- Các đặc điểm chính của nhà cao tầng:
+ Nhà cao tầng tổng tải trọng lớn, độ sâu và phạm vi ảnh hưởng đối với nền đất cũng rất lớn, thường phải qua phân tích lún để xem xét ảnh hưởng của độ lớn và lệch tâm của tải trọng đối với móng và công trình lân cận.
+ Nhà cao tầng thường vươn lên tương đối cao, ngoài lệch tâm của tải trọng đứng ra còn phải xem xét đến khả năng nghiêng và lật do tính không đều của nền đất, do tải trọng gió và động đất gây ra.
+ Bề rộng và độ sâu của móng nhà cao tầng rất lớn, nên phải xem xét tính chất đàn hồi của nền đất, tính ổn định của nền hố móng do việc đào hố móng gây ra và ảnh hưởng của nó đối với các công trình lân cận và đối với môi trường xung quanh.
- Việc thiết kế và xây dựng các công trình ở vùng karst bao giờ cũng phải dựa trên kết quả nghiên cứu địa chất công trình chi tiết hơn so với các vùng không có karst. Khi thiết kế các công trình trên diện tích xây dựng có karst thì phải có biện pháp xử lý, đảm bảo ổn định nền móng.
Hiện nay móng cọc khoan nhồi đang được sử dụng phổ biến cho các công trình xây dựng nhà cao tầng vì móng cọc có sức chịu tải lớn, khả năng chống chịu những tải trọng phức tạp cũng như tính thích ứng tốt đối với các điều kiện địa chất khác nhau, trong quá trình thi công vẫn có thể tiếp tục kiểm tra địa tầng nên nó trở thành hình thức móng lý tưởng cho nhà cao tầng.
Các tiêu chuẩn của Việt Nam cũng như của các nước khác đều đưa ra những phương pháp tính toán móng cọc nói chung và móng cọc khoan nhồi nói riêng. Nói chung đối với các kỹ sư thiết kế, có hai bài toán cần giải quyết lần lượt khi thiết kế là:
+ Bài toán tính nội lực của từng cọc trong hệ móng;
+ Bài toán tính sức chịu tải của 1 cọc đơn theo vật liệu làm cọc cũng như theo đất nền.
Tuy nhiên hiện nay chưa có quy trình, quy phạm nào hướng dẫn việc thiết kế cọc khoan nhồi trong vùng hang động karst nên các kỹ sư thiết kế thường gặp khó khăn trong việc tính toán, quyết định cao độ mũi cọc, xử lý sự cố. Chúng ta chủ yếu vẫn áp dụng hai tiêu chuẩn chính trong thiết kế và thi công:
- TCXDVN 195:1997 “Tiêu chuẩn thiết kế cọc khoan nhồi cho nhà cao tầng”.
- TCXDVN 326:2004 “Cọc khoan nhồi – Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu”
Đặc điểm của thi công cọc khoan nhồi là khoan tạo lỗ trong nền đất, giữ ổn định vách hố khoan bằng ống vách, dung dịch bentonit và nước. Sau đó tiến hành đổ bê tông cọc theo phương pháp đổ bê tông trong nước, do vậy cũng có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thi công và thường xảy ra nhiều sự cố, ảnh hưởng xấu đến chất lượng cọc khoan nhồi. Những nguyên nhân gây ra sự cố có cả ở khâu quản lý, thiết kế, năng lực của nhà thầu và công nghệ, cũng như do điều kiện địa tầng phức tạp. Địa tầng chủ yếu có lớp phủ móng, không ổn định, ngay bên dưới là lớp đá gốc rất cứng, cường độ có khi đến 1400 kG/cm2, mặt đá lồi lõm hoặc nghiêng, đặc biệt bên dưới là hang hốc, có khi nhiều tầng hang liên tiếp điều đó dẫn đến
CHƢƠNG IV
CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN XÂY DỰNG NHÀ CAO TẦNG KHU VỰC HUYỆN QUỐC OAI VÀ KIẾN NGHỊ GIẢI
PHÁP KHẮC PHỤC
4.1. Các vấn đề địa chất công trình liên quan đến xây dựng nhà cao tầng khu vực Quốc Oai, Hà Nội
4.1.1. Hiện tƣợng ma sát âm liên quan đến lún mặt đất
Quốc Oai nằm trên vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng với sự có mặt của các thành tạo trầm tích trẻ, đặc biệt là sự có mặt của đất yếu chứa nhiều hữu cơ như hệ tầng Thái Bình (Q23 tb) (lớp 4, lớp 9). Hệ tầng được cấu tạo bởi trần tích biển, trầm tích sông, sông biển và sông hồ, đầm lầy. Trầm tích sông – hồ có thành phần trầm tích gồm bột, sét lẫn nhiều tàn tích thực vật, đôi nơi có than bùn, phần trên có các cây thân gỗ và cỏ đầm lầy vẫn còn phát triển, sự phân hủy thực vật tạo than bùn vẫn đang tiếp tục.
Các công trình xây dựng nhà cao tầng hiện nay hầu hết được thiết kế móng cọc, tải trọng công trình được truyền xuống các lớp đất tốt ở dưới sâu. Khi cọc chịu tác động của tải trọng nén, nó có xu hướng lún xuống. Bình thường đất xung quanh thân cọc lún ít hơn độ lún của cọc do đó sức kháng bên giữa đất và cọc sẽ có tác dụng kháng lại tải trọng ngoài.
Tuy nhiên khi đất xung quanh thân cọc lún nhiều hơn độ lún của cọc, chuyển vị tương đối giữa cọc và đất sẽ có chiều ngược lại, do đó sức kháng bên giữa đất và cọc cũng có chiều ngược lại. Sức kháng bên này không kháng lại tải trọng ngoài mà còn góp phần đẩy cọc xuống, đó gọi là sức kháng bên âm (tuy nhiên thuật ngữ hay sử dụng là ma sát âm).
Ảnh hưởng của ma sát âm đối với sự làm việc của cọc thể hiện ở 2 khía cạnh: - Làm tăng tải trọng tác dụng lên cọc: Ngoài tải trọng từ kết cấu bên trên, cây cọc còn phải chịu tác dụng của ma sát âm;
- Làm giảm khả năng chịu tải của cọc: Do một phần trọng lượng của đất được truyền lên cọc nên áp lực của cột đất tại độ sâu mũi cọc giảm đi, làm giảm khả năng chịu tải của lớp đất tựa cọc.
Ma sát âm có thể xuất hiện trong một phần của cọc hoặc trên toàn cọc tùy thuộc vào các lớp trong đất nền. Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên toàn thân cọc thì rất nguy hiểm vì lúc này sức chịu tải của cọc không bao gồm ma sát hông mà thay vào đó là ma sát âm kéo cọc đi xuống. Sức chịu tải lúc này chính là sức chịu tải của mũi lên lớp đất tốt.
Các tác nhân thường làm cho đất quanh cọc lún nhiều hơn độ lún của cọc là: - Có một lớp đất dính mới đắp, bản thân lớp đất dính này sẽ lún theo thời gian (hiện tượng cố kết thấm);
- Có một lớp đất bất kỳ mới đắp gây ra tải trọng với nền đất, khi xây dựng công trình mới cạnh công trình cũ hoặc có tải trọng kho bãi…. Phía dưới nền có lớp đất dính. Tải trọng mới gây ra độ lún theo thời gian trong lớp đất dính này;
- Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết;
- Mực nước ngầm bị giảm, làm ứng suất hữu hiệu tăng lên. Nếu trong nền đất có đất dính, thì đất dính này sẽ lún theo thời gian do sự tăng ứng suât hữu hiệu này.
Đối với các lớp đất rời trong nền đất quanh cọc, khi có những tác nhân kể trên, đất rời cũng lún. Tuy nhiên đất rời có tính thấm rất lớn, bởi vậy sự lún xảy ra gần như tức thời. Do đó ma sát âm chỉ xuất hiện trong thời gian cực ngắn, sau đó ma sát lại đổi chiều thành ma sát dương. Bởi vậy ta chỉ quan tâm đến sự lún của các lớp đất dính mà thôi.
Hình 4.1. Đất đắp gây ra ma sát âm
Trong hình 4.1a thể hiện vùng có ma sát âm là vùng đất đắp, còn trong hình 4.1b, không phải toàn bộ vùng đất dính đều có ma sát âm. Ở phía dưới mặt trung hòa, ảnh hưởng của tải trọng đắp gây ra là không đáng kể, do đó đất ở vùng này có độ lún không đáng kể (cọc vẫn có xu hướng lún nhiều hơn đất), do đó ma sát vẫn là dương. Như vậy chỉ có vùng đất trên mặt trung hòa mới có ma sát âm. Mặt trung hòa có thể xác định theo cách đơn giản là sử dụng công thức sau của Bowles (1982): 1 ' ' 1 (0.5 s ) 2 Ls P P L L L
Trong đó: L1 – khoảng cách đến mặt trung hòa; Ls – chiều dày lớp đất dính;
P – tải trọng gây ra cho nền (ví dụ do đất đắp);
γ' – trọng lượng riêng của lớp đất dính. Nếu đất nằm ở dưới mực nước ngầm thì sử dụng trọng lượng riêng đẩy nổi.
Tuy nhiên khi sức kháng mũi càng lớn thì độ lún của cọc càng nhỏ và mặt trung hòa càng sâu xuống (nghĩa là ma sát âm càng lớn). Ma sát âm tạo ra áp lực tác dụng lớn hơn lên mũi của cọc chống và có thể làm sập hang trong trường hợp cọc đặt trên nóc hang và bề dày tầng đá vôi đặt cọc mỏng.
4.1.2. Nguy cơ sụt hang ngầm và các sự cố khi thi công hố đào
Trong khu vực nghiên cứu tồn tại lớp đất yếu là lớp đất sét ở trạng thái dẻo chảy, dẻo mềm có hệ số rỗng e≥1, độ sệt B>1. Các lớp này phân bố ở các độ sâu khác nhau từ 0-47 m. Do đó có thể xảy ra một số trường hợp sau:
a) Nguy cơ sụt hang ngầm
Khi khoan qua các lớp đất sẽ làm phá vỡ kết cấu của đất. Nếu chúng ta không dùng các biện pháp bảo vệ thành hố khoan thì khi nước chảy xuống sẽ kéo theo vật liệu từ hai bên thành hố khoan xuống và làm đất rỗng dần ra tạo ra các hang ngầm trong các lớp đất đó. Do đó khả năng xảy ra sụt hang ngầm là rất lớn nhất là khi có tác dụng thêm của tải trọng (hình 4.4).
b) Các sự cố khi thi công hố đào
Trong thiết kế nhà cao tầng hiện nay ở Hà Nội, hầu hết đều có tầng hầm để giải quyết vấn đề đỗ xe và các hệ thống kỹ thuật của toàn nhà. Phổ biến là các công trình được thiết kế từ một đến hai tầng. Khi thi công tầng hầm cho các công trình nhà cao tầng, do một số nguyên nhân nên thường gây ra các sự cố khi thi công hố đào:
- Mất ổn định thành (mái) hố đào: sạt lở, trượt thành (mái) hố đào; - Lún mặt đất xung quanh hố đào;
- Đẩy trồi đáy hố đào; - Hư hỏng kết cấu móng và phần ngầm bên trong hố đào: phần đầu cọc của móng công trình bị chuyển dịch khỏi vị trí đã thi công trước khi đào; các kết cấu hoặc bộ phận kết cấu như lớp bê tông lót, bản móng thi công trong hố đào bị nứt, vênh làm giảm hoặc mất khả năng làm việc theo yêu cầu của thiết kế;
- Hư hỏng công trình lân cận hố đào như lún, dịch chuyển, nứt và biến dạng của kết cấu và công trình ở lân cận xung quanh.
Các sự cố đó xảy ra là do một số nguyên nhân chủ yếu:
- Khi thi công hố đào làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào gây dịch chuyển của các lớp đất yếu từ bên ngoài vào phía trong hố đào;
- Hạ mực nước ngầm, tăng áp lực nước dưới đáy hố đào.
4.1.3. Một số khó khăn trong công tác khảo sát, thiết kế và thi công xây dựng công trình trên khu vực karst dựng công trình trên khu vực karst
Trong công tác khảo sát qua lớp đá vôi bị phong hóa, nứt nẻ hoặc có thể gặp hang karst thường gặp một số khó khăn:
+ Tỷ lệ mẫu khoan lấy được rất thấp nên trị số đánh giá chất lượng đá RQD thường rất thấp, không bảo đảm yêu cầu thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM. Với công nghệ và thiết bị khoan hiện nay, nhiều đoạn RQD = 0 hoặc chỉ đạt 10 - 30%. Muốn có RQD > 50% đòi hỏi phải khoan sâu hơn vào vùng đá ít bị nứt nẻ.
+ Các nhà cao tầng hiện nay chủ yếu là móng cọc khoan nhồi, trong quá trình thi công qua vùng có hang karst thường hay gặp sự cố kỹ thuật như: mất búa khoan ở dưới đáy lỗ, trượt búa, không rút được đầu khoan lên; không hạ được ống chống xuống cao độ yêu cầu hoặc ống chống bị tụt xuống khi thi công…
4.2. Đề xuất giải pháp kỹ thuật phục vụ cho việc thiết kế và thi công xây dựng công trình nhà cao tầng
4.2.1. Đối với trường hợp ma sát âm
Biện pháp giảm ma sát âm là tìm cách giảm ma sát giữa đất và cọc. Các phương pháp thường được áp dụng để giảm ma sát âm, qua đó giảm thiểu ảnh hưởng của nó đối với móng cọc là:
- Đưa yếu tố ma sát âm vào tính toán thiết kế cọc (tính toán sức chịu tải của cọc có kể đến ma sát âm).
- Sử dụng biện pháp thi công thích hợp: Có thể tiến hành hạ cọc trong lỗ khoan dẫn và sử dụng vữa bentonite để cách ly thân cọc với đất nền.
- Giảm diện tích mặt bên: Ví dụ có thể sử dụng cọc thép có cường độ vật liệu cao, đóng đến lớp đất rất cứng. Vì cọc có diện tích mặt bên nhỏ nên ma sát âm cũng giảm theo.
- Đối với cọc đúc sẵn, có thể quét bitum quanh thân cọc trong vùng chịu ma sát âm để giảm ma sát.
- Xử lý bề mặt thân cọc: Vật liệu thường được sử dụng để xử lý bề mặt thân cọc là bi-tum asphalt. Áo bi-tum nhựa đường là giải pháp thích hợp để giảm ma sát âm trên cọc. Khi áp dụng giải pháp này cần lưu ý đến tính chất của bi tum, bề dày và biện pháp bảo vệ lớp bi tum khi hạ cọc. Nghiên cứu do Bjerrum (1969) thực hiện cho thấy nếu có biện pháp bảo vệ lớp bi-tum khỏi bị hư hại khi đóng (khoan dẫn và cách ly với đất bằng vữa bentonite) thì ma sát âm có thể giảm đến 75%, tuy vậy khi không áp dụng biện pháp bảo vệ thì tác dụng giảm ma sát chỉ còn 30%. Việc tạo lớp bi tum trên thân cọc tương đối phức tạp. Theo Tomlinson (1981), loại bi-tum dùng
tum phải ở mức 10 mm thì mới có hiệu quả tốt. Theo Briaud (1997), để đảm bảo cho sự bám dính của lớp bi-tum cần làm sạch bề mặt cọc và cần sơn lót trước khi quét bi-tum. Cần nhắc giữa: chi phí do tăng thêm chiều dài/số lượng cọc để chịu thêm lượng ma sát âm và chi phí quét bi tum, phương án nào có chi phí rẻ hơn thì áp dụng.
4.2.2. Đối với công tác khảo sát, thiết kế và thi công xây dựng công trình
Việc đề xuất giải pháp kỹ thuật để phục vụ cho thiết kế và thi công trình phụ thuộc vào những yếu tố sau:
+ Điều kiện địa chất và địa chất thủy văn nơi xây dựng; + Đặc điểm quy mô, tính chất của công trình;
+ Các điều kiện và khả năng thi công móng;
+ Tình hình và đặc điểm của móng các công trình lân cận.
● Đối với các nhà cao tầng ở Hà Nội hiện nay do mật độ sử dụng đất ngày càng tăng và lợi ích kinh tế của các nhà đầu tư mà các công trình cao tầng thường từ 20 tầng trở lên. Với quy mô công trình như vậy và điều kiện địa chất công trình tại khu vực xây dựng, chúng tôi đề xuất chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi vì móng cọc có sức chịu tải lớn, khả năng chống chịu những tải trọng phức tạp cũng như tính thích ứng tốt đối với các điều kiện địa chất khác nhau, trong quá trình thi công vẫn có thể tiếp tục kiểm tra địa tầng.
- Chiều sâu của cọc tùy vào điều kiện địa chất cụ thể nhưng phải đảm bảo độ sâu của cọc đến lớp đất, đá chịu lực. Có thể ngay vị trí của cọc gặp lớp đá vôi cứng chắc nhưng cũng có chỗ đá vôi bị phong hóa, nứt nẻ, hoặc gặp hang karst. Do đó chiều sâu mũi cọc phải xuyên qua hang karst từ 2-3m.
Tuy nhiên cọc khoan nhồi cũng tồn tại một số nhược điểm thể hiện qua các sự cố trong quá trình thi công. Đặc biệt đối với cọc khoan nhồi trong vùng hang động karst thì còn có khả năng xảy ra nhiều sự cố như đã đề cập ở phần trước, do đó chúng ta phải có kết quả nghiên cứu chi tiết, cụ thể về khu vực dự kiến xây dựng