ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ NỀN TRONG TÍNH TOÁN MÓNG BÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP
Để tính toán móng bè trên nền đàn hồi theo mô hình nền Winkler, việc xác định hệ số nền k là hết sức quan trọng. Hiện nay các đơn vị tư vấn thiết kế tính toán thiết kế móng bè chỉ tính theo hệ số nền k là hằng số nhưng thực chất nền đất có hệ số nền k thay đổi. Trong nhiều trường hợp sự khác nhau của hệ số nền k có ảnh hưởng trực tiếp đến sự làm việc của công trình .
2. Mục tiêu nghiên cứu
– Nghiên cứu đánh giá nội lực trong móng bè khi tính toán như bản trên nền đàn hồi khi hệ số nền k đều cho cả bản và hệ số nền k thay đổi.
– Đề xuất áp dụng trong công tác thiết kế tính toán kết cấu móng bè bê tông cốt thép.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Móng bè bê tông cốt thép.
Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá nội lực của móng bè bê tông cốt thép xét đến ảnh hưởng của hệ số nền.
Nghiên cứu và thực hiện các ví dụ tính toán dựa trên việc phân tích sử dụng phần mềm SAFE V12 để có kết luận sơ bộ và nhận xét, kiến nghị.
MỞ ĐẦU
Chương 1: Tổng quan về móng bè BTCT
Chương 2: Ảnh hưởng của hệ số nền trong tính toán móng bè BTCT
Chương 3: Ví dụ tính toán
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TỔNG QUAN VỀ MÓNG BÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.1. CÁC HỆ KẾT CẤU MÓNG SỬ DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH
Móng đơn là móng có kích thước không lớn, đáy móng có dạng hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn. Móng đơn thường được dùng trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.
Móng băng là loại móng có chiều dài rất lớn so với chiều rộng. Loại móng này thường được sử dụng trong các công trình dân dụng, công nghiệp: hoặc các công trình cầu đường và thủy lợi.
Móng băng giao thoa có độ cứng tổng thể theo hai phương lớn hơn so với móng băng một phương.
Móng bè là loại móng có kích thước vừa dài vừa rộng. Móng bè thường là bản bê tông cốt thép đổ toàn khối dưới toàn bộ công trình hoặc dưới đơn nguyên đã được cắt ra làm khe lún.
Móng cọc thường dùng khi tải trọng công trình lớn và lớp đất tốt nằm sâu dưới đất hoặc khi xây dựng công trình tại những chỗ có mực nước mặt.
Móng bè cọc còn được gọi là móng bè trên nền cọc phù hợp với điều kiện địa chất khi mà lớp cuội sỏi đá gốc ở quá sâu. Phương án móng bè cọc giảm bớt được số lượng cọc, tận dụng tối đa sức chịu tải cực hạn của cọc, phân phối tải cho cả cọc và bè. Hệ bè cọc giúp giảm lún lệch, chịu tải trọng ngang, có khả năng kháng chấn hơn hẳn các hệ kết cấu móng khác.
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÓNG BÈ
a. Móng bè dạng bản có chiều dày đều
b. Móng bè có tăng cường chiều dày về phía trên hoặc phía dưới bản móng ở chân cột
Sự tăng cường này có ý nghĩa đối với việc khống chế xuyên thủng.
Hình 1.2. Móng bè dạng bản (có gia cường)
c. Móng bè có dầm giống như dầm sàn lật ngược
Dầm chạy theo cả hai phương ở phía trên bản móng hoặc phía dưới bản móng, cột nằm trên chỗ phần giao nhau của hai dầm.
Hình 1.3. Móng bè dạng bản dầm
d. Móng bè dạng hộp với sườn cứng theo hai phương làm tường của tầng hầm
Loại móng này có thể mô hình như hai tấm phẳng song song với hai tấm bên trên tựa trên tường và tường được mô hình như các lò xo.
1.2.2. Ưu nhược điểm của móng bè
a. Ưu điểm
Móng bè có độ cứng tổng thể tốt, thích hợp với những công trình khi khả năng chịu lực của nền đất tương đối thấp, tải trọng đứng của kết cấu bên trên tương đối lớn.
Móng bè bản thân nó là bản đáy của tầng ngầm, độ dày khá lớn, tính chống thấm tốt, do bản bè có độ cứng lớn nên có thể điều chỉnh biến dạng lún không đều của móng.
Móng bè không yêu cầu phải bố trí nhiều tường ở bên trong nên có thể hình thành những không gian tự do tương đối lớn, tiện cho sử dụng đa dạng của tầng hầm, có thể đáp ứng thỏa mái các công năng của kiến trúc.
Thời gian thi công nhanh, chi phí thiết kế rẻ.
b. Nhược điểm
Rất dễ lún không đều, lún lệch do các lớp đất bên dưới không đồng chất, khi xảy ra lún lệch hệ kết cầu hầu như không thể trở về vị trí ban đầu do nền đất có mô đun đàn hồi kém. Theo thời gian các vết nứt bắt đầu xuất hiện dẫn đến tuổi thọ công trình giảm.
Phương án móng bè không phải địa chất, địa hình nào cũng có thể dễ áp dụng được.
Do chiều sâu đặt móng bè nông nên ảnh hưởng đến nền móng, kết cấu của các công trình lân cận.
Do khối lượng thi công bê tông lớn dẫn đến việc phải phân chia thành nhiều khối đỗ, tại các vị trí này tạo ra khớp nối, các khớp nối này nếu không có biện pháp xử lý đảm bảo bê tông toàn khối thì khả năng chịu lực của bản mỏng rất yếu.
Móng bè được dùng cho nhà khung, nhà tường chịu lực khi tải trọng lớn hoặc trên đất yếu nếu dùng phương án móng băng hoặc móng băng giao thoa vẫn không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Móng bè hay được dùng cho móng nhà, tháp nước, xilô, bunke bể nước, bể bơi…
Khi mực nước ngầm cao, để chống thấm cho tầng hầm ta có thể dùng phương án móng bè, lúc đó móng bè làm thêm nhiệm vụ ngăn nước và chống lại áp lực nước ngầm.
Loại móng bè dạng bản có thể dùng khi bước cột không quá 9m, tải trọng tác dụng xuống mỗi cột không quá 100T, bề dày bản lấy khoảng 1/6 bước cột.
Khi tải trọng lớn và bước cột lớn hơn 9m thì dùng bản có sườn để tăng độ cứng của móng, bề dày lấy khoảng 1/8-1/10 bước cột, sườn chỉ nên làm theo trục các dãy cột .
Móng bè thường được dùng khi nền đất yếu, khả năng chịu tải thấp hay khi tổng diện tích móng riêng lẻ lớn hơn 50% diện tích chịu tải của công trình. Móng bè còn được sử dụng khi khoảng cách giữa các cột và tải trọng lên cột không bằng nhau, lúc này sẽ xuất hiện tải trọng lệch tâm làm tăng ứng suất nền đất ở bên này và giảm bên kia đáy móng. Ảnh hưởng này sẽ ảnh hưởng đáng kể khi thiết kế móng có độ cứng lớn.
Do móng bè có khả năng phân bố lại ứng suất dưới đáy móng đều hơn , giảm độ lún và chênh lệch lún một cách đáng kể nên móng bè thường được lựa chọn trong việc gia cố và sữa chữa các công trình bị hư hỏng do độ lún vượt quá giới hạn cho phép dẫn đến gây nứt gãy các cấu kiện cột, dầm, sàn bê tông cốt thép hay khi công trình có sự thay đổi lớn về tải trọng và công năng sử dụng mà móng hiện trạng như móng băng không đủ khả năng chịu lực và biến dạng.
1.2.4. Các công trình tiêu biểu ở Việt Nam sử dụng móng bè
– Chung cư Thái An , Quận 12, Tp. Hồ Chí Minh, 16 tầng
– Chung cư Kim Hồng, quận Tân Phú, Tp Hồ Chí Minh, 16 tầng
– Chung cư cao cấp GrandView, Quận 7, Tp Hồ Chí Minh, 16 tầng
– Chung cư Sacomreal, Quận Tân Phú, Tp Hồ Chí Minh, 15 tầng
– Khu du lịch Hyatt Regency, Tp Đà Nẵng, 12 tầng
– Bể bơi Trung tâm văn hóa Quận Gò Vấp, Tp Hồ Chí Minh
1.2.5. Cơ chế làm việc của móng bè
Tải trọng từ công trình truyền xuống móng, móng phân phối tải trọng tập trung tại các vị trí chân cột, tường xuống nền đất và có khả năng điều chỉnh độ lún không đều, giữ được độ ổn định không gian cho móng.
1.2.6. Khả năng chịu tải của móng bè
Khi tính toán biến dạng của nền mà dùng các sơ đồ tính toán nền có dạng bán không gian biến dạng tuyến tính có hạn chế chiều dày của lớp nền chịu nén hoặc sơ đồ nền có dạng lớp biến dạng tuyến tính có chiều dày hữu hạn thì áp lực trung bình tác dụng xuống nền do tổ hợp tải trọng gây ra không được vượt quá áp lực tính toán R xác định theo công thức sau đây:
(1.1)
Độ lún lệch của móng bè sẽ phát sinh nội lực trong móng bè cũng như kết cấu bên trên. Trong mọi trường hợp, nếu móng bè có độ lún tuyệt đối nhỏ hơn 50mm thì độ lún lệch cho phép lấy bằng 20mm hoặc có thể tính gần đúng theo hệ số độ cứng như sau:
(1.2)
Độ lún của nền theo sơ đồ lớp đàn hồi biến dạng tuyến tính có chiều dày hữu hạn H, xác định như sau:
(1.4)
ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ NỀN TRONG TÍNH TOÁN MÓNG BÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP
2.1. TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH NỀN TRONG TÍNH TOÁN MÓNG BÈ
K
S
P
a) Mô hình Winkler
b) Biến dạng thực tế
c) Các hệ số trong mô hình Winkler
Hình 2.1. Mô hình Winkler: a) Giả thiết về biến dạng dưới tải trọng ngoài; b) biến dạng thực tế; c) Các thông số của mô hình
2.1.2. Mô hình đàn hồi tuyến tính
Biến dạng
Ứng suất
ε
σ
E
Hình 2.2. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của
2.1.3. Mô hình đàn hồi phi tuyến
Hình 2.3. Quan hệ ứng suất biến dạng trong mô hình đàn hồi phi tuyến (Morh-Coulomb)
Hình 2.4. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của mô hình đàn hồi tuyến tính (Morh-Coulomb)
2.1.5. Mô hình nền Winkler biến thiên
a. Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ số nền
Hệ số nền là một hàm phụ thuộc vào nhiều tham số của đất nền, bê tông và kích thước của móng. Nhiều nghiên cứu cho thấy các tham số của nền đất và kích thước của móng có ảnh hưởng nhiều đến hệ số nền k hơn so với tham số của vật liệu bê tông.
Mô hình nền Winkler biến thiên được mô tả bằng các lò xo đàn hồi tuyến tính có độ cứng biến thiên thay đổi dọc theo hai phương của móng. Độ cứng nền k biến thiên được xác định bởi biểu thức sau:
(2.6)
Nhận xét:: Khi hệ số tương quan tăng lên thì làm cho độ cứng nền đàn hồi Winkler giảm. Giá trị hàm mũ n tăng tương ứng với sự gia tăng độ cứng trong nền Winkler.
2.2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN
2.2.1. Phương pháp thí nghiệm bàn nén hiện trường
Phương pháp thí nghiệm hiện trường là chính xác nhất. Một bàn nén vuông có kích thước 1mx1m, chất tải, tìm quan hệ giữa ứng suất gây lún và độ lún
a. Cơ sở lý thuyết
Dựa vào cách tính lún theo phương pháp lớp tương đương
b. Phương pháp thực hành xác định hệ số nền
Công thức xác định hệ số nền viết thành:
(2.27)
Khi nền đất có nhiều lớp, công thức xác định hệ số nền được viết dưới dạng:
(2.28)
Trong điều kiện thiếu số liệu thí nghiệm, người ta có thể xác định hệ số nền k theo cách tra bảng. Phương pháp tra bảng được nhiều người đề cập đến, tuy nhiên kết quả của nó chưa được chính xác.
Phương pháp 1: dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng
Phương pháp 2: dựa vào phân loại đất, thành phần hạt, hệ số rỗng và độ sệt của lớp đất đặt móng
2.2.4. Phương pháp sử dụng các công thức thực nghiệm
Theo công thức của Vesic:
Theo công thức Terzaghi:
kz = 24(cNc + γDNq+0.4γBNγ) (2.31)
Theo công thức của Bowles:
Nhận xét: Các công thức thực nghiệm trên đều xét đến rất nhiều chỉ tiêu cơ lý của đất nền có độ tin cậy cao. Tuy nhiên các hệ số hiệu chỉnh cũng như các giá trị tra bảng và phạm vi ứng dụng công thức đều xác định từ thực nghiệm, nên cần lựa chọn công thức tính toán sao cho kết quả tính phù hợp với nền đất khu vực xây dựng công trình.
2.3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MÓNG BÈ
2.3.1. Phương pháp móng tuyệt đối cứng
2.3.2. Phương pháp tính như tấm trên nền đàn hồi
2.4. PHÂN TÍCH MÓNG BÈ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Luận văn chỉ phân tích móng bè bản phẳng trên nền đàn hồi chịu tác dụng bởi lực phân bố đều q (kN/m2).
Khả năng của phần mềm này hoàn toàn đáp ứng để có thể mô hình hóa và giải bài toán móng bè theo phương pháp đã xây dựng ở trên.
2.4.3. Xây dựng mô hình tính toán nội lực móng bè
a. Mô hình tính toán
Bè được mô hình bằng phần tử tấm, liên kết với các lò xo đặc trưng cho đất.
b. Xác định độ cứng lò xo đất
c. Xây dựng mô hình tính toán móng bè
Bước 1: Khai báo đặc trưng vật liệu, tiết diện, loại tải trọng và tổ hợp tải trọng
Bước 2: Thiết lập phần tử bè và tiến hành chia ảo nhỏ phần tử
Bước 3: Gán độ cứng lò xo đất trên phần tử bè bằng hệ số nền và nhập tải trọng tác dụng lên móng bè
Bước 4: Phân tích mô hình và kiểm tra nội lực trong móng bè.
Xét móng bè dạng bản của một bể bơi vách BTCT dài L = 24 m, rộng B = 12 m, đáy bản dày H = 0,3 m trên nền đàn hồi chịu tác dụng bởi lực phân bố đều q = 30 kN/m2. Cấp độ bền của bê tông là B25. Tính toán nội lực trong móng bè trên nền đàn hồi có hệ số nền k = 5.000 kN/m3 đều cho cả bản.
Hình 3.1. Hệ số nền k = 5.000 kN/m3 đều cho cả bản
Hình 3.2. Mômen theo phương dài của bản M11
Hình 3.3. Mômen theo phương ngắn của bản M22
Hình 3.4. Ứng suất kéo chính ở mặt trên của bản S11
Xét móng bè dạng bản của một bể bơi vách BTCT dài L = 24 m, rộng B = 12 m, đáy bản dày H = 0,3 m trên nền đàn hồi chịu tác dụng bởi lực phân bố đều q = 30 kN/m2. Cấp độ bền của bê tông là B25. Tính toán nội lực trong móng bè trên nền đàn hồi có hệ số nền k = 5.000 kN/m3 ở 1/3 chiều dài ở giữa bản và bằng 1,5k = 7.500 kN/m3 ở hai đầu bản
Hình 3.6. Hệ số nền k = 5000 kN/m3 ở 1/3 chiều dài ở giữa bản và bằng 1,5k = 7500 kN/m3 ở hai đầu bản
Hình 3.7. Mômen theo phương dài của bản M11
Hình 3.8. Mômen theo phương ngắn của bản M22
Hình 3.9. Ứng suất kéo chính ở mặt trên của bản S11
Xét móng bè dạng bản của một bể bơi vách BTCT dài L = 24 m, rộng B = 12 m, đáy bản dày H = 0,3 m trên nền đàn hồi chịu tác dụng bởi lực phân bố đều q = 30 kN/m2. Cấp độ bền của bê tông là B25. Tính toán nội lực trong móng bè trên nền đàn hồi có hệ số nền 1,5k = 7.500 kN/m3 ở 1/3 chiều dài ở giữa bản và bằng k = 5.000 kN/m3 ở hai đầu bản
Hình 3.11. Hệ số nền 1,5k = 7500 kN/m3 ở 1/3 chiều dài ở giữa bản và bằng k = 5000 kN/m3 ở hai đầu bản
Hình 3.12. Mômen theo phương dài của bản M11
Hình 3.13. Mômen theo phương ngắn của bản M22
Hình 3.14. Ứng suất kéo chính ở mặt trên của bản S11
3.4. SO SÁNH KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
Hình 3.16. Đồ thị so sánh ứng suất kéo chính S11- trục B (N/mm2)
Hình 3.17. Đồ thị so sánh mômen M11 trục B (kNm/m)
Hình 3.18. Đồ thị so sánh mômen M22 trục B(kNm/m)
Hình 3.19. Đồ thị % chênh lệch nội lực của trục B
Hình 3.20. Đồ thị so sánh ứng suất kéo chính S11 trục 2- (N/mm2)
Hình 3.21. Đồ thị so sánh mômen M11 trục 2- (kNm/m)
Hình 3.22. Đồ thị so sánh mômen M22 trục 2 (kNm/m)
Hình 3.23. Đồ thị % chênh lệch nội lực của trục 2
Nhận xét :
Khi tính kết cấu móng bè dạng bản trên nền đàn hồi có hệ số nền k đều cho cả bản và hệ số k biến thiên thì nội lực xuất hiện trong bản móng thay đổi đáng kể.
+ Ứng suất kéo chính S11max và S11min mặt trên của bản tại trục B khi tính trong trường hợp k = 5000 kN/m3 ở 1/3 chiều dài ở giữa bản và bằng 1,5k = 7500 kN/m3 ở hai đầu bản có giá trị chênh lệch lần lượt là 86,42% và 133,29% so với khi tính trong trường hợp k = 5000 kN/m3 đều cho cả bản.
+ Ứng suất kéo chính S11max và S11min mặt trên của bản tại trục B khi tính trong trường hợp 1,5k = 7500 kN/m3 ở 1/3 chiều dài ở giữa bản và bằng k = 5000 kN/m3 ở hai đầu bản có giá trị chênh lệch lần lượt là 127,72% và 34,88% so với khi tính trong trường hợp k = 5000 kN/m3 đều cho cả bản.
+ Ứng suất kéo chính S11max và S11min mặt trên của bản tại trục 2 khi tính trong trường hợp k = 5000 kN/m3 ở 1/3 chiều dài ở giữa bản và bằng 1,5k = 7500 kN/m3 ở hai đầu bản có giá trị chênh lệch lần lượt là 103,33% và 29,01% so với khi tính trong trường hợp k = 5000 kN/m3 đều cho cả bản.
+ Ứng suất kéo chính S11max và S11min mặt trên của bản tại trục 2 khi tính trong trường hợp 1,5k = 7500 kN/m3 ở 1/3 chiều dài ở giữa bản và bằng k = 5000 kN/m3 ở hai đầu bản có giá trị chênh lệch lần lượt là 81,50% và 50,82% so với khi tính trong trường hợp k = 5000 kN/m3 đều cho cả bản.
Giá trị nội lực của móng bè tại cùng vị trí khi tính toán trong các trường hợp khác nhau có giá trị khác nhau về dấu và độ lớn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
* Tính toán móng bè trong mô hình Winkler phụ thuộc vào sự biến thiên của hệ số nền k. Khi nền đất không đồng nhất, hệ số nền k không đều làm thay đổi đáng kể đến giá trị nội lực xuất hiện trong bản móng. Giá trị nội lực của móng bè tại cùng vị trí khi tính toán trong các trường hợp khác nhau có giá trị khác nhau về dấu và độ lớn. Vì vậy khi tính toán móng bè trên nền đàn hồi theo mô hình Winkler cần xét đến các tổ hợp phân bố hệ số nền theo vị trí dưới đáy móng hay tìm ra quy luật phân bố của hệ số nền vào quy trình thiết kế.
- Hướng nghiên cứu phát triển đề tài:
Mở rộng hướng nghiên cứu về thiết lập phương trình đặc trưng cho quy luật phân bố của hệ số nền trong tính toán móng bè bê tông cốt thép.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LY LUAN VA PHUONG PHAP DẠY HOC VAT LY\XAY DUNG CONG TRINH DD&DN\LE VAN DO\SAU BAO VE
