Thiết kế móng cho nhà/công trình nhà thường tuân theo Uniform Building Code (UBC) hoặc International Building Code (IBC) phiên bản hiện hành. Các bộ quy chuẩn này đưa ra các tiêu chí tối thiểu cho thiết kế móng, gồm: bảo vệ chống băng giá, ứng suất chịu tải giả định lớn nhất, và các tải trọng: tĩnh, hoạt tải, gió, động đất, v.v.
8.1 Khảo sát địa kỹ thuật
Các quy trình khảo sát hiện trường và thí nghiệm trong phòng đối với khảo sát địa kỹ thuật cho một khu xây dựng cũng giống như đã mô tả trong Chương 4. Mức độ lấy mẫu và thí nghiệm cần tương xứng với yêu cầu làm việc và tầm quan trọng của công trình. Chẳng hạn, một cơ sở bảo trì có thể bao gồm một số công trình một tầng và hai tầng, trong đó có một khu đặt thiết bị, được xây dựng dưới dạng sàn trên nền đất và dùng spread footing để đỡ các tải trọng nhỏ từ cột và tường. Khảo sát địa chất dưới bề mặt đối với loại công trình này cần đủ để mô tả được phạm vi phân bố theo phương đứng và phương ngang, cũng như sự biến đổi của các lớp đất chịu tải dưới móng bên dưới công trình. Một cơ sở có diện tích từ 1,500 đến 2,000 m² thường cần tối thiểu từ ba đến năm hố khoan hoặc hố thí nghiệm, với chiều sâu ít nhất từ 3 đến 9 m (10 đến 30 ft). Lượng thông tin địa chất dưới bề mặt cần thiết sẽ phụ thuộc vào mức độ tin cậy của kỹ sư địa kỹ thuật rằng các điều kiện dưới bề mặt đã được xác định đầy đủ để có thể tự tin tiếp tục thiết kế hệ móng nông.
8.2 Các dạng móng nông
Các loại móng nông dùng để đỡ nhà nhìn chung tương tự như đã mô tả trong Chương 2, với điểm khác biệt đáng chú ý là kích thước thường nhỏ hơn nhiều.
8.2.1 Spread Footings độc lập
Spread footing độc lập thường được sử dụng để đỡ tải trọng từ từng cột riêng lẻ hoặc đôi khi từ nhiều cột của nhà. Tùy thuộc vào khả năng dự kiến xảy ra chuyển vị chênh lệch hoặc khả năng xuất hiện tải trọng sàn lớn, các móng này có thể được hoặc không được thi công liền khối với sàn trên nền đất. Trong nhiều trường hợp, nên để sàn tựa trực tiếp trên nền đất đỡ một cách độc lập với móng. Đối với các công trình chịu tải nhẹ đặt trên nền đất dễ nén lún, có thể kinh tế hơn nếu đào bỏ một phần đất nền móng kém chất lượng và thay bằng vật liệu đắp hạt được đầm chặt để hạn chế nguy cơ lún hoặc các vấn đề về sức chịu tải.
8.2.2 Continuous Strip Footings
Continuous strip footing thường được sử dụng để đỡ các tường biên và tường chịu lực. Khi được thiết kế và thi công liền khối với sàn trên nền đất, các móng này có thể được làm với mép dày tăng cường để đáp ứng các yêu cầu về chiều sâu tối thiểu đối với sức chịu tải và chống băng giá.
8.2.3 Móng bè (Mat Foundations)
Móng bè là loại móng bê tông cốt thép được gia cường nhiều, thường phủ kín toàn bộ diện tích mặt bằng của công trình. Móng bè có thể được thiết kế để giảm thiểu độ lún chênh lệch. Móng bè thường kinh tế hơn và được ưu tiên sử dụng khi tải trọng cột lớn đến mức hơn 50 phần trăm diện tích mặt bằng sẽ phải được phủ bởi các spread footing (Peck và nnk., 1974). Móng bè có thể được dùng để tạo tầng hầm sâu, phân bố tải trọng cột đồng đều hơn và tạo thành bản sàn tầng hầm (màng chắn nước). Móng bè có thể được sử dụng khi đất nền dưới móng có sức chịu tải thấp hoặc khi dự kiến sẽ xảy ra độ lún chênh lệch lớn.
Theo bản chất thiết kế, móng bè là phần tử cứng phân bố tải trọng từ cột và tường lên một diện tích lớn hơn, nhờ đó làm giảm trị số ứng suất thẳng đứng tác dụng lên đất nền móng. Điều này không chỉ làm giảm ứng suất mà còn tạo ra dạng phân bố độ lún đồng đều hơn, từ đó làm giảm độ lún chênh lệch. Hình 8-1(a) và (b) lần lượt trình bày các biểu đồ phân bố áp lực theo chiều sâu đối với móng đơn và móng bè, với giả thiết rằng tổng tải trọng từ kết cấu phần trên là như nhau cho cả trường hợp a và b. Như thể hiện ở Hình 8-1, ứng suất tác dụng lên đất nền ngay bên dưới các spread footing lớn hơn so với ngay bên dưới móng bè; tuy nhiên, trạng thái này sẽ đảo ngược theo chiều sâu. Ngoài ra, móng bè được ưu tiên sử dụng đối với mặt cắt địa tầng có sự thay đổi thất thường về cường độ và/hoặc độ cứng (Hình 8-2), vì móng bè có xu hướng vượt qua các vùng đất yếu phân bố không đều này tốt hơn so với móng đơn, và được kỳ vọng sẽ chịu chuyển vị chênh lệch nhỏ hơn (ít hơn khoảng 50 phần trăm).
a) móng độc lập cách xa nhau và (b) móng bè bê tông.
8.3 Ứng suất chịu tải cho phép
8.3.1 Giới hạn độ lún
Chuyển vị tổng cộng và chuyển vị chênh lệch cho phép đối với nhà, tương tự như đối với cầu, phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu và phương pháp được sử dụng để xây dựng công trình. Nhà khung thép có khả năng chịu được các chuyển vị chênh lệch lớn đến mức đáng ngạc nhiên mà không xuất hiện ứng suất kết cấu hoặc hư hỏng. Tuy nhiên, các chuyển vị như vậy có thể làm cho bề mặt và lớp hoàn thiện tường có hình thức không đạt yêu cầu. Ngược lại, công trình xây gạch đá tương đối kém chịu lún và có thể xuất hiện ứng suất kết cấu (nứt) nếu biến dạng góc vượt quá 1/300.
Trong thực tế, ứng suất chịu tải thường được khống chế sao cho độ lún tổng cộng vào khoảng 25 mm (1 in), còn độ lún chênh lệch vào khoảng bằng một nửa độ lún tổng cộng.
Trong thiết kế móng nhà, có thể thu được lợi ích đáng kể bằng cách đào bỏ vĩnh viễn một phần đất để bố trí tầng hầm. Việc này làm giảm mức gia tăng ứng suất thuần tác dụng lên nền đất đỡ, từ đó làm giảm hoặc triệt tiêu lún cố kết ngay cả trong đất cố kết thường.
8.3.2 Giới hạn sức chịu tải
Do bề rộng của các spread footing dùng cho nhà tương đối nhỏ, khả năng phá hoại sức chịu tải có thể là yếu tố chi phối thiết kế móng, đặc biệt đối với móng đặt trên đất sét. Biết rằng phần lớn móng nhà cho các công trình khung nhẹ một tầng và hai tầng có bề rộng khoảng 0.5 đến 1.0 m, và đối chiếu với Hình 5-1, có thể thấy rằng các giá trị này nằm về phía bên trái, tức là phần biểu đồ bị khống chế bởi sức chịu tải.
8.4 Lật và độ lệch tâm
Các spread footing dùng cho nhà được thiết kế để duy trì hệ số an toàn chống lật tối thiểu là 1.5. Độ lệch tâm cũng có thể được kiểm tra theo các quy trình trong Chương 6, mặc dù nhìn chung đây không phải là một phần của các yêu cầu trong quy chuẩn thiết kế nhà.
8.5 Trượt và sức kháng bị động
Các quy trình tính toán ổn định trượt và sức kháng bị động đối với spread footing của nhà được trình bày trong Chương 5. Cần bảo đảm hệ số an toàn tối thiểu bằng 1.5 đối với ổn định trượt. Do bề rộng của spread footing dùng cho nhà thường nhỏ, có thể cần phải kể đến sức kháng bị động. Do sự khác nhau về mức độ biến dạng cần thiết để huy động sức kháng trượt và sức kháng bị động, như đã mô tả trong Mục 5.4, một cách tiếp cận thực tế là chỉ kể đến một nửa giá trị sức kháng bị động đã tính toán khi kết hợp cả hai thành phần kháng trượt và kháng bị động. Đối với bề rộng móng hẹp, việc tăng chiều sâu chôn móng để gia tăng sức kháng bị động có thể thực tế hơn so với việc cố gắng thi công gờ chống trượt (key).
8.6 Thiết kế móng bè và bản sàn
Thiết kế móng bè cần xét đến sức chịu tải, cũng như độ lún tức thời và độ lún dài hạn. Sức chịu tải và độ lún của móng bè có thể được xác định bằng các phương pháp trình bày trong Chương 5. Do kích thước lớn của móng bè, sức chịu tải nhìn chung sẽ không phải là yếu tố chi phối thiết kế. Việc khống chế độ võng thường sẽ là khía cạnh quan trọng nhất của thiết kế. Độ lún của móng bè có thể được khống chế ở một mức độ nhất định nhờ áp lực đất tác dụng nhỏ hơn so với móng đơn hoặc spread footing dạng dải. Ngoài ra, thể tích đất bị móng thay thế sẽ làm giảm ứng suất thuần tác dụng, qua đó hạn chế độ lún.
Móng bè đặt trên đất dính (đất sét) có thể bị chi phối bởi sức chịu tải phá hoại ở tầng sâu. Công tác khảo sát dưới bề mặt phải được thực hiện đến độ sâu đủ lớn để đánh giá cả sức chịu tải tầng sâu và vùng ảnh hưởng ứng suất (Mục 5.3) phục vụ tính toán độ lún. Do kích thước của móng bè lớn, vùng ảnh hưởng sẽ sâu hơn so với móng đơn hoặc spread footing dạng dải.
Một phương pháp thiết kế phổ biến đối với móng bè là sử dụng lý thuyết dầm trên nền đàn hồi để tính toán sự tương tác đất-kết cấu và độ võng. Cốt thép của móng bè sau đó có thể được thiết kế dựa trên các độ võng tính được trong bản móng. Cách tiếp cận dầm trên nền đàn hồi mô hình hóa sự đỡ của đất nền móng như một hệ các lò xo đàn hồi rời rạc (nền Winkler). Phản lực đất tại một điểm bất kỳ bên dưới móng bè được xác định như sau:
\(q_\text{applied} = K_v \ y \tag{8-1}\)
trong đó:
\(\qquad \qquad q_\text{applied} = \) ứng suất tác dụng
\(\qquad \qquad K_v = \) mô đun phản lực nền (lực/chiều dài³)
\(\qquad \qquad y = \) chuyển vị thẳng đứng
Mô đun phản lực nền có thể được xác định từ Hình 8-3. Lưu ý rằng ký hiệu dùng cho mô đun này trong Hình 8-3 là \(K_{v1}\). Mô đun phản lực nền cũng có thể được xác định từ thí nghiệm bàn nén, nhưng cần được hiệu chỉnh theo ảnh hưởng của kích thước và hình dạng theo Hình 8-4.
Tính phù hợp của cách tiếp cận dầm trên nền đàn hồi đã bị đặt nghi vấn do giả thiết cơ bản về độ cứng tương đối của móng bè so với đất nền. Ngoài ra, mô đun phản lực nền không phải là một đặc trưng nội tại của đất, mà không chỉ phụ thuộc vào độ cứng của đất, mà còn phụ thuộc vào độ cứng, hình dạng và chiều sâu của móng bè. Mặc dù có những hạn chế này, phương pháp này vẫn là một cách tiếp cận thực tế và được sử dụng phổ biến để tính toán chuyển vị nhằm thiết kế cốt thép kết cấu cho móng bè.
Định nghĩa
ΔHi = độ lún tức thời của móng
q = tải trọng đơn vị của móng, tính bằng tsf
B = bề rộng móng
D = chiều sâu chôn móng tính từ mặt đất
Kv1 = mô đun phản lực nền thẳng đứng
Đất hạt thô
(mô đun đàn hồi tăng tuyến tính theo chiều sâu)
Móng nông D ≤ B
\(\qquad \) Với B ≤ 20 ft (≈ 6.1 m):
\(\qquad \qquad \Delta H_i=\dfrac{4qB^2}{K_{v1}(B+1)^2}\)
\(\qquad \) Với B ≥ 40 ft (≈ 12.2 m):
\(\qquad \qquad \Delta H_i=\dfrac{2qB^2}{K_{v1}(B+1)^2}\)
Nội suy cho các giá trị B trung gian.
Móng sâu D ≥ 5B
\(\qquad \) Với B ≤ 20 ft (≈ 6.1 m):
\(\qquad \qquad \Delta H_i=\dfrac{2qB^2}{K_{v1}(B+1)^2}\)
Ghi chú:
1. Bụi không dẻo được phân tích như đất hạt thô, với mô đun đàn hồi tăng tuyến tính theo chiều sâu.
2. Các giá trị \(K_{v1}\) nêu cho đất hạt thô áp dụng cho vật liệu khô hoặc ẩm, với mực nước ngầm nằm thấp hơn đáy móng ít nhất 1.5B. Nếu mực nước ngầm nằm ngay tại đáy móng, sử dụng \(K_{v1}\)/2 khi tính độ lún.
Định nghĩa
\(K_{v1}\) = mô đun phản lực nền đối với bàn nén vuông kích thước 1 ft đặt tại mặt đất.
\(K_v\) = mô đun phản lực nền đối với bàn nén vuông có bề rộng bất kỳ B đặt tại mặt đất
q = cường độ tải trọng tác dụng
δ = độ lún đã hiệu chỉnh = độ lún đo được − \(δ_c\)
B = bề rộng của bàn nén vuông (ft)
R = bán kính của bàn nén tròn (ft)
\(E_s\) = mô đun đàn hồi của đất
\(C_1, C_2\) = các tham số thí nghiệm tải
Để xác định \(K_v\)
- Ước tính \(δ_c\) bằng cách kéo dài ngược đường cong tải trọng – độ lún theo thang số học về đến tải trọng bằng 0.
- Vẽ đường cong tải trọng – độ lún theo thang logarit và xác định tải trọng tại điểm chảy.
- Xác định δ và q tại mức bằng 1/2 tải trọng tại điểm chảy.
- \(K_v\) = q/δ
Để xác định \(K_{v1}\)
Đối với đất dính chắc:
\(K_{v1} = B K_v\) (bàn nén vuông)
\(K_{v1} = 2R K_v\) (bàn nén tròn)
\(E_s = 0.95 K_{v1} (1 – μ²)\)
\(\\\)
Đối với đất hạt thô rời không dính:
\(K_{v1}=\dfrac{4B^2}{(B+1)^2}K_v\)
(bàn nén vuông)
\(K_{v1}=\dfrac{16R^2}{(2R+1)^2}K_v\)
(bàn nén tròn)
\(\\\)
Đối với đất có cả ma sát và lực dính:
\(K_v=\dfrac{q}{\delta}=C_1+\dfrac{C_2}{B}\)
Thực hiện 2 thí nghiệm với các bàn nén có bề rộng khác nhau. Giải để xác định các tham số \(C_1\) và \(C_2\).
\(K_{v1}=C_1+C_2\)
Ghi chú: Các quan hệ nêu trên áp dụng tại cùng một áp lực tiếp xúc.
Hình 8-4 – Đồ thị xác định mô đun phản lực nền \(K_{v1}\) từ thí nghiệm tấm nén (NAVFAC, 1986a)
Hỗ trợ duy trì trang:
Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.
Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.