Tìm kiếm
Sở Xây dựng nhận huân chương lao động hạng 3
Sở Xây dựng nhận huân chương lao động hạng 3
Liên kết website
MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ KHI XÂY DỰNG MÓNG NHÀ CAO TẦNG TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH PHỨC TẠP 
23/11/2011 14:16 
 

Vài khái niệm

Cho đến nay cũng chưa có sự định nghĩa thống nhất về nhà cao tầng. Tại Hội thảo quốc tế lần thứ nhất SIB năm 1971 định nghĩa nhà cao tầng là nhà cao trên 100 m (hoặc 30 tầng), Liên bang Nga là nhà cao từ 75 đến 150 m, còn theo Skyscaper.com là từ 30 m trở lên (7-10 tầng). Thực tế của thế giới chứng tỏ rằng xuất phát từ khả năng kinh tế và kỹ thuật, điều kiện bảo vệ môi trường  và sức khoẻ của con người ở các thời điểm khác nhau và ở các nước khác nhau, khái niệm “nhà cao tầng” cũng khác nhau. Cộng hòa Belarus, nhà ở cao tầng khi có độ cao từ 75 – 100m, nhà công cộng (văn phòng...) và nhà đa năng cao từ 50 đến 200m.

Việc giới hạn độ cao của nhà ở đến 100m trước hết xuất phát từ hiện tượng che phủ bởi mây và khói trên thành phố, nó có ảnh hưởng xấu đến điều kiện sinh hoạt của con người trong vùng này hoặc bệnh “độ cao” hoặc bệnh tật do tập trung ở phần cao của nhà, các vi khuẩn có hại hoặc ung thư  (xem [1]).

Nhà cao tầng có tải trọng lớn truyền xuống móng nên sẽ gây ra sự thay đổi đáng kể trạng thái ứng suất - biến dạng trong đất, cả định lượng lẫn định tính. Với tải trọng của nhà nhiều tầng (17-22 tầng) thì áp lực lên đất nền không lớn hơn 0,2 – 0,3 MPa và có thể xem quan hệ ứng suất, biến dạng là đàn hồi và điều đó là phù hợp với đất nền vì nó đã kinh qua các giai đoạn gia tải và giảm tải trong quá trình hình thành (như tan băng, hiện tượng bào mòn, giao động mức nước ngầm...) và cả quá trình hóa lý tự nhiên làm cứng chắc đất. Các yếu tố vừa nêu đã làm tăng khoảng ứng suất trong đất và đất về cơ bản đã trải qua biến dạng đàn hồi.

Sự khác biệt của nhà cao tầng

Nhà cao tầng với tải trọng bên trên lớn và lệch tâm (do thi công và do gió hoặc động đất) sẽ truyền lên nền áp lực đến 0,5 MPa hoặc hơn, và đáy móng nhà cũng lớn với diện tích đến hơn 1000 m2, có khi đạt đến độ sâu 20 – 30m nên vùng ảnh hưởng đến chung quanh không nhỏ. Với áp lực này, theo đường cong thí nghiệm nén quen biết thì có quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng, nên chiều sâu ảnh hưởng có thể bằng bề rộng đáy móng b và để tính toán chính xác phải đảm bảo điều kiện biên theo chiều sâu không ít hơn 2-3b kể từ đáy móng và 1-2b theo các cạnh tính từ mép móng (xem [2]). Các yếu tố sau đây có ảnh hưởng đến vùng ảnh hưởng nói trên: thành phần, cấu trúc và nguồn gốc nền đất, trạng thái ứng suất biến dạng ban đầu, công nghệ đào móng, thi công nền và móng (móng cọc hay cấu kiện cốt thép dưới đáy móng, việc bảo vệ đất tự nhiên hay có lớp lót móng...), tiến độ tăng tầng và độ cứng không gian của phần kết cấu ngầm và kết cấu trên móng.

Trong các yếu tố trên thì việc đào đất và thi công hố móng sâu có ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái ứng suất biến dạng của đất vì đó là quá trình giảm tải và gia tải (thường gồm 3 giai đoạn giảm tải, gia tải lại và tăng thêm tải) mới với cường độ lớn hơn và thời gian ngắn hơn nhiều so với lịch sử... hình thành đất nền trước đấy. Do đó có thể tăng đáng kể tính nén của đất khi chuyển từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng đàn dẻo. Vì vậy cấu trúc của đất bị thay đổi khi đạt đến ứng suất mà ở đó cấu trúc này được huy động hết hoặc đất chảy dẻo. Thông số ứng suất đặc trưng cho sự chuyển sang tính nén cao của đất, theo cách gọi gần đây là áp lực tiền cố kết (overconsolidation) với hệ số OCR, còn theo cách gọi của giới khoa học Nga thì là độ bền kết cấu của đất khi nén. Thực chất, giới hạn ban đầu này ứng với biến dạng nhỏ khi gia tải mẫu đất trong thí nghiệm nén với cấu trúc tự nhiên không bị phá hoại của đất. Thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng nếu thí nghiệm trong máy nén 3 trục thì không phát hiện giới hạn ban đầu này vì trong quá trình lấy mẫu thí nghiệm đã làm hỏng cấu trúc của đất.

Trong những khảo sát địa chất thông thường với các tiêu chuẩn thí nghiệm đất hiện nay khoảng ứng suất nói trên có thể không phù hợp với tải trọng truyền lên nền từ móng nhà cao tầng vì cách thí nghiệm ấy không phân biệt được giai đoạn biến dạng đàn hồi và giai đoạn biến dạng đàn dẻo.

Các thông số chính của nền nhà cao tầng

Về phương diện tải trọng truyền lên móng thường xảy ra một số trường hợp điển hình sau: nếu khối lượng đất lấy đi khỏi hố đào bằng hoặc không vượt quá khối lượng của công trình nói chung (gồm móng, kết cấu ngầm và kết cấu trên móng) ta sẽ có “móng nổi”, lúc đó biến dạng của nền sẽ không đáng kể và độ lún của nền có thể xác định bằng các tính chất đàn hồi của đất, mô đun biến dạng của đất khi giảm tải và gia tải thực tế là bằng nhau; nếu gia tải lớn hơn tải trọng ở 2 giai đoạn trên thì mô đun biến dạng của đất sẽ nhỏ hơn từ 5 đến 10 lần so với giai đoạn đàn hồi. Mặt khác, khi xác định mô đun biến dạng của đất nền có diện tích đáy móng từ 500m2 hoặc lớn hơn thì phải kể đến yếu tố kích thước bằng cách tăng trị số mô đun biến dạng xác định trong máy nén hoặc máy nén 3 trục.

Khi tải trọng công trình lớn hơn khối lượng đất lấy đi thì việc tính toán độ lún gồm 2 giai đoạn: lún do tải bù lượng đất lấy đi và lún do tải lớn hơn tải bù, với 2 mô đun E và Ethêm với E > Ethêm.

Trong trường hợp này mô hình của đất phải dựa trên lý thuyết đàn dẻo Morh – Coulomb, Cam-clay hoặc tái bền. Các thông số của các mô hình này được xác định theo kết quả nén ơđômet hoặc nén 3 trục có thể đến khoảng tải trọng g1z, dỡ tải và bù tải (g1z - g2d,) và tăng tải p > g1d; trong đó, g1và, g2 là trọng lượng riêng của đất lần lượt ở dưới và trên đáy móng; z và d là chiều sâu lấy mẫu lần lượt ở phía gần mặt đất và ở đáy hố đào; p - áp lực trung bình dưới đáy móng công trình.

Độ lún của nhà cao tầng

Thiết kế nền móng nhà cao tầng đều dẫn đến tính lún và nghiêng của nhà tức tính theo trạng thái giới hạn sử dụng (serviceability limit state) về an toàn sử dụng. Trị số giới hạn – biến dạng cho phép của nền nhà cao tầng hiện không quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế nền móng của Việt Nam nên thường vận dụng từ tiêu chuẩn thiết kế nền nhà thông thường. Về vấn đề độ lún giới hạn của nhà cao tầng ở một số nước cũng quy định khác nhau (bảng 1).

 

Theo quy định của thành phố Frankfurt (CHLB Đức) họ không hạn chế độ lún mà chỉ hạn chế độ nghiêng của nhà cao tầng không được quá 1/1000 (xem [3]). Kinh nghiệm xây dựng nhà cao tầng của nhiều nước chứng tỏ độ nghiêng (độ lệch của đỉnh phần cứng của nhà so với trục thẳng đứng) I > 0,001 thường dẫn đến biến dạng và hư hỏng không cho phép, như làm chuyển dịch trọng tâm của nhà, tải trọng mô men sẽ tăng không tuyến tính lên nền và gây ra phản ứng dây chuyển làm tăng nội lực và biến dạng lún không đều của nền. Vấn đề vận hành của thang máy do nhà nghiêng sẽ bị cản trở, các tấm kính bị nứt vỡ, vật liệu trang trí dễ bị bong rơi...

Các loại móng nhà cao tầng

Nhà cao tầng trên nền đất yếu như Hà Nội, Hải Phòng, thành phố Hồ Chí Minh... thường không có quá nhiều các loại móng để lựa chọn: móng bè, hoặc móng liên hợp: bè – cọc hoặc cọc – bè (tùy theo sự tiếp nhận tải trọng của bè và của cọc). Móng bè thường dùng trong trường hợp khối lượng đất đào bỏ đi xấp xỉ tải trọng công trình, độ lún của nhà sẽ nhỏ nên độ lún lệch sẽ không lớn và do đó độ nghiêng sẽ nhỏ. Trong trường hợp ngược lại, tổng tải trọng nhà cao tầng lớn hơn khối lượng đất đào đi, thì nền đất sẽ kinh qua 3 giai đoạn: giảm tải (khi đào móng), xây công trình cao dần lên, trong đó có phần tải trọng bù lại phần đất đã lấy đi và phẩn tải trọng gia thêm. Do đó, dưới tải trọng gia thêm nền đất sẽ phát triển biến dạng đàn dẻo (phi tuyến), độ lún tính toán sẽ lớn hơn độ lún cho phép nên thường dùng móng bè - cọc tựa lên lớp đất tương đối chặt (cọc treo) hoặc lên lớp đá hay nửa đá (cọc chống).  Tính chất cơ học của đất lúc này khá phức tạp do tăng vùng biến dạng của đất nền dưới mũi cọc và cần tính đến tính chất của đất giữa các cọc. Chiều dày chịu nén của cọc treo trong móng bè phụ thuộc vào bề rộng của móng quy ước và vào khoảng cách từ mũi đến lớp đất cứng.

Trong trường hợp cọc chống với mũi cọc tựa lên lớp đất đá cứng cũng cần đánh giá vùng biến dạng để xác định chiều sâu lấy mẫu đất và khoảng thay đổi của tải trọng khi thí nghiệm đất.

Trong phương án móng cọc – bè hoặc bè -  cọc nên dùng cọc treo (do ma sát là chính) với cường độ thân cọc lớn hơn sức chịu tải của cọc theo đất nền. Trong trường hợp này đất của lớp chịu nén dưới mũi cọc nên là loại trầm tích có tính nén co thấp, ví dụ trầm tích băng hà, đất phấn, sét kỷ camri.

Chọn loại móng cụ  thể nào cho nhà cao tầng là căn cứ vào điều kiện đất nền, giải pháp kiến trúc, cấu tạo của nhà và loại cọc với tường chắn hố đào. Hơn nữa giải pháp móng phải kết hợp với tính khả thi trong thi công.

Do việc tính toán móng nhà cao tầng chưa thật sự hoàn thiện và có thể xảy ra rủi ro trong thi công nên trong phương án móng có thể chừa những lỗ để nếu xảy ra sai sót về lún nghiêng thì bơm vữa có áp lực vào nền hoặc bổ sung thêm cọc, có khi đặt trên đầu cọc một số kích đệm để điều chỉnh độ lún nghiêng nếu có nó có thể vượt trị giới hạn. Để giải quyết vấn đề vừa nêu phải tiến hành quan trắc biến dạng công trình chủ yếu là nền móng lúc thi công và trong giai đoạn đầu khi sử dụng.

Theo tổng hội xây dựng Việt Nam

 

Bản tin xây dựng
Số ra:
Đơn vị
Tháng