5 - Chuong 4 - Mong gieng chim (2007) 2009

Khái niệm Móng giếng chìm là loại móng mà cách hạ của nó giống nh- hạ giếng n-ớc trong dân gian, đó là kết cấu giếng đ-ợc đúc thành từng đốt cao từ 4~6m, sau đó đất bên trong lòng giếng

Ch-ơng 4

móng giếng chìm

1 Khái niệm

Móng giếng chìm là loại móng mà cách hạ của nó giống nh- hạ giếng n-ớc trong dân gian, đó

là kết cấu giếng đ-ợc đúc thành từng đốt cao từ 4~6m, sau đó đất bên trong lòng giếng đ-ợc

đào đi, giếng đ-ợc đánh chìm dần xuống vì trọng l-ợng bản thân của nó lớn hơn ma sát giữa

đất và mặt ngoài của giếng Đốt này hạ xong lại tiếp tục đúc đốt tiếp theo ở phía trên rồi lặp lại

việc đào đất và đánh chìm

Móng giếng chìm đã từng đ-ợc thiết kế và thi công thành công ở một số cầu nh- một số trụ

cầu Thăng Long, cầu Hàm rồng, cầu Ch-ơng D-ơng…

Nói chung, về lý thuyết thì móng giếng chìm có thể hạ tới chiều sâu bất kỳ Tuy nhiên trong

quá trình hạ có nhiều điều kiện phức tạp về địa chất và kỹ thuật nên hạn chế về chiều sâu hạ

giếng

Với những điều kiện địa chất ẩm -ớt, có n-ớc ngầm thì để thi công hạ giếng ng-ời ta sử dụng

kết cấu móng giếng chìm hơi ép nh- ở cầu Thăng Long, cầu Bãi Cháy (Hạ Long - Quảng

Ninh) Móng giếng chìm hơi ép có nguyên lý tạo một buồng kín ở phía d-ới chân giếng trong

quá trình hạ Buồng kín này có áp suất cao hơn áp suất bình th-ờng do đó có thể đẩy n-ớc ra

khỏi buồng kín và tạo điều kiện khô ráo để đào đất bên trong lòng giếng Tuy nhiên, do áp

suất cao nên ng-ời công nhân làm việc ở trong buồng kín rất dễ mắc các bệnh nghề nghiệp

2 Đặc điểm, -u nh-ợc điểm của móng giếng chìm

2.1 Đặc điểm của móng giếng chìm

Giếng chìm là một kết cấu rỗng bên trong Vỏ ngoài có nhiệm vụ chủ yếu là chống đỡ áp lực

đất trong quá trình hạ và tạo ra trọng l-ợng để thắng ma sát của đất xung quanh

Sau khi hạ giếng đến chiều sâu thiết kế, ng-ời ta có thể lấp lòng giếng một phần hay toàn bộ

bằng bê tông hay có thể để rỗng Nh- vậy, nếu đ-ợc lấp lòng thì vỏ giếng và ruột giếng đã

thành một móng khối đ-ợc đặt sâu trong đất và do vậy giếng chìm có khả năng mang tải rất

lớn, đặc biệt là khi móng chịu mômen và tải trọng ngang lớn

Móng giếng chìm rất phù hợp khi công trình bên trên có tải trọng t-ơng đối lớn và rất lớn,

điều kiện địa chất khó khăn cho việc thi công cọc ống hay cọc khoan nhồi, lớp đất tốt lại nằm

sâu

Khi thi công không yêu cầu thiết bị phức tạp, th-ờng kết hợp với lao động thủ công trong quá

2.2 Nh-ợc điểm

Theo lý thuyết thì giếng có thể hạ đến độ sâu bất kỳ Tuy nhiên, nh- đã nói ở trên do một số

điều kiện địa chất cũng nh- kỹ thuật, ví dụ điều kiện làm việc của công nhân và máy móc ở

d-ới sâu th-ờng gặp khó khăn, vấn đề bơm n-ớc, hay bệnh nghề nghiệp…nên thực tế, giếng

chìm có nhiều hạn chế (giếng chìm sâu nhất hiện nay khoảng 72m) và th-ờng là giải pháp sau

cùng khi phải lựa chọn loại móng

Nh-ợc điểm của móng giếng chìm còn ở chỗ khối l-ợng thi công lớn, thời gian thi công lâu dễ

bị chi phối do điều kiện thời tiết

Trong các tr-ờng hợp sau đây thì việc áp dụng móng giếng chìm sẽ rất phức tạp:

- Giếng hạ qua lớp cát bụi có chiều dày lớn, c-ờng độ thấp nên khi hạ rất dễ xảy ra hiện

t-ợng đất đùn vào giếng quá nhiều khi bơm n-ớc làm cho giếng có khả năng bị

nghiêng vì tốc độ đất đùn vào lòng giếng không đều nhau quanh giếng Việc điều

chỉnh sự cố giếng nghiêng th-ờng rất phức tạp

- Nền đất mà giếng đi qua có nhiều tảng đá lớn, thân cây to hay các ch-ớng ngại vật nh-

mảng công trình cũ… sẽ làm cản trở việc hạ giếng do công tác lấy các vật ch-ớng ngại

đó rất khó khăn và dễ làm cho giếng bị nghiêng

- Khi chân giếng tựa lên tầng đá có thế nghiêng lớn cũng làm cho giếng dễ bị nghiêng

do quá trình hạ giếng lún không đều

Giếng chìm th-ờng làm bằng vật liệu bê tông cốt thép là phổ biến nhất, mác bê tông th-ờng từ

200 trở nên Thi công có thể lắp ghép hay đổ bê tông tại chỗ ở Việt Nam giếng chìm đ-ợc thi

công đổ tại chỗ

Xem xét cấu tạo móng giếng chìm chủ yếu trên các mặt sau:

1 Mặt bằng giếng

Tuỳ thuộc vào cấu tạo công trình bên trên mà giếng chìm có mặt bằng cho thích hợp Mặt

bằng móng giếng chìm th-ờng có cấu tạo đối xứng để quá trình hạ giếng đ-ợc xuống đều và

cân bằng

Trên hình 4.1 là một số dạng mặt bằng móng giếng chìm th-ờng gặp

ô lấy đất

A A

T-ờng ngoài (t)

D

a) Hình tròn

c) Hình ô van

b) Hình chữ nhật

d) Hình chữ nhật vát góc

Hình 4.1: Một số dạng mặt bằng móng giếng chìm

a) Dạng hình tròn

Móng hình tròn đ-ợc sử dụng khi hình dạng đáy công trình bên trên là hình tròn, hình vuông,

hay kích th-ớc hai chiều gần bằng nhau

Dạng móng này khi thi công giếng dễ xuống và xuống đều Hơn nữa, trong các hình có cùng

diện tích thì hình tròn có chu vi nhỏ nhất nên ma sát giữa đất và thành giếng cũng giảm so với

các hình khác, vì vậy dạng móng hình tròn th-ờng hạ đ-ợc chiều sâu lớn Khi thiết kế có thể

đ-a về các hình gần hình tròn nh- hình ngũ giác, lục giác hay bát giác

Móng hình tròn có đ-ờng kính d =20~30m, th-ờng áp dụng xây dựng cho móng các kết cấu

đứng riêng rẽ nh- cột lớn, máy móc nặng, trạm bơm, bể chứa…

b) Móng dạng hinh chữ nhật, chữ nhật vát góc hay hình bầu dục

Khi kết cấu bên trên có hai chiều khác nhau (móng trụ, mố cầu) thì hình dạng mặt bằng của

giếng nên là hính chữ nhật hay chữ nhật vát góc Nói chung, tỷ số hai cạch không nên quá lớn

(A:B < 3:1) vì nếu khác nhau nhiều khi hạ giếng dễ bị nghiêng và xuống lệch vị trí Th-ờng

chọn tỷ số hai cạnh A:B = 1.5:1 ~ 2.5:1

Móng hình chữ nhật dễ chế tạo ván khuôn nh-ng khi hạ gặp khó khăn do tập trung ứng suất

tại các góc Loại này áp dụng khi chiều sâu hạ từ 8~10m

Móng hình chữ nhật vát góc, hình bầu dục đ-ợc áp dụng khi chiều sâu hạ lớn hơn do giảm

đ-ợc ma sát tại các góc và giếng hạ đ-ợc êm thuận hơn

2 Chiều dày thành giếng

Kích th-ớc mặt trên của giếng th-ờng làm rộng hơn mặt bằng mố trụ và có các bộ phận sau:

 T-ờng ngoài và t-ờng đầu: là các kết cấu tạo nên vỏ giếng có chức năng chống lại áp

lực đất và tạo trọng l-ợng để thắng lực ma sát của đất xung quanh giếng trong quá

trình hạ Chiều dày t-ờng giếng phải > 40cm và ≥ (1/50) chiều sâu hạ giếng, th-ờng từ

0.6~1.5m hay có thể lớn hơn (2~2.5m với giếng chìm hơi ép), độ dày này phụ thuộc

vào các tếu tố trên

 Vách ngăn (t-ờng ngăn): khi giếng có kích th-ớc lớn thì t-ờng ngoài chịu áp lực ngang

của đất cũng rất lớn do khẩu độ t-ờng lúc này là dài Để giảm bớt nội lực cho thành

giếng, giảm khẩu độ tính toán cho t-ờng ngoài th-ờng làm thêm các vách ngăn Chiều

dày vách ngăn từ 0.4~0.8m (1.2~1.6m với giếng chìm hơi ép)

Chân vách ngăn th-ờng làm cao hơn chân t-ờng ngoìa ít nhất 0.5m để tránh vách ngăn

chạm đất trong quá trình hạ làm giếng chịu lực theo sơ đồ bất lợi Trên vách ngăn có

các ô để công nhân có thể qua lại các ô lấy đất khi thi công

 Ô lấy đất: là các không gian để máy móc và nhân công hoạt động Kích th-ớc ô lấy

đất không nên làm nhỏ quá cản trở thao tác của máy móc thiết bị, nh-ng cũng không

nên để lớn quá làm tăng khẩu độ tính toán của t-ờng ngoài, th-ờng từ 2~3m và không

v-ợt quá 5m

3 Mặt đứng

Hình dạng mặt đứng th-ờng do điều kiện lực ma sát thành bên quyết định và có thể có các

dạng sau:

Nắp giếng

Bê tông biịt đáy

Nắp giếng Nắp giếng

Bê tông biịt đáy Bê tông biịt đáy

a) Thành thẳng đứng b) Thành dạng bậc c) Thành nghiêng

Hình 4.2: Một số dạng mặt đứng móng giếng chìm

 Giếng có thành thẳng đứng: th-ờng chiều sâu hạ không lớn (5~10m) do không giảm

đ-ợc lực ma sát Tuy nhiên công tác ván khuôn dễ dàng hơn các loại thành khác do

không có phần thay đổi trên suốt chiều sâu hạ giếng Hơn thế nữa, trong giai đoạn khai

thác, do đ-ợc đất xung quanh dữ chặt nên giếng có chuyển vị ngang nhỏ

 Giếng có thành hình bậc hay nghiêng: mục đích đề làm giảm ma sát của đất xung

quanh Nếu là loại thành nghiêng thì độ nghiêng không nên quá 1/100 vì nếu nghiêng

quá giếng sẽ mất ổn định Nếu là loại thành bậc thì đốt cuối cùng (d-ới chân giếng cao

từ 3~4m) cũng nên thẳng để tạo dẫn h-ớng cho giếng đ-ợc thẳng tim trong quá trình

hạ

Tuy nhiên với loại này do đất xung quanh không giữ chặt giếng nh- thành thẳng đứng

nên có khả năng giếng có chuyển vị ngang đáng kể, cần phải xem xét

4 Chân giếng

Chân giếng là bộ phận chân t-ờng ngoài có độ vát nghiêng, có chiều cao là h c và th-ờng có

hình dạng nh- trên hình 4.3 Độ nghiêng của mặt trong chân giếng (góc  = 30~45o

) Mặt tựa chân giếng lên đất gọi là bàn chân giếng, là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với nền đất phía d-ới

Tuỳ thuộc vào độ chặt của đất mà có chiều rộng từ 0.1~0.3m, đôi khi với giếng hạ sâu thì chân

giếng đ-ợc vát nhọn Phía bàn chân giếng đ-ợc bọc bằng thép góc, thép U, hoặc thép hình để

tăng độ cứng cho chân giếng

0.1~0.3m

30~40

T-ờng ngoài Vách

a) Chi tiết chân giếng

Rãnh khấc

0.25~0.3m

b) Chân giếng gãy khúc

c) Chân giếng vát nhọn

t

t

1 : n

1 : m

Hình 4.3: Một số dạng cấu tạo chân giếng chìm

Bên trên chân giếng một đoạn có những rãnh lõm sâu vào t-ờng giếng và t-ờng trong, để sau

này đổ bê tông bản đáy cho dính bám tốt (liên kết tốt giữa t-ờng ngoài và vách ngăn) Các

rãnh này có chiều cao từ 0.8~1m, sâu vào trong 0.25~0.35m

Khi t-ờng giếng dày > 1m, hoặc đất đào là dạng mềm xốp thì có thể làm chân giếng nghiêng

dạng gãy khúc để giảm chiều cao chân giếng, tránh cho chân giếng có chiều cao lớn sẽ bị

giảm yếu về chịu lực

I Tính toán giếng chìm theo hệ tải trọng thi công

1 Kiểm tra khả năng hạ giếng

Khi hạ giếng thì trọng l-ợng bản thân giếng phải lớn hơn lực ma sát của đất với thành bên Để

đảm bảo giếng hạ đến chiều sâu thiết kế thì điều kiện trên phải thoả mãn biểu thức sau:

Trong đó: Q Trọng l-ợng bản thân giếng (với hệ số tải trọng nt = 0.9) Khi hạ giếng

không hút n-ớc trọng l-ợng giếng (Q) phải trừ đi lực đẩy nổi

T ms Lực ma sát của đất xung quanh thành giếng

 Lực ma sát của đất đ-ợc tính theo công thức sau:

i i i

ms k m U f L

m Hệ số điều kiện làm việc

U i Chu vi giếng ở đoạn t-ơng ứng với lớp đất thứ i

f i Lực ma sát đơn vị của lớp đất thứ i mà giếng đi qua

- Đất cát: f i = 1.2~2.5 T/m 2

- Đất sỏi sạn: f i = 1.5~3.0 T/m 2

- Đất sét: f i = 2.5~5.0 T/m 2

( Giá trị lớn t-ơng ứng với loại đất chặt và độ ẩm nhỏ)

L i Chiều dày của lớp đất thứ i mà giếng đi qua

2 Kiểm tra c-ờng độ của đốt giếng đầu tiên

Quá trình hạ đốt giếng đầu tiên có thể diễn ra theo các sơ đồ sau:

a) Sơ đồ dầm giản đơn 2 đầu mút thừa: Khi có thể khống chế trình tự đào, giếng luôn

chịu lực theo một sơ đồ nhất định, giả định giếng chịu lực nh- 1 dầm 2 đầu mút thừa,

gối tựa nằm trên khoảng cách mômen âm = mômen d-ơng (Ví dụ khi tỷ lệ A/B ≥ 1.5

thì khoảng cách 2 gối = 0.7A)

b) Sơ đồ dầm giản đơn: khi đào giếng từ giữa ra hai bên, giếng chỉ tựa lên đất ở hai đầu

c) Sơ đồ ngàm: khi đào đất theo trình tự từ hai đầu vào giữa hoặc từ một đầu vào thì

giếng đ-ợc coi nh- s- đồ dầm ngàm với cách hẫng có chiều dài = A/2

- Tải trọng tác dụng nên dầm: do trọng l-ợng bản thân t-ờng ngoài đ-ợc coi là tải

trọng rải đều, còn trọng l-ợng bản thân của t-ờng đầu và vách ngăn đ-ợc coi nh- các

lực tập trung tác dụng tại vị trí của chúng lên t-ờng ngoài

A

vn

td

P

A

td

A/2

td

0.7A

Hình 4.4: Các sơ đồ tính toán cho đốt giếng đầu tiên

Sau khi có sơ đồ tính và tải trọng tác dụng tiến hành tính só thanh cốt thép và bố trí cốt thép

theo sơ đồ mômen trong mặt phẳng thẳng đứng cho t-ờng giếng

3 Kiểm tra khả năng kéo đứt giếng

a) Nguyên nhân:

Tr-ờng hợp giếng hạ qua hai (hay nhiều) lớp đất, lớp đất phía trên có lực ma sát lớn hơn lực

ma sát của các lớp đất phía d-ới Đất d-ới chân giếng đã đào hết mà giếng không chìm

b) Tính lực kéo đứt

Giả sử giếng đã hạ qua 2 lớp đất (lớp 1 : lực

ma sát f 1 và chiều dày h 1 , lớp 2: f 2 và x) và

giếng bị lớp đất trên giữ chặt Có thể tính

đ-ợc lực léo đứt (S) và tính ra l-ợng thép cần

thiết và bố trí theo ph-ơng thẳng đứng trong

t-ờng giếng

Chiều sâu hạ giếng tối đa vào lớp đất thứ 2 là:

Q = q.X2

1

Q = q.h

S

1

1

F = U.f h 1 1

F = U.f X2 2 1

S

S = F - Q 1 1

S = Q - F2 2

Hình 4.5: Sơ đồ tính giếng bị kéo đứt

2

1

h f U q

q f U X







Lực kéo (S) sinh ra ở ranh giới giữa hai lớp đất là:

Trong đó:

q Trọng l-ợng 1m giếng theo chiều sâu

f 1 Lực ma sát đơn vị của lớp đất thứ 1

f 2 Lực ma sát đơn vị của lớp đất thứ 2

h 1 Chiều dày của lớp đất thứ 1

X max Chiều sâu của giếng hạ vào lớp đất thứ 2 mà giếng vẫn ch-a chìm

4 Tính toán thành giếng

Nói chung, sơ đồ tính toán thành giếng theo

sơ đồ khung kín chịu tác dụng bởi áp lực

ngang của đất xung quanh Do đó th-ờng

thành giếng đ-ợc tính theo các đoạn t-ờng

chịu áp lực đất lớn nhất trong đoạn t-ờng đó

Từ sơ đồ này tính ra mômen trong mặt phẳng

nằm ngang và tính ra l-ợng cốt thép nằm

ngang cần thiết bố trí cho t-ờng giếng

Tuy nhiên, đoạn t-ờng giếng phía trên chân

giếng có chiều cao = bề dày t-ờng

a

Hình 4.6: Sơ đồ tính thành giếng

giếng thì còn cần phải tính đến khả năng chịu thêm lực ngang do chân giếng truyền lên

5 Tính chân giếng

Khi chịu áp lực ngang của đất, chân giếng có thể chịu lực theo các sơ đồ sau:

 Sơ đồ 1: Chân giếng đ-ợc coi nh- một công son., bị uốn bởi mômen trong mặt phẳng

thẳng đứng

 Sơ đồ 2: Chân giếng làm việc nh- một khung kín d-ới tác dụng của các mômen trong

mặt phẳng nằm ngang

Thực tế chân giếng khi chịu tác dụng của hệ lực sẽ làm việc theo cả hai sơ đồ trên và cùng với

các bộ phận khác chịu lực nh- một kết cấu thống nhất Vì vậy, khi tính theo từng sơ đồ ng-ời

ta đ-a vào 2 hệ số k 1 và k 2 để giảm bớt giá trị lực ngang tác dụng:

- Khi xét chân giếng nh- 1 công son:

1 05 0

1 0

4 1 4

4 1





L h

L k

c

- Khi xét chân giếng nh- 1 khung kín:

1 05

0 42

4 4





L h

h k

c c

(4-4)

(4-5)

Trong đó:

L 1 , L 2 Khoảng cách lớn nhất và nhỏ nhất giữa các vách ngăn

Nếu chân vách ngăn cao hơn chân t-ờng ngoài 0.5m thì chân giếng tính theo sơ đồ ngàm (k1 =

1 ; k2 = 0)

D-ới đây chỉ trình bày tính toán chân giếng theo sơ đồ dầm ngàm (công son):

a) Tr-ờng hợp 1: Giếng hạ đến độ sâu thiết

kế, đất d-ới chân giếng bị

đào hết D-ới tác dụng của áp lực đất và n-ớc, chân giếng bị uốn vào trong

(1) áp lực ngang:

* áp lực ngang của đất: không xét lực dính c

và khi đất ở trạng thái bão hoà dùng trọng

l-ợng đẩy nổi (dn)

P1

2

P

Hình 4.7: Tính theo tr-ờng hợp 1

* áp lực tĩnh của n-ớc:

- Nếu hạ giếng có hút n-ớc, đất là loại đất thầm n-ớc thì lấy giá trị áp lực thủy tĩnh

- Nếu hạ giếng có hút n-ớc, đất là loại đất không thầm n-ớc thì lấy giá trị áp lực thủy

tĩnh = 70%

- Nếu hạ giếng không hút n-ớc, áp lực ngoài dùng toàn bộ áp lực tĩnh, phía trong lấy

bằng 50% áp lực tĩnh

Tóm lại, áp lực ngang trên 1m chu vi của giếng ở độ sâu Z từ mặt n-ớc thi công đ-ợc tính nh-

sau (lấy hệ số tải trọng n=1.2 và  tc5o):

- Hạ giếng có hút n-ớc trong đất bão hoà:

P Z 1.2 aZ  nZ 1.2dn a n

- Hạ giếng có hút n-ớc trong đất không thấm:

P Z 1.2 aZ 0.7 nZ 1.2 a 0.7n

- Hạ giếng không hút n-ớc:

P Z 1.2 aZ 0.5 nZ 1.2dn a 0.5n

(4-6)

(4-7)

(4-8)

Trong đó:

 Trọng l-ợng thể tích của đất

dn Trọng l-ợng thể tích đẩy nổi của đất

n Trọng l-ợng thể tích của n-ớc

K a Hệ số áp lực đất chủ động của đất

Trong công thức trên để tính P1 và P2 lần l-ợt thay Z = h – h c và Z = h

(2) Lực ma sát (T c ):

Nếu gọi lực ma sát trên 1m chu vi giếng và 1m chiều sâu là fcv, thì :

h U

Q

f cv

Do đó lực ma sát chân giếng sẽ là:

c c

cv

h U

Q h f

Trong đó:

Q Trọng l-ợng toàn bộ giếng (với hệ số tải trọng n = 0.9)

U Chu vi tiết diện giếng

h Chiều sâu hạ giếng

Cuối cùng, tính đ-ợc mômen trong mặt phẳng thẳng đứng làm chân giếng có khả năng bị uốn

vào bên trong Tính và bố trí cốt thép thẳng đứng ở mép ngoài của t-ờng giếng

b) Tr-ờng hợp 2: Giếng hạ đến 1/2 độ sâu thiết kế, bên trong chân giếng ngập trong đất 1m

Phía trên đỉnh giếng đúc thêm một đoạn cao 4~6m

Chân giếng có khả năng bị buốn ra phía ngoài

(1) áp lực ngang: tính nh- các công thức trên với hệ số tải trọng n=0.9 và  tc 5o và phải

đảm bảo điều kiện:  P aZ P nZ0.7 P nZ

Để tính P và 1' P từ các công thức (4-6) , (4-2'

7) và (4-8) thay Z  hh c

2 và 2

h

Z 

(2) Lực ma sát (T c2 ):

Theo kinh nghiệm lực ma sát Tms = 0.5xPaZ và

không lớn hơn lực ma sát tính đ-ợc từ công

thức (4-1):

2

1

2

1

h f h K P

T ms  aZ   a  (4-11)

Do đó lực ma sát chân giếng sẽ là:

h

h T h

h

T

ms c

ms

C

2

1

2   (4-12)

P'1

P'2

C2

T

1





H2 R' R

2

Hình 4.8: Tính theo tr-ờng hợp 2

Do chân giếng ngập vào trong đất nên chịu một phản lực của đất theo ph-ơng thẳng đứng là

(V) Phản lực V đ-ợc phân ra thành 2 phần, phần tác động phía d-ới bàn chân giếng gọi là V 1

và phần phía trong chân giếng vát nghiêng gọi là V 2

Nếu giả thiết phân bố áp lực trong phần bàn bân giếng là đều, còn phần chân giếng vát

nghiêng theo qui luật tam giác sẽ có các biểu thức sau: