Nội dung của bài giảng trình bày về các khái niệm liên quan đến xử lý và gia cố đất nền, đệm cát, tính toán lớp đệm cát, một số vấn đề thi công lớp đệm cát, cọc cát, những tác dụng của cọc cát, các bước tính toán cọc cát, một số vấn đề thi công cọc cát, gia tải trước, tính toán trọng gia tải cho phép, tính toán cố kết đất nền, giếng cát gia tải trước, bấc thấm và cừ tràm.
Trang 1Chương 4: Xử lý và Gia Cố Đất Nền
1
4.1 KHÁI NIỆM
Đệm vật liệu rời (đá, sỏi, cát)
Cọc vật liệu rời (cọc đá, cọc sỏi, cọc cát)
Cọc đất vôi, đất xi măng
Gia tải trước
Giếng cát gia tải trước
Bấc thấm
Cừ tràm
2
4.2 ĐỆM CÁT
- Chiều dày lớp đất yếu < 5m; công trình vừa, nhỏ, nhà công
nghiệp Dùng lớp đệm để thay thế toàn bộ lớp đất yếu
- Làm tăng sức chịu tải của nền đất (được thay bởi lớp đất tốt
hơn)
- Làm tăng khả năng chống trượt khi có tải trọng ngang
- Ưu: sử dụng vật liệu địa phương, phương pháp thi công đơn
giản
- Khuyết: thích hợp cho công trình nhỏ; công trình bên cạnh
ao, hồ, sông, biển thì cần phải có biện pháp ngăn ngừa hiện
tượng cát chảy Khi MNN cao thì dùng γ’ nên không hiệu
quả
3
4.2 ĐỆM CÁT
Tính toán lớp đệm cát
D f
N tt
h
σz
2
σbt
pgl
h đ
b đ
4
4.2 ĐỆM CÁT
* Điều kiện 1:
σbt 1+ σ z ≤ Rtc(Df+ hđ) ≈ RII(Df+ hđ)
σbt
1= γ Df+ γđhđ
σz : Ư/s do tải trọng ngoài tại đáy lớp đệm
σz = k0pgl= k0(p - γ Df) k0= f (l/b, z/b)
] ) (
2
k
m
m
tc
z: bề rộng móng tính đổi
- Móng băng:
l
N
b
tc
z
σ
z
- Móng chữ nhật:
a = (l-b)/2
tc z
N F σ
Tính toán lớp đệm cát
5
4.2 ĐỆM CÁT
* Điều kiện 2: S = Sđệm + Sđất ≤ S≤ gh
- Để đơn giản hơn, ta có thể chọn hđrồi kiểm tra lại đk1 và đk2
- hđđược chọn bằng bề dày lớp đất yếu và ≤ 3m
Tính bề rộng đáy lớp đệm vật liệu rời với gải thiết góc truyền ứng suất nén trong nền đất là α ≈ ϕđ= 30 ÷ 350
bđ= b + 2 hđtan300
Tính toán lớp đệm cát
6
Trang 24.2 ĐỆM CÁT
Một số vấn đề thi công lớp đệm cát
- Đào bỏ hết lớp đất yếu
- Dùng loại cát hạt to, trung, hàm lượng chất bẩn ≤ 3%
- Rải từng lớp dày 20 – 30cm, tưới nước vừa đủ ẩm (Wopt) và
đầm
- Có thể thay cát bằng các loại đất tốt khác: cát pha sét lẫn
sỏi, sỏi đỏ
7
4.3 CỌC CÁT
Tác dụng
- Làm cho đất nền nén chặt lại nhờ hệ thống các cọc cát
- Tăng sức chịu tải của đất nền
- Giảm biến dạng, đặc biệt là biến dạng không đồng đều
- Tăng khả năng chống trượt đối với công trình chịu tải ngang
Ưu điểm
- Tận dụng được vật liệu địa phương (cát)
- Thiết bị thi công đơn giản
- Thời gian thi công (xử lí nền) nhanh
Nhược điểm
- Sử dụng hiệu quả cho công trình có tải trung bình Công trình có tải lớn hoặc vùng đất yếu lớn thì biện pháp này không khả thi
8
4.3 CỌC CÁT
Các bước tính toán cọc cát
1 Xác định diện tích cần nén chặt
Fnc= lncbnc
lnc= l + 0,4 b
bnc= b + 0,4 b
2 Xác định hệ số rỗng nén chặt sau khi có cọc cát
- Nền cát:
enc= emax– D(emax– emin)
Độchặt tương đối D = 0,7 ÷ 0,8 khi thi công đóng ống tạo cọc
9
4.3 CỌC CÁT
- Nền sét
) 5 , 0 (
100 w p p
s
γ
p
e
e nc =e p=0,1MP
p=0,1MPa
enc= 0,7 ÷ 0,8, nhưng < 1
- Dung trọng sau khi nén chặt
) 01 , 0 1 (
G nc
s
+
=
γ
10
4.3 CỌC CÁT
3 Xác định khoảng cách giữa các cọc
• Cọc bố trí theo lưới tam giác
d
L
60 0
nc e e
e d
L
−
+
=
0
0
1
952
,
0
• Cọc bố trí theo lưới ô vuông
d
L
nc e e
e d
L
−
+
=
0 0
1 886
,
0
4.3 CỌC CÁT
4 Xác định số lượng cọc cần thiết
Fc: diện tích tổng các cọc cát, fc: diện tích 1 cọc cát
c
c nc f
F
4
2
d
f c π
=
0 0
1 e
e e F
nc c
+
−
=
nc nc
e e e F
0 0
1
−
=
c nc nc c
f F e e e n
0 0
1
−
=
Thường chọn d = 20 ÷ 60cm, chọn và bố trí cọc nằm ngoài phạm vi nén chặt
Trang 34.3 CỌC CÁT
5 Xác định chiều dài cọc lccần thiết
Chiều dài cọc phải ≥ chiều sâu vùng hoạt động lún (vùng
chịu nén) và phải thỏa mãn khả năng chịu tải của lớp đất yếu
σbt
1+ σz ≤ Rtc
(Df + lc)≈ RII (Df + lc)
Thường chọn lc= Hnén+ 0,5m
13
4.3 CỌC CÁT
6 Kiểm tra điều kiện ổn định
- Kiểm tra điều kiện ổn định dưới đáy móng
ptc≤ Rtc (Df)≈ RII (Df)
ptc max≤ 1,2 Rtc
(Df)≈ 1,2 RII (Df)
ptc min≥ 0
- Kiểm tra điều kiện ổn định dưới cọc cát
σbt
1+ σz ≤ Rtc
(Df + lc)≈ RII (Df + lc)
7 Kiểm tra điều kiện biến dạng
S = Scc+ Sđất≤ Sgh
14
4.3 CỌC CÁT
- Đóng ống thép xuống nền đất, nhồi cát và đầm chặt, đồng
thời rút ống thép lên; dùng ống thép tự mở đáy
- Thi công bằng phương pháp chấn động thì sau khi hạ ống
thép tới độ sâu thiết kế, nhồi cát vào, cho máy chấn động
rung khoảng 15-20ph, kế tiếp rút ống lên 0,5m, làm tương
tự
- Thi công bằng phương pháp nổ mìn
Một số vấn đề thi công cọc cát
15
4.4 GIA TẢI TRƯỚC
Tính toán tải trọng gia tải cho phép để đất nền không bị phá hoại, p ≤≤≤ p gh
Để đơn giản lấy ϕ = 0 => A = 0, B = 1, D = 3,14 = π Pgh= π c
Chiều cao lớp gia tải là
h = pgh/ γ
)
* (A b B D D c m
R
)
* (
2
1 A b B D D c k
m m R
tc II
16
4.4 GIA TẢI TRƯỚC
Tính toán cố kết đất nền
p
h
1 1
dz
Nền đất không thấm
Biên thoát nước
z
2h
Biên thoát nước
h
Cát thoát nước
h
v
T
2
2
8
1
π
π
−
−
=
w o w v
a k k a e C
γ
+
= 1 1
t h C
v= 2
Khi U > 60%=> T = 1,781 – 0,933 log(100-U)
2
100
4
v
U
4.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
- Thích hợp cho công trình có kích thước bản đáy lớn: móng băng, băng giao nhau, móng bè, nền đường, đê đập…
- Dùng cho nền: cát nhỏ - bụi bão hòa nước, đất dính bão hòa nước, bùn, than bùn…
- Ưu điểm:
+ Tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền + Tăng khả năng chịu tải của đất nền + Nền được lún trước do thoát nước & gia tải + Giảm mức độ biến dạng & biến dạng không đồng đều của đất nền
+ Tăng khả năng chống trượt khi công trình chịu tải ngang
+ Chỉ sử dụng hiệu quả cho công trình tải trọng trung bình
và chiều dày lớp đất yếu không lớn + Thời gian thi công (gia tải) lâu + Không hiệu quả cho đất nền có k < 10-8 cm/s
Trang 44.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
Cấu tạo của giếng cát gia tải trước
2R L=2R
2r
k r
k z
k z
Hướng thấm nước
z
h=2H
Giếng cát
Gồm 3 bộ phận chính: hệ thống giếng cát, lớp đệm & phụ tải
19
4.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
Tính toán giếng cát gia tải trước
hđệm= S + (30 ÷ 50) cm, chọn hđệm≥ 0,5 m S: độ lún ổn định của nền đất yếu
1 Chiều dày lớp đệm cát
2 Xác định đường kính d và khoảng cách giữa các giếng L
- Thường chọn đường kính giếng cát d = 40 cm
- Khoảng cách các giếng cát L = 2 ÷ 5 m, chọn L = 2 m
3 Xác định chiều sâu giếng cát lg
- Chiều sâu giếng cát lg≥ Hnén(phạm vi chịu nén)
- σbt
1+ σz ≤ Rtc
(Df + lg)≈ RII (Df + lg)
- lg≥ 2/3 Hđ
4.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
4 Tính toán độ cố kết của nền đất
- Lời giải của Carrilo (1942) cho độ cố kết tổng hợp Uv,rcủa
thấm đứng Uvvà thấm ngang Ur
w
v
v
a
e
k
c
γ
)
1
(+ 1
=
2
H t c
v=
w
r
r
a
e
k
c
γ
)
1
( + 1
=
=> Uv
(Sơ đồ 0 )
=> Ur
2
r D t c
T =
v
T
2
2
8 1
π π
−
−
≈
21
4.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
Uv,r: độ cố kết tổng hợp
H = lg: chiều dài giếng cát (chiều dày vùng thoát nước)
R = L/2 : bán kính ảnh hưởng
De: khoảng cách qui đổi giữa các giếng cát
De= 1,13 S (sơ đồ hình vuông)
De= 1,05 S (sơ đồ tam giác đều)
S : khoảng cách thực giữa các giếng cát
r : bán kính giếng cát
cv: hệ số cố kết theo phương đứng
cr: hệ số cố kết theo phương bán kính (phương ngang)
a : hệ số nén lún
4.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
- Lời giải của Barron (1948)
−
−
=
) (
8 exp
1
n F
T
r
2 2 2
2
4 1 3 ) ( 1
)
(
n
n n Ln
n
n
n
−
−
=
d S r
R
4.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
5 Tính độ lún theo thời gian St:
St= U S∞
- Xem nền không thay đổi:
h e e e S
1 2 1
1+
−
=
∞
h ao S n
i
∆
=∑
=1
h E S n
i
∆
=∑
= β 1
Trang 54.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
Cho đất cố kết trước nặng (OCR > 1, po+ ∆p ≤ pc)
+∆
+
=
o o
o
s
p p p
e
h
C
1
Cho đất cố kết trước nhẹ (OCR > 1, po+ ∆p ≥ pc)
+∆ +
+
+
=
c o
o c
o
c
o
s
p p p e h C p
p
e
h
C
1 log
1
+∆ +
=∑
i oi n
i
c
p p p e
h
C
1
1 0
Cho đất cố kết thường (OCR = 1)
25
4.5 GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
Một số vấn đề thi công giếng cát
Trình tự thi công gần giống như cọc cát Với chiều sâu giếng < 12m, có thể dùng các loại máy đào cần trục hoặc các loại máy rung có lực kích từ 10-20T, thực tế hay dùng 14T
26
4.6 BẤC THẤM
Lời giải Hansbo (1979) cho bấc thấm, bản nhựa thấm:
−
−
=
F
T
r
8 exp
D t C
T =
w
h r a
k C
γ 0
=
De: khoảng cách giữa các thiết bị thoát nước
De= 1,13 S (sơ đồ hình vuông)
De= 1,05 S (sơ đồ tam giác đều)
S : khoảng cách thực giữa các thiết bị thoát nước
F = F(n) + Fs+ Fr
w
r
r
a e k
c
γ
) 1 ( + 1
=
27
4.6 BẤC THẤM
4
3 )
( −
=
w e d
D Ln n
cách các thiết bị thoát nước
−
=
w s
s
h s
d
d Ln k
k
biểu thị hiệu quả xáo trộn của đất xung quanh thiết bị thoát nước
dw: đường kính tương đương của thiết bị thoát nước
π
) (
2a b
=
2 ) (a b
=
(Hansbo, 1979)
a: bề rộng, b: bề dày thiết bị thoát nước
28
4.6 BẤC THẤM
ds: đường kính vùng bị xáo trộn kết cấu đất xung quanh thiết
bị thoát nước
w
h r
q
k Z
L
Z
F =π ( − ) biểu thị hiệu quả sức cản thấm của các thiết bị thoát nước.
Z : khoảng cách từ mặt đất đến chổ kết thúc thoát nước
qw: khả năng thoát nước khi gradient thủy lực bằng 1
4.7 CỪ TRÀM
Chiều dài cừ : lc= 4 ÷ 5 m, đường kính dc= 6 ÷ 10 cm Tính toán cừ tràm như cọc tiết diện nhỏ
1 Chọn lc, dc; thường chọn lc= 4 ÷ 5 m, dc= 6 ÷ 8 cm
2 Xác định sức chịu tải của cừ:
- Theo vật liệu:
Pvl= 0,6 fcRn
fc: diện tích tiết diện ngang 1 cừ
Rn: cường độ chịu nén dọc trục của cừ
- Theo đất nền:
p p p
s s s a
FS q A FS f A
Trang 64.7 CỪ TRÀM
Qtc= mRfcRp+ u Σmffili
Qa= Qtc/1,4
Qa= km (Rpfc+ u Σmffili) ; km = 0,7
Hệ số mR, mflấy như cọc BTCT
ca= 2/3 c ; ϕa= 2/3 ϕ
=> Chọn Pc= min (Qa); Pc≈ 0,4 T
3 Tính số lượng cừ
c
đ
P Q N
=
F
n
n0= Thường chọn mật độ 16 cây/m2, 25 cây/m2,
36 cây/m2, 49 cây/m2
4 Các phần còn lại tính tương tự cọc BTCT
* Phần tính lún thì móng khối qui ước chỉ 2/3 lc
31