Công trình chiều cao 9 tầng, 1 tầng hầm, công năng là bệnh viện đa khoa. Thiết kế năm 2014, khởi công năm 2015.

Xét về chiều cao, kết cấu công trình không quá đặc biệt, ngoại trừ phương án móng đặt ra một số vấn đề cần lưu ý và xử lý trong thực tế thi công.

Công trình đã hoàn thành đưa vào sử dụng.

 

Mặt bằng kết cấu tầng điển hình của công trình. Nhịp điển hình 8,5mx8,1m.

Phương án kết cấu kinh tế nhất thiết kế lựa chọn là dầm sàn bêtông cốt thép toàn khối có dầm phụ một phương. Phương án này cho khối lượng vật liệu, tải trọng lên móng nhỏ hơn so với sàn không dầm bêtông cốt thép thường, vốn là phương án quen thuộc của nhiều công trình bệnh viện. Lý do có thể áp dụng là chiều cao tầng đủ cho kết cấu và các hệ thống kỹ thuật trên trần. Như vậy kết cấu phần thân đơn giản, phổ thông. Bài viết sẽ chỉ tập trung vào quá trình thiết kế phương án nền móng cho công trình.

Địa chất

Do yêu cầu tiến độ, trước khi khoan khảo sát, nhóm đã cho ép thử cọc 350x350mm dựa trên sơ bộ quy mô 9 tầng của công trình. Quá trình ép ngoài hiện trường khó khăn do nền đất là cát, chỉ ép được 2m là chối. Trong khi đó tầng hầm sâu 4m so với mặt đất tự nhiên. Như vậy phương án cọc ép được quyết định loại trừ.

Sau khi có kết quả khảo sát, trụ địa chất công trình cho thấy nền đất rất tốt: nền đất là lớp cát trạng thái chặt vừa – chặt, xen kẹp vài lớp mỏng đất sét. Nền đá granite ở sâu bên dưới >36m.

 

Gặp đất cát mà muốn làm cọc thì chỉ còn 2 phương án:

  • Cọc khoan nhồi: Trong đầu thiết kế dự kiến là 1 cột 1 cọc, nhưng chi phí lớn
  • Cọc đóng: Không khả thi do ảnh hưởng đến các công trình xung quanh vì khu đất nằm ở giữa thành phố Nha Trang.

Phương án móng đề xuất

Nhận thấy công trình có tầng hầm, kiểu gì cũng phải đào sâu xuống nền đất, thiết kế đề xuất sử dụng phương án móng bè, dùng chính kết cấu sàn tầng hầm làm móng, tiết kiệm hơn rất nhiều vì đằng nào cũng phải thi công đổ sàn tầng hầm.

Móng bè cũng phù hợp với điều kiện địa chất, đáy móng nằm trong lớp đất cát chịu lực tốt và tắt lún nhanh.

Vấn đề đặt ra cho thiết kế nền móng là tính toán móng nông, đặc biệt chú ý vấn đề tính lún. Do đặc điểm kinh nghiệm của kỹ sư kết cấu hiện nay đa số làm nhà cao tầng, móng cọc nhồi tựa trên nền đá, cuội sỏi, hầu như không phải kiểm tra điều kiện lún. Có thể nói thiết kế móng nông cho công trình nhỏ còn khó hơn tính toán cọc nhồi nhà cao tầng hiện nay.

Trong tính toán lún của nền móng, các giá trị tính toán của chỉ tiêu cơ lý đất nền cần người thiết kế xem xét, cân nhắc hiệu chỉnh giữa các giá trị báo cáo khảo sát địa chất cung cấp và tiêu chuẩn liên quan như đã trình bày trong chủ đề này. Đặc biệt giá trị module tổng biến dạng các lớp đất $E_o$ đã được xem xét và cân nhắc lựa chọn.

Kết cấu bản móng là sàn có sườn (dầm móng) để giảm chiều dày bản, một số vị trí không cho phép cấu tạo dầm móng cần bố trí cốt thép gia cường chịu chọc thủng của cột xuống bản móng (cũng là sàn tầng hầm).

Tính móng về cường độ

Phương pháp tính toán tiến hành như với móng đơn bình thường, theo TCVN 9362:2012 “Tiêu chuẩn Thiết kế nền nhà và công trình” với công thức quen thuộc: áp lực trung bình tác dụng lên nền ở dưới đáy móng p không vượt quá áp lực tính toán R tác dụng lên nền tính theo công thức (15) của tiêu chuẩn:

$$R=\frac{m_1m_2}{k_{tc}}\left(A.b.\gamma_{II}+B.h.\gamma_{II}’+D.c_{II}-\gamma_{II}.h_o\right)$$

Lưu ý giá trị R không phải là cường độ cực hạn của đất nền, mà là giá trị giới hạn áp lực lên móng không được vượt qua để đảm bảo nền đất dưới đáy móng làm việc trong miền đàn hồi, có thể sử dụng được các phương pháp tính lún trong nền đàn hồi: cộng lún từng lớp và phương pháp lớp biến dạng tuyến tính có chiều dày hữu hạn.

Áp lực lên nền p xác định ở cốt đáy móng, xác định từ tải trọng tính toán lên chân cột, xác định theo các sơ đồ truyền tải:

– Sơ đồ 1: Diện truyền tải là cả móng bè (bằng diện tích sàn tầng hầm), lấy tổng tải trọng tất cả chân cột chia cho diện tích móng, cũng là diện tích sàn tầng hầm, thu được giá trị của p. Sơ đồ này cho tải trọng lên nền nhỏ nhưng độ lún lớn hơn.

– Sơ đồ 2: Diện truyền tải cục bộ dưới từng chân cột, áp lực thu được lớn hơn giá trị ở sơ đồ 1 khi lấy theo chân cột lớn nhất thay vì cách chia trung bình như trên. Cách tính này thiên về an toàn, cho phép xác định phân bố áp lực cục bộ theo từng chân cột. Đây là sơ đồ được sử dụng để kiểm tra cường độ dưới móng.

Lấy tải trọng chân cột chia cho diện truyền tải của nó (lấy ra giữa 4 nhịp lân cận) như hình vẽ minh hoạ ở trên. Công tác kiểm tra được tiến hành với các chân cột lớn nhất thuộc 3 khối: Khối tháp 9 tầng (màu vàng), khối đế 3 tầng (màu xanh lam), khối tầng hầm 1 tầng ngoài nhà (màu xanh da trời).

– Sơ đồ 3: Tính toán móng mềm bằng phương pháp phần tử hữu hạn (dùng SAFE, ETABS). đây là sơ đồ móng mềm trên nền đàn hồi, khác với 2 sơ đồ trên là tính toán theo móng cứng. Cần xác định được hệ số nền cho sơ đồ này, bằng áp lực chia cho độ lún, tham khảo trong phần tính lún dưới đây.

Sơ đồ này gần với sự làm việc thực tế của kết cấu nhất nhưng phức tạp và độ chính xác phụ thuộc rất nhiều vào giá trị hệ số nền xác định được. Sẽ không phù hợp trong thực hành thiết kế nếu dùng sơ đồ này ngay từ đầu, chỉ sử dụng để kiểm tra các giá trị áp lực và độ lún tính toán theo 2 sơ đồ ở trên.

Đây là sơ đồ phù hợp nhất để xác định nội lực từ đó thiết kế cốt thép trong kết cấu móng (bản và dầm móng).

Kết quả tính toán của cả 3 sơ đồ cho thấy giá trị giới hạn R rất lớn so với áp lực lên đáy móng, do nền đất là đất cát trạng thái chặt vừa đến chặt ,rất tốt.

 

Tính móng về biến dạng

Xác định độ lún móng chính xác cho phép thiết kế an toàn về độ chênh lún, tính toán được độ cứng của nền đàn hồi cho sơ đồ tính toán móng mềm.

Như trên đã nêu, áp lực móng lên nền đất cho thấy nền làm việc hoàn toàn trong miền đàn hồi, độ lún tính toán đơn giản là độ lún đàn hồi. Hơn nữa nền đất cát tắt lún rất nhanh nên không cần lo lắng về sự tăng lún theo thời gian (lún cố kết) làm phát sinh các phá hoại không lường trước sau khi công trình đã đi vào sử dụng. Thực tế sử dụng công trình đã khẳng định nhận định này.

Sơ đồ tính toán biến dạng của nền tuân theo điều 4.6.8 và phụ lục C của TCVN 9362:2012. Các sơ đồ tính lún cũng tương tự như trên:

– Sơ đồ 1: Diện truyền tải là cả móng bè; kích thước móng rất lớn (Chiều rộng >10m), dùng sơ đồ tính toán nền theo Lớp biến dạng tuyến tính có chiều dày hữu hạn.

– Sơ đồ 2: Diện truyền tải cục bộ dưới từng chân cột, coi là móng đơn, tính lún dùng sơ đồ tính toán dưới dạng bán không gian biến dạng đàn hồi tuyến tính xác định bằng phương pháp cộng lún từng lớp trong phạm vi chiều dày chịu nén của nền. Tuy nhiên độ lún tính ra là của 1 móng độc lập dưới chân cột, cần tính toán độ lún cộng thêm do ảnh hưởng của diện móng các cột lân cận (các diện móng này nằm sát nhau) nhưng quy trình tính toán sẽ quá phức tạp, không khả thi trong thực hành.

Lời khuyên nên sử dụng kết quả tính lún theo sơ đồ 1 do có giá trị lớn hơn và kiểm tra độ lún thu được từ Sơ đồ 3

– Sơ đồ 3: sơ đồ móng mềm với hệ số nền đàn hồi K, xác định bằng áp lực trung bình lên đáy móng chia cho độ lún của móng tính toán theo sơ đồ 1. Kêt quả tính toán sơ đồ móng mềm trên nền đàn hồi cho phép xác định biến dạng (độ lún) tại từng điểm trong bản móng bè. Tiến hành so sánh kết quả lún với 2 sơ đồ trên và đưa ra điều chỉnh hệ số nền K nếu cần thiết để kết quả xấp xỉ bằng nhau.

Vấn đề vấp phải

Quá trình tính toán lún ban đầu tiến hành trên mô hình SAFE theo sơ đồ 3, độ lún dưới chân cột lớn nhất là 48mm (khối 9 tầng), độ lún của chân cột bên cạnh thuộc khối đế 3 tầng là 29mm. Dẫn đến độ chênh lún ${\Delta}S=\frac{S_1-S_2}{L}=\frac{48mm-29mm}{7,7m}=0,0025$.

Theo điều 4.6.28 của TCVN 9362:2012, độ lún giới hạn cho phép Sgh lấy theo bảng 16 của tiêu chuẩn cụ thể ở mục 1.1 “Khung bêtông cốt thép có tường chèn” khống chế độ lún lệch tương đối là 0,001.

Tuy nhiên, cũng theo điều 4.6.28, chỉ áp dụng giá trị giới hạn Sgh trong bảng 16 của tiêu chuẩn nếu các kết cấu trên móng không tính theo biến dạng không đều của nền, khi việc tính toán độ lún được tiến hành độc lập dưới từng chân cột mà không xét đến sự làm việc đồng thời giữa công trình với nền đất. Việc tính toán biến dạng của nền cho phép tiến hành mà không cần kể đến ảnh hưởng của của độ cứng của kết cấu công trình đến sự phân bố lại tải trọng lên nền.

Vì vậy không dùng giá trị Sgh trong bảng 16 của Tiêu chuẩn để giới hạn độ lún về tính lún không đều nếu kết cấu trên móng được tính toán theo biến dạng không đều của nền (do sự khác nhau về tải trọng của các khối có chiều cao khác nhau), nghĩa là có xét đến sự làm việc đồng thời của kết cấu và nền đất. Sơ đồ tính toán của công trình trong ETABS làm việc với đất nền được mô hình theo sơ đồ móng mềm trên nền đàn hồi. Hệ số nền được được gán cho sàn tầng hầm có cùng giá trị với hệ số nền tiến hành theo sơ đồ 3 đã nêu.

Kết quà về độ lún khá tương đồng với sơ đồ tách riêng móng nhưng nội lực có sự phân bố khác nhau, đặc biệt lớn tại các vị trí tiếp giáp giữa khối cao tầng và thấp tầng do chênh lệch độ lún, tại móng, dầm sàn tầng trệt khối đế. Kết quả so sánh giữa 2 sơ đồ tách riêng móng và sơ đồ công trình làm việc đồng thời với nền cho thấy không có khác biệt nhiều về kết quả nội lực của khối tháp.

Thực tế thi công và sử dụng

Quá trình thi công công trình có sự thay đổi về phương án đào đất thi công tầng hầm, chuyển sang phương án chống giữ hố đào bằng cọc nhồi secant pile kết hợp làm tường bao tầng hầm.

Công trình đã nghiệm thu và đưa vào sử dụng, không thấy xuất hiện hư hại nào liên quan đến biến dạng lún của nền móng. Các kết quả quan trắc lún cũng cho thấy sát với giá trị dự báo theo tính toán thiết kế, lún tắt hầu như ngay sau khi thi công cất nóc xong do tải trọng đã đạt trên 90% lên móng.

 

Kết luận

Trong tính toán móng nông, khi điều kiện về biến dạng (độ lún) quyết định, để xác định chính xác nội lực phục vụ quá trình thiết kế kết cấu bêtông cốt thép công trình cần lập sơ đồ tính toán công trình làm việc cùng với nền, sơ đồ móng mềm. Kết hợp với các phương pháp tính toán kiểm tra lún được quy định rõ trong TCVN 9362:2012, người thiết kế hoàn toàn có đủ dũ liệu để so sánh và quyết định lựa chọn giá trị sử dụng. Khi tính toán nền móng, nhất là tính lún có nhiều tranh cãi giữa tư vấn thiết kế và các bên tư vấn khác (thẩm tra…), cần bám sát tiêu chuẩn, sống và làm việc theo pháp luật để đưa ra những giải trình bảo vệ có sức nặng pháp lý.

 

Comments

comments