MỞ ĐẦU Mục đích và ý nghĩa của đề tài Trong thiết kế móng cho các công trình xây dựng (bao gồm cả móng cọc và móng nông), hai vấn đề quan trọng cần quan tâm hàng đầu ảnh hưởng trực tiếp đến sự làm việc ổn định của kết cấu nền móng chính là sức chịu tải và biến dạng (lún) của đất nền dưới đáy móng. Đối với móng cọc, đặc biệt là cọc ma sát, vì biến dạng lún thường xảy ra trong và sau quá trình thi công nên rất khó có thể kiểm soát hoặc khắc phục nếu xảy ra hiện tượng độ lún vượt quá giới hạn cho phép. Cũng không thể đưa ra những thiết kế quá thiên về an toàn, giảm tối đa độ lún của công trình mà gây lãng phí về mặt kinh tế. Điều đó đòi hỏi người thiết kế cần có được những công cụ hữu hiệu để có thể dự đoán một cách chính xác độ lún của móng cọc.
Trên thực tế, từ các dữ liệu quan trắc lún của một số công trình sử dụng móng cọc, có thể nhận thấy rằng tồn tại sự khác biệt giữa độ lún thiết kế và độ lún thu được từ quan trắc thực tế, giữa độ lún của cọc đơn và độ lún của nhóm cọc. Nguyên nhân gây ra sự khác biệt về độ lún giữa cọc đơn và nhóm cọc được chứng minh là do hiệu ứng nhóm. Còn nguyên nhân gây ra sự khác biệt giữa độ lún thiết kế và quan trắc có thể là do các yếu tố: mức độ chính xác và hợp lý của công tác khảo sát địa chất – công trình khu vực xây dựng, các hiện tượng địa chất động lực công trình xảy ra trong phạm vi nền móng công trình, cách lựa chọn phương pháp tính lún cho móng cọc. Theo quy phạm thiết kế hiện hành, các phương pháp xác định độ lún của móng cọc được khuyến cáo sử dụng thường dựa trên mô hình móng khối quy ước cho nhóm cọc, lý thuyết bài toán phẳng cho băng cọc, lớp biến dạng tuyến tính cho bè cọc, bài toán không gian biến dạng hoặc dựa vào kết quả nén tĩnh dùng cho cọc đơn.
Trong đó phương pháp móng khối quy ước được sử dụng nhiều nhất. -2- Việc lựa chọn kích thước móng khối quy ước phụ thuộc vào số lượng và khoảng cách cọc bố trí trong móng cũng như đặc trưng cơ lý của đất và chiều dài cọc. Theo điều kiện địa chất khu vực, do chiều dài cọc thường có giá trị lớn nên kích thước móng khối quy ước sẽ lớn tương ứng. Trong trường hợp này việc bỏ qua thành phần ma sát giữa đất và cọc (hoặc chỉ xét đến một cách tổng thể) có thể là nguyên nhân làm kết quả tính toán thiết kế khác biệt so với thực tế.
Do đó, đề tài được thực hiện với mục đích: đánh giá độ lún của móng cọc có xét đến ma sát giữa đất và cọc. Phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp các phương pháp xác định độ lún cho móng cọc đang được sử dụng phổ biến trong thiết kế hiện nay. - Trình bày cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán độ lún của móng cọc có xét đến ma sát giữa đất và cọc được đề nghị bởi Bartolomei. - Sử dụng phương pháp Bartolomei để tính toán độ lún cho một móng cọc cụ thể.
So sánh kết quả này với kết quả tính có được từ: phương pháp móng khối quy ước, phương pháp bán kinh nghiệm hoặc phương pháp kinh nghiệm sử dụng tương quan giữa độ lún của cọc đơn (trong thí nghiệm nén tĩnh) và nhóm cọc để đưa ra các nhận xét và kết luận về phương pháp tính. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này được thực hiện trên một kết cấu móng cọc bê tông đúc sẵn của công trình tháp TW3-TW4 (Zone B) là 1 trong 4 cụm công trình nhà cao tầng thuộc dự án Diamond Island, quận 2, Tp Hồ Chí Minh. Hạn chế của đề tài Các quan trắc lún cho công trình dân dụng hiện nay chủ yếu tập trung cho móng cọc khoan nhồi đài bè, ít có công trình tiến hành quan trắc cho móng cọc bê tông cốt thép sử dụng đài đơn. Do hạn chế về mặt số liệu quan trắc nên các kết quả -3- tính toán trong đề tài chỉ so sánh được với độ lún của móng tính theo phương pháp kinh nghiệm sử dụng kết quả nén tĩnh cọc.
Ảnh hưởng của yếu tố ma sát giữa đất và cọc mới chỉ được xem xét trong điều kiện giả thiết ma sát giữa đất và cọc là phân bố đều mà chưa xét đến ứng xử ngoài thực tế của chúng. Việc tính toán mới chỉ thực hiện trên cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, chưa thực hiện được trên cọc khoan nhồi và một số loại cọc khác. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG ĐỘ LÚN CHO MÓNG CỌC Móng cọc được sử dụng trong thiết kế nền móng với chức năng chính là truyền tải trọng xuống các lớp đất sâu hơn có khả năng chịu được tải trọng với một hệ số an toàn đầy đủ tức là ở tải trọng làm việc không gây ra độ lún có hại cho kết cấu mà chúng phải chống đỡ [21]. Theo TCVN 205:1998 [16], nguyên tắc để tính toán thiết kế móng cọc là dựa trên hai nhóm trạng thái giới hạn cơ bản: - Nhóm thứ nhất bao gồm các tính toán: sức chịu tải giới hạn của cọc theo đất nền, độ bền của vật liệu làm cọc và đài cọc, độ ổn định của cọc và móng.
- Nhóm thứ hai gồm các tính toán: độ lún của nền cọc và móng, chuyển vị ngang của cọc và móng, hình thành và mở rộng vết nứt trong cọc và đài cọc bằng bê tông cốt thép. Theo BS 8004:1986 [21], mọi thiết kế móng cọc đều phải thỏa mãn: - Hệ số an toàn chống phá hủy đủ cho cả kết cấu móng và đất nền. - Độ lún chung của móng và đặc biệt là độ lún lệch dưới tải trọng làm việc không được quá lớn, ảnh hưởng đến khả năng làm việc của kết cấu. - Độ an toàn, độ ổn định của các công trình lân cận và các hệ thống đường ống dịch vụ phải được đảm bảo.
Như vậy, việc dự tính độ lún cho móng cọc là bước không thể thiếu khi tiến hành thiết kế móng cọc. Thực tế, việc dự tính độ lún của móng cọc là một vấn đề phức tạp do: - Sự thay đổi của trạng thái ứng suất của đất trong và sau khi hạ cọc. - Không xác định được rõ ràng sự phân bố và vị trí chính xác của tải trọng truyền từ cọc vào nền đất. -5- Trong các số liệu do Vesic (1977) công bố đã chỉ rõ rằng cơ chế truyền tải trọng trong cọc chưa được hiểu một cách chính xác [14].
Còn theo kết quả nghiên cứu của Sharma và Joshi (1988), tải trọng tác dụng lên cọc dài 12,2m, đường kính D600mm xuyên qua lớp sét pha cát có 60% tải trọng dùng vào ma sát bên, 40% là lực chống đầu cọc [14]. Niyama và các đồng sự (1989) đã dự đoán rằng lực ma sát bên chiếm khoảng 46% lực tổng cộng tính bằng phương pháp Capwap, chiếm 10% tính bằng phương pháp tĩnh [14]. Cơ chế truyền tải trọng giữa cọc và đất nền phụ thuộc vào chiều dài cọc và các cấp tải trọng. Do đó, chuyển vị chịu ảnh hưởng của cơ chế truyền tải trọng chỉ có thể xác định một cách gần đúng.
Theo Shamsher Prakash – Hari D.Sharma, chuyển vị lún của cọc dưới tác dụng của thành phần ma sát bên là nhỏ, không vượt quá 5mm cho tất cả các loại đất, loại cọc và kích thước cọc bất kỳ [14]. Trong khi đó, chuyển vị lún do nén lớp đất dưới mũi cọc là lớn, phụ thuộc nhiều vào loại đất, loại cọc và kích thước cọc. Như vậy, để giải quyết bài toán xác định độ lún của móng cọc, trước tiên cần thiết giải quyết các vấn đề cơ bản sau: - Chuyển vị do ma sát giữa đất và cọc trong phạm vi chiều dài cọc và chuyển vị do nén lớp đất dưới mũi cọc - Cơ chế truyền tải trọng của cọc vào đất. Có nhiều phương pháp dự tính độ lún của cọc đã được đề nghị, tuy nhiên, việc xác định độ lún của móng cọc dù là theo xu hướng bán kinh nghiệm, kinh nghiệm hay dựa trên kết quả thí nghiệm thực tế đều có thể tổng quát đưa về một trong hai trường hợp sau: 1.
Các phương pháp ước lượng độ lún áp dụng cho cọc đơn. Các phương pháp ước lượng độ lún áp dụng cho nhóm cọc. Theo [14], độ lún của cọc đơn là tổng của hai thành phần: - Độ lún tức thời do tác dụng của tải trọng sử dụng gây ra. -6- - Độ lún cố kết lâu dài xảy ra do tải trọng làm cho áp lực lỗ rỗng giảm dần, ứng suất hữu hiệu tăng dần gây độ lún.
Nói chung, độ lún tức thời do kết quả nén đàn hồi của đất. Thành phần này giữ vai trò quan trọng trong chuyển vị tổng cộng đối với đất dính bão hòa nước hoặc đất dính quá cố kết bão hòa nước. Các phương pháp đánh giá độ lún dùng cho đất rời cũng có thể dùng để tính toán chuyển vị tức thời cho đất sét có đặc trưng thích hợp. Đối với nhóm cọc, sự làm việc của nhóm cọc phụ thuộc vào: cách thức truyền tải trọng lên đất, đặc tính của đất và khả năng chịu tải tới hạn.
Độ lún của nhóm cọc trong đất cát chủ yếu là do độ lún đàn hồi. Độ lún của nhóm cọc trong đất sét bao gồm cả độ lún đàn hồi và độ lún cố kết. Độ lún đàn hồi chủ yếu xảy ra trong đất sét quá cố kết, độ lún cố kết xảy ra chủ yếu trong đất sét cố kết thường [4]. Phƣơng pháp xác định độ lún của cọc đơn 1.
Độ lún của cọc đơn ngàm trong đất sét theo Davis - Poulos (1968) [13] Độ lún cọc đơn trong lớp đất dính có chiều dày hữu hạn, dưới nó là lớp đất cứng không chịu nén được xác định theo biểu thức sau: Q Si Ip (1.Es (1 v )(1 2v ) 1 Trong đó: Es (1.2) mv (1 v ) mv Với: Q - Tải trọng tác dụng lên đầu cọc. L - Chiều dài cọc. Es - Module đàn hồi thoát nước. - Hệ số Poisson ( bằng 0,4 cho sét quá cố kết và 0,2 cho sét thường).
mv - hệ số biến đổi thể tích. - Hệ số chuyển đổi từ nén không nở hông sang nén có nở hông. -7- Ip - Hệ số ảnh hưởng phụ thuộc vào tỷ số L/B và H/B.
