1. Mở đầu Để có dự báo tin cậy sức chịu tải cọc, cần phải thí nghiệm chất tải nén tĩnh hoặc thí nghiệm động biến dạng lớn PDA Pile Driving Analyzing với tỉ lệ thực cho hầu hết cọc độc lập có thể nằm trong hay ngoài móng công trình. Trên trạng thái làm việc cọc luôn là nhóm có sức chịu tải nhóm nhỏ hơn trong đất cát hay đất sét còn độ lún đàn hồi nhóm cọc tăng hơn nhiều lần so với cọc đơn. Sau đây là một vài suy nghĩ về tính hợp lý và kinh tế khi sử dụng cọc khoan nhồi.
2. Nội dung
Dựa trên nguyên tắc cân bằng lực một cách áp đặt thì biểu thức tổng quát tính sức chịu tải cọc bao gồm lực tác động do tải trọng cực hạn của công trình Qv ul và trọng lượng riêng của cọc nhồi W bằng cộng tác dụng lực ma sát giới hạn thành cọc Qus và lực kháng giới hạn mũi cọc Qub: Biểu thức tổng quát tính Sức chịu tải nén cọc đơn là
Qus + W = Qus + Qub 1
1. Trong Tiêu chuẩn TCXD cho phép tính dự báo sức chịu tải cọc theo phương pháp tính độ bền đất nền: cơ học lý thuyết phương pháp American Society of Civil Engineers ASCE: biểu thức lý thuyết cổ điển: cho phép cộng tác dụng lực chống mũi cọc và lực kháng ma sát thành cọc theo biểu thức 1 như sau:
- Lực kháng giới hạn mũi cọc:
Qub = Ab* C* Nc + ơvl* Nq 2
- Lực ma sát giới hạn thành cọc:
Qus = Al* LKs* tan ð* ơvl + C 3
Dự báo sức chịu tải cọc trước hết phải hiểu rõ địa chất công trình dưới cọc sau đó là biện pháp bảo vệ thành lỗ khoan. Trong bài viết này chỉ xét đến cọc trong đất hạt thô, trạng thái rời đến chặt, gồm cát sỏi dăm bụi không dẻo có N ≤ 50
Vấn đề trong biểu thức 3 là xác định hệ số áp lực đất nén ngang Ks; trường hợp sử dụng bentonite Ks = 0,67KO KO là áp lực ngang tĩnh và góc ma sát giữa cọc và đất ð.Theo đề nghị của Brom Ks= 0,5 và ð/φ - 3 độ và ví dụ khi φ = 33 độ thì kết quả được: Ks* tan ð = 0,1
Ví dụ năm 1997 nhà thầu Rodio - Ý thi công công trình cao tầng Căn hộ vườn Hồng tại số 6 Ngọc Khánh Hà Nội, móng là cọc khoan nhồi đường kính D = 1000mm xuyên sâu 36m qua lớp sét 1 có Cu = 2,5 Pa; γ = 1,67tấn/m3, và φ = 2 độ; lớp sét số 2 có C = 27,5Pa; γ= 1,85tấn/m3 và φ = 7 độ, lớp sét 3 có có C = 42,5Pa; γ = 1,95tấn/m3 và φ = 8 độ; tầng cát pha số 4 có C = 15Pa; γ = 2tấn/m3 và φ =16 độ; lớp cát số 5 có C = 0 và φ = 2tấn/m3 và φ = 38 độ.
Với Nq = 50; ð= φ tính được độ sâu tới hạn ở đây bằng 20 m và kết quả là sức chịu tải giới hạn của cọc bằng Qvul = 1257,95 tấn, trong đó lực kháng giới hạn mũi cọc Qub = 1130,76 tấn chiếm 82,65% Qvul. Chọn hệ số tin cậy Fg = 3 thì sức chịu tải cho phép của cọc D1000 bằng 419 tấn.
Thí nghiệm nén tĩnh cho thấy thoả mãn độ lún và tải trọng đạt yêu cầu thiết kế. Trên thực tế tại thời điểm 1997, thi công nội địa còn ít kinh nghiệm về cọc khoan nhồi nên không có khả năng rửa sạch đáy cọc khi khoan ướt trong địa tầng cát chặt vừa tại địa bàn Hà Nội. Điều này chứng tỏ ma sát thành cọc làm việc thực lớn hơn nhiều so với tính toán dự báo theo phương pháp, ASCE. Biểu thức này phù hợp trong điều kiện địa tầng, là sét cứng dính, dưới đất không có nước ngầm, có thể tạo lỗ cọc bằng khoan khô và khoan không sâu thì sức kháng mũi cọc nhồi đường kính lớn mới có hiệu quả cao như kết quả đã tính.
2. Biểu thức schmertmann - kết hợp kinh nghiệm Nhật Bản - Theo phương pháp trình bày trong TCXD 195-97 và AIJ tính theo giá trị SPT. Thông số tính chất đất nền sử dụng trong tính toán là sức kháng SPT - Nvalue
- Lực kháng giới hạn mũi cọc: Qub = α*β*Na*Ab 4
- Lực ma sát giới hạn thành cọc:
Qus = 0,2* Ns*Ls + Cu* Lc*Al 5
Giá trị N cho trong báo cáo Địa chất công trình là số liệu thô thiết kế cần hiệu chỉnh thành Nhc nếu trong lỗ khoan có nước ngầm dâng cao khi thí nghiệm SPT: Nhc = 15 + 0,5 N-15 đồng thời phải chuẩn hoá theo 60% năng lượng hữu ích N60 trong điều kiện thiết bị thí nghiệm đơn giản như hiện nay, cho phép thiết kế chỉ lấy 40% năng lượng hữu ích trong số lượng nhát búa đập để đạt độ lún 30cm: N60 = 40/60 N và α*β*Na = 5,7tấn/m2* N60; đoạn cọc trong sét = 0,29 + 0,19 Cu kể cả với đất dính yếu Cu ≤ 5tấn/m2 Tham khảo: Móng cọc của GS Vũ công Ngữ và Th.S Nguyễn Thái - Hà Nội, 2004.
Lưu ý rằng đối với cọc nhồi trong đất cát, sạn sỏi: α = 15. β = 0,75 khi báo cáo khảo sát không cung cấp số liệu cường độ cắt của đất thì trị số này có thể suy ra từ giá trị Nvalue như sau: Cu = qu/1,5 qu=1,25N; và thoả mãn cho sét dẻo không quá yếu Cu ≤ 5tấn/m2 .
Ví dụ: Công trình Cao ốc Xanh có 3 khối riêng biệt nhưng cùng chung một móng trên diện tích đất xây dựng 2212m2 của khu đất 8864m2 tại Quận 9 - TP Hồ Chí Minh. Công trình 20 tầng, cao hơn 70m có 1 tầng hầm diện tích 2865, 65m2 garage ôtô xe máy với ba đường trượt lên xuống hầm, một tầng trệt và lửng căn hộ ở thông tầng VIP. Tổng diện tích sàn hơn 46000m2 có 474 căn hộ cao cấp ở xen lẫn sân vườn cây xanh, giếng trời và bể bơi, phòng tập. Giao thông đứng có 7 thang máy, 6 cầu thang bộ dành cho phòng hộ cứu hoả.
Báo cáo địa chất công trình năm 2004 tại vùng đất RDC đã khoan sâu 78m tới vùng cát có giá trị N≥27. Thiết kế đặt chân cọc tại độ sâu hơn 55,0m tựa trên đất cát có chỉ số Na= 12-16 chiều dày lớp Lc=15,7m, dưới các lớp sét dẻo là cát pha dẻo có N = 22 - 27 chiều dày lớp chưa kết thúc Ls = 39,3m.
Hệ kết cấu ống chịu tải đứng có lõi cứng gồm những vách liên tục bao chu vi các thang máy thang bộ tại trung tâm và bên ngoài lõi là các khung cột vách dạng chữ TLI, sàn dày không dầm bê tông toàn khối là kết cấu tấm cứng ngang liên kết với cột vách lõi cứng. Móng toà nhà có độ cứng lớn nhờ các vách lõi cứng nối liền bù vào chỗ thiếu hụt các vách ngăn của móng bè để tạo thành móng hộp.
Hệ móng cọc - bè: Toà nhà có một tầng hầm nên chiều sâu đặt móng bè lớn ≈6m để trọng lượng công trình với khối lượng móng bè hoàn toàn được bù lại một phần trọng lượng khối đất hố đào bị lấy đi. Móng bè bao phủ toàn diện tích tầng hầm chung cả ba khối được sử dụng để làm giảm độ lún công trình đặt trên nền đất yếu.
Tổng tải trọng bên trên của kết cấu toà nhà tương đối đồng đều và 20% hoạt tải là 78804 tấn. Từ đó thấy áp lực lên đất nền 27,5 tấn/m2 là lớn. Nếu chỉ sử dụng móng bè không thôi thì toà nhà bị lún nhiều nên phải sử dụng biện pháp xử lý nền bằng bố trí cọc khắp nền tầng hầm theo mạng lưới phân bố đều. Do địa tầng không có lớp đất có khả năng chịu lực cao hơn ở độ sâu nằm phía dưới 80m nên chỉ tính được là cọc ma sát có khả năng chịu tải không cao. Vì vậy phải kết hợp móng cọc với bản móng bè bê tông toàn khối. Xem bè là móng cứng tuyệt đối để phân bố lại tải trọng tập trung của cột, tường vách cho cọc.
Tính theo biểu thức 1, 4 và 5 với các thông số đặc trưng địa chất vùng Quận 9 có cường độ cắt không thoát nước Cu = 5tấn/m2 và độ sâu L = 55,5m: cọc đường kính D1200 có Q cực hạn = 1800 tấn, sức chịu tải cho phép bằng tải trọng cực hạn chia cho hệ số tin cậy. Theo Tiêu chuẩn Nhật Bản AIJ - 1988 lấy giá trị hệ số độ tin cậy của cọc Fg, Fss, Fsb =3. Sức chịu tải theo đất nền cho phép thay đổi theo kích thước tiết diện Abm2 và chu vi Alm cọc là: Qatấn = 58 Ab + 142 Al 6 ví dụ Sức chịu tải cho phép tính theo biểu thức 6 với đường kính cọc D1000 thì Qatấn = 45 + 446 = 491t; đường kính cọc D1200 thì Qa = 65 + 535 = 600 tấn.
Trên cơ sở những số liệu thu thập từ bước triển khai thí nghiệm thăm dò tháng 7/2004 do Cienco 68 thực hiện các cọc CN 100 - CT1 đạt tải trọng tới hạn Qvul = 1375 tấn, cọc CN120-CT2 đạt tải trọng tới hạn Qvul= 1650 tấn, cọc CN140-CT3 đạt tải trọng tới hạn Qvul= 2300 tấn tương ứng với độ lún gần 10%D.
Ngoài thí nghiệm nén tĩnh, tháng 5/2006 GOGECO còn tiến hành kiểm tra cọc bằng thử động PDA và phân tích CAPWAP cho các cọc CN120 -171 và CN120 -172... và đạt kết quả: sức chịu tải ma sát Qus = 943,8 tấn và Qus = 1026,1 tấn; sức chịu tải mũi cọc Qub = 193,8 tấn và Qub = 189,7 tấn; Tổng sức chịu tải cọc CN-171 Qvul = 1137,7tấn; cọc CN120 -172 đạt Qvul = 1215,7 tấn. Cty ABV Engineering Singapor phân tích CAPWAP cho CN100 - CT4 cho kết quả Qvul = 931 tấn trong đó Qus = 921,8 tấn và Qub = 9,2 tấn. Hệ số độ tin cậy Fg áp dụng cho thử động ở đây lấy bằng 2. Như vậy khả năng chịu tải cho phép theo thí nghiệm động PDA của cọc D1200 là 608 tấn và cọc D1000 là 465 tấn.
Với tải trọng của hệ kết cấu cộng với lực gió ngang tại vùng TP Hồ Chí Minh theo phương X là 750 tấn mét, theo phương Y là 2500 tấn mét thì tại vùng lõi tâm nhà tổ hợp tải trọng truyền lên mỗi cọc trong nhóm khoảng 550 tấn. Tải trọng trên chu vi toà nhà truyền xuống mỗi cọc trong nhóm khoảng 450 tấn. Tải trọng công trình nhỏ hơn khả năng chịu tải thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn D1200 và D1000.
3. Nhận xét
Theo kinh nghiệm thì sức chịu tải ma sát cọc khoan nhồi có thể đạt giá trị lớn nhất tại độ lún khoảng 1%D trong khi đó sức chịu tải mũi cọc chỉ được huy động hoàn toàn khi đất dưới mũi cọc đạt độ lún từ 10-15%D. Độ lún này thường lớn hơn rất nhiều so với độ lún giới hạn khai thác cho phép. Nguyên nhân do quá trình khoan đất đáy cọc đất bị xáo trộn, lượng mùn khoan lắng đầy, rửa đáy không sạch nên cần độ lún lớn để huy động sức chịu tải đáy cọc.
Nhiều thí nghiệm nén tĩnh và thử động biến dạng lớn PDA tại Hà Nội cũng như TP Hồ Chí Minh cho thấy, ngay cả với tải trọng gấp 2 lần tải trọng cho phép dự báo trong thiết kế thì cọc mới lún khoảng 2%D không quá 25mm. Như vậy, tải trọng công trình mới chỉ huy động lực ma sát, phù hợp với thi công truyền thống không rửa sạch đất đáy cọc.
Tuỳ điều kiện địa chất công trình là đất cát hay đất sét, thiết kế có thể chọn cách tính phù hợp theo lý thuyết cổ điển hoặc theo kinh nghiệm. Thường đối với đất rời thì việc lấy mẫu đất thí nghiệm nguyên dạng rất khó thực hiện nên kết quả số liệu trong phòng thí nghiệm thường kém chính xác! Thí nghiệm động hiện trường SPT với mẫu xáo động luôn cho kết quả nhanh đơn giản dễ sử dụng với độ tin cậy tương đối, chấp nhận được.
Kinh nghiệm ở Malaysia, tính dự báo Sức chịu tải cọc khoan nhồi theo giá trị NSPT trong thiết kế thường coi là cọc treo: bỏ qua lực kháng mũi cọc khi biết chắc rằng việc kiểm soát mức độ làm sạch đất mùn khoan ướt dưới đáy cọc có độ tin cậy không cao.
Ưu điểm của móng bè trên cọc ma sát dương là nó cùng lún theo nền xung quanh sau khi đã đạt độ lún giới hạn của cả bè cọc. Ban đầu toàn bộ tải trọng công trình truyền lên đài bè, sau đó nền đất bắt đầu lún xuống tải công trình nhanh chóng truyền sang cọc thay đổi từ 50 - 80%. Móng bè cọc điều chỉnh lún không đều của công trình và tăng tính năng chống động đất. Cọc ma sát trong nền cát pha dẻo mềm không quá yếu chiều dầy lớn kết hợp móng bè cho nhiều tầng hầm nhà cao tầng với hệ kết cấu khung - vách lõi cứng được thiết kế chấp nhận như một trong các phương án có tính kinh tế và kỹ thuật cao.
Hy vọng phương pháp phun vữa áp lực cao skin, Post, Jear - Grouting sớm được áp dụng như đã thực hiện tại móng bè tương tự bản sàn bê tông toàn khối đường kính 50m dầy 4,5m trên 85 cọc ma sát barrette tiết diện 1,2* 2,8m chịu tải trọng 300 000 tấn của tháp đôi Petronas Malaysia 1997; Móng Trung tâm tài chính quốc tế - Tháp 101 tầng Đài Bắc; móng trụ neo cầu Mỹ Thuận năm 1998 sử dụng cọc D2500 sâu 85,55m thử tải tĩnh hai chiều Osterberg đạt sức chịu tải cực hạn 3900 tấn; Móng bè trên cọc Toà nhà Pacific Plaza cao 18 tầng gồm 5 tầng hầm dưới mặt đất năm 2003 tại 83B Lý Thường Kiệt Hà Nội do Tư vấn Pháp thiết kế sử dụng cọc D1200 xử lý đáy mở rộng sâu 47m đạt sức chịu tải cực hạn 2400 tấn. Tương ứng độ lún 3%D = 35 mm độ lún đàn hồi hơn 1%D = 15 mm. Cọc xử lý đáy tăng khả năng chịu tải lên 2 lần.
4. Kết luận
a. Cọc khoan khồi thi công theo phương pháp truyền thống còn tồn tại nhiều vấn đề bất cập như chất lượng bê tông cọc chưa cao, sức chịu tải thấp, giá thành quá cao.
b. Cọc khoan nhồi dùng vữa bentonite giữ thành thì việc làm sạch bùn tại đáy cọc là không tin cậy, thiết kế phải giảm sức chịu tải mũi cọc, thậm chí bỏ qua hoàn toàn. Cọc được tính như cọc ma sát dương có tác dụng, trước hết hạn chế biến dạng nền đất xung quanh cọc, làm giảm tính nén lún của đất nền; truyền tải trọng công trình xuống tầng đất tốt hơn ở dưới sâu hơn.
c. Cọc ma sát nên kết hợp đài bè, sức chịu tải cọc - bè có thể chỉ tính bằng 80% khả năng chịu tải trọng dự báo cho phép của cọc đơn.
d . Nhằm nâng cao sức chịu tải cọc khoan nhồi, ngoài việc tăng độ sâu chôn cọc, tăng đường kính cọc thì hướng nghiên cứu đang được quan tâm là thực hiện xử lý phun vữa áp lực cao mở rộng đáy cọc Post-Grouting, phun vữa thành cọc sau khi đổ bê tông skin-Grouting.
Nguồn: TC Xây dựng, số 1/2008