Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Đồ án học phần "Project Based Learning 2 (PBL2): Nền và Móng" được thực hiện bởi nhóm sinh viên thuộc Lớp 19CSHT, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng dưới sự hướng dẫn của giảng viên Đỗ Hữu Đạo (năm 2021). Bối cảnh kỹ thuật của đồ án xuất phát từ yêu cầu tính toán, thiết kế hệ thống kết cấu phần dưới (nền và móng) cho một công trình xây dựng dân dụng - công nghiệp có kết cấu khung bê tông cốt thép, không có tầng hầm và không chịu ảnh hưởng của các công trình lân cận.

Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được phân định theo 3 nội dung trọng tâm:

  1. Đánh giá điều kiện địa chất công trình dựa trên số liệu khảo sát địa kỹ thuật (gồm 3 lớp đất), xác định các chỉ tiêu cơ lý và đề xuất các phương án nền móng khả thi.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh phương án móng nông bê tông cốt thép (móng đơn đúng tâm và lệch tâm) cho vị trí cột giữa và cột biên, bao gồm tính toán kích thước hình học, kiểm tra điều kiện áp lực đáy móng, tính lún, kiểm tra ổn định lật/trượt, tính toán chống chọc thủng và bố trí cốt thép chịu lực.
  3. Thiết kế chi tiết phương án móng cọc đài thấp cho cột giữa chịu tải trọng lớn, bao gồm lựa chọn loại cọc bê tông ly tâm ứng lực trước (PHC), xác định sức chịu tải của cọc theo vật liệu và đất nền, kiểm tra tải trọng tác dụng lên cọc, kiểm tra móng khối quy ước, tính lún và thiết kế kết cấu đài cọc.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là giải pháp kết cấu móng đơn nông và móng cọc đài thấp truyền tải trọng từ cột khung kích thước $40 \times 55\text{ cm}$ ($400 \times 550\text{ mm}$) xuống nền đất. Phạm vi khảo sát địa kỹ thuật được giới hạn ở chiều sâu 10 m gồm 3 lớp đất với mực nước ngầm xuất hiện ở độ sâu 3,0 m tính từ mặt đất tự nhiên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành cùng các mô hình cơ học đất và kết cấu bê tông cốt thép:

  • Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng:

    • TCVN 9362:2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình (áp dụng cho kiểm toán áp lực tiêu chuẩn, độ lún giới hạn $[S] = 8\text{ cm}$, điều kiện làm việc của nền).
    • TCVN 10304:2014: Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế (áp dụng cho xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền và vật liệu).
    • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép đối với cấp độ bền B20 (mác 250) và B40, cốt thép nhóm CB240-T/CI (thép A-I) và CB300-V/CII (thép A-II).

  • Phương pháp tính toán thực tế:

    • Phương pháp cơ học đất: Sử dụng phương pháp cộng lún từng lớp phân tố ($h_i = 50\text{ cm}$ với móng nông và $h_i = 100\text{ cm}$ với móng cọc) dựa trên kết quả nén lún một trục ($e-p$) để xác định độ lún cuối cùng theo Trạng thái giới hạn 2 (TTGH II).
    • Phương pháp xác định sức chịu tải: Tính toán cường độ tiêu chuẩn của nền đất $R_{tc}$ theo công thức giải tích với các hệ số $A, B, D$; xác định sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu cơ lý và cường độ đất nền mũi cọc/ma sát bên.
    • Phương pháp móng khối quy ước: Mô hình hóa sự làm việc đồng thời của cọc, đài cọc và khối đất xung quanh với góc mở truyền ứng suất $\alpha = \frac{\varphi_{tb}}{4}$ để kiểm tra ứng suất đáy và tính lún đài cọc.
    • Phương pháp cơ học kết cấu: Xem bản đáy móng và đài cọc như các dầm console ngàm tại mép cột, chịu tải trọng phân bố ngược từ phản lực đất nền hoặc phản lực đầu cọc để xác định nội lực uốn và lực cắt/chọc thủng.

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu tổ hợp tải trọng chân cột (tổ hợp cơ bản và tổ hợp bổ sung); số liệu thí nghiệm cơ lý đất hiện trường (xuyên tiêu chuẩn SPT) và trong phòng (khối lượng thể tích, độ ẩm, giới hạn Atterberg, nén lún).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Chương I phân tích các chỉ tiêu cơ lý của địa tầng gồm 3 lớp đất phân bố từ trên xuống dưới:

Lớp đất Chiều dày ($h$) Dung trọng tự nhiên $\gamma$ ($\text{g/cm}^3$) Tỷ trọng $\Delta$ Độ ẩm tự nhiên $W$ (%) Giới hạn nhão $W_{nh}$ (%) Giới hạn dẻo $W_d$ (%) Độ sệt $B$ Hệ số rỗng $e_0$ Góc ma sát trong $\varphi$ Lực dính $C$ ($\text{kG/cm}^2$) Chỉ số SPT $N_{30}$ Trạng thái đất theo TCVN 9362:2012
Lớp 1 (Sét) $3,0\text{ m}$ 1,84 2,70 28,0 42,0 21,15 0,32 0,878 $16^\circ$ 0,30 4 Dẻo cứng, bão hòa nước ($G=0,86$)
Lớp 2 (Cát hạt vừa) $3,0\text{ m}$ 1,89 2,67 20,3 - - - 0,699 $30^\circ$ 0,05 6 Chặt vừa, ẩm ($G=0,77$)
Lớp 3 (Á cát) $4,0\text{ m}$ 1,90 2,65 23,7 27,2 20,00 0,51 0,725 $23^\circ$ 0,20 ($\text{T/m}^2$) 13 Dẻo mềm, bão hòa nước ($G=0,86$), nén lún vừa

Số liệu thí nghiệm nén lún cho thấy hệ số rỗng $e_i$ giảm đều qua các cấp áp lực $P_i$ từ $0$ đến $4\text{ kG/cm}^2$ (Lớp 1: từ 0,878 xuống 0,740; Lớp 2: từ 0,699 xuống 0,618; Lớp 3: từ 0,725 xuống 0,627).

Dựa trên việc địa tầng không chứa các lớp đất bùn, than bùn hay cát chảy, hệ số rỗng $e_0 < 1$, độ sệt $B < 1$, tác giả kết luận nền đất có tính năng xây dựng tương đối tốt, không cần xử lý nền phức tạp trước khi thi công. Hai phương án thiết kế được đề xuất:

  • Phương án I: Thiết kế móng nông cho móng cột giữa và cột biên đặt vào lớp sét dẻo cứng.
  • Phương án II: Thiết kế móng cọc đài thấp tựa mũi vào lớp đất số 3 (á cát).

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MÓNG NÔNG

Chương II triển khai chi tiết các bước thiết kế và kiểm toán kỹ thuật cho hai cấu kiện móng nông:

1. Thiết kế móng nông cột giữa

  • Vật liệu sử dụng: Bê tông cấp độ bền B20 (Mác 250) có $R_b = 115\text{ kG/cm}^2$, $R_{bt} = 8,5\text{ kG/cm}^2$, $E_b = 265 \times 10^3\text{ kG/cm}^2$. Cốt thép A-I ($R_s = 2800\text{ kG/cm}^2$) dùng làm thép đai, cốt thép A-II ($R_s = 2250\text{ kG/cm}^2$) làm cốt thép chịu lực.
  • Kích thước hình học: Chiều sâu chôn móng chọn $h = 1,5\text{ m}$ (đặt đáy móng trong Lớp 1 sét dẻo cứng). Bề rộng móng $b = 1,7\text{ m}$, chiều dài $a = 2,1\text{ m}$ (tỷ số $a/b = 1,2$, diện tích đáy móng $F = 3,57\text{ m}^2$).
  • Kiểm tra điều kiện áp lực tiêu chuẩn: Cường độ tính toán của nền đất $R_{tc} = 27,4\text{ T/m}^2$. Áp lực trung bình và lớn nhất tại đáy móng: $\sigma_{tb} \le R_{tc}$, $\sigma_{max} = 32,88\text{ T/m}^2 \le 1,2 R_{tc} = 32,88\text{ T/m}^2$, $\sigma_{min} = 21,7\text{ T/m}^2 > 0$ (biểu đồ hình thang, không xuất hiện vùng tách đáy).
  • Kiểm tra biến dạng (TTGH II): Áp lực gây lún tại đáy móng $\sigma_{gl} = 22,91\text{ T/m}^2 = 2,291\text{ kG/cm}^2$. Chiều sâu vùng chịu nén tính toán là $H_a = 4,5\text{ m}$ (tại điểm 9 có $\sigma_{z}^{gl} = 0,165 < 0,2 \sigma_z^{bt} = 0,17\text{ kG/cm}^2$). Tổng độ lún ổn định $S = 7,54\text{ cm} < [S] = 8,0\text{ cm}$ (đáp ứng yêu cầu cho khung BTCT không có tường chắn).
  • Kiểm tra ổn định (TTGH I):
    • Ổn định lật: Độ lệch tâm $e_a = 0,055\text{ m} < a/6 = 0,35\text{ m}$ (lệch tâm bé, không cần kiểm tra lật).
    • Ổn định trượt ngang: Với hệ số ma sát giữa bê tông và đất sét bão hòa $f = 0,2$, tải trọng trượt $T_{ttd} = 3,36\text{ T} \le f \sum N_{ttd} = 0,2 \times 135,71 = 27,14\text{ T}$ (thỏa mãn điều kiện chống trượt).
  • Thiết kế kết cấu móng:
    • Chiều cao móng: Chiều cao làm việc chọn $h_0 = 0,55\text{ m}$, lớp bảo vệ $c = 0,05\text{ m} \rightarrow h_m = 0,60\text{ m}$ (thỏa mãn điều kiện chống đâm thủng $P_{cth}^{tt} = 41,21\text{ T} < 148,5\text{ T}$).
    • Cốt thép chịu uốn: Phương cạnh dài chọn $9\text{\O}16\text{a}200$ ($F_a = 18,09\text{ cm}^2 > F_a^{tt} = 17,03\text{ cm}^2$), phương cạnh ngắn chọn $9\text{\O}14\text{a}250$ ($F_a = 13,87\text{ cm}^2 > F_a^{tt} = 13,43\text{ cm}^2$).

2. Thiết kế móng nông cột biên

  • Thông số tải trọng và hình học: Tải trọng tính toán tổ hợp bổ sung $N^{tt} = 108\text{ T}$, $M^{tt} = 2,6\text{ Tm}$, $Q^{tt} = 2,6\text{ T}$. Kích thước móng chọn $a \times b = 2,1 \times 1,7\text{ m}$, chiều sâu chôn móng $h = 1,5\text{ m}$.
  • Kiểm toán nền: $\sigma_{tb} = 31,0\text{ T/m}^2 \le R_{tc}$, $\sigma_{min} > 0$. Chiều sâu vùng chịu lún $H_a = 4,5\text{ m}$, tổng độ lún $S = 7,54\text{ cm} \le [S] = 8,0\text{ cm}$. Điều kiện chống trượt ngang và chống lật đều đảm bảo an toàn.
  • Kết cấu móng: Chiều cao làm việc $h_0 = 0,50\text{ m}$, chiều cao móng $h_m = 0,55\text{ m}$. Cốt thép bố trí theo phương cạnh $a$ là $9\text{\O}14\text{a}200$ và theo phương cạnh $b$ là $13\text{\O}18\text{a}170$.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MÓNG CỌC ĐÀI THẤP

Chương 3 giải quyết bài toán móng cọc đài thấp cho cột giữa chịu tải trọng lớn ($N^{tt} = 276,55\text{ T}$, $M^{tt} = 9,6\text{ Tm}$, $Q^{tt} = 7,6\text{ T}$):

  • Lựa chọn cọc: Cọc ống bê tông ly tâm ứng lực trước cường độ cao PHC đường kính ngoài $D = 400\text{ mm}$, bề dày thành cọc $d = 70\text{ mm}$, cốt thép dọc $10\text{\O}14$. Chiều dài cọc $L_{cọc} = 9,3\text{ m}$ (gồm đoạn đập đầu cọc $0,45\text{ m}$, đoạn ngàm đài $0,15\text{ m}$, chiều dài ngàm tính toán $L_{tt} = 8,5\text{ m}$, đoạn mũi vát nhọn $0,20\text{ m}$). Mũi cọc ngàm vào Lớp 3 (á cát) một đoạn $4,0\text{ m}$, cao trình mũi cọc ở độ sâu $10,0\text{ m}$.
  • Xác định sức chịu tải của cọc đơn:
    • Sức chịu tải theo vật liệu: $P_{vl} = 199,37\text{ T} \rightarrow [P_{vl}] = \frac{P_{vl}}{1,4} = 142,41\text{ T}$.
    • Sức chịu tải theo đất nền (TCVN 10304:2014): Sức kháng mũi đất Lớp 3 ($R = 420\text{ T/m}^2$), tổng ma sát bên $\sum f_i l_i = 42,56\text{ T/m} \rightarrow P_{đn}^{tc} = 117,8\text{ T} \rightarrow [P_{đn}] = \frac{117,8}{1,4} = 84,14\text{ T}$.
    • Sức chịu tải thiết kế lấy giá trị nhỏ hơn: $[P] = 84,14\text{ T}$.
Chỉ tiêu tính toán móng cọc Giá trị xác định trong đồ án Tiêu chuẩn / Giới hạn cho phép Kết luận kiểm toán
Số lượng cọc ($n_c$) 4 cọc (bố trí $2 \times 2$) Sơ bộ $n_c = 1,2 \times \frac{276,55}{84,14} = 3,94$ Đạt yêu cầu chịu lực và thi công
Kích thước đài cọc ($a \times b \times h_đ$) $1,8\text{ m} \times 1,8\text{ m} \times 0,95\text{ m}$ Khoảng cách tim cọc $3D = 1,2\text{ m}$, mép đài $0,3\text{ m}$ Đảm bảo cấu tạo
Tải trọng cọc nén lớn nhất ($P_{max}^0$) $75,3\text{ T}$ $[P] = 84,14\text{ T}$ Thỏa mãn ($P_{max}^0 \le [P]$)
Tải trọng cọc nén nhỏ nhất ($P_{min}^0$) $60,8\text{ T}$ $P_{min}^0 > 0$ Thỏa mãn (tất cả cọc chịu nén)
Tải trọng ngang lên đầu cọc ($H_0$) $3,5\text{ T}$ $[H_{ng}] = 8,0\text{ T}$ Thỏa mãn ($H_0 \le [H_{ng}]$)
Cường độ đáy móng khối quy ước ($\sigma_{tb}^{tc}$) $28,0\text{ T/m}^2$ (kích thước $3,5 \times 3,5\text{ m}$) $R_{qư}^{tc} = 119,95\text{ T/m}^2$ Thỏa mãn ($\sigma_{tb}^{tc} \le R_{qư}^{tc}$)
Ứng suất lớn nhất khối quy ước ($\sigma_{max}^{tc}$) $33,13\text{ T/m}^2$ $1,2 R_{qư}^{tc} = 143,94\text{ T/m}^2$ Thỏa mãn ($\sigma_{max}^{tc} \le 1,2 R_{qư}^{tc}$)
Độ lún cuối cùng của móng cọc ($S$) $6,65\text{ cm}$ (chiều sâu vùng lún $z = 5\text{ m}$) $[S_{gh}] = 8,0\text{ cm}$ Thỏa mãn biến dạng TTGH II
Chống chọc thủng đài cọc $h_0 = 0,80\text{ m}$ Khả năng chịu cắt của BT đạt $346,12\text{ T} > P_{np} = 141,35\text{ T}$ Không bị phá hoại đâm thủng
Cốt thép đài cọc phương I-I / II-II Tiết diện I-I: $13\text{\O}16\text{a}144$ ($F_a = 26,14\text{ cm}^2$) $M_{I-I} = 52,36\text{ Tm}$; $M_{II-II} = 60,07\text{ Tm}$ Thỏa mãn điều kiện chịu uốn

Kết quả và giải pháp kỹ thuật

Đồ án đã hoàn thành quy trình tính toán kỹ thuật cho cả hai phương án móng dựa trên số liệu khảo sát thực tế:

  1. Phương án móng nông: Xác lập được giải pháp móng đơn kích thước $2,1 \times 1,7\text{ m}$, chôn sâu $1,5\text{ m}$ trong tầng sét dẻo cứng. Phương án đảm bảo tuyệt đối khả năng chịu tải của đất nền ($\sigma_{tb} \le 27,4\text{ T/m}^2$), độ lún $S = 7,54\text{ cm}$ nằm trong ngưỡng an toàn ($[S] = 8,0\text{ cm}$), cấu tạo đài móng dày $0,55 - 0,60\text{ m}$ đáp ứng khả năng chống đâm thủng và chống trượt ngang.
  2. Phương án móng cọc: Đưa ra giải pháp sử dụng 4 cọc PHC D400 dài $9,3\text{ m}$ tựa vào tầng á cát có chỉ số SPT $N=13$. Giải pháp đài thấp $1,8 \times 1,8 \times 0,95\text{ m}$ giúp giảm độ lún công trình xuống $6,65\text{ cm}$, triệt tiêu ứng suất kéo trong cọc và phân phối mômen uốn hợp lý cho cốt thép đáy đài ($13\text{\O}16$).
  3. Đóng góp về mặt giải pháp: Báo cáo cung cấp đầy đủ các biểu đồ phân bố ứng suất bản thân và ứng suất phụ thêm theo chiều sâu, bảng nội suy chỉ tiêu $e-p$ và các bước kiểm toán theo tiêu chuẩn hiện hành, chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật của cả hai phương án móng trong điều kiện địa chất cụ thể tại khu vực khảo sát.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Hạn chế của mô hình tính toán:
    • Số liệu địa chất chỉ giới hạn ở 3 lớp đất trong phạm vi $10\text{ m}$, chưa có số liệu địa tầng sâu hơn dưới mũi cọc quá $5\text{ m}$.
    • Tính toán độ lún móng cọc dựa trên giả thiết móng khối quy ước xem khối đất - cọc làm việc như một khối cứng tuyệt đối, chưa mô phỏng chi tiết tương tác trượt phi tuyến giữa thân cọc và đất nền xung quanh.
    • Tải trọng tính toán ở chân cột là tải trọng tĩnh tương đương, chưa xét đến các tác động động lực học phức tạp như tải trọng gió động hay động đất.
  • Phạm vi áp dụng: Giải pháp tính toán áp dụng phù hợp cho các công trình nhà nhiều tầng khung bê tông cốt thép tải trọng trung bình ($N \le 300\text{ T}$) xây dựng trên nền địa chất có lớp mặt là sét dẻo cứng dày $3\text{ m}$ và tầng chịu lực bên dưới là á cát/cát chặt vừa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Cầu đường, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Kỹ thuật Cơ sở Hạ tầng đang thực hiện đồ án môn học Cơ học đất - Nền móng hoặc học phần Đồ án Dự án (PBL).
  • Các kỹ sư thiết kế phần ngầm tham khảo quy trình lập bảng tính lún phân tố theo biểu đồ nén lún $e-p$ và quy trình kiểm toán chọc thủng đài cọc theo TCVN 10304:2014 và TCVN 9362:2012.

Câu hỏi thường gặp

1. Đáy móng nông được đặt ở độ sâu bao nhiêu và nằm trong lớp đất nào?
Đáy móng nông được chọn đặt ở độ sâu $h = 1,5\text{ m}$ tính từ mặt đất tự nhiên, nằm hoàn toàn trong Lớp 1 (lớp sét ở trạng thái dẻo cứng, độ sệt $B = 0,32$, bão hòa nước).

2. Giới hạn độ lún cho phép của công trình được quy định là bao nhiêu và kết quả tính toán có đạt yêu cầu không?
Theo TCVN 9362:2012, độ lún giới hạn cho phép của công trình khung bê tông cốt thép không có tường chèn là $[S] = 8,0\text{ cm}$. Kết quả tính lún cho móng nông là $S = 7,54\text{ cm}$ và cho móng cọc là $S = 6,65\text{ cm}$, cả hai phương án đều nhỏ hơn $[S]$ nên đều thỏa mãn điều kiện biến dạng theo TTGH II.

3. Tại sao đồ án không thực hiện kiểm tra sức chịu tải của đất nền theo Trạng thái giới hạn 1 (TTGH I) cho móng nông?
Theo quy phạm, việc kiểm tra nền theo TTGH I chỉ áp dụng khi nền là đá/đất rất cứng, nền nằm trên mái dốc, móng chịu tải trọng ngang thường xuyên rất lớn, hoặc nền là đất sét yếu/than bùn. Vì nền đất khảo sát không thuộc các trường hợp đặc biệt trên nên tác giả kết luận không cần kiểm tra sức chịu tải theo TTGH I mà chỉ cần kiểm tra ổn định lật và trượt ngang.

4. Sức chịu tải thiết kế của cọc đơn PHC D400 trong đồ án là bao nhiêu và bị khống chế bởi yếu tố nào?
Sức chịu tải cho phép theo vật liệu là $[P_{vl}] = 142,41\text{ T}$ và theo đất nền là $[P_{đn}] = 84,14\text{ T}$. Do đó, sức chịu tải thiết kế của cọc đơn được chọn là $[P] = \min([P_{vl}], [P_{đn}]) = 84,14\text{ T}$, bị khống chế bởi sức chịu tải của đất nền.

5. Chiều dài và cao trình mũi cọc cắm vào lớp đất chịu lực được thiết kế như thế nào?
Cọc có tổng chiều dài $9,3\text{ m}$, mũi cọc được cắm ngàm vào Lớp 3 (á cát) một đoạn $4,0\text{ m}$. Cao trình mũi cọc nằm ở độ sâu $10,0\text{ m}$ tính từ mặt đất tự nhiên (chưa kể đoạn vát nhọn mũi cọc $0,20\text{ m}$).

Kết luận

Đồ án PBL2: Nền và Móng của nhóm tác giả Trần Văn Toàn và Võ Đức Thắng đã hoàn thành xuất sắc việc tính toán thiết kế kỹ thuật móng nông và móng cọc đài thấp cho công trình khung bê tông cốt thép. Toàn bộ các bước kiểm toán áp lực đáy móng, độ lún biến dạng, ổn định trượt/lật và phá hoại chọc thủng đều thỏa mãn các tiêu chuẩn TCVN 9362:2012 và TCVN 10304:2014. Kết quả nghiên cứu cung cấp một phương án thiết kế kết cấu phần móng an toàn, có tính khả thi kỹ thuật cao và là tài liệu mẫu mực phục vụ học tập, nghiên cứu trong chuyên ngành xây dựng công trình.