bài giảng nền móng công trình

1 KHOA XÂY DỰNG *** BÀI GIẢNG NỀN VÀ MÓNG CÔNG TRÌNH BIÊN SOẠN: ThS. BẠCH VĂN SỸ 2 CHƯƠNG I PHẦN MỞ ĐẦU I - Khái niệm cơ bản: 1. Móng: là bộ phận chịu lực đặt thấp nhất, là kết cấu cuối cùng của nhà (công trình). Nó tiếp thu toàn bộ tải trọng của công trình và truyền tải trọng đó lên nền đất. 2. Nền: là khu vực đất đá nằm sát ngay đáy móng, trực tiếp gánh đỡ tải trọng công trình truyền xuống. Đây là vùng đất mà biến dạng của nó làm cho công trình bên trên chuyển vị và biến dạng. Vùng này bắt đầu từ đáy móng và loang rộng ra theo hình trái xoan (hình bóng đèn tròn). Biến dạng và ổn định của nền quyết định tới sự bền vững và ổn định của công trình. Hình 1.1: Sơ đồ nền móng Bề mặt móng tiếp xúc với nền đất gọi là đáy móng. Vì nền đất có khả năng tiếp thu một tải trọng nhỏ hơn nhiều so với cường độ vật liệu của kết cấu bên trên nên đáy móng thường phải rộng hơn nhiều so với kết cấu bên trên. II - Phân loại: Hiện nay việc phân loại nền và móng có rất nhiều cách phân loại, có thể liệt kê ra một số cách phân loại như sau: 1. Phân loại móng:  Theo vật liệu chế tạo móng: móng gạch xây, móng đá học, móng bê tông, móng BTCT  Theo chiều sâu chôn móng: móng nông, móng sâu  Theo độ cứng của móng: móng cứng tuyệt đối, móng cứng hữu hạn, móng mềm  Theo hình dạng móng: móng đơn, móng băng, móng bè, móng cọc …  Theo hình thức chịu tải: móng chịu tải đúng tâm, tải lệch tâm bé, lệch tâm lớn … 3 Hình 1.2: Móng đơn Hình 1.3: Móng băng dưới cột, móng băng giao thoa 4 Hình 1.4: Kết cấu Móng bè Hình 1.5: Kết cấu Móng cọc ép, cọc khoan nhồi 2. Phân loại nền: Có hai cách phân loại:  Nền tự nhiên  Nền nhân tạo: là nền đất do con người tác động vào nhằm để cải thiện tính chất chịu lực (nền đắp, nền gia cố bằng cọc cát, giếng cát, bấc thấm,…) III - Các bộ phận và kích thước cơ bản của móng: Kết cấu móng bao gồm các bộ phận cơ bản sau:  Chiều sâu chôn móng (h m )  Chiều cao móng (h) 5  Chiều rộng móng (b), chiều dài móng (l)  Mặt móng, Đáy móng, Gờ móng, Bậc móng, cổ móng, giằng móng…  Bê tông lót móng. IV - Các hư hỏng công trình do nền móng gây ra: Sự cố hư hỏng công trình thường do rất nhiều nguyên nhân (do khảo sát, thiết kế, thi công) tuy nhiên nguyên nhân được xác định là do nền móng thường sẽ gây ra hậu quả rất nghiêm trọng và khó khắc phục (do kết cấu móng ở dưới lòng đất), có thể thống kê như sau:  Lún nhiều: đè vỡ đường ống, ảnh hưởng đến công trình lân cận…  Lún lệch nhiều: gây ứng suất phụ trong kết cấu, gây nứt nẻ, thấm, dột, có thể gây phá hoại kết cấu.  Trượt trồi, trượt ngang, lật… Thường được gây ra bởi các nguyên nhân sau:  Do kết cấu móng không hợp lý  Công trình có tải trọng không đều  Gặp nền địa chất yếu  Khảo sát không kỹ,… V - Tải trọng và tổ hợp tải trọng tác dụng lên nền móng: Cũng như khi thiết kế các cấu kiện bên trên, khi thiết kế nền móng ta cũng phải tính toán các tải trọng và tổ hợp tải trọng tác dụng lên nền móng. 1. Các loại tải trọng: Tải trọng tác dụng lên móng và truyền lên nền đất thường được phân chia như sau: a. Tải trọng tác dụng thường xuyên: là tải trọng tác động liên tục khi thi công và suốt quá trình sử dụng công trình như trọng lượng bản thân, áp lực đất, áp lực nước … b. Tải trọng tác dụng tạm thời:  Tải trọng tạm thời ngắn hạn: chỉ xuất hiện trong từng giai đoạn khi thi công hoặc trong quá trình sử dụng (tải trọng gió, tải trọng do sóng, lực hãm của phương tiện giao thông, lực hãm của cầu trục tác dụng lên ray…)  Tải trọng tạm thời dài hạn: tác dụng trong một thời gian tương đối dài khi thi công hoặc trong quá trình sử dụng như: trọng lượng người ở, sinh hoạt, hội họp; trọng lượng của các máy móc thiết bị (cố định hoặc di động).  Tải trọng đặc biệt: xuất hiện trong trường hợp đặc biệt như tải trọng động đất. Mặt khác, tải có thể xem như tử trọng (dead load) là các loại tải cố định và hoạt tải (live load) là các tải có thể di chuyển. 6 2. Tổ hợp tải trọng: Ta nhận thấy ngay rằng, không thể xảy ra trường hợp tất cả các loại tải trọng đồng thời tác dụng một lúc. Khi tính toán người ta kết hợp các tải trọng khả dĩ đồng thời tác dụng với nhau lại thành từng nhóm gọi là các tổ hợp tải trọng. Cách thức tổ hợp tải trọng phải tùy theo điều kiện làm việc thực tế của kết cấu và tùy theo trạng thái giới hạn của kết cấu mà ta tính toán. Có 3 loại tổ hợp chính: a. Tổ hợp chính: bao gồm tất cả các loại tải trọng thương xuyên, tất cả các loại tải trọng tạm thời tác dụng dài hạn và một loại tải trọng tạm thời tác dụng ngắn hạn có ảnh hưởng nhiều nhất tới trạng thái ứng suất – biến dạng của công trình (thường chọn là tải trọng gió). b. Tổ hợp phụ: gồm tất cả các tải trọng thường xuyên, tất cả các tải trọng tạm thời tác dụng dài hạn và ít nhất hai loại tải trọng tạm thời tác dụng ngắn hạn. c. Tổ hợp đặc biệt: là tổ hợp phụ cộng thêm với một tải trọng đặc biệt nữa (thường chọn là tải trọng động đất trong vùng có động đất). Việc dùng loại tổ hợp nào của tải trọng là tùy thuộc vào việc tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn nào.  Khi tính biến dạng của nền, tính biến dạng và khe nứt của móng, nói chung là khi tính theo các TTGH 2, TTGH 3 ta dùng tổ hợp chính (trong đó chỉ có một loại tải trọng tác dụng ngắn hạn) các tải trọng tiêu chuẩn (không nhân với hệ số vượt tải n).  Khi tính nền, tính móng theo TTGH 1, khi tính ổn định (trượt và lật) của móng trên nền ta dùng tổ hợp phụ các tải trọng tính toán. Ta biết rằng, vật liệu có tính chất đặc biệt là sau khi đặt tải rất lâu mới biến dạng xong và chịu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần thì đất chỉ có biến dạng đàn hồi. Như vậy, khi tải trọng chỉ tác dụng trong một thời gian rất ngắn thì nền hoặc kết cấu móng hoặc là không kịp biến dạng hoặc chỉ có biến dạng đàn hồi không gây nguy hiểm về mặt biến dạng. Do đó, khi tính toán THGH về biến dạng ta dùng tổ hợp chính là tổ hợp chỉ chứa một loại tải trọng ngắn hạn. Cũng như vậy, hiện tượng vượt tải của các tải trọng sử dụng thường xảy ra trong thời gian ngắn nên không cần kể đến khi tính toán theo THGH về biến dạng mà chỉ dùng tải trọng tiêu chuẩn thôi. Nói chung có thể có nhiều tổ hợp chính, nhiều tổ hợp phụ, tổ hợp đặc biệt khác nhau. Sau khi thành lập các tổ hợp tải trọng cần cho các mục đích tính toán khác nhau, người thiết kế phải chọn trong số đó tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất để tính toán nhằm đảm bảo an toàn cho công trình. Ngoài ra, tải trọng còn được phân thành tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán: 7  Tải trọng tiêu chuẩn: là tải trọng có thể kiểm soát được giá trị của nó trong điều kiện thi công hoặc sử dụng công trình bình thường (trọng lượng các loại vật liệu, trọng lượng người sử dụng, trọng lượng thiết bị, dụng cụ, lực gió …). Trị số thực tế của những tải trọng ấy có thể sai lệch (tăng hoặc giảm, nhưng thường là tăng) so với trị số tiêu chuẩn, hệ số xét tới tăng tải trọng so với trị số tiêu chuẩn gọi là hệ số vượt tải, ký hiệu là n.  Tải trọng tính toán: là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số vượt tải n, hệ số vượt tải từ 1.1 – 1.4 tùy theo loại tải trọng. (Để tìm hiểu kỹ hơn về các loại tải trọng các bạn có thể tham khảo TCVN 2737). Thực tế trong tính toán thiết kế hiện nay thì việc tổ hợp tải trọng đã thực hiện ở bước tính toán kết cấu phần thân (cột, sàn, dầm) thông qua việc sử dụng các phần mềm tính toán kết cấu chuyên dụng (Sap2000, Etabs…) sau đó ta lấy nội lực ngay chân cột tại cốt mặt đất để tính toán nền nóng. Thường thì sẽ có rất nhiều tổ hợp nhưng ta chỉ chọn tổ hợp nào có M max , N tư , Q tư hoặc N max , M tư , Q tư hoặc Q max , N tư , M tư . VI - Phương pháp tính toán nền móng: 1. Phương pháp tính móng: Với vật liệu bằng BTCT, việc tính toán theo nguyên tắc tính cấu kiện chịu uốn, kéo, nén đã được giới thiệu trong giáo trình kết cấu BTCT. Ví dụ: đối với kết cấu chịu uốn và yêu cầu tính toán:  TTGH 1: tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng và tiết diện đứng với tải trọng là tải trọng tính toán ứng với mọi tổ hợp tải.  Tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng tại vị trí có Qmax, nếu không kể ảnh hưởng của cốt thép, tức lực cặt Qmax chỉ do bê tông chịu: b QQ  Với : Q – lực cắt tại tiết diện mút của vết nứt nghiêng Qb – khả năng kháng lực cắt của bê tông tại tiết diện nghiêng tbkb bhRKQ 0  Trong đó: K – hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào độ dóc của mặt nghiêng R k – cường độ chịu kéo của bê tông h 0 – chiều cao làm việc của móng (h 0 = h - a bv ) b tb – cạnh trung bình của mặt đâm thủng  Tính toán cường độ trên tiết diện thẳng góc tại vị trí có M lớn, xác định lượng cốt thép cần thiết tương ứng. Tính theo nguyên lý cốt đơn. 8 0 9.0 hR M F a a   Trong đó: M – mo men tại tiết diện tính toán (thường M max ) R a – cường độ chịu nén của bê tông h 0 – chiều cao làm việc của móng  TTGH 2: tính toán độ võng và nứt với tải trọng tiêu chuẩn ứng với tổ hợp tải trọng cơ bản. đối với phần móng hầu như không tính trừ một số trường hợp như bản móng bè của bể chứa… 2. Phương pháp tính nền: Có nhiều phương pháp tính nền nhưng chung quy lai thì có 2 nhóm cơ bản sau:  Nhóm 1: tính toán ổn định của đất nền nhằm chống trượt hoặc chống lật công trình. Trong các quy phạm thường đường gọi là tính toán ổn định của nền hoặc tính theo TTGH 1 (trạng thái giới hạn về cường độ của đất nền).  Nhóm 2: hạn chế độ lún và đặc biệt là lún lệch của các móng nhằm đảm bảo sự làm việc bình thường của công trình xây dựng (tránh phát sinh nội lực trong khung gây ảnh hưởng cho kết cấu). Trong các quy phạm thường đường gọi là tính toán giới hạn độ lún, lún lệch của nền hoặc tính theo TTGH 2 (trạng thái giới hạn sử dụng). Có thể chia các phương pháp tính hiện thành: 2.1. Tính toán nền theo trạng thái ứng suất cho phép: Trước thập niên 70, hầu hết các quy phạm tính toán nền móng công trình xây dựng dựa theo phương pháp trạng thái ứng suất cho phép. Phương pháp này dựa trên việc tính toán sức chịu tải cực hạn của đất nền theo công thức của Terzaghi hoặc các hiệu chỉnh sau đó. Giai đoạn này, hầu hết đều tính theo phương pháp tổng ứng suất và các đặc trưng chống cắt của thí nghiệm cắt trực tiếp hoặc sức chống cắt không thoát nước c u suy từ thí nghiệm nén một trục. Sức chịu tải cho phép (p a ): Fs NcNqBN Fs p pp cq ult a 5.0     Trong đó: p a – sức chịu tải cho phép của đất nền p ult – sức chịu tải cực hạn của nền đất Fs – hệ số an toàn, Fs = 2 – 3 9 Áp lực đáy móng (p) phải nhỏ hơn SCT cho phép (p a ). Nếu áp lực đáy móng được tính với tổ hợp tải trọng cơ bản thì hệ số an toàn chọn là Fs = 3, nếu áp lực đáy móng được tính với tổ hợp đặc biệt thì hệ số an toàn chọn là Fs = 2. Sau thập niên 70, SCT được tính rõ ràng hơn, cụ thể như sau:  Với nền đất dính thoát nước chậm, tính SCT tức thời (short term), lúc vừa mới xây công trình độ lún mới bắt đầu, với đặc trưng chống cắt không thoát nước c u , φ u và SCT công trình sau khi lún ổn định (long term) được tính với đặc trưng chống cắt có thoát nước c’ và φ’.  Với nền cát thì chỉ tính SCT có thoát nước với c’ và φ’ vì nền cát lún xong khi công trình đã hoàn tất. Các đặc trưng c u , φ u và c’,φ’ có được từ thí nghiệm nén 3 trục trong điều kiện cố kết – không thoát nước (CU) và cố kết – thoát nước (CD). Với thí nghiệm cắt trực tiếp chung ta chỉ có chỉ tiêu chống cắt trung gian giữa thoát nước và không thoát nước, ngoại trừ máy cắt trực tiếp thế hệ gần đây có đo được áp lực nước lỗ rỗng trong mẫu đất khi cắt. 2.2. Tính toán nền theo trạng thái giới hạn về cường độ (TTGH 1): Theo QPXD 45 – 78 “Quy phạm thiết kế nền, nhà và công trình”, đối với các trường hợp sau nền cần phải tính theo trạng thái giới hạn 1:  Nền là sét rất cứng, cát rất chặt, đất nửa đá và đá.  Nền dướicác công trình thường xuyên chịu tải trọng ngang với trị số lớn (tường chắn, đê, đập, công trình cầu…) hoặc trường hợp tính động đất.  Móng hoặc công trình đặt trên nền ở mép mái dốc (ở trên hay ngay dưới mái dốc) hay gần các lớp đất có dộ dốc lớn.  Các nền là đất sét yếu bão hòanước và than bùn.  Ngoài ra, khi áp lực hông hai bên móng chênh lệch lớn (thường do tôn nền phía trong công trình cao) thì phải kiểm tra trượt, lật móng. Với đất nền có biến dạng nhỏ như là đất cứng hoặc là đá, cũng như các công trình chịu chủ yếu là tải ngang thì độ lún của nền không giữ vai trò quyết định sự ổn định của công trình là chính là sự trượt ngang của móng hoặc sự phá vỡ kết cấu nền đất dẫn đến hư hại công trình. Với các loại công trình này, chúng ta thường sử dụng phương pháp tính toán nền theo TTGH 1. Mặt khác loại đất có hệ số thấm bé, nền đất chịu tải chưa kịp lún đã bị trượt cũng phải được kiểm tra đk bền. Nội dung của phương pháp gồm khống chế khả năng trượt, lật của móng và không cho nền bị phá hoại cắt. 10   tt kk  gay truot luc truotchong Luc   ll kk  latgay momen lat chongmomen Hoặc Fs NcNqBN Fs p pp cq ult a 5.0     Trong những năm gần đây xuất hiện phương pháp tính toán nền móng dựa vào cơ học đất tới hạn, với phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp này cho phép phân tích trường ứng suất và biến dạng trong nền đất dưới các tác động của công trình, từ đó có thể dựa vào tiêu chuẩn giới hạn trượt của Mohr – coulomb xác định biến dạng trượt hay chuyển vị cực hạn của nền đất để ấn định mức độ an toàn của nền đất. Có thể kế đến các phần mềm chuyên dụng để tính ổn định của nền như: Plaxis, Geo-slope… 2.3. Tính toán nền theo trạng thái giới hạn về biến dạng (THGH 2): Xuất phát từ TTGH các điều kiện sử dụng và sự ổn định của kết cấu của công trình, phương pháp tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn theo điều kiện biến dạng còn gọi là TTGH 2 (việc tính toán này là bắt buộc cho mọi loại công trình trừ những công trình đã nêu ở mục 2.2), khống chế độ lún của móng và độ lún lệch của các móng không được vượt quá các giá trị giới hạn. Cơ sở của phương pháp dựa trên sự phát triển vùng biến dạng dẻo trong nền đủ nhỏ để nền đất còn tuân theo quy luật đàn hồi. Từ đây sử dụng các kết quả của lý thuyết Boussinesq và đặc trưng nén của nền đất để tính độ lún của móng riêng lẻ hoặc độ lún có xét đến ảnh hưởng của các móng lân cận, từ đó suy ra độ lún lệch hoặc góc xoay của một móng. Vì vậy, điều kiện cần của phương pháp là khống chế áp lực đáy móng để nền đất còn làm việc trong giai đoạn đàn hồi theo quan điểm của phương pháp phát triển vùng biến dạng dẻo:  Với móng chịu tải đứng đúng tâm:   0 ** 21 . hcDhBbA k mm Rp IIIIIIII tc II   (theo QPXD 45 – 78)  Với móng chịu tải đứng lệch tâm: 0 min p Khi các móng dễ lật thì đk này trở thành:        II Rp p p max max min 25.0 Điều kiện đủ là độ lún tính được phải thõa mãn điều kiện sau: [...]... rng ca tng hm ln hn 20m: R = m1 m2 ( Ab II B.htd 'II D.cII ) ktc 27 Cốt địa hình tự nhiên Cốt 0,00 Cốt san nền Cốt san nền h h h Cốt địa hình tự nhiên a) Cốt địa hình tự nhiên Cốt san nền b) h hs h ho h htd Cốt địa hình tự nhiên h1 Cốt san nền B< 20 m Cốt địa hình tự nhiên Cốt san nền Cốt san nền h = htd h = htd h1 h = htd hs Cốt địa hình tự nhiên c) B > 20 m Hỡnh 2.4 S tớnh toỏn chiu sõu t múng nh... Khi xõy dng múng lõn cn múng cụng trỡnh hin cú khụng c t sõu hn v ngay sỏt múng hin cú tr khi cú bin phỏp m bo nn t di múng cụng trỡnh hin cú n nh Hỡnh 1.14: Lp 1: t yu; Lp 2: t yu mặt cắt địa chất công trình tuyến II-II Hỡnh 1.15: Lp 1, 3 : t yu ; Lp 2 : t tt Hỡnh 1.16: Mt ct a cht 3 Thit k s b cỏc phng ỏn múng kh thi: 4 So sỏnh cỏc phng ỏn múng: 5 Thit k k thut cỏc phng ỏn múng ó chn 6 Bn v, thuyt . loại móng:  Theo vật liệu chế tạo móng: móng gạch xây, móng đá học, móng bê tông, móng BTCT  Theo chiều sâu chôn móng: móng nông, móng sâu  Theo độ cứng của móng: móng cứng tuyệt đối, móng. của móng: Kết cấu móng bao gồm các bộ phận cơ bản sau:  Chiều sâu chôn móng (h m )  Chiều cao móng (h) 5  Chiều rộng móng (b), chiều dài móng (l)  Mặt móng, Đáy móng, Gờ móng, Bậc móng, . móng, cổ móng, giằng móng  Bê tông lót móng. IV - Các hư hỏng công trình do nền móng gây ra: Sự cố hư hỏng công trình thường do rất nhiều nguyên nhân (do khảo sát, thiết kế, thi công) tuy