MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MÓNG CỌC TS TRỊNH VIỆT CƯỜNG

Ø Móng cọc đã được áp dụng tương đối phổ biến từ những năm 1980, đặc biệt khi công nghệ cọc tiết diện nhỏ được sử dụng rộng rãi cho các công trình qui mô nhỏ đến trung bình; Ø Từ những n

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MÓNG CỌC

TS Trịnh Việt Cường,Viện KHCN xây dựng

1 Một số vấn đề về tiêu chuẩn trong lĩnh

Ø Móng cọc đã được áp dụng tương đối phổ biến từ những năm

1980, đặc biệt khi công nghệ cọc tiết diện nhỏ được sử dụng

rộng rãi cho các công trình qui mô nhỏ đến trung bình;

Ø Từ những năm 1990 đến nay, cọc tiết diện lớn với sức chịu tải

cao được sử dụng cho hầu hết các nhà cao tầng, cầu và một số công trình công nghiệp;

Ø Nhiều công nghệ thi công tiên tiến đã được đưa vào áp dụng

Một số nét về áp dụng móng cọc ở Việt Nam

Ø Nhiều công nghệ thi công tiên tiến đã được đưa vào áp dụng

nhưng chưa được tổng kết kinh nghiệm Việc áp dụng một số

giải pháp tiên tiến gặp khó khăn;

Ø Đã xảy ra một số sự cố của móng cọc, đặc biệt là cọc nằm trong

vùng chịu ảnh hưởng của ma sát âm, cọc chịu tải ngang, …;

Ø Các tiêu chuẩn thiết kế móng cọc được xây dựng từ những năm

1990, đến nay chưa được soát xét

Ø TK theo ƯSCP được áp dụng từ giai đoạn đầu của ngành xây

dựng Đến nay nhiều tiêu chuẩn (Ví dụ Nhật Bản) vẫn sử dụng phương pháp này;

Ø Từ thập kỷ 1950, thiết kế theo TTGH được áp dụng ở Liên xô,

Đan Mạch, … Đến nay đã được chấp nhận ở hầu hết các quốc gia;

v Tại Mỹ, thiết kế theo TTGH được chấp nhận muộn hơn Từ

Thiết kế cọc theo ƯSCP và theo TTGH

v Tại Mỹ, thiết kế theo TTGH được chấp nhận muộn hơn Từ

1994 AASHTO áp dụng trong thiết kế cầu Từ 2006 Bộ Giaothông Mỹ chấp nhận AASHTO LRFD trên toàn liên bang;

v TCXD 205:1998 bao hàm cả thiết kế theo TTGH (theo SNiP

2.02.03.85) và ƯSCP (theo Nhật Bản, Canada,…)

Ø Thiết kế ứng suất cho phép được sử dụng từ đầu thế

kỷ thứ 18 Trong tính toán áp dụng hệ số an toàn tổng thể FS:

THIẾT KẾ THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

Hai trạng thái giới hạn:

N/A 1,00 0,90 0,90 0,90

0,90

ES : Tải trên bề mặt đất 1,5 0,75

v Hệ số sức kháng cho cọc đóng chịu tải trọng nén dọc trục:

φ=kλv

k - hệ số phụ thuộc vào phương pháp đánh giá sức chịu tải

λv - hệ số xét đến mức độ kiểm soát chất lượng

Nhận xét: - Hệ số sức kháng phụ thuộc vào phương pháp tính toán;

- AASHTO hướng dẫn cách xác định φ ứng với các PP tính toán không nằm trong tiêu chuẩn.

Hệ số λv

Nhận xét: - Hệ số λv phụ thuộc vào mức độ kiểm soát chất lượng khi thi công;

- Khi chất lượng được kiểm soát chặt chẽ thì λv cao và theo đó

hệ số sức kháng cũng cao.

HỆ SỐ SỨC KHÁNG CHO CỌC NHỒI (AASHTO LRFD)

Nhận xét: Khi kiểm tra sức chịu tải bằng thí nghiệm thì hệ số sức kháng rất cao (φ=0,8)

TRƯỜNG HỢP 1:

- Tính toán sức chịu tải theo SPT: φ φφ=0.45 λv

- Kiếm tra sức chịu tải khi thi công theo độ chối: λ λv= 0.8

- Tính toán sức chịu tải theo SPT: φ φφ=0.45 λv

- Kiếm tra sức chịu tải bằng PDA và nén tĩnh: λ λv= 1.0

- Hệ số sức kháng: φ φ φ=0.45x1.0 = 0.45

- Hệ số an toàn tương đương (với ηi=0,95 và γ=1,25):

FSe=1,25*0,95/0,45 = 2,64

NHẬN XÉT: - Khi thí nghiệm cọc thì sức kháng được lấy cao hơn 12,5%;

- Hệ số an toàn tương đương nằm trong khoảng 2,5-4;

- Khi xét các loại tải trọng khác thì γ cao hơn nên FS e cũng cao hơn.

VÍ DỤ HỆ SỐ SỨC KHÁNG KHI THIẾT KẾ CỌC NHỒI

TRONG ĐẤT SÉT THEO AASHTO LRFD

NHẬN XÉT: - Hệ số an toàn tương đương khá thấp khi sử dụng cọc nhồi Giá

trị này tương đương Eurocode 7 và DIN 1054;

- Trên thực tế ngành giao thông sử dụng hệ số an toàn rất cao.

ü AASHTO LRFD đề xuất một số phương pháp tính toán sức chịu

tải Chênh lệch giữa kết quả tính ma sát bên theo các phương pháp đó

có thể tới 3 lần;

ü Nhiều tương quan áp dụng trong tính toán phụ thuộc và điều kiện

đất nền địa phương Không nên áp dụng một cách máy móc các

tương quan xác định theo điều kiện đất nền và công nghệ thi công ở

SỰ CẦN THIẾT XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC KHÁNG CHO CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH KHÔNG NẰM TRONG AASHTO LRFD

tương quan xác định theo điều kiện đất nền và công nghệ thi công ở

nước ngoài;

ü Nhiều phương pháp tính toán lấy từ tài liệu nước ngoài cho kết quả

chênh lệch so với thực nghiệm ở Việt Nam

→ Cần xác định hệ số sức kháng ứng với các phương pháp tính

toán sức chịu tải của cọc quen thuộc ở Việt Nam

Hệ số sức kháng tính theo:

Ví dụ về xác định hệ số sức kháng cho PP

tính toán của TCXD 205:1998

βT - Chỉ số tin cậy mục tiêu (βT = 2,0÷2,5 cho cọc đóng)

Ø Số liệu đã sử dụng lấy từ thí nghiệm nén tĩnh 27 cây

cọc tại 7 hiện trường ở Việt Nam;

Kết quả tính toán

Ø Trong tiêu chuẩn tồn tại song song các phương

pháp thiết kế theo TTGH và theo ƯSCP:

- Tính toán sức chịu tải theo TTGH được cho trong Phụ lục A (chủ yếu bằng cách tra bảng);

- Tính toán sức chịu tải theo ƯSCP được cho ở các Phụ lục B và C

TỒN TẠI TRONG TCXD 205:1998

các Phụ lục B và C

Ø Không phân biệt rõ các phương pháp thiết kế, do

đó trong nhiều trường hợp đã sử dụng tải trọng

tính toán khi thiết kế theo ƯSCP, dẫn đến lãng phí (quá thiên về an toàn)

Ví dụ 3

Ø Công thức C.2.2 của TCXD 205:1998 tính toán sức chịu

tải của cọc (theo tiêu chuẩn Nhật Bản, ƯSCP):

- Cần áp dụng đồng bộ các phương pháp tính toán theo ƯSCP hoặc TTGH

Ví dụ 4:

Nhận xét về độ an toàn trong thiết kế móng cọc

thông qua so sánh kết quả tính toán theo

Eurocode 7 (EN 1997) và TCXD 205:1998

TP-1: R m = 1600 T

TP-2: R m = 1425 T R m,mean = (1600+1425+1600)/3 = 1541 T

TP-3: R m = 1600 T

R k = Min{{{{ R m,mean /ξξξξ 1 ; R m,min /ξξξξ 2 }

Theo Bảng A.9, EN 1997-1:

Sức chịu tải đặc trưng của cọc:

VÍ DỤ 4: Tính toán thiết kế theo kết quả

Tình huống thiết kế 2 (DA-2):

VÍ DỤ 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC

(theo TCXD 205:1998)

Sức chịu tải của cọc:

cọc yếu nhất khi số cọc thí nghiệm ít hơn 6)

Số lượng cọc:

• Hệ số an toàn khi thiết kế theo EN 1997 thấp hơn đáng kể so với yêu cầu của tiêu

chuẩn Việt Nam

• Trong ví dụ này, nếu thiết kế theo tiêu chuẩn VN thì số lượng cọc cần bố trí nhiều

hơn 33%

Ø TCXD 205:1998 không phân biệt rõ các nội dung

thiết kế theo TTGH và theo ƯSCP, do đó có thể dẫn đến thiết kế quá thiên về an toàn;

hơn so với nhiều tiêu chuẩn nước ngoài Khi áp

cũng cho thấy thiết kế nền móng theo tiêu chuẩn Việt Nam quá thiên về an toàn.

ü Cọc D400, sâu 19 m, thi công bằng phương pháp

guồng xoắn liên tục;

ü Đất nền chủ yếu là sét băng hà, trạng thái cứng;

ü Yêu cầu dự báo Qu và chuyển vị tương ứng;

(Canada, 5/2011)

ü Yêu cầu dự báo Qu và chuyển vị tương ứng;

ü Cọc được nén tĩnh sau khi BTC đã nhận kết quả dự

báo của những người tham gia;

ü Có 46 người tham gia, trong đó có 7 người Việt Nam.

sức chịu tải của cọc Danh sách những người tham gia:

(Canada, 5/2011)

Thống kê kết quả dự báo sức

chịu tải giới hạn

(Canada, 5/2011)

Nhận xét:

Ø Kết quả dự báo rất phân tán, Rmax và Rmin chênh nhau tới 5 lần;

Ø Độ phân tán do những người tham gia thiếu kinh nghiệm về cọc ở Canada;

Ø Trong mọi trường hợp, KQ tính toán sức chịu tải chỉ nên coi là số liệu dự báo.

So sánh kết quả dự báo với nén tĩnh

Ví dụ 6: Nhận xét về độ tin cậy của một số phương pháp dự báo sức chịu

tải của cọc nhồi ở Việt Nam

Ø Các công thức tính toán của nước ngoài được đưa vào TCXD

195:1997 và TCXD 205:1998, nhưng chưa được kiểm chứng trước khi đưa vào tiêu chuẩn;

Ø Công thức của tiêu chuẩn Nhật Bản (tính theo SPT) được sử

dụng rộng rãi hơn cả Áp dụng các công thức này cho kết quả sức chống dưới mũi cọc cao (trên 30%) khi cọc được hạ đến lớp cuội sỏi ở khu vực Hà Nội;

Sức chịu tải của cọc theo điều kiện đất nền

lớp cuội sỏi ở khu vực Hà Nội;

Ø Kết quả thí nghiệm nén tĩnh 21 cây cọc có gắn thiết bị quan

trắc phân bố lực dọc thân cọc cho thấy mức độ chênh lệch cao giữa kết quả tính toán và thực nghiệm Ví dụ ma sát bên trong các lớp đất rời cao gấp 3-6 lần so với kết quả tính toán Ngược lại, sức chống dưới mũi cọc thấp hơn nhiều so với tính toán

Kết quả TN cọc Ø1200 tại 83 Lý Thường Kiệt, HN

10-17 m

0 2 4 6 8

Sức chịu tải theo điều kiện đất nền

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

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 Cọc khoan 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 thực nghiệm;

- Hiệu quả xứ lý mũi cọc tại Pacific Place (♦) tương đối tốt, tại Pacific Place (■) hiệu quả là không đáng kể

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

Từ KQ nén tĩnh cọc ở khu vực Hà Nội, kiến nghị:

Sức chịu tải theo điều kiện đất nền

Nhận xét: Cần thu thập thêm số liệu nén tĩnh cọc để xây dựng tương quan phù

hợp cho điều kiện đất nền Việt Nam.

So sánh KQ tính toán sức chịu tải với KQ nén tĩnh ở khu vực Hà Nội

Ví dụ 7: Nhận xét về độ tin cậy của một số phương pháp dự báo sức chịu

tải của cọc đóng/ép ở Việt Nam

Ví dụ 7: Sức chịu tải của cọc đóng/ép

Ø Biện pháp xử lý cho phép tăng cường khả năng chịu tải của

cọc khoan nhồi;

Ø Trong điều kiện thuận lợi ở Hà Nội, xử lý mũi cọc khoan nhồi

bằng phương pháp xói rửa và bơm vữa làm tăng sức chịu tải của cọc khoảng 1,5 lần;

Ø Việc xử lý mũi cọc có hiệu quả khi tải trọng truyền lên cọc lớn

- Áp dụng biện pháp xử lý mũi khi cọc hạ đến cuội sỏi hoặc

đá Đối với cọc hạ vào cát hoặc sét nên áp dụng biện pháp tăng cường ma sát;

- Cần nghiên cứu phương pháp kiểm tra chất lượng xử lý.

Bơm vữa mặt bên cọc

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

(Littlechild et at, 1998)

Xói rửa và bơm vữa mũi cọc

Qui trình xói và bơm vữa mũi cọc ở 83B Lý Thường Kiệt, HN

Nhận xét về hiệu quả xử lý mũi cọc

Nhận xét:

- Tỷ lệ tải trọng truyền đến mũi cọc phụ thuộc vào Pa/Qs;

- Khi Pa/Qs <70% thì không nên xử lý mũi cọc, vì hiệu quả xử lý thấp

Ø Khả năng chịu tải của cọc xác định theo vật liệu

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

Ø Sức chịu tải của cọc thấp, không tận dụng được khả năng

chịu 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 công

tiên 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 trọng

Sức chịu tải của vật liệu cọc

Ø Không đủ mặt bằng để bố trí cọc cho các công trình tải trọng

lớn Tiêu chuẩn không sử dụng được cho nhà siêu cao tầng;

Ø Nhiều công trình phải lựa chọn áp dụng các tiêu chuẩn thiết

kế của phương Tây (thông thường sức chịu tải cho phép của cọc có thể tăng 30-40%)

Sức chịu tải của vật liệu cọc

⋅ BT trong lỗ khoan khô

BS 8004:1986 Rn ≤ R28/4 ⋅ Cao hơn, nếu đặt ống

chống suốt chiều dài cọc

⋅ BT trong lỗ khoan khô

⋅ Đổ BT trong dung dịch

Nhận xét: Ngoài Nhật và Việt Nam, các tiêu chuẩn khác không khống chế cường độ

nén của BT cọc khoan nhồi

Cơ sở để điều chỉnh tăng hoặc bỏ giới hạn với

cường độ của bê tông và thép cọc khoan nhồi:

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

Sức chịu tải của vật liệu cọc

tĩnh, mặc dù đã được nén đến 250-300% sức chịu tải cho phép;

bị ngày càng hiện đại.

Kiến nghị: Lấy R/4 ≤≤≤ [R n ] ≤≤≤ R/3

Ø Độ lún cho phép trong các tiêu chuẩn Việt Nam

được lấy theo qui định ở Liên Xô Giá trị cho phép của độ lún được qui định theo loại kết cấu

và không xét đến điều kiện của đất nền;

Ø Nhiều tiêu chuẩn của các nước tiên tiến không

đưa ra giới hạn về độ lún tuyệt đối;

Độ lún cho phép của công trình

đưa ra giới hạn về độ lún tuyệt đối;

Ø Trong nhiều tiêu chuẩn, độ lún cho phép cao

hơn so với qui định của Việt Nam;

Ø Giới hạn độ lún tuyệt đối khắt khe là trở ngại

cho xây dựng nhà cao tầng trên nền đất trầm

tích có bề dày lớn như ở khu vực đồng bằng

sông Cửu Long.

Nhu cầu điều chỉnh trị cho phép của độ lún tuyệt đối:

Ø Bề dày trầm tích ở khu vực Nam bộ rất lớn, ít có khả

năng sử dụng cọc chống;

Ø Tăng độ lún cho phép góp phần mở rộng áp dụng

nhiều giải pháp nền móng hợp lý (móng nông, cọc

Độ lún cho phép của công trình

nhiều giải pháp nền móng hợp lý (móng nông, cọc đóng/ép, bè-cọc, các giải pháp gia cố nền, …);

Ø Đối với cọc dài, biến dạng do nén co của thân cọc

chiếm tỷ trọng lớn trong tổng độ lún, ảnh hưởng đến việc xác định sức chịu tải cho phép của cọc.

Độ lún cho phép trong một số tiêu chuẩn nước ngoài

Tiêu chuẩn S max (mm) Ghi chú

H≤100 m

100 m <H≤200 m 300

200

100 m <H≤200 m

200 m <H≤250 m Eurocode 7 50 Có thể tăng Smaxnếu lún lệch

nằm trong phạm vi cho phép

Mexico City 2004 50

300

Vùng I (nền đá, đất cứng) Vùng II, III (đất yếu) TCH 50-302-2004 (Saint

Petersburg, Nga)

150 TCXD 205:1998 80 -100 Tùy loại kết cấu

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

Ø Độ lún tuyệt đối không gây nội lực trong kết cấu;

Ø Chỉ một số tiêu chuẩn nước ngoài đề ra giới hạn lún

tuyệt đối, thông thường chỉ khống chế độ lún lệch;

Ø Nhiều công trình cao tầng ở nước ngoài cho phép có

Độ lún cho phép của công trình

Ø Nhiều công trình cao tầng ở nước ngoài cho phép có

độ lún lớn, ví dụ nhà 43 tầng Latino America (Mexico, 1950) có độ lún dự tính S=39 cm, trong 6 năm đầu tiên lún 9 cm;

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

Ø Kết quả quan trắc lún của hầu hết các nhà cao tầng đặt

trên móng cọc ở khu vực Hà Nội đều rất thấp (S=1-3 cm)

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;

Độ lún cho phép của công trình

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

Ø Thiết kế móng cọc thường bỏ qua sự tham gia chịu

tải của nền;

Ø Thực tế cho thấy sức chịu tải của nền có thể chiếm

20-50% sức chịu tải của hệ bè - cọc, đặc biệt khi

công trình có nhiều tầng ngầm;

Ø Móng bè-cọc đã được áp dụng phổ biến trong xây

Giải pháp móng bè-cọc

Ø Móng bè-cọc đã được áp dụng phổ biến trong xây

dựng 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 rất

thuận lợi để áp dụng giải pháp này.

Áp dụng móng bè – cọc

- 43 tầng, 3 tầng ngầm (sâu 14 m), cọc 30x30 cm

- Nền chịu 47% tải trọng do nền đất

Độ lún cho phép của công trình

Móng nhà cao tầng trên nền trầm tích bề dày lớn

ở Frankfurt (CHLB Đức)

Quan trắc phân bố tải trọng lên cọc và lên nền đất dưới móng

trụ sở công ty Tiền Phong (Từ Liêm, HN)

6/18/2012

61

Mặt bằng cọc và bố trí quan trắc

Quan trắc tải trọng lên cọc

6/18/2012

63

Quan trắc áp lực đáy móng bè-cọc

(Trụ sở Cty Tiền Phong, Hà Nội)

Tổng lực lên cọc (T)

Áp lực lên nền (T/m2)

Tổng lực lên nền (T)

Tổng tải trọng (T)

Tỷ lệ (%)

Cọc Nền Cọc Nền

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

Ø Thí nghiệm gia tải cọc chủ yếu là nén tĩnh và PDA

Kết quả thí nghiệm PDA kém tin cậy khi thí nghiệm cọc tải trọng lớn;

Ø Các khó khăn trong thí nghiệm nén tĩnh đến tải trọng

lớn:

Thí nghiệm kiểm tra sức chịu tải của cọc

- Chất tải bằng khối BT đạt đến ngưỡng 3000-3500T;

- Phương pháp dùng neo làm đối tải chi phí cao và còn thiếu thiết bị và kinh nghiệm;

- Thí nghiệm Osterberg chi phí cao và phụ thuộc vào nước ngoài.

Ø Biện pháp thí nghiệm tải trọng lớn (>3500 T)?

Thí nghiệm kiểm tra sức chịu tải của cọc

0 5 10 15 20 25 30

Cọc đóng 0,3x0,3m ở Việt Nam Cọc nhồi φ1,2m tại Malaysia

Cọc đóng 0,3x0,3m ở Việt Nam

Nhận xét:

- Mức độ chênh lệch của PDA so với nén tĩnh là đáng kể

- Đối với cọc tải trọng lớn, nguyên nhân chênh lệch chủ yếu do năng lượng búa không đủ để huy động hết sức chịu tải của cọc

- Tải trọng thí nghiệm không vượt quá khả năng chịu lực của vật liệu cọc

- Chỉ nên sử dụng PDA để thay thế một phần khối lượng nén tĩnh.