QUAN TRẮC PHÂN PHỐI TẢI TRỌNG LÊN CỌC VÀ ĐẤT NỀN
DƯỚI MÓNG CÔNG TRÌNH CÓ TẦNG NGẦM
TS. Trịnh Việt Cường, Viện KHCN xây dựng – Bộ Xây dựng
TS. Bùi Đức Hải, Viện KHCN và KT xây dựng Hà Nội
TS. Trần Huy Tấn, Viện KHCN xây dựng – Bộ Xây dựng

Tóm tắt: Thông thường móng cọc của nhà có tầng ngầm được thiết kế với giả thiết toàn
bộ tải trọng của công trình được truyền lên cọc. Tuy vậy các nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm ở nhiều nước trên thế giới đã cho thấy đất dưới bè móng tầng ngầm có tham gia
chịu tải cùng với cọc. Giải pháp tính tóan móng có kể đến sự làm việc đồng thời giữa cọc
và nền đã được áp dụng trong thiết kế nhiều công trình cao tầng có tầng ngầm ở nhiều
nước tiên tiến. Bài báo này giới thiệu kết quả quan trắc phân bố tải trọng lên cọc và lên
nền tại một công trình xây dựng ở Hà Nội. Kết quả thực nghiệm cho thấy đất nền tiếp
nhận trên 20% tải trọng mặc dù tòa nhà được xây dựng trong điều kiện địa chất công
trình không thuận lợi.
Abstract: Normally, the piled foundations of buildings with basements are designed with
the assuming that the whole structural load is transferred to piles. However, theorical and
experimental studies have showed that the load are always shared between the piles
and the soil under the basement raft. Analysis methods that account for the interaction
between piles and raft have been applied in the design of many high rise buildings
abroad. This report presents the results from monitoring the distribution of structural load
on piles and raft under a building in Hanoi. Experimental results show that the raft takes
over 20% of the total load although the building is constructed in an area of unfavourable
soil condition.
1. Mở đầu
Do quĩ đất cho phát triển đô thị ở các thành phố lớn ngày càng hạn hẹp nên việc xây
dựng nhà cao tầng có tầng ngầm là giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng đất. Trong
những năm 1990 số tầng nhà thường chỉ ở mức 10-20 tầng thì từ năm 2000 đến nay
nhà 20-30 tầng đã trở nên phổ biến và một số công trình trên 60 tầng cũng đang được
xây dựng. Đồng thời với việc tăng số tầng bên trên, số tầng ngầm của các công trình
được xây dựng gần đây cũng tăng lên do nhu cầu bố trí chỗ để xe và các thiết bị kỹ

thuật khác. Một số công trình đã được xây dựng với 5 tầng ngầm và hiện nay một số
công trình khác đang được thi công có tới 7 tầng ngầm.
Giải pháp móng cọc đã được sử dụng cho hầu hết các công trình nhà cao tầng. Thiết
kế thực hiện theo các tiêu chuẩn móng cọc hiện hành ở Việt Nam đều giả thiết toàn bộ
tải trọng của công trình được truyền lên móng cọc và sự tham gia chịu tải của đất nền
giữa các cọc không được xét đến. Thông thường, chi phí cho phần cọc chiếm khoảng
15-25% chi phí xây dựng công trình nhà cao tầng.


Ở nước ngoài, các nghiên cứu về sự làm việc đồng thời cuả cọc và đất nền lý thuyết
và thực nghiệm đã thực hiện ở nhiều nứơc tiên tiến trên thế giới đã chứng tỏ sự tham
gia làm việc của nền đất dưới móng cọc[2], [3], [4], [5], [7]. Giải pháp thiết kế có kể đến
sự làm việc đồng thời của cọc và đất nền dưới móng đã cho phép giảm khoảng 20-40%
chi phí cho móng cọc, tùy theo điều kiện cụ thể của công trình, trong đó các yếu tố có
ảnh hưởng mạnh nhất là điều kiện địa chất, qui mô công trình và độ sâu phần ngầm,
Hiện nay việc áp dụng giải pháp thiết kế trong đó có kể đến sự làm việc đồng thời của
cọc và nền nói chung và có kể đến hiệu ứng do đào đất để xây dựng phần ngầm nói
riêng đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Nhiều công trình với qui mô 40-60 tầng đã
được xây dựng trên móng bè-cọc tại Mexico [8], CHLB Đức [4], Nga [1], Nhật [5], v.v.
Ở Việt Nam, sự làm việc đồng thời của cọc và đất nền đã được nhiều tác giả quan
tâm nghiên cứu và kiến nghị áp dụng trong giải pháp nền móng. Tuy vậy việc áp dụng
các kết quả nghiên cứu vào thực tế còn rất hạn chế. Vì vậy nghiên cứu thực nghiệm sự
phân bố tải trọng giữa cọc và nền tại công trình trụ sở công ty Tiền Phong cho phép đưa
ra những số liệu cụ thể chứng tỏ hiệu quả đạt được khi áp dụng giải pháp này trong thực
tế.
2. Mô tả công trình
2.1 Thông tin chung
Trụ sở công ty Tiền Phong có kích thước mặt bằng 21m x 28 m, gồm 11 tầng nổi
cao 42 m và 1 tầng ngầm sâu 2,4 m (hình 1). Công trình có kết cấu khung bê tông cốt
thép kết hợp với lõi cứng. Các cột được bố trí theo lưới 7x7 m. Theo tính toán, tải trọng

lớn nhất ở chân cột bằng 944 T.
Thiết kế đã lựa chọn sử dụng cọc ép cho móng của công trình. Trong tính toán thiết
kế đã giả thiết toàn bộ tải trọng công trình được truyền lên cọc. Phần móng có cấu tạo
như sau:
-

Cọc BTCT tiết diện 30x30 cm, ép đến độ sâu 18.7-21.6 m. Mũi cọc tựa trên
lớp cát mịn trạng thái chặt vừa (lớp 7). Sức chịu tải cho phép của cọc bằng
70T;

-

Cọc được bố trí thành từng cụm bên dưới cột, số lượng cọc dưới cột chịu tải
trọng lớn nhất là 14 cây (hình 4);

-

Hệ thống móng gồm các đài cọc, giằng, tường và bản đáy tầng ngầm.


Hình 1. Mặt cắt qua công trình
2.2 Điều kiện địa chất công trình
Theo kết quả khảo sát địa chất, đất nền ở khu vực tương đối thuận lợi cho các công
trình xây dựng, tuy vậy ở độ sâu khoảng 6-9m đã gặp một lớp bùn sét và đây là lớp đất
yếu duy nhất đã gặp trong phạm vi khảo sát. Trụ địa chất điển hình và một số chỉ tiêu cơ
lý của đất nền được trình bày trong bảng 1.
Trên cơ sở phân tích điều kiện địa chất và tải trọng của công trình, thiết kế đã lựa
chọn giải pháp hạ cọc đến lớp 7 (cát mịn, chặt vừa) gặp từ độ sâu khoảng 22 m trở
xuống. Do lớp đất tựa cọc chỉ là cát mịn với NSPT=16-21 búa/30 cm nên sức chịu tải của
cọc chủ yếu phụ thuộc vào ma sát bên và độ lún của công trình dự kiến bằng 2.1-7.2 cm

(tùy theo vị trí cột).


Bảng 1. Một số chỉ tiêu của các lớp đất nền
Chỉ tiêu
Lớp
đất

Mô tả

Bề dày
(m)

W

γ

(%)

g/cm3

eo

IP
(%)

c
IS

(kG

2

/cm )

ϕ
(độ)

1

Đất san lấp

2-2,4

2

Sét pha dẻo cứng

2-2,4

28.6

1.85

0.885

12.5

0.37

0.19


10°30’

3

Bùn sét pha lẫn tàn tích
hữu cơ

3,3

48.8

1.51

1.33

14.6

1.80

0.052

3°40’

4

Sét nửa cứng

3.7-4.5


24.1

1.93

0.759

18.0

0.15

0.309

15°00’

5

Sét pha dẻo cứng đến
nửa cứng

4.8

26.1

1.89

0.798

11.5

0.31


0.219

12°20’

6

Cát pha dẻo, xen kẹp
cát mịn (NSPT=12-14)

3.5

24.9

1.87

0.803

6.1

0.4

0.146

15°10’

7

Cát hạt mịn, chặt vừa


9

(búa/
30cm)

12-14

4.7

16-21

Cát hạt trung, hạt thô
lẫn sạn sỏi nhỏ, chặt
vừa đến chặt (NSPT=1735)

8.1

17-35

Sỏi, cuội lẫn cát thô, cát
trung, chặt đến rất chặt
(NSPT=39-64)

-

39-64

(NSPT=16-21)
8


NSPT

2.3 Thông tin về thi công và thí nghiệm cọc
Cọc của công trình được ép tới tải trọng 170-198 T. Trước khi thi công đại trà, 3 cây
cọc dài 19.1m đến 21.6 m đã được thí nghiệm nén tĩnh (bảng 2). Theo kết quả thí
nghiệm, cọc chưa đạt tới sức chịu tải giới hạn khi được nén tới 160 T và độ lún của cọc
ở cấp tải thí nghiệm lớn nhất ở mức 13-17 mm (hình 2). Thông tin về chiều dài và lực ép
của các cọc thí nghiệm và một số cây cọc khác được trình bày trong bảng 2.


Bảng 2. Thông tin về cọc thí nghiệm và cọc được gắn đầu đo lực
TT

No.

Chiều dài (m)

Lực ép (T)

Ghi chú

1

36

19.15

172.2

Nén tĩnh (No.1)


2

155

21.25

172.2

Nén tĩnh (No.2)

3

187

21.65

172.2

Nén tĩnh (No.3)

4

38

19.75

172.2

C1


5

77

20.25

172.2

C5

6

90

21.55

172.2

C3

7

130

18.75

196.8

C2


8

144

20.55

172.2

C4

9

158

20.05

172.2

C6

Hình 2. Biểu đồ tải trọng - độ lún của cây cọc thí nghiệm No.3
3. Quan trắc phân bố tải trọng lên cọc và lên nền
Phần móng công trình Công ty Tiền Phong đã được thiết kế với giả thiết toàn bộ tải
trọng được truyền lên móng cọc. Tuy vậy ngay cả trong điều kiện đó các kết quả nghiên
cứu lý thuyết và thực nghiệm cho các công trình tương tự đã cho thấy một phần đáng kể
tải trọng công trình được truyền lên nền đất dưới bản đáy tầng ngầm, nghĩa là đất nền
luôn tham gia chịu tải cùng móng cọc. Công tác quan trắc đã thực hiện ở Công ty Tiền



Phong nhằm mục tiêu định lượng sự phân chia tải trọng lên cọc và lên nền dưới móng
công trình xây dựng trong điều kiện đất nền khu vực Hà Nội.
3.1 Nội dung công tác quan trắc
Các quan trắc đã thực hiện tại hiện trường bao gồm:
-

Quan trắc lực tác dụng lên cọc bằng 06 đầu đo biến dạng (sử dụng thiết bị của
hãng Slope Indicator – hình 3a);

-

Quan trắc áp lực tác dụng lên đất nền bằng 03 đầu đo áp lực trong đất (sử
dụng thiết bị của hãng Slope Indicator – hình 3b);

-

Quan trắc độ lún của công trình bằng thiết bị quang học.

Trong điều kiện số lượng thiết bị được lắp đặt hạn chế, việc lựa chọn vị trí lắp đặt
các đầu đo lực lên cọc và áp lực lên nền được thực hiện theo nguyên tắc:
-

Quan trắc lực tác dụng lên cọc và lên nền tại khu vực chịu tải cao nhất
(khoảng giữa nhà và khu vực vách cứng);

-

Trong cụm cọc, bố trí cọc đầu đo lực trên cây cọc chịu tải trọng ở mức trung
bình trong nhóm (không bố trí ở biên, góc hoặc ở tâm nhóm cọc);


-

Quan trắc áp lực lên nền ở khoảng giữa các giữa các đài cọc có đặt đầu đo
lực trên cọc;

-

Quan trắc lún ở chân các cột góc, biên và các cột ở khu vực trung tâm của
công trình.

Mặt bằng bố trí các điểm quan trắc được thể hiện trên hình 4 và sơ đồ lắp đặt các
đầu đo được thể hiện trên hình 5. Tín hiệu từ các đầu đo được truyền về thiết bị đo qua
các dây dẫn chuyên dùng có khả năng chịu ẩm và chống nhiễu.

(a)

(b)

Hình 3. Các đầu đo biến dạng (a) và áp lực trong đất (b)


Hình 4. Mặt bằng bố trí các điểm quan trắc

(a)

(b)

Hình 5. Chi tiết bố trí các đầu đo lực (a) và áp lực trong đất (b)



3.2 Kết quả quan trắc
Quan trắc được thực hiện từ ngày 5.11.07 đến ngày 30/9/08 với tổng số 16 lần đo..
Trong giai đọan này phần thô của tòa nhà đã được thi công tới tầng 9.
3.2.1 Kết quả quan trắc lực tác dụng lên cọc
Trong số 6 đầu đo lực đã đặt trên 6 cọc, đầu đo đặt ở vị trí C-2 (móng B-2) cho kết
quả cao gấp 3.8-6.5 lần so với các đầu đo còn lại. Nguyên nhân của hiện tượng này có
thể do đầu đo đã bị hư hại do tác động của môi trường hoặc do các lực tác động trong
quá trình thi công. Đây là hiện tượng thường gặp khi tiến hành thực nghiệm. Vì số liệu
đo ở điểm C-2 có tính đột biến nên trong phần tiếp theo của báo cáo sẽ không xét đến
số liệu đo ở điểm này.
Kết quả quan trắc thể hiện trên hình 6 cho thấy:
-

Tải trọng đo được trên các cọc thuộc các cụm khác nhau là không đồng đều.
Khi kết thúc xây dựng phần thô tầng 9, tải trọng thay đổi ở mức 21-35.7 T/cọc;

-

Tại các điểm C-1, C-3 và C-6, tải trọng tác dụng lên cọc là không đáng kể
trong giai đọan xây dựng tâng ngầm đến tầng 3 của công trình trong khi tải
trọng trên các cọc C4 và C-5 tương đối nhỏ. Nguyên nhân có thể do ở giai
đọan này tải trọng của công trình nhỏ và được phân bố chủ yếu lên đất nền;

-

Cho tới khi kết thúc xây dựng phần thô của 4 tầng, tải trọng tác dụng lên cọc ít
thay đổi;

-


Tải trọng lên cọc có xu hướng tăng rõ rệt trong giai đọan xây dựng các tầng 5,
6 và 7.

3.2..2 Kết quả quan trắc áp lực đáy móng bè
Kết quả quan trắc áp lực đáy móng được thể hiện trên hình 7 cho thấy:
-

Tải trọng đo được tại cả 3 điểm tương đối đồng đều;

-

Áp lực tăng tới 0,15-0,2 kG/cm2 ngay từ giai đọan thi công tầng 1và ít thay đổi
cho tới khi kết thúc thi công phần thô tầng 5. Hiện tượng này có thể do sau khi
đào hố móng vào mùa khô, đất ở đáy móng đã bị giảm độ ẩm. Sau khi thi
công hệ móng, độ ẩm đã phục hồi dần và sự trương nở cuả đất tạo ra áp lực
lên bè móng;

-

Trong giai đọan xây dựng các tầng từ 6-9, áp lực đáy món tăng đều và đạt tới
khoảng 0,26 kG/cm2;

-

Có dấu hiệu áp lực đáy móng ít thay đổi ở chu kỳ cuối.

3.2.3 Kết quả quan trắc độ lún
Kết quả quan trắc độ lún ở khu vực trung tâm mặt bằng nhà thể hiện trên hình 8 cho
thấy:
-


Phần trung tâm công trình lún đều, không phát hiện chênh lệch lún đáng kể
giữa các cột;


-

Độ lún tăng theo qui luật tuyến tính đến khi kết thúc xây dựng phần thô tầng 6;

-

Trong lần đo gần đây nhất, độ lún của công trình bằng khoảng 7-8,4 mm, còn
thấp hơn nhiều so với dự báo.

3.2.4 Nhận xét về phân bố tải trọng lên cọc và lên nền
Để đánh giá sự phân bố tải trọng giữa cọc và nền cho công trình Công ty Tiền
Phong có thể lấy trường hợp của cột B-3. Đây là cột nằm ở tâm công trình và theo tính
toán kết cấu thì đây là cột chịu tải trọng lớn nhất. Các thông số xem xét là:
-

Diện tích phân bố tải của cột bằng 7x7=49 m2;

-

Lực trung bình đo được trên cọc sau khi thi công tầng 9: P=31 T;

-

Lực tính toán trên cọc sau khi thi công tầng 9: P=26.28 T;


-

Số lượng cọc trong nhóm: 14 cây;

-

Áp lực dưới móng bè đo được (tại PR-1): q=2.6 T/m2;

-

Tải trọng chân cột khi hoàn thành phần thô tầng 9: N=570 T

Phân chia tải trọng lên cọc và lên nền từ khi bắt đầu xây dựng tầng 1 đến khi kết
thúc phần thô tầng 9 (hình 9) được thể hiện thông qua tỷ số k=Nnền/N, trong đó Nnền là
tải trọng truyền lên đất nền và N là tải trọng ở chân cột B-3. Có thể thấy ở giai đoạn đầu
phần lớn tải trọng được phân bố lên nền đất (k=60-70%), sau đó tỷ lệ này giảm dần
xuống k=23,2% khi kết thúc quá trình quan trắc. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể
do đất bị khô trong quá trình thi công móng, sau đó độ ẩm tăng trở lại làm đất trương nở
gây áp lực ban đầu lên đáy móng và thậm chí đã gây ra lực kéo lên một số cây cọc (hình
6).

Hình 6. Kết quả quan trắc tải lên cọc


Hình 7. Kết quả quan trắc áp lực lên đất nền

Hình 8. Kết quả quan trắc lún


80.0


Nnền /N (%)

70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0

0

2

4

6

8

10

12

14

16


Chu kỳ đo

Hình 9. Tỷ lệ phân bố tải trọng lên nền theo chu kỳ đo
7. Kết luận và kiến nghị
Trong điều kiện bên dưới móng công trình Công ty Tiền Phong có lớp đất yếu, công
trình được thiết kế với giả thiết toàn bộ tải trọng được truyền lên cọc và độ sâu đào hạn
chế, quan trắc đã cho thấy đất nền có tham gia chịu tải cùng móng cọc. Kết quả quan
trắc đã thực hiện ở đây cũng phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ở
nhiều nước trên thế giới.
Trong điều kiện hiện nay cần nghiên cứu áp dụng những giải pháp thiết kế trong đó
có xét đến sự làm việc đồng thời giữa cọc và bè móng của các công trình có tầng ngầm
để giảm chi phí cho phần móng và nâng cao hiệu quả đầu tư trong xây dựng. Các khu
vực không có đất yếu tại Từ Liêm, Sóc Sơn, Đông Anh và một số vùng thuộc nội thành
Hà Nội (cũ) có điều kiện địa chất thuận lợi nhất để áp dụng giải pháp này.
Tài liệu tham khảo
1.

2.
3.

4.

Bakholdin,
B.
V.
“PILED-RAFT
FOUNDATIONS.
DESIGN
AND
CHARACTERISTICS OF CONSTRUCTION PROCEDURES” Soil Mechanics and

Foundation Engineering, Vol. 40, No. 5, 2003 (dÞch tõ Osnovaniya, Fundamenty i
Mekhanika Gruntov, No. 5, pp. 24-27, September-October, 2003)
Borel, S. & Combarieu, O. “Some Observations on Piled Footings”, 2nd Symp. in
Civil Eng., Budapest, 1998
Cooke, R.W., Bryden-Smith, D.W., Gooch, M.N & Sillet, D.F. “Some observations
of the foundation loading and settlement of a multi-storey building on a piled raft
foundation in London Clay”, Proc. Instn. Civ. Engs., Part 1, 1981, Aug. 433-460
Katzenbach, R., Bachmann, G., Gutberlet, C., A. Schmitt & Turek, J. “Deep
Foundations Combined Pile-Raft Foundation of Frankfurt High-Rise Buildings”


5.

6.
7.
8.

Majima, M. & Nagao, T. “Behaviour of piled raft foundation for tall building in Japan”
(Design and applications of raft foundations, Editor: Hemsley, J.A.), Thomas
Telford, 2000
D. Placzek, M. Thaher, M. Kowalów, R. Schluff, “Europe Tower Sofia”
Poulos, H. G. & Davis, E. H. (1980), Pile Foundation Analysis and Design, John
Wiley and Sons.
Zeevaert, L. (1957), Foundation Design and behavior of Tower Latino Americana in
Mexico City, Geotechnique, VII, Sept. p 115