NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI CỦA CỌC , MÓNG & NỀN ĐẤT DƯỚI ĐÁY MÓNG ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TOP-BASE

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI CỦA CỌC , MÓNG & NỀN ĐẤT DƯỚI ĐÁY MÓNG ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TOP-BASE KS Ngô Đức Hà Giám đốc thiết kế móng công trình Công ty TADITS Vietnam Tóm tắt: Phần kết cấu móng nhà nhiều tầng gồm có nhiều phận phục vụ chức khác cọc tường chắn đất, kết cấu đài cọc đáy tầng hầm,…….tất phận có khả chịu tải tốt Nhưng thực tế thiết kế móng lại xem xét riêng rẽ làm việc phận cho chức mà không xem xét làm việc đồng thời tất phận vốn có Hơn hầu hết nhà thiết kế móng bỏ qua số yếu tố có khả giảm tải trọng công trình tương đối lớn khối lượng đất đào bỏ thi công tầng hầm, gây tốn lớn thiết kế thi công phần móng nhà nhiều tầng Nội dung viết đề cập đến kết nghiên cứu thực TADITS (một công ty chuyên phát triển công nghệ xây dựng Việt Nam) nhằm hướng tới hệ kết cấu móng khai thác triệt để khả chịu tải phận vốn có kết cấu móng cọc móng, móng bè, hệ tường chắn đất kết cấu móng nhà nhiều tầng, nhờ tiết kiệm đáng kể chi phí giảm thời gian thi công phần kết cấu móng nhiều tầng Báo cáo đề cập đến hiệu ứng dụng biện pháp gia cố Top base móng nông để tăng khả chịu tải móng giảm số lượng cọc, mang lại hiệu lợi ích kinh tế cao cho xã hội ĐẶT VẤN ĐỀ: Nhà cao tầng xây dựng nhiều đô thị lớn Việt Nam để đáp ứng nhu cầu ở, sinh hoạt, thương mại tăng lên nhanh chóng xã hội Nhà nhiều tầng thường có tầng hầm để phục vụ chức để xe, nơi cung cấp dịch vụ thiết yếu cho cư dân Tòa nhà Chính kết cấu phần ngầm nhà bao gồm nhiều phận kết cấu khác nhau, đáp ứng chức khác công trình:  Vách tầng hầm: để giữ thành hố đào thi công tường chắn đất cho tầng hầm  Đáy tầng hầm (móng bè)  Cọc & đài móng Giải pháp thiết kế móng cọc tham gia làm việc để huy động phần móng làm việc với cọc Trên đầu cọc đáy móng gắn thiết bị kiểm soát lún (được tạm gọi Gối đàn hồi_xem hình 1) Các Gối đàn hồi có đặc điểm có độ cứng đàn hồi phương đứng thấp độ cứng đàn hồi phương đứng cọc khoảng lún ban đầu ấn định trước Khi độ lún móng vị trí cọc vượt qua độ lún ban đầu ấn định trước này, độ cứng đàn hồi phương đứng Gối đàn hồi lớn độ cứng đàn hồi phương đứng cọc Số lượng cọc loại móng nên khoảng cách cọc đủ lớn để cọc chịu lực lún cọc đơn Hình Cấu tạo Gối đàn hồi Để tăng khả làm việc đất, từ năm 2007 trình tiếp nhận chuyển giao công nghệ Top-base từ Công ty TBS (Hàn quốc), chứng kiến công trình đến 30 tầng với tầng hầm thi công Seoul không cần sử dụng cọc mà sử dụng hệ móng bè Top-base Công ty TADITS nghiên cứu tìm cách phát triển hệ gia cố Top-base cho phù hợp với điều kiện đia chất Việt Nam Cho đến hệ gia cố Top-base ứng dụng rộng rãi nhiều khu vực có địa chất đất yếu công trình Hà Nội, Hải phòng, Thanh Hóa, thành phố Hồ Chí Minh…….,và cho thấy rõ khả huy động sức chịu tải đất móng gấp 2~3 lần so với đất không gia cố, độ lún công trình giảm mạnh thời gian tắt lún sảy nhanh chóng trình thi công MÔ HÌNH TÍNH TOÁN Mô hình tính toán chia làm hai phần gọi MÓNG/CÔNGTRÌNH NỀN Hai mô hình có mối liên quan chặt chẽ với tác động lẫn qua điều kiện ràng buộc Kết tính toán mô hình thông số đầu vào để phục vụ cho tính toán mô hình ngược lại Kết tính toán cuối chấp nhận hai mô hình có thông số đầu vào kết tính toán phù hợp lẫn Các thông số đầu vào kết kiểm tra phù hợp chuyển vị lún áp lực tiếp xúc đáy móng Áp lực tiếp xúc đáy móng nhận tính toán theo mô hình MÓNG/CÔNGTRÌNH lực tác dụng lên đất cọc tham số đầu vào mô hình NỀN Độ lún đất cọc nhận tính toán theo mô hình NỀN dùng để xác định hệ số (kn) tham số đầu vào mô hình MÓNG/CÔNGTRÌNH Sơ đồ khối mô hình tính toán trình bày hình Hình Sơ đồ khối làm việc hai mô hình MÓNG/CÔNG TRÌNH NỀN 2.1 Mô hình MÓNG/CÔNG TRÌNH: Mô hình MÓNG/CÔNG TRÌNH đầy đủ (xem hình 4) sơ đồ kết cấu công trình bên gắn liền với kết cấu móng bè đặt gối tựa đàn hồi Trường hợp đơn giản hơn, không kể đến ảnh hưởng độ cứng kết cấu bên đến làm việc phần kết cấu bên Kể từ cốt cao độ tác động phần kết cấu bên vào phần kết cấu bên kể đến đơn tải trọng tác động xác định nội lực tiết diện cắt cốt cao độ phân chia Lúc mô hình MÓNG/CÔNGTRÌNH phần (xem hình 5) phần bên mô hình MÓNG/CÔNGTRÌNH đầy đủ với tải trọng tác động phần bên Trường hợp đơn giản coi toàn tác động phần kết cấu bên bề mặt móng bè tải trọng tác động vị trí vách, cột chịu lực Mô hình MÓNG/CÔNG TRÌNH lúc trở thành mô hình MÓNG (xem hình 3) Hình Mặt cắt mô hình MÓNG Hệ số độ cứng đàn hồi cọc tải trọng P xác định trước Nguyên tắc cộng tác dụng áp dụng cho mô hình Có thể sử dụng phần mềm có để giải toán cho mô hình Hình Mặt cắt mô hình MÓNG/CÔNG TRÌNH đầy đủ Hình Mặt cắt mô hình MÓNG/CÔNG TRÌNH phần Theo kết nghiên cứu thực người viết báo cáo này, tính toán khảo sát so sánh mô hình cho số khung phẳng có móng đơn, lực dọc cột biên áp lực tác động lên móng hàng biên mô hình MÓNG/CÔNG TRÌNH đầy đủ có giá trị lớn từ 1,3 đến 1,5 lần so với giá trị tương ứng tính với mô hình tính toán coi chân cột ngàm mặt móng 2.2 Mô hình NỀN Mô hình toán áp dụng theo phương pháp tính toán móng bè móng bè Top-base Với việc gia cố Top-base có tác dụng ngăn cản chuyển vị ngang công trình, làm giảm khả giãn nở dẫn đến giảm độ lún móng công trình phân phối ứng suất bên đáy móng làm tăng khả chịu lực Việc tính toán mô hình việc xác định hệ số độ cứng đàn hồi gối tựa gối tựa cọc lên móng bè xác định theo nội dung 2.2.1 Mô hình gối tựa Cọc a Độ lún gối tựa cọc Với cọc, có tải trọng dọc trục tác động lên đầu gối tựa cọc, tải trọng truyền qua Gối lún truyền lên cọc Độ lún gối tựa cọc xác định theo quan hệ tải trọng – lún thiết lập từ kết thí nghiệm nén tĩnh thí nghiệm nén thiết bị Gối lún Hình mô tả phương pháp xác định độ lún biết tải trọng tác động lên gối tựa cọc Khi chưa có kết thí nghiệm nén tĩnh tạm xác định độ lún SGP gối tựa cọc sau: RGP < SG KG : SGP = RGP/KG + (0,8  0,9) RGP.Lp /Ep (2.1) RGP  SG KG : SGP = SG + (0,8  0,9) RGP Lp /Ep (2.2) : SG lún ban đầu Gối lún KG hệ số độ cứng đàn hồi Gối lún phân bố theo tiết diện cọc RGP tải trọng phân bố tác động lên đầu gối tựa cọc, xác định từ kết tính toán mô hình NỀN/CÔNG TRÌNH vị trí gối tựa cọc, Lp chiều dài cọc, Ep mô đun đàn hồi vật liệu cọc, Hình Quan hệ tải trọng độ lún gối tựa cọc b Hệ số độ cứng đàn hồi gối tựa cọc: Hệ số độ cứng KGP gối tựa cọc xác định theo công thức: KGP = (RGP)/(SGP) Cọc: Do cọc thường thiết kế chịu tải công trình giai đoạn gần đàn hồi nên coi hệ số độ cứng đàn hồi phân bố Kp cọc số Giá trị hệ số độ cứng đàn hồi cọc phân bố xác định từ biểu đồ thí nghiệm nén tĩnh cọc: Kp = Palow / Ap.Salow (2.3) : Palow sức chịu tải cho phép cọc, Salow độ lún tương ứng với Palow xác định biểu đồ thí nghiệm nén tĩnh Khi chưa có kết thí nghiệm nén tĩnh cọc, xác định hệ số độ cứng đàn hồi Kp cọc theo công thức sau: Kp = (1,11,25) Ep/Lp (2.4) Gối tựa cọc: Hệ số độ cứng đàn hồi Gối lún KG xác định từ thí nghiệm chế tạo Gối lún Từ giá trị hệ số độ cứng đàn hồi cọc Kp hệ số độ cứng đàn hồi Gối lún KG, xác định độ cứng đàn hồi gối tựa cọc KGp sau: RGP < SG KG : KGP = Kp.KG / (Kp + KG) RGP  SG KG : KGP = Kp (2.5) (2.6) 2.2.2 Mô hình gối tựa Nền Nền đất đáy móng bè phân chia thành ô chữ nhật ô vuông gọi phần tử gối tựa Với kích thước đủ nhỏ, phần tử, hệ số độ cứng đàn hồi KS đặc trưng cho quan hệ áp lực tiếp xúc – lún đất, áp lực tiếp xúc RS, lún SS coi phân bố có giá trị không đổi a Độ lún gối tựa Nền Tại phần tử nền, độ lún thân tải trọng tác động phần tử có thêm độ lún tải trọng toàn phần tử khác gây nên vị trí phần tử Việc kể đến tác động toàn móng bè đến phần tử tiến hành cách bổ sung thêm tải trọng tác động lên vị trí phần tử tính lún Giá trị ứng suất gây lún Pi,ele theo độ sâu phần tử gây áp lực tiếp xúc RS phần tử xác định theo công thức sau: Pi,ele = Rs.[arctan (B.L/K z) +B.L (1/a2 + 1/b2).z/K] /2 (2.7) đó: B nửa bề rộng phần tử, L nửa chiều dài phần tử, z độ sâu điểm xét so với cao độ đáy móng, a2 = B2 + z2 b2 = L2 + z2 K2 = B2 + L2 + z2 Giá trị ứng suất gây lún Pi,aveg theo độ sâu phần tử gây áp lực tiếp xúc trung bình Raveg phân bố toàn móng bè xác định theo hình vẽ công thức tổng phần tử sau: Phân chia phần ảnh hưởng toàn móng bè Pi,aveg = SUM{Raveg.[arctan (Bi.Li/Ki z) +Bi.Li (1/ai2 + 1/bi2).z/Ki] /2 (2.7a) đó: Bi bề rộng phần thứ i Li chiều dài phần thứ i z độ sâu điểm xét so với cao độ đáy móng, ai2 = Bi2 + z2 bi2 = Li2 + z2 Ki2 = Bi2 + Li2 + z2 B1 + B3 = B2 + B4 = bề rộng toàn móng bè L1 + L2 = L3 + L4 = chiều dài toàn móng bè Từ giá trị Pi,ele Pi,aveg xác định ứng suất gây lún Pn độ sâu z tải trọng phần tử ảnh hưởng toàn móng bè theo nguyên tắc sau: Pn = max (Pi,ele Pi,aveg) (2.8) Độ lún phần tử nền, SS , xác định theo công thức sau: SS = SUM ( Si , i = 1, n) (2.9) đó: i số thứ tự phân lớp đất n số phân lớp đất nằm vùng chịu lún Si xác định theo nội dung trình bày phần sau Gọi áp lực tiền cố kết p ứng suất hữu hiệu đất trước gia tải ’1 Khi ’1+ Pn  p : Si = [hi /(1 +e0)] Cr log[(’1 + Pn)/’1 ] (2.10a) Khi ’1  p : Si = [hi /(1 +e0)] Cc log[(’1 + Pn)/’1 ] (2.10b) Khi ’1 p Si = [hi /(1 +e0)] {Cr log (p /’1) + Cc log [(’1 + Pn)/p ] } (2.10c) Trong tham số e0, Cr Cc hệ số rỗng ban đầu, số nén lún đất cố kết số nén lún đất cố kết thường b Độ lún gối tựa Nền gia cố Top-base Trong trường hợp gia cố Top-base độ lún phần tử mặt gia cố Top-base xác định theo công thức trang 24, tài liệu hướng dẫn tính toán thiết kế Top-base, chuyển giao công nghệ từ công ty TBS Hàn Quốc Độ lún Si lớp lớp phân tố tính theo công thức sau: Si = εzi x H εzi = (1/E)(1-2vK0)∆бzi đó: Εzi : Độ dãn theo chiều thẳng đứng lớp “i” E: Mô đun đàn hồi đất bên lớp Top-base v: Hệ số Poison K0: Hệ số áp lực đất tĩnh ∆бzi: Mức áp lực gia tăng trung bình lớp “i” (được tính theo tải trọng phân bố bề mặt Top-base mức phân bố ứng suất với góc khuyếch tán 300) Hình Phương pháp tính toán độ lún Nền Top-base c Hệ số độ cứng đàn hồi gối tựa Nền Độ cứng đàn hồi gối tựa KS xác định theo công thức sau: KS = (RS) / (SS) (2.11) đó: (RS) số gia phản lực nền, lấy từ kết tính toán sơ đồ MÓNG (SS) số gia độ lún tính toán ĐIỀU KIỆN CƯỜNG ĐỘ VÀ LÚN Điều kiện cường độ thực cho cọc Với cọc, điều kiện cường độ thực cọc thông thường với tải trọng tác động lên đầu cọc xác định nhận kết cuối sau giải xong toán hệ cọc làm việc đồng thời Với đất móng bè gia cố Top-base, việc kiểm tra cưòng độ thực móng nông với tải trọng trung bình toàn móng xác định nhận kết cuối sau giải toán hệ cọc làm việc đồng thời Kiểm tra đảm bảo lún thực theo điều kiện sau đây: S < [S], Trong đó: [S] độ lún cho phép công trình, S = Stổng – S đh, độ lún ảnh hưởng lâu dài đến kết cấu công trình Với S tổng độ lún cuối trung bình SGC, SD Độ lún đàn hồi trung bình Sdh tính giải toán hệ cọc làm việc đồng thời Độ lún đàn hồi xác định độ lún gây tải trọng có giá trị nhỏ áp lực tiền cố kết Độ lún xảy nhanh giai đoạn thi công công trình, không ảnh hưởng lâu dài đến việc sử dụng công trình sau TÀI LIỆU THAM KHẢO TCVN 356: 2005 - Kết cấu bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737 : 1995 - Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 375 : 2006 - Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất TCXD 45 : 1978 - Tiêu chuẩn thiết kế nhà công trình xây dựng dân dụng Cẩm nang dùng cho kỹ sư Địa Kỹ thuật, Trần văn Việt, Nhà xuất Xây dựng, 2004 TCXDVN 198-1997 nhà cao tầng – hướng dẫn thiết kế kết cấu BTCT toàn khối TCXDVN 205 - 1998: móng cọc - tiêu chuẩn thiết kế In-place top-base method (New Foundation Method on Soft Ground) Japan soil engineering society - jsf t25-80; Korean industrial standard - ksf 2444 10 Foundation Analysis and Design PHỤ LỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐIỂN HÌNH TẠI VIỆT NAM Tòa nhà Ocean View Manor – Vũng Tàu Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng 400 cọc ống phi 500, sâu 40m Phương án TADITS: Móng bè top base 74 cọc ống phi 400, sâu 24m Hiệu kỹ thuật: Thi công nhanh, giảm nhiều khó khăn hạ cọc đất cát chặt Hiệu kinh tế: Giảm chi phí 10tỷ VNĐ Trụ sở Tổng Công ty Constrexim –Hà Nội Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng 45 cọc khoan nhồi D1000, sâu 40m Phương án TADITS: Sử dụng 20 cọc khoan nhồi sâu 35m, D1000mm, Top base đáy móng bè Hiệu kỹ thuật: Thi công nhanh, giảm nhiều khó khăn hạ cọc đất cát chặt Tòa nhà Licogi 18.1 – TP.Hạ Long Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng 400 cọc vuông 40 x 40, sâu 35m Phương án TADITS: Móng băng Top base kết hợp với 110 cọc ép vuông 40 x40 sâu 16m Hiệu kỹ thuật: Giảm mạnh số lượng cọc thời gian thi công Hiệu kinh tế: Giảm chi phí 5tỷ VNĐ Bệnh viện Yên Phúc – Hà Đông, Hà Nội Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng 200cọc vuông 35 x35, sâu 40m Phương án TADITS: Sử dụng móng bè top base 40 cọc nhồi D600, 26m Hiệu kỹ thuật: Giảm số lượng cọc thời gian thi công Hiệu kinh tế: Giảm chi phí 5tỷ VNĐ Tổng Cty Tecco Miền Trung – TP.Vinh Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng 400 cọc vuông 30x30, sâu 40m Phương án TADITS: Sử dụng móng băng top base làm việc với 90 cọc ép vuông 30x30, sâu 24m Hiệu kỹ thuật: Giảm mạnh số lượng cọc thời gian thi công Trụ sở Phía Nam Tập đoàn HADO - TP HCM Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng 30 cọc khoan nhồi D1000 sâu 38m; tường vây Barrette Dày 600 Phương án TADITS: Dùng cọc khoan nhồi D400 làm cọc tường vây, móng bè top base Hiệu kỹ thuật: Thi công nhanh đơn giản Hiệu kinh tế: Giảm chi phí 10tỷ VNĐ [...]... Sử dụng 45 cọc khoan nhồi D100 0, sâu 40m Phương án của TADITS: Sử dụng 20 cọc khoan nhồi sâu 35m, D1000mm, Top base dưới đáy móng bè Hiệu quả kỹ thuật: Thi công nhanh, giảm nhiều khó khăn khi hạ cọc trong đất cát chặt Tòa nhà Licogi 18.1 – TP.Hạ Long Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng trên 400 cọc vuông 40 x 4 0, sâu 35m Phương án của TADITS: Móng băng trên nền Top base kết hợp với 110 cọc ép vuông... 400 cọc vuông 30x3 0, sâu 40m Phương án của TADITS: Sử dụng móng băng trên nền top base cùng làm việc với 90 cọc ép vuông 30x3 0, sâu 24m Hiệu quả kỹ thuật: Giảm mạnh số lượng cọc và thời gian thi công Trụ sở Phía Nam Tập đoàn HADO - TP HCM Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng trên 30 cọc khoan nhồi D1000 sâu 38m; tường vây Barrette Dày 600 Phương án của TADITS: Dùng cọc khoan nhồi D400 làm cọc tường... sâu 16m Hiệu quả kỹ thuật: Giảm mạnh số lượng cọc và thời gian thi công Hiệu quả kinh tế: Giảm chi phí trên 5tỷ VNĐ Bệnh viện Yên Phúc – Hà Đông, Hà Nội Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng trên 20 0cọc vuông 35 x3 5, sâu 40m Phương án của TADITS: Sử dụng móng bè trên nền top base và 40 cọc nhồi D60 0, 26m Hiệu quả kỹ thuật: Giảm số lượng cọc và thời gian thi công Hiệu quả kinh tế: Giảm chi phí trên... Tập đoàn HADO - TP HCM Phương án thiết kế truyền thống: Sử dụng trên 30 cọc khoan nhồi D1000 sâu 38m; tường vây Barrette Dày 600 Phương án của TADITS: Dùng cọc khoan nhồi D400 làm cọc tường vây, móng bè trên nền top base Hiệu quả kỹ thuật: Thi công nhanh và đơn giản Hiệu quả kinh tế: Giảm chi phí trên 10tỷ VNĐ