Công trình hố móng sâu có chu kì thi công thời gian dài, phức tạp nhất là với công trình hố sâu rộng, thi công trên nền đất yếu. Thi công công trình hố móng sâu rất dễ xảy ra sự cố: sập lở thành, hỏng hệ thống chắn giữ, gây sụt lún côg trình xung quanh. Vì vậy việc lựa chọn phương án và thi công hệ kết cấu chắn giữ trong hố móng sâu rất quan trọng...
Trang 1CHUYÊN ĐỀ THI CÔNG Đề bài: Lựa chọn phương án thíêt kế và thi công hệ kết cấu chắn giữ hố đào sâu của công trình sau
-8.7m
-37m
-6m
Bùn sét
= 1,45T/m 3
c = 0,02 kg/cm 2
= 2 o
Bùn sét
= 1,5T/m 3
c = 0,02 kg/cm 2
= 2 o
Cát chặt
= 19T/m 3
= 25 o
Mặt bằng công trình
5m 5m 5m 5m
B=84m L=150m +0.00
Vấn đề thiết kế kết cấu chắn giữ
Công trình hố móng sâu có chu kì thi công dài, thi công phức tạp nhất là với công trình hố sâu rộng thi công trên nền đất yếu Thi công công trình hố móng sâu rất dễ xảy ra sự cố: sập lở thành, hỏng hệ thống chắn giữ, gâ lún nứt những công trình lân can…Vì vậy việc lựa chọn phương án và thi công hệ kết cấu chắn giữ trong hố móng sâu là quan trọng
Thiết kế kết cấu chắn giữ theo các nguyên tắc sau:
- An toàn tin cậy: đáp ứng yêu cầu về cường độ bản thân, tính ổn định và sự biến dạng của kết cấu chắn giữ, đảm bảo an tòan cho công trình xung quanh
- Tính hợp lý về kinh tế: dưới tiền đề là bảo đảm an toàn, tin cậy cho kết cấu chắn giữ
- Thuận lợi, bảo đảm thời gian cho thi công: trên nguyên tắc an toàn tin cậy và kinh tế hợp lý, đáp ứng tối đa những điều kiện thuận lới cho thi công
Trang 2I/ Đánh giá mức độ ổn định tổng thể của đất
Do hai bốn phía của công trường đều cách đường xe chạy là 5m nên không thể đào hố có mái dốc
Xét ổn định của hố móng khi chưa có kết cấu chắn giữ Đất có ổn định hay không được đánh giá bằng hệ số ổn định FS
Tính theo phương pháp mặt trượt cung tròn: phân mảnh Bishop giản đơn
A B
4,5H=27m
O 1
D
C
O 2
O 3
- Chọn các tâm trượt tính toán
- Vẽ đường song song với mặt mái cách khoảng 2H = 6×2 = 12m, vẽ đường thẳng đứng cách A khoảng 4,5H = 27m, giao điểm của 2 đường này là C
- Nối B với C về phía bên trái cắt đường thẳng đứng qua trung điểm AB tại
O1
- Chọn tiếp O2, O3( bên trái O1) làm tâm tính toán
1/ Xét tâm O 1
- Ta có R1 = 7,39m; = 180o ( đo trên hình vẽ)
- Chia lăng thể trượt ra thành 5 mảnh, mỗi mảnh có bề rộng 2,7m
- Diện tích, trọng tâm của mỗi mảnh xác định bằng CAD
45.91
21.23 21.23
A
B
O1
D
-6m -8.7m
1
5
180
Trang 3- Bảng tính toán
Số hiệu
- Với S1 : diện tích của mảnh i ở lớp đất 1
S2 : diện tích của mảnh i ở lớp đất 2
cos 1600,03 sin 697, 47
- Chiều dài cung trượt theo góc mở
2 2.3,14.7,39.180
23, 216
R
- Hệ số ổn định
1
cos 0,0349.1600,03 2.23, 216
0,147 1,5
i
F
g
2/ Xét tâm O 2
- Xác định O2 bất kì trên đường thẳng BC và ở bên trái O1
- Ta có R1 = 6,55m; = 169,06o ( đo trên hình vẽ)
- Chia lăng thể trượt ra thành 5 mảnh, mỗi mảnh có bề rộng 2,31m
- Diện tích, trọng tâm của mỗi mảnh xác định bằng CAD
O2
1
2 3 4
5 A
B
D -6m -8.7m
169.06
23.45
2.7 17.74 40.82
Trang 4- Bảng tính toán
Số hiệu
- Với S1 : diện tích của mảnh i ở lớp đất 1
S2 : diện tích của mảnh i ở lớp đất 2
cos 1265, 27 sin 598,35
- Chiều dài cung trượt theo góc mở
2 2.3,14.6,55.169,06
19,327
R
- Hệ số ổn định
2
cos 0,0349.1265, 27 2.19,327
0,138 1,5
i
F
g
3/ Xét tâm O 3
- Xác định O3 bất kì trên đường thẳng BC và ở bên trái O1
- Ta có R1 = 6,43m; = 166,93o ( đo trên hình vẽ)
- Chia lăng thể trượt ra thành 5 mảnh, mỗi mảnh có bề rộng 2,26m
- Diện tích, trọng tâm của mỗi mảnh xác định bằng CAD
166.93 49.94 23.71 3.10
17.14 39.75
-8.7m
-6m
A
B
O 3
D
Trang 5- Bảng tính toán
Số hiệu
cos 1146,83 sin 553,926
- Chiều dài cung trượt theo góc mở
2 2.3,14.6, 43.166,93
18, 734
- Hệ số ổn định
3
cos 2 1146,83 2.18,734
0,14 1,5
o
i
F
g
Theo kết quả tính toán: tâm trượt O1, O2, O3 đều nguy hiểm Đất không ổn định khi đào hố sâu mà không có kết cấu chắn giữ Đất quá yếu nên cần phải tính toán kết cấu chắn giữ chính xác
II/ Các phương án chống giữ hố đào
1/ Tường liên tục trong đất có đặt 3 tầng chống
- Tường liên tục trong đất quây lại thành đường khép kín, sau khi đào móng cho thêm hệ thống thanh chống hoặc thanh neo vào sẽ có thể chắn đất, ngăn nước, rất tiện cho việc thi công móng sâu Nếu tường liên tục trong đất kiêm làm kết cấu chịu lực của công trình xây dựng thì càng có hiệu quả kinh tế cao hơn
- Sơ đồ tính khi đưa vào phần mềm SAP
K h
Thanh chống Thanh chống Thanh chống
Tường vây
K h
K h
K h
Trang 6- Tuy nhiên, đất của công trường là đất bùn sét, việc xử lý không những làm tăng chi phí cho công trình mà khi kĩ thuật phân li bùn không hoàn hảo hoặc xử lý không thỏa đáng sẽ làm cho môi trường bị ô nhiễm
- Bề rộng của hố đào là 87m, chiều dài 150m nên bố trí thanh chống không hợp lý vì phải nối thanh chống và thi công rất phức tạp, không có cách nào dùng tầng chống bên trong
- Giá thành của tường liên tục cao hơn cọc hàng và cọc trộn dưới tầng sâu
- Vì vậy dùng phương án tường chắn liên tục có đặt tầng chống làkhông hợp lý
2/ Cọc bản
- Cọc bản thép dễ thi công bằng búa rung, chịu được lực ngang và lực neo lớn
- Dùng cho đất yếu, không tạo được mái dốc
Cọc bản không neo
- Tường cọc bản đóng trong nền sẽ tự ổn định nhờ sự khác nhau của áp lực đất bị động và chủ động tác động lên tường
- Đối với đất sét, trong điều kiện không thoát nước sự khác nhau giữa hai áp lực này chính là lực dính
- Các hệ số của lớp 1
1
a
p
2
2
- Tại đáy hố móng
- Tổng áp lực sau lưng tường
1
- Điểm đặt lực P1 cách miệng hố đào
- Aùp lực ròng tác động lên tường tại đáy hố đào
P P P 4c H 4.2 14,5.6 0
Không thể tính theo phương pháp cọc bản đóng trong đất sét không neo
cọc bản không tự ổn định được do đất quá yếu
- Cọc dùng trong phương án này sẽ rất dài
- Phương án không khả thi
- Vì vậy sẽ dùng thêm neo
Trang 7
Cọc bản có neo
- Phương án tường có neo sẽ tiết kiệm hơn phương án không neo khi đất quá yếu
- Tính toán phương án này theo giả thiết chân tường dịch chuyển tự do
-8.7m
P
F O'
-6m
-37m
L op 1
L op 2
L op 3
- Các hệ số của lớp 1
1
a
p
2
2
- Các hệ số của lớp 2
1
a
p
4
4
- Tại đáy hố móng
1
p
Trang 8- Tại đáy lớp 1
- Tại nơi bắt đầu lớp thứ 2
- Tại độ sâu z bất kì tại lớp thứ 2 (tính từ lớp thứ 2)
- Biểu đồ áp lực bị động, chủ động
-8.7m -6m
độ sâu bất kì
- Aùp lực ròng tác động lên cọc bản ở độ sâu z
P P P 46,27 17,25z 113,91 13,05z 4,2z 67,64
- Vị trí mà áp lực chủ động và bị động cân bằng với nhau
4,2z 67,64 0
z 16,1m
- Vị trí z này cách đáy hố móng một khoảng
3
L z 2,7 16,1 2,7 18,8m
- Tổng áp lực sau lưng tường
- Điểm đặt lực cách điểm có áp lực ròng triệt tiêu xác định bằng cách lấy moment với điểm đó
Trang 91 1
z
P
1.77,27.6(18,8 26) 1.77,27.18,8 .18,82
958,148
- Xác định L4
3
4
3.958,148 6 18,8 15,02 1
15 1,15 0,87
- Chiều sâu cần đóng cọc vào đất
- Chiều sâu cần đóng cọc vào đất thực tế thường tăng 30% đến 40%
- Chọn DTT = 41m
- Cọc ngàm vào lớp đất thứ 3 một đoạn
- Tính lực neo F
Do tường cân bằng
2
bản
- Dầm tính chịu lực áp lực chủ động và bị động có liên kết tại vị trí neo
Trang 10- Kết quả:
Từ kết quả của SAP ta thấy Mmax = 425,32Tm tại độ sâu 12,11m
- Moment uốn trong cọc bản quá lớn, không có cọc bản thép bất kì nào trong catalog về cừ Larsen có thể sử dụng được
- Mặt khác cọc với chiều dài là 36 + 6 = 42m là cũng quá dài
- Phương án không khả thi
3/ Gia cố đất bằng cọc xi măng đất
- Nguyên nhân cả hai phương án trên không thể khả thi là do đất quá yếu, lực dính c và góc ma sát quá nhỏ, đất không thể nén chặt được trong quá trình thi công vì nước trong lỗ rỗng rất khó thoát đi để lỗ rỗng có thể giảm nhỏ lại Vì vậy, gia cố cọc đất trộn xi măng để cải thiện các tính chất cơ lý của đất là hiệu quả
- Các cọc xi măng bố trí thành nhiều hàng vây xung quanh hố móng
- Tỉ lệ chiếm chỗ của trụ đất xi măng so với diện tích đất cần gia cố là Ac = 25%
- Theo thí nghiệm lượng xi măng dùng cho 1 m3 cọc là 250kg, sau 28 ngày khoan lấy mẫu cường độ đạt 17kg/cm2, góc ma sát trong là gc = 20o
- Sức chống cắt của trụ đất xi măng
Chọn Cgc = 150kN/m2
- Lực dính của đất sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất
Trang 11- Góc ma sát trong của lớp đất 1 sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất
- Góc ma sát trong của lớp đất 2 sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất
- Trọng lượng riêng của đất sau gia cố không thay đổi nhiều và lớn hơn đất 2,3% (xem như không thay đổi)
Kiểm tra ổn định tổng thể của đất sau khi gia cố
- Hệ số ổn định đối với tâm O1
1
6,5 1600,03 39.23, 216 cos
1,56 1,5
o
i
tg
F
g
- Hệ số ổn định đối với tâm O2
2
6,5 1265, 27 39.19,327 cos
1,501 1,5
o
i
tg
F
g
- Hệ số ổn định đối với tâm O3
3
6,5 1146,83 39.18,734 cos
1,501 1,5
o
i
tg
F
g
- Vậy đất sau gia cố ổn định
- Tuy nhiên phương án này không thích hợp vì dùng một lượng xi măng gia cố quá lớn, sẽ không kinh tế
- Phương án không khả thi
4/ Gia cố đất bằng cọc xi măng đất và chắn giữ vách đất bằng cọc bản có neo
- Gia cố và chắn vách bằng cọc xi măng đất là một phương án hiệu quả nhưng tốn kém do sử dụng lượng cọc xi măng qua nhiều Do đó ta có thể giảm số lượng cọc xi măng và chống vách đất bằng cọc bản thép vì cọc bản thép có thể được rút lên sau khi thi công vách đất xong
- Gia cố lại đất bằng một lương xi măng khác
- Tỉ lệ chiếm chỗ của trụ đất xi măng so với diện tích đất cần gia cố là Ac = 15%
- Theo thí nghiệm lượng xi măng dùng cho 1 m3 cọc là 250kg, sau 28 ngày khoan lấy mẫu cường độ đạt 17kg/cm2, góc ma sát trong là gc = 20o
- Sức chống cắt của trụ đất xi măng
Chọn Cgc = 150kN/m2
- Lực dính của đất sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất
- Góc ma sát trong của lớp đất 1 sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất
- Góc ma sát trong của lớp đất 1 sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất
Trang 12 o
Kiểm tra ổn định tổng thể của đất sau khi gia cố
- Hệ số ổn định đối với tâm O1
1
4,7 1600,03 24, 2.23, 216 cos
0,994 1,5
o
i
tg
F
g
- Hệ số ổn định đối với tâm O2
2
4,7 1265, 27 24, 2.19,327 cos
0,956 1,5
o
i
tg
F
g
- Hệ số ổn định đối với tâm O3
3
4,7 1146,83 24, 2.18, 734 cos
0,989 1,5
o
i
tg
F
g
- Vậy đất sau gia cố không ổn định nên cần phải dùng cọc bản thép để chống vách hố đào
Trình tự tính toán
- Các hệ số của lớp 1:
1
a
p
4,7
4,7
- Tại đáy hố móng
1
p
- Tại đáy lớp 1
- Tổng áp lực sau lưng tường
1
- Điểm đặt lực P1 cách miệng hố đào
- Aùp lực ròng tác động lên tường
2
P P P 4c H 4.24,2 14,5.6 9,8kN/ m
- Chiều sâu cần đóng cọc vào đất
Trang 13
2
2
O'
D 8,57m
Chọn D = 9m
- Tính lực neo F
Do tường cân bằng
2
H P P D F 0
F P P D 231,81 9,8.8,7 146,55kN/ m
P
F O'
-6m Lop 1
Lop 2 D -8.7m
B
- Dùng phần mềm SAP để tính moment max của cọc bản ta tính được
Mmax = 34,28Tm, cách mặt đất 6,3m
max
3 al
21.10
- Vậy chọn cọc bản thép PZ-27 W = 162.10-5 m3 có chiều dài 15m
457,2mm
9,53mm 12,7mm
- Phương án khả thi
Trang 145/ Gia cố đất bằng cọc xi măng đất và chắn giữ vách đất bằng tường trộn xi măng
- Vẫn giữ phương án gia cố đất bằng cọc trộn xi măng như phương án chắn giữ vách đất bằng cọc bản thép trên nền đất đã được gia cố
chắn bằng cọc trộn xi măng
- Độ dài cọc chắn vách: L1,8 2,2 H 10,8 13,2 m
Chọn L = 12 m
- Độ rộng tường: B0,7 0,95 H 4,2 5,7 m
Chọn B = 5 m
- Tính toán tường chắn bằng cọc trộn xi măng gồm các việc tính toán chống nghiêng lật, chống trượt và tính ổn định tổng thể…
Kiểm tra tính ổn định chống trượt
p h
a
h
a
Lực chống trượt của thân tường K
Hoặc K
E
Trong đó: W: trọng lượng bản thân của thân tường (kN/m)
Ea: hợp lực của áp lực chủ động (kN/m)
Ep: hợp lực của áp lực bị động (kN/m)
: hệ số ma sát của đáy chân tường với đất với đất sét = 0,2 0,25
: góc ma sát trong của lớp đất ở chỗ chân tường = 6,4o
Co: lực dính của lớp đất ở chỗ chân tường Co = 39 kN/m2
* Tính toán
Trọng lượng bản thân của thân tường:
W B.H. 5.12.25 1500kN / m
Áp lực chủ động và áp lực bị động
-8.7m
E p
E a W
-6m 5m
Trang 15- Các hệ số của lớp 1:
1
a
p
4,7
4,7
- Các hệ số của lớp 2:
1
a
p
6,4
6,4
- Tại đáy hố móng
1
p
- Tại đáy lớp 1
- Tại nơi bắt đầu lớp thứ 2
- Tại đáy tường trộn xi măng
- Tổng áp lực chủ động
3
- Tổng áp lực bị động
3
- Ổn định chống trượt
p h
a
Trang 16Hoặc h o p
a
* Vậy: hố móng không bị trượt
Kiểm tra tính ổn định chống nghiêng lật
p p r
o
Wb E h M
K
Trong đó: Mr: moment chống nghiêng lật
Mo : moment nghiêng lật
hp : cánh tay đòn đối với điểm A ở chân tường của hợp lực áp lực bị động
ha : cánh tay đòn đối với điểm A ở chân tường của hợp lực áp lực chủ động
b : cánh tay đòn đối với điểmA của trọng lượng bản thân tường W
E p
E a W
5m
b=2,5m
b=2,5m
o
Wb E h
* Vậy: hố móng không bị nghiêng lật
Bố trí cọc
- Mặt cắt
-6m
6m -8.7m
Trang 17- Bố trí khoảng cách cọc:
Tại vách hố bố trí thành hàng tương đối dày để xem đó là tường chắn trọng lực
Ở khoảng giữa bố trí cọc thành từng hàng, mỗi hàng cách nhau 2 m
900 60
Phương án khả thi
III/ Kết luận
thép trên nền đất gia cố bằng cọc xi măng đất và chắn vách hố bằng tường xi măng đất trên nền gia cố.
án nào tốt hơn vì cần phải tính toán dự toán cụ thể.
IV/ Kiểm tra ổn định chống trồi
- Nếu độ cắm sâu của kết cấu chắn vách không đủ mặc dù là trong tính huống không có nước, đáy hố vẫn có nguy cơ bị trồi lên
- Đẩy trồi là một vấn đề nguy hiểm cho hố đào nhất
-6m D -8.7m
H
Trang 18- Tính toán khả năng chống đẩy trồi theo phương pháp của Uông Bỉnh Giám với căn cứ của Terzaghi và Prandtl
1/ Kiểm tra cho phương án cọc bản có neo trên nền đất đã được gia cố
- Dung trọng tự nhiên trung bình của các lớp đất ở phía ngoài hố kể từ mặt đất đến đáy tường
1
- Dung trọng tự nhiên trung bình của các lớp đất ở phía trong hố kể từ mặt đào đến đáy tường
2
- Aùp dụng công thức Prandtl
o
q
6,4
- Hệ số an toàn
'
1
- Vậy phương án này đạt hiệu quả tốt do bảo đảm về tính đẩy trồi
2/ Kiểm tra cho phương án cọc xi măng đất trên nền đất đã được gia cố
- Dung trọng tự nhiên trung bình của các lớp đất ở phía ngoài hố kể từ mặt đất đến đáy tường
1
- Dung trọng tự nhiên trung bình của các lớp đất ở phía trong hố kể từ mặt đào đến đáy tường
2
- Aùp dụng công thức Prandtl
o
q
8
- Hệ số an toàn
'
1
Trang 19- Vậy phương án này đạt hiệu quả tốt do bảo đảm về tính đẩy trồi.
V/ Kiểm tra ổn định chống chảy thấm của hố đào
- Công trình được xây dựng trên lớp bùn sét nên có khả năng đất bão hòa nước (do không có số liệu cụ thể về mực nước ngầm) Vì vậy cần quan tâm đến áp lực nước, cần kiểm tra xem trong tình hình chảy thấm có thể xuất hiện hiện hiện tượng cát chảy hay không ( phun trào) Khi nước ngầm chảy từ bên dưới mặt đáy hố móng lên bên trên mặt đáy hố móng, các hạt đất trong nền đất sẽ chịu lực đẩy nổi của áp lực nước thẩm thấu quá lớn, các hạt đất sẽ ở trạng thái huyền phù trong nước đang lưu động, tạo ra hiện tượng phun trào
- Do không có số liệu cụ thể của nước ngầm nên ta không thể kiểm tra tính ổn định chống chảy thấm của hố đào được
VI/ Biện pháp thi công
1/ Thi công đào đất
- Dùng máy đào gầu thuận và nghịch để đào
- Thiết kế một con đường để xe gầu thuận đi xuống hố đào và xe vận chuyển đất di chuyển lên xuống để chở đất đi
2/ Thi công cọc bản thép
- Vị trí đóng cọc bản thép phải ở chỗ mép ngoài nhất của móng, phải chừa lại khe hở đủ để dựng và dỡ cốp pha và thuận tiện cho việc thi công máy
- Để đảm bảo đường trục của coạc bản sau khi thi công phải có thei61t bị dẫn hướng của cọc bản thép
- Đóng cọc theo kiểu bình phong: cho từ 10-20 cây cọc cắm thành hàng nhu cái bình phong, sau đó máy đóng cọc di chuyển đi lại, co hai đầu đóng xuống tới độ sâu yêu cầu trước, rồi đóng lần lượt cọc bên trong xuống Phương pháp này có thể phòng ngừa cọc bị nghiêng hoặc bị quay trong khi đóng
- Nhổ cọc: trình tự nhổ cọc ngược chiều với trình tự khi đóng cọc Các lỗ hổng tạo ra khi nhổ cọc phải dùng cát trung để lấp kín lại hoặc lấp bằng vữa đất nở, phương pháp nhổ đến đâ thì đổ vữa lấp ngay đến đó
2/ Thi công cọc bản thép
- Khi thi công thanh neo trong đất, phương pháp khoan có hay không thổi nước, việc lắp đặt dây neo, hệ thống phun vữa và thời gian của các thao tác có thể ảnh hưởng đến sức chịu tải của neo Thi công thanh neo trong đất cần thực hiện bảo toàn được những giả thiết thiết kế
- Cần phối hợp chặt chẽ với công việc đào đất
- Các phương pháp khoan cần dùng là cơ cấu xoay, dập hoặc xoay – đập, đôi khi dùng kĩ thuật rung
