Tính khả thi của một số phương án móng cọc chế tạo sẵn bao gồm cả cọc vuông và cọc tròn ly tâm dự ứng lực đã được nghiên cứu cho các công trình cao tầng tại Thành phố Hồ Chí Minh.
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ÁP DỤNG MÓNG CỌC CHẾ TẠO SẴN KÍCH THƯỚC LỚN CHO NHÀ NHIỀU TẦNG TẠI TP HỒ CHÍ MINH NGUYỄN BẢO VIỆT* Applicability of large prefabricated piles for high-rise building in HCM city Abstract: Bored pile foundation normally is used for most high-rise buildings in HoChiMinh city as well as the other big cities in Vietnam Generally, construction of bored piles makes a lot of soil trashes which are big problems for not only the site but also for the environment Recently, large prefabricated piles with high bearing capacity, short time in construction and almost no trash is applied for several structures with high efficiency This paper studies applicability of large prefabricated pile foundation for high-rise buildings of 15~30 storeys with typical soil strata of HoChiMinh city The results show that large prefabricated piles is an alternative approach with bored piles for foundation of high-rise building in most of studied cases Keywords: large prefabricated piles, high-rise buildings, applicability, typical soils of HoChiMinh city GIỚI THIỆU * Ngày nay, với phát triển kinh tế, phát triển đô thị dân cƣ đô thị đặc biệt thành phố lớn Việt Nam nhƣ TP Hồ Chí Minh tăng tốc nhanh Để đáp ứng nhu cầu nhà ngƣời dân, nhiều nhà cao tầng đƣợc mọc lên Các tòa nhà với chiều cao lớn, tải trọng nhiều đòi hỏi phải đƣợc đặt móng vững Cho đến nay, móng cọc khoan nhồi loại đƣợc sử dụng nhiều cho cơng trình cao tầng Phải nói cọc khoan nhồi có sức chịu tải cao có kích thƣớc, chiều dài lớn với mũi cọc đƣợc đặt vào lớp đất tốt sâu phía dƣới theo mong muốn thiết kế Tuy nhiên, cọc khoan nhồi có số nhƣợc điểm nhƣ việc thi cơng tạo nhiều mùn đất, thời gian thi công lâu phải khoan lỗ, đổ bê * Trường Đại học Xây dựng Tel: 0982220703 Email: nbviet.huce@gmail.com tông chờ bê tông đủ cƣờng độ Các công trƣờng q trình thi cơng cọc khoan nhồi hầu hết nhƣ ruộng bùn dung dịch khoan nhƣ bùn đất lấy từ hố khoan lên Với điều kiện mặt thi cơng nhƣ tất hoạt động công trƣờng bị ảnh hƣởng thời gian thi cơng bị kéo dài Thêm việc tạo khối lƣợng lớn bùn đất vừa có tác động xấu đến mơi trƣờng cộng thêm phần kinh phí để xử lý bùn đất Với kích thƣớc lên tới 1,2m, sức chịu tải cho phép cọc đúc sẵn đạt tới 8’000kN hoàn toàn đủ khả để nâng đỡ tòa nhà cao tầng có tải trọng lớn Phƣơng án giải pháp tránh đƣợc hệ lụy bùn đất thải nhƣ giảm thời gian thi công nhƣ giá thành cơng trình so với phƣơng án cọc khoan nhồi Việc nghiên cứu tính khả thi biện pháp móng cọc chế tạo sẵn kích thƣớc lớn cho nhà cao tầng hoàn toàn cần thiết Tuy nhiên ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 có số nghiên cứu, cơng bố đề tài Tính khả thi việc sử dụng cọc vuông đặc cho công trình cao tầng Hà Nội đƣợc nghiên cứu có đề cập tới cơng trình thực tế cao 20 tầng ứng dụng thành công loại móng [3] Hình 1: Bản đồ phân vùng địa tầng khu vực TP Hồ Chí Minh (theo [22]) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 Với tiền đề nhƣ vậy, báo vào nghiên cứu tính khả thi cọc chế tạo sẵn kích thƣớc lớn cho móng tòa nhà 15~30 tầng loại địa tầng điển hình thành phố Hồ Chí Minh ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT TP HỒ CHÍ MINH Thành phố Hồ Chí Minh nằm vùng chuyển tiếp miền Đơng Nam Bộ đồng sơng Cửu Long có độ cao 5~10m so với mực nƣớc biển Lãnh thổ thành phố Hồ Chí Minh đƣợc cấu tạo trầm tích Kainozoi (Neogen - Đệ tứ), xếp móng cứng Mezozoi độ sâu 300~350m Bình Chánh, nâng lên 100~150m sơng Sài Gòn nhanh chóng đạt tới 50~20m Thủ Đức lộ mặt địa hình Long Bình (Thủ Đức).[2] Cấu trúc địa chất lãnh thổ thành phố Hồ Chí Minh tƣơng đối phức tạp, đặc biệt phần mặt cắt Dựa đặc điểm phân bố không gian thành phần chia lát cắt trầm tích khu vực TP Hồ Chí Minh thành hai phần Phần cấu tạo chủ yếu từ trầm tích mềm dính với bề dày 10-30m phần dƣới cấu tạo từ trầm tích mềm rời phân bố độ sâu 10-30m Các trầm tích có tuổi, nguồn gốc, thành phần vật chất trạng thái khác nhau, phân bố điều kiện khác nhau, ảnh hƣởng chúng tới sức chịu tải móng cọc khác Nhƣ vùng ảnh hƣởng chúng có mặt chủ yếu đất đá tầng Trảng Bom, Thủ Đức, Củ Chi, Bình Chánh, Cần Giờ trầm tích Holoxen Hình thể phân bố loại địa tầng TP Hồ Chí Minh với mơ tả đặc tính lớp đất địa tầng Bảng Bảng 1: Mô tả địa tầng khu vực TP Hồ Chí Minh (theo [22]) Loại địa tầng A1 A2 B1 B2 B3 Mô tả Lớp 1: Sét, sét pha tầng Củ Chi, Thủ Đức, bề dày Chiếm diện tích tƣơng 10m, B=0,1, Ro = 2,5~3,0 kG/cm2 đối rộng bắc Thủ Đức, Lớp 2: Sét, sét pha tầng Trảng Bom, bề dầy 5m, bắc Củ Chi phần B=0,15, Ro = 3,0~5,0kG/cm2 nhỏ trung tâm thành Lớp 3: Cát, cuội sỏi Trảng Bom chặt, dày 10~30m, phố SCT lớn Lớp 1: Sét, sét pha tầng Bình Chánh, bề dày 10m, Bao gồm phần lớn diện B=0,7, Ro = 1,5-2,0 kG/cm2 tích trung tâm thành phố, Lớp 2, Lớp 3: giống A1 tây bắc Củ Chi Lớp 1: Bùn hữu đại, tầng Cần Giờ, bề dày tới 10m, B=1,7 Lớp 2: Sét, sét pha tầng Trảng Bom, bề dầy 10m, Ro = 3,0~5,0kG/cm2 Khu B chiếm toàn Lớp 3: Cát, cuội sỏi Trảng Bom phía dƣới, dày diện tích huyện Duyên 10~30m, SCT lớn Hải, Nhà Bè, Bình Lớp 1: Bùn hữu đại, tầng Cần Giờ, bề dày tới Chánh, nam Thủ Đức, tây 20m, B=1,7 nam Củ Chi dọc ven Lớp 2, Lớp 3: giống B1 sơng Sài Gòn Lớp 1: Bùn hữu đại, tầng Cần Giờ, bề dày tới 30m, B=1,7 Lớp 2, Lớp 3: giống B1 MÓNG CỌC CHẾ TẠO SẴN Móng cọc đƣợc sử dụng từ sớm khoảng 1200 năm trƣớc với khởi nguồn từ việc sử dụng gỗ sẵn có tự nhiên việc đóng xuống đất để chống đỡ tải trọng cơng trình Móng cọc bê tông cốt thép đƣợc dùng Việt Nam từ năm đầu kỷ 20 nhƣng bắt đầu phổ biến vào năm 60 bùng nổ vào năm 90 kỷ trƣớc Tuy nhiên lúc đó, cọc bê tơng chế tạo sẵn hầu hết có kích thƣớc nhỏ, sức chịu tải bé nên thích hợp cho cơng trình thấp tầng Tuy nhiên gần đây, phát triển công nghệ, thiết bị thi công hạ cọc với lực lớn xuất để thi cơng cọc có kích thƣớc sức chịu tải cao Với đƣờng kính cọc có Phân bố thể lên tới 1,2m, sức chịu tải cho phép cọc đạt tới 8’000kN Do đó, chúng hồn tồn đƣợc sử dụng để chống đỡ cơng trình cao tầng có tải trọng lớn Để nghiên cứu tính ứng dụng cọc chế tạo sẵn khu vực TP Hồ Chí Minh, số giả thiết đƣợc đƣa nhƣ sau: a) Công trình đƣợc giả định có số tầng 15, 20, 25, 30; b) Tổng tải trọng đứng quy đổi trung bình tính cho tầng sàn 15kPa, riêng sàn tầng hầm có giá trị 60kPa; c) Tác động tải trọng gió động đất lên kết cấu móng đƣợc coi 50% tổng tải trọng tải trọng đứng gây d) Khoảng cách cọc tối thiểu lần đƣờng kính cọc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 e) Độ mảnh cọc, L/d, tối đa 70; f) Một số tính chất lý nhƣ chiều dày lớp đất đặc trƣng đƣợc tham khảo từ tài liệu [2] với giá trị đƣợc trình bày Bảng Từ giả thiết a), b) c), tổng tải trọng đứng tác dụng lên móng, p, đƣợc ƣớc tính theo công thức sau đây: p = 1,5(15n + 60) (1) Trong đó: n = số tầng Tổng tải trọng tác dụng lên móng loại cơng trình đƣợc thể Bảng Bảng Tổng tải trọng thẳng đứng tác dụng lên kết cấu móng Cơng trình có số tầng Tải trọng lên móng (kPa) 15 427,5 3.1 Sức chịu tải theo vật liệu Sức chịu tải cho phép cọc bê tông cốt thép chịu nén theo vật liệu với tải trọng ngắn hạn tính gần theo công thức sau: [P] vl Rb_sec.Fc (2) Trong đó: Rb_sec – Cƣờng độ chịu nén tiêu chuẩn bê tơng cọc; Fc – Diện tích tiết diện ngang cọc Cọc bê tông dự ứng lực đƣợc sản 20 540 25 652,5 30 765 xuất đại trà nhà máy nhiều nhà sản xuất Chúng hầu hết thỏa mãn tiêu chuẩn liên quan hành nhƣ: TCVN 7888 : 2008 “Cọc bê tông ly tâm ứng lực trƣớc” Tiêu chuẩn: JIS A5373 “Precast Prestressed concrete products” Sức chịu tải theo vật liệu với tải trọng ngắn hạn theo tính tốn cho cọc vuông với bê tông cấp độ bền B40 theo quy cách nhà sản xuất cọc Phan Vũ đƣợc liệt kê bảng dƣới Bảng Sức chịu tải theo vật liệu cọc bê tông cốt thép (kN) 35x35 3550 Cọc BTCT chế tạo sẵn (B40) 40x40 45x45 50x50 4640 5870 7250 3.2 Sức chịu tải theo đất Dựa giá thiết e) g), sức chịu tải cho phép cọc theo đất nền, Qa, cọc chế tạo sẵn đƣợc tính theo cơng thức A.4 [1] nhƣ sau: q A u fi l i (3) Qa p p FS Trong đó: qp = Sức kháng mũi cọc đƣợc tra bảng phụ thuộc độ sâu loại đất; Ap = Tiết diện ngang cọc; fi = Sức kháng ma sát đoạn cọc thứ i đƣợc tra bảng phụ thuộc độ sâu loại đất; li = Chiều dài đoạn thứ i cọc; u = Chu vi tiết diện ngang cọc; ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 Cọc tròn BT dự ứng lực (loại A, B95) D500 D600 D700 D800 5120 6878 8846 11030 FS = Hệ số an toàn tổng thể, trƣờng hợp lấy Kết tính tốn sức chịu tải theo đất số loại cọc thông dụng đƣợc thể bảng dƣới Để tiện lợi cho việc so sánh, đánh giá khả sử dụng cọc chế tạo sẵn cho cơng trình cao tầng, sức chịu tải cọc đƣợc thể dƣới dạng sức chịu tải đơn vị diện tích nhƣ sau: Q (4) Qaua a Amin Trong đó: Qaua = Sức chịu tải cọc đơn vị diện tích; Amin = Diện tích tối thiểu cần có để bố trí cọc; Theo giả thiết d), diện tích tối thiểu, Amin, cần thiết để bố trí cọc phụ thuộc vào kích thƣớc cọc đƣợc xác định cho loại cọc khác bảng 5, kết tính Qaua đƣợc thể bảng Bảng Sức chịu tải cho phép theo đất số loại cọc Qa (kN) Loại địa tầng A1 A2 B1 B2 B3 D50 D60 D70 D80 35x35 40x40 45x45 50x50 2650 2260 2230 1980 1340 4540 3510 3480 2830 2480 6340 5800 4990 4230 3910 7940 7320 6270 5400 4370 1510 1170 1300 810 110 2070 1680 1810 1260 150 2710 2270 2240 1890 1150 3370 2880 2840 2530 1700 Bảng Diện tích tối thiểu cần thiết để bố trí cọc Amin (m2) Loại cọc Diện tích tối thiểu, Amin D50 D60 D70 D80 35x35 40x40 45x45 50x50 4,00 5,76 7,84 10,24 1,96 2,56 3,24 4,00 Bảng Sức chịu tải cho phép theo đất số loại cọc m2 Qaua (kN/m2) Loại địa tầng A1 A2 B1 B2 B3 D50 D60 D70 D80 35x35 40x40 45x45 50x50 663 565 558 495 335 788 609 604 491 431 809 740 636 540 499 775 715 612 527 427 770 597 663 413 56 809 656 707 492 59 836 701 691 583 355 843 720 710 633 425 Để đánh giá khả áp dụng móng cọc chế tạo sẵn cho cơng trình cao tầng, tổng tải trọng tác dụng lên móng cần đƣợc so sánh với tổng sức chịu tải cọc Nói cách khác, tỷ số sức chịu tải cọc đơn vị diện tích, Qaua, tải trọng tác dụng lên diện tích đó, p, thể tính khả thi phƣơng án móng cọc Tỷ số đƣợc gọi hệ số khả thi, Rfea, đƣợc xác định công thức sau: Rfea = Qaua / p (5) Dựa giá trị Rfea, tính khả thi phƣơng án móng cọc đƣợc chia làm loại nhƣ sau: a) Tính khả thi cao, Rfea 1,0; b) Tính khả thi trung bình, 1,0 > Rfea 0,8 c) tính khả thi thấp, Rfea < 0,8 Kết tính tốn hệ số khả thi, Rfea, cho cơng trình quy mơ 15, 20, 25, 30 tầng loại địa tầng A1, A2, B1, B2, B3 đặc trƣng Thành phố Hồ Chí Minh đƣợc thể Hình cho móng cọc tròn Hình cho móng cọc vng Đối với cơng trình 15 tầng, việc sử dụng móng cọc đúc sẵn có tính khả thi cao cho tất loại địa tầng, Rfea > 1,1 Tuy nhiên có mơt lƣu ý địa tầng B3 có lớp đất yếu dày nên phƣơng án móng cọc có kích thƣớc nhỏ không phù hợp Với trƣờng hợp nên sử dụng loại cọc tròn D70 Khi số tầng cơng trình tăng lên 20, tính khả thi địa tầng B2 B3 xuống mức trung bình Rfea 0,9~1,0 loại cọc nhỏ có ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 kích thƣớc từ 35cm~60cm khơng phù hợp Khi cơng trình 25 tầng, địa tầng loại A1, A2 có tính khả thi cao với loại cọc kích thƣớc lớn D70, D80 Địa tầng loại B2, B3 có tính khả thi thấp với loại phƣơng án cọc nghiên cứu Trong trƣờng hợp cơng trình có số tầng 30, cao nghiên cứu này, địa tầng A1 có tính khả thi cao với loại cọc D60~80 Các địa tầng B2, B3 có tính khả thi thấp, A2, B1 có tính khả thi trung bình (a) Nhà 15 tầng (b) Nhà 20 tầng (c) Nhà 25 tầng (d) Nhà 30 tầng Hình 2: Hệ số khả thi, Rfea, phương án móng sử dụng cọc tròn ly tâm, ứng suất trước cho số cơng trình cao tầng với loại địa tầng khu vực TP Hồ Chí Minh Trong nghiên cứu thấy, móng sử dụng cọc tròn D70 có tính khả thi cao Các loại cọc kích thƣớc nhỏ 50cm không phù hợp với đất yếu B2, B3 nhƣng phù hợp với cơng trình có số tầng không cao khoảng 15~20 tầng Địa tầng A1 loại phù hợp nhất, có tính khả thi cao cơng trình cao tầng 15~30 phạm vi nghiên cứu Đối với cọc vuông đặc, sức chịu tải theo vật liệu dễ dàng thỏa mãn điều kiện thi công lực ép hạ cọc lần sức chịu tải cho phép theo ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 đất với bê tông cấp độ bền B40 Tuy nhiên cần lƣu ý rằng, sức chịu tải theo vật liệu cọc tròn ly tâm ứng lực trƣớc không thỏa mãn yêu cầu khả chịu lực giai đoạn thi công trừ trƣờng hợp cọc D50 địa tầng thuộc loại B2, B3 Do để đảm bảo tính khả thi của phƣơng án móng cho địa tầng loại A1, A2, B1, cọc D60~80 cần có độ dày cọc lớn bê tơng có cƣờng độ cao Thêm nữa, thiết bị phƣơng án hạ cọc cần đƣợc xem xét kích thƣớc cọc lớn, sức chịu tải cao (a) Nhà 15 tầng (b) Nhà 20 tầng (c) Nhà 25 tầng (d) Nhà 30 tầng Hình 3: Hệ số khả thi, Rfea, phương án móng sử dụng cọc vng cho số cơng trình cao tầng với loại địa tầng khu vực TP Hồ Chí Minh KẾT LUẬN Tính khả thi số phƣơng án móng cọc chế tạo sẵn bao gồm cọc vng cọc tròn ly tâm dự ứng lực đƣợc nghiên cứu cho cơng trình cao tầng Thành phố Hồ Chí Minh Từ kết phân tích, tính tốn báo này, số kết luận đƣợc rút nhƣ sau: - Cơng trình 15 tầng phù hợp với móng cọc chế tạo sẵn, riêng với địa tầng loại B3, cọc nên kích thƣớc lớn D70 - Khi cơng trình tăng lên 20 tầng, địa tầng B2 B3, tính khả thi xuống mức trung bình, loại móng cọc nhỏ có kích thƣớc từ 35cm~60cm khơng nên đƣợc sử dụng - Đối với cơng trình 25 tầng, địa tầng loại A1, A2 có tính khả thi cao với loại cọc kích thƣớc lớn D70, D80 Địa tầng loại B2, B3 có tính khả thi thấp với phƣơng án cọc nghiên cứu - Trong trƣờng hợp cơng trình có số tầng 30, địa tầng A1 có tính khả thi cao với loại cọc D60~80 Các địa tầng B2, B3 có tính khả thi thấp, A2, B1 có tính khả thi trung bình - Cần lƣu ý sức chịu tải theo vật liệu cọc tròn ly tâm ứng lực trƣớc loại phổ thơng đƣờng kính lớn D60 trở lên nhỏ so với yêu cầu thi công phƣơng pháp ép thơng thƣờng trừ địa tầng thuộc loại B2, B3 Vì vậy, cần có thiết kế riêng cho loại cọc sử dụng chúng cho cơng trình cao tầng Việc áp dụng móng cọc chế tạo sẵn vùng địa tầng có lớp cát xen kẹp cần phải cân nhắc kỹ với địa tầng loại việc hạ cọc xuyên qua lớp cát xen kẹp xuống lớp đất tốt phía dƣới khó khăn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tiêu chuẩn Xây dựng TCXD 205-1998 Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế, 1998 [2] Đồn Thế Tƣờng, Các dạng đô thị Hà Nội, TP.Hồ Chí Minh đánh giá chúng phục vụ xây dựng cơng trình ngầm, Bài viết chun gia Cơng trình ngầm, 2008 [3] Bao Viet NGUYEN, Large prefabricated pile foundation, a solution for high-rise buildings in Ha Noi, Proceedings of USMCA 2013 New Technologies for Urban Safety of Mega Cities in Asia, pp.1165-1171, (2013) Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN BÁ KẾ 10 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 ... tầng loại địa tầng A1, A2, B1, B2, B3 đặc trƣng Thành phố Hồ Chí Minh đƣợc thể Hình cho móng cọc tròn Hình cho móng cọc vng Đối với cơng trình 15 tầng, việc sử dụng móng cọc đúc sẵn có tính khả. .. (d) Nhà 30 tầng Hình 3: Hệ số khả thi, Rfea, phương án móng sử dụng cọc vng cho số cơng trình cao tầng với loại địa tầng khu vực TP Hồ Chí Minh KẾT LUẬN Tính khả thi số phƣơng án móng cọc chế tạo. .. loại móng [3] Hình 1: Bản đồ phân vùng địa tầng khu vực TP Hồ Chí Minh (theo [22]) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2015 Với tiền đề nhƣ vậy, báo vào nghiên cứu tính khả thi cọc chế tạo sẵn kích thƣớc lớn cho móng