View Categories

Chương 1 – Giới thiệu

Mục lục

1.1 Mục đích và Phạm vi

Geotechnical Engineering Circular (GEC) này tổng hợp hơn bốn thập kỷ nghiên cứu, phát triển và kinh nghiệm thực tiễn trong ứng dụng móng nông để đỡ các công trình giao thông. Tài liệu được biên soạn như một sổ tay tham khảo chuẩn cho các chuyên gia giao thông phụ trách thiết kế và thi công móng nông cho cầu và các kết cấu liên quan đến giao thông.

GEC này tham khảo sâu rộng từ các ấn phẩm trước đây của FHWA, các State (và Local) Highway Agencies (SHA) và các tác giả khác về hướng dẫn thực hành liên quan đến móng nông. Vì vậy, tài liệu này nói chung không đại diện cho “nghiên cứu mới”, mà nhằm cung cấp một nguồn tham khảo duy nhất cho thông tin theo thực tiễn hiện hành về thiết kế và thi công móng nông.

Một ngoại lệ đối với phát biểu trên là lĩnh vực móng cầu đặt trên lớp đắp kết cấu đầm chặt (compacted structural fills). Đã dành sự chú ý đặc biệt cho các lịch sử tình huống (case histories) và ví dụ thiết kế về sử dụng móng nông để đỡ mố cầu trong các đắp đường vào cầu được đầm chặt.

1.2 Bối cảnh

Móng nông là dạng đơn giản nhất của truyền tải trọng từ kết cấu xuống nền đất bên dưới. Chúng thường được thi công với hố đào tương đối nhỏ, không đòi hỏi thiết bị hay dụng cụ thi công chuyên dụng và chi phí tương đối thấp. Trong nhiều trường hợp, móng nông là lựa chọn hiệu quả kinh tế nhất để đỡ một công trình. Ngôi nhà của bạn rất có thể đặt trên spread footings, và có lẽ bạn đã chống đỡ sàn hiên bạn xây năm ngoái bằng các khối trụ bê tông đúc sẵn vì chúng rẻ và dễ đặt.

Tuy nhiên, cầu lại thường được đặt trên móng sâu như cọc đóng. Điều này có thể xuất phát chủ yếu từ thực hành trong quá khứ, không phải từ xây dựng đường bộ mà từ đường sắt. Nhu cầu duy trì cao độ tuyến ổn định và tin cậy trên các điều kiện nền khác nhau và địa hình thay đổi khiến việc lựa chọn đặt hầu như toàn bộ cầu đường sắt lên cọc trở nên hiển nhiên. Vào thời kỳ bùng nổ mở rộng đường sắt ở Bắc Mỹ và trên toàn thế giới, cơ học đất và địa kỹ thuật còn chưa hình thành như các khái niệm. Các kỹ sư đường sắt cần một phương pháp tin cậy để đỡ cầu và giá đỡ cầu (trestles), và công nghệ sẵn có khi đó đã dẫn họ tới giải pháp đóng cọc.

Khi tốc độ xây dựng đường bộ tăng lên và cuối cùng vượt qua tốc độ xây dựng đường sắt, tri thức về xây dựng cầu đã chuyển từ các kỹ sư đường sắt sang các kỹ sư đường bộ. Có khả năng phần lớn các kỹ sư đường bộ thời kỳ đầu vốn xuất thân từ đường sắt, vì vậy không ngạc nhiên khi cọc được chọn để đỡ cầu đường bộ.

Trong nhiều trường hợp – và vì những lý do rất chính đáng – việc dùng móng cọc cho các công trình giao thông là khôn ngoan, nếu không muốn nói là thiết yếu. Các vị trí vượt sông cung cấp sự bảo vệ khỏi những tác động có thể thảm khốc của xói lở và các hiểm họa liên quan đến nước khác. Điều kiện nền kém và các tải trọng tạm thời, như va đập tàu thuyền hoặc động đất, cũng có thể yêu cầu dùng móng sâu như cọc. Gần đây, môi trường đô thị và ngoại ô chật chội hạn chế không gian thi công. Việc dùng móng sâu, như giếng (shafts), có thể thi công với diện tích chiếm chỗ nhỏ hơn, có thể ưu việt hơn so với các chi phí đi kèm với chống đỡ hố đào, công trình ngầm, di dời hạ tầng kỹ thuật, và thu hồi quyền sử dụng đất (right-of-way) vốn cần thiết khi xây dựng móng nông.

Tuy vậy, nhiều cầu giao thông lại nằm trong các khu phát triển trên cao và nút giao. Các vị trí này thường cách xa các hiểm họa từ dòng nước và nằm ở khu vực có điều kiện nền tốt. Các kỹ sư chịu trách nhiệm cho những công trình này – cả địa kỹ thuật lẫn kết cấu – nên luôn chủ động xem xét khả năng áp dụng móng nông một cách thận trọng và hiệu quả về chi phí.

Sự kết hợp may mắn giữa điều kiện nền tốt, đủ khả năng chịu lực và nguồn vật liệu đắp hạt rời chất lượng cao luôn nên được xem là cơ hội tiết kiệm chi phí xây cầu. Khi đặt mố cầu trong khối đắp đường vào cầu đã đầm chặt, có thể thu được các khoản tiết kiệm sau:

  • Rút ngắn tiến độ thi công
  • Bỏ các hàng cọc phải hạ qua lớp đắp hạt rời chất lượng cao để vào lớp đất nền đủ khả năng chịu lực
  • Giảm chi phí bê tông và thép trong trường hợp có bố trí spread footing, nhưng đặt tựa trên lớp đắp phía dưới đường vào cầu

Các nghiên cứu khác nhau về việc sử dụng móng nông cho thấy các thông tin sau, nhấn mạnh tiềm năng tiết kiệm chi phí khi sử dụng hợp lý móng nông:

  • Hiện có khoảng 600.000 cầu đường bộ ở Hoa Kỳ. Chi phí thay thế trung bình vào khoảng 500.000 USD/cầu. Khoảng 50% chi phí thay thế liên quan đến kết cấu phần dưới (substructure). Móng nông thường có thể xây dựng với 50–65% chi phí so với móng sâu (Briaud & Gibbens, 1995).
  • Sở GTVT bang Washington (WSDOT) đã xây dựng hơn 500 cầu đường bộ giai đoạn 1965–1980, trong đó một hoặc nhiều mố/trụ đặt trên móng mở rộng tựa trong đắp kết cấu (structural fills) (DiMillio, 1982). WSDOT vẫn tiếp tục sử dụng móng nông tựa trong đắp kết cấu cho các công trình phần dưới một cách thường xuyên.
  • Năm 1986, FHWA thực hiện nghiên cứu đánh giá độ lún của 21 móng cầu đặt trên móng nông trên đất rời (không dính). Kết quả cho thấy 70% độ lún của móng nông xảy ra trước khi đặt bản mặt cầu; độ lún sau khi đặt bản mặt trung bình của các kết cấu được theo dõi nhỏ hơn 6 mm (¼ in) (Gifford et al., 1987).

Các kết luận quan trọng rút ra từ nghiên cứu này:

  1. Có động lực tài chính đủ mạnh để khuyến khích sử dụng móng nông ở những nơi khả thi (Briaud & Gibbens, 1995);
  2. Việc dùng móng nông để đỡ cầu đã có hồ sơ thực tiễn chứng minh trên hàng trăm dự án cầu (DiMillio, 1982); và
  3. Có đủ dữ liệu về khả năng làm việc để giải tỏa lo ngại về độ lún của móng nông trong hầu hết các ứng dụng đỡ cầu khi điều kiện nền tốt (Gifford et al., 1987).

1.3 Các tài liệu liên quan

Mặc dù GEC về Móng nông được biên soạn như một tài liệu tham khảo độc lập, các chi tiết bổ sung và bối cảnh về phương pháp/quy trình được nêu có thể tìm trong các ấn phẩm sau:

  • AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges, 16th Edition, with 1997, 1998, 1999 and 2000 Interim Revisions (AASHTO, 1996)
    Tiêu chuẩn AASHTO cho cầu đường bộ, Ấn bản lần thứ 16, kèm các sửa đổi tạm thời năm 1997, 1998, 1999 và 2000 (AASHTO, 1996).
  • AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2nd Edition, with 1999, 2000 and 2001 Interim Revisions (AASHTO, 1998)
    Quy định thiết kế cầu theo LRFD của AASHTO, Ấn bản thứ 2, kèm các sửa đổi tạm thời năm 1999, 2000 và 2001 (AASHTO, 1998).
  • NHI 13212 Soils and Foundations Workshop Reference Manual (Cheney & Chassie, 2000)
    NHI 13212 – Sổ tay tham khảo hội thảo Đất và Móng (Cheney & Chassie, 2000).
  • NHI 132037 Shallow Foundations Workshop Reference Manual (Munfakh et al., 2000)
    NHI 132037 – Sổ tay tham khảo hội thảo Móng nông (Munfakh và cộng sự, 2000).
  • NHI 132031 Subsurface Investigation Workshop Reference Manual (Arman et al., 1997)
    NHI 132031 – Sổ tay tham khảo hội thảo Khảo sát địa chất công trình (Arman và cộng sự, 1997).
  • NHI 132035 Module 5 – Rock Slopes: Design, Excavation and Stabilization (Wyllie & Mah, 1998)
    NHI 132035 – Mô-đun 5: Mái dốc đá – Thiết kế, Đào và Ổn định (Wyllie & Mah, 1998).
  • Foundation Engineering Handbook (Fang, 1991)
    Sổ tay Kỹ thuật Nền móng (Fang, 1991).
  • Soil Mechanics (Lambe & Whitman, 1969)
    Cơ học đất (Lambe & Whitman, 1969).
  • Rock Slope Engineering (Hoek & Bray, 1981)
    Kỹ thuật mái dốc đá (Hoek & Bray, 1981).

1.4 Ứng dụng của Móng nông

Móng nông chủ yếu phân bố tải trọng kết cấu lên một vùng rộng của lớp đất/đá gần mặt đất để giảm cường độ tải xuống mức đất nền có thể chịu được. Móng nông được sử dụng rộng rãi trong các dự án đường bộ khi điều kiện địa chất nền phù hợp.

Các ứng dụng gồm: mố cầu trên sườn dốc đất hoặc nền đắp, trụ giữa của cầu, tường chắn, cống (culvert), cột biển báo, tường chắn ồn, và móng cho nhà trạm dừng chân hoặc nhà bảo dưỡng. Móng đơn hoặc móng bè/đài (mat) có thể đỡ tải cột dưới các công trình nhà. Trụ cầu cũng thường đặt trên móng nông với nhiều cấu hình kết cấu khác nhau.

Chương tiếp theo sẽ mô tả các ứng dụng phổ biến của kết cấu giao thông đặt trên móng nông.