1. Mở đầu
Trung tâm Tài chính thế giới Thượng Hải, (SWFC) cao 492m (so với ban đầu cao 460m) đứng cạnh Kim Mậu (JB) hiện hữu 88 tầng cao 420,6m là kiến trúc cao nhất Thượng Hải và cao thứ hai thế giới do Mori Building Co. Tokyo đầu tư giá 1,1 tỷ USD và văn phòng KFC (Mỹ) thiết kế diện tích 377300m2, toạ lạc khu phố Đông nhìn xuống sông Hoàng Phố tại Lục Gia Chùy. Toà nhà bao gồm một toà tháp chính có 4 tầng hầm và nhà quây 5 tầng cao với 3 tầng hầm. Toà tháp cao 101 tầng, kiến trúc hình lăng trụ 4 cạnh (58m) một lỗ thủng được khoét tròn trên đỉnh mái là đài quan sát công cộng, kết cấu tại 4 góc có 4 cột cỡ lớn bao vật liệu tổng hợp, và tầng cao hơn có 6 cột tạo bằng 6 cạnh, với khung kết cấu thanh chống xiên cỡ lớn, giàn cứng, cọt khung – ống lõi bê tông cốt thép tỏ hợp thép hình. Ngày 30/8/2008 toà nhà đưa vào sử dụng, khai thác siêu thị bán lẻ, văn phòng khách sạn 5 sao cao cấp nhất, cửa hàng ăn Trung Quốc ở tầng 93, lầu ngắm cảnh ở tầng 100.
Dựa trên cơ sở kinh nghiệm đã thiết kế toà nhà Kim Mậu, bài viết sử dụng phương pháp so sánh để dự báo cách ứng xử của móng bè – cọc đối với toà nhà Trung tâm Tài chính thế giới Thượng Hải siêu cao tầng (bản bề bê tông ở toà tháp chính 30000m3)
2. Điều kiện địa chất công trình của hai toà nhà
Trước tiên hãy so sánh điều kiện địa chất công trình của hai toà nhà như sau:
2.1. Điều kiện địa chất công trình đối với toà nhà Jin Mao
Đặc trưng cơ học, vật lý của địa chất công trình là đất mềm yếu nhiều lớp (sét - cát) và cao độ mực nước ngầm trung bình dưới mặt đất là 0,50m.
2.2. Điều kiện địa chất công trình đối với toà nhà SWFC
Đặc trưng cơ học, vật lý của địa chất công trình và mực nước ngầm trung bình dưới mặt đất giữa hai toà nhà có nhiều điểm tương tự, trừ lớp đất số 8 có ở công trình SWFC. Mỗi trường hợp cung cấp một điều kiện địa chất để dự báo cách ứng xử của móng bè – cọc.
Bảng 1. Số liệu cơ bản về chiều cao số tầng, kích thước tải xuống móng bè - cọc của hai toà nhà
Tên công trình | Chiều cao toà tháp (m)/(n) số tầng | Bề dày móng bè/Chiều sâu móng bè (m) | Số lượng cọc/Chiều dài cọc (m) | Tải trọng t.b trên cọc (kN)/Khả năng chịu tải tb của cọc (kN) | Tổng tải công trình/áp lực nước đẩy nổi (kN) | Diện tích móng (m2) áp lực móng (kN/m2) |
Toà nhà Jinmao | 420,5 | 4,0 | 429 | 7000 | 3000000 | 3519 |
88 | 19,65 | 83 | 7500 | 0 | 852,5 |
Toà nhà SWFC | 492 | 4,5 | 1177 | 3221 | 4400000 | 6200 |
101 | 18,45 | 79 | 4300 | 608,200 | 709,7 |
3. Khả năng mang tải của cọc đối với hai toà nhà
3.1. Cọc thí nghiệm chất tải của toà nhà Kim Mậu
Để có được số liệu tin cậy về khả năng mang tải cọc sử dụng cho thiết kế móng bè - cọc, trước hết hãy bắt đầu thực hiện thí nghiệm chất tải 6 cọc ống thép đường kính D 914mm tại công trường. Từ phân tích hỗn hợp số liệu được khả năng mang tải cho phép của cọc ống thép đơn bằng 7500kN.
3.2. Cọc chất tải thí nghiệm của toà nhà Trung tâm Tài chính thế giới Thương Hải SWFC
Để thiết kế móng bè - cọc, tại công trường người ta tiến hành chất tải thí nghiệm thăm dò 15 cọc ống thép đường kính D 700 (H3 – H9 sâu 80m; H1 sâu 79m; H2, L2 – L4 sâu 60m; L1, L5, L6 sâu 48m). Từ số liệu kết quả thí nghiệm 15 cọc nhận được sức chịu tải giới hạn là 11000 kN tương ứng cọc điển hình H1 (79m); là 9600 kN tương ứng cọc H2 (60m); là 10960 kN tương ứng cọc H5 (80m) và là 7520 kN tương ứng cọc L2 (60m).
Bảng 2. So sánh khả năng chịu tải cho phép của cọc tính theo tác giả và tính theo LERA
Số ký hiệu cọc thí nghiệm chất tải | (1) Khả năng mang tải cọc tính theo tác giả (kN) | (2) Khả năng mang tỉa của cọc tính theo LERA (kN) | (1) (2) |
H1 (79m) | 6917 | 5800 | 1,193 |
H2 (60m) | 5232 | 4300 | 1,217 |
H5 (80m) | 5677 | 5700 | 0,996 |
L2 (60m) | 3912 | 3200 | 1,223 |
3.3. Sức chịu tải cọc ở toà nhà SWFC tăng theo thời gian
Các thí nghiệm chất tải cho cọc bắt đầu tiến hành từ 15/07/1996 đến 17/09/1996 cho đến nay (30/8/2008) các cọc đã trải qua gần 12 năm. Vậy sức chịu tải cọc sẽ dự báo là bao nhiêu sau thời gian 12 năm?
Tóm tắt nghiên cứu sức chịu tải cọc tăng theo thời gian ở đất Thượng Hải
Từ những năm 1950 các nhà nghiên cứu và kỹ sư Thượng Hải đã quan tâm khảo sát khả năng mang tải của cọc tăng theo thời gian. Nhiều số liệu giá trị đã được tích luỹ. Các số liệu này chỉ ra rằng khả năng mang tải đối với cọc đóng tỷ lệ tăng từ 20% đến 60%. Tại đầu cọc đất cứng hơn thì tỷ lệ tăng khả năng mang tải lớn hơn. Ngược lại đất mềm hơn tại đầu cọc thì tỷ lệ tăng khả năng mang tải thấp hơn. Từ đặc trưng cọc đóng truyền thống vốn có ở Thượng Hải, một số toà nhà xây dựng trước đây trên nền bè –cọc nay đã cơi tầng mà tình trạng nhà vẫn ổn định bình thường.
Để thiên về an toàn tỷ lệ, khả năng mang tải của cọc tăng theo thời gian lấy bằng 30%. Vì vậy khả năng mang tải giới hạn của cọc được tăng lên trừ đi lực ma sát giới hạn tương ứng độ sâu cắm cọc, rồi lấy kết quả này chia cho hệ số an toàn bằng 2. Do đó cọc ống thép D700 mang ký hiệu H1 (79m), H2 (60m), H5 (80m) và L2 (60m) có khả năng mang tải cho phép tương ứng là 6917 kN, 5232 kN, 5677 kN và 3912 kN. Số liệu trong bảng 4 trình bày kết quả so sánh tính theo LERRA và theo tác giả tính cho toà nhà SWFC cho hệ số an toàn cao.
4. Phân chia tải trọng giữa móng bè đối với hai toà nhà
Số liệu tiêu biểu ở trong và ngoài nước về phân chia tải trọng giữa cọc và móng bè được tóm tắt trong tài liệu 12, trong đó có 4 phương pháp để tính toán sự phân chia tải trọng giữa cọc và móng bè hoặc móng hộp được nhóm nghiên cứu giới thiệu. Sau đây chỉ trình bày hai phương pháp thực tiễn được sử dụng để phân tích sự phân chia tải trọng giữa cọc và móng bè đối với toà nhà Jinmao và SWFC.
4.1. Phân tích việc phân chia tải trọng giá cọc và móng bè đối với toà nhà Jinmao phương pháp thực hành đã giản.
Pp = P – [pw + (5%-10%) p] A
Pp = tổng tải trọng công trình truyền lên móng cọc chịu,
P = P/A (t/m2) áp lực trung bình tại đáy bản móng bè,
P = tổng tải trọng = 3 000 000 kN = 300 000 tấn,
A = diện tích đáy móng bè = 3 519m2
pw = áp lực nước đẩy nổi nước ngầm (t/m2)
Phương pháp bán kinh nghiệm, nửa lý thuyết
Pp = S n d Eo/C
S = độ lún cọc = 0,048m
n = số lượng cọc = 429
d = đường kính cọc ống thép 0,914m
Eo = Modun đàn hồi của hệ cọc- đất = 3300t/m2
C = dựa vào Ud, Sp/d, n và bảng, ta có C = 2,93
Do đó Pp/P = 0,707 = 70,7%
Vậy tỷ số Pp/P tính theo hai phương pháp cho giá trị như nhau.
4.2. Phân tích việc phân chia tải trọng giữa cọc và móng bè đối với nhà SWFC
4.2.1. Phương pháp thực hành đơn giản
Tương tự, để thiên về đơn giản thì áp lực đẩy nổi nước ngầm lấy bằng 18 t/m2, do đó Pp = 0,67 = 67%.
4.2.2. Phương pháp bán kinh nghiệm, nửa lý thuyết
Tương tự, Pp/P = 0,77 = 77%
Như vậy giá trị của Pp/P phụ thuộc vào mức độ xem xét của áp lực nước ngầm đẩy nổi tác dụng lên bè – cọc
5. Chiều dày của bản móng đối với hai toà nhà
Ở Thượng Hải, vào những năm 1980 theo thói quen truyền thống nước ngoài, thiết kế chiều dày của bản móng bè thường lấy bằng cấp số nhân 10cm với số lượng tầng cao nhà, dẫn đến chiều dày móng bè và bản đáy phẳng thiết kế không hợp lý. Ví dụ chọn chiều dày bản móng bè bằng 4m cho toà nhà cao 43 tầng. Song Cty SOM thiết kế chiều dày bản móng bè cho toà nhà Jinmao cao 88 tầng chỉ có 4 m, thực tế chỉ ra rằng thiết kế này đúng và ưu việt. Chiều dày bản móng bè toà nhà SWFC, được kiểm tra theo tiêu chuẩn nền móng Trung Quốc cho thấy thiết kế chọn 4,5m thoả mãn.
Tuy nhiên làm sao định nghĩa được chiều dày bản móng sẽ phải tham khảo tài liệu khác.
6. Độ lún đối với hai toà nhà
6.1. Phân tích độ lún đối với toà nhà Jinmao
6.1.1. Quan trắc độ lún của toà nhà Jinmao
Công trình này đã hoàn thành ngày 28 tháng 8 năm 1997. Số chu kỳ quan trắc lún của toà tháp là 149 kỳ bắt đầu từ ngày 5 tháng 10/1995 đến ngày 1 tháng 4/2003.
Độ lún lớn nhất tại tâm diện tích ống lõi cứng điểm M7 là 82mm, trong khi đó độ lún nhỏ nhất tại góc móng, điểm M1 là 44mm. Trên cơ sở độ lún M1 – M13 là đối xứng, biến dạng như chuyển vị theo chiều dọc.
Độ lún trung bình tại điểm M1 – M13 là 59,4mm trong khi đó độ lún trung bình tại các điểm M7, M4, M6, M10 và M8 tại một phần góc móng là 77,4mm. Phù hợp với qui định theo tiêu chuẩn Thượng Hải thì hiên nay độ lún này được xem là ổn định.
6.1.2. Phân tích hỗn hợp độ lún đối với toà nhà Kim Mậu (Jinmao)
Đây là lần đầu tiên phương pháp lý thuyết đơn giản, phương pháp nửa lý thuyết, phương pháp bán kinh nghiệm, phương pháp thống kê được sử dụng để dự báo độ lún và bây giờ là phương pháp hỗn hợp được sử dụng để phán đoán đánh giá độ lún.
Một dãy độ lún theo từ toán = 91 122mm
Bây giờ độ lún lớn nhất theo quan trắc lún là là 82mm.
6.2. Độ lớn dự báo cho toà nhà SWFC
Tương tự một dãy độ lún theo tính toán = 81-132mm.
Độ lún lớn nhất được dự báo sẽ lớn hơn 82mm.
6.3. Nhân xét - đánh giá độ lún đối với hai toà nhà
Toà nhà SWFC không thể huy động được khả năng mang tải giới hạn của cọc vì độ mảnh lớn hơn tiêu chuẩn (L/D >100) và moment uốn lớn (28 000 000 kN-M), đặc biệt đối với diện tích móng của SWFC lớn hơn 1,7 lần diên tích móng của toà nhà Kim Mậu, vì vậy ảnh hưởng đến chiều sâu độ lún của toà nhà SWFC thì lớn hơn toà nhà Kim Mậu, số liệu mang tính phân tích móng bè cọc đối với hai toà nhà ở Bảng 8 cũng chỉ ra rằng dự báo độ lún của toà tháp SWFC cũng lớn hơn lún ở tháp Kim Mậu.
7. Phân tích lý thuyết tác động tương hỗ (tương tác) mòng bè-cọc
Lý thuyết về tác động tương hỗ giữa kết cấu bên trên mặt đất và móng bè-cọc đã đưa giới thiệu ở tài liệu [Zhao XH & al. Theory of Design of Piled raft and box Foundation for tall Buildings in Shanghai (in Chinese, 1989, Enlarged edition in English, 1998, Tongji University Press)] và đã được sử dụng để phân tích tác động tương hỗ móng cọc siêu dài đối với toà nhà siêu cao tầng ở Thượng Hải tài liệu [Zhao XH, Gong j and Zhang BL. A study on super long pile foundation interaction for supertall building in Shanghai, computers and Geotechnics J, 2004. in press]. Bây giờ để đơn giản trong việc so sánh một cách tóm tắt giữa toà nhà Kim Mậu và Trung tâm tài chính Thế giới Thượng Hải, chỉ xem xét tác động tương hỗ giữa cọc và móng bè và sẽ không xem xét việc phân chia tải trọng giữa bè và cọc.
Từ việc so sánh các tải trọng trên nhóm cọc và ứng suất trong móng bè giữa toà nhà Jinmao và Trung tâm tài chính Thế giới Thương Hải , có thể thấy rằng thiết kế móng bè-cọc đối với Trung tâm tài chính Thế giới Thương Hải là bảo đảm an toàn.
8. Nhận xét và kết luận
8.1. Khả năng mang tải của cọc
Thực tế Xây dựng đã chỉ rằng khả năng mang tải cho phép của cọc đối với toà nhà Kim Mậu là hợp lý. Còn đối với Trung tâm tài chính Thế giới Thương Hải khả năng mang tải cho phép của cọc được ảnh đến tăng theo thời gian cũng hợp lý. Mặc đầu cọc D700 có độ mảnh L/D>100, khả năng phản lực mỗi cọc có thể ảnh hưởng đến moment. Dựa theo thiết kế cơ sở moment do gió gây ra là 28 000 000 kN-m làm tăng lên 1/3 tải trọng tĩnh sẽ phải cộng thêm với tải trọng thẳng đứng, dưới điều kiện này thiết kế phải chú ý lấy hệ số an toàn cao. Lấy ví dụ tổng áp lực đẩy nổi của nước ngầm chỉ áp dụng bằng 60%.
8.2. Dự báo phân chia tải trọng giữa cọc và móng bản bè
a. Đối với toà nhà Kim Mậu, tại toà tháp và nhà quây móng bè được nối liền liên tục bằng mối nối khớp và để xét đến lực đẩy nổi của nước ngầm cần thiết đưa trải mộ lớp thấm dưới đáy móng nhà quây. Song nó ảnh hưởng đến sự phân chia tải trọng giữa cọc và móng bè của toàn bộ móng toà nhà.
b. Để có lợi cho an toàn đối với Trung tâm tài chính Thế giới Thương Hải thì áp lực đẩy nổi của nước ngầm cần xét đến 60%. Những phương pháp để tính toán sự phân chia tải trọng giữa cọc và móng bè được trình bày trong bài này sẽ không chỉ cung cấp một cơ sở dữ liệu làm giảm số lượng cọc mà có thể tham khảo để đánh giá hệ số an toàn kỹ thuật trong xây dựng nền móng công trình .
8.3. Chiều dài bản móng bè
a. Toà nhà Kim Mậu Công ty SOM đã thiết kế chiều dày bản móng 4m là đạt an toàn cần thiết và là thiết kế móng tối ưu. Điều này đóng góp vai trò quan trọng nhàm giải quyết vấn đề soát xét cải tiến tiêu chuẩn thiết kế của Trung Quốc.
b. Còn đối với Trung tâm tài chính Thế giới Thương Hải chỉ sử dụng chiều dày 4,5m là đủ cần thiết và thoả đáng mà trên công trường không cần bất cứ một số liệu thí nghiệm nào về chiều dày móng bè lớn hơn 4m. Ngày nay, ở Trung Quốc, chiều dày thiết kế bản móng bè này được duy trì. Với mục đích thiết kế hợp lý, được hướng dẫn thiết kế – kết hợp thí nghiệm hiện trường, đối với toà nhà siêu cao tầng ở Thượng Hải, chiều dày bản đáy bè được phép lấy từ 4m đến 6m cho móng bè –cọc siêu dài
8.4. Dự báo độ lún tổng
a. Việc phân tích hỗn hợp độ lún được trình bày trong bài này nhằm để dự báo độ lún đối với toà nhà Jinmao đã được trải qua thực tế là khả thi (có thể thực hiện được).
b. Dựa trên số liệu đo lún và phân tích hỗn hợp độ lún với toà nhà Jinmao và phân tích hỗn hợp độ lún với toà nhà Trung tâm tài chính Thế giới Thương Hải, thì toà nhà SWFC dự báo độ lún sẽ khoảng 10cm.
8.5. Lý thuyết thiết kế móng bè-cọc
Dựa trên phân tích hai toà nhà có móng bè - cọc siêu dài cao tầng thì nhất thiết phải kiểm tra hiện trường trạng thái ứng suất đàn hồi tĩnh. Dưới điều kiện này lý thuyết tương tác (tác động tương hỗ) giữa kết cấu trên mặt đất và kết cấu móng dưới mặt đất có thể được sử dụng để thiết kế móng bè - cọc. Sự so sánh giữa toà nhà JB và toà nhà SWFC tại mục 7 đã chỉ ra rằng lý thuyết tương tác đã trình bày trong bài viết này là hoàn toàn hợp lý và có thực tiễn.
Nếu xem xét ý tưởng phân chia tải trọng giữa cọc và bản bè thì thiết kế móng bè - cọc sẽ đem lại lợi ích kinh tế đáng kể nhiều hơn.
Dựa trên phân tích hỗn hợp đã đề cập ở trên, có thể khẳng định một điều là điều kiện bền và ổn định toà nhà Kim Mậu (Jinmao) đảm bảo rất tốt, đối với toà nhà Trung tâm tài chính Thế giới Thương Hải thì hệ số an toàn, tin cậy về kỹ thuật móng bè - cọc chắc chắn còn tiềm tàng nhiều hơn nữa.
Nguồn: SÀI GÒN ĐẦU TƯ & XÂY DỰNG, XUÂN 2010