Nền móng công trình

Tệp ” Nền móng công trình là một tài liệu chuyên sâu về nền móng công trình, bao gồm các kiến thức lý thuyết và thực tiễn trong ngành kỹ thuật xây dựng. Dưới đây là tóm tắt các nội dung chính của tài liệu:

1. Lời mở đầu:

• Nhấn mạnh tầm quan trọng của nền móng trong bối cảnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa ở Việt Nam, với các công trình ngày càng cao, sâu, lớn và nặng.
• Giới thiệu các phương thức xây dựng nền móng mới được áp dụng tại Việt Nam từ thập niên 90.
• Đề cập đến những khó khăn của kỹ sư trong thiết kế nền móng do sự không tương đồng giữa các quy phạm xây dựng và tính chất bán thực nghiệm của môn học.
• Mục tiêu của sách là cung cấp tài liệu tham khảo cho kỹ sư, nhà nghiên cứu và sinh viên.

2. Các ký hiệu được sử dụng:

• Liệt kê chi tiết các ký hiệu, đơn vị và ý nghĩa của chúng được sử dụng trong tài liệu, bao gồm các hệ số, diện tích, lực, module, trọng lượng, biến dạng, ứng suất, v.v.

3. Tổng quan về nền móng:

• Vấn đề cơ bản về nền – móng:
  • Định nghĩa nền móng là phần công trình làm việc chung với lớp đất bên dưới, chịu tải trọng truyền xuống.
  • Mục tiêu tính toán nền móng: đảm bảo an toàn tuyệt đối, khả thi và giá thành rẻ nhất.
  • Quy trình đảm bảo an toàn: khảo sát địa chất, lựa chọn và tổ hợp tải trọng, phân tích tính toán các loại móng hoặc biện pháp gia cố đất nền.
  • Phân loại móng:
    • Móng nông: phần mở rộng của chân cột hoặc đáy công trình, không xét lực ma sát xung quanh thành móng. Gồm móng đơn, móng phối hợp, móng băng, móng bè.
    • Móng sâu: độ sâu chôn móng lớn hơn chiều sâu tới hạn, xét thành phần ma sát giữa đất với thành móng. Gồm móng trụ, móng cọc, móng barrette.
    • Móng nửa sâu: độ sâu chôn móng nhỏ hơn chiều sâu tới hạn nhưng không phải móng nông. Gồm móng cọc ngắn, móng trụ ngắn, móng caisson.
  • Phân loại nền:
    • Nền tự nhiên: các lớp đất có kết cấu tự nhiên, chịu tải trực tiếp từ móng.
    • Nền nhân tạo: các lớp đất được cải tạo để nâng cao khả năng chịu lực bằng các biện pháp:
      • Cải tạo kết cấu khung hạt đất (đệm vật liệu rời, gia tải trước, cột vật liệu rời, cọc đất trộn vôi/xi măng, phương pháp điện thấm, phụt vữa).
      • Tăng cường vật liệu chịu kéo (sợi/vải địa kỹ thuật, thanh neo).
• Các phương pháp tính nền móng:
  • Gồm hai nhóm cơ bản: tính toán ổn định đất nền (chống trượt/lật) và hạn chế độ lún/lún lệch.
  • Các phương pháp tính hiện hành:
    • Tính toán nền theo trạng thái ứng suất cho phép: dựa trên sức chịu tải cực hạn chia cho hệ số an toàn (FS = 2-3).
    • Tính toán nền theo trạng thái giới hạn về biến dạng (trạng thái II): khống chế độ lún và lún lệch không vượt quá giới hạn, dựa trên lý thuyết đất là vật thể đàn hồi tuyến tính.
    • Tính toán nền theo trạng thái giới hạn về cường độ chịu tải (trạng thái I): áp dụng cho đất cứng hoặc đá, công trình chịu tải ngang chủ yếu; khống chế khả năng trượt, lật của móng và chống phá hoại cắt của nền.
  • Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn châu Âu (Eurocode – 1994):
    • ELS (états limites de service): trạng thái giới hạn sử dụng, liên quan đến biến dạng/chuyển vị quá mức ảnh hưởng công năng.
    • ELU (états limites ultimes): trạng thái giới hạn tối hậu, liên quan đến mất ổn định, gãy đổ gây nguy hiểm.
• Các dữ liệu để tính nền móng:
  • Các loại tải trọng:
    • Tải trọng thường xuyên (trọng lượng bản thân, áp lực đất/nước).
    • Tải trọng tạm thời (ngắn hạn: gió, sóng; dài hạn: thiết bị tĩnh, tải mái).
    • Tải trọng đặc biệt (động đất, sập đổ bộ phận).
    • Phân loại khác: tĩnh tải (dead load) và hoạt tải (live load).
  • Tổ hợp tải trọng:
    • Tổ hợp chính, tổ hợp phụ, tổ hợp đặc biệt (tùy thuộc vào loại tải trọng và mục đích tính toán).
    • Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán (tải tiêu chuẩn nhân hệ số vượt tải n).
  • Các loại tác động theo Eurocode – 1994: Tác động thường xuyên (G), tác động do nước (Fw), tác động thay đổi (Q), tác động đặc biệt (FA).
  • Tổ hợp tải trọng theo ACI code cho trạng thái giới hạn tối hậu.

4. Các đặc trưng tiêu chuẩn và tính toán của đất nền:

• Phân chia các lớp đất (lớp địa chất công trình): Dựa vào sự thay đổi màu, hạt độ và các giá trị đặc trưng cơ – lý có hệ số biến động v đủ nhỏ.
• Đặc trưng tiêu chuẩn: Giá trị trung bình cộng của các kết quả thí nghiệm riêng lẻ (trừ lực dính đơn vị và góc ma sát trong, được xác định bằng phương pháp bình phương cực tiểu).
• Đặc trưng tính toán: Xác định bằng cách nhân đặc trưng tiêu chuẩn với hệ số đồng nhất k hoặc chia cho hệ số an toàn về đất kd, nhằm nâng cao độ an toàn cho ổn định của nền chịu tải.

5. Tóm tắt cơ học đất:

• Đặc trưng vật lý của đất:
  • Sơ đồ hóa một mẫu đất (phần hạt và phần rỗng chứa nước/khí).
  • Các chỉ tiêu khối lượng và trọng lượng riêng: khối lượng riêng tự nhiên, khô, hạt; trọng lượng đơn vị thể tích, trọng lượng riêng đẩy nổi.
  • Các định nghĩa tỉ trọng: tỉ trọng hạt, đất tự nhiên, đất khô, đất đẩy nổi.
  • Các chỉ tiêu về thể tích đất: tỷ số rỗng (e), độ rỗng (n), thể tích riêng (v), độ chứa không khí (Ar), độ bão hòa (S).
  • Các chỉ tiêu về trọng lượng đất: độ ẩm (w).
  • Các công thức quan hệ giữa các chỉ tiêu.
• Các chỉ tiêu trạng thái của đất:
  • Đất dính: Giới hạn Atterberg (giới hạn co Ws, giới hạn dẻo WP, giới hạn lỏng WL), chỉ số dẻo (IP), chỉ số lỏng hay độ sệt (IL), hoạt tính của đất (Ac).
  • Đất rời: Độ chặt tương đối (Dr), phân biệt trạng thái chặt hoặc rời rạc.
  • Xếp loại đất: Dựa trên hàm lượng các nhóm hạt, đặc tính đường cong cấp phối, và đặc tính dẻo (với đất mịn). Giới thiệu biểu đồ phân loại đất theo đặc tính dẻo và bảng tên các loại đất theo Unified Classification (đất hạt thô, đất cát, đất hạt mịn).
• Ứng suất trong nền đất:
  • Tenseur ứng suất: Diễn tả trạng thái ứng suất tại một điểm bất kỳ.
  • Ứng suất hữu hiệu và ứng suất trung hòa:
    • Định đề Terzaghi: ứng suất tổng = ứng suất hữu hiệu + áp lực nước lỗ rỗng.
    • Ứng suất hữu hiệu tác dụng lên khung hạt, ứng suất trung hòa tác động lên nước trong lỗ rỗng.
  • Ứng suất do trọng lượng bản thân:
    • Ứng suất tổng theo phương thẳng đứng (σv) và hữu hiệu theo phương thẳng đứng (σv’).
    • Ứng suất theo phương nằm ngang do trọng lượng bản thân (σh’).
    • Hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh (K0) cho đất cố kết thường và cố kết trước, với các công thức thực nghiệm của Jaky, Alpan, Sherif và Koch, Lee và Jin, Schmidt, Meyerhoft, Ladd, Parry. Kèm các ví dụ minh họa tính toán.

Trong giai đoạn đẩy nhanh phát triển công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước Việt Nam, chúng ta đã, đang và sẽ xây dựng rất nhiều công trình ngày càng cao hơn, sâu hơn, lớn hơn và nặng hơn. Hàng loạt các phương thức xây dựng nền móng mới được đưa vào Việt Nam từ thập niên 90 vừa qua như: móng barrette, cọc nhồi đường kính lớn, gia tải kết hợp với bấc thấm, vải địa kỹ thuật, gia tải bằng hút chân không, cọc đất trộn vôi – xi măng, cọc cát được tạo trong nền đất bằng đầm rung nén đất và tạo lỗ để nhồi đá hoặc cát,… Đã có không ít tài liệu mới giới thiệu nguyên lý tính toán cũng như các biện pháp thi công cho các kỹ thuật nền móng mới này.

Không ít công trình nền móng hư hỏng trong quá trình thi công hoặc khai thác sử dụng, vấn đề nền móng luôn làm khó kỹ sư công trình đã thúc đẩy chúng tôi viết quyển sách này. Mặt khác, trong giai đoạn hiện nay, các kỹ sư có thể tham khảo các quy phạm xây dựng Việt Nam cùng khá nhiều quy phạm của các nước tiên tiến để tính toán nền móng. Các quy phạm ra đời vào các thời điểm khác nhau, tương ứng với các mức độ phát triển lý thuyết và công nghệ xây dựng khác nhau nên có nhiều điểm không tương đồng đã gây khó khăn không ít cho các kỹ sư công trình làm công tác thiết kế nền móng. Thêm vào đó, Nền móng là môn học bán thực nghiệm nên có rất nhiều bổ sung thực nghiệm từ tổng hợp các kết quả thí nghiệm, từ tổng kết kinh nghiệm của nhiều công ty xây dựng hàng đầu trên thế giới và của nhiều quốc gia, nên mỗi cách tính thường có dấu ấn của từng quốc gia riêng biệt đó lại là đặc điểm phong phú của ngành nền móng công trình.