Giáo trình Xử lý nền móng công trình trên nền đất yếu - Tô Văn Lận

Nội dung text: Giáo trình Xử lý nền móng công trình trên nền đất yếu - Tô Văn Lận

1. BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH GIÁO TRÌNH XỬ LÝ NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Dành cho sinh viên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp Biên soạn : TS. Tô Văn Lận Năm 2010
2. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 5 CHƯƠNG 1 6 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐẤT YẾU 6 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU. 6 1.1.1 Về định tính. 6 1.1.2 Về định lượng. 6 1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MỘT SỐ LOẠI ĐẤT YẾU. 6 1.2.1 Đất sét yếu. 6 1.2.1.1 Hạt sét và các khoáng vật sét. 6 1.2.1.2 Liên kết cấu trúc và sức chống cắt của đất sét 7 1.2.1.3 Các đặc điểm khác của đất sét yếu. 9 1.2.2 Đất cát yếu. 10 1.2.3 Bùn, than bùn và đất than bùn. 10 1.2.4 Đất đắp. 11 1.3 CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU. 11 1.3.1 Giải pháp kết cấu. 11 1.3.2 Các biện pháp xử lý nền. 11 1.3.3 Các giải pháp về móng. 11 CHƯƠNG 2 12 BIỆN PHÁP KẾT CẤU KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 12 2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU 12 2.1.1 Loại kết cấu tuyệt đối cứng. 12 2.1.2 Loại kết cấu mềm. 12 2.1.3 Sơ đồ kết cấu có độ cứng giới hạn 12 2.2 BỐ TRÍ KHE LÚN. 14 2.3 THIẾT KẾ GIẰNG MÓNG VÀ GIẰNG TƯỜNG. 15 2.3.1 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp đơn giản. 16 2.3.1.1 Cơ sở tính toán. 16 2.3.1.2 Nội lực trong giằng 16 2.3.1.3 Tính toán cốt thép giằng. 17 2.3.2 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp của B.I. Đalmatov. 17 2.4 CẤU TẠO GỐI TỰA CỨNG. 20 2.5 CHỌN LOẠI MÓNG VÀ CHIỀU SÂU CHÔN MÓNG. 20 2.5.1 Chọn loại móng. 20 2.5.2 Chọn chiều sâu chôn móng. 20 2.5.2.1 Điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn khu vực xây dựng. 20 2.5.2.2 Anh hưởng của trị số và tính chất truyền tải trọng của công trình. 21 2.5.2.3 Anh hưởng của đặc điểm và yêu cầu sử dụng công trình 21 2.5.2.4 Anh hưởng của biện pháp thi công móng. 21 CHƯƠNG 3 22 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, CẢI TẠO ĐẤT NỀN 22 3.1 ĐỆM CÁT. 22 3.1.1 Phạm vi áp dụng. 22 3.1.2 Tính toán đệm cát. 23 3.1.3 Thi công đệm cát. 25 3.1.4 Trình tự thiết kế móng sử dụng đệm cát. 25 3.1.4.1 Chọn độ sâu chôn móng. 25 3.1.4.2 Xác định kích thước đáy móng và kiểm tra điều kiện áp lực. 25 3.2 CỌC CÁT. 26 3.2.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng 26 3.2.2 Tính toán và thiết kế cọc cát. 26 3.2.2.1 Hệ số rỗng của nền được gia cố bằng cọc cát. 26 3.2.2.2 Diện tích nén chặt 26 3.2.2.3 Số lượng cọc cát. 27 3.2.2.4 Bố trí cọc cát. 27 3.2.3 Thi công cọc cát. 27 3.3 TRỤ ĐẤT XI MĂNG. 28
3. 3.3.1 Phạm vi áp dụng. 28 3.3.2 Mô tả về công nghệ. 28 3.3.3 Các giải pháp thiết kế. 29 3.3.3.1 Nguyên lý thiết kế. 29 3.3.3.2 Quy trình thiết kế, thi công trụ đất xi măng. 29 3.3.3.3 Thí nghiệm. 30 3.3.3.4 Tương quan giữa các đặc tính của đất xử lý 30 3.3.3.5 Phương hướng thiết kế 30 3.4 NÉN TRƯỚC BẰNG TẢI TRỌNG TĨNH. 36 3.4.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng 36 3.4.2 Điều kiện về địa chất công trình. 36 3.4.3 Tính toán gia tải trước. 37 3.4.4 Biện pháp thi công 37 3.5 GIẾNG CÁT. 38 3.5.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng 38 3.5.2 Tính toán và thiết kế giếng cát. 38 3.5.2.1 Đệm cát 38 3.5.2.2 Lớp gia tải. 39 3.5.2.3 Giếng cát. 39 3.5.2.4 Tính biến dạng của nền. 39 3.5.3 Thi công giếng cát. 40 3.6 GIA CỐ NỀN BẰNG BẤC THẤM 40 3.6.1 Phạm vi áp dụng. 40 3.6.2 Mô tả về công nghệ. 41 3.7 GIA CỐ NỀN BẰNG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT. 42 3.7.1 Gia cố nền đường. 42 3.7.2 Gia cố tường chắn đất. 42 CHƯƠNG 4 45 NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ MỘT SỐ LOẠI MÓNG CỌC 45 4.1 THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 45 4.1.1 Đặc điểm phạm vi áp dụng. 45 4.1.2 Thiết kế móng cọc khoan nhồi. 45 4.1.3 Thi công móng cọc khoan nhồi. 57 4.1.4 Kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi. 64 4.1.5 Các sự cố thường gặp và cách xử lý. 70 4.2 THIẾT KẾ MÓNG CỌC BERÉT. 74 4.2.1 Khái niệm. 74 4.2.2 Khảo sát địa chất cho thiết kế và thi công móng cọc barét. 75 4.2.3 Sức chịu tải của cọc baret. 76 4.2.4 Thiết kế cọc baret. 76 4.2.5 Thiết kế đài cọc. 77 4.2.6 Thi công cọc baret. 79 4.3 TƯỜNG TRONG ĐẤT (TƯỜNG CỪ - TƯỜNG CỌC BẢN) 80 4.3.1 Đặc điểm, phạm vi áp dụng. 80 4.3.2 Các loại tường trong đất. 81 4.3.3 ThiÕt kÕ t­êng trong ®Êt. 84 4.4 THIEÁT KEÁ MOÙNG COÏC TRAØM. 87 4.4.1 Vaät lieäu coïc traøm. 87 4.4.2 Ñaëc ñieåm, phaïm vi aùp duïng. 89 4.4.3 Thieát keá moùng coïc traøm. 90 CHƯƠNG 5 94 CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT TRONG XÂY DỰNG 94 5.1 MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG CỦA CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT. 94 5.1.1 Mục đích. 94 5.1.2 Nội dung chính của công tác khảo sát địa kỹ thuật 95 5.1.3 Yêu cầu kỹ thuật (do người chủ trì kết cấu lập). 95 5.2 KHẢO SÁT CHO THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÓNG CỌC. 95 5.2.1 Phương án kỹ thuật khảo sát. 96
4. 5.2.2 Nội dung khảo sát 96 5.2.3 Khối lượng công tác khảo sát. 96 5.3 KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT CHO THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG. 98 5.3.1 Những quy định chung về khảo sát địa kỹ thuật cho thiết kế nhà cao tầng. 98 5.3.2 Yêu cầu kỹ thuật đối công tác khảo sát địa kỹ thuật. 99 5.3.3 Thí nghiệm trong phòng. 105 5.3.4 Thí nghiệm hiện trường. 106 5.4 XỬ LÝ SỐ LIỆU KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT VÀ THÍ NGHIỆM. 108 5.4.1 Nguyên tắc chung. 108 5.4.2 Xác định trị tiêu chuẩn và trị tính toán của đất. 108 5.4.3 Yêu cầu về số lượng thí nghiệm các đặc trưng của đất. 110 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 112
5. LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta hiện nay, những người làm xây dựng đang đứng trước những đòi hỏi ngày càng cao hơn để có thể nhanh chóng tiếp cận và ứng dụng những thành tựu và công nghệ mới về kỹ thuật xây dựng trên thế giới và trong nước. Với đặc điểm phổ biến là hầu hết những đô thị lớn ở nước đều được xây dựng ở những vùng có điều kiện bất lợi về địa chất - thủy văn, kết hợp với sự không đồng nhất hay tính phân tán cao cả theo mặt bằng và theo chiều sâu của nền đất; mặt khác, về chủ quan - việc sử dụng các giải pháp nền móng chưa hoặc không hợp lý là một trong những nguyên nhân gây ra sự cố công trình hoặc chi phí đầu tư xây dựng rất tốn kém trong những năm vừa qua. Cuốn sách này đề cập đến một số giải pháp xử lý khi xây dựng công trình trên nền đất yếu, được sử dụng từ những kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước, các tiêu chuẩn hiện hành, trước hết nhằm mục đích sử dụng cho sinh viên ngành Xây dựng dân dụng và Công nghiệp của Trường Đại học Kiến trúc thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng. Do xuất bản lần đầu nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong được sự thông cảm của người đọc.
6. Chương 1 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐẤT YẾU 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU. Về đất yếu hiện nay có hai quan điểm dựa vào định tính và định lượng: 1.1.1 Về định tính. Đất yếu là loại đất mà bản thân nó không đủ khả năng tiếp thu tải trọng của công trình bên trên như các công trình nhà cửa, đường xá, đê đập Khái niệm này nói chung không chặt chẽ và không có cơ sở khoa học. 1.1.2 Về định lượng. Đất yếu là loại đất có sức chịu tải kém (nhỏ hơn 0,5 – 1,0 kG/cm2), dễ bị phá hoại, biến dạng dưới tác dụng của tải trọng công trình dựa trên những số liệu về chỉ tiêu cơ lý cụ thể. Khái niệm này được thế giới chấp nhận và có cơ sở khoa học. + Dựa vào chỉ tiêu vật lý, đất được gọi là yếu khi : 3 - Dung trọng: W 1,7 T/m . - Hệ số rỗng: e 1. - Độ ẩm: W 40%. - Độ bão hòa: G 0,8. + Dựa vào các chỉ tiêu cơ học: 2 - Modun biến dạng: E0 50 kG/cm . - Hệ số nén: a 0,01 cm2/kG. - Góc ma sát trong: 100. - Lực dính (đối với đất dính): c 0,1 kG/cm2. 1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MỘT SỐ LOẠI ĐẤT YẾU. Trong thực tế xây dựng, chúng ta thường gặp những loại đất yếu sau đây : đất sét yếu; đất cát yếu; bùn; than bùn và đất than bùn và đất đắp. 1.2.1 Đất sét yếu. 1.2.1.1 Hạt sét và các khoáng vật sét. Trong đất sét gồm có 2 thành phần : - Phần phân tán thô (gọi là những hạt sét) có kích thước > 0,002mm. Chủ yếu có các khoáng chất nguồn gốc lục địa như thạch anh, fenspat, - Phần phân tán mịn (gọi là khoáng chất sét) bao gồm những hạt có kích thước rất bé (2 – 0,1m) và keo (0,1 – 0,001m). Những khoáng chất này quyết định tính chất cơ lý của
7. đất sét. Các khoáng chất sét thường gặp nhất là 3 nhóm điển hình : kaolinit, mônmôrilônit và ilit : + Kaolinit : Công thức hóa học là Al2O3.2SiO2.2H2O; được tạo thành do phong hóa đá phun trào, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện môi trường axit (pH = 5-6). Đặc điểm của mạng tinh thể kaolinit là tương đối bền, ổn định và trương nở ít. + Mônmôrilônit : Công thức hóa học là (OH)4Si8Al4O20.nH2O; được thành tạo do phong hoá đá macma giàu Mg và các biến đổi thứ sinh khác) được tạo thành do phong hóa đá phun trào kiềm trong điều kiện môi trường kiềm (pH = 7-8,5). Montmorilonit có mạng tinh thể kém bền vững và dễ sảy ra hiện tượng trương nở dưới dáy móng khi có mặt loại sét này. Loại này thường dễ gặp ở vùng ven biển. + Ilit : Đại biểu của nhóm ilit là hyđrômica (K,Al2[Al,Si3O10](OH)2) được tạo thành từ nhiều điều kiện khác nhau nhưng chủ yếu là trong môi trường kiềm. Loại này không có khả năng trương nở hoặc trương nở rất ít. 1.2.1.2 Liên kết cấu trúc và sức chống cắt của đất sét. Trong tự nhiên, đất loại sét luôn tồn tại 3 dạng liên kết cấu trúc, đó là : dạng chảy, dạng dẻo và dạng cứng (hình 1.1). Người ta chia thành hai loại : - Liên kết mềm : lực liên kết chủ yếu là lực liên kết phân tử, từ tính. Liên kết này mềm dẻo và có thể hồi phục sau khi bị phá hoại (liên kết thuận nghịch). - Liên kết cứng : lực liên kết chủ yếu là liên kết ion, đồng hóa trị. Liên kết này cứng, giòn, không hồi phục được khi bị phá hoại bằng cơ học (liên kết thuận nghịch). Về lực dính của đất sét, một số nhà khoa học đã kiến nghị chia lực dính tổng cộng thành hai thành phần : lực dính mềm và lực dính cứng (lực dính cấu trúc) : CW = W + Cc (1.1) Trong đó : CW : lực dính tổng cộng. W : lực dính mềm (lực dính có nguồn gốc keo nước). cc : lực dính cứng (lực dính cấu trúc). HAÏT ÑAÁT NÖÔÙC TÖÏ DO NÖÔÙC TÖÏ DO LK DAÏNG CHAÛY LK DAÏNG DEÛO LK DAÏNG CÖÙNG Hình 1.1 : Các dạng liên kết trong đất dính Phương pháp phân tích W, Cc :
8. a. Cắt mẫu nguyên dạng và mẫu chế bị ở cùng độ ẩm – độ chặt : Xây dựng được biểu đồ theo hình 1.2, và : Cc = Cnd - Ccb (1.2) Trong đó : Cnd : lực dính theo kết quá cắt mẫu nguyên dạng. Ccb : lực dính theo kết quá cắt mẫu chế bị. Theo Maxlôp thì lực dính cứng chỉ tồn tại ở đất nguyên dạng cứng. Sw MAÃU NGUYEÂN DAÏNG MAÃU CHEÁ BÒ Cc . Cw . w P Hình 1.2 : Kết quả cắt mẫu xác định lực dính cứng Cc. b. Phương pháp cắt theo bản phẳng : Cắt mẫu cứng nguyên dạng, sau đó ép lại, để mẫu hồi phục và cắt lần thứ 2 (thời gian để phục hồi khoảng 20 phút). Cc = Cnd - Cbản phẳng (1.3) c. Phương pháp trùng lặp : - Lần đầu cắt mẫu nguyên dạng theo chiều từ trái sang phải. - Cắt tiếp lần thứ 2 theo chiều ngược lại. - Có thể cắt tiếp lần 3,4 theo chiều ngược lại cho đến khi biểu đồ ổn định. d. Phương pháp cắt theo độ ẩm : Với cùng 1 loại đất, lấy nhiều mẫu thí nghiệm với độ ẩm khác nhau. Trong 4 phương pháp trên, thường chọn phương pháp thứ 2 vì thí nghiệm đơn giản, trên cùng 1 mẫu và cho kết quả khá chính xác. Từ những kết quả này, các tác giả kiến nghị rằng với những công trình có quy mô nhỏ, tạm thời, thành phần lực dính có thể lấy toàn bộ (CW), nhưng đối với công trình vĩnh cửu, có quy mô lớn thì chỉ nên lấy thành phần lực dính cứng Cc mà thôi. Khi không có điều kiện tiến hành thí nghiệm, có thể tham khảo các số liệu trong bảng 1.1 để sử dụng trong thiết kế. Bảng 1.1 : Cơ cấu thành phần của lực dính đất loại sét. Mức độ thể hiện của các thành phần lực Cấu trúc của đất Độ sệt B dính Cc = %CW W = %CW
9. B 1,0 0 100 B 0,75 0 100 1.2.1.3 Các đặc điểm khác của đất sét yếu. Hiện tượng hấp thụ : Hiện tượng hấp thụ là khả năng hút nước từ môi trường xung quanh và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau : cứng, lỏng và hơi, những ion, phân tử và các hạt keo. Sự hấp thụ của đất sét có bản chất phức tạp và thường gồm một số quá trình sảy ra đồng thời. Tính dẻo : Tính dẻo là một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét. Tính chất này biểu thị sự lưu động của đất sét ở một độ ẩm nào đó khi chịu tác dụng của ngoại lực và chứng tỏ rằng về mức độ biến dạng đất sét chiếm vị trí trung gian giữa thế cứng và thể lỏng hoặc chảy nhớt. Độ dẻo phụ thuộc vào nhiều nhân tố : mức độ phân tán và thành phần khoáng vật của đất, thành phần và độ khoáng hoá của dung dịch nước làm bão hòa đất. Gradien ban đầu : Đất sét có đặc tính thẩm thấu khác thường : chỉ cho nước thấm qua khi gradien cột nước vượt quá một trị số nhất định nào đó. Trị số đó gọi là gradien ban đầu. Gradien ban đầu là độ chênh lệch tối thiểu nào đó của áp lực cột nước, mà thấp hơn nó tốc độ thấm giảm xuống nhiều, rất bé và có thể coi như không thấm nước. Đặc điểm biến dạng : Tính chất biến dạng của đất sét yếu do bản chất mối liên kết giữa các hạt của chúng quyết định. Có thể chia biến dạng của đất sét yếu ra các loại sau đây : - Biến dạng khôi phục, bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng cấu trúc hấp phụ. - Biến dạng dư, chỉ gồm biến dạng cấu trúc. Biến dạng của đất sét yếu là do sự phá hoại các mối liên kết cấu trúc và biến dạng các màng hấp phụ của nước liên kết gây nên. Các loại biến dạng chủ yếu của đất sét yếu là biến dạng cấu trúc và biến dạng cấu trúc hấp phụ. Tính chất lưu biến : Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt. Chúng có từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi tải trọng tác dụng lâu dài. Khả năng này gọi là tính chất lưu biến.
10. Hiện tượng dão trong đất sét yếu liên quan đến sự ép thoát nước tự do khi nén chặt. Do vậy hiện tượng này liên quan với sự thay đổi mật độ kết cấu của đất do kết quả chuyển dịch, các hạt và các khối lên nhau, cũng như những thay đổi trong sự định hướng của các hạt và các khối đó với phương tác dụng của tải trọng. 1.2.2 Đất cát yếu. Cát được hình thành tạo ở biển hoặc vũng, vịnh. Về thành phần khoáng vật, cát chủ yếu là thạch anh, đôi khi có lẫn tạp chất. Cát gồm những hạt có kích thước 0,05 – 2mm. Cát được coi là yếu khi cỡ hạt thuộc loại nhỏ, mịn trở xuống, đồng thời có kết cấu rời rạc, ở trạng thái bão hòa nước, có thể bị nén chặt và hóa lỏng đáng kể, chứa nhiều di tích hữu cơ và chất lẫn sét. Những loại cát đó khi chịu tác dụng rung hoặc chấn động thì trở thành trạng thái lỏng nhớt, gọi là cát chảy. Đặc điểm quan trọng nhất của cát là bị nén chặt nhanh, có độ thấm nước rất lớn. Khi cát gồm những hạt nhỏ, nhiều hữu cơ và bão hòa nước thì chúng trở thành cát chảy, hiện tượng này đôi khi rất nguy hiểm cho công trình và cho công tác thi công phần ngầm của công trình. Cần lưu ý 2 hiện tượng nguy hiểm đối với cát yếu : - Biến loãng. - Cát chảy. 1.2.3 Bùn, than bùn và đất than bùn. Bùn là những trầm tích hiện đại, được thành tạo chủ yếu do kết quả tích lũy các vật liệu phân tán mịn bằng cơ học hoặc hoá học ở đáy biển, đáy hồ, bãi lầy Bùn chỉ liên quan với các chỗ chứa nước, là các trầm tích mới lắng đọng, no nước và rất yếu về mặt chịu lực. Theo thành phần hạt, bùn có thể là cát pha sét, sét pha cát, sét và cũng có thể là cát, nhưng chỉ là cát nhỏ trở xuống. Độ bền của bùn rất bé, vì vậy việc phân tích sức chống cắt thành lực ma sát và lực dính là không hợp lý. sức chống cắt của bùn phụ thuộc vào tốc độ phát triển biến dạng. Góc ma sát có thể xấp xỉ bằng không. Chỉ khi bùn mất nước, mới có thể cho góc ma sát. Việc xây dựng các công trình trên bùn chỉ có thể thực hiện sau khi đã tiến hành các biện pháp xử lý nền. Than bùn là đất có nguồn gốc hữu cơ, thành tạo do kết quả phân hủy các di tích hữu cơ, chủ yếu là thực vật, tại các bãi lầy và những nơi bị hóa lầy. Đất loại này chứa các hỗn hợp vật liệu sét và cát. Trong điều kiện thế nằm thiên nhiên, than bùn có độ ẩm cao 85 – 95% hoặc cao hơn tùy theo thành phần khoáng vật, mức độ phân hủy, mức độ thoát nước Than bùn là loại đất bị nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất. Hệ số nén lún có thể đạt từ 3-8, thậm chí 10 kG/cm2. Không thể thí nghiệm nén than bùn với mẫu có chiều cao thông thường là 15-20cm, mà phải từ 40-50cm.
11. Khi xây dựng ở những vùng đất than bùn, cần áp dụng các biện pháp : làm đai cốt thép, khe lún, cắt nhà thành từng đoạn cứng riêng rẽ, làm nền cọc, đào hoặc thay một phần than bùn. 1.2.4 Đất đắp. Loại đất này được tạo nên do tác động của con người. Đặc điểm của đất đắp là phân bố đứt đoạn và có thành phần không thuần nhất. Theo thành phần có thể chia thành 4 loại sau : - Đất gồm hỗn hợp các chất thải của sản xuất công nghiệp và xây dựng. - Đất hỗn hợp các chất thải của sản xuất và rác thải sinh hoạt. - Đất của các nền đắp trên cạn và khu đắp dưới nước (để tạo bãi). - Đất thải bên trong và bên ngoài các mỏ khoáng sản. Nhìn chung, các loại đất đắp hầu hết đều phải có biện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình. 1.3 CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU. 1.3.1 Giải pháp kết cấu. Bao gồm các biện pháp sau : - Chọn kiểu kết cấu ít nhạy lún, làm khe lún, làm giằng bê tông cốt thép; dự trữ độ cao bằng độ lún dự kiến của công trình. - Lựa chọn độ sâu chôn móng và kích thước móng hợp lý, sử dụng vật liệu, các lớp cách nước ngăn ngừa nước dâng mao dẫn theo các khe hở trong đất. - Quy định và chấp hành nghiêm ngặt về quy trình đào đắp đất. 1.3.2 Các biện pháp xử lý nền. Mục đích : cải thiện thành phần, trạng thái của đất, từ đó làm cho các tính chất cơ học, vật lý của đất nền đáp ứng được yêu cầu trong xây dựng. Để làm tăng độ bền và làm giảm độ nén lún của đất, có thể chọn những giải pháp làm giảm độ rỗng hoặc tăng lực dính. Trong một số trường hợp khác, mục đích của gia cố là làm cho đất đá từ chỗ thấm nước trở thành cách nước. 1.3.3 Các giải pháp về móng. Lựa chọn các giải pháp về móng cho phù hợp như : móng đơn, móng băng (1 hoặc 2 phương), móng bè, móng cọc, tùy theo tải trọng tác dụng và đặc điểm của công trình, từng loại đất cụ thể.
12. Chương 2 BIỆN PHÁP KẾT CẤU KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU. Khi thiết kế các công trình trên nền đất yếu, cần phải nắm được các hình thức kết cấu chịu lực phần trên công trình cũng như tính nhạy của nó đối với độ lún của nền đất. Độ nhạy lún của công trình chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng. Tùy theo độ cứng có thể phân chia kết cấu thành ba loại như sau : 2.1.1 Loại kết cấu tuyệt đối cứng. Như ống khói, tháp nước, kết cấu khung nhiều tầng trên bản móng liên tục, mố cầu Loại kết cấu này có độ cứng không gian rất lớn do vậy công trình không bị uốn, chỉ có khả năng lún đều hoặc nghiêng. Đối với kết cấu này, tính nhạy lún kém, không yêu cầu những biện pháp xử lý về phương diện kết cấu. Trong trường hợp này, chỉ cần giảm bớt độ nghiêng nếu có của công trình. 2.1.2 Loại kết cấu mềm. Các loại kết cấu này như bản đáy móng của các bể chứa, cống, âu thuyền và những cấu kiện độc lập khớp như cột trên móng đơn liên kết tự do với dàn hoặc dầm ngang Các công trình thuộc loại này có thể bị uốn cong cùng cấp với khả năng biến dạng của đất nền, do đó không gây nên những nội lực phụ trong kết cấu và không ảnh hưởng đến việc sử dụng công trình. Đặc điểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún kém khi nền đất biến dạng không đều. 2.1.3 Sơ đồ kết cấu có độ cứng giới hạn. Đó là các khung siêu tĩnh trên các móng đơn, dầm liên nhiều nhịp, vòm không khớp Các công trình thuộc loại này thường hay gặp trong thực tế.
13. Khi nền đất có biến dạng không đều, đồng thời dưới đế móng có sự phân bố lại ứng suất tiếp xúc thì trong kết cấu móng và kết cấu chịu lực sẽ xuất hiện nội lực phụ cục bộ. Nếu kết cấu không có khả năng tiếp thu nội lực phụ thì ở các tiết diện yếu sẽ có vết nứt. Ơ những tiết diện này, độ cứng của kết cấu giảm đáng kể. Đặc điểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún lớn do đó cần có những biện pháp xử lý thích hợp. Dưới đây là những biện pháp làm giảm độ lún không đều của đất nền thường được áp dụng trong thực tế : Cắt công trình bằng khe lún : sẽ được trình bày trong phần II dưới đây. Thay đổi kích thước, dộ sâu chôn móng : Sử dụng khi nền đất có chiều dày các lớp khác nhau, không đồng nhất. Biện pháp này nhằm mục đích làm cho chiều dày vùng chịu nén của lớp đất dưới đế móng như nhau. Có thể thiết kế đáy móng có chiều rộng thay đổi làm cho biểu đồ phân bố ứng suất dưới đáy móng có giá trị khác nhau tại các điểm dưới đế móng. Sử dụng các loại móng hợp lý : Dùng móng băng, móng băng giao thoa, móng bè, móng cọc tùy theo tình hình thực tế của công trình. Nếu chiều dày lớp đất yếu không lớn lắm có thể dùng lớp đệm cát hoặc đệm các vật liệu khác để thay thế. Khi chiều dày lớp đất yếu là lớn, để giảm bớt độ lún và khả năng lún không đều, có thể xử lý bằng móng cọc hay các phương pháp gia cố nhân tạo như cọc cát, giếng cát Hình 2.1 đến 2.3 giới thiệu một số biện pháp thường dùng hiện nay : cấu tạo móng có chiều sâu khác nhau (2.1); đế móng có chiều rộng thay đổi (2.2) và sử dụng những loại móng khác nhau (2.3). LÔÙP Ñ A ÁT Y E ÁU LÔÙP Ñ A ÁT TO ÁT Hình 2.1 Cấu tạo của móng với những chiều sâu khác nhau. LÔÙP ÑAÁT YEÁU LÔÙP ÑAÁT TOÁT
14. Hình 2.2 Cấu tạo của móng với những chiều rộng khác nhau. LÔÙP ÑAÁT YEÁU LÔÙP ÑAÁT TOÁT Hình 2.3 Dùng móng cọc ở những đoạn lớp đất yếu có chiều dày lớn. 2.2 BỐ TRÍ KHE LÚN. Bố trí khe lún là một trong những biện pháp rất có hiệu quả khi xây dựng những công trình có tải trọng khác nhau trên nền đất có tính nén lớn và tính nén không đều. Khe lún phải được bố trí sao cho bảo đảm cho những bộ phận của công trình có khả năng làm việc độc lập, có đủ cường độ và độ cứng khi chịu lực, không gây ra những vết nứt khi nền đất có biến dạng lớn và biến dạng không đều. Vị trí đặt khe lún căn cứ vào sự phân bố các lớp đất dưới đế móng và hình thức kết cấu của công trình. Hình 2.4 dưới đây giới thiệu môt số cách bố trí khe lún cho công trình khi gặp nền đất yếu hoặc công trình có chiều dài lớn. KHE LU ÙN KHE LU ÙN LÔÙP ÑA ÁT Y EÁU LÔÙP Ñ AÁT Y E ÁU LÔÙP Ñ A ÁT TOÁT LÔÙP Ñ AÁT TOÁT KHE LUÙN KHE LUÙN Hình 2.4 Bố trí khe lún. Chiều rộng khe lún tùy thuộc vào tính chất biến dạng của công trình và sự phân bố lớp đất yếu dưới đế móng. Chiều rộng tối thiểu của khe lún có thể tính theo công thức sau đây :  = kh(tgp - tgtr) (2.1)
15. Trong đó : h - khoảng cách từ đế móng đến độ cao mà ở đó xác định khe hở. tgp - độ nghiêng cúa móng công trình phần bên phải. tgtr - độ nghiêng cúa móng công trình phần bên trái. Nếu các phần công trình nghiêng vào nhau thì tgtr lấy trị âm. k - hệ số kể đến tính không đồng nhất của đất nền, k = 1,3 – 1,5. Tuy nhiên, khoảng cách của khe lún trong thực tế thường được lựa chọn trong khoảng từ 2-3cm. Trong nhiều trường hợp, khe lún được kết hợp với khe co dãn. Tuy vậy, khe lún cũng gây nhiều khó khăn phức tạp trong xây dựng và sử dụng, tốn kém thêm tường, móng ngang, vì vậy chỉ làm khe lún khi thật cần thiết : - Khi đất nền có tính nén lún lớn. - Khi công trình có hình dạng phức tạp, tải trọng, chiều cao tầng chênh lệch. - Khi công trình quá dài và có khả năng sảy ra lún không đều (thông thường khi công trình có chiều dài trên 60m). Lưu ý rằng các tiêu chuẩn thiết kế nền móng và bê tông cố thép hiện hành đều không quy định khoảng cách giữa các khe lún hoặc chiều dài của khối công trình. Người thiết kế có thể xem xét, quyết định tùy thuộc vào độ lún tổng cộng và độ lún lệch của các móng, loại móng và nền đất vị trí xây dựng công trình. 2.3 THIẾT KẾ GIẰNG MÓNG VÀ GIẰNG TƯỜNG. - Tác dụng : Tiếp thu nội lực kéo xuất hiện khi lún không đều. Làm tăng thêm cường độ và độ cứng không gian của kết cấu. - Thiết kế giằng móng và giằng tường bao gồm các công việc : Xác định vị trí của các giằng trong tường và móng. Tính toán lượng cốt thép cần thiết trong giằng. - Vị trí của các giằng phụ thuộc vào tính chất biến dạng của công trình (công trình có thể bị vồng lên hoặc võng xuống : Bố trí ở phía trên hoặc phía dưới của tường. Giằng tường có thể bố trí ở cao trình ngăn giữa các tầng nhà, lanh tô cửa sổ - Để đảm bảo độ cứng không gian, giằng nên được bố trí liên tục trên suốt các tường hoặc phần móng bên dưới để tạo thành khung kín không gian. Kích thước và số lượng giằng có thể xác định dựa vào tính chất không đồng đều của nền đất và đặc tính làm việc của kết cấu công trình :
16. - Khi cốt thép bố trí 1 hàng, chiều dày giằng không nhỏ hơn 75mm. - Khi cốt thép bố trí 2 hàng, chiều dày giằng không nhỏ hơn 150mm. Khi giằng trong tường gạch cốt thép đường kính 6-8mm, cách khoảng 3-6 hàng gạch bố trí 1 lớp. Chiều dày mạch thường từ 3-4cm. Mác vữa không nhỏ hơn 75. Nếu dùng các giằng đúc sẵn thì các mối nối phải có mác bê tông mác của giằng. Để tính toán cốt thép cho giằng có thể sử dụng 1 trong 2 phương pháp sau: 2.3.1 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp đơn giản. 2.3.1.1 Cơ sở tính toán. Giả thiết cơ bản của PP này là tường dọc của nhà được xem như 1 dầm đặt trên nền đất có độ cứng thay đổi. Tính nén không đều của nền đất được đặc trưng bằng sự thay đổi trị số modun biến dạng E0 của đất tại các điểm dọc theo chiều dài của nhà. 2.3.1.2 Nội lực trong giằng. - Moment uốn lớn nhất : 1 qL2 M 1 (2.2) max 16 2 1 - Lực cắt lớn nhất : α 1 qL Q 1 (2.3) max 5,2 α 2 1 Trong đó : E0max 1 (2.4) E0min E0max : modun biến dạng lớn nhất của nền đất ở dưới hai đầu tường nhà. E0min : modun biến dạng nhỏ nhất của nền đất ở dưới hai đầu tường nhà. q : tải trọng của tường nhà hoặc công trình được xem là phân bố đều. L : chiều dài của tường nhà hoặc công trình. - Độ võng tuyệt đối lớn nhất: 4 33 α 1 qL Y 1 (2.5) max 5760 α 2 EJ 1 - Độ võng tương đối lớn nhất: y f max 0 L (2.6) Trong đó: E -: modun đàn hồi của khối tường xây : đối với tường gạch có thể lấy bằng 5.000- 10.000 kG/cm2, phụ thuộc vào mác gạch và vữa xây. J - moment quán tính tiết diện tường xét đến sự giảm yếu do các lỗ cửa. b H3 J tñ 12 (2.7) btđ - chiều dày tương đương của tường, btđ = 0,6b (2.8) b - chiều dày thực của tường.
17. 2.3.1.3 Tính toán cốt thép giằng. Lượng cốt thép yêu cầu trong giằng được xác định theo công thức sau: M F max (2.9) ct R h ct 0 Trong đó: Mmax - moment uốn lớn nhất tính theo công thức 2.2. Rct - giới hạn chảy của cốt thép. h0 - chiều cao tính toán của tường nhà; H0 = (0,8 - 0,9)H. Ưng suất tiếp trong khối tường xây do lực cắt gây nên: Q max  F (2.10) n Trong đó Fn - diện tích tiết diện nguyên của móng và các giằng giữa các tầng nhà của khối xây. Fn = bHi (2.11) Trị số ứng suất tiếp  tính theo công thức 2.10 trong mọi trường hợp không nên vượt quá 2,5 2 kG/cm . Nếu trị số fo tính toán theo công thức 2.6 không vượt quá các trị số giới hạn cho trong bảng 2.1 thì cho phép không phải bố trí các giằng tường. Bảng 2.1 : Trị số độ võng tương đối giới hạn Trị số L/H Trị số 1 1,5 2 3 4 5 6 5 0,00025 0,00030 0,00035 0,00045 0,0005 0,0006 4 0,00030 0,00035 0,00045 0,00060 0,0007 0,0005 3 0,00045 0,00040 0,00055 0,00070 0,0008 0,0010 2.3.2 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp của B.I. Đalmatov. Theo B.I. Đalmatov, dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều q của tường, biểu đồ ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng theo hướng dọc sẽ có một trong những dạng như hình 2.5a,b. a) q qmin qmax b) q qmin qmax c) p 2p
18. Hình 2.5 Các dạng biểu đồ ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng : a) khi tường nhà bị uốn cong lên, b) khi tường nhà bị uốn cong xuống, c) biểu đồ ứng suất tiếp xúc tính toán trong trường hợp a. Trị ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng và diện tích cốt thép cần thiết Fct trong trường hợp 2.5a có thể tính như sau : 160.1,2y b E P max t k (2.12) 2 L 7 16 8.1,2ymax btE k Fct (2.13) 2 αL 7α 16 m m R k ct ct Trong đó : 1,2 - hệ số vượt tải. ymax - độ võng lớn nhất. y (1 n) SL  max 2 ( ) (2.14) n : hệ số, phụ thuộc vào thời gian cứng của vữa, tốc độ xây dựng và tốc độ tăng độ lún theo thời gian, có thể lấy bằng 0,25 – 0,75, đối với khối xây gạch bằng vữa hỗn hợp, lấy n = 0,50 – 0,75, với nhà panen lớn dùng vữa xi măng, lấy n = 0,25 – 0.50. S - độ không đồng đều tương đối của biến dạng nền. S S S max min (2.15) 0,5L Smac, Smin - độ chênh của biến dạng nền, xác định theo tính toán độ lún; đối với tường dài 60 – 100m, lấy sơ bộ bằng 0,4 – 0,5 trị số độ lún trung bình. L - chiều dài của tường. ( ) - hàm số phụ thuộc vào lấy theo bảng 2.2. Bảng 2.2 : Trị số của hàm số ( ) L 1 1,5 2,0 4,0 H ( ) 0,90 0,80 0,70 0,50 bt - chiều dày tương đương của tường có xét đến sự giảm yếu do cửa số. Ek - modun biến dạng lâu dài của khối xây. E E 1 (2.16) k 1 i E - modun đàn hồi của khối xây. t - đặc trưng từ biến, xác định bằng thực nghiệm hoặc có thể lấy gần đúng bằng cách căn cứ vào kết cấu của tường, theo bảng 2.3. L (2.17) H Bảng 2.3 : Trị số gần đúng của đặc trưng từ biến t
19. Kết cấu tường t Tường panen lớn 2-3 Tường khối lớn 3-4 Tường gạch, đá vụn 4-5 H : chiều cao của tường nhà xác định như sau : - Nếu tường có khả năng bị uốn cong lên theo chiều dọc thì lấy H từ đáy móng đến giằng trên cùng. - Nếu tường có bị uốn cong xuống thì lấy H từ mái hắt đến giằng dưới cùng. mk và mct : hệ số điều kiện làm việc của khối xây tường và của cốt thép Rct : giới hạn chảy của cốt thép. Khi có nhiều giằng bố trí trên chiều cao của tường, nếu giả thiết diện tích tiết diện cốt thép trong mỗi giằng đều như nhau thì tính như sau : H a Fct1 Fct2 Fctn Fct (2.18) n 1  H a i 1 Trong đó: Fct - tính theo công thức 2.13. a = 0,1H. n - số giằng làm việc đồng thời. Các loại giằng tường và giằng móng trong thực tế thường được thiết kế theo sơ đồ trong hình 2.6 và 2.7 dưới đây. a) b) 1 >150 >75 2 c) d) >150 30-40 Hình 2.6 Bố trí cốt thép trong giằng tường : Hình 2.7 Bố trí cốt thép trong giằng móng a,b,c) Giằng BTCT, d) giằng cốt thép : 1) giằng BTCT; 2) giằng cốt thép Sau khi tính toán diện tích cốt thép cần kiểm tra lại điều kiện: p b(o - h) (2.19) Trong đó: p - ứng suất tiếp xúc dưới đế móng, xác định theo công thức 2.12. b - chiều rộng đế móng.
20. o - ứng suất trung bình dưới đế móng do tải trọng tính toán. h - ứng suất do trọng lượng bản thân của đất ở cao trình đế móng. Ưng suất tiếp trong khối xây cần được thỏa mãn điều kiện sau đây: p R  7b kk (2.20) tñ Trong đó: btđ - chiều dày tương đương của tường có xét đến sự giảm yếu do cửa. Rkk - sức kháng tính toán củakhối xây khi chịu nén. 2.4 CẤU TẠO GỐI TỰA CỨNG. Với các công trình cao tầng xây dựng trên những vùng đất có biến dạng lún lớn và biến dạng không đều thì ngoài việc thiết kế các giằng tường, giằng móng như trên, trong nhiều trường hợp, để làm tăng độ cứng không gian, người ta còn bố trí các gối tựa cứng bằng bê tông cốt thép. Ơ nhiều nước, người ta đã thiết kế những gối tựa cứng giống như những móng hộp lớn bao gồm bản đáy, bản trên và các vách ngăn liên kết cứng với các tường ngăn và tường biên. Ngoài ra còn kết hợp với việc bố trí thêm các loại cốt thép xiên, cốt thép dọc có sức chịu kéo cao trong các tường vách ngăn, bản đáy, bản trên của móng. Bố trí thêm các cốt thép phụ gia cố ở các lỗ cửa sổ, cửa đi Biện pháp cấu tạo gối tựa cứng dưới nhà và công trình là một phương hướng tiến bộ để xử lý đối với nền đất yếu và đã được áp dụng ở nhiều nước. Đây là biện pháp có hiệu quả đối với nhà và công trình cao tầng. 2.5 CHỌN LOẠI MÓNG VÀ CHIỀU SÂU CHÔN MÓNG. 2.5.1 Chọn loại móng. Đối với nền đất yếu, việc chọn loại móng có ý nghĩa quan trọng cả về kỹ thuật và kinh tế. Chọn loại móng căn cứ vào những đặc điểm sau đây : - Hình thức kết cấu của công trình, tính chất truyền tải trọng. - Sơ đồ bố trí các công trình ngầm (tầng hầm, ống dẫn ). - Tình hình địa chất khu vực xây dựng. - Điều kiện xây dựng móng (phương tiện thi công, thời gian xây dựng ). 2.5.2 Chọn chiều sâu chôn móng. Việc lựa chọn độ sâu chôn móng phụ thuộc vào các yếu tố sau đây : 2.5.2.1 Điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn khu vực xây dựng. Điều kiện địa chất và địa chất thủy văn khu vực xây dựng công trình là yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất đến việc lựa chọn độ sâu chôn móng; trong đó vị trí của lớp đất chịu lực là điều kiện quan trọng nhất. Tùy thuộc vào các sơ đồ phổ biến trong thực tế để lựa chọn độ sâu chôn móng và các loại móng cho phù hợp.
21. Về điều kiện thủy văn của khu vực xây dựng cần phải được xem xét thận trọng về biên độ dao động của mực nước ngầm, dòng chảy ngầm có thể gây ra hiện tượng cát chảy đây là một trong những yếu tố làm cơ sở cho việc lựa chọn phương án móng, độ sâu chôn móng, biện pháp thi công móng Khi mực nước ngầm nằm cao hơn đế móng, do tác dụng đẩy nổi của nước, sẽ làm giảm trị số ứng suất tác dụng lên nền và hạn chế khả năng chống trượt khi chịu lực ngang. Vì vậy, trong mọi trường hợp nên cố gắng đặt móng ở bên trên mực nước ngầm. 2.5.2.2 Anh hưởng của trị số và tính chất truyền tải trọng của công trình. Khi công trình chịu tải trọng lớn thì móng cần đặt sâu để giảm bớt diện tích đế móng và hạn chế khả năng lún và biến dạng không đều của đất nền. Khi công trình chịu tải trọng ngang và moment uốn lớn, móng cũng phải có chiều sâu đủ lớn để đảm bảo ổn định về trượt và lật. 2.5.2.3 Anh hưởng của đặc điểm và yêu cầu sử dụng công trình. Chiều sâu chôn móng còn phụ thuộc vào sự có mặt của các công trình như tầng hầm, đường giao thông, đường ống dẫn nước cũng như các công trình lân cận đã xây dựng. Đáy móng phải được đặt sâu hơn tầng hầm ít nhất 40cm và mặt trên của móng phải nằm ở dưới sàn tầng hầm. Khi công trình tiếp cận với các đường giao thông ngầm thì đế móng cần đặt sâu hơn các vị trí trên tối thiểu 20 – 40cm. Việc xem xét tình hình xây dựng và đặc điểm móng của các công trình xây dựng lân cận là hết sức quan trọng. Khi cao trình đáy móng mới và cũ khác nhau thì phải đảm bảo điều kiện tối thiểu về khoảng cách và góc truyền lực để các móng không ảnh hưởng lẫn nhau. 2.5.2.4 Anh hưởng của biện pháp thi công móng. Chiều sâu chôn móng có liên quan đến phương pháp thi công móng. Nếu lựa chọn chiều sâu chôn móng một cách hợp lý thì có thể rút ngắn thời gian xây dựng móng và biện pháp thi công không đòi hỏi phức tạp. Có thể đề xuất ra nhiều phương án móng, độ sâu chôn móng để lựa chọn phương án cho phù hợp.
22. Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, CẢI TẠO ĐẤT NỀN 3.1 ĐỆM CÁT. 3.1.1 Phạm vi áp dụng. Đệm cát thường sử dụng khi lớp đất yếu ở trạng thái bão hòa nước như sét nhão; cát pha bão hòa nước, sét pha nhão; bùn; than bùn có chiều dày lớp đất cần thay thế không lớn lắm (nhỏ hơn 3m). Người ta bóc bỏ các lớp đất yếu này và thay thế bằng lớp cát có khả năng chịu lực lớn hơn. Đệm cát có các tác dụng sau đây : - Lớp đệm cát đóng vai trò như một lớp chịu lực tiếp thu tải trọng công trình truyền xuống lớp đất thiên nhiên. Làm tăng sức chịu tải của đất nền. - Làm giảm độ lún của móng; giảm độ lún lệch của móng do có sự phân bố lại ứng suất do tải trọng ngoài gây ra trong đất nền ở dưới tầng đệm cát. - Giảm chiều sâu chôn móng từ đó giảm khối lượng vật liệu xây móng. - Tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, do đó làm tăng nhanh sức chịu tải của nền và rút ngắn quá trình lún. Tuy nhiên, khi sử dụng biện pháp đệm cát cần phải chú ý đến trường hợp sinh ra hiện tượng cát chảy, xói ngầm trong nền do nước ngầm hoặc hiện tượng hóa lỏng do tác dụng của tải trọng động. Những trường hợp sau đây không nên sử dụng đệm cát : - Lớp đất phải thay thế có chiều dày lớn hơn 3m, lúc này đệm cát có chiều dày lớn, thi công khó khăn, không kinh tế. - Mực nước ngầm cao và có áp. Lúc này hạ mực nước ngầm rất tốn kém và đệm cát không ổn định.
23. Kích thước đệm cát được xác định bằng tính toán nhằm thoả mãn 2 điều kiện : ổn định về cường độ và đảm bảo độ lún của công trình sau khi có đệm cát nằm trong giới hạn cho phép. 3.1.2 Tính toán đệm cát. Kích thước đệm cát được xác định từ điều kiện: 1 + 2 Rđy (3.1) Trong đó: 1 - ứng suất thường xuyên do trọng lượng bản thân đất trên cốt đáy móng và của đệm cát tác dụng trên mặt lớp đất yếu dưới đáy đệm cát. 2 - ứng suất do công trình gây ra, truyền trên mặt lớp đất yếu đáy đệm cát. tc 2 = Ko(o - hM) (3.2) Trong đó: Ko - hệ số phụ thuộc vào m = 2z/b và n = l/b, được tra bảng. tc o - ứng suất tiêu chuẩn trung bình dưới đáy móng xác định như sau : Trường hợp móng chịu tải trọng đúng tâm: tc N tc o o = γ h (3.3) tb M F Trường hợp móng chịu tải trọng lệch tâm: tc tc tc  = max min (3.4) o 2 tc N Mtc σtc γ h o  (3.5) max,min tb M F W Trong đó:  N tc - tổng tải trọng tiêu chuẩn thẳng đứng của công trình tác dụng xuống móng; 0  M tc - tổng moment do tải trọng công trình tác dụng vào móng; F - diện tích đáy móng; W - moment chống uốn của tiết diện đáy móng; tb - dung trọng trung bình của móng và đất đắp lên móng. tc No b h Hy hñ   bñ
24. Hình 3.1 Sơ đồ tính toán đệm cát. Cướng độ tính toán tại mặt lớp đất yếu, dưới đáy lớp đệm cát xác định theo công thức : m m R = 1 2 (Ab  + BH ’ + Dc - ’ h ) (3.6) đy k y II y II II II o tc Trong đó : A,B,D : tra bảng phụ thuốc vào II (lưu ý rằng đây là góc ma sát trong của lớp đất ở phía dưới đệm cát). by : bề rộng móng quy ước, xác định như sau : + Đối với móng băng : tc N o by = (3.7) σ2 l + Đối với móng chữ nhật : b = Δ2 F ; = l b (3.8) y y 2 N tc F o (3.9) y σ2 Để đơn giản, chiều dày đệm cát có thể được tính toán theo công thức : hđ = K.b (3.10) Trong đó : R1 R2 K : hệ số phụ thuộc vào tỷ số l/b và 6,0 R1/R2 tra trên biểu đồ hình 3.2. l =1 R1 : cường độ tính toán của đệm cát, b 5,0 thường được xác định bằng thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường hoặc theo công thức quy phạm. 4,0 R2 : cường độ tính toán của lớp đất l =2 yếu nằm dưới đệm cát, thường được xác b 3,0 định bằng bàn nén tại hiện trường hoặc tính toán theo CII; II. Chiều rộng đệm cát xác định như 2,0 sau: l =x b bđ = b + 2hđtg (3.11) 1,0 K : góc truyền lực của cát hoặc có 0,0 0,5 1,0 1,5 o thể lấy trong khoảng 30 – 45 . Hình 3.2 Biểu đồ xác định hệ số K. Kiểm tra về độ lún : S = S1 + S2 Sgh (3.12)
25. Trong đó : S1 : độ lún của đệm cát; S2 : độ lún của các lớp đất nằm dưới đệm cát trong vùng chịu nén; Sgh : độ lún cho phép. 3.1.3 Thi công đệm cát. Hiệu quả của đệm cát phụ thuộc phần lớn vào công tác thi công, do vậy phải đầm nén đảm bảo đủ độ chặt và không làm phá hoại kết cấu của lớp đất bên dưới. Trường hợp không có nước ngầm, cát được đổ từng lớp dày khoảng 20cm, làm chặt bằng đầm lăn, đầm rung khi có nước ngầm cao, phải có biện pháp hạ mực nước ngầm hoặc dùng biện pháp thi công trong nước. Độ ẩm đầm nén tốt nhất của cát làm vật liệu lớp đệm xác định theo công thức sau đây : 0,7eγ W n (3.13) tn γs Trong đó : e - hệ số rỗng của cát trước khi đầm nén; 3 n - trọng lượng riêng của nước = 10 KN/m ; s - trọng lượng riêng của cát. Sau khi đầm nén cần kiểm tra lại độ chặt của đệm cát bằng cách sử dụng xuyên tiêu chuẩn; xuyên tĩnh hoặc xuyên động. 3.1.4 Trình tự thiết kế móng sử dụng đệm cát. 3.1.4.1 Chọn độ sâu chôn móng. Căn cứ vào điều kiện địa chất công trình và tải trọng tác dụng, phân tích để lựa chọn phương án, từ đó chọn độ sâu chôn móng (độ sâu này có thể điều chỉnh trong quá trình tính toán chi tiết). Thông thường độ sâu chôn móng trên đệm cát được chọn bình thường giống như đặt trên nền đất tốt (sơ đồ số 1). 3.1.4.2 Xác định kích thước đáy móng và kiểm tra điều kiện áp lực. Gồm các bước sau : - Xác định cường độ tính toán quy ước của cát làm đệm (theo công thức quy đổi của quy phạm). - Xác định diện tích đế móng và xác định kích thước móng. - Xác định chiều dày của đệm cát : để đơn giản, chiều dày thường được chọn trước sau đó kiểm tra lại, nếu không đạt có thể tăng chiều dày đệm, nhưng đệm không nên dày quá 3m, lúc này có thể chuyển sang phương án móng khác). - Kiểm tra điều kiện áp lực tại đỉnh lớp đất yếu (đáy đệm cát). - Tính toán độ lún của móng. - Tính toán các kích thước của đệm cát (theo mặt bằng). - Tính toán độ bền và cấu tạo móng (giồng như móng nông trên nền thiên nhiên). Cùng nguyên tắc với đệm cát, còn dùng đệm đất, đệm đá sỏi tùy theo khả năng cung cấp ở từng khu vực xây dựng.
26. 3.2 CỌC CÁT. 3.2.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. Cọc cát được sử dụng trong các trường hợp sau đây : Công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày > 3m. Những trường hợp sau đây không nên dùng cọc cát : - Đất quá nhão yếu, lưới cọc cát không thể lèn chặt được đất (khi hệ số rỗng nén chặt enc > 1 thì không nên dùng cọc cát. - Chiều dày lớp đất yếu dưới đáy móng > 3m, lúc này dùng đệm cát tốt hơn. Tác dụng của cọc cát : - Làm cho độ rỗng, độ ẩm của nền đất giảm đi, trọng lượng thể tích, modun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên. - Do nền đất được nén chặt, nên sức chịu tải tăng lên, độ lún và biến dạng không đều của đất nền dưới đế móng giảm đi đáng kể. - Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời, đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc. Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền được nén chặt bằng cọc cát có thể được coi như một nền thiên nhiên. - Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn nhiều so với nền thiên nhiên hoặc nền gia cố bằng cọc cứng. Phần lớn độ lún của công trình diễn ra trong quá trình thi công, do vậy công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định. Sử dụng cọc cát rất kinh tế so với cọc cứng (so với cọc bê tông giá thành giảm 50%, so với cọc gỗ giảm 30%), không bị ăn mòn, xâm thực. Biện pháp thi công đơn giản không đòi hỏi những thiết bị thi công phức tạp. 3.2.2 Tính toán và thiết kế cọc cát. 3.2.2.1 Hệ số rỗng của nền được gia cố bằng cọc cát. Từ điều kiện : e e I max nc d e e max min ta có : enc = emax – ID (emax – emin) (3.14) Trong đó : emax - hệ số rỗng của cát ở trạng thái xốp nhất. emin - hệ số rỗng của cát ở trạng thái chặt nhất. ID - độ chặt tương đối = 0,7-0,8. 3.2.2.2 Diện tích nén chặt. Fnc = 1,4b (l + 0,4b) (3.15) Trong đó : b - chiều rộng đáy móng (m). l - chiều dài đáy móng (m). (Kích thước phạm vi nén chặt mở rộng về mỗi phía 0,2b).
27. Tỷ lệ diện tích của tất cả các cọc cát Fc đối với diện tích đất nền được nén chặt Fnc được xác định như sau : F e e 0 Ω 0 nc (3.16) 1 e Fnc 0 3.2.2.3 Số lượng cọc cát. F n = nc (3.17) f c Trong đó : fc - diện tích mặt cắt ngang của mỗi cọc cát (lấy bằng diện tích mặt cắt ngang của ống thép tạo lỗ cọc cát). 3.2.2.4 Bố trí cọc cát. Cọc cát thường được bố trí theo hình tam giác, đó là sơ đồ có lợi nhất để làm chặt đất ở khoảng giữa các cọc cát. Khoảng cách giữa các cọc là : γ L 0,95d nc (3.18) γ γ nc 0 Trọng lượng riêng của đất sau khi nén chặt bằng cọc cát : γ γ s (1 W) (3.19) nc 1 e nc Trong đó : W - độ ẩm của đất ở trạng thái tự nhiên. s - trọng lượng riêng của đất ở trạng thái tự nhiên. d - đường kính cọc cát. enc - hệ số rỗng của nền sau khi gia cố bằng cọc cát. d 0,2b b 0,2b A L Fmoùng B C Fneùn chaët L Hình 3.3 Bố trí cọc cát để nén chặt nền Hình3.4 Sơ đồ để xác định khoảng cách giữa tim các cọc cát 3.2.3 Thi công cọc cát. Cọc cát được thi công bằng máy chuyên dùng. Sử dụng ống thép tạo lỗ và nhồi cát vào trong ống. Cần lưu ý khi đào hố móng không đào sâu đến cao trình thiết kế mà để lại khoảng 1m, sau này khi thi công móng mới đào tiếp vì cát ở đoạn đầu trên của cọc thường
28. không chặt. Ong thép được hạ xuống bằng chấn động đến độ sâu cần thiết, nhồi cát và rút ống lên từ từ. Sau khi thi công cần kiểm tra lại bằng các phương pháp sau đây : - Khoan lấy mẫu đất ở giữa các cọc cát để xác định trọng lượng riêng của đất được nén chặt nc, hệ số rỗng nén chặt enc và c, sau khi nén chặt. Từ đó tính ra cường độ của đất nền sau khi nén chặt. - Dùng xuyên tiêu chuẩn để kiểm tra độ chặt của cát trong cọc và đất giữa các cọc cát. - Thử bàn nén tĩnh tại hiện trường, trên mặt nền cọc cát. Diện tích bàn nén phải lớn để trùm qua được ít nhất 3 cọc cát. Thông thường, nếu cọc cát được thi công tốt, sức chịu tải của đất nền có thể tăng lên gấp 2-3 lần so với ban đầu. 3.3 TRỤ ĐẤT XI MĂNG. Việc gia cố nền đất bằng biện pháp dùng trụ đất xi măng được thực hiện theo Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 385 : 2006. 3.3.1 Phạm vi áp dụng. Phương pháp này mới được giới thiệu vào nước ta nhưng điều kiện sử dụng rộng rãi còn hạn chế. Đây là biện pháp có ý nghĩa kinh tế cao, nên được thí điểm nhiều nhà hơn nữa để có kết quả nhân rộng diện sử dụng. Loại gia cố nền theo công nghệ này có thể làm móng cho nhà có độ cao tới 12 tầng. 3.3.2 Mô tả về công nghệ. Dùng máy đào kiểu gàu xoay, bỏ gàu và lắp lưỡi khuấy đất kiểu lưỡi chém ngang để làm tơi đất trong hố khoan mà không lấy đất khỏi lỗ khoan. Xoay và ấn cần xoay đến độ sâu đáy trụ. Ta được một trụ mà bên trong đất được khuấy đều. Khi mũi khuấy ở đáy trụ thì bắt đầu bơm sữa xi măng được dẫn trong lòng cần khoan đến mũi khoan. Đất lại được trộn với sữa xi măng thành dạng xền xệt có xi măng. Vừa rút vừa bơm sữa xi măng và trộn. Cuối cùng khi cần khoan nâng mũi lên đến mặt đất, ta được cọc đất trộn xi măng. Xi măng sẽ phát triển cường độ như tính toán. Những trụ đất xi măng trộn ướt thường bố trí sát nhau dưới chân móng băng, đường kính trụ nọ sát trụ kia. Lượng xi măng dùng cho 1m3 trụ từ 250kg đến 350 kg. Tỷ lệ Nước/Ximăng là 60% đến 120% với sữa xi măng bơm xuống cọc. Sau 28 ngày, khoan lấy mẫu trong các trụ này cường độ đạt 17 kG/cm2 với lượng xi măng là 250 kg/m3 và hơn nữa tuỳ thuộc loại đất tại chỗ. Phương pháp này đã được các nước Hoa kỳ, Anh, Pháp, Đức và nhiều nước châu Âu khác sử dụng. Nước Nhật cũng xây dựng nhiều nhà với loại trụ này. Với trụ này có thể xây dựng nhà từ 8 tầng đến 10 tầng. Nhật bản giới thiệu với thị trường nước ta loại máy làm trụ loại này là TENOCOLUMN. Các chỉ tiêu khi sử dụng máy TENOCOLUMN như sau:
29. Lượng ximăng Tỷ lệ N/X Cường độ mẫu Loại đất tại chỗ (kg/m3) % kG/cm2 Cát 250 120 41,8 Bùn,sét 226 100 30 á cát 250 60 17,1 Đất lẫn hữu cơ 350 60 15,7 Than bùn 325 60 16,4 Với những chỉ tiêu trên đây, phương pháp tỏ ra hữu hiệu khi qui đổi sức chịu tải dưới nền thành trị số đồng nhất dùng khi tính toán móng băng dưới công trình. Với sức chịu của trụ khoảng 15 kG/cm2 có thể qui đổi sức chịu đáy móng băng thành bình quân 5~7 kG/cm2 là điều có ý nghĩa khi thiết kế móng. 3.3.3 Các giải pháp thiết kế. 3.3.3.1 Nguyên lý thiết kế. Đất xử lý trộn sâu được thiết kế sao cho công trình xây dựng đạt các yêu cầu về tính khả thi, kinh tế và lâu dài, chịu được các tác động và ảnh hưởng trong quá trình thi công và sử dụng, tức là thỏa mãn các điều kiện về trạng thái giới hạn cực hạn, và trạng thái giới hạn sử dụng. Thiết kế thường theo phương pháp lặp, trong đó kết quả của nhiều phương pháp thí nghiệm kiểm tra là một phần quan trọng. Thiết kế sơ bộ dựa trên kết quả thí nghiệm mẫu trộn trong phòng. Tương quan cường độ nén không hạn chế nở hông giữa mẫu thân trụ hiện trường và mẫu trộn trong phòng có thể chọn theo kinh nghiệm từ 0.2 đến 0.5 tùy theo loại đất và tỷ lệ trộn. Nếu kết quả thí nghiệm hiện trường không đáp ứng yêu cầu thì phải điều chỉnh thiết kế công nghệ và khi cần thiết điều chỉnh cả thiết kế chức năng. 3.3.3.2 Quy trình thiết kế, thi công trụ đất xi măng. - Khảo sát địa chất công trình, thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng thích hợp trong phòng thí nghiệm. - Thiết kế sơ bộ nền gia cố theo điều kiện tải trọng tác dụng của kết cấu bên trên (căn cứ vào kết quả thí nghiệm mẫu trong phòng và kinh nghiệm tích lũy); - Thi công trụ thử bằng thiết bị dự kiến sử dụng; - Tiến hành các thí nghiệm kiểm tra (xuyên cánh, xuyên tĩnh, nén tĩnh, lấy mẫu ); - So sánh với các kết quả thí nghiệm trong phòng, đánh giá lại các chỉ tiêu cần thiết; - Điều chỉnh thiết kế (hàm lượng chất gia cố, chiều dài hoặc khoảng cách giữa các trụ); - Thi công đại trà theo công nghệ đã đạt yêu cầu và tiến hành kiểm tra chất lượng phục vụ nghiệm thu.
30. 3.3.3.3 Thí nghiệm. Đất xử lý trộn sâu được thiết kế sao cho công trình xây dựng đạt các yêu cầu về tính khả thi, kinh tế và lâu dài, chịu được các tác động và ảnh hưởng trong quá trình thi công và sử dụng, tức là thỏa mãn các điều kiện về trạng thái giới hạn cực hạn, và trạng thái giới hạn sử dụng. Hình 3.5 Quy trình tạo trụ đất trộn với vôi hoặc xi măng 3.3.3.4 Tương quan giữa các đặc tính của đất xử lý. Đất xử lý trộn sâu được thiết kế sao cho công trình xây dựng đạt các yêu cầu về tính khả thi, kinh tế và lâu dài, chịu được các tác động và ảnh hưởng trong quá trình thi công và sử dụng, tức là thỏa mãn các điều kiện về trạng thái giới hạn cực hạn, và trạng thái giới hạn sử dụng. Về cường độ chịu nén của trụ đất - xi măng giữa kết quả thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường theo kinh nghiệm của một số nước như sau : - Theo Thụy Điển, tỷ số giữa cường độ hiện trường và trong phòng trong khoảng 0.2 đến 0.5. Đất rời có tỷ số cao hơn, quyết định bởi độ mịn của hạt. - Theo kinh nghiệm của Nhật Bản cho thấy cho thấy khả năng đạt được hiệu quả khá cao của thiết bị Nhật Bản trong thi công các công trình biển : tỷ số cường độ mẫu hiện trường/ trong phòng gần bằng 1. 3.3.3.5 Phương hướng thiết kế. a. Về ổn định. Cường độ kháng cắt của nền gia cố tính theo công thức : Ctb = Cu (1- a) + a Cc (3.20)
31. Trong đó : Cu - sức kháng cắt của đất, tính theo phương pháp trọng số cho nền nhiều lớp; Cc - sức kháng cắt của trụ; a - tỷ số diện tích, a = n Ac/Bs; n - số trụ trong 1m chiều dài khối đắp; Bs - chiều rộng khối đắp; Ac -diện tích tiết diện trụ. Hình 3.6 Quy trình thiết kế lặp, gồm thí nghiệm trong phòng, thiết kế chức năng, thử hiện trường và thiết kế công nghệ
32. Hình 3.7 Một số loại mũi khoan thi công trụ đất trộn xi măng Hình 3.8 Mũi khoan thi công trụ đất trộn xi măng ở sân bay Trà Nóc – Cần Thơ
33. Hình 3.9 Các dạng bố trí trụ đất trộn xi măng trong thực tế Hình 3.10 Thi công xử lý nền móng trụ đất – xi măng bể xăng dầu (dung tích 12.500m3/bể), Tổng kho xăng dầu miền Tây, Khu công nghiệp Trà Nóc – Cần Thơ
34. b. Về độ lún. b1. Độ lún toàn phần. Trụ để giảm độ lún thường được bố trí theo lưới tam giác hoặc ô vuông. Phân tích lún dựa trên quan điểm đồng biến dạng- nói cách khác, cho rằng hiệu ứng vòm phân bố lại tải trọng sao cho biến dạng thẳng đứng tại độ sâu nhất định trở thành bằng nhau trong trụ và đất quanh trụ. Đối với nhóm trụ, độ lún trung bình sẽ được giảm bởi ứng suất cắt của đất, huy động tại bề mặt tiếp xúc theo chu vi khối với đất xung quanh. Chỉ chuyển dịch khá nhỏ (vài mm) đủ để huy động sức kháng cắt của đất. ứng suất cắt gây nên độ lún lệch các trụ trong nhóm. Độ lún lệch này sẽ giảm dần theo mức độ cố kết của đất, cho nên sẽ không kể đến trong tính lún tổng. b2. Tốc độ lún. Trong trộn khô, có thể tính thấm của trụ cao hơn đất xung quanh, trụ có tác dụng như băng thoát nước thẳng đứng. Tuy nhiên, tốc độ lún không chỉ quyết định bởi hiệu ứng thoát nước. Khi trụ gia cố và đất sét yếu xung quanh cùng làm việc, hiện tượng nổi trội chính là sự phân bố ứng suất trong hệ thống trụ-đất theo thời gian. Ngay khi tác động, tải trọng được chịu bởi áp lực nước lỗ rỗng dư. Trụ tăng độ cứng theo thời gian, sẽ chịu dần tải trọng, giảm bớt tải trọng lên đất. Hệ quả là áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất yếu sẽ được giảm nhanh, thậm chí chưa có thấm hướng tâm. Phân bố lại ứng suất là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún. Do đó, cho dù tính thấm của trụ chỉ bằng của đất thì quá trình cố kết cũng nhanh hơn nhờ hiện diện của các trụ. Trụ đất xi măng đã làm tăng hệ số cố kết một chiều. Trong trộn ướt, tính thấm của trụ không cao hơn nền đất xung quanh. Nhưng nhờ phân bố lại ứng suất mà quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn. b3. Tường vây. Tường vây tạo bởi các trụ gối đè nhau không cho nước rò rỉ qua tường. Quan trọng là độ đồng nhất và phòng rò rỉ. Thường dùng thêm vữa sét để tăng sức chống rò rỉ. Nếu thiết kế tường ngăn ô nhiễm phải kiểm tra phản ứng của chất nhiễm bẩn với đất xử lý, đặc biệt khi chúng có tính a xít cao. b4. Tính toán độ lún. Độ lún tổng (S) của nền gia cố được xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố: S = S1 + S2 (3.21) Trong đó: S1 - độ lún bản thân khối gia cố S2 - độ lún của đất chưa gia cố, dưới mũi trụ Độ lún của bản thân khối gia cố được tính theo công thức: qH qH (3.22) S1 Etb aEc (1 a)Es Trong đó:
35. q - tải trọng công trình truyền lên khối gia cố (kN); H - chiều sâu của khối gia cố (m) a - tỷ số diện tích, a = (nAc / BL), n - tổng số trụ, Ac - diện tích tiết diện trụ; B, L - kích thước khối gia cố; Ec- Mô đun đàn hồi của vật liệu trụ; Có thể lấy Ec = (50100) Cc trong đó Cc là sức kháng cắt của vật liệu trụ. Es - Mô đun biến dạng của đất nền giữa các trụ. (Có thể lấy theo công thức thực nghiệm Es = 250Cu, với Cu là sức kháng cắt không thoát nước của đất nền). Độ lún S2 được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp (xem phụ lục 3 TCXD 45-78). áp lực đất phụ thêm trong đất có thể tính theo lời giải cho bán không gian biến dạng tuyến tính (tra bảng) hoặc phân bố giảm dần theo chiều sâu với độ dốc (2:1) như hình trên. Phạm vi vùng ảnh hưởng lún đến chiều sâu mà tại đó áp lực gây lún không vượt quá 10% áp lực đất tự nhiên (theo quy định trong tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình TCXD 45 - 78). Để thiên về an toàn, tải trọng (q) tác dụng lên đáy khối gia cố xem như khôngthay đổi suốt chiều cao của khối. CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA MỘT SỐ HỖN HỢP GIA CỐ ĐẤT - XI MĂNG Cường độ kháng nén 1 Đặc trưng đất tự nhiên trục, (kg/cm2) Địa Loại đất   LL LP IP C 7% XM 12% XM điểm k 0 u 28 90 28 90 G/cm3 % % % kg/cm2 ngày ngày ngày ngày Hà Sét pha 1,30 45 37 24 13 0,16 3,36 3,97 4,43 4,48 Nội Nam Cát pha - 41 - - - - - 2,24 - 3,21 Hà Sét pha Hà xám - 62 36 23 13 0,23 - - 7,39 9,42 Nội đen Sét pha Hà xám - 35 35 27 8 0,21 - - 4,28 4,82 Nội nâu Sét pha Hà - 30 30 19 11 0,23 3,00 4,07 - - hữu cơ Nội Hà Sét pha 1,60 52 37 24 13 0,10 0,61 0,66 2,13 2,50 Nội Sét xám Hà - 51 - - - 0,10 - - 2,39 2,55 xanh Nội Đất sét Hà - 95 62 40 22 0,21 - - 0,51 0,82 hữu cơ Nội
36. Hà Sét pha 1,43 37 30 19 11 0,32 - - 11,0 19,0 Nội Bùn sét Hà γ w 74 54 35 19 0,39 - - - 1,22 hữu cơ Nội 1,51 Bùn sét Hà γ w 119 54 36 18 0,19 - - 0,42 0,50 hữu cơ Nội 1,54 Hải Sét pha 1,35 36 27 18 9 - 6,18 6,50 9,13 9,53 Dương Hải Cát pha 1,35 26 27 19 6 - 3,55 4,21 6,75 7,92 Dương Hải Sét 1.16 50 46 28 18 0.28 1.63 1.85 3.01 3.95 Phòng 3.4 NÉN TRƯỚC BẰNG TẢI TRỌNG TĨNH. 3.4.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. Nén trước bằng tải trọng tĩnh sử dụng trong trường hợp gặp nền đất yếu như than bùn, bùn, sét và sét pha dẻo nhão Mục đích của gia tải trước là : - Tăng cường sức chịu tải của đất nền. - Tăng nhanh thời gian cố kết, tức là làm cho lún ổn định nhanh hơn. Muốn đạt được mục đích trên, người ta dùng các biện pháp sau đây : - Chất tải trọng bằng cát, sỏi, gạch, đá bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự định xây dựng để cho nền chịu tải trước và lún trước khi xây dựng. - Dùng giếng cát (biện pháp ở phần trên) hoặc bản giấy thấm để thoát nước lỗ rỗng, tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền. 3.4.2 Điều kiện về địa chất công trình. Để đạt được mục đích nén chặt đất và nước trong lỗ rỗng thoát ra, điều kiện cơ bản là phải có chỗ cho nước thoát ra được. Những sơ dồ về địa chất sau đây được xem là phù hợp cho phương pháp này : a. Sơ đồ theo hình 3.10a: khi bị ép, nước sẽ bị ép xuống lớp cát bên dưới. b. Sơ đồ theo hình 3.10b: khi bị ép, nước sẽ bị ép theo hai hướng lên trên và xuống lớp cát bên dưới. c. Sơ đồ theo hình 3.10c: khi bị ép, nước sẽ thoát theo hướng lên lớp cát phía trên. Để đạt được hiệu quả xử lý tốt, chiều dày lớp đất yếu nên được hạn chế hđy 3m.
37. q (KPa) a) Ñaát ñaép. ñaát troàng troït Ñaát yeáu Caùt q (KPa) q (KPa) b) c) Caùt Caùt Ñaát yeáu Ñaát yeáu Caùt Ñaát seùt Hình 3.10 Các điều kiện địa chất công trình để dùng phương pháp gia tải nén trước không dùng giếng thoát nước. 3.4.3 Tính toán gia tải trước. Lựa chọn áp lực nén trước như sau : + Dùng áp lực nén trước bằng đúng tải trọng công trình sẽ xây dựng. + Dùng áp lực nén trước lớn hơn tải trọng công trình (khoảng 20%) để tăng nhanh quá trình cố kết, không nên chọn quá lớn sẽ làm cho nền đất bị phá hoại. Độ lún dự tính của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng nén trước được xác định theo công thức kinh nghiệm sau : S S t (3.23) t α t Trong đó : St - độ lún dự tính trong thời gian t nào đó; t - thời gian nén trước; - hệ số kinh nghiệm xác định theo công thức : α S .t t (3.24) S 1 1 t Trong đó : S - độ lún ổn định trong quá trình nén trước, xác định theo quan trắc thực tế. t t S 2 1 (3.25) t t 2 1 S S t t 2 1 ở đây, St1 và St2 là độ lún quan trắc ở thời điểm t1 và t2. 3.4.4 Biện pháp thi công. Có hai cách gia tải nén trước :
38. - Chất tải trọng nén trước ngay trên mặt đất, tại vị trí sẽ xây móng, đợi một thời gian theo yêu cầu để độ lún ổn định, sau đó dỡ tải và đào hố thi công móng. - Có thể xây móng, sau đó chất tải lên móng cho lún đến ổn định, sau đó dỡ tải và xây các kết cấu bên trên. Lưu ý chất tải tăng dần theo từng cấp. Mỗi cấp khoảng 15 – 20% tổng tải trọng. Cần tiến hành theo dõi, quan trắc độ lún để xem độ lún có đạt yêu cầu không, nếu không đạt cần có biện pháp tích cực hơn để nước tiếp tục thoát ra. 3.5 GIẾNG CÁT. 3.5.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. Giếng cát là một trong những biện pháp gia tải trước được sử dụng đối với các loại đất bùn, than bùn cũng như các loại đất dính bão hòa nước, có tính biến dạng lớn khi xây dựng các công trình có kích thước và tải trọng lớn thay đổi theo thời gian như nền đường, sân bay, bản đáy các công trình thủy lợi Giếng cát có hai tác dụng chính : - Giếng cát sẽ làm cho nước tự do trong lỗ rỗng thoát đi dưới tác dụng của gia tải vì vậy làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, làm cho công trình nhanh đạt đến giới hạn ổn định về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều. - Nếu khoảng cách giữa các giếng được chọn thích hợp thì nó còn có tác dụng làm tăng độ chặt của nền và do đó sức chịu tải của đất nền tăng lên. Những điểm giống và khác nhau giữa giếng cát và cọc cát : - Kích thước (đường kính và chiều dài) tương tự như nhau, nhưng khoảng cách giữa các giếng cát thì lớn hơn cọc cát. - Nhiệm vụ của chúng khác nhau : + Cọc cát làm chặt đất là chính, làm tăng sức chịu tải của đất nền, thoát nước lỗ rỗng là phụ. + Giếng cát để thoát nước lỗ rỗng là chính, tăng nhanh quá trình cố kết, làm cho độ lún của nền nhanh chóng ổn định. Làm tăng sức chịu tải của nền là phụ. 3.5.2 Tính toán và thiết kế giếng cát. Cấu tạo của giếng cát gồm có ba bộ phận chính (hình vẽ) là hệ thống các giếng cát, đệm cát và lớp gia tải. 3.5.2.1 Đệm cát. Có nhiệm vụ tạo điều kiện cho công trình lún đều, Chiều dày lớp đệm cát tính theo công thức kinh nghiệm : hđ = S + (0,3  0,5m) (3.26) Trong đó : hđ : chiều dày lớp đệm cát; S : độ lún tính toán của nền đất.
39. Cát làm lớp đệm thường sử dụng cát hạt trung hoặc hạt to. q Ñeäm caùt d L Gieáng caùt Ñaát yeáu L Caáu taïo gieáng caùt treân maët baèng. Taàng khoâng thaám nöôùc Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo giếng cát. 3.5.2.2 Lớp gia tải. Xác định chiều cao của lớp gia tải : h = σ (3.27) γ Trong đó :  : áp lực do tải trọng ngoài. Và :  Rtc hay qat Rtc tính với đất yếu = 0 và đất đắp ngay trên mặt nên h = 0; vì vậy Rtc = c. Nếu điều kiện trên không thỏa mãn thì phải đắp lớp gia tải nhiều lần hoặc dùng bệ phản áp. π(γh 2c.ctg ) Qat = γh (3.28) ctg - π 2 3.5.2.3 Giếng cát. Đường kính giếng cát tốt nhất dc = 35 - 45cm, chiều dài của giếng thường lấy bằng chiều sâu chịu nén cực hạn của đất nền dưới móng : + Móng đơn : lg 2 – 3b (b : chiều rộng móng). + Móng băng : lg 4b. + Móng bè : - Nếu nền đất yếu có gốc là đất loại sét, thì : lg 9m + 0,15b. - Nếu nền đất yếu có gốc là đất loại cát, thì : lg 6m + 0,10b. Khoảng cách giữa các giếng cát : Khoảng cách giữa các giếng cát phụ thuộc vào đường kính giếng cát cũng như tốc độ cố kết của nền đất. Theo kinh nghiệm, khoảng cách giữa các giếng trong khoảng 1,0 – 5,0m. 3.5.2.4 Tính biến dạng của nền. Độ lún của nền đất yếu khi chưa có giếng cát :
40. e e S 1ñ 2ñ h (3.29) 1 e 1ñ Trong đó : e1đ; e2đ - hệ số rỗng của đất ở xung quanh giếng cát trước và sau khi có tải trọng. h - chiều dày lớp đất yếu có giếng cát. Khi nền đất có nhiều lớp khác nhau có thể dùng phương pháp tổng độ lún để xác định. Độ lún của nền đất yếu khi có giếng cát có thể xác định theo công thức kinh nghiệm của Evgênev : 2 eo ep dc Sgc h (3.30) 1 eo L2 Trong đó : eo - hệ số rỗng của nền đất ở trạng thái tự nhiên; ep - hệ số rỗng của nền đất khi có tải trọng ngoài; dc - đường kính giếng cát; L - khoảng cách giữa các trục giếng cát; h - chiều dày lớp đất có giếng cát. Độ lún theo thời gian : mv St hq Pn (z,r,t) (3.31) 1 e1 Mức độ cố kết : P (z,r,t) U St 1- n 1- M .M (4.18) t S q z r Trong các công thức trên : mv - hệ số nén của đất; e1 - hệ số rỗng ban đầu của đất; q - tải trọng phân bố đều của công trình; Pn(z,r,t) - áp lực nước lỗ rỗng; h - chiều dày lớp đất có giếng cát. 3.5.3 Thi công giếng cát. Quá trình thi công giếng cát nói chung giống như cọc cát. Có thể hạ ống thép xuống bằng máy đóng hoặc máy rung. Giếng cát nói chung chưa được sử dụng phổ biến ở nước ta. 3.6 GIA CỐ NỀN BẰNG BẤC THẤM. 3.6.1 Phạm vi áp dụng. Đây là biện pháp mới được sử dụng ở nước ta và với những công trình đã được thoát nước theo phương thẳng đứng của bấc thấm chứng tỏ tốc độ cố kết của nền đất yếu là nhanh so với các phương pháp khác. Biện pháp này có thể sử dụng được rộng rãi vì theo kinh
41. nghiệm nước ngoài, đây là biện pháp hữu hiệu trong bài toán giải quyết tốc độ cố kết của nền đất yếu. Công nghệ này thích dụng cho việc xây dựng nhà ở có số tầng có số tầng 3 - 4 tầng xây dựng trên nền đất mới lấp mà dưới lớp đất lấp là lớp bùn sâu. 3.6.2 Mô tả về công nghệ. Nền đất sình lầy, đất bùn và á sét bão hoà nước nếu chỉ lấp đất hoặc cát lên trên, thời gian để lớp sình lầy cố kết rất lâu kéo dài thời gian chờ đợi xây dựng. Cắm xuống đất các ống có bấc thoát nước thẳng đứng xuống đất làm thành lưới ô với khoảng cách mắt lưới ô là 500 mm. Vị trí ống có bấc nằm ở mắt lưới. ống thoát nước có bấc thường cắm sâu khoảng 18 - 22 mét. Ống thoát nước có bấc có đường kính 50 - 60 mm. Vỏ ống bằng nhựa có rất nhiều lỗ châm kim để nước tự do qua lại. Trong ống để bấc bằng sợi pôlime dọc theo ống để nước dẫn theo bấc lên, xuống, trong ống. Phương pháp này được gọi là phương pháp thoát nước thẳng đứng. Việc cắm ống xuống đất nhờ loại máy cắm bấc thấm. Khi nền đất được đổ các lớp cát bên trên để nâng độ cao đồng thời dùng làm lớp gia tải giúp cho sự chắt bớt nước ở lớp dưới sâu để lớp đất này cố kết đủ khả năng chịu tải, nước trong đất bị áp lực của tải làm nước tách ra và lên cao theo bấc, đất cố kết nhanh. Khi giảm tải, nước chứa trong ống có bấc mà không hoặc ít trở lại làm nhão đất. Kết hợp sử dụng vải địa kỹ thuật tiếp tục chắt nước trong đất và đổ cát bên trên sẽ cải thiện tính chất đất nền nhanh chóng. Hình 3.12 Cắm bấc thấm vào nền sét yếu
42. 3.7 GIA CỐ NỀN BẰNG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT. 3.7.1 Gia cố nền đường. Đối với nền đất đắp, việc đặt vào 1 hoặc nhiều lớp vải địa kỹ thuật sẽ làm tăng cường độ chịu kéo và cải thiện độ ổn định của nền đường chống lại sự trượt tròn. Mặt khác, vải địa kỹ thuật còn có tác dụng làm cho độ lún của nền đất đắp được đồng đều hơn. Hình 3.13 Gia cố vải địa kỹ thuật nền đường Phạm vi áp dụng : xử lý cục bộ sự mất ổn định của nền đất đắp, sử dụng nhiều trong các công trình giao thông hoặc nền gia cố bằng đệm cát, giếng cát, gia cường cho tường chắn, Một số lưu ý khi gia cố nền đường : Nên sử dụng các vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp (vải địa kỹ thuật, lưới kỹ thuật) có cường độ cao, biến dạng nhỏ, lâu lão hóa làm lớp thảm tăng cường cho nền đất đắp. Hướng dọc hoặc hướng có cường độ cao của lớp thảm phải thẳng góc với tim đường. Việc sử dụng vật liệu địa kỹ thuật không bị hạn chế bới điều kiện địa chất, nhưng khi nền đất càng yếu thì tác dụng càng rõ. Số lớp thảm tăng cường phải dựa vào tính toán để xác định, có thể bố trí 1 hoặc nhiều lớp, cách nhau khoảng 15 – 30cm. Phải bố trí đủ chiều dài đoạn neo giữ, trong chiều dài đoạn neo, tỷ số của lực ma sát với mặt trên và mặt dưới của lớp thảm Pf và lực kéo thiết kế của lớp thảm Pj phải thỏa mãn điều kiện : P f 1,5 (3.32) P jj Góc ma sát giữa lớp thảm và vật liệu đắp f nên dựa vào kết quả thí nghiệm để xác định, nếu không làm được thí nghiệm, có thể xác định theo công thức sau : tgφ 2 tgφ (3.33) f 3 q Trong đó q là góc ma sát trong xác định bằng thí nghiệm cắt nhanh của vật liệu đắp tiếp xúc với lớp thảm. 3.7.2 Gia cố tường chắn đất. Hiện nay người ta chọn phương pháp gia cố phần đất đắp sau lưng tường bằng vải địa kỹ thuật hay các lưới kim loại để tạo ra các tường chắn đất mềm dẻo nhằm thay thế cc loại
43. tường chắn thông thường bằng tường cứng. Cc lớp vải địa kỹ thuật ny sẽ chịu p lực ngang từ khối đất sau lưng tường. Cấu tạo tường chắn như sau : Hình 3.14 Dùng vải địa kỹ thuật làm tường chắn đất Ghi chú : Pa1 = KaγH; Pa2 = Kaq; Sv - khoảng cách giữa các lớp vải (chiều dày lớp đất); Le -chiều dài đoạn neo giữ cần thiết, Le ≥ 1m. Lr - chiều dài lớp vải nằm trước mặt trượt; Lo - chiều dài đoạn vải ghép chồng. Tồng chiều dài : ∑L = Le + Lr + Lo + Sv Chiều dài thiết kế : L = Le + Lr Tính toán khoảng cách và chiều dài lớp vải : Hình 3.15 Sơ đồ tính toán tường chắn đất gia cố vải địa kỹ thuật Xét áp lực ngang tác dụng lên 1m dài tường : P S T (3.34) a v FS - Tính toán được khoảng cách giữa các lớp vải : S T (3.35) v P FS a Trong đó : FS - hệ số an toàn lấy bằng 1,3 – 1,5;
44. T - cường độ chịu kéo của vải (T/m; KN/m), được cung cấp từ nhà sản xuất tùy theo mỗi loại vải. - Tính toán chiều dài neo giữ cần thiết : S P FS L v a ≥ 1m. (3.36) e 2(C Ztg ) a - Tính toán chiều dài lớp vải nằm trước mặt trượt : 0 Lr = (H-Z)tg(45 -φ/2) (3.37) - Tính toán chiều dài đoạn vải ghép chồng : S P FS L v a ≥ 1m. (3.38) o 4(C Ztg ) a Ngoài ra cần kiểm tra về điều kiện chống trượt và chống lật đổ của tường chắn như các loại tường chắn thông thường.
45. Chương 4 NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ MỘT SỐ LOẠI MÓNG CỌC 4.1 THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI. 4.1.1 Đặc điểm phạm vi áp dụng. - Móng cọc khoan nhồi là loại móng đổ tại chỗ, thi công bằng phương pháp thủ công hoặc cơ giới tuỳ theo điều kiện về trang thiết bị. - Móng cọc khoan nhồi có thể áp dụng rộng rãi trong các ngành cầu đường, thuỷ lợi, xây dựng dân dụng và công nghiệp. Đặc biệt là các công trình có tải trọng lớn như cầu, nhà cao tầng, nhà xây chen ở các đô thị v.v - Ở nước ta cọc khoan nhồi được sử dụng từ những năm 80, từ hình thức tạo lỗ bằng thủ công cho đến nay đã có những thiết bị hiện đại để tạo lỗ và đổ bê tông bằng các quy trình khác nhau. Ưu điểm chính của cọc khoan nhồi: - Có sức chịu tải lớn, với đường kính lớn và chiều sâu lớn có thể tới hàng nghìn tấn. - Thi công không gây ra chấn động đối với các công trình và môi trường ở xung quanh khắc phục được nhược điểm này của cọc đóng. - Có thể mở rộng đường kính và tăng chiều dài cọc đến độ sâu tuỳ ý (đường kính phổ biến hiện nay từ 60 - 250cm. Chiều sâu đến 100m). Khi điều kiện địa chất và thiết bị thi công cho phép, có thể mở rộng muĩ cọc hoặc mở rộng thân cọc để làm tăng sức chịu tải của cọc. - Lượng thép bố trí trong cọc thường ít hơn so với các loại cọc lắp ghép (với cọc đài thấp). Khuyết điểm của cọc khoan nhồi: - Việc kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi rất phức tạp, gây ra tốn kém trong thi công. - Ma sát thành cọc với đất giảm đi đáng kể so với cọc đóng và cọc ép do quá trình khoan tạo lỗ. - Việc sử lý các khuyết tật của cọc khoan nhồi rất phức tạp (trong một số trường hợp phải bỏ đi để làm cọc mới). - Công nghệ thi công đòi hỏi kỹ thuật cao để tránh các hiện tượng phân tầng khi thi công bê tông dưới nước có áp, cọc đi qua các lớp đất yếu có chiều dầy lớn. - Giá thành cao hơn so với các phương án cọc đóng và cọc ép khi xây dựng các công trình thấp tầng (theo thống kê : khi công trình dưới 12 tầng giá thành phương án cọc khoan nhồi có thể cao hơn 2-2,5 lần so với phương án khác – nhưng khi xây dựng nhà cao tầng hay các cầu lớn, thì phương án cọc khoan nhồi lại hợp lý hơn). 4.1.2 Thiết kế móng cọc khoan nhồi. Việc thiết kế móng cọc khoan nhồi bao gồm các bước sau: - Xác định tải trọng xuống móng.
46. - Chọn độ sâu chôn móng (cọc đài thấp). - Lựa chọn cọc : đường kính, chiều dài cọc. - Tính toán sức chịu tải của cọc. - Xác định số lượng cọc, bố trí cọc. - Kiểm tra áp lực trên đất nền về điều kiện biến dạng (tính lún). - Tính toán đài cọc. - Kiểm tra khả năng chịu tải ngang. 4.1.2.1 Xác định tải trọng tác dụng xuống móng. Căn cứ vào kết quả tính toán phần kết cấu bên trên, xác định tải trọng tác dụng xuống móng. Cần phải lưu ý điểm đặt của các thành phần tải trọng này để xác định tổng moment khi kiểm tra điều kiện áp lực tại đáy móng (đây chính là vị trí khi xác định chiều dài tính toán của tầng dưới cùng khi giải khung). 4.1.2.2 Lựa chọn chiều sâu chôn móng. Để lựa chọn độ sâu đặt đáy đài làm kết hợp các yếu tố như quy mô công trình; độ lớn của tải trọng; đặc điểm về địa chất công trình, địa chất thuỷ văn; đặc điểm của các công trình hạ tầng và nền móng các công trình lân cận. Để thoả mãn điều kiện tính toán theo móng cọc đài thấp, cần phải kiểm tra điều kiện: h hmin x 0,7. Trong đó : h tg(450 ) 2H (4.1) min 2 γB m : Góc ma sát trong của lớp đất đặt đáy đài. H : Tổng lực ngang tác dụng nên móng.  : Dung trọng trung bình của đất từ đáy đài trở lên. Bm : Chiều rộng của đài cọc (giả thiết sau đó kiểm tra lại). Ngoài ra cần kết hợp với điều kiện thực tế của từng công trình mà lựa chọn độ sâu đặt đáy đài cho thích hợp. Thông thường, độ sâu đặt đáy đài thường nhỏ hơn móng nông trên nền tự nhiên để giảm bớt khối lượng đào hố móng, đặc biệt khi nền đất yếu và mục nước ngầm cao. 4.1.2.3 Chọn đường kính cọc, chiều dài cọc. Cần xem xét kỹ mặt cắt địa chất, địa tầng, vị trí xây dựng công trình tương ứng với mặt cắt địa chất để chọn vị trí đặt mũi cọc; từ độ sâu đặt đáy đài đã chọn, ta có được chiều dài cọc. Lựa chọn đường kính cọc cần tương ứng với chiều dài cọc. 4.1.2.4 Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi. a. Sức chịu tải theo vật liệu làm cọc. Pv = (m1m2RbF + RaFa) (4.2)
47. Trong đó : : Hệ số uốn dọc của cọc. Khi cọc đài thấp xuyên qua các lớp than bùn, đất sét yếu, bùn, cọc đài cao -> được tra bảng, phụ thuộc ltt/b và ltt/ d Khi cọc đài thấp, xuyên qua các lớp khác với các lớp trên thì = 1. Bảng tra hệ số uốn dọc ltt /b 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Ltt/ d 12,1 13,9 15,6 17,3 19,1 20,8 22 24,3 26 0,93 0,89 0,85 0,81 0,77 0,73 0,66 0,64 0,59 Rb - Cường độ tính toán của bêtông khi nén mẫu hình trụ. Fb - Diện tích tiết diện ngang của bêtông. Ra - Cường độ chịu nén tính toán của cốt thép. Fa - Dien tích thiết diện ngang của cốt dọc m1 - Hệ số điều kiện làm việc, khi cọc nhồi qua ống chuyển dịch thẳng đứng m1 = 0,85. m2 - Hệ số điều kiện làm việc kể đến ảnh hưởng của phương pháp thi công cọc : Thi công trong đất sét, không cần chống vách, mực nước ngầm thấp hơn mũi khoan : m2 = 1,0. Thi công trong các loại đất cần phải dùng ống chống vách – mực nước ngầm không xuất hiện trong hố khoan - m2 = 0,9. Thi công trong đất cần chống vách và đổ bê tông dưới huyền phù sét - m2 = 0,7. * Lưu ý: Có thể sử dụng công thức sau : Pv = RnFb +RanFa (4.3) Trong đó: Rn - Cường độ chịu nén tính toán của bêtông được xác định như sau: Đối với cọc đổ bê tông dưới nước hoặc huyền phù sét thì: Rn = R/4,5 nhưng không lớn hơn 60 kg/cm2. Đối với cọc đổ bê tông trong hố khoan khô thì: Rn = R/4,0 nhưng không lớn hơn 70 kg/cm2. R - Mác thiết kế của bê tông cọc. Ran - Cường độ chịu nén tính toán của cốt thép: 2 Khi thép  28mm thì Ran = Rc/1,5 nhưng không lớn hơn 2.200 kg/cm . 2 Khi thép  > 28mm thì Ran = Rc/1,5 nhưng không lớn hơn 2.000 kg/cm . Rc - Giới hạn chảy của cốt thép. b. SCT theo chỉ tiêu cơ lý: Theo Phụ lục A (TCXD 205:1998) sức chịu tải tính toán của cọc được xác định theo công thức:
48. Q Q tc (4.4) a k tc Trong đó: ktc - Hệ số tin cậy phụ thuộc vào kết quả thí nghiệm cọc hiện trường, đài thấp hoặc cao, cọc chịu nén hoặc nhổ Nhưng thường ktc 1,25 (quy định cụ thể theo tiêu chuẩn). Qtc = m(mRRF+u mfifsili) (4.5) Trong đó: m - Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, lấy bằng1 mR, mf - Hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt phẳng mũi cọc và thân cọc, mf tra bảng: mR = 1, khi cọc không mở rộng đáy. mR = 0,9; khi cọc mở rộng đáy bằng phương pháp đổ bê tông dưới nước. mR = 1,3 Khi cọc mở rộng đáy bằng nổ mìn. R - Sức kháng tính toán của đất dưới mũi cọc – tra bảng. u - Chi vi ngoài của diện tích ngang cọc. fsi - Cường độ tính toán của ma sát thành lớp đất thứ i với bề mặt xung quanh cọc (tra bảng). li - Chiều dày lớp đất thứ i cọc đi qua. Bảng tra hệ số mf mf khi hạ trong đất Loại cọc và phương pháp thi công cọc Cát Cát pha sét pha sét - Cọc nhồi khi đóng ống rỗng có mũi 0,8 0,8 0,8 0,7 - Cọc nhồi rung ép 0,9 0,9 0,9 0,9 - Cọc nhồi trong đó kể cả mở rộng đáy đổ bê tông : a. Khi không có nước trong hố khoan b. Dưới nước hoặc dung dịch sét 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 Sức chịu tải của cọc nhồi chịu nhổ theo đất nền : Pnh = m  mfifili (4.6) Trong đó : m : hệ số điều kiện làm việc : - Khi cọc cắm vào đất < 4m; m = 0,6; - Khi cọc cắm vào đất 4m; m = 0,8. Các hệ số khác như trên. c. SCT theo chỉ tiêu cường độ (Phụ lục B – TCXD 205:1998). c1. Yêu cầu chung - Sức chịu tải cực hạn của cọc tính theo công thức:
49. Qu = Asfs + Apqp (4.11) - Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo công thức: (4.12) Trong đó: FSs - Hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên, lấy bằng 1,5-2,0; FSp - Hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc lấy bằng 2,0-3,0. - Công thức chung tính toán ma sát bên tác dụng lên cọc là: Fs = ca + 'h tan a (4.13) Trong đó: 2 ca - Lực dính giữa thân cọc và đất, T/m ; với cọc đóng bê tông cốt thép, ca=0,7c, trong đó c là lực dính của đất nền; 2 'h - ứng suất hữu hiệu trong đất theo phương vuông góc với mặt bên cọc, T/m ; a - góc ma sát giữa cọc và đất nền; với cọc bê tông cốt thép hạ bằng phương pháp đón lấy a = , đối với cọc thép lấy a =0,7 , trong đó là góc ma sát trong của đất nền. - Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc tính theo công thức: qp = cNc + 'vp Nq + dp N (4.14) Trong đó: c- Lực dính của đất, T/m2; 'vp - ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc do trọng lượng bản thân đất, T/m2; Nc, Nq, N - Hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào ma sát trong của đất, hình dạng mũi cọc phương pháp thi công cọc;  - Trọng lượng thể tích của đất ở độ sâu mũi cọc, T/m3. c2. Sức chịu tải cực hạn của cọc trong đất dính tính theo công thức: Qu = As cu + ApNc cu (4.15) Trong đó: 2 cu- sức chống cắt không thoát nước của đất nền, T/m ; - Hệ số không thứ nguyên. Đối với cọc đóng lấy theo hình B.1, đối với cọc nhồi lấy từ 0,3-0,45 cho sét dẻo cứng và bằng 0,6-0,8 cho sét dẻo mềm; Nc - Hệ số sức chịu tải lấy bằng 9,0 cho cọc đóng trong sét cố kết bình thường và bằng 6,0 cho cọc khoan nhồi. Chú thích: 1) Hệ số an toàn khi tính toán sức chịu tải của cọc theo công thức (4.15) lấy bằng 2,0-3,0. 2 2) Trị giới hạn của cu trong công thức (B.5) lấy bằng 1 kg/cm . c3. Sức chịu tải cực hạn của cọc trong đất rời tính theo công thức: Qu = AsKs'v tan a + Ap 'vp Nq (4.16) Trong đó: Ks - Hệ số áp lực ngang trong đất ở trạng thái nghỉ, lấy theo hình B.2; 'v - ứng suất hữu hiệu trong đất tại độ sâu tính toán ma sát bên tác dụng lên cọc, t/m2;
50. a - Góc ma sát giữa đất nền và thân cọc; 2 'vp - ứng suất hữu hiệu theo phương pháp thẳng đứng tại mũi cọc, T/m ; Nq - Hệ số sức chịu tải, xác định theo hình B.3. - Cường độ chịu tải dưới mũi cọc và ma sát bên tác dụng lên cọc trong đất rời ở độ sâu giới hạn, nghĩa là: Fs (z>zc) = fs (z=zc) Qp (z>zc) = qp (z=zc) Chú thích: Độ sâu giới hạn zc xác định theo góc ma sát trong của đất nền (hình B.4). - Hệ số an toàn áp dụng khi sử dụng công thức tính toán 4.16 lấy bằng 2,0-3,0.
51. d. Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tĩnh : Theo TCXD 205:1998 (Phụ lục C) : P P P muõi xq (4.7) x 2 - 3 3 Trong đó : Pmũi = qpF; Pxq = Uqsihi (4.8) Ở đây : qp - sức cản phá hoại của đất ở thân cọc : qp = k.qc qc - sức kháng trung bình của mũi xuyên trong phạm vi 3d ở phía trên và 3d ở phía dưới mũi cọc. k - hệ số phụ thuộc vào loại đất và phương pháp thi công cọc. qsi - ma sát thành của thiết bị xuyên khi đi qua lớp đất thứ i : q q ci (4.9) si α i i - Hệ số tra bảng phụ thuộc vào loại đất Bảng tra hệ số k và  với cọc khoan nhồi qc Hệ số  Loại đất (KPa) K Cọc khoan Cọc khoan thanh bê tông ống tròn Đất loại sét chảy, bùn 0 – 2000 0,40 30 30 Đất loại sét cứng, vừa 2.000 – 5.000 0,35 40 80 Đất loại sét cứng và rất 75.000 0,45 60 120 cứng Bui hoặc cát chảy 0 – 2.500 0,40 120 150 Cát chặt trung bình 2.500 – 10.000 0,40 180 250 Cát chặt đến rất chặt 710.000 0,30 150 200 Đá phấn mềm 75.000 0,20 100 120 Đá phấn phong hóa mảnh 75.000 0,20 60 80 vụn e. Sức chịu tải theo kết quả xuyên tiêu chuẩn. - Sức chịu tải theo kết quả xuyên tiêu chuẩn được tính theo công thức : 52
52. P = mNF + n N Fs (4.10) Trong đó : m = 120 với cọc khoan nhồi; m = 400 với cọc đóng. n = 1 với cọc khoan nhồi; n = 2 với cọc đóng. N - số SPT của đất ở chân cọc. N - số SPT trung bình của đất trong phạm vi chiều dài cọc. F - diện tích tiết diện ngang chân cọc. FS - diện tích mặt xung quanh cọc. - Sức chịu tải tính toán của cọc : P' P (4.11) k tc ktc - hệ số an toàn; k = 2,5 – 3,0 Từ các giá trị : - PV -: sức chịu tải theo vật liệu; - P - sức chịu tải theo thí nghiệm trong phòng; - Px - sức chịu tải theo xuyên tĩnh; ’ - P - sức chịu tải theo xuyên tiêu chuẩn. Chọn ra giá trị Pmin để thiết kế Cần lưu ý rằng : Theo kinh nghiệm, khi chọn chiều dài cọc, mác bê tông và loại cốt thép sao cho sức chịu tải tính toán theo vật liệu đúng với sức chịu tải theo các kết quả thí nghiệm là tốt nhất. 4.1.2.5 Xác định số lượng cọc, bố trí cọc. a. Khoảng cách các cọc trên mặt bằng : Khoảng cách giữa các cọc phụ thuộc vào phương pháp thi công và khả năng chịu tải của nhóm cọc : - Đối với cọc ma sát : L 3d; - Đối với cọc chống : L 2d; - Đối với cọc mở rộng đáy : L 1,5D khi D 2m; D là đường kính cọc mở rộng). b. Xác định số lượng cọc : - Áp lực tính toán đầu cọc tác dụng trên trên đáy đài khi khoảng cách các cọc là 3d : P ptt tk (4.12) 3d 2 Ptk : sức chịu tải thiết kế của cọc. - Diện tích sơ bộ đáy đài : 53
53. N tt F 0 (4.13) ñ tt p nγ h tb tt N 0 - tải trọng tính toán do tải trọng ngoài; n - hệ số vượt tải = 1,1; h - độ sâu đặt đáy đài; 3 tb - trọng lượng trung bình đài và đất trên đài = 2T/m . - Xác định trọng lượng đài và đất trên đài : Nđ = Fđ x tb x n - Số lượng cọc sơ bộ : tt tt N N n β 0 ñ (4.14) P tk  : hệ số kể đến ảnh hưởng của moment = 1,2 – 1,5 - Bố trí cọc trên mặt bằng. - Xác định trọng lượng tính toán của đài và đất trên đài theo kích thước thực tế đã bố trí cọc. - Kiểm tra điều kiện áp lực trên đầu cọc : tt tt M .x Ptt N max (4.15) max,min n 2  x i tt tt tt Trong đó : N No Nñ tt tt tt M Mo Qo h Điều kiện : tt Pmax Ptk : cọc đủ sức chịu tải; tt Pmin 0 : cọc không bị nhổ. 4.1.2.6 Kiểm tra điều kiện áp lực tại mặt phẳng mũi cọc. Điều kiện kiểm tra: tt  max 1,2R M tt  tb R M tt Trong đó : Ptc N 1 6e (4.16) max,min L B L M M M 54
54. LM, BM - kích thước của đáy móng khối quy ước tại mặt phẳng mũi cọc. tc e M N tc RM - cường độ tiêu chuẩn của đất nền tại đáy móng khối quy ước. 4.1.2.7 Tính toán kiểm tra độ lún của móng cọc. - Tính toán độ lún theo phương pháp tổng độ lún các lớp phân tố của vùng chịu lún tính từ mũi cọc trở xuống. - Điều kiện : S < [S] 4.1.2.8 Tính toán và cấu tạo đài cọc. - Chọn chiều cao đài cọc và vẽ tháp chọc thủng. - Xác định moment và cốt thép cho đài cọc theo hai phương tại các mặt cắt (vị trí ngàm) ở mép cột. 4.1.2.9 Kiểm tra khả năng chịu tải ngang. Nội dung của việc kiểm tra nhằm mục đích tính toán về điều kiện chịu uốn của cọc. Khi có thành phần lực ngang tác dụng lên đầu cọc. Từ đó tính toán và bố trí cốt thép cho cọc. Việc tính toán bao gồm các bước : - Xác định chuyển vị ngang của đầu cọc - Từ các giá trị chuyển vị, tính toán và vẽ bản đồ moment, lực cắt của cọc theo độ sâu Z. - Tính toán cốt thép dọc theo điều kiện chịu với cốt đai theo lực cắt lớn nhất tại đầu cọc. Tuy nhiên, để đơn giản chiều dài cốt thép trong thân cọc có thể tính toán và xác định gần đúng bằng trị số 4/ , trong đó được xác định theo biểu thức mb sau đây : α tt (4.17) EJ Trong đó có hệ số m và btt tra theo bảng dưới đây. Trường hợp chiều dài cọc nhỏ hơn giá trị 4/ thì bố trí cốt thép dọc suốt chiều dài cọc Hệ số m (KPa/m2) Chu vi ngang của cọc đơn trên Tên và trạng thái đất mặt đất < 6mm 3 - Bùn khi IL 1 (5  7,5) x 10 3 - Đất sét (0,75< IL 1) (7,5  12) x 10 - Đất cát mịn rời, đất đắp rời 55
55. - Đất sét (0,25 1 0,9 (d + 1) b+1 1 0,9 (1,5d + 0,5) 1,5b + 0,5 4.1.2.10 Yêu cầu cấu tạo trong thiết kế cọc khoan nhồi. a. Bêtông : Bê tông đổ cọc khoan nhồi là bê tông thường, nhưng phải có độ sụt lớn để đảm bảo tính liên tục của cọc và tránh bị phân tầng (thường chọn độ sụt từ 12 – 16cm). Mác bê tông thường lớn hơn 200. b. Cốt thép : Cốt thép dọc của cọc được xác định theo tính toán (cọc đài cao), nhưng phải thỏa mãn điều kiện cấu tạo : - Khi chịu kéo : Thép bố trí suốt trên chiều dài cọc, cốt dọc nối phải dùng phương pháp hàn. Khi lực nhổ nhỏ thép dọc phải bố trí đến độ sâu cần thiết để lực kéo được triệt tiêu hoàn toàn do lực ma sát. - Khi chịu nén dọc trục, hàm lượng thép tối thiểu  0,2 – 0,4%, đường kính thép 10mm và bố trí đều trên chu vi cọc. Đối với cọc chịu tải trọng ngang, hàm lượng thép  0,4 – 0,65%. Cốt đai 6 10 và khoảng cách a = 20 – 30cm, có thể dùng đai xoắn ốc hoặc đai vòng đơn, hàn với thép dọc. 56
56. Khi chiều dài lồng thép > 4m để tăng cường độ cứng bố trí thêm thép đai 12 cách khoảng 2m, các cốt đai này được gắn các cục kê, tạo lớp bê tông bảo vệ cho cốt thép. Trong quá trình thi công, có thể bố trí cốt thép tăng cường để cẩu lắp và tăng độ cứng của lồng cốt thép. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ thường lớn hơn 5cm. Bố trí các ống để kiểm tra bằng siêu âm cọc. 4.1.3 Thi công móng cọc khoan nhồi. 4.1.3.1 Khoan tạo lỗ. Thiết bị khoan, có thể sử dụng các thiết bị sau: - Tận dụng các bệ máy và cơ cấu quay của của các máy khoan địa chất công trình và địa chất thuỷ văn mà nước ta đã nhập từ trước năm 1990. Khi sử dụng những máy này cần có những bộ phận chuyên dùng cho công tác khoan của cọc khoan nhồi như mũi khoan và gầu khoan có đường kính lớn. - Sử dung các thiết bị, máy chuyên dùng : Loại này được thiết kế chuyên dùng cho công nghệ khoan cọc nhồi. Không phải chế tạo thêm các phụ tùng phục vụ mà sử dụng ngay, trực tiếp. Đầu khoan, thường sử dụng 3 loại sau: - Mũi khoan gắn kim loại rắn hoặc bánh xe quay: Những loại này thường dùng khi khoan qua lớp đá cứng hoặc quá trình khoan gặp phải lớp nhiều cuội sỏi trầm tích lửng lơ (trầm tích đáy ao hồ) thành dạng thấu kính chưa đến độ sâu đặt móng theo thiết kế. Loại mũi khoan này dùng khá phổ biến trong khâu khoan bắn mìn phá đá trong các mỏ khai thác đá. - Mũi khoan cánh xoắn: thường dùng loại mũi khoan này để khoan đất sét, khoan đất lớp trên có nhiều rễ cây nhỏ, gạch vỡ, mảnh sành, cỏ rác. Khi gặp lớp cát lẫn cuội khá chặt, mỏng, có thể dùng loại mũi khoan này để đào xuyên hoặc xới tơi cho gàu vét tiếp. 57
57. Hình 4.1 Đào hố khoan bằng mũi khoan thường Hình 4.2 Đào hố khoan bằng gầu khoan thùng - Gàu khoan thùng: gàu kiểu thùng có nắp kiêm lưỡi cắt đất ở đáy. Nắp gắn với thân thùng bằng bản lề. ở nắp đáy có hai hoặc ba rãnh cắt đất (miệng cắt) bố trí hướng tâm nắp. Có gắn răng đào ở cửa cắt đất này. Loại gàu này thích hợp với đất thịt, đất sét dạng bùn, cát hạt nhỏ, hạt trung hoặc cát có hàm lượng sỏi không quá nhiều trong môi trường sũng nước. 58
58. Ống chống vách : - Ống vách có đường kính lớn hơn đường kính cọc là 100 mm. Chiều dài của ống vách từ 3 mét đến cả chiều sâu cọc nếu cần. Thường làm ống vách dài 4- 8 mét. Chiều dày tấm thép để cuộn thành ống vách từ 10-20 mm. Nhiệm vụ của ống vách là chống giữ cho vách khoan ở lớp trên ngay từ mặt đất xuống không bị xập, sụt và giữ cho đất chung quanh ở lớp trên của hố khoan không chui vào hố khoan làm ảnh hưởng xấu đến công trình hiện có ở chung quanh nơi đang thi công. Hình 4.3 Lắp đặt ống chống vách cho cọc khoan nhồi - Thường ống vách này rút lên ngay sau khi đổ bê tông vừa xong để sử dụng cho nhiều hố. Rút lên ngay sau khi đổ bê tông làm cho bê tông ở vùng có vách tạo nên áp lực nén trực tiếp vào thành đất và tạo ra mặt không phẳng, làm tăng ma sát bên của cọc lên, tăng độ an toàn cho cọc. Khi cọc nằm quá sát công 59
59. trình liền kề thì nên giữ vách lại mà không rút lên với mục đích không làm rung động công trình liền kề. - Có thể làm vách bằng vỏ bê tông cốt thép rổi để lại luôn cùng với cọc. Sử dụng vách bằng bê tông cốt thép rất yên tâm trong khâu chống sập vách. Việc sử dụng dung dịch bùn khoan bentonite: - Bentonite là loại đất sét có kích thước hạt nhỏ hơn so với hạt đất sét kaolinite. Nên dùng đất sét bentonite để chế tạo bùn khoan. Khi hiếm đất sét bentonite có thể dùng một phần đất sét địa phương (kaolinite) nhưng đất này phải có chỉ số dẻo không nhỏ hơn 0,2 và chứa hạt có kích thước lớn hơn 0,05 không quá 10% và các hạt nhỏ hơn 0,005 không ít hơn 30%. - Dung dịch sét có thành phần và tính chất đảm bảo sự ổn định của hố đào trong thời gian xây dựng và lấp đầy hố. Hình 4.4 Kiểm tra độ pH dung dịch bentonitte - Dung dịch sét bentonite có hai tác dụng chính : 60
60. + Làm cho thành hố đào không bị sập nhờ dung dịch chui vào các khe cát, khe nứt quyện với cát dễ sụp lở để giữ cho cát và các vật thể vụn không bị rơi và tạo thành một màng đàn hồi bọc quanh thành vách hố giữ cho nước không thẩm thấu vào vách. + Tạo môi trường nặng nâng những đất đá, vụn khoan, cát vụn nổi lên mặt trên để trào hoặc hút khỏi lỗ khoan. Thổi rửa hố khoan khi đã đạt chiều sâu: - Khi khoan đạt độ sâu, ngưng cho cát lắng đọng trong thời gian 30 phút, lấy gàu vét cho hết lớp cát lắng đọng rồi bắt đầu thổi rửa cho sạch những mùn khoan và cát lẫn trong dung dịch. - Nếu dung trọng của bùn vượt quá những chỉ số đặc trưng đã nêu, khi đổ bê tông, bê tông không đùn hết được bùn khỏi lỗ khoan để chiếm chỗ của nó, gây ra những túi bùn trong bê tông. Nếu không vét sạch cát lắng đọng dưới đáy hố khoan sẽ tạo ra một lớp bùn đệm giữa cọc và nền đáy cọc, khi chịu tải cọc sẽ bị lún quá mức cho phép. 4.1.3.2 Đặt lồng cốt thép. Hình 4.5 Lắp dựng cốt thép cọc (tháo cốt thép giá) 61
61. Cốt thép trong cọc khoan nhồi sâu ít có ý nghĩa chịu tải mà chỉ có tính chất cấu tạo. Tuỳ người thiết kế qui định nhưng thường thép ít khi đặt đến đáy cọc. Thanh thép hiện nay bán trên thị trường dài 11,7 mét nên cọc khoan nhồi hay chọn chiều sâu có bội số của 11,7 mét. Móng cọc nhồi của các trụ cầu hay làm có chiều sâu tới đáy. Cốt thép khuyếch đại thành các lồng từng đoạn 11,7 mét. Sau khi được phép thả thép sẽ móc vào cần trục thả xuống hố. Thả xong một khoanh, nếu nối thì ngáng gỗ qua đầu trên của lồng để nối với đoạn trên. Khi nối chắc sẽ tháo rút thanh gỗ để hạ tiếp cho đến khi đủ độ sâu. Trên cùng, có 3 thanh thép tạo móc vào miệng ống vách để giữ lồng thép. 4.1.3.3 Đổ bê tông. Bê tông được đổ khi đã kiểm tra độ sạch của hố khoan và việc đặt cốt thép. Thường lắp lại ống trémie dùng khi thổi rửa lúc trước để dùng làm ống dẫn bê tông. Các yêu cầu đổ bê tông: - Ống dẫn bê tông được nút bằng bao tải hoặc túi nylon chứa vữa ximăng cát 1:2 hay bọt xốp dạng hạt để tránh những túi khí trong lúc đổ bê tông ban đầu. Nút này sẽ bị bê tông đẩy ra khi đổ. - Miệng dưới của ống dẫn bê tông luôn ngập trong bê tông tối thiểu là 1 mét những không nên sâu quá 3 mét. Hình 4.6 Đổ bê tông thi công móng cọc khoan nhồi 62
62. - Khi đổ bê tông, bê tông được đưa xuống sâu trong lòng khối bê tông, qua miệng ống sẽ tràn ra chung quanh, nâng phần bê tông đã xuống lúc đầulên cao dần, bê tông được nâng từ đáy lên trên. Như thế, chỉ có một lớp bê tông trên mặt của bê tông tiếp xúc với nước bentonite còn bêtông trong lòng chất lượng vẫn rất tốt. - Bê tông phải đổ liên tục cho đến đủ độ cao. Khi rót mẻ cuối cùng, lúc nâng rút vách được 1,5 mét nên đổ thêm bê tông để bù vào chỗ bê tông chảy lan vào những hốc quanh hố được tạo nên, nếu có khi khoan sâu. Hình 4.7 Trình tự thi công móng cọc khoan nhồi 63
63. Hình 4.8 Trình tự thi công móng cọc khoan nhồi có mở rộng tiết diện mũi cọc 4.1.4 Kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi. Chất lượng cọc khoan nhồi là khâu hết sức quan trọng vì chi phí cho việc chế tạo một cọc rất lớn cũng như cọc phải chịu tải lớn. Chỉ cần sơ xuất nhỏ trong bất kỳ một khâu nào của quá trình khảo sát địa chất, khâu thiết kế nền móng hay khâu thi công cũng đủ làm ảnh hưởng đến chất lượng công trình. 4.1.4.1 Kiểm tra trước khi thi công. Cần lập phương án thi công tỷ mỷ, trong đó ấn định chỉ tiêu kỹ thuật phải đạt và các bước cần kiểm tra cũng như sự chuẩn bị công cụ kiểm tra. Những công cụ kiểm tra đã được cơ quan kiểm định đã kiểm và đang còn thời hạn sử dụng. Nhất thiết phải để thường trực những dụng cụ kiểm tra chất lượng này kề với nơi thi công và luôn luôn trong tình trạng sãn sàng phục vụ. Phương án thi công này phải được tư vấn giám sát chất lượng thoả thuận và đại diện Kiến trúc sư/Kỹ sư là chủ nhiệm dự án đồng ý. Cần có tài liệu địa chất công trình do bên khoan thăm dò đã cung cấp cho thiết kế để ngay tại nơi thi công sẽ dùng đối chiếu với thực tế khoan. Kiểm tra tình trạng vận hành của máy thi công, dây cáp, dây cẩu, bộ phận truyền lực, thiết bị hãm, các phụ tùng máy khoan như bắp chuột, gàu, răng gàu, các máy phụ trợ phục vụ khâu bùn khoan, khâu lọc cát như máy bơm khuấy bùn, máy tách cát, sàng cát. 64
64. Kiểm tra lưới định vị công trình và từng cọc. Kiểm tra các mốc khống chế nằm trong và ngoài công trình, kể cả các mốc khống chế nằm ngoài công trường. Những máy đo đạc phải được kiểm định và thời hạn được sử dụng đang còn hiệu lực. Người tiến hành các công tác về xác định các đặc trưng hình học của công trình phải là người đươc phép hành nghề và có chứng chỉ. 4.1.4.2 Kiểm tra trong khi thi công. Quá trình thi công cần kiểm tra chặt chẽ các công đoạn : - Kiểm tra chất lượng kích thước hình học. Những số liệu cần được khẳng định: vị trí từng cọc theo hai trục vuông góc do bản vẽ thi công xác định. Việc kiểm tra dựa vào hệ thống trục gốc trong và ngoài công trường. Kiểm tra các cao trình : mặt đất thiên nhiên quanh cọc, cao trình mặt trên ống vách. Độ thẳng đứng của ống vách hoặc độ nghiêng cần thiết nếu được thiết kế cũng cần kiểm tra. - Kiểm tra các đặc trưng của địa chất công trình và thuỷ văn. Cứ khoan được 2 mét cần kiểm tra loại đất ở vị trí thực địa có đúng khớp với báo cáo địa chất của bên khảo sát đã lập trước đây không. Cần ghi chép theo thực tế và nhận xét những điều khác nhau, có những điều chỉnh nếu cần thiết. - Kiểm tra dung dịch khoan trước khi cấp dung dịch vào hố khoan, khi khoan đủ độ sâu và khi xục rửa làm sạch hố khoan xong. - Kiểm tra cốt thép trước khi thả xuống hố khoan. Các chỉ tiêu phải kiểm tra là đường kính thanh, độ dài thanh chủ, khoảng cách giữa các thanh, độ sạch dầu mỡ. - Kiểm tra đáy hố khoan: Chiều sâu hố khoan được đo hai lần, ngay sau khi vừa đạt độ sâu thiết kế và sau khi để lắng và vét lại. Sau khi thả cốt thép và thả ống trémie, trước lúc đổ bê tông nên kiểm tra để xác định lớp cặn lắng. Nếu cần có thể lấy thép lên, lấy ống trémie lên để vét tiếp cho đạt độ sạch đáy hố. Để đáy hố không sạch sẽ gây ra độ lún dư quá mức cho phép. - Kiểm tra các khâu của bê tông trước khi đổ vào hố. Các chỉ tiêu kiểm tra là chất lượng vật liệu thành phần của bê tông bao gồm cốt liệu, xi măng, nước, chất phụ gia, cấp phối. Đến công trường tiếp tục kiểm tra độ sụt, đúc mẫu để kiểm tra số hiệu, sơ bộ đánh giá thời gian sơ ninh. - Các khâu cần kiểm tra khác như nguồn cấp điện năng khi thi công, kiểm tra sự liên lạc trong quá trình cung ứng bê tông, kiểm tra độ thông của máng, mương đón dung dịch trào từ hố khi đổ bê tông 4.1.4.3 Các phương pháp kiểm tra chất lượng cọc nhồi sau khi thi công. Như ta đã thấy ở sơ đồ các phương pháp kiểm tra chất lượng cọc nhồi, thường có những điểm cần lưu ý về chất lượng của nền và chất lượng của bản thân cọc. 65
65. Sau khi thi công xong cọc nhồi, vấn đề kiểm tra cả hai chỉ tiêu này có nhiều giải pháp đã được thực hiện với những công cụ hiện đại. Có thể chia theo các phương pháp tĩnh và động. Lại có thể chia theo mục đích thí nghiệm như kiểm tra sức chịu của nền và chất lượng cọc. Ngày nay có nhiều công cụ hiện đại để xác định những chỉ tiêu mà khi tiến hành kiểm tra kiểu thủ công thấy là hết sức khó. a. Kiểm tra bằng phương pháp tĩnh: Phương pháp gia tải tĩnh: Phương pháp này cho đến hiện nay được coi là phương pháp trực quan, dễ nhận thức và đáng tin cậy nhất. Phương pháp này dùng khá phổ biến ở nước ta cũng như trên thế giới. Theo yêu cầu mà có thể thực hiện theo kiểu nén, kéo dọc trục cọc hoặc đẩy theo phương vuông góc với trục cọc. Thí nghiệm nén tĩnh được thực hiện nhiều nhất nên chủ yếu đề cập ở đây là nén tĩnh. Có hai qui trình nén tĩnh chủ yếu được sử dụng là qui trình tải trọng không đổi (Maintained Load, ML) và qui trình tốc độ dịch chuyển không đổi (Constant Rate of Penetration, CRP). Qui trình nén với tải trọng không đổi (ML) cho ta đánh giá khả năng chịu tải của cọc và độ lún cuả cọc theo thời gian. Thí nghiệm này đòi hỏi nhiều thời gian, kéo dài thời gian tới vài ngày. Qui trình nén với tốc độ dịch chuyển không đổi (CRP) thường chỉ dùng đánh giá khả năng chịu tải giới hạn của cọc, thường chỉ cần 3 đến 5 giờ. Nhìn chung tiêu chuẩn thí nghiệm nén tĩnh của nhiều nước trên thế giới ít khác biệt. Ta có thể so sánh tiêu chuẩn ASTM 1143-81 (Hoa kỳ), BS 2004 (Anh) và TCXD 196-1997 như sau : Qui trình nén chậm với tải trọng không đổi Chỉ tiêu so sánh ASTM D1143-81 BS 2004 TCXD 196-1997 Tải trọng nén tối đa, Qmax 200% Qa* 150%Qa~200%Qa 200%Qa Độ lớn cấp tăng tải 25% Qa 25% Qa 25%Qmax Tốc độ lún ổn định qui ước 0,25 mm/h 0,10mm/h 0,10 mm/h Cấp tải trọng đặc 200%Qa và 100%Qa, (100%&200%)Qa biệt và thời gian giữ 12 t 24h 150% Qa = 24h tải của cấp đó với t 6h Độ lớn cấp hạ tải 50%Qa 25%Qa Qa = 25%Qmax Qui trình tốc độ chuyển dịch không đổi Chỉ tiêu so sánh ASTM D 1143-81 BS 2004 TCXD 196-1997 66
66. Tốc độ chuyển dịch 0,25-1,25mm/min Không thể qui định Chưa có qui định cho cọc trong đất cụ thể cho loại thử kiểu sét này. Qui định về dừng 0,75~2,5mm/min Đạt tải trọng giới thí nghiệm cho cọc trong đất hạn đã định trước rời Chuyển dịch tăng Đạt tải trọng giới trong khi lực không hạn đã định trước tăng hoặc giảm Chuyển dịch đạt trong khoảng 15%D 10mm Chuyển dịch đạt 10%D Ghi chú: Qa = khả năng chịu tải cho phép của cọc Về đối trọng gia tải, có thể sử dụng vật nặng chất tải nhưng cũng có thể sử dụng neo xuống đất. Tuỳ điều kiện thực tế cụ thể mà quyết định cách tạo đối trọng. Với sức neo khá lớn nên khi sử dụng biện pháp neo cần hết sức thận trọng. Phương pháp gia tải tĩnh kiểu Osterberrg: Phương pháp này khá mới với thế giới và nước ta. Nguyên tắc của phương pháp là đổ một lớp bê tông đủ dày dưới đáy rồi thả hệ hộp kích (O-cell) xuống đó, sau đó lại đổ tiếp phần cọc trên. Hệ điều khiển và ghi chép từ trên mặt đất. Sử dụng phương pháp này có thể thí nghiệm riêng biệt hoặc đồng thời hai chỉ tiêu là sức chịu mũi cọc và lực ma sát bên của cọc. Tải thí nghiệm có thể đạt được từ 60 tấn đến 18000 tấn. Thời gian thí nghiệm nhanh thì chỉ cần 24 giờ, nếu yêu cầu cũng chỉ hết tối đa là 3 ngày. Độ sâu đặt trang thiết bị thí nghiệm trong móng có thể tới trên 60 mét. Sau khi thử xong, bơm bê tông xuống lấp hệ kích cho cọc được liên tục. Tiến sĩ Jorj O. Osterberg là chuyên gia địa kỹ thuật có tên tuổi, hiện sống tại Hoa kỳ. Ông về hưu năm 1998 nhưng là giáo sư danh dự của Northwestern University, Viện sĩ Viện Hàn lâm Kỹ thuật, 1985 là giảng viên trường Tersaghi, năm 1988 là thành viên Viện nền móng sâu. Năm 1994 phương pháp thử tĩnh Osterberg ra đời với tên O-Cell, được cấp chứng chỉ NOVA. Chứng chỉ NOVA là dạng được coi như giải Nobel về xây dựng của Hoa kỳ. Phương pháp thử tĩnh O-Cell có thể dùng thử tải cọc nhồi, cọc đóng, tường barettes, thí nghiệm tải ở hông cọc, thí nghiệm ở cọc làm kiểu gầu xoay (Auger Cast Piles). b. Phương pháp khoan lấy mẫu ở lõi cọc: Đây là phương pháp thử khá thô sơ. Dùng máy khoan đá để khoan, có thể lấy mẫu bê tông theo đường kính 50~150 mm, dọc suốt độ sâu dự định khoan. 67
67. Nếu đường kính cọc lớn, có thể phải khoan đến 3 lỗ nằm trên cùng một tiết diện ngang mới tạm có khái niệm về chất lượng bê tông dọc theo cọc. Phương pháp này có thể quan sát trực tiếp được chất lượng bê tông dọc theo chiều sâu lỗ khoan. Nếu thí nghiệm phá huỷ mẫu có thể biết được chất lượng bê tông của mẫu. Ưu điểm của phương pháp là trực quan và khá chính xác. Nhược điểm là chi phí lấy mẫu khá lớn. Nếu chỉ khoan 2 lỗ trên tiết diện cọc theo chiều sâu cả cọc thì chi phí xấp xỉ giá thành của cọc. Thường phương pháp này chỉ giải quyết khi bằng các phương pháp khác đã xác định cọc có khuyết tật. Phương pháp này kết hợp kiểm tra chính xác hoá và sử dụng ngay lỗ khoan để bơm phụt xi măng cứu chữa những đoạn hỏng. Phương pháp này đòi hỏi thời gian khoan lấy mẫu lâu, quá trình khoan cũng phức tạp như phải dùng bentonite để tống mạt khoan lên bờ, phải lấy mẫu như khoan thăm dò đá và tốc độ khoan không nhanh lắm. c. Phương pháp siêu âm: Phương pháp này khá kinh điển và được dùng phổ biến. Phương pháp thử là dạng kỹ thuật đánh giá kết cấu không phá huỷ mẫu thử (Non-destructive evaluation, NDE). Khi thử không làm hư hỏng kết cấu, không làm thay đổi bất kỳ tính chất cơ học nào của mẫu. Phương pháp được Châu Âu và Hoa kỳ sử dụng khá phổ biến. Cách thử thông dụng là quét siêu âm theo tiết diện ngang thân cọc. Tuỳ đường kính cọc lớn hay nhỏ mà bố trí các lỗ dọc theo thân cọc trước khi đổ bê tông. Lỗ dọc này có đường kính trong xấp xỉ 60 mm vỏ lỗ là ống nhựa hay ống thép. Có khi người ta khoan tạo lỗ như phương pháp kiểm tra theo khoan lỗ nói trên, nêu không để lỗ trước. Đầu thu phát có hai kiểu: kiểu đầu thu riêng và đầu phát riêng, kiểu đầu thu và phát gắn liền nhau. Nếu đường kính cọc là 600 mm thì chỉ cần bố trí hai lỗ dọc theo thân cọc đối xứng qua tâm cọc và nằm sát cốt đai. Nếu đường kính 800 mm nên bố trí 3 lỗ. Đường kính 1000 mm, bố trí 4 lỗ Khi thử, thả đầu phát siêu âm xuống một lỗ và đầu thu ở lỗ khác. Đường quét để kiểm tra chất lượng sẽ là đường nối giữa đầu phát và đầu thu. Quá trình thả đầu phát và đầu thu cần đảm bảo hai đầu này xuống cùng một tốc độ và luôn luôn nằm ở cùng độ sâu so với mặt trên của cọc. Phức tạp của phương pháp này là cần đặt trước ống để thả đầu thu và đầu phát siêu âm. Như thế, người thi công sẽ có chú ý trước những cọc sẽ thử và làm tốt hơn, mất yếu tố ngẫu nhiên trong khi chọn mẫu thử. Nếu làm nhiều cọc có ống thử siêu âm quá số lượng yêu cầu sẽ gây ra tốn kém. d. Thử bằng phóng xạ (Carota): Phương pháp này cũng là một phương pháp đánh giá không phá huỷ mẫu thử (NDE) như phương pháp siêu âm. Cách trang bị để thí nghiệm không khác gì phương pháp siêu âm. Điều khác là thay cho đầu thu và đầu phát siêu âm là đầu 68
68. thu và phát phóng xạ. Nước ta đã sản xuất loại trang bị này do một cơ sở của quân đội tiến hành. Giống như phương pháp siêu âm, kết quả đọc biểu đồ thu phóng xạ có thể biết được nơi và mức độ của khuyết tật trong cọc. e. Phương pháp đo âm dội: Phương pháp này thí nghiệm kiểm tra không phá huỷ mẫu để biết chất lượng cọc, cọc nhồi, cọc barrettes. Nguyên lý là sử dụng hiện tượng âm dội (Pile Echo Tester, PET). Nguyên tắc hoạt động của phương pháp là gõ bằng một búa 300 gam vào đầu cọc, một thiết bị ghi gắn ngay trên đầu cọc ấy cho phép ghi hiệu ứng âm dội và máy tính sử lý cho kết quả về nhận định chất lượng cọc. Với sự tiện lợi là chi phí cho kiểm tra hết sức thấp nên có thể dùng phương pháp này thí nghiệm cho 100% cọc trong một công trình. Nhược điểm của phương pháp là nếu chiều sâu của cọc thí nghiệm quá 20 mét thì độ chính xác của kết quả là thấp. f. Các phương pháp thử động: Các phương pháp thử động ngày nay đã vô cùng phong phú. Với khái niệm động lực học của cọc, thị trường công cụ thử nghiệm có rất nhiều trang thiết bị như máy phân tích đóng cọc để thử theo phương pháp biến dạng lớn (PDA), máy ghi kết quả thử theo phương pháp biến dạng nhỏ (PIT), máy ghi saximeter, máy phân tích hoạt động của búa (Hammer Performance Analyzer, HPA), máy ghi kết quả góc nghiêng của cọc (angle analyzer), máy ghi kết quả đóng cọc (Pile installation recorder, PIR), máy phân tích xuyên tiêu chuẩn (SPT analyzer) Máy phân tích cọc theo phương pháp biến dạng lớn PDA có loại mới nhất là loại PAK. Máy này ghi các thí nghiệm nặng cho môi trường xây dựng ác nghiệt. Máy này ghi kết quả của phương pháp thử biến dạng lớn cho công trình nền móng, cho thăm dò địa kỹ thuật. Phần mềm sử lý rất dễ tiếp thu. Số liệu được tự động lưu giữ vào đĩa để sử dụng về sau. Chương trình CAPWAPđ cài đặt được vào PAK nên việc đánh giá khả năng toàn vẹn và khả năng chịu tải của cọc rất nhanh chóng. Sử dụng phương pháp thử Biến dạng nhỏ (PIT) là cách thử nhanh cho số lớn cọc. Phép thử cho biết chất lượng bê tông cọc có tốt hay không, tính toàn vẹn của cọc khi kiểm tra các khuyết tật lớn của cọc. Các loại máy phân tích PIT dùng nguồn năng lượng pin, cơ động nhanh chóng và sử dụng đơn chiếc. Dụng cụ của phương pháp PIT dùng tìm các khuyết tật lớn và nguy hiểm như nứt gãy, thắt cổ chai, lẫn nhiều đất trong bê tông hoặc bê tông bị rỗng. g. Phương pháp trở kháng cơ học: 69