Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật

Đồ án môn học Nền móng là học phần kỹ thuật chuyên ngành bắt buộc thuộc chương trình đào tạo Kỹ sư Xây dựng tại Khoa Xây dựng – Trường Đại học Kiến trúc TP. Hồ Chí Minh. Tài liệu ghi nhận toàn bộ quá trình tính toán, lựa chọn phương án và thiết kế kỹ thuật chi tiết hệ thống kết cấu nền móng công trình dân dụng và công nghiệp do sinh viên Trịnh Cao Huy (MSSV: 19520100107, Lớp XD19/XD19A2) thực hiện dưới sự hướng dẫn của GVHD. Phan Tá Lệ.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được phân định thành hai phần độc lập dựa trên điều kiện địa chất và tổ hợp nội lực chân cột cụ thể:

  1. Phần 1 - Thiết kế móng nông trên nền tự nhiên: Xử lý hồ sơ địa chất gồm 3 lớp đất, lựa chọn giải pháp móng nông đơn chịu tải trọng lệch tâm tại chân cột C1 (Đề số 27, Mặt bằng MB 4) với các giá trị nội lực tiêu chuẩn $N_0 = 800\text{ kN}$, $M_0 = 60\text{ kNm}$, $Q_0 = 22\text{ kN}$; kiểm tra điều kiện cường độ, biến dạng lún và tính toán cốt thép móng.
  2. Phần 2 - Thiết kế móng cọc đài thấp trên nền đất tự nhiên: Xác định tổ hợp tải trọng chân cột công trình có cầu trục và chịu tải trọng gió ($P_a = 330\text{ kN}$, $P_c = 385\text{ kN}$, $P_g = 29.3\text{ kN}$, lực hãm ngang $T_{c1} = 3.3\text{ kN}$, lực hãm dọc $T_{c2} = 2.8\text{ kN}$); xử lý số liệu địa tầng 4 lớp; tính toán sức chịu tải cọc đơn bằng 5 phương pháp; thiết kế đài cọc, bố trí cọc, kiểm tra tải trọng lệch tâm hai phương và chuyển vị ngang của cọc.

Phạm vi nghiên cứu và thiết kế giới hạn trong số liệu địa chất hố khoan khảo sát hiện trường, mực nước ngầm tại hiện trường và hệ quy chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Quá trình tính toán, kiểm tra và thiết kế kết cấu nền móng trong tài liệu tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và tài liệu chuyên ngành:

  • Hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN):
    • TCVN 9362:2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình (xác định trạng thái đất, tính toán cường độ tính toán của nền $R$, kiểm tra áp lực đáy móng, áp lực đỉnh lớp đất yếu và tính lún theo trạng thái giới hạn thứ 2).
    • TCVN 9352:2012: Đất xây dựng – Phương pháp thí nghiệm hiện trường – Thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) để xác định môđun biến dạng $E$ và sức chịu tải của cọc.
    • TCVN 9351:2012: Đất xây dựng – Phương pháp thí nghiệm hiện trường – Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).
    • TCVN 4200:2012: Đất xây dựng – Phương pháp xác định tính nén lún trong phòng thí nghiệm.
  • Mô hình và phương pháp tính toán:
    • Phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH 1 về cường độ/ổn định, TTGH 2 về biến dạng/độ lún).
    • Phương pháp phân tầng cộng lún của viện sĩ N.A. Tsytovich chia lớp phân tố $h_i \le 0.4b$.
    • Phương pháp xác định sức chịu tải cọc theo Viện Kiến trúc Nhật Bản (AIJ 1988) kết hợp kết quả SPT.
    • Phương pháp giải tích xác định nội lực và chuyển vị ngang của cọc theo mô hình nền biến dạng tuyến tính (hệ số nền $K$).
    • Tài liệu tham khảo chuyên ngành: Giáo trình Nền móng (Tô Văn Lận, 2016).

Nội dung thiết kế chi tiết

Phần 1: Thiết kế móng nông trên nền tự nhiên

1. Đánh giá điều kiện địa chất công trình

Hồ sơ địa chất khu vực xây dựng móng nông gồm 3 lớp đất chính với mực nước ngầm xuất hiện ở độ sâu $1.0\text{ m}$ tính từ mặt đất tự nhiên:

Lớp đất Chiều dày ($m$) Tên & Trạng thái đất Chỉ số dẻo $I_p$ (%) Chỉ số sệt $I_L$ Dung trọng $\gamma$ ($\text{T/m}^3$) Sức kháng CPT $q_c$ ($\text{MPa}$) Số búa SPT $N_{60}$
Lớp 1 (Số hiệu 63) $1.9$ Á cát dẻo $6.8$ $0.49$ $1.89$ $2.45$ $13$
Lớp 2 (Số hiệu 77) $4.9$ Á sét nửa cứng $16.2$ $0.25$ $1.90$ $4.16$ $19$
Lớp 3 (Số hiệu 38) Chưa kết thúc Á cát dẻo $6.7$ $0.96$ $1.78$ $0.52$ $4$

Tác giả đề xuất 3 phương án: (1) Đặt móng nông ở độ sâu $h = 2.2\text{ m}$; (2) Gia cố cọc vật liệu rời; (3) Gia cố cọc xi măng đất. Phương án 1 được lựa chọn nhằm cắm trực tiếp đáy móng qua lớp 1 yếu ($1.9\text{ m}$) vào tầng chịu lực tốt là lớp 2 (á sét nửa cứng), tiết kiệm chi phí gia cố nhân tạo.

2. Tính toán và kiểm tra móng cột C1

  • Kích thước hình học: Đáy móng hình chữ nhật chọn sơ bộ bề rộng $b = 1.2\text{ m}$, điều chỉnh kích thước thực tế $b_{xl} = 1.4\text{ m}$, chiều dài $l = 2.4\text{ m}$, diện tích đáy móng $A = 3.36\text{ m}^2$. Tiết diện cột $30 \times 35\text{ cm}$, cổ móng $35 \times 40\text{ cm}$.
  • Kiểm tra điều kiện áp lực đáy móng: Cường độ tính toán của nền đất ở đáy móng $R = 27.60\text{ T/m}^2$. Áp lực trung bình tiêu chuẩn $p_{tb}^{tc} = 26.23\text{ T/m}^2 \le R$; áp lực lớn nhất $p_{max}^{tc} = 31.18\text{ T/m}^2 \le 1.2R$; áp lực nhỏ nhất $p_{min}^{tc} = 21.28\text{ T/m}^2 > 0$ (đảm bảo không phát sinh vùng tách rời đáy móng).
  • Kiểm tra ảnh hưởng mực nước ngầm và lớp đất yếu bên dưới: Do mực nước ngầm tại cao độ $-1.0\text{ m}$, dung trọng đất dưới đáy móng lấy theo dung trọng đẩy nổi $\gamma_{đn}$. Kiểm tra áp lực truyền xuống đỉnh lớp đất yếu (Lớp 3 tại độ sâu $z = 4.22\text{ m}$ dưới đáy móng) cho thấy tổng ứng suất tác dụng $p_z + p_{dz} = 11.68\text{ T/m}^2 \le R_{đy} = 14.22\text{ T/m}^2$, đảm bảo nền đất không bị trượt đẩy trồi.
  • Tính toán độ lún theo TTGH 2: Chia nền đất dưới đáy móng thành các lớp phân tố $h_i = 0.4\text{ m}$. Giới hạn vùng nén lún $H_a$ kết thúc tại điểm số 15 với độ sâu $6.0\text{ m}$ khi tỷ số ứng suất gây lún $p_z \le 0.2 p_{dz}$. Tổng độ lún theo phương pháp phân tầng cộng lún đạt $S = 1.96\text{ cm}$, nhỏ hơn giới hạn cho phép $S_{gh} = 8.0\text{ cm}$ theo TCVN 9362:2012.
  • Tính toán kết cấu bê tông cốt thép móng: Sử dụng bê tông B25 ($R_b = 14.5\text{ MPa}$), cốt thép AII ($R_s = 280\text{ MPa}$). Chiều cao làm việc chọn $h_0 = 60\text{ cm}$ (chiều cao toàn bộ móng $h_m = 65\text{ cm}$), thỏa mãn điều kiện chống chọc thủng trên tiết diện nghiêng.
    • Cốt thép chịu uốn phương cạnh dài ($l = 2.4\text{ m}$): $A_s = 1511\text{ mm}^2$, bố trí $8\phi16$ ($a = 200\text{ mm}$).
    • Cốt thép chịu uốn phương cạnh ngắn ($b = 1.4\text{ m}$): $A_s = 888.89\text{ mm}^2$, bố trí $10\phi12$ ($a = 200\text{ mm}$).

Phần 2: Thiết kế móng cọc đài thấp trên nền đất tự nhiên

1. Tổ hợp tải trọng và địa chất công trình

Tải trọng tác dụng từ khung nhà công nghiệp có cầu trục và tải trọng gió truyền xuống chân cột được tổ hợp lại tại cao độ mặt móng:

Thành phần nội lực Ký hiệu Giá trị tính toán ($tt$) Giá trị tiêu chuẩn ($tc$) ($k_{tc} = 1.15$)
Lực dọc chân cột $N_0$ $771.1\text{ kN}$ $670.5\text{ kN}$
Momen uốn theo phương X $M_{0x}$ $2.64\text{ kNm}$ $2.30\text{ kNm}$
Momen uốn theo phương Y $M_{0y}$ $412.65\text{ kNm}$ $358.83\text{ kNm}$
Lực cắt theo phương X $Q_{0x}$ $32.6\text{ kN}$ $28.35\text{ kN}$
Lực cắt theo phương Y $Q_{0y}$ $2.8\text{ kN}$ $2.43\text{ kN}$

Địa tầng khu vực thiết kế móng cọc gồm 4 lớp đất:

  • Lớp 1 (Số hiệu 48, dày $3.4\text{ m}$): Sét dẻo nhão ($I_p = 18.8%$, $I_L = 0.85$, $\gamma = 17.5\text{ kN/m}^3$, $\varphi = 5^\circ55'$, $c = 12\text{ kPa}$, $E = 0.99\text{ MPa}$, $q_c = 1.22\text{ MPa}$, $N = 3$).
  • Lớp 2 (Số hiệu 32, dày $3.5\text{ m}$): Á sét nhão ($I_p = 12.1%$, $I_L = 1.32 > 1$, $\gamma = 17.4\text{ kN/m}^3$, $\varphi = 0^\circ$, $c = 49.4\text{ kPa}$, $E = 2.34\text{ MPa}$, $q_c = 0.52\text{ MPa}$, $N = 4$).
  • Lớp 3 (Số hiệu 4, dày $5.5\text{ m}$): Cát bụi chặt vừa ($e = 0.7$, $\varphi = 13^\circ24'$, $c \approx 0$, $E = 14\text{ MPa}$, $q_c = 5.4\text{ MPa}$, $N = 15$).
  • Lớp 4 (Số hiệu 12): Cát thô chặt vừa ($e = 0.625$, $\varphi = 15^\circ05'$, $c \approx 0$, $E = 30\text{ MPa}$, $q_c = 8.2\text{ MPa}$, $N = 19$). Mực nước ngầm ở độ sâu $-2.0\text{ m}$.

2. Lựa chọn thông số hình học cọc và phương pháp hạ cọc

  • Tiết diện cọc bê tông cốt thép đúc sẵn: $30 \times 30\text{ cm}$ ($A_b = 0.09\text{ m}^2$, chu vi $u = 1.2\text{ m}$).
  • Mũi cọc đặt tại cao độ $-14.4\text{ m}$, ngàm sâu vào lớp 4 (cát thô chặt vừa) một đoạn $2.0\text{ m} > 1.0\text{ m}$ để phát huy sức kháng mũi.
  • Chiều dài cọc tính toán $L_{tt} = 12.9\text{ m}$, chiều dài thực tế chế tạo $L = 13.8\text{ m}$ (được chia thành 2 phân đoạn: đoạn thân $7.8\text{ m}$ và đoạn mũi $6.0\text{ m}$). Phương pháp thi công: Ép cọc tĩnh.

3. Tổng hợp sức chịu tải của cọc đơn

Sức chịu tải cực hạn ($R_{ch}$) và sức chịu tải cho phép ($R_c$) của cọc được xác định qua 5 phương pháp độc lập:

Phương pháp xác định Sức chịu tải cực hạn $R_{ch}$ ($\text{kN}$) Sức chịu tải vật liệu $R_v$ ($\text{kN}$) Sức chịu tải cho phép $R_c$ ($\text{kN}$)
1. Theo cường độ vật liệu cọc ($4\phi18$, B25) — $1317.24$ —
2. Theo chỉ tiêu cơ lý đất nền $908.484$ — $519.13$
3. Theo chỉ tiêu cường độ đất nền ($c, \varphi$) $1494.126$ — $853.79$
4. Theo kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT $962.950$ — $550.26$
5. Theo kết quả SPT (Tiêu chuẩn AIJ Nhật Bản) $1118.080$ — $638.90$

Tác giả lựa chọn giá trị sức chịu tải cực hạn theo đất nền nhỏ nhất để thiên về an toàn: $R_{ch,min} = 908.484\text{ kN}$. Sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc đơn được xác định là: $$R_c = \frac{\gamma_0}{\gamma_n \cdot \gamma_k} R_{ch} = \frac{1.15}{1.15 \cdot 1.75} \times 908.484 = 519.13\text{ kN}$$ Tỷ số kiểm tra an toàn phá hoại vật liệu khi ép cọc $R_v / R_c = 1317.24 / 519.13 = 2.54 \in [2 \div 3]$, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật thi công ép cọc.

4. Bố trí cọc và kiểm tra đài cọc

  • Số lượng cọc: Tổng tải trọng tính toán đến đáy đài $N^{tt} = 814\text{ kN}$; số lượng cọc sơ bộ $n_c = 1.35 \rightarrow$ Bố trí $4\text{ cọc}$ theo dạng hình chữ nhật trong đài móng kích thước $1.5 \times 2.4\text{ m}$, khoảng cách giữa các tim cọc $l_c = 0.9\text{ m} = 3d$.
  • Kiểm tra áp lực lên đầu cọc:
    • Áp lực đầu cọc lớn nhất: $P_{max}^{tt} + P_{c}^{tt} = 422.70 + 21.13 = 443.83\text{ kN} \le R_c = 519.13\text{ kN}$ (Đạt).
    • Áp lực đầu cọc nhỏ nhất: $P_{min}^{tt} = 24.91\text{ kN} > 0$ (Đạt, cọc không bị nhổ).
  • Hiệu ứng nhóm cọc: Hệ số nhóm cọc tính theo công thức Labarre $\eta = 0.78$; sức chịu tải của cả nhóm $R_{nhom} = n_c \cdot \eta \cdot R_c = 4 \times 0.78 \times 519.13 = 1621.92\text{ kN} \ge N^{tt} = 814\text{ kN}$ (Đạt).
  • Kiểm tra cọc chịu tải trọng ngang và chuyển vị: Lực cắt tác dụng lên mỗi đầu cọc $Q = 8.15\text{ kN}$, mômen quán tính tiết diện cọc $I = 0.000675\text{ m}^4$. Chuyển vị ngang tại cao trình đáy đài tính được $y_0 = 0.0059\text{ m} = 5.9\text{ mm}$, góc xoay $\psi_0 = 0.0019\text{ rad}$, nằm trong ngưỡng cho phép đối với kết cấu nhà công nghiệp.

Thiết kế và triển khai kết cấu

Hệ thống bản vẽ và quy cách kỹ thuật thi công của đồ án thể hiện chi tiết cấu tạo vật liệu và quy trình lắp đặt:

  • Quy cách vật liệu:
    • Bê tông đài móng và cọc: Cấp độ bền B25 ($R_b = 14.5\text{ MPa}$, môđun đàn hồi $E_b = 2.7 \times 10^4\text{ MPa}$ đến $3.0 \times 10^4\text{ MPa}$).
    • Cốt thép dọc chịu lực: Thép nhóm AII / CB300-V ($R_s = R_{sc} = 280\text{ MPa}$).
    • Cốt thép đai và giằng: Thép nhóm AI / CB240-T ($R_{sw} = 170\text{ MPa}$).
  • Cấu tạo liên kết và mối nối cọc:
    • Chiều dài cọc đập bỏ để lấy thép neo vào đài: $l_1 = 30\phi = 0.54\text{ m}$, ngàm sâu vào bản bê tông đài móng.
    • Mối nối giữa 2 đoạn cọc ($7.8\text{ m} + 6.0\text{ m}$) sử dụng chi tiết bản mã thép hàn liên kết đối đầu, được kiểm tra chịu lực uốn và nén dọc trục.
  • Quy trình kiểm tra nâng cẩu và vận chuyển:
    • Thân cọc được kiểm tra khả năng chịu mômen uốn do trọng lượng bản thân trong giai đoạn cẩu lắp (2 điểm cẩu tại vị trí $0.207L$) và khi vận chuyển gối tựa (vị trí $0.293L$), bố trí móc cẩu chuyên dụng đảm bảo bê tông không nứt trong quá trình thi công.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã cung cấp một phương án thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hai loại kết cấu móng phổ biến với các chỉ số định lượng cụ thể:

Hạng mục kiểm tra Phương án Móng nông (Móng C1) Phương án Móng cọc (Đài thấp 4 cọc)
Kích thước mặt bằng $b \times l = 1.4\text{ m} \times 2.4\text{ m}$ Kích thước đài $1.5\text{ m} \times 2.4\text{ m}$
Chiều sâu đặt móng / Chiều dài cọc $h = 2.2\text{ m}$ (ngàm vào Lớp 2) Mũi cọc $-14.4\text{ m}$ (ngàm vào Lớp 4 sâu $2.0\text{ m}$)
Kiểm tra khả năng chịu lực $p_{max}^{tc} = 31.18\text{ T/m}^2 \le 1.2R$ $P_{max}^{tt} + P_c^{tt} = 443.83\text{ kN} \le R_c = 519.13\text{ kN}$
Kiểm tra biến dạng / Chuyển vị Độ lún $S = 1.96\text{ cm} \le S_{gh} = 8.0\text{ cm}$ Chuyển vị ngang $y_0 = 5.9\text{ mm}$, $\psi_0 = 0.0019\text{ rad}$
Bố trí thép chịu lực chính Cạnh dài $8\phi16$, cạnh ngắn $10\phi12$ Thân cọc $4\phi18$, cọc đúc sẵn 2 đoạn

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc so sánh toàn diện 5 phương pháp xác định sức chịu tải của cọc ép (từ lý thuyết cơ học đất đến các thí nghiệm hiện trường CPT, SPT), lựa chọn giá trị sức chịu tải thiết kế an toàn và tối ưu hóa số lượng cọc trong đài chịu uốn lệch tâm lớn.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Phạm vi số liệu: Tính toán dựa trên số liệu khảo sát từ các hố khoan địa chất giả định theo đề bài môn học; các chỉ tiêu cơ lý chưa phản ánh hoàn toàn tính dị hướng phức tạp của đất nền thực tế.
  • Mô hình tính toán: Việc kiểm tra tải trọng ngang của cọc áp dụng mô hình hệ số nền Winkler với giả thiết $K$ phân bố bậc nhất theo độ sâu, chưa xét đến tương tác phi tuyến phức tạp giữa đất – đài – cọc khi chịu tải trọng động lớn từ động đất hay chấn động cầu trục tần suất cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật chi tiết cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp thực hiện đồ án môn học Nền móng hoặc Đồ án tốt nghiệp Kỹ sư Xây dựng.
  • Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật cần tham khảo quy trình thực hành tính toán móng nông trên đất yếu có mực nước ngầm cao và phương pháp so sánh sức chịu tải cọc ép qua dữ liệu CPT/SPT theo TCVN 9362:2012 và TCVN 9352:2012.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao móng nông C1 lại chọn chiều sâu đặt móng $h = 2.2\text{ m}$ thay vì đặt nông hơn?
Do lớp đất số 1 có chiều dày $1.9\text{ m}$ là đất á cát dẻo có khả năng chịu lực thấp ($q_c = 2.45\text{ MPa}$, $I_L = 0.49$). Việc đào sâu đến $h = 2.2\text{ m}$ giúp đặt trực tiếp đáy móng vào lớp đất số 2 (á sét nửa cứng, $q_c = 4.16\text{ MPa}$), loại bỏ yêu cầu gia cố nền đất tốn kém.

2. Giá trị sức chịu tải cho phép của cọc đơn $R_c = 519.13\text{ kN}$ được căn cứ trên phương pháp nào?
Giá trị này được tính từ sức chịu tải cực hạn nhỏ nhất theo đất nền là phương pháp chỉ tiêu cơ lý ($R_{ch,1} = 908.484\text{ kN}$), chia cho các hệ số an toàn $\gamma_k = 1.75$, $\gamma_n = 1.15$ và nhân hệ số điều kiện làm việc $\gamma_0 = 1.15$ theo quy chuẩn TCVN.

3. Phương án móng cọc được cấu tạo như thế nào để vượt qua các tầng đất yếu?
Cọc được thiết kế tiết diện $30 \times 30\text{ cm}$, tổng chiều dài $13.8\text{ m}$ (gồm 2 đoạn $7.8\text{ m} + 6.0\text{ m}$ nối bằng bản mã), xuyên qua lớp sét dẻo nhão (lớp 1 dày $3.4\text{ m}$) và lớp á sét nhão (lớp 2 dày $3.5\text{ m}$), cắm sâu $2.0\text{ m}$ vào lớp cát thô chặt vừa (lớp 4) tại cao trình $-14.4\text{ m}$.

4. Móng cọc có bị nhổ dưới tác dụng của mômen lệch tâm lớn $M_{0y}^{tt} = 412.65\text{ kNm}$ không?
Không. Kết quả tính toán áp lực tác dụng lên các đầu cọc cho thấy giá trị nhỏ nhất $P_{min}^{tt} = 24.91\text{ kN} > 0$, chứng minh toàn bộ các cọc trong đài luôn ở trạng thái chịu nén, không phát sinh lực nhổ.

Kết luận

Đồ án môn học Nền móng của sinh viên Trịnh Cao Huy đã giải quyết đầy đủ và chuẩn xác các yêu cầu kỹ thuật đối với cả hai giải pháp móng nông và móng cọc đài thấp. Quy trình tính toán bám sát hệ thống tiêu chuẩn TCVN 9362:2012, TCVN 9352:2012 và TCVN 9351:2012, xử lý triệt để bài toán tải trọng lệch tâm và địa tầng phức tạp. Toàn bộ các kiểm tra về cường độ, chọc thủng, biến dạng lún và chuyển vị ngang đều thỏa mãn điều kiện an toàn chịu lực công trình.