Bài giảng Nền móng

NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH Nền Móng NỀN MÓNG - ĐÀO TẠO TÍN CHỈ Chương I: Các khái niệm cơ bản NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH §1.1 Định nghĩa về Nền và Móng I. KN về Công trình, Nền và Móng nói chung gồm 3 bộ phận: Kết cấu phần trên + Móng + Nền - Cả 3 bộ phận công trình cùng làm việc và ảnh hưởng lẫn nhau. Vì vậy khi quy hoạch và thiết kế nền móng cần phải xét toàn diện trên quan niệm coi chúng là một hệ thống “Công trình – Nền”, để có thể chọn được phương án tối ưu. Nền Móng Kết cấu phần trên Nền Móng Kết cấu phần trên 2 Mở đầu: Giới thiệu chung về Môn học - Đối tượng và Mục đích nghiên cứu của môn NM. - Các kiến thức liên quan. - Nội dung thể hiện trong 4 Chương và 2 Đồ án môn học. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH 1- Nền: - Nền là phạm vi đất đá phía dưới móng có trạng thái ứng suất biến dạng thay đổi do tác dụng của công trình (Hình). - Đối với nền các công trình thuỷ lợi còn cần kể thêm đến phạm vi đất chịu ảnh hưởng sự thay đổi về thấm nước do xây dựng và sử dụng công trình (điều kiện ĐCTV thay đổi). 2- Móng - Móng là bộ phận phía dưới của công trình và tiếp xúc với đất. Có tác dụng đỡ KCPT, truyền và phân bố tải trọng từ công trình lên mặt nền. Móng thường có kích thước lớn hơn mặt đáy kết cấu bên trên để giảm áp suất trên mặt nền. Nền Móng Kết cấu phần trên Nền Móng Kết cấu phần trên 3 II. Định nghĩa về Nền và Móng NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH 4 §1.2 Phân loại nền, móng và phạm vi áp dụng I. Phân loại Nền 1- Nền thiên nhiên: Nền có thời gian tồn tại khá dài trong điều kiện tự nhiên, chưa bao giờ bị xáo trộn (chưa qua xử lý); trạng thái ứng suất, biến dạng trong nền không đổi dưới tác dụng của trọng lượng bản thân. 2- Nền nhân tạo: Nền có kết cấu thay đổi do bị xáo trộn, hoặc do tác động xử lý nhằm mục đích xây dựng (vì thế còn gọi là nền đã qua xử lý); trạng thái ứng suất, biến dạng trong nền không đổi dưới tác dụng của trọng lượng bản thân. II. Phân loại Móng Phân loại theo 4 cơ sở: 1- Theo vật liệu làm móng: Tùy điều kiện cung cấp vật liệu (tại chỗ, hay từ xa đến), đặc điểm làm việc của công trình, tình hình ĐCCT, ĐCTV (mực nước ngầm…) để quyết định dùng các vật liệu thích hợp cho móng. * Móng gạch: * Móng đá hộc: dùng nơi sẵn đá. Hai loại móng trên làm bằng các vật liệu chịu kéo kém; thường dùng nơi mực nước ngầm thấp dưới cao trình đặt móng; khó thi công bằng cơ giới hóa. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH -Tùy theo khả năng chịu uốn của vật liệu móng lại phân ra: * Móng cứng (móng gạch, đá xây). * Móng mềm (móng btct.) 2- Theo phương pháp thi công đặt móng: Căn cứ vào có đào toàn bộ hố móng trước hay không, chia làm hai loại: * M. nông: . Khi thi công phải đào toàn bộ hố móng trước sau đó mới xây móng; . Chiều sâu chôn móng < 6m. Theo Braja M. Das thì Df ≤ chiều rộng móng (b) và sau này một số khác đề nghị = 3 ÷ 4 lần b. . Khi tính toán có thể bỏ qua sự làm việc của đất từ đáy móng trở lên. Áp dụng trong trường hợp: Tải trọng không lớn, Mực nước ngầm quá cao, đ/kiện thoát nước tốn kém. Theo kích thước móng, móng nông lại được phân thành: M.đơn, M.băng, M.bản. (Sẽ đề cập cụ thể trong chương II). 5 * M. thép, gỗ: dùng dưới dạng móng cọc, cần có biện pháp chống han rỉ, hà mục. Hạn chế dùng. * M. bê tông, bê tông cốt thép: được dùng phổ biến hơn cả. M.btct. Có cường độ cao, hình dạng bất kỳ tùy ý muốn, tốn ít vật liệu, dễ dàng cấu tạo các cấu kiện lắp ghép. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH * M. sâu: . Không đào toàn bộ hố móng, mà dùng biện pháp thi công đặc biệt để hạ móng tới độ sâu thiết kế. . Chiều sâu chôn móng thường rất lớn, từ 10m đến vài chục mét. . Khi tính toán phải kể đến sự làm việc của đất từ đáy móng trở lên. 3- Theo tính chất chịu tải trọng: * M. chịu tải trọng tĩnh: * M. chịu tải trọng động: 4- Theo phương pháp chế tạo móng: * M. khối làm tại chỗ: * M. lắp ghép: tiến bộ, dễ dàng cơ giới hóa, nhưng đòi hỏi chuyên nghiệp cao. 6 Móng Df Ghi chú: Ký hiệu độ sâu đặt móng hm ≡ Df NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH §1.3 Nguyên tắc tính toán Nền Móng theo trạng thái giới hạn (TTGH) I. TTGH của công trình 1- Định nghĩa về TTGH - TTGH của công trình, là trạng thái mà công trình không còn đảm bảo được điều kiện làm việc bình thường theo yêu cầu thiết kế trong quá trình thi công, sử dụng, sửa chữa. Thể hiện ở các mặt sau đây: * Từng bộ phân công trình bị hư hỏng hoặc toàn bộ công trình bị mất ổn định do trượt (phẳng, sâu, hỗn hợp) hoặc do bị lật (đối với nền đá). * Biến dạng (S), chênh lệch biến dạng (ΔS) hoặc chuyển dịch ngang (u) quá lớn. * Đối với các công trình thuỷ lợi còn có thể do ảnh hưởng của dòng thấm quá lớn ( j > [ j ]). - Như vậy, khái niệm về TTGH gắn liền với sự phá hoại đ/kiện làm việc bình thường của công trình: khi đó, công trình hoặc bị phá hoại về cường độ, hoặc không đảm bảo về đ/kiện biến dạng. 7 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH 2- Phân loại các TTGH của nền và công trình Theo nguyên nhân làm công trình đạt TTGH, người ta phân biệt 3 loại TTGH sau: * TTGH về biến dạng. * TTGH về ổn định và cường độ. * TTGH về xuất hiện và phát triển vết nứt. a) TTGH về biến dạng (TTGH 2) -Định nghĩa: Là TTGH gây ra do đ/kiện biến dạng của nền. Cường độ đảm bảo, nhưng biến dạng không đảm bảo (p ≤ pIgh) pIIgh p S 1 p S 0 2 pIgh 8 SA SB ΔS = SA-SB NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH 9 Thí dụ về TTGH 2 của công trình: NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH 10 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH Sự cố độ lún không đều của các mố cầu giao thông. Do một loạt Nguyên nhân, chủ yếu nhất là sự tồn tại của lớp than bùn ở dưới mố phải cầu có tính nén lún rất lớn, khi khảo sát không phát hiện được. 11 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH b) TTGH về cường độ & ổn định (TTGH 1) -Định nghĩa: Là TTGH gây ra do không đảm bảo về cường độ hoặc mất ổn định của nền công trình -3 Hình thức mất ổn định về trượt đ/v công trình có tải trọng ngang tác dụng thường xuyên (công trình thủy...): Trượt phẳng – Trượt sâu – Trượt hỗn hợp 12 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH Xây dựng năm 1913, gồm 65 xilô bằng xi măng cốt thép, cao 27,4m; nặng 20.000 tấn; gia tải lần đầu với 22.000 tấn lúa mì, trạm bị nghiêng 27o; một phía lún 8,8 m, phía kia 1,5 m. Sau đó dược làm cân bằng nhờ kích thủy lực và làm móng trụ mới sâu đến lớp đất đá.- Nguyên nhân: CT bị sự cố do đất nền mất ổn định và bị ép trồi nhiều về một phía. 13 Thí dụ về TTGH 1 của công trình: NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH II. KN về tính Nền Móng theo TTGH 1- Yêu cầu chung tính toán theo TTGH - Đảm bảo được 3 vấn đề:- Kinh tế - Kỹ thuật – Độ tin cậy (an toàn). 2- Tính Nền theo TTGH thứ hai . Nguyên tắc: Dùng đ/kiện biến dạng để khống chế sự làm việc bình thường của công trình: Dtt ≤ Dgh (1.1) trong đó: Dgh – các yếu tố về biến dạng giới hạn của công trình (được quy định riêng cho từng loại công trình, tùy thuộc đặc điểm, mục đích sử dụng công trình), bao gồm: Sgh, ∆Sgh, θgh, ugh (u-chuyển dịch ngang). Dtt - các yếu tố về biến dạng tính toán, dựa vào lý thuyết đàn hồi (do đó cần khống chế ptc ≤ pIgh), và đặc tính biến dạng tuyến tính của đất bao gồm: S, ∆S, θ, u. pIIgh p S 1 p S 0 2 pIgh . Vận dụng: - Tính cho công trình đặt trên nền không phải là đá, chịu chủ yếu lực thẳng đứng (đúng tâm, lệch tâm). - Đối với công trình do đặc điểm làm việc của các thiết bị hoặc quá trình công nghệ không cho lún hoặc chênh lệch lún nhiều. 14 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH 3- Tính Nền theo TTGH thứ nhất . Nguyên tắc: Dùng đ/kiện cường độ và ổn định để khống chế sự làm việc bình thường của công trình: Ntt < Rgh (1.2) hoặc theo B.M. Das: qtt < qu trong đó: Ntt , qtt– tổng tải trọng gây trượt tính toán Rgh , qu– Sức chống trượt giới hạn (sức chịu tải giới hạn). (Tải trọng lớn nhất nền còn chịu được) 15 alltt u all qqFS qq ≤= ;™ Theo B. Das: trong đó, qall – SCT giới hạn cho phép FS – hệ số an toàn ™ Theo TCVN 4253-86, để xét đến mọi yếu tố bất lợi cho công trình, người ta đưa vào (1.2) ba hệ số, mỗi hệ số kể đến một yếu tố trong đó: nc – hệ số tổ hợp tải trọng. kn – hệ số an toàn, tùy thuộc cấp công trình (> 1). m – hệ số điều kiện làm việc (tùy thuộc đặc điểm KCCTr và loại nền) gh n ttc Rk mNn ≤ (1.3) Rat – sức chịu tải an toàn at gh nc gh tt RFS R kn m R N ==≤ NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH III. Các loại tải trọng và tổ hợp tải trọng ƒ Phương pháp tính toán theo TTGH đã kể được đến các yếu tố bên ngoài và các yếu tố bên trong, phù hợp với trạng thái làm việc thực tế của nền và công trình: - Các yếu tố bên ngoài bao gồm tải trọng và các tác động. - Các yếu tố bên trong là các đặc trưng của đất nền và của các vật liệu khác (như bê tông..). ƒ Việc dùng nhiều hệ số tính toán (mà không phải là 'một hệ số' như trong phương pháp ƯS cho phép trước đây) cho phép xét một cách tách biệt tới: - Các đặc điểm khác nhau của đất nền. - Các đặc thù của tải trọng tác dụng và các đặc tính của sơ đồ kết cấu nhà và công trình. 1- Các Tải trọng: Được phân loại theo 3 cơ sở. a) Theo trị số: - Tải trọng tiêu chuẩn (Ntc): là trị số tải trọng lớn nhất theo tiêu chuẩn thiết kế quy định để không gây hư hỏng trong quá trình làm việc. - Tải trọng tính toán (Ntt): là các trị số có xét đến sự sai khác so với tải trọng tiêu chuẩn nhưng thiên về bất lợi cho công trình. Ntt = n.Ntc 16 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH Trong đó, n là hệ số vượt tải: n có thể >, =, hoặc < 1, tùy theo loại và tính chất của tải trọng tác dụng, và được lấy thiên về bất lợi. (xem GTr. Nền Móng). b) Theo thời gian tác dụng: * Tải trọng thường xuyên: là những tải trọng luôn có trong quá trình thi công và sử dụng (như trọng lượng bản thân công trình, áp lực đất, áp lực nước...). * Tải trọng tạm thời: Là tải trọng có thể vắng mặt trong những giai đoạn xây dựng và sử dụng riêng biệt. Tùy theo thời gian tác dụng dài hay ngắn lại phân thành: - Tải trọng tạm thời dài hạn: (như trọng lượng các thiết bị trọng lượng các máy bơm, máy phát điện...) - Tải trọng tạm thời ngắn hạn: (cần cẩu, cầu trục vận chuyển, các thiết bị sửa chữa...) - Tải trọng tạm thời đặc biệt: là các tải trọng có thể hoặc không có thể xảy ra trong quá trình sử dụng công trình như tải trọng do động đất, do mực nước lũ kiểm tra, do khi có sự cố công trình gây ra. c) Theo phương thức tác dụng của tải trọng: * Tải trọng tác dụng tĩnh (trọng lượng bản thân, áp lực đất, áp lực nước...) * Tải trọng tác dụng động (tải trọng của các động cơ, áp lực sóng, áp lực gió...) 17 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH 2- Các Tổ hợp Tải trọng: - Một công trình thường chịu rất nhiều tải trọng tác dụng (đặc biệt đối với các công trình thủy). Tuy nhiên, không phải tất cả tải trọng cùng một lúc tác dụng lên CT, mà chỉ có những nhóm, trong đó bao gồm một số tải trọng nhất định có xác xuất tác dụng đồng thời, gây ra ứng lực trong các bộ phận CT và Nền. Những nhóm này được gọi là các Tổ Hợp Tải Trọng. - Trong thiết kế, người ta luôn chọn những THTT gây ra ứng lực lớn nhất (gây nguy hiểm cho CT) để đưa vào tính toán. - Có các THTT sau a) Tổ hợp tải trọng cơ bản (chính) b) Tổ hợp tải trọng đặc biệt c) Tổ hợp tải trọng phụ (THTT thi công) THTT cơ bản THTT đặc biệt THTT phụ Loại tải trọng DCác DCác DCác TT. thường xuyên DCác DCác DCác TT.tạm thời dài hạn DMột DMột số DMột số (xuất hiện trong thi công) TT.t/ thời ngắn hạn DMột TT. đặc biệt 18 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH 3- Ý nghĩa kinh tế kỹ thuật - Khi thiết kế nếu đưa tất cả các tải trọng để tính toán sẽ rất tốn kém. Việc sử dụng các tổ hợp tải trọng kết hợp với hệ số tổ hợp tải trọng nc khác nhau sẽ giảm được kinh phí mà vẫn đảm bảo công trình làm việc bình thường. - Việc phân chia tải trọng theo trị số Ntc và Ntt cũng có ý nghĩa lớn: Công trình mất ổn định (bị trượt hoặc bị lật) thường xảy ra gần như tức thời do các tải trọng có trị số lớn. Vì thế, khi tính theo TTGH-1 phải kiểm tra với các tổ hợp phụ và tổ hợp đặc biệt và sử dụng tải trọng tính toán (Ntt). vì loại tải trọng này thường xảy ra trong thời gian ngắn và gây ra ứng lực nguy hiểm nhất. Ngược lại, biến dạng của nền thường kéo dài theo thời gian tùy thuộc khả năng cố kết, và những tải trọng tác dụng lâu dài. Vì thế, nếu cần tính toán nền móng theo TTGH-2 (về biến dạng) thì cần kiểm tra với THTT chính và sử dụng tải trọng tiêu chuẩn (Ntc). IV. Các chỉ tiêu cơ lý của đất trong tính toán nền móng theo TTGH - Tiêu chuẩn hiện hành phân biệt các chỉ tiêu (đặc trưng) theo các giá trị sau đây: 1- Giá trị riêng (Ai): là trị số của một đặc trưng cơ học hoặc vật lý nào đó của đất xác định theo riêng một mẫu thí nghiệm (xác định tại một điểm nào đó của lớp đất). 2- Giá trị tiêu chuẩn (Atc): là giá trị trung bình của tất cả các giá trị riêng: 19 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH Atc = Atb = (1-3) trong đó: - số mẫu thí nghiệm của tập hợp thống kê (n ≥ 6). Chú ý: TCVN 4253-86, mục 3.2 : quy định các giá trị Atc nói chung và các chỉ tiêu lực dính c, góc ma sát trong ϕ 3- Giá trị tính toán (Att): là trị số của một đặc trưng cơ học, vật lý nào đó của lớp đất, được dùng trong tính toán nền móng như một hằng số vật lý và được xác định như sau: Att = (1-4) Trong đó: kđ - là hệ số an toàn đối với đất; được xác định theo những đặc trưng của tập hợp thống kê (được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế các công trình riêng biệt, thí dụ: TCVN 4253-86). n A n i i∑ =1 đ tc k A 20 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH §1.4 Các tài liệu cần thiết để tính toán Nền Móng theo TTGH I. Tài liệu Địa chất Thủy văn và Địa chất Công trình 1- Tài liệu địa chất thuỷ văn: - Mực nước ngầm ổn định, dao động, tầng chứa nước có áp hoặc không áp. - Tính chất hoá lý của nước ngầm, nồng độ pH để xét mức độ xâm thực các công trình gạch đá xây hoặc bê tông cốt thép. - Mực nước dâng bình thường, lớn nhất, nhỏ nhất ở phía thượng và hạ lưu công trình để tính áp lực nước, áp lực thấm, áp lực đẩy nổi vào bản đáy. 2- Tài liệu địa chất công trình: - Bản đồ địa hình địa mạo khu vực xây dựng công trình. - Các hình trụ hố khoan, các mặt cắt địa chất để biết được sự phân bố các lớp đất. - Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của từng lớp đất và phương pháp chỉnh lý thống kê số liệu thí nghiệm để lựa chọn các giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán đối với từng chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất. 21 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH II. Tài liệu về Công trình và Tải trọng 1- Tài liệu về công trình: - Bản vẽ mặt bằng và các mặt cắt ngang, dọc công trình để tính toán trong lượng của từng bộ phận hoặc của toàn bộ công trình. - Đặc điểm của công trình (tầng hầm, công sự, lực tĩnh, lực động...). - Tầm quan trọng của công trình về mặt kinh tế và xã hội để lựa chọn cấp công trình. 2- Tài liệu về tải trọng: Các loại tải trọng có thể như sau: - Trọng lượng bản thân công trình. - Trọng lượng người ở, sinh hoạt, hội họp và của các thiết bị vận chuyển hoặc cố định. - Áp lực đất, áp lực nước tĩnh ở phía thượng và hạ lưu công trình. - Áp lực sóng, áp lực gió, lực hãm của các động cơ và của các phương tiện vận chuyển. - Lực động đất, lực do sự cố hư hỏng gây ra III. Một số tài liệu cần thiết khác - Trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình luôn luôn chịu sự tác động của môi trường xung quanh và chịu ảnh hưởng của các công trình lân cận, cho nên cần có tài liệu quy hoạch tổng thể của toàn vùng. - Cần phân tích những tài liệu của những công trình đã và đang xây dựng. Tìm hiểu tài liệu những công trình sẽ xây dựng để dự đoán những khả năng ảnh hưởng. Từ đó nêu phương án nền móng cho phù hợp. 22 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH §1.5 Đề xuất, so sánh và chọn phương án Nền Móng I. Lựa chọn những nhân tố chủ yếu về móng 1- Chiều sâu đặt móng (Hm): - Yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến việc chọn chiều sâu đặt móng là điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn. - Trong nền tự nhiên thường có những lớp đất yếu và tốt xen kẹp. Việc chọn chiều sâu Hm nói chung, nếu không có biện pháp xử lý nền thì nên chọn để móng được đặt lên lớp đất tốt tương đối dày. Tuy nhiên, chọn chiều sâu Hm còn tuỳ thuộc vào mực nước ngầm, vào đặc điểm cấu tạo của công trình, vào khả năng thi công móng và ảnh hưởng của những công trình lân cận... 2- Loại móng và vật liệu làm móng: - Người thiết kế có thể chọn các loại móng khác nhau như móng nông hoặc móng sâu. Với móng nông lại có thể chọn loại móng đơn, móng băng, móng bè tuỳ thuộc lớp đất nền và kết cấu bên trên. Vật liệu làm móng có loại móng gạch hoặc đá xây hoặc móng bê tông cốt thép. 23 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH II. So sánh và chọn phương án nền móng - Để có được một phương án tối ưu cả về mặt kinh tế kỹ thuật, người thiết kế cần nêu ra những phương án khác nhau. - Các phương án nền móng khác nhau về cơ bản như: móng nông trên nền thiên nhiên, móng nông trên nền nhân tạo, móng cọc... Mỗi phương án lớn như vậy lại có thể có nhiều phương án nhỏ do việc chọn loại móng khác nhau hoặc vật liệu làm móng khác nhau. Ví dụ: loại móng cọc có thể chọn móng cọc tre, móng cọc gỗ, móng cọc bê tông cốt thép... Ngay đối với móng cọc bê tông cốt thép có thể lại chọn khác nhau về hình dáng cọc (vuông, chữ nhật, tròn...) hoặc về kích thước cọc (diện tích tiết diện, chiều dài). Tuy nhiên, sau khi phân tích dựa vào kinh nghiệm người thiết kế chỉ để lại vài ba phương án đế tính toán, so sánh, chọn ra phương án nền móng tối ưu. Sơ bộ thường người ta chọn phương án nền móng có tổng giá thành xây dựng nhỏ nhất (bao gồm chi phí vật liệu, chi phí nhân công và các phương tiện thi công). Khi quyết định chính thức phương án còn cần phải dựa vào công nghệ xây dựng và phải đảm bảo thờì gian xây dựng. 24