Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong kỹ thuật xây dựng công trình, thiết kế nền móng là giai đoạn then chốt nhằm đảm bảo khả năng chịu lực, độ ổn định và giới hạn lún cho toàn bộ kết cấu phần thân. Đề tài "Báo cáo Đồ án Môn học Nền Móng" do sinh viên Nguyễn Thành Trí thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Trọng Nghĩa tại Bộ môn Địa cơ Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM (năm 2021) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kết cấu nền móng trên nền địa chất phức tạp có sự hiện diện của các lớp đất yếu bề mặt.
Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác lập cụ thể theo ba nội dung chính:
- Xử lý và thống kê số liệu địa chất công trình từ hệ thống các hố khoan khảo sát hiện trường và thí nghiệm trong phòng, xác định các chỉ tiêu cơ lý tiêu chuẩn và tính toán của từng lớp đất theo hai trạng thái giới hạn.
- Tính toán, thiết kế và kiểm tra các điều kiện kỹ thuật đối với phương án móng nông (móng băng bê tông cốt thép dưới hệ cột).
- Tính toán, thiết kế phương án móng sâu (móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ép qua các tầng đất yếu đến tầng chịu lực tốt), bao gồm kiểm tra tải trọng ngang, chuyển vị và lập biểu đồ tương tác chịu lực của cọc.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nền đất phân tầng tự nhiên cùng kết cấu móng bê tông cốt thép (móng băng và móng cọc). Phạm vi không gian và dữ liệu của đồ án dựa trên tài liệu khảo sát địa chất gồm 4 hố khoan (LK1 đến LK4) có chiều sâu từ 80 m đến 100 m tại khu vực xây dựng công trình, với mực nước ngầm xuất hiện ở độ sâu cách mặt đất tự nhiên từ 1,0 m đến 7,0 m tùy vị trí tính toán.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Để giải quyết bài toán địa kỹ thuật và kết cấu, tác giả đã áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành cùng các mô hình cơ học nền móng chuyên ngành:
- Khung tiêu chuẩn thiết kế áp dụng:
- TCVN 9362:2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình.
- TCVN 10304:2014: Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế.
- TCVN 5574:2018: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
- TCVN 205:1998: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc.
- Phương pháp giải tích xác định sức chịu tải của cọc theo Viện Kiến trúc Nhật Bản (AIJ 1988) và lý thuyết Vesic (1973).
- Phương pháp xử lý số liệu địa chất:
- Phương pháp thống kê xác suất địa kỹ thuật: Đánh giá độ phân tán qua độ lệch chuẩn (quân phương), hệ số biến động ($v$), loại bỏ các giá trị sai số thô vượt ngưỡng cho phép theo kích thước mẫu.
- Phương pháp hồi quy tuyến tính: Ứng dụng hàm
LINEST trong Microsoft Excel để xác định lực dính kết ($c$) và góc ma sát trong ($\varphi$) từ kết quả thí nghiệm nén - cắt trực tiếp.
- Phương pháp tính toán kết cấu và nền móng:
- Phương pháp cộng lớp phân tố: Xác định độ lún ổn định của nền đất dưới móng băng và móng cọc (thông qua mô hình móng khối quy ước) dựa trên đường cong nén lún $e - p$.
- Mô hình nền đàn hồi Winkler (Beam on Elastic Foundation): Mô phỏng dầm móng băng và thân cọc chịu tải trọng ngang bằng các liên kết lò xo có độ cứng $K$ biến thiên theo hệ số nền $C_z$.
- Phương pháp phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm chuyên dụng SAP2000 (phiên bản v14 và v20) để mô hình hóa kết cấu thanh dầm móng băng và cọc đơn ngàm trong đất nhằm giải nội lực (mômen uốn, lực cắt, biến dạng) dưới tổ hợp tải trọng thiết kế.
- Phương pháp biểu đồ tương tác mômen - lực dọc ($M - N$): Thiết lập đường bao khả năng chịu lực giới hạn của cọc BTCT bằng bảng tính Excel.
Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm báo cáo khảo sát địa chất 4 hố khoan với tổng số 178 mẫu đất thí nghiệm cơ lý, kết hợp tải trọng chân cột công trình bao gồm lực dọc ($N$), lực ngang ($H$) và mômen uốn ($M$).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Thống kê số liệu địa chất
Chương này trình bày chi tiết công tác xử lý thống kê mẫu thí nghiệm của 4 hố khoan (LK1 và LK2 sâu 80 m với 40 mẫu/hố; LK3 sâu 100 m với 50 mẫu; LK4 sâu 100 m với 48 mẫu). Địa tầng khu vực xây dựng gồm 5 lớp chính:
- Lớp A: Đất lấp, rác, xà bần bề mặt (không có số liệu thí nghiệm).
- Lớp 1: Bùn sét, màu xám đen, trạng thái chảy (tổng số 41 mẫu thí nghiệm).
- Lớp 2: Sét, màu xám đen, trạng thái chảy (thống kê trên 21 mẫu thí nghiệm).
- Lớp 3: Cát pha lẫn sỏi sạn thạch anh, màu xám đen, xám tro, xám trắng, xám nâu, trạng thái dẻo (114 mẫu thí nghiệm; sau khi kiểm tra sai số đã loại bỏ mẫu UD16 của hố khoan LK4 do sai lệch lớn, giữ lại 113 mẫu hợp lệ).
- Lớp 4: Sét, sét pha, màu nâu – xám trắng, trạng thái nửa cứng đến cứng.
| Chỉ tiêu cơ lý |
Lớp 1 (Bùn sét) |
Lớp 2 (Sét chảy) |
Lớp 3 (Cát pha sỏi sạn) |
Lớp 4 (Sét nửa cứng/cứng) |
| Dung trọng tự nhiên $\gamma_{tc}$ ($\text{kN/m}^3$) |
14,64 |
15,90 |
20,04 |
17,60 |
| Tỷ trọng hạt $G_s$ |
2,62 |
2,68 |
2,658 |
- |
| Độ ẩm tự nhiên $W_{tc}$ (%) |
89,00 |
64,15 |
19,588 |
- |
| Giới hạn chảy $W_L$ (%) |
81,00 |
69,00 |
22,80 |
- |
| Giới hạn dẻo $W_P$ (%) |
43,60 |
38,64 |
16,50 |
- |
| Lực dính tiêu chuẩn $c_{tc}$ ($\text{kPa}$) |
0,744 |
10,07 |
8,658 |
98,00 |
| Góc ma sát trong $\varphi_{tc}$ |
$3^\circ30'$ |
$4^\circ20'$ |
$24^\circ12'$ |
$11^\circ42' - 13^\circ57'$ |
Tác giả đã xác định các giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán theo Trạng thái giới hạn I (TTGH I) và Trạng thái giới hạn II (TTGH II) cho từng chỉ tiêu, làm cơ sở dữ liệu xuyên suốt cho các chương tính toán tiếp theo.
Chương 2. Tính toán móng băng
Nội dung chương 2 tập trung thiết kế phương án móng băng bê tông cốt thép đặt dưới hệ cột chịu lực.
- Vật liệu sử dụng: Bê tông cấp độ bền B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$, $E = 30\text{ GPa}$, $\gamma_b = 25\text{ kN/m}^3$). Cốt thép dọc chịu lực chọn loại CB400-V ($R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$, $E = 200\text{ GPa}$); cốt thép đai và cấu tạo chọn CB300-T ($R_s = 260\text{ MPa}$, $R_{sw} = 210\text{ MPa}$).
- Tải trọng và kích thước hình học:
- Tổng tải trọng tính toán tại chân cột: $N^{tt} = 2576\text{ kN}$, $H^{tt} = 127,6\text{ kN}$, $M^{tt} = 2056\text{ kN}\cdot\text{m}$.
- Chiều sâu chôn móng chọn $D_f = 2,0\text{ m}$.
- Kích thước móng băng: Chiều rộng móng $B_m = 2,0\text{ m}$, tổng chiều dài $L = 17,8\text{ m}$ (gồm các nhịp $5,0\text{ m}$ và đoạn đầu thừa $l_A = 1,4\text{ m}$, $l_B = 2,0\text{ m}$).
- Tiết diện sườn dầm móng: $b_d \times h_d = 0,4\text{ m} \times 1,0\text{ m}$; chiều cao bản cánh móng $h_c = 0,4\text{ m}$.
- Kiểm tra các điều kiện kỹ thuật:
- Áp lực đáy móng: Áp lực trung bình $p_{tb} = 106,92\text{ kN/m}^2 \le R = 108,1\text{ kN/m}^2$, thỏa mãn điều kiện ổn định đất nền.
- Độ lún công trình: Tính lún theo phương pháp cộng lớp phân tố cho ra độ lún cuối cùng $s = 2,5\text{ cm} \le [s] = 8,0\text{ cm}$.
- Cường độ đất nền: Tải trọng tính toán $N^{tt} = 4377,4\text{ kN} \le R_{nd} = 7327,54\text{ kN}$.
- Ổn định chống trượt: Hệ số an toàn chống trượt tính toán đạt $FS = 8,73 > [FS]_{cp} = 1,5$.
- Điều kiện chống cắt của bê tông: Chiều cao cánh móng đảm bảo khả năng chịu ứng suất cắt không cần bố trí cốt đai cánh.
- Mô hình hóa và bố trí cốt thép:
- Móng băng được chia thành các phân đoạn $0,1\text{ m}$ gán lò xo Winkler có độ cứng $K_i = 1821,4\text{ kN/m}$ (tương ứng hệ số nền $C_z = 68,95\text{ kN/m}^3$) trong phần mềm SAP2000.
- Thép dọc chịu kéo nhịp (thớ trên) bố trí $2\Phi 20$ ($A_s = 628\text{ mm}^2$).
- Thép dọc chịu kéo gối (thớ dưới) tại tiết diện nguy hiểm $M_{max} = 1203,66\text{ kN}\cdot\text{m}$ bố trí thép chịu lực đáp ứng điều kiện cường độ.
- Cốt đai sườn dầm: Tại vị trí lực cắt lớn nhất $Q = 607,9\text{ kN}$, bố trí đai $\Phi 8$ hoặc $\Phi 10$ với bước đai $s = 100\text{ mm}$ ở khu vực gần gối và $s = 250\text{ mm}$ ở giữa nhịp. Cánh móng bố trí thép bản console $\Phi 12@200$, cốt giá sườn dầm $4\Phi 12$.
Chương 3. Tính toán móng cọc
Chương 3 trình bày giải pháp móng sâu sử dụng móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn.
- Lựa chọn kết cấu cọc và vật liệu:
- Cọc vuông tiết diện $40 \times 40\text{ cm}$ ($A = 0,16\text{ m}^2$). Bê tông cấp B25, cốt thép dọc CB400-V ($4\Phi 25$), cốt đai CB240-T.
- Mặt trên đài đặt tại cao độ $-3,0\text{ m}$. Mũi cọc cắm sâu vào lớp đất số 6 (á cát dẻo, chỉ số SPT $> 15$) ở cao trình $-32,0\text{ m}$. Tổng chiều dài cọc $L = 29,0\text{ m}$.
- Xác định sức chịu tải của cọc đơn:
- Sức chịu tải theo độ bền vật liệu: $P_v = 1450,1\text{ kN}$ (đã xét hệ số uốn dọc $\varphi = 0,97$).
- Sức chịu tải theo cường độ đất nền (thí nghiệm cắt trực tiếp): $R_{cu} = 1891,58\text{ kN}$.
- Sức chịu tải theo kết quả thí nghiệm SPT (tiêu chuẩn AIJ 1988): $R_{cu} = 1450,05\text{ kN}$.
- Sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc: $R_a = 878,82\text{ kN}$.
- Bố trí cọc và kiểm tra đài móng:
- Tải trọng tính toán thẳng đứng $N^{tt} = 4830\text{ kN}$. Tác giả bố trí 9 cọc ($3 \times 3$) với khoảng cách giữa các tim cọc $s = 3d = 1,2\text{ m}$.
- Kích thước đài cọc: $B \times L \times H = 3,2\text{ m} \times 3,2\text{ m} \times 1,3\text{ m}$ ($h_o = 1,15\text{ m}$).
- Tải trọng lớn nhất tác dụng lên cọc đơn: $P_{max} = 667,98\text{ kN} \le R_a = 878,82\text{ kN}$.
- Sức chịu tải nhóm cọc: Hệ số nhóm $\eta = 0,82 \to Q_{gn} = 5749\text{ kN} > N_o = 5301\text{ kN}$.
- Kiểm tra móng khối quy ước: Diện tích khối quy ước $A_{qu} = 57,49\text{ m}^2$, chiều sâu đáy khối $H_{qu} = 32\text{ m}$. Ứng suất đáy móng quy ước thỏa mãn điều kiện $p_{tb} \le R$ và $p_{max} \le 1,2R$. Độ lún tính toán $s = 0,72\text{ cm} \le [s] = 8,0\text{ cm}$.
- Kiểm tra chọc thủng và uốn đài: Tháp đâm thủng bao trùm đáy đài nên đài cọc không bị đâm thủng; thép đáy đài móng tính theo bản console hai phương được bố trí $15\Phi 20@200\text{ mm}$ cho cả phương $L$ và phương $B$.
- Kiểm tra cẩu lắp và tải trọng ngang:
- Kiểm tra vận chuyển - cẩu lắp cọc với vị trí móc cẩu định vị tại $0,207L$ theo TCVN 10304:2014, cốt thép dọc $4\Phi 25$ hoàn toàn đảm bảo khả năng chịu mômen uốn cẩu lắp.
- Phân tích cọc chịu tải ngang trong SAP2000: Đất quanh cọc được rời rạc hóa thành các lò xo có độ cứng $K = C_z \cdot u \cdot a = k \cdot z \cdot u \cdot a$. Chuyển vị ngang đỉnh cọc tính được ở mức rất nhỏ ($U_1 \approx 0$).
- Biểu đồ tương tác $M - N$: Cặp nội lực nguy hiểm nhất trong cọc ($M_{max} = 37,98\text{ kN}\cdot\text{m}$, $P_{max} = 667,9\text{ kN}$) nằm hoàn toàn bên trong đường bao an toàn của biểu đồ tương tác, lực cắt lớn nhất $Q_{max} = 68,35\text{ kN}$ thỏa mãn điều kiện bền cắt của bê tông.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành quy trình tính toán kỹ thuật toàn diện cho cả hai phương án móng công trình với các kết quả cụ thể:
| Hạng mục kiểm tra |
Phương án Móng băng (Chương 2) |
Phương án Móng cọc (Chương 3) |
Điều kiện cho phép |
| Kích thước kết cấu chính |
$B = 2,0\text{ m}, L = 17,8\text{ m}, h_d = 1,0\text{ m}$ |
9 cọc $40\times 40\text{ cm}, L = 29\text{ m}$, đài $3,2\times 3,2\times 1,3\text{ m}$ |
- |
| Áp lực/Tải trọng lớn nhất |
$p_{tb} = 106,92\text{ kN/m}^2$ |
$P_{max} = 667,98\text{ kN/cọc}$ |
$R = 108,1\text{ kN/m}^2$ / $R_a = 878,82\text{ kN}$ |
| Độ lún ổn định ($s$) |
$2,50\text{ cm}$ |
$0,72\text{ cm}$ |
$[s] = 8,00\text{ cm}$ |
| Ổn định trượt / Khả năng cắt |
$FS = 8,73$ |
Thỏa mãn cắt và chọc thủng |
$[FS]_{cp} = 1,5$ |
| Chịu tải ngang & Uốn |
Mô hình SAP2000 dầm lò xo |
Biểu đồ tương tác $M-N$ bao trùm |
Nằm trong miền an toàn |
Về mặt giải pháp kỹ thuật, tác giả đã đề xuất phương án móng cọc ép bê tông cốt thép $40 \times 40\text{ cm}$ tựa vào tầng á cát chặt dẻo (lớp 6 ở độ sâu 32 m) là giải pháp tối ưu cho công trình tải trọng lớn trên nền đất bùn sét yếu, giúp giảm thiểu độ lún (chỉ $0,72\text{ cm}$) so với phương án móng nông. Đồng thời, tác giả đã kết hợp công cụ SAP2000 và Microsoft Excel để tự động hóa quá trình tính toán nội lực dầm móng trên nền đàn hồi và kiểm tra biểu đồ tương tác thân cọc.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Quá trình mô hình hóa lò xo nền Winkler trong SAP2000 dựa trên các hệ số nền giả định tuyến tính cục bộ, chưa xét đến tính chất phi tuyến thực tế của tương tác đất - cọc khi chịu biến dạng lớn.
- Việc tính toán móng cọc mới tập trung kiểm tra chi tiết trên trụ địa chất đại diện tại hố khoan HK1 (hố khoan có lớp đất yếu dày nhất), chưa xét đến sự biến thiên địa tầng 3D không gian trên toàn mặt bằng 4 hố khoan.
- Hướng mở rộng:
- Ứng dụng các phần mềm phần tử hữu hạn chuyên sâu về địa kỹ thuật (như PLAXIS 2D/3D hoặc GeoStudio) để mô phỏng tương tác phi tuyến không gian giữa nhóm cọc, đài cọc và môi trường đất nhiều lớp.
- Bổ sung tính toán kiểm tra kết cấu móng dưới tác động của tải trọng động lực học (động đất, gió bão) và xét đến ma sát âm của các lớp bùn sét yếu phía trên.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thiết kế thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, Địa kỹ thuật - Công trình ngầm.
Những phần nội dung có giá trị ứng dụng thực hành cao gồm:
- Quy trình xử lý và sàng lọc số liệu địa chất bằng phương pháp thống kê toán học kết hợp hàm
LINEST trong Excel để xác định các thông số sức chống cắt $c, \varphi$.
- Phương pháp gán độ cứng lò xo Winkler phân bố để mô hình dầm móng băng và thân cọc chịu tải trọng ngang trong phần mềm SAP2000.
- Trình tự lập bảng tính lún phân tố theo dữ liệu nén lún $e - p$ và phương pháp thiết lập biểu đồ tương tác $M - N$ kiểm tra an toàn thân cọc chịu nén - uốn đồng thời.
Câu hỏi thường gặp
1. Khối lượng khảo sát địa chất đầu vào của đồ án gồm bao nhiêu hố khoan và địa tầng có cấu tạo thế nào?
Khảo sát gồm 4 hố khoan: LK1 và LK2 sâu 80 m (40 mẫu/hố), LK3 sâu 100 m (50 mẫu), LK4 sâu 100 m (48 mẫu). Địa tầng gồm 5 lớp: Lớp A (rác, xà bần), Lớp 1 (bùn sét xám đen, chảy), Lớp 2 (sét xám đen, chảy), Lớp 3 (cát pha lẫn sỏi sạn thạch anh, dẻo), Lớp 4 (sét/sét pha nâu - xám trắng, nửa cứng đến cứng).
2. Tại sao mẫu thí nghiệm UD16 của hố khoan LK4 ở Lớp 3 bị loại bỏ trong bước thống kê?
Trong quá trình xử lý thống kê mẫu Lớp 3, mẫu UD16 của LK4 có sai số dung trọng $|A - A_i| = 2,343$ vượt quá ngưỡng sai số giới hạn cho phép ($v \cdot u_{cr}$ theo tiêu chuẩn kiểm định mẫu), do đó bị loại bỏ để đảm bảo độ tin cậy của chỉ tiêu tính toán (giảm từ 114 mẫu xuống 113 mẫu).
3. Kích thước hình học và cao trình đặt mũi cọc được chọn trong phương án móng cọc là bao nhiêu?
Cọc BTCT có tiết diện vuông $40 \times 40\text{ cm}$, đài móng chôn sâu $D_f = 3,0\text{ m}$. Chiều sâu đặt mũi cọc $z_{mui} = 32,0\text{ m}$ (ngàm vào lớp đất tốt số 6 trên 2 m theo tiêu chuẩn), chiều dài cọc đóng/ép là $L = 29,0\text{ m}$.
4. Sức chịu tải thiết kế của cọc đơn và tải trọng thực tế tác dụng lên cọc lớn nhất trong đài là bao nhiêu?
Sức chịu tải thiết kế của cọc đơn được xác định là $R_a = 878,82\text{ kN}$ (lấy từ giá trị nhỏ nhất giữa các phương pháp chia cho hệ số an toàn). Tải trọng tính toán lớn nhất tác dụng lên cọc số 1 trong đài 9 cọc là $P_{max} = 667,98\text{ kN} \le R_a$, đảm bảo khả năng chịu lực.
5. Độ lún tính toán của phương án móng băng và móng cọc có đạt yêu cầu quy chuẩn không?
Phương án móng băng có độ lún ổn định $s = 2,50\text{ cm}$, phương án móng cọc (tính theo móng khối quy ước) có độ lún ổn định $s = 0,72\text{ cm}$. Cả hai giá trị đều nhỏ hơn nhiều so với độ lún giới hạn cho phép của nhà khung bê tông cốt thép là $[s] = 8,0\text{ cm}$.
Kết luận
Đồ án môn học Nền móng của tác giả Nguyễn Thành Trí đã thực hiện đầy đủ và chuẩn xác các bước từ phân tích, thống kê cơ lý địa chất đến thiết kế chi tiết hai phương án móng băng và móng cọc BTCT theo các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Các kết quả kiểm tra về khả năng chịu tải, ổn định lún, chống cắt, chống trượt và chịu uốn đều thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật với độ an toàn cao. Đồ án thể hiện sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết giải tích truyền thống và công cụ mô hình hóa hiện đại (SAP2000, Excel), mang lại giá trị tham khảo rõ ràng trong công tác học tập và thiết kế địa kỹ thuật công trình.
