Giáo trình Nền móng - Chương 4: Xây dựng công trình trên nền đất yếu - Nguyễn Hữu Thái

Nội dung text: Giáo trình Nền móng - Chương 4: Xây dựng công trình trên nền đất yếu - Nguyễn Hữu Thái

1. Nền Móng Chương IV: Xây dựng công trình trên nền đất yếu NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG §4.1 Khái niệm về đất yếu và nền đất yếu I. Khái niệmvềđấtyếu - Đấtyếugồmcácloại đấtsétmềm bão hoà nước; các loạicáthạtnhỏ,mịn; than bùn; các trầm tích bị mùn hoá v. v chúng rất đadạng về thành phần khoáng vật, nhưng thường giống nhau về tính chấtcơ lý và chấtlượng xây dựng (kém). - Đất yếu nói chung có các đặc điểm sau: .Hầunhư hoàn toàn bão hoà nước, có hệ số rỗng (ε)lớnthường > 1,0. .Khả năng chịulựcvàokhoảng 50 - 100 kN/m2. . Tính nén lún mạnh, hệ số nén lún (a) lớn; môđun biếndạng nhỏ (E ≤ 5000kN/m2) trị số sức kháng cắt không đáng kể. II. Khái niệmvề nền đấtyếu -Nền đấtyếulàphạmviđấtnềngồmcáclớp đấtyếucókhả năng chịulựckém,nằm ở bên dưới móng công trình và chịutácđộng củatảitrọng công trình truyềnxuống. Xét về mặt cấu trúc, tầng đất nền này có thể được hợp thành là do một hoặc nhiều lớp đấtyếuxenkẽ nhau hoặc xen giữacáclớp đất khác có khả năng chịulựctốthơn. - Khi tính toán nền công trình theo trạng thái giớihạn, nếu không thoả mãn các yêu cầuvề cường độ và biếndạng mà vộivàngcoinềnlàyếuvàtiến hành Xử lý nềnthì nhiều khi gây tốn kém không cầnthiết(đặcbiệt đ/với công trình lớn). Cầnphảiáp dụng toàn diện các biện pháp xử lý đốivớikếtcấuphần trên, kếtcấu móng và đốivới nền. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 2 1
2. - Trong đasố trường hợp, chỉ sau khi đãthayđổikếtcấuphần trên, đãmở rộng hợp lý diện tích đáy móng mà những điềukiệncần đảmbảokhithiếtkế (về cường độ,biến dạng) không đạtmớicầnphảixử lý nền. Nềncầnphảixử lý gọilà“nền đấtyếu”. - Khái niệmvề nền đấtyếuphảihiểumộtcáchtương đối trong một hoàn cảnh và điều kiệnxâydựng cụ thể nhất định. Việc làm sáng tỏ khái niệm này có ý nghĩakinhtế và kỹ thuật trong việclựachọnphương án hợplýnhất. -Cácbiện pháp xử lý: . Các biện pháp về kếtcấu công trình. . Các biện pháp về móng . Các biện pháp xử lý nền. . Các biện pháp thi công để xử lý nền. §4.2 Các biện pháp về kết cấu công trình + Nguyên nhân xử lý: Kếtct cấu công trình có thể bị phá hỏng toàn bộ hay từng bộ phận do: -Các điều kiện về biến dạng không được thoả mãn (S >[Sgh], ∆S >[∆Sgh] ) -Áp lực tác dụng lên mặt nền quá lớn (Ntt > Rgh) + Mục đích xử lý: -Giảm tải trọng tác dụng lên móng → Làm giảm trị số VT -Tăng khả năng chịu lực của kết cấu. → Làm tăng trị số VP NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 3 + Các biện pháp kết cấu công trình: - Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ. - Làm tăng độ mềm của công trình. - Làm tăng cường độ cho kết cấu công trình I. Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ -Mục đích củabiện pháp này là làm giảmtrọng lượng củakếtcấu công trình. Do đógiảm áp suất tác dụng lên mặt nền. -Cóthể bố trí vậtliệuvàkếtcấunhẹởnhững bộ phận công trình mộtcáchhợplý,sẽ giảm độ lệch tâm củatảitrọng, →∆Sgiảm. - Đốivớinhững công trình không chịutácdụng củalực ngang lớnthìviệcgiảmtrọng lượng kếtcấucôngtrìnhsẽ không ảnh hưởng nhiều đếntínhổn định của công trình. Đốivớinhững công trình thường xuyên chịutácdụng củalực đẩy ngang lớn thì khi giảmtrọng lượng của công trình cầncónhững biện pháp khác để đảm bảotínhổn định về trượt. II. Làm tăng độ mềm của công trình -Mục đích:Khinền móng lún không đềusẽ phát sinh ư/s phụ tại các liên kếtcủakếtcấu công trình, có thể phá hỏng kếtcấu. Làm tăng độ mềmcủa công trình (kể cả móng) sẽ khử đượccácứng suấtphụ. -Biện pháp: Có hai biện pháp: +Biện pháp khe lún. + Dùng kếtcấutĩnh định. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 4 2
3. 1- Biện pháp dùng khe lún -Tạinhững chỗ có chiềudầylớp đấtthayđổi độtbiếnvàtínhnéncủa đấtnền khác nhau lớn(Hình1),tạichỗ có thay đổilớnvề chiều cao công trình hoặc chênh lệch lớn về tảitrọng (Hình 2), tạivị trí có sự thay đổivề bố trí mặtbằng công trình (Hình 3) P2 P1 δ = 3-5cm -Yêu cầu: +Cầnhạnchế số lượng khe lún trong một công trình, vì mặcdùtácdụng kỹ thuậttốtnhưng tốn kém, thêm nhiềuvậtliệuxâydựng (phải làm thêm các tường ngăn ngang, dọctạichỗ bố trí khe lún, làm khớpnối v.v ), và quảnlýkhókhăn nhất là trong các công trình thuỷ lợi. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 5 +Cáckhớpnốibố trí ở các khe lún phảimềm mạivàchịu được độ chênh lún giữa hai bộ phận ở hai bên khe lún do đóphảitínhtoánkiểmtrakhớp nối. khớp nối là tấm đồng Ω -Khớpnốilàtấm đồng Ω: Thường dùng cho công trình thuỷ lợi -Khớp nối bằng chấtdẻo polime: Rộng 18cm; dầy0,4cm;mấu nhô 0,4cm; phầnuốn cong rộng khớpnp nốiib bằng ch ấttd dẻo 2,5cm. (Theo Sảnphẩmcủa Phòng kếtcấu–Viên polime NCKHTL-HN) +Chiềurộng khe lún phải tính toán vừa đủ để cho các bộ phận đã được tách ra không tựasát δ = 3-5cm bên nhau (làm nứtnẻ công trình) khi chúng bị lún không đềuhoặcbị nghiêng. Chiềurộng tốithiểu khe lún đượcxácđịnh theo công thức: δ θ θ = k.h.( tg p - tg tr ) (4.1) h:chiềucaokhelún θ θ p, tr: góc nghiêng củaphần công trình ở bên phảivàtráikhelún k:hệ số an toàn xét đến tính không đồng nhất của đấtnền, có thể lấy k = 1,3 - 1,5 Dùng khe lún để phân tách công trình NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 6 3
4. 2- Biện pháp kếtcấutĩnh định - Thay các liên kếtcứng giữacácbộ phậncủacôngtrìnhbằng liên kếtkhớphoặcliên kếttựacũng có tác dụng làm tăng độ mềmcủacôngtrìnhvàkhửđược ứng suấtphụ thêm phát sinh khi công trình bị biếndạng lệch. -Việc thay các liên kếtcứng bằng các liên kếtmềm(khớp, tựa) làm cho công trình có tính chấttĩnh định nên phần nào làm nó nặng nề thêm và kém phầnmỹ thuật. Do đó cần hết sức giảm bớt khớp nối mềm trong công trình. -Tốtnhấtlàdự tính đượccácyếutố biếndạng của công trình rồitừđótínhtoánnội lực trong kếtcấusiêutĩnh củacácbộ phận công trình. ∆S=SA-SB S SB A B A L NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 7 3- Tăng thêm cường độ cho kết cấu công trình * Mục đích, Yêu cầu: - Làm tăng thêm cường độ cho kếtcấu công trình để các bộ phậncủanó đủ sức chịu thêm các ứng lựcsinhradocôngtrìnhbị lún không đềulàmộtphương hướng chủ động tích cựckhithiếtkế công trình theo trạng thái giớihạncóxétđếntácdụng tương hỗ giữababộ phậncủamột công trình. - Không đượclàmảnh hưởng nhiều đến độ mềmcủa công trình * Biện pháp: - Trong các công trình dân dụng và công nghiệpngườitasử dụng các giằng bê tông cốt thép (giằng tường, giằng móng), (xem Hình) - Các giằng có tác dụng tăng cường khả năng chịu ứng suất kéo phát sinh khi tường chịuuốn mà không ảnh hưởng đến độ mềmcủa công trình. Giằng bê tông cốt thép - Tính toán kếtcấugiằng gia cường theo p/pháp dầm têtrênnền đàn hồi. Trong thiết kế thường lấy cốt thép cấutạolà5-15cm2. -Cóthể dùng biện pháp gia cố cụcbộđểtăng cường Giằng cốt thép độ chống cắtcụcbộ củatường hay củabộ phận công trình bằng cách đặtgiằng hoặc đặt thêm cốtthéptại những nơidựđoán có phát sinh ứng lựccắtlớn. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 8 4
5. §4.3 Các biện pháp về móng - Thay đổi chiều sâu chôn móng. - Thay đổi kích thước đáy móng. - Thay đổi loại móng và độ cứng móng. I. Thay đổi chiều sâu chôn móng - Cơ sở củaaph phương pháp: + Công thức tính sức chịu tải và cường độ tiêu chuẩn của nền có dạng chung là: γ pgh = A .b + Bq + Dc A, B, D: các hệ số phụ thuộc góc ma sát trong ϕ của đất. γ, c: trọng lượng riêng và lực dính đơn vị của đất. b: chiều rộng móng. q: tải trọng bên móng. Như vậy, khi tăng độ sâu đặt γ móng hm , tức là tăng (q = .hm), thì pgh khả năng chịutảicủanền(pgh) được γ tăng lên. q= .hm hm +Mặt khác, nền nói chung có độ chặttăng theo chiều sâu, nên khi hm o tăng là đã đặt móng tạilớp đấttốt hơn, do đó độ lún S giảm. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 9 - Xét các trường hợp thực tế: * Trường hợpcaotrìnhđặt móng thiếtkế không thay đổi: Do nhiều điềukiệnkhống chế, móng thường phải đặttạimột cao trình thiếtkế nhất định. . Bảo đảm được cao trình đặt móng thiếtkế (tứclàbảo đảm cao trình củacácbộ phận công trình) là mộtvấn đề rất quan trọng và khó khăn, nhấtlàđốivớinền đấtyếu. . Để giảmbớt độ chênh lệch giữacaotrìnhđặtmóng thiếtkế với cao trình đáy móng sau khi lún ổn định thì thường phải nâng cao trình đặt móng thiếtkế lên mộttrị số dự phòng, tính gần đúng theo công thức: Sdp =½(S + Stc ) (4.2) Sdp - độ nâng thêm củacaotrìnhdự phòng. S-độ lún ổn định do tính toán. hm Stc - độ lún xảy ra khi thi công. Sdp . Đốivới các công trình dân dụng công TK nghiệp xây trên nền đấtloạisétcóthể lấy: Sdp =0,7S (4.3) NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 10 5
6. * Nếu công trình có nguy cơ bị nghiêng, bị lún không đềuthìcóthể dùng biện pháp thay đổichiều sâu chôn móng để xử lý khi thiếtkế thi công (Hình 1). * Gặptrường hợptầng đấtyếucóchiều dày thay đổi nhiều, để giảm chênh lệch lún, có thểđặt móng ở nhiều cao trình khác nhau (Hình 2). P e NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 11 II. Thay đổi kích thước và hình dáng móng - Hiệuquả: +Thayđổitrựctiếpáplựctácdụng lên mặtnền, do đócảithiện được điềukiện chịutảicũng như biếndạng củanền. +Nếu công trình có nguy cơ bị nghiêng, bị lún không đềuthìcũng có thể dùng biện pháp thay đổichiềurộng móng để xử lý khi thiếtkế thi công (Hình 1). +Nếutầng đấtcóchiềudày chịu nén khác nhau, dùng biện pppháp thay đổichiều rộng móng để cân bằng lún cho toàn bộ công trình (Hình 2). P e NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 12 6
7. + Trường hợp đất nền có tính nén lún tăng theo chiều sâu thì việc mở rộng đáy móng thường không có tác dụng (Hình 3). III. Thay đổi loại móng và độ cứng của móng +Tuỳ tình hình phân bố tảitrọng tác dụng lên móng và điềukiện địachấtmàchọn móng cho thích hợp (móng đơn, móng băng, móng băng giao nhau, móng bản, móng hộp(cóđộ cứng lớn, nhẹ). +Khiđộ võng móng ΔS quá lớn thì phảităng độ cứng móng. + Để tăng cường độ cứng của móng có thể dùng các biện pháp: tăng chiều dày móng, tăng cốt thép dọc, kếthợpvớikếtcấuphần trên; dùng loại móng hộp, độ cứng lớnvànhẹ. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 13 §4.4 Các biện pháp xử lý nền I. Khái niệm ¾ Trường hợpcầnXLN:saukhiđãthayđổikếtcấuphần trên, đãmở rộng hợplýdiện tích đáy móng mà những điềukiệncần đảmbảokhithiếtkế (về cường độ,về biếndạng) không đượcthoả mãn thì mới phảixử lý nền, pmax nềnphảixử lý gọilànền đấtyếu. p min hm ¾ Phạmvinềnphảixử lý:làbộ phận đấtyếunằm ở lớp đấtmặt, thông thường lớp đất này có những đặc điểm o sau: *Chịu ứng suấtdotảitrọng truyềnxuống lớn Ha * Trong điềukiệntồntạitự nhiên có hệ số rỗng (ε) (σ ∼z) lớnhơn nhiềusovớilớp đấtnằm phía dưới. z *Chịu ảnh hưởng nhiềucáctácđộng từ bên ngoài. ¾ Mục đíchXLN: Các phương ppápháp xử lý hiệnnay đều nhằmcảithiện điềukiệncủa đấtnền: -làm tăng độ bền của đất, -giảm độ lún tổng và chênh lệch lún. Cụ thể là: *Giảm tính rỗng. *Tăng cường độ liên kếtgiữacáchạt. *Giảm tính thấmnướccủanền(đặcbiệt đ/vớicông trình thuỷ lợi). NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 14 7
8. ¾ Phân loại các phương pháp XLN: Hiện nay có nhiềuphương pháp, vấn đề quan trọng là làm sao chọn đượcphương pháp xử lý thích hợpchocácloại đất riêng biệt, thỏamãnđượcyêucầuthiếtkếđối với công trình, đồng thờirútngắn đượcthời gian thi công, giảm chi phí xây dựng, nâng cao tính hiệuquả của công trình. Nói chung có thể phân thành ba loạichủ yếu sau: 1) Thuộcloạibiện pháp cơ họccó:p.pháp làm chặtbằng đầm, p.pháp làm chặtbằng chấn động, p.pháp làm chặtbằng các loạicọc, p.pháp thay đất, p.pháp nén trước, p.pháp phản áp, v. v 2) Thuộcloạibiện pháp vậtlýcó:p.pháp hạ mựcnướcngầm, p.pháp giếng cát, p.pháp điệnthấm, p.p bấcthấm, vải địakỹ thuật, v. v 3) Thuộcloạibiện pháp hoá họccó:p.pháp keo kếtbằng xi măng, p.pháp si li cát hoá, p.pháp điện hoá v. v - Trong ch ương trình chỉ giớiithi thiệuum mộtts số biện pháp x ử lý n ền sau: . pp.đệm cát, . pp.cọc cát, . pp.nén trước, . các pp. lợi dụng thi công để xử lý nền. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 15 II.Phương pháp đệm cát 1- Nội dung và điều kiện áp dụng: -Nội dung: Thay lớp đấtyếunằm ngay dưới đáy móng chịu ứng suấtlớnbằng một đệmcátđể đủ sứcchịutảitrọng mà vẫntậndụng đượckhả năng củalớp đấtyếunằmdưới. -Ápdụng: thường trong các điềukiệnsau * Đất yếu là đất sét chảy (nếu dùng biện pháp đầm thì không lợi). * Chiều dày lớp đấtyếutương đốimỏng ( 3 - 6 m ). * Vậtliệucátdễ kiếm. * Đốivới công trình thuỷ lợi, do có độ chênh cộtnước, cầncóbiện pháp chống xói ngầm (dùng tường, bảncừ ) và phảichúýđếnhiệntượng hoá lỏng dưới tác dụng củatảitrọng động. 2- Hiệuquả: -Tăng sứcchịutảicủanền. - Giảm độ lún của móng công trình (vì đất cát có môđun biến dạng Eo lớn hơn của đất sét). -Giảm độ chênh lệch lún củamóng(vì có sự phân bố lại ứng suấtdotảitrọng ngoài gây ra trong đấtnềnnằmdướitầng đệmcát). -Giảmchiều sâu chôn móng, do đógiảm đượckhốilượng vậtliệu làm móng. -Tăng nhanh tốc độ cố kếtcủanền, do đólàmtăng nhanh sứcchịutảicủanềnvàrút ngắn quá trình lún. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 16 8
9. 3- Tính toán, thiếtkế tầng đệm cát: + Nguyên tắc tính toán: . Xác định kích thướccủatầng đệm cát bao gồmchiềudày(hc)vàchiềurộng đáy tầng đệmcát(bc), đảmbảo hai điềukiệnkỹ thuậtcơ bảnlà: - Đảmbảonền (sau khi có đệmcát)ổn định về mặtcường độ. - Đảmbảo độ lún củanền(saukhicóđệmcát)nhỏ hơn độ lún cho phép của công trình. . Để làm được điều trên ta phải tính thử dần; thông thường các bước tính toán đượctiến hành như dưới đây: a) Sơ bộ chọnkíchthước đệm cát: *Chọn hc: theo kinh nghiệmcóthể lấy vào khoảng0,5-3mcókhilà5-6m. b *Chọn bc: hiệnnayngườitaxácđịnh kích thướcchiềurộng đáy đệm cát theo góc mở α.Căncứ vào hiệntượng h khuyếch tán ứng suất trong nềnngườita m lấy α như sau: α α h α =30-350 đốivớicát. c 0 α =40-45đốivớidăm, sỏi. bc Có trường hợplấy α =60o Suy ra: α bc =b+2hc .tg (4.4) NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 17 ¾Sau khi chọnkíchthước đệmcát(hc, bc)thìtuỳ từng loại công trình và tình hình tác dụng củatảitrọng để kiểm tra theo các nội dung dưới đây : - Tính toán kiểm tra theo trạng thái giớihạn1(về cường độ, ổn định trượt). - Tính toán kiểm tra theo trạng thái giớihạn2(về biếndạng). ¾Đệmcátđược xem như mộtbộ phậncủa đấtnền nhiềulớp: lớpcátnằmtrên,lớp đấtyếunằmdưới. b) Trường hợp công trình chịu tác dụng của lực đẩy ngang: Š Cần tính toán ổn định của nền đã xử lý bằng đệm cát. - Cát có ma sát lớn nên móng không có khả năng trượtphẳng. - Khi tính toán nền theo ổn định (TTGH-1) cầnphảitiến hành kiểmtratrượtsâu theo phương pháp cung trượttrònvàtrượt sâu theo mặttiếp xúc giữa đáy đệmcátvà đỉnh lớp đấtyếu. (Khi tính toán, cầnkểđếnsự thay đổicácchỉ tiêu cường độ chống cắtcủa đấtnềndocố kếtnhờ có tầng đệm cát thoát nước). P T O γ hm q= .hm M r K = ∑ ct ≥ []K M hc ∑ gt NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 18 9
10. P T hm γ q= .hm hc -Khicầnphảikiểm tra theo TTGH-2: Độ lún củanềnvẫntínhbìnhthường đốivới nền nhiềulớp. Nếu được thi công đầmchặttốtthìcátcủatầng đệmsẽ có môđun biến dạng khá lớnvàokhoảng 12.000 – 20.000 kN/m2. Trong trường hợp đócóthể bỏ qua độ ép lún của tầng đệm cát. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 19 c) Tính toán đệm cát theo biếndạng củanền gồm các bước (theo TCXD): ε * Chọnhệ số rỗng nc củacát,từđó xác định môđun biếndạng E0 cát: Từ công thức độ chặttương đốicủa đấtcát: ε − ε -Tínhε , bằng cách khống chế D =0,70 ÷ 0,80: D = max nc nc ε − ε (4.5) ε ε ε ε max min nc = max - D( max - min ) ε Từ nc củacáttìmra E0 cát, có thể lấy theo bảng IV-1/tr.68. b * Kiểmtraứng suất đáy đệm cát: h Đệmcáttruyềnáplực đáy móng xuống tầng m đất thiên nhiên phía dưới trong mộtphạmvilớn α α hc hơndiện tích đáy móng. Để đảmbảotầng đất thiênnhiên dưới lớp đệmcát vẫncòn làmviệc σc σc zđ z trong giai đoạnbiếndạng tuyếntínhthìứng suất Ha thẳng đứng tác dụng lên lớp đấtyếu không được vượt quá áp lựctiêuchuẩn Rtc: σ c + σ c ≤ tc ( z zđ ) R (4.6) z NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 20 10
11. Bảng IV-1/tr.68: Các giá trị tiêu chuẩn của lực dính ctc , MPa, góc ϕ ma sát trong tc , độ, và môđun biến dạng Eo , Mpa của đất cát Giá trị của các đặc trưng khi hệ số rỗng LOẠI bằng CÁT Các đặc trưng 0,45 0,55 0,65 0,75 c 0,002 0,001 - Cát hạtthô tc ϕ 43 40 43 - và cát sỏi tc 50 40 50 Eo ctc 0,003 0,002 0,001 - ϕ Cát hạtvừa tc 40 38 35 - 50 40 30 - Eo ctc 0,006 0,004 0,002 - ϕ Cát hạtnhỏ tc 38 36 32 28 48 38 28 18 Eo ctc 0,008 0,006 0,004 0,002 ϕ Cát bụi tc 36 34 30 26 39 28 18 11 Eo NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 21 b σ c + σ c ≤ tc ( z zđ ) R (4.6) hm Trong đó: σ c α α h z : ứng suấttăng thêm tại đỉnh lớp đấtyếu. c σc zđ :ứng suấtbản thân của đất bao gồm đệmcáttừđỉnh lớp đấtyếutrở lên: σc σc zđ z σc γ γ Ha zđ = .hm + c.hc (4.7) Rtc :áplựctiêuchuẩncủa đấttại đỉnh lớp đấtyếu, Rtc = m(p¼) *Tínhlún:củalớp đấtkể cảđệm cát theo phương pháp tổng cộng từng lớp(đã trình bày z trong môn Cơ học đất): β n = i σ (4.8) = (4.9) S i zi hi S ∑ Si E0i i=1 - Độ lún tổng cộng tính theo công thức(4.9) không đượcvượt quá độ lún giớihạn: S ≤ S (4.10) - Nếu các tiêu chuẩnkiểm tra theo công thức gh (4.6) hoặc (4.10) không đảmbảo thì ta phải chọnlạikíchthước đệm cát, và các bướctính toán đượclặplại. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 22 11
12. d) Thi công tầng đệm cát Hiệuquả củatầng đệm cát phụ thuộcphầnlớnvàođộ chặtcủa nó. Khi thi công đệm cát phải đảmbảo độ chặtlớnnhất đồng thời không làm phá hoạikết cấu đất thiên nhiên dướitầng đệmcát.Thường gặp2trường hợp sau: - Khi hố đào khô: cát được đổ từng lớp dày 20 cm và đầmchặt(bằng đầm lăn, xung kích, chấn động). - Trừơng hợpmựcnướcngầmcao(mà không dùng biện pháp hạ mực nướcngầm): thì nên dùng biện pháp thi công trong nước(xỉalắccát,đầm dùi cho D = 0,7). NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 23 III. Phương pháp lèn chặt đất bằng cọc cát 1- Nội dung và điều kiện áp dụng: *Nội dung phương pháp: Hạ cọc vào trong đấtyếu, nhờ thể tích cọcchiếmchỗ mà đất đượclènchặtlại (nén chặt sâu). Đây cũng là cơ sởđểtính cọc sau này. Trong khuôn khổ môn họctachỉ nghiên cứu tính toán đốivớicọccát. * Thi công cọc cát: Các phương pháp thi công khác nhau chủ yếu ở cách tạolỗ: Tạolỗ dùng ống thép: đường kính vào khoảng 30 ÷ 50 cm. Mũicọcnhọnbằng thép gồm 4 cánh mắcbảnlề.Khiđang đóng ống thép xuống thì mũicọc khép lại, khi rútlênthìmũicọcmở ra (xem Hình 1). Mũicọccóthể làm bằng nút gỗ hoặc bê tông, sau khi hạống tạolỗ có thểđểlại trong đất(xemHình2). NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 24 12
13. Ống rỗng thường đượchạ xuống nền đấtbằng búa đóng cọchoặcbằng phương pháp chấn động tùy theo loại đất.Việc thi công cọc cát theo hai cách hạ ống thép như sau: - Đóng ống thép xuống tới cao trình thiếtkế,sauđórútlênrồinhồicátvàolỗ, đồng thời đầmtừng lớpmộtbằng búa treo, chiềudàymỗilớpkhoảng 1,0 m. → Thường dùng với đấtsétdẻo, dẻocứng (Hình 1). -Dùngchấn động hạống thép xuống tới độ sâu thiếtkế,nhồicátvàotừng lớp dầy khoảng 1,0 m, sau đó dùng chấn động để làm chặt lớp cát, rút ống lên khoảng 0,5 m cho cát tụtxuống. Cứ tiến hành như thếđốivớicáclớptiếp theo. → Thường dùng với đấtsétdẻochảy, đấtcáthạtnhỏ,mịn bão hòa nước (Hình 2). Hình 1 Hình 2 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 25 Tạolỗ bằng mìn nổ ép đất (theo chiều sâu cọc): sau đó đổ cát vào đầmtừng lớp. Với cách thi công này có thể tạo đượccọc cát dài khoảng 18 ÷ 20 m. Lưuýrằng, do chấn động khi nổ làm cho lớp đấttrêndàykhoảng 2 m bị tơira,cầncóbiệnpháp xử lý trượt khi làm móng. *Ápdụng: Trong xây dựng, phương pháp cọccátthường dùng để nén chặtcáclớp đấtyếu khá dầy(>2,0m),chịutảitrọng tương đốilớn. Như các loại đất cát nhỏ,cátbụi ở trạng thái bão hoà nước, đấtcátxenkẽ những lớp bùn mỏng, đấtdínhyếu, đất bùn và than bùn. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 26 13
14. 2- Hiệuquả: - Đấtnền đượclènchặtdothể tích cọccátchiếmchỗ trong đất trong phạmvi chiềudàicọc, độ ẩmgiảm; môđun biếndạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên. Vì thế biếndạng củanềngiảmvàcường độ tăng rõ rệt. -Cọc cát có tính nén lún không khác nhiềusovới tính nén lún của đất xung quanh nó, cho nên có thể coi cọc cát cùng chịutảitrọng với đấtnền xung quanh, và khi tính toán thì lớp đấtcócọccátđượccoilàmộtlớpnềncócácchỉ tiêu cường độ chống cắt ε γ tương ứng với độ chặtthiếtkế ( tk, tk). -Cọccátcótácdụng tăng nhanh tốc độ cố kếtcủa đấtnền. Phầnlớn độ lún của nền đấtcócọccátthường kết thúc trong quá trình thi công, làm cho công trình mau chóng đạt đếngiátrịổn định. -Về mặtkinhtế, cát dùng trong cọclàloạivậtliệurẻ hơnsovớicọclàmbằng vật liệucứng và không bịănmònnếunướcngầm có tính xâm thực. Biện pháp thi công cọc cát tương đối đơn giản, không đòi hỏi những thiết bị phức tạp. Vì những lý do trên mà giá thành xây dựng khi dùng cọccátthường rẻ hơnsovớimộtsố phương án xử lý khác. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 27 3- Tính toán thiếtkế: Nội dung thiếtkế: f . Xác định khoảng cách cọccát:c . Xác định số lượng cọc: n . Xác định chiều dài cọc: L a) Xác định (c): F * Giả thiết: . Độ giảmthể tích của đất(thể tích rỗng) bằng thể tích cọccátđưa vào. . Đấtnền không bị trồilênkhicócọc. c 3 . Đất đượclènchặt đềugiữacáccọc. 2 * Chứng minh: Bố trí cọc cát trên mặtbằng (xem Hình) 600 -Xétmộtlăng thểđấtcóđáy là tam giác đều, chiều c cao là L (mang tính đạibiểu). - Áp dụng công thức (4.13): ΔV ε − ε = 0 tk (4.13) + ε V 1 0 ε 0 –hệ số rỗng tự nhiên của đấtnền(khichưacócọccát): ε tk –hệ số rỗng thiếtkế của đấtnền (sau khi có cọccát): NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 28 14
15. Thể tích rỗng giảm: ε − ε ε − ε 1 c 3 ΔV = 0 tk V = 0 tk × c L lt + ε lt + ε 1 0 1 0 2 2 c 3 ε − ε c 2 3 2 = 0 tk × L (4.14) + ε 1 0 4 Thể tích c ọccátc cát đưa vào: c 1 πd 2 v = L (4.15) c 2 4 Cân bằng (4.14) và (4.15) sẽ được công thức tính khoảng cách cọc cát: π 1+ ε c = d . 0 (4.16) ε − ε 2 3 0 tk Giả sử rằng: trong quá trình lèn chặt, độ ẩm ω của đất không đổi thì từ (4.16) ta có: π γ c = d . tk (4.17) γ − γ 2 3 tk 0 d - đường kính cọc cát, d = 30 - 40 cm tuỳ theo đường kính tạo lỗ ε Cần phải chọn độ chặt thiết kế của nền đất sau khi xử lý cọc cát ( tk ): NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 29 - Đối với nền đất cát: ε ε ε ε tk = max - D( max - min ) (4.18) , Với D = 0,7 ÷ 0,8 - Đối với nền đất cát bụi: ε tk = 0,6 - 0,8 (ở trạng thái chặt vừa) (4.19) - Đối với nền đất sét bão hoà nước: γ ε = h (ω + 0,5 A) (4.20 ) tk 100 γ d n f b) Xác định n: ΔV ε − ε -Thể tích rỗng giảm trong cả nền cọc: Từ F = 0 tk + ε F VF 1 0 ε − ε ΔV = o tk × FL (4.21) F ε 1 + o -Thể tích 1 cọc cát: vc = f.L, (4.22) với f = π.d2/4 ΔV F ε − ε n = F = . 0 tk (4.23) -Vậy số lượng cọc n: + ε vc f 1 0 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 30 15
16. c) Xác định L : Có thể dựa trên hai cơ sở: ≥ -Khống chế về mặt biến dạng: lấy L Ha với Ha là chiều sâu vùng nền ảnh hưởng lún. -Khống chế về mặt cường độ, ổn định: lấy L > độ sâu lớn nhất của vùng nền trượt. Trị số L còn phụ thuộc vào khả năng của phương tiện đóng nhổ ống thép. Hiện nay chưa có phương pháp chính xác tìm chiều dài cọc L. II P gh b II T gh hm b h Ha L m Hmax L σ ∼ ( z z) z NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 31 IV. Phương pháp nén trước 1- Nội dung và trường hợp áp dụng: a) Nội dung phương pháp: - Trướckhixâydựng công trình dùng các loạivậtliệu(cát,sỏi, gạch, đá v.v ) chất đống lên mặt đất trong phạmvixâydựng móng để gây ra mộtáplực nén (gọilàáplực nén trước)tácdụng lên mặtnền, làm cho đấtnềnbị lún do đó đất đượcchặtlại. Khi đấtnền đạt được độ chặtyêucầu, ngườitadỡ áp lực nén trướcrồitiến hành xây dựng công trình. Lúc này nền công trình vừacócường độ đạt yêu cầuvừa có tính nén lún nhỏ. b) Áp dụng: pnt -Phương pháp thường được dùng đốivới đất sét và sét pha cát ở trạng thái chẩy; phạmvi nền không lớn. - Trong thựctế xây dựng, các lớp đấtloại sét có tính nén lún lớn, cố kếtbìnhthường nằm ở một độ sâu giớihạnvàlúncố kếtlớncóthể xảyradoviệcxâydựng các tòa nhà lớn, đường hay đập đất thì phương pháp nén trướccóthểđượcsử dụng để giảm thiểu lún sau khi xây dựng. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 32 16
17. c) Cơ sở lý thuyết: ™ Phương pháp nén trướcdựatrênquyluậtgiảm tính nén lún của đấtdướitácdụng củatảitrọng (quan hệ e∼p). 2- Hiệu quả: e ™ Đất sau khi nén trướccótínhnénlúnnhỏ;hệ eo số rỗng (e)vàhệ số nén (as ptk . Đảmbảo không phá hoạinền,bằng cách tăng tảitrọng từng cấp, khống chế tốc độ tăng tải nén trướcsaochonền không bị phá hoại. 9Chọn(tnt):Liên quan tới quá trình cố kếtcủa đấtvàtiến độ xây dựng công trình. Cả hai đạilượng cần tìm lại có quan hệ mậtthiếtvới nhau. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 33 ™ Trong thựctế,nếu đấtnền là sét bão hòa nước và có tính nén lớndiễnratrongthời gian dài, dùng biện pháp nén trướcvẫn không đảmbảoyêucầuthiếtkế thì có thể áp dụng kếthợpbiện pháp giếng cát. A- Trường hợp không có giếng cát: Áp dụng lờigiảicủa bài toán cố kếtmộthướng để tìm thờigiantnt,vàtảitrọng nén trước pnt .(XemChương 6, Cơ Học Đất) = St Qt (4.24) S = () Qt f Tv (4.25) trong đó = Cvt Tv = nhân tố thời gian Tv (4.26) H 2 Cv = hệ số cố kết t = thời gian H =chiều dài đờđường thấm NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 34 17
18. B- Trường hợp cần có giếng cát: Nếu (tnt) tìm được theo trường hợp trên quá lớn, không đạt yêu cầu; hoặc cần xét làm Với thời gian yêu cầu tnt mà độ lún Stnt giếng cát kết hợp quá nhỏ Trường hợp này thuộc bài toán cố kết thấm 3 hướng, đối xứng trục, có công thức: Qt = 1 - (1 - Qtz) (1 - Qtr) (4.27) Trong đó: Qt - độ cố kết chung của nền Qtz - độ cố kết của nền không có 2r giếng cát, tính theo lý thuyết cố kết thấm một H hướng, theo chi ều đứng (z). Qr - độ cố kết của nền có giếng cát theo hướng xuyên tâm (r). R NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 35 C k (1+ ε ) Q = f (T ) T = v t C = z 0 (4.28) tz z z 2 v γ H Cc n R C k (1+ε ) Q = f (T , n = ) T = r t C = r 0 (4.29) tr r r 2 r γ r 4R Cc n Trong đó: H -chiều dài giếng cát R -khoảng cách giữa các tim giếng cát r - bán kính giếng cát 2r H R NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 36 18
19. t + Công thức kinh nghiệm kết hợp quan trắc: S = S = f (t) (4.30) t a +t Trong đó: t -thời gian nén trước α -hệ số kinh nghiệm - Trị số S xác định từ tài liệu quan trắc lún S α = t − t trong quá trình nén trước theo các công S 1 1 thức: t1 t − t S = 2 1 Với S là độ lún thựctếđo được ứng với t t t t1 1 α = S − 2 − 1 (t1 ứng vớicấpáplựccuối cùng). t2 t2 St 2 St1 St 2 p (4.31) t1 t2 t St1 St2 S(mm) NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 37 V. Dùng biện pháp thi công để xử lý nền Tuỳ tình hình thực tế, có thể lợi dụng biện pháp thi công để xử lý nền rất có hiệu quả. Dưới đây nêu ra ba biện pháp nhằm cải thiện đất nền. 1- Nén chặt đất bằng cách hạ thấp mực nước ngầm: * Khi thi công các công trình ở những nơi có mực nước ngầm cao, có thể dùng biện pháp hạ mực nước ngầm để làm khô hố móng. Khi hạ thấp mực nước ngầm thì đất trong ph ạm vi thay đổimi mựcnc nướccng ngầmms sẽ được nén ch ặttl lạiidoápl do áp lực nén tăng lên tương ứng. (xem Hình). - Trong điều kiện tự nhiên, khi mực nước ở cao trình 1 thì tại cao trình 2 đất chịu áp lực thẳng đứng là: γ γ p1 = ω h1 + đn h2 (4.32) -Khi hạ thấp mực nước ngầm đến cao trình 2 thì áp lực tại đó là: γ γ γ p2 = ω (h1 + h2) = ωh1 + ωh2 (4.33) NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 38 19
20. Như vậy p2 lớn hơn p1 một lượng là: Δ γ γ p = p2 - p1 = ( ω - đn) h2 (4.34) Trong đó: γω: trọng lượng riêng của đất ở trạng thái tự nhiên có độ ẩm ω. γ đn: trọng lượng riêng đẩy nổi của đất ngập nước. * Đấttự nhiên có trọng lượng riêng vào khoảng 18 - 20 kN/m3.Vìthế theo công thức (4.34), khi hạ thấpmựcnướcngầm, áp lựcnénthẳng đứng tăng lên vào khoảng 100 kN/m2 ứng với độ hạ thấpmựcnướcngầm là 10 m. Ngoài ra, khi hút nước để hạ mựcnướcmgầmthìđấtcònchịutácdụng củaáplựcthủy động hướng xuống làm cho đấtchặt thêm. Biện pháp này có thể dùng để nén chặt đấtloạisét,đấtcátbồi tích. NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 39 2- khống chế tốc độ thi công để cải thiện điều kiện chịu lực của nền: -Tốc độ thi công công trình về mặtcơ họclàtốc độ tăng tảitrọng lên nền đất. Các đấtsétyếucóhệ số rỗng và độ ẩmtự nhiên lớnthìsứcchống cắtrấtnhỏ, khi xây dựng trên các loại đất ấycóthể khống chế tốc độ thi công trong giai đoạn đầu để làm tăng sứcchịutảicủanền. - Theo lý thuyếtcố kết thì quá trình lèn chặt đất dính bão hoà nước là quá σ trình ứng suất trung hoà (ut)giảm đivàứng suấthiệuquả ( 't)tăng lên. Mặt khác, σ theo lý thuyết Coulomb thì cường độ chống trượtcủa đấttỷ lệ với 't: τ σ ϕ σ σ = 't tg +c,với 't = -ut Như vậy, tốc độ tăng tải càng chậm thì càng có thờigianđể đạttrị sốứng σ suất 't lớnvàsứcchịutảicủanềntăng. * Để làm rõ, có thể lấykếtquả thí nghiệm sau đây: NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 40 20
21. - Hình (a) biểuthị tốc độ thi công (σ ~ t) - Hình (b) là quan hệ giữa độ rỗng của đấtvàáplực(n ~ σ) - Hình (c) là quan hệ giữacường độ chống cắtcủa đấtvàáplực(τ ~ σ). σ ƒ Theo lý thuyếtcố kết, nếutăng tảitrọng độtngộttừ trị số áp lực0đếnáplực c (đường 1a) thì nước trong lỗ rỗng của đấtchưakịp thoát ra, nền đấtchưabị nén chặt, nên sự thay đổi độ rỗng và cường độ chống cắt đượcbiểuthị bằng đường 1b và 1c. Nếutăng tảitrọng đềutrong suốtthời gian thi công (đường 2a) thì tính nén và cường độ chống trượtcủa đất đượcbiểuthị tương ứng bằng đường 2b và 2c. Đối với đất sét yếu, lượng ngậmnướccao,nêntăng tảitheođường 3a: thờigian đầu thi công chậm để cho mức độ cố kếttăng lên tương ứng với độ tăng áp lực. Sau σ khi đạt đếntrị số t, độ cố kếtcủa đấtnền đã khá cao, cường độ chống cắtkhálớn thì bắt đầutăng nhanh tốc độ thi công (đường 3b và 3c). a) b) c) NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 41 3- Thay đổi tiến độ thi công để cải thiện điều kiện biến dạng của nền: -Một trong những nguyên nhân gây ra chênh lệch lún giữacácbộ phậncủa công trìnhlàdonền đất không đồng nhất (theo mặtbằng). Đốivớinhững công trình rộng thì nguyên nhân này thường là phổ biến. Trong trường hợpnàycầnphải nghiên cứulát cắt địachấtvàlợidụng quá trình thi công để xử lý nền. Về nguyên tắc, những bộ phận công trình nằmtrênphầnnềncótínhnénlớnthìcần thi công sớmhơn. Cần theo dõi sự tiếntriểnlúncủacácbộ phậnnàyđể bắt đầu thi công những bộ phậntiếp giáp. Phương phápnàày được áp dụng rất có hiệuquả khi thi công đê, đập đất, đập đất đá hỗnhợp. Trong thựctếđãcónhững đoạngiữanền đập đấtthuộcloại bùn có độ lún tính toán lớncònở hai đầulànềntốt nên độ lún nhỏ thì ngườitaquyết định thay đổi trình tự thi công như sau: đắp đất đoạngiữatrướcsauđómới đắp hai đầu. Sau khi thi công, bằng quan trắcthựctế ngườitađãchứng minh biện pháp này có hiệuquả tốt. - Đốivới công trình có móng cứng cầnkếthợpvớibiện pháp làm khe lún. Giai đoạn 2 Giai đoạn 2 Giai đoạn 1 Vùng đất yếu NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 42 21
22. Kết thúc chương 4 NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH NỀN MÓNG 43 22