1. Giới thiệu
Hai thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự gia tăng cạnh tranh xây dựng các tòa nhà “siêu cao” có chiều cao vượt quá 300m. Các tòa nhà siêu cao (loại có chiều cao vượt quá 300m) đang đặt ra những thách thức mới đối với các kỹ sư thiết kế, đặc biệt là liên quan đến kết cấu và địa kỹ thuật. Điều này đã thúc đẩy các nhà khoa học trong nước quan tâm nghiên cứu nhưng gặp một số khó khăn: Sử dụng nhiều phương pháp thiết kế truyền thống không phù hợp, tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam chưa cập nhật, hoặc chưa có nhiều kỹ sư được tham gia hoặc chủ trì thiết kế các công trình siêu cao tầng tương tự trước đó. Do đó, các kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật buộc phải sử dụng các phương pháp tính toán và thiết kế phức tạp hơn và bỏ lại các phương pháp thực nghiệm, sử dụng các phương pháp tính toán tiên tiến và hiện đại hơn.
Các tác giả đề cập đến một số khía cạnh mà kỹ sư thiết kế nền móng cho các tòa nhà cao tầng phải đối mặt, chủ yếu từ quan điểm địa kỹ thuật. Một số tính năng đặc biệt của các tòa nhà sẽ được phân tích cẩn thận làm cơ sở để các kỹ sư thiết kế chọn giải pháp nền móng phù hợp. Việc phân tích được minh họa thông qua 04 tòa nhà siêu cao tầng nổi tiếng trên thế giới
2. Các đặc trưng của nhà siêu cao tầng
Các đặc tính cơ bản của nhà cao tầng cần lưu ý:
- Trọng lượng bản thân của tòa nhà làm tăng tải trọng đứng của công trình lên nền, có thể là đáng kể. Trọng lượng của tòa nhà cũng tăng không theo tuyến tính theo chiều cao nên thiết kế cần xem xét cẩn thận cả khả năng chịu lực và độ lún cuối cùng của móng công trình.
- Các tòa nhà cao tầng thường được bao quanh bởi các kết cấu khối đế thấp tầng chịu tải trọng nhỏ hơn nhiều. Do đó, cần kiểm soát độ lún chênh lệch giữa phần cao tầng và phần thấp tầng.
- Các nội lực bên trong khung do tải trọng gió gây ra, truyền các mô men bất lợi lên hệ móng, có thể là rất cao. Những mô men này có thể tác động gia tăng tải trọng thẳng đứng lên móng, đặc biệt là lên các cọc ở vị trí bên trong hệ thống móng. Thiết kế sức chịu tải của cọc theo vật liệu cần phải tính đến tác động gia tăng do các lực và mô men bất lợi kể trên gây ra.
- Tải trọng và mô men do gió gây ra có tính chất tuần hoàn. Cần phải xem xét ảnh hưởng của tải trọng dọc và ngang theo chu kỳ lên hệ thống móng vì tải trọng theo chu kỳ có khả năng làm suy giảm khả năng chịu lực của nền móng và gây ra hiện tượng lún.
- Hoạt động địa chấn của nền sẽ tạo ra các lực xô ngang tác dụng lên kết cấu và cũng tạo ra các dịch chuyển lên hệ kết cấu móng của công trình.Do đó, làm gia tăng các lực và mô men lên hệ móng thông qua hai cơ chế:
+ Các lực và mô men quán tính gia tăng do lực xô ngang tác động lên hệ kết cấu bên trên;
+ Các lực và mô men động học gây ra trong cọc trong móng do chuyển động của đất tác dụng lên cọc.
Tải trọng do gió và do động đất gây ra, có bản chất là động nên khả năng gây ra cộng hưởng của chúng trong kết cấu cần phải được đánh giá. Nguy cơ cộng hưởng của các tải trọng động này phụ thuộc vào một số yếu tố như: Chu kỳ của tải trọng động, chu kỳ tự nhiên của kết cấu, độ cứng và giảm chấn của hệ móng.
Phản ứng động học của các tòa nhà siêu cao tầng đặt ra một số bài toán phức tạp cho các kỹ sư khi thiết kế kết cấu và nền móng. Đặc biệt, chu kỳ dao động cơ bản của một kết cấu siêu cao tầng có thể ≥ 10s hoặc hơn và các nguồn kích động như gió động và động đất có chu kỳ thấp hơn nhiều, nói chung sẽ không làm rung lắc hệ chịu lực. Tuy nhiên, một số kết cấu có độ dung lắc cao hơn đáng kể và có thể bị kích thích bởi gió động hoặc động đất. Các loại rung lắc này phụ thuộc chủ yếu vào các đặc điểm của kết cấu bên trên nhưng cũng có thể bị ảnh hưởng của nền móng bên dưới
3. Lựa chọn phương án móng
3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn nền móng
Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến loại móng được chọn cho nhà siêu cao tầng bao gồm: Địa điểm xây dựng và hệ kết cấu chịu lực; Độ lớn và sự phân bố của tải trọng tác động lên công trình; Điều kiện về địa chất; Biện pháp thi công; Ảnh hưởng của các công trình lân cận; Chi phí xây dựng; Thực tiễn xây dựng ở địa phương.
3.2. Các loại móng cho nhà siêu cao tầng được xem xét lựa chọn, bao gồm:
a. Móng bè
b. Móng bè bù (hoặc bè nổi)
c. Móng cọc
d. Móng bè trên nền cọc
|
Loại móng
|
Loại địa chất
|
Địa điểm xây dựng
|
Só trường hợp
|
Độ lún trên đơn vị áp lực (mm/Mpa)
|
|
Móng bè
|
Đất sét cứng
Đá vôi
|
Houston
Amman; Riyadh
|
2
2
|
227-308
25-44
|
|
Móng bè trên nền cọc
|
Đất sét cứng
Cát dày, chặt
Đá mềm
Đá vôi
|
Frankfurt
Berlin; Niigata
Dubai
Frankfurt
|
5
2
5
1
|
218-258
83-130
32-66
38
|
(Bảng 1: Các ví dụ về độ lún của nền móng công trình siêu cao tầng)
- Các giá trị trong bảng 1 dưới dạng độ lún trên đơn vị áp lực lên móng. Các kết quả này được khảo sát đối với các loại móng có chiều rộng trung bình từ 40-100m được công bố bởi các tài liệu nghiên cứu của Hemsley, Katzenbach và giá trị này giảm khi độ cứng của móng tăng lên. Thông thường, những nền móng này có độ lún từ 25-300mm trên một MPa
- Trong các ví dụ trên, một số tòa nhà được xây dựng trên đài bè + cọc nằm trong đất sét cứng (Frankfurt) đã lún hơn 100mm, vượt quá giới hạn cho phép về độ lún đối với công trình bình thường, nhưng không gây hư hại hoặc không làm mất thẩm mỹ đối với công trình. Do đó, có thể kết luận rằng độ lún có thể chấp nhận được đối với các kết cấu siêu cao tầng vượt quá các giá trị thiết kế thông thường là 50-65mm. Tương tự, cho độ nghiêng tổng thể và độ lún lệch giữa phần cao tầng và phần thấp tầng của một dự án siêu cao tầng cũng có thể lớn hơn so với công trình bình thường. Các kết luận trên cũng tương đồng với các công bố của tiến sĩ Phùng Đức Long thông qua 2 bài viết đăng trên các tạp chí địa kỹ thuật năm 2011.
4. Các công trình minh họa
4.1. Tòa nhà La Azteca ở Thủ đô Mexico
Tòa nhà có 25 tầng, cao 81m, gồm khối đế và 21 tầng căn hộ bên trên. Tòa nhà chịu tổng tải trung bình khoảng 118kPa và nằm trên một lớp đất sét nâu, có độ nén cao, cũng là nơi bị sụt lún bề mặt do khai thác nước ngầm quá mức. Công trình được xây dựng trên một móng bè trên nền cọc giảm lún. Phần ngầm bên dưới gồm 1 tầng hầm sâu 3,5m và đài bè dày 2,5m. Bè được hỗ trợ bởi 83 cọc bê tông cốt thép có đường kính 400mm, được đóng xuống độ sâu 24m so với mặt đất tự nhiên. Đối với công trình này, những thách thức mà các kỹ sư thiết kế nền móng gặp phải là thiết kế móng nằm trong một lớp sét yếu dày mà sự hỗ trợ tính toán bởi máy tính là chưa có (tòa nhà này được xây dựng trong thập niên 80 của thế kỷ trước).
- Theo các nghiên cứu của Zeevaert: Độ lún của móng bè trong trường hợp không sử dụng cọc giảm lún là rất lớn (gấp đôi so với phương án có bổ sung 83 cọc bê tông cốt thép vào các vị trí xung yếu). Trong thực tế, qua quan trắc thì độ lún đo được ít hơn khoảng 20% so với độ lún tính toán và nằm trong dự đoán của các kỹ sư thiết kế. Một phân tích gần đúng khác cũng của Poulos đối với công trình này khi ông bỏ qua các ảnh hưởng của lún trên mặt đất. Cách tiếp cận như sau:
+ Theo Zeevaert, các giá trị mô đun Young đối với trường hợp đất sét mềm ở trạng thái cố kết thông thường có thường được tính toán với hệ số Poisson giả định là 0,4. Do đó, các giá trị mô đun thu được rất thấp, vào khoảng 0,5-1,0 Mpa và thường thấp hơn những gì đã được dự đoán trên cơ sở sức chống cắt đo được của đất sét.
+ Khả năng chịu lực của bè theo công bố của Zeevaert là khoảng 200kPa. Nếu so sánh với áp lực do tải trọng gây ra là 118kPa thì hệ số an toàn cũng lên đến 1,7 lần.
+ Độ lún của một bè không dùng cọc giảm lún là 230mm, vượt rất nhiều so với độ lún cho phép. Do vậy, việc bổ sung 83 cọc đã làm cho độ lún cuối là 98mm là rất hợp lý.
4.2. Tòa nhà Burj Khalifa, Dubai
Là một nhà chọc trời ở khu vực “Trung tâm Mới” của thành phố Dubai, Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất. Burj Khalifa được thiết kế và thi công bởi công ty Skidmore, Owings & Merrill LLP (SOM) từ Chicago. Với tổng chiều cao lên tới 829,8m, trong đó chiều cao đến mái (không bao gồm ăng ten) là 828m, đây là công trình nhân tạo cao nhất thế giới từng được xây dựng. Công trình gồm có 3 khối được sắp xếp xung quanh một lõi trung tâm. Phần dưới của tòa nhà được xây dựng bằng bê tông cốt thép. Tuy nhiên, đoạn trên của tháp từ tầng 156 lên phía trên hay từ 585,7m lên đến nóc sẽ là kết cấu thép. Về phần móng, vào năm 2003, 33 lỗ khoan được khoan để nghiên cứu địa chất công trình và “Đã tìm thấy các lớp cát và đá sa thạch khá yếu”, chỉ cách mặt đất vài mét. Các mẫu được lấy từ hố khoan thí nghiệm được khoan đến độ sâu 140m, qua các lớp đá yếu đến rất yếu. Ngoài ra, nghiên cứu cho thấy địa điểm xây dựng thuộc một phần của “khu vực có hoạt động địa chấn”.
- Móng là một đài bè có chiều dày 3,7m được đặt trên 192 cọc khoan nhồi có đường kính 1,5m được chôn sâu gần 50m kể từ cao độ của đáy đài. Đài bè đã sử dụng hơn 45.000m3 bê tông có cấp độ bền 60Mpa, trọng lượng hơn 110.000 tấn. Nền móng được thiết kế để chịu phần tải trọng rất lớn từ kết cấu bên trên truyền xuống khoảng 450.000 tấn. Một hệ thống bảo vệ gồm nhiều điện cực âm đặt ở đáy móng với mục đích trung hòa nước ngầm và ngăn chặn sự ăn mòn cốt thép.
- Các giai đoạn kiểm tra và thí nghiệm địa kỹ thuật;
- Việc kiểm tra các số liệu chính thức được thực hiện theo 04 giai đoạn như sau:
+ Giai đoạn 1 (chính yếu nhất): Tiến hành khoan thí nghiệm 23 lỗ, làm thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test – SPT), lắp đặt bốn thiết bị đo áp kế trong các hố khoan, tiến hành thí nghiệm trong các phòng thí nghiệm địa kỹ thuật và kiểm tra ô nhiễm môi trường đất. Thời gian thực hiện từ ngày 01/06-23/07/2003;
+ Giai đoạn 2: Tiến hành khoan địa vật lý 03 lỗ với các cuộc khảo sát địa lý xuyên lỗ và cắt lớp được thực hiện giữa ba lỗ khoan mới và một lỗ khoan hiện có. Thời gian thực hiện từ ngày 07-25/08/2003;
+ Giai đoạn 3: Tiến hành khoan 06 lỗ, thí nghiệm SPT tại chỗ, thực hiện 20 thí nghiệm áp kế, lắp đặt hai áp kế ống đứng và thí nghiệm trong phòng. Thời gian thực hiện từ ngày 169/09-10/10/2003;
+ Giai đoạn 4: Tiến hành khoan 01 lỗ SPT tại chỗ, thí nghiệm địa vật lý xuyên lỗ trong ba lỗ khoan, làm thí nghiệm địa vật lý trong một lỗ khoan và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.
+ Việc khoan được thực hiện bằng kỹ thuật gõ cáp với phương pháp khoan xoay tiếp theo đến độ sâu từ 30 đến 140m dưới mặt đất. Chất lượng của lõi phục hồi trong một số lỗ khoan trước đó có phần kém hơn chất lượng được phục hồi trong các lỗ khoan sau đó, do đó, các khuyết tật được ghi nhận trong các lõi đá trước đó có thể không đại diện cho các khuyết tật thực có trong khối đá. Giai đoạn 4 của cuộc điều tra nhằm mục đích đánh giá sự khác biệt về chất lượng lõi và điều này chỉ ra rằng sự khác biệt có liên quan đến dung dịch khoan được sử dụng và chất lượng tổng thể của quá trình khoan.
- Phân tích tính toán đài bè nên nền cọc khoan nhồi được thực hiện bởi siêu máy tính FLAC phân tích đối xứng trục của hệ thống móng của tháp. Mặt bằng móng được thể hiện bằng một hình tròn có diện tích bằng nhau và cọc được thể hiện bằng một khối vững chắc chứa cọc và đất. Độ cứng dọc trục của khối được lấy giống như độ cứng của cọc và đất giữa chúng. Tổng tải trọng gồm tĩnh tải và hoạt tải được giả thiết phân bố đều. Các lớp đất được giả thiết đàn hồi - dẻo lý tưởng Mohn-Coulomb, với các giá trị của lực dính được lấy bằng 0,5 lần cường độ nén không gia cố ước tính. Mục đích chính của phân tích này là để hiệu chỉnh và kiểm tra phân tích thứ hai và chi tiết hơn, sử dụng chương trình máy tính PIGS để phân tích nhóm cọc.
4.3. Tòa nhà Incheon 151 tầng, Hàn Quốc
-Tháp Incheon là một dự án tháp siêu cao tầng ở Incheon, Hàn Quốc với 151 tầng, cao 640m. Tháp này nằm trên một diện tích 6km2 đất và cách thủ đô Hàn Quốc 32km. Tòa tháp Incheon sẽ là tòa nhà cao thứ hai thế giới khi hoàn thành (sau Burj Khalifa) và trở thành tòa tháp đôi cao nhất thế giới khi vượt qua tháp đôi Petronas ở Kuala Lumpur, Malaysia.
Đặc điểm của địa kỹ thuật công trình xây dựng
- Khu vực Incheon có các bãi cát và bùn rộng lớn gần bờ biển, bị ảnh hưởng bởi các chế độ thủy triều. Khu vực xây dựng được san lấp bằng các loại cát rời, cát phù sa dày 8m, bên dưới là lớp đất sét bùn biển từ mềm đến cứng dày 20m. Các lớp còn lại là trầm tích biển và đá phong hóa. Các cấu trúc địa chất tại khu vực này rất phức tạp và bao gồm các ranh giới địa chất, các đường nối bị đứt gãy, có thể liên quan đến các hoạt động địa chấn trong khu vực.
- Chiều dày của các lớp đá phong hóa khoảng 30m làm giảm độ bền và biến chúng thành loại đá rất yếu hoặc vật liệu giống đất. Móng của tháp được chia theo 08 khu vực địa chất bên dưới, là đại diện cho sự thay đổi của điều kiện địa chất và các mô hình địa kỹ thuật đã được áp dụng cho từng khu vực. Các thông số địa kỹ thuật thích hợp được lựa chọn cho các tầng khác nhau dựa trên dữ liệu kiểm tra tại hiện trường và trong phòng thí nghiệm, cùng với kinh nghiệm của các loại đất tương tự ở các vị trí lân cận.
- Một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế nền móng của tháp là xét hiệu ứng nhóm cọc khi chịu tải trọng bên trên truyền xuống. Các phần mềm lập mô hình số được sử dụng trong phân tích như sau:
+ Chương trình máy tính phần tử hữu hạn PLAXIS 3D Foundation;
+ Chương trình máy tính DEFPIG do Đại học Sydney kết hợp với Coffey phát triển;
+ Chương trình máy tính nội bộ của Coffey CLAP
+ Chương trình phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3D (Midas Set, Etabs, Safe) bao gồm việc xét sự tương tác giữa kết cấu bên trên và phần móng bên dưới.
4.4. Tòa nhà Kingdom Centre, Ả Rập Xê Út
Là một tòa nhà chọc trời 99 tầng cao 302m ở Riyadh, Ả Rập Xê Út. Khi hoàn thành năm 2002, nó đã vượt qua Tháp Al Faisaliyah Centre cao 267m để trở thành tòa tháp cao nhất ở Ả Rập Xê Út khi đó. Là công trình cao thứ 38 trên thế giới tính theo chiều cao cho đến thời điểm đầu năm 2008, Kingdom Centre được xây trên một diện tích 94.230m2 đất còn cả khu trung tâm được xây trên một diện tích 300.000m2.
Toàn bộ diện tích xây dựng được tựa trên nền đá vôi Karstic tương đối phổ biến khắp nhiều vùng của Trung Đông. Việc xác định các lỗ hổng trong đá vôi karstic thường tạo ra cảm giác lo lắng cho các nhà thiết kế nền móng, những người sau đó có thể tiến hành các biện pháp tốn kém để xử lý các mối nguy hiểm và rủi ro cao liên quan đến sự xuất hiện các lỗ hổng dưới đáy móng. Ở dự án này, các kỹ sư đã sử dụng hệ thống móng bè trên nền cọc khoan nhồi, vì người ta cho rằng hệ thống như vậy sẽ cho phép bè phân bố lại tải trọng cho các cọc khác trong nhóm nếu các lỗ rỗng gây giảm sức tải hoặc độ cứng của một số cọc trong nhóm. Các số liệu tính toán đã được mô tả đầy đủ trong báo cáo của Poulos.
Phân tích, thiết kế móng cho tòa tháp Kingdom Centre ở Riyadh, Ả Rập Xê Út.
- Ở giai đoạn thiết kế, các phân tích tính toán được thực hiện bằng chương trình máy tính phân tích địa kỹ thuật móng bè trên cọc (GARP) do Small và Poulos phát triển. Hệ thống móng hoàn chỉnh được chia thành 2095 phần tử với 6484 nút, và không xét sự làm việc đồng thời giữa kết cấu bên trên và móng bên dưới. Từ phân tích GARP, độ lún tối đa được dự đoán là xấp xỉ 50mm.
- Từ việc phân tích hệ thống móng bè trên nền cọc cho tòa tháp Kingdom Centre ở Riyadh, Ả Rập Xê Út, các kỹ sư đã chứng minh được các lỗ hổng trong đá vôi karstic, mặc dù có ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc, nhưng có thể không nghiêm trọng như người ta lo sợ, vì đã có sự phân phối hợp lý tải trọng cho các cọc bên dưới thông qua đài bè tuyệt đối cứng. Mặc dù các phân tích được thực hiện chưa đầy đủ để cho phép đánh giá định lượng rủi ro, nhưng chúng đã cho phép đánh giá tốt độ nhạy của phản ứng nền tính toán đối với sự hiện diện của các lỗ hổng ngẫu nhiên. Rõ ràng, việc sử dụng hệ thống đài bè rất cứng không chỉ làm giảm rủi ro liên quan đến việc xây dựng tháp trên đá vôi karstic mà còn có thể cung cấp giải pháp nền móng kinh tế hơn nhiều so với việc sử dụng cọc nhồi khoan xuyên qua vùng đá vôi karstic rất dày.
5. Kết luận
Bài viết đã giới thiệu được các đặc trưng cơ bản của nhà siêu cao tầng, từ đó khuyến nghị các kỹ sư nền móng Việt Nam nên thiết kế theo quy trình ba giai đoạn như sau:
- Giai đoạn thiết kế sơ bộ, tạo cơ sở ban đầu cho việc lựa chọn sơ bộ phương án móng kèm theo chi phí tương ứng
- Giai đoạn thiết kế chi tiết, phương án móng lựa chọn được phân tích sâu, đầy đủ với tất cả các phương pháp phân tích hiện đại nhằm thiết kế từng chi tiết của toàn bộ hệ thống móng. Giai đoạn này được thực hiện chặt chẽ với các kỹ sư thiết kế kết cấu, vì kết cấu và nền móng là một thể thống nhất của cả công trình.
- Giai đoạn thiết kế cuối, hoàn thiện cho tham số từ giả thiết ban đầu cho những dự đoán phòng ngừa rủi ro cuối cùng. Các thông số địa kỹ thuật được sử dụng cho từng giai đoạn có thể được thay đổi khi có số liệu mới về điều kiện địa chất, thủy văn được cập nhật từ kết quả phân tích hiện trường và các kết quả đến từ phòng thí nghiệm chuyên ngành. Các thông số cho giai đoạn thiết kế cuối cùng nên kết hợp với các kết quả của các thí nghiệm thử tải cọc.
Các thách thức đến 04 dự án siêu cao tầng kể trên có thể là bài học quý báu đối với các kỹ sư Việt Nam:
- Tòa nhà La Azteca ở thành phố Mexico, Mexico, thử thách là xây dựng một tòa nhà cao trên một lớp đất sét mềm rất sâu và hạn chế bởi dự án được xây trong khu đô thị đông đúc.
- Tòa nhà Burj Khalifa ở Dubai cao nhất thế giới, được xây dựng trên một lớp đá trầm tích tương đối yếu.
- Tòa nhà Incheon 151 ở Incheon, Hàn Quốc nhạy cảm về xây dựng trên đất cải tạo, bồi đắp nhân tạo sát bờ biển, với các điều kiện địa kỹ thuật khác nhau trên khắp khu vực.
- Tòa nhà Kingdom Centre ở Riyadh, Ả Rập Xê Út xây dựng trên nền đá vôi karstic dày và cần phải đánh giá mức độ ảnh hưởng của các lỗ hổng trên nền đá. Đối với tính toán sức chịu tải của cọc phải tính theo sức chịu tải của các cọc chống thay vì tính cọc ma sát như truyền thống.