bài gảng nền móng công trình xây dựng

Mọi kết cấu công trình, dù là nhà, cầu, mặt đường, cầu cảng, đều gồm có phần thân (phía trên mặt đất) và phần móng (phía dưới mặt đất).  Móng là phần mở rộng của công trình trong nền với chức năng tiếp nhận tải trọng từ phần thân và truyền xuống nền đất ở phía dưới và xung quanh móng.

FOUNDATION ENGINEERING NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

Instructor: Nguyễn Tương Lai Course: Xây dựng DD&CN VIỆN KỸ THUẬT

CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT

1.1 Khái niệm về nền và móng

 Mọi kết cấu công trình, dù là

nhà, cầu, mặt đường, cầu

cảng, đều gồm có phần thân

(phía trên mặt đất) và phần

móng (phía dưới mặt đất)

 Móng là phần mở rộng của

công trình trong nền với chức

năng tiếp nhận tải trọng từ

phần thân và truyền xuống

nền đất ở phía dưới và xung

quanh móng

 Nền là môi trường đất đá bên dưới và xung quanh móng, trực tiếp nhận tải trọng từ công trình truyền xuống qua móng

1.2 Yêu cầu đối với thiết kế nền và móng

 Nhiệm vụ của thiết kế nền móng là đảm bảo không có phần nào của công trình gồm cả phần thân và nền móng bị sự cố ở bất kỳ dạng nào (về độ bền, ổn định, biến dạng) trong quá trình chịu tải

 Các yêu cầu đối với thiết kế nền – móng công trình:

  Đảm bảo sự bền vững của toàn bộ công trình và từng bộ phận;

  Đảm bảo điều kiện khai thác bình thường của công trình;

  Đảm bảo tính khả thi trong xây dựng;

  Hiệu quả về kinh tế (chi phí xây dựng và khai thác, bảo trì)

 Các căn cứ để thiết kế nền – móng:

 Các tài liệu đầu vào: số liệu khảo sát địa kỹ thuật, đặc điểm CT, khu vực XD,…

 Phương pháp tính toán, thiết kế

 Công nghệ và thiết bị thi công

Rational Design of Foundations / Thiết kế hợp lý của nền móng

1.2 Yêu cầu đối với thiết kế nền và móng

 Việc thiết kế nền móng thường gồm hai phần chính Các phần này được đề cập đến như là:

1. Thiết kế địa kỹ thuật (TKĐKT) và

2. Thiết kế kết cấu (TKKC)

 Mục tiêu chủ yếu của TKĐKT là nhằm xác định độ sâu đặt móng và kích thước mặt bằng của móng thỏa mãn các yêu cầu thiết kế của nền đất đá về khả năng chịu tải (độ bền, độ ổn định) và điều kiện biến dạng

 TKKC chỉ được triển khai sau khi đã hoàn thành các nội dung TKĐKT Mục tiêu chủ yếu của TKKC là nhằm xác định kích thước chiều cao móng cũng như chi tiết cốt thép gia cường tại các vị trí trên móng nhằm đảm bảo điều kiện bền và biến dạng của kết cấu móng

Tuy nhiên, việc thiết kế nền móng cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn hiện hành

và phải căn cứ vào năng lực xây lắp để đảm bảo tính khả thi

Rational Design of Foundations / Thiết kế hợp lý của nền móng

1.2 Yêu cầu đối với thiết kế nền và móng

“The successful transfer of design objectives into construction is accomplished

by consideration of construction operations during the design phase In recent years the amount of coordination between design and construction has steadily decreased; primarily due to graduate engineers who specialize in design and who are never exposed to construction operations In past years, engineers either began their careers in construction and advanced into design, or were assigned the design and construction responsibilities for projects Present lack of coordination stemming from inexperience with field operations can result in a technically superior set of construction plans and specifications which cannot be built Rational construction control is vital to assure a safe, cost-effective foundation and to avoid unnecessary court of claims actions”

(Chaney & Chassie, Soils and Foundations Workshop Manual, FHWA HI-88-009)

The Problem of Constructability / Về tính khả thi trong xây dựng

 Theo vật liệu: móng gạch, móng đá, móng bê tông, móng BTCT

 Theo phương pháp xây dựng: móng toàn khối, móng lắp ghép

 Theo đặc điểm thi công và làm việc: móng nông, móng sâu

 Theo đặc điểm tải trọng: móng chịu tải trọng tĩnh, móng chịu tải trọng động

1.3.2 Phân loại móng

1.4 Tính toán, TK nền – móng theo các TTGH

dụng bình thường (võng quá lớn, biến dạng lớn, nứt quá phạm vi cho phép, mất ổn định) hoặc bị phá hoại hoàn toàn

 Việc thiết kế nền móng thường gồm hai phần chính Các phần này được đề cập đến như là:

1. Thiết kế địa kỹ thuật (TKĐKT) và

2. Thiết kế kết cấu (TKKC)

 Nhiệm vụ chủ yếu của TKĐKT là nhằm xác định độ sâu đặt móng và kích thước mặt bằng của móng thỏa mãn các yêu cầu thiết kế của nền đất đá về khả năng chịu tải (độ bền, độ ổn định – TTGHI) và điều kiện biến dạng (độ lún, độ nghiêng – TTGHII)

 TKKC chỉ được triển khai sau khi đã hoàn thành các nội dung TKĐKT Mục tiêu chủ yếu của TKKC là nhằm xác định kích thước chiều cao móng cũng như chi tiết cốt thép gia cường tại các vị trí trên móng nhằm đảm bảo điều kiện bền và biến dạng của kết cấu móng

Tuy nhiên, việc thiết kế nền móng cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn hiện hành

và phải căn cứ vào năng lực xây lắp để đảm bảo tính khả thi

1.4 Tính toán, TK nền – móng theo các TTGH

 Tùy theo đặc điểm làm việc của công trình, việc tính toán nền theo TTGH

I cần thực hiện theo một hay toàn bộ nội dung kiểm tra nền: về cường

độ, về ổn định trượt, về ổn định lật

 Việc tính toán móng theo TTGH I là nhằm kiểm tra các khả năng phá hoại của kết cấu móng khi chịu lực, tùy theo đặc điểm làm việc của móng có thể thực hiện một phần hay toàn bộ các nội dung kiểm tra: về khả năng chịu cắt, về khả năng chống chọc thủng, về khả năng chịu uốn,

về khả năng chịu lực dọc

 Công thức tổng quát để kiểm toán nền và móng theo TTGH I:

trong đó: N - ngoại lực tác dụng lên nền hoặc móng;

Φ - sức chịu tải của nền hoặc móng theo phương tác dụng của N

1.4.1 Tính toán, thiết kế N-M theo trạng thái giới hạn I

1.4.1 Tính toán, thiết kế N-M theo trạng thái giới hạn I

 Kiểm toán nền về cường độ: được thực hiện tại vị trí đáy móng và bề mặt lớp đất yếu:

trong đó:

𝜎𝜎𝑡𝑡𝑡𝑡𝑑𝑑 , 𝜎𝜎max𝑑𝑑 - là ứng suất trung bình và ứng suất lớn nhất theo phương đứng tại đáy móng;

𝜎𝜎max𝑛𝑛𝑛𝑛 - ứng suất lớn nhất tác dụng theo phương ngang tại mặt bên của móng;

𝑅𝑅, 𝑅𝑅𝑛𝑛𝑛𝑛 - là sức chịu tải của nền theo phương đứng và theo phương ngang.

 Kiểm toán nền về ổn định trượt (trượt phẳng, trượt sâu):

1.4.1 Tính toán, thiết kế N-M theo trạng thái giới hạn I

 Kiểm toán kết cấu móng về khả năng chống chọc thủng:

𝑀𝑀𝑢𝑢 - là mô men gây uốn móng do tác dụng của phản lực nền, phản lực đầu cọc;

𝑅𝑅𝑢𝑢 - là sức kháng chống uốn của móng trên tiết diện tính 𝑀𝑀𝑢𝑢

 Kiểm toán móng về khả năng chịu lực dọc:

trong đó:

𝑁𝑁𝑑𝑑 - là lực dọc tính toán trong kết cấu móng (cọc, cổ móng);

𝑅𝑅𝑑𝑑 - là độ bền chịu lực dọc của móng trên tiết diện tính 𝑁𝑁𝑑𝑑

1.4.2 Tính toán, thiết kế N-M theo trạng thái giới hạn II

 Mục đích nhằm hạn chế độ lún, độ lún lệch của móng để cho công trình khai thác được bình thường và không bị hư hỏng hay phá hoại Việc tính toán thực hiện theo các công thức sau:

trong đó:

𝑆𝑆, ∆𝑆𝑆, 𝜃𝜃, 𝑈𝑈 - tương ứng là độ lún, độ lún lệch, góc xoay và chuyển vị ngang của móng;

𝑆𝑆𝑛𝑛𝑔, ∆𝑆𝑆𝑛𝑛𝑔, 𝜃𝜃𝑛𝑛𝑔 𝑈𝑈𝑛𝑛𝑔 - tương ứng là độ lún, độ lún lệch, góc xoay và chuyển vị ngang giới hạn của móng;

𝐶𝐶0, 𝐶𝐶0𝑛𝑛𝑔 - tương ứng là độ lệch tâm tương đối và độ lệch tâm tương đối giới hạn của móng

gh gh gh gh gh

SHALLOW FOUNDATION CHƯƠNG II: MÓNG NÔNG

Instructor: Nguyễn Tương Lai Course: Cao học Xây dựng DD&CN VIỆN KỸ THUẬT

CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT

2.1 Định nghĩa và phân loại móng nông

 Móng nông là những móng được xây dựng trong hố móng lộ thiên và được đặt trực tiếp trên nền thiên nhiên hoặc nền gia cố, chiều sâu chôn móng khoảng dưới 2÷3m, trong trường hợp đặc biệt có thể sâu đến 6m

 Phân loại móng nông:

 Theo cấu tạo: móng đơn, móng băng, móng bè, móng hộp;

 Theo vật liệu: móng gạch, móng đá, móng bê tông, móng BTCT;

 Theo tính chất làm việc: móng cứng, móng mềm, móng cứng hữu hạn;

 Theo biện pháp thi công: móng toàn khối, móng lắp ghép;

 Theo đặc điểm chịu tải: đúng tâm, lệch tâm

2.2 Cấu tạo một số loại móng nông

 Móng đơn:

 Kích thước không lớn, đáy móng hình tròn, vuông, hình chữ nhật

 Vật liệu: gạch, đá, bê tông, BTCT;

Một số loại móng đơn:

(a) Móng đơn dưới cột nhà: gạch, đá xây, bê tông,

(b) Móng đơn dưới cột: bê tông hoặc BTCT

(c) Móng đơn dưới trụ cầu; (d) Móng đơn dưới chân trụ điện, tháp ăng ten

2.2 Cấu tạo một số loại móng nông

 Móng đơn:

2.2 Cấu tạo một số loại móng nông

 Móng băng:

 Kích thước một chiều lớn hơn nhiều so với hai chiều còn lại

 Vật liệu: gạch, đá, bê tông, BTCT; thường dùng dưới cột, tường

Móng băng dưới tường bằng khối xây (gạch, đá) hoặc BTCT

2.2 Cấu tạo một số loại móng nông

 Móng băng:

 Móng băng dưới cột và móng băng giao thoa sử dụng khi tải trọng lớn

2.2 Cấu tạo một số loại móng nông

2.2 Cấu tạo một số loại móng nông

2.2 Cấu tạo một số loại móng nông

 Móng hộp

 Kích thước MB lớn

dưới toàn bộ công trình

hoặc các khối đã phân

cách bởi khe lún

 Vật liệu: BTCT toàn khối

 Cấu tạo: vách sườn bên

2.3 Trình tự tính toán, thiết kế móng nông

Tính tải trọng xuống móng

Chọn kích thước đáy móng

Tính ứng suất

dưới móng

KT k.thước đáy móng

Tính chiều cao móng, Kiểm tra bền, cấu tạo móng

Kiểm toán móng về khả năng chịu cắt, chọc thủng, uốn

Lập bản vẽ,

BP thi công

dự toán Kiểm tra điều kiện kinh tế

2.3 Trình tự tính toán, thiết kế móng nông

Chọn phương án móng

 Kích thước và độ cứng tăng từ móng đơn đến móng băng, móng băng giao thoa, móng bè, móng hộp do đó cho phép chịu tải tác dụng lớn hơn, sức chịu tải của nền lớn hơn và khả năng biến dạng giảm

 Căn cứ theo tải trọng của công trình xuống móng, đặc điểm cường

độ và biến dạng của nền, ảnh hưởng của công trình lân cận,… để chọn một vài phương án móng đưa vào tính toán và so sánh về hiệu quả KT

2.3 Trình tự tính toán, thiết kế móng nông

Chọn độ sâu đặt móng phụ thuộc vào:

 Điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn: vị trí lớp đất tốt

 Ảnh hưởng của trị số và đặc tính của tải trọng: độ lớn, độ lệch tâm

 Ảnh hưởng của đặc điểm cấu tạo công trình: tầng hầm, KC ngầm

 Ảnh hưởng của móng các công trình lân cận: không sâu hơn móng của công trình lân cận hoặc phải có biện pháp chống giữ

 Ảnh hưởng của biện pháp thi công móng: không phá hoại kết cấu đất

2.4 Tính toán móng cứng

Xác định áp lực đáy móng

 Giả thiết móng cứng, bỏ qua biến dạng đáy móng nên áp lực xuống nền phân bố tuyến tính:

2.4 Tính toán móng cứng

 Phương pháp khống chế độ sâu vùng biến dạng dẻo (TCXD 45-78):

trong đó: 𝐾𝐾𝑡𝑡𝑐𝑐 là hệ số độ tin cậy; 𝑚𝑚1,𝑚𝑚2 là hệ số điều kiện làm việc của nền và hệ số điều kiện làm việc của công trình; 𝐴𝐴,𝐵𝐵,𝐷𝐷 là các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong của nền dưới đáy móng; ℎ0 là chiều sâu từ mặt đất đến nền tầng hầm tương đương; 𝑏𝑏 là chiều rộng đáy móng;

γt,γd là trọng lượng riêng đất trên, dưới đáy móng; 𝑐𝑐𝑑𝑑 là lực dính đ.vị của đất dưới đáy móng

Xác định sức chịu tải của nền

2.4 Tính toán móng cứng

 Phương pháp của Terzaghi:

trong đó: 𝐹𝐹𝑆𝑆 là hệ số an toàn; 𝑛𝑛𝑘𝑘,𝑚𝑚𝑘𝑘,𝑖𝑖𝑘𝑘 là các hệ số hiệu chỉnh hình dạng móng, độ nghiêng mặt đất

và độ lệch của tải; 𝑏𝑏 là chiều rộng đáy móng; γt,γd là trọng lượng riêng đất trên, dưới đáy móng; 𝑐𝑐𝑑𝑑 là lực dính đ.vị của đất dưới đáy móng

2.4 Tính toán móng cứng

 Kích thước đáy móng được kiểm tra và điều chỉnh để thỏa mãn điều kiện về TTGH I của nền dưới đáy móng: (xem mục 1.4.1)

Kiểm tra kích thước đáy móng theo TTGH I của nền

 Chú ý kiểm tra sức chịu

tải của lớp đất yếu bên

dưới (nếu có), thực hiện

theo phương pháp móng

quy ước tương đương

 Nếu không thỏa mãn về

TTGH I thì cần tăng kích

thước đáy móng hoặc độ

sâu đặt móng

2.4 Tính toán móng cứng

 Kích thước đáy móng được kiểm tra và điều chỉnh để thỏa mãn điều kiện về TTGH II của nền dưới đáy móng: (xem mục 1.4.2)

Kiểm tra kích thước đáy móng theo TTGH II của nền

 Giả thiết nền biến dạng tuyến tính

 Sử dụng phương pháp cộng lún

các lớp phân tố

 Nếu không thỏa mãn về TTGH I

thì cần tăng kích thước đáy

 Móng bê tông: 𝛼𝛼𝑣𝑣𝑣𝑣 = 30° ÷ 35° tùy theo cấp độ bền

Kiểm toán kết cấu móng theo TTGH I

2.4 Tính toán móng cứng

 Móng BTCT, chiều cao móng đảm bảo các điều kiện không phá hoại về: chọc thủng, cắt, uốn

Kiểm toán kết cấu móng theo TTGH I

a

a H

 Phá hoại trên tiết diện xiên: móng bị cắt khi chịu tải lệch tâm

 Phá hoại trên tiết diện xiên: móng bị chọc thủng khi tải đúng tâm

 Điều kiện biến dạng bé, áp lực đáy móng là tuyến tính

 Mô men uốn và cốt thép chịu uốn theo phương cạnh a (t/diện I-I):

 Mô men uốn và cốt thép chịu uốn theo phương cạnh b (t/diện II-II):

m, ma – là hệ số điều kiện làm việc của móng và của cốt thép; 𝜎𝜎𝑡𝑡𝑡𝑡𝑎𝑎 và 𝜎𝜎𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 là giá trị trung bình của phản lực nền trong phần công xôn của đế móng ngoài mặt cắt I-I và II- II; 𝑅𝑅𝑎𝑎 là cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép

 Xác định tải trọng xuống móng ứng với tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn: chọn hệ

Ví dụ thiết kế móng bê tông cốt thép

Lớp đất C.dày h(m) γ(G/cmTL riêng 3) Góc MS ϕ(độ) c(kG/cmL.dính 2) M.đun BD E(kG/cm2) Chỉ số dẻo Φ(%) Độ sệt B Tên đất

1 4.5 1.92 14.2 0.408 148.00 17.50 0.014 Sét nửa cứng

2 4.0 1.88 10.5 0.228 102.00 15.10 0.525 Á sét dẻo mềm

3 14.0 1.99 19.3 0.186 228.00 7.90 0.535 Á sét dẻo mềm

 Chọn sơ bộ kích thước đáy móng: α=a/b=1.5; Theo số liệu địa chất, áp lực quy ước 𝑅𝑅0 = 150 kN/m2, tính sơ bộ diện tích đáy móng 𝐹𝐹 = 1.2𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡⁄𝑅𝑅0 =7.2 (m2), 𝑏𝑏 = 𝐹𝐹 ≈ 2.68 và a = 1.5𝑏𝑏 ≈ 4.02; chọn b=2.70 (m) và a=4.0 (m)

 Tính cường độ tiêu chuẩn của nền: do không có tầng hầm nên

Chọn m1=m2=1.0 và Ktc=1.0; đất trên và dưới đáy móng cùng loại có φ=14.2o

nên tra bảng được A=0.30, B=2.19, D=4.72; tính được 𝑅𝑅𝑡𝑡𝑐𝑐 = 139.5 (kN/m2)

 Quy tải trọng về trọng tâm tiết diện đáy móng: 𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑁𝑁𝑜𝑜𝑡𝑡𝑐𝑐 + 𝛾𝛾𝑡𝑡𝑡𝑡.𝑎𝑎.𝑏𝑏.ℎ𝑚𝑚 = 1270 (kN);

 Kiểm tra ổn định trượt phẳng của móng:

 Lực gây trượt: 𝑄𝑄𝑡𝑡𝑡𝑡 = 1.2𝑄𝑄𝑜𝑜𝑡𝑡𝑐𝑐 = 76.8 (kN) Hệ số ma sát tra bảng f=(0.25÷0.45)

 Lực chống trượt: T = 𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡.f = 900x0.35= 315 (kN) do hệ số ma sát f=0.35

 Hệ số an toàn ổn định trượt: 𝐹𝐹𝑡𝑡 = 𝑇𝑇 𝑄𝑄⁄ 𝑡𝑡𝑡𝑡 = 4.1 > 𝐹𝐹𝑡𝑡 = 1.5 (OK)

 Kiểm tra ổn định lật của móng:

 Mô men gây lật đối với cạnh ngoài đáy móng: 𝑀𝑀𝐿𝐿 = 𝑀𝑀𝑡𝑡𝑡𝑡 = 286 (kNm)

 Mô men chống lật đối với cạnh ngoài đáy móng: 𝑀𝑀𝑛𝑛 = 𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑎𝑎 2⁄ =2540 (kNm)

 Kiểm tra độ lún của nền:

 Tính ứng suất gây lún dưới đế móng của THTT tiêu chuẩn: 𝑝𝑝𝑛𝑛𝑣𝑣 = 𝑝𝑝𝑡𝑡𝑥𝑥 − 𝛾𝛾𝑡𝑡𝑡𝑡.ℎ𝑚𝑚

 Tính lún theo phương pháp tổng lún các lớp phân tố: 𝑆𝑆 = 13.4 (cm)

 Tính chiều cao đế móng để thỏa mãn trạng thái giới hạn I của móng:

 Điều kiện biến dạng bé: h = max b − 𝑏𝑏0 ⁄ , a − 𝑎𝑎4 0 ⁄ = 0.85 (m) 4

 Diện tích cốt thép theo cạnh dài (t.diện I-I): chọn m=ma=1 ta có

𝐹𝐹𝑎𝑎 = 𝑀𝑀𝑢𝑢⁄ 0.9𝑅𝑅𝑠𝑠ℎ0 = 0.00254 (m2) = 25.4 (cm2)

2.4 Tính toán móng cứng

Ví dụ thiết kế móng bê tông cốt thép (tiếp theo)

3/ Trình bày các tài liệu cần thiết trong thiết kế nền và móng

4/ Trình bày nội dung kiểm tra kích thước đáy móng băng dưới tường, trong trường hợp tải trọng ngang nhỏ

5/ Trình bày nội dung kiểm tra kích thước đáy móng băng dưới cột, trong trường hợp tải trọng ngang nhỏ

6/ Trình bày nội dung kiểm tra kích thước đáy móng nông cứng trong trường hợp tải trọng ngang lớn

7/ Trình bày nội dung kiểm tra kích thước đáy móng nông cứng trong trường hợp lệch tâm đáng kể

8/ Trình bày nội dung tính toán kiểm tra chiều cao, cốt thép trong móng băng dưới tường 9/ Trình bày nội dung tính toán kiểm tra chiều cao, cốt thép trong móng đơn dưới cột

2.4 Tính toán móng cứng