13 1.3.3 Các giải pháp về móng. Lựa chọn các giải pháp về móng cho phù hợp như : móng đơn, móng băng (1 hoặc 2 phương), móng bè, móng cọc, … tùy theo tải trọng tác dụng và đặc điểm của công trình, từng loại đất cụ thể. Chương 2 BIỆN PHÁP KẾT CẤU KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU. Khi thiết kế các công trình trên nền đất yếu, cần phải nắm được các hình thức kết cấu chòu lực phần trên công trình cũng như tính nhạy của nó đối với độ lún của nền đất. Độ nhạy lún của công trình chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng. Tùy theo độ cứng có thể phân chia kết cấu thành ba loại như sau : 2.1.1 Loại kết cấu tuyệt đối cứng. Như ống khói, tháp nước, kết cấu khung nhiều tầng trên bản móng liên tục, mố cầu … Loại kết cấu này có độ cứng không gian rất lớn do vậy công trình không bò uốn, chỉ có khả năng lún đều hoặc nghiêng. Đối với kết cấu này, tính nhạy lún kém, không yêu cầu những biện pháp xử lý về phương diện kết cấu. Trong trường hợp này, chỉ cần giảm bớt độ nghiêng nếu có của công trình. 14 2.1.2 Loại kết cấu mềm. Các loại kết cấu này như bản đáy móng của các bể chứa, cống, âu thuyền và những cấu kiện độc lập khớp như cột trên móng đơn liên kết tự do với dàn hoặc dầm ngang… Các công trình thuộc loại này có thể bò uốn cong cùng cấp với khả năng biến dạng của đất nền, do đó không gây nên những nội lực phụ trong kết cấu và không ảnh hưởng đến việc sử dụng công trình. Đặc điểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún kém khi nền đất biến dạng không đều. 2.1.3 Sơ đồ kết cấu có độ cứng giới hạn. Đó là các khung siêu tónh trên các móng đơn, dầm liên nhiều nhòp, vòm không khớp… Các công trình thuộc loại này thường hay gặp trong thực tế. Khi nền đất có biến dạng không đều, đồng thời dưới đế móng có sự phân bố lại ứng suất tiếp xúc thì trong kết cấu móng và kết cấu chòu lực sẽ xuất hiện nội lực phụ cục bộ. Nếu kết cấu không có khả năng tiếp thu nội lực phụ thì ở các tiết diện yếu sẽ có vết nứt. những tiết diện này, độ cứng của kết cấu giảm đáng kể. Đặc điểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún lớn do đó cần có những biện pháp xử lý thích hợp. Dưới đây là những biện pháp làm giảm độ lún không đều của đất nền thường được áp dụng trong thực tế : Cắt công trình bằng khe lún : sẽ được trình bày trong phần II dưới đây. Thay đổi kích thước, dộ sâu chôn móng : Sử dụng khi nền đất có chiều dày các lớp khác nhau, không đồng nhất. Biện pháp này nhằm mục đích làm cho chiều dày vùng chòu nén của lớp đất dưới đế móng như nhau. Có thể thiết kế đáy móng có chiều rộng thay đổi làm cho biểu đồ phân bố ứng suất dưới đáy móng có giá trò khác nhau tại các điểm dưới đế móng. Sử dụng các loại móng hợp lý : Dùng móng băng, móng băng giao thoa, móng bè, móng cọc… tùy theo tình hình thực tế của công trình. Nếu chiều dày lớp đất yếu không lớn lắm có thể dùng lớp đệm cát hoặc đệm các vật liệu khác để thay thế. Khi chiều dày lớp đất yếu là lớn, để giảm bớt độ lún và khả năng lún không đều, có thể xử lý bằng móng cọc hay các phương pháp gia cố nhân tạo như cọc cát, giếng cát… Hình 2.1 đến 2.3 giới thiệu một số biện pháp thường dùng hiện nay : cấu tạo móng có chiều sâu khác nhau (2.1); đế móng có chiều rộng thay đổi (2.2) và sử dụng những loại móng khác nhau (2.3). 15 LỚP ĐẤT YẾU LỚP ĐẤT TỐT Hình 2.1 Cấu tạo của móng với những chiều sâu khác nhau. LỚP ĐẤT YẾU LỚP ĐẤT TỐT Hình 2.2 Cấu tạo của móng với những chiều rộng khác nhau. LỚP ĐẤT YẾU LỚP ĐẤT TỐT Hình 2.3 Dùng móng cọc ở những đoạn lớp đất yếu có chiều dày lớn. 2.2 BỐ TRÍ KHE LÚN. Bố trí khe lún là một trong những biện pháp rất có hiệu quả khi xây dựng những công trình có tải trọng khác nhau trên nền đất có tính nén lớn và tính nén không đều. Khe lún phải được bố trí sao cho bảo đảm cho những bộ phận của công trình có khả năng làm việc độc lập, có đủ cường độ và độ cứng khi chòu lực, không gây ra những vết nứt khi nền đất có biến dạng lớn và biến dạng không đều. 16 Vò trí đặt khe lún căn cứ vào sự phân bố các lớp đất dưới đế móng và hình thức kết cấu của công trình. Hình 2.4 dưới đây giới thiệu môt số cách bố trí khe lún cho công trình khi gặp nền đất yếu hoặc công trình có chiều dài lớn. LỚP ĐẤT TỐT LỚP ĐẤT YẾU KHE LÚN LỚP ĐẤT YẾU KHE LÚN LỚP ĐẤT TỐT KHE LÚN KHE LÚN Hình 2.4 Bố trí khe lún. Chiều rộng khe lún tùy thuộc vào tính chất biến dạng của công trình và sự phân bố lớp đất yếu dưới đế móng. Chiều rộng tối thiểu của khe lún có thể tính theo công thức sau đây : = K.h(tg p - tg tr ) (2.1) Trong đó : h : khoảng cách từ đế móng đến độ cao mà ở đó xác đònh khe hở. tg p : độ nghiêng cúa móng công trình phần bên phải. tg tr : độ nghiêng cúa móng công trình phần bên trái. Nếu các phần công trình nghiêng vào nhau thì tg tr lấy trò âm. K : hệ số kể đến tính không đồng nhất của đất nền, k = 1,3 – 1,5. Trong nhiều trường hợp, khe lún được kết hợp với khe co dãn. Tuy vậy, khe lún cũng gây nhiều khó khăn phức tạp trong xây dựng và sử dụng, tốn kém thêm tường, móng ngang, vì vậy chỉ làm khe lún khi thật cần thiết : - Khi đất nền có tính nén lún lớn. - Khi công trình có hình dạng phức tạp, tải trọng, chiều cao tầng chênh lệch. - Khi công trình quá dài và có khả năng sảy ra lún không đều (thông thường khi công trình có chiều dài trên 60m). 17 2.3 THIẾT KẾ GIẰNG MÓNG VÀ GIẰNG TƯỜNG. - Tác dụng : Tiếp thu nội lực kéo xuất hiện khi lún không đều. Làm tăng thêm cường độ và độ cứng không gian của kết cấu. - Thiết kế giằng móng và giằng tường bao gồm các công việc : Xác đònh vò trí của các giằng trong tường và móng. Tính toán lượng cốt thép cần thiết trong giằng. - Vò trí của các giằng phụ thuộc vào tính chất biến dạng của công trình (công trình có thể bò vồng lên hoặc võng xuống : Bố trí ở phía trên hoặc phía dưới của tường. Giằng tường có thể bố trí ở cao trình ngăn giữa các tầng nhà, lanh tô cửa sổ… - Để đảm bảo độ cứng không gian, giằng nên được bố trí liên tục trên suốt các tường hoặc phần móng bên dưới để tạo thành khung kín không gian. Kích thước và số lượng giằng có thể xác đònh dựa vào tính chất không đồng đều của nền đất và đặc tính làm việc của kết cấu công trình : - Khi cốt thép bố trí 1 hàng, chiều dày giằng không nhỏ hơn 75mm. - Khi cốt thép bố trí 2 hàng, chiều dày giằng không nhỏ hơn 150mm. Khi giằng trong tường gạch cốt thép đường kính 6-8mm, cách khoảng 3-6 hàng gạch bố trí 1 lớp. Chiều dày mạch thường từ 3-4cm. Mác vữa không nhỏ hơn 75. Nếu dùng các giằng đúc sẵn thì các mối nối phải có mác bê tông mác của giằng. Để tính toán cốt thép cho giằng có thể sử dụng 1 trong 2 phương pháp sau : 2.3.1 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp đơn giản. a. Cơ sở tính toán : Giả thiết cơ bản của PP này là tường dọc của nhà được xem như 1 dầm đặt trên nền đất có độ cứng thay đổi. Tính nén không đều của nền đất được đặc trưng bằng sự thay đổi trò số modun biến dạng E 0 của đất tại các điểm dọc theo chiều dài của nhà. b. Nội lực trong giằng có thể tính toán đơn giản như sau : - Moment uốn lớn nhất : 216 qL1 M 1 2 1 max (2.2) - Lực cắt lớn nhất : 18 22,5 1 1 max 1 qL Q (2.3) Trong đó : min0 max0 1 E E (2.4) E 0max : modun biến dạng lớn nhất của nền đất ở dướùi hai đầu tường nhà. E 0min : modun biến dạng nhỏ nhất của nền đất ở dướùi hai đầu tường nhà. q : tải trọng của tường nhà hoặc công trình được xem là phân bố đều. L : chiều dài của tường nhà hoặc công trình. - Độ võng tuyệt đối lớn nhất : EJ qL Y 25760 133 1 4 max 1 (2.5) - Độ võng tương đối lớn nhất : L y f max 0 (2.6) Trong đó : E : modun đàn hồi của khối tường xây : đối với tường gạch có thể lấy bằng 5.000-10.000 kG/cm 2 , phụ thuộc vào mác gạch và vữa xây. J : moment quán tính tiết diện tường có xét đến sự giảm yếu của các lỗ cửa. 12 Hb J 3 tđ (2.7) b tđ : chiều dày tương đương của tường, b tđ = 0,6b (2.8) b : chiều dày thực của tường. c. Diện tích cốt thép cần thiết trong giằng được tính như sau : 0 max hR M F ct ct (2.9) Trong đó : M max : moment uốn lớn nhất tính theo công thức 2.2. R ct : giới hạn chảy của cốt thép. H 0 : chiều cao tính toán của tường nhà; H 0 = (0,8 - 0,9)H. ng suất tiếp trong khối tường xây do lực cắt gây nên : n max F Q (2.10) Trong đó F n : diện tích tiết diện nguyên của móng và các giằng giữa các tầng nhà của khối xây. 19 F n = bH i (2.11) Trò số ứng suất tiếp tính theo công thức 2.10 trong mọi trường hợp không nên vượït quá 2,5 kG/cm 2 . Nếu trò số f o tính toán theo công thức 2.6 không vượt quá các trò số giới hạn cho trong bảng 2.1 thì cho phép không phải bố trí các giằng tường. Bảng 2.1 : Trò số độ võng tương đối giới hạn Trò số 1 Trò số L/H 1,5 2 3 4 5 6 5 0,00025 0,00030 0,00035 0,00045 0,0005 0,0006 4 0,00030 0,00035 0,00045 0,00060 0,0007 0,0005 3 0,00045 0,00040 0,00055 0,00070 0,0008 0,0010 2.3.2 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp của B.I. Đalmatov. Theo B.I. Đalmatov, dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều q của tường, biểu đồ ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng theo hướng dọc sẽ có một trong những dạng như hình 2.5a,b. a) qmin q qmax qmax b) qmin q c) 2p p Hình 2.5 Các dạng biểu đồ ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng : a) khi tường nhà bò uốn cong lên, b) khi tường nhà bò uốn cong xuống, c) biểu đồ ứng suất tiếp xúc tính toán trong trường hợp a. Trò ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng và diện tích cốt thép cần thiết F ct trong trường hợp 2.5a có thể tính như sau : 167L Eby2,1.160 P 2 ktmax (2.12); ctctk 2 ktmax ct Rmm107L Eby2,1.8 F (2.13) 20 Trong đó : 1,2 : hệ số vượt tải. y max : độ võng lớn nhất. )(max 2 SL )n1(y (2.14) n : hệ số, phụ thuộc vào thời gian cứng của vữa, tốc độ xây dựng và tốc độ tăng độ lún theo thời gian, có thể lấy bằng 0,25 – 0,75, đối với khối xây gạch bằng vữa hỗn hợp, lấy n = 0,50 – 0,75, với nhà panen lớn dùng vữa xi măng, lấy n = 0,25 – 0.50. S : độ không đồng đều tương đối của biến dạng nền. L5,0 SS S minmax (2.15) S mac , S min : độ chênh của biến dạng nền, xác đònh theo tính toán độ lún; đối với tường dài 60 – 100m, lấy sơ bộ bằng 0,4 – 0,5 trò số độ lún trung bình. L : chiều dài của tường. () : hàm số phụ thuộc vào lấy theo bảng 2.2. Bảng 2.2 : Trò số của hàm số () H L 1 1,5 2,0 4,0 () 0,90 0,80 0,70 0,50 b t : chiều dày tương đương của tường có xét đến sự giảm yếu do cửa số. E k : modun biến dạng lâu dài của khối xây. i k 1 1 EE (2.16) E : modun đàn hồi của khối xây. t : đặc trưng từ biến, xác đònh bằng thực nghiệm hoặc có thể lấy gần đúng bằng cách căn cứ vào kết cấu của tường, theo bảng 2.3. H L (2.17) Bảng 2.3 : Trò số gần đúng của đặc trưng từ biến t Kết cấu tường t Tường panen lớn Tường khối lớn Tường gạch, đá vụn 2-3 3-4 4-5 H : chiều cao của tường nhà xác đònh như sau : - Nếu tường có khả năng bò uốn cong lên theo chiều dọc thì lấy H từ 21 đáy móng đến giằng trên cùng. - Nếu tường có bò uốn cong xuống thì lấy H từ mái hắt đến giằng dưới cùng. m k và m ct : hệ số điều kiện làm việc của khối xây tường và của cốt thép. R ct : giới hạn chảy của cốt thép. Khi có nhiều giằng bố trí trên chiều cao của tường, nếu giả thiết diện tích tiết diện cốt thép trong mỗi giằng đều như nhau thì tính như sau : n 1i ctctn2ct1ct aH1 aH FF FF (2.18) Trong đó : F ct : tính theo công thức 2.13. a = 0,1H. n : số giằng làm việc đồng thời. Các loại giằng tường và giằng móng trong thực tế thường được thiết kế theo sơ đồ trong hình 2.6 và 2.7 dưới đây. >150 a) >75 b) >150 c) d) 30-40 Hình 2.6 Bố trí cốt thép trong giằng tường : a,b,c) Giằng BTCT, d) giằng cốt thép 1 2 Hình 2.7 Bố trí cốt thép trong giằng móng : 1) giằng BTCT; 2) giằng cốt thép Sau khi tính toán diện tích cốt thép cần kiểm tra lại điều kiện : p b( o - h) (2.19) Trong đó : p : ứng suất tiếp xúc dướùi đế móng, xác đònh theo công thức 2.12. b : chiều rộng đế móng. o : ứng suất trung bình dướùi đế móng do tải trọng tính toán. h : ứng suất do trọng lượng bản thân của đất ở cao trình đế móng. ng suất tiếp trong khối xây cần được thỏøa mãn điều kiện sau đây : 22 kk tđ R b7 p (2.20) Trong đó : b tđ : chiều dày tương đương của tường có xét đến sự giảm yếu do cửa. R kk : sức kháng tính toán củakhối xây khi chòu nén. 2.4 CẤU TẠO GỐI TỰA CỨNG. Với các công trình cao tầng xây dựng trên những vùng đất có biến dạng lún lớn và biến dạng không đều thì ngoài việc thiết kế các giằng tường, giằng móng như trên, trong nhiều trường hợp, để làm tăng độ cứng không gian, người ta còn bố trí các gối tựa cứng bằng bê tông cốt thép. nhiều nước, người ta đã thiết kế những gối tựa cứng giống như những móng hộp lớn bao gồm bản đáy, bản trên và các vách ngăn liên kết cứng với các tường ngăn và tường biên. Ngoài ra còn kết hợp với việc bố trí thêm các loại cốt thép xiên, cốt thép dọc có sức chòu kéo cao trong các tường vách ngăn, bản đáy, bản trên của móng. Bố trí thêm các cốt thép phụ ở các lỗ cửa sổ, cửa đi… Biện pháp cấu tạo gối tựa cứng dưới nhà và công trình là một phương hướng tiến bộ để xử lý đối với nền đất yếu và đã được áp dụng ở nhiều nước. Đây là biện pháp có hiệu quả đối với nhà và công trình cao tầng. 2.5 CHỌN LOẠI MÓNG VÀ CHIỀU SÂU CHÔN MÓNG. 2.5.1 Chọn loại móng. Đối với nền đất yếu, việc chọn loại móng có ý nghóa quan trọng cả về kỹ thuật và kinh tế. Chọn loại móng căn cứ vào những đặc điểm sau đây : - Hình thức kết cấu của công trình, tính chất truyền tải trọng. - Sơ đồ bố trí các công trình ngầm (tầng hầm, ống dẫn…). - Tình hình đòa chất khu vực xây dựng. - Điều kiện XD móng (phương tiện thi công, thời gian XD…). 2.5.2 Chọn chiều sâu chôn móng. Việc lựa chọn độ sâu chôn móng phụ thuộc vào các yếu tố sau đây : a. Điều kiện đòa chất công trình, đòa chất thủy văn khu vực xây dựng. Điều kiện đòa chất và đòa chất thủy văn khu vực xây dựng công trình là yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất đến việc lựa chọn độ sâu chôn móng; trong đó vò trí của lớp đất chòu lực là điều kiện quan trọng nhất. Tùy thuộc . trong trường hợp 2. 5a có thể tính như sau : 167L Eby2,1.160 P 2 ktmax (2. 12) ; ctctk 2 ktmax ct Rmm107L Eby2,1.8 F (2. 13) 20 Trong đó : 1 ,2 : hệ số. nhất : 21 6 qL1 M 1 2 1 max (2. 2) - Lực cắt lớn nhất : 18 22 ,5 1 1 max 1 qL Q (2. 3) Trong đó : min0 max0 1 E E (2. 4) E 0max :. có chiều sâu khác nhau (2. 1); đế móng có chiều rộng thay đổi (2. 2) và sử dụng những loại móng khác nhau (2. 3). 15 LỚP ĐẤT YẾU LỚP ĐẤT TỐT Hình 2. 1 Cấu tạo của móng với những chiều sâu