Quan trắc phân phối tải trọng lên cọc và đất nền dưới móng công trình có tầng hầm

QUAN 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 KT xây dựng Hà Nội TS Trần Huy Tấn, Viện KHCN xây dựng – Bộ Xây dựng Tóm tắt: Thông thường móng cọc nhà có tầng ngầm thiết kế với giả thiết toàn tải trọng công trình truyền lên cọc Tuy nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm nhiều nước giới cho thấy đất bè móng tầng ngầm có tham gia chịu tải với cọc Giải pháp tính tóan móng có kể đến làm việc đồng thời cọc áp dụng thiết kế nhiều công trình cao tầng có tầng ngầm nhiều nước tiên tiến Bài báo giới thiệu kết quan trắc phân bố tải trọng lên cọc lên công trình xây dựng Hà Nội Kết thực nghiệm cho thấy đất tiếp nhận 20% tải trọng tòa nhà xây dựng 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 Mở đầu Do quĩ đất cho phát triển đô thị thành phố lớn ngày hạn hẹp nên việc xây dựng nhà cao tầng có tầng ngầm giải pháp nâng cao hiệu sử dụng đất Trong năm 1990 số tầng nhà thường mức 10-20 tầng từ năm 2000 đến nhà 20-30 tầng trở nên phổ biến số công trình 60 tầng xây dựng Đồng thời với việc tăng số tầng bên trên, số tầng ngầm công trình xây dựng gần tăng lên nhu cầu bố trí chỗ để xe thiết bị kỹ thuật khác Một số công trình xây dựng với tầng ngầm số công trình khác thi công có tới tầng ngầm Giải pháp móng cọc sử dụng cho hầu hết công trình nhà cao tầng Thiết kế thực theo tiêu chuẩn móng cọc hành Việt Nam giả thiết toàn tải trọng công trình truyền lên móng cọc tham gia chịu tải đất cọc không xét đến Thông thường, chi phí cho phần cọc chiếm khoảng 15-25% chi phí xây dựng công trình nhà cao tầng Ở nước ngoài, nghiên cứu làm việc đồng thời cuả cọc đất lý thuyết thực nghiệm thực nhiều nứơc tiên tiến giới chứng tỏ tham gia làm việc đất móng cọc[2], [3], [4], [5], [7] Giải pháp thiết kế có kể đến làm việc đồng thời cọc đất móng cho phép giảm khoảng 20-40% chi phí cho móng cọc, tùy theo điều kiện cụ thể công trình, yếu tố có ảnh hưởng mạnh điều kiện địa chất, qui mô công trình độ sâu phần ngầm, Hiện việc áp dụng giải pháp thiết kế có kể đến làm việc đồng thời cọc nói chung có kể đến hiệu ứng đào đất để xây dựng phần ngầm nói riêng áp dụng rộng rãi giới Nhiều công trình với qui mô 40-60 tầng xây dựng móng bè-cọc Mexico [8], CHLB Đức [4], Nga [1], Nhật [5], v.v Ở Việt Nam, làm việc đồng thời cọc đất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu kiến nghị áp dụng giải pháp móng Tuy việc áp dụng kết nghiên cứu vào thực tế hạn chế Vì nghiên cứu thực nghiệm phân bố tải trọng cọc công trình trụ sở công ty Tiền Phong cho phép đưa số liệu cụ thể chứng tỏ hiệu đạt áp dụng giải pháp thực tế Mô tả công trình 2.1 Thông tin chung Trụ sở công ty Tiền Phong có kích thước mặt 21m x 28 m, gồm 11 tầng cao 42 m 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 bố trí theo lưới 7x7 m Theo tính toán, tải trọng lớn chân cột 944 T Thiết kế lựa chọn sử dụng cọc ép cho móng công trình Trong tính toán thiết kế giả thiết toàn tải trọng công trình truyền lên cọc Phần móng có cấu tạo sau: - Cọc BTCT tiết diện 30x30 cm, ép đến độ sâu 18.7-21.6 m Mũi cọc tựa lớp cát mịn trạng thái chặt vừa (lớp 7) Sức chịu tải cho phép cọc 70T; - Cọc bố trí thành cụm bên cột, số lượng cọc cột chịu tải trọng lớn 14 (hình 4); - Hệ thống móng gồm đài cọc, giằng, tường đáy tầng ngầm Hình Mặt cắt qua công trình 2.2 Điều kiện địa chất công trình Theo kết khảo sát địa chất, đất khu vực tương đối thuận lợi cho công trình xây dựng, độ sâu khoảng 6-9m gặp lớp bùn sét lớp đất yếu gặp phạm vi khảo sát Trụ địa chất điển hình số tiêu lý đất trình bày bảng Trên sở phân tích điều kiện địa chất tải trọng công trình, thiết kế lựa chọn giải pháp hạ cọc đến lớp (cát mịn, chặt vừa) gặp từ độ sâu khoảng 22 m trở xuống Do lớp đất tựa cọc cát mịn với NSPT=16-21 búa/30 cm nên sức chịu tải cọc chủ yếu phụ thuộc vào ma sát bên độ lún công trình dự kiến 2.1-7.2 cm (tùy theo vị trí cột) Bảng Một số tiêu lớp đất Chỉ tiêu Lớp đất Mô tả Bề dày (m) W γ (%) g/cm3 eo IP (%) c IS (kG /cm ) ϕ (độ) Đất san lấp 2-2,4 Sét pha dẻo cứng 2-2,4 28.6 1.85 0.885 12.5 0.37 0.19 10°30’ Bùn sét pha lẫn tàn tích hữu 3,3 48.8 1.51 1.33 14.6 1.80 0.052 3°40’ Sét nửa cứng 3.7-4.5 24.1 1.93 0.759 18.0 0.15 0.309 15°00’ Sét pha dẻo cứng đến nửa cứng 4.8 26.1 1.89 0.798 11.5 0.31 0.219 12°20’ Cát pha dẻo, xen kẹp cát mịn (NSPT=12-14) 3.5 24.9 1.87 0.803 6.1 0.4 0.146 15°10’ Cát hạt mịn, chặt vừa (búa/ 30cm) 12-14 4.7 16-21 Cát hạt trung, hạt thô lẫn sạn sỏi nhỏ, chặt vừa đến chặt (NSPT=1735) 8.1 17-35 Sỏi, cuội lẫn cát thô, cát trung, chặt đến chặt (NSPT=39-64) - 39-64 (NSPT=16-21) NSPT 2.3 Thông tin thi công thí nghiệm cọc Cọc công trình ép tới tải trọng 170-198 T Trước thi công đại trà, cọc dài 19.1m đến 21.6 m thí nghiệm nén tĩnh (bảng 2) Theo kết thí nghiệm, cọc chưa đạt tới sức chịu tải giới hạn nén tới 160 T độ lún cọc cấp tải thí nghiệm lớn mức 13-17 mm (hình 2) Thông tin chiều dài lực ép cọc thí nghiệm số cọc khác trình bày bảng Bảng Thông tin cọc thí nghiệm cọc gắn đầu đo lực TT No Chiều dài (m) Lực ép (T) Ghi 36 19.15 172.2 Nén tĩnh (No.1) 155 21.25 172.2 Nén tĩnh (No.2) 187 21.65 172.2 Nén tĩnh (No.3) 38 19.75 172.2 C1 77 20.25 172.2 C5 90 21.55 172.2 C3 130 18.75 196.8 C2 144 20.55 172.2 C4 158 20.05 172.2 C6 Hình Biểu đồ tải trọng - độ lún cọc thí nghiệm No.3 Quan trắc phân bố tải trọng lên cọc lên Phần móng công trình Công ty Tiền Phong thiết kế với giả thiết toàn tải trọng truyền lên móng cọc Tuy điều kiện kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho công trình tương tự cho thấy phần đáng kể tải trọng công trình truyền lên đất đáy tầng ngầm, nghĩa đất tham gia chịu tải móng cọc Công tác quan trắc thực Công ty Tiền Phong nhằm mục tiêu định lượng phân chia tải trọng lên cọc lên móng công trình xây dựng điều kiện đất khu vực Hà Nội 3.1 Nội dung công tác quan trắc Các quan trắc thực trường bao gồm: - Quan trắc lực tác dụng lên cọc 06 đầu đo biến dạng (sử dụng thiết bị hãng Slope Indicator – hình 3a); - Quan trắc áp lực tác dụng lên đất 03 đầu đo áp lực đất (sử dụng thiết bị hãng Slope Indicator – hình 3b); - Quan trắc độ lún công trình thiết bị quang học Trong điều kiện số lượng thiết bị lắp đặt hạn chế, việc lựa chọn vị trí lắp đặt đầu đo lực lên cọc áp lực lên thực theo nguyên tắc: - Quan trắc lực tác dụng lên cọc lên khu vực chịu tải cao (khoảng nhà khu vực vách cứng); - Trong cụm cọc, bố trí cọc đầu đo lực cọc chịu tải trọng mức trung bình nhóm (không bố trí biên, góc tâm nhóm cọc); - Quan trắc áp lực lên khoảng giữa đài cọc có đặt đầu đo lực cọc; - Quan trắc lún chân cột góc, biên cột khu vực trung tâm công trình Mặt bố trí điểm quan trắc thể hình sơ đồ lắp đặt đầu đo thể hình Tín hiệu từ đầu đo truyền thiết bị đo qua dây dẫn chuyên dùng có khả chịu ẩm chống nhiễu (a) (b) Hình Các đầu đo biến dạng (a) áp lực đất (b) Hình Mặt bố trí điểm quan trắc (a) (b) Hình Chi tiết bố trí đầu đo lực (a) áp lực đất (b) 3.2 Kết quan trắc Quan trắc thực từ ngày 5.11.07 đến ngày 30/9/08 với tổng số 16 lần đo Trong giai đọan phần thô tòa nhà thi công tới tầng 3.2.1 Kết quan trắc lực tác dụng lên cọc Trong số đầu đo lực đặt cọc, đầu đo đặt vị trí C-2 (móng B-2) cho kết cao gấp 3.8-6.5 lần so với đầu đo lại Nguyên nhân tượng đầu đo bị hư hại tác động môi trường lực tác động trình thi công Đây tượng thường gặp tiến hành thực nghiệm Vì số liệu đo điểm C-2 có tính đột biến nên phần báo cáo không xét đến số liệu đo điểm Kết quan trắc thể hình cho thấy: - Tải trọng đo cọc thuộc cụm khác không đồng Khi kết thúc xây dựng phần thô tầng 9, tải trọng thay đổi mức 21-35.7 T/cọc; - Tại điểm C-1, C-3 C-6, tải trọng tác dụng lên cọc không đáng kể giai đọan xây dựng tâng ngầm đến tầng công trình tải trọng cọc C4 C-5 tương đối nhỏ Nguyên nhân giai đọan tải trọng công trình nhỏ phân bố chủ yếu lên đất nền; - Cho tới kết thúc xây dựng phần thô tầng, tải trọng tác dụng lên cọc thay đổi; - Tải trọng lên cọc có xu hướng tăng rõ rệt giai đọan xây dựng tầng 5, 3.2 Kết quan trắc áp lực đáy móng bè Kết quan trắc áp lực đáy móng thể hình cho thấy: - Tải trọng đo điểm tương đối đồng đều; - Áp lực tăng tới 0,15-0,2 kG/cm2 từ giai đọan thi công tầng 1và thay đổi kết thúc thi công phần thô tầng Hiện tượng sau đào hố móng vào mùa khô, đất đáy móng bị giảm độ ẩm Sau thi công hệ móng, độ ẩm phục hồi dần trương nở cuả đất tạo áp lực lên bè móng; - Trong giai đọan xây dựng tầng từ 6-9, áp lực đáy tăng đạt tới khoảng 0,26 kG/cm2; - Có dấu hiệu áp lực đáy móng thay đổi chu kỳ cuối 3.2.3 Kết quan trắc độ lún Kết quan trắc độ lún khu vực trung tâm mặt nhà thể hình cho thấy: - Phần trung tâm công trình lún đều, không phát chênh lệch lún đáng kể cột; - Độ lún tăng theo qui luật tuyến tính đến kết thúc xây dựng phần thô tầng 6; - Trong lần đo gần nhất, độ lún công trình khoảng 7-8,4 mm, thấp nhiều so với dự báo 3.2.4 Nhận xét phân bố tải trọng lên cọc lên Để đánh giá phân bố tải trọng cọc cho công trình Công ty Tiền Phong lấy trường hợp cột B-3 Đây cột nằm tâm công trình theo tính toán kết cấu cột chịu tải trọng lớn Các thông số xem xét là: - Diện tích phân bố tải cột 7x7=49 m2; - Lực trung bình đo cọc sau thi công tầng 9: P=31 T; - Lực tính toán cọc sau thi công tầng 9: P=26.28 T; - Số lượng cọc nhóm: 14 cây; - Áp lực móng bè đo (tại PR-1): q=2.6 T/m2; - Tải trọng chân cột hoàn thành phần thô tầng 9: N=570 T Phân chia tải trọng lên cọc lên từ bắt đầu xây dựng tầng đến kết thúc phần thô tầng (hình 9) thể thông qua tỷ số k=Nnền/N, Nnền tải trọng truyền lên đất N tải trọng chân cột B-3 Có thể thấy giai đoạn đầu phần lớn tải trọng phân bố lên đất (k=60-70%), sau tỷ lệ giảm dần xuống k=23,2% kết thúc trình quan trắc Nguyên nhân tượng đất bị khô trình thi công móng, sau độ ẩm tăng trở lại làm đất trương nở gây áp lực ban đầu lên đáy móng chí gây lực kéo lên số cọc (hình 6) Hình Kết quan trắc tải lên cọc Hình Kết quan trắc áp lực lên đất Hình Kết quan trắc lún 80.0 Nnền /N (%) 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 10 12 14 16 Chu kỳ đo Hình Tỷ lệ phân bố tải trọng lên theo chu kỳ đo Kết luận kiến nghị Trong điều kiện bên móng công trình Công ty Tiền Phong có lớp đất yếu, công trình thiết kế với giả thiết toàn tải trọng truyền lên cọc độ sâu đào hạn chế, quan trắc cho thấy đất có tham gia chịu tải móng cọc Kết quan trắc thực phù hợp với nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm nhiều nước giới Trong điều kiện cần nghiên cứu áp dụng giải pháp thiết kế có xét đến làm việc đồng thời cọc bè móng công trình có tầng ngầm để giảm chi phí cho phần móng nâng cao hiệu đầu tư xây dựng Các khu vực đất yếu Từ Liêm, Sóc Sơn, Đông Anh số vùng thuộc nội thành Hà Nội (cũ) có điều kiện địa chất thuận lợi để áp dụng giải pháp Tài liệu tham khảo Bakholdin, B V “PILED-RAFT FOUNDATIONS DESIGN AND 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) Borel, S & Combarieu, O “Some Observations on Piled Footings”, 2nd Symp in Civil Eng., Budapest, 1998 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 Katzenbach, R., Bachmann, G., Gutberlet, C., A Schmitt & Turek, J “Deep Foundations Combined Pile-Raft Foundation of Frankfurt High-Rise Buildings” 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 D Placzek, M Thaher, M Kowalów, R Schluff, “Europe Tower Sofia” Poulos, H G & Davis, E H (1980), Pile Foundation Analysis and Design, John Wiley and Sons Zeevaert, L (1957), Foundation Design and behavior of Tower Latino Americana in Mexico City, Geotechnique, VII, Sept p 115 [...]...80.0 Nnền /N (%) 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 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. .. 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... 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 1 2 3 4 Bakholdin, B V “PILED-RAFT FOUNDATIONS DESIGN AND CHARACTERISTICS OF CONSTRUCTION PROCEDURES”