Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong kỹ thuật xây dựng công trình, việc lựa chọn và tính toán thiết kế hệ thống nền móng đóng vai trò quyết định đến độ ổn định, khả năng chịu lực và tuổi thọ của toàn bộ kết cấu bên trên. Khi công trình được xây dựng trên các khu vực có địa tầng phức tạp, với các lớp đất yếu nằm sát bề mặt, kỹ sư địa kỹ thuật phải đối mặt với bài toán xử lý nền và lựa chọn giải pháp móng phù hợp nhằm thỏa mãn đồng thời các điều kiện an toàn chịu lực và giới hạn biến dạng lún.
Đồ án chuyên ngành "Thiết kế nền và móng cho công trình với nội lực dưới chân cột" do sinh viên Phạm Võ Ngọc Sơn (MSSV: 17520800399) thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Tô Văn Lận, tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:
- Xử lý và phân tích số liệu địa chất công trình, phân loại đất nền và xác định các chỉ tiêu cơ lý, chỉ tiêu cường độ phục vụ tính toán.
- Đề xuất giải pháp nền móng và thiết kế chi tiết phương án móng nông trên đệm cát cho hai vị trí chân cột (cột C1 và cột C2) có tổ hợp nội lực lệch tâm khác nhau.
- Tính toán, kiểm tra sức chịu tải của cọc đơn bằng nhiều phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, từ đó thiết kế hoàn chỉnh phương án móng cọc bê tông cốt thép đài thấp cho công trình chịu tải trọng lớn (bao gồm tải trọng đứng, mô men và tải trọng cầu trục).
Đối tượng nghiên cứu là kết cấu móng đơn bê tông cốt thép trên nền đệm cát và móng cọc đài thấp đặt trong môi trường địa chất phân tầng tại địa điểm xây dựng giả định theo đề bài kỹ thuật.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam kết hợp cùng các phương pháp tính toán cơ học đất kinh điển:
- Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình: TCVN 9362:2012 để phân loại đất, xác định cường độ tính toán của đất nền ($R$, $R_z$), kiểm tra áp lực đáy móng và kiểm tra độ lún theo hai trạng thái giới hạn.
- Tiêu chuẩn khảo sát và thí nghiệm hiện trường: TCVN 9351:2012 (thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT) và TCVN 9352:2012 (thí nghiệm xuyên tĩnh CPT) dùng để xác định sức kháng mũi ($q_c$), số nhát đập ($N_{SPT}$), mô đun biến dạng ($E$) và góc ma sát trong ($\varphi$).
- Phương pháp tính toán cọc: Quy trình tính toán sức chịu tải cọc đơn theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, chỉ tiêu cường độ vật liệu (bê tông, cốt thép), phương pháp giải tích theo chỉ tiêu cường độ đất nền, phương pháp tra bảng dựa trên kết quả xuyên tĩnh CPT và công thức của Viện Kiến trúc Nhật Bản (AIJ - 1988) dựa trên chỉ số SPT.
- Phương pháp tính lún: Phương pháp cộng lún từng lớp phân tố ($h_i \le b/4$ hoặc $h_i \le b/3$), tích phân ứng suất gây lún do tải trọng ngoài kết hợp ứng suất bản thân của đất.
Nội dung chính theo từng phần của đồ án
Phần I: Thiết kế móng nông trên nền đệm cát
Nhiệm vụ của Phần I là xử lý số liệu địa chất gồm 3 lớp đất và thiết kế móng nông cho cột C1 ($N_0^{tt} = 1130\text{ kN}, M_0^{tt} = 45\text{ kNm}, Q_0^{tt} = 26\text{ kN}$) và cột C2 ($N_0^{tt} = 590\text{ kN}, M_0^{tt} = 83\text{ kNm}, Q_0^{tt} = 27\text{ kN}$).
| Lớp đất | Bề dày ($m$) | Tên và trạng thái đất | Chỉ tiêu cơ lý chính |
|---|---|---|---|
| Lớp 1 | $4,0$ | Đất sét dẻo nhão (bùn á sét) | $I_p = 0,208; I_L = 0,86; \gamma = 17,8\text{ kN/m}^3; \gamma_{dn} = 7,9\text{ kN/m}^3; c = 13\text{ kPa}; \varphi = 5^\circ 55'; q_c = 210\text{ kPa}; E = 0,945\text{ MPa}$ |
| Lớp 2 | $5,2$ | Đất á sét dẻo cứng | $I_p = 0,125; \gamma = 18,6\text{ kN/m}^3; \gamma_{dn} = 9,12\text{ kN/m}^3; c = 19\text{ kPa}; \varphi = 13^\circ 25'; q_c = 1800\text{ kPa}; E = 8,1\text{ MPa}$ |
| Lớp 3 | Xuất hiện từ $-9,2\text{ m}$ | Đất cát sỏi chặt | $e = 0,49; \gamma = 20,3\text{ kN/m}^3; q_c = 19\text{ MPa}$ |
Do hai lớp đất bên trên có tính biến dạng lớn và sức chịu tải kém, tác giả đề xuất giải pháp thay một phần đất yếu bằng lớp đệm cát thô đầm chặt dày $1,5\text{ m}$ ($\gamma = 19,15\text{ kN/m}^3, \gamma_{dn} = 10,18\text{ kN/m}^3, \varphi = 33^\circ 32', E = 20,25\text{ MPa}, R_0 = 400\text{ kPa}$).
1. Thiết kế móng M1 (chân cột C1)
- Kích thước hình học: Sau các bước lặp kiểm tra áp lực đáy móng và áp lực đỉnh lớp đất yếu không thỏa mãn ở kích thước $1,5 \times 2,2\text{ m}$, $2,2 \times 3,2\text{ m}$, và $2,3 \times 3,3\text{ m}$, kích thước đáy móng chọn là $b \times l = 2,4\text{ m} \times 3,3\text{ m}$, chiều sâu chôn móng $h = 1,5\text{ m}$.
- Kiểm tra áp lực tại đáy móng:
- $p_{tb}^{tc} = 154,07\text{ kPa} \le R = 411,25\text{ kPa}$
- $p_{max}^{tc} = 170,82\text{ kPa} \le 1,2R = 493,50\text{ kPa}$
- $p_{min}^{tc} = 137,31\text{ kPa} > 0$
- Kiểm tra áp lực tại đỉnh lớp đất yếu (đáy đệm cát ở độ sâu $-3,0\text{ m}$):
- Tổng ứng suất: $p_z + p_{d} = 82,53 + 51,171 = 133,70\text{ kPa} \le R_z = 135,00\text{ kPa}$ (thỏa mãn điều kiện).
- Kiểm tra độ lún: Độ lún lớp đệm cát $S_1 = 0,616\text{ cm}$; độ lún các lớp đất yếu $S_2 = 5,97\text{ cm}$. Tổng độ lún $S = 6,586\text{ cm} \le S_{gh} = 8,0\text{ cm}$.
- Tính toán kết cấu bê tông cốt thép: Bê tông B20 ($R_b = 11,5\text{ MPa}, R_{bt} = 0,9\text{ MPa}$), thép AII ($R_s = 280\text{ MPa}$). Chiều cao móng $h = 0,85\text{ m}$ ($h_0 = 0,80\text{ m}$). Lực chọc thủng $N_{cth} = 207,73\text{ kN} \le \Phi_{cth} = 864,00\text{ kN}$. Cốt thép cạnh dài bố trí $14\Phi 14\text{ a}180$ ($A_s = 21,546\text{ cm}^2$); cốt thép cạnh ngắn bố trí $13\Phi 12\text{ a}250$ ($A_s = 14,703\text{ cm}^2$).
2. Thiết kế móng M2 (chân cột C2)
- Kích thước hình học: Kích thước đáy móng chọn $b \times l = 1,3\text{ m} \times 1,8\text{ m}$, chiều sâu chôn móng $h = 1,5\text{ m}$, đệm cát dày $1,5\text{ m}$.
- Kiểm tra áp lực tại đáy móng:
- $p_{tb}^{tc} = 249,25\text{ kPa} \le R = 363,125\text{ kPa}$
- $p_{max}^{tc} = 400,46\text{ kPa} \le 1,2R = 435,75\text{ kPa}$
- Kiểm tra áp lực tại đỉnh lớp đất yếu:
- $p_z + p_d = 75,60 + 51,171 = 126,771\text{ kPa} \le R_z = 133,004\text{ kPa}$ (thỏa mãn).
- Kiểm tra độ lún: Tổng độ lún $S = S_1 + S_2 = 0,91\text{ cm} + 3,98\text{ cm} = 4,89\text{ cm} \le S_{gh} = 8,0\text{ cm}$.
- Tính toán kết cấu bê tông cốt thép: Chiều cao móng $h = 0,55\text{ m}$ ($h_0 = 0,50\text{ m}$). Khả năng chống chọc thủng $\Phi_{cth} = 382,50\text{ kN} > N_{cth} = 194,18\text{ kN}$. Cốt thép cạnh dài $10\Phi 12\text{ a}140$ ($A_s = 11,311\text{ cm}^2$), cốt thép cạnh ngắn $6\Phi 10\text{ a}200$ ($A_s = 4,71\text{ cm}^2$).
Phần II: Thiết kế móng cọc bê tông cốt thép
Phần II thực hiện thiết kế móng cọc đài thấp chịu tổ hợp tải trọng công trình: tải trọng đứng đỉnh cột $P_a = 761\text{ kN}$, tải trọng cầu trục $P_c = 633\text{ kN}$, lực hãm ngang $T_{c1} = 7,4\text{ kN}$, lực hãm dọc $T_{c2} = 5,3\text{ kN}$, lực gió và tải trọng ngang $P_g = 21\text{ kN}$. Tổng lực dọc tính toán tại chân cột là $N^{tt} = 1477,16\text{ kN}$, lực cắt ngang $Q_x^{tt} = 28,4\text{ kN}$, $Q_y^{tt} = 5,3\text{ kN}$.
1. Đánh giá điều kiện địa chất công trình (Đề số 50)
- Mực nước ngầm ở độ sâu $-3,1\text{ m}$.
- Lớp 1 (0 đến $-5,0\text{ m}$): Đất á sét nhão ($I_p = 0,121; I_L = 1,32; e = 1,13; \gamma = 17,4\text{ kN/m}^3; \gamma_{dn} = 7,93\text{ kN/m}^3; c_u = 15,39\text{ kPa}; \varphi = 0^\circ; N_{SPT} = 1; q_c = 180\text{ kPa}$).
- Lớp 2 ($-5,0\text{ m}$ đến $-16,8\text{ m}$): Đất á cát dẻo ($I_p = 0,06; I_L = 0,483; e = 0,83; \gamma = 18,6\text{ kN/m}^3; \gamma_{dn} = 8,96\text{ kN/m}^3; c = 13\text{ kPa}; \varphi = 19^\circ 30'; N_{SPT} = 10; q_c = 2200\text{ kPa}$).
- Lớp 3 ($-16,8\text{ m}$ đến $-21,4\text{ m}$): Đất á sét dẻo nhão ($I_p = 0,129; I_L = 0,798; e = 1,043; \gamma = 17,6\text{ kN/m}^3; \gamma_{dn} = 8,03\text{ kN/m}^3; c = 8\text{ kPa}; \varphi = 6^\circ 50'; N_{SPT} = 3; q_c = 280\text{ kPa}$).
- Lớp 4 (xuất hiện từ $-21,4\text{ m}$): Đất cát thô chặt ($w = 15,2%; e = 0,54; \gamma = 19,75\text{ kN/m}^3; \gamma_{dn} = 10,65\text{ kN/m}^3; N_{SPT} = 29; q_c = 15,5\text{ MPa}; \varphi = 33^\circ 39'; E = 34,875\text{ MPa}$).
2. Kích thước hình học cọc và phương pháp thi công
- Chọn lớp 4 làm lớp đất đặt mũi cọc, cọc cắm sâu vào lớp 4 một đoạn $2,0\text{ m}$. Cao trình mũi cọc ở $-23,4\text{ m}$.
- Đài cọc chôn sâu $h = 1,5\text{ m}$ (kiểm tra điều kiện áp lực đất bị động thành đài $h \ge 1,03\text{ m}$ thỏa mãn).
- Chiều dài tính toán cọc: $L_{tt} = (5,0 - 1,5) + 11,8 + 4,6 + 2,0 = 21,9\text{ m}$.
- Chiều dài gia công cọc: $L = 21,9 + 0,6\text{ m (ngàm)} + 0,3\text{ m (mũi)} = 22,8\text{ m}$, chia làm 2 đoạn ($11,0\text{ m} + 11,8\text{ m}$). Tiết diện cọc vuông $30 \times 30\text{ cm}$ ($A_b = 0,09\text{ m}^2$).
- Phương pháp hạ cọc: Ép cọc bê tông cốt thép.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Tổng hợp xác định sức chịu tải của cọc đơn
Tác giả đã tính toán sức chịu tải cực hạn ($R_{ch}$) và sức chịu tải cho phép ($R_c$) của cọc đơn $30 \times 30\text{ cm}$ theo các phương pháp:
| Phương pháp xác định | Sức chịu tải cực hạn $R_{ch}$ | Sức chịu tải cho phép $R_c$ / $R_v$ | Ghi chú kỹ thuật |
|---|---|---|---|
| Theo cường độ vật liệu (B25, $4\Phi 16$) | — | $R_{v2} = 1333,00\text{ kN}$ | Hệ số uốn dọc $\varphi = 0,871$ ($\lambda = 51,1$) |
| Theo chỉ tiêu cơ lý đất nền | $R_{ch,1} = 1517,40\text{ kN}$ | — | Sức kháng mũi $q_b = 8840\text{ kPa}$ |
| Theo chỉ tiêu cường độ đất nền | $R_{ch,2} = 2744,42\text{ kN}$ | — | Mũi cọc $Q_b = 2096,91\text{ kN}$; Thân $Q_f = 647,51\text{ kN}$ |
| Theo thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) | $R_{ch,3} = 1661,52\text{ kN}$ | — | $q_b = 0,4 q_c = 6200\text{ kPa}$ |
| Theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT - AIJ) | $R_{ch,4} = 1277,82\text{ kN}$ | — | $q_b = 300 N_p = 8700\text{ kPa}$ |
Sức chịu tải thiết kế cực hạn được chọn theo giá trị thiên về an toàn nhỏ nhất là $R_{ch} = 1277,82\text{ kN}$ (tính theo SPT). Sức chịu tải cho phép của cọc đơn trong móng: $$R_c = \frac{\gamma_0}{\gamma_n \cdot \gamma_k} R_{ch,4} = \frac{1,15}{1,15 \times 1,75} \times 1277,82 = 730,18\text{ kN}$$
Xét tỷ số giữa sức chịu tải vật liệu và đất nền: $R_{v2} / R_c = 1333 / 730,18 = 1,83 < 2$. Để đảm bảo an toàn cọc không bị nứt vỡ trong quá trình thi công ép cọc (yêu cầu tỷ số nằm trong khoảng $2 \div 3$), tác giả đã điều chỉnh nâng cấp độ bền bê tông và cốt thép dọc:
- Bê tông nâng lên cấp B30 ($R_b = 17000\text{ kPa}$).
- Cốt thép dọc chọn $4\Phi 20$ loại AII ($A_s = 12,56\text{ cm}^2, R_s = 280000\text{ kPa}$).
- Sức chịu tải vật liệu sau điều chỉnh: $R_v = 0,871 \times (17000 \times 0,09 + 280000 \times 12,56 \times 10^{-4}) = 1638,94\text{ kN}$ (thỏa mãn tỷ số $R_v / R_c = 2,24$).
Xác định số lượng cọc và bố trí đài móng
- Số lượng cọc sơ bộ lý thuyết: $n_c = \beta \frac{N^{tt}}{R_c} = 1,5 \times \frac{1533,26}{730,18} \approx 2,1$ cọc.
- Phương án 1 (Bố trí 3 cọc): Kích thước đài $1,8 \times 2,1\text{ m}$. Khi kiểm tra áp lực lớn nhất tác dụng lên đỉnh cọc chịu tải trọng lệch tâm 2 phương kết hợp trọng lượng bản thân cọc: $$P_{max}^{tt} + P_c^{tt} = 991,79 + 54,20 = 1045,99\text{ kN} > R_{ctk} = 730,18\text{ kN}$$ Phương án 3 cọc không thỏa mãn điều kiện chịu lực.
- Phương án 2 (Bố trí 4 cọc): Bố trí 4 cọc theo dạng lưới chữ nhật đối xứng trong đài móng kích thước $1,7\text{ m} \times 2,1\text{ m}$, khoảng cách tim cọc là $800\text{ mm}$ ($> 2,5d$) và cách mép đài $250\text{ mm}$.
Kết quả và giải pháp kỹ thuật
- Giải pháp móng nông: Đã chứng minh rằng việc đặt móng trực tiếp lên lớp đất 1 và lớp 2 là không khả thi do nền đất có độ sệt cao ($I_L = 0,86$) và mô đun biến dạng thấp. Việc thay thế bằng lớp đệm cát dày $1,5\text{ m}$ giúp phân bố ứng suất đều xuống lớp đất yếu bên dưới, hạ độ lún tổng cộng của móng C1 xuống $6,586\text{ cm}$ và móng C2 xuống $4,89\text{ cm}$, đều nhỏ hơn độ lún giới hạn quy định ($8,0\text{ cm}$).
- Giải pháp móng cọc: Việc so sánh 5 phương pháp xác định sức chịu tải cọc đơn chỉ ra rằng phương pháp SPT theo tiêu chuẩn AIJ cho kết quả an toàn nhất ($1277,82\text{ kN}$), trong khi phương pháp giải tích theo chỉ tiêu cường độ đất nền cho giá trị lớn nhất ($2744,42\text{ kN}$).
- Hiệu chỉnh kết cấu cọc: Việc kiểm toán điều kiện thi công ép cọc dẫn đến quyết định thay đổi vật liệu cọc từ B25 ($4\Phi 16$) sang B30 ($4\Phi 20$) để nâng sức chịu tải vật liệu lên $1638,94\text{ kN}$, tránh hiện tượng phá hoại vật liệu cọc khi ép qua các lớp đất chặt.
Hạn chế và phạm vi áp dụng
- Đồ án được xây dựng dựa trên các thông số địa chất từ số liệu khoan khảo sát cố định tại một vị trí giả định, chưa xét đến tính biến thiên không gian của địa tầng trên toàn mặt bằng rộng.
- Chưa xét đến ảnh hưởng của ma sát âm xuất hiện trên thân cọc khi lớp đất á sét nhão phía trên bị cố kết do hạ mực nước ngầm hoặc tải trọng đắp bề mặt.
- Phạm vi áp dụng của thiết kế là nhà công nghiệp hoặc dân dụng có kết cấu khung bê tông cốt thép chèn tường gạch thông thường, chịu tải trọng chân cột ở mức trung bình đến nặng.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, và Kỹ thuật Địa kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học "Nền và Móng" hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư:
- Cung cấp trình tự xử lý biểu đồ lỗ khoan địa chất, phân loại đất dính/đất rời theo TCVN 9362:2012.
- Minh họa phương pháp lặp để chọn kích thước móng nông trên đệm cát thỏa mãn đồng thời điều kiện áp lực đáy móng và áp lực đỉnh lớp đất yếu.
- Cung cấp biểu mẫu tính toán và so sánh sức chịu tải cọc theo đồng thời 5 phương pháp thực hành phổ biến trong kỹ thuật móng cọc tại Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án không đặt móng nông trực tiếp lên lớp đất tự nhiên mà phải sử dụng đệm cát?
Do lớp đất số 1 là sét dẻo nhão có sức chịu tải rất thấp ($q_c = 210\text{ kPa}, E = 0,945\text{ MPa}$) và lớp 2 là á sét dẻo cứng, nếu đặt móng trực tiếp sẽ không thỏa mãn điều kiện biến dạng lún và áp lực cho phép của đất nền. Lớp đệm cát dày $1,5\text{ m}$ đóng vai trò phân phối lại ứng suất, tăng khả năng chịu tải và giảm độ lún cho công trình.
2. Kích thước đáy móng cuối cùng của móng M1 và M2 được chọn là bao nhiêu?
Móng M1 (cột C1) có kích thước $b \times l = 2,4\text{ m} \times 3,3\text{ m}$, chiều cao $h = 0,85\text{ m}$. Móng M2 (cột C2) có kích thước $b \times l = 1,3\text{ m} \times 1,8\text{ m}$, chiều cao $h = 0,55\text{ m}$. Cả hai móng đều đặt ở độ sâu $h = 1,5\text{ m}$ so với mặt đất tự nhiên.
3. Tại sao sức chịu tải thiết kế của cọc đơn lại chọn theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT?
Trong các phương pháp tính toán, sức chịu tải cực hạn theo SPT (công thức Viện Kiến trúc Nhật Bản) cho giá trị thấp nhất ($R_{ch,4} = 1277,82\text{ kN}$), nhỏ hơn kết quả xuyên tĩnh CPT ($1661,52\text{ kN}$), chỉ tiêu cơ lý ($1517,40\text{ kN}$) và chỉ tiêu cường độ ($2744,42\text{ kN}$). Việc chọn giá trị nhỏ nhất đảm bảo tính an toàn theo nguyên tắc thiết kế kết cấu.
4. Vì sao tác giả phải tăng cấp độ bền bê tông cọc từ B25 lên B30 và thép từ $4\Phi 16$ lên $4\Phi 20$?
Để đảm bảo tỷ số giữa sức chịu tải theo cường độ vật liệu ($R_v$) và sức chịu tải cho phép theo đất nền ($R_c$) nằm trong khoảng $2 \div 3$ nhằm tránh rủi ro vỡ đầu cọc hoặc nứt thân cọc trong quá trình ép cọc vào tầng cát thô chặt (lớp 4). Khi dùng B25 và $4\Phi 16$, tỷ số này chỉ đạt $1,83$ ($< 2$).
5. Tại sao phương án bố trí 3 cọc cho móng cọc bị bác bỏ và chuyển sang 4 cọc?
Khi bố trí 3 cọc, dưới tác dụng của mô men lệch tâm hai phương và lực ngang, áp lực lớn nhất tác dụng lên đỉnh cọc ngoài cùng kèm trọng lượng bản thân cọc đạt $1045,99\text{ kN}$, vượt quá sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc ($730,18\text{ kN}$). Do đó, số lượng cọc bắt buộc phải tăng lên 4 cọc.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế nền và móng cho công trình với nội lực dưới chân cột" của sinh viên Phạm Võ Ngọc Sơn là một công trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh, thể hiện đầy đủ các bước từ khảo sát, phân loại địa chất đến thiết kế chi tiết kết cấu móng nông trên đệm cát và móng cọc bê tông cốt thép. Việc kiểm tra chặt chẽ các điều kiện cường độ, biến dạng lún và an toàn thi công phản ánh tính chuẩn xác trong phương pháp luận kỹ thuật công trình. Tài liệu cung cấp cơ sở tính toán mẫu mực, bám sát các quy chuẩn xây dựng Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế liên quan.