Tóm tắt:
Việc phân tích sự giảm yếu sức chịu tải của móng nông khi thi công hố đào sâu là quan trọng, nhằm mục đích đánh giá lại được sức chịu tải của móng nông. Từ đó, có thể đánh đưa ra được phương án tốt hơn nhằm hạn chế rủi ro khi thi công hố đào sâu đến các công trình lân cận (Móng cẩu tháp đặt trên nền móng nông, móng nông của công trình xây dựng dân dụng liền kề…).
Đặt vấn đề
Trước tiên, chúng ta cùng phân tích sức chịu tải của móng nông khi chưa thi công hố đào. Sức chịu tải này được tính toán dựa trên giả thiết về mặt phá hoại (Tezaghi 1943). Mặt phá hoại này được xem như vùng ảnh hưởng của móng nông (Hình 1a, b). Khi có sự cắt qua, hoặc làm thay đổi mặt phá hoại này đều thay đổi sức chịu tải của móng nông.
Hình 1. (a) Cơ chế phá hoại của móng nông (Tezaghi 1943); (b) Mặt phá hoại (vùng ảnh hưởng) của móng nông với góc ma sát khác nhau
Trước tiên, để đánh giá sự suy giảm của sức chịu tải của móng nông cần xác định sức chịu tải của móng nông khi chưa có sự ảnh hướng của hố đào. Công thức tính toán được trình bày bên dưới:
[katex display=true]
\begin{equation}
q_u=cN_c\lambda_{cs}\lambda_{cd}+qN_q\lambda_{qs}\lambda_{qd}+0.5\gamma{B}{N_{\gamma}}\lambda_{\gamma s}\lambda_{\gamma d}
\end{equation}
[/katex]
Chi tiết các thông số xem chi tiết sách tham khảo (1).
Từ việc xác định mặt phá hoại lý thuyết hay vùng ảnh hưởng của móng nông, chúng ta có thể đánh giá được việc thi công hố đào sâu có ảnh hưởng đến móng nông lân cận không?. Nếu ảnh hưởng thì việc đánh giá được tiến hành ở bước tiếp theo (Hình 2).
Hình 2. Móng nông đặt lân cận hố đào (Shallow Foundation, M.Das)
Phân tích sự suy giảm sức chịu tải của móng nông khi thi công hố đào trong đề xuất này được thực hiện bởi 2 phương pháp chính: Phương pháp giải tích và phương pháp số. Hai phương pháp được trình bày sơ lược bên dưới:
1.1) Phương pháp giải tích
Phương pháp giải tích sức chịu tải của móng nông khi chịu ảnh hưởng của việc thi công hố đào sâu được một số tác giả đề xuất (Meyerhof’s, Hansen và Vesic, Saran). Các yếu tố hình học ảnh hưởng đến sức chịu tải của móng nông bao gồm (Hình 2): Chiều sâu hố đào (H), độ dốc của hố đào (beta) , chiều sâu chôn móng (Df), khoảng cách từ hố đào đến móng nông (b) và kích thước của móng nông (B). Mỗi phương pháp được phân tích chi tiết tại mục 3.
1.2) Phương pháp số
Nhờ sự phát triển của khoa học và công nghệ. Phương pháp số dần dần khắc phục được các nhược điểm của phương pháp giải tích. Cụ thể trong bài toán này, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 2D) cho tính toán và kiểm tra lại tính chính xác của lời giải giải tích. Từ đó, phân tích được mức độ đáng tin cậy của mỗi phương pháp.
2. Nguyên lý tính toán theo lời giải giải tích
2.1 Lời giải của Meyerhof (Meyerhof’s Solution)
Phương trình tổng quát tính toán sức chịu tải tới hạn của Meyerhof’s được biểu diễn bên dưới:
[katex display=true]
\begin{equation}
q_u=cN_{c q}+1/2 {\gamma}BN_{\gamma q}
\end{equation}
[/katex]
Meyerhof phân tích 2 yếu tố cấu thành lý thuyết sức chịu tải trong bài toán phụ thuộc bởi 2 yếu tố chính: Hệ số sức chịu tải Ncq cho đất dính (hình 3a) và hệ số sức chịu tải Nyq cho đất rời (hình 3b).
Hình 3a thể hiện sự phụ thuộc của hệ số Ncq phụ thuộc vào chiều sâu chôn móng, khoảng cách móng và hố đào, kích thước móng và độ dốc mái taluy . Yếu tố về sức kháng của đất dính dưới đáy móng được thể hiện qua hệ số Ns = yH/Su.
Hình 3b thể hiện hệ số Nyq phụ thuộc vào góc nội ma sát của đất rời, khoảng cách của móng nông, độ dốc mái taluy.
Hình 3. (a) Hệ số Ncq và (b) hệ số N(gama.q)
2.2 Lời giải của Hansen và Vesic (Solution of Hansen and Vesic)
Hansen và Vesic đặt ra trường hợp riêng biệt (b=0) và đưa ra lời giải cho bài toán. Phương trình sức chịu tải của móng nông được biểu diễn bằng công thức:
[katex display=true] \begin{equation} q_u=cN_c\lambda_{c\beta}{}+qN_q\lambda_{q\beta}+0.5\gamma{B}{N_{\gamma}}\lambda_{\gamma {\beta}} \end{equation} [/katex]Các thông số về sức chịu tải được tra bảng. Hansen và Vesic đưa thêm yếu tố kích thước hố móng ảnh hưởng đến các thành phần của sức chịu tải. Chi tiết các thông số và lời giải xem trong tài liệu tham khảo (1).
2.3 Phương pháp cân bằng giới hạn và phân tích giới hạn (Solution by Limit Equilibrium and Limit analysis)
Saran, Sud và Handa đưa ra lời giải giải tích của bài toán dựa trên nguyên lý cân bằng giới hạn và phân tích giới hạn. Lời giải của phương pháp được thể hiện bằng phương trình:
[katex display=true] \begin{equation} q_u=cN_c+qN_q+0.5\gamma{B}{N_{\gamma}} \end{equation} [/katex]Các hệ số sức chịu tải được tra bảng. Chi tiết xem tài liệu tham khảo (1).
2.4 Phương pháp phân tích đặc trưng ứng suất (Stress characteristics)
Graham, Andrews, and Shields đã củng cố thêm phương pháp tính toán sức chịu tải của móng nông nằm trên thành hố đào cho trường hợp đất rời.
Hình 4. Mặt phá hoại theo của móng trên móng nông: (a) Df/B > 0; (b) b/B > 0
Phương trình sức chịu tải của móng nông nằm trên thành hố đào cho trường hợp đất rời chỉ còn một thành phần:
[katex display=true] \begin{equation} q_u=0.5\gamma{B}{N_{\gamma q}} \end{equation} [/katex]Hệ số sức chịu tải được tra bảng. Chi tiết xem tài liệu tham khảo (1).
3. So sánh giữa lời giải giải tích và lời giải số
3.1 Tính toán cho đất rời
Bài 3.1: Bài toán giả thiết: H = 6m, b = 30, g = 16.8 kN/m3, phi = 40, c = 0 kN/m2. Kích thước móng: Df= 1.5m, B= 1.5m, b = 1.5m. Tính qu=?
Bài giải 3.1:
Đối với đất rời, lời giải được đề xuất sử dụng theo phương pháp Meyerhof (Eq. 2), Saran (Eq. 4) và phương pháp phân tích đặc trưng ứng suất (Eq. 5 = Stress Characteristic) và phương pháp số (E. (Num)).
Thêm nữa, tác giả tính toán sức chịu tải của móng nông khi chưa có sự ảnh hưởng của việc thi công đào hố móng theo lời giải giải tích (Eq. 1 = No E. (Ana.)) và theo phương pháp số (No E.(Num)).
Các giá trị tính toán được thể hiện trên hình 5.
Hình 5. Sức chịu tải theo các lời giải khác nhau khi thi có hồ đào và khi chưa có hố đào
Nhìn chung, các phương pháp đưa ra kết quả có sự chênh lệch đáng kể với nhau do mỗi phương pháp áp dụng giả thiết khác nhau về bài toán. Các phương pháp đưa ra kết quả đều cho thấy sự suy giảm sức chịu tải đáng kể, Meyerrhof (57%), phương pháp đặc trưng ứng suất (36%) và phương pháp số (26%). Riêng có phương pháp phân tích cân bằng giới hạn và phân tích thì có sự đột biến (105%).
Hình 6. Mặt phá hoại: (a) TH chưa thi công hố móng; (b) TH đã thi công hố móng
3.2 Tính toán cho đất dính
Bài 3.2: Bài toán giả thiết: H = 7m, b = 30, g = 18.5 kN/m3, f = 0, c = 49 kN/m2. Kích thước móng: Df= 1.5m, B= 1.5m, b = 0m. Tính qu=?
Bài giải 3.2:
Đối với đất dính, lời giải được đề xuất sử dụng theo phương pháp Meyerhof (Eq. 2), Hansen (Eq.3) và phương pháp số (E.(Num)).
Thêm nữa, tác giả tính toán sức chịu tải của móng nông khi chưa có sự ảnh hưởng của công tác đào hố móng theo lời giải giải tích (Eq. 1 = No E. (Ana.)) và theo phương pháp số (No E. (Num.)).
Các giá trị tính toán được thể hiện trên hình 7.
Hình 7. Sức chịu tải theo các lời giải khác nhau khi thi có hồ đào và khi chưa có hố đào
Các phương pháp đưa ra kết quả đều cho thấy sự suy giảm sức chịu tải đáng kể, Meyerrhof (57%), phương pháp Hansen (36%) và phương pháp số (74%).
Hình 8. Mặt phá hoại: (a) TH chưa thi công hố móng; (b) TH đã thi công hố móng
4. Kết luận và kiến nghị
Bài toán tính toán ảnh hưởng thi công hố đào đến móng nông với lời giải của các tác giả khác nhau có nhiều sai khác, sự chênh lệch từ 20-30%. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự sai khác:
1. Tương tác 2 mặt phá hoại của hố đào và móng nông. Mặt phá hoại giả thiết là khác nhau.
2. Bảng tra, đồ thị tra thể hiện dạng Log nên việc tra chính xác các thông số là điều khó khăn với kỹ sư.
3. Chưa kể đến yếu tố hình dạng móng, mực nước ngầm khi tính toán (giả thiết các móng trong bài là móng băng, B<<L).
Bởi vậy, lời giải số luôn được xem xét sử dụng khi tính toán sự ảnh hưởng này. Lời giải giải tích cung cấp cái nhìn tổng quát khi đánh giá các yếu tố ảnh hưởng.
Bằng lời giải giải tích và lời giải số, các phương pháp tính đã làm rõ hơn về ảnh hưởng của việc thi công hố đào đến móng nông. Việc tính toán lời giải giải tích, từ đó so sánh với lời giải số để đưa ra những đánh giá cụ thể cho việc thi công hố đào lân cận móng nông có đảm bảo về sự ổn định cũng như sức chịu tải của móng nông.
Tài liệu tham khảo:
1. Das, B. M. Shallow Foundation Bearing Capacity and Settlement.
2. TCVN 9362-2012: Tiêu chuẩn thiết kế nhà và công trình.
