Cọc chống và hang Cac-xtơ | Thiết kế xây dựng nhà cao tầng

Khi thiết kế kết cấu móng cọc trên nền đất có đá xuất hiện khá sớm (dưới 40m) như ở các vùng biển đảo: Quảng Ninh, Nha Trang, Đà Nẵng,... ta có kết cấu cọc chống. Sự phát triển của mảng bất động sản nghỉ dưỡng ven biển, theo đó là việc sử dụng kết cấu cọc chống ngày càng phổ biến. Dưới đây chia sẻ một vài kinh nghiệm thực tế về:

💎Tính toán thiết kế kết cấu

💎Lưu ý và xử lý tình huống thi công

💎Hang Cac-xtơ (Karst) và ảnh hưởng đến cọc chống

và không quên quà 🎁đính kèm là bảng tính toán tự động cho thiết kế xây dựng.

 

Tính cần thiết

Chủ đề liên quan đến nền móng, rõ là ảnh hưởng đến túi tiền đầu tư💶 rồi.

Cọc không chỉ chống lên mặt đá như tên gọi, mà thường khoan vào trong đá một đoạn gọi là đoạn ngàm. Do chi phí khoan cọc vào đá rất lớn, việc dễ thấy là tư vấn thiết kế cần dự báo chính xác chiều sâu cọc. Khoan sâu vừa đủ vào đá để đảm bảo chịu tải.

Hơn nữa trên nền đá vôi hay gặp ở Bắc bộ, gần như chắc chắn gặp hang Karst. Do đó công tác dự báo chiều sâu và xử lý thi công cọc, đảm bảo an toàn, tránh lãng phí tiền của trôi vào hang, lại càng cần thiết.

 

Nguyên lý thiết kế

Cọc chống được định nghĩa là loại cọc truyền tải trọng vào nền chủ yếu qua mũi cọc. Mũi cọc tựa vào lớp nền rất cứng so với các lớp đất trên thân cọc. Do đó tất cả các loại cọc tựa vào nền đá là cọc chống. Trường hợp cọc đóng vào tầng đất ít bị nén cũng là cọc chống. Khi tính toán thiết kế có thể bỏ qua không xét đến sức kháng bên (ma sát) của đất. Trừ trường hợp ma sát âm, vốn làm giảm sức chịu tải trọng nén của cọc. Cọc chống phân biệt với cọc thông thường (Tiêu chuẩn gọi là cọc treo), là cọc truyền tải trọng xuống đất nền qua thân và mũi cọc

🔍”tầng đất ít bị nén”: là đất nền ở dạng mảnh vụn thô lẫn cát ở trạng thái chặt vừa và chặt, đất dính ở trạng thái cứng, bão hoà nước, có mô đun biến dạng $E_o\le$50MPa

Tiêu chuẩn Việt Nam về thiết kế kết cấu móng cọc TCVN 10304:2014, hướng dẫn rõ ràng công thức tính toán sức chịu tải của cọc chống:

Sức chịu tải cực hạn $R_{c,u}=\gamma_cq_bA_b$, trong đó:

$\gamma_c=1$

$A_b$ là diện tích tiết diện ngang mũi cọc

$q_b$ là cường độ sức kháng của đất nền dưới mũi cọc chống, với:

 - Cọc đóng, cọc ép: $q_b=$20MPa

 - Cọc nhồi: tuỳ vào chiều sâu ngàm vào đá $l_d$, điều kiện là đá không phong hoá, không xen kẹp thấu kính đất yếu, hang Karst…

    + $l_d< 0,5$m: $q_b=R_m$

    + $l_d\geqslant0,5$m: $q_b=R_m(1+0,4\frac{l_d}{d_f})\leqslant3R_m$

$R_m=\frac{R_{c,m,n}}{1,4}$

$R_{c,m,n}=R_{c,n}K_s$

$K_s$ là hệ số giảm cường độ, phụ thuộc chỉ số chất lượng đá RQD, theo bảng 1 của Tiêu chuẩn

$R_{c,n}$ là giá trị tiêu chuẩn giới hạn bền chịu nén một trục của đá ở trạng thái bão hòa nước, được xác định theo kết quả thử mẫu đá nguyên khối trong phòng thí nghiệm.

❓RQD là gì?

Là chỉ số chất lượng đá, viết tắt của tiếng Anh Rock Quality Designation. RQD mang ý nghĩa đánh giá mức độ nứt nẻ, là 1 chỉ tiêu chất lượng của đá. RQD càng lớn đá càng tốt (bảng 1 của Tiêu chuẩn). RQD do người khảo sát địa chất xác định theo yêu cầu của tư vấn thiết kế. Cách xác định:

RQD (%) = tổng chiều dài các đoạn mẫu đá lấy được có chiều dài hơn 10cm / tổng chiều dài đoạn khoan

Xác định RQD của đá

Nếu đá bị phong hoá hay hoá mềm là nơi mũi cọc nhồi chống vào, $R_{c,m,n}$ phải lấy theo kết quả thử mẫu đá bằng bàn nén hoặc theo kết quả thử cọc chịu tải trọng tĩnh.

 

Sức chịu tải trọng tính toán xác định theo công thức (7.1.11) quen thuộc của Tiêu chuẩn:

$$N_{c,d}=\frac{\gamma_o}{\gamma_n}\frac{R_{c,k}}{\gamma_k}$$

 

Một số lưu ý thực hành

- Mọi trường hợp đều giới hạn $q_b$ không quá 20MPa. Để huy động sức chịu tải cọc lớn nhất theo đất nền, người thiết kế tính toán sao cho $q_b=$20MPa. Sau đó chọn vật liệu (bê tông, cốt thép) để đạt sức chịu tải tương ứng. Sức chịu tải của cọc lớn cho phép giảm số lượng cọc.

- Chiều sâu ngàm đá nhiều hay ít ảnh hưởng đến sức chịu tải cọc, như sự có mặt của $l_d$ trong công thức $q_b$ như trên.

- Kỹ sư thiết kế nên cân bằng chiều sâu, vật liệu cọc, sức chịu tải cọc, và theo đó là số lượng cọc để được bài toán tối ưu về chi phí nền móng với tải trọng công trình truyền lên.

Khác với cọc treo thông thường:

- Hệ số $\gamma_k$ thường bằng 1,4 cho cọc chống (1,6 với cọc đơn khoan nhồi). Theo trường hợp a) thay vì b) với cọc treo thông thường (7.1.11 của tiêu chuẩn)

- Cọc nhồi đặt cốt thép giống nhau từ trên xuống dưới, không giảm như cọc treo, vì bỏ qua ma sát thân cọc nên lực nén truyền từ đỉnh .

- Điều kiện lắng mùn đáy cọc khi thi công cọc nhồi, cọc chống khắc nghiệt hơn: bề dày lớp cặn lắng không quá 5cm (cọc treo là 10cm). Theo điều 12.2.1, TCVN 9393:2012 “Cọc khoan nhồi – thi công và nghiệm thu”

 

Hang Karst

🔍 Karst là một quá trình xảy ra khi nước trên mặt và nước dưới đất tiếp xúc với đá có khả năng dễ bị hoà tan như đá vôi trong thời gian dài. Nước hoà tan (xói mòn hóa học), xâm thực (xói mòn cơ học) cuốn trôi đá dễ hoà tan và hình thành nên các hang động ngầm, gọi là hang Karst. Hang có thể trống (như Phong Nha Kẻ Bàng) hoặc là các hang nhỏ chứa thấu kính bùn do quá trình phong hoá để lại.

Tác hại trong xây dựng:

Rủi ro cao gặp sự cố khi thi công khoan cọc - Mất dung dịch khoan (Bentonite) và mất bêtông vào hang Karst. Có thể phần mất này sẽ rất lớn. Thậm chí gây tụt đáy hố khoan, mất cần khoan.

Tác hại đến hầu bao💶 là thấy rõ, vì phần lớn trường hợp phải khoan sâu trong đá, vượt qua các hang Karst để tựa mũi cọc vào nền đá tốt. Do đó Chủ đầu tư công trình trên các vùng đá vôi nên chuẩn bị sẵn tinh thần chi phí xây dựng móng bị đội vượt dự toán.

Nói chung trong thực hành không thể định trước được sự phân bố của hang Karst, cần chú ý khi khoan cọc nếu gặp hang thì cần phải xử lý ngay. Yêu cầu người đứng máy và người chỉ đạo kỹ thuật phải rất dày dạn kinh nghiệm. Trong điều kiện có thể nên tiến hành thăm dò trước rồi khoan sau: Khoan thăm dò địa chất để xác định quy mô hang Karst tại các vị trí gần khu vực hố khoan có Karst.

Kỹ sư thiết kế xây dựng cần tuân thủ điều 13 TCVN 10304:2014. Cẩn thận thu thập đủ thông tin, để đảm bảo mũi cọc phải vượt qua các hang Karst để tựa vào lớp đá đạt yêu cầu chịu lực (không phong hoá hoặc phong hoá ít). Thử tưởng tượng dưới mũi cọc vẫn còn hang, khi chịu tải trọng công trình lên cọc bị sụp xuống thì tác hại khôn lường thế nào.

 

Lưu ý khảo sát nền đá

Người kỹ sư thiết kế cũng lưu ý khi lập nhiệm vụ khoan Khảo sát địa chất, để đánh giá tính chất cơ lý của các lớp đá. Đặc biệt nếu có đá vôi, cần biết được phân bố của hang động Karst. Từ đó có đủ cơ sở quyết định chiều sâu cọc sử dụng cho công trình trong quá trình thiết kế xây dựng. Lưu ý các thông số sau, cũng ảnh hưởng đến túi tiền💶 cho công tác khảo sát đấy:

🔹 Số lượng hố khoan khảo sát: theo phụ lục D TCVN 9363:2012, yêu cầu có không ít hơn 3 điểm thăm dò cho một nhà riêng rẽ và không ít hơn 3-5 điểm cho một cụm nhà. Trong trường hợp đặc biệt cần khoanh sự phân bố của hang Karst thì khoảng cách bố trí có thể nhỏ hơn 20m.

🔹 Chiều sâu khoan khảo sát: Khoan vào đá đủ khả năng chịu tải công trình một đoạn tối thiểu 5m, theo quy định của TCVN 9363:2012, hoặc đảm bảo tắt lún. Các hố khoan vào đá nếu gặp dải vụn do đứt gãy hoặc hang động Karst nên khoan xuyên vào trong lớp đá gốc không phong hoá ít nhất 3m. Dừng khoan ở chiều sâu lớn hơn trong 2 con số trên. Tham khảo thêm điều 13.3 của TCVN 10304:2014.

🔍“Đá đủ khả năng chịu tải công trình”: là đá ở độ sâu có mức độ nứt nẻ ít hoặc rất ít, định lượng bằng chỉ tiêu RQD của đá tối thiểu đạt RQDmin. RQD min tuỳ thuộc vào tính toán dự báo sức chịu tải cọc theo các công thức trên của người thiết kế để thu được $q_b$ mong muốn, thông qua $K_s$. (Ví dụ cần đạt tối thiểu $K_s=0,6$ thì RQDmin=75%)

Ngoài các hố khoan khảo sát để lấy mẫu đất đá, cần bổ sung các hố khoan thăm dò chiều sâu. Mục đích để bổ sung đủ số liệu địa chất của các lớp đá và sự phân bố của hang Karst, chỉ bắt đầu lấy mẫu thí nghiệm khi chạm đá. Thậm chí nếu thấy hang Karst phân bố phức tạp, phải làm các hố này tại vị trí từng tim cọc trước khi thi công.

 

Thực tế xử lý hang Karst

Công trình ở thành phố Hạ Long – Quảng Ninh, thiết kế kết cấu cọc chống khoan nhồi đường kính D1000mm, ngàm vào đá tốt tối thiểu 1,0m.  Sức chịu tải cọc đơn thiết kế là 700 tấn. Nền đất bắt đầu gặp đá vôi từ chiều sâu 22m, có nhiều hang Karst phân bố phức tạp. Thực tế thi công vài cọc đầu tiên đã bị trôi bê tông cọc khi đổ. Do đó tư vấn thiết kế quyết định khoan thăm dò đá tại vị trí từng tim cọc trước khi khoan cọc.

Hố khoan khảo sát địa chất công trình

Một số vị trí thăm dò thấy hang Karst sâu đến 12m rồi mới đến nền đá đủ chịu tải. Không rõ có nhiều hang thông nhau không. Tư vấn thiết kế đưa ra biện pháp dùng ống vách bằng thép hạ xuống khi khoan, để ngăn bentonite và bê tông bị trôi ra khỏi phạm vi hố khoan cọc. Cọc khoan sâu nhất thực tế đến 43m xuyên qua tất cả các hang Karst.