Bài giảng Chương II: Móng nông trên nền thiên nhiên

CHƯƠNG II: MÓNG NÔNG TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN
ß 1. KHÁI NIỆM CHUNG
1.1. Định nghĩa
Móng nông là những móng xây trên hố đào trần, sau đó lấp lại, chiều sâu chôn móng khoảng dưới 2÷3m, trong trường hợp đặc biệt có thể sâu đến 5m.
So với các loại móng sâu, móng nông có những ưu điểm:
+ Thi công đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị thi công phức tạp. Việc thi công móng nông có thể dùng nhân công để đào móng, một số trường hợp với số lượng móng nhiều, hoặc chiều sâu khá lớn có thể dùng các máy móc để tăng năng suất và giảm thời gian xây dựng nền móng.
+ Móng nông được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng vừa và nhỏ, giá thành xây dựng nền móng ít hơn móng sâu.
+ Trong quá trình tính toán bỏ qua sự làm việc của đất từ đáy móng trở lên.
1.2. Phân loại móng nông
1.2.1. Dựa vào đặc điểm của tải trọng
Dựa vào tình hình tác dụng của tải trọng người ta phân thành :
+ Móng chịu tải trọng đúng tâm.
+ Móng chịu tải trọng lệch tâm.
+ Móng các công trình cao (tháp nước, ống khói,...).
+ Móng thường chịu lực ngang lớn (tường chắn, đập nước, ...).
+ Móng chủ yếu chịu tải trọng thẳng đứng, mô men nhỏ.
1.2.2. Dựa vào độ cứng của móng
+ Móng tuyệt đối cứng: Móng có độ cứng rất lớn (xem như bằng vô cùng) và biến dạng rất bé (xem như gần bằng 0), thuộc loại này có móng gạch, đá, bê tông.
+ Móng mềm: Móng có khả năng biến dạng cùng cấp với đất nền (biến dạng lớn, chịu uốn nhiều), móng BTCT có tỷ lệ cạnh dài/ngắn > 8 lần thuộc loại móng mềm.
+ Móng cứng hữu hạn: Móng Bê tông cốt thép có tỷ lệ cạnh dài/cạnh ngắn < 8 lần. Việc tính toán mỗi loại móng khác nhau, với móng mềm thì tính toán phức tạp hơn.
1.2.3. Dựa vào cách chế tạo
Dựa vào cách chế tạo, người ta phân thành móng toàn khối và móng lắp ghép.
+ Móng toàn khối: Móng được làm bằng các vật liệu khác nhau, chế tạo ngay tại vị trí xây dựng (móng đổ tại chỗ).
+ Móng lắp ghép: Móng do nhiều khối lắp ghép chế tạo sắn ghép lại với nhau khi thi công móng công trình.
1.2.4. Dựa vào đặc điểm làm việc
Theo đặc điểm làm việc, có các loại móng nông cơ bản sau :
+ Móng đơn: dưới dạng cột hoặc dạng bản, được dùng dưới cột hoặc tường kết hợp với dầm móng.
+ Móng băng dưới cột chịu áp lực từ hàng cột truyền xuống, khi hàng cột phân bố theo hai hướng thì dùng máy đóng băng giao thoa.
+ Móng băng dưới tường: là phần kéo dài xuống đất của tường chịu lực và tường không chịu lực.
+ Móng bản, móng bè : móng dạng bản BTCT nằm dưới một phần hay toàn bộ công trình.
+ Móng khối: là các móng cứng dạng khối đơn nằm dưới toàn bộ công trình.
Theo cách phân loại này ta sẽ nghiên cứu cấu tạo chi tiết của một số loại thường gặp.
ß2. CẤU TẠO CÁC LOẠI MÓNG NÔNG THƯỜNG GẶP
2.1. Móng đơn.
Móng đơn được chế tạo, kiến thiết dưới chân cột nhà dân dụng nhà công nghiệp, dưới trụ đỡ dầm tường, móng mố trụ cầu, móng trụ điện, tháp ăng ten, ...
Móng đơn có kích thước không lớn lắm, móng thường có đáy hình vuông, chữ nhật, tròn, ... trong đó dạng chữ nhật được sử dụng rộng rãi nhất.
a. Móng đơn dưới cột nhà: gạch, đá xây, bê tông, ...
b. Móng đơn dưới cột: bê tông hoặc bê tông cốt thép.
c. Móng đơn dưới trụ cầu.
d. Móng đơn dưới chân trụ điện, tháp ăng ten.
Thuộc loại móng đơn, ta xét cấu tạo chi tiết các loại sau
2.1.1. Móng đơn dưới tường 1243 5
Móng đơn dưới tường được áp dụng hợp lý khi áp lực do tường truyền xuống có trị số nhỏ hoặc khi nền đất tốt và có tính nén lún bé.
Các móng này đặt cách nhau từ 3÷6m dọc theo tường và đặt dưới các tường góc nhà, tại các tường ngăn chịu lực và tại các chỗ có tải trọng tập trung trên các móng đơn, người ta đặt các dầm móng (dầm giằng).
2.1.2. Móng đơn dưới cột và dưới trụ
Móng đơn dưới cột làm bằng đá hộc như hình (2.3a). Móng bê tông và bê tông đá hộc cũng có dạng tương tự. Nếu trên móng bê tông hoặc móng đá hộc là cột thép hoặc bê tông cốt thép thì cần phải cấu tạo bộ phận để đặt cột, bộ phận này được tính toán theo cường độ của vật liệu xây móng.
Các móng đơn làm bằng gạch đá xây loại này, khi chịu tác dụng của tải trọng (Hình 2.3b) tại đáy móng xuất hiện phản lực nền, phản lực này tác dụng lên đáy móng, và phần móng chìa ra khỏi chân cột hoặc bậc bị uốn như dầm công xôn, đồng thời móng có thể bị cắt theo mặt phẳng qua mép cột.
Do vậỷ số h/l (giữa chiều cao và rộng của bậc móng) phải lớn khi phản lực nền r lớn hơn và cường độ vật liệu nhỏ. Mặt biên của móng phải nằm ngoài hệ thống đường truyền ứng suất trong khối móng. Do vậy để quy định móng cứng hay móng mềm, người ta dự vào góc α.
Đối với móng cứng α phải bé hơn αmax nào đó, nghĩa là tỷ số h/l không được nhỏ hơn các trị số sau:
Trường hợp đặt cốt thép ở bậc cuối cùng thì tỷ số h/l của các bậc phía trên phải <1 (tức αmax = 450 ).
Chiều cao bậc móng: Móng bê tông đá hộc hb≥30, móng gạch đá xây thì hb= 35 ÷60
* Với móng đơn bê tông cốt thép thì không cần khống chế tỷ số h/l mà căn cứ vào kết quả tính toán để xác định chiều cao, kích thước hợp lý của móng và cốt thép.
Thuộc loại móng đơn bê tông cốt thép có thể người ta dùng móng đơn BTCT đỗ tại chỗ khi mà dùng kết cấu lắp ghép không hợp lý hoặc khi cột truyền tải trọng lớn. Móng bê tông cốt thép đổ tại chỗ có thể được cấu tạo nhiều bậc vát móng. 
Hình 2.4 Cấu tạo một số móng đơn BTCT đổ tại chổ
Dưới các móng bê tông cốt thép, thường người ta làm một lớp đệm sỏi có tưới các chất dính kết đen hoặc vữa xi măng, hoặc bằng bê tông mác thấp hoặc bê tông gạch vỡ. Lớp đệm này có các tác dụng sau:
+ Tránh hồ xi măng thấm vào đất khi đổ bê tông.
+ Giữ cốt thép và cốt pha ở vị trí xác định, tạo mặt bằng thi công.
+ Tránh khả năng bê tông lẫn với đất khi thi công bê tông.
- Móng đơn bê tông cốt thép lắp ghép dưới cột được cấu tạo bằng một hoặc nhiều khối, để giảm trọng lượng, người ta làm các khối rỗng hoặc khối có sườn để việc cấu lắp thi công dễ dàng.
Hình 2.5: Cấu tạo móng lắp ghép
2.2. Móng băng và móng băng giao thoa 
Móng băng là loại móng có chiều dài rất lớn so với chiều rộng, móng băng còn được gọi là móng dầm, được kiến thiết dưới tường nhà, móng tường chắn, dưới dãy cột.
2.2.1. Móng băng dưới tường
Móng băng dưới tường được chế tạo tại chỗ bằng khối xây đá hộc, bê tông đá hộc hoặc bê tông hoặc bằng cách lắp ghép các khối lớn và các panen bê tông cốt thép. Móng tại chỗ tại dùng ở những nơi mà việc lắp ghép các khối là không hợp lý.
Hình 2.6: Cấu tạo móng băng dưới tường bằng đá xây hoặc BTCT
Móng băng dưới tường lắp ghép:
Cấu tạo gồm hai phần chính: Đệm và tường.
Đệm móng bao gồm các khối đệm, các khối này thường không làm rỗng và được thiết kế định hình sẵn. Các khối đệm được đặt liền nhau hoặc với nhau gọi là đệm không liên tục. Khi dùng các khối đệm không liên tục sẽ làm giảm được số lượng các khối định hình nhưng sẽ làm trị số áp lực tiêu chuẩn tác dụng lên nền đất tăng lên một ít.
Tường móng được cấu tạo bằng các khối tường rỗng hoặc không rỗng và được thiết kế định hình sẵn.
Hình 2.7: Cấu tạo móng băng lắp ghép
2.2.2. Móng băng dưới cột
Móng băng dưới cột được dùng khi tải trọng lớn, các cột đặt ở gần nhau nếu dùng móng đơn thì đất nền không đủ khả năng chịu lực hoặc biến dạng vượt quá trị số cho phép.
Dùng móng băng bê tông cốt thép đặt dưới hàng cột nhằm mục đích cân bằng độ lún lệch có thể xảy ra của các cột dọc theo hàng cột đó.
Khi dùng móng băng dưới cột không đảm bảo điều kiện biến dạng hoặc sức chịu tải của nền không đủ thì người ta dùng móng băng giao thoa nhau để cân bằng độ lún theo hai hướng và tăng diện chịu tải của móng, giảm áp lực xuống nền đất.
Trong các vùng có động đất nên dùng móng băng dưới cột để tăng sự ổn định và độ cứng chung được tăng lên. Móng băng dưới cột được đổ tại chỗ. Việc tính toán móng băng dưới cột tiến hành như tính toán dầm trên nền đàn hồi.
Hình 2.8: Móng băng dưới cột và móng băng giao thoa
Hình 2.9: Móng băng lắp ghép
Hình 2.10: Cấu tạo chi tiết móng băng BTCT
2.3. Móng bè
Là móng bê tông cốt thép đổ liền khối, có kích thước lớn, dưới toàn bộ công trình hoặc dưới đơn nguyên đã được cắt ra bằng khe lún.
Móng bè được dùng cho nhà khung, nhà tường chịu lực khi tải trọng lớn hoặc trên đất yếu nếu dùng phương án móng băng hoặc móng băng giao thoa vẫn không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Móng bè hay được dùng cho móng nhà, tháp nước, xilô, bunke bể nước, bể bơi...
Khi mực nước ngầm cao,để chống thấm cho tầng hầm ta có thể dùng phương án móng bè,lúc đó móng bè làm theo nhiệm vụ ngăn nước và chống lại áp lực nước ngầm.
Móng bè có thể làm dạng bản phẳng hoặc bản sườn. 
Hình 2.11: a) Móng bè bản phẳng; b) Móng bè bản phẳng có gia cường mũ cột; c) Móng bè bản sườn dưới ; d) Móng bè bản sườn trên 
Loại móng bản có thể dùng khi bước cột không quá 9m, tải trọng tác dụng xuống mỗi cột không quá 100T, bề dày bảng lấy khoảng 1/6 bước cột.
Khi tải trọng lớn và bước cột lớn hơn 9m thì dùng bản có sườn để tăng độ cứng của móng, bề dày lấy khoảng 1/8-1/10 bước cột, sườn chỉ nên làm theo trục các dãy cột .
Móng bè sử dụng có khả năng giảm lún và lún không đều, phân phối lại ứng suất đều trên nền đất, thường dùng khi nền đất yếu và tải trọng lớn.
Việc tính toán móng bản (móng bè) được tính như bản trên nền đàn hồi. Các móng Bê tông cốt thép dạng hộp dùng dưới nhà nhiều tầng cũng thuộc loại móng này. 
Các móng này gồm hai bản (trên và dưới) và các sườn tường giao nhau nối các bản đó lại thành một kết cấu thống nhất
2.4. Móng vỏ:
Móng vỏ được nghiên cứu và áp dụng cho các công trình như bể chứa các loại chất lỏng (dầu, hoá chất...), nhà tường chịu lực..
Móng vỏ là loại móng kinh tế với chi phí vật liệu tối thiểu, có thể chịu được tải trọng lớn, tuy nhiên việc tính toán khá phức tạp.
Hình 2.12: Móng hộp
ß3 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC ĐÁY MÓNG THEO ĐIỀU KIỆN ÁP LỰC TIÊU CHUẨN CỦA NỀN ĐẤT
3.1. Xác định áp lực tiêu chuẩn của nền đất
Như ta đã biết trong lý thuyết Cơ học đất: Nếu tải trọng tác dụng trên nền nhỏ hơn một giới hạn xác định (P1gh) thì biến dạng của nền đất chỉ là biến dạng nén chặt, tức là sự giảm thể tích lỗ rỗng khi bị nén chặt, tắt dần theo thời gian và những kết quả thực nghiệm cho thấy giữa ứng suất và biến dạng có quan hệ bậc nhất với nhau. 
Nếu tải trọng tác dụng lên nền tiếp tục tăng vượt qua trị số (P1gh) thì trong nền đất hình thành các vùng biến dạng dẻo do các hạt đất trượt lên nhau, thể tích đất không đổi và không nén chặt thêm. Lúc này quan hệ giữa ứng suất và biến dạng chuyển sang quan hệ phi tuyến. 
Hình 2.13
Để thiết kế nền theo trạng thái giới hạn về biến dạng thì trước hết phải khống chế tải trọng đặt lên nền không được lớn quá một trị số quy định (P1gh) để đảm bảo mối quan hệ bậc nhất giữa ứng suất và biến dạng, từ đó mới xác định được biến dạng của nền vì tất cả các phương pháp tính lún đều dựa vào giả thiết nền biến dạng tuyến tính. 	
Tải trọng quy định giới hạn ( Pgh1) đó gọi là tải trọng tiêu chuẩn, hay áp lực tiêu chuẩn của nền hay còn gọi là áp lực tính toán quy ước của nền.
Khi thiết kế nền móng hay cụ thể là xác định kích thước đáy móng thì người thiết kế phải chọn diện tích đáy móng đủ rộng và sao cho ứng suất dưới đáy móng bằng hoặc nhỏ hơn trị số áp lực tiêu chuẩn.
Việc xác định áp lực tiêu chuẩn của nền đất là công việc đầu tiên khi thiết kế nền móng, có thể xác định áp lực tiêu chuẩn theo hai cách sau đây.
3.2. Xác định diện tích đáy móng trong trường hợp móng chịu tải trong đúng tâm
Xét một móng đơn chịu tải trong đúng tâm như hình vẽ (2.14):
Trong điều kiện làm việc, móng chịu tác dụng của các lực sau:
- Tải trọng công trình truyền xuống móng qua cột ở mặt đỉnh móng: N
- Trọng lượng bản thân móng: N
- Trọng lượng đất đắp trên móng trong phạm vi kích thước móng ;N
- Phản lực nền đất tác dụng lên đáy móng ptc.
Biểu đồ ứng suất tiếp xúc dưới đáy móng là đường cong, nhưng đối với cấu kiện móng cứng, ta lấy gần đúng theo dạng hình chữ nhật.
Điều kiện cân bằng tĩnh học:
Trong đó: F - Diện tích đáy móng
Trọng lượng của móng và đất đắp trên móng có thể lấy bằng trọng lượng của khối nằm trong mặt cắt từ đáy móng:
Trong đó: γtb- Dung trọng trung bình của vật liệu móng và đất đắp trên móng, lấy bằng 2 - 2,2 (g/cm3) hoặc 2 - 2,2 (T/m3).
hm - Độ sâu chôn móng.
Từ (2.7) và (2.8) ta có:
Để đảm bảo điều kiện nền biến dạng tuyến tính thì áp lực do tải trong tiêu chuẩn của công trình gây ra phải thoã điều kiện:
Công thức (2.11) cho phép xác định được diện tích đáy móng F khi biết tải trọng ngoài tác dụng Ntc, áp lực tiêu chuẩn Rotc và chiều sâu chôn móng hm. Ở đây cần chú ý rằng trị số Rtc lấy theo kinh nghiệm thì xác định được sơ bộ diện tích đáy móng F, còn nếu Rtc xác định theo công thức (2.6) và (2.7) thì tham số bề rộng móng b phải giả thiết trước, sau khi có được diện tích đáy móng F, chọn tỷ số α= để tìm được cạnh a và kiểm tra lại điều kiện F* = axb ≥ F.
* Xác định kích thước hợp lý của móng đơn
Việc chọn kích thước hợp lý của móng đơn ở đây ta cần tìm bề rộng b của móng và từ tỷ số a = α.b để tìm được cạnh dài a và so sánh với diện tích yêu cầu. Phương pháp này xuất phát từ điều kiện:
 (2.12)
Với : Rtc - Cường độ tiêu chuẩn của nền đất
ptctb- Cường độ áp lực trung bình tiêu chuẩn do tải trọng công trình gây ra tại đáy móng. 
G - Trọng lượng của móng và đất đắp trên móng
Trong đó: α= 
Thay (2.6) và (2.14) vào (2.12) biến đổi ta được phương trình bậc ba để xác định bề rộng móng như sau:
Với : M1, M2, M3 - Các hệ số phụ thuộc vào góc nội ma sát φtc của đất nền, tra bảng (2.5).
m - Hệ số điều kiện làm việc, lấy bằng 1.
γ - Dung trọng của đất nền dưới đáy móng.
Giải phương trình (2.15) tìm được trị số b - bề rộng của móng, từ đó xác định a dựa vào điều kiện a = αb và có được diện tích đáy móng.
* Xác định kích thước hợp lý của móng băng
Đối với móng băng có chiều dài lớn hơn nhiều lần so với bề rộng, khi tính toán người ta cắt ra 1m dài để tính toán, do vậy trị số áp lực trung bình tiêu chuẩn tại đáy móng sẽ là:
Thay (2.6) và (2.18) vào (2.12) biến đổi ta được phương trình bậc hai để xác định bề rộng móng băng như sau:
M1, M2, M3 - Các hệ số phụ thuộc vào góc nội ma sát φtc của đất nền, tra bảng (2.5).
Giải phương trình (2.19) tìm được bề rộng hợp lý của móng băng theo điều kiện áp lực tiêu chuẩn. Việc xác định kích thước móng từ việc giải phương trình (2.15) và (2.19) thì không cần kiểm tra lại điều kiện (2.12).
Bảng 2.5: Các Trị số M1, M2, M3