Bài giảng thi công công trình thuỷ lợi Xử lý nền

Khái niệm Để đảm bảo yêu cầu chịu lực, phòng lún, phòng thấm, chống trượt và chống xói của một số nền công trình thì phải tiến hành xử lý: - Với nền có tính dính, thấm ít như đất bùn thì

CHƯƠNG 5 XỬ LÝ NỀN 5.1 Khái niệm

Để đảm bảo yêu cầu chịu lực, phòng lún, phòng thấm, chống trượt và chống xói của một số nền công trình thì phải tiến hành xử lý:

- Với nền có tính dính, thấm ít như đất bùn thì chủ yếu là nâng cao cường độ chịu lực và chống trượt bằng lớp đệm, đóng cọc và nổ mìn ép;

- Với nền không có tính dính như đất pha cát, pha sỏi hoặc nền cát và sỏi thì chủ yếu là tăng cường khả năng phòng thấm bằng sân phủ, tường răng, phụt vữa XM, tường Bentonite, …

5.2 Xử lý nền bằng lớp đệm

5.2.1 Đệm cát

- Lớp đệm cát dùng có hiểu quả nhất khi lớp đất yếu ở trạng thái bão hoà có chiều dày <3m và không xuất hiện nước ngầm có áp;

- Thường sử dụng hỗn hợp cát thô với cát mịn với tỷ lệ 7/3 hoặc hỗn hợp cát thô với sỏi d=20÷30mm với tỷ lệ 2/3;

- Đệm cát được thi công theo từng lớp có đầm nén Chiều dày mỗi lớp tuỳ thuộc thiết bị đầm Nếu là đầm thủ công thì chiều dày tối đa là 20cm;

- Kiểm tra độ chặt đầm nền thông thường hay sử dụng phương pháp lấy mẫu bằng dao vòng, phương pháp rót cát hoặc phương pháp xuyên tĩnh Trình tự kiểm tra theo các tiêu chuẩn chuyên ngành cụ thể

5.2.2 Đệm đất

Tương tự như đệm cát, trong một số trường hợp cụ thể có thể dùng đệm đất pha cát làm lớp đệm;

5.2.3 Đệm đá, sỏi

- Trường hợp lớp đất yếu ở đáy móng ở trạng thái bão hoà có chiều dày <3m và dưới đó là lớp đất chịu lực tốt, đồng thời xuất hiện nước có áp lực cao thì có thể dùng lớp đệm đá, sỏi;

- Trình tự đắp lớp đệm tương tự như đắp lớp đệm cát Riêng đá phải xếp và chèn cẩn thận vì xếp và chèn không tốt thì sự ổn định của toàn lớp đệm sẽ không thực hiện được;

5.3 Xử lý nền bằng cọc

Ưu điểm:

- Khắc phục biến dạng lún lớn và không đều của nền;

- Bảo đảm ổn định cho công trình khi có tác dụng của lực theo phương ngang;

- Giảm được khối lượng đào móng và vật liệu làm móng;

- Cơ giới hoá và rút ngắn thời gian thi công;

5.3.1 Các loại cọc và phạm vi áp dụng

Phân loại cọc có thể theo nhiều cách: theo vật liệu làm cọc, theo tiết diện của cọc, theo tác dụng của cọc;

5.3.1.1 Cọc tre

- Thường ứng dụng cho các công trình vừa và nhỏ, nền công trình phải bão hoà nước Thường cọc dài 2÷3m, dùng tre đực già (trên 2 năm) thẳng và tươi;

- Đường kính d>6cm, đầu trên cưa cách đốt 5cm, đầu dưới cách đốt 20cm, được vát nhọn Có thể đóng bằng búa, vồ hoặc búa chấn động;

5.3.1.2 Cọc gỗ

- Dùng gỗ cây thẳng có đường kính d=20÷30cm, dài 10÷12m, đầu vát nhọn Trong một số trường hợp đầu nhọn được bịt sắt để dễ đóng;

- Trường hợp chống thấm thì dùng cọc là ván gỗ ghép lại gọi là cừ gỗ;

- Gỗ làm cọc thường dùng gỗ giẻ, thông, muồng, trầm… Gỗ làm cọc thường phải tươi có độ ẩm W>23%;

- Tương tự cọc tre, cọc gỗ thích hợp ở nền bão hoà nước;

5.3.1.3 Cọc bê tông cốt thép

Cọc bê tông cốt thép thường có tiết diện vuông 20x20cm đến 45x45cm Để bảo

vệ đầu cọc ta bố trí thép đai dày ở đầu cọc;

5.3.1.4 Cọc thép

Cọc thép có thể là dạng ống tròn đường kính 30÷70cm, thép dày 8÷16mm, thép hình chữ I Cừ thép được dùng rộng rãi;

b/3

Hình 5.3 Mặt cắt ngang cừ gỗ 5.3.2 Thi công cọc

5.3.2.1 Một số yêu cầu khi chế tạo cọc bê tông

− Với cọc đặc thì dùng mác XM≥300, cọc rỗng thì dùng mác XM≥400;

− Đá dăm d≤40mm đối với cọc đặc; và d≤20mm đối với cọc rỗng;

− Tại đỉnh cọc và đầu cọc dùng đá dăm d≤20mm;

− Độ sụt bê tông S≤60mm;

− Đối với cọc bê tông đúc sẵn thì đúc từ mũi lên đỉnh;

− Khi cọc đạt ≥25% cường độ mới tháo khuôn và phải dưỡng hộ;

− Mặt ngoài cọc phẳng nhẵn, không có vết nứt

5.3.2.2 Hạ cọc bằng búa đóng

a) Thiết bị đóng cọc

* Giá đóng cọc:

Giá đóng cọc dùng để treo búa, treo cọc và dẫn hướng cho búa và cọc Cấu tạo gồm: Cột dẫn hướng, tiết bị treo búa và cọc (như puli, tời ) giá đỡ, chân đế;

Giá đóng cọc có thể bằng gỗ, thép hoặc dùng cần cẩu hoặc máy đào có lắp hệ thống giá đóng cọc;

* Búa đóng cọc:

- Búa treo: Búa nặng 500÷2000kg, độ cao nâng búa 2,5÷4m Hoạt động nhờ tời điện và dây cáp Loại này năng suất thấp;

- Búa hơi đơn động và búa hơi song động: Búa chuyển động nhờ khí nén nâng và

hạ búa Búa hơi đơn động có thể đóng 20÷30 lần/phút Búa hơi song động có thể đóng

200÷300 lần/phút;

- Búa Điezen: Búa hoạt động theo nguyên lý của động cơ diêzen Khi búa rơi xuống nén khí trong xilanh (khí nén được phun dầu diêzen) là lúc đóng Động cơ nổ nâng búa lên và lặp lại chu kỳ

b) Chọn búa đóng cọc

Để đảm bảo cho đóng cọc có hiệu quả thì cần chọn trọng lượng búa hoặc lực xung kích của búa phù hợp với trọng lượng cọc:

- Năng lượng xung kích của búa phải đủ lớn:

P

E≥ 25

E- Năng lượng xung kích của búa (Kgm):

g

Qv E

2

2

P- Sức chịu tải tính toán của cọc (T);

Q- Trọng lượng của búa (KG);

v- Vận tốc rơi của bỳa (m/s);

g- Gia tốc trọng trường (m/s2);

- Hệ số thực dụng của bỳa:

[ ]b

E

q Q

Q- Trọng lượng của bỳa (KG);

q- Trọng lượng cọc bao gồm cả mũ và đệm;

- Đảm bảo độ chối e trong phạm vi cho phộp:

Tốc độ đúng cọc hợp lý khi độ chối e nằm trong khoảng sau:

cm e

2

1ữ < < ữ

Thực tế cho thấy đúng cọc hiệu quả nhất khi Q=(1,6ữ2)q.

5.3.2.3 Hạ cọc bằng chấn động

Trong đất mềm (cỏt, ỏ cỏt) hạ cọc bằng chấn động thớch hợp và giỏ thành rẻ; a) Cỏc loại bỳa chấn động

- Bỳa chấn động đơn giản:

Bỳa chấn động gắn chặt

với đầu cọc, rung cựng tần số

với cọc Cọc được hạ nhờ trọng

lượng bỳa và cọc, ma sỏt xung

quanh cọc giảm do chấn động;

- Bỳa chấn động cú gia trọng

trờn lũ xo:

Gồm 2 phần: chấn động

và mũ cọc Phần khụng chấn

động cú cỏc tấm gia trọng và

động cơ, hai phần nối với nhau

bằng lũ xo;

Loại bỳa này dễ thay đổi

gia trọng để tăng hoặc giảm trọng lượng bỳa, động cơ bền lõu;

- Bỳa chấn động xung kớch:

Gồm cú động cơ, mỏy tạo chấn động, chày nện, đe, lũ xo và mũ cọc Loại bỳa này cú tỏc dụng vừa chấn động vừa đúng cọc bằng lực xung kớch Ứng dụng đối với nền mềm bóo hoà (đất cỏt pha sột hoặc sột pha cỏt)

Cọc

Mũ cọc Quả lệch tâm

Động cơ

Cọc

Mũ cọc Quả lệch tâm

Động cơ Gia trọng

Lò so

Cọc

Lò so Chày nện Máy tạo chấn động

Hình 5.13 Sơ đồ cấu tạo búa chấn động a) Đơn giản; b) Có gia trọng; c) xung kích

c)

Đe

b) Chọn búa chấn động để hạ cọc

Muốn hạ cọc bằng búa chấn động phải bảo đảm các điều kiện sau:

- Lực xung kích đủ thắng lực cản do ma sát của đất:

Qđ ≥ αT Trong đó:

Qđ - Lực xung kích của máy chấn động;

α - Hệ số kể đến đàn hồi của đất;

+ Với cọc ống thép, cọc bê tông, búa chấn động có tần số thấp α=0,6÷0,8;

+ Đối với ván cừ, cọc gỗ, búa chấn động có tần số cao α = 1;

T – Trị số lực cản của đất tác dụng vào cọc, T được xác định như sau:

n i

f U

= 1

=

⋅

i

i

f T

1 '

Trong đó:

U – Chu vi của tiết diện cọc;

fi và fi’ – Lực ma sát đơn vị của lớp đất thứ i (giáo trình);

hi – Chiều dày lớp đất thứ i mà cọc xuyên qua;

- Biên độ chấn động của cọc phải lớn hơn biên độ ban đầu:

Thông thường biên độ chấn động A của cọc lấy gấp 4÷5 lần biên độ ban đầu A0 Trị số A thích hợp xác định bằng thực nghiệm, có thể tra ở bảng 5-5, giáo trình Thi công;

- Tổng hợp lực của các ngoại lực tác dụng lên cọc phải đủ lớn, đảm bảo nhổ cọc

và hạ cọc được nhanh

Những điểm chú ý khi đóng cọc:

− Bố trí đóng cọc có thể dùng một trong 4 hình thức sau: đóng từng hàng, đóng

từ xung quanh vào giữa, đóng từ giữa ra, đóng từng đoạn móng;

− Thời gian đóng cọc lâu chủ yếu ở khâu dịch chuyển và định vị các thiết bị nên cần tổ chức tốt để rút ngắn được thời gian đó;

− Lúc đầu nên đóng nhẹ, từ từ, rồi mạnh dần để cọc định hướng chính xác;

− Do tác dụng dồn ép đất nên thường các cọc đóng sau có thể ngắn hơn cọc trước;

− Để nâng cao tốc độ đóng cọc có thể dùng các biện pháp sau:

+ Đồng thời đóng nhiều cọc;

+ Nếu dùng cần trục thì nên dùng một bộ phận đóng cọc và một bộ phận dựng và định vị;

+ Dùng bộ phận bảo vệ đầu cọc và mũi cọc

5.3.2.4 Hạ cọc bằng xói nước

- Thường áp dụng với đất nền là phù sa, cát lẫn cuội sỏi, cát pha sét hoặc sét pha cát…;

- Thiết bị gồm: máy bơm, ống dẫn và ống xói nước Áp lực xói khoảng 4÷12atm, lưu lượng 600÷3500l/ph, ống xói có đường kính d=38÷100mm với đầu xói có đường kính d/3 và dài hơn cọc 2÷3m;

- Khi hạ cọc cần chú ý các điểm sau:

+ Ống xói sâu hơn mũi cọc 0,25÷0,5m;

+ Khi cọc còn cách chiều sâu thiết kế 1÷1,5m thì ngừng và đóng cọc bằng búa để đất nền dưới mũi cọc không bị phá vỡ;

+ Không áp dụng phương pháp này ở gần các công trình đã xây dựng; + Khi thiết kế cần tính toán đủ lượng nước xói và khả năng xói lở của đất xung quanh để không ảnh hưởng đến thi công;

+ Nếu ống xói đặt ngoài thì nên đặt ít nhất là 2 ống đối xứng để cọc hạ thẳng đứng

5.3.2.5 Đổ cọc tại chỗ

Cọc đổ tại chỗ có thể là cọc bê tông, cọc vôi đất, cọc XM đất… tuỳ theo yêu cầu

xử lý nền Phổ biến là phương pháp khoan cọc nhồi;

Phương pháp khoan cọc nhồi là dùng máy khoan tạo giếng, sau đó hạ cốt thép (như cột) và đổ bê tông Khi phải bảo vệ thành vách thường dùng ống vách bằng thép, khi đổ bê tông thì rút ống vách lên hoặc dung dịch bentonite (dung trọng tương đương dung trọng đất tự nhiên xung quanh cọc);

Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc xi măng đất là dùng vữa xi măng trộn với đất tại chỗ tạo thành cọc Có hai phương pháp thi công:

- Công nghệ trộn khô (Dry mixing):

Dùng khoan có gắn cánh cắt đất sau đó trộn đất với vữa xi măng bơm theo trục khoan Phương pháp này đơn giản, tốn ít xi măng nhưng gặp những khó khăn khi gặp cuội sỏi, rác, lớp bê tông hoặc đất cứng;

- Công nghệ trộn ướt (wet mixing) còn gọi là công nghệ Jet-grouting:

Công nghệ này được phát minh năm 1970 tại Nhật Công nghệ này sử dụng nguyên lý cắt đất bằng nước áp lực 20Mpa (200atm) Đưa vòi phun tới độ sâu thiết kế, xung lực của dòng phun phá vỡ, trộn đất đồng thời được cung cấp dung dịch vữa xi măng tạo thành cột đất xi măng;

Phương pháp này có thể cắt qua bê tông, đất cứng, sỏi cuội, thi công dễ dàng, có thể thi công trong môi trường bão hoà nước, ngập nước nhưng công nghệ phức tạp và tốn nhiều xi măng hơn;

Cọc đất có thể tạo màn chống thấm, tăng khả năng chịu lực và chống thấm của đất nền Tuy nhiên đối với đầu cọc thì khó có thể tạo mũ giằng đầu cọc như cọc bê tông;

5.3.2.6 Phương pháp ép cọc

Là phương pháp dùng tải trọng lớn ép liên tục lên đài cọc để đầu cọc thắng lực

ma sát và cắt đất để chuyển động vào trong nền công trình

5.4 Xử lý nền bằng nổ mìn ép

Dùng mìn tạo thành khoảng cột rỗng, đồng thời nhanh chóng lấp đầy cột bằng cát khô Hình thành hệ thống cọc cát và nền đất được ép chặt;

Thường ứng dụng với nền đất yếu muốn nhanh đạt được cường độ chịu lực cao,

độ bền cao, thi công nhanh và tốn ít vật liệu

5.5 Xử lý nền bằng phương pháp hoá lý

Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trên nền đất cát rời, rỗng, sỏi, cuội,

đá nứt nẻ … thì phải dùng phương pháp hóa lý để xử lý nền;

Gồm: khoan phụt xi măng, silicat hóa (Silicat là hỗn hợp SiO2 và Na2O dạng cục hoặc lỏng còn gọi là thuỷ tinh lỏng), nhựa tổng hợp, nhựa bitum, điện thấm, điện hóa học, điện silicat, nhiệt, khoan phụt vữa xi măng, đất sét…

Phổ biến nhất là khoan phụt xi măng gia cố về chịu lực, về chống thấm của nền

đá và khoan phụt vữa xi măng đất sét xử lý chống thấm nền cát cuội sỏi

5.5.1 Phụt vữa xi măng

5.5.1.1 Chọn loại xi măng và vật liệu pha trộn

Xi măng dùng khoan phụt cần bảo đảm các yêu cầu sau:

- Mác xi măng từ PC300 trở lên;

- Độ mịn của hạt đạt yêu cầu;

- Xi măng không bị vón cục;

Trường hợp phụt trong môi trường thấm có lưu tốc lớn hơn 80m/ngđ thì phải dùng xi măng đông kết nhanh hoặc dùng phụ gia đông kết nhanh CaCl2 với tỷ lệ 4÷7% khối lượng xi măng;

Để tiết kiệm xi măng khi nền có nhiều hang hốc, lỗ rỗng lớn có thể độn thêm bột

đá có đường kính d=0,1÷0,5mm;

Để tăng thêm độ linh động của vữa có thể dùng phụ gia hoạt tính như thuỷ tinh lỏng (silicát), phụ gia hoá dẻo;

5.5.1.2 Chọn tỷ lệ

X N

Bảng 5.9 Tỷ lệ

X

N

phụ thuộc vào lượng mất nước đơn vị q

(lít/phút) 0,005÷0,09 0,09÷0,2 0,2÷0,5 0,5÷1 1÷5 >5

X

N

1

8 1

12÷

1

6 1

8÷

1

5 1

6÷

1

3 1

5÷

1

1 1

3÷

1

4 0 1

1÷

Ngoài ra cần chú ý:

+ Quá trình phụt cần thay đổi

X

N

từ loãng đến đặc dần

+ Nếu nền có độ rỗng lớn thì dùng

X

N

đặc Nếu nền có độ rỗng nhỏ ta dùng vữa loãng có trộn thêm phụ gia để đỡ tốn xi măng

5.5.1.3 Chọn thiết bị phụt vữa

- Máy bơm có áp lực hơn 1,5 lần áp lực phụt vữa lớn nhất, bảo đảm phụt vữa liên tục;

- Ống dẫn vữa phải chịu được áp lực lớn hơn 1,5 lần áp lực phụt lớn nhất;

- Các thiết bị dự trữ đủ đáp ứng khi có sự cố, tránh bị gián đoạn trong quá trình phụt;

5.5.1.4 Trình tự thi công

a) Xác định vị trí các lỗ khoan: Trước hết xác định tim tuyến và mép biên của công trình sau đó đánh dấu các vị trí lỗ khoan theo thiết kế;

b) Khoan lỗ: Khoan đúng theo đường kính, chiều sâu và phương lỗ khoan thiết kế;

c) Xói rửa lỗ khoan và khe nứt:

- Mục đích làm sạch thành vách lỗ khoan;

- Với lỗ khoan nông thì dùng ống thép bơm nước vào đáy lỗ khoan cho nước trào ngược ra khỏi lỗ khoan cho đến khi hết vẩn đục (thường từ 2÷4 giờ);

- Với lỗ khoan sâu có thể dùng khí nén và nước áp lực kết hợp để xói rửa Để tránh phá vỡ thành vách lỗ khoan thì áp lực xói rửa không quá 70÷80% áp lực phụt cho phép;

d) Ép nước thí nghiệm:

Mục đích là xác định lượng mất nước đơn vị làm cơ sở điều chỉnh thiết kế về độ sâu, khoảng cách lỗ khoan, lượng xi măng cần dùng…

Trước khi phụt phải ép nước thí nghiệm để xác định chính xác lượng mất nước đơn vị làm cơ sở điều chỉnh độ đặc của dung dịch phụt, đồng thời kiểm tra tình hình làm việc của thiết bị;

Sau khi phụt một thời gian nhất định ép nước để kiểm tra hiệu quả phụt;

e) Phụt vữa:

Sau khi ép nước thí nghiệm xong nên phụt vữa ngay, nếu để sau 24h thì phải rửa lại mới phụt;

+ Căn cứ vào sự chuyển động của dung dịch phụt ta có phương pháp phụt một chiều và phụt tuần hoàn:

- Phương pháp phụt một chiều là quá trình phụt vữa đi một chiều vào lỗ khoan và khe nứt Phương pháp này thiết bị đơn giản nhưng lưu tốc nhỏ, thường dùng cho lỗ khoan nông, nứt nẻ lớn;

- Phương pháp phụt tuần hoàn là quá trình phụt vữa đi vào khe nứt không hết có thể tuần hoàn về thùng trộn Phương pháp này hiệu quả, chất lượng cao vì có thể sử dụng áp lực phụt lớn và độ linh động của vữa tốt hơn Thường dùng với lỗ khoan sâu; + Theo trình tự phụt có 4 phương pháp: phụt 1 lần, phụt phân đoạn trong lỗ khoan từ trên xuống, từ dưới lên và kết hợp từ trên xuống và từ dưới lên:

- Phụt 1 lần hết toàn bộ chiều sâu lỗ khoan: thích hợp với lỗ khoan sâu<15m, nứt

nẻ ít Hiệu quả phụt không cao vì không thay đổi áp lực phụt thích hợp theo từng đoạn

có mức độ nứt nẻ khác nhau;

- Phụt phân đoạn từ trên xuống dưới: đầu trên khoan sâu 2,5÷5m, tiến hành phụt, sau 2÷3 giờ xói rửa sạch lỗ khoan Sau khi đoạn trên đủ cường độ thì khoan và phụt tiếp đoạn dưới Phương pháp này chậm nhưng hiệu quả cao;

- Phụt phân đoạn từ dưới lên: khoan tới độ sâu thiết kế, phụt từng đoạn từ dưới lên Phương pháp này thi công nhanh nhưng hiệu quả kém, dễ bị trồi vữa ra ngoài hoặc sập lỗ khoan phía trên do áp lực phụt;

- Phụt phân đoạn kết hợp: trước hết phụt từ trên xuống, sau đó phụt từ dưới lên hoặc ngược lại tùy theo địa chất nền Phương pháp này tận dụng các ưu điểm của hai phương pháp trên;

5.5.1.5 Chọn áp lực phụt vữa

Áp lực phụt càng lớn thì vữa đi càng xa và ngược lại, nhưng phải bảo đảm không phá vỡ nền Áp lực phụt lớn nhất cho phép xác định như sau:

' ' ' 10

1 10

1

K h hK

Trong đó:

γ, γ’ – Khối lượng riêng của đá và bê tông;

h – Khoảng cách từ mép phụt vữa đến mặt nền;

h’ – Chiều dày bệ phản áp (hoặc công trình bê tông trên mặt nền);

K – Biểu thị sự dính kết của đá, K = 2÷3;

K’ – Biểu thị sự dính kết của bê tông, K’ = 1÷2;

5.5.1.6 Những chú ý trong quá trình thi công phụt vữa xi măng

- Phụt vữa phải liên tục không được gián đoạn Sau khi phụt xong phải phụt nước rửa toàn bộ hệ thống thiết bị Trường hợp bắt buộc phải ngừng thì tìm biện pháp nhanh chóng phụt tiếp Khi phụt tiếp nếu lượng ăn vữa giảm thì phải dùng nồng độ mới loãng hơn sau đó mới tăng dần nồng độ Nếu phải ngừng quá lâu (vượt quá thời gian ninh kết của vữa) thì phải ép nước rửa và phụt lại lần thứ hai;

- Nếu đột nhiên áp lực tăng, lượng ăn vữa giảm rồi ngừng hẳn thì phải dừng phụt,

ép thử nước, nếu không được thì chứng tỏ tắc hệ thống dẫn vữa và phải kéo hệ thống dẫn vữa lên để xói rửa;

Nếu lượng ăn vữa tăng đột ngột thì có thể xảy ra 3 trường hợp:

+ Nếu vữa chạy sang các lỗ khoan bên cạnh thì tiến hành phụt đồng thời nhiều lỗ;

+ Nếu vữa trồi lên mặt nền thì phải lấp kín bằng vữa bê tông với độ dày đủ lớn phụ thuộc vào áp lực phụt;

+ Nếu do nhiều lỗ hổng lớn trong nền thì tăng nồng độ, giảm áp lực phụt và phụt gián đoạn;