BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC CÁT

Đặc điểm và phạm vi ứng dụng: Nén chặt đất bằng cọc cát là một phương pháp có hiệu quả khi xây dựng các công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày lớn.. Dưới tác dụng

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN

BẰNG CỌC CÁT

THUỘC ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐỂ ĐẮP ĐÊ BẰNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG VÀ ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU TỪ QUẢNG NINH ĐẾN QUẢNG NAM”

Mã số: 05 Thuộc chương trình: NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ PHỤC VỤ XÂY

DỰNG ĐÊ BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN

Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Nguyễn Quốc Dũng

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam

7579-11

22/12/2009

Hà Nội 2009

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng: 2

1.2 Nguyên lý làm việc của cọc cát: 2

1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp: 2

1.3.1 Ưu điểm: 2

1.3.2 Nhược điểm: 2

2 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC CÁT 2

2.1 Xác định khoảng cách cọc cát C: 2

2.2 Xác định số lượng cọc n: 4

2.3 Xác định chiều dài cọc cát L: 4

2.4 Bố trí cọc cát 4

2.5 Xác định chiều sâu nén chặt của cọc cát 8

2.6 Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát 9

2.7 Kiểm nghiệm độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát 9

3 TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT THI CÔNG CỌC CÁT: 11

3.1.Vật liệu và yêu cầu về vật liệu 11

3.2 Thiết bị và yêu cầu về thiết bị 11

3.3 Trình tự thi công: 12

1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng:

Nén chặt đất bằng cọc cát là một phương pháp có hiệu quả khi xây dựng các công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày lớn Khi chiều dày lớp đất yếu lớn hơn 2m có thể dùng cọc cát nén chặt được Không nên dùng cọc cát trong trường hợp đất quá nhão (khi hệ số rỗng nén chặt ε>1) cọc cát không thể lèn chặt đất

1.2 Nguyên lý làm việc của cọc cát:

Cọc cát làm cho độ lỗ rỗng, độ ẩm của đất nền giảm đi, trọng lượng thể tích, môdun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên

Vì nền đất được nén chặt lại, do đó sức chịu tải được tăng lên, độ lún và biến dạng không đồng đều của đất nền dưới đế móng các công trình giảm đi một cách đáng

kể

Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc

1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp:

1.3.1 Ưu điểm:

- Khi dùng cọc cát, trị số môdun biến dạng ở trong cọc cát cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm Vì vậy, phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên Tính chất này hoàn toàn không thể có được khi dùng các loại cọc cứng

- Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định

- Cát dùng trong cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với gỗ, thép, bê tông cốt thép và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực

- Biện pháp thi công cọc cát tương đối đơn giản

1.3.2 Nhược điểm:

- Phương pháp này không áp dụng được cho những vùng đất nền quá nhão (hệ

số rỗng ε>1);

- Sức chịu tải của cọc đơn hoặc một nhóm Cọc vât liệu rời khá hạn chế vì chúng hay bị phình Một nhóm nhỏ cọc vật liệu rời có thể bị phá huỷ theo nhiều kiểu, từ kiểu đâm thủng đơn giản đối với các cọc ngắn, kiểu phá huỷ do nén dọc trục đối với các cọc dài, đến kiểu bị oằn do cắt của các cọc vật liệu rời ngoại vi

2 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC CÁT

Trong trường hợp việc sử dụng cọc cát chứng minh được hiệu quả, thì trình bày chỉ dẫn thiết kế theo trình tự sau:

2.1 Xác định khoảng cách cọc cát C:

Khoảng cách cọc cát được xác định trên cơ sở giả thiết:

- Độ ẩm của đất trong quá trình nén

chặt là không đổi

- Đất được nén chặt đều trong

khoảng cách các cọc cát

- Thể tích của đất nén chặt giới hạn

trên bề mặt tam giác đều ABC

(hình 2-1) giữa các trục của cọc

cát, sau khi nén chặt sẽ giảm một

thể tích bằng nửa thể tích cọc cát

Hình 2-1: Sơ đồ bố trí cọc cát

Xét một lăng thể đất có đáy là tam giác đều cạnh là C, chiều cao h khoảng cách giữa các cọc Áp dụng công thức:

o

tk 0

1 V

V

ε +

ε

− ε

=

Thể tích rỗng giảm:

h 4

3 C 1

h 2

3 C C 2

1 1

V 1

V

3

o

tk 0 o

tk 0 o

tk 0

ε +

ε

− ε

= ε

+

ε

− ε

= ε +

ε

− ε

=

Thể tích cọc cát đưa vào:

h 4

d 2

1 V

2 c

π

=

Cân bằng (2-2) và (2-3) sẽ được công thức tính khoảng cách các cọc cát:

tk 0 0

1 3 2 d C

ε

− ε

ε + π

Giả sử trong quá trình lèn chặt, độ ẩm của đất W không đổi thì từ (2-4) ta có:

o tk

tk

3 2 d C

γ

− γ

γ π

Trong đó:

+ d: Đường kính cọc cát;

+ ε0, γ0: Hệ số rỗng và dung trọng tự nhiên của đất nền trước khi có cọc cát; + εtk, γtk: Hệ số rỗng và dung trọng của đất nền sau khi có cọc cát (được xác định qua tính toán đối với từng loại đất);

• Đối với nền đất cát:

εtk= εmax-D(εmax-εmin) (2-6) Với D là độ chặt tương đối D=0,7-0,8

• Đối với nền đất cát bụi:

εtk=0,6-0,8 (ở trạng thái chặt vừa)

• Đối với nền sét bão hoà nước:

) 5 , 0 (

n

h

tk = ω +

γ

γ

A=ωch-ωd

Trong đó:

+ εmax, εmin - Hệ số rỗng của cát ở trạng thái rời nhất và chặt nhất xác định bằng thí nghiệm

+ γh: Dung trọng hạt của đất nền;

+ γn: Dung trọng của nước;

+ ωd: Giới hạn dẻo của đất;

+ ωch: Giới hạn chảy của đất

2.2 Xác định số lượng cọc n:

0

0

1

. ε

ε ε +

−

f

F

Trong đó:

+ F: Diện tích đất nền cần được xử lý bằng cọc cát;

+ f: Diện tích cọc cát

Diện tích nền được nén chặt thường lấy lớn hơn diện tích đế móng để đảm bảo nền đất được ổn định dưới tác dụng của tải trọng công trình Theo kinh nghiệm thiết

kế, chiều rộng mặt bằng của nền nén chặt thường lấy lớn hơn chiều rộng móng 0,2b và diện tích Fnc của nền được nén chặt có thể tính theo công thức sau đây:

Trong đó:

a,b - chiều dài và chiều rộng đế móng;

2.3 Xác định chiều dài cọc cát L:

Xác định chiều dài cọc cát trên 2 cơ sở:

+ Khống chế về mặt biến dạng: L≥Ha, với Ha là chiều sâu vùng nền chịu ảnh hưởng lún;

+ Khống chế về mặt cường độ, ổn định: lấy L> độ sâu lớn nhất của vùng nền trượt L còn phụ thuộc khả năng của phương tiện đóng nhổ ống thép Hiện nay chưa có phương pháp chính xác tìm chiều dài cọc L

2.4 Bố trí cọc cát

Cọc cát thường được bố trí theo đỉnh lưới hình tam giác đều Đó là sơ đồ bố trí hợp lý nhất đảm bảo đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc Khoảng cách giữa các cọc còn có thể xác định bằng tính toán vẫn dựa vào những giả thiết cơ bản như trong phần xác định khoảng cách giữa các cọc ở trên

- Thể tích của các hạt đất trước và sau khi nén chặt xem như không đổi, nếu bỏ qua tính nén bản thân của các hạt

Dựa vào những giả thiết đã trình bày, chúng ta có thể viết:

0

2 2

0

2

1 8

d C 4 3 1

C 4 3

ε +

π

−

= ε

Trong đó:

C - khoảng cách giữa các cọc cát;

dc - Đường kính cọc cát

nc 0 0

1 ε

− ε

ε

Hoặc có thể viết công thức (2-7) dưới dạng sau đây:

γ

− γ

γ

nc

Trong đó:

γnc - Trọng lượng thể tích của đất được nén chặt;

γnc = (1 0,01W)

ε +

∆

(2-13)

W - độ ẩm thiên nhiên của đất trước khi nén chặt;

γ - Trọng lượng thể tích của đất thiên nhiên trước khi được nén chặt

Từ công thức (2-8) có thể biến đổi viết dưới dạng đơn giản hơn:

v 1

1

Trong đó:

v =

nc

γ

γ (2-15)

Trị số C trong công thức (2-14) phụ thuộc vào dc và v, có thể tra biểu đồ đề nghị của Hoàng Văn Tân (hình 2-2)

Hình 2-2: Biểu đồ xác định khoảng cách giữa các cọc cát Theo chỉ dẫn thiết kế cọc cát, đối với nền đất yếu bão hoà nước ở Liên Xô, khoảng cách giữa các cọc cát được xác định căn cứ vào chiều sâu nén chặt

Khi chiều sâu nén chặt Hnc bằng chiều dày vùng chịu nén H của lớp đất, trị số C

có thể tính theo công thức sau đây:

C = [ ]

c

d 1 S

S 3

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

Trong đó:

[S] - trị số độ lún cho phép của công trình, có thể lấy theo qui phạm thiết

kế hoặc căn cứ vào tính chất của công trình mà quyết định

S - trị số độ lún của nền đất thiên nhiên dưới công trình khi chưa có cọc cát

S = η 2

tc

R

η - hệ số độ lún của lớp đất thiên nhiên, phụ thuộc vào trọng lượng thể tích trung bình của đất, có thể tra ở bảng 2-1

Bảng 2-1: Hệ số η

γ (t/m3) 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9

η (m4/t2) 10 6,7 4,5 3 2 1,4 0,9 0,6 0,4 0,3 0,2

F - diện tích đế móng (m2)

Rtc - áp lực tiêu chuẩn của đất nền khi chưa có cọc cát:

Rtc = m[(Ab+Bh)γ+Dctc] (2-18)

m - hệ số điều kiện làm việc, được qui định như sau: khi mực nước ngầm nằm cao hơn đế móng và dưới đó là lớp cát bụi thì m = 0,6 và nếu là lớp cát nhỏ thì m= 0,8; các trường hợp còn lại đều lấy m = 1

A, B và D - những hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào góc ma sát trong tiêu chuẩn φtc của đất, lấy theo bảng 2-2:

Bảng 2-2: Các hệ số A, B và D

10 0,18 1,73 4,17 34 1,55 7,21 9,21

12 0,23 1,94 4,42 36 1,81 8,25 9,98

b - chiều rộng đế móng, nếu đế móng hình tròn hoặc hình đa giác, có thể dùng công thức b = F để tính toán

h - chiều sâu chôn móng, tính từ mặt đất thiên nhiên hoặc từ cao trình thiết kế đến đế móng

γ - trọng lượng thể tích của đất

Ctc - Lực dính tiêu chuẩn (lực dính đơn vị) của đất

Khi Hnc<H, ta có

C = ( [ ] )

c

S

S S 3

⎥⎦

⎤

⎢⎣

(2-19) Trong đó:

S0 - trị số độ lún của lớp đất thiên nhiên nằm trong phạm vi chiều sâu (H-Hnc) và được xác định theo các công thức tính lún thông thường; trong đó môdun biến dạng của lớp đất này được tính toán theo công thức sau đây:

E0 =

tc

0

R

a

a0 - Hệ số không thứ nguyên, có thể lấy bằng 0,87 đối với móng hình vuông và 0,66 đối với móng băng

Để bảo đảm nền đất được ổn định về phương diện biến dạng cũng như khả năng chịu tải, cọc cát thường được bố trí không những ở dưới móng mà còn ở phạm vi ngoài

đế móng

Theo kinh nghiệm thiết kế, số lượng hàng cọc cát bố trí theo hướng dọc và hướng ngang dưới đế móng thường lấy lớn hơn 3 hàng, trong đó trục của hàng cọc ngoài lấy rộng hơn kích thước mặt bằng đế móng một khoảng cách lớn hơn 1,5lần đường kính cọc hoặc 0,1 lần chiều dài cọc

Theo kinh nghiệm xây dựng ở nước ngoài, đường kính cọc cát thường dùng 40÷60cm Ở nước ta, theo kinh nghiệm bước đầu của Bộ Kiến trúc, có thể dùng hai loại đường kính cọc: đường kính cọc cát cỡ nhỏ có thể chọn 10÷20cm và đường kính

cỡ lớn 20÷40cm

Cọc cát chỉ có tác dụng nén chặt theo chiều sâu, nếu số lượng cát chứa đầy trong cọc đáp ứng được yêu cầu độ chặt cần thiết theo thiết kế

Trọng lượng cần thiết trên một mét dài của cọc được xác định theo công thức sau đây:

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ + ε +

∆

100

W 1 1

nc

Trong đó:

∆ - Trọng lượng riêng của cát dùng trong cọc;

W1 - Độ ẩm tính theo trọng lượng của cát trong thời gian thi công

2.5 Xác định chiều sâu nén chặt của cọc cát

Chiều sâu nén chặt Hnc của cọc cát có thể lấy bằng chiều sâu vùng chịu nén H ở dưới đế móng Chiều sâu vùng chịu nén được xác định xuất phát từ điều kiện ứng suất nén ở độ sâu ấy nhỏ hơn một giới hạn nhất định Theo qui phạm Liên xô thì chiều sâu

H của vùng chịu nén được xác định từ điều kiện sao cho ứng suất nén σz ở đáy không lớn hơn 0,5 lần áp lực của bản thân đất σ*

z , tức là:

σz ≤ 0,5σ*

Một số tác giả khác đề nghị lấy vùng chịu nén đến độ sâu mà ở đó:

Trong đó:

p - áp lực gây lún ở dưới đế móng Chiều sâu vùng nén chặt xác định theo cách trên hoàn toàn chỉ có tính chất qui ước Đúng hơn cả là nên xác định theo điều kiện đất nền thực tế không còn biến dạng dưới tác dụng của áp lực do công trình truyền xuống

Chiều sâu vùng chịu nén còn có thể xác định một cách gần đúng theo phương pháp lớp đất tương đương của giáo sư N.A.Txưtovits:

Trong đó:

hs - chiều dày lớp đất tương đương

Aω - hệ số lớp tương đương, phụ thuộc vào hệ số Poatxông µ0, hình dạng đế móng và độ cứng của móng, tra bảng 2-3

Đối với nền đất sét yếu ở trạng thái bão hoà nước, chiều sâu vùng nén chặt có thể lấy đến giới hạn khi ứng suất phụ thêm do tải trọng ngoài gây nên có giá trị vào khoảng 0,2-0,3kg/cm2

Nói chung trong mọi trường hợp, chiều sâu nén chặt có thể lấy lớn hơn hai lần chiều rộng móng, đối với móng hình chữ nhật và lớn hơn ba đến bốn lần, đối với móng băng

2.6 Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát

Theo kinh nghiệm của nước ngoài, sức chịu tải tính toán của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát có thể lấy lớn hơn từ hai đến ba lần sức chịu tải của nền đất thiên nhiên khi chưa gia cố Đối với nền đất sét hoặc đất bùn, theo kết quả thực nghiệm, sau khi nén chặt bằng cọc cát, sức chịu tải tính toán của nền đất có thể lấy trong phạm vi 2-3kG/cm2

Muốn kiểm nghiệm lại sức chịu tải sau khi nén chặt, có thể dùng công thức (2-20) hoặc có thể tiến hành thí nghiệm tải trọng tĩnh ở hiện trường

Diện tích bàn nén thí nghiệm không nên lấy nhỏ hơn 4,0m2

Khi áp dụng công thức (2-20) thì các chỉ tiêu tính toán như γ, c, ϕ … có thể xác

định qua một số lỗ khoan kiểm nghiệm tiến hành sau khi đóng cọc cát hoặc dùng các chuỳ xuyên tiêu chuẩn

Trong trường hợp không có điều kiện thí nghiệm tải trọng tĩnh hoặc khoan lấy mẫu thí nghiệm, các chỉ tiêu c, ϕ và E0 có thể tra bảng cho trong qui phạm, dựa vào hệ

số εnc bảng 2-4

Bảng 2-4: trị số lực dính đơn vị c(t/m2), góc ma sát trong ϕ(độ), môdun biến dạng

E0(kG/cm2) của đất cát không phụ thuộc vào nguồn gốc và tuổi của chúng

Chỉ dẫn bảng 2-5: chỉ số độ sệt B của đất sét được xác định theo công thức sau đây:

B =

L c

L

W W

W W

−

− (2-26) Trong đó:

W - Độ ẩm thiên nhiên;

Wc - Độ ẩm giới hạn chảy;

WL - Độ ẩm giới hạn lăn

Bảng 2-3: Hệ số Aω

b

a

µ 0 = 0,10 µ 0 = 0,20 µ 0 = 0,25 µ 0 = 0,30 µ 0 = 0,35 µ 0 = 0,40 1,0 1,13 0,96 0,89 1,2 1,01 0,94 1,26 1,07 0,99 1,37 1,17 1,08 1,58 1,34 1,24 2,02 1,71 1,58 1,5 1,37 1,16 1,09 1,45 1,23 1,15 1,53 1,3 1,21 1,66 1,4 1,32 1,91 1,62 1,52 2,44 2,07 1,94

2 1,55 1,31 1,23 1,63 1,39 1,3 1,72 1,47 1,37 1,88 1,6 1,49 2,16 1,83 1,72 2,76 2,34 2,20

3 1,81 1,55 1,46 1,90 1,63 1,54 2,01 1,73 1,62 2,18 1,89 1,76 2,51 2,15 2,01 3,21 2,75 2,59

4 1,99 1,72 1,63 2,09 1,81 1,72 2,21 1,92 1,81 2,41 2,09 1,97 2,77 2,39 2,26 3,53 3,06 2,90

5 2,13 1,85 1,74 2,24 1,95 1,84 2,37 2,07 1,94 2,58 2,25 2,11 2,96 2,57 2,42 3,79 3,29 3,10

6 2,25 1,98 - 2,37

2,09 - 2,50 2,21 - 2,72 2,41 - 3,14 2,76 - 4,00 3,53 -

7 2,35 2,06 - 2,17

2,18 - 2,61 2,31 - 2,84 2,51 - 3,26 2,87 - 4,18 3,67 -

8 2,43 2,14 - 2,56

2,26 - 2,7 2,40 - 2,94 2,61 - 3,38 2,98 - 4,32 3,82 -

9 2,51 2,21 - 2,64

2,34 - 2,79 2,47 - 3,03 2,69 - 3,49 3,08 - 4,46 3,92 -

và lớn

hơn 2,58 2,27 2,15 2,71 2,40 2,26 2,86 2,51 2,38 3,12 2,77 2,60 3,58 3,17 2,98 4,58 4,05 3,82

Aω Aω 0 Aω m Aω const Aω 0 Aω m Aω const Aω 0 Aω m Aω const Aω 0 Aω m Aω const Aω 0 Aω m Aω const Aω 0 Aω m Aω const

Các ký hiệu trong bảng 2-3:

a - chiều dài đế móng Aω0 - hệ số lớp tương đương dùng để xác định độ lún lớn nhất ở tâm đáy móng mềm

b - chiều rộng đế móng Aωm - hệ số lớp tương đương dùng để xác định độ lún trung bình của các móng cứng

µ0 - hệ số Poatxông của đất Aωconst - hệ số lớp tương đương dùng để xác định độ lún các móng tuyệt đối cứng