- 0 - LỜI CẢM ƠN Học đi đôi với hành, lý thuyết gắn liền với thực tế là phương châm giáo dục và đào tạo của Khoa Kỹ Thuật Công Trình nói riêng và Trường Đại Học Lạc Hồng nói chung. Được sự quan tâm của Khoa và Nhà trường chúng em đã được tham gia nghiên cứu khoa học, đây là một chương trình thường niên mang tính thực tiễn cao, là hoạt động tích cực giúp cho sinh viên củng cố lại kiến thức đã h ọc đồng thời tìm hiểu sâu rộng hơn về những vấn đề tiêu biểu, độc đáo liên quan đến chuyên môn; đồng thời cũng là một sân chơi trí tuệ nhằm giúp cho sinh viên phát huy khả năng khoa học, óc sáng tạo để nhận thức chính xác, bao quát hơn về chuyên môn, tìm tòi ra những điều mới có khả năng áp dụng vào thực tiễn mang lại một hiệu quả cao cho một hoặc nhiều lĩnh vực, có ích cho nề n Khoa học kỹ thuật nước nhà. Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa và Nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em tham gia chương trình này. Đây cũng là điều chúng em luôn phấn đấu để đạt được trong hơn bốn năm học qua. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Ngọc Phúc đã trực tiếp hướng dẫn chúng em thực hiện đề tài. Kiến thức chuyên môn uyên bác và sự tận tình của thầy là yếu tố quan trọ ng nhất giúp chúng em hoàn thành đề tài đồng thời học tập thêm được rất nhiều về kiến thức chuyên môn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Khánh Hùng- Phó khoa Kỹ thuật công trình; thầy Trương Văn Tài- giáo viên phụ trách phòng thí nghiệm khoa Kỹ thuật công trình đã giúp đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình thực hiện các thí nghiệm và xây dựng mô hình thực nghiệm phục vụ cho đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn luôn quan tâm, giúp đỡ và động viên chúng em trọng cuộc s ống cũng như trong công việc. Với kiến thức chuyên môn còn hạn chế và cơ sở vật chất còn thiếu thốn nên trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những sai sót, rất mong quí thầy cô thông cảm. - 1 - Kính chúc quí thầy cô sức khỏe. Chúc chương trình Nghiên cứu khoa học sinh viên lần thứ 15 của khoa Kỹ thuật công trình nói riêng và Trường đại học Lạc Hồng nói chung đạt kết quả cao và thành công tốt đẹp. Biên Hòa_tháng 11 năm 2010. Nhóm nghiên cứu. - 2 - MỤC LỤC Trang Phần mở đầu 1 Chương 1: Tổng quan về giải pháp nền móng Top -base đã ứng dụng trong và ngoài nước. 1.1 Giới thiệu chung về móng Top-base 2 1.1.1 Hình dạng và kích thước của topblock 3 1.1.2 Phương pháp xây dựng Top-base 4 1.2 Phạm vi ứng dụng và đặc điểm cơ lý của phương pháp Top-base 1.2.1 Phạm vi áp dụng top-base 5 1.2.2 Đặc điểm cơ lý của phương pháp Top-base 6 1.3 Phương pháp tính toán thiết kế 1.3.1 Ước lượng thông số ứng suất bằng giá trị N 11 1.3.2 Tính toán khả năng chịu tải của nền ban đầu 12 1.3.3 Thiết kế nền Top-base 12 1.4 Thi công và nghiệm thu Top-base 1.4.1 Công tác đào đất 20 1.4.2 Công tác lắp đặt Topblock 21 1.4.3 Đổ bê tông tại chỗ 22 1.4.4 Chèn đá dăm 23 1.4.5 Liên kết khóa đỉnh các khối phễu 24 1.4.6 Qui trình thử tải 26 1.5 Giới thiệu một số công trình đã thi công tại Việt Nam 27 Kết luận 30 Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán 2.1 Phân tích sự làm việc của nền Top-base trên một phân tố 2.1.1 Mô tả 32 2.1.2 Xây dựng lời giải tích 32 2.2 Phân tích sự làm việc của toàn nền Top-base 2.2.1 Trường hợp thiết kế một lớp topblock 34 2.2.2 Trường hợp thiết kế hai lớp topblock 36 2.3 Đề xuất qui trình tính toán Chương 3: So sánh sự làm việc móng Top-base và móng không đặt Top-base trên phần mềm plaxis. 3.1 Số liệu khai báo trong plaxis 38 3.2 Chuyển v ị của trường hợp đặt móng Top-base 3.2.1 Cấp tải 1: 0.125 kg/cm 2 38 - 3 - 3.2.2 Cấp tải 2: 0.25 kg/cm 2 39 3.2.3 Cấp tải 3: 0.5 kg/cm 2 39 3.3 Chuyển vị của trường hợp không đặt móng Top-base 3.3.1 Cấp tải 1: 0,125 kg/cm 2 41 3.3.2 Cấp tải 2: 0,25 kg/cm 2 42 3.3.3 Cấp tải 3: 0,5 kg/cm 2 43 3.4 So sánh móng Top-base và móng không đặt Top-base 3.4.1 Chuyển vị 45 3.4.2 Mô đun biến dạng 45 3.4.3 Biểu đồ thể hiện quan hệ chuyển vị và áp lực 45 3.4.4 Biểu đồ thể hiện quan hệ mô đun và áp lực 45 Chương 4. Xây dựng mô hình thực nghiệm tỉ lệ 4.1 Thí nghiệm kiểm tra chỉ tiêu cơ lý hạt cát 4.1.1 Thí nghiệm thành phần hạt trong cát 46 4.1.2 Thí nghiệm độ ẩm của cát (W) 49 4.1.3 Thí nghiệm sức chống cắt củ a cát 49 4.1.4 Thí nghiệm nén cố kết của cát 53 4.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm 4.2.1 Dụng cụ thí nghiệm 56 4.2.2 Quy cách dụng cụ và vật liệu thí nghiệm 56 4.2.3 Tiến hành xây dựng mô hình thực tế 57 4.3 Số liệu theo dõi trong quá trình làm mô hình thực nghiệm 4.3.1 Trường hợp móng Top-base 69 4.3.2 Trường hợp móng không đặt Top-base 69 4.4 Tính sức chịu tải và độ lún cho mô hình thực nghiệm bằng lý thuyết tính toán 4.4.1 Xác định hệ số giảm tải qua nền Top-base mô hình 72 4.4.2 Xác định sức chịu tải của nền 72 4.4.3 Xác định độ lún 73 Kết luận và kiến nghị 76 Tài liệu tham khảo 77 Phụ lục 78 Phụ lục 1 78 Phụ lục 2 79 - 1 - PHẦN MỞ ĐẦU Nhu cầu xây dựng các công trình cơ sở hạ tầng của nước ta ngày càng lớn, đặc biệt tại các vùng đồng bằng, nơi có nền đất đặc trưng đa dạng, phức tạp và tương đối yếu. Trước đây chúng ta thường tốn rất nhiều thời gian và chi phí để xử lí nền đất trước khi xây dựng một công trình. Và việc sử dụng nhiều hoá chất và các vật liệu xây dựng được làm từ các nguyên liệu thiên nhiên đã ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái. Đây là lí do thôi thúc nhóm nghiên cứu bắt tay vào đề tài TOP-BASE được coi là mới tại Việt Nam. Qua khảo sát thực tế, nhóm nghiên cứu thấy việc gia cố nền đất để xây dựng các công trình trên nền đất yếu tại Việt Nam còn phải sử dụng các phương pháp gia cố nền như: đóng cọc tre, cọc tràm, cọc bê tông . sâu xuống lòng đấ t sẽ làm cho nguồn nước bị ô nhiễm. Chính từ nhận định này, nhóm đã tập trung nghiên cứu phương pháp TOP-BASE đã được ứng dụng ở Nhật và Hàn Quốc cho hàng nghìn công trình, nhiều chung cư cao 17- 20 tầng, thậm chí cao đến 30 tầng đã được xây dựng trên nền móng Top-Base mà không cần dùng cọc. Khi xảy ra động đất, các công trình trên nền Top-Base ít bị hư hại, trong khi các công trình bên cạnh đó bị hư hại nhiều hơn (trích báo cáo khảo sát về thi ệt hại sau trận động đất năm 1995 tại KoBe- Nhật Bản.) “ Nguồn: www.diendanxaydung.com “[5]. Top-Base quá trình lún cố kết kết thúc nhanh (khoảng 100 ngày sau khi chất đủ tải) do đó, khi thi công xong phần thân nhà thì móng Top-Base đã kết thúc quá trình lún. Móng Top-Base đã được triển khai ở Việt Nam từ năm 2008. Đến nay đã có trên 10 công trình ở Hà Nội, Hải Phòng, Hưng Yên, Thanh Hóa, Quảng Ninh, Tp. Hồ Chí Minh…ứng dụng công nghệ này đạt hiệu quả tốt. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Phân tích nguyên lý làm việc và xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế nền Top-base, kiểm tra sự làm việc về mặt cơ học từ đó so sánh móng Top-base với móng nông thông thường. Để thực hiện đề tài trên nhóm đã phát triển theo ba hướng: + Lập cơ sở lý thuyết tính toán giải tích. + Xây dựng mô hình trên phần mền Plaxis. - 2 - + Xây dựng mô hình thực nghiệm theo tỉ lệ thu nhỏ. Chương 1: Tổng quan về giải pháp nền móng Top -base đã ứng dụng trong và ngoài nước. 1.1 Giới thiệu chung về móng Top-base: Phương pháp Top-base là phương pháp đặt các khối bê tông hình phễu trong nền đá dăm lên lớp đất yếu. Phương pháp Top-base cho thấy độ lún cố kết giảm từ 1/10 ÷ 1/2 hoặc nhiều hơn, đồng thời tăng khả năng chịu tải của nền từ 50% - 200% hoặc nhiều h ơn so với nền đất ban đầu chưa được xử lý. Phương pháp Top-base có tác dụng ngăn cản chuyển vị ngang của lớp đất yếu và làm giảm khả năng giãn nở dẫn đến giảm độ lún móng công trình, và phân phối ứng suất bên dưới đáy móng đều hơn dẫn đến tăng khả năng chịu lực của nền. Do sự gia tăng dân số, sự thiếu thốn về đất nhà ở và nhu cầu sử dụng đất yếu để xây dựng công trình đã thúc đẩy các kỹ sư xây dựng tìm ra các giải pháp cải thiện các khu vực nền đất yếu phục vụ công tác xây dựng sao cho tiết kiệm chi phí vật liệu và chi phí xây dựng, phương pháp này chỉ nên dùng cải thiện nền đất bề mặt và ngay dưới bề mặt. Gần đây, một phương pháp mới đã xuấ t hiện đó là liên kết các khối bê tông hình phễu và đặt chúng lên trên nền đất. Các nhóm Top-block có thể được sử dụng như phương án móng nông để thay thế móng cọc. Nó được gọi là “Móng Top-base”. Thực tế cho thấy nhiều công trình xây dựng ứng dụng phương - 3 - Hình 1.2: Mặt cắt Top-Base pháp này đem lại hiệu quả mạnh mẽ trong việc giảm độ lún và tăng khả năng chịu lực của nền đất. Phương pháp móng cải tiến, Top-base, được sử dụng thành công nhằm cải thiện nền đất yếu trong hơn 10 năm qua tại Hàn Quốc và Nhật Bản. Có 2 loại móng Top-base: loại thứ nhất được đúc sẵn trong nhà máy, loại thứ hai là đổ bê tông tạ i chỗ. Mặc dù cả 2 loại móng này có đặc tính như nhau, tuy nhiên phương pháp Top-base đúc tại công trường thi công dễ dàng hơn và chi phí thấp hơn so với phương pháp Top-base đúc sẵn trong nhà máy. Vì vậy, hầu hết các kỹ sư nhận định rằng phương pháp móng Top-base đổ tại chỗ mà được phát triển và cải thiện bởi công ty Banseok Top- Base Co., Ltd là phương án móng tối ưu hơn cả. “ Nguồn: www.ketcau.com “[7]. 1.1.1 Hình dạng và kích thước của top-block: 500 200 50 200 50 500 20050200 50 vßng thÐp phÇn trô nãn phÇn trô nãn phÇn cäc phÇn mòi v¸t khu«n nhùa tæng hîp t = 5 mm 135 Ø10 Hình 1.1: Kích thước và hình dạng chuẩn của Top-Block Phương pháp Top-base đổ bê tông tại chỗ sử dụng các thanh thép nối các Top-block với nhau tạo thành nhóm các Top-block (nối tại vị trí giao giữa phần trụ nón và phần cọc), đổ bê tông vào - 4 - phễu nhựa, rải đá dăm đầm chặt, lắp dựng cốt thép nghiêng với phương ngang 45 0 có tác dụng phân phối lại ứng suất của tải trọng, và phần mũi vát được thiết kế đặc biệt để ngăn cản biến dạng ngang của Top-block. Đây là phương pháp thi công Top-base mới làm giảm chi phí xây dựng do tiết kiệm được thời gian thi công, đơn giản và giảm chi phí vật liệu. Hình 1.3: Mặt bằng Top-Base 1.1.2 Phương pháp xây dựng Top-base: Bước 1: Nối các phễu nhựa thành khối Bước 2: Lắp đặt các khối phễu nhựa - 5 - Bước 3: Đổ bê tông các phễu nhựa Bước 4: Rải và đầm đá dăm Bước 5: Lắp đặt các thanh thép nối phía trên Bước 6: Hoàn thành Móng Top-base * Ưu điểm của phương pháp Ứng dụng phương án móng Top- base có thể rút ngắn thời gian thi công móng công trình chỉ còn 1/2 và chi phí giảm chỉ còn 60% - 70% so với các phương án móng khác. Bước 7 : Thí nghiệm cường độ chịu tải 1.2 Phạm vi ứng dụng và đặc điểm cơ lý của phương pháp Top-base: 1.2.1 Phạm vi áp dụng top-base: Top-base là phương pháp gia cố nền đất để cải thiện và gia cố đất xung quanh phần đáy của kết cấu móng trên nền đất yếu, có thể được sử dụng cho bất kỳ móng công trình nào khi tải trọng từ kết cấu trên truyền xuố ng không quá lớn so với khả năng chịu lực cho phép của nền đất ban đầu ( không quá 2,5 đến 3,5 lần ). Phương pháp Top-base có tác dụng giảm độ lún và tăng khả năng chịu lực khi tải trọng từ kết cấu bên trên không quá lớn so với khả năng chịu tải của nền đất yếu. Kết cấu móng nông bên trên Top-base thay đổi theo quy mô công trình, điều kiện thi công xây dựng, có thể là móng đơn, móng dạng băng hoặ c dạng bè do người - 6 - thiết kế kết cấu của công trình quyết định lựa chọn, trên cơ sở các thông tin dự báo về khả năng chịu tải của nền đất đã được gia cố. Top-base có hiệu quả đặc biệt trong việc giảm độ lún do Top-base có tác dụng phân phối ứng suất với hiệu ứng đồng vận giữa các khối bê tông được chèn đầy đá dăm. Cơ chế giảm độ lún là do khả năng ngăn chặn biến dạng ngang của nền đất nằm dưới móng bởi phần cọc phễu, đồng thời có tác dụng tăng khả năng chịu lực bằng cách ngăn chặn phá hoại cục bộ. Phương pháp này đang được áp dụng làm móng chống động đất do có hiệu ứng tương tự trên nền cát có khả năng xảy ra hiện tượng hoá lỏng nền đất dưới tác động của tải trọng động đất. Ngoài ra, người ta cho rằng hiện tượng chìm các khối bê tông chắn sóng khi sóng lặp lại là do hoá lỏng gây ra, vì thế có thể thấy rằng Top-base có tác dụng đáng kể trong việc ngăn chặn lún các khối bê tông chắn sóng. 1.2.2 Đặc điểm cơ lý của phương pháp Top-base: Hình 1.4: Đặc tính của Top-base Hình 1.5: Bánh xích dạng Top-shape của máy ủi (Hình 1.4) là biểu đồ đặc tính của Top-base: phần trụ nón c ủa Top-block được đặt trong lớp vật liệu rời rạc (đá dăm) nằm trên nền đất yếu, phần cọc của Top- block cũng được đặt trong phần địa tầng tương tự, phần cốt thép phía trên và phía dưới có tác dụng nối các Top-block thành nhóm; vì vậy phương pháp móng Top- base trở thành hệ kết cấu móng cứng linh hoạt.