1

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆNỀN MÓNG PHỤC VỤ XÂY DỰNG

NHÀ CAO TẦNG

TS. Trịnh Việt CườngViện KHCN xây dựng, Bộ Xây dựng

1. Một số vấn đề về tiêu chuẩn thiết kế nền móng

2. Móng cọc chịu tải trọng cao

3. Giải pháp móng bè-cọc

4. Kết luận và kiến nghị

Nội dung

Ø Từ 1990 đến nay các giải pháp nền móng đã đáp ứngđược yêu cầu xây dựng nhà cao tầng với qui mô ngàycàng lớn

Ø Nhiều công nghệ thi công tiên tiến đã được đưa vào ápdụng nhưng chưa được tổng kết kinh nghiệm

Ø Một số giải pháp thiết kế hợp lý đã được nghiên cứunhưng việc áp dụng còn gặp nhiều khó khăn

Ø Đã xảy ra một số lượng đáng kể sự cố do nguyên nhânnền móng, chủ yếu là hư hỏng công trình lân cận hốmóng nhà cao tầng

Ø Các tiêu chuẩn về thiết kế nền móng chưa được soát xéttừ 15-20 năm. Một số nội dung của tiêu chuẩn chưachính xác, một số qui định khác dẫn đến lãng phí của xãhội. Các tiêu chuẩn về nền móng cần được soát xét.

Công nghệ nền móng nhà cao tầng ở Việt Nam hiện nay

Ø Hầu hết các nhà cao tầng sử dụng giải pháp móng cọc, trong đó cọc khoan nhồi chiếm tỷ lệ lớn;

Ø Khả năng chịu tải của cọc xác định theo vật liệu cọcvà nền: [Pcọc]=Min{[Pnền]; [PVL]}.

Thiết kế hợp lý khi [Pnền]≈[PVL]Ø Khi áp dụng TCXD 195:1997, [PVL] thường đóng vai

trò chi phối do qui định cường độ nén của bê tông[Rn]≤60÷70 kG/cm2.

Ø Độ tin cậy của kết quả tính toán sức chịu tải của nềnkhông cao.

Sức chịu tải của cọc

Ảnh hưởng do giới hạn [Rn] đối với sức chịu tải:

Ø Sức chịu tải của cọc thấp, không tận dụng được khả năngchịu tải của nền, tăng số lượng cọc và giảm hiệu quả kinh tế;

Ø Cản trở sử dụng vật liệu cường độ cao và công nghệ thi côngtiên tiến, không phù hợp với xu thế bảo vệ môi trường;

Ø Không đủ mặt bằng để bố trí cọc cho các công trình tải trọnglớn. Tiêu chuẩn không sử dụng được cho nhà siêu cao tầng;

Ø Nhiều công trình phải lựa chọn áp dụng các tiêu chuẩn thiếtkế của phương Tây (thông thường sức chịu tải cho phép củacọc có thể tăng 30-40%).

Sức chịu tải của vật liệu cọc

Sức chịu tải của vật liệu cọc

⋅ BT trong lỗ khoan khô⋅ Đổ BT trong dung dịch

Bằng ứng suất cho phép80% ứng suất cho phép

Hong Kong Geo Handbook

⋅ Ống chống vĩnh cửuRn=0,33f’c (Hạn chế nở hông)Rn=0,27f’c (Nở hông)

ACI 543, EM 1110-2-2906

⋅ fck – Cường độ mẫu trụ⋅ (DIN thiết kế theo TTGH)

Rn=α⋅fck/ γc với α=0,85 vàγc=1,5 ⇒ Rn=fck/1,76

DIN 1405-1

⋅ Cao hơn, nếu đặt ốngchống suốt chiều dài cọc

Rn ≤ R28/4BS 8004:1986

⋅Đổ BT trong dung dịch

⋅ BT trong lỗ khoan khô

Rn =Min{ R28/4,5; 60 kg/cm2}

Rn = Min{ R28/4; 70 kg/cm2}

TCXD 195:1997 TC thiết kế móngcọc, Viện Kiến trúcNhật Bản

Ghi chúCường độ nén của BTTiêu chuẩn

Nhận xét: Ngoài Nhật và Việt Nam, các tiêu chuẩn khác không khống chế cường độnén của BT cọc khoan nhồi

2

Cơ sở để điều chỉnh tăng hoặc bỏ giới hạn vớicường độ của bê tông và thép cọc khoan nhồi:

Ø Tiêu chuẩn của hầu hết các nước không giới hạn tương tự;Ø Năng lực về người và thiết bị thi công của các nhà thầu đã

được tăng cường về lượng và chất so với khi các tiêu chuẩnthiết kế cọc khoan nhồi được ban hành

Ø Rất hiếm khi cọc bị phá hoại kết cấu trong thí nghiệm néntĩnh, mặc dù đã được nén đến 250-300% sức chịu tải chophép;

Ø Việc kiểm tra chất lượng cọc ngày càng chặt chẽ, trang thiếtbị ngày càng hiện đại.

Kiến nghị: Lấy R/4 ≤ [Rn] ≤ R/3

Sức chịu tải của vật liệu cọc

Các công thức tính toán của nước ngoài được đưa vào TCXD 195:1997 và TCXD 205:1998, nhưng chưa được kiểm chứngtrước khi đưa vào tiêu chuẩn;

Ø Công thức của tiêu chuẩn Nhật Bản (tính theo SPT) được sửdụng rộng rãi hơn cả. Áp dụng các công thức này cho kết quảsức chống dưới mũi cọc cao (trên 30%) khi cọc được hạ đếnlớp cuội sỏi ở khu vực Hà Nội;

Ø Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc có gắn thiết bị quan trắc phânbố lực dọc thân cọc cho thấy mức độ chênh lệch cao giữa kếtquả tính toán và thực nghiệm. Ví dụ ma sát bên trong các lớpđất rời cao gấp 3-6 lần so với kết quả tính toán (hình 1). Ngược lại, sức chống dưới mũi cọc thấp hơn nhiều so với tínhtoán (Hình 2).

Sức chịu tải của cọc theo điều kiện đất nền

Hình 1. Ma sát bên trong các lớp cát và bụi ở khu vực Hà Nội

Sức chịu tải theo điều kiện đất nền

Nhận xét: - Kết quả tính toán thấp hơn so với thực nghiệm ở tất cả các khoảng giátrị của sức kháng xuyên tiêu chuẩn;- Công thức tính toán của TCXD 205:1998 cho kết quả quá thiên về an toàn.

Sức chịu tải theo điều kiện đất nền

Nhận xét: - Sức kháng dưới mũi cọc chiếm tỷ lệ thấp trong sức chịu tải tổng cộng. Cọckhoan nhồi ở khu vực Hà Nội chủ yếu là cọc ma sát;- Sức chống xác định theo tính toán cao hơn rất nhiều so với kết quả thựcnghiệm;- Hiệu quả xứ lý mũi cọc tại Pacific Place (♦) tương đối tốt, tại Pacific Place (■) hiệu quả là không đáng kể

Hình 2 Sức chống dưới mũi cọc khoan nhồi ở cấp tải thiết kế

Sức chịu tải theo điều kiện đất nền

- Từ kết quả nén tĩnh 21 cây cọc khoan nhồi ở khu vực Hà Nội vàTP. Hồ Chí Minh, xác định được tương quan:

Qu =αNaAp + (0,66NcLc+0,45NsLs+0,22NgLg) πdVới: α = 15

Nc, Ns, Ng - số búa SPT trong đất dính, cát/bụi và cát lẫn sạn sỏi- Cần thu thập thêm số liệu nén tĩnh cọc để xây dựng tương quan phùhợp hơn cho điều kiện đất nền Việt Nam.

Hình 3. So sánh kết quảtính toán sức chịu tải giớihạn với nén tĩnh

Ø Độ lún cho phép trong các tiêu chuẩn Việt Nam được lấytheo qui định ở Liên Xô. Giá trị cho phép của độ lúnđược qui định theo loại kết cấu và không xét đến điềukiện của đất nền;

Ø Nhiều tiêu chuẩn của các nước tiên tiến không đưa ra giớihạn về độ lún tuyệt đối;

Ø Giới hạn độ lún tuyệt đối khắt khe là trở ngại cho xâydựng nhà cao tầng trên nền đất trầm tích có bề dày lớnnhư ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long;

Ø Giới hạn khắt khe cũng cản trở nhiều giải pháp móng hợplý, ví dụ móng nông, cọc đóng/ép, gia cố nền, móng bè-cọc, v.v., cho các công trình xây dựng nói chung;

Ø Trong nhiều tiêu chuẩn, độ lún cho phép cao hơn so vớiqui định của Việt Nam.

Độ lún cho phép của công trình

3

Độ lún cho phép trong một số tiêu chuẩn nước ngoài

Tùy loại kết cấu80-100TCXD 205:1998

Vùng I (nền đá, đất cứng)Vùng II, III (đất yếu)

50300

Tiêu chuẩn nền móngMexico City 2004

Có thể chấp nhận độ lún lớnhơn nếu lún lệch nằm trong

phạm vi cho phép

50Eurocode 7

H≤100 m100 m <H≤200 m200 m <H≤250 m

400300200

GB 50007-2002 (Nhà caotầng ở Trung Quốc)

Tùy loại kết cấu76-152EM 1110-1-1904 (QĐ Mỹ)

Tùy loại móng, đất nền50-125IS 1904-1986 (Ấn Độ)

Ghi chúSmax (mm)Tiêu chuẩn

Cơ sở để điều chỉnh trị cho phép độ lún tuyệt đối:

Ø Chỉ một số tiêu chuẩn nước ngoài đề ra giới hạn lúntuyệt đối, thông thường chỉ khống chế độ lún lệch;

Ø Nhiều công trình cao tầng ở nước ngoài cho phép cóđộ lún lớn, ví dụ nhà 43 tầng Latino America (Mexico, 1950) có độ lún dự tính S=39 cm, trong 6 năm đầu tiênlún 9 cm;

Ø Kết quả quan trắc lún của hầu hết các nhà cao tầng đặttrên móng cọc ở khu vực Hà Nội đều rất thấp (S=1-3 cm);

Ø Phần lớn độ lún xảy ra trong quá trình thi công

Độ lún cho phép của công trình

Kiến nghị: - Tập hợp và phân tích các số liệu thực tế về quan trắc

độ lún của các công trình nhà cao tầng đã xây dựng; - Điều chỉnh qui định về độ lún tuyệt đối theo hướng mở

hơn;- Giới hạn độ lún tuyệt đối nên xét đến đặc điểm của kế

cấu, đặc điểm của đất nền, chiều dài cọc, v.v.

Độ lún cho phép của công trình

1. Móng cọc nhồi là giải pháp chủ đạo được ápdụng cho nhà cao tầng ở Việt Nam;

2. Cọc khoan nhồi φ1,0∼1,5m, chiều dài 40 ∼80m được áp dụng phổ biến;

3. Cọc nhồi đường kính đến 2,0m và barrette được áp dụng khi yêu cầu sức chịu tải cao;

4. Sức chịu tải cho phép của cọc thấp hơn so vớicác công trình do nước ngoài thiết kế hoặc đầutư (xem bảng kèm theo).

Công nghệ móng cọc

Công nghệ móng cọc

3000-35002000-22002,0

1300-16001000-12001,5

800-1000700-8001,2

500-700450-6001,0

TC nước ngoàiTheo TC Việt Nam

Sức chịu tải cho phép (T)Đường kínhcọc (m)

Nhận xét: - Khi áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài, sức chịu tải cho phép cao hơnvì [Rn] của BT không bị hạn chế;- Cọc được hạ sâu vào lớp đất cứng (Tại Keangnam cọc chống vàođá, ở hiện trường khác hạ vào cuội sỏi 17 m, …);- Áp dụng biện pháp xử lý mũi cọc.

Kết quả nén tĩnh cọc φ2,0 m

Cọc thí nghiệm ở KeangnamLandmark,Hà Nội Cọc thí nghiệm ở hiện trường No.2,

Hà Nội (9/2011)Nhận xét: - Trong thí nghiệm Osterberg tại hiện trường No.2, cọc được thí nghiệmđến tải trọng tương đương 9800 T nhưng nền chưa phá hoại;- Sức chịu tải của cọc tải cho phép của cọc [P]=3400-3500 T/cọc

4

Ø Biện pháp xử lý cho phép tăng cường khả năng chịu tải củacọc khoan nhồi;

Ø Trong điều kiện thuận lợi ở Hà Nội, xử lý mũi cọc khoan nhồibằng phương pháp xói rửa và bơm vữa làm tăng sức chịu tảicủa cọc khoảng 1,5 lần;

Ø Việc xử lý mũi cọc có hiệu quả khi tải trọng truyền lên cọc lớnhơn tổng sức kháng do ma sát bên;

Ø Biện pháp bơm vữa để tăng cường ma sát cũng cho phép tăngma sát bên đến 2 lần;

Kiến nghị:- Áp dụng biện pháp xử lý mũi khi cọc hạ đến cuội sỏi hoặcđá. Đối với cọc hạ vào cát hoặc sét nên áp dụng biện pháptăng cường ma sát;- Cần nghiên cứu phương pháp kiểm tra chất lượng xử lý.

Biện pháp bơm vữa tăng cường sức chịu tải

Xói rửa và bơm vữa mũi cọc

Qui trình xói và bơm vữa mũi cọc

Mức độ tăng ma sát sau khi bơm vữa thân cọc ở Bangkok

(Littlechild et at, 1998)

Bố trí ống bơm vữa dọc thân cọc

Bơm vữa mặt bên cọc

Ø Thiết kế móng cọc thường bỏ qua sự tham gia chịutải của nền;

Ø Thực tế cho thấy sức chịu tải của nền có thể chiếm20-50% sức chịu tải của hệ bè - cọc, đặc biệt khicông trình có nhiều tầng ngầm;

Ø Móng bè-cọc đã được áp dụng phổ biến trong xâydựng nhà cao tầng có tầng ngầm tại Mexico và Đức. Bước đầu đã được áp dụng ở Việt Nam;

Ø Điều kiện địa chất ở nhiều khu vực ở Việt Nam rấtthuận lợi để áp dụng giải pháp này.

Giải pháp móng bè-cọc

Toà nhà Latino-Americana, Mexico: - 43 tầng, 3 tầng ngầm (sõu 14 m), cọc 30x30 cm- Nền chịu 47% tải trọng do nền đất

Áp dụng móng bè – cọc

Kết quả áp dụng móng bè-cọc ở Frankfurt, CHLB Đức

Áp dụng móng bè – cọc

5

Quan trắc áp lực đáy móng bè-cọc(Trụ sở Cty Tiền Phong, Hà Nội)

Kiến nghị vùng thuận lợi để áp dụng móng bè – cọc ở Hà Nội

Ø Hệ thống tiêu chuẩn thiết kế nền móng cần được soát xét. Các nội dung nên soát xét là:

- Qui định khống chế cường độ chịu nén của bê tông cọc;- Các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc (xác địnhphương pháp tính phù hợp với điều kiện đất nền và côngnghệ thi công ở Việt Nam);- Các giới hạn về độ lún tuyệt đối của công trình.

Ø Cần tăng cường năng lực thi công cọc đường kính lớn vàthí nghiệm kiểm tra khả năng chịu tải của cọc;

Ø Mở rộng ứng dụng các biện pháp xử lý phun vữa nhằmtăng cường khả năng chịu tải của cọc, đồng thời nghiêncứu phương pháp kiểm tra chất lượng xử lý;

Ø Mở rộng ứng dụng giải pháp móng bè-cọc cho nhà caotầng.

Kết luận và kiến nghị

XIN CẢM ƠN