CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG BÈ - CỌC 1.1 Tổng quan về móng bè - cọc Trong những năm gần đây, móng bè - cọc đang ngày càng được công nhận như là một giải pháp móng đem lại hiệu quả kinh tế cao trong xây dựng các công trình trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Giải pháp sử dụng móng bè - cọc không giống như thiết kế móng cọc thông thường, trong đó cọc được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng từ công trình, móng bè - cọc được thiết kế có kể đến sự phân phối tải trọng bên trên xuống nền đất dưới bè móng và cọc. Móng bè - cọc là một hệ thống kết hợp bao gồm các phần tử chịu lực làm việc đồng thời với nhau gồm có các cọc, bè và nền đất bên dưới. Trong đó, bè có chức năng liên kết và phân phối tải trọng từ chân kết cấu bên trên đến các cọc và truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa bè và nền đất; cọc có chức năng truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọc qua sức kháng mũi và truyền tải trọng vào nền đất xung quanh qua sức kháng bên.
Ưu điểm của kết cấu móng bè - cọc là: - So sánh với móng cọc thì móng bè - cọc có số lượng cọc nhỏ hơn và chiều dài cọc cũng ngắn hơn. - Cải thiện được điều kiện làm việc của móng nông nhờ giảm độ lún cũng như độ lún lệch. Cọc giữ vai trò như bộ phận giảm lún. - Giảm được ứng suất cũng như moment nội lực trong móng bè nhờ sự sắp xếp hợp lý của cọc.
- Phát huy vai trò chịu lực của phần móng bè. - Giảm thiểu khả năng phìn trồi khi đào hố móng. - Có thể bố trí cọc để chịu tải trọng lệch tâm từ công trình bên trên. Bên cạnh những ưu điểm, việc phân tích và áp dụng móng bè - cọc vào thực tế vẫn tồn 4 tại một số khó khăn, nhược điểm như: - Ở Việt Nam, việc tính toán móng bè - cọc chưa được xem xét kỹ, các thiết kế chưa đánh giá và phản ánh rõ vai trò của bè móng, đất và hệ thống cọc.
- Việc thiết kế còn gặp nhiều khó khăn do thiếu các tiêu chuẩn làm cơ sở tính toán. - Ngoài ra, việc phân tích móng bè - cọc chưa xét đến các yếu tố tác động tới công trình. Theo Nguyễn Thanh Sơn [3] một phân tích đầy đủ tương tác bè - cọc với nền đất cần thiết phải xét đầy đủ các yếu tố: Sức chịu tải tới hạn của móng dưới tác động của tổ hợp tải trọng; Ảnh hưởng của tác động có tính chất chu kỳ đến ứng xử của móng; Độ lún tổng thể của móng; Độ lún lệch giữa các khối nhà và với công trình lân cận; Ảnh hưởng giữa móng bè với cọc, giữa các cọc với nhau; Ảnh hưởng của động đất bao gồm cả những trận động đất kích thích, khả năng hóa lỏng của đất và phản ứng động của kết cấu dưới tác động của tải trọng gió,… 1.2 Các quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay Hiện nay, việc thiết kế móng cọc chịu tải trọng cho công trình có nhiều quan điểm tính toán phân tích với những ưu điểm và nhược điểm khác nhau cho từng trường hợp, có thể kể đến một số quan điểm thiết kế móng cọc hiện nay như sau: 1.1 Quan điểm cọc chịu tải trọng hoàn toàn Là quan điểm thiết kế cọc được xem là truyền thống và áp dụng rộng rãi, trong đó cọc được thiết kế để tiếp nhận toàn bộ tải trọng của công trình truyền xuống mà không kể tới sự tham gia chịu tải của nền đất dưới đài cọc. Trong tính toán, hệ móng còn tính như móng cọc đài thấp với nhiều giả thiết gần đúng như: - 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 như cọc đơn, và cọc chịu toàn bộ tải trọng từ đài móng. - Khi tính toán tổng thể móng cọc thì coi hệ móng là một khối móng quy ước. 5 -Tính toán theo cách này có ưu điểm là đơn giản, thiên về an toàn nhưng không đạt hiệu quả kinh tế, đo đó đây là một phương án thiết kế móng cọc lãng phí.
Quan điểm bè chịu tải trọng hoàn toàn Kết cấu bè được thiết kế để chịu phần lớn tải trọng tác dụng lên móng, các cọc chỉ nhận một phần nhỏ tải trọng truyền xuống, cọc được bố trí hạn chế cả về số lượng sức chịu tải với mục đính chính là gia cố nền, giảm độ lún trung bình và lún lệch. Độ lún của móng 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. Quan điểm móng bè - cọc đồng thời chịu tải trọng công trình 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 nền - bè - cọc. Trong quan điểm này, các cọc ngoài tác dụng giảm lún cho công trình, còn phát huy hết được khả năng chịu tải, do đó số lượng cọc ít hơn, chiều dài cọc ngắn 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 như móng bè trên nền thiên nhiên. Trong quan điểm này, độ lún của công trình thường lớn hơn so với quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn nhưng 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 cọc chịu tải trọng hoàn toàn. Tuy nhiên, quá trình tính toán phân tích cần sử dụng các mô hình phức tạp hơn, do đó hiện nay quan điểm này chưa được áp dụng phổ biến rộng rãi. Trên cơ sở giả thiết và mô hình, phương pháp tính toán móng bè - cọc được phân thành các nhóm như sau: - Những phương pháp kinh điển.
- Phương pháp móng cọc tương đương hoặc móng bè tương đương. - Những phương pháp giải tích đơn giãn. - Những phương pháp số dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn.3 Cấu tạo và ứng dụng của móng bè - cọc 1. Cấu tạo của móng bè - cọc Móng bè - cọc là một loại móng cọc, cho phép phát huy được tối đa khả năng chịu lực của cọc và tận dụng được một phần sức chịu tải của nền đất dưới đáy bè.
Móng bè - cọc còn được gọi là móng bè trên nền cọc. Móng bè - cọc cấu tạo gồm hai phần: bè và các cọc. - Bè hay đài cọc có nhiệm vụ liên kết và phân phối tải trọng từ chân kết cấu cho các cọc, đồng thời truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa đáy bè và đất nền. Bè có thể làm dạng bản phẳng hoặc bản dầm nhằm tăng độ cứng chống uốn.
- Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức kháng bên. Có thể bố trí cọc trong đài thành nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lối hay bố trí bất kỳ tuỳ thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm điều chỉnh lún không đều, giảm áp lực lên nền ở đáy bè hay giảm nội lực trong bè. Hình 1 - 1: Các phương án bố trí cọc trong đài Cách bố trí cọc trong đài thường theo nguyên tắc trọng tâm nhóm cọc trùng hoặc gần với trọng tâm tải trọng công trình. Giải pháp này có ưu điểm là tải trọng xuống cọc được phân bố hợp lí hơn; tính làm việc tổng thể của nhóm cọc tốt hơn.
7 Hình 1 - 2: Cấu tạo móng bè cọc 1.2 Ứng dụng của móng bè - cọc Móng bè cọc thường được sử dụng tương đối nhiều trong các công trình xây dựng cao tầng. Sở dĩ lựa chọn giải pháp kết cấu móng bè cọc vì đa phần tại vị trí xây dựng công trình có lớp đất yếu rất dày, việc bố trí cọc theo đài đơn hay băng trên cọc không đủ. Cần phải bố trí cọc trên toàn bộ diện tích xây dựng mới mang đảm bảo khả năng chịu tải trọng của công trình. Hơn nữa bè cọc sẽ làm tăng tính cứng tổng thể của nền móng bù đắp lại sự yếu kém của nền đất.
- Nhà dân dụng: Chủ yếu là móng bè trên cọc nhồi hoặc cọc barrette. Móng bè cọc thích hợp với kết cấu ống, kết cấu khung vách. - Nhà công nghiệp: Chủ yếu là móng bè trên cọc đóng hoặc ép. Đặc điểm nhà công nghiệp là diện tích mặt bằng lớn, cấu tạo địa chất thường không ổn định; cọc sử dụng trong công trình này thường có tác dụng chính là gia cố nền, giảm độ lún lệch và lún tuyệt đối.
- Công trình cảng, thuỷ: Chủ yếu là móng bè trên cọc đóng hoặc ép. Đặc điểm của các công trình này là chịu tải trọng lớn, có quy định nghiêm ngặt về độ lún tuyệt đối và lún lệch.4 Cơ chế làm việc của móng bè - cọc Móng bè - cọc là một giải pháp nền móng để giảm thiểu độ lún cũng như lún lệch, tận dụng được khả năng chịu tải của đất nền bên dưới móng bè và làm giảm thiểu moment uốn trong móng bè. Tính chất nổi bật của móng bè -cọc là sự ảnh hưởng tương hỗ giữa đất và kết cấu móng trong quá trình chịu tải. Hình 1 - 3: Sự tương tác làm việc của móng bè cọc (Poulos, 2000) - Sự tương tác giữa cọc với đất .
- Sự tương tác giữa cọc với cọc . - Sự tương tác giữa bè với đất . - Sự tương tác giữa cọc với bè . Tùy theo độ cứng của móng bè mà nó tiếp thu tải trọng S t từ công trình bên trên và truyền qua đất nền bên dưới thông qua áp lực tiếp xúc của đất nền ký hiệu là R, và thông qua ma sát tiếp xúc giữa đất và các cọc ΣR pi.
Vậy tổng phản lực của móng bè - cọc là: R t = R r + ΣR pi ≥ S t (1 - 1) Theo quan điểm thiết kế trước đây thì tải trọng của công trình phải truyền qua móng bè 9 hoặc truyền qua cọc. Trên quan điểm của móng bè - cọc thì tải trọng của công trình vừa phân phối lên bè vừa phân phối lên cọc.