Bài giảng nền móng - Chương 7

Bài giảng Bộ môn Cơ sở kỹ thuật Xây dựng. Nội dung trình bày: Một số vấn đề cơ bản trong thiết kế nền móng các khái niệm cơ bản. Móng là bộ phận chịu lực đặt thấp nhất, là kết cấu cuối

Chương 7

MÓNG SÂU 7.1 Khái niệm

Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày rất lớn còn các lớp đất chắc nằm rất sâu, nếu dùng móng cọc không đảm bảo điều kiện kỹ thuật, chẳng hạn lúc đó cọc phải rất dài không thể hạ xuống bằng các phương tiện hiện nay Ngoài ra, nếu trong đất có các chướng ngại vật như đá tảng,… thì không thể đóng cọc qua được Lúc đó người ta phải dùng móng sâu Hiện nay, để thiết kế móng sâu người ta dùng các loại giếng chìm, giếng chìm hơi ép, móng kiểu tường trong đất Các loại giếng còn được dùng làm phần ngầm của các công trình như trạm bơm, công trình thu nước, nhà nghiền quặng…

Móng sâu có thể gồm một giếng hoặc một số giếng, một hai tường trong đất liên kết với nhau bằng đài móng

7.2 Giếng chìm hơi ép

Giếng chìm hơi ép được sử dụng lần đầu tiên để làm móng sâu trong đất bão hòa nước vào năm 1841 do kỹ sư người Pháp Triquer để xuất Giếng chìm hơi ép được hạ xuống đất nhờ trọng lượng bản thân của buồng giếng và khối xây trên buồng giếng kết hợp với việc đào đất trong lòng giếng và dưới chân giếng ra Để con người có mặt trong buồng giếng để đào đất, người ta bơm khí nén vào trong buồng giếng nhằm đẩy nước ra khỏi lòng giếng Áp suất không khí trong buồng giếng phải bằng áp lực cột nước kể từ mặt nước đến độ sâu hạ giếng

Giếng chìm hơi ép (hình 7.1) bao gồm buồng giếng, thâm giếng, buồng hơi ép, ống giếng Buồng giếng (1) là một cái hộp cứng gồm chân giếng (2), tấm trần (3) Tấm trần có chừa lỗ để người ra vào buồng giếng và đưa vật liệu vào, chuyển đất ra Buồng giếng có chiều sâu h1 tối thiểu là 2,2m để đảm bảo cho con người làm việc bình thường Không khí nén được liên tục bơm từ máy nén khí (8) qua ống (7) vào buồng giếng (1) Để đưa người vào làm việc trong buồng giếng và từ buồng giếng ra ngoài nghỉ ngơi cũng như chuyển đất ra khỏi giếng mà không cần giảm áp suất không khí nén, người ta sử dụng buồng hơi ép (6) gắn trên ống giếng (5) Ống giếng (5) gồm nhiều đốt được lắp ghép lại với nhau và lắp chặt với trần buồng giếng chìm Khi hạ giếng xuống sâu, ống giếng được lắp thêm các đốt cho dài ra

Hình 7.1: Sơ đồ giếng chìm hơi ép

Buồng hơi ép (6) gồm buồng chủ (a), thùng cho người ra vào (b) và thùng để di chuyển vật liệu (c) Các thùng (b) và (c) có cửa thồng với thùng chủ Để khỏi gây ra sự tăng giảm đột ngột về áp suất không khí, có hại cho sức khỏe con người, trước khi cho người vào buồng giếng (1) phải để họ ở thùng (b) rồi tăng áp suất không khí lên một cách từ từ, còn khi đưa người từ buồng giếng ra ngoài thì phải giảm áp suất từ từ

Sau khi người vào camera (b), đóng cửa lại và xả không khí vào đó, áp suất không khí trong camera tăng lên Thời gian xả không khí vào camera phụ thuộc vào áp suất không khí trong buồng giếng và kéo dài từ 6÷12 phút Khi áp suất trong camera phụ (b) và camera chủ bằng nhau thì có thể mở cửa và đi vào camera chủ rồi từ đó theo thang đặt trong ống giếng để vào buồng giếng

Khi người trong buồng giếng ra ngoài thì tiến hành theo trình tự ngược lại, nhưng thời gian họ ở lại trong camera phụ (b) để hạ áp suất không khí xuống dần phải kéo dài từ 14 phút đến 1giờ 25 phút

Đất trong giếng được đào ở phần giữa rồi đào dần ra vùng chân giếng và chuyển ra ngoài qua camera (c), có thể đào đất bằng tay hoặc bằng vòi phụt nước Đồng thời với việc đào đất trong lòng giếng, người ta xây thân giếng Để tránh tình trạng ma sát giữa mặt ngoài thành giếng với đất vượt quá trọng lượng giếng, cần đào đất rộng ra ngoài thân giếng một đoạn 0,1÷0,15m Để hạ giếng nhanh người ta có thể đào hào theo chu tuyến buồng giếng và moi đất dưới chân giếng ra Sau đó hạ áp suất trong buồng giếng xuống 50% (không được giảm nhiều hơn nữa) Khi đó khí nén trong buồng giếng sẽ ít cản lại sự hạ giếng và giếng hạ xuống nhanh hơn Theo cách này mỗi lần chỉ hạ được 0,5m Khi giếng bị chệch thì phải chỉnh lại

Ngày nay ở nhiều nước người ta sử dụng sơ giới để đào đất, do đó giảm được rất nhiều khó khăn khi thi công giếng chìm hơi ép Đất được đào bằng vòi phun nước và bùn được vận chuyển ra ngoài bằng máy hút bùn Dùng phương pháp này có thể tự động hóa toàn bộ quá trình hạ giếng, con người không phải làm việc trong buồng hơi ép Đào đất bằng vòi phụt nước có hiệu quả đối với đất cát và bùn

Khi hạ giếng chìm hơi ép xuống đất yếu, để tránh tình trạng giếng bị hạ xuống quá nhanh ở giai đoạn đầu, người ta kê buồng giếng lên sàn để tăng diện tích tiếp xúc nhằm giảm áp lực

Sau khi giếng hạ đến độ sâu thiết kế người ta tháo thiết bị ra và lấp đầy bêtông vào phần rỗng bên trong

Khi hạ giếng trên vùng đất khô, để giảm bớt công việc đào đất trong buồng giếng trong điều kiện áp suất cao rất có hại cho sức khỏe, người ta đào hố sẵn nhưng đya hố phải cao hơn mức nước ngầm ít nhất 0,5m Khi hạ giếng trên khu đất ngập nước thì có thể dùng đảo nhân tạo (đắp bằng đất, cát cho cao hơn mặt nước) dùng phương pháp treo trên giá đỡ và phương pháp thả nổi Khi hạ giếng vào đá có thể xảy ra tình trạng tường ngoài của giếng bị ép vào mặt đá làm cho giếng bị kẹp không hạ xuống được Để tránh tình trạng đó, khi đào đá dưới chân giếng phải đào rộng ra một khoảng ≥ 0,1m so với mặt ngoài chân giếng Nếu chân giếng kê trên tầng đá có nóc lớp nghiêng thì để giảm công tác đào đất có thể không cần san bằng mặt đá mà chỉ đào đá dưới chân giếng để toàn bộ chân giếng tiếp xúc với đá

Để giảm bớt ma sát giữa đất và giếng, mặt ngoài của giếng chìm hơi ép phải phẳng và trơn Vì vậy bề mặt các ván khuôn ốp vào mặt tường giếng phải khít nhau

Hình 7.2: Một số ví dụ về cấu tạo chân giếng chìm hơi ép

Giếng chìm hơi ép có nhiều nhược điểm như thi công chậm, giếng là một khối lớn tốn nhiều vật liệu nên giá thành cao, công nhân phải làm việc trong điều kiện áp suất cao rất có hại cho sức khỏe Ngoài ra, vì con người có thể làm việc được dưới áp suất tối đa là 3,9atm nên chỉ hạ được giếng đến độ sâu 39m Do đó giếng chìm hơi ép dùng khi phải hạ xuống khu đất có nhiều chướng ngại như đá tảng, gốc cây Một ví dụ về cấu tạo giếng

7.2.1 Tính toán giếng chìm hơi ép

Trong quá trình sử dụng, giếng chìm hơi ép chịu các tải trọng giống như giếng chìm và được tính toán hoàn toàn tương tự

Khi hạ giếng có các tải trọng sau đây tác dụng:

P_ Trọng lượng bản thân của giếng, buồng hơi ép, ống giếng; P’_ Trọng lượng bản thân buồng giếng;

N_ Áp lực của khí nén trong buồng giếng tác dụng lên chân giếng theo phương ngang;

Q_ Áp lực của khí nén trong buồng giếng tác dụng lên tấm trần theo phương thẳng đứng;

Phản lực đứng R1, R2 và nằm ngang H của đất dưới công son;

Áp lực ngang lên tường phía ngoài của buồng giếng do cột nước W và áp lực đất E; Ma sát giữa đất với mặt ngoài chân giếng và thân giếng T = E.f;

Người ta xét các trường hợp sau:

1 Giếng hạ đến độ sâu thiết kế, trong buồng giếng có áp lực toàn phần của khí nén tác dụng; chân giếng cắm sâu vào đất 0,5m Ở trạng thái đó người ta xác định nội lực ở chỗ ngàm chân giếng và tấm trần khi giếng bị uốn về phía đất

2 Giếng hạ đến độ sâu thiết kế, áp suất không khí trong buồng giếng giảm xuống 50%, đất ở chân giếng đã đào đi Lúc đó giếng lún thụt xuống, gây ra một lực lớn nhất trong mặt cắt giống như trường hợp trên nhưng lúc này chân giếng bị uốn vào phía trong buồng

3 Giếng ở mặt đất trước khi hạ nhưng trên trần có khối xây thân giếng Lúc đó sẽ xuất hiện mômen uốn lớn nhất ở tấm trần buồng giếng

4 Giếng nằm trên giá đỡ chỉ có trọng lượng bản thân tác dụng Lúc đó tấm trần được kiểm tra theo sự uốn bởi mômen do chân giếng gây ra

Khi tính toán chân giếng, người ta tách ra một dải rộng 1m theo chiều cao giếng để tính

Khi tính toán tấm trần, người ta quan niệm như bản kê 4 cạnh hoặc dầm đơn giản

Để trọng lượng giếng thắng ma sát khi hạ giếng và đảm bảo điều kiện bề dày tường ngoài bằng 0,3÷1,5m, bề dày tường trong bằng 0,3÷0,7m

Thành giếng có thể thẳng đứng hoặc khi cần ma sát khi hạ giếng, mặt ngoài thành giếng được chế tạo với độ nghiêng 1:80 đến 1:120 so với trục đứng hoặc làm bậc, bề rộng của bậc không quá 7÷20cm để tránh làm giảm ổn định khi hạ giếng Loại giếng thành nghiêng và loại có bậc khi hạ xuống dễ làm đất quanh giếng bị vỡ lở xốp làm mất ổn định của nền các công trình gần nơi hạ giếng

Nếu dùng một giếng làm móng thì mặt cắt ngang của giếng phải giống mặt bằng của kết cấu bên trên Giếng có mặt bằng hình tròn có nhiều ưu điểm so với giếng có hình dạng khác, nó dễ chế tạo, khi hạ xuống đất ít bị vênh lệch hơn, chi phí cốt thép là ít nhất Do vậy, nếu chọn phương án giếng chìm thì nên cố gắng dùng giếng tròn và cho kết cấu bên trên có dạng gần với hình tròn

Nếu tỷ số giữa các cạnh của móng trong mặt bằng mà lớn thì dùng giếng có mặt cắt ngang hình elip hoặc chữ nhật nhưng hai cạnh ngắn được thay bởi hai cạnh hình tròn Đối với móng có kích thước lớn thì cho phép dùng loại chữ nhật Giếng chìm được làm bằng bêtông cốt thép, đá

7.3.2 Thi công

Giếng trọng lực được hạ xuống đất nhờ trọng lượng bản thân kết hợp với việc đào đất trong lòng giếng ra Khi cần hạ giếng xuống không sâu lắm thì chế tạo toàn bộ giếng xong rồi hạ xuống Khi phải hạ giếng xuống sâu thì người ta chế tạo một đoạn rồi hạ xuống, sau đó tiếp tục đúc đoạn trên và hạ giếng tiếp tục Mỗi đoạn giếng có chiều dài từ 3÷6m Sau khi hạ xong đoạn giếng đầu tiên, người ta lắp ván khuôn và đổ bêtông đoạn thứ hai Sau khi bêtông đoạn thứ hai đủ bền thì tiếp tục hạ và chu trình đó cứ lặp lại cho đến độ sâu thiết kế

Công tác đào, chuyển đất ra khỏi lòng giếng và đổ bêtông lòng giếng có thể tiến hành đồng thời với việc bơm hút ra ngoài hoặc không cần bơm nước ra Đất được lấy ra khỏi lòng giếng bằng gầu ngoạm, máy hút thủy lực hoặc máy bơm dâng bằng khí nén Biện pháp bơm hút nước chỉ nên dùng khi đất dưới chân giếng không bị lở và trôi vào lòng giếng Đất lở sẽ làm tăng thể tích đất phải chuyển ra khỏi lòng giếng và có thể làm cho các công trình lân cận bị biến dạng, thậm chí biến dạng nghiêm trọng

Khi mực nước trong lòng giếng cao và đất dễ thấm, khi hạ giếng không được bơm nước ra mà thậm chí còn phải bơm thêm nước vào lòng giếng để mực nước trong giếng cao hơn mực nước bên ngoài, để đất (cát nhỏ, bùn) khỏi trôi vào lòng giếng

Phương pháp hạ giếng chìm không bơm hút nước chi nên dùng khi đất để xói lở và không lẫn những tảng đá to Công việc hạ giếng sẽ rất khó khăn nếu nền là đá cứng, nhất là khi đá có nóc lớp nằm nghiêng Lúc đó để chân giếng tiếp xúc với nền đá trên toàn bộ tuyến thì phải dùng phương pháp thi công dưới nước vừa khó khăn lại đắt tiền Không được dùng giếng khối tại những vùng đất không ổn định nếu có các công trình nằm trong phạm vi lăng thể trượt

Nếu hạ giếng ở nơi khô ráo thi ngay tại đó, người ta san đất, đầm chặt rồi đặt gỗ kê, đặt ván khuôn rồi đúc giếng Khi hạ giếng ở vùng ngập nước, nếu nước nông hơn 5m thì dùng đất đổ thành đảo nhân tạo và từ đó tiến hành hạ giếng Nếu nước sâu hơn 5m thì dùng đất đổ thành đảo nhân tạo sẽ làm hẹp lòng sông nhiều quá thì người ta hạ giếng với các giá đỡ cố định Ngoài ra khi nước sâu, người ta dùng giếng nổi được trên mặt nước Để giếng có thể nổi được, thành giếng được chế tạo dạng hộp rỗng hoặc bịt kín giếng rồi cho khí nén vào Phần phía trên giếng được bịt bằng thép hình cupôn

Để tăng nhanh tốc độ hạ giếng, người ta có thể dùng các biện pháp hỗ trợ như gia tải trọng tĩnh, bơm vữa sét bentônit vào khe hở giữa mặt ngoài thành giếng và đất tạo thành áo sét (áo xúc biến) dày 5÷10cm

Trong thực tiễn, người ta đã thi công giếng chìm trọng lực với diện tích 2000m2trong mặt bằng va có trường hợp hạ giếng 70m kể từ mặt nước, trong đó hơn 40m hạ vào đất

7.3.3 Tính toán giếng chìm

7.3.3.1 Sơ bộ xác định bề dày thành giếng

Hình dạng và kích thước của giếng được lựa chọn dựa theo móng được thiết kế Để hạ được giếng xuống đất thì trọng lượng của nó phải lớn hơn ma sát giữa thành giếng và đất

τ> n

Trong đó trọng lượng P được xác định như sau:

Khi hạ giếng có bơm hút nước ra P = V γ Khi hạ giếng mà không bơm hút nước ra thì trọng lượng giếng sẽ giảm, do nó bị tác dụng của lực đẩy nổi Acsimet, lúc đó trọng lượng giếng bằng:

P= γ−γwTrong đó:

u_ Chu vi của giếng;

hi_ Chiều dày đất mà giếng xuyên qua lớp thứ I;

τ _ Ma sát đơn vị giữa thành giếng và lớp đất thứ i

Dựa theo V ta xác định được bề dày cần thiết của tường giếng 7.3.3.2 Kiểm tra độ bền của tường giếng

Khi hạ xuống đất, tường giếng ở trạng thái ứng suất phức tạp dưới tác dụng của các lực sau:

- Áp lực chủ động của đất: )245(tg.h

Trong đó:

Hình 7.3: Mômen uốn và lực dọc tác dụng tại tiết diện giếng chìm

Giếng hình elip (hình 7.3a): - Mômen uốn tại tiết diện a:

α=p.a

- Mômen uốn tại tiết diện c: β

−= p.a

Ở đây: trn=

Khi hạ giếng, chân giếng sẽ làm việc trong điều kiện bất lợi nhất

Để tính toán chân giếng, người ta quan niệm nó như một côngson rộng 1m được tách ra bởi 2 mặt phẳng thẳng đứng, ngàm vào thành giếng Côngson được tính theo sự uốn ứng với 2 trường hợp nguy hiểm nhất

Trường hợp 1:

Giếng hạ đến độ sâu thiết kế, đất duới chân giếng đã đào hết (hình 7.4), chân giếng bị uốn vào phía trong giếng Lúc đó trọng lượng giếng được cân bằng bởi lực ma sát xuất hiện ở mặt ngoài của giếng Mômen uốn của tiết diện a-a xác định theo công thức:

a' n (E W )l n G l n T l

Lực dọc:

Ở đây: K

G _ Trọng lượng côngson; K

T _ Lực ma sát tác dụng ở mặt ngoài côngson; )

n1_ Hệ số vượt tải của áp lực đất và nước n1 =1,3; n2_ Hệ số vượt tải của trọng lượng thành giếng n2 =1,1; n3_ Hệ số an toàn của lực ma sát n3 =0,9;

Hình 7.4: Sơ đồ tính côngson trong trường hợp 1

Trường hợp 2:

Giếng hạ xuống được một nửa độ sâu thiết kế (hình 7.5) phía trên đã đổ bêtông đoạn giếng tiếp theo còn chân giếng cắm vào đất 1,0m Trọng lượng giếng được cân bằng bởi lực ma sát, phản lực thẳng đứng của đất và phản lực của phần ngang chỗ vát xuống đế tường ngoài côngson chịu tác dụng của áp lực chủ động của đất và áp lực nước, phản lực của đất nền theo phương ngang và phương thẳng đứng, lực ma sát giữa đất và mặt ngoài vách giếng

Hình 7.5: Sơ đồ tính côngson trường hợp 2

Tải trọng thẳng đứng do trọng lượng bản thân giếng trên 1m chân giếng theo phương ngang được lấy bằng:

n4_ Hệ số vượt tải lấy n4 =0,7 Lực ma sát trong phạm vi

lấy bằng a

Các ký hiệu giống như trên

Các phản lực nằm ngang và thẳng đứng xuất hiện khi chân giếng cắm vào đất xác định theo công thức:

21 VV

+

2 h cotg

α _ Góc nghiêng của phần vát chân giếng;

δ _ Góc ma sát ngoài giữa đất và bêtông tường giếng; Lực U được coi là đặt tại cao độ

Các ký hiệu khác như trên hình vẽ

Mômen uốn và lực dọc tại tiết diện a-a của côngson xác định theo công thức: +

max = ;

Khi hạ giếng, do đào đất dưới chân giếng và sự tập trung lực ma sát ở phần trên của giếng có thể xảy ra tình trạng là tại tiết diện nằm ngang x-x (hình 7.6) sẽ xuất hiện ứng suất kéo có trị số vượt quá độ bền của tường giếng Lực kéo tại tiết diện x-x:

G _ Lần lượt là trọng lượng giếng và lực ma sát ở phần giếng phía dưới tiết diện x-x

Nếu biểu đồ của lực ma sát có dạng tam giác thì lực kéo giếng xác định theo công thức:

Trị số lớn nhất của lực kéo xác định theo: 4

Điều đó ứng với: 2Hx =

Hình 7.6: Sơ đồ kiểm tra giếng theo sự kéo đứt

Việc tính toán giếng theo lực kéo tiến hành theo công thức chịu kéo của cấu kiện bêtông cốt thép hoặc bêtông

Khi chế tạo giếng cần kiểm tra độ bền vách đoạn giếng đầu tiên Sự uốn của vách giếng do trọng lượng bản thân có thể làm giếng không đủ độ bền để chịu đựng

Mômen uốn lớn nhất thường xuất hiện khi bỏ giếng ra khỏi đệm kê cố định cuối cùng

Khi hạ giếng có thể xuất hiện ứng suất kéo đáng kể do sự chênh lệch cũng như do phần trên giếng bị ép vào đất còn phần dưới của giếng bị treo vì đào đất đi Để tránh sự hư hỏng trong các trường hợp đó, người ta đặt cốt dọc chịu lực theo phương thẳng đứng, các cốt này được liên kết với nhau bằng các cốt đai ngang hoặc cốt đai lò xo Thường cốt dọc được bố trí theo 2 hàng

Khi xác định đường kính và khối lượng cốt thép dọc, người ta tính theo 1/2 trọng lượng giếng

7.4 Tính toán móng sâu ngàm vào đất

Khi tính toán móng nông ta không xét đến sức cản của nền theo mặt xung quanh móng bởi vì khi móng nông thì ảnh hưởng của nó không đáng kể Ngược lại đối với móng sâu thì ảnh hưởng đó lớn và ta phải xét đến

Dưới tác dụng của lực ngang và mômen, móng sẽ quay quanh trục đi qua điểm D nằm trên trục đứng của móng

Phương pháp tính toán mà ta xét sau đây là của Zavriev, đã được đưa vào quy trình thiết kế CH200-62 của Liên Xô cũ Phương pháp này được xây dựng trên cở sở các giả thuyết:

- Đất được coi là môi trường đàn hồi với hệ số nền tăng theo chiều sâu theo quy luật bậc nhất và tại mọi độ sâu tính nén của đất dưới tác dụng của áp lực ngang và thẳng đứng đều được đặc trưng bởi một hệ số nền

- Độ cứng của móng coi là lớn vô cùng so với độ cứng của đất, nghĩa là trong tính toán không kể đến biến dạng của móng

- Dưới tác dụng của lực đứng, lực ngang, móng lại trượt theo mặt phẳng của nền và quay quanh một điểm nào đó gọi là tâm quay tức thời

Sự trượt của móng sẽ bị cản trở lại bởi lực ma sát và sức chống của đất theo mặt nền và mặt thẳng đứng phía trước Sự quay của móng sẽ bị cản trở lại bởi sức chống của đất tại mặt trước và mặt sau của nền

Khi tính toán móng sâu ngàm vào đất, người ta chia làm hai loại: - Tuyệt đối cứng nếu α.h≤2,5;

- Có độ cứng hữu hạn nếu α.h>2,5 Trong đó:

Trong đó: _

Ki Hệ số nền của lớp thứ I; i

h _ Chiều dày mỗi lớp trong phạm vi hm; )

1D(2hm = +

D _ Đường kính hoặc cạnh móng, m; t

b _ Bề rộng tính toán của móng mà theo đó ta xác định áp lực ngang của đất trên mặt bên của móng:

)1b(n

Trường hợp móng tuyệt đối cứng Xuất phát từ các giả thiết nêu trên, ta thấy nếu do biến dạng đàn hồi của đất, móng quay đi một góc vô cùng bé thì các mặt bên của móng cũng nghiêng đi một góc bằng góc quay của đế móng so với nền Sự quay của móng xảy ra quanh một điểm gọi là tâm quay

Hình 7.7: Giếng chữ nhật có hai cạnh ngắn thay bằng hai nửa vòng tròn

Ta phân ra 3 trường hợp chuyển vị khả dĩ của móng trong đất (hình 7.8)

- Trường hợp 1: Nền chuyển vị quay về phía ngược lại hướng tác dụng của lực

ngang, tâm quay nằm cao hơn đế móng

- Trường hợp 2: Nền không chuyển vị, tâm quay nằm ở mặt nền tiếp xúc với đế

Hình 7.8: Sơ đồ chuyển vị của móng và tráng thái ứng suất của đất a Khi z0 < h; b Khi z0 = h; c Khi z0 > h

Để xác định thành phần thẳng đứng của áp lực đất theo mặt bên và theo mặt xung quanh móng ta sử dụng mối quan hệ tuyến tính giữa chuyển vị và áp lực Đất được coi là