Tài liệu Giáo trình nền móng công trình châu ngọc ẩn.

C K .0 0 0 0 0 6 8 0 6 8 NHÀ XUẤT BẢ N XÂY D ự N G CHÂU NG Ọ C ẨN NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH (T ái b ả n ) NHÀ XUẤT BẢ N XÂY DỰNG HÀ N Ộ I- 2 0 1 3 LỜI MỞ ĐẦU Trong giai đoạn đẩy nhanh phái triển công nghiệp hóa ■ hiện đại hóa dất nước Việt Nam, chúng la đã, đang và s ẽ xây dựng rất nhiều công trình ngày càng cao hơn, sâu hơn, lớn hơn và nặng hơn. H àng loạt các phương thức xây dựng nền m óng mới được đưa vào Việt N am từ thập niên 90 vừa qua như: móng barrette, cọc nhồi đường kính lớn, gia lài kết hợp với bấc thấm, vài địa kỹ thuật, gia tài bằng hút chân không, cọc đất trộn vôi ■ xi măng, cọc cái được tạo trong nền đất bảng đầm rung nén đất và tạo lỗ đ ể nhồi đá hoặc cát, ... Đ ã có không ít tài liệu mới giới thiệu nguyên lý tính toán cũng như các biện pháp thi công cho các kỹ thuật nền m óng m ới này. Không ít công trình nền m óng h ư hòng trong quá trình thi công hoặc khai thác sử dụng, vấn đ é nén m óng luôn làm khó kỹ sư công trình đ ã thúc đẩy chúng lôi viết quyển sách này. M ặt khác, trong giai đoạn hiện nay, các kỹ sư có th ề tham khảo các quy phạm x â y dựng V iệt N am cùng khá nhiều quy phạm của các nước tiên tiến đ ề tính toán nển móng. Các quy phạm ra dời vảo các thời điểm khác nhau, tương ứng với các mức độ p h á i triển lý thuyết và công nghệ xây dựng khác nhau nên có nhiều điểm không tương đồng đ ã gây khó khăn không ít cho các k ỹ s ư công trinh làm công tác thiết k ế nền m óng. Thêm vào đó, N ền m óng lã m ôn học bán thực nghiệm nên có rất nhiều b ổ sung thực nghiệm từ tổng hợp các kết quả th í nghiệm , từ tổng kết kinh nghiệm cùa nhiều công ty x ă y dựng hàng đầu trên th ế giới và của nhiều quốc gia, nên m ỗi cách lính thường có dấu ấn của từng quốc gia rìẽng biệt đó lại là đặc điểm phong phú của ngành nền m óng công trình. T rong quyển sách này chúng tôi đ ã tham khảo và sử dụng nhiều thí dụ cùa các tác phẩm đi trước nhằm tạo sự nối tiếp theo quá trình p h á t triển của ngành nền móng còng trình. Đ iều m ong m òi cùa chúng tôi lá giúp cho các kỹ sư, các nhà nghiên cứu về nén móng công trình và các sinh viên ngành công trình có thêm m ột tài liệu nhỏ đ ề tham khảo, nhưng kiến thức có hạn m ong được sự lượng thứ khi có những sai SÓI trong quyển sách này và xin tiếp thu tất cả các ỷ kiến góp ỷ theo địa c h i : Bộ môn Đ ịa cơ nền móng K hoa K ỹ thuật Xây dựng ■ Đ ại học Bách khoa - Đ ại học Quốc gia Tp. HCM , s ố 268 dường L ỷT h ư ờ n g Kiệt, Q uận 10, Tp. H ồ C hí Minh. T ác giả 3 C Á C K Ý H IỆ U Đ Ư Ợ C S Ử D Ụ N G a. av m 2/kN hệ số nén a ,,, niv m 2/kN hệ số nén thể tích A, B, D các hệ sô' sức chịu tải tiêu chuấn A \ hệ số Ihứ 2 của Skem pton m2 A„ B,. c„ D; diện tích tiết diện ngang của cọc các hệ số tính toán cọc chịu tải ngang B hoặc b m c kPa lực dính đơn vị kPa lực dính giữa cọc và đất c uu. c u kPa bể rộng m óng lực dính đom vị trong thí nghiệm nén ba trục khổng c ố kết không thoát nước c«l- c ’ kPa lực dính đơn vị trong th í nghiệm có cố kết có thoát nước Q chi số nén C, chỉ số nén tưcmg đối cs hệ số cấp phối c, chỉ số n ở hoặc nén lại c rE chỉ số n ở hoặc nén lại tương đối cu hệ số dồng nhất c V’ v'vp c c vz m 2/s hê số c ố kết C| m biến dạng đàn hồi của đầu cọc, đệm đầu cọc và cọc dẫn c2 m biến dạng đàn hồi cùa cọc c3 D .d m biến dạng đàn hổi của đất nẻn của cọc m đường kính hoặc bể rộng của tiết diện cọc D, m chiểu sâu chôn m óng D, độ chặt tương đối c hệ số rỗng e hệ số phục hồi trong công thức đóng cọc 5 er m dộ chối của búa, độ xuyên cùa cọc vào đất do một nhát búa sau khi để cọc nghỉ nhằm Iránh hiện tượng chối giá ef, ecrit hệ số rỗng tới hạn e max hệ số rỗng cực đại e min hệ sô' rỗng cục tiểu e0 hệ số rỗng trong th ế nằm tự nhiên của đất hoặc lúc khới đẩu thí nghiệm Ae độ thay đổi hệ sô' rỗng ex m độ lệch tâm theo phương X ey m độ lệch tâm theo phương y E kN-m năng lượng búa đóng cọc E kPa m odule Young đôi khi là m odule biến dạng E() kPa m odule biến dạng Ep kPa module nén ngang (pressiom ètre) f kPa lực ma sát bên hông cùa cọc fc kPa lực ma sát bên hông của xuyẻn tĩnh fs kPa lực ma sát bên hông của cọc F kN lực đôi khi là diện tích tiết diện ngang một cây cọc G kPa m odule chống cắt g m /s2 gia tốc trọng trường h m bé dầy m ột lớp đất đôi khi là chiéu cao thúy áp (h m chiểu cao nảy đẩu tiên của búa) (H m bẻ dầy thoát nước của m ột lớp đất) H m chiểu cao rơi thực tế cùa phần động của búa hc m chiểu cao m ao dần Hy kN tải trọng tác động ngang theo phương V Hx kN tải trọng tác động ngang theo phương X i gradient thủy học ic gradient thủy học tới hạn i0 gradient thủy học ban dẩu ỉ m4 m oment quán tính ly m4 m om ent quán tính của tiết diện T3 đối với trục y đi qua trọng tâm của cả nhóm cọc 6 m4 m om ent quán tính của tiết diện ra đối với trục X đi qua trọng tâm của cà nhóm cọc chi số sệt hay độ sệt chì số déo hiệu suãì cơ học cùa búa đóng cọc. m/s hệ sô' thấm Darcy m/s hệ số thâm Darcy trung bình m /s hệ số thấm Darcy trung bình phương ngang kN /m 3 hệ số nén V/ Ki,|' k.i phương đứng hệ số áp lực chú động của đất nghiêng liên quan đèn ánh hướng trọng lượng đất, ánh hướng phụ tái hông, ảnh hướng của lực dính kpT. k|x|. k|v hệ số áp lực bị động của dãt nghiêng liên quan đến ánh hướng Irọng lượng đất, ánh hưởng phụ tải hông, ánh hướng của lực dính K.,y. K u|. K.1C hệ số áp lực chủ động của đát iheo phương pháp tuyến cúa lưng tường, liên quan đốn ảnh hướng trọng lượng dâì, ánh hướng phụ tài hông, ảnh hướng cúa lực dính Kpy. Kpq. hệ số áp lực bị động của đất theo phương pháp tuyến của lưng tường, liên quan đến ánh hướng trọng lượng đấl. ảnh hường phụ tải hông, ảnh hưởng cúa lực dính K|, K. hệ số áp lực đất ờ trạng thái nghỉ kPa m odule biến dạng thể tích / m bể dài m óng chữ nhật L, / m chiéu dài của cọc /(, m chiều dài tính toán của cọc IN kN tổng tải trọng tháng đứng tác động tại đáy đài cọc hoặc đáy m óng nông n số cọc trong m óng cọc I1| số hàng cọc trong móng cọc n, số cọc trong một hàng M kN.m m om ent uốn Mm kN.m m om ent gây ra (lật hoặc trượt) M|< kN.m m om ent kháng (lật hoặc liưưt) 7 Mx kN .m m om ent tác động quanh trục X My kN.m m om ent tác động quanh trục y M, kg/m 3 khối lượng hại M, kg/m 3 khối luợng tổng Mw kg/m 3 khối lượng nước kN tải trọng tác động thẳng dứng độ rỗng n N hoặc p Nr, Nq, Nc. hệ sô' sức chịu tải qt kPa sức chống xuyên trung bình, lấy trong khoảng 3d phía trên % kPa cường độ chịu tải cực hạn của dất ớ mũi cọc Qu kPa sức chịu tải cực hạn của cọc Iheo đất nền r m bán kính của cọc tròn hoặc cạnh cọc vuông R kPa phản lực của đất nển hoặc sức chịu tải của đất nền Rp Rv; kPa sức chống ở m ũi từ thí nghiệm xuyên tĩnh kPa cường độ chịu nén tính toán cùa vậl liệu làm cọc dộ lún và 3d bên dưới m ũi cọc s m s m khoảng cách hai cọc tính từ tâm h m dộ lún do cô' kết thấm si m dộ lún tức thời do tính dàn hồi của dất Ss m dộ lún do tính nén thứ cấp m bán kính m ặt khum P/ kPa áp lục giới hạn Pr kPa áp lực tái bển Palm kPa áp lực khổng khí q kPa tải phân bố đều Qr kN thảnh phần kháng do m a sát trên thân cọc Qp kN thành phẩn kháng do sức chịu mũi cọc % kPa cường độ chịu m ũi cực hạn của đất ở mũi cọc q 0, khi các móng dẻ lật điểu kiện này trở thành pmin/pmax ằ 0,25 và p max < Rlc hoặc R ||. V à điều kiện đ ủ là dộ Lún tính dược, phải thỏa các diều kiện sau: s < s 8h AS < ASgh Trong đó: 16 s và iíS i gh - độ lún và độ lún giới hạn; AS và ASgh - dộ lún lệch và độ lún lệcli giói hạn; i và iph -góc xoay và góc xoay giới hạn. 3. Tinh toán ncn theo trạng Ihái giới hạn vé cườnỊi dỏ chịu tái (trạng thái I) Đòi với dát nén khỏng biến dạng như là đâì cứng hoặc là dá. cũng như công irình chịu tái chủ yếu lù lái ngang thì độ lún cùa nền không giữ vai Irò quyết dinh sự ổn định của công (rình mà chính sự trưựl ngang của móng hoặc sự phá vỡ kết cấu nén đất sẽ dán (lên hư hại công Irình. Với c át loại cõng trình này. chúng ta (hường sử dung phương pháp tính loán nén Ihco giới hạn về cường dộ hay còn được gọi là trung lliiii ỊỊÌỚi hạn thứ nhất. Nội dung phương pháp gổin không chế khá năng trucn. lặl cùa m óng và khóng cho nền bị phá hoại cắl. Lực chổng Irưựt _ M ómen chống trượt Lực gây trực M ốmen gây trượt M òm en c h ố n g lậl M ôm en g á y lậi L cp hoặc: Trong đó: k, - hệ số an loàn chống trượt: kI - họ số an loàn chống lật; kcp - hở số an toàn cho phép: q Uị, và P^I, - sức chịu tải cực hạn cứa nển đất. Các hệ sỏ' an loàn k hoặc FS cho phép tùy vào quy định cúa các quy phạm xây dựng và loại công trình. 1.3. C Á C D ữ L IỆ U Đ Ể T ÍN H N Ể N m ó n g I. Các loại tái trọng Tái trọng tác dụng lẽn m óng và truyền lên nển đất thường dược phân chia thành: Tái trọng thường xuyên là tải trọng tác động liền [ục khi thi công và SUỐI quá trình sứ dụng cõng trình như trọng lượng bản thân, áp lực đất, áp lực nước, ... Tái irọni( lạm ĩhời: - Tải irọng lạm thời ngắn hạn chi xuất hiện trong từng giai đoạn khi thi công hoặc trong quá liình sử dụng như: tái trọng gió. tài irọng do sóng. ... - Tái irọng tạm thời dài hạn lác động trong mội thời gian tương đối dải khi thi cõng hoác trong quá trinh sứ dụng công Irình như: trọng lượng các dụng cụ và thiết bị tĩnh, tái lác dộng lẽn mái còng trình. ... 17 - Tải trọng đặc biệt xuất hiện trong nhũng trường hợp thật đặc biệt như tải do động đất, do sập đổ một bộ phận công trình, ... Mặt khác, tải có thể xem như tử trọng (dead load) là các loại tải cô' dịnh và hoạt tải (live load) là các tải có thể dịch chuyển. 2. Tổ hợp tải trọng Khi tính toán nền m óng phải tiến hành với các tổ hợp, bất lợi nhất cho biến dạng của công trình và ổn định cúa ioàn nển, có thể xảy ra. Các tổ hợp cần lưu ý: a) T ổ liợp chính, gổm tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn, và m ột tải trọng tạm thời ngắn hạn (tải ngắn hạn này có ảnh hưởng nhiểu đến trường ứng suất trong nền thường được chọn là tải trọng gió). b) T ổ liợp phụ, gồm tải trọng thường xuyên, tài trọng tạm thời dài hạn, và ít nhất là hai tải trọng lạm thời ngắn hạn. c) T ổ hợp đặc biệt, gồm tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn, một sô' tải trọng tạm thời ngắn hạn vả m ột tải đặc biệt (thường được chọn là tải động đất trong vùng có dộng dâì). Ngoài ra tải trọng còn được phàn thành tải tiêu chuẩn và tải tính toán. Tải trọng tiêu chuẩn là tải trọng mà có thể kiểm soát được giá trị của nó trong điều kiện thi công hoặc sử dụng cồng trình bình thường. Độ sai lệch (lớn hoặc bé) cùa tải trọng vể phía bất lợi cho công trình so với tải tiêu chuẩn, do biến dộng của tải hoặc thay dổi diẻu kiện sử dụng cồng trình, dược xét đến bằng hệ s ố vượt tải n. Tài trọng tinh toán được định nghĩa là tài trọng tiêu chuẩn nhân vối hệ số vuợt tải n. Hộ số vượt tải từ 1,1 đến 1,4 tuỳ theo loại tải trọng. Khi tính toán nền theo trạng thái giới hạn biến dạng được tiến hành với tổ hợp chính các tải trọng tiêu chuẩn. Khi tính toán nển theo trạng thái giới hạn cường độ được thực hiện với tổ hợp phụ, tổ hợp đặc biệt các tải trọng tính toán. Khi tính toán nển theo ứng suất cho phép dược thực hiện với tổ hợp phụ, tổ hợp đặc biệt các tải trọng tính toán và các hệ số an toàn thích hợp. Theo phần tính toán địa kỹ thật của Tiêu chuẩn châu Âu (Eurocode - 1994), phân biệt hai trạng thái giới hạn: - Trạng thái giới hạn sử dụng: (ELS - états limites de Service) là trạng thái giới hạn mà nếu vượt qua thì các tính nãng sừ dụng công trình không đáp ứng được như dự trù. Các trạng thái này có do biến dạng hoặc chuyển vị quá mức có thể gây ra những hu hỏng các 18 bộ phận công trình và làm cho các m áy móc vận hành không an toàn; hoặc gây ra sự rung động gây khó chịu cho người sử dụng công trình. - Trạng thái giới hạn tối hậu: (ELU - états limites ultimes) là nhQng trạng thái gắn với sự mất ổn định, hoặc các dạng gãy đổ từng bộ phân hay cả công trình gây ra nguy hiểm cho con người xung quanh công trình. Với nển móng các trạng thái giới hạn tối hậu vể khả năng gánh đỡ.của nẻn đất, sự lật đổ công trình, sự trượt cùa m óng, sức chống đỡ cùa vật liệu làm m óng, độ lún vượt quá giới hạn chuyển vị. - Các loại tác động theo tiêu chuẩn châu Âu (Eurocode - 1994): - Các tác động thường xuyên G: trọng lượng m óng và các phần liên quan trên móng nhu trọng lượng công trình và các thiết bị thường xuyên; các lực do co ngót, do từ biến; lực do trọng lượng đất và áp lực đất. - Các tác động do nước Fw chủ yếu là lực đẩy Archimède cho các bài toán tính ứng suấi hữu hiệu; lực thủy động do các dòng chảy. - Các tác động thay đổi Q (không thường xuyên) như các lực tải xe, lực thắng, trọng lượng vật chứa tạm thời; tải do ảnh hưởng thời tiết như mưa. gió,.. - Tác động đặc biệt FA với các công trình cẩu đường có thể là va chạm tàu, xe vào công trình, động đất, với các công trình xây dựng dân dụng nhu gió xoáy, va chạm , hỏa hoạn, dộng đất,... Các tác động này gộp lại thành các tổ hợp: tổ hợp cơ bản, tổ hợp đậc biệt, tổ hợp trạng thái giới hạn tối hạu cho các tính toán theo trạng thái tới hạn tối hậu. Các tổ hợp thường xuyên, tổ hợp theo năm tái đáo, tổ hợp hiếm xảy ra cho các tính toán theo trạng thái giới hạn sù dụng. Trong quy phạm xây dựng cùa M ỹ (ACI code) lại sử dụng các tổ hợp tải, cho tính toán cho trạng thái giói hạn tối hậu, tương đối dơn giản như sau: u = 1,4D + 1,7L, với D là tĩnh tải và L là hoạt tải. Khi có xem xét ảnh hưởng của gió tổ hợp tải có dạng: u = 0,75(1,4D + 1,7L + 1,7W ), với w là lực gió. Khi không có tĩnh tải xuất hiện thì tổ hợp tải có dạng: u = 0,9D + 1,3W 1.4. CÁC ĐẶC TRƯNG TIÊU CHUẨN VÀ TÍNH TOÁN CỦA ĐẤT NỂN 1. Phân chia các lớp đất (lớp địa chất công trình) Một lớp địa chất công trình được xác định bằng quan sát sự thay đổi màu, hạt độ trong quá trình khoan khảo sát hoặc trên tập hợp các giá trị đặc trưng cơ - lý (từ thí nghiệm trong phòng và hiện trường) của lớp đất đó. 19 Được gọi là mội lớp địa chãi công Irình khi tập hợp các giá Irị dặc trưng cơ - lý cùa nó phải có hệ số biến dộng I' dú nhó. V có dạng sau: ( 1- 1) v = = 100% A Trong dó giá trị trung hình cùa một dặc trưng: ( 1- 2 ) và độ lệch loàn phuơng trung binh: | l ( A , - A )2 ơ ! (1-3) ¡rn Với: A, - giá trị riêng cùa dặc trưng tù một thí nghiệm riéng: n - số lán thí nghiệm. Bảng 1.1. Hệ sõi biến động I’ (theo Q PX D 45-78) Đạc trưng cùa dái Hệ số biến dộng X' Tý trong hạl 0.01 Trọng lưựng riéng 0,05 Độ ám lự nhién 0.15 Ciiới hạn Atlerherg 0.15 Module biến dụng 0.30 Chi ticu sức chong cát t e - ị f " Ẻ ™ - ĩ > . Ẻ °, (1-5) ( 1- 6 ) với: 1=1 1=1 / Với thí Iiyhiọin nón ha irục, nổi các (liểm cuối (trạng thái tới hạn) của lộ trình ứng suãl có il.ing: (1-7) T = rctịỊ« + a Tính lo an ư và I/ S ỉio n u y như (p và í' l)é ilàiig MI} ra ip và ( Ihco các bicu thức sau: tg u = simp và c = a /c o sa ( 1- 8 ) 3. Mậi' Irtriiịỉ tinh loàn Nhăm mục ilícli nàn« ca») độ an loàn cho ổn định cùa nén chịu tái, m ột só tính toán òn dịnh cua nen iluoc licn hành với các dặc trưng tính loán. Ở mức độ đơn gián (như irong ỰPXD 45-70). tlạc trưng lính toán được xác dinh bằng cách nhân đặc trưng liêu chuán VỚI he sò tlõng nliál k: ơ Vứi: k = 1- V = I — — (1-9) A«A ( 1- 10) Trong QPXI3 45-78. các đặc trưng tính toán cùa đất được xác định theo công iliức sau: U-U) T rong dó: A, - giá trị đặc trưng đang xem xét; k I - họ sò an toàn về đất. k | - Ị với cúc ilặc IIưng cúa đ ất ngoại trừ lực dính, góc m a sát trong, irọng lượng dơn vị và cường ilộ chịu nén m ội ư ục tức thời c ó hệ số an toàn đái dược xác định như sau : ( 1- 12 ) với th i M> d ò chính vác p được xác định nhu sau: - Với lực dính < và họ só ma sál lg - Xem thêm -