Giáo Trình Nền Móng Cơ Bản

Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT Chơng I thiết kế móng NễNG I- Thiết kế trên cơ sở độ tin cậy 1.1- Khái niệm Độ tin cậy đợc định nghĩa là xác suất của một đối tợng có thể thực hiện đợc chức năng yêu cầu của nó trong một thời gian và điều kiện định trớc. Nh vậy độ tin cậy của nền móng công trình là xác suất của nó có thể chống đỡ đợc công trình bên trên (chức năng yêu cầu của đối tợng) mà không sụp đổ hoặc gây ra độ lún quá giá trị cho phép trong thời gian tuổi thọ thiết kế của công trình. Để có đợc độ tin cậy cần thiết là mục đích cơ bản và yêu cầu của thiết kế và xây dựng nền móng. Để thoả mãn yêu cầu này, trong thiết kế chúng ta có thể đạt đợc bằng cách cho hệ số an toàn cao. Tuy nhiên tiếp cận theo cách này ngời thiết kế gặp phải một mẫu thuẫn không kém phần quan trọng, đó là giá thành công trình quá cao. Nh vậy độ tin cậy của công trình luôn luôn đối nghịch với giá thành xây dựng công trình. Thông thờng ngời thiết kế luôn tìm sự cân bằng giữa độ tin cậy và tính kinh tế trong thiết kế thông qua hệ số an toàn. Hệ số an toàn cao thờng đợc sử dụng khi độ tin cậy là rất quan trọng hoặc khi quá trình phân tích trong thiết kế có rất nhiều yếu tố không chắc chắn, và hệ số an toàn thấp thờng đợc dùng khi điều kiện là ngợc lại. Phơng pháp này đợc gọi là phơng pháp hệ số an toàn chung. Phơng pháp hệ số an toàn chung thờng không dựa vào sự đánh giá tổng thể về độ tin cậy, đặc biệt khi chúng ta xem xét cả móng và công trình bên trên nh một tổng thể. Với phơng pháp này, một số thành phần có thể là quá an toàn, trong lúc đó, một số thành phần có thể nguy hiểm. Giá thành phụ thêm cho các 4 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT thành phần có hệ số an toàn cao không góp phần làm tăng độ an toàn tổng thể của công trình, do vậy phơng pháp không phải là phơng pháp kinh tế để tạo ra công trình tin cậy. Nói một cách khác, tốt hơn là nên dùng tiền của các thành phần có độ an toàn quá cao cho các thành phần có độ an toàn thấp để tăng độ an toàn chung của công trình. Vì lý do này, phơng pháp thiết kế dựa trên độ tin cậy đợc phát triển. Phơng pháp này có xu hớng xác định độ tin cậy để cân bằng giữa độ tin cậy và giá thành công trình. Một mục đích khác của thiết kế theo độ tin cậy là đánh giá tốt hơn các khả năng phá hoại khác nhau, và thông tin này đợc dùng để cải tiến cả thiết kế và thi công để đạt đợc công trình vững chắc hơn. 1.2 - Các phơng pháp thiết kế theo độ tin cậy 1.2.2. Phơng pháp miền xác suất cho sức kháng v tải trọng Phơng pháp này khác với hệ số an toàn chung ở chỗ phơng pháp này xác định miền các giá trị có thể của tải trọng và sức kháng thay vì giá trị đơn nhất. Các miền này đợc xác định dựa trên cở sở lý thuyết xác suất và số liệu thống kê đợc thể hiện qua hàm mật độ (Xem hình vẽ) Diện tích = Xác suất phá hỏng C L Sức chịu tải Mật độ xác xuất Tải trọng tác dụng Lực Hỡnh 1.1 Hàm mật độ cho tải trọn g tác dụn g và sức khán g Hàm mật độ mô tả xác xuất của tất cả các loại tải trọng khác nhau và sức kháng có thể của nền móng. Nh vậy, điểm đỉnh của hàm mật độ là giá trị có xác suất xuất hiện cao nhất và độ rộng của hàm mật độ chỉ sự thay đổi hay độ không chắc chắn. Do đờng cong bao gồm ttất cả các giá trị có thể nên diệm tích dới đờng 5 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT cong bằng 1 (xác suất 100%). Xác suất xuất hiện của tải trọng hoặc sức kháng trong một miền nào đó là diện tích phía dới đờng cong trong miền đó. Các hàm mật độ này dựa vào các hàm mật độ khác. Ví dụ, hàm biểu diễn tải trọng tác dụng xuống móng nông phụ thuộc vào sự phân bố của các hàm tải trọng thành phần (tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió, v.v ) và hàm biểu diễn sức kháng phụ thuộc vào sự phân bố của các hàm thể hiện sức kháng nh sức kháng cắt, mực nớc ngầm, các kích thớc của công trình sau khi xây dựng v.v Việc đánh giá các thành phần và tổng hợp chúng theo phơng pháp này vô cùng phức tạp và tốn thời gian. Phơng pháp này định nghĩa phá hỏng khi tải trọng tác dụng lớn hơn sức chịu tải. Nh vậy xác suất phá hỏng bằng diện tích phần gạch chéo ở hình trên. Ngời thiết kế so sánh xác suất phá hỏng xác định ở trên với xác suất phá hỏng yêu cầu theo quy trình để quyết định việc thiết kế đã phù hợp hay cha. Nếu cần thiết quá trình thiết kế phải sửa đổi và quá trình trên lại lặp lại. Phơng pháp này có triển vọng phát triển, tuy nhiên nó yêu cầu số liệu thống kê phải đủ để định nghĩa các hàm mật độ. Ngoài ra, khi thiết kế nó còn yêu cầu ngời thiết kế phải có kiến thức sâu về xác suất thống kê. 1.2.2. Phơng pháp bậc nhất của mô men cấp hai Phơng pháp bậc nhất của mô men cấp hai là sự đơn giản hoá của phơng pháp trên. Với phơng pháp này, tải trọng tác dụng và sức kháng đợc giả thiết là các biến số độc lập. Từ đó hệ số tin cậy đợc xác định dựa vào các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn . 22 CL CL = (1.1) trong đó: : chỉ số độ tin cậy (xem nh chỉ số an toàn) C : giá trị trung bình của sức kháng L : giá trị trung bình của tải trọng C : độ lệch chuẩn của sức kháng L : độ lệch chuẩn của tải trọng 6 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT Khi thiết kế với chỉ số tin cậy cao tơng ứng với xác suất phá hỏng thấp, do vậy việc thiết kế theo phơng pháp này cần phải đạt đợc chỉ số tin cậy tối thiểu. 1.2.3. Phơng pháp thiết kế theo hệ số sức kháng v hệ số an ton riêng Thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số an toàn riêng (Load and Resistance factor design LRFD) là phơng pháp thứ 3 sử dụng độ tin cậy trong nguyên lý thiết kế. Phơng pháp này sử dụng các hệ số tải trọng ( i ) nhân với tải trọng danh định (tiêu chuẩn) để có đợc tải trọng có hệ số (có thể xem là tải trọng tính toán). Ngoài ra, để xét đến tính dẻo, độ siêu tĩnh và tầm quan trọng của công trình, tải trọng tác dụng đợc nhân thêm hệ số ( i ) ii i QQ = (1.2) Trong đó: Q = Tổ hợp tải trọng i = Hệ số điều chỉnh tải trọng: là hệ số liên quan đến tính dẻo, độ siêu tĩnh và tầm quan trọng của công trình. i = Hệ số tải trọng đợc xác định dựa vào lý thuyết thống kê. Là hệ số xét đến sự thay đổi của tải trọng, độ thiếu chính xác trong phân tích và khả năng xuất hiện các tải trọng khác nhau đồng thời. Q i = Lực thành phần. Với sức chịu tải LRFD sử dụng hệ số sức kháng nhân với sức kháng danh định của công trình để có sức kháng tính toán. R n = R r = Hệ số sức kháng đợc xác định theo lý thuyết thống kê. R n = Sức chịu tải danh định. R r = Sức kháng tính toán: R n . Khi thiết kế cần phải thoả mãn tiêu chuẩn sau: (1.3) ii i n r QQR = R= Những ngời xây dựng quy trình thiết kế theo LRFD chọn các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng để tạo một khoảng lệch cần thiết giữa hàm mật độ của tải trọng 7 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT và sức kháng để có đợc một xác suất phá hỏng lớn nhất theo quy định (xem hình dới). Rn Rn Q Q tác dụng Lực Tải trọng Mật độ xác xuất Sức chịu tải L C Diện tích = Xác suất phá hỏng Hỡnh 1.2 Hàm mật độ cho tải trọn g tác dụn g và sức khán g theo phơng pháp LRFD u điểm chính của phơng pháp LRFD là ngời thiết kế không cần phân tích về xác suất thông kê vì chúng đã đợc ẩn ở trong hệ số sức kháng và hệ số tải trọng. Nh vậy không giống nh hai phơng pháp thiết kế theo độ tin cậy nh đã nêu trên, phơng pháp LRFD tơng tự nh phơng pháp thiết kế theo tải trọng cho phép truyền thống. Về nguyên lý, thiết kế dựa trên độ tin cậy có thể đợc dùng trong kiểm toán về cờng độ cũng nh về độ lún. Tuy nhiên các cố gắng cho đến nay chỉ tập trung thiết kế theo độ tin cậy vào các yêu cầu về cờng độ, không có quy trình hay tiêu chuẩn nào dùng phơng pháp LRFD cho kiểm toán lún. Việc kiểm toán lún vẫn dùng phơng pháp không hệ số truyền thống. II- Kim toỏn móng nông 2.1 Sức chịu tải của móng nông 2.1.1. Sức chịu tải theo Terzaghi Nhiều phơng pháp cân bằng giới hạn đợc sử dụng để xác định sức chịu tải của móng nông, nhng kết quả của Terzaghi (1943) là đợc áp dụng rộng rãi hơn cả. Phơng pháp này sử dụng các giả thiết sau đây: Độ sâu của móng nhỏ hơn bề rộng của móng (DB); 8 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT Đáy móng đủ nhám để không có sự trợt giữa móng và đất; Đất dới móng là đồng nhất, có thể xem là bán không gian vô hạn; Sức kháng của đất đợc xác định theo độ bền của Coulobm s = c+tan Quá trình trợt dới đáy móng theo dạng trợt chung (xem hình dới) Móng là rất cứng so với đất. Đất nằm phía trên đáy móng xem nh không có cờng độ và chỉ xem nh tải trọng hông. Tải trọng tác dụng là tải trọng nén và thẳng góc tại trọng tâm đáy móng. Terzaghi xem xét 3 vùng trong đất nền (xem hình vẽ). Vùng nêm ngay dới đáy móng di chuyển cùng với móng nh 1 cố thể. Vùng trợt quạt có dạng hàm loga, và cuối cùng là vùng trợt ở trạng thái bị động phí ngoài cùng. Do không xét đến cờng độ của đất từ đáy móng trở lên mà chỉ thay thế nó bằng tải trọng hông, sức chịu tải theo Terzaghi là thiên về an toàn, hơn nữa nó chỉ giới hạn cho móng nông (DB). - Móng vuông: M ặ t tr ợ t qu ạ t Nêm đất Vùn g b ị đ ộ n g Tải trọng hông ZD M ặ t tr ợ t thấp nhất Hỡnh 1.3 Dng phỏ hoi tng quỏt theo Terzaghi 9 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT Từ cơ sở trên Terzaghi đa ra sức chịu tải cho các loại móng nông nh sau: q giới hạn = 1.3cN c + qN q + 0.4BN (1.4) - Móng băng: q giới hạn = cN c + qN q + 0.5BN (1.5) - Móng tròn: q giới hạn = 1.3cN c + qN q + 0.3BN (1.6) trong đó: q giới hạn : sức chịu tải giới hạn. c: lực dính đơn vị có hiệu cho đất dới đáy móng (Khi phân tích theo ứng suất tổng dùng c) : góc nội ma sát có hiệu cho đất nền dới đáy móng (Khi phân tích theo ứng suất tổng dùng ) q = ZD : ứng suất hữu hiệu thẳng đứng tại độ sâu đáy móng. N c , N q , N : các hệ số tải trọng. Công thức trên đợc thể hiện dới dạng ứng suất có hiệu, tuy nhiên nó có thể đợc xác định dới dạng ứng suất tổng khi đó thay c bằng c, bằng và bằng . Nếu phân tích ở điều kiện không thoát nớc có thể xem c = c u và = 0, khi đó N c = 5.7, N q =1.0 và N=0. Các hệ số sức chịu tải của Terzaghi tính theo các công thức sau (khi 0): (1.7) () () () 2 0.75 ' tan ' 360 2 2cos 45 '/2 q e N = + (1.8) () 1 tan ' q c N N = (1.9) () 2 tan ' 1 2cos' p K N = Có thể dùng công thức đơn giản sau để thay thế cho công thức tính N : 10 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT (1.10) 2( 1) tan ' 10.4sin(4') q N N + = + Các giá trị hệ số sức chịu tải phụ thuộc vào góc nội ma sát nh ở hình dới. Hỡnh 1.4 H s sc chu ti ph thuc vo gúc ni ma sỏt 2.1.2. Sức chịu tải theo Vesic Vesic (1973, 1975) phát triển bài toán xác định sức chịu tải của Terzaghi cho các móng có hình dạng khác nhau và điều kiện chịu tải khác nhau. Vesic đa ra công thức xác định sức chịu tải có dạng nh sau: q giới hạn = cN c s c d c i c b c g c +qN q s q d q i q b q g q +0.5BNs d i b g (1.11) Trong đó: s c, s q, s : Hệ số kể đến hình dạng móng d c, d q, d : Hệ số kể đến độ sâu móng i c, i q, i : Hệ số kể đến độ nghiêng tải trọng b c, b q, b : H/s kể đến độ nghiêng đáy móng g c, g q, g : H/s kể đến độ nghiêng mặt đất trên móng 11 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT Công thức trên viết dới dạng ứng suất có hiệu, tuy nhiên nó có thể áp dụng để xác định sức chịu tải theo ứng suất tổng. Trong trờng hợp tính theo ứng suất tổng và không thoát nớc thì dùng c = c u và =0. Terzaghi chỉ xem xét cho trờng hợp tải trọng đứng tác dụng lên móng có đáy móng nằm ngang, trong lúc đó Vesic xem xét các hệ số để tính đến các trờng hợp chịu tải bất lợi khác (xem hình vẽ dới) D V P Hỡnh 1.5 Múng nụng gn mỏi dc Hệ số xét đến hình dạng móng: 1 1tan 10.4 q c c q N B s LN B s L B s L ' =+ =+ = (1.12) Với móng băng, B/L xem nh bằng 0 do vậy s c , s q , s bằng 1. Do vậy không cần xét đến hình dạng móng khi xem xét móng băng. Hệ số xét đến độ sâu chôn móng: Khi tính sức chịu tải theo Vesic không có điều kiện giới hạn về chiều sâu chôn móng, để xét đến ảnh hởng của độ sâu chôn móng đến sức chịu tải Vesic đa ra hệ số độ sâu chôn móng. 12 Nguyn c Hnh B mụn a K thut Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT 2 10.4 12tan'(1sin') 1 c q dk dk d =+ =+ = (1.13) Với móng tơng đối nông (D/B1), lấy k=D/B, với móng (D/B>1), lấy k=tan -1 (D/B) theo radians. Hệ số xét đến độ nghiêng của tải trọng: 1 10 ' 1 ' tan ' 10 ' tan ' c c m q m mV i Ac N V i Ac P V i Ac P + = = + = + 0 (1.14) Trờng hợp tải trọng nghiêng theo hớng bề rộng móng: 2/ 1/ B L m B L + = + (1.15) Trờng hợp tải trọng nghiêng theo hớng chiều dài móng: 2/ 1/ LB m LB + = + (1.16) Trong đó: V: tải trọng ngang P: tải trọng đứng A: diện tích đáy móng c: lực díng đơn vị hữu hiệu (Khi phân tích theo ứng suất tổng dùng c) : góc nội ma sát hữu hiệu (Khi phân tích theo ứng suất tổng dùng ) B: bề rộng đáy móng L: chiều dài đáy móng Hệ số xét đến độ nghiêng của đáy móng: 13 [...]... chịu tải theo quy định trong Bảng 1.2 đối với móng trên nền đất t ơng đối bằng 23 Nguy n N c H nh B mụn a K thu t Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT = lấy theo toán đồ (tham khảo toán đồ trong Quy trình) đối với móng trên nền dốc hay kề giáp nền dốc Nq = hệ số khả năng chịu tải theo quy định của Bảng 1.2 đối với nền đất t ơng đối bằng = 0.0 đối với móng trên nền đất dốc hay kề giáp nền đất dốc sq , s = các hệ... (1.28) 1 1,3 H / V = 5,0 dùng cho ph ơng trình 2 trên nền đất t ơng đối bằng = 7,5 dùng cho ph ơng trình 3 trên nền đất t ơng đối bằng = Nc Ncq Nqm = c tra theo toỏn đối với móng trên hoặc liền kề mái dốc 1,0 cho đất sét bão hoà và nền đất t ơng đối bằng = 0,0 cho móng trên hoặc liền kề mái đất dốc Trong đó: B = chiều rộng móng (mm) L = chiều dài móng (mm) V = thnh ph n l c H = thnh ph n l c ngang Quy... theo lý thuyết đàn hồi Độ lún của móng nông trên nền đất không dính có thể tính theo công thức sau: q0 1Es Se 2 A (1.43) z Trong đó: qo = áp lực lên đáy móng (MPa) A = Diện tích đáy móng (mm2) Es = Mô đun đàn hồi của đất lấy theo Bảng 1 thay cho kết quả thí nghiệm trong phòng z = Hệ số xét đến ảnh h ởng của hình dạng móng lấy theo Bảng 1.12 = Hệ số poisson lấy theo Bảng 1.11 thay cho thí nghiệm trong... bằng ứng suất thẳng đứng ban đầu hữu hiệu tại độ sâu chôn móng, nghĩa là ứng suất thẳng đứng ở đáy móng tr ớc khi đào, đ ợc hiệu chỉnh đối với áp lực n ớc Trong các Bảng 1.7, phải lấy H và V là tải trọng nằm ngang và thẳng đứng ch a nhân hệ số Trong Bảng 1.8, phải lấy giá trị của dq trong tr ờng hợp đất nằm trên đáy móng cũng tốt nh đất d ới đáy móng Nếu đất yếu hơn, dùng dq = 1,0 N u khụng dựng b ng... các Bảng 1.3 và 1.4 t ơng ứng cq , c = các hệ số ép lún của đất đ ợc quy định trong Bảng 1.5 và 1.6 iq , i = các hệ số xét độ nghiêng của tải trọng đ ợc quy định trong Bảng 1.7 dq = hệ số độ sâu đ ợc quy định trong Bảng 1.8 Góc ma sát ( f) ( độ ) N Nq 28 17 15 30 22 18 32 30 23 34 41 29 36 58 38 38 78 49 40 110 64 42 155 85 44 225 115 46 330 160 Bảng 1.2 Các hệ số khả năng chịu tải N và Nq đối với móng. .. nổi {1-(DW-D)/B} Với tr ờng hợp 3 (D+B Dw) (Quy trình 22TCN 272-05 xem n ớc ngầm không ảnh h ởng đến sức chịu tải móng nông khi D+1.5B Dw) e = i 2.2 Kiểm toán móng nông v c ng v n nh theo quy trình 22 TCN 272-05 2.2.1 Ki m toỏn v c ng Khi thiết kế móng nông theo 22 TCN 272 05 c ờng độ đất nền đ ợc kiểm toán theo công thức: Q= i i Qi Rn = Rr (1.25) 18 Nguy n c H nh B mụn a K thu t Khoa Cụng Trỡnh -... hệ số sức kháng cho sức kháng tr ợt giữa đất và móng cho trong Bảng 1 QT ep = sức kháng tr ợt danh định giữa đất và móng (N) = hệ số sức kháng cho sức kháng bị động cho trong Bảng 1 29 Nguy n Qep c H nh B mụn a K thu t Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT = sức kháng bị động danh định của đất có trong suốt tuổi thọ thiết kế của kết cấu (N) Nếu nh đất bên d ới đế móng là đất rời thì: QT = V tan (1.41) Trong đó:... kháng đối với dạng phá hoại sâu của các móng nông đặt trên hoặc gần s ờn dốc khi các tính chất của đất hoặc đá và mực n ớc ngầm dựa trên các thí nghiệm trong phòng hoặc hiện tr ờng 0,90 Bảng 1.10 Các hệ số sức kháng theo trạng thái giới n nh cho các móng nông 32 Nguy n c H nh B mụn a K thu t Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT 2.3 Độ lún của móng nông 2.3.1 Độ lún trên nền đất dính Độ lún trờn n n t dớnh bao... 0,05 0,09 0,13 0,16 Bảng 1.7 Các hệ số xét độ nghiêng của tải trọng i và iq cho các tải trọng nghiêng theo chiều bề rộng móng 27 Nguy n c H nh B mụn a K thu t Khoa Cụng Trỡnh - HGTVT Df/B 1,30 1,35 1,40 1 1,20 2 1,25 4 1,30 8 1,35 1 1,15 2 42 1,20 8 37 (dim) 4 32 (dim) 2 f dq 1 Góc ma sát 1,20 Bảng 1.8 Hệ số độ sâu dq cho loại đất không dính Khi sử dụng các bảng cần chú ý: Trong các Bảng 1.5 và 1.6,... tải trọng tác dụng đúng tâm 2.1.4 Các dạng phá hoại của móng nông Khi Terzaghi phát triển công thức xác định sức chịu tải, tác giả chỉ tính cho tr ờng hợp phá hoại tổng quát Vesic (1973) tiến hành thí nghiệm cho móng tròn trên đất cát thấy rằng dạng phá hoại phụ thuộc vào độ chặt của đất và tỷ số D/B, với D là độ sâu của móng và B là bề rộng móng Dạng phá hoại tổng quát th ờng chỉ xảy ra cát ở trạng