Nền nhân tạo

Chương 5. Nền nhân tạo 5-1 Chương 5 NỀN NHÂN TẠO 5.1. Khái niệm Khi mà nền thiên nhiên không đủ sức chịu, không đủ độ bền và bị biến dạng nhiều, thì người ta xử lý nhân tạo. Có nhiều phương pháp gia cố nền yếu. Tuỳ thuộc vào từng loại công trình, tuỳ thuộc vào điều kiện kinh tế kỹ thuật mà mà chọn lựa phương pháp thích hợp. Trong bảng dưới đây sẽ trình bày 1 cách tóm tắt những phương pháp thông dụng hiện nay. 5.2. Đệm cát 5.2.1. Phạm vi áp dụng Lớp đệm cát được sử dụng có hiệu quả nhất khi lớp đất yếu ở trạng thái bùn nhão hoà nước (sệt nhão, sệt pha nhão, cát pha nhão hoà nước, bùn, than bùn) và chiều dày nhỏ hơn 3m. Đệm cát thường làm bằng cát hạt to, cát hạt trung hoặc pha hai loại đó với nhau. Việc thay thế lớp đất yếu bằng đệm cát có những tác dụng chủ yếu say đây : - Sau khi thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới móng công trình đệm cát đóng vai trò như 1 lớp chịu lực, có khả năng tiếp thu (nhận) được tải trọng công trình và truyền tải trọng đó xuống lớp đất thiên nhiên phía dưới ; - Giảm bớt độ lún toàn bộ và độ lún không đều của công trình, đồng thời làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền (vì cát trong lớp đệm có hệ số thấm lớn) ; - Làm tăng khả năng ổn định của công trình kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng, vì cát được nén chặt sẽ tăng lực ma sát và tăng sức chống trượt ; - Kích thước móng và chiều sâu chân móng sẽ được giảm bớt vì áp lực tính toán của đất nền tăng lên. Phương pháp này có những tác dụng tốt như vậy, mà thi công lại đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp nên được sử dụng rộng rãi. Tuy vậy, trong những trường hợp bất lợi sau đây thì không nên dụng cát đệm: - Lớp đất yếu phải thay thế có chiều dày lớn hơn 3m. Vì lớp đệm cát có chiều dày lớn hơn 3m thì tốn rất nhiều cát, thi công khó và chi phí lớn ; - Mực nước ngầm cao và có áp, vì như vậy việc hạ mực nước rất tốn kém và mặt khác đệm cát sẽ không ổn định. 5.2.2. Xác định kích thước đệm cát Việc xác định kích thước đệm cát một cách chính xác là một bài toán phức tạp, vì đệm cát và lớp đất yếu có tính chất hoàn toàn khác nhau. Với mức độ thực tế cho phép, có thể coi lớp đệm cát như 1 bộ phận của đất nền, tức là đồng nhất và biến dạng tuyến tính. Do đó có thể sử dụng được những công thức tính ứng suất và biến dạng của môn cơ học đất. Để đảm bảo cho đệm cát ổn định và biến dạng trong giới hạn cho phép, thì phải đảm bảo điều kiện : σ1 + σ2 ≤ Rdy (5.1) Chương 5. Nền nhân tạo 5-2 bd hM hd b Ntc0 γhM α α σ −γ0tc hM Trong đó : σ1_ Ứng suất thường xuyên do trọng lượng bản thân của đất trên cốt đáy móng và của đệm cát tác dụng trên mặt lớp đất yếu và đáy đệm cát. σ1 = γdhd + γhM (5.2) Hình 5.1: Sơ đồ tính toán đệm cát hM và hd_ Chiều sâu đặt móng và chiều dày lớp đệm cát ; γ và γd_ Dung trọng của đất và của lớp đệm cát ; σ2 _ Ứng suất do công trình gây ra, truyền trên mặt lớp đất yếu dưới đáy đệm cát ; σ2 = K0(σ0tc – γhM) K0_ Hệ số phụ thuộc vào m = b z2 và n = b l ; z_ Chiều sâu của điểm đang xét; l_ Chiều dài móng; b_ Chiều rộng móng (tra bảng 5.1); σ0tc_ Ứng suất tiêu chuẩn trung bình dưới đáy móng xác định như sau: a) Trường hợp móng chịu tải trung tâm : σ0tc = γtb. HM + F Ntc0∑ b) Trường hợp móng chịu tải lệch tâm : σ0tc = 2 1( σmax tc + σmintc ) Chương 5. Nền nhân tạo 5-3 tc min maxσ = γtb. HM + F Ntc0∑ ± W Mtc∑ Trong đó : ∑ N0tc_ Tổng tải trọng tiêu chuẩn thẳng đứng của công trình tác dụng lên móng; ∑ M0tc_ Tổng mô men do tải trọng tác dụng vào móng; F_ Diện tích đáy móng; W_ Mô men chống uốn của tiết diện đáy móng và đất đắp lên móng. Cường độ tính toán tại mặt lớp đất yếu, dưới đáy lớp đệm cát xác định theo công thức : Rdy = . Ktc m.m 21 (Aby γII + BHy γII’ + DCII) Trong đó: A, B, C_ Các hệ số phụ thuộc ϕ II tra bảng; by_ Chiều rộng móng quy ước, xác định như sau: - Đối với móng băng by = . l. N 2 tc 0 σ ∑ (5.8) - Đối với móng chữ nhật : by = ∆−+∆ .Fy2 (5.9) ∆= 2 bl− (5.10) Fy = 2 tc 0N σ ∑ (5.11) γtb – dung trọng trung bình của các lớp đất kể từ mặt đất thiên nhiên đến lớp đệm cát, có kể đến sức đẩy nổi của nước. CII - giá trị tính toán thứ 2 của lực dính đơn vị của đất nền ở đáy lớp đệm cát. Để đơn giản trong tính toán, chiều dày lớp đệm cát hd có thể xác định theo công thức gần đúng sau đây : hd =K.b (4-12) Trong đó: K_ hệ số phụ thuộc vào tỉ số b l và 2 1 R R tra trên biểu đồ hình 5.2; Chương 5. Nền nhân tạo 5-4 Hình 5.2. Biểu đồ xác định hệ số K. R1_ Cường độ tính toán của đệm cát, thường xác định bằng thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường hoặc theo công thức quy phạm; R2_ Cường độ tính toán của lớp đất yếu nằm dưới lớp cát đệm, thường xác định bằng bàn nén tại hiện trường hoặc theo CII, ϕ II. Chiều rộng đệm cát xác định theo công thức : bd = b + 2hd.tgα (5.13) Theo kinh nghiệm thiết kế, để đảm bảo yêu cầu về ổn định thì góc truyền lực α thường lấy bằng góc ma sát trong của cát (cũng là góc nghỉ thiên nhiên của cát (α = ϕ d) hoặc có thể lấy trong giới hạn = 30 ÷ 450. Sau khi xác định được kích thước của đệm ta phải kiểm tra lại điều kiện (5.1) và bảo đảm độ lún trong giới hạn cho phép : S = S1 +S2 ≤ Sgh (5.14) Hình 5.3. Móng trên đệm cát. Trong đó: S1 : độ lún của đệm cát; Chương 5. Nền nhân tạo 5-5 S2 : độ lún của lớp đất dưới đệm cát (trong vùng chịu nén cực hạn); Sgh : độ lún giới hạn cho phép; Thông thường người ta cấu tạo đệm cát như hình bên để đảm bảo hố đào trong đất yếu không bị sụt lở và phù hợp với biểu đồ ứng suất dưới đế móng.Theo kinh nghiệm có thể lấy cạnh AD = AE và BC = BG. 5.3. Nền cọc cát 5.3.1. Đặc điểm và phạm vi áp dụng Trước hết phải phân biệt cọc cát với các loại cọc cứng khác (bằng bê tông cốt thép, bằng thép, bằng gỗ, bằng tre…). Mạng lưới cọc cát làm nhiệm vụ gia cố nền, nên gọi là nền cọc cát. Còn các loại cọc cứng là một bộ phận của kết cấu móng (móng cọc) làm nhiệm vụ truyền tải của công trình xuống nền. Cọc cát có những đặc điểm sau đây : - Làm nhiệm vụ như giếng cát, giúp cho nước lỗ rỗng trong đất thoát ra nhanh, nên làm cho quá trình cố kết của đất tăng lên và độ lún chóng ổn định hơn ; - Khi thi công nền cọc cát thì trước hết ống thép (tạo lỗ) đã bước đầu làm giảm thể tích đất, sau đó cát trong các lỗ đó lại tiếp tục nén chặt đất thêm. Tức là làm cho độ rỗng của đất giảm bớt, nước lỗ rỗng trong đất thoát ra và do đó làm cho cường độ của nền cọc cát (bao gồm cọc cát và đất giữa các cọc) được tăng lên. Như vậy là nền đất được tốt lên một cách rõ rệt ; - Nền cọc cát được thi công một cách đơn giản với các vật liệu rẻ tiền (cát thô, sạn sỏi) nên giá thành thường ít hơn các loại móng cọc và đệm cát ; Do những ưu điểm như vậy nên cọc cát thường được dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày lớn (≥ 3m). Trong những trường hợp sau đây thì không nên dùng cọc cát : - Đất quá nhão yếu, lưới cọc cát không thể lèn chặt được đất. Chúng tôi đề nghị, khi hệ số rỗng nén chặt enc > 1 chứng tỏ hiệu quả nén chặt của cọc cát rất ít, và như vậy thì không nên dùng cọc cát. - Chiều dày lớp đất yếu nhỏ hơn 2m, thì dùng đệm cát lại tốt hơn cọc cát. 5.3.2. Tính toán nền cọc cát Người ta thi công cọc cát bằng máy chuyên dùng. Ống thép tạo lỗ và nhồi cát vào lòng đất có đường kính 400 - 500 mm. Trước khi đóng cọc cát phải biết hệ số rỗng thiên nhiên của lớp đất yếu (theo kết quả khảo sát). Sau khi nén chặt bằng cọc cát, thì đất nền có hệ số rỗng nén chặt. Tương ứng với enc đó, cần phải bảo đảm độ chặt của nền đất (được gia cố bằng cọc cát) có giá trị ID = 0,7 - 0,8. Hệ số rỗng của nền cát được gia cố bằng cọc cát : enc = emax - ID (emax - emin) (5.16) Trong đó : emax : hệ số rỗng của cát ở trạng thái xốp nhất emin : hệ số rỗng của cát ở trạng thái chặt nhất Chương 5. Nền nhân tạo 5-6 Đối với nền đất dính được nén chặt bằng cọc cát : enc = ( ) 2.100 WW . pt w s − γ γ (5.16a) Diện tích đất nền được nén chặt bởi các cọc cát là : Fnc = 1,4b (l + 0,4b) (5.17) Ở đây : b - chiều rộng đáy móng (tính bằng m); l - chiều dài đáy móng (m). Tỷ lệ diện tích tiết diện của tất cả các cọc cát Fc đối với diện tích đất nền được nén chặt Fnc được xác định như sau : 0 nc0 nc 0 e1 ee F F + −=Ω= (5.18) Từ đó số lượng cọc cát cần thiết để nén chặt nền đất yếu là : n = c nc f FΩ (5.19) fc - diện tích tiết diện mỗi cọc cát (lấy bằng diện tích tiết diện của ống thép khi tạo lỗ cọc cát). Cọc cát thường được bố trí theo đỉnh lưới hình tam giác đều. Đó là sơ đồ bố trí hợp lý nhất để đảm bảo cho đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc cát. FncFmãng 0,2b 0,2bb Hình 5.4: Bố trí các cọc cát để nén chặt nền. Khoảng cách giữa các cọc cát là : L = 0,95d 0nc nc γ−γ γ (5.20) Trọng lượng riêng của đất sau khi nén chặt bằng cọc cát : nc s c e1+ γ=γ (1+W) (5.21) Chương 5. Nền nhân tạo 5-7 Trong đó : W - độ ẩm của đất ở trạng thái thiên nhiên ; 0γ - trọng lượng riêng của đất ở trạng thái thiên nhiên; d - đường kính cọc cát. Cọc cát chỉ có tác dụng nén chặt đất nền theo chiều sâu, nếu số lượng cát chứa đầy trong các cọc đáp ứng được yêu cầu độ chặt cần thiết theo thiết kế. Trọng lượng cần thiết của cát cho mỗi mét dài của cọc được xác định theo công thức; G = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++ γ 100 W 1 e1 f nc sc (5.22) L L d A B C Hình 5.5: Sơ đồ xác định khoảng cách giữa tim các cọc cát. Trong đó: sγ - trọng lượng riêng của hạt cát dùng trong cọc ; W1 - độ ẩm của cát khi thi công cọc. Chiều sâu nén chặt của nền bằng chiều dài của cọc. Đối với móng hình chữ nhật thì chiều dài của cọc cát phải bằng hoặc lớn hơn 2 lần chiều rộng của móng tức là lc ≥ 2b. Đối với móng băng thì lc ≥ 4b. Khi chiều rộng của móng lớn hơn 10m thì có thể xác định chiều sâu đóng cọc cát như sau : lc ≥ 9m + 0,15b (khi đất nền là sét); lc ≥ 6m + 0,10b (khi đất nền là cát) Chương 5. Nền nhân tạo 5-8 5.4. Nền cọc vôi và cọc đất – ximăng 5.4.1. Đặc điểm và phạm vi áp dụng cọc vôi Cọc vôi thường được dùng để nén chặt các lớp đất yếu như: than bùn, bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão. Cọc vôi có những tác dụng sau đây: - Sau khi cọc vôi được đầm chặt, thì đường kính cọc vôi sẽ tăng lên 20% và đất xung quanh cọc được nén chặt lại. - Khi vôi được tôi trong lỗ khoan thì dưới nhiệt độ khoảng 120-1600C sẽ tạo ra một nhiệt lượng khoảng 280Kcal trên 1kg canxi. Với một nhiệt lượng lớn như vậy, nước lỗ rỗng trong đất sẽ bốc hơi, làm giảm độ ẩm trong đất và làm cho quá trình nén chặt đất tăng nhanh. Mặt khác, khi tôi vôi thì thể tích sẽ tăng lên khoảng 2 lần và do đó đất xung quang cọc cũng được nén chặt thêm nữa. Do những tác dụng của cọc vôi như vậy nền đất sẽ có những biểu hiện tốt lên như sau: - Độ ẩm của đất sẽ giảm đi khoảng 5 - 8%; - Modul biến dạng tăng khoảng 3 - 4 lần ; - Lực dính tăng lên khoảng 1,5 - 3 lần. Theo kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cường độ chịu nén 1 trục của mỗi cọc vôi có thể đạt tới 1000-2500 KPa. Cường độ của đất giữa các cọc vôi có thể tăng lên khoảng 2 lần. Và vì thế, sau khi gia cố thì nền cọc vôi có cường độ tăng lên khoảng 2-3 lần. Như vậy là nền đất yếu sau khi được gia cố bằng cọc vôi, thì cường độ được tăng lên một cách rõ rệt. Tuy nhiên, khi đất ở trạng thái quá nhão yếu (thường có độ sệt IL>1) thì cần phải thận trọng khi dụng cọc vôi, bởi vì hiệu quả nén chặt của cọc vôi sẽ rất bị hạn chế. Nhất là đối với loại bùn gốc sét và sét nhão yếu thì hiệu quả nén chặt ngày càng ít vì vôi tôi và đất sét đều là loại thấm nước ít nên nước lỗ rỗng trong đất được ép thoát ra rất khó. Trong trường hợp đó, thì nên dùng đệm cát, cọc cát hoặc các giải pháp xử lí nền khác. Ở nước ta thì cọc vôi còn được dùng rất ít nên chưa có kinh nghiệm mấy. 5.4.2. Thiết kế và thi công cọc vôi Việc tính toán và thiết kế cọc vôi tương tự như cọc cát. Nhưng chú ý là khả năng thoát nước của chúng khác nhau. Để thi công cọc vôi, trước hết phải khoan tạo lỗ. Đường kính hố khoan thông thường là 240 - 400mm. Nếu thành hố khoan bị sụt lở thì phải hạ ống chống bằng thép. Sau đó người ta cho từng lớp vôi sống dày khoảng 1m xuống lỗ khoan và đầm chặt từng lớp cho đến hết chiều dài hố khoan. Vừa đầm vừa rút ống chống lên. Hiệu quả nén chặt của cọc vôi phụ thuộc vào chất lượng đầm chặt ban đầu và phụ thuộc vào thành phần hoá học của vôi, trước hết phụ thuộc vào hàm lượng của MgO và CaO. Thông thường thì vôi canxi khi tôi có thể tích tăng lên nhiều hơn vôi dolomi. Độ chặt hoặc cường độ của nền cọc vôi cũng có thể kiểm tra tương tự như nền cọc cát. Nghĩa là có thể dùng bàn nén hiện trường và xuyên tiêu chuẩn để thí nghiệm kiểm ta. Chương 5. Nền nhân tạo 5-9 Trên đây là phương pháp thi công cọc vôi của Liên Xô cũ và một số nước Đông âu. Ở Thụy Điển và một số nước phương Tây người ta lại thi công cọc vôi bằng phương pháp khác. Khác với phương pháp trên, là ở chỗ vật liệu làm cọc. Sau đây sẽ trình bày phương pháp thi công loại cọc đất vôi. 5.4.3. Cọc đất - vôi 5.4.3.1. Chế tạo cọc đất - vôi Cọc đất vôi do máy LPS-3 của hãng Lindas Alimak của Thụy Điển sản xuất. Máy ALIMAX có cấu tạo như hình bên. Máy ALIMAX gồm hai bộ phận chính: phần máy điều khiển và xilo đựng vôi bột hoặc xi măng bột. Máy điều khiển hoạt động của bộ phận khoan và xilo. Lưỡi khoan như các ngoáy trứng khổng lồ. Lưỡi khoan có đường kính φ500mm, có tác dụng tạo lỗ và làm đất tơi ra tại chỗ. Có thể khoan sâu 10m. Khi khoan đến chiều sâu thiết kế, thì bắt đầu quá trình phun vôi. Vôi bột được chứa trong xilo, có dung tích 2,5m3 (đủ cho 1 ca hoạt động). Khi máy vận hành, một bộ phận máy nén khí sẽ tạo nên trong xilo một áp lực khoảng 10atmotphe. Với áp lực đó vôi bột sẽ được đẩy từ xilo, qua ống dẫn băng cao su vào cần khoan lỗ, chui ra một lỗ nhỏ φ500mm ở dưới lưỡi khoan và phun vào lòng đất. Vôi bột tác dụng với nước lỗ rỗng trong đất tạo nên các liên kết ximăng và silicat hoá. Các liên kết đó sẽ gắn kết các hạt khoáng vật trong đất lại và làm cho đất trở nên cứng hơn lên một cách rõ rệt. 5.4.3.2. Hiệu quả tác dụng của cọc vôi đất q (KPa) c 1500 1000 500 0 7 21 90 180 logat (ngµy) 1 2 3 4 5 v«i v«i v«i v«i v«i 15% 11% 9% 7% 5% Hình 5.6: Sự tăng cường độ cọc đất vôi theo thời gian. Sau khi máy ALIMAX tạo nên cọc đất vôi tại chỗ, cường độ của cọc đất vôi này tuỳ thuộc vào lượng vôi phun và tăng dần theo thời gian. Biểu đồ sau đây thể hiện điều đó. Kết quả nghiên cứu của viện KHKTXD Bộ Xây Dựng cho thấy rằng, lượng vôi càng nhiều thì độ cứng của cọc càng tăng nhanh. Chương 5. Nền nhân tạo 5-10 I I II - II II II I - I Hình 5.7: Dùng cọc vôi đất làm tường cừ. Ở nước ta, đối với đất yếu có độ ẩm thiên nhiên khoảng 40-70% thì dùng lượng vôi khoảng 6-12% là hợp lí. Với tỉ lệ đó thì cường độ cọc đạt được 50% sau 1 tháng và 70- 80% sau 3 tháng. Độ bền của đất thể hiện qua sức chống cắt của đất. Sau khi gia cố bằng cọc vôi đất có thể tăng lên hàng chục lần. Sức chống cắt không thoát nước có thể đạt tới 1000 KPa. Nhờ cường độ của cọc đất- vôi tăng lên một cách rõ rệt như vậy, nên người ta có thể dùng cọc này để làm tường cừ hoặc chịu tải trọng công trình. a. Làm tường cừ: Tường cừ bằng cọc vôi đất làm thành 1 dãy sát nhau (như hình vẽ) tuỳ theo yêu cầu từng loại công trình. Áp lực chủ động của đất càng lớn, tức là lực đạp của đất càng khoẻ thì càng cần nhiều dãy cọc. Người ta có thể dùng cọc đất vôi để làm tường cừ bảo vệ mái dốc và bảo vệ thành hố móng. b. Làm nền cho móng công trình: Do cọc đất vôi có khả năng làm tăng sức chịu tải của nền (thông thường là từ 3-5 lần, theo kết quả nén tĩnh tại hiện trường với bàn nén 10.000cm2) nên người ta có thể dùng cọc vôi để gia cố nền. Hình 5.8: Dùng cọc vôi đất để gia cố nền đất yếu. Chương 5. Nền nhân tạo 5-11 Ở đây cần lưu ý rằng vì cọc đất vôi có sức chịu tải thấp (khoảng 40-60KN) nên không thể tính như móng cọc, mà chỉ có thể dùng cọc vôi để gia cố nền. Phải coi cả tổ hợp cọc và đất là nền. Sức chịu tải của nền cần phải xác định bằng kết quả thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường với mặt nén lớn (10.000cm2). Khoảng cách các cọc tuỳ thuộc vào mức độ xấu của nền và tải trọng công trình. Theo kinh nghiệm của chúng tôi thì thông thường nên lấy khoảng cách giữa các cọc là 0,75m- như vậy bàn nén 1m2 vừa trùm lên được 4 cọc. Còn chiều dài của cọc thì phải vượt qua chiều sâu chịu nén giới hạn của đất nền dưới móng. Lưới cọc phải trùm ra ngoài diện tích đáy móng, mỗi phía là 4 b (trong đó b là chiều rộng đáy móng). 5.4.4. Cọc đất - ximăng Xi măng là loại chất liên kết tốt. Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và đưa vào sử dụng cọc đất- xi măng cho một số công trình ở Hà Nội, Hải Phòng. Hiện nay, ở nước ta, do công nghệ chế tạo và bảo quản vôi bột còn nhiều khó khăn nên chúng tôi đã cải tiến máy phun vôi ALIMAX thành phun xi măng để thi công cọc đất- xi măng. Vì quy trình phun bột xi măng cũng giống như phun vôi bột. Phải chú ý sàng xi măng trước khi đổ vào xilo, để đảm bảo không bị xi măng vón cục và các hạt đều phải có kích thước nhỏ hơn 0,20mm. Nếu không thì sẽ bị tắc xi măng, không phun được. Chúng tôi đã làm thực nghiệm với lượng xi măng 7%, 9%, 11%, 13% và 15%. Kết quả cho thấy rằng, dùng xi măng (cùng tỉ lệ) thì sức chịu tải của đất tăng lên rõ rệt hơn dùng vôi. Theo kết quả thí nghiệm của Viện KHKTXD, chúng ta thấy rằng: - Gia cố bằng xi măng tốt hơn vôi. 1600 1200 800 400 2128 90 Logt(ngµy) 160 120 80 40 0 21 28 90 Logt(ngµy) q ( K Pa ) q ( K P a ) 0 c c a b c c b a - Bùn gốc cát thì gia cố có hiệu quả hơn bùn gốc sét. Hình 5.9. Sức cản mũi xuyên theo thời gian của đất gia cố bằng vôi. a. Bùn gốc sét pha; b. Bùn gốc cát pha; c. Bùn gốc sét. Hình 5.10. Sức cản mũi xuyên của đất gia cố bằng ximăng. a. Bùn gốc sét pha; b. Bùn gốc sét; c. Bùn gốc hữu cơ. Chương 5. Nền nhân tạo 5-12 Ngoài ra, chúng tôi đã kiểm tra độ bền của cọc đất - ximăng ở một công trình tại Hà Nội bằng xuyên tĩnh. 8 7 6 5 4 3 2 1 C äc ® Êt x i m ¨n g 0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 q (KPa) Cäc ®Êt xim¨ng c §é s©u (m) §Êt ch−a gia cè Hình 5.11. Sức cản mũi xuyên của đất khi chưa gia cố và của cọc đất xi măng. Qua kết quả thí nghiệm xuyên, chúng ta thấy rõ rằng tại bản thân cọc, thì sức kháng xuyên tăng lên 4 ÷ 5 lần, so sánh giữa đất trước khi gia cố và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng. Dựa vào kết quả này, chúng tôi đã dùng cọc đất xi măng (tỷ lệ 15% tức 25 kg xi măng cho 1m dài để làm tường cừ). Kết quả rất đáng phấn khởi ở công trình nhà ở 15 tầng tại 40 Lý Thường Kiệt Hà Nội, nhờ tường cừ bằng cọc đất xi măng mà nền móng các công trình cũ ở lân cận được bảo vệvà hố đào (làm bằng đệm cát) sâu 2 m50 thẳng đứng, không bị sụt lở, mặc dù đất rất yếu. Ngoài ra chúng tôi đã dùng cọc xi măng đất làm nền chịu lực cho một ngôi nhà 7 tầng tại Hà Nội. Cọc φ500 mm, dài 10 m và cự ly 0,75m x0,75m. Nhờ phương pháp này chúng tôi đã nâng sức chịu tải của nền từ 60 KPa lên 250 KPa. Nếu so với phương án móng cọc bêtông thì ở 2 công trình đó, chúng ta đã tiết kiệm được một nửa chi phí cho nền móng. Chúng tôi đã áp dụng cọc đất – ximăng cho việc gia cố nền đất yếu tại một nhà máy đóng tàu tại Hải Phòng. Phương án này so với phương án cũ (đệm cát) cũng tiết kiệm được khoảng 2/5 giá thành nền móng. Những kết quả thực tế cho thấy rõ triển vọng áp dụng cọc đất – ximăng để gia cố nền đất yếu rất tốt. 5.5. Phương pháp nén trước 5.5.1. Đặc điểm và phạm vi áp dụng Khi gặp nền đất yếu như than bùn, bùn, sét và sét pha dẻo nhão cát, cát pha bão hoà nước, thì người ta có thể dùng phương pháp này. Phương pháp gia tải nén trước có 2 mục đích: - Tăng cường sức chịu tải của đất nền. Chương 5. Nền nhân tạo 5-13 q KPa §Êt ®¾p, ®Êt trång trät §Êt yÕu §Êt c¸t a ) b ) C¸t §Êt yÕu C¸t q KPa qKPa c ) §Êt sÐt - Tăng nhanh thời gian cố kết, tức là làm cho độ lún ổn định nhanh hơn. Muốn đạt được mục đích đó thì người ta thực hiện các biện pháp sau đây: • Chất tải trọng (bằng cát, sỏi, gạch, đá…) bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình định thiết kế xây dựng trên nền đất yếu, để cho nền chịu tải trước và lún trước khi xây dựng thực. • Dùng giếng cát hoặc bản giấy thấm để thoát nước lỗ rỗng, tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của công trình và điều kiện địa chất công trình. địa chất thuỷ văn của địa điểm xây dựng mà tiến hành từng bước xử lý từ đơn giản đến phức tạp. Tức là từ phương pháp nén trước không dùng giếng thoát nước, đến phương pháp nén trước kết hợp dùng giếng thoát nước. 5.5.2. Phương pháp nén trước không dùng giếng thoát nước 5.5.2.1. Điều kiện địa chất công trình Muốn đạt được mục đích là làm cho đất nền nén chặt lại, thì phải làm cho nước lỗ rỗng được ép thoát ra ngoài. Do đó điều kiện cơ bản là phải có chỗ cho nước thoát ra được. Theo chúng tôi thì những trường hợp sau đây là thích hợp cho phương pháp gia tải nén trước không dùng giếng thoát nước. a. Cấu tạo địa tầng như ở hình 5.12a. Trên cùng là lớp đất đắp hay đất trồng trọt (hoặc một lớp đất loại sét nào đó). Ở giữa là lớp đất yếu cần gia cố. Ở dưới lớp đất yếu là lớp cát. Khi chịu tải trọng thì nước trong lỗ rỗng trong lớp đất yếu sẽ được ép thoát ra lớp cát nằm dưới. b. Có cấu tạo địa tầng như hình 5.12b. Ở trên cùng là lớp cát tự nhiên hoặc lớp đệm cát nhân tạo. Giữa là lớp đất yếu cần được nén chặt. Dưới đó là lớp cát tự nhiên. Như vậy, dưới tác dụng của ngoại lực, nước lỗ rỗng từ tầng đất yếu có thể được ép thoát ra với hướng nước 2 chiều – lên trên và xuống dưới. c. Cấu tạo địa tầng như ở hình 5.12c. Dưới lớp đất yếu là lớp đất sét không thấm nước. Như vậy bắt buộc trên lớp đất yếu phải có lớp cát để thoát nước lỗ rỗng cho lớp đất yếu. Nếu lớp cát đó là lớp cát thiên nhiên thì tốt. Nếu không thì phải làm một lớp đệm cát nhân tạo dưới móng công trình để thoát nước và để cho móng lún đều. Để bảo đảm điều kiện thoát nước tốt cho lớp đất yếu, chúng tôi đề nghị nên hạn chế chiều dày tầng đất yếu trong trường hợp này là hy ≤3m. Hình 5.12. Các điều kiện địa chất công trình để dùng phương pháp gia tải nén trước không dùng giếng thoát nước Chương 5. Nền nhân tạo 5-14 5.5.2.2. Tính toán gia tải nén trước Về độ lớn của áp lực nén trước, người ta thường lựa chọn như sau: a. Dùng áp lực nén trước bằng đúng tải trọng của công trình sẽ xây dựng; b. Dùng áp lực nén trước lớn hơn tải trọng của công trình (thường lớn hơn khoảng 20%) để tăng nhanh quá trình cố kết một ít, không nên chọn lớn quá để tránh cho nền đất yếu 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: St = S - t t +α (5.23) Trong đó: St - độ lún dự tính trong một thời gian t nào đó t - thời gian nén trước α - hệ số kinh nghiệm, xác định theo công thức α = 1tS S . t1 – t1 (5.24) Trong 2 công thức 5.23 và 5.24: S - độ lún ổn định trong quá trình nén trước, xác định theo tài liệu quan trắc thực tế; S = 12 t 1 t 12 S t S 2t tt − − (5.25) Trong đó: S1 và St1 - độ lún quan trắc ứng với thời gian t1 và t2. 5.5.3. Phương pháp nén trước dùng giếng cát Như trên đã nói, mục đích của việc sử dụng giếng cát là để tạo điều kiện thoát nước nhanh cho tầng đất yếu và do đó quá trình cố kết sẽ nhanh hơn, độ lún chóng ổn định hơn. Giữa giếng cát và cọc cát có những chỗ giống nhau và có những chỗ khác nhau. Kích thước (đường kính và chiều dài) của cọc cát và giếng tương tự như nhau, nhưng khoảng cách giữa các giếng cát thì lớn hơn giữa các cọc cát. Do khoảng cách khác nhau đó, mà nhiệm vụ của cọc cát và giếng cát khác nhau. Cọc cát làm nhiệm vụ nén chặt đất, nâng cao sức chịu tải của đất nền là chủ yếu. Đương nhiên cọc cát cũng có tác dụng thoát nước lỗ rỗng. Còn nhiệm vụ chủ yếu của giếng cát là thoát nước lỗ rỗng, tăng nhanh quá trình cố kết, làm cho độ lún của đất nền chóng ổn định. Đương nhiên giống cát cũng góp phần gia cường nền đất yếu. Như vậy là cọc cát và giếng cát khác nhau ở cách làm việc và mục đích sử dụng. Chương 5. Nền nhân tạo 5-15 * Trình tự tính toán và thiết kế: Sơ đồ cấu tạo nền đất có giếng cát như hình vẽ. a. Đệm cát Đệm cát có nhiệm vụ tạo điều kiện cho công trình lún đều. Đệm cát được tính toán theo công thức kinh nghiệm sau đây: hđ = S + (0.3 ÷0.5 m Trong đó: hđ - chiều dày đệm cát; S - độ lún tính toán của nền đất khi chưa có giếng cát. Thông thường đệm cát có chiều dày 0.2m – 0.5m. b. Giếng cát Đường kính của giếng cát từ 20cm – 60cm, thường dùng d = 40cm. Chiều dài của giếng cát thường lấy bằng chiều sâu chịu nén cực hạn của đất nền dưới móng, chẳng hạn: - Đối với móng đơn, thì lấy lg ≈ (2÷3)b (lg_ chiều dài giếng cát; b_ chiều rộng móng); - Đối với móng băng thì lấy lg ≈ 4b; - Đối với móng bè (có cạnh lớn hơn 10m) 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 thường được chọn cho các công trình dân dụng và công nghiệp là: L = 1.5m ÷ 5m c. Tính biến dạng của nền: - Độ lún của nền đất yếu khi chưa có giếng cát: S = d dd 1 21 e1 ee + − h (5.27) Trong đó: e1đ, e2đ - hệ số rỗng của đất ở xung quanh giếng cát trước và sau khi có tải trọng công trình; §Öm c¸t GiÕng c¸t §Êt yÕu TÇng kh«ng thÊm q Hình 5.13. Sơ đồ cấu tạo giếng cát. L L Hình 5.14. Sơ đồ bố trí giếng trên mặt. Chương 5. Nền nhân tạo 5-16 h - chiều dày lớp đất yếu có giếng cát. Chú ý: Nếu nền đất yếu có nhiều lớp đất khác nhau thì dùng phương pháp tổng S = Σ Si. Độ lún của nền đất yếu khi có giếng cát có thể xác định gần đúng theo công thức kinh nghiệm của I.E.Evgênev như sau: Sge= h.L d e1 ee 2 2 c 0 p0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+ − (5.28) Ở đây: e0 - 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. * Tính toán mức độ cố kết của nền đất có giếng cát : Dùng lý thuyết cố kết 3 chiều để xác định độ lún theo thời gian St và mức độ cố kết Ut ta có: Độ lún theo thời gian St = ( )[ ]t,r,zPqh e1 m n 1 v −+ (5.29) Mức độ cố kết: Ut = ( ) rz nt M.M1 q t,r,zP 1 S S −=−= (5.30) Trong 2 công thức 5.29 và 5.30 có: 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 yếu có giếng cát ; ( ) ⎪⎪ ⎪⎪ ⎭ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎫ γ += = π= π−∞ = ∑ wv tbz z 2 z z z 4 i 1i 2 i z .m e1K C h tC T Te 2 18 M 22 (5.31) Trong đó: Chương 5. Nền nhân tạo 5-17 t - thời gian cố kết ; Kz - hệ số thấm thẳng đứng ; γw - dung trọng của nước; Mz có thể tra theo biểu đồ quan hệ Mz = f(Tz); ( ) ( )⎪⎪ ⎪ ⎭ ⎪⎪ ⎪ ⎬ ⎫ γ += = = wv tbz z 2 z z z n r .m e1K C R4 tC T q.M t,r,zP M (5.32) Trong đó: Kr - hệ số thấm ngang; R - bán kính ảnh hưởng của giếng cát; etb - hệ số rỗng trung bình (tức là etb = 2 ee p0 + ); Mr có thể tra theo biểu đồ quan hệ Mr = f (Tr) và độ lún toàn phần S (xem hình vẽ). Như vậy, trên cơ sở tính toán trên, ta có thể xác định được: - Độ lún toàn phần của nền đất khi chưa có giếng cát S; - Độ lún khi có giếng cát Sgc; - Độ cố kết Ut và thời gian cố kết t; 5.5.4. Phương pháp nén trước dùng tấm thấm bằng giấy (cọc bản nhựa) Như trên đã nói, mục đích của việc dùng bản thấm bằng giấy (còn gọi là cọc bản nhựa) là để thoát nước lỗ rỗng cho nền đất yếu. Như vậy để tăng nhanh quá trình cố kết và làm cho độ lún của nền đất chống ổn định. Nói chung, tác dụng của cọc bản nhựa cũng như giếng cát, nhưng có nhiều ưu điểm hơn. - Cọc bản nhựa chế tạo trong nhà máy nên có thể sản xuất được một khối lượng rất lớn; - Thi công nhanh bằng máy chuyên dùng; - Tác dụng tốt hơn giếng cát trong việc thoát nước lỗ rỗng. Do đó quá trình cố kết đất nhanh hơn. Theo tổng kết của Công ty Katô (Nhật Bản) thì một thanh cọc bản nhựa có tác dụng thoát nước như một giếng cát có đường kính 18 cm cùng chiều dài. Độ lún trước (độ cố kết) do cọc bản nhựa lớn hơn do giếng cát có thể đạt 80%. Giá thành của cọc bản nhựa chỉ bằng 25% giếng cát (đối với các nước có điều kiện công nghiệp hóa thiết bị thi công cọc bản nhựa). Hình 5.15: Quan hệ giữa Mz và Tz Chương 5. Nền nhân tạo 5-18 Ở Thụy Điển và Nhật Bản đã dùng phương pháp cọc bản nhựa này từ năm 1963. Ở nước ta, mới nhập kỹ thuật này hơn mười năm nay, nên thiết bị còn ít và mới áp dụng cho một số công trình dân dụng. 5.5.4.1. Cấu tạo và thi công cọc bản nhựa Bản giấy thấm bọc bằng nhựa mềm có chiều rộng 100mm, dày 3mm, gồm 2 lớp nhựa, kẹp giữa là 10 rãnh thoát nước với tiết diện 3mm2 cấu tạo thành cọc bản nhựa (xem hình 5.16). Tấm bản nhựa, thoát nước này được chế tạo hàng loạt trong nhà máy. Chúng được cuốn lại trong các rulô có độ dài 198m và nặng 38kg. Do có lớp nhựa mềm bọc ngoài, nên lớp giấy thoát nước bằng bìa ở trong có thể được bảo tồn và làm việc tốt trong khoảng 2-3 năm. Thời gian đó đủ để làm cho việc thoát nước lỗ rỗng và nén trước đạt yêu cầu. Hình 5.16. Cấu tạo cọc bản nhựa. a. Hình chẻ đôi tấm thấm bằng giấy (cọc bản nhựa); b. Cắt ngang dọc bản nhựa ; 1. Băng giấy thoát nước; 2. Hai tấm ốp bằng nhựa mềm; 3. Đường ống thoát khí. Vì thời gian làm việc tốt của cọc bản nhựa không được lâu như vậy, nên chú ý chọn loại đất nền có độ thấm thích hợp (như đất yếu gốc cát bụi, cát pha, sét pha). Tấm bản nhựa thoát nước đó được cắm vào lòng đất một cách dễ dàng bằng loại máy chuyên dùng. Sau khi thi công cọc bản nhựa xong, tức là tạo điều kiện cho quá trình cố kết của đất tăng nhanh. Để cho đất nền được gia cường và lún trước theo yêu cầu của thiết kế, phải Chương 5. Nền nhân tạo 5-19 gia tải nén trước trên nền đất có giếng thoát nước bằng bản nhựa đó. Người ta thường dùng cát hoặc cuội sỏi để làm tải trọng nén trước. Tải trọng nén tăng lên dần dần cho đến tải trọng thiết kế của công trình. Làm như vậy để cho nền đất lún đều và không bị lún đột ngột. Sau đó cần quan trắc độ lún (bắt đầu từ lúc đặt tải) của đất nền cho đến khi lún ổn định theo dự kiến, rồi dỡ tải và tiếptục xây dựng công trình lên. Để đánh giá chất lượng của đất nền sau khi gia cố bằng cọc bản nhựa người ta thường tiến hành như sau: a. Để đánh giá độ bền (cường độ chịu tải) - Dùng xuyên tiêu chuẩn để đánh giá độ bền của đất nền; - Khoan lấy mẫu thí nghiệm. Hai thủ pháp đó đều phải tiến hành trước khi dỡ tải nén trước và kiểm tra lại khi đã xây dựng xong công trình. b. Để đánh giá chất lượng cố kết - Quan trắc độ lún của nền đất đã gia cố khi gia tải nén trước, khi dỡ tải nén trước và khi xây dựng cũng như sử dụng công trình; - Đo áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất bằng thiết bị chuyên dùng; - Đo ứng suất trong nền bằng đat - tric ứng suất. Nói chung phương pháp gia tải nén trước dùng giếng cát và cọc bản nhựa chỉ nên dùng khi diện tích xây dựng lớn. Còn đối với các công trình đơn chiếc và diện tích xây dựng nhỏ thì nên dùng các giải pháp gia cố nền khác hợp lý hơn. Thí dụ nền cọc cát chẳng hạn, vừa giải quyết đồng thời được 2 nhiệm vụ là gia cố nền và tăng nhanh quá trình cố kết mà không phải tiến hành gia tải nén trước. Chương 5. Nền nhân tạo 5-20 Chương 5. Nền nhân tạo ........................................................................... 5-11 5.1. Khái niệm ........................................................................................................5-11 5.2. Đệm cát ...........................................................................................................5-11 5.3. Nền cọc cát ......................................................................................................5-55 5.4. Nền cọc vôi và cọc đất – ximăng ....................................................................5-88 5.5. Phương pháp nén trước ...............................................................................5-1212