Đồ án nền móng công trình: Xử lý đất sét dẻo cao mặt ruộng

• Tác giả: Nguyễn Trọng Nghĩa
• Người hướng dẫn: Th.S Phạm Anh Du
• Trường học: Không có thông tin
• Chuyên ngành: Nền Móng Công Trình
• Đề tài: Đồ án nền móng: Đất sét dẻo cao
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: Không có thông tin
• Địa điểm: Không có thông tin

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: SỐ LIỆU TÍNH TOÁN
• 1.1. SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT.
• 1.2. Các tính chất đặc trưng của các lớp đất.
• 1.3. ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH
• 1.3.1. Giới thiệu công trình.
• 1.3.2. Đánh giá điều kiện thủy văn.
• 1.4. Lực tác dụng của công trình truyền xuống móng.
• 1.5. Phân tích các phương án nền móng.
• 1.6. Theo TCVN 5574 – 2018: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế.
• 1.7. TIÊU CHUẨN VÀ TẢI TRỌNG THIẾT KẾ
• 1.7.1. Tiêu chuẩn thiết kế
• 1.7.2. Tải trọng thiết kế
• 2. CHƯƠNG 2. CHỌN CƠ SỞ PHƯƠNG ÁN MÓNG
• 2.1. XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU TẢI CỦA ĐẤT NỀN.
• 2.2. PHƯƠNG ÁN MÓNG NÔNG.
• 2.3. PHƯƠNG ÁN MÓNG SÂU CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP.
• 2.3.1. Phương án móng cọc ép:
• 2.3.2. Phương án móng cọc khoan nhồi:
• 2.3.3. Nhận xét chung:
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN PHƯƠNG ÁN MÓNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP.
• 3.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN.
• 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CỌC BTCT.
• 3.2.1. Xác định độ sâu đặt đáy đài.
• 3.2.2. Xác định chiều dài và tiết diện cọc
• 3.2.3. Lựa chọn sơ bộ về vật liệu
• 3.2.4. Chọn sơ bộ tiết diện cọc
• 3.2.5. Lựa chọn phương pháp hạ cọc
• 3.2.6. Xác định sức chịu tải của cọc
• 3.2.6.1. Sức chịu tải theo cường độ vật liệu
• 3.2.6.2. Sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền
• 3.2.6.3. Sức chịu tải theo chỉ tiêu cường độ của đất nền

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án nền móng Đất sét dẻo cao và vai trò

Đồ án nền móng trên nền đất sét dẻo cao là một hạng mục phức tạp trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng. Loại đất này, thường được ký hiệu là CH theo Phân loại đất thống nhất (USCS), có những đặc tính cơ lý riêng biệt gây ra nhiều thách thức. Đặc điểm chính của nó là chỉ số dẻo PI (Plasticity Index) cao, cho thấy khả năng giữ nước lớn và sự thay đổi thể tích đáng kể khi độ ẩm biến động. Các lớp đất như CH1 (sét mặt ruộng) và CH2 (bùn sét) trong dự án Trường THPT Vị Thủy là ví dụ điển hình. Các lớp này có trạng thái từ dẻo đến nhão, với độ ẩm tự nhiên cao (lên đến 44.51%) và hệ số rỗng lớn. Việc thực hiện một đồ án nền móng thành công đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các chỉ tiêu này. Mục tiêu của đồ án không chỉ là thiết kế một kết cấu móng chịu được tải trọng công trình mà còn phải kiểm soát được biến dạng, đặc biệt là tính toán lún, để đảm bảo sự ổn định và tuổi thọ lâu dài. Quá trình này bắt đầu từ việc đánh giá chính xác điều kiện địa chất, phân tích các chỉ tiêu cơ lý, và lựa chọn phương án móng phù hợp nhất, tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như TCVN 9362:2012.

1.1. Phân tích đặc tính cơ lý của đất sét dẻo cao

Đặc tính cơ lý của đất sét dẻo cao là yếu tố quyết định đến phương án thiết kế móng. Các chỉ tiêu quan trọng cần được xác định từ kết quả khảo sát địa chất bao gồm độ ẩm tự nhiên (ω), dung trọng tự nhiên (γt), giới hạn chảy (ωL), và giới hạn dẻo (ωp). Từ đó, các chỉ số phái sinh như chỉ số dẻo PI (Ip = ωL - ωp) và độ sệt (IL) được tính toán. Ví dụ, lớp đất CH1 tại dự án có chỉ số dẻo Ip = 27.52%, cho thấy đây là loại đất sét có tính dẻo cao. Độ sệt của lớp CH2 ở trạng thái nhão (IL > 1) là một cảnh báo nghiêm trọng về khả năng chịu lực. Bên cạnh đó, các thí nghiệm trong phòng như thí nghiệm nén ba trục và thí nghiệm hiện trường như thí nghiệm cắt cánh hiện trường (VST) giúp xác định sức kháng cắt không thoát nước (Su) và lực dính (c), là các thông số đầu vào cốt lõi cho việc tính toán sức chịu tải của đất sét.

1.2. Mục tiêu và phạm vi của đồ án nền móng trên đất yếu

Mục tiêu chính của đồ án là đề xuất và tính toán một giải pháp móng an toàn, kinh tế và khả thi về mặt kỹ thuật cho công trình xây dựng trên nền đất sét dẻo cao. Phạm vi của đồ án bao gồm ba phần chính. Thứ nhất, đánh giá chi tiết điều kiện địa chất công trình, xác định các lớp đất yếu và các lớp đất tốt có khả năng chịu lực. Thứ hai, phân tích và so sánh các phương án móng khả thi, bao gồm móng nông và móng sâu, để lựa chọn giải pháp tối ưu. Thứ ba, thực hiện tính toán thiết kế chi tiết cho phương án được chọn, thường là móng cọc trên nền đất yếu. Các tính toán này bao gồm xác định sức chịu tải của cọc đơn, bố trí cọc trong đài, kiểm tra hiệu ứng nhóm, tính toán lún của móng, và thiết kế kết cấu đài cọc theo tiêu chuẩn TCVN 10304:2014.

II. Top 3 thách thức khi thiết kế móng trên đất sét dẻo cao

Thiết kế nền móng trên đất sét dẻo cao đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật do các đặc tính không thuận lợi của loại đất này. Vấn đề đầu tiên và quan trọng nhất là sức chịu tải của đất sét rất thấp. Các lớp đất yếu như CH1 và CH2 trong tài liệu gốc có sức chịu nén đơn (qu) chỉ 0.23 kg/cm², không đủ để đỡ các loại móng nông thông thường. Thách thức thứ hai là độ lún lớn và kéo dài theo thời gian. Do có hệ số rỗng cao và tính thấm thấp, quá trình cố kết của đất diễn ra chậm, gây ra lún từ từ trong nhiều năm, có thể dẫn đến nứt gãy kết cấu và ảnh hưởng đến an toàn công trình. Cuối cùng, đất sét trương nở và co ngót khi độ ẩm thay đổi là một rủi ro tiềm tàng. Sự thay đổi thể tích này gây ra áp lực không đều lên đáy móng, có thể làm móng bị đẩy trồi hoặc lún cục bộ. Đối mặt với những thách thức này, việc lựa chọn giải pháp móng nông trở nên bất khả thi, đòi hỏi phải xem xét các phương án xử lý nền đất yếu hoặc sử dụng móng sâu để truyền tải trọng xuống các lớp đất tốt hơn.

2.1. Vấn đề sức chịu tải thấp và giải pháp khắc phục

Đất sét ở trạng thái dẻo cao đến nhão có sức kháng cắt không thoát nước (Su) rất thấp, trực tiếp làm giảm khả năng chịu tải của nền. Các phương án móng nông như móng đơn hay móng bè khi đặt trên các lớp đất này sẽ gây ra áp lực đáy móng vượt quá sức chịu tải cho phép, dẫn đến nguy cơ phá hoại trượt tổng thể. Tài liệu gốc đã chứng minh điều này khi tính toán sơ bộ cho thấy phương án móng nông bị loại bỏ. Để khắc phục, giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng móng sâu, cụ thể là móng cọc trên nền đất yếu. Cọc sẽ truyền tải trọng của công trình xuyên qua các lớp đất yếu và tựa mũi vào các lớp đất tốt, có khả năng chịu lực cao hơn ở bên dưới như lớp CL1 hoặc CL2.

2.2. Nguy cơ lún lớn và hiện tượng cố kết của đất

Hiện tượng lún là không thể tránh khỏi, nhưng với đất sét dẻo cao, độ lún thường rất lớn và kéo dài. Quá trình cố kết của đất là nguyên nhân chính. Khi chịu tải, nước trong các lỗ rỗng của đất bị ép ra ngoài, làm giảm thể tích đất và gây lún. Do đất sét có tính thấm thấp, quá trình này diễn ra rất chậm. Việc tính toán lún chính xác là một yêu cầu bắt buộc trong đồ án. Tính toán phải dự báo được cả độ lún tổng thể và độ lún lệch giữa các móng. Nếu độ lún vượt quá giới hạn cho phép theo TCVN 9362:2012, công trình sẽ bị hư hỏng. Các biện pháp gia cố nền đất như sử dụng bấc thấm PVD kết hợp gia tải trước có thể đẩy nhanh quá trình cố kết và giảm thiểu độ lún sau khi xây dựng.

III. Hướng dẫn chọn phương án móng tối ưu cho đất sét yếu

Việc lựa chọn phương án móng cho đồ án nền móng trên đất sét yếu là một quyết định then chốt, ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và chi phí của công trình. Quá trình lựa chọn phải dựa trên phân tích kỹ lưỡng các yếu tố: đặc điểm địa chất, độ lớn và đặc tính của tải trọng, điều kiện thi công và hiệu quả kinh tế. Đầu tiên, cần đánh giá khả năng áp dụng của móng nông. Như trong tài liệu tham khảo, tính toán áp lực tiêu chuẩn tại đáy móng (Ptc) cho thấy giá trị này lớn hơn nhiều so với sức chịu tải tính toán của đất (Rtc), do đó phương án móng nông bị loại trừ. Tiếp theo, các phương án móng sâu được đưa ra so sánh. Móng cọc trên nền đất yếu là giải pháp phổ biến nhất. Hai loại chính được xem xét là cọc ép và cọc khoan nhồi. Mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Cọc ép thi công nhanh, dễ kiểm soát chất lượng nhưng khó xuyên qua các lớp đất cứng. Cọc khoan nhồi có sức chịu tải lớn, ít ảnh hưởng đến công trình lân cận nhưng đòi hỏi kỹ thuật thi công phức tạp và chi phí cao hơn. Dựa trên tải trọng công trình khá lớn và điều kiện địa chất, phương án cọc xi măng đất cũng là một lựa chọn gia cố nền đất đáng cân nhắc.

3.1. Phân tích tính khả thi của phương án móng nông

Móng nông, bao gồm móng đơn, móng băng và móng bè, là giải pháp được ưu tiên xem xét ban đầu do chi phí thấp và thi công đơn giản. Tuy nhiên, tính khả thi của nó phụ thuộc hoàn toàn vào sức chịu tải của đất sét tại lớp đặt móng. Trong đồ án này, lớp đất mặt CH1 và CH2 có trạng thái dẻo và nhão, không đủ khả năng chịu lực. Theo tính toán trong tài liệu, áp lực tiêu chuẩn dưới đáy móng đơn sơ bộ (Ptc = 69.6 T/m²) lớn hơn rất nhiều so với sức chịu tải tính toán (Rtc), dẫn đến kết luận phương án móng nông không khả thi. Ngay cả khi sử dụng móng bè để phân bố tải trọng trên diện rộng, độ lún lớn vẫn là một rủi ro không thể chấp nhận.

3.2. So sánh và lựa chọn giải pháp móng cọc BTCT

Khi móng nông không đáp ứng yêu cầu, móng cọc trên nền đất yếu trở thành giải pháp bắt buộc. Việc lựa chọn giữa cọc ép và cọc khoan nhồi cần dựa trên nhiều yếu tố. Cọc ép bê tông cốt thép (BTCT) phù hợp với các công trình có tải trọng trung bình và nền đất không quá phức tạp. Cọc khoan nhồi phù hợp với công trình tải trọng lớn và có thể thi công qua các lớp đất cứng. Trong đồ án Trường THPT Vị Thủy, tải trọng tại chân cột tương đối lớn (Ntt = 150T). Lớp đất CL1, CH3, CL2 ở độ sâu lớn là các lớp chịu lực tốt. Do đó, phương án móng cọc BTCT, cụ thể là cọc ép, được xem là tối ưu về cả kỹ thuật lẫn kinh tế, với mục tiêu hạ mũi cọc vào lớp đất tốt để đảm bảo khả năng chịu lực và kiểm soát độ lún.

IV. Phương pháp tính toán sức chịu tải móng cọc BTCT chi tiết

Sau khi lựa chọn phương án móng cọc BTCT, bước tiếp theo trong đồ án nền móng là thực hiện tính toán thiết kế chi tiết. Trọng tâm của bước này là xác định sức chịu tải của một cọc đơn. Sức chịu tải này phải được xem xét trên hai khía cạnh: theo cường độ vật liệu làm cọc và theo các chỉ tiêu cơ lý của đất nền. Sức chịu tải theo vật liệu đảm bảo bản thân cọc không bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng. Sức chịu tải theo đất nền (Pđất) là khả năng của đất xung quanh huy động để chống lại sự dịch chuyển của cọc, bao gồm sức kháng mũi (Qp) và sức kháng ma sát thành (Qs). Giá trị sức chịu tải cho phép của cọc sẽ là giá trị nhỏ nhất giữa hai kết quả tính toán này, sau khi đã áp dụng các hệ số an toàn cần thiết theo tiêu chuẩn. TCVN 10304:2014 là tiêu chuẩn chính được áp dụng cho việc tính toán này. Các thông số đầu vào như lực dính (c), góc ma sát trong (φ) của từng lớp đất, được lấy từ báo cáo khảo sát địa chất, là cơ sở để thực hiện các phép tính này một cách chính xác.

4.1. Xác định sức chịu tải của cọc theo vật liệu

Sức chịu tải theo cường độ vật liệu (Rv) của cọc BTCT được tính toán như một cấu kiện chịu nén đúng tâm, dựa trên cường độ của bê tông (Rb) và cốt thép (Rs). Công thức tính toán được quy định trong TCVN 5574:2018. Nó phụ thuộc vào diện tích tiết diện ngang của bê tông và cốt thép, cũng như cường độ tính toán của chúng. Ngoài ra, yếu tố uốn dọc cũng được xem xét thông qua hệ số φ, phụ thuộc vào độ mảnh của cọc. Kết quả này thể hiện khả năng chịu tải tối đa mà bản thân cọc có thể gánh chịu trước khi bị phá hoại do vật liệu. Đây là giới hạn trên của sức chịu tải của cọc.

4.2. Tính toán sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý đất nền

Đây là phần tính toán phức tạp và quan trọng nhất, quyết định khả năng làm việc thực tế của cọc. Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền (Rch) là tổng của sức kháng mũi (sức chống của đất dưới mũi cọc) và sức kháng ma sát thành (lực ma sát giữa thân cọc và đất xung quanh). Công thức tính toán được quy định rõ trong TCVN 10304:2014, phụ thuộc vào loại đất (dính hoặc rời) và các chỉ tiêu cơ lý của từng lớp đất mà cọc xuyên qua. Các hệ số điều kiện làm việc (γc) cũng được áp dụng để phản ánh ảnh hưởng của phương pháp thi công (ép, đóng, hay khoan nhồi) đến sức chịu tải của đất sét và đất cát xung quanh cọc.

4.3. Bố trí số lượng cọc và thiết kế kết cấu đài móng

Từ sức chịu tải cho phép của một cọc đơn, số lượng cọc cần thiết cho một đài móng được xác định sơ bộ bằng cách lấy tổng tải trọng tính toán tại chân cột chia cho sức chịu tải của cọc. Sau đó, các cọc được bố trí trong mặt bằng đài móng, đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa các tim cọc (thường từ 3d đến 6d, với d là đường kính hoặc cạnh cọc) để tránh ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm. Cuối cùng, kết cấu đài cọc được tính toán và thiết kế cốt thép để chịu được moment và lực cắt do phản lực đầu cọc gây ra, đồng thời kiểm tra điều kiện chọc thủng của cột và của cọc lên đài.

V. Bí quyết kiểm tra và đảm bảo an toàn cho đồ án nền móng

Hoàn thành việc tính toán thiết kế chỉ là một phần của đồ án nền móng. Bước quan trọng không kém là thực hiện các kiểm tra toàn diện để đảm bảo an toàn và sự làm việc ổn định của hệ móng-công trình. Các kiểm tra này bao gồm kiểm tra lún, kiểm tra khả năng chịu lực của nền đất dưới mũi cọc và kiểm tra hiệu ứng nhóm. Tính toán lún là kiểm tra quan trọng nhất đối với nền đất sét dẻo cao. Độ lún của móng cọc được tính toán cho một khối móng quy ước, và kết quả phải nhỏ hơn độ lún giới hạn cho phép của loại công trình tương ứng, quy định trong TCVN 9362:2012. Kiểm tra áp lực lên nền đất tại mặt phẳng mũi cọc đảm bảo rằng nền đất tại đây không bị phá hoại do tải trọng tập trung từ nhóm cọc. Cuối cùng, hiệu ứng nhóm cọc cần được xem xét, vì sức chịu tải của một móng gồm nhiều cọc thường nhỏ hơn tổng sức chịu tải của các cọc đơn lẻ do sự tương tác giữa chúng trong đất. Việc thực hiện đầy đủ các kiểm tra này giúp khẳng định tính đúng đắn của phương án thiết kế và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình.

5.1. Kiểm tra độ lún của nền móng theo móng khối quy ước

Đối với móng cọc, độ lún được kiểm tra bằng phương pháp móng khối quy ước. Toàn bộ nhóm cọc và phần đất bên trong được xem như một khối móng đơn chôn sâu. Tải trọng công trình được coi là tác dụng lên đáy của khối móng quy ước này. Từ đó, tính toán lún được thực hiện theo phương pháp cộng lún từng lớp cho các lớp đất nằm dưới mũi cọc. Quá trình tính toán dựa trên đường cong nén lún (e-p) của đất, xác định từ thí nghiệm nén cố kết trong phòng. Kết quả độ lún tổng cộng (S) phải được so sánh với độ lún giới hạn (Sgh) theo TCVN 9362:2012 (ví dụ, Sgh = 8cm đối với nhà khung BTCT) để kết luận móng có đạt yêu cầu về biến dạng hay không.

5.2. Đánh giá ổn định tổng thể và hiệu ứng nhóm cọc

Khi các cọc được bố trí gần nhau, vùng ứng suất do chúng gây ra trong đất sẽ giao thoa, làm giảm sức kháng ma sát thành của mỗi cọc. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhóm cọc. Sức chịu tải của cả nhóm cọc phải được tính toán lại bằng cách nhân tổng sức chịu tải của các cọc đơn với một hệ số hiệu ứng nhóm (η < 1). Hệ số này phụ thuộc vào số lượng cọc, khoảng cách giữa chúng và loại đất. Việc bỏ qua hiệu ứng nhóm có thể dẫn đến đánh giá quá cao khả năng chịu lực của móng và gây mất an toàn. Đảm bảo Rnhóm ≥ Ntt là điều kiện bắt buộc để móng làm việc ổn định.