KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LẦN THỨ 12 HCMUT – 26-28/10/2011 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÓNG CỌC ỐNG BÊ TÔNG LY TÂM TIỀN ÁP CHO CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ VÙNG PHỤ CẬN LÊ BÁ VINH a , ĐỖ NGỌC ĐÔNG b a Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, Việt nam lebavinh@yahoo.com b Công ty cổ phần thương mại – dịch vụ Bến Thành, Việt nam 1. GIỚI THIỆU Trên thế giới, móng cọc ống đã được áp dụng từ hơn 60 năm về trước nhưng ở Việt Nam chỉ khoảng 20 năm gần đây nó mới được phát triển và áp dụng rộng rãi. Các nhà khoa học Nga đã có công rất lớn trong việc phát triển loại móng mới này về lý thuyết cũng như về kỹ thuật thi công. Móng cọc ống được phát triển gắn liền với tên tuổi các nhà khoa học Nga như K.X. Xilin, N.M. Glotov, V.I. Karpinski. Trước đây cọc BTCT thường làm đặc có nhược điểm là không kinh tế, vì vừa tốn xi măng, thép lại vừa nặng, gây khó khăn cho việc treo cọc và vận chuyển cọc, do đó trong những năm gần đây người ta thường chế tạo cọc ống rỗng. * Ưu điểm của cọc ống bê tông ly tâm tiền áp: Cọc ống bê tông ly tâm tiền áp có những ưu điểm nổi bật so với các loại cọc khác như sau: - Mác bê tông cao từ 50MPa đến 80Mpa - Khả năng kháng uốn đều các phương, rất hữu dụng cho loại móng đài cao - Giảm khả năng nứt của sản phẩm do sử dụng thép ứng suất trước cường độ cao - Chiều dài cọc linh hoạt, khả năng kết nối với đài đơn giản - Có thể được sản xuất trên dây chuyền công nghiệp nên dễ dàng kiểm soát chất lượng cọc. - Tiết kiệm được khối lượng bê tông và thép hơn. - Vận chuyển cọc được thực hiện dễ dàng hơn. - Sử dụng được cao nhất khả năng chiụ lực của vật liệu. - Có thể hạ móng xuống rất sâu mà không cần dùng giếng chìm hơi ép là loại móng có hại đến sức khoẻ công nhân - Hầu như có thể áp dụng được với các trường hợp địa chất phức tạp * Nhược điểm của cọc ống bê tông ly tâm tiền áp: Do đặc điểm của cọc ống, nên nếu thiết kế, thi công cọc không hợp lý sẽ có thể bị các sự cố khi thi công cọc như: - Cọc có thể bị nứt khi vận chuyển, dựng lắp nếu sơ đồ vận chuyển, dựng lắp cọc thực tế khác với sơ đồ vận chuyển, dựng lắp cọc trong thiết kế, tính toán. - Phần đầu cọc có thể bị nứt, bể khi đóng cọc nếu thiết kế gia cố đầu cọc không đủ, khi thi công đóng cọc lại chọn búa nhẹ, có chiều cao rơi lớn gây ra lực va đập mạnh lên đầu cọc. 91 - Có thể xuất hiện các vết nứt dọc thân cọc khi đóng cọc nếu thiết kế, thi công chất lượng cọc không đảm bảo. - Dưới tác động của tải trọng ngang, đài cọc có thể bị dịch chuyển ngang nhiều nếu cấu tạo liên kết giữa đầu cọc ống và đài cọc không phù hợp với đặc điểm của công trình (dân dụng, giao thông, thủy lợi, v.v…). Hình 1. Thi công móng cọc ống bê tông ly tâm tiền áp tại nhà máy thép Phú Mỹ 2. CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI CỌC ỐNG BÊ TÔNG LY TÂM TIỀN ÁP 2.1. Cấu tạo của cọc ống bê tông ly tâm tiền áp Cọc ống bê tông ly tâm tiền áp được chế tạo thành nhiều đốt có chiều dài từ 13m ÷ 22m tùy thuộc điều kiện chế tạo và điều kiện vận chuyển. 2.1.1. Cốt thép ứng suất trước Hiện nay các cọc bê tông ly tâm tiền áp đang sử dụng loại thép gân có cường độ cao Ra = (14000 – 16000) kg/cm 2 . Đường kính của thép cường độ cao thông dụng hiện nay là có 4 loại : ∅7,4mm ; ∅9,2mm ; ∅10mm ; ∅11mm được nhập về dưới dạng cuộn . 2.1.2. Bê tông cường độ cao (mác cao) Nhờ công đoạn quay ly tâm cọc và xông hơi nước nên bê tông đạt đến cường độ cao , có thể đạt Mác 600 đến Mác 800 , mặc dù vẫn dùng xi măng PC 40 bình thường và bê tông đạt cường độ nhanh , khoảng từ 7 – 8 giờ bê tông đã đạt đến cường độ thiết kế , trong khi đổ bê tông thường phải có phụ gia đông kết nhanh thì sau 7 ngày bê tông mới đạt đến cường độ thiết kế . Do Mác bê tông cọc ống bê tông ly tâm tiền áp từ Mác 600 đến Mác 800 lớn hơn Mác bê tông 300 của cọc thường nên khả năng chịu nén của cọc ống bê tông ly tâm tiền áp lớn hơn cọc bê tông thường . Do cọc ống bê tông ly tâm tiền áp dùng thép ứng lực trước nên khả năng chịu uốn của cọc ống bê tông ly tâm tiền áp rất cao, chiều dài của cọc có thể dài từ 10m – 20 m, giảm được số 92 mối nối cọc . Cọc ống bê tông ly tâm tiền áp nhẹ hơn cọc bê tông đặc thông dụng nên khả năng vận chuyển và lắp dựng trong quá trình thi công nhanh hơn, dễ dàng hơn . 2.1.3. Các chi tiết cấu tạo cọc bê tông ly tâm tiền áp : Thông số chi tiết của các bộ phận của cọc được trình bày tóm tắt như trong bảng 1. Chiều Đai Thép Thép đai dày Thép tiền áp Chiều Độ Đoạn cuối Đoạn giữa BT ĐK Số dài dày cọc cọc ĐK chiều cao chiều dài chiều cao chiều dài ĐK D T fp Np h s P1 L1 P2 L2 ∅ (mm) (mm) (mm) (PCS) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 600 100 7÷11 18÷25 100 1.6 50 1800 100 khoảng giữa 4 700 110 7÷11 24÷32 100 1.6 50 2000 100 khoảng giữa 4 800 120 7÷22 32÷40 100 2.3 50 2000 100 khoảng giữa 4 1000 140 9÷11 32÷42 100 3.2 50 2000 100 khoảng giữa 4 1200 150 9÷11 40÷55 100 3.2 80 2800 150 khoảng giữa 5 Bảng 1. Kích thước chi tiết các bộ phận của cọc. Hình 2. Cọc ống bê tông ly tâm tiền áp sau khi đúc xong. 93 2.2 Phân loại cọc ống theo khả năng chịu lực Trong tính toán cọc dựa vào momen kháng nứt của cọc mà có thể phân loại cọc thành ba loại: Loại A, Loại B, Loại C a) Loại A: Là loại cọc mà có giá trị momen kháng nứt nhỏ , không dùng cọc này cho các công trình có sự tác dụng của lực ngang lớn , loại cọc này chủ yếu chịu tải trọng đứng , loại cọc này thường dùng trong các công trình dân dụng … b) Loại B: Là loại cọc mà có giá trị momen kháng nứt trung bình, tức là cọc chịu lực ngang trung bình, loại cọc này thường dùng trong các công trình bờ kè … c) Loại C: Là loại cọc mà có giá trị momen kháng nứt lớn nhất, tức là cọc chịu lực ngang rất lớn, loại cọc này thường dùng trong các công trình có móng đài cao như: cầu tàu , cầu cảng … chịu được sự va chạm ngang lớn. Giá trị momen kháng nứt Giá trị momen phá hoại Đường kính ngoài (mm) Loại T.m {kN.m} T.m {kN.m} A 2.5 { 24.5} 2.8 { 37.3} B 3.5 { 34.3} 6.3 { 61.8} 300 C 4.0 { 39.2} 8.0 { 78.5} A 3.5 { 34.3} 5.3 { 52.0} B 5.0 { 49.0} 9.0 { 88.3} 350 C 6.0 { 58.8} 12.0 { 117.7} A 5.5 { 53.9} 8.3 { 81.4} B 7.5 { 73.5} 13.5 { 132.4} 400 C 9.0 { 88.3} 18.0 { 176.5} A 7.5 { 73.5} 11.3 { 110.8} B 11.0 { 107.9} 19.8 { 194.2} 450 C 12.5 { 122.6} 25.0 { 245.2} A 10.5 { 103.0} 15.8 { 154.9} B 15.0 { 147.1} 27.0 { 264.8} 500 C 17.0 { 166.7} 34.0 { 333.4} A 17.0 { 166.7} 25.5 { 250.1} B 25.0 { 245.2} 45.0 { 441.3} 600 C 29.0 { 284.4} 58.0 { 568.8} A 27.0 { 264.8} 40.5 { 397.2} B 38.0 { 372.7} 68.4 { 670.8} 700 C 45.0 { 441.3} 90.0 { 882.6} A 40.0 { 392.3} 60.0 { 588.4} B 55.0 { 539.4} 99.0 { 970.9} 800 C 65.0 { 637.4} 130.0 {1274.9} A 75.0 { 735.5} 112.5 {1103.2} B 105.0 {1030.1} 189.0 {1853.5} 1000 C 120.0 {1176.8} 240.0 {2353.6} Bảng 2. Khả năng chịu lực của các loại cọc ống tiền áp. 94 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC ỐNG BÊ TÔNG LY TÂM TIỀN ÁP CHO CÁC CÔNG TRÌNH THỰC TẾ Để xác định một cách hợp lý sức chịu tải của cọc, các kết quả tính toán xác định sức chịu tải của cọc ống bê tông ly tâm tiền áp theo các phuơng pháp lý thuyết khác nhau của các công trình thực tế tại Tp. Hồ Chí Minh, và các vùng lân cận đã được tổng hợp, phân tích cụ thể [2]. Bên cạnh đó, với tài liệu thử tải tĩnh cọc thu thập được của chính các công trình này, áp dụng “Tiêu chuẩn Xây dựng của Việt Nam TCXD 205-1998” để tìm sức chịu tải cực hạn và lấy đó làm cơ sở để so sánh, đánh giá kết quả của các phương pháp tính tóan lý thuyết khác . 3.1. Công trình: Chung cư cao tầng – Orchard Garden, Q. 2, Tp. HCM Ở công trình này có sử dụng cọc bê tông ly tâm tiền áp ∅600, dài L = 53,5m 3.1.1. Giới thiệu địa chất công trình: Chiều sâu khoan thăm dò tới 70m. Trong giới hạn chiều sâu này từ trên xuống dưới có 3 lớp đất chính và trên cùng 1,6m là lớp đất san nền. + Lớp đất số 01a : Cát mịn màu xám vàng, trạng thái bời rời ( Cát san lấp ), dày trung bình 1,6m + Lớp đất số 01 : Bùn sét lẫn hữu cơ, màu xám đen, nâu đen, trạng thái nhão, dày trung bình 26m. Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của lớp như sau: Dung trọng tự nhiên γ = 1,482 g/cm 3 Góc ma sát trong ϕ = 3 0 06’ Lực dính kết C = 0,072 kG/cm 2 Số chùy SPT trên 30cm = 1-4 + Lớp đất số 02 : Đất sét có màu xám , xám nâu vàng, trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng , dày trung bình 4m. Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của lớp như sau: Dung trọng tự nhiên γ = 1,785 g/cm 3 Góc ma sát trong ϕ = 10 0 45’ Lực dính kết C = 0,261 kG/cm 2 Số chùy SPT trên 30cm = 6-8 + Lớp đất số 03 : Cát mịn – trung lẫn ít bụi sét , màu xám vàng , vàng nâu lẫn ít thạch anh, trạng thái chặt vừa , bão hoà nước , dày trung bình 37m . Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của lớp như sau: Dung trọng tự nhiên γ = 1,95 g/cm 3 Góc ma sát trong ϕ = 32 0 52’ Lực dính kết C = 0,051 kG/cm 2 Số chùy SPT trên 30cm = 14-33 3.1.2. Tính toán sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý Theo TCXD 205-1998 [1]: Q tc = m(m R q p A p + uΣm fi f si l i ) = 455.2T 95 Với móng có 1 đến 5 cọc: K tc =1.75, Q a = 260.11 T 3.1.3. Tính tốn sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ Theo TCXD 205-1998 [1]: Q u = A p q p + uΣf si l i = 926.26 T Với FS s = 1.5, FS p = 2, Q a = 557.92 T 3.1.4. Tính tốn sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm xun tiêu chuẩn SPT Theo TCXD 205-1998 [1], Phụ lục C: Xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xun: Q u = K 1 . N . A p + K 2 . N tb . A s = 541.65T BIỂU ĐỒ QUAN HỆ TẢI TRỌNG - ĐỘ LÚN CỌC THỨ 2 ( CỌC Þ600 ) 0 1.39 2.76 4.93 7.39 10.8 6.91 1.75 1.081.08 4.8 9.25 12.65 14.9 18.45 22.64 26.89 62.63 61.29 58.86 54.34 47.71 0.00 1.43 2.85 4.28 5.70 7.13 8.55 9.98 11.40 12.83 14.26 15.68 8.80 10.23 11.65 13.08 14.50 15.93 17.35 18.78 20.20 21.63 23.06 24.48 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 0 44 88 132 176 220 264 308 352 396 440 484 P (tấn ) S (mm) với FS = 2.5, Q a = 216.66 T 3.1.5. Tính tốn sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm thử tải tĩnh Hình 3. Kết quả thử tải tĩnh cọc Theo TCXD 205-1998 [1], Phụ lục E: Xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả nén tĩnh cọc: 320T = u Q với FS = 2, Q a = 160 T 96 3.2. Công trình: Nhà máy xi măng Donafrance Ở công trình này sử dụng cọc bê tông ly tâm tiền áp ∅700, dài L = 30m. Các kết quả xác định sức chịu tải của cọc theo các phương pháp khác nhau được tổng hợp như sau [2] : Theo chỉ tiêu cơ lý Theo chỉ tiêu cường độ Theo thí nghiệm SPT Theo thí nghiệm thử tải tĩnh Sức chịu tải cho phép của cọc (T) 262.62 206.8 175.1 180 3.3. Công trình: EG TUB – Phú Mỹ 2 Ở công trình này sử dụng cọc bê tông ly tâm tiền áp ∅800, dài L = 40m. Các kết quả xác định sức chịu tải của cọc theo các phương pháp khác nhau được tổng hợp như sau [2] : Theo chỉ tiêu cơ lý Theo chỉ tiêu cường độ Theo thí nghiệm SPT Theo thí nghiệm thử tải tĩnh Sức chịu tải cho phép của cọc (T) 360.3 558.34 316 269 3.4 Nhận xét về các kết quả tính toán sức chịu tải của cọc Sau khi tính toán sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý, theo chỉ tiêu cường độ, theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) và kiểm tra lại sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh ngoài hiện trường thì chúng ta có nhận xét cách tính sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) có kết quả gần giống với kết quả thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường nhất (so với cách tính theo chỉ tiêu vật lý, chỉ tiêu cường độ của đất nền), nên ta có thể chọn kết quả từ phương pháp tính theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) làm sức chịu tải thiết kế của cọc. 4. KẾT LUẬN 1. Dựa vào momen kháng nứt của cọc, có thể phân lọai cọc ống bê tông ly tâm tiền áp thành ba loại : - Loại A : Là loại cọc mà có giá trị momen kháng nứt nhỏ , không dùng cọc này cho các công trình có sự tác dụng của lực ngang lớn , loại cọc này chủ yếu chịu tải trọng đứng, thường dùng trong các công trình dân dụng … - Loại B : Là loại cọc mà có giá trị momen kháng nứt trung bình , tức là cọc chịu lực ngang trung bình , loại cọc này thường dùng trong các công trình bờ kè … - Loại C : Là loại cọc mà có giá trị momen kháng nứt lớn nhất , tức là cọc chịu lực ngang rất lớn , loại cọc này thường dùng trong các công trình có móng đài cao như : cầu tàu, cầu cảng … chịu được sự va chạm ngang lớn . 2. Do mác bê tông cọc ống ly tâm tiền áp từ 600 đến 800, lớn hơn mác bê tông 300 của cọc thường nên khả năng chịu nén của cọc ống bê tông ly tâm tiền áp lớn hơn cọc bê tông thường. Do cọc ống bê tông ly tâm tiền áp dùng thép ứng lực trước nên khả năng chịu uốn của cọc ống 97 bê tông ly tâm tiền áp rất cao, chiều dài của cọc có thể dài từ 10m – 20 m , giảm được số mối nối cọc . 3. Cách tính sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) có kết quả gần giống với kết quả thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường nhất (so với cách tính theo chỉ tiêu vật lý, chỉ tiêu cường độ của đất nền), nên ta có thể chọn kết quả từ phương pháp tính theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) làm sức chịu tải thiết kế của cọc. 4. Phương án cọc ống ly tâm tiền áp có giá thành thấp nhất so với hai phương án: Cọc đặc bê tông đúc sẳn và Cọc khoan nhồi. So với phương án cọc đặc bê tông đúc sẳn thì giá thành cọc ống rỗng rẻ hơn khoảng từ 10% đến 20%. Đối với trường hợp cọc khoan nhồi, giá thành cọc ống bê tông ly tâm tiền áp rẻ hơn giá thành cọc khoan nhồi khoảng từ 25% đến 35% . TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Châu Ngọc Ẩn - Nền móng, Nhà xuất bản đại học quốc gia Tp. HCM, 2010. 2. Đỗ Ngọc Đông – Nghiên cứu ứng dụng móng cọc ống bê tông ly tâm tiền áp cho công trình trên sét yếu khu vực Tp.HCM và ĐBSCL - Luận văn Thạc sỹ, 2006. 3. Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái - Móng cọc - Phân tích và thiết kế, Nhà Xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2004. SUMMARY STUDY ON THE APPLICATION OF PRESTRESSED CONCRETE PILES IN THE HO CHI MINH CITY AND NEARBY AREAS This paper presents the application of prestressed concrete piles in the Ho Chi Minh City and nearby areas. Types and specifications of piles are showed. Determination of the load bearing capacity was carried out for several construction projects in the Ho Chi Minh City and nearby areas. Based on the calculated results, SPT method is most suitable for determination of the load bearing capacity. Moreover, the costs of prestressed concrete piles are cheaper than cost of other piles. 98 . Thi công móng cọc ống bê tông ly tâm tiền áp tại nhà máy thép Phú Mỹ 2. CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI CỌC ỐNG BÊ TÔNG LY TÂM TIỀN ÁP 2.1. Cấu tạo của cọc ống bê tông. KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LẦN THỨ 12 HCMUT – 26-28/10/2011 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÓNG CỌC ỐNG BÊ TÔNG LY TÂM TIỀN ÁP CHO CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT