Nền móng là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung

Nền móng là bộ phận quan trọng nhất trong hệ kết cấu của một công trình xây dựng, có nhiệm vụ truyền tải trọng từ công trình xuống lớp đất hoặc đá bên dưới một cách an toàn và kiểm soát được biến dạng. Bất kỳ sai sót nào trong thiết kế hoặc thi công nền móng đều có thể dẫn đến lún lệch, nứt kết cấu hoặc thậm chí phá hoại toàn bộ công trình. Vì vậy nền móng là yếu tố cốt lõi trong kỹ thuật xây dựng và được nghiên cứu kỹ trong địa kỹ thuật. Tài liệu từ NIST nhấn mạnh rằng khả năng làm việc của nền móng phụ thuộc vào tương tác phức tạp giữa tải trọng, vật liệu móng và các lớp địa chất bên dưới.

Trong bất kỳ công trình nào, nền móng phải đảm bảo hai yêu cầu cơ bản: chịu lực và hạn chế biến dạng. Khả năng chịu lực liên quan đến việc đất nền không bị phá hoại dưới tải trọng truyền xuống, còn kiểm soát biến dạng liên quan đến việc giới hạn độ lún và lún lệch trong phạm vi cho phép. Khi thiết kế móng, kỹ sư phải hiểu rõ đặc tính cơ lý của đất, điều kiện nước ngầm, tải trọng tĩnh và động, cũng như ảnh hưởng của thời gian đối với sự thay đổi cấu trúc đất.

Danh sách các chức năng chính của nền móng:

• Truyền tải trọng đều xuống nền đất.
• Giảm nguy cơ lún không đều.
• Tăng ổn định tổng thể của công trình.
• Hạn chế ảnh hưởng của tải trọng ngang hoặc động đất.

Bảng dưới đây mô tả quan hệ giữa loại tải trọng và nguy cơ gây mất ổn định:

Loại tải trọng	Tác động lên nền móng	Nguy cơ
Tải trọng thẳng đứng	Tăng ứng suất nén trong đất	Lún tổng thể
Tải trọng ngang	Gây dịch chuyển móng	Trượt móng
Tải trọng động	Nguy cơ hóa lỏng đất	Mất ổn định cục bộ

Phân loại nền móng

Nền móng được chia thành hai nhóm chính: móng nông và móng sâu. Phân loại dựa trên độ sâu đặt móng và cách móng truyền tải trọng xuống đất. Mỗi loại phù hợp với điều kiện địa chất khác nhau và tải trọng công trình khác nhau. Móng nông thường đặt ở độ sâu nhỏ so với chiều rộng móng, trong khi móng sâu có chiều sâu lớn hơn đáng kể để truyền tải trọng xuống lớp đất tốt hơn.

Nhóm móng nông bao gồm móng đơn, móng băng, móng bè và móng hộp. Chúng phù hợp với các công trình tải trọng vừa và nhỏ, nơi lớp đất bề mặt có đủ khả năng chịu lực. Nhóm móng sâu bao gồm móng cọc, móng giếng chìm, tường trong đất và cọc khoan nhồi. Những móng này được sử dụng khi lớp đất bề mặt yếu hoặc khi tải trọng công trình lớn như cao ốc, cầu hoặc hạ tầng giao thông.

Bảng phân loại tóm tắt:

Loại móng	Đặc điểm	Ứng dụng
Móng nông	Độ sâu nhỏ, thi công đơn giản	Nhà dân dụng, công trình thấp tầng
Móng sâu	Truyền tải trọng xuống lớp đất sâu	Cao ốc, cầu, nhà máy công nghiệp

Cấu tạo và nguyên lý chịu lực

Cấu tạo nền móng bao gồm các thành phần như bản móng, lớp đệm, đài móng và hệ cọc (đối với móng sâu). Những thành phần này phối hợp với đất nền để hình thành hệ chịu lực tổng hợp. Đất nền đóng vai trò quan trọng vì nó quyết định mức độ biến dạng và khả năng chịu tải của công trình. Khi đất yếu, móng phải thiết kế để giảm ứng suất truyền xuống hoặc mở rộng diện tích tiếp xúc nhằm phân bố tải trọng tốt hơn.

Nguyên lý truyền tải trọng của móng có thể mô tả bằng công thức: $\sigma = \frac{P}{A}$ trong đó $P$ là tải trọng tác dụng và $A$ là diện tích đáy móng. Tuy nhiên sự phân bố ứng suất thực tế phức tạp hơn và phụ thuộc vào độ sâu chôn móng, loại đất, hệ số rỗng và độ bão hòa của đất. Khi ứng suất vượt quá sức kháng cắt của đất, hiện tượng phá hoại có thể xảy ra dưới dạng trượt hoặc lún sập.

Danh sách các yếu tố ảnh hưởng khả năng chịu lực:

• Đặc tính đất: độ chặt, độ ẩm, cấu trúc hạt.
• Mực nước ngầm: ảnh hưởng áp lực nước lỗ rỗng.
• Hình dạng móng: tròn, vuông, chữ nhật.
• Chiều sâu chôn móng: càng sâu, sức chịu lực càng tăng.

Bảng mô tả biến dạng nền đất theo loại tải:

Loại biến dạng	Nguyên nhân	Hậu quả
Lún đều	Tải trọng phân bố đồng nhất	Công trình ổn định
Lún lệch	Tải trọng không đều hoặc đất không đồng nhất	Nứt kết cấu
Trượt móng	Ứng suất vượt sức kháng cắt	Mất ổn định tổng thể

Các loại móng nông

Móng nông gồm nhiều dạng khác nhau tùy vào điều kiện thi công và tính chất công trình. Móng đơn là loại phổ biến nhất, dùng để đỡ từng cột riêng lẻ và truyền tải trọng xuống nền đất qua diện tích nhỏ. Móng băng liên kết nhiều cột theo một dải, giúp phân bố tải trọng đều và giảm nguy cơ lún lệch. Móng bè bao phủ toàn bộ diện tích công trình, thích hợp trong trường hợp đất yếu hoặc tải trọng phân bố rộng.

Móng hộp là dạng móng có cấu tạo rỗng bên trong để tăng độ cứng và giảm trọng lượng bản thân. Loại móng này thường được dùng cho công trình có yêu cầu cao về kiểm soát lún và ổn định. Thi công móng nông tương đối đơn giản nhưng phải chú ý xử lý nền đất như đầm chặt, thay đất hoặc gia cố bằng cát – sỏi nhằm đảm bảo khả năng chịu lực.

Bảng so sánh các loại móng nông:

Loại móng	Ưu điểm	Nhược điểm
Móng đơn	Thi công nhanh, chi phí thấp	Dễ lún lệch nếu đất không đồng đều
Móng băng	Ổn định tốt, giảm nứt công trình	Khối lượng đào đắp lớn
Móng bè	Phân bố tải rộng, phù hợp đất yếu	Chi phí cao hơn móng đơn và móng băng
Móng hộp	Độ cứng lớn, kiểm soát lún tốt	Thi công phức tạp hơn

Các loại móng sâu

Móng sâu được sử dụng khi lớp đất bề mặt không đủ khả năng chịu lực hoặc khi công trình có tải trọng lớn cần truyền xuống các tầng đất hoặc đá sâu hơn. Móng sâu có nhiều dạng như móng cọc đóng, móng cọc ép, cọc khoan nhồi, giếng chìm và tường trong đất. Chúng khai thác sức chịu tải mũi cọc hoặc ma sát thành cọc để đảm bảo tính ổn định. Loại móng này phù hợp cho công trình cao tầng, cầu, nhà máy công nghiệp và các kết cấu hạ tầng quan trọng.

Cọc khoan nhồi là loại móng sâu phổ biến trong các đô thị hiện đại, được thi công bằng cách khoan lỗ lớn xuống tầng đất sâu, đặt cốt thép và đổ bê tông. Cọc khoan nhồi có ưu điểm là khả năng chịu tải lớn, ít gây rung chấn nên phù hợp với khu vực đông dân cư. Ngược lại, cọc đóng hoặc cọc ép dùng các cọc bê tông đúc sẵn được hạ xuống đất bằng thiết bị cơ học, thích hợp với mặt bằng rộng và điều kiện đất không quá phức tạp. Tường trong đất (diaphragm wall) được dùng khi cần kết hợp chức năng móng và tường chắn, đặc biệt trong hố móng sâu tầng hầm cao ốc.

Danh sách các loại móng sâu tiêu biểu:

• Cọc đóng: dùng búa đóng, tiết diện đồng nhất.
• Cọc ép: không gây rung, phù hợp đô thị.
• Cọc khoan nhồi: chịu tải lớn, linh hoạt thiết kế.
• Giếng chìm: phù hợp công trình cầu và trụ biển.
• Tường trong đất: vừa chắn đất vừa chịu tải.

Bảng so sánh một số thông số:

Loại móng sâu	Ưu điểm	Nhược điểm
Cọc đóng	Nhanh, chi phí thấp	Tạo rung chấn, ảnh hưởng công trình lân cận
Cọc ép	Không rung, ít tiếng ồn	Giới hạn về chiều sâu
Cọc khoan nhồi	Chịu tải tốt, kích thước linh hoạt	Thi công phức tạp, yêu cầu giám sát nghiêm
Giếng chìm	Ổn định trong nước sâu	Chi phí cao, kỹ thuật khó

Khảo sát và đánh giá đất nền

Khảo sát địa chất là bước quan trọng trước khi thiết kế nền móng. Mục tiêu của khảo sát là xác định cấu trúc đất, mực nước ngầm, sức kháng cắt, độ lún và các thông số cơ lý khác. Kết quả khảo sát là căn cứ để lựa chọn loại móng phù hợp nhất và tính toán kích thước móng. Các phương pháp khảo sát phổ biến gồm khoan địa chất, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT, thí nghiệm xuyên tĩnh CPTu, thí nghiệm nén lún và thí nghiệm cắt không thoát nước.

Dữ liệu khảo sát địa chất thường được trình bày dưới dạng mặt cắt địa chất thể hiện các lớp đất theo chiều sâu. Mỗi lớp đất có đặc tính riêng, bao gồm chỉ số dẻo, độ ẩm, hệ số rỗng, hệ số nén lún và sức kháng cắt. Thông tin này giúp kỹ sư đánh giá mức độ an toàn của nền móng khi chịu tải trọng. Theo USGS, việc đánh giá cấu trúc địa chất có ý nghĩa quan trọng không chỉ đối với thiết kế nền móng mà còn đối với đánh giá rủi ro địa chất như sụt lún, trượt đất hoặc động đất.

Danh sách dữ liệu khảo sát cần thu thập:

• Thành phần hạt và phân loại đất.
• Độ chặt, độ ẩm và trọng lượng riêng.
• Mực nước ngầm và biến động theo mùa.
• Sức kháng cắt và mô đun biến dạng.

Bảng ví dụ thông số đất:

Chỉ tiêu đất	Giá trị	Ý nghĩa
SPT N-value	10–15	Đất chắc vừa
Hệ số nén lún mv	0.2–0.5 m²/MN	Khả năng lún cao
Góc ma sát trong φ	28–32°	Sức kháng cắt tốt

Các vấn đề thường gặp

Những sự cố thường gặp trong nền móng xuất phát từ điều kiện đất yếu, tải trọng vượt dự báo hoặc sai sót trong thi công. Lún không đều là vấn đề phổ biến nhất, thường xảy ra khi đất nền không đồng nhất hoặc tải trọng phân bố không đều. Sự khác biệt về độ lún giữa các phần công trình có thể gây nứt tường, cong kết cấu và giảm tuổi thọ công trình. Một vấn đề khác là trượt móng, xảy ra khi ứng suất đất vượt quá sức kháng cắt, khiến móng dịch chuyển ngang.

Hiện tượng hóa lỏng đất dưới tác dụng của tải trọng động như động đất cũng là mối nguy lớn. Khi đất bị bão hòa nước, áp lực nước lỗ rỗng tăng khiến đất mất khả năng chịu lực tạm thời, gây lún sập hoặc nghiêng công trình. Các biện pháp khắc phục bao gồm cải tạo đất bằng cọc cát, bơm cement, nén chặt hoặc lắp đặt hệ thống thoát nước để giảm mực nước ngầm.

Danh sách sự cố nền móng:

• Lún tổng thể và lún lệch.
• Trượt móng hoặc phá hoại trượt sâu.
• Hóa lỏng đất khi có động đất.
• Suy giảm độ bền do ngập nước.

Bảng mô tả các nguyên nhân:

Sự cố	Nguyên nhân chính	Hậu quả
Lún lệch	Đất không đồng nhất	Nứt kết cấu
Trượt móng	Ứng suất vượt sức kháng cắt	Mất ổn định
Hóa lỏng	Động đất, đất bão hòa nước	Lún sập toàn phần

Ứng dụng trong xây dựng hiện đại

Nền móng trong xây dựng hiện đại không chỉ đáp ứng yêu cầu chịu lực mà còn yêu cầu khả năng thích ứng với điều kiện đô thị phức tạp. Các công nghệ mới như móng barrette, tường trong đất công nghệ cao và cọc xoắn vít được áp dụng trong môi trường khu vực đông dân cư. Móng barrette có tiết diện hình chữ nhật, chịu tải lớn và phù hợp cho công trình cao tầng. Tường trong đất đóng vai trò móng và tường chắn, đặc biệt hữu ích cho xây dựng tầng hầm sâu.

Ngoài ra, công nghệ quan trắc móng hiện đại như cảm biến áp lực, cảm biến đo lún và hệ thống theo dõi thời gian thực giúp kiểm soát biến dạng công trình trong quá trình thi công và vận hành. Mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để dự báo ứng suất, biến dạng và kiểm tra các kịch bản tải trọng phức tạp. Các giải pháp nền móng nhẹ, thân thiện môi trường cũng được nghiên cứu nhằm giảm lượng vật liệu và tối ưu hóa chi phí xây dựng.

Danh sách ứng dụng hiện đại:

• Móng barrette cho cao ốc.
• Tường trong đất cho hố móng sâu.
• Cọc xoắn vít cho nền yếu.
• Quan trắc móng theo thời gian thực.

Bảng mô tả ưu điểm:

Công nghệ	Ưu điểm	Ứng dụng
Barrette	Chịu tải cao	Cao ốc
Tường trong đất	Ổn định, đa chức năng	Tầng hầm
Cọc xoắn vít	Lắp nhanh, ít rung	Nhà dân dụng

Xu hướng nghiên cứu

Xu hướng nghiên cứu nền móng hiện nay tập trung vào vật liệu mới và tối ưu hóa thiết kế. Nhiều nghiên cứu hướng tới sử dụng polymer hoặc vật liệu composite để gia cố nền đất nhằm tăng sức chịu tải và giảm biến dạng. Các hệ móng thông minh tích hợp cảm biến có khả năng tự giám sát trạng thái làm việc và cảnh báo sớm sự cố. Trí tuệ nhân tạo được ứng dụng trong phân tích dữ liệu quan trắc và tối ưu hóa mô hình nền móng.

Cải thiện phương pháp mô phỏng số cũng là một trọng tâm, giúp đánh giá độ tin cậy của thiết kế trong điều kiện tải trọng phức tạp như gió, động đất hoặc tải trọng rung. Các mô hình địa cơ học 3D cho phép dự đoán chính xác hơn sự tương tác giữa móng và đất. Ngoài ra, kỹ thuật cải tạo đất bằng phương pháp sinh học như sử dụng vi khuẩn tạo kết tủa carbonate đang mở ra hướng tiếp cận mới trong xây dựng bền vững.

Danh sách xu hướng:

• Móng thông minh tích hợp cảm biến.
• Vật liệu gia cố mới như polymer và composite.
• Mô phỏng số tiên tiến bằng FEM và AI.
• Cải tạo đất bằng phương pháp sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. NIST. Materials and Structural Engineering Resources. https://www.nist.gov/programs-projects/material-measurement-laboratory
2. USGS. Geological and Soil Structure Studies. https://www.usgs.gov
3. U.S. Department of Transportation. Geotechnical Engineering Manuals. https://www.transportation.gov