Tài liệu Nghiên cứu lựa chọn giải pháp móng cho công trình trung tâm thương mại nguyễn kim sóc trăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN HIẾU NGHĨA NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP MÓNG CHO CÔNG TRÌNH TRUNG TÂM THƯƠNG MẠI NGUYỄN KIM – SÓC TRĂNG CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT MÃ SỐ: 60 – 58 – 02 – 04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HOÀNG VIỆT HÙNG HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trong nghiên cứu luận văn này là do chính bản thân tôi thực hiện, các số liệu tính toán, hình ảnh, bảng biểu, biểu đồ trong đều là chân thực, không trùng lập với bất kỳ nghiên cứu nào trước đây. Các biểu đồ, số liệu và tài liệu tham khảo đều được trích dẫn, chú thích nguồn thu thập chính xác rõ ràng. Tác giả luận văn NGUYỄN HIẾU NGHĨA i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng với đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp móng cho công trình trung tâm thương mại Nguyễn KimSóc Trăng” được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của các Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Công trình, Trường đại học Thủy lợi cùng các bạn bè và đồng nghiệp. Học viên xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo, Gia đình, Bạn bè & Đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt em xin trân thành cám ơn đến Thầy PGS.TS. Hoàng Việt Hùng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp, bản thân nhận thấy trình độ còn hạn chế, vì vậy luận văn này ít nhiều vẫn còn thiếu sót. Bản thân em kính mong quý Thầy, Cô giáo, Bạn bè & Đồng nghiệp góp ý để em có thể tiếp tục học tập và nghiên cứu hoàn thiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ...............................................................................................v DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................vi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG NHÀ CAO TẦNG ........................................3 1.1 Khái quát móng nhà cao tầng ....................................................................................3 1.1.1 Những yêu cầu cơ bản về thiết kế và cấu tạo móng nhà cao tầng ..........................3 1.1.2. Vị trí của móng nhà cao tầng .................................................................................3 1.1.3. Quá trình và nội dung thiết kế móng nhà cao tầng ................................................5 1.1.4. Một số yêu cầu về thiết kế kết cấu ......................................................................15 1.1.5. Một số yêu cầu về cấu tạo móng nhà cao tầng ....................................................18 1.1.6. Các giải pháp móng cho nhà cao tầng .................................................................23 Kết luận chương 1 .........................................................................................................26 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN MÓNG NHÀ CAO TẦNG ..................................27 2.1. Tính toán móng bè ..................................................................................................27 2.2. Tính toán móng cọc đóng .......................................................................................33 2.2.1. Nguyên tắc xác định ............................................................................................33 2.2.2. Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc đơn .........................................................33 2.3 Tính toán móng cọc khoan nhồi ..............................................................................35 2.3.1. Nguyên tắc xác định ............................................................................................35 2.3.2. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền ......................................................37 Kết luận chương 2 .........................................................................................................42 CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN MÓNG CÔNG TRÌNH TRUNG TÂM THƯƠNG MẠI NGUYỄN KIM – SÓC TRĂNG ...................................................................................43 3.1. Giới thiệu về công trình ..........................................................................................43 3.1.1 Đặc điểm, vị trí khu đất xây dựng: .......................................................................43 3.1.2 Tài liệu địa chất thủy văn, địa chất công trình .....................................................43 3.2. Phân tích giải pháp móng .......................................................................................51 3.2.1 Chọn kích thước tiết diện cọc và chiều dài cọc ....................................................51 3.2.2. Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện đất bao quanh cọc (P đ ):..............................51 3.2.3. Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện cường độ vật liệu cọc (P vl ): .......................63 3.2.4 Sức chịu tải của cọc đơn (P c ) ...............................................................................64 3.2.5 Tính số lượng cọc ................................................................................................64 3.3. Mô hình bài toán ứng dụng ....................................................................................65 3.3.1 Giới thiệu về phần mềm dùng trong tính toán ......................................................65 iii 3.3.2 Giới thiệu về phần mềm GEO-SLOPE. .............................................................. 66 3.3.3 Bài toán phân tích ứng dụng: ............................................................................... 70 Kết luận chương III ....................................................................................................... 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 78 I. Kết quả đạt được của luận văn ................................................................................... 78 II Tồn tại ........................................................................................................................ 78 III Kiến nghị .................................................................................................................. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 79 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Sức chịu tải giới hạn của cọc khoan nhồi .....................................................36 Hình 2.2: Thay đổi của ω theo φ' và L/D b ....................................................................41 Hình 2.3: Sức kháng ma sát đơn vị của các cọc trong cát ...........................................42 Hình 3.1 (Vị trí công trình)............................................................................................44 Hình 3.2: Trụ địa chất điển hình ....................................................................................48 Hình 3.3: Trụ địa chất điển hình (tiếp theo) ..................................................................49 Hình 3.4: Trụ địa chất điển hình (tiếp theo) ..................................................................50 Hình 3.5: Giao diện lựa chọn phương pháp phân tích...................................................67 Hình 3.6: Giao diện lựa chọn mô hình hóa bài toán phân tích ......................................68 Hình 3.7: Giao diện lựa chọn mô hình hóa vật liệu 1 ...................................................69 Hình 3.8: Giao diện lựa chọn mô hình hóa vật liệu 2 ...................................................69 Hình 3.9: Các bước mô phỏng cấu kiện cứng ...............................................................70 Hình 3.10 Điều kiện biên cho mô phỏng bài toán .........................................................74 Hình 3.11: Lưới chuyển vị đứng của móng cọc ............................................................75 Hình 3.12: Phổ chuyển vị đứng (lún) ............................................................................76 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh khả năng chịu lực của nền đất dưới móng hình hộp, móng độc lập dưới cột và móng băng dưới tường ............................................................................... 13 Bảng 1.2. Cấp chống thấm của bê tông móng. .............................................................. 22 Bảng 2.1 Các hệ số sức chịu tải .................................................................................... 38 Bảng 3.1: Cao trình mực nước ngầm ............................................................................ 44 Bảng 3.2: Bảng tính f i của cọc dài 16 m ....................................................................... 53 Bảng 3.3: Bảng tính f i của cọc dài 8m .......................................................................... 53 Bảng 3.4: Bảng tính f i của cọc dài 18 m ....................................................................... 54 Bảng 3.5: Bảng tính f i của cọc dài 19 m ....................................................................... 54 Bảng 3.6: Bảng tính f i của cọc dài 20 m ....................................................................... 55 Bảng3.7: Bảng tính f i của cọc dài 21 m ........................................................................ 56 Bảng 3.8: Bảng tính f i của cọc dài 22 m ....................................................................... 57 Bảng 3.9: Bảng tính f i của cọc dài 23 m ....................................................................... 58 Bảng 3.10: Bảng tính f i của cọc dài 24 m ..................................................................... 59 Bảng 3.11: Bảng tính f i của cọc dài 25 m ..................................................................... 60 Bảng 3.12: Bảng tính f i của cọc dài 26 m ..................................................................... 61 Bảng 3.13: Bảng tính f i của cọc dài 27 m ..................................................................... 62 Bảng 3.14: Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện đất bao quanh cọc P đ (KN) ............... 63 Bảng 3.15: Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện cường độ vật liệu cọc ........................ 64 Bảng 3.16: Sức chịu tải của cọc đơn ............................................................................. 64 Bảng 3.17: Tính số lượng cọc ....................................................................................... 65 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A soil (m2) : Diện tích vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc đất xi măng. : Diện tích của cọc đất xi măng. A col (m2) as (cm2) :Diện tích tương đối của cọc đất xi măng. B, L, H (m) : chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc đất xi măng. C col (kN/m2) : Lực dính của cọc đất xi măng. C ci : chỉ số nén lún. C ri : chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải. C soil (kN/m2): Lực dính của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc đất xi măng. C tđ (kN/m2) : Lực dính tương đương của nền đất yếu được gia cố. cu (kN/m2) : lực dính của cọc xi măng – đất và đất nền khi đã gia cố C u.soil (kN/m2) : độ bền chống cắt không thoát nước. d(m) : đường kính cọc. E col (kN/m2) : Mô đun đàn hồi của cọc đất xi măng. E soil (kN/m2) : Mô đun đàn hồi của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc đất xi măng. E tđ (kN/m2) : Mô đun đàn hồi tương đương của nền đất yếu được gia cố. E 50 (kN/m2) : Mô đun biến dạng. e oi : hệ số rỗng của lớp đất. Fs : Hệ số an toàn. f fs : hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất fq : hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài H (m) : chiều cao nền đắp. hi (m) : bề dày lớp đất tính lún thứ i. L col (m) : chiều dài cọc; [M] (kNm) : Moment giới hạn của cọc đất xi măng. vii : khối lượng đất ở trạng thái tự nhiên. Q (kg) q (kN/m2) : ngoại tải tác dụng. Qp kN : khả năng chịu tải mỗi cột trong nhóm cọc Q ult (kN) : sức chịu tải giới hạn của cọc đất xi măng. R (m) : bán kính cung trượt tròn [S] (cm) : Độ lún giới hạn cho phép t (%) : tỉ lệ xi măng dự kiến. wi (kN) : trọng lượng của mảnh thứ i xi (m) : cánh tay đòn của mảnh thứ I so với tâm quay. ΣS i (cm) : độ lún tổng cộng của móng cọc φ col độ : Góc nội ma sát của cọc đất xi măng. φi (độ) : góc ma sát trong của lớp đất. φ soil (độ) : Góc nội ma sát của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc đất xi φ tđ (độ) : Góc nội ma sát tương đương của nền đất yếu được gia cố. σ’ vo (kN/m2) : ứng suất do trọng lượng bản thân. Δσ’ v (kN/m2) : gia tăng ứng suất thẳng đứng. σ’ p (kN/m2) : ứng suất tiền cố kết. γ (kN/m3) : dung trọng đất đắp. τe (kN/m2) : sức chống cắt của vật liệu đất đắp τ av (kN/m2) : sức chống cắt của vật liệu cọc măng. viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, tốc độ xây dựng cơ sở hạ tầng khu vực Sóc Trăng gia tăng nhanh hơn nhiều so với trước đây. Với điều kiện thực tế như vậy, đòi hỏi các đơn vị tư vấn thiết kế, các đơn vị quản lý xây dựng phải cập nhật thông tin về công nghệ, điều kiện kỹ thuật, điều kiện địa chất khu vực xây dựng. Với đặc điểm cấu trúc nền vùng Sóc Trăng phức tạp, chiều dày lớp đất yếu tương đối dày vấn đề xử lý nền móng là chắc chắn phải áp dụng. Tuy nhiên giải pháp nền móng thường yêu cầu kỹ thuật cao, giá thành lớn vì vậy các phân tích, so sánh lựa chọn giải pháp công trình là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Trong nhà cao tầng, móng nhà cao tầng chiếm vị trí rất quan trọng cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Trên thế giới, móng nhà cao tầng thường là móng cọc, nhưng móng cọc lại có nhiều loại cọc khác nhau như cọc khoan nhồi, cọc BTCT đúc sẵn, cọc BTCT dự ứng lực đúc sẵn..v..v. Vậy từ phân tích điều kiện đất nền, điều kiện tải trọng, quy trình phân tích sức chịu tải của cọc, khả năng thi công cọc và giá thành thi công cọc để có được móng cọc đảm bảo được các yếu tố: “Rẻ-An toàn-Thi công được” là một yêu cầu quan trọng trong thiết kế, thi công nhà cao tầng. Đề tài luận văn: “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp móng cho công trình trung tâm thương mại Nguyễn Kim-Sóc Trăng” là một trong những phân tích, đánh giá để làm nổi bật nổi bật giải pháp móng với đặc thù địa chất khu vực. Đề tài vì vậy có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu So sánh đánh giá giải pháp móng cọc cho nhà cao tầng trong điều kiện đất nền khu vực Sóc Trăng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là móng nhà cao tầng, cụ thể là giải pháp móng cọc cho nhà cao tầng 1 Phạm vi nghiên cứu của đề tài là giải pháp móng cọc cho nhà cao tầng công trình trung tâm thương mại Nguyễn Kim trong điều kiện đất nền khu vực Sóc Trăng 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận: Tiếp cận từ thực tế, tức là từ tài liệu thiết kế đã có, từ tài liệu nén tĩnh cọc của công trình đã có để có thể đặt vấn đề nghiên cứu. Tiếp cận lý thuyết: Đặc điểm nhà cao tầng, phân tích lựa chọn móng nhà cao tầng, thiết kế móng cọc, cách lựa chọn loại cọc và loại móng cọc, yêu cầu thiết kế móng cọc để giải quyết vấn đề nghiên cứu. 4.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: Thu thập tài liệu, đánh giá số liệu - Nghiên cứu lý thuyết: Tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước, tài liệu, báo cáo khoa học, giáo trình hướng dẫn tính toán thiết kế móng nhà cao tầng. - Phân tích trên mô hình số: Mô phỏng bài toán phân tích trên mô hình số. 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về móng nhà cao tầng, những yêu cầu cơ bản về thiết kế và cấu tạo móng nhà cao tầng. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán móng nhà cao tầng - Phân tích điều kiện đất nền khu vực xây dựng, đề xuất giải pháp cọc thay thế phương án hiện có. - Phân tích thử dần chọn kích thước cọc - Mô phỏng mô hình toán đánh giá khả năng chịu tải của cọc. - So sánh, đánh giá và phân tích. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG NHÀ CAO TẦNG 1.1 Khái quát móng nhà cao tầng 1.1.1 Những yêu cầu cơ bản về thiết kế và cấu tạo móng nhà cao tầng Móng là một trong các bộ phận quan trọng của công trình. Một sai lầm nào đó ở khâu này đều có thể dẫn đến những hậu quả khó lường đối với phần kết cấu bên trên. Do đó cần phải nắm vững một số yêu cầu đặc biệt về phân tích đất nền cũng như về cấu tạo và thiết kế móng cho nhà cao tầng như kinh nghiệm nước ngoài [1] đã tổng kết, là điều nên học tập để chúng ta phát triển nhanh hơn trong vấn đề này. 1.1.2. Vị trí của móng nhà cao tầng Do công trình vươn lên rất cao, không những tải trọng đứng lớn và tập trung mà moomen lật do tải trọng gió và tải trọng động đất gây ra cũng tăng lên gấp bội, vì vậy đòi hỏi móng và nền đất phải có khả năng chịu lực đứng và ngang càng lớn, đồng thời phải làm cho lún và nghiêng được khống chế trong một phạm vi cho phép, lại phải đảm bảo cho công trình có đủ tính ổn định dưới tải trọng gió và tải trọng động đất. Điều đó đã đặt ra cho công tác thiết kế và thi công móng những yêu cầu rất cao và khá nghiêm khắc. Trong nhiều trường hợp, hình thức móng, lý thuyết thiết kế và phương pháp thi công đã quen dùng trong nhà nhiều tầng không thể vận dụng giản đơn vào nhà cao tầng được, mà bắt buộc phải lựa chọn và sáng tạo ra những hình thức móng, lý thuyết thiết kế và phương pháp thi công thích ứng với những yêu cầu nói trên. Đối với bất cứ một mặt nào trong ba mặt trên mà nghiên cứu không cẩn thận, xử lý không thỏa đáng đều sẽ dẫn đến những hậu quả xấu, thậm chí là nghiêm trọng: Nhẹ thì gây ra lún, nghiêng quá lớn và lún không đều, làm kết cấu bị phá hỏng cục bộ hoặc ảnh hưởng công năng, mỹ quan; nặng thì gây ra nhiều nghiêng lật hoặc phá hủy cả công trình. Ví dụ, một khách sạn ở Thượng Hải, nền đất là loại đất mềm sâu và dầy, dùng cọc đá dăm chấn động để gia cố nền với móng hình hộp. Do lý thuyết tính toán của phương pháp gia cố này trong đất yếu còn chưa chin muồi, chưa có biện pháp kiểm tra hoàn hảo đối với 3 chất lượng thi công và hiệu quả gia cố, thêm vào đó là bên nhận thầu quản lý thi công không chặt chẽ, bớt công giảm vật liệu, làm cho công trình này sau khi xây xong bị lún, nghiêng quá giới hạn cho phép, khối thấp tầng có chỗ bị chèn vỡ hỏng, buộc phải áp dụng những biện pháp gia cố nền rất tốn kém. Lại như một tòa nhà ở Nam Mỹ, khi thiết kế không điều tra rõ ràng tình hình địa chất, cọc ngắn không đưa sâu tới tầng đất cứng, khả năng chịu lực của nền cọc cũng không đủ, kết quả là kết cấu vừa thi công tới đỉnh trong khi chưa kịp trang trí hoàn thiện đã bắt đầu bị nghiêng, sau mấy ngày, trong một đêm, toàn bộ tòa nhà đổ lật xuống mặt đất. Những ví dụ này đã chứng minh mạnh mẽ là, chất lượng thiết kế và thi công công trình móng là một vấn đề hệ trọng trong việc đảm bảo an toàn của toàn nhà cao tầng mà người thiết kế và người thi công đều không được xem thường. Thi công công trình móng nhà cao tầng có một đặc điểm cực kì quan trọng phải được đặc biệt chú ý, đó là vấn đề hiệu ứng môi trường. Móng nhà cao tầng thường có độ chôn sâu khá lớn, có khi lên trên hàng chục mét, đó là vì để đáp ứng công năng kiến trúc (làm các gian ngầm dưới mặt đất) và cũng là để giữ ổn định cho công trình. Điều đó cũng tức là bắt buộc phải đào hố móng rất sâu và phải có biện pháp hạ nước ngầm tương ứng (như hạ nước bằng giếng điểm). Mặt khác, nếu dùng loại cọc ép đất thì sẽ sinh ra chấn động và ảnh hưởng của đất chèn. Hơn nữa, do nhà cao tầng thường được xây dựng trong đô thị có mật độ xây dựng lớn, để đề phòng khi đào hố móng hoặc khi ép cọc chèn đất, chấn động nguy hại đến các công trình xung quanh, đường ống ngầm hoặc sự an toàn vận hành của đường giao thông lân cận, nhất thiết phải có phương pháp chống giữ thành hố móng nghiêm ngặt, ví dụ: như kết cấu chống giữ thành hố kiêm cả chức năng chắn đất và chống thấm, làm mương cách chấn, giếng cát thoát nước hoặc bản nhựa thoát nước. Ví dụ, một tòa nhà làm việc của Cục Điện thoại Thượng Hải, khi thi công cọc đóng đúc sẵn đã làm hư hại nghiêm trọng nhà bên cạnh, tiền bồi thường đã tới 400 ngàn tệ, nhiều hơn chi phí cho công trình móng cọc của ngôi nhà là 120 ngàn tệ. Lại như móng máy của nhà máy điện ở Thượng Hải, đóng cọc xong rồi đào hố móng làm cho đầu cọc bị chuyển dich rất lớn, có trường hợp hơn 200cm, tất cả 70 cây cọc bị chuyển dịch đến mức không thể sử dụng được, đành phải hủy bỏ. Lại như, một nhà cao tầng ở Thượng Hải, khi đào hố móng chống giữ bằng cọc bản thép, móng làm cách hố móng 13m bị lún nghiêm trọng, không thể không dỡ 4 đi xây lại, tiền bồi thường là 300 ngàn tệ. Một nhà ngân hàng ở Nam Kinh cũng vì vấn đề quây giữ móng sâu mà gây ra hư hại đáng kể cho một rạp điện ảnh ở gần, phải dỡ đi xây lại. Thực tiễn chứng minh, kết cấu chống giữ và các biện pháp phòng ngừa hố móng hợp lý về kinh tế là một bộ phận không thể tách rời được của công trình móng nhà cao tầng. Tỉ lệ của giá thành và thời gian thi công phần móng chiếm trong tổng giá thành và tổng thời gian thi công của nhà cao tầng có liên quan với nhiều nhân tố như hình thức và số tầng của kết cấu bên trên, hình thức kết cấu móng, kiểu cọc và mức độ phức tạp của địa chất, cũng như điều kiện môi trường… Trừ kết cấu thép và móng nông đặt trực tiếp trên nền đá và loại móng cọc ở chỗ có nền đá nằm rất nông ra, với kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện địa chất bình thường thì nhà cao tầng dùng móng hình hộp hoặc móng bè sẽ chi phí cho công trình móng (bao gồm cả chống giữ và đào thi công tương ứng ước chiếm 20 – 25% tổng thời giant hi công công trình. Nhà cao tầng dùng móng cọc thì tỷ lệ của hai hạng mục trên lần lượt chiếm khoảng 20 – 30% và 30 – 40%. Tóm lại, về vai trò của móng trong công trình nhà cao tầng có thể khái quát lại thành như sau: Thiết kế và thi công móng là cực kì quan trọng đối với bản thân nhà cao tầng và môi trường xung quanh, giá thành và thời hạn thi công của nó có ảnh hưởng khá lớn đối với tổng giá thành và tổng thời hạn thi công của nhà cao tầng. 1.1.3. Quá trình và nội dung thiết kế móng nhà cao tầng 1.1.3.1. Một số khâu chủ yếu trong thiết kế móng Thiết kế móng nhà cao tầng bao gồm hai bộ phận có liên quan mật thiết với nhau đó là thiết kế nền và thiết kế móng, nó đề cập đến nhiều nhân tố như công năng kiến trúc và hình thức kết cấu, điều kiện địa chất công trình, tính hợp lý và đánh giá kinh tế trong lựa chọn kiểu móng, trình độ thành thạo và tính khả thi trong kỹ thuật thi công, tính tương hợp với các kiến trúc ở lân cận và môi trường, v.v… phải tiến hành so sánh phương án tổng thể về kinh tế kỹ thuật, phân tích và có quyết sách nhiều lần về thiết 5 kế kết cấu, thường phải trải qua nhiều lần sửa đổi và nghiên cứu so sánh, và đó là một quá trình rất phức tạp với các khâu và nhiều mối liên quan. Với nhà cao tầng khâu, khâu cốt lõi quyết định tính an toàn, tính kinh tế và thời hạn thi công móng (thậm chí là toàn bộ công trình) là lựa chọn kiểu móng, thiết kế nền đất và khâu phải làm trước đó là khảo sát và đánh giá về địa chất công trình. Theo cách đặt vấn đề hiện nay, hai khâu này có thể gọi là phân tích công trình đất đá. Thiết kế chi tiết kết cấu móng cố nhiên là rất quan trọng, nhưng hình thức, kích thước móng đã được xác định trong khâu trên. Trong bất cứ khâu nào mà gặp phải vấn đề quan trọng đều có thể gây ra những việc phải làm lại, có liên quan đến khâu phân tích công trình đất đá. Ngoài ra, vấn đề gặp phải trong phân tích công trình đất đá có khả năng dẫn đến thay đổi lớn trong thiết kế kết cấu, thậm chí có khi còn buộc phải lựa chọn địa điểm khác cho công trình. Thiết kế móng phải đáp ứng được các yêu cầu sau đây: (1) Áp lực thêm ở đáy móng không vượt quá khả năng chịu lực của nền đất hoặc khả năng chịu lực của móng cọc; (2) Tổng lượng lún và chênh lệch lún của móng cũng như độ nghiêng của công trình nhỏ hơn trị số cho phép; (3) Đáp ứng yêu cầu chống thấm đối với các phần ngầm của công trình; (4) Việc thi công móng phải tránh hoặc tìm biện pháp để giảm ảnh hưởng tới công trình xây dựng ở lân cận, dự báo tác hại đến môi trường, cách phòng chông; (5) Phải tính toán tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, tính toán về điều kiện sử dụng, điều kiện thi công và môi trường cũng như thời han thi công. Móng nhà cao tầng chiếm một khối lượng công việc lớn, giá thành cao, sử dụng nhiều vật liệu, ảnh hưởng lớn tới thời hạn thi công của công trình, thường thì thời hạn thi công móng của một nhà cao tầng chung cư dân dụng cao 9 – 16 tầng chiếm khoang 1/3 của tổng giá thành công trình. Do đó, việc thiết kế móng có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của tòa nhà. 6 1.1.3.2. Yêu cầu đặc biệt của khảo sát địa chất công trình Tiến hành khảo sát địa chất công trình cho xây dựng nhà cao tầng ngoài phải tuân theo qui phạm quy trình khảo sát thiết kế ra còn phải đáp ứng những yêu cầu đặc biệt dưới đây: a. Các đặc điểm chính (1) Nhà cao tầng tổng tải trọng lớn, độ sâu và phạm vi ảnh hưởng đối với nền đất cũng rất lớn, thường phải qua phân tích lún để xem xét ảnh hưởng của độ lớn và lệch tâm của tải trọng đối với móng và công trình lân cận. (2) Nhà cao tầng thường vươn lên tương đối cao, ngoài lệch tâm của tải trọng đứng ra còn phải xem xét đến khả năng nghiêng và lật do tính không đều của nền đất, do tải trọng gió và động đất gây ra. (3) Bề rộng và độ sâu của móng nhà cao tầng đều rất lớn, nên phải xem xét tính chất đàn hồi của nền đất, tính ổn định của thành hố móng do việc đào hố móng gây ra và ảnh hưởng của nó đối với các công trình lân cận và đối với môi trường xung quanh. (4) Nhà cao tầng thường tương đối quan trọng, có niên hạn sử dụng rất lâu, phải tính đến khả năng bị ăn mòn lâu dài của đất nền và của nước ngầm. b. Những yêu cầu đặc biệt đối với công tác khảo sát (1) Ngoài việc xác định tính chất cơ lý hóa các lớp đất trong phạm vi công trình xây dựng và vùng lân cận trực tiếp còn phải xem xét tính ổn định dài hạn và tính ổn định chống động đất của cả vùng đất, chủ yếu phải điều tra kỹ xem ở vùng đất có các dòng suối cổ, hang động nhân tạo không, có địa tầng có thể bị hóa lỏng không (xem phần nói về hóa lỏng). Khi cần thiết còn phải tìm hiểu về cấu tạo địa chất ở tầng sâu và có tồn tại những dải đứt gẫy đang hoạt động không. (2) Phải đảm bảo việc khảo sát có độ chính xác cao, số lỗ khoan của mỗi ngôi nhà cao tầng riêng lẻ thường là không được ít hơn 5, trong đó lỗ khoan khống chế ở dưới sâu không được ít hơn 2. Cự ly lỗ khoan phải căn cứ vào mức độ phức tạp về biến đổi các lớp đất và tình hình cụ thể của công trình xây dựng (hình dạng và kích thước mặt bằng, hình thức kết cấu, độ lớn và phân bổ tải trọng và những yêu cầu đặc biệt khác) để xác 7 định, nhằm đảm bảo độ chính xác của các tài liệu thu được có thể đáp ứng được yêu cầu của thiết kế móng. (3) Phải đảm bảo độ sâu khảo sát cần thiết, độ sâu của lỗ khoan khống chế phải đáp ứng được yêu cầu về độ sâu của tầng chịu nén ép trong việc tính lún. Có thể lấy độ sâu của tỉ số giữa ứng suất thêm với ứng suất do trọng lượng bản thân bằng 0,1 làm giới hạn dưới của tầng nén ép để xác định ( ở mũi cọc (móng quy ước) để xác định Đối với móng cọc thì dùng ứng suất thêm độ sâu lỗ khoan khống chế. Nếu độ sâu của lớp đá gốc là không lớn lắm thì độ sâu thăm dò cần xuống tới đá gốc. (4) Phải chú đến việc vận dụng tổng hợp và kiểm chứng lẫn nhau giữa các phương pháp thí nghiệm ở hiện trường và ở trong phòng, nhằm đảm bảo tính hoàn hảo và tính tin cậy của các tài liệu. (5) Với các loại công trình xây dựng có diện tích và độ sâu đào là rất lớn, phải tính đến việc quan trắc biến dạng đàn hồi của đáy hố móng, để có được những tài liệu tin cậy hữu quan về mô hình biến dạng và mô đun tính toán của nền đất. Còn phải chú ý cung cấp các tài liệu về loại và tính chất nước ngầm, lượng nước trào, tính thấm nước của đất ở thành hố móng, độ dốc thủy lực và khả năng có thể sinh ra áp lực thủy động, v.v… để có thể tiến hành việc thiết kế thi công chống giữ và chống thấm cho thành và đáy hố móng. c. Những yêu cầu đặc biệt trong việc đánh giá địa chất công trình nền đất. Đánh giá nền đất để xây dựng nhà cao tầng chủ yếu phải nhấn mạnh các nội dung sau đây: (1) Đánh giá tính ổn định lâu dài và tính ổn định chống động đất của toàn bộ vùng đất và đánh giá tính ổn định chống ăn mòn lâu dài trong điều kiện địa chất có tính ăn mòn. (2) Khi có thể sử dụng được nền đất tự nhiên thì phải đề ra được độ sâu chôn móng hữu quan và lựa chọn được tầng chịu lực thích hợp (bao gồm khả năng chịu lực của 8 nền đất và các chỉ tiêu cường độ hữu quan), đánh giá và kiến nghị về tính không đồng đều và mô đun biến dạng của nền đất. (3) Khi sử dụng móng cọc thì phải nói rõ được độ sâu và độ dầy của tầng chịu lực ở mũi cọc trong phạm vi độ sâu mà cọc có thể vươn tới được, ước lượng về các chỉ tiêu lực ma sát của tầng đất, phán đoán xem có tồn tại tầng mềm yếu nằm dưới mũi cọc, đồng thời cũng đánh giá về sự tồn tại của tầng đất chưa cố kết và khả năng phát sinh lực ma sát âm đối với cọc. (4) Căn cứ nhu cầu để đề ra việc đánh giá và kiến nghị hữu quan về hạ mực nước khi thi công, xử lý đáy hố, việc ổn định thành hố và ảnh hưởng đối với các công trình xây dựng ở lân cận. (5) Căn cứ vào yêu cầu đặc biệt của công trình hoặc điều kiện đặc biệt của địa chất để có những đánh giá và kiến nghị tương ứng. 1.1.3.3. Lựa chọn kiểu móng và thiết kế nền Lựa chọn kiểu móng có ý nghĩa quyết định đối với toàn bộ công trình móng và phải xem xét đến nhiều nhân tố. Đối với một công trình nhất định và điều kiện công trình không phức tạp lắm đã có thể có mấy phương án hợp lý, đáp ứng yêu cầu thiết kế móng, đồng thời phải xem xét tính khả thi về mặt kỹ thuật của chúng, cuối cùng quyết định từ sự đánh giá tổng hợp về mặt an toàn, về tốc độ thi công nhanh, về môi trường và kinh tế. Một số yêu cầu chính đối với móng nhà cao tầng như sau: a. Đáp ứng yêu cầu công năng của công trình, chú ý lợi dụng phần không gian dưới mặt đất Rất nhiều những công năng phụ thuộc của nhà cao tầng: ngoài việc tận dụng phần nhà thấp tầng ra, hiện nay ngày càng coi trọng việc lợi dụng phần không gian dưới mặt đất, điều này là thống nhất với yêu cầu chôn sâu và nguyên tắc giảm thấp áp lực thêm lên nền, v.v… Cho nên, nhà cao tầng hiện đại ngày càng có xu hướng mở rộng các công năng ở bên dưới mặt đất. Khi tòa nhà có những yêu cầu ấy thì phải tìm cách đáp ứng đầy đủ. Như vậy, hình thức của móng, hoặc theo nghĩa rộng là kết cấu của đài móng, đã do công năng của công trình quyết định. 9 Ví dụ một tòa nhà cao tầng ở Hồng Kông, trên mặt đất 38 tầng, ngầm 5 tầng; đã kết hợp phần ngầm dưới mặt đất để làm gara ô tô, nhà hàng, ga tàu điện ngầm, v.v… thành một tổ hợp nhiều loại công năng nên đã quyết định làm một móng bè ngầm nhiều tầng trên cọc đường kính lớn thi công bằng cách đào lỗ. Dùng tường liên tục trong đất làm tường ngoài của phần ngầm, thi công theo phương pháp làm sàn từ trên xuống dưới (top down) nên giải quyết được cả vấn đề chống giữ khi đào hố móng, hạn chế ảnh hưởng xấu (như chuyển vị ngang, biến dạng lún…) đối với các công trình ở xung quanh. Đây là một ví dụ rất tốt về tổng hợp hiệu ích kinh tế với hiệu ích xây dựng. b. Đáp ứng yêu cầu cầu của thiết kế nền trong điều kiện địa chất nhất định b.1. Cần nắm vững tính khu vực điều kiện địa chất công trình và những kinh nghiệm địa phương khi chọn kiểu móng Nên căn cứ vào điều kiện tự địa chất công trình của từng địa phương cụ thể (nhất là lớp đất chịu lực chính) để lựa chon móng cho nhà cao tầng. Xem xét một số trường hợp có tính đại biểu sau đây: (1) Trên lớp cuội sói có phủ đất mềm sâu và dầy như các vùng trầm tích đồng bằng Bắc Bộ. Do cường độ nền đất thấp, tính nén co cao, đá dốc ở sâu, công việc cần làm để chọn kiểu móng là khá nhiều. Lấy ví dụ như ở thành phố Hồ Chí Minh, tầng đất mềm có lịch sử địa chất ngắn, độ cố kết không cao, lớp trên cùng là đất sét mịn dày 2 , tầng thứ hai là đất tính sét bùn dày khoảng trên 20m. Móng của không ít những ngôi nhà cao tầng phải đặt trong lớp này; lớp thứ ba là đất sét màu nâu, dưới nữa là sét dẻo cứng, dày 2 6m, độ sâu tính từ mặt đất xuống khảng hơn 30m, là tầng chịu lực ở đầu cọc tốt; lớp sâu nữa là đất cát hoặc đất cát và sét mềm xuất hiện lẫn lộn. Đất cuội sỏi nằm rất sâu, có thể cả trăm mét. Do đó, với nhà ở 5 thể dùng móng hộp; trên 5 6 tầng trở xuống có 6 tầng dùng móng cọc, bè cọc hoặc móng hộp cọc. Đáng chú ý là những ngôi nhà có số lượng tầng vừa phải (14 20 tầng) là loại nhà có số lượng nhiều nên chọn kiểu móng sao cho thích hợp phải được đặc biệt chú ý nghiên cứu, kiểu móng quá độ khi xem xét bài toán cọc và đất cùng chịu lực là một trong những phương án tương đối hợp lý về kinh tế. 10