CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ MÓNG BÈ - CỌC – ĐỆM VẬT LIỆU RỜI 1. Giới thiệu Nhà cao tầng ngày càng được xây dựng nhiều ở các thành phố lớn của Việt Nam. Công tác thiết kế nền móng công trình cao tầng là một trong những bài toán kỹ thuật và kinh tế phức tạp.
Móng bè- cọc có rất nhiều ưu điểm so với các loại móng khác, như khi chịu lực tải trọng lớn, độ cứng lớn, liên kết giữa bè và kết cấu chịu lực bên trên như vách, cột có độ cứng lớn phù hợp sơ đồ làm việc của công trình. Móng bè- cọc là một hệ thống móng kết hợp, bao gồm các phần tử chịu lực như bè móng, các cọc và đất nền bên dưới. Móng bè- cọc có cấu tạo gồm hai phần như sau: + Bản móng có nhiệm vụ liên kết các đầu cọc lại với nhau thành khối và phân phối lại 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. + 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 hông.
Có nhiều cách bố trí cọc trong mặt bằng đài cọc nhằm đảm bảo điều kiện kinh tế và kỹ thuật. Bố trí cọc trong đài tùy thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm giảm lún lệch, giảm áp lực lên nền ở đáy bè hay giảm nội lực trong bè. 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; tính làm việc tổng thể của nhóm cọc tốt.
Các cọc dưới bè có thể là cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, cọc khoan nhồi hoặc cọc baret So với móng bè- cọc thông thường thì móng bè - cọc - đệm vật liệu rời các cọc không liên kết với bè mà được ngăn cách bởi một lớp đệm vật liệu rời được thêm vào nhằm mục đích khai thác tốt hơn sức chịu tải của đất nền. Sự nghiên cứu về móng bè- cọc trong các năm vừa qua đã đạt được nhiều thành tựu. Tuy vẫn chưa được ứng dụng vào thực tiễn, nhưng đã có rất nhiều nghiên cứu được công bố. Với nghiên cứu này, học viên đi theo một hướng mới về móng bè- cọc đó là hệ móng bè- cọc trên đệm vật liệu rời với các cọc không liên kết với bè mà ngăn cách bằng lớp đệm vật liệu rời.
Từ đó hi vọng đem lại một hướng thiết kế mới cho móng bè – cọc. Cơ chế làm việc của móng bè - cọc - đệm vật liệu rời: Đặc điểm nổi bật của móng bè - cọc là sự ảnh hưởng tương hỗ giữa đất và kết cấu móng trong quá trình chịu tải theo các ảnh hưởng sau: + Sự tương tác giữa cọc và đất; + Sự tương tác giữa cọc và cọc; + Sự tương tác giữa đất và móng bè; + Sự tương tác giữa cọc và móng bè; + Sự tương tác giữa lớp đệm vật liệu rời và bè; + Sự tương tác giữa đệm vật liệu rời và cọc. Lê Bá Vinh Nguyễn Huynh-2070684 Hình 1.Sự làm việc của móng bè- cọc, bè – cọc – đệm vật liệu rời Khi kể tới ảnh hưởng của đài cọc, nền đất dưới đáy đài và cọc cho thấy cơ cấu truyền tải trọng như sau: + Sự làm việc của đài cọc: Tải trọng từ công trình truyền xuống móng. Đài cọc liên kết các đầu cọc thành một khối và phân phối lại tải trọng tập trung tại các vị trí chân cột, vách cho đệm vật liệu rời.
Ở một mức độ nhất định nó có khả năng giảm lún lệch. + Ảnh hưởng của đệm vật liệu rời: Khi tải trọng truyền từ đài xuống, nhờ có lớp đệm này, tải không trực tiếp truyền xuống cho các cọc mà được truyền gián tiếp qua lớp đệm vật liệu rời, tùy theo độ cứng của lớp đệm này mà tỉ lệ chia tải cho các cọc sẽ thay đổi khác nhau. + Ảnh hưởng của nền đất dưới đáy đài: Khi đài cọc chịu tác động của tải trọng, một phần được truyền xuống cho các cọc chịu và một phần được phân phối lại cho nền đất dưới đáy đài. Tỷ lệ phân phối lại này còn phụ thuộc vào các yếu tố: độ cứng của nền đất, chuyển vị của đài, chuyển vị của cọc và việc bố trí các cọc.
+ Ảnh hưởng của cọc: Cơ chế làm việc của cọc là nhờ được hạ vào các lớp đất tốt phía dưới nên khi chịu tác động của tải trọng đứng từ đài móng nó sẽ truyền tải này xuống lớp đất tốt thông qua lực ma sát giữa cọc với đất và lực kháng ở mũi cọc làm cọc chịu nén. Trong quá trình làm việc cọc chịu thêm các tác động phức tạp khác như: hiệu ứng nhóm cọc, lực ma sát âm. Do có độ cứng lớn nên cọc tiếp nhận phần lớn tải trọng từ đài xuống. + Sự làm việc của nhóm cọc: Sự làm việc của cọc đơn khác với sự làm việc của nhóm cọc.
Khi khoảng cách các cọc khá lớn (ví dụ lớn hơn 6d) cọc làm việc như cọc đơn. Xét cọc và nhóm cọc các đường cong thể hiện đường đẳng ứng suất do cọc đơn gây ra, ta thấy ứng suất ở giữa nhóm cọc sẽ do tải trọng truyền từ nhiều cọc tới, do đó ứng suất dưới nhóm cọc lớn hẳn lên. Nếu mỗi cọc trong nhóm và cọc đơn cùng chịu một tải trọng làm việc thì độ lún của nhóm cọc lớn hơn cọc đơn. Lê Bá Vinh Nguyễn Huynh-2070684 Hình 1.
Các đường đẳng ứng suất của cọc đơn và nhóm cọc 1. Một số ưu điểm của móng bè - cọc - đệm vật liệu rời Việc sử dụng móng bè - cọc - đệm vật liệu rời có nhiều ưu điểm sau đây: + So với móng cọc thì móng bè - cọc - đệm vật liệu rời có số lượng cọc nhỏ hơn và chiều dài cọc cũng nhỏ hơn. + Cải thiện được điều kiện làm việc của móng nhờ giảm độ lún cũng như độ lún lệch. Cọc đóng vai trò như bộ phận giảm lún.
+ Giảm được ứng suất cũng như nội lực trong móng nhờ vào sự sắp xếp hợp lý của các cọc. + Phát huy vai trò chịu lực của phần bè + Không cần thép liên kết giữa bè và cọc 1. Vấn đề thiết kế móng bè - cọc - đệm vật liệu rời Các yêu cầu chung khi thiết kế nền móng: + Bảo đảm cho tải trọng được truyền dẫn đủ tin cậy; + Góp phần điều chỉnh biến dạng, giảm thiểu lún lệch; + Phân tích nội lực có tính đến sự cùng làm việc của kết cấu móng và đất nền; + Hoàn thiện thiết kế thi công kết cấu móng. Trong thiết kế móng bè- cọc – đệm vật liệu rời, có các vấn đề cần thiết được xem xét bao gồm: + Sức chịu tải cực hạn khi chịu tải đứng, tải ngang và moment; + Độ lún tối đa, lún lệch; + Đánh giá các giá trị moment, lực cắt trong bè để thiết kế bè và cọc; + Bề dầy lớp đệm vật liệu rời hợp lý.
Các quan điểm thiết kế hiện nay 1. Quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn Theo quan điểm này, các cọc được thiết kế như một nhóm cọc để tiếp nhận hoàn toàn tải trọng của công trình 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 có thể coi hệ móng là một khối móng quy ước.
Tính toán theo cách này có ưu điểm là đơn giản, thiên về an toàn và được hướng dẫn chi tiết trong các giáo trình về nền móng hiện nay. Độ lún của móng tính toán theo phương pháp này nhỏ, sử dụng 4 GVHD: PGS. Lê Bá Vinh Nguyễn Huynh-2070684 nhiều cọc và thường hệ số an toàn cao, chưa phát huy được hết sức chịu tải của cọc. Như vậy, ta thấy nó có nhược điểm là thiên về an toàn và không kinh tế.
Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế móng bè- cọc. Phương pháp tính móng bè- cọc hiện nay ở Việt Nam là đơn giản cho hệ cọc chịu (xem như cọc chịu hoàn toàn tải của công trình) hoặc hệ bè chịu (xem như bè chịu hoàn toàn tải của công trình). Phương pháp này có ưu điểm là các bước tính toán áp dụng các lý thuyết kết cấu thông dụng, đơn giản. Nhưng phương pháp này không đúng với điều kiện làm việc thực tế của công trình, không tận dụng hết khả năng chịu lực của kết cấu cũng như đất nền.
Kết quả là sử dụng vật liệu nhiều hơn so với các phương án móng khác. Móng bè –cọc do đó được coi như là một phương án “lãng phí” và hầu như không nằm trong kế hoạch thiết kế của các kỹ sư. Nhận xét: Quan điểm tính toán này phù hợp cho những kết cấu móng cọc có chiều dày đài lớn, kích thước đài nhỏ, hoặc nền đất dưới đáy đài yếu, có tính biến dạng lớn. Khi đó, ta có thể bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy đài và xem toàn bộ tải trọng công trình do cọc chịu.
Quan điểm bè- cọc đồng thời chịu tải Theo quan điểm này, 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-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 cần ít cọc hơn, chiều dài cọc nhỏ 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 đầu.
Tuy nhiên, quá trình tính toán cần sử dụng các mô hình phức tạp hơn, do đó hiện nay quan điểm này chưa được phổ biến rộng rãi.