Phân tích giải pháp xử lý nền móng nhà cao tầng bằng cọc xi măng đất

Mục ñích nghiên cứu của ñề tài : Gia cố nền ñất bằng cọc xi măng ñất là phương pháp tận dụng ñược nguồn nguyên liệu tại chỗ, phù hợp với ñiều kiện Việt Nam nên làm giảm giá thành công..

-


     -

ðOÀN MẠNH HÙNG

PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN MÓNG NHÀ CAO TẦNG BẰNG

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

2 PGS TS VÕ PHÁN

3 TS LÊ BÁ VINH

4 TS TRẦN TUẤN ANH

5 TS CHU CÔNG MINH

Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ PGS TS VÕ PHÁN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ðOÀN MẠNH HÙNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 25 / 09 / 1976 Nơi sinh: Quảng Trị

Chuyên ngành: ðịa kỹ thuật xây dựng MSHV: 00907543

Khóa (Năm trúng tuyển) : 2007

I TÊN ðỀ TÀI:

PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN MÓNG NHÀ CAO TẦNG BẰNG CỌC

XI MĂNG ðẤT

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

“Phân tích giải pháp xử lý nền móng nhà cao tầng bằng cọc xi măng ñất” với các nội dung chính như sau :

Mở ñầu

Chương 1 Tổng quan giải pháp xử lý nền móng nhà cao tầng bằng cọc xi măng ñất Chương 2 Cơ sở lý thuyết về giải pháp xử lý nền móng nhà cao tầng bằng cọc xi măng ñất

Chương 3 Nghiên cứu kết quả thí nghiệm cọc xi măng ñất trong phòng và hiện trường Chương 4 Ứng dụng cọc xi măng ñất xử lý nền móng căn hộ cao cấp Waseco Plaza, Tân Bình

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/06/2009

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/7/2010

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS VÕ PHÁN

Nội dung và ñề cương Luận văn Thạc sĩ ñã ñược Hội ðồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS.VÕ PHÁN PGS.TS.VÕ PHÁN

ðầu tiên, tác giả xin gửi lời tri ân ñến PGS.TS Võ Phán Thầy ñã hết lòng

hướng dẫn và ñịnh hướng nội dung nghiên cứu trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận văn tốt nghiệp Sự ñộng viên cùng những lời chỉ dạy tận tình của Thầy giúp tác giả vượt qua những khó khăn ñể hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Kế ñến tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn ðịa Cơ Nền móng - Khoa Kỹ thuật Xây dựng: PGS.TS Châu Ngọc Ẩn, TS Bùi Trường Sơn, TS

Lê Bá Vinh, TS Nguyễn Minh Tâm, TS Trần Xuân Thọ, …ñã truyền ñạt những kiến thức quý báu, cũng như tạo mọi ñiều kiện thuận lợi ñể tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám ðốc Công ty WASE cùng các ñồng nghiệp trong Công ty ñã hỗ trợ cho tác giả về mặt thời gian cũng như các ñiều kiện học tập khác ñể hoàn thành tốt khoá học này

Cuối cùng tác giả xin chân thành cám ơn những người thân trong gia ñình, tất

cả bạn bè ñã nhiệt tình ñộng viên, giúp ñỡ trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Kính chúc sức khỏe ñến quý thầy cô

MỞ ðẦU

1 ðặt vấn ñề :

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, thị trường xây dựng ở Việt Nam ñã bùng nổ với hàng lọat công trình nhà cao tầng mọc lên nhanh chóng ở các ñô thị lớn, ñặc biệt là thành phố Hồ Chí Minh

Móng nhà cao tầng là cấu kiện chiếm phần lớn thời gian thi công cũng như kinh phí Tuy nhiên, hiện nay giải pháp nền móng cho công trình rất khác biệt nhau

về thời gian thi công và kinh phí mặc dù qui mô công trình và ñiều kiện ñịa chất tương tự nhau

Giải pháp móng thông thường cho các công trình hiện nay là móng bè, móng cọc ép hoặc móng cọc khoan nhồi Trong ñó phương án móng cọc khoan nhồi có kinh phí và thời gian thi công nhiều hơn phương án móng cọc ép, thêm vào ñó móng cọc khoan nhồi ñòi hỏi công nghệ thi công cao ñể bảo ñảm chất lượng cọc Phương án móng cọc ép lại có kinh phí và thời gian thi công nhiều hơn phương án móng bè Ưu ñiểm của móng bè là có thể thi công trên mặt ñất và tận dụng lớp ñất tốt bên trên Do vậy việc lựa chọn giải pháp móng cho công trình cần ñược cân nhắc

kỹ lưỡng

Tại TP Hồ Chí Minh, khu vực thuận lợi nhất ñể sử dụng móng bè là khu vực phía Tây Nam thuộc Quận 11 ñến Tân Bình qua quận Gò Vấp với lớp cấu tạo ñặt móng ñối với công trình có tầng hầm là lớp cát hạt trung phía dưới lớp sét pha lẫn sỏi sạn Laterite cứng mỏng Lớp cát hạt trung bảo ñảm khả năng chịu tải, tuy nhiên

do hệ số nén lún lớn nên dẫn ñến khi tính toán ñộ lún không ñảm bảo, vượt quá giới hạn cho phép Do vậy luận văn phân tích phương án sử dụng cọc xi măng ñất gia cố nền móng bè nhà cao tầng, ñưa ra các kiến nghị cho việc áp dụng cọc xi măng ñất vào việc xây dựng các công trình

2 Mục ñích nghiên cứu của ñề tài :

Gia cố nền ñất bằng cọc xi măng ñất là phương pháp tận dụng ñược nguồn nguyên liệu tại chỗ, phù hợp với ñiều kiện Việt Nam nên làm giảm giá thành công

trình, mang lại hiệu quả kinh tế Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi phương pháp này vẫn còn bị hạn chế, một phần do chưa xây dựng ñược cơ sở lý thuyết và thực nghiệm vững chắc Do ñó, bài toán ñặt ra là phải xây dựng ñược cơ sở lý thuyết cho phương pháp, tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ñể kiểm chứng

Trước những vấn ñề ñã trình bày ở trên thì ñề tài tập trung nghiên cứu giải quyết những vấn ñề sau :

- Nghiên cứu giải pháp, cơ sở lý thuyết gia cố ñất nền dưới móng bè bằng cọc

xi măng ñất

- Nghiên cứu tương quan giữa các chỉ tiêu cơ lý của ñất theo kết quả thí nghiệm trong phòng và kết quả thí nghiệm thực tế ở hiện trường ñể xác ñịnh tính chất cơ học của cọc xi măng ñất

- ðưa ra kết luận và kiến nghị dựa trên các kết quả phân tích, giúp các ñơn vị thiết kế có cơ sở khi xem xét giải pháp sử dụng cọc xi măng ñất gia cố nền móng

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết : sử dụng các công thức tính toán sức chịu tải của ñất nền trước và sau khi gia cố của các tác giả, rút ra những thông số cần thiết nhằm phục vụ cho việc thiết kế công trình

- Thí nghiệm, thực nghiệm : sử dụng kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường ñể tính toán

- Mô phỏng : trong nội dung luận văn sử dụng phần mềm Plaxis ñể mô phỏng cọc xi măng ñất gia cố móng bè cho một công trình cụ thể

4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của ñề tài :

Với những ưu ñiểm riêng, giải pháp gia cố nền ñất bằng cọc xi măng ñất ñược xem như là một giải pháp hiệu quả cần ñược nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi Trên cơ sở phân tích, ñề tài sẽ ñưa ra những số liệu và nhận xét mang tính ñịnh hướng cho việc áp dụng giải pháp xử lý cọc xi măng ñất Với các nội dung trình bày trong luận văn, các ñơn vị thiết kế có cơ sở ứng dụng cọc xi măng ñất gia cố nền móng, ñấy nhanh qúa trình thi công công trình

5 Phạm vi nghiên cứu của luận văn :

Luận văn chỉ phân tích cho việc áp dụng cọc xi măng ñất gia cố nền móng công trình nhà cao tầng loại 1 (9 ñến 16 tầng) ứng với ñiều kiện ñịa chất tại khu vực phường 2, quận Tân Bình, tp Hồ Chí Minh

Phân tích giải pháp xử lý nền móng nhà cao tầng bằng cọc xi măng ñất

Tóm tắt:

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, thị trường xây dựng ở Việt Nam ñã bùng nổ với hàng loạt công trình nhà cao tầng mọc lên nhanh chóng ở các ñô thị lớn, ñặc biệt là thành phố Hồ Chí Minh

Giải pháp móng cho nhà cao tầng hiện nay là móng bè, móng cọc ép hoặc móng cọc khoan nhồi Trong ñó phương án phương án móng bè có nhiều ưu ñiểm: thời gian thi công nhanh, giá thành thấp và có thể tận dụng lớp ñất tốt bên trên Tại TP Hồ Chí Minh, khu vực thuận lợi nhất ñể sử dụng móng bè là khu vực phía Tây Nam thuộc Quận 11 ñến Tân Bình qua quận Gò Vấp với lớp cấu tạo ñặt móng ñối với công trình có tầng hầm là lớp cát hạt trung phía dưới lớp sét pha lẫn sỏi sạn Laterite cứng mỏng Lớp cát hạt trung bảo ñảm khả năng chịu tải, tuy nhiên

do hệ số nén lún lớn nên dẫn ñến khi tính toán ñộ lún không ñảm bảo, vượt quá giới hạn cho phép Do vậy luận văn phân tích phương án sử dụng cọc xi măng ñất gia cố nền móng bè nhà cao tầng, ñưa ra các kiến nghị cho việc áp dụng cọc xi măng ñất vào việc xây dựng các công trình

Analysis to solution of foundation treatment of multi-storey building by using the soil-cement column

Abstract

Together with rapid development of economy, the construction market in Vietnam has burst many multi-storey buildings built rapidly in big city, especially

in Ho Chi Minh City

At present, foundation solutions for multi-storey building used consist of raft foundation, compressed pile foundation or cast-in-place pile foundation In those methods, the solution which uses raft foundation has many advantages because of rapid construction time, low cost and utilization of the soil layer with bearing capacity above it

In Ho Chi Minh City, the best favorable use of raft foundation is from the west southern areas of District 11 to Tan Binh District through Go Vap District In these areas, the base of basement of multi-storey buildings usually is placed in medium grain sand layer which hard, thin clay mixing lateritic gravel belows it The bearing capacity of medium grain sand layer is good However, because its coefficient of compressibility is a bit big, the settlement computation is not assured and exceeds allowable settlement Therefore, from above analysises, the thesis selects the solution of using soil cement column to strengthen raft foundation of multi-storey buildings and give proposals for this aplication in construction

ðặt vấn ñề ……….1

Mục ñích nghiên cứu của ñề tài ………1

Phương pháp nghiên cứu ……… 2

Ý nghĩa khoa học thực tiễn của ñề tài Phạm vi nghiên cứu của luận văn ……….3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN MÓNG NHÀ CAO TẦNG BẰNG CỌC XI MĂNG ðẤT 1.1 Tổng quan về nền móng công trình nhà cao tầng ……… 4

1.1.1 Khái niệm về nhà cao tầng ……… .4

1.1.2 Các loại móng nhà cao tầng……… 5

1.1.2.1 Móng bè……….5

1.1.2.2 Móng cọc……… 6

1.1.2.3 Móng bè trên cọc……… 7

1.2 Giới thiệu chung về cọc xi măng ñất ……….8

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới ……… 8

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước……….9

1.3 Tóm tắt về phương pháp cọc xi măng ñất……… 10

1.4 Phương pháp thi công………11

1.4.1 Phương pháp khô………12

1.4.2 Phương pháp ướt ………13

1.5 Ứng dụng cọc xi măng gia cố nền móng ……… 17

1.5.1 Bố trí cọc xi măng ñất gia cố nền móng……….17

1.5.2 Các phương pháp tính toán gia cố nền……… 17

1.6 Nhận xét……….18

2.1 Nguyên lý tính toán cọc xi măng ñất ………19

2.2 Phương pháp tính toán cho cọc xi măng ñất……….19

2.2.1 Khả năng chịu tải của cọc theo ñất nền ……….19

2.2.2 Khả năng chịu tải của cọc theo vật liệu ……… 20

2.2.3 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc xi măng ñất……… 22

2.2.3.1 Khả năng chịu tải trọng giới hạn theo cơ chế phá hoại khối……….23

2.2.3.2 Khả năng chịu tải trọng giới hạn theo cơ chế phá hoại cục bộ…….23

2.2.4 Biến dạng của cọc xi măng ñất trong nền công trình………24

2.2.5 Tính toán ñộ lún công trình ……… 25

2.3 Ứng suất dọc trục và khả năng chịu uốn của cọc xi măng ñất ……… 30

2.3.1 Mô men uốn của cọc xi măng ñất ………30

2.3.2 Ứng suất dọc trục và khả năng chịu uốn của cọc ………31

2.3.3 ðộ bền uốn của ñất ñã xử lý ………32

2.4 Nhận xét và kết luận……… 33

CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CỌC XI MĂNG ðẤT TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG 3.1 Mục ñích nghiên cứu ………34

3.2 Cơ sở nguyên lý của phương pháp cọc ñất gia cố xi măng……… 34

3.3 Thí nghiệm trong phòng ……… 35

3.3.1 Công tác thí nghiệm ……… 36

3.3.1.1 Mô tả ñất tự nhiên ……….36

3.3.1.2 Vật liệu gia cố ……… 36

3.3.1.3 Trộn, ñúc mẫu và bảo dưỡng ………37

3.3.2 Thí nghiệm nén 01 trục nở hông tự do mẫu ñất gia cố ………37

3.4 Thí nghiệm khoan, nén mẫu hiện trường ……… 42

3.5 Thí nghiệm hiện trường nén tĩnh cọc ñơn ……….45

3.5.2.1 Chuẩn bị ñầu cọc ……… 46

3.5.2.2 Lắp ñặt kích thủy lực ………… ………46

3.5.2.3 Lắp ñặt hệ thống quan trắc chuyển vị ……… 46

3.5.2.4 Kết quả thí nghiệm ……… 47

3.6 Nhận xét và kết luận ……….50

CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ðẤT XỬ LÝ NỀN MÓNG CĂN HỘ CAO CẤP WASECO PLAZA, TÂN BÌNH 4.1 Căn hộ cao cấp Waseco ……… 52

4.2 ðịa chất công trình……….52

4.3 Số liệu tính toán……….54

4.4 Phân tích ổn ñịnh nền móng xử lý bằng cọc xi măng ñất ……….55

4.4.1 ðặc trưng của cọc xi măng ñất ……….53

4.4.2 Kiểm tra khả năng chịu tải theo theo vật liệu cọc ………56

4.4.3 Kiểm tra khả năng chịu tải của ñất nền tại cao ñộ mũi cọc……… 57

4.4.4 Kiểm tra ñộ lún công trình khi gia cố cọc xi măng ñất ……….57

4.4.5 Kiểm tra khả năng làm việc của nền gia cố khi tăng số tầng ………58

4.5 Phân tích bài toán xử lý nền móng bằng cọc xi măng ñất bằng Plaxis 2 D….59 4.5.1 Phân tích biến dạng ……… 62

4.5.1.1 Chuyển vị thẳng ñứng của ñất nền… ……… …62

4.5.1.2 Chuyển vị thẳng ñứng của ñất dưới khối gia cố …… ………… 63

4.5.2 Phân tích chuyển vị và mô men uốn trong cọc DCM ……… 64

4.6 Phân tích quan hệ giữa chiều dài cọc và ñộ lún của nền ……… 65

4.7 Phân tích quan hệ giữa chiều dài cọc và chuyển vị ngang, mô men uốn trong cọc ……….……… 65

4.8 Nhận xét và kết luận ……….66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………67

Kết luận ……… 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 69

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN MÓNG

NHÀ CAO TẦNG BẰNG CỌC XI MĂNG ðẤT

1.1 Tổng quan về nền móng công trình nhà cao tầng:

1.1.1 Khái niệm về nhà cao tầng :

ðịnh nghĩa nhà cao tầng theo Uỷ ban Nhà cao tầng Quốc tế:

Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết ñịnh các ñiều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường thì ñược gọi là nhà cao tầng Căn cứ vào chiều cao và số tầng nhà, Uỷ ban Nhà cao tầng Quốc tế phân nhà cao tầng ra 4 loại như sau:

- Nhà cao tầng loại 1: từ 9 ñến 16 tầng (cao nhất 50m)

- Nhà cao tầng loại 2: từ 17 ñến 25 tầng (cao nhất 75m)

- Nhà cao tầng loại 3: từ 26 ñến 40 tầng (cao nhất 100m)

- Nhà cao tầng loại 4: từ 40 tầng trở lên (gọi là nhà siêu cao tầng)

Về ñộ cao khởi ñầu của nhà cao tầng, các nước có những qui ñịnh khác nhau Dựa vào yêu cầu phòng cháy, tiêu chuẩn ñộ cao khởi ñầu nhà cao tầng ñược trình bày ở bảng 1.1

Bảng 1.1 - ðộ cao khởi ñầu nhà cao tầng của một số nước

Trung Quốc Nhà ở 10 tầng và 10 tầng trở lên, kiến trúc khác ≥ 28m

Liên Xô (cũ) Nhà ở 10 tầng và 10 tầng trở lên, kiến trúc khác 7 tầng

Công trình bên trên truyền tải trọng xuống móng thông qua cột bằng bê tông

có cường ñộ chịu nén cao Trong khi ñó khả năng chịu tải của ñất nền thường nhỏ hơn vài trăm lần Như vậy móng là vật liệu giao tiếp giữa hai loại vật liệu có sự chênh lệch về cường ñộ vài trăm lần Kết quả là móng phải truyền tải trọng xuống nền sao cho ứng suất gây ra không ñược vượt quá khả năng chịu tải của ñất nền và

ñộ lún của nền phải nằm trong giới hạn cho phép Móng nông có khuynh hướng truyền tải trọng theo phương ngang ở chu vi móng trong khi ñó móng sâu có khuynh hướng truyền tải trọng theo phương ñứng dọc theo diện tích xung quanh móng

1.1.2.1 Móng bè:

Móng bè là loại móng nông ñỡ nhiều cột theo hai phương hoặc ñỡ toàn bộ cột của công trình Móng bè ñược sử dụng cho các công trình xây dựng trên lớp ñịa chất có khả năng chịu tải trung bình ñến tốt hoặc công trình có tải trọng cột lớn Móng bè sẽ là phương án hiệu quả khi tải trọng ñứng phân bố áp lực lên nền tương ñối ñồng ñều Dựa trên cấu tạo móng bè có thể phân loại như sau:

- Móng bè dạng bản có chiều dày ñều (hình 1a)

- Móng bè có tăng cường chiều dày về phía trên hoặc phía dưới bản móng ở chân cột (hình 1b)

- Móng bè có sườn (dầm) Sườn chạy theo cả hai phương ở phía trên bản móng hoặc phía dưới bản móng, cột nằm trên chỗ phần giao nhau của hai dầm (hình 1c)

- Móng bè dạng hộp với sườn cứng theo hai phương làm tường của tầng hầm (hình

1d)

Hình 1b Hình 1a

Hình 1.1 Các loại móng bè 1.1.2.2 Móng cọc:

Móng cọc là một trong những loại móng ñược sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Nhiệm vụ của móng cọc là truyền tải trọng từ công trình xuống các lớp ñất bên dưới

và xung quanh cọc, làm giảm biến dạng lún và lún không ñều Móng cọc với nhiều phương pháp thi công ña dạng như: cọc ñóng, cọc ép, cọc khoan nhồi, nên có thể

sử dụng cho các công trình có ựiều kiện ựịa chất, ựịa hình phức tạp mà các loại móng nông không ựáp ứng ựược như vùng có nền ựất yếu hoặc công trình trên sông

Các bộ phận chắnh của móng cọc: gồm hai bộ phận chắnh là cọc và ựài cọc

- Cọc là kết cấu có chiều dài lớn so với bề rộng tiết diện ngang, ựược ựóng hay thi công tại chỗ vào lòng ựất, ựá, ựể truyền tải trọng công trình xuống các tầng ựất, ựá sâu hơn nhằm cho công trình bên trên ựạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn quy ựịnh (TCXD 205:1998)

- đài cọc là kết cấu dùng ựể liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng của công trình lên các cọc

Lôùp ựaát cỏùng hoaẻc ựaù ứaát yeáu

Hình 1.2 Móng cọc 1.1.2.3 Móng bè trên cọc:

Nhiều công trình cao tầng của nước ngoài thường sử dụng giải pháp móng bè cọc, chủ yếu là móng bè trên cọc nhồi và cọc barrette Cách bố trắ cọc trong ựài thường theo nguyên tắc trọng tâm nhóm cọc trùng hoặc gần với trọng tâm tải trọng công trình Giải pháp này có ưu ựiểm là tải trọng xuống cọc ựược phân bố hợp lắ hơn, tắnh làm việc tổng thể của nhóm cọc tốt hơn

Khi ñài cứng thì các cọc ở biên sẽ chịu tải lớn hơn hoặc nhỏ hơn cọc ở giữa tùy theo trường hợp tải trọng Khoảng cách giữa các cọc nên bố trí lớn hơn 3d ñể giảm bớt hiệu ứng nhóm cọc Nếu ñạt 6d thì xem như không có hiệu ứng nhóm Móng bè cọc ñược sử dụng trong trường hợp ñất yếu rất dày, bố trí cọc theo ñài ñơn hay băng cọc không ñủ Cần phải bố trí cọc trên toàn bộ diện tích xây dựng mới mang ñủ tải trọng của công trình Hơn nữa bè cọc sẽ làm tăng ñộ cứng tổng thể của nền móng, bảo ñảm cho công trình làm việc ổn ñịnh lâu dài

Móng bè cọc có cấu tạo gồm hai phần: bè và các cọc Bè có nhiệm vụ phân phối tải trọng từ chân kết cấu cho các cọc, ñồng thời truyền một phần tải trọng xuống ñất nền tại vị trí tiếp xúc giữa ñáy bè và ñất nền Bè có thể làm dạng bản phẳng hoặc bản dầm nhằm tăng ñộ cứng chống uốn Chiều dày tối thiểu của bè ñược xác ñịnh theo ñiều kiện bè bị chọc thủng do lực tập trung tại chân cột, chân vách, hay do phản lực cọc ðể ñiều chỉnh lún không ñều có thể làm bè với chiều dày thay ñổi

Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền ñất dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền ñất xung quanh cọc thông qua sức kháng bên Có thể bố trí cọc trong bè thành nhóm hay riêng rẽ kỳ tuỳ vào mục ñích của người thiết kế, nhằm ñiều chỉnh lún không ñều, giảm áp lực lên nền ở ñáy bè hay giảm nội lực trong bè

1.2 Giới thiệu chung về cọc xi măng ñất :

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới :

Gia cố nền theo phương pháp trộn khô xuất hiện ñầu tiên tại châu Âu, ñặc biệt

là Thụy ðiển vào những năm thập niên 70 thế kỷ trước Từ ñó ñến nay, công nghệ này ñã ñược phát triển mạnh mẽ mà kết quả là các thiết bị hòan chỉnh hơn ñược sử dụng ñể tạo ra các cọc xi măng ñất có chất lượng cao với những loại chất gia cố khác nhau phù hợp với từng loại ñất và ñã ñược cải tiến thông qua việc nghiên cứu các ứng dụng kỹ thuật hiện ñại có hiệu quả Cho ñến nay ñã tạo ra các cọc xi măng ñất chất lượng cao ñể gia cố nhiều loại ñất yếu khác nhau cũng như xử lý nền ñất

yếu có chiều dày lớn, riêng ở Nhật Bản năm 2001 khối lượng thi công ựạt 150 triệu

md

Tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng công nghệ cọc xi măng ựất cho gia

cố nền ựất yếu trong các dự án ựường bộ, ựường sắt, ựạt nhiều thành công Phương pháp này chủ yếu dùng ựế ngăn chặn, giảm ựộ lún cũng như tăng hệ số an toàn của các công trình nền ựường, ựường ựắp cao, nền móng các công trình hạ tầng,Ầ ựem lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao

Trong lĩnh vực nghiên cứu có những công trình ựược công bố trên thế giới tiêu biểu như :

- ỘState of the Art in Deep Mixing TechnologyỢ, paper series in J.Ground

Improvement, Porpaha et al, 1998 Ờ 2002

- Broms, ỘDesign of lime, lime/cement and cement columnsỢ, hội thảo Deep

mixing method về ựánh giá ổn ựịnh của ựất, Stockholm, 1999

- ỘDeep Mixing Method ManualỢ, Japan, 2001

- ỘDesign Guide For Soft Soil StabilisationỢ, EU Euro soilstab Project Tiêu chuẩn thi công trộn sâu, ỘCEN,TC288 WG10Ợ, 1997

Và nhiều báo cáo khoa học cũng như nhiều bài báo ựược ựăng trên các tạp chắ khoa học trên thế giới

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước :

đã có nhiều tài liệu trong nươc ựề cập ựến vấn ựề này Các tài liệu chủ yếu là sách giáo khoa và bài giảng Bên cạnh ựó cũng có nhiều luận văn thạc sỹ và tiến sỹ

ựề cập ựến vấn ựề này ở những khắa cạnh khác nhau nhưng chưa ựầy ựủ và thống nhất đặc biệt chúng ta vừa ban hành tiêu chuẩn về thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc ựất trộn xi măng, tuy nhiên chưa ựầy ựủ và chi tiết Nói chung ựây là một vấn

ựề tương ựối mới mẻ ở nước ta mà trong thời gian sắp tới còn phải nghiên cứu thêm

Ở Việt Nam, công nghệ ựất gia cố xi măng ựã bắt ựầu ựược nghiên cứu từ năm

1980 Từ ựó ựến nay Bộ Xây dựng và bộ Giao Thông vận tải ựã ứng dụng thi công

nhiều công trình như : tổng kho xăng dầu Nhà Bè, tổng kho xăng dầu Hậu Giang (Trà Nóc-Cần Thơ), cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa),… Với các công trình trên cho thấy công nghệ cột ñất xi măng ñã ñược áp dụng khá hiệu quả ðây có thể ñược xem là một trong các phương pháp hiệu qủa, góp phần giải quyết tình trạng lún kéo dài và kém ổn ñịnh của công trình tại các khu vực này

1.3 Tóm tắt về phương pháp cọc xi măng ñất [1]:

ðây là phương pháp gia cố ñất sâu Cọc trộn dưới sâu là phương pháp mới

ñể gia cố nền ñất yếu, sử dụng vật liệu là là xi măng làm chất ñóng rắn nhờ vào cần khoan xoắn và thiết bị bơm phụt vữa vào trong ñất ñể trộn cưỡng bức ñất yếu với chất ñóng rắn (dạng bột hoặc dung dịch), lợi dụng chuỗi phản ứng hóa học - vật lý xảy ra giữa chất ñóng rắn với ñất, làm cho ñất mềm yếu ñóng rắn lại thành một thể cột Quá trình ninh kết hỗn hợp ñất xi măng sẽ phát nhiệt, một phần nước xung quanh bị hút vào do quá trình thủy hóa, một phần bị bốc hơi do nhiệt Hiện tượng này làm ñất xung quanh cọc tăng ñộ bền hơn trước Chiều sâu gia cố phụ thuộc vào khả năng của thiết bị So sánh với giải pháp ñang sử dụng rộng rãi hiện nay, phương pháp này ñã giải quyết ñược các vấn ñề sau :

- Nâng cao sức chịu tải của ñất nền

- Thúc ñẩy nhanh quá trình cố kết, rút ngắn thời gian thi công

- Không sinh ra ñất thải (giảm hoặc không cần gia tải)

- Xác ñịnh chính xác lượng chất gia cố ñược trộn trong cọc ñất xi măng

- Không gây phá hoại và làm mất ổn ñịnh kết cấu của ñất

- Không gây chấn ñộng ñến các công trình lân cận

- Tính thấm của cọc sau gia cố cao hơn nhiều so với ñất chưa gia cố (khoảng

400 – 500 lần) và cọc ñược xem như thoát nước thẳng ñứng

- Phạm vi ứng dụng ña dạng : ổn ñịnh mái dốc, hố ñào, …

Do ñược trộn chất gia cố nên cọc xi măng ñất có mô ñun ñàn hồi và sức chống cắt cao hơn ñất nền nhiều lần, nhờ vậy nền ñất nói chung ñã ñược cải thiện ñáng kể về sức chịu tải Sức chịu tải này có thể thay ñổi tùy theo số lượng và chất

lượng chất gia cố ñược dùng cũng như phân bố của các cọc trong nền ñất (ñường kính, khỏang cách giữa các tâm cọc, chiều dài cọc)

Ngoài sức chịu tải, cọc ñất gia cố xi măng còn có tác dụng như cột thoát nước thẳng ñứng và cọc có tính thấm hơn ñất nền rất nhiều, ñược xem là làm việc như bấc thấm và ñẩy nhanh quá trình cố kết

Hình 1.3 Thiết bị thi công cọc xi măng ñất

1.4 Phương pháp thi công :

Phương pháp gia cố nền bằng công nghệ trộn sâu cột ñất xi măng (Cement deep mixing – CDM) là phương pháp cải tạo ñất dùng cho ñất sét dẻo, bùn sét, ñất lẫn hữu cơ, ñất lẫn bùn, bùn chảy, Việc trộn hỗn hợp ñất xi măng nhằm làm tăng cường ñộ, ñộ chặt, tăng mô ñun ñàn hồi của ñất gia cố Sự phát triển cường ñộ ñược hình thành ngay sau khi gia cố và phát triển cường ñộ theo thời gian

Phương pháp thi công cột ñất gia cố xi măng có thể ñược chia ra làm 2 loại : phương pháp trộn khô và phương pháp trộn ướt

1.4.1 Phương pháp khô :

Thích hợp với loại tải trọng phân bố ñều hơn là tải trọng tập trung lớn Trong phương pháp này, bột xi măng ñược khí nén bơm vào trong ñất ở dưới sâu qua một ống có lỗ phun, sau ñó ñược nhào trộn cơ học bằng các cánh quay Phương pháp trộn sâu gia cố nền ñất yếu bằng cọc ñất xi măng thực chất là quá trình khoan phun

xi măng và trộn với ñất ñể tạo ra các cột ñất gia cố xi măng có cường ñộ lớn hơn, tổ hợp nền và cọc làm việc tốt hơn, cải thiện rõ rệt sức chịu tải của nền

Nguyên lý của phương pháp phun khô rất ñơn giản là dùng một bộ thiết bị dựa trên cơ sở như một máy khoan có cánh ruột gà thi công cột ñất trộn chất gia cố trong ñất yếu theo 2 pha : pha hạ mũi khoan ñến ñộ sâu dự ñịnh ñồng thời làm tơi ñất, pha rút mũi khoan lên ñồng thời phun chất gia cố bằng khí nén ở ñầu mũi trộn

và trộn ñều hoặc ngược lại

Sau 2 pha hình thành một cọc ñất ñã gia cố nhờ ñất yếu ñã ñược trộn ñều với chất gia cố, lúc này nền ñất yếu sẽ làm việc như một nền hỗn hợp ñược tạo thành bởi hỗn hợp ñất tại chỗ và chất gia cố

Hình 1.4 Sơ ñồ thi công cọc XMð theo phương pháp khô

Hình 1.5 Trình tự thi công cọc XMð theo phương pháp khô

1.4.2 Phương pháp ướt :

Chất gia cố dưới dạng vữa ñược bơm xuống từ mặt ñất cho ñến ñáy dưới áp suất 20MPa từ một vòi phun xoay Vữa ñược trộn với ñất trong quá trình mũi trộn ñược ñưa xuống sâu và khi quay ngược trong quá trình rút mũi trộn Cũng như bê tông, tỷ lệ nước – xi măng ñóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cường ñộ

của hỗn hợp Với phương pháp này ñường kính của cọc ñất có thể thay ñổi theo ñộ sâu, tùy theo biến ñổi ñộ bền cắt của ñất nền

Nguyên lý của phương pháp trộn ướt : dùng thiết bị chuyên dụng dạng máy khoan xoay kết hợp mũi trộn (03 tầng cánh trộn) thi công cột ñất trộn hỗn hợp nước

xi măng trong ñất yếu theo 2 hành trình : hành trình hạ mũi khoan (vừa hạ mũi khoan vừa phun hỗn hợp chất gia cố) ñến ñộ sâu dự ñịnh vừa trộn vừa làm tơi ñất vừa phun chất gia cố, hành trình rút mũi khoan lên ñồng thời phun bổ sung hỗn hợp chất gia cố và trộn ñều hỗn hợp thành dạng hỗn hợp vữa ñất và chất gia cố Sau 2 pha hình thành một cột vữa ñất ñã ñược gia cố nhờ ñất yếu ñã ñược trộn ñều với hỗn hợp vữa xi măng nước (chất gia cố)

Xi măng ñất ñược tạo ra bằng ba cách sau [2]:

a) Công nghệ ñơn pha (hình 1.6): Vữa phụt ra với vận tốc 100m/s, vừa cắt ñất

vừa trộn vữa với ñất một cách ñồng thời, tạo ra một cột ñất-ximăng ñồng ñều với ñộ cứng cao và hạn chế ñất trào ngược lên Cấu tạo ñầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa Các lỗ phun có thể ñược bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, vỡ có ñộ lệch góc ñều nhau Công nghệ ñơn pha dùng cho các cột ñất có ñường kính vừa và nhỏ (0,5-0,8 m)

Hình 1.6: Công nghệ ñơn pha

b) Công nghệ hai pha (hình 1.7): ðây là hệ thống phụt vữa kết hợp vữa với

không khí Hỗn hợp vữa ñất-ximăng ñược bơm ở áp suất cao, tốc ñộ 100m/s và ñược trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun Vòng khí nén sẽ làm giảm ma sát và cho phép vữa xâm nhập sâu vào trong ñất, do vậy tạo ra cột ñất-ximăng có ñường kính lớn Tuy nhiên, dòng khí lại làm giảm ñộ cứng của cột ñất

so với phương pháp phụt ñơn tia vỡ ñất bị trào ngược nhiều hơn Cấu tạo ñầu khoan gồm có một hoặc nhiều lỗ phun (bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, có ñộ lệch góc ñều nhau) ñể phun vữa và khí Khe phun khí nằm bao quanh lỗ phun vữa Công nghệ hai pha tạo ra các cọc có ñường kính lớn hơn công nghệ một pha, có thể ñạt tới 1,2-1,5 m

Hình 1.7: Công nghệ hai pha

c) Công nghệ ba pha (hình 1.8): Quá trình phụt có cả vữa, không khí và nước

Không giống phụt ñơn pha và phụt hai pha, nước ñược bơm dưới áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước ðiều ñó ñuổi khí ra khỏi cột ñất gia cố Vữa ñược bơm qua một vòi riêng biệt nằm dưới vòi khí và vòi nước ñể lấp ñầy khoảng trống của khí Phụt ba pha là phương pháp thay thế ñất hoàn toàn ðất bị

thay thế sẽ trào ngược lên mặt ñất và ñược thu gom, xử lý Cấu tạo ñầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ ñúp ñể phun nước và khí ñồng thời và một hoặc nhiều lỗ ñơn nằm thấp hơn ñể phun vữa Nói chung mỗi cặp lỗ phun khí - nước và vữa ñều nằm ñối xứng nhau qua tâm trục của ñầu khoan Các cặp lỗ ñược bố trí lệch góc ñều nhau Cọc xi măng ñất tạo ra bằng công nghệ này có thể ñạt ñường kính lớn tới 3m

Hình 1.8: Công nghệ ba pha

Hình 1.9 Trình tự thi công cọc XMð phương pháp ướt

Hình 1.10 Bố trí cọc xi măng ñất theo kiểu hình chữ nhật và tam giác ñều

- Dạng khung : bố trí theo kiểu khung thường sử dụng khi diện tích gia cố yêu cầu lớn Dạng này không phù hợp với việc gia cố ñể tăng khả năng chống lực cắt ngang trên phạm vi hẹp Kiểu bố trí này ñược Gullin và Wiktrom (1997) xem như một tấm chắn nhằm ngăn cản sự dịch chuyển bên của các vùng ñất không ổn ñịnh Khi ñó các lớp ñất yếu chỉ bị nén xuống chứ không bị dịch chuyển ngang, làm tăng hiệu quả gia cố

Hình 1.11 Bố trí cọc xi măng kiểu khung

1.5.2 Các phương pháp tính toán gia cố nền :

Hiện nay, vấn ñề tính sức chịu tải và biến dạng của nền ñất gia cố bằng cột xi măng ñất vẫn còn là vấn ñề tranh luận, có 3 quan ñiểm chính như sau :

- Quan ñiểm cột gia cố xi măng làm việc như cọc (tính toán như móng cọc)

- Quan ñiểm xem cột và ñất cùng làm việc ñồng thời (tính toán như ñối với nền thiên nhiên)

- Một số nhà khoa học lại ñề nghị tính toán theo cả hai quan ñiểm trên, nghĩa là sức chịu tải thì tính toán như “cọc’, còn biến dạng thì tính toán theo nền

Sở dĩ các quan ñiểm trên chưa hoàn toàn thống nhất bởi vì bản thân vấn ñề phức tạp, những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm về vấn ñề này chưa nhiều

1.6 Nhận xét và kết luận:

1.6.1 Mỗi phương án móng ñều có những ưu nhược ñiểm nhất ñịnh Do ñó, căn cứ vào ñiều kiện ñịa chất cụ thể, mặt bằng thi công ñể lựa chọn phương án móng thích hợp nhất ðối với khu vực nghiên cứu (quận Tân Bình) có thể sử dụng móng bè cho nhà cao tầng Tuy nhiên, lớp ñất ñặt móng có hệ số nén lún lớn nên phải có biện pháp gia cố ñể kiểm soát biến dạng lún của công trình

1.6.2 Cọc xi măng ñất với những ưu ñiểm: ñơn giản, thi công nhanh, không sinh ra chất thải, không sử dụng hóa chất, là 1 giải pháp cho việc gia cố nền móng nhà cao tầng ðể việc ứng dụng giải pháp này ñạt hiệu quả cao cần phải tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm ñể kiểm chứng và hoàn thiện công nghệ thi công

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN MÓNG

NHÀ CAO TẦNG BẰNG CỌC XI MĂNG ðẤT 2.1 Nguyên lý tính toán cọc xi măng ñất [2]:

- Nguyên lý cọc cứng :

Trong nguyên lý này, các cọc ñược coi như các cọc cứng Tải trọng của công trình do các cọc này chịu Do phương pháp thi công, chất gia cố ñược ñưa vào bằng khí nén do ñó việc kiểm tra chất lương cọc rất khó khăn

- Nguyên lý cọc nửa cứng :

Trong nguyên lý này, các cọc gia cố làm việc tương tác với các phần ñất chưa ñược gia cố nằm giữa các cọc ñược giả thiết tạo thành một khối ñồng nhất Biến dạng của cọc và ñất xung quanh cọc xem như bằng nhau, cùng biến dạng dưới tác dụng của tải trọng công trình Cọc không làm việc như cọc chống mà chỉ xem như cọc treo

⇒ εdat = εcolTrong ñó :

εdat : Biến dạng của phần ñất chưa gia cố (nằm giữa các cọc)

εcol : Biến dạng bản thân cọc gia cố

2.2 Phương pháp tính toán cho cọc xi măng ñất :

2.2.1 Khả năng chịu tải của cọc theo ñất nền [7]:

Khả năng chịu tải của cọc xi măng ñất ñược quyết ñịnh bởi sức kháng cắt của ñất yếu bao quanh (ñất bị phá hoại) hay sức kháng của vật liệu cọc xi măng ñất (cọc

xi măng ñất bị phá hoại)

Loại phá hoại ñầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài của cọc và sức chịu ở chân cọc xi măng ñất Loại phá hoại sau phụ thuộc vào sức kháng cắt của vật liệu cọc xi măng ñất

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của cọc ñơn trong ñất yếu khi ñất phá hoại tính theo biểu thức sau :

Qgh,dat = (πdHcot + 2,25πd2).Cu (2.1)

Trong ñó :

d : ñường kính của cọc

Hcot : chiều dài của cọc

Cu : ñộ bền cắt không thóat nước trung bình của ñất bao quanh ñược xác ñịnh bằng thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh và xuyên côn

Giả thiết sức cản do ma sát ngoài bằng ñộ bền không thoát nước của ñất, sức chịu ở chân cọc tương ứng là 9Cu Kinh nghiệm thi công cọc ñất cho thấy :

+ Khi Cu < 30kPa : sức cản do ma sát mặt ngoài của cọc ñơn tương ứng với ñộ bền cắt không thoát nước của ñất sét yếu bao quanh cọc

+ Khi Cu ≥ 30kPa : ñộ bền cắt giảm ñi 0,5.Cu

ðối với những cọc chịu tải lớn nên ñặt mũi cọc vào lớp ñất cứng có sức chịu tải cao Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp ñất bên dưới mũi cọc Tuy nhiên, sức chịu tải ở mũi cọc không thể vượt qua cường ñộ chịu nén của bản thân cọc

2.2.2 Khả năng chịu tải của cọc theo vật liệu [7]:

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn do cọc bị phá hoại ở ñộ sâu z ñược tính theo biểu thức sau :

Qgh,cot = Acot(3,5Ccot + 3σn) (2.2) Trong ñó :

Ccot : lực dính kết của vật liệu cọc

σn : áp lực ngang tác ñộng lện cọc tại mặt cắt giới hạn

Giả thiết góc ma sát trong của ñất là 300 Hệ số 3 tương ứng với hệ số áp lực bị ñộng Kp khi ϕgh,cot = 300

Và cũng giả thiết σn = σp +5Cu trong ñó σp là áp lực tổng của các lớp phủ bên trên, Cu là ñộ bền cắt không thoát nước của ñất sét không ổn ñịnh bao quanh ñược xác ñịnh từ thí nghiệm cắt tại hiện trường Công thức này ñược áp dụng khi thiết kế

có xét ñến áp lực tổng của các lớp phủ bên trên vì áp lực ñất bị ñộng thay ñổi khi chuyển vị ngang lớn

τ φ

σ

Hình 2.1 ðường sức chống cắt giả ñịnh của cọc xi măng ñất

Do hiện tượng rão, ñộ bền giới hạn lâu dài của cọc thấp hơn ñộ bền ngắn hạn

ðộ bền rão của cọc Qrao,cot = 65% - 85% của Qgh,cot Giả thiết quan hệ biến dạng và tải trọng là tuyến tính cho tới khi rão, có thể dùng quan hệ này ñể tính sự phân bố tải trọng và mô ñun ép co của vật liệu cọc tương ứng ñộ dốc của ñường quan hệ Khi vượt qua ñộ bền rão, tải trọng của cọc ñược xem là hằng số Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ñược trình bày ở hình 2.2

Ccot : sức chống cắt không thoát nước của cọc xi măng ñất

σh : áp lực tổng theo phương ngang tác dụng ở tiết diện nguy hiểm

Khi cọc xi măng ñất chịu tải trọng dài hạn thì sức chống cắt trong ñiều kiện dài hạn của cọc xi măng ñất Crao,cot nhỏ hơn sức chống cắt theo ñiều kiện ngắn hạn

Ccot

Theo Broms và Sweroad (1992) :

Crao,cot = (0,65 - 0,8)Ccot

Khả năng chịu tải trọng dài hạn của cọc xi măng ñất :

Qrao,gh = (0,65 - 0,8)aCcot

Trong ñó : a = A/S2

A : tiết diện ngang của cọc xi măng ñất

S : khoảng cách giữa các cọc trong lưới ô vuông

Khi thiết kế cọc xi măng ñất phải khống chế ứng suất trong cọc nhỏ hơn ứng suất rão của cọc

Theo Sweroad, σcot có thể ñược tính như sau :

) 1 (

cot cot

cot cot

a E

E a

q A

Edat, Ecot : mo ñun nén của ñất bao quanh và của vật liệu cọc

2.2.3 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc xi măng ñất :

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc xi măng ñất phụ thuộc vào ñộ bền cắt của ñất chưa xử lý giữa các cọc và ñộ bền cắt của vật liệt làm cọc Cơ chế phá hoại của nhóm có hai dạng : sự phá hoại quyết ñịnh bởi khả năng chịu của khối với các cọc xi măng ñất hay khả năng chịu tải cục bộ ở rìa công trình khi các các cọc xi măng ñất ñặt xa nhau

2.2.3.1 Khả năng chịu tải trọng giới hạn theo cơ chế phá hoại khối :

Sức chống cắt dọc theo mặt phá cắt qua tòan bộ khối sẽ quyết ñịnh khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc ñược tính theo :

Qgh,nhom = 2CuH(B + L) + (6 ÷ 9)CuBL (2.5) trong ñó :

B, L, H : chiều rộng, chiều dài, chiều cao của nhóm cọc

Hệ số 6 dùng cho móng chữ nhật khi chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều

Hệ số 9 dùng cho móng hình vuông

Trong thiết kế, kiến nghị không dùng khả năng chịu tải giới hạn vì phải huy ñộng sức kháng tải trọng lớn nhất làm cho biến dạng khá lớn, bằng 5 – 10% bề rộng vùng chịu tải

Hình 2.3 Phá hoại theo khối cột 2.2.3.2 Khả năng chịu tải trọng giới hạn theo cơ chế phá hoại cục bộ : Khả năng chịu tải giới hạn, có xét ñến phá hoại cục bộ ở rìa khối cọc, phụ thuộc vào ñộ bền cắt trung bình của ñất, dọc theo bề mặt phá hoại gần tròn như trong hình 2.4 ðộ bền cắt trung bình có thể tính như khi tính ổn ñịnh mái dốc Khả năng chịu tải giới hạn có chú ý ñến phá hoại cục bộ, ñược tính theo biểu thức

) 2 , 0 1 ( 5 , 5

l

b xC

q gh = tb + (2.6) trong ñó :

b,l : chiều rộng và chiều dài vùng chịu tải cục bộ

Ctb : ñộ bền cắt trung bình dọc theo bề mặt phá hoại giả ñịnh ðộ bền cắt trung bình của vùng ổn ñịnh thì chịu ảnh hưởng của diện tích tương ñối của cọc a và ñộ bền cắt của vật liệu cọc Khi tính toán thiết kế, ñề nghi dùng hệ số an toàn là 2,5

Hình 2.4 Phá hoại cục bộ

2.2.4 Biến dạng của cọc xi măng ñất trong nền công trình :

Kitazume et al (2000) trình bày một lọat thí nghiệm ly tâm và phân tích FEM trên các mẫu cọc xi măng ñất chịu tải trọng ñứng và ngang Các kết luận chủ yếu ñược ñưa ra nhu sau :

- Cọc xi măng ñất bị phá hoại khi xảy ra hiện tượng ñứt gãy, xô lệch và sụp do uốn tùy thuộc vào ñiều kiện tải và ñộ bền cục

- Trong trường hợp ñứt gãy, cọc xi măng ñất hoặc bị phá hoại cắt hoặc phá hoại

do uốn tùy thuộc vào ñiều kiện tải và vị trí của chúng ñặt trong nền

Theo Kivelo (1998) và Broms (1999) các dạng phá hoại của cọc xi măng do tải trọng ñứng và ngang trong nền ñược minh họa như sau :

- Dạng phá hoại a : khi dạng phá hoại này xảy ra, một khớp ñàn hồi phát triển bên dưới mặt trượt ở ñó mô men uốn lớn nhất vượt quá khả năng chịu mô men của cọc Phần cao hơn của cọc sẽ xoay quanh khớp ñàn hồi khi nền phá hoại Kiểu phá hoại này xảy ra khi chiều sâu của khối ñất trượt ở trên mặt trượt nhỏ so với chiều dài cọc Giả thuyết trong trường hợp này cọc quay như một xương cứng quanh khớp ñàn hồi và rằng sự quay của cọc là tương ñối lớn

- Dạng phá hoại b : khi chiều sâu của khối ñất trượt gia tăng thì mô men uốn lớn nhất trong cọc trên mặt phá hoại cũng gia tăng Khi momen này ñạt ñến khả năng chịu mô men của cọc một khớp ñàn hồi thứ hai phát triển như phá hoại dạng b

- Dạng phá hoại c : dạng phá hoại này ñược ñặc trưng bằng biến dạng của một khớp ñàn hồi ở bên trên một mặt trượt ở ñó mô men uốn lớn nhất vượt quá khả năng chịu mô men của cọc Tại giá trị phá hoại của nền ñường, phần thấp hơn của cọc quay quanh quanh khớp ñàn hồi Kiểu phá hoại có thể xảy khi chiều sâu của mặt trượt giả ñịnh là lớn hơn so với chiều dài cọc

2.2.5 Tính toán ñộ lún công trình :

Các nghiên cứu trước ñây, xem cọc và ñất không xử lý giữa các cọc như là một ñơn khối và sự co ngắn dọc trục của cọc tương ứng với ñộ lún của ñất xung quanh Tuy nhiên, biến dạng thẳng ñứng của ñất xung quanh ở gần mặt ñất lớn hơn phần biến dạng dọc trục của cọc Sự khác nhau lớn nhất cũng chỉ là một vài phần trăm ñộ lún tổng cộng, ngay cả khi các cọc chỉ cách nhau 3 ñến 4 lần ñường kính cọc (1,5 ñến 2m), khi ñộ co ngắn dọc trục của các cọc tương ứng với ñộ lún của ñất

xung quanh, sự phân bố tải trọng sẽ phụ thuộc vào ñộ cứng tương ñối của vật liệu cọc và cần lưu ý tới ñất không ñược xử lý bao quanh cọc, chừng nào ứng suất dọc trục của cọc còn nhỏ hơn giới hạn rão của vật liệu cọc Sự phân bố tải trọng sẽ phụ thuộc vào mo ñun lún của vật liệu cọc và của ñất ổn ñịnh Khi cùng biến dạng tương ñối, ứng suất dọc trục của cọc ñược biểu thị như sau :

) 1 )(

(

cot cot

cot cot

a E

E a

q A

Q

dat − +

Edat, Ecot : mô ñun ép co của ñất bao quanh và của vật liệu cọc

ðộ lún trong khu vực ñược gia cố bởi các cọc ñược tính bằng cách chia tiết diện của ñất thành các lớp ñặc trưng Tổng ñộ lún lớn nhất bằng tổng ñộ lún cục bộ của tòan khối nền ñược gia cố (∆h1) và ñộ lún cục bộ của tầng ñất nằm dưới ñáy khối (∆h2) tức là :

∆h = ∆h1 + ∆h2

Có 2 trường hợp ñược nghiên cứu khi tính ñộ lún tổng cộng

* Trường hợp A : tải trọng tác dụng tương ñối nhỏ và cọc xi măng ñất chưa bị rão Trong trường hợp này, sự phân bố ứng suất sẽ phụ thuộc vào ñộ cứng tương ñối của cọc so với nền ñất xung quanh Mô ñun chịu nén của cọc có thể ñược dùng

ñể tính lún có thể lấy bằng Ecot = (50 ÷ 100)Cu Ứng suất trong cọc còn phụ thuộc vào mô ñun nén của ñất nền xung quanh cọc Khi ñất nền quá cố kết và ứng suất chưa vượt quá áp lực tiền cố kết thì mô ñun nén có thể xác ñịnh từ biểu thức sau :

Edat = 250Cu Trong ñó :

Cu : sức chống cắt thoát nước của ñất nền xung quanh ñược xác ñịnh bằng thí nghiệm cắt cánh

Khi ñất sét là cố kết thường hoặc quá cố kết nhẹ thì mô ñun nén của nền ñược xác ñịnh từ thí nghiệm cố kết

ðộ tăng ứng suất q gây ra do công trình hay ñất ñắp, một phần truyền cho cọc

q1 và một phần truyền cho ñất ở xung quanh q2

Trường hợp nền ñất và cọc biến dạng ñồng ñều thì rút ñược mối quan hệ sau :

dat

E NxA BL

BL q E

NxA

BL q

) (

) ( )

.(

) (

cot 2 cot

cot

1

−

= (2.8) Biểu thức trên có thể rút gọn thành

dat

E a

q E

a

q

) 1 (

2 cot

a

q H h

).

1 (

.

cot

1 = + −

∆ (2.10)

Hình 2.5 Tải trọng phân bố ở bên dưới ñất ñã ổn ñịnh

Sự phân bố áp lực q từ ñáy móng ñược giả thiết là không ñổi suốt chiều cao khối cọc xi măng ñất và không bị giảm bớt do lực dính ở xung quanh khối cọc và ñất, giả thiết này ñược xem là an tòan

ðộ lún ∆h2 bên dưới khối cọc có thể xác ñịnh bằng cách chia ñất nền bên dưới thành nhiều lớp nhỏ và tính lún cho từng lớp sau ñó cộng lại ñể có ñộ lún ∆h2 Sự phân bố ứng suất trong nền bên dưới khối theo ñường truyền có ñộ dốc 2:1

* Trường hợp B : tải trọng tác dụng tương ñối cao và tải trọng dọc trục cọc tương ứng với giới hạn rão

a Tải trọng truyền cho cọc b Tải trọng truyền cho ñất không ổn ñịnh

giữa các cọc

Hình 2.6 Tải trọng phân bố trong ñất chưa ổn ñinh Tải trọng tác dụng ñược chia ra : phần q1 truyền cho cọc và phần q2 truyền cho ñất xung quanh như trường hợp A Phần q1 ñược quyết ñịnh bởi tải trọng rão của cọc và tính theo biểu thức :

BL

Q N

q1= . rao cot, (2.11) Với :

N : tổng số cọc xi măng ñất trong diện tích BL ñược xử lý

Phần ứng suất q2 truyền qua ñất nền sẽ bằng q2 = q - q1 dùng ñể tính ñộ lún ∆h1 của khối cọc xi măng ñất

ðộ lún này xác ñịnh bằng cách chia khối cọc xi măng ñất thành nhiều lớp nhỏ, tính ñộ lún cho từng lớp rồi cộng lại, phương pháp này thường ñược gọi là phương pháp cộng lún từng lớp

ðộ lún ∆h2 của ñất nền không xử lý nằm phía dưới khối cọc xi măng ñất ñược tính toán với giả thiết sau : áp lực gây lún q1 truyền xuống ñáy khối và tác dụng gây lún từ cao trình này trở xuống, áp lực gây lún q2 truyền xuống từ mặt ñất và bắt ñầu tính lún từ cao trình ñáy khối cọc xi măng ñất

* Nếu ñất sét cố kết bình thường với tải trọng phân bố ñều biến dạng là ñều trong một mặt phẳng nằm ngang Theo giả thiết bảo toàn, ñộ tăng ứng suất q xem như không ñổi suốt chiều cao của khối và tải trọng trong khối không bị giảm do ứng suất cắt chu vi Khi gia cố cọc xi măng ñất thì mô ñun biến dạng của lớp ñất thứ i ñược tính như sau :

Etd = Ecot.a + Edat,i.(1 - a) (2.12) Lúc này ∆h1, ∆h2 có thể ñược tính toán theo biểu thức :

h

1 cot2

1

) 1 (

i i

e

e e S

S

2 1

1 (2.14) Trong ñó :

P2i : là tổng áp lực (của tải trọng công trình và bản thân của ñất nền) tại lớp ñất thứ i

−

i

i i

i n ói i

i i

i i n

i

i

E h

P a h

P P

P P e

e e S

1 1

1 2

1 2

1 1

2 1

1

β

(2.18)

2.3 Ứng suất dọc trục và khả năng chịu uốn của cọc xi măng ñất [6]:

2.3.1 Momen uốn của cọc xi măng ñất :

Trong trường hợp biến dạng nhỏ, phương trình ñộ võng x của dầm chịu uốn theo trục y như sau:

EJ

Mdy

xd

Trong ñó:

M: mô men uốn trên mặt cắt ngang

x : ñộ võng của trục y

J: mô men quán tính của mặt cắt ngang ñi qua trục trung hòa

E: mô ñun ñàn hồi của vật liệu