Trần Huy Tấn, Viện KHCN xây dựng – Bộ Xây dựng Tóm tắt: Thông thường móng cọc của nhà có tầng ngầm được thiết kế với giả thiết toàn bộ tải trọng của công trình được truyền lên cọc.. Thi
Trang 1QUAN TRẮC PHÂN PHỐI TẢI TRỌNG LÊN CỌC VÀ ĐẤT NỀN
DƯỚI MÓNG CÔNG TRÌNH CÓ TẦNG NGẦM
TS Trịnh Việt Cường, Viện KHCN xây dựng – Bộ Xây dựng
TS Bùi Đức Hải, Viện KHCN và KT xây dựng Hà Nội
TS Trần Huy Tấn, Viện KHCN xây dựng – Bộ Xây dựng
Tóm tắt: Thông thường móng cọc của nhà có tầng ngầm được thiết kế với giả thiết toàn
bộ tải trọng của công trình được truyền lên cọc Tuy vậy các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ở nhiều nước trên thế giới đã cho thấy đất dưới bè móng tầng ngầm có tham gia chịu tải cùng với cọc Giải pháp tính tóan móng có kể đến sự làm việc đồng thời giữa cọc
và nền đã được áp dụng trong thiết kế nhiều công trình cao tầng có tầng ngầm ở nhiều nước tiên tiến Bài báo này giới thiệu kết quả quan trắc phân bố tải trọng lên cọc và lên nền tại một công trình xây dựng ở Hà Nội Kết quả thực nghiệm cho thấy đất nền tiếp nhận trên 20% tải trọng mặc dù tòa nhà được xây dựng trong điều kiện địa chất công trình không thuận lợi
Abstract: Normally, the piled foundations of buildings with basements are designed with
the assuming that the whole structural load is transferred to piles However, theorical and experimental studies have showed that the load are always shared between the piles and the soil under the basement raft Analysis methods that account for the interaction between piles and raft have been applied in the design of many high rise buildings abroad This report presents the results from monitoring the distribution of structural load
on piles and raft under a building in Hanoi Experimental results show that the raft takes over 20% of the total load although the building is constructed in an area of unfavourable soil condition
1 Mở đầu
Do quĩ đất cho phát triển đô thị ở các thành phố lớn ngày càng hạn hẹp nên việc xây dựng nhà cao tầng có tầng ngầm là giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng đất Trong những năm 1990 số tầng nhà thường chỉ ở mức 10-20 tầng thì từ năm 2000 đến nay nhà 20-30 tầng đã trở nên phổ biến và một số công trình trên 60 tầng cũng đang được xây dựng Đồng thời với việc tăng số tầng bên trên, số tầng ngầm của các công trình được xây dựng gần đây cũng tăng lên do nhu cầu bố trí chỗ để xe và các thiết bị kỹ thuật khác Một số công trình đã được xây dựng với 5 tầng ngầm và hiện nay một số công trình khác đang được thi công có tới 7 tầng ngầm
Giải pháp móng cọc đã được sử dụng cho hầu hết các công trình nhà cao tầng Thiết
kế thực hiện theo các tiêu chuẩn móng cọc hiện hành ở Việt Nam đều giả thiết toàn bộ tải trọng của công trình được truyền lên móng cọc và sự tham gia chịu tải của đất nền giữa các cọc không được xét đến Thông thường, chi phí cho phần cọc chiếm khoảng 15-25% chi phí xây dựng công trình nhà cao tầng
Trang 2Ở nước ngoài, các nghiên cứu về sự làm việc đồng thời cuả cọc và đất nền lý thuyết
và thực nghiệm đã thực hiện ở nhiều nứơc tiên tiến trên thế giới đã chứng tỏ sự tham gia làm việc của nền đất dưới móng cọc[2], [3], [4], [5], [7] Giải pháp thiết kế có kể đến
sự làm việc đồng thời của cọc và đất nền dưới móng đã cho phép giảm khoảng 20-40% chi phí cho móng cọc, tùy theo điều kiện cụ thể của công trình, trong đó các yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất là điều kiện địa chất, qui mô công trình và độ sâu phần ngầm, Hiện nay việc áp dụng giải pháp thiết kế trong đó có kể đến sự làm việc đồng thời của cọc và nền nói chung và có kể đến hiệu ứng do đào đất để xây dựng phần ngầm nói riêng đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới Nhiều công trình với qui mô 40-60 tầng đã được xây dựng trên móng bè-cọc tại Mexico [8], CHLB Đức [4], Nga [1], Nhật [5], v.v
Ở Việt Nam, sự làm việc đồng thời của cọc và đất nền đã được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và kiến nghị áp dụng trong giải pháp nền móng Tuy vậy việc áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế còn rất hạn chế Vì vậy nghiên cứu thực nghiệm sự phân bố tải trọng giữa cọc và nền tại công trình trụ sở công ty Tiền Phong cho phép đưa
ra những số liệu cụ thể chứng tỏ hiệu quả đạt được khi áp dụng giải pháp này trong thực
tế
2 Mô tả công trình
2.1 Thông tin chung
Trụ sở công ty Tiền Phong có kích thước mặt bằng 21m x 28 m, gồm 11 tầng nổi cao 42 m và 1 tầng ngầm sâu 2,4 m (hình 1) Công trình có kết cấu khung bê tông cốt thép kết hợp với lõi cứng Các cột được bố trí theo lưới 7x7 m Theo tính toán, tải trọng lớn nhất ở chân cột bằng 944 T
Thiết kế đã lựa chọn sử dụng cọc ép cho móng của công trình Trong tính toán thiết
kế đã giả thiết toàn bộ tải trọng công trình được truyền lên cọc Phần móng có cấu tạo như sau:
- Cọc BTCT tiết diện 30x30 cm, ép đến độ sâu 18.7-21.6 m Mũi cọc tựa trên lớp cát mịn trạng thái chặt vừa (lớp 7) Sức chịu tải cho phép của cọc bằng 70T;
- Cọc được bố trí thành từng cụm bên dưới cột, số lượng cọc dưới cột chịu tải trọng lớn nhất là 14 cây (hình 4);
- Hệ thống móng gồm các đài cọc, giằng, tường và bản đáy tầng ngầm
Trang 3Hình 1 Mặt cắt qua công trình
2.2 Điều kiện địa chất công trình
Theo kết quả khảo sát địa chất, đất nền ở khu vực tương đối thuận lợi cho các công trình xây dựng, tuy vậy ở độ sâu khoảng 6-9m đã gặp một lớp bùn sét và đây là lớp đất yếu duy nhất đã gặp trong phạm vi khảo sát Trụ địa chất điển hình và một số chỉ tiêu cơ
lý của đất nền được trình bày trong bảng 1
Trên cơ sở phân tích điều kiện địa chất và tải trọng của công trình, thiết kế đã lựa chọn giải pháp hạ cọc đến lớp 7 (cát mịn, chặt vừa) gặp từ độ sâu khoảng 22 m trở xuống Do lớp đất tựa cọc chỉ là cát mịn với NSPT=16-21 búa/30 cm nên sức chịu tải của cọc chủ yếu phụ thuộc vào ma sát bên và độ lún của công trình dự kiến bằng 2.1-7.2 cm (tùy theo vị trí cột)
Trang 4Bảng 1 Một số chỉ tiêu của các lớp đất nền
Chỉ tiêu Lớp
đất Mô tả
Bề dày
(m) W
(%)
γ
g/cm3 e o
I P
(%) I S
c
(kG /cm 2 )
ϕ (độ)
N SPT
(búa/
30cm)
1 Đất san lấp 2-2,4
2 Sét pha dẻo cứng 2-2,4 28.6 1.85 0.885 12.5 0.37 0.19 10°30’
3 Bùn sét pha lẫn tàn tích
hữu cơ 3,3 48.8 1.51 1.33 14.6 1.80 0.052 3°40’
4 Sét nửa cứng 3.7-4.5 24.1 1.93 0.759 18.0 0.15 0.309 15°00’
5 Sét pha dẻo cứng đến
nửa cứng 4.8 26.1 1.89 0.798 11.5 0.31 0.219 12°20’
6 Cát pha dẻo, xen kẹp
cát mịn (N SPT =12-14) 3.5 24.9 1.87 0.803 6.1 0.4 0.146 15°10’ 12-14
7 Cát hạt mịn, chặt vừa
8 Cát hạt trung, hạt thô
lẫn sạn sỏi nhỏ, chặt
vừa đến chặt (N SPT
=17-35)
9 Sỏi, cuội lẫn cát thô, cát
trung, chặt đến rất chặt
2.3 Thông tin về thi công và thí nghiệm cọc
Cọc của công trình được ép tới tải trọng 170-198 T Trước khi thi công đại trà, 3 cây cọc dài 19.1m đến 21.6 m đã được thí nghiệm nén tĩnh (bảng 2) Theo kết quả thí nghiệm, cọc chưa đạt tới sức chịu tải giới hạn khi được nén tới 160 T và độ lún của cọc
ở cấp tải thí nghiệm lớn nhất ở mức 13-17 mm (hình 2) Thông tin về chiều dài và lực ép của các cọc thí nghiệm và một số cây cọc khác được trình bày trong bảng 2
Trang 5Bảng 2 Thông tin về cọc thí nghiệm và cọc được gắn đầu đo lực
TT No Chiều dài (m) Lực ép (T) Ghi chú
Hình 2 Biểu đồ tải trọng - độ lún của cây cọc thí nghiệm No.3
3 Quan trắc phân bố tải trọng lên cọc và lên nền
Phần móng công trình Công ty Tiền Phong đã được thiết kế với giả thiết toàn bộ tải trọng được truyền lên móng cọc Tuy vậy ngay cả trong điều kiện đó các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho các công trình tương tự đã cho thấy một phần đáng kể tải trọng công trình được truyền lên nền đất dưới bản đáy tầng ngầm, nghĩa là đất nền luôn tham gia chịu tải cùng móng cọc Công tác quan trắc đã thực hiện ở Công ty Tiền
Trang 6Phong nhằm mục tiêu định lượng sự phân chia tải trọng lên cọc và lên nền dưới móng công trình xây dựng trong điều kiện đất nền khu vực Hà Nội
3.1 Nội dung công tác quan trắc
Các quan trắc đã thực hiện tại hiện trường bao gồm:
- Quan trắc lực tác dụng lên cọc bằng 06 đầu đo biến dạng (sử dụng thiết bị của hãng Slope Indicator – hình 3a);
- Quan trắc áp lực tác dụng lên đất nền bằng 03 đầu đo áp lực trong đất (sử dụng thiết bị của hãng Slope Indicator – hình 3b);
- Quan trắc độ lún của công trình bằng thiết bị quang học
Trong điều kiện số lượng thiết bị được lắp đặt hạn chế, việc lựa chọn vị trí lắp đặt các đầu đo lực lên cọc và áp lực lên nền được thực hiện theo nguyên tắc:
- Quan trắc lực tác dụng lên cọc và lên nền tại khu vực chịu tải cao nhất (khoảng giữa nhà và khu vực vách cứng);
- Trong cụm cọc, bố trí cọc đầu đo lực trên cây cọc chịu tải trọng ở mức trung bình trong nhóm (không bố trí ở biên, góc hoặc ở tâm nhóm cọc);
- Quan trắc áp lực lên nền ở khoảng giữa các giữa các đài cọc có đặt đầu đo lực trên cọc;
- Quan trắc lún ở chân các cột góc, biên và các cột ở khu vực trung tâm của công trình
Mặt bằng bố trí các điểm quan trắc được thể hiện trên hình 4 và sơ đồ lắp đặt các đầu đo được thể hiện trên hình 5 Tín hiệu từ các đầu đo được truyền về thiết bị đo qua các dây dẫn chuyên dùng có khả năng chịu ẩm và chống nhiễu
Hình 3 Các đầu đo biến dạng (a) và áp lực trong đất (b)
Trang 7Hình 4 Mặt bằng bố trí các điểm quan trắc
Hình 5 Chi tiết bố trí các đầu đo lực (a) và áp lực trong đất (b)
Trang 83.2 Kết quả quan trắc
Quan trắc được thực hiện từ ngày 5.11.07 đến ngày 30/9/08 với tổng số 16 lần đo Trong giai đọan này phần thô của tòa nhà đã được thi công tới tầng 9
3.2.1 Kết quả quan trắc lực tác dụng lên cọc
Trong số 6 đầu đo lực đã đặt trên 6 cọc, đầu đo đặt ở vị trí C-2 (móng B-2) cho kết quả cao gấp 3.8-6.5 lần so với các đầu đo còn lại Nguyên nhân của hiện tượng này có thể do đầu đo đã bị hư hại do tác động của môi trường hoặc do các lực tác động trong quá trình thi công Đây là hiện tượng thường gặp khi tiến hành thực nghiệm Vì số liệu
đo ở điểm C-2 có tính đột biến nên trong phần tiếp theo của báo cáo sẽ không xét đến
số liệu đo ở điểm này
Kết quả quan trắc thể hiện trên hình 6 cho thấy:
- Tải trọng đo được trên các cọc thuộc các cụm khác nhau là không đồng đều Khi kết thúc xây dựng phần thô tầng 9, tải trọng thay đổi ở mức 21-35.7 T/cọc;
- Tại các điểm C-1, C-3 và C-6, tải trọng tác dụng lên cọc là không đáng kể trong giai đọan xây dựng tâng ngầm đến tầng 3 của công trình trong khi tải trọng trên các cọc C4 và C-5 tương đối nhỏ Nguyên nhân có thể do ở giai đọan này tải trọng của công trình nhỏ và được phân bố chủ yếu lên đất nền;
- Cho tới khi kết thúc xây dựng phần thô của 4 tầng, tải trọng tác dụng lên cọc ít thay đổi;
- Tải trọng lên cọc có xu hướng tăng rõ rệt trong giai đọan xây dựng các tầng 5,
6 và 7
3.2 2 Kết quả quan trắc áp lực đáy móng bè
Kết quả quan trắc áp lực đáy móng được thể hiện trên hình 7 cho thấy:
- Tải trọng đo được tại cả 3 điểm tương đối đồng đều;
- Áp lực tăng tới 0,15-0,2 kG/cm2 ngay từ giai đọan thi công tầng 1và ít thay đổi cho tới khi kết thúc thi công phần thô tầng 5 Hiện tượng này có thể do sau khi đào hố móng vào mùa khô, đất ở đáy móng đã bị giảm độ ẩm Sau khi thi công hệ móng, độ ẩm đã phục hồi dần và sự trương nở cuả đất tạo ra áp lực lên bè móng;
- Trong giai đọan xây dựng các tầng từ 6-9, áp lực đáy món tăng đều và đạt tới khoảng 0,26 kG/cm2;
- Có dấu hiệu áp lực đáy móng ít thay đổi ở chu kỳ cuối
3.2.3 Kết quả quan trắc độ lún
Kết quả quan trắc độ lún ở khu vực trung tâm mặt bằng nhà thể hiện trên hình 8 cho thấy:
- Phần trung tâm công trình lún đều, không phát hiện chênh lệch lún đáng kể giữa các cột;
Trang 9- Độ lún tăng theo qui luật tuyến tính đến khi kết thúc xây dựng phần thô tầng 6;
- Trong lần đo gần đây nhất, độ lún của công trình bằng khoảng 7-8,4 mm, còn thấp hơn nhiều so với dự báo
3.2.4 Nhận xét về phân bố tải trọng lên cọc và lên nền
Để đánh giá sự phân bố tải trọng giữa cọc và nền cho công trình Công ty Tiền Phong có thể lấy trường hợp của cột B-3 Đây là cột nằm ở tâm công trình và theo tính toán kết cấu thì đây là cột chịu tải trọng lớn nhất Các thông số xem xét là:
- Diện tích phân bố tải của cột bằng 7x7=49 m2;
- Lực trung bình đo được trên cọc sau khi thi công tầng 9: P=31 T;
- Lực tính toán trên cọc sau khi thi công tầng 9: P=26.28 T;
- Số lượng cọc trong nhóm: 14 cây;
- Áp lực dưới móng bè đo được (tại PR-1): q=2.6 T/m2;
- Tải trọng chân cột khi hoàn thành phần thô tầng 9: N=570 T
Phân chia tải trọng lên cọc và lên nền từ khi bắt đầu xây dựng tầng 1 đến khi kết thúc phần thô tầng 9 (hình 9) được thể hiện thông qua tỷ số k=Nnền/N, trong đó Nnền là tải trọng truyền lên đất nền và N là tải trọng ở chân cột B-3 Có thể thấy ở giai đoạn đầu phần lớn tải trọng được phân bố lên nền đất (k=60-70%), sau đó tỷ lệ này giảm dần xuống k=23,2% khi kết thúc quá trình quan trắc Nguyên nhân của hiện tượng này có thể
do đất bị khô trong quá trình thi công móng, sau đó độ ẩm tăng trở lại làm đất trương nở gây áp lực ban đầu lên đáy móng và thậm chí đã gây ra lực kéo lên một số cây cọc (hình 6)
Hình 6 Kết quả quan trắc tải lên cọc
Trang 10Hình 7 Kết quả quan trắc áp lực lên đất nền
Hình 8 Kết quả quan trắc lún
Trang 1110.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
Chu kỳ đo
Hình 9 Tỷ lệ phân bố tải trọng lên nền theo chu kỳ đo
7 Kết luận và kiến nghị
Trong điều kiện bên dưới móng công trình Công ty Tiền Phong có lớp đất yếu, công trình được thiết kế với giả thiết toàn bộ tải trọng được truyền lên cọc và độ sâu đào hạn chế, quan trắc đã cho thấy đất nền có tham gia chịu tải cùng móng cọc Kết quả quan trắc đã thực hiện ở đây cũng phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ở nhiều nước trên thế giới
Trong điều kiện hiện nay cần nghiên cứu áp dụng những giải pháp thiết kế trong đó
có xét đến sự làm việc đồng thời giữa cọc và bè móng của các công trình có tầng ngầm
để giảm chi phí cho phần móng và nâng cao hiệu quả đầu tư trong xây dựng Các khu vực không có đất yếu tại Từ Liêm, Sóc Sơn, Đông Anh và một số vùng thuộc nội thành
Hà Nội (cũ) có điều kiện địa chất thuận lợi nhất để áp dụng giải pháp này
Tài liệu tham khảo
CHARACTERISTICS OF CONSTRUCTION PROCEDURES” Soil Mechanics and
Foundation Engineering, Vol 40, No 5, 2003 (dÞch tõ Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov, No 5, pp 24-27, September-October, 2003)
2 Borel, S & Combarieu, O “Some Observations on Piled Footings”, 2nd Symp in Civil Eng., Budapest, 1998
3 Cooke, R.W., Bryden-Smith, D.W., Gooch, M.N & Sillet, D.F “Some observations
of the foundation loading and settlement of a multi-storey building on a piled raft foundation in London Clay”, Proc Instn Civ Engs., Part 1, 1981, Aug 433-460
4 Katzenbach, R., Bachmann, G., Gutberlet, C., A Schmitt & Turek, J “Deep Foundations Combined Pile-Raft Foundation of Frankfurt High-Rise Buildings”
Trang 125 Majima, M & Nagao, T “Behaviour of piled raft foundation for tall building in Japan”
(Design and applications of raft foundations, Editor: Hemsley, J.A.), Thomas Telford, 2000
6 D Placzek, M Thaher, M Kowalów, R Schluff, “Europe Tower Sofia”
7 Poulos, H G & Davis, E H (1980), Pile Foundation Analysis and Design, John
Wiley and Sons
8 Zeevaert, L (1957), Foundation Design and behavior of Tower Latino Americana in Mexico City, Geotechnique, VII, Sept p 115