Thuận lợi và bất lợi khi sử dụng móng bè cọc
Sử dụng phương pháp móng bè cọc có những lợi ích như sau:
+ Làm giảm độ lún, độ lún lệch và độ nghiêng của công trình so với trường hợp chỉ sử dụng móng bè
+ Làm tăng độ ôn định tổng thể của móng
+ Làm giảm số lượng cọc nếu so với phương án cọc chống đỡ toàn bộ tải trọng, tác dụng mang tải của bè bị bỏ qua hoàn toàn
+ Làm tăng sức kháng và hạn chế lún lệch trong trường hợp móng chịu lệch tâm lớn -
+ Làm giảm momen uốn của bản bè so với móng bè thông thường
+ Tận dụng tốt hơn khả năng chịu tải của phần tường vây trong trường hợp tường vây là loại tường barret trong đất hoặc tường dạng cọc hàng
+ Tối ưu hóa về chỉ phí cho toàn bộ phần nền móng
+ Chịu động đất tốt hơn phương án cọc truyền thống
Poulos (1991) đã nghiên cứu các điều kiện nền đất và phân loại một số loại đất dưới đáy bè, cho thấy rằng phương pháp móng bè cọc có thể mang lại hiệu quả cao trong việc xây dựng.
+ Nền đất là lớp đất dính : sét cứng hoặc tương đối cứng
+ Nền đất là lớp rời : cát chặt hoặc chặt vừa
Trong cả hai loại nền đất, đất dưới đáy bè có khả năng chịu tải trọng đáng kể, trong khi cọc chủ yếu giúp giảm độ lún tổng và độ lún lệch Tuy nhiên, thiết kế móng bè cọc cũng gặp một số điều kiện không thuận lợi.
+ Nền đất có các lớp đất sét mềm yếu gần bề mặt
+ Nền đất bao gồm các lớp cát xốp gần bề mặt
+ Nền đất bao gồm các lớp đất có tính nén lún lớn nằm tương đối nông
+ Nền đất đang chịu độ lún cố kết
+ Nền đất đang trương nở gây ra bởi các tác nhân bên ngoài
Trong hai trường hợp đầu, bè không đủ khả năng chịu tải trọng lớn, trong khi trường hợp thứ ba có thể dẫn đến độ lún dai hạn, ảnh hưởng đến độ cứng và phân bố ứng suất dưới đáy bè Hai trường hợp cuối có thể gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến móng Sự lún cố kết, do hạ mực nước ngầm hoặc co ngót của các lớp sét, làm giảm ứng suất tiếp xúc giữa bè và đất, từ đó làm tăng tải trọng lên cọc và dẫn đến độ lún của móng.
Trường hợp đất trương nở, lực kéo có thể phát sinh gây nguy hiểm cho cọc.
Cơ cầu tương tác trong móng bè cọc 2 ez+:sz+rrxeeee 10 1 Tương tác cọc — dat (Pile — Soil interaction) ae kl 2 Tương tác cọc — cọc (Pile — Pile interaction) Ll 3 Tương tác bè — đất (Raft — Soil interaction)
Tương tác cọc — bè (Pile — Raft interacfion)
Đây là tương tác giữa một khu vực bè chịu tải đối với một cọc không chịu tải cách xa một khoảng s từ tâm diện chịu tải như hình 1.6
Mặt đất chịu tải li Ni ð; ttt Hinh 1.6 Tuong tac giữa một diện chịu tải và một cọc lân cận (Small, 2007)
Hệ số tương tác đất- cọc œsp được biểu diễn như sau:
Chuyên vị của cọc lân cận bao gồm hai thành phần chính: phần gây ra bởi tải trọng xung quanh thân cọc và phần tải trọng bề mặt tác động lên đất.
Nhiều phương pháp phân tích móng bè cọc coi bè như phần tử tấm phẳng, trong khi cọc được xem như các lò xo có độ cứng quy đổi từ độ cứng của cọc đơn, mà không tính đến tương tác giữa kết cấu và nền đất Điều này dẫn đến sai lệch trong kết quả phân tích, với độ cứng của móng quá lớn và độ lún của móng quá nhỏ.
Một số nghiên cứu điển hình về móng bè cọc . : 13 1.6 Hiệu quả kinh tế của một số công trình lớn sử dụng móng bè cọc trên thế giới
Trong nghiên cứu luận văn sau đại học, nhiều đề tài đã được thực hiện về sự tương tác đồng thời giữa đất nền, cọc và bè trong móng bè cọc, nổi bật với các tác giả đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này.
Nghiên cứu của KS Dé Văn Minh (1996) về sự làm việc đồng thời của công trình móng cọc đài thấp với đất nền đã chỉ ra rằng lớp đất dưới đài chịu tải trọng đáng kể từ công trình Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của chiều đài cọc và khoảng cách giữa các cọc, nhưng chỉ tập trung vào nền đồng nhất hoặc nền đất có lớp đất yếu mà không tính đến hiệu ứng nhóm cọc Hơn nữa, một số yếu tố như độ cứng của bè cọc và tải trọng ngoài tác dụng cũng chưa được phân tích trong nghiên cứu này.
Nghiên cứu của KS Phạm Tuấn Anh (2011) về tính toán móng bè cọc dựa trên mô hình nền đã chỉ ra rằng tỷ lệ phân tải cho bè có thể đạt từ 10-20% khi xem xét sự làm việc của nền đất dưới đáy bè Tác giả nhận định rằng ảnh hưởng của tương tác giữa các cọc là không đáng kể khi khoảng cách giữa chúng lớn hơn 5 lần đường kính cọc Việc tính toán nội lực móng với độ tin cậy cao hơn khi số lượng giá trị ngẫu nhiên được đưa vào càng nhiều Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là chưa xem xét biến dạng của móng cũng như tương tác giữa các cọc và đất nền Đề tài chỉ sử dụng mô hình nền Winkler mô phỏng bằng chương trình SAP 2000 mà chưa áp dụng các phần mềm địa kỹ thuật để đánh giá ứng xử tổng thể của hệ thống móng.
Ths Nguyễn Thanh Sơn (2013) đã chỉ ra rằng móng bè — cọc (CPRE) là giải pháp hiệu quả cho thiết kế nhà cao tầng và siêu cao tầng tại Việt Nam Phân tích cho thấy sự phân phối tải trọng lên bè và cọc phụ thuộc vào chiều dài cọc và cách bố trí cọc Việc sắp xếp cọc cùng một chiều đài không tối ưu hóa khả năng chịu lực của móng bè cọc Tuy nhiên, một số yếu tố như chiều dày bè và tải trọng ngoài vẫn chưa được xem xét trong phân tích này.
Cao Văn Hóa (2015) đã phân tích ảnh hưởng của hệ cọc và đất nền đến chiều dày bè trong móng bè cọc Kết quả cho thấy rằng thiết kế chiều dày bè chủ yếu dựa vào các tiêu chí như lực cắt, momen uốn và biến dạng của bè.
Có thể bỏ qua ảnh hưởng đến sự san đều nội lực trong kết cầu móng và ứng suất
Khi thiết kế bè, độ dày của bè cần được cân nhắc kỹ lưỡng, với 15 nền của bè cho phép điều chỉnh momen uốn và chuyên vị lệch thông qua việc bố trí cọc hợp lý Điều này có thể giúp giảm độ dày thiết kế của bè Tuy nhiên, việc triệt tiêu hoàn toàn chuyên vị lệch và momen của bè là một thách thức, do điều kiện địa chất dưới đáy bè và cọc không đồng nhất ở mọi vị trí.
Nghiên cứu của HG Poulos, J.C Small và H Chow (2011) về móng bè cọc cho nhà cao tầng trình bày các nguyên tắc thiết kế theo trạng thái giới hạn, bao gồm trạng thái cực hạn (ULS) và trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) Nghiên cứu cũng đánh giá hiệu quả và ứng xử của móng bè với đất liền kề thông qua mô hình thu nhỏ và công trình thực tế Kết quả tính toán cho thấy ảnh hưởng của đất xung quanh là đáng kể; việc không xem xét ảnh hưởng này có thể dẫn đến đánh giá thấp khả năng chịu tải trọng ngang và độ lún của móng.
Helen Sze Wai Chow, B.E, M.E, M.B.A (2007): Behaviour of Piled Raft With Pile
Nghiên cứu ứng xử của hệ bè cọc với các cọc có chiều dài và đường kính khác nhau dưới tải trọng thẳng đứng đã được thực hiện Phân tích đầy đủ các tương tác giữa bè, cọc và đất bằng phương pháp lớp hữu hạn cho công trình Messeturn Building tại Frankfurt (1988-1991) Kết quả cho thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố này đến hiệu suất của hệ thống cọc.
+ Khi bè chịu tải trọng lệch lớn, tăng chiều dài cọc và đường kính cọc có thể giảm tối đa chuyển vị lệch và độ nghiêng của móng
Việc tăng độ cứng của cọc — đất trong bè cọc sẽ giúp giảm chuyển vị của bè cọc và tăng tỷ lệ chia tải cho cọc, đồng thời, việc tăng khoảng cách giữa các cọc cũng góp phần làm giảm chuyển vị và tỷ lệ mang tải cho cọc.
Phương pháp phân tích lớp hữu hạn là một công cụ hiệu quả để phân tích móng bè cọc, cho kết quả gần gũi với thực tế So với phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp này yêu cầu số liệu đầu vào dễ dàng hơn nhờ vào việc mô phỏng cọc bằng các phần tử đàn hồi tuyến tính Đặc tính của cọc được nhập trực tiếp vào chương trình, giúp tăng tốc độ tính toán nhanh hơn gấp 4 lần so với phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng 3 chiều hệ móng.
Jean — Louis Briaud, Rolf Katzenbach, Sang Seom Jeong, Deepankar
Choudhury (2012): Combined Piled Raft Foundations — International CPRF
Theo Hướng dẫn thiết kế móng bè cọc của Hiệp hội Cơ đất và Địa kỹ thuật Quốc tế, việc sử dụng móng bè cọc không được khuyến khích khi các lớp đất dưới đáy móng bè có độ cứng thấp Ngoài ra, cũng không nên áp dụng cho những lớp đất có tỷ lệ độ cứng giữa đỉnh và đáy lớp chênh lệch nhỏ hơn 10 lần.
Khi tỷ lệ chia tải cọc - bè (apr) lớn hơn 0.9, việc nén cọc bè không cần thiết Tuy nhiên, báo cáo chỉ đề cập đến sự khác biệt về độ cứng giữa đỉnh và đáy lớp đất đồng nhất, mà chưa xem xét phạm vi áp dụng cho móng bè cọc trong nền đất nhiều lớp với sự khác nhau về độ cứng dưới mũi cọc và đáy bè Lớp mùn lắng dưới đáy cọc có thể làm giảm độ cứng của cọc, ảnh hưởng đến tỷ lệ chia tải cọc - bè Ngoài ra, ứng xử của móng bè cọc cũng cần được xem xét khi mực nước ngầm giảm ở các khu đô thị lớn.
1.6 Hiệu quả kinh tế của một số công trình lớn sử dụng móng bè cọc trên thế giới
1.6.1 Cong trinh Messturm —Frankfurt am Main, Germany [11]
Công trình được xây dựng từ năm 1988 đến 1991, cao 256m với 60 tầng và tỷ lệ độ mảnh H/B là 4.3 Móng của công trình sử dụng hệ thống móng bè cọc liên hợp, được bố trí thành 3 vòng tròn, trong đó hai vòng ngoài có đường kính lớn hơn Chiều dài cọc được lựa chọn dựa trên yêu cầu tải trọng mà cọc phải chịu Tải trọng của công trình được phân chia đều giữa móng bè và cọc, mỗi phần chịu 50% tải trọng Chiều dày của bè ở tâm là 6m và ở biên là 3m, với tổng khối lượng bê tông cốt thép là 17,000m3.
Trong vòng 72 giờ, 17 tông liên tục đã gây ra nhiệt độ cao, dẫn đến ứng suất nhiệt cho cốt thép Kết quả quan trắc cho thấy tổng độ lún của móng bè cọc đạt 130mm.
Hình 1.7 Phối cảnh và độ lún quan trắc của công trình
Messturm —Frankfurt am Main, Germany
Phương án móng ban đầu sử dụng thiết kế móng bè cọc truyền thống với 316 cọc, mỗi cọc dài trung bình 30m, có đơn giá 400 Euro/m, tổng chi phí lên đến 3.792.000 Euro Cuối cùng, phương án móng bè trên nền cọc được điều chỉnh, xét đến sự tương tác giữa cọc, đất và bè, dẫn đến việc giảm số lượng cọc xuống còn 64 cọc, vẫn giữ chiều dài trung bình 30m và đơn giá 400 Euro/m.
768000 Euro tiết kiệm sản phẩm cọc 3024000 Euro
1.6.2 Công trình City Tower — Oƒffenbach am Main, Germany [11]
Công trình được xây dựng từ 2001 -2003 với 32 tầng nổi và 2 tầng hầm, tổng chiều cao 120m Công trình sử dụng hệ móng bè cọc liên hợp (CPRE) với 36 cọc có
29990909 99+ tr srì C27 Ÿ ® Pile length25m Coc dai 25m ®@ Pile length 30m Coc dài 3®m
BỊ Bì! a Bi a Ũ Độ lún (cm)
Hình 1.8 Sơ đồ bố trí cọc và độ lún quan trắc công trình City Tower —
Chiều dài từ 25m ở biên và 35m ở tâm bè Tổng độ lún quan trắc được là 6.2cm
Giá thành cho phần cọc là 36x30x780$/m = 0.9 triệu$