Tính toán móng trên nền đất yếu

Việc khảo sát địa kỹ thuật là khâu quan trọng, mấu chốt. Trước tiên phải nghiên cứu lịch sử thành tạo địa chất và điều kiện địa chất công trình tại địa điểm xây dựng, tham khảo những tài liệu đã có tại khu vực sẽ xây dựng công trình và những công trình lân cận. Xác định số lượng, vị trí và chiều sâu các điểm khảo sát cùng với phương pháp khảo sát. Về khối lượng công tác khảo sát phải bao quát toàn bộ diện tích xây dựng công trình, các hạng mục nhỏ đến đâu thì số điểm khảo sát tối thiểu cũng không được ít hơn 3. Về vị trí các điểm khảo sát thì phải bố trí theo chu vi móng và một số điểm ở ngay giữa công trình để thiết lập được các mặt cắt địa chất. Về chiều sâu các điểm khảo sát, phải vượt qua tầng chịu nén Ha. Thông thường đối với móng cọc, chiều sâu các hố khoan và các hố xuyên phải vượt qua đầu mũi cọc dự kiến từ 7 m 50 đến 40 m, như vậy mới đủ số liệu địa chất để thiết kế cọc và tính lún cho móng cọc. Cần xác định mực nước dưới đất theo mùa và tính chất ăn mòn đối với bêtông. Đặc biệt đối với nền móng các công trình lân cận cần tiến hành quan sát đo vẽ, chụp ảnh. Nội dung khảo sát địa chất công trình: Cấu trúc địa tầng của khu vực xây dựng, thế nằm và tính liên tục của các lớp đất đá. Trường hợp trong phạm vi nền công trình tồn tại các lớp đá, phải đánh giá được thế nằm của đá, mức độ và chiều sâu phong hóa, hệ thống các khe nứt của chúng. Các tính chất cơ lý chủ yếu của từng lớp đất đá bao gồm cả kết quả thí nghiệm hiện trường nếu có. Sự tồn tại, thay đổi của nước mặt, nước ngầm cũng như tính ăn mòn vật liệu của chúng. Các hiện tượng địa chất đặc biệt có thể xảy ra trong quá trình thi công và khai thác công trình do sự có mặt các công trình xây dựng gây ra. Tùy theo giai đoạn của dự án cũng như khả năng tài chính của giai đoạn, các phương pháp sau đây có thể áp dụng để tiến hành việc khảo sát địa chất công trình Điều tra ban đầu dựa theo các tài liệu có sẵn của các công trình lân cận trong các kho lưu trữ. Quan sát các vết lộ, các hố đào, lấy mẫu đá từ các hố đào. Khảo sát sơ bộ bằng phương pháp khoan thăm dò có hoặc không có lấy mẫu phân tích. Thi công thử và thí nghiệm trực tiếp trên các chi tiết thử.

ch-ơng iV xây dựng công trình trên nền đất yếu

$.1 Khái niệm chung:

+ Nền đất yếu:

Đây là khái niệm chỉ là  t-ơng đối

Vì: : Trạng thái vật lý của đất

T-ơng quan giữa khả năng của đất và tải trọng CT (Công trình) vì có thể yếu với CT này nh-ng tốt với CT khác

Th-ờng đất: Có khả năng chịu lực: 0,5  1,0 kg/cm2,

Có tính nén lún mạnh

Đất yếu hầu nh-:

Bão hoà, hệ số rỗng e lớn (e>1);

Mô duyn tổng biến dạng bé ( E  50 kg/cm2);

Trị số sức chống cắt c;  nhỏ:  = 48o; c = 0,05  0,1 kg/cm2

Bao gồm: Sét mềm, các loại cát hạt nhỏ, mịn, rời rạc, than bùn …

Việc xây dựng CT trên nền đất yếu cần thiết phải nghiên cứu xử lý cả 3 bộ phận của CT: KCCT (Kết cấu công trình), Móng, Nền

$.2 Các biện pháp về KCCT:

KCCT có thể bị phá hỏng toàn bộ hoặc từng bộ phận do:

các đ/k về biến dạng không đ-ợc thoả mãn hoặc áp lực tác dụng lên mặt nền quá lớn

Nhằm mục đích:

Giảm áp lực lên móng Tăng khả năng chịu lực của KCCT

Ta dùng biện pháp:

Dùng VL(Vật liệu) nhẹ; KC nhẹ Làm tăng độ mềm của CT

+ Cần đ-ợc bố trí để đảm bảo các bộ phận của CT có khả năng làm việc độc lập,

có đủ c-ờng độ và độ cứng khi chịu uốn, không gây vết nứt khi nền biến dạng lớn và không đều

Vị trí khe lún: Dựa vào sự phân bố các lớp đất

Hình thức KC

Tại:

+ Chiều dày lớp đất thay đổi đột biến và tính nén của đất nền khác nhau lớn

+ Khi đất đồng đều thì bố trí ở chỗ thay đổi lớn về chiều cao, hoặc chênh lệch

Tr-ờng hợp a: Khe lún nên cấu tạo hẹp vào khoảng 1cm

Tr-ờng hợp b: Khe lún lấy lớn hơn khoảng 3-5cm

Chiều rộng tối thiểu để các bộ phận tách ra không tựa lên nhau:

 = kh (tgph - tgtr)

h = chiều cao của khe lún

ph; tr = góc nghiêng của CT ở bên phải và bên trái khe lún

k: hệ số xét đến tính chất không đồng nhất của đất, có thể lấy = 1,3  1,5

L-u ý: khe lún là cần thiết nh-ng không phải lúc nào cũng đủ Nó tránh đ-ợc sự truyền

lực trực tiếp từ công trình này lên công trình khác nh-ng  không triệt tiêu đ-ợc sự chồng chéo nhau về ứ/s trong nền đất dễ gây ra độ lún của CT có tr-ớc Trong nền có tính nén lún lớn riêng tác dụng của khe lún không đủ  cần phải có những biện pháp

đặc biệt ví dụ nh- t-ờng cừ cho phép giảm đáng kể sự chồng chéo này

Để các bộ phận đủ sức chịu thêm ứng lực sinh ra do lún không đều

Tăng thêm c-ờng độ và độ cứng không gian cho KC

Bằng cách: Bố trí giằng liên tục bằng gạch cốt thép hoặc BTCT

dọc theo t-ờng chịu lực và dọc theo móng

$.3 Các biện pháp về Móng:

1 Thay đổi chiều sâu chôn móng:

Chiều sâu chôn móng tăng  Sức chịu tải của nền tăng lên  Cơ đất

Hoặc thiết kế đế móng có chiều rộng thay đổi  nhằm mục đích tạo biểu đồ phân

bố ứng suất tiếp xúc có giá trị khác nhau tại mọi điểm d-ới đế móng

3.Thay đổi loại móng và độ cứng của móng:

Chọn loại móng quan trọng không những chỉ thể hiện về mặt chịu lực mà còn có ý nghĩa kinh tế lớn

Dựa vào:

Hình thức KC cũng nh- tính chất truyền tải trọng

Sơ đồ bố trí công trình ngầm, công trình lân cận

Tình hình địa chất

Điều kiện xây dựng móng: (ph-ơng tiện thi công, thời gian xây dựng )

Có thể dùng một trong những loại móng đã nêu ở trên

Làm tăng c-ờng độ liên kết giữa các hạt đất (để tăng sức chịu tải)

Làm tăng độ chặt của nền (để giảm tính nén lún và tính thấm n-ớc)

Các biện pháp:

Loại cơ học: làm chặt bằng đầm, bằng chấn động, làm chặt bằng các loại cọc, phương pháp thay đất, phương pháp nén trước, bệ phản áp …

Loại Vật lý: ph-ơng pháp hạ mực n-ớc ngầm, ph-ơng pháp dùng giếng cát, phương pháp điện thấm…

Loại hoá học: ph-ơng pháp keo kết bằng xi măng, ph-ơng pháp silicat hoá , ph-ơng pháp điện hoá…

Sau khi gia cố nền đất đã khác nhiều so với tr-ớc  cần có đánh giá để thiết kế nền móng

1.Ph-ơng pháp làm đệm:

Nguyên lý:

Vì ứng suất giảm dần theo chiều sâu (với tải trọng ngoài) nên  khi gặp lớp đất yếu ng-ời ta thay nó bằng 1 lớp đất khác có tính chất phù hợp và đầm lu chặt (cát trung, cát thô, cuội sỏi hay đất cấp phối được đầm lu từng lớp…)

Công dụng:

+ Lớp đệm đóng vai trò nh- 1 lớp chịu lực, tiếp thu đ-ợc tải trọng CT và  truyền xuống lớp đất yếu ở d-ới

+ Giảm bớt độ lún toàn bộ và không đồng đều, làm tăng nhanh tốc độ cố kết vì lớp

đệm có hệ số thấm lớn nên là nơi để n-ớc trong đất yếu thoát vào

+ Tăng khả năng ổn định khi CT có tải trọng ngang vì  lớp đệm sau khi đ-ợc

a, Thiết kế

Xác định kích th-ớc đệm:

Y/cầu: + D-ới tác dụng của tải trọng CT đệm phải ổn định

+ áp lực do tải trọng CT truyền lên mặt lớp đất yếu ở d-ới lớp đệm phải nhỏ hơn c-ờng độ của lớp đó

+ Đảm bảo độ lún của nền nhỏ hơn độ lún cho phép

* Để đảm bảo ổn định của nền xung quanh lớp đệm cát thì chiều rộng lớp đệm phải có kích th-ớc đủ để biến dạng ngang do CT gây ra không lớn, nằm trong giới hạn cho phép

Theo kinh nghiệm để đảm bảo y/cầu trên  lấy = đ (góc ma sát trong của đệm) hoặc  = 30  45o

Xác định kích th-ớc đệm: h đ =  giả thiết một chiều dày nào đó xong kiểm tra và điều chỉnh cho phù hợp

Khi có đệm cát thì nền là môi tr-ờng phức tạp nên trạng thái ứ/ suất ở đây hoàn toàn

khác với  các tr-ờng hợp nêu trong cơ học đất vì ở đây kích th-ớc đệm cát là giới hạn Tuy nhiên để đơn giản tính toán ng-ời ta dùng các ph-ơng pháp gần đúng sau:

+ Xem lớp đệm nh- bộ phận của nền và vận dụng các quy luật phân bố ứ/suất trong cơ đất để tính toán

+ Xác định kích th-ớc đệm dựa và đ/k ổn định về mặt c-ờng độ:

Để xác định Pgh của nền thì ta  phải tính toán tr-ợt sâu theo ph-ơng pháp cung tr-ợt tròn và tr-ợt sâu theo mặt tiếp xúc đáy đệm cát và đỉnh lớp đất yếu  và chiều dày của tầng đệm cát đ-ợc xác định đúng dần theo yêu cầu trên

Tuy nhiên gần đúng có thể làm nh- sau:

Giả định hđ sau đó kiểm tra các điều kiện

Điều kiện:

* Về c-ờng độ:

Tại đáy móng:

p  R; pmax  1,2.R

p; pmax = áp lực trung bình và lớn nhất do tải

trọng tiêu gây ra tại đáy móng

R – c-ờng độ lớp đệm

R= Pgh/Fs

Pgh = sức chịu tải của lớp đệm cát tính gần đúng

 theo công thức trong giáo trình Cơ học đất

đ = trọng l-ợng thể tích của đất và của lớp đệm

hm và hđ = chiều sâu đặt móng và chiều dày lớp đệm

2 = ứng suất do tải trọng ngoài gây ra tại bề mặt lớp đất yếu  tính theo giáo trình Cơ đất

Để tính Pghđy ta tạo ra móng quy -ớc với bề rộng móng khối quy -ớc nh- sau:

b q- = b +2 hđ.tg

l q- = l + 2 hđ.tg

 có thể lấy bằng  - góc ma sát trong của lớp đệm ( th-ờng lấy 30o)

Độ dốc ta luy thành hố đào (m)  xác định trên cơ sở phân tính ổn định mái dốc thực hiện trong lớp đất yếu

* Về biến dạng:

Tính lún bằng ph-ơng pháp cộng lún từng lớp

( L-u ý: Kích th-ớc đệm phải đồng thời thoả mãn 2 điều kiện trên

Nền gia cố là giả định nên ta phải khảo sát lại nền gia cố để đánh giá gia cố và có các

số liệu để hiệu chỉnh lại móng đã thiết kế sơ bộ.)

b Vật liệu đệm và biện pháp thi công:

Vật liệu:

Cát to hoặc cát trung, theo kinh nghiệm  2 loại này khi đầm có khả năng đạt đến độ chặt khá cao tiếp thu đ-ợc tải trọng lớn của công trình và không di động d-ới tác dụng của n-ớc ngầm

Cát phải thỏa mãn một số đ/k sau:

Đối với cát vàng, hàm l-ợng SiO 2 không nên nhỏ hơn 70% và hàm l-ợng hữu cơ không v-ợt quá 5% Hàm l-ợng mica nên nhỏ hơn 1,5% và cỡ hạt có d>0,25mm chiếm trên 50%, cấp phối rải đều d=5-0,25mm

Cát đen: Hàm l-ợng SiO 2 không nên nhỏ hơn 50% và hàm l-ợng hữu cơ không v-ợt quá 2% Hàm l-ợng mi ca và hàm l-ợng sét nên nhỏ hơn 2%

+ Để tiết kiệm vật liệu có thể trộn 70% cát vàng với 30% cát đen hay 3 phần sỏi với 2 phần cát vàng (sỏi nên chọn cỡ hạt 20-30 mm)

Biện pháp thi công:

Khi thi công phải đảm bảo độ chặt lớn nhất  và không làm phá hoại kết cấu

đất thiên nhiên d-ới tầng đệm cát

Tuỳ theo vật liệu đệm và thiết bị đầm mà chọn biện pháp thi công cho phù hợp

Rải cát thành từng lớp → chiều dày lớp rải tuỳ thuộc thiết bị đầm nén: ví dụ đầm thủ công chiều dày =20cm; đầm bàn rung =25cm đầm rung có phun n-ớc U20

=100ữ150cm

Nếu đất nền d-ới đệm vẫn là lớp đất yếu thì nên rải một lớp vật liệu ngăn cách để  tránh cát bị chìm xuống đất yếu tạo điều kiện đầm chặt lớp cát theo yêu cầu Vật liệu ngăn cách phổ biến hiện nay là  vải địa kỹ thuật: (geotextile)

Nếu thi công trong n-ớc có thể dùng biện pháp xỉa lắc cát, đây là biện pháp thi công trong đ/k bão hoà n-ớc, nên mực n-ớc ngầm trong lớp đệm phải  cao hơn mặt lớp cát rải khoảng 5ữ10cm

Chỉ tiêu đánh giá chất l-ợng đầm nén:

a, Độ chặt đầm nén:

Dựa vào độ chặt t-ơng đối D

min max

max

e e

e e D

Một số ph-ơng pháp: Ph-ơng pháp cân: lấy mẫu bằng dao vòng (cơ đất)

Ph-ơng pháp dùng xuyên tiêu chuẩn Nếu đệm có nhiều sỏi: dùng ph-ơng pháp đào lỗ đổ cát tiêu chuẩn

Xuyên tiêu chuẩn:

-u điểm: xác định đ-ợc ngay và toàn diện chất l-ợng đầm nén ở hiện tr-ờng, cơ

động, rút ngắn đ-ợc thời gian

Dụng cụ gồm: Quả tải nặng 10,5kg

Một cần dài 1,5m có mấu đỡ để khống chế chiều cao rơi và đầu nhọn của chuỳ xuyên có khắc th-ớc đo đến mm

Cách làm: Nâng quả tạ lên đến chiều cao quy định thả rơi tự do, nâng lên thả

xuống 3 lần  đồng thời ghi độ lún của đầu nhọn chuỳ xuyên kể từ lúc bắt đầu thử tải trọng, sau đó có thể tra biểu đồ hoặc tính toán tìm ra e và k ( TK: XDCT trên nền đất yếu)

Ph-ơng pháp đào lỗ đổ cát tiêu chuẩn:

Với nền không dùng dao vòng để lấy mẫu thí nghiệm đ-ợc – nh- lẫn nhiều sỏi lúc đó ta

làm nh- sau:

Đào lỗ lấy đất cân để xác định đ-ợc Q w từ đó  xác định Q k

Rót cát tiêu chuẩn đã biết trọng l-ợng vào hố  xác định khối l-ợng cát đổ vào lỗ

Pc = trọng l-ợng cát tiêu chuẩn đổ vào trong lỗ đào

 = trọng l-ợng thể tích của cát tiêu chuẩn

 từ đó xác định đ-ợc dung trọng của đệm

Bài 1

Xác định kích th-ớc lớp đệm cát d-ới móng băng khi biết: b = 1,6m; hm= 1,0m

Với tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn ở mức mặt đất: Notc =10T/m; Motc = 2Tm/m; Qotc= 1T/m

Lớp đất d-ới móng là lớp sét dẻo nhão có các tính chất nh- sau:

1 = 1,8T/m3; c = 0,12 kg/cm2;  = 5o

Vật liệu đệm: cát vàng hạt trung đầm đến chặt vừa: 2 = 1,9T/m3

Bài làm:

Giả sử chọn chiều dày đệm cát: hđ = 2,0m

Kiểm tra chiều dày lớp đệm cát theo điều kiện:

z + bt  Rđy trong đó

s

u dy F

P

bt = ứng suất th-ờng xuyên do trọng l-ợng bản thân đất nền và đệm cát tác dụng lên

mặt lớp đất yếu d-ới đáy đệm

10

 có thể lấy bằng  - góc ma sát trong của lớp đệm

(với cát vàng hạt trung đầm đến chặt vừa  có thể lấy bằng 30 o )

3

2 , 1 47 , 6 ) 9 , 1 2 8 , 1 0 , 1 (

56 , 1 92 , 3 8 , 1 1 5 , 0

m T

P R

- Đất có độ rỗng lớn, rời, bão hoà, tính nén lún lớn, hoặc đất có kết cấu phá hoại kém ổn

định, kinh nghiệm cho thấy:  Dùng hiệu quả với đất cát nhỏ, cát bụi rời ở trạng thái bão hoà n-ớc, đất cát xen kẽ đất bùn mỏng, các loại đất dính yếu, đất bùn, than bùn

a.Thiết kế:

+ Xác định hệ số rỗng nén chặt:

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy:

* Với đất rời sau khi nén chặt bằng cọc cát hệ số rỗng enc đ-ợc xác định:

enc = emax- D( ema x -emin) Kinh nghiệm cho thấy có thể chọn D = 0,7  0,8 với đất rời

Có thể chọn e nc  ( 0 , 65  0 , 75 )e o  e o là hệ số rỗng trung bình ban đầu của đất

* Với loại đất sét có thể gần đúng xác định:

) 5 0 (

L-u ý: nếu cọc cát đi qua nhiều lớp đất thì e nc đ-ợc lấy trung bình của các lớp đất lúc

đó sơ bộ lấy chiều dài cọc cát bằng 3b  b: chiều rộng móng (lúc đó b cũng đ-ợc dự kiến)

2 1

2 2 1

1

l l

l e l e

Bố trí theo đỉnh l-ới tam giác đều (có thể bố trí hình vuông)

Khoảng cách cọc cát xác định dựa vào giả thiết sau:

- Độ ẩm trong quá trình nén không đổi

- Đất đ-ợc nén chặt đều trong khoảng cách giữa

các cọc cát

- Đất không trồi lên trên mặt đất

- Thể tích của các hạt đất tr-ớc và sau khi nén

chặt xem nh- không đổi

Từ Đ/k:

Trọng l-ợng của khối đất, có đáy là tam giác đều ABC sẽ không đổi sau khi đ-ợc nén chặt bằng cọc cát

nc o

o c

e e

e d

L





 0 , 952 1

eo = hệ số rỗng của đất tr-ớc khi có cọc cát

enc = hệ số rỗng của đất sau khi đóng cọc cát

Có thể viết d-ới dạng:

nc

c d L

, 0

nc = trọng l-ợng thể tích của nền sau khi nén chặt

Để bảo đảm nền đất đ-ợc ổn định về ph-ơng diện biến dạng cũng nh- khả năng chịu tải, cọc cát th-ờng đ-ợc bố trí không những d-ới móng mà còn ở phạm vi ngoài đế móng

Theo kinh nghiệm thiết kế số l-ợng hàng cọc cát bố trí theo h-ớng dọc và h-ớng ngang d-ới đế móng th-ờng  lớn hơn 3 hàng, trong đó trục của hàng cọc ngoài cùng lấy rộng hơn kích th-ớc mặt bằng đế móng một khoảng cách  lớn hơn 1,5 lần đ-ờng kính cọc hoặc 0,1 lần chiều dài cọc

Có thể bố trí nh- sau: Trên giấy crôki ta vẽ l-ới các cọc cát theo khoảng cách đã chọn trong thiết kế  sau đó đặt giấy can trên l-ới đó và theo cùng một tỷ lệ ta vẽ sơ đồ móng cùng với giải nén chặt xung quanh Xê dịch giấy can trên l-ới đó ta sẽ tìm đ-ợc sự bố trí hợp lý nhất của cọc cát

Cọc cát chỉ có tác dụng nén chặt theo chiều sâu nếu số l-ợng cát chứa đầy trong cọc đáp ứng y/cầu độ chặt thiết kế

Trọng l-ợng cát cần thiết trên 1md cọc:

) 100 1 ( 1

1

w e

f G

W1 = độ ẩm tính theo trọng l-ợng của cát trong thời gian thi công

 = trọng l-ợng riêng của cát dùng trong cọc

+ Xác định chiều sâu nén chặt của cọc:

z  0,2 bt đất tốt

 0,1 bt đất yếu

 0,5 bt thuỷ lợi

Có thể theo ph-ơng pháp lớp t-ơng đ-ơng của X-tôvich H = 2.hs (hs= Ab)

A = hệ số lớp t-ơng đ-ơng  hệ số poát xông o; hình dạng đế móng và độ cứng của móng Th-ờng > 2 lần b móng chữ nhật

3  4 lần b móng băng

Theo kinh nghiệm nền đất sau khi gia cố cọc cát sức chịu tải:

có thể tăng từ 2  3 đất khi ch-a gia cố và mô duyn biến dạng có thể tăng lên khoảng 2-3 lần

Ta lấy cơ sở đó để giả định thiết kế

b Vật liệu cọc và biện pháp thi công:

c, Kiểm tra chất l-ợng:

Sau khi thi công  kiểm tra lại bằng các ph-ơng pháp sau:

Khoan lấy mẫu giữa các cọc cát → thí nghiệm trong phòng

Dùng xuyên để kiểm tra độ chặt của cát và cọc cát

Đất yếu có thể dùng thí nghiệm cắt cánh

Thử bàn nén tĩnh tại hiện tr-ờng, trên mặt nền cọc cát Diện tích bàn nén th-ờng phải lớn hơn 4m2 để trùm đ-ợc ít nhất 3 cọc cát

100

30 1

8 , 1



38 , 1

65 , 2

εo   

1 , 0 56 , 0 96 , 0

92 , 0 96 , 0

min max

e e

Xác định mức độ ẩm của cát:

864 , 0 1 92 , 0 100

65 , 2 30 Δ

ε



n o

W G

G = 0,864 > 0,8 nên cát bụi ở trạng thái bão hoà n-ớc

Đất yếu nên dùng biện pháp gia cố nền → ở đây dùng biện pháp gia cố nền bằng cọc cát

l = .b = (1+2 0,1) 2m = 1,2 2m =2,4m

áp lực d-ới đáy móng:

2

/ 25 1 2 4 2 2

110 γ

4 , 2 2

6 2 , 9

W

M p



2 2

4 , 2 2

6 2 , 9

W

M p

m F

P R s



nc e

+Xác định trọng l-ợng thể tích của đất nén chặt theo công thức:

) 01 , 0 1 ( 1

W = độ ẩm thiên nhiên của đất tr-ớc khi nén chặt

 = trọng l-ợng thể tích của đất thiên nhiên tr-ớc khi đ-ợc nén chặt

/ 08 , 2 ) 30 01 , 0 1 ( 66 , 0 1

65 , 2

08 , 2 4 , 0 952

1

W e

f G

65 , 2 4

4 , 0 14 ,

H = 2.2,16 = 4,32m  4,5m

Tính toán độ lún dự tính của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát

Độ lún dự tính của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát có thể xác định theo công thức:

; ) μ 1 (

o

o E

110 γ

1000 400

500 3000