Piled raft – An effective foundation design method for high-rise buildings in HCM City
Abstract: Nowadays, the wave of construction of high-rise buildings, which usually use the concept of piled group foundation in their design, has increased in Ho Chi Minh City as well as other cities in Viet Nam. In this study, settlement, the load shared by the raft, and the behavior of the piled raft were considered via Poulos-Davis-Randolph (PDR) method where the settlement of a varying number of piles, the pile length, and raft embedment were determined. The study indicated the simplified method was effective for evaluating the preliminary conditions of the foundation, settlement, and that a piled raft was feasible for Ho Chi Minh City’s subsoil geology.
GIỚI THIỆU
Móng bè được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, đặc biệt là các công trình nhà cao tầng. Tại Frankfurt, Đức, có những tòa nhà cao tầng được xây dựng trên nền cát hoặc sỏi có mật độ trung bình đến cao như The Commerzbank Tower cao 130 m, tòa tháp đôi Deutsche Bank Building cao 157.7 m, và Tòa nhà Frankfurt Büro-Centre với chiều cao 147 m. Độ lún trung bình nằm trong khoảng 150 – 250 mm. [1].
Móng cọc là một thay thế cần thiết khi khả năng chịu lực của lớp đất bên dưới bè không đủ yêu cầu chịu tải trọng của tòa nhà. Trong khái niệm móng cọc, các cọc chuyển toàn bộ tải trọng của tòa nhà xuống lớp đất dưới sâu, có đủ khả năng chịu tải. Đóng góp phân phối tải trọng của bè trong khái niệm này được bỏ qua và người thiết kế sẽ thêm hệ số an toàn từ 2-5 lần vào nền thiết kế tiêu chuẩn [2]. Do đó, kích thước cọc lớn hơn, và số lượng cọc nhiều cọc hơn được yêu cầu. Tuy nhiên, sự đóng góp phân phối tải của bè rất quan trọng khi nó được kết hợp với các cọc, được gọi là khái niệm móng bè cọc [3-10], trong đó bè có thể chuyển một phần tải trọng của tòa nhà xuống đất bên dưới. Tỷ lệ tải trọng do bè mang (20 – 40 %) trong tổng tải trọng có thể được truyền trực tiếp vào đất. Các cọc chỉ mang một phần tải trọng của tòa nhà, được thiết kế để giảm độ lún [11, 12]. Phân tích ảnh hưởng của bè cọc trong móng cọc là sự tương tác giữa bè-đất, bè-cọc, cọc-cọc và đất-cọc [1].
Đặc điểm địa chất đất nền khu vực thành phố Hồ Chí Minh
TP.HCM, trước đây là Sài Gòn, có sông Sài Gòn cắt ngang và là thành phố lớn nhất Việt Nam, nằm ở vùng đất thấp phía Nam, Việt Nam. Giống như Bangkok và Jakarta, TP.HCM có điều kiện địa chất đất yếu.
Điều kiện địa chất ở TP.HCM rất phức tạp như trong Hình 1 và Hình 2 [13]. Trong tuyến số 1 của hệ thống MRT. 1, điều kiện địa chất cho thấy lớp 1 (sét yếu) xuất hiện từ bề mặt đến độ sâu 25m ở phía Tây Nam và mỏng hơn ở phía Đông Bắc. Lớp 2 tiếp theo là sét dẻo đến trung bình 25 – 35 m từ Tây Nam vào giữa, cao độ đất cao hơn về phía Đông Bắc. Lớp tiếp theo gồm cát mịn đến chặt trung bình dày 5 – 30 m ở phía Tây Nam, tăng lên 35 – 55 m ở giữa, 10 – 55 m ở phía Đông Bắc. Lớp cuối cùng trong phần này là sét trung bình đến cứng, dày 30 – 60 m ở Tây Nam và 55 m ở giữa, và Đông Bắc, như thể hiện trong Hình 3.
Các tính chất chung của đất sét yếu được thể hiện trong Bảng 1 và thường được gọi là đất sét yếu TP.HCM . [14].
Bảng 1 . Chỉ tiêu tính chất vật lý của đất sét vùng trũng Trung tâm Thành phố [14]
| Độ ẩm tự nhiên, wn | 80% |
| Giới hạn chảy, LL | 89% |
| Giới hạn dẻo, PL | 36% |
| Chỉ số dẻo, PI | 53% |
| Trọng lượng đơn vị thể tích đất tự nhiên, γ | 15 kN/m 3 |
| Tỷ trọng, Gs | 2,68 |
| Hàm lượng đất sét | 63% |
PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH
Phương pháp giải tích của Poulos-Davis-Randolph (PDR) được sử dụng để đánh giá điều kiện sơ bộ của nền móng và tính khả thi của việc sử dụng bè cọc đối với địa chất của TP.HCM, Việt Nam.
Phương pháp PDR
Phương pháp này tương tự như phương pháp được mô tả bởi Poulos và Davis (1980). Đó là một phương pháp giải tích để ước tính sự chia sẻ tải trọng giữa bè và cọc, như Randolph (1994) đã đưa ra.
Sử dụng phương pháp của Randolph, có thể ước tính độ cứng của móng bè đóng cọc và tỷ lệ tổng tải trọng do bè mang có thể được xác định bằng phương trình (3) và phương trình (4):
trong đó Kpr , Kp , Kr lần lượt là độ cứng của bè cọc, nhóm cọc và bè, α_rp là hệ số tương tác bè – cọc, Pr là tải trọng do bè mang, và Pt là tổng tải trọng tác dụng.
Hệ số tương tác bè-cọc αrp có thể được ước tính bằng biểu thức (5)
Trong đó rc là bán kính trung bình của đài cọc, r0 là bán kính cọc,
là số đo bán kính ảnh hưởng của cọc,
là tỷ số sức chịu đầu của cọc chịu đầu,
là độ không đồng nhất của đất mô đun,
là bán kính ảnh hưởng lớn nhất,
ν là hệ số Poisson của đất, L là chiều dài cọc, GL là lực cắt của đất Mô đun Young tại cao độ của mũi cọc, GB là lực cắt của đất mô đun của tầng chịu lực bên dưới mũi cọc và Gav là mô đun lực cắt trung bình của đất dọc theo trục cọc.
Việc giải quyết có thể được ước tính bằng cách sử dụng phương trình (6) và phương trình (7):
Trong đó ; βp là tỷ lệ tải trọng do cọc mang ; VA là tải trọng tác dụng với sức chịu tải huy động của cọc; Vru và Vpu lần lượt là sức chứa cuối cùng của bè và cọc, và Rfp , Rfr lần lượt là các thừa số hypebol của cọc và bè.
Ứng dụng cho dự án ở TP.HCM
Dựa trên lý thuyết PDR và kết quả phân tích của Tiến sĩ Punlop Visudmedanukul, tổng độ lún và tải trọng chia sẻ giữa bè và cọc trên móng bè cọc của một tòa nhà cao tầng ở Hồ Chí Minh, Việt Nam đã được xác định.
Độ lún tải trọng được so sánh trong từng giai đoạn giữa độ lún đo đạc tại hiện tường và phương pháp giải tích phù hợp, như thể hiện trong Hình 4. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp giải tích có thể đánh giá hiệu quả điều kiện sơ bộ của nền móng và độ lún cũng như tính khả thi của việc sử dụng móng bè cọc cho địa chất tại TP.HCM, Việt Nam. Mặt khác, độ lún tính theo phương pháp giải tích là rất nhỏ. Trong giai đoạn xây dựng cuối cùng cho kết cấu, độ lún bằng 18,6 mm, điều này cho thấy phương án móng có thể được sử dụng cho tòa nhà này, nhưng nó không phải là phương pháp hiệu quả về mặt chi phí cho dự án này vì tỷ lệ giữa độ lún cho phép và độ lún thực tế quá cao, vào khoảng 8,1 lần.
Phương pháp giải tích cho thấy tỷ trọng tải của bè là 2,8 %, phần này đã bị bỏ qua trong thiết kế sử dụng khái niệm móng nhóm cọc.
Nghiên cứu mở rộng một số trường hợp
Ứng xử của móng bè cọc cho một tòa nhà cao tầng ở TP.HCM bằng cách phân tích sự thay đổi số lượng cọc (thu được khoảng cách cọc khác nhau), chiều dài cọc và độ sâu của bè.
Bảng 5 cho thấy cấu hình hình học của bè cọc đã được xem xét trong phân tích ứng xử của móng. Tất cả các trường hợp đều có điều kiện nền, tải trọng và kết cấu như nhau, với chiều dày bè là 1,22 m và đường kính cọc là 1,2 m.
Bảng 5 . Phân tích thông số hình học
| Số lượng cọc, n | 90 * | 60 | 45 | 30 | 15 | ||||||
| Chiều dài cọc, m | 64,6 * | 48,6 | 32.2 | 16.2 | 0 | ||||||
| Bè nhúng, m | 7.2 * | 11.2 | 15.2 | 19.2 | 23.2 | 25,0 | |||||
Tỷ số lún được định nghĩa là tỷ số giữa độ lún của bè cọc (Spied-raft ) và bè không cọc (Sunpiled -raft ) [15] như thể hiện trong biểu thức (8):
Trong phân tích ứng xử của móng, với số lượng cọc giảm từ 90 xuống 15, độ lún tăng từ 18,6 mm lên 34,0 mm, với tỷ lệ chia sẻ tải trọng của bè tăng từ 2,8% lên 5,4%, như thể hiện trong Hình 5. Tỷ số lún tăng lên khi khoảng cách cọc/đường kính cọc tăng lên, như thể hiện trong Hình 6. Để thiết kế hiệu quả, khoảng cách cọc/đường kính cọc khuyến nghị nên là 5 – 7 để phù hợp với tỷ lệ lún tối ưu là 0,15 lần độ lún của bè, cụ thể là 22 mm.
Hình 7 cho thấy chiều dài cọc giảm từ 64,4 m xuống 16,2 m, đây là nguyên nhân khiến độ lún tăng từ 18,6 mm lên 132,5 mm và tỷ lệ tải trọng chia sẻ của bè tăng từ 2,8% lên 62,3%. Mặt khác, tỷ lệ lún giảm khi tăng chiều dài cọc/đường kính cọc, như thể hiện trong Hình 8. Do đó, cọc dài hơn là hợp lý nhất để đạt được tỷ lệ lún tối thiểu. Tuy nhiên, thiết kế móng hiệu quả không chỉ giảm thiểu độ lún mà còn giảm chi phí xây dựng. Vì vậy, đối với một thiết kế hiệu quả, chiều dài/đường kính cọc khuyến nghị là 30.
Kết quả từ việc tăng độ sâu của bè từ 7,2m lên 25m dưới mặt đất được thể hiện trong Hình 9. Tải trọng mà bè chia sẻ tăng lên khi độ sâu của bè tăng lên. Độ lún ít thay đổi khi bè được đặt trên lớp đất sét mềm đầu tiên. Trên bề mặt của lớp đất sét cứng thứ hai cách mặt đất 25m, tải trọng do bè chịu bằng 30% tải trọng tác dụng, nơi có thể xem xét làm bãi đậu xe ngầm hoặc mua sắm ngầm trong thiết kế trong tương lai.
KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã trình bày và thảo luận các kết quả quan trắc lún và kết quả tính toán theo phương pháp giải tích dựa trên phương pháp PDR để hiểu sâu hơn về cơ chế chia tải, lún và đánh giá tiềm năng sử dụng hệ thống bè cọc tại TP. Thành phố Minh, Việt Nam. Các kết luận chính là:
1) Dựa trên phương pháp giải tích, tỷ trọng tải của bè là 2,8%, đã bị bỏ qua trong thiết kế móng cọc thông thường. Điều này chứng tỏ phương pháp này phù hợp để đánh giá sơ bộ điều kiện nền móng, độ lún và tính khả thi của việc sử dụng bè cọc đối với địa chất TP.HCM, Việt Nam.
2) Tải trọng chia sẻ bởi bè tăng từ 2,8% lên 5,4% khi số lượng cọc giảm từ 90 xuống 15. Tỷ lệ lún tăng khi khoảng cách cọc/đường kính cọc tăng, khoảng cách cọc/đường kính cọc là 5-7 lần, được khuyến nghị cho thiết kế hiệu quả. Bằng cách giảm chiều dài của cọc, độ lún tăng lên và tỷ lệ tải trọng chia sẻ của bè tăng lên. Hơn nữa, việc giảm chiều dài cọc/đường kính cọc làm tăng tỷ lệ lún, và chiều dài cọc gấp 30 lần đường kính cọc là một lựa chọn tốt cho thiết kế hiệu quả. Ngoài ra, khi bè cọc được định vị ở lớp thứ hai, có thể mang 30% tải trọng tác dụng.
Như vậy, móng bè cọc là một phương pháp hữu hiệu và cần được cân nhắc áp dụng cho các công trình nhà cao tầng tại TP.HCM, Việt Nam.
Trần Quang Hà
National Central University, Taiwan. Email: [email protected]
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Katzenbach R., Arslan U. and Moormann C., Piled Raft Foundation Projects in Germany, in Design Applications of Raft Foundations, J.A. Hemsley, Editor. 2000, ICE Publishing. p. 323-391.
[2] Barker R.M. and Puckett J.A., Load and Resistance Factor Design (Lrfd) for Highway Bridge Substructures-Reference Manual and Participant Workbook. 2001: U.S. Department Publication of Transportation.
[3] Amornfa K., Pheinwej N. and Kijpayuck P., Current Practice on Foundation Design of High-Rise Buildings in Bangkok, Thailand. Lowland Technology International, 2012. 14: p. 70-83.
[4] Watcharasawe K., Jongpradist P., Kitiyodom P. and Matsumoto T., Measurements and Analysis of Load Sharing between Piles and Raft in a Pile Foundation in Clay. Geomechanics and Engineering, 2021. 24: p. 559-572.
[5] Watcharasawe K., Kitiyodom P. and Jongpradist P., 3-D Numerical Analysis of Consolidation Effect on Piled Raft Foundation in Bangkok Subsoil Condition. International Journal of GEOMATE, 2017. 12(31).
[6] Hoang L. and Matsumoto T., Time-Dependent Behaviour of Piled Raft Foundations on Saturated Clay: Experimental Investigations. International Journal of GEOMATE, 2020. 18(66).
[7] Phung Duc Long. Footings with Settlement-Reducing Piles in Non-Cohesive Soil, in Department of Geotechnical Engineering. 1993, Chalmers University of Technology: Goteborg, Sweden.
[8] Phung Duc Long. Pile Raft a Cost-Effective Foundation Method for High Rises. Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA 2010. 41: p. 1-12.
[9] Phung Duc Long. Piled Raft – a New Foundation Design Philosophy for High Rises, in Geotechnics for Sustainable Development – Geotec Hanoi. 2011: Ha Noi, Viet Nam.
[10] Phung Duc Long. Settlement Analysis for Piled Raft Foundations. Japanese Geotechnical Society Special Publication, 2016. 2(34): p. 1244-1249.
[11] Burland J.B., Broms B.B. and Mello V.F.B.d., Behaviour of Foundation and Structures. 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1977: p. 495-546.
[12] Clancy P. and Randolph M.F., An Approximate Analysis Procedure for Pile Raft Foundation. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1993. 17: p. 849-869.
[13] Thoang T.T. and Giao P.H., Subsurface Characterization and Prediction of Land Subsidence for HCM City, Vietnam. Engineering Geology, 2015. 199: p. 107-124.
[14] Hung N.K. and Phienwej N., Practice and Experience in Deep Excavations in Soft Soil of Ho Chi Minh City, Vietnam. KSCE Journal of Civil Engineering, 2015. 20(6): p. 2221-2234.
[15] Mali S. and Singh B., Behavior of Large Piled-Raft Foundation on Clay Soil. Ocean Engineering, 2018. 149: p. 205-216.
