Chương 3 xử lý nền đất yếu CÔNG TRÌNH NGẦM

Các phương pháp xử lý nền Đất yếu trong kỹ thuật xây dựng được gọi là loại đất có các chỉ tiêu chính sau đây: - Khả năng chịu lực yếu, thông thường loại đất nền có R< 100kPa trong đó R-

Chương 3

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CÔNG TRÌNH NGẦM

3.1 Các phương pháp xử lý nền

Đất yếu trong kỹ thuật xây dựng được gọi là loại đất có các chỉ tiêu chính sau đây:

- Khả năng chịu lực yếu, thông thường loại đất nền có R< 100kPa (trong đó R- cường độ tính toán của nền đất);

- Mô đun biến dạng E0 nhỏ, thông thường E0< 5000kPa, loại đất này dễ biến dạng,

có độ lún lớn khi chịu tải trọng

Ngoài 2 chỉ tiêu chính nêu trên, còn có thể đánh giá nền đất theo một số chỉ tiêu khác như hệ số rỗng ε, thông thường giá trị ε >1,0 được gọi là đất yếu và chỉ tiêu

về trạng thái của đất như:

- Đối với đất dính đánh giá theo IL (độ sệt);

- Đối với cát đánh giá theo độ chặt trên cơ sở giá trị hệ số rỗng ε Các giá trị chỉ tiêu IL và ε được xác định từ kết quả khảo sát, thí nghiệm và tính toán so sánh với giá trị giới hạn quy định Ví dụ: đất dính yếu có trạng thái dẻo chảy, độ sệt IL >1 đối với cát pha và dẻo mềm, độ sệt IL> 0,5- đối với sét pha và sét; đất cát yếu khi đất ở trạng thái xốp, hệ số rỗng lớn hơn 0,7 đối với cát hạt trung và hạt to và tương ứng 0,75 -0,8 đối với cát hạt nhỏ- cát bụi

Ngoài ra, các loại đất có tính chất đặc biệt như đất lún sụt, đất chứa hữu cơ, đất có tính chất co ngót, trương nở, đất bùn các loại đều có thể coi là đất yếu

Đất yếu ở nước ta khá phổ biến, đặc biệt là tại các khu vực đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng Nam Bộ Chiều dày các lớp đất này nhiều khi có giá trị khá lớn, có nơi lên tới 45-60m

Để xây dựng công trình trên các vùng đất như vậy lựa chọn các biện pháp xử lý móng sẽ gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém Hợp lý hơn cả trong những trường hợp nền đất yếu là tìm giải pháp xử lý nền hoặc kết hợp xử lý nền với móng, trong

đó giải pháp xử lý nền thường đóng vai trò chủ đạo

Các phương pháp xử lý nền đất nhằm đạt được mục tiêu:

- Tăng khả năng chịu lực của nền đất;

- Giảm mức độ biến dạng của nền đất;

- Thay đổi tính thấm nước cho nền đất

Để đạt được các mục tiêu trên, việc xử lý nền đất yếu có thể thực hiện theo 3

hướng chính sau đây:

1 Tăng độ chặt cho đất nền Theo hướng này có thể sử dụng:

- Các phương pháp cơ học: lu lèn, đầm, nén Sử dụng các phương pháp này rất hiệu quả cho các loại đất có độ rỗng lớn, cát xốp Tuy nhiên chúng chỉ có thể tăng độ chặt cho các lớp đất trên bề mặt tới độ sâu không lớn.

- Các loại cọc vật liệu rời như cát, sỏi, đá dăm đóng vào nền đất Các loại cọc này ngoài việc nén chặt đất (giảm lỗ rỗng của đất) chúng còn được sử dụng để tăng cường khả năng thoát nước cho nền đất giúp tăng khả năng cố kết của nền đất Các loại cọc này sử dụng hiệu quả cho các loại đất có lỗ rỗng lớn, các loại đất yếu như bùn, sét pha , cát pha Sử dụng cọc vật liệu rời có thể nén chặt đất không những đối với các lớp trên mà cả đối với các lớp đất yếu dưới sâu

- Hạ mực nước ngầm: Hạ mực nước ngầm giúp cho quá trình cố kết nhanh tạo khả năng giảm độ rỗng của các lớp đất nhờ tăng trọng lượng của khối đất bên trên Để tăng nhanh quá trình cố kết thường sử dụng kết hợp với biện pháp khác (ví dụ: giếng cát, bấc thấm)

2 Biến đổi cấu trúc của đất nền bằng các phương pháp hoá - lý: Theo hướng này

có thể sử dụng các phương pháp gia cường đất bằng xi măng, bằng hoá chất, điện thấm, điện hoá Các phương pháp này có thể sử dụng cho các loại đất như cát xốp, các loại đất có độ rỗng lớn, các loại đá nứt nẻ, các loại sét yếu, các loại cát, cát pha, sét pha bão hoà nước

3 Thay thế lớp đất ngay dưới đáy móng bằng loại đất khác tốt hơn

Ngoài các phương pháp nêu trên, với điều kiện cho phép có thể điều chỉnh tiến độ thi công (tăng tải dần dần) hoặc xây dựng từng bộ phận công trình theo từng giai đoạn nhằm cải thiện khả năng chịu lực của nền đất, cân bằng độ lún giữa các bộ phận của kết cấu công trình

Việc lựa chọn phương pháp xử lý nền cần dựa vào tính chất của đất nền, tải trọng công trình, loại móng, thiết bị và điều kiện thi công, tiến độ yêu cầu

Các phương pháp trên có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp với nhau để đạt hiệu quả cao nhất

3.2 Tính toán xử lý nền bằng đệm cát.

Trong thực tế thiết kế nền móng cho công trình có tải trọng vừa và nhỏ, xây dựng:

- trên nền đất yếu có chiều dày 1-3m nằm ngay phía trên hoặc đáy lớp không sâu quá 4m;

- trên nền đất yếu có chiều dày lớn và có thể tận dụng làm nền công trình ở độ sâu 4-5m,

ta có thể sử dụng phương án xử lý nền bằng đệm cát

Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát dựa trên nguyên tắc áp lực phụ thêm từ móng công trình giảm dần theo chiều sâu và tận dụng khả năng chịu tải vốn có của nền tại độ sâu cho phép.

Xử lý nền bằng đệm cát là thay thế lớp đất ngay dưới đáy móng bằng lớp cát hạt trung hoặc hạt to (có thể dùng sỏi, đá dăm, không nên sử dụng cát hạt nhỏ) tới độ sâu nào đó nhằm:

- tăng khả năng chịu lực của lớp đất phía trên đủ khả năng chịu được áp lực ngay dưới đáy móng công trình, nghĩa là tăng giá trị các đặc trưng về cường độ ϕTC và

CTC, không để phát triển vùng biến dạng dẻo trong nền

- giảm độ lún tuyệt đối của móng và độ lún lệch giữa các móng do lớp đệm cát có

mô đun biến dạng lớn hơn và tăng nhanh tốc độ cố kết của nền do đó tăng nhanh sức chịu tải của nền và rút ngắn quá trình lún cho công trình

- giảm độ sâu chôn móng

Kích thước lớp đệm cát được xác định bằng tính toán

3.2.1 Xác định kích thước lớp đệm cát trên mặt bằng.

Chiều dài và chiều rộng lớp đệm cát (trên mặt bằng) cần phải đảm bảo đủ diện tích chuyền tải và chống phình bên hông Kích thước đáy lớp đệm cát được xác định như sau:

- từ mép ngoài đáy móng mở một góc α

(góc này thường lấy 30-350 đối với cát

hạt trung và hạt to và 35-400 đối với sỏi,

kích thước mép biên của đáy lớp đệm cát

(xem hình 3.1.) Như vậy chiều rộng của

lớp đệm cát có thể xác định được theo

công thức: bdc=b+2.d.tgα

Kích thước quan trọng nhất là chiều dầy

lớp đệm Chúng cần được tính toán để

đảm bảo 2 điều kiện cơ bản: đảm bảo ổn

định về cường độ và đảm bảo độ lún cho

công trình

3.2.2 Tính toán nền đệm cát theo điều kiện ổn định.

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán đệm cát.

Tính toán ổn định của nền đệm cát được tiến hành

khi công trình chịu tải trọng ngang Lúc này nền

đệm cát có thể coi như nền 2 lớp: lớp đệm cát (đất

tốt) và lớp đất nền (đất yếu) phía dưới Tính toán

ổn định nền này chủ yếu kiểm tra điều kiện trượt

sâu theo mặt tiếp xúc giữa đáy lớp đệm cát và đỉnh

lớp đất yếu và kiểm tra khả năng trượt sâu theo

phương pháp mặt trượt trụ tròn Đối với các công

trình tường chắn chịu tải trọng ngang lớn cần phải

kiểm tra điều kiện ổn định trượt Cách tính toán

xem trong các tài liệu về ổn định tường chắn đất

3.2.3 Tính toán nền đệm cát theo điều kiện biến

dạng.

Chiều dày lớp đệm cát cần được lựa chọn sao cho

tổng độ lún của lớp đệm cát và độ lún của nền đất

yếu dưới lớp đệm cát không lớn hơn độ lún giới

hạn cho phép đối với công trình đang thiết kế Tính

toán độ lún nền đệm cát được tiến hành theo

phương pháp cộng lún từng lớp, coi nền là bán

không gian biến dạng tuyến tính

3.2.3.1 Xác định chiều dày lớp đệm cát theo điều kiện giới hạn biến dạng

tuyến tính

Để đảm bảo nền đất yếu (thiên nhiên) dưới lớp đệm cát làm việc trong giới hạn biến dạng tuyến tính thì chiều dày lớp đệm d phải đảm bảo sao cho áp lực thẳng đứng tác dụng lên lớp đất yếu không vượt quá cường độ tính toán của lớp đất yếu

σpt(D)- ứng suất phụ thêm tại đỉnh lớp đất yếu.

tb

p - áp lực tiêu chuẩn trung bình dưới đáy móng, xác định như sau:

a) trường hợp móng chịu tải đúng tâm:

∑ 0 +γtb.hđ (3.4)b) trường hợp móng chịu tải lệch tâm theo một hướng:

N

m

TC

6 1

hm- chiều sâu chôn móng (khoảng cách từ đỉnh móng tới đáy móng)

Rđy- cường độ tính toán của đất yếu tại độ sâu đáy lớp đệm cát

Rdy = ( y II y II II)

TC

DC BH

Ab K

m

(3.8)A,B,D -các hệ số phụ thuộc vào ϕII, tra bảng 2.2

by- chiều rộng móng quy ước, xác định như sau:

- đối với móng băng:

by=

l d

CII- trị số tính toán của lực dính đơn vị của đất nền ở đáy lớp đệm cát (ký hiệu: II là tính theo trạng thái giới hạn thứ II);

Hy- chiều sâu của móng quy ước tính từ cốt thiên nhiên tới đáy lớp đệm cát

Trong bước thiết kế sơ bộ chiều dày lớp đệm cát d có thể xác định theo công thức gần đúng sau đây:

d= K.b (3.11)K- hệ số phụ thuộc vào tỷ số l/b và R1/R2 (xem biểu đồ hình3.2);

R1,R2- tương ứng là cường độ tính toán của lớp đệm cát và của lớp đất yếu nằm dưới lớp đệm cát

Các giá trị R1,R2 xác định bằng cách nén tĩnh bằng bàn nén tại hiện trường hoặc tính toán theo các công thức liên quan

3.2.3.2 Xác định độ lún của nền đệm cát

Độ lún của nền đệm cát S tổng độ lún của lớp đệm cát Sđc và nền đất yếu dưới lớp đệm cát Sđ, nghĩa là:

S=Sđc +Sđ (3.12)tổng độ lún đó phải có giá trị nhỏ hơn giá trị độ lứn cho phép [Sgh]: S ≤ [Sgh]

Độ lún của nền lớp đệm cát được tính toán theo phương pháp cộng lún từng lớp Trong đó mô đun biến dạng E0.C của nền đệm cát tốt nhất xác định bằng bàn nén tại hiện trường Trong trường hợp không có điều kiện nén thí nghiệm có thể tra bảng theo tiêu chuẩn đối với lớp đệm cát với hệ số đầm lèn KYC≥ 0,95, còn đối với lớp đất yếu dưới lớp đệm cát giá trị E0.Đ lấy theo kết quả thí nghiệm trong phòng đối với lớp đất đó

Khi h ≤ 2m:

1 1

1 1

2

1

h

h h b

b b

2 1 1

1 8 , 1 125 ,

1 20 206

1200

0

−

= γ

R

N

TB c

1 ,

Ta chọn kích thước móng lxb=2,5x3,0m với diện tích F =7,5m 2

Xác định áp lực tiêu chuẩn lên nền:

0 , 1 20 0

, 3

174 , 0 6 1 5 , 7

1200 6

p

p

tc tc

tc

2

min max + =

=

N

h Q M

tc

tc tc

174 , 0 12

225 1200

1 75 150

1 5 , 2 125 ,

Kiểm tra điều kiện áp lực lên lớp đất yếu theo công thức (3.1)

Ab K

m

trong đó: lớp đất sét yếu dày 4m có ϕ II0=12 0 , tra bảng 2.2 được A=0,23; B= 1,94; D=4,42;

Thay các giá trị tìm được vào công thức (3.1):

106,3+44,8 =151,1kPa < R đy =183,4kPa - đạt yêu cầu về áp lực lên lớp đất yếu tại đáy lớp đệm cát.

Kiểm tra nền đệm cát theo điều kiện biến dạng:

Tra bảng theo quy phạm với cát hạt trung ta có E 0 =20000kPa

Sơ đồ tính toán độ lún trình bày trên hình 3.1

Kết quả tính toán độ lún trình bày trong bảng dưới đây:

+ +

+ +

4, 0 2

0, 15 3, 17 2, 19 0, 22 1, 26 2

5, 30 10000

5, 0 2

5, 30

8,

37

4000

3, 2

8, 37 8, 43 4000

4, 0 2

8, 43 8, 53 5, 66 2

8, 80 4000

5, 0 2

8, 80 3, 106 20000

75 ,0 2

3, 106 7, 146

2

163

cm cm m

tt

tc o

o

M M

n

10,1751,2

tt

tc o

o

Q Q

1 Đánh giá điều kiện địa chất công trình

Lớp 1: Đất lấp, có chiều dày trung bình 0,6 m Lớp đất này không đủ chịu lực để làm nền móng công trình

Lớp 2: Sét pha xám tro, xám đen dày trung bình 6,0 m

Độ sệt của đất: Theo bảng khảo sát đánh giá địa chất :

γ

− γ

γ +

(1,089 1).17,5

26,68 (1 0,01.37)

+−

γ γ

= 10(6 + 2) 0 , 26 = 21kN/m2175,631

146,3591,2

tt

tc o

o

M M

n

12,21

10,1751,2

tt

tc o

o

Q Q

n

3 Xác định kích thước sơ bộ cho móng:

Chọn độ sâu chôn móng 1,2m tính từ cốt ngoài nhà Cốt trong nhà tôn nền cao 20cm

Bề rộng móng sơ bộ chọn b=2m Dùng cát hạt thô vừa làm lớp đệm, đầm đến độ chặt trung bình: Tra bảng TCXD 45- 78.

Cường độ tính toán của cát đệm hạt to: Ro=400kPa, cường độ này ứng với b1=1m; h1=2m Cường độ tính toán của cát tính theo công thức tính đổi quy phạm.

Khi h ≤ 2m

1

1 1

1 1

h

h h ) b

b b K

l = 1,5x0,998 = 1,497 m

(Vậy chọn l= 3 m; b=2 m)

cột thép tiết diện đặc

tc o

tc o

N

h Q

cột thép tiết diện đặc

bu lông neoỉ36 1

d h z

3 −

1 100,88

z = +

σ =35,6+37,92=73,52KPa < R =100,88 KPadyNhư vậy chiều cao đệm cát thoả mãn điều kiện áp lực lên lớp đất tại đáy đệm cát.

5 Kiểm tra điều kiện biến dạng.

Tra bảng quy phạm với cát thô vừa, chặt vừa được E=35000Kpa

σ = = 12,408 KPa <0,1 σbt z=4=0,1x164,7=16,47KPa do vậy ta lấy giới hạn nền đến độ sâu 3,6m kể từ đáy móng.

β

i i i

gl zi n

gl zi i

E , h E

S

1 1

8 0

Tạo lớp đệm cát nghiêng một góc β ≥ góc ma sát trong của lớp đất đặt đệm cát chọn β = 30 0 ⇒

chiều rộng đáy trên đệm cát b tr = +b d 2 .h tg d β =3,84 2.1,6 30+ tg 0 =5,68m

64,391 60,878 59,534 51,683 43,263 35,682 29,369 24,289 20,248 17,037 14,472

1

3

±0,00 -0,2

E=2330(KPa)

σgl bt

6.Tính toán độ bền và cấu tạo móng:

Dùng bê tông B15, R b = 9000 KPa Cốt thép nhóm CII có R S =260000KPa

N tt

o 6 1

Áp lực tính toán trung bình trong phạm vi diện tích gây đâm thủng.

Lực chống đâm thủng theo TC 3 356-2006: N ≤ α R bt h 0 b tb

trong đó: N- lực đâm thủng; α - hệ số lấy đối với bê tông nặng α =1,0; đối với bê tông hạt nhỏ

α =0,85; đối với bê tông nhẹ α =0,8; h 0 - chiều cao làm việc của cốt thép; b tb - chu vi trung bình của diện chịu chọc thủng

0 1,19 0,465 1,655

tb bd

kN b

Như vậy móng không bị đâm thủng

Mô men tương ứng với mặt ngàm I-I

tt tt I

, 0 260000

465 , 0 9 , 0

9 , 99

Mô men tương ứng với mặt ngàm II-II:

0 260000

453 , 0 9 , 0

82 , 43

cột thép tiết diện đặc

bu lông neoỉ36 15ỉ12

a200 2

11ỉ12 a200

cát hạt thô

đầm chặt, k=0.95 1

11ỉ12 a200 1

15ỉ12 a200 2

3.2.4 Một số lưu ý khi sử dụng đệm cỏt xử lý nền đất yếu

- Khi tải trọng công trình tác dụng xuống móng lớn hoặc lớp đất nền quá yếu chiều dày lớp đệm sẽ có giá trị quá lớn, việc thay thế nền đất yếu trở nên khó khăn và không kinh tế (do khối lượng cát đệm quá lớn, thi công trở nên khó khăn, đặc biệt khi có mực nước ngầm cao) Nói chung khi lớp đệm dầy quá 3m sử dụng lớp đệm trở nên ít hiệu quả Trong trường hợp đó, đệm cát có thể kết hợp với biện pháp gia

Cọc cát có những đặc điểm sau đây:

- cọc cát giúp cho nền đất thoát nước nhanh, đẩy nhanh quá trình cố kết của nền đất

Ngoài những ưu điểm trên, cọc cát là loại vật liệu rẻ tiền, sẵn có ở nước ta, thi công khá đơn giản nên chúng được sử dụng khá rộng rãi

Vật liệu làm cọc thường sử dụng các loại cát hạt trung, hạt to, cũng có thể sử dụng sỏi, đá dăm hoặc kết hợp cát lẫn sỏi, đá dăm

trong đó: Fik - diện tích đất nền được nén chặt bằng cọc cát; b- chiều rộng đáy móng, m; l- chiều dài đáy móng, m.

2 Xác định hệ số rỗng e ik của đất sau khi đóng cọc cát:

- đối với đất rời:

eik= emax-Id(emax-emin) (3.14)trong đó: eik- hệ số rỗng của đất sau khi đóng cọc cát; emax- hệ số rỗng của cát ở trạng thái xốp nhất; emin- hệ số rỗng của cát ở trạng thái chặt nhất; ID- độ chặt của nền đất được gia cố bằng cọc cát tương ứng với eik, cần đảm bảo ID=0,7-0,8

- đối với đất dính:

eik=

0

100

e

hệ số rỗng của đất trước khi đóng cọc cát; Wtn- độ ẩm của đất ở trạng thái tự nhiên;

WP- độ ẩm của đất sau khi gia cố cọc cát

e e ) 1

0 +

− (3.19)

4 Xác định trọng lượng thể tích γik của đất sau khi đóng cọc cát:

5 Xác định khoảng cách giữa các cọc.

Thông thường cọc cát được bố trí theo mạng lưới tam giác đều với các giả thiết sau:

- đất được lèn chặt đều giữa các cọc;

- đất không trồi lên bề mặt;

- độ ẩm của đất không đổi trong quá trình lèn chặt đất

Dựa trên các giả thiết trọng lượng của khối đất có đáy là tam giác đều ABC (hình 3.9) không thay đổi sau khi được chèn cọc cát, khoảng cách giữa tim các cọc cát bố trí theo dạng tam giác đều có thể xác định bằng công thức sau đây:

L =

ik

e d

e e

e d

0

0 0

95 , 0 ) (

3 2

) 1 (

(3.21)hoặc có thể viết dưới dạng:

L =

) (

3

γ π ik

trong đó: d- đường kính cọc cát; γik- trọng lượng thể tích của đất sau khi đóng cọc

Hình 3.9 Sơ đồ xác định khoảng cách giữa các cọc cát

6 Xác định chiều dài cọc cát:

Chiều sâu nền đất được nén chặt bằng chiều dài cọc cát Chiều dài cọc cát không nên nhỏ hơn chiều dày chịu nén của đất nền dưới móng Đối với móng đơn chiều dầy chịu nén của lớp đất nền dưới móng thường nằm trong khoảng (2-3)b, còn đối với móng băng chiều dày đó trong khoảng (3-4)b Như vậy có nghĩa là chiều dài cọc cát cần:

- l ≥ (2-3)b - đối với móng đơn;

- l ≥ (3-4)b - đối với móng băng

Trong trường hợp móng có chiều rộng lớn hơn 10m, chiều dài cọc cát có thể lấy như sau:

- l ≥ 9m+0,15b- khi nền là đất sét