Thiết kế hố móng sâu

Trong các môn học của ngành Xây dựng thì Chuyên đề thi công hố móng sâu là 1 môn học hay, cung cấp cho sinh viên một lượng kiến thức cực kỳ hữu ích. Sau khi học xong môn này sinh viên sẽ được giảng viên phát đề bài làm báo cáo thu hoạch. Tài liệu này sẽ giúp các bạn sinh viên tham khảo để làm báo cáo thu hoạch được tốt hơn đồng thời hiểu rõ hơn về hố móng sâu, một dạng bài toán phức tạp trong xây dựng mà hầu như các bạn sau này hành nghề đều gặp phải

CHUYÊN ĐỀ THI CÔNG

Đề tài: THIẾT KẾ HỐ MÓNG SÂU

Qui mô công trình:

Thiết kế hố móng với bề rộng B=84m, chiều dài L=150m và sâu h=6m

Số liệu địa chất được cho theo bản vẽ bên dưới:

I ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT VÀ LẬP CĂN CỨ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN

1 Đánh giá điều kiện địa chất

• Nền đất gồm hai lớp bùn sét rất dày (37m) bên trên có đặt tính cơ lý rất yếu: γ=1.45-> 1.5 T/m2; φ=2->40; c =0.02kg/cm2

• Lớp đất 3 là cát chặt có đặt tính cơ lý tốt ( γ=1.9 T/m2; φ=250) nhưng lại ở rất sâu (-37m)

• Chiều sâu hố móng là 6m và mặt bằng hố móng rất rộng (BxL=84x150m) trên lớp bùn sét yếu nên khối đất bị trượt tính theo điều kiện ổn định tổng thể là rất lớn Điều này đòi hỏi kết cấu chống đỡ phải có khả năng chịu lực lớn để không bị phá hoại bởi nột lực do áp lực đất gây ra Mặc khác kết cấu chống đỡ phải có độ sâu đủ lớn để có thể ngăn chặn tất cả những mặt trượt nguy

1

hiểm có hệ số an toàn K<1.5, như vậy mới đảm bảo kết cấu chống đỡ không

bị trượt theo cùng với tòan bộ khối đất

• Bên cạnh đó, kết cấu chống đỡ hố móng phải đảm bảo về chống trượt, chống lật, độ chuyển vị giới hạn cho phép, nền đất dưới chân kết cấu không bị phá họai theo điều kiện giới hạn 2

• Để chọn ra được các phương án khả thi, trước tiên ta cần xác định được chiều sâu tối thiểu cần thiết của kết cấu chống đỡ hố móng Đây là yếu tố quan trọng để lựa chọn phương án thiết kế vì nó ảnh hưởng nhiều đến biện pháp thiết kế, thi công và giá thành của công trình

2 Tính ổn định mái dốc hố móng để tìm ra những mặt trượt nguy hiểm nhất:

• -Dùng phần mềm hổ trợ Gudio-slope để tính tất cả các cung trượt có hệ số

an toàn K<1,5 Để có thể tính toán một cách đầy đủ, nhanh chóng và chính xác tất cả các mặt trượt ta làm như sau:

• Vẽ mô hình cần tính tóan và nhập đầy đủ những số liệu về nền đất

• Chọn vùng bán kính mặt trượt đi qua là tòan bộ phần đất bên dưới hố

móng ( từ cao độ -6m-> -37m)

• Chọn vùng xuất hiện tâm trượt là tòan bộ vùng diện tích bên trên hố móng và chia nhỏ lưới tọa độ ra

 Kết quả tính tóan cho ta được rất nhiều mặt trượt, ta xem xét vị trí tâm của các mặt trượt nguy hiểm nhất và khoanh vùng chúng lại

• Sau đó ta vẽ lại vùng tâm trượt cần tính toán, chia lại lưới tọa độ trong đó và tiến hành giải lại bài toán Điều này cho phép ta kiểm soát được những mặt trượt nguy hiểm nhất với một số lượng ít nhất

Dưới đây là một số mặt trượt nguy hiểm điển hình nhất ứng với từng hệ số an toàn của nó:

2

3

10

• Qua kiểm tra ta thấy độ sâu lớn nhất mà nguy hiểm có khả năng đi qua là 17m

(ứng với tọa độ 20m trên trục tung)

 Như vậy chiều sâu tối thiểu của kết cấu chống đỡ hố móng vào khoảng 20m

• Mặt khác cung trượt không vượt qua 42m nên ta không cần phải kiểm tra mặt

trượt theo phương chiều dài L=150 m

• Do lớp đất 2 có đặt tính cơ lý qua yếu nên ta cần xem xét thêm điều kiện cường độ đất nền dưới chân kết cấu chống đỡ hố móng ở độ sâu -20m theo trạng thái giới hạn 2

1, 45.8,7 1,5.(20 8,7) 2

1, 48( / )20

2'II 1,5( /t m )

γ =

.(0,006.1.1, 48 1, 25.20.1,5 3,51.0, 2) 38,3( / )1,1

tc

II NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP

1 Phương án chống đỡ bằng cọc hàng có thể kết hợp với tay chống, thanh neo

•Chiều sâu kết cấu chống đỡ hố móng nhỏ nhất là khoảng -20m, do đó ta nên loại bỏ phương án sử dụng các loại cọc chêù tạo sẵn như cọc đóng, cọc ép vì phải thực hiện nhiều mối nối tại hiện trường Điều này giúp ta hạn chế những rủi ro từ chất lượng thi công cọc tại công trường

•Trong trường hợp này phương án cọc khoan nhồi tỏ ra hiệu quả hơn vì nền đất bùn sét mềm, chứa nhiều nước rất dễ dàng cho công tác khoan và giữ thành hố khoan bằng dung dịch Bentonize Mặt khác cọc khoan nhồi có khả năng chịu lực cao và bề rộng hàng cọc nhỏ

•Tuy nhiên cọc nhồi có giá thành cao có thể gây ảnh hưởng nhiều đến giá thành công trình, vì vậy ta cần xem xét thật kĩ về phương diện hiệu quả kinh tế cua phương án này

Xem xét về điều kiện cường độ đất nền dưới chân hàng cọc chống đỡ hố móng ở độ sâu -20m theo trạng thái giới hạn 2.

•Cọc khoan nhồi khi thi công gây phá vỡ cố kết đất nên ta tính theo dạng cọc chống Phần lực ma sát ở thành bên ta xem như bù trừ vào phần ứng suất tăng thêm

do mômen uốn gây ra max

=> không thỏa điều kiện về trạng thái giới hạn 2

Ta thấy độ tăng ứng suất dưới chân cọc khoan nhồi ∆ =σ 62,5 50 12,5( / − = T m2 )

Độ tăng cường độ đất nền ∆R tc = 47,7 38,3 9, 4( / − = T m2 )

Như vậy theo chiều sâu ứng suất dưới chân cọc tăng nhanh hơn cường độ đất nền

Do vậy không thể cắm cọc nhồi trong lớp đất 2 mà phải cắm vào lớp đất 3

 chiều sâu tối thiểu của cọc nhồi phải là 37m

27

2 Phương án chống đỡ bằng tường liên tục trong đất( tường Baret) có thể kết hợp với tay chống, thanh neo

•Phương án này cũng có những ưu khuyết điểm tương tự như phương án cọc khoan nhồi Tuy nhiên nó có ưu thế hơn cọc khoan nhồi nếu như công trình này có thể sử dụng tường chắn làm vách tầng hầm cho công trình Tường Baret cũng phải đặt trên

29

lớp đất 3 (-37 m) như trường hợp cọc khoan nhồi

30

3, Phương án tường cừ Lasen kết hợp hệ giằng chống

•Tường cừ Lasen giải quyết tốt cho những công trình giáp ranh, không có nhiều khoảng trống cho kết cấu chống đỡ hố móng, thời gian thi công nhanh, khả năng chịu lực tốt

31

•Tuy nhiên, với độ sâu tối thiểu cần thiết lên đến 20m thì không tránh khỏi việc phải thực hiện rất nhiều mối nối và sử dụng một lượng thép rất lớn:

Q=(84+150)x2x20x0.003x7.85=220,428(T) Giả thiết cừ Lasen dày 3mm

• Với giá thép hình khoảng 10 triệu/tấn => giá vật liệu thép là: 2,204 tỷ đồng

=>Như vậy biện pháp này là không kinh tế Mặt khác hệ giằng chống nhiều lớp sẽ gây cản trở không nhỏ cho việc thi công các hạng mục thuộc phần ngầm công trình

32

4 Phương án cọc trộn dưới sâu( cọc xi măng đất )

•Cọc trộn xi măng đất có giá thành rẻ, biện pháp và thiết bị thi công tương đối đơn giản, thời gian thi công ngắn Cọc xi măng đất rất thích hợp với những lọai đất mềm(bùn, sét) vì những lọai đất này chứa nhiều nước, thuận tiện cho quá trình nhào trộn dưới sâu và đảm bảo giữ nước cho xi măng ninh kết

• Tuy nhiên cọc xi măng đất cũng có những nhược điểm:

Cọc xi măng đất được bố trí và làm việc theo nguyên lý tường trọng lực, trong khi trọng lượng riêng của cọc xi măng đất lớn hơn trọng lượng riêng của đất tự

33

nhiên không nhiều (0,7->2,3%) và cường độ thiết kế rất nhỏ như những vật liệu khác ( bê tông, thép), do đó bề rộng tường chắn lớn, chiếm nhiều không gian

Do phải ninh kết trong đất ( môi trường kín ) nên thời gian ninh kết của cọc

xi măng đất rất dài (3 tháng), điều này có thể làm kéo dài tiến thi công

Lựa chọn phương án:

Sau khi xem xét đánh giá ta thấy rằng phương án cọc xi măng đất là phương án tối ưu nhất để làm kết cấu chống đỡ hố móng cho công trình này

Cọc xi măng đất có thể được sủ dụng theo hai phương án sau:

Phương án 1: làm tường chắn xi măng đất xung quanh hố móng

Phương án 2: gia cố toàn bộ nền đất trong phạm vi hố móng và thực hiện đào đất với mái dốc tự nhiên, không cần chống đỡ

Vì công trình này có mặt bằng rất rộng (12600m2) nên việc gia cố toàn bộ nền đất có thể gây nhiều tốn kém Mặt khác cường độ của cọc xi măng đất và nền đất tự nhiên chênh lệch nhau khá lớn cho nên việc đào đất theo mái dốc tự nhiên có thể sẽ khó khăn Do vậy ta sẽ thiết kế cọc xi măng đất chống đỡ hố móng ở dạng tường trọng lực theo phương án 1

34

III/ THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN XI MĂNG ĐẤT

Chọn chiều sâu thiết kế h = 25m

Hàm lượng xi măng trộn vào là 15% (250 kg/m2)

Trọng lượng riêng cọc xi măng đất tăng thêm 2,3%: 2

1' 1, 023.1, 45 1, 48( /T m )

2 2

' 1,023.1,5 1,53( /T m )

Cường độ chịu nén thí nghiệm trong phòng: q’u = 4 MPa =40 kg/cm2

Cường độ chịu nén thiết kế: qu = 0,5 q’u =20 kg/cm2

35

Cường độ chịu kéo thiết kế: qL = 0,25 qu =5 kg/cm2

Cường độ chịu cắt thiết kế: qc = 1/3 qu =6.66 kg/cm2

1 kiểm tra tính ổn định chống trượt:

• Tính áp lực đất chủ động:

Chọn tải trọng bất thường (các thiết bị máy móng di chuyển bên thành hố đào):

Hệ số áp lực đất chủ động: 2 0 1 2 0 0

Hệ số ma sát của đáy chân tường: µ =0, 4

p h

(thỏa điều kiện yêu cầu)

2 Kiểm tra điều kiện chống lật:

Từ biểu đồ áp lực đất ta tính được các cánh tay đòn thể hiện trên hình vẽ.

3 Kiểm tra ứng suất thân tường:

• Kiểm tra khả năng chịu uốn:

Xem tường chắn là kết cấu cứng chịu mômen uốn theo sơ đồ consol Để cho an toàn hơn và tính toán đơn giản hơn ta chọn vị trí mặt ngàm tại độ sâu -8,7m

• Kiểm tra khả năng chịu cắt:

Mặt trượt nguy hiểm nhất qua thân tường là mặt trượt sâu nhất ở cao độ -17m

Aùp lực đất ở độ sâu -17m:

µ

 thỏa điều kiện yêu cầu

4 Kiểm tra khả năng chịu lực của nền đất dưới đáy tường chắn.

Cường độ tiêu chuẩn của đất nền ở độ sâu -25m:

1, 45.8,7 1,5.(25 8, 7) 2

1, 48( / )25

39

2'II 1,5( /t m )

γ =

.(0,06.1.1, 48 1, 25.25.1,5 3,51.0, 2) 47,66( / )1,1

tc

Ứng suất dưới chân tường chắn do ngoại lực gây ra:

max min

 không thỏa điều kiện yêu cầu

 Như vậy ta sẽ gia tăng chiều sâu của tường chắn

=>Để tránh thuyết minh quá dài dòng ta không thể hiện lại những điều kiện đã được kiểm tra thỏa mãn bên trên Nếu cần tham khảo có thể xem trong file Excel đính kèm.

Cường độ tiêu chuẩn của đất nền ở độ sâu -30m:

1, 45.8,7 1,5.(30 8,7) 2

1, 49( / )30

2'II 1,5( /t m )

γ =

.(0,06.1.1, 49 1, 25.30.1,5 3,51.0, 2) 57,04( / )1,1

tc

Ứng suất dưới chân tường chắn do ngoại lực gây ra:

40

max min

1, 45.8,7 1,5.(37 8, 7) 2

1, 49( / )37

2'II 1,9( /t m )

γ =

.(0,78.1.1, 49 4,12.37.1,9 6, 47.0, 2) 292,092( / )1,1

tc

Ứng suất dưới chân tường chắn do ngoại lực gây ra:

max min

max 19,153(T/m ) 02

 thỏa điều kiện yêu cầu

5 Chuyển vị ngang ở đỉnh tường chắn xi măng đất tính theo công thức thực nghiệm:

2 max

η

=Độ sâu hố móng H=6m

Chiều dài cạnh lớn nhất của hố móng :L max=150m

Hệ số chất lượng thi công:ς =0,8− >1,5

Độ sâu tường cắm vào đất kể từ đáy hố móng trở xuống :D =37-6=31m

Bề rộng tường chắn: B=5m

Hệ số chuyển đổi thứ nguyên η =10

ta nên chỉ định thi công cọc đạt độ sâu 38m (cắm 1m vào lớp cát chặt)

42

6 Kiểm tra đẩy trồi

Do tường chắn xi măng đất được cắm vào lớp đất cứng ( cát chặt) nên có khả năng ngăn cản hoàn toàn hiện tượng đẩy trồi do ảnh hưởng của khối đất bên ngoài hố móng vì vậy ta không cần phải kiểm tra đẩy trồi

43