinh tế nhƣng v n đảm bảo công trình ổn định ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 82 Hình 1. C g ê h h y ợi Hình 2. M g bè cọc c g ê h T ơ g ác cọc- ấ ; T ơ g ác cọc-cọc; T ơ g ác bè- ấ ; T ơ g ác bè-cọc; H h 3. Hiệ ứ g ơ g ác giữ ấ v g bè cọc c ze b ch e . 1998 d Katzenbach et al. (2000) 2. PHÂN TÍCH ẾT CẤU MÓN CHO CÔN TRÌNH CỤ THỂ 2.1. Mó è ọ ố ê H h 4. M b g b í cọc d ới c g ê h Công trình cống kênh thủy lợi với kích thƣớc móng bè cọc có chiều dài Lm = 39m và chiều rộng Bm = 22m, chiều dày bản đáy dm = 1,0m, chiều dày bản thành t = 1,0m, tổng tải tác dụng lên bè bao g m công trình bên trên cống và trọng lƣợng bản thân của cống là Q = 56007kN Công trình sử dụng cọc bê tông cốt thép vuông cạnh (0,35x0,35)m, chiều dài cọc Lc = 22m với sức chịu tải của cọc theo thiết kế Ptk = 1600kN. Số lƣợng cọc cần bố trí dƣới bè n = 77 cọc, Hình 4. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 83 2.2. P á P u us - Davis - Ra d (PDR) và á ầ tử ữu ạ ( ầ ề P axis 3D) Tổng hợp từ nhiều nghiên cứu trên thế giới, tác giả chia các phƣơng pháp phân tích móng bè cọc thành các phƣơng pháp sau: Phƣơng pháp tính toán đơn giản bao g m các phƣơng pháp của Poulos và Davis (1980) [4], Randolph (1983) [5], Poulos (2001) [6]. Các phƣơng pháp này đƣợc xây d ng d a trên lý thuyết đàn h i tuyến tính Phƣơng 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 g m 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 d a vào máy tính ở đây tác giả sử dụng phần mềm Plaxis 3D H h 5. Mô h h g bè cọc ê h ề Plaxis 3D Kết quả phân tích móng bè cọc cống kênh theo phƣơng pháp PDR: Với phƣơng pháp PDR, xác định 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 độ lún của móng bè cọc cống kênh ở Bảng 1 B ng 1. B ng kiểm tr độ lún c m ng bè cọc S ố t (cm) Stứ t ời (cm) S (cm) [S] cho phép (cm) S ≤ [S] cho phép 1,68 1,44 3,11 8 Thỏa H h 6. Bi ồ q hệ ải ọ g v ú g bè cọc í h he PDR. ả 2. ả ia tải ủa ó è ọ ố ê t t e PDR Cọ ịu Qp (kN) Bè ịu Qr (kN) % ọ ịu αp % Bè ịu αr Tổ tải Q (kN) 50.500 5.507 90,2 9,8 56.007 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 9,8% và độ lún của móng bè cống kênh khoảng 3,11cm 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 2 - 2021 84 ả 3. T số địa ất á ớ đất tr mô hình PLAXIS 3D Đặc trƣng Đơn vị Lớp 1: Sét hữu cơ, xám xanh, nâu đen Lớp 2: Sét xám nâu, xanh vàng, xám tro Material model Model Hardening soil Hardening soil Drainage type Type Undrained Undrained hi m 17 12 γunsat kN/m 3 15,6 19,1 γsat kN/m 3 15,7 19,2 e0 - 1.951 0.852 kx m/day 8,424E-03 8,424E-03 ky m/day 3,370E-03 3,370E-03 E ref 50 kN/m 2 6830 13198 E ref odm kN/m 2 6830 13198 E ref ur kN/m 2 20490 39594 m - 0,5 1 c' kN/m 2 17,9 33 ' 18,28 23,68 0,2 0,2 Để tƣơng đ ng 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) = 56007/(39x22) = 65,26 kN/m 2 . L c dọc trong cọc Hình 8, tải tác dụng lên cọc lớn nhất |N|max = 1508kN < Ptk = 1600 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. H h 7. L ới h ử c ô h h g h ề Plaxis 3D H h 8. L c dọc c cọc g P xi 3D. ả 4. ả iể tra độ ú ủa ó è ọ , ỏ P axis 3D S (cm) Scho phép (cm) S ≤ Scho phép 2,99 8 Thỏa ả 5. ả ia tải ủa ó è ọ ố ê t t e P axis 3D Cọ ịu Qp (kN) Bè ịu Qr (kN) % ọ ịu αp % Bè ịu αr Tổ tải Q (kN) 50.928 5.079 91,0 9,0 56.007 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 85 Phần trăm chia tải lên bè thấp khoảng 9% trong Bảng 5, do độ lún của bè không lớn chỉ khoảng 2,99cm Bảng 4. So sánh kết quả tính toán theo phƣơng pháp PDR và Plaxis 3D. H h 9. ú c g bè cọc c g ê h tính theo PDR và h ề Plaxis 3D H h 10. Ph ă chi ải c g bè cọc c g ê h he PDR v h ề Plaxis 3D. Độ lún của móng bè cọc cống kênh tính theo PDR và phần mềm Plaxis 3D trên Hình 9 có s tƣơng đ ng nhau, nhƣng xu 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 phần mềm Plaxis 3D Điều đặt biệt ở đây là phần trăm chia tải của móng bè cọc trên Hình 10, ta nhận thấy s phân chia tải lên bè là rất nhỏ và khoảng dƣới 10% 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 U HÓ Ố TRÍ CỌC CHO MÓN È CỌC CỐN ÊNH 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 c ng 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 77 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 c g bè cọc ê h ề Plaxis 3D H h 12. M g bè cọc c g ê h TH1: L0 = L1 = L2 = L3 = L4 = L5 = 22m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 86 H h 13. M g bè cọc c g ê h TH2: L0 = L2 = L3 = L5 = 22m H h 14. M g bè cọc c g ê h TH3: L0 = L2 = L3 = L5 = 22m Hình 15. M g bè cọc c g ê h TH4: L0 = L3 = 22m. H h 16. M g bè cọc c g ê h TH5: L0 = L3 = 22m. H h 17. M g bè cọc c g ê h TH6: L0 = 22m. Hình 18. L c dọc g cọc c TH1 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 87 Do đặc điểm phân bố l c của cống kênh tập trung phân bổ nhiều ở vị trí thành cống và mép biên của bè móng, vì thế mà tải trọng tác dụng nhiều vào các cọc ở vị trí thành cống và ở biên, còn các cọc ở giữa chịu tác dụng của tải trọng nhỏ hơn nhƣ trên Hình 18 Từ hiệu quả làm việc của các cọc giữa là không nhiều, nên tác giả khảo sát các trƣờng hợp loại bỏ các cọc L1, L2, L3, L4, L5 nhƣ trên Hình 13; Hình 14; Hình 15; Hình 16; Hình 17. H h 19. Giá ị ú c các g hợ i bỏ cọc Hình 20. Ph ă chi ải ê g bè cọc c các g hợ i bỏ cọc. Hình 21. L c dọc g cọc c TH6. Độ lún của các trƣờng hợp loại bỏ cọc Hình 12, Hình 13, Hình 14, Hình 15, Hình 16, Hình 17 không thay đổi nhiều, khoảng 3,9cm 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 TH6 đem lại hiệu quả tiết kiệm nhất và giảm đƣợc cọc bố trí dƣới bè, tiết kiệm đƣợc 41% số lƣợng cọc nhƣng v n đảm bảo đƣợc khả năng chịu tải của cọc |N|max =1568kN < Ptk =1600 kN và thỏa điều kiện độ lún của móng bè cọc cống kênh S = 3,9cm < S = 8cm 4. ẾT LUẬN Thông qua việc so sánh hai phƣơng pháp tính PDR và phần mềm 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 phần mềm 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, c ng nhƣ nội l c ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 88 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 xét 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 đ ng thời với đất nền ta cần phải sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích đúng đắn hơn - Tối ƣu hóa bố trí cọc dƣới bè giúp tận dụng tối khả năng chịu tải của cọc và tiết kiệm đƣợc 41% số lƣợng cọc bố trí dƣới bản đáy cống kênh Việc bố trí cọc dƣới móng bè cọc cống kênh cần đƣợc phân tích thật cẩn thận khi 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 (b í cọc he ch vi c bả áy c g ẽ giú ch c g ê h chị ợc ải ọ g g g hơ hi g cử c g ch dò g ớc). Lời ả Chúng tôi xin cảm ơn Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ thời gian, phƣơng tiện và cơ sở vật chất cho nghiên cứu này TÀI LIỆU TH M HẢO [1] Katzenbach R, Arslan U, Moormann C. (2000) Piled raft foundation projects in Germany Design pplications of Raft Foundations, Hemsley. Thomas Telford, London; pp. 323–91. [2] Badelow, F., Kim, S., Poulos, H.G. and bdelrazaq, (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 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. Ng i hả biệ : GS, TS NGUYỄN VĂN THƠ
File đính kèm:
- toi_uu_hoa_h_mong_be_coc_cua_cong_kenh_thuy_loi.pdf