CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MÓNG BÈ CỌC NHÀ CAO TẦNG
1.2. VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÓNG BÈ CỌC
1.3.2. Các quan điểm thiết kế móng bè cọc hiện nay
Theo quan điểm này, các cọc dưới bè móng được thiết kế như một nhóm cọc để tiếp nhận hoàn toàn của công trình mà không kể đến sự tham gia chịu tải của nền đất dưới đài cọc. Trong khi tính toán, hệ móng bè cọc được tính như móng cọc đài thấp với nhiều giả thiết kèm theo nhƣ:
Tải trọng ngang do nền đất trên mức đáy đài tiếp thu
Đài móng tuyệt đối cứng, ngàm cứng với các cọc, chỉ truyền tải trọng đứng lên các cọc, do đó cọc chỉ chịu kéo hoặc nén
Cọc trong nhóm cọc làm việc nhƣ cọc đơn và cọc chịu toàn bộ tải trọng từ đài.
Khi tính toán tổng thể móng cọc thì coi hệ móng là một khối móng quy ƣớc Tính toán theo quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn có ƣu điểm là đơn giản, thiên về an toàn và được hướng dẫn chi 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, chƣa phát huy đƣợc hết sức chịu tải của cọc và không kinh tế, đƣợc coi nhƣ là một phương án "lãng phí" trong thiết kế.
Nhận xét: Quan điểm tính toán này phù hợp cho những kết cấu móng cọc có chiều dày đài lớn kích thước đài nhỏ, hoặc nền đất dưới đáy đài yếu, có tính biến dạng lớn. Khi đó, ta có thể bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy đài và xem toàn bộ tải trọng công trình do cọc chịu.
1.3.2.2 Quan điểm bè chịu tải hoàn toàn
Theo quan điểm này, bè đƣợc thiết kế để chịu phần lớn tải trọng lên móng, các cọc chỉ nhận một phần nhỏ tải trọng, đƣợc bố trí hạn chế cả về số lƣợng sức chịu tải với mục đính chính là gia cố 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.
- 15 -
Nhận xét: Quan điểm thiết kế này phù hợp với những công trình đặt trên nền đất yếu có chiều dày không lớn lắm. Khi đó liên kết giữa cọc và đài không cần phức tạp, vì mục đích cọc để gia cố nền và giảm lún lệch là chính.
1.3.2.3 Quan điểm bè và cọc đồng thời chịu tải
Theo quan điểm này, hệ kết cấu móng đài - cọc đồng thời làm việc với đất nền theo một thể thống nhất, xét đến đầy đủ sự tương tác giữa các yếu tố đất-bè-cọc. Trong quan điểm này, các cọc ngoài tác dụng giảm lún cho công trình, còn phát huy hết đƣợc 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 nhƣ móng bè trên nền thiên nhiên.
Nhận xét: Trong quan điểm này, độ lún của công trình thường lớn hơn so với quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn nhƣng về tổng thể, nó vẫn đảm bảo nằm trong quy định với một hệ số an toàn hợp lý, do đó quan điểm tính toán này cho hiệu quả kinh tế tốt hơn so với quan điểm đầu. Tuy nhiên, quá trình tính toán cần sử dụng các mô hình phức tạp hơn, do đó hiện nay quan điểm này chƣa đƣợc phổ biến rộng rãi.
Hình 1.6: Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún theo các quan điểm thiết kế
- 16 -
Quan điểm thiết kế thứ nhất thiên về an toàn, nhƣng 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 nền thiên nhiên là phương án kinh tế nhưng độ lún của bè là rất lớn và thường nền đất không đủ sức chịu tải với công trình có tải trọng lớn. Quan điểm thiết kế thứ ba, dung hòa được các ưu, nhược điểm của hai quan điểm trên, nên trường hợp công trình không có yêu cầu quá cao về độ lún, có thể sử dụng để tăng tính kinh tế.
1.3.2.4 Quan điểm thiết kế móng bè cọc của các chuyên gia:
Theo Poulos (2001), tác giả có 3 quan điểm thiết kế nhƣ sau:
- Quan điểm thiết kế thứ nhất: Ở tải trọng làm việc, cọc chỉ chịu 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 nhƣ 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 đƣợc thiết kế tiếp nhận một phần đáng kể tải trọng lên móng, phần còn lại do các cọc chịu. Ở tải trọng làm việc, sức chịu tải của cọc đƣợc 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 cố kết của đất. Cọc đƣợc sử dụng với mục đích làm giảm độ lún trung bình của bè.
- Quan điểm thiết kế thứ ba: Cọc đƣợc thiết kế để chịu phần lớn tải trọng lên móng, bè chỉ tiếp nhận một phần nhỏ của tổng tải trọng, các cọc đƣợc bố trí hợp lý với mục đích chính là giảm độ lún lệch (chứ không phải độ lún trung bình nhƣ 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 bề rộng dao động từ 5m đến 15m)
- 17 -
- Móng bè cọc "lớn" có đủ khả năng chịu tải trọng tác dụng với một biên độ an toàn hợp lý, nhƣng cọc đƣợc yêu cầu để giảm độ lún và độ lún lệch. Trong trường hợp này bề rộng của bè phải lớn khi so sánh với chiều dài của cọc (thông thường chiều rộng bố trí cọc vượt quá chiều dài cọc)
Hình 1.7: Mô phỏng móng bè cọc bằng phương pháp PTHH 3D 1.3.2.5 Quan điểm thiết kế móng bè cọc ở Việt Nam:
Việt Nam vẫn chƣa có tiêu chuẩn thiết kế móng bè cọc.
Phương pháp tính móng bè cọc hiện nay ở Việt Nam là đơn giản về hệ cọc chịu (xem nhƣ cọc chịu hoàn toàn tải của công trình) hoặc hệ bè chịu (xem nhƣ 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 cấu 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 cấu 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 nhƣ không nằm trong kế hoạch thiết kế của các kỹ sƣ.
Để thay đổi quan điểm chƣa chính xác về móng bè cọc, các chuyên gia cơ đất đã tìm cách đƣa ra các lý thuyết tính toán hệ thống móng này, trong đó có Poulos & Davis (1980), Fleming và các cộng sự (1992), Randolph (1994), Burland (1995), Katzenbach (1998) và những nghiên cứu gần đây của Poulos (1994, 2001a, 2001b). Áp dụng
- 18 -
Kiểm tra khả năng sử dụng móng bè 1. Chỉ có một mình bè, hệ số an toàn phù hợp chống lại sự phá hoại (Ultimate Limit State design ULS) 2. Liên quan đến chuyển vị của móng (tổng độ lún, sự lún lệch, nghiên) phải nằm trong phạm vi cho phép (Serviceability Limit State design SLS)
Móng của nhà cao tầng
Có sử dụng số lƣợng nhỏ cọc bên dưới cấu trúc chịu tải lớn làm cho sự lún giữa các phần tải khác nhau là không cần thiết hoặc làm giảm ứng suất bên trong bè Kiểm tra khả năng sử
dụng móng bè cọc 1. Lớp đất nền 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 chuyển vị của móng (tổng độ lún, sự lún lệch, nghiêng) phải nằm trong phạm vi cho phép (SLS)
Sử dụng móng bè cọc
Yes
No Yes
Yes
Thay thế bằng những loại móng khác...
No
phương trình Midlin của bán không gian đàn hồi vào trong bài toán bè - cọc và những thử nghiệm thực tế để phân tích ngƣợc (back analysis) bài toán này, Poulos (1994) đã đƣa ra một mô hình gần với thực tế. Mô hình này đƣợc chấp nhận rộng rãi, đƣợc áp dụng để xây dựng nhiều công trình và tiếp tục đƣợc phát triển.