TONG QUAN MONG BE COC NHÀ CAO TANG
1.3 VAN DE THIET KE MONG BE COC .1 Nguyên lý thiết kế móng bè cọc
Trong thiết kế móng bè cọc, có 5 van dé cần thiết được xem xét bao gom:
" Sức chiu tai cực han khi chịu tai đứng, tải ngang va moment
= Độ lún toi đa
=" Độ lún lệch
" Đánh giá các gia tri moment, lực cắt của bè để thiết kế bè móng
" Đánh giá các giá tri moment, sức chịu tai của cọc dé thiết kê cọc.
-7-
1.3.2 Các quan điểm thiết kế móng bè cọc hiện nay 1.3.2.1 Quan điểm coc chiu tải hoàn toàn
Theo quan điểm này, các cọc dưới bè móng được thiết kế như một nhóm cọc để tiếp nhận hoàn toản tải trọng của công trình mà không kế đến sự tham gia chịu tải của nên đất đưới đài cọc. Trong khi tính toán, hệ móng bè cọc được tính như móng cọc đài thấp với nhiều giả thiết kèm theo như:
= Tải trọng ngang do nên đất trên mức đáy đài tiếp thu
= Dài móng tuyệt đối cứng, ngàm cứng với các cọc, chỉ truyền tải trong đứng lên
các coc, do đó cọc chỉ chịu kéo hoặc nén
" Coc trong nhóm coc làm việc như cọc đơn, chịu toàn bộ tải trọng từ đài móng
= Khi tính toán tông thé móng cọc thì coi hệ móng là một khối móng quy ước.
Tính toán theo quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn có ưu điểm là đơn giản, thiên về an toàn và được hướng dẫn chỉ tiết trong các giáo trình nền móng hiện nay. Độ lún của móng tính toán theo phương pháp này nhỏ, sử dụng nhiều cọc và thường hệ số an toàn cao, chưa phát huy được hết sức chịu tải của cọc và không kinh tế, được coi như là một phương án "an toan" trong thiết kế.
+ Nhân xét: Quan điểm tính toán này phù hợp cho những kết cầu móng cọc có chiều cao dai lớn kích thước đài nhỏ, hoặc nên đất dưới đáy đài yếu, có tính bién dạng lớn. Khi đó, ta có thể bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy bè và xem toàn bộ
tải trọng công trình do cọc chịu 100%.
1.3.2.2 Quan điểm bè chiu tải hoàn toàn Theo quan điểm này, bè được thiết kế để chịu phần lớn tai trọng lên móng, các cọc chỉ nhận một phan nhỏ tai trong, được bồ trí han chế cả về số lượng sức chiu tải với mục đính chính là gia có nền, giảm độ trung bình và lún lệch. Độ lún của móng trong quan điểm này thường lớn, vượt quá độ lún cho phép, ngoài ra với tải trọng công trình lớn, tính theo quan điểm này thường không đảm bảo sức chịu tải của nền đất dưới móng.
+ Nhân xét: Quan điểm thiết kế này phù hợp với những công trình đặt trên nền đất yếu có chiều dày không lớn lam. Khi đó liên kết giữa cọc và đài không cần phức
tạp. vì mục dich cọc đê gia cô nên và giảm lún là chính.
_8-
1.3.2.3 Quan điểm bè va coc đồng thời chịu tai Theo quan điểm này, hệ kết cau móng bè - cọc đồng thời làm việc với đất nền theo một thé thống nhất, xét đến day đủ sự tương tác giữa các yếu tố dat-bé-coc. Trong quan điểm này, các cọc ngoài tác dụng giảm lún cho công trình, còn phát huy hết được khả năng chịu tải, do đó cần ít cọc hơn, chiều dài cọc nhỏ hơn. Khi cọc đã phát huy hết khả năng chịu tải, thì một phần tải trọng còn lại sẽ do phần bè chịu và làm việc như móng bè trên nên thiên nhiên.
+ Nhân xét: Trong quan điểm này, độ lún của công trình thường lớn hơn so với quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn nhưng về tổng thể, nó van đảm bao nam trong quy định với một hệ số an toàn hợp lý, do đó quan điểm tính toán nay cho hiệu qua kinh tế tốt hơn so với quan điểm đầu. Tuy nhiên, quá trình tính toán cần sử dụng các mô hình phức tạp hon, do đó hiện nay quan điểm này chưa được phô biến rộng
rãi.
t
dạud ou2 un) oq
| S
Hinh 1.6: Biéu dé quan hệ tải trong - độ lún theo các quan điểm thiết kế Tóm lại, quan điểm thiết kế thứ nhất thiên về an toàn, nhưng không kinh tế, nên áp dụng khi công trình có yêu cầu cao về khống chế độ lún. Quan điểm thiết kế thứ hai, móng bè trên nên thiên nhiên là phương án kinh tế nhưng độ lún của bè là rất lớn và
_9-
thường nên dat khong đủ sức chịu tải với công trình có tải trọng lớn. Quan điêm thiệt kê thứ ba, dung hòa được các ưu, nhược diém của hai quan điềm trên, nên trường hop công
trình không có yêu câu quá cao về độ lún, có thê sử dụng đê tăng tính kinh tê.
1.3.2.4 Quan điểm thiết ké móng bè cọc của các chuyền gia
= Theo Poulos (2001), tac giả có 3 quan điểm thiết kế móng bè cọc như sau:
- Quan điểm thiết kế thứ nhất: Ở tải trọng làm việc, cọc chỉ chiu tải trọng từ 35%
đến 50% sức chịu tải cực hạn (hệ số an toàn SCT từ 2 đến 3), quan hệ tải trọng-độ lún của cọc vẫn là tuyến tính. Gần như toàn bộ tải trọng tác dụng lên móng đều do cọc tiếp nhận. Phần bè chỉ tiếp nhận phần tải trọng rất nhỏ, phân phối lên nền đất
bên dưới đáy bè.
- Quan điểm thiết kế thứ hai: Phần bè được thiết kế tiếp nhận một phan đáng ké tải trọng lên móng, phần còn lại do các cọc chịu. Ở tải trọng làm việc, sức chịu tai của cọc được huy động từ 70% đến 100% (hệ số an toàn SCT từ 1 đến 1,5). quan hệ tải trọng-độ lún của cọc là quan hệ phi tuyến do cọc có chuyển dịch tương đối so với đất nền. Số lượng cọc được bố trí đủ nhằm giảm áp lực tiếp xúc thực giữa bè và đất nền xuống nhỏ hơn áp lực tiền cỗ kết của đất. Coc được sử dụng với mục
đích làm giảm độ lún trung bình của bè.
- Quan điểm thiết kế thứ ba: Bè được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng lên móng.
Các cọc chỉ tiếp nhận một phan nho cua tong tải trong, được bồ trí hợp lý với mục đích chính là giảm độ lún lệch (chứ không phải độ lún trung bình như ở quan điểm thiết kế thứ hai)
= Theo De Sanctis et al (2001) và Viggiani (2001), tác giả có 2 quan điểm sau:
- Móng bè cọc "nhỏ", lý do chính thêm vào các cọc nhằm làm tăng hệ số an toàn (điều này thường liên quan đến các bè có bê rộng dao động từ 5m đến 15m)
- Móng bè cọc "I6n" có đủ khả năng chịu tải trọng tác dụng với một biên độ an toàn
hợp lý, nhưng cọc được yêu cầu dé giảm độ lún và độ lún lệch. Trong trường hợp này bể rộng của bè phải lớn khi so sánh với chiều dài của cọc (thông thường chiêu
rộng bô trí cọc vượt quá chiêu dai cọc)
-10-
1.3.2.5 Quan điểm thiết kế múnứ bố cọc ở Việt Nam Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế móng bè cọc.
Phương pháp tính móng bè cọc hiện nay ở Việt Nam là đơn giản cho hệ cọc chịu
(xem như cọc chịu hoàn toàn tai của công trình) hoặc hệ bè chịu (xem như bè chịu hoàn
toàn tải của công trình). Phương pháp này có ưu điểm là các bước tính toán áp dụng các lý thuyết kết cau thông dụng, đơn giản. Nhưng phương pháp này không đúng với điều kiện làm việc thực tế của công trình, không tận dụng hết khả năng chịu lực của kết cầu cũng như đất nền. Kết quả là sử dụng vật liệu nhiều hơn so với các phương án móng khác. Móng bè -cọc do đó được coi như là một phương án “lãng phí” và hầu như không năm trong kế hoạch thiết kế của các kỹ sư.
Đề thay đối quan điểm chưa chính xác về móng bè cọc, các chuyên gia cơ đất đã tìm cách đưa ra các lý thuyết tính toán hệ thong móng nay, trong đó có Poulos & Davis
(1980), Fleming và các cộng sự (1992), Randolph (1994), Burland (1995), Katzenbach
(1998) và những nghiên cứu gan đây của Poulos (1994, 2001a, 2001b). Ap dụng phương trình Midlin của bán không gian dan hồi vao trong bài toán bè - cọc và những thử nghiệm thực tế dé phân tích ngược (back analysis) bài toán nay, Poulos (1994) đã đưa ra một mô hình gan với thực tế. Mô hình nay được chấp nhận rộng rãi, được áp dụng để xây dựng nhiều công trình và tiếp tục được phát triển trên thế giới.
-ll-
1.3.3 Quy trinh lwa chon mong bé coc trong giai doan thiét ké
V
Kiém tra kha nang str
dung mong bé coc
1. Lớp đất nên bên dưới
phù hợp với móng bè cọc
2. Phải có sự làm việc đồng thời giữa bè và cọc để tăng hệ số an toàn chống lại sự
phá hoại (ULS)
3. Liên quan đến chuyên vị của móng (tổng độ lún, sự lún lệch, nghiêng) phải nam
trong phạm vi cho phép (SLS)
Móng của nhà cao tâng
\
A
Yes
Yes
Kiém tra kha nang su dụng mong bè
1. Chỉ có một mình bè, hệ
số an toàn phù hợp chống
lai sự phá hoại (Ultimate Limit State design ULS)
2. Lién quan dén chuyén vi của móng (tổng độ lún, sự lún lệch, nghiên) phải năm
trong phạm vi cho phép (Serviceability Limit State design SLS)
Yes
Thay thé bang
những loại móng khác...
Xá
Sử dụng móng bè cọc
Có sử dụng số lượng nhỏ cọc bên dưới cau trúc chịu
tải lớn làm cho sự lún giữa
các phan tải khác nhau là không can thiết hoặc làm giảm ứng suất bên trong bè
|w
Không sử dụng móng bè cọc
Bảng 1.1: Phương pháp chọn lựa quy trình thiết kế đơn giản
cho móng bè cọc của Franke et al. (2000)
1.3.4 Điều kiện địa chất để lựa chọn giải pháp móng bè cọc Poulos (2000) đã chỉ ra điều kiện địa chất thuận lợi và không thuận lợi cho lớp đất
bên dưới khi áp dụng móng bè cọc như sau:
+ Địa chất thuận lợi:
= Đất cau tạo bởi lớp sét tương đối cứng
= Dat cau tạo bởi lớp cát tương đối dày
-12-
4 Dia chất không thuận lợi:
= Dat cau tạo chứa các lớp sét mềm gan bé mặt
= Dat cau tạo chứa các lớp cát không chặt gần bề mặt
= Đất cau tạo có tính chịu nén yếu gần bé mặt
= Đất cau tạo đã trải qua quá trình cố kết lún do các nguyên nhân bên ngoài
= Đất cau tạo đã trai qua quá trình trương nở do các nguyên nhân bên ngoài 1.3.5 Hệ số phân bố tải trọng ở pr trong thiết kế
Bè móng tiếp nhận tải trọng từ kết cau bên trên, sau đó phân phối xuống cọc va đất nền. Trong quá trình nay, bè móng biến dạng đồng thời với kết cau bên trên và hệ thong cọc-đất bên dưới.
Hệ số a pr được định nghĩa là ti lệ giữa tong tai trong coc chiu XR, trén tong tải trọng mà hệ thống bè va cọc cùng chiu R .
CO oy = DR), / R,
Hệ so phan bo tai trong 1
0.0 a4 : N . LÔ Rp/RL
i
Mức :
giam lún ¡
S ::
‘
1.0 - i
| MBC | MONG BE MONG BE COC MONG COC
Hình 1.8: Phan biệt móng bè, mong bè coc va móng cọc (Kitiyodom et al, 2002)
-13-
Hệ số ỉ pros 0 chỉ trường hợp của múng bố, múng nụng va & pro è chỉ trường hợp
thuần túy móng cọc, nghĩa là không có sự tiếp xúc với đất bên dưới móng bè. Hệ số & pr
này phụ thuộc vào sỐ lượng và chiều dai của các cọc [1]
Viéc xac dinh chinh xac tai trong do coc chiu va do nên chịu là van dé khó khăn. Để đơn giản hóa vấn đề, ta có thể áp dụng phương pháp cộng tác dụng thông qua giả thiết các phan tử của hệ thống nền và móng ứng xử theo quy luật dan hồi.
+ Tham khảo sự phân bồ tải trọng các công trình thực tế trên thé giới:
Tác giả Phùng Đức Long (2011) đã thống kê 13 công trình cao tầng trên thế giới cho thay su phan phéi tai trong tac dung lên cọc va dat nén theo ty lé coc / nén thay đôi như
bảng sau:
Bang 1.2: Ty lệ tải trọng do cọc chịu và nên chịu ở một sô công trình nước ngoài
STT Cong trinh Két cau % tai trong Do lun
Cao (m) | S6 tang | Do cọc | Do dat | (mm)
I | Messe-Torhause, Franfurt 130 30 80 20 150 2 | Messetum, Franfurt 256 60 5S 45 144 3_ | Westend I, Franfurt 208 53 50 50 120 4 | Petronas, Kuala Lampure 450 88 85 15 40 5_ | QVI, Perth, West Australia 163 42 70 30 40 6 | Treptower, Berlin 121 N/A 55 45 73 7 | Sony Center, Berlin 105 NA NA NA 30 8 | ICC, Hongkong 490 118 70 30 N/A 9 | Commerz Bank, Franfurt 300 56 96 4 19 10 | Skyper, Franfurt 153 38 63 27 55 II | Dubai Tower, Qatar 400 84 67 23 200 12 | Incheon Tower, Korea 601 151 98 2 43 I3 | Emirates Twin Tower 355 56 93 7 12 Ghi chu: N/A Không có thông tin.
-14-
1.4 MỘT SO CÔNG TRÌNH TIỂU BIEU QUOC TE & TRONG NƯỚC
+ Một số nhận xét đối với các công trình trên nên sét Frankfurt do Katzenbach va cộng sự (2000) thực hiện thống kê:
= Công trình móng bè cọc trên nên sét Frankfurt là nên đất tốt, đất sét cứng
= Khả năng chịu tải của đất nên là lớn
= Độ lún trung bình và sự khác nhau về độ lún là tương đối bé.
-l]5-
1.4.1 Công trình Treptower, Berlin, nước Đức
Công trình Treptower, Berlin có chiều cao 121 m. Lớp đất đắp ở trên mặt, phía dưới là lớp cát chặt (Berlin sand) đến độ sâu 40 m. Thiết kế bó trí 54 cọc khoan nhéi có đường kính 0.8m, chiều dai cọc từ 12.5 - 16.0 m. Phần bè móng được mô phỏng như phan tử
tâm mong, vật liệu cọc và bè ứng xử đàn hoi tuyên tính, vật liệu dat nên ứng xử đàn hoi đẻo.
Hình 1.10: Hình ảnh công trình Treptower
N — aA *
h — —————— en 28.8 a.m sl
Phan dién tich thap = +28.8 a m si
os 1 ˆ co
< f ô143am si
- bì = - i<—<“—_-
| z 3 | vi 8amsL
x ~
Hình 1.11: Mô hình thiết kế móng bè cho cọc công trình Treptower
16.0
-
Hình 1.12: Lưới PTHH phân tích móng bè cọc công trình Treptower
Ứng xử quan trắc lún và tổng tải trọng công trình Treptower theo thời gian, cho thay
— Đo được .—- PP số MBC
— PP số Móng bệ
Tả công trình peg
to Py] 300 450 “mo so
coc
Lun tenn quanicm)
két quả lún bình quân của móng bè cọc là 53% với móng bè. Ty lệ % sức chịu tai do cọc chịu / đất nền chịu là 55% / 45%.
Lún bình quêt(cm)
Hình 1.13: Số liệu thực hiện quan trắc lún và tính toán công trình Treptower
-17-
1.4.2 Công trình Westend I Tower, Franfurt, nước Đức
-18-
Westend I Tower là tòa nha 51 tang, cao 208 m được xây dung tai Frankfurt, nước Đức. Phan móng của công trình bao gồm một bè cọc với 40 cọc dài 30 m đường kính 1,3
m. Phân giữa công trình bè cao 4,5 m và giảm còn 3 m môi cạnh.
Side building raft Main
tower
Side building
208 m ese ®®*®%*&*%®&“* x
£ NÓ
Main tower 40 piles raft
ie1)
(b)
TT i
30m 15m (a)
Hình 1.15: Mặt cắt ngang va mặt bằng móng công trình Westend I Tower, Frankfurt
=ằ Dộ dự đoỏn ứng xử của cụng trỡnh, Poulos và một vài tỏc gia khỏc đó sử dụng một
số phương pháp sau đây:
| 2 3
4
5.
6 7 8
Phương pháp tính tay đơn giản (Poulos & Davis, 1980)
Phương pháp dãy trên nên dan hồi (Poulos, 1991) Phương pháp tam trên nên dan hồi (Poulos, 1994) Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp điều kiện biên (Ta & Small, 1996) Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp điều kiện biên (Sinha, 1996) Phương pháp PTHH kết hợp điều kiện biên (Franke và các cộng sự., 1994)
Phương pháp ma trận dẻo (Randolph, 1983)
Phương pháp truyền tải trong cho cọc đơn kết hợp với ứng xử đàn hồi giữa
cọc và bè (Clancy & Randolph, 1993)
- J0-
FEA Phương pháp phân tử hữu hạn FEA* Phương pháp phân tử hữu hạn: giảm ma sát thành
M Đo đạc.
" Kết quả tính toán được trình bày trên hình [1.16], với hệ sỐ phân bồ tải trọng dao động từ 50% đến 70%.
1 2 3 4 5 6 7 8 FEA
Pmax. MN WCW
Pmin. MN
FEA" M
coooL
S aT
oSNRT
Hé sé phản bố tải trọngoOˆ0T 2 3 4 5 6 7 8 FEA 1
Hình 1.16: So sánh các kết quả tinh toán công trình Westend I Tower, Frankfurt
FEA" MỸ
-20-
1.4.3. Trụ sở Công ty Tiền Phong, Hà Nội Công trình được thiết kế theo phương pháp tính móng bè trên nền cọc. Được xây dựng tại huyện Từ Liêm, Hà Nội đầu năm 2012, cho đến nay công trình đã hoàn thành và
đưa vào sử dụng.
Mặt bằng móng công trình được thể hiện như trên hình [1.18]. Kích thước phần bè móng là 27m x 38m, cọc ép 300x300 L=27m, bước cột công trình gần đều nhịp 7mx7m.
Hình 1.17: Trụ sở Công ty Tiền Phong, huyện Từ Liêm, Hà Nội
Tưởng tang ngảm
Công trình thực tế được bố trí các mốc đo lún ở tâm bè & mép bè, các mốc quan trắc tải trọng lên cọc và quan trắc áp lực đáy móng bè cọc. Các số liệu trình bày được đo từ thực tế sẽ cho ta kết quả đánh giá khách quan hơn về các công trình móng bè cọc tại Việt
Nam.
Tải trọng lên cọc (T) 10,0
Hình 1.19: Quan trac tải trọng tac dung lên cọc công trình Tiên Phong
Sốtằng C10)
Ap l?c (kG/em2)
Hình 1.20: Quan trắc áp lực đáy móng bè coc công trình Tiền Phong
-23-
Tổng hợp các kết quả quan trắc và phương pháp tính toán. Ta lập bảng thống kê & so
sánh kêt quả như sau:
Bảng 1.3: Bảng tổng hợp kết quả quan trắc và tính toán MBC công trình Tiên Phong, HN Phương | Lực lên | Tông lực | Áplực | Tong lực | Tong tải Tỷ lệ % tải trọng
pháp cọc(T) | lêncọc | lênnền | lên nền trọng
(T) (T/m’) (T) (T) Docọc | Do nên
Quan 3l 434 2,6 127 561 77 23
trắc
Tính 26.3 367 2,63 128 496 74 26 toán
1.4.4 Công trình MBC mang lại hiệu quả kinh tế ở TP. Hồ Chí Minh Trích dẫn trong tạp chí KHCN Xây dựng số tháng 3/2007, tác giả Trần Quang Hộ áp dụng phương pháp tính móng bè trên cọc dé thiết kế móng cho hai công trình: Chung cư 25 tầng Lê Hồng Phong-Phan Văn Trị và Chung cư cao cấp GrandView
+ Tai cụnứ trỡnh chung cư 25 tầng Lờ Hồng Phong - Phan Văn Tri:
+ Phương án bố trí cọc khoan nhồi: Tổng số cọc là 140 cọc (24 cọc D = 1,4m; L =
52m; 112 cọc D = 1,0m; L = 47m; 4 cọc D = 1,0m; L = 3m)
+ Phương án bồ tri móng bè cọc: Tổng số cọc là 112 cọc (112 cọc D = 1,0m; L =
27m)
Móng bè coc trong công trình trên áp dung bai báo về quan điểm tôi ưu trong bố
tri cọc của hệ bè cọc (Optimization concepts for the design of the pile raft foundation
systems, J.E.Bezzerra & R.P.Cunha & M.M.Sales). Công trình này phải tính lặp đến 6 lần mới hội tu. Cho kết quả tỷ lệ chia tải như sau: đất nên chịu 12,95% tong tai, coc chiu 87,05 tong tai.