Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Đề tài nghiên cứu biện pháp móng Top - Base xử lý nền đất yếu dưới móng tường chắn đất thuộc dự án đường bờ kè sông Cái

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Đề tài nghiên cứu biện pháp móng Top - Base xử lý nền đất yếu dưới móng tường chắn đất thuộc dự án đường bờ kè sông Cái.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

1 1 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong những năm gần đây nền kinh tế của nước ta đạt độ tăng trưởng ổn định, đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện Để đẩy nhanh việc phát triển kinh tế và nâng cao đời sống của nhân dân thì cơ sở hạ tầng thường phải đi trước một bước và được đầu

tư rất nhiều tiền của Một số dự án đã hoàn thành như đường cao tốc Hà Nội – Hải Phòng, đường cao tốc Sài Gòn – Trung Lương vv Một số dự án đang được triển khai như đường cao tốc Long Thành – Dầu Dây, dự án cải tạo nâng cấp Quốc lộ 51, các dự án đường vành đai thuộc khu vực thành phố Hồ Chí Minh, dự án chỉnh trang đô thị khu vực sông Cái – thành phố Nha Trang vv Trong những tuyến đường kể trên có nhiều đoạn đi qua khu vực có địa chất phức tạp, nền đất yếu Các đoạn đường đi qua khu vực có địa chất đặc biệt này đã gây ra rất nhiều khó khăn trong công tác khảo sát thiết kế, thi công

và đặc biệt chúng làm cho giá thành công trình được đẩy lên cao, do đó nhiều dự án đã bị dừng lại vì thiếu kỹ thuật, thiết các giải pháp hữu hiệu để thực hiện Vấn đề này đặt ra câu hỏi cho các nhà khoa học, nhà quản lý, nhà thi công là phải đi tìm giải pháp nào cho việc giải quyết các vướng mắc ở trên

Để khắc phục những khó khăn cũng như giải quyết những câu hỏi đặt ra ở trên đã

có rất nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu được đưa ra khi xây dựng công trình trên đất yếu như: biện pháp thay đất, gia cố đất, dùng cọc cát, giếng cát, bức thấm, cọc đất gia cố xi măng, cọc đá, cọc cừ tràm hoặc sử dụng kết hợp nhiều giải pháp với nhau Trong một vài năm gần đây một số dự án đã kiến nghị biện pháp móng Top – Base để thi công công trình trên đất yếu, bước đầu đã cho thấy tính hiệu quả việc gia tăng sức chịu tải cho đất, giảm độ lún và giảm thời gian thi công xây dựng

1 2 Ý nghĩa khoa học của luận văn:

Trong hoàn cảnh cụ thể nào đó, việc lựa chọn một biện pháp xử lý nền đất yếu mang ý nghĩa quan trọng, vì kết quả tính toán của phương pháp đó phải phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật Mặt khác, kết quả tính toán lại phụ thuộc nhiều vào phương pháp tính toán Vì vậy, ý nghĩa khoa học của luận văn là đề cập tới phương pháp tính toán, trình tự thi công và cơ chế làm việc của móng Top – Base được sử dụng để gia cố nền đất yếu dưới móng công trình Đồng thời cung cấp thêm những nhận định tổng quan về các biện pháp xử lý nền đất yếu sau này

1 3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn:

Ý nghĩa thực tiễn của luận văn là các kết quả nghiên cứu của luận văn hoàn toàn

có thể áp dụng để thiết kế xử lý nền đất yếu dưới đáy móng công trình bằng biện pháp móng Top – Base nhằm mang lại hiệu quả về xử lý nền cũng như hiệu quả về kinh tế

2 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nền đất yếu bão hòa nước thuộc địa chất khu vực ven sông Cái và biện pháp cải tạo đất yếu bằng phương pháp móng Top – Base dựa trên các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành

3 Phạm vi nghiên cứu:

Biện pháp móng Top – Base là một biện pháp cải tạo đất yếu mới đưa vào áp dụng tại Việt Nam từ những năm 2008 và chủ yếu là xử lý nền đất yếu dưới móng của các công trình nhà dân dụng và công nghiệp Tuy nhiên, ở đây luận văn nghiên cứu biện pháp cải tạo này áp dụng cho kết cấu tường chắn đất ven sông thuộc dự án đường Bờ Kè sông Cái – thành phố Nha Trang – tỉnh Khánh hòa

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Mục đích của luận án nhằm giới thiệu một cách tổng quát các phương pháp xử lý nền đất yếu khi tiến hành xây dựng công trình trên nền đất yếu Trong đó biện pháp cải tạo đất yếu bằng móng Top – Base sẽ được xem xét, phân tích và tính toán một cách kỹ lưỡng, chi tiết hơn Qua đó giúp cho người kỹ sư thiết kế cũng như nhà quản lý có cơ sở

để lựa chọn và tìm ra giải pháp thiết kế một cách hiệu quả nhất

5 Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp chuyên gia Dựa trên những tài liệu có sẵn và bằng những tư duy logic để rút ra những kết luận khoa học cần thiết Từ những kết luận đó kết hợp với bài toán thực tiễn để đánh giá và rút ra những kết luận đầy đủ và chính xác về đối tượng nghiên cứu

6 Những hạn chế của luận văn và độ tin cậy của các số liệu:

6 1 Những hạn chế của luận văn:

Luận văn đã nghiên cứu khá chi tiết về phương pháp gia cố nền đất yếu mới đó là phương pháp móng Top – Base, mặt khác luận văn cũng chỉ ra những ưu việt cũng như những hạn chế của phương pháp gia cố này Tuy nhiên, phần áp dụng vào thực tiễn luận văn tính toán gia cố cho một loại đất yếu đó là đất sét của nền địa chất sông Cái, tải trọng tính toán là tải trọng của kết cấu tường chắn, vì thế cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa cho

các loại đất yếu khác nhau ứng với từng loại tải trọng khác nhau Kết quả tính toán được dựa vào phương pháp giải tích, chưa được kiểm toán lại bằng các phần mềm tính toán gia

cố nền chuyên dụng

6 2 Độ tin cậy của các số liệu:

Số liệu tính toán hoàn toàn dựa vào nền địa chất được khảo sát thực thế cùng với phương pháp tính toán đã được kiểm nghiệm và công bố nên kết quả tính toán của luận văn có thể tin cậy được Kết quả tính toán xử lý nền cho công trình cụ thể hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra

7 Kết cấu của luận văn:

Kết cấu của luận văn gồm có:

Phần mở đầu: Nêu tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chương 1: Tổng quan về các biện pháp xử lý nền đất yếu

Trình bày một cách tổng quát về các biện pháp xử lý nền đất yếu hiện nay, ưu nhược điểm và phương pháp tính toán của chúng Đồng thời chọn nội dung nghiên cứu của luận văn

Chương 2: Cơ sở tính toán biện pháp xử lý nền đất yếu bằng móng Top – Base

Trong chương này mục đích trình bày chi tiết về cơ sở tính toán và biện pháp thi công móng Top – Base hiện nay

Chương 3: Thiết kế biện pháp xử lý nền đất yếu dưới móng tường chắn đất thuộc dự án đường Bờ Kè sông Cái

Trong chương này tác giả trình bày nội dung tính toán xử lý nền đất yếu bằng móng Top – Base khi áp dụng vào bài toán cụ thể là xử lý nền đất yếu dưới móng tường chắn đất, phục vụ cho việc chắn đất nền đường giúp đảm bảo ổn định của nền đường ven sông, đồng thời so sánh với giải pháp thiết kế hiện hữu là sử dụng cọc bê tông cốt thép

Chương 4: Kết luận và kiến nghị Trình bày những kết luận và kiến nghị của tác

giả khi nghiên cứu về biện pháp xử lý nền đất yếu bằng móng Top – Base

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

1.1 Khái niệm về đất yếu:

Đất yếu là những loại đất có khả năng chịu lực thấp (0.5 – 1 kG/cm2), hầu như hoàn toàn bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (thường e >1), hệ số nén lún lớn, modul biến dạng bé (E0 < 50kG/cm2)[18] Giá trị sức chống cắt không đáng kể Công trình xây dựng trên nền đất yếu phải có biện pháp xử lý, nếu không thì sau khi xây dựng công trình khó

có khả năng đứng vững trong suốt thời kỳ khai thác

Theo quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu 22TCN 262-2000 thì đất yếu có nguồn góc chủ yếu từ khoáng vật và nguồn gốc hữu cơ

 Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ…; loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10 - 12 %) nên có thể có màu nâu đen, xám đen, có mùi Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e ≥ 1.5, á sét e ≥1), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2

trở xuống, góc nội ma sát ϕ từ 0 - 10° hoặc lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu ≤ 0.35 daN/cm2 Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1, độ bão hòa G > 0.8)

 Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 - 80%, thường có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật) Đối với loại này được xác định là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặc trưng sức chống cắt của chúng cũng đạt các trị số như nói ở trên

Ở Việt Nam, đất yếu chủ yếu phân bố ở vùng đồng bằng Các công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi thường gặp rất nhiều khó khăn khi xây dựng trên khu vực đất yếu Vì vậy, việc xử lý nền đất yếu trước khi xây dựng là một yêu cầu tất yếu

1.2 Các phương pháp gia cố nền đất yếu:

1.2.1 Khái niệm:

Công trình xây dựng khi tiến hành xây dựng trên nền địa chất yếu sẽ phát sinh biến dạng lún gây nên sự hoạt động không bình thường của kết cấu bên trên, nguyên nhân là do nền đất yếu không đủ khả năng chịu lực, phát sinh biến dạng lún lớn Chính vì vậy khi xây dựng công trình lên nền đất yếu người ta thường phải có các biện pháp xử lý dựa vào các yêu cầu sau[8]:

 Đảm bảo yêu cầu về mặt cường độ: Nền đất yếu sau khi được áp dụng các

biện pháp xử lý thì cần phải đủ cường độ hay nói cách khác là cần phải đủ sức chịu tải, không phát sinh hiện tượng phá hoại cắt hoặc trượt khi tiến hành xây dựng bên trên trong suốt quá trình thi công cũng như khai thác

 Đảm bảo yêu cầu về độ lún: phải tính toán được độ lún của nền cũng như

của công trình để từ đó có biện pháp xử lý thích hợp

1.2.2 Các phương pháp gia cố nền đất yếu:

1.2.2.1 Phương pháp thay đất đệm cát:

a Phạm vi áp dụng

Thay đất là biện pháp thay nền đất yếu bằng các loại vật liệu có cường độ chống cắt lớn như cát, cát sỏi, đất tốt… lớp đệm cát sử dụng hiệu quả nhất khi lớp đất yếu là đất sét bão hòa nước và có chiều dày nhỏ hơn 3m Việc thay đất bằng đệm cát thường có tấc dụng chính sau đây:

 Giảm độ lún của nền công trình và độ lún không đều, đồng thời làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền (vì cát 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 khả năng chống trượt

tải của nền đất tăng lên

rộng rãi ở nước ta

Với ưu điểm tăng độ ổn định của nền đất, giảm lún Tuy nhiên, việc thay đất bằng đệm cát cũng có những hạn chế nhất định và thường không sử dụng trong các trương hợp sau:

 Lớp đất yếu cần thay thế quá dày, chiều dày trên 3m Vì khi đó thi công khó khăn, chi thi công phí lớn

 Mực nước ngầm cao và nước có áp, vì cần phải hạ thấp mực nước ngầm và tầng đệm cát sẽ không ổn định do dễ xuất hiện hiện tượng xói ngầm và hóa lỏng của cát

b Nguyên lý tính toán thiết kế

Việc tính toán thiết kế lớp đệm cát , yêu cầu phải đảm bảo các điều kiện sau:

 Lớp đệm cát ổn định dưới tác dụng của tải trọng công trình

 Áp lực trên mặt lớp đất ở đáy lớp đệm do tải trọng công trình phải nhỏ hơn áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đất đó

của móng phải nhỏ hơn giá trị giới hạn quy định trong quy phạm thiết kế nền Công tác thiết kế đệm cát bao gồm các công việc sau: xác định kích thước lớp đệm, độ lún toàn bộ móng xây trên đệm và vật liệu làm lớp đệm

Kích thước đệm cát được thiết kế theo điều kiện biến dạng của đất nền phải thõa mãn biểu thức sau:

tc R

σ2 - ứng suất do tải trọng công trình gây ra trên mặt lớp đất yếu dưới đáy lớp đệm cát

Rtc – áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đất yếu dưới đáy lớp đệm cát, được xác định theo công thức của quy phạm

R tc  mq m d tb

Với: A, B, D - hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào góc ma sát trong φ của đất

bmq – chiều rộng móng quy ước

γtb – trọng lượng thể tích trung bình của các lớp đất từ mặt đất tự nhiên đến đáy lớp đệm cát, có xét tới áp lực đẩy nổi của nước

c Phương pháp thi công

Chất lượng lớp đệm cát phụ thuộc vào loại cát và chất lượng thi công đệm cát Đệm cát được đánh giá theo chỉ tiêu độ chặt thông qua hệ số rỗng e hoặc độ chặt tương đối D Còn chiều dày đầm lèn đệm cát phụ thuộc vào loại thiết bị đầm nén và tải trọng đầm nén

Để đảm bảo độ chặt theo yêu cầu thì độ ẩm tốt nhất của cát trong lớp đệm cát phải thõa mãn công thức:

%7.0



W Trong đó: e – hệ số rỗng của cát trước khi đầm nén

1.2.2.2 Phương pháp lèn chặt đất bằng cọc cát:

a Phạm vi áp dụng:

Cọc cát là một giải pháp xử lý nền đất yếu áp dụng phổ biến đối với các trường hợp công trình có tải trọng không lớn với chiều dày lớp đất yếu tương đối lớn Nó có các tác dụng sau:

 Làm tăng nhanh quá trình thoát nước lỗ rỗng, dẫn đến quá trình cố kết của nền đất yếu được nhanh hơn, làm cho độ lún của nền đất nhanh đạt tới trạng thái ổn định

hợp (gồm cọc cát và đất giữa cọc cát) được tăng lên

 Thi công đơn giản bằng các vật liệu rẻ tiền như cát thô, sỏi sạn nên chi phí thấp hơn so với đệm cát và các loại móng cọc Cọc cát dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày lớn hơn 3m

Cọc cát có ưu điểm là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất Tuy nhiên, cọc cát không nên dùng với trường hợp nền đất yếu quá nhão và khi chiều dày lớp đất yếu mỏng

b Nguyên lý tính toán:

 Xác định hệ số rỗng thiết kế etk:

Độ lèn chặt của đất được đánh giá bằng độ giảm hệ số rỗng Δe:

Δe = e0 – etkTrong đó: e0 – hệ số rỗng tự nhiên của đất

etk – hệ số rỗng của đất nền khi lèn chặt, nó phụ thuộc vào loại đất nền

 Với nền đất cát : e tk emax D.(emax emin)

Với: D – độ chặt tương đối

emax, emin – hệ số rỗng nhỏ nhất và lớn nhất của cát nền

Trong đó: b, l – bề rộng và chiều dai móng

c = 0.1b nhưng không nhỏ hơn 0.5m

 Diện tích tiết diện cọc cát trong 1m2 diện tích nền:

0

0

1 e

e e F

.0

Với: γ0 – trọng lượng thể tích tự nhiên của đất

γtk – trọng lượng thể tích của đất sau khi lèn chặt

Hiện nay công nghệ thi công cọc cát thường dùng bằng máy tạo lỗ cọc chuyên dụng Máy ấn ống thép (đường kính 40 – 50cm) vào đất đến độ sâu thiết kế Khi ấn, đầu ống thép đóng lại, sau đó nhấc bộ phận chấn động ra, nhồi cát vào và đổ cao chừng 1m Rồi đặt máy chấn động và rung khoảng 15 – 20s, tiếp theo bỏ máy chấn động ra và rút ống lên khoảng 0.5m, rồi lại đặt máy chấn động vào rung khoảng 10 – 15s để cho đầu cọc của ống mở ra và cát tụt xuống Sau đó rút ống lên dần dần với vận tốc đều, vừa rút vừa rung cho cát được làm chặt

Sau khi thi công xong cọc cát cần kiểm tra lại bằng phương pháp xuyên tiêu chuẩn, thử bàn nén tĩnh hoặc khoan lấy mẫu để xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất sau khi lèn chặt bằng cọc cát

1.2.2.3 Phương pháp gia tải nén trước:

Khi tiến hành xây dựng công trình trên nền đất yếu bão hòa nước như bùn, than bùn, sét, á sét dẻo vv… thì áp dụng biện pháp cọc cát đơn thuần ít có tác dụng vì đất dính bão hòa nước là loại đất có đặc điểm là cố kết kéo dài theo thời gian Vì vậy, muốn quá trình cố kết diễn ra nhanh chóng, nền đất nhanh đạt sức chịu tải thiết kế thì cần phải có hệ thống nén trước để đẩy nhanh quá trình cố kết nói trên

Phương pháp gia tải nén trước được sử dụng nhằm mục đích:

 Làm tăng sức chịu tải của đất nền

 Tăng nhanh thời gian cố kết, làm cho độ lún nhanh đạt tới độ ổn định Muốn đạt được điều đó cần phải tiến hành chất tải trọng bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự định thiết kế lê nền đất yếu đê nền chịu tải và lún trước khi tiến hành xây dựng thực Hiện nay để tăng nhanh tốc độ cố kết thoát nước người ta sử dụng kết hợp gia tải với cọc cát, giếng cát hoặc bấc thấm

 Phương pháp nén trước không dùng giếng thoát nước:

Phương pháp này sử dụng khi cấu tạo địa chất tự nhiên ở vùng xây dựng đã có các lớp thoát nước cho lớp đất yếu cần gia cố Để đảm bảo điều kiện thoát nước tốt thì tốt nhất chiều dày tầng đất yếu không nên vượt quá 3m, còn áp lực nén trước sinh ra do chất tải thì nên lấy bằng hoặc lớn hơn khoảng 20% tải trọng thiết kế vì nếu chọn quá lớn thì nền đất yếu sẽ dễ phát sinh biến dạng trượt, gây nên sự phá hoại không cần thiết

Quá trình gia tải có thể tiến hành theo hai cách sau đây:

 Chất tải trọng nén trước ngay trên mặt đất, tại vị trí sẽ xây móng sau này Đợi một thời gian để độ lún đạt tới độ ổn định sau đó dở tải ra rồi đào móng

để thi công

 Có thể xây dựng trước móng sau đó chất tải lên móng cho nó lún trước đạt tới độ ổn định sau đó dở tải ra rồi tiến hành xây dựng kết cấu lên trên Trong cả hai trường hợp trên, phải chất tải dần dần theo từng cấp, đồng thời cần phải đặt mốc quan trắc theo dõi độ lún của nền và móng

Nếu thời gian cố kết quá dài, độ lún không đạt tới độ ổn định thì chứng tỏ giải pháp nén trước không dùng giếng thoát nước là chưa đạt yêu cầu Khi đó cần dùng thêm biện pháp gia tải kết hợp với giếng cát hoặc bấc thấm

Hình 1.2: Các điều kiện địa chất công trình để dùng phương pháp gia tải nén trước

không dùng giếng thoát nước

 Phương pháp nén trước dùng giếng cát thoát nước:

Việc sử dụng giếng cát là để thoát nước nhanh cho tầng đất yếu phía dưới Vì vậy, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh chóng đồng thời thời gian đạt tới độ lún ổn định của nền đất được rút ngắn

1.2.2.4 Phương pháp cọc đất gia cố xi măng/ vôi:

a Đặc điểm và phạm vi sử dụng:

Gia cố bằng cọc đất xi măng/vôi là phương pháp cải tạo sâu làm tăng độ ổn định của nền đất yếu bằng phương pháp trộn khô hoặc trộn ướt các chất kết dính với đất tạo thành một trụ đất xi măng hoặc vôi Phương pháp này có thể cải tạo một phần hoặc toàn

bộ chiều dày của nền đất yếu tùy thuộc vào tải trọng của công trình

Phương pháp cọc đất xi măng/vôi được sử dụng nhằm mục đích sau:

 Tăng độ bền của kết cấu đất cần được cải tạo nhằm để tăng độ ổn định của khối đất đắp, tăng khả năng chịu tải trọng, ngăn chặn hiện tượng hóa lỏng của nền đất

 Cải tạo tính chất biến dạng của đất yếu thông qua việc giảm độ lún của nền, giảm thời gian chờ lún cố kết của nền đất, từ đó giảm thời gian thi công của công trình

b 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, tính kinh tế và ổn định lâu dài, chịu được các tác động cũng như các ảnh hưởng trong quá trình thi công và sử dụng, tức là thõa mãn các điều kiện về trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng

Công tác thiết kế thường sử dụng phương pháp lặp, trong đó kết quả của các phương pháp thí nghiệm, kiểm tra là rất quan trọng Thiết kế sơ bộ dựa trên kết quả thí nghiệm mẫu trộn trong phòng, tương quan cường độ nén không nở hông giữa mẫu thân trụ ở hiện trường và mẫu trộn trong phòng thí nghiệm có thể chọn theo kinh nghiệm từ 0.2 – 0.5 tùy theo loại đất và tỷ lệ trộn Nếu kết quả thí nghiệm hiện trường không đáp ứng yêu cầu thì cần phải điều chỉnh thiết kế công nghệ và khi cần thiết có thể điều chỉnh

cả thiết kế chức năng

Quy trình thiết kế có thể thực hiện theo trình tự sau:

 Khảo sát địa chất khu vực đất yếu cần gia cố, thí nghiệm xác định hàm lượng chất kết dính xi măng/vôi 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

 Thi công trụ thử bằng thiết bị dự kiến sử dụng

 Tiến hành thí nghiệm kiểm tra (xuyên tĩnh, nén tĩnh, lấy mẫu, xuyên cánh vv…)

 So sánh lại 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 cọc, khoảng cách giữa các cọc …)

 Thi công đại trà theo công nghệ đã đạt yêu cầu và kiểm tra chất lượng để tiến hành nghiệm thu

c Phương pháp thi công:

Hiện nay, phương pháp gia cường cải tạo đất có hai loại: phương pháp phun trộn khô, phương pháp phun trộn ướt

 Phương pháp phun trộn khô: phương pháp này, bột xi măng hoặc vôi bột

sống được phụt sâu vào lòng đất thông qua ống khí nén, sau đó các bột này được trộn một cách cơ học nhờ thiết bị cánh quay Với phương pháp trộn khô, không cho thêm nước vào trong đất nền hiệu quả sẽ cao hơn phương pháp phun vữa Khi dùng vôi sống, quá trình thủy phân sẽ tạo ra lượng nhiệt làm khô đất xung quanh, do đó công tác cải tạo sẽ có kết quả hơn Hiện nay, bằng thiết bị máy móc hiện đại cọc đất xi măng có thể trộn với chiều sâu 40m

 Phương pháp phun trộn ướt: với phương pháp này vữa sẽ được phun vào

nền đất sét với áp lực 20kPa bằng một vòi phun xoay Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị thi công nhẹ nên có thể di chuyển dễ dàng trong công trường Nhược điểm của phương pháp là đường kính của cọc đất thay đổi theo độ sâu tùy theo độ bền cắt của đất nền

1.2.2.5 Phương pháp bơm hút chân không

Nguyên lý của giải pháp bơm hút chân không là dùng bơm hút để tạo một khoảng chân không giữa một màng kín phủ phía trên với khu vực đất yếu cần xử lý ở phía dưới

Nhờ lực hút chân không mà nước cố kết theo các phương tiện thoát nước thẳng đứng và băng thoát nước ngang ra ngoài hào thu nước được bố trí 2 bên Thông thường giải pháp này tạo được một áp lực có hiệu trong đất yếu tối đa tương đương với một chiều cao đắp bằng 4m nhưng nhờ bơm hút nên cố kết đạt được nhanh hơn rất nhiều so với việc đắp cao hơn 4m rồi chờ cho đến cố kết xong Hơn nữa so với việc đắp trực tiếp rồi chờ còn có lợi là sẽ không bị rủi ro trong quá trình đắp khi tốc độ cố kết không tăng kịp với tốc độ đắp đất

Gần đây công nghệ phát triển thêm một bước là không cần màng phủ kín mà dùng các đầu nối trực tiếp ống bơm hút với từng phương tiện thoát nước thẳng đứng với điều kiện là mỗi chổ nối tiếp phải đảm bảo kín tuyệt đối vì nếu mối nối hở thì sẽ mất áp lực chân không nên nước sẽ không được thoát ra ngoài

Ưu điểm chính của phương pháp này là giảm được thời gian chờ cố kết xuống đến mức ít nhất, tùy thuộc vào năng lực bơm hút đồng thời đảm bảo không xảy ra hiện tượng lún khi đưa công trình vào khai thác

Bên cạnh những ưu điểm thì nó có những nhược điểm sau:

nói cách khác năng lực bơm hút bị hạn chế, thời gian bơm hút hoàn toàn dựa vào thiết bị thi công

1.2.2.6 Phương pháp móng Top – Base

Phương pháp Top - Base được sử dụng lần đầu tiên tại Nhật Bản vào những năm

80 của thế kỷ XX Trong thời gian đầu thì giải pháp này không được quan tâm nghiên cứu và phát triển Sau trận động đất lớn ở Chiba Nhật Bản vào năm 1987, người Nhật nhận thấy sự bền vững của những công trình được sử dụng phương pháp Top - Base Từ

đó họ bắt đầu tập trung nghiên cứu và phát triển chúng

Top - Base đã trở thành một thuật ngữ quốc tế dưới tên gọi Phương pháp móng

cọc đài phễu (Top - Base Method) Với việc chế tạo hàng loạt những Top-Block bằng bê

tông trong nhà máy, Phương pháp Top - Base dễ dàng được sử dụng trong nhiều công trình tại Nhật Bản Tuy nhiên, mỗi Top-Block nặng khoảng 75kg, việc vận chuyển chúng đến công trường rất phức tạp và đòi hỏi thi công bằng các thiết bị lớn

Nhận thấy tính ưu việt của Phương pháp Top - Base, các kỹ sư Hàn Quốc nhanh chóng nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến mạnh mẽ công nghệ này Thay cho việc đúc sẵn trong nhà máy, Top-Block được đổ ngay tại hiện trường với những khuôn nhựa được làm

từ rác thải tái chế Những cải tiến này góp phần giảm giá thành cũng như rút ngắn thời gian thi công và xử lý được một phần chất thải rắn khó phân huỷ

Năm 1995, Bộ giao thông xây dựng Hàn Quốc đã kiểm định và cho phép áp dụng rộng rãi Phương pháp Top - Base trên toàn lãnh thổ Hàn Quốc

Móng Top-Base được cấu tạo từ các khối bê tông hình phễu xen giữa là lớp vật liệu rời giúp cho các khối bê tông hình phễu đó thêm vững chắc đồng thời tham gia một phần vào quá trình tiếp nhận tải trọng của công trình bên trên thông qua việc hạn chế biến dạng ngang

Hình 1.3: Cấu tạo nền Top –Base[1]

Tính ưu việt của phương pháp Top-Base:

 Đảm bảo an toàn cho tải trọng đặt trên nền đất yếu

 Giảm độ lún tổng thể và lún lệch của công trình, đồng thời tăng khả năng chịu tải của nền ban đầu

 Hoàn toàn loại bỏ được ảnh hưởng xấu đến việc xây dựng do tiếng ồn và chấn động gây ra

 Có khả năng thi công ở nơi chật hẹp ngay cả trong công trình đã xây dựng

 Thi công tiện lợi không cần thiết bị đặc biệt

 Giảm thời gian thi công và giá thành xây dựng

 Thân thiện với môi trường

1.4 Lựa chọn nội dung nghiên cứu:

1.4.1 Đặt vấn đề nghiên cứu:

Phương pháp móng Top – Base là phương pháp cải tạo nền đất yếu được sử dụng rất lâu trên thế giới, đặc biệt là ở Nhật Bản và Hàn Quốc, ở Việt Nam mới bắt đầu sử dụng từ năm 2008 Đến nay thì đã có rất nhiều công trình áp dụng phương pháp này ở nước ta, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp Còn trong lĩnh cầu đường thì hiện nay còn phải nghiên cứu và có đánh giá cụ thể Phương pháp đã được áp dụng tại một số công trình cụ thể nhưng phương pháp lại chưa có một hướng dẫn thiết kế

và thi công rõ ràng Do đó để có được đánh giá cụ thể về phương pháp chúng ta cần phải giải quyết một số nội dung sau:

ta

cụ thể có tính chất trải dài theo tuyến

 Tiến tới ban hành những hướng dẫn cụ thể về thiết kế và thi công móng Top – Base

1.4.2 Lựa chọn nội dung nghiên cứu:

Phương pháp này đã được chuyển giao cho công ty Tadits tại Việt Nam vào năm

2008 Tuy nhiên những tài liệu cụ thể về tính toán thiết kế và thi công lưu hành còn rất ít

Vì vậy, để nghiên cứu và áp dụng phương pháp này một cách có hiệu quả về kỹ thuật lẫn kinh tế thì cần phải có nhiều thời gian và cần phải kết hợp với tính toán trong phòng và kiểm tra thông qua kết quả thí nghiệm hiện trường, đồng thời cần có những tập hợp, đánh giá qua những công trình đã hoàn thiện thi công

Trong khuôn khổ của luận án này tôi chỉ nghiên cứu các vấn đề về nguyên lý thiết

kế và biện pháp thi công móng Top – Base, đồng thời áp dụng phương pháp vào tính toán

cụ thể một công trình được xây dựng trên nền địa chất yếu

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ TÍNH TOÁN BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG

MÓNG TOP – BASE

2.1 Giới thiệu chung:

Trong những năm gần đây một phương pháp xử lý nền móng mới đã thu hút sự chú ý của các kỹ sư xây dựng ở Nhật Bản và Hàn quốc đó là phương pháp móng Top – Base (Top – Base Method hay còn gọi là móng phểu) Phương pháp này dùng cho việc

xử lý móng công trình ở nơi có địa chất yếu, hiệu quả của việc sử dụng phương pháp TBM (Top – Base Method) là độ lún tổng thể của công trình giảm và sức chịu tải của nền đất tăng lên

Phương pháp Top – Base Method (TBM) sử dụng các khối bê tông có dạng con quay (hay Top-Block) sắp xếp liên tục trên nền đất tạo ra một tầng đệm (gọi là lớp Top – Base) giữa móng công trình với nền đất thực sự Lỗ rỗng giữa các khối bê tông được chèn lấp bằng vật liệu rời đầm chặt (thông thường sử dụng đá dăm) Mặt cắt ngang một

lớp Top – Base (Hình2.1) Nền có thể được gia cố bằng một hoặc hai lớp Top – Base

Hình 2.1: Mặt cắt ngang một lớp Top-Base [1][9]

Hiện nay trong thực tế thường sử dụng loại Top – Block có đường kính 33cm và 50cm để xử lý nền đất yếu dưới đáy móng công trình Theo kết quả nghiên cứu của các nước đã sử dụng phương pháp TBM trong việc xử lý nền đất yếu thì phương pháp móng TBM là có thể tăng sức chịu tải của nền đất lên đến 200%, giảm độ lún còn 15% – 30%

so với nền đất yếu khi không sử dụng biện pháp xử lý[1][9]

2.2 Phạm vi áp dụng:

2.2.1 Tình hình áp dụng trên thế giới:

Công nghệ Top-Base vốn được coi là một bước đột phá về công nghệ xây dựng ,

đã được hoàn thiện và áp dụng thành công trên nền đất yếu hơn 30 năm ở Nhật Bản, Hàn Quốc Công nghệ Top-Base được phát minh tại Nhật Bản vào những năm 1980, trong thời gian này công nghệ mới Top –Base đã dành được sự tín nhiệm rất cao của các kỹ sư xây dựng và được ứng dụng rộng rãi tại Nhật Bản với hơn 6000 công trình được xây dựng trên nền đất Top-Base Các công trình xây dựng trên nền Top- Base đã qua được các trận động đất khủng khiếp tại Chiba năm 1987 và Kobe năm 1995 mà hầu như không bị hư hại gì Nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được tiến hành để lý giải hiệu quả của phương pháp và đã được công bố trên các tạp chí Địa kỹ thuật của Nhật bản cũng như tại các hội thảo quốc tế về xử lý nền

Đầu những năm 1990 công nghệ được nghiên cứu ứng dụng tại Hàn Quốc và đã

có nhiều phát minh quan trọng kể từ đó, đặc biệt trong lĩnh vực thi công Các cải tiến của Hàn Quốc đã làm cho Top-Base trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn trong thi công, thân thiện với môi trường và đặc biệt giá thành hạ một cách thuyết phục Với hơn 2000 công trình ở Hàn Quốc được xây dựng trên nền Top- Base vào những năm 1990, riêng năm 2007 đã có hơn 8 triệu khối bê tông Top-Block được sử dụng tương đương với 2 triệu m2 đất nền được gia cố Nền Top-Base được sử dụng cho nền đất yếu để tăng cường khả năng chịu tải của nền đất và giảm kết cấu móng Nhờ những ưu việt của phương pháp mới mang lại mà sau này được công ty Banseok Top-Base Co., Ltd tiếp tục nghiên cứu

và phát triển với trung tâm nghiên cứu chính đặt tại

trường đại học Dankook

Móng Top-Base là một lớp vật liệu nhân tạo

được bố trí bên dưới kết cấu móng và bên trên nền

đất tự nhiên nhằm làm tăng khả năng tiếp nhận tải

trọng của đất nền và làm giảm độ lún của móng,

giảm thời gian cố kết lún của đất Thành phần chủ

yếu là những chiếc phễu làm từ nhựa tái chế thay

cho cốp pha như trong các phương pháp thi công

truyền thống thường áp dụng

Top-Base là phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cách đặt các khối bê tông hình phễu Top-Block lên bề mặt của nền đất nguyên dạng và chèn đầm chặt đá dăm lấp đầy

Hình 2.1: Mặt cắt lớp Top-Base [1]

vào khe trống giữa các Top-Block này để tạo thành kết cấu nền cho móng nông Những kết quả đo lường từ thực tế sử dụng cho thấy công nghệ Top-Base cho phép giảm kết cấu móng chỉ còn 1/10 tới 1/2(hoặc hơn nữa)

Có 2 phương pháp thi công Top-Base, đó là thi công tại nhà máy các Top-Block đúc sẵn (công nghệ Nhật Bản) và Top-Base đổ tại chỗ (công nghệ Hàn Quốc) Phương pháp đổ tại chỗ ứng dụng nhiều ở Việt Nam được thực hiện bằng cách đặt các phễu được kết nối chặt chẽ với nhau tại vị trí thi công, sau đó đặt hệ lưới thép dưới, đổ bê tông hoặc vữa lỏng vào phễu , đầm chặt đá dăm vào các khoảng không gian giữa các khối Top-Block , đặt lưới thép trên… Trong một Top-Block khối bê tông hình nón ở trên có góc nghiêng 45o có tác dụng phân phối ứng suất, khối bê tông hình trụ đỉnh chóp ở dưới có tác dụng ngăn sự biến dạng ngang

Công nghệ mới móng Top-Base có tính đột phá nhờ chi phí rất thấp bởi thời gian thi công ngắn cũng như sử dụng những vật liệu thi công rẻ tiền, dễ vận chuyển đến công trường và phương pháp thi công đơn giản đồng thời giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường thông qua việc sử dụng tái chế các vật liệu nhựa phế thải để làm khuôn

Cơ chế cải tạo đất bằng Top-Base : Phân bố đều ứng suất trong nền , tập trung ứng suất gần đáy móng, hạn chế biến dạng ngang-khắc phục cơ chế phá hoại do trượt cục bộ thành phá hoại do trượt sâu

Một số công trình điển hình ở Nhật Bản và Hàn Quốc áp dụng phương pháp móng Top-Base:

Hình 2.4: Tường chắn đất ở Busan [1] Hình 2.2: Bãi chứa container ở Kwangyang [1] Hình 2.3: Cống hộp tại đại lộ Iksan [1]

2.2.2 Tình hình áp dụng tại Việt Nam:

Công nghệ móng Top-Base được giới thiệu lần đầu tiên ở Việt Nam trong buổi trao đổi giữa Giáo sư Kim Hak-Moon của Trường Đại học Dankook, Seoul cùng Công ty Banseok với Bộ môn Cơ học đất – Nền móng Trường Đại học Xây dựng năm 2007 Cũng trong năm này, Ông Đỗ Đức Thắng, Giám đốc Công ty Kết cấu và Công nghệ mới Việt Nam (NST Việt Nam) đã tham quan công nghệ này tại Hàn Quốc và hình thành ý định áp dụng công nghệ mới ở Việt Nam

Năm 2008, lần đầu tiên Công nghệ móng Top-Base được nghiên cứu tại Trường Đại học Xây dựng trên qui mô mô hình trong phòng thí nghiệm Cơ học đất Tháng 08/2008, Công ty TBS Việt Nam liên doanh giữa Hàn quốc với Việt Nam ra đời nhằm thúc đẩy áp dụng công nghệ mới vào Việt nam Lần đầu tiên công nghệ mới TBM được

áp dụng xử lý nền tại công trình 110 Mai Hắc Đế Hà nội vào tháng 8 năm 2008 như là một thử nghiệm và ngay sau đó được ứng dụng tại khu đô thị mới PG của Hải phòng dưới danh nghĩa chính thức của Công ty Liên doanh TBS Việt nam

Một số hình ảnh áp dụng móng Top-Base tại Việt Nam các công trình dân dụng và công nghiệp:

2.3 Nguyên lý chịu lực của móng Top – Base:

Hình 2.5: Công trình khách sạn cao 12

tầng ở 32 Lò Sũ, Hà Nội [19]

Hình 2.6: Công trình khách sạn Ocean View – Vũng Tàu [19]

Móng Top-Base được cấu tạo từ các khối bê tông hình phễu xen giữa là lớp vật liệu rời giúp cho các khối bê tông hình phễu đó thêm vững chắc đồng thời tham gia một phần vào quá trình tiếp nhận tải trọng của công trình bên trên thông qua việc hạn chế biến dạng ngang

Hình 2.7: Cấu tạo nền Top –Base [1]

Phương pháp Top-Base với đặc điểm khác biệt so với các phương pháp khác trong cải tạo nền đất yếu ở chổ tận dụng được quá trình truyền ứng suất trong bê tông thông qua các khối Top-Block Hiện nay công nghệ Top –Base đưa ra 3 loại Top-Block với các kích thước tương ứng là 330mm, 500mm và 2000mm có cấu tạo như hình sau[1]:

Hình 2.9a Đặc tính của Top-Base [7 Hình 2.9b Bánh xích dạng Top-shape

của máy ủi [1]

Hình 2.9a là hình biểu diễn đặc tính của Base gồm: phần trụ nón của Block được đặt trong lớp vật liệu rời rạc (đá dăm) nằm trên nền đất yếu, phần cọc của Top-Block cũng được đặt trong phần địa tầng tương tự, và phần cốt thép phía trên và phía dưới có tác dụng nối các Top-Block thành nhóm; vì vậy phương pháp móng Top-Base trở thành hệ kết cấu móng cứng linh hoạt

và phần đất (vật liệu rời rạc ) tiếp xúc là 450, hình dạng

tương tự như bánh xích của xe ủi đất (Hình 2.9b), cấu tạo

này cho phép phân tích tải trọng thẳng đứng tác dụng lên

Top-Base được chia thành 2 thành phần: ứng suất thẳng

đứng (PV) và ứng suất theo phương ngang (PH) Điều này

dẫn đến biến dạng ngang bị ngăn cản bởi lực kháng của

lớp vật liệu rời rạc và phần cọc, như trong (Hình 2.9c)

Tóm lại, phương pháp Top-Base là phương pháp

cải thiện nền đất làm tăng khả năng chịu tải của nền đất và

giảm độ lún do sự phân phối lại ứng suất và ngăn cản biến

dạng ngang thông qua việc thiết lập nên hệ kết cấu tạo bởi

lớp đá dăm và hình dạng bánh xích của phần trụ nón (Hình 2.10) thể hiện biểu đồ phân phối cho các loại móng khác nhau: móng bê tông và móng đá dăm có đường phân bố ứng suất không đều, móng trên nền Top-Base cho kết quả đường phân bố ứng suất đồng đều,

có nghĩa là móng trên nền Top-Base ổn định hơn Thực tế, Top-Base làm tăng từ 1,5 ÷ 2,5 lần khả năng chịu tải của nền và làm giảm 1/2 ÷ 1/4 lần độ lún so với nền đất ban đầu Top-Base không chỉ có tác dụng phân phối đều tải trọng tác dụng và độ lún, nó còn làm giảm cường độ tải trọng truyền qua lớp Top-Base do sự phân phối lại ứng suất, vì vậy tải trọng tác dụng sẽ không gây ảnh hưởng đến lớp đất ở dưới sâu

Hình 2.11 Phân bố ứng suất dưới nền không gia cố và nền gia cố bằng Top - Base [1]

2.3.3.1 Tác dụng giảm lún:

Tác dụng giảm lún của móng Top – Base đã được chứng minh thông qua quá trình thử nghiệm ở ngoài hiện trường và ở trong phòng thí nghiệm được biểu thị bằng quan hệ độ lún theo thời gian Quan hệ độ lún theo thời gian được xác định thông qua quá trình thử nghiệm móng nông kích thước 1x1x0.1m trên 5 loại nền khác nhau (hình 2.12)

Kết quả phân tích các đặc trưng cơ lý của nền trong phòng thí nghiệm được thể hiện qua bảng 2.1

Kết quả thí nghiệm xác định độ lún theo thời gian của các loại nền ở trên được thể hiện qua biểu đồ quan hệ hình 2.13

Hình 2.12: Các loại móng dùng kiểm tra lún theo thời gian [1]

a) Nền tự nhiên không gia cố

b) Nền gia cố bằng đá dăm dày 20cm c) Nền gia cố bằng cọc gỗ 12cm d) Nền gia cố bằng 1 lớp Top – Base e) Nền gia cố bằng 2 lớp Top – Base

Qua biểu đồ quan hệ (hình 2.13) ta nhận thấy rằng cùng một địa chất đất yếu như nhau, cùng một kích thước móng như nhau nhưng nền đất có sử dụng Top – Base có độ lún nhỏ hơn rất nhiều so với nền đất yếu chưa gia cố, tuy rằng tải trọng gây lún trường hợp nền đất không gia cố nhỏ hơn 0.5tf/m2 so với nền đất có sử dụng các khối Top – Block kết hợp với đá dăm Từ biểu đồ ta cũng thấy rằng độ lún của nền Top –Base 1 lớp giảm 1/3 lần so với nền đất không sử dụng các biện pháp gia cố

Bảng 2.1: Phân tích các chỉ tiêu cơ lý[1]

Hình 2.13: Quan hệ độ lún với thời gian xác định ở hiện trường [1]

Ở trong phòng thí nghiệm, kết quả thí nghiệm với lớp Top – Base đường kính 6cm, thiết bị chứa đất thí nghiệm có đường kính 50cm, sử dụng 9 Top-Block chia làm 3 hàng Kết quả độ lún theo thời gian cũng tương tự với kết quả ở ngoài hiện trường (hình 2.14)

Hình 2.14: Quan hệ độ lún với thời gian xác định ở phòng thí nghiệm [1]

Quá trình kiểm tra trong phòng thí nghiệm kết quả cho thấy độ lún dài hạn của móng dùng phương pháp gia cố móng Top –Base giảm 1/2 lần so với móng không sử dụng các biện pháp gia cố Kết quả này cũng được kiểm chứng bằng phân tích theo phương pháp phần

tử hữu hạn với các giả thiết phân tích nền là đàn hồi/chảy/dẻo

Nền được gia cố theo phương pháp Top – Base không những giảm lún mà còn có khả năng giảm chấn rất lớn, kết quả này được đánh giá qua thực tiễn của trận động đất ở Chiba vào 12/1988 một điều đáng ngạc nhiên là những công trình được gia cố móng bằng Top – Base không bị hư hỏng hoặc hư hỏng nhẹ trong khi đó các công trình sử dụng phương pháp móng thông thường bị phá hủy hoàn toàn

2.3.3.2 Cải thiện sức chịu tải của nền:

Sự cải thiện sức chịu tải của phương pháp nền móng Top – Base được đánh giá thông qua quá trình gia tải kiểm tra ngoài hiện trường và tải trọng trong phòng thí nghiệm qua việc

mô phỏng kích thước nền đất có giới hạn Tiến hành thí nghiệm ngoài hiện trường với nền đất có các chỉ tiêu cơ lý như bảng 2.1 trên kết cấu nền móng như hình 2.12, bên cạnh đó quá trình kiểm tra trong phòng thí nghiệm được thực hiện với nền đất đựng trong thùng có kích thước 0.2 x 1.8 x 0.72m

Kết quả của quá trình kiểm tra ngoài hiện trường và trong phòng thí nghiệm được thể hiện qua hình 2.15 và hình 2.16

Qua đường biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng và độ lún ta thấy rằng khi sử dụng móng Top – Base thì sức chịu tải của nền tăng lên 1.5 lần so với nền đất không sử dụng các biện pháp gia cố ở cùng một độ lún, đồng thời qua đồ thị ta cũng thấy rõ là sử dụng biện pháp móng Top – Base thì sức chịu tải cũng được cải thiện rất nhiều so với các biện pháp xử

lý khác như: dùng lớp đá dăm làm nền, dùng cọc, vv…

Các tác dụng cải tạo như giảm độ lún có thể hi vọng tăng khoảng 50% khả năng chịu lực so với nền đất ban đầu

Trường hợp tải trọng đặt lệch tâm lên móng cũng được kiểm tra Trong trường hợp

độ lệch tâm bằng B/6 tính từ tâm chiều rộng của móng B, Top-Block 1 lớp có khả năng chịu tải gấp 2 lần so với nền đất ban đầu và Top-Block 2 lớp có khả năng chịu tải gấp 3 lần so với nền đất ban đầu Do đó, Top-Base được công nhận cũng mang lại hiệu quả cho tải lệch tâm

Phân phối ứng suất dưới móng đã được mô tả đối với nền đất có độ lún dài hạn được xác định bằng thí nghiệm như trong Hình 2.12 và 2.13 Các đường cùng ứng suất trong hình vẽ phân bố ứng suất theo chiều sâu có được bằng cách đặt các cảm biến đo ứng suất chôn sẵn trong đất theo chiều sâu được thể hiện trong hình 2.10

Ứng suất đặt lên nền ban đầu là 2,5kgf/cm2, vì thế các đường ứng suất cân bằng là 3kgf/cm2 hoặc cao hơn, biểu thị ứng suất tăng do độ lún cố kết

Hình 2.10 (a) là trường hợp nền đất được đặt các tấm móng bê tông lên trên và người ta thấy rằng tập trung ứng suất chỉ xuất hiện phía dưới của tấm truyền tải khi các tấm này được đặt trên nền đất sét và độ lún tăng do xảy ra biến dạng ngang, vì thế điều này được kiểm tra cùng với phân phối ứng suất với nhiều kết quả đã được thực hiện

Ngược lại, Top-Base trong hình 2.10 (d) là kết cấu cứng gồm các khối bê tông hình phễu có tác dụng triệt tiêu phần tải ngang, vì thế phân phối ứng suất lớn hơn ở hai đầu và gần như đồng đều Trong hình 2.10 (d), khi có hai lớp Top-Base, phân bố ứng suất phân bố đều hơn nữa và ứng suất tăng đồng đều Từ những nhận xét này, có thể nhận thấy rằng Top-Base có tác dụng hạn chế biến dạng ngang

Hình 2.15: Đường biểu diễn quan hệ giữa

p – S ngoài hiện trường [1]

Hình 2.16: Đường biểu diễn quan hệ giữa

p – S trong phòng thí [1]

nghiệm [1]

Nghiên cứu áp lực lỗ rỗng được tạo ra trên nền đất ban đầu với thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, có thể nói rằng không xảy ra áp suất lỗ rỗng dưới nền móng Top-Base.

Biến dạng ngang thay đổi theo kết quả phân tích qua phương pháp phần tử hữu hạn bằng phân tích đàn hồi/chảy/dẻo Đã xét hiệu ứng giãn nở, hiện tượng cố kết bên

ngoài và hiệu ứng cố kết thứ cấp Hình 2.9c chỉ ra kết quả phân tích, xác định dạng phân

bố biến dạng ngang Từ hình 2.9c, có thể thấy rằng Top-Base ngăn chặn hiện tượng biến dạng ngang, và do đó, độ lún bề mặt nhỏ hơn 1/2 lần

Khả năng chịu lực của nền đất thay đổi phụ thuộc vào hai loại phá hoại là phá hoại

do trượt cục bộ hoặc phá hoại do trượt sâu Tuy nhiên, trong trường hợp xảy ra biến dạng ngang, khả năng chịu lực của nền trở thành khả năng chịu lực của phá hoại do trượt cục

bộ Có thể thấy rằng móng trên Top-Base ngăn chặn việc sinh ra phá hoại do trượt cục bộ bằng cách ngăn chặn biến dạng ngang Công thức tính khả năng chịu lực của Terzaghi thực hiện tính toán bằng cách giảm hệ số khả năng chịu lực xuống 2/3 trong trường hợp phá hoại do trượt cục bộ Và đối với đất sét, khả năng chịu lực của phá hoại do trượt sâu lớn hơn 1,5 lần so với phá hoại do trượt cục bộ Kết quả trong hình 2.15 và 2.16 thể hiện các thử nghiệm tải trọng cho thấy trong khi nền đất nguyên dạng bị phá hoại do trượt cục

bộ thì Top-Base dẫn đến phá hoại do trượt sâu, do đó có khả năng chịu lực lớn hơn

Từ các kết quả trên, việc tạo ra kết cấu nền bằng cách đầm chặt đá dăm đã được đổ đầy giữa các khối Top-Block, đá dăm có tác dụng truyền tải đều xuống đất yếu giảm tập trung ứng suất Do kết cấu nền Top Base đã phân bố ứng suất trong nền đất trở thành phân bố đều và hơn nữa, sức chống ma sát xuất hiện trong đá dăm, phần cọc của Top Base có tác dụng ngăn chặn biến dạng ngang của nền xung quanh Giống như trên, hiệu ứng đồng vận giữa các Top-Block và đá dăm giúp cải thiện nền xung quanh và có tác dụng giảm độ lún và tăng khả năng chịu lực

2.4 Nguyên lý tính toán thiết kế móng Top – Base:

2.4.1 Lựa chọn phương pháp:

Khi áp dụng phương pháp gia cố nền Top-Base, điều quyết định là tải trọng thiết

kế yêu cầu của kết cấu bên trên đã xác định phải nhỏ hơn kết quả xác định khả năng chịu tải của nền đã gia cố Trước hết, người thiết kế tính toán tải trọng của kết cấu công trình, sau đó tính toán khả năng chịu lực cho phép của nền từ kết quả thí nghiệm nền sau gia cố

Như chỉ ra trong hình 2.17, việc áp dụng Top-Base là phù hợp hay không được đánh giá theo nhiều tiêu chí Các tiêu chí này cần được xem xét đồng thời, đó là : độ lún

giảm được bao nhiêu, việc thi công Top-Base có phù hợp với địa hình, với môi trường xung quanh không, hiệu quả kinh tế thế nào và độ an toàn so với các phương pháp khác như thế nào v.v…

Hình 2.17 Sơ đồ khối chấp nhận phương pháp Top-Base [1]

Từ việc đánh giá kết quả thi công trước đây và các đặc điểm của phương pháp này, sử dụng Top-Base có hiệu quả hơn so với các phương pháp khác trong các trường hợp sau :

1) Khi cần giảm tổng độ lún và độ lún không đều có thể xảy ra thậm chí khi tải trọng kết cấu không vượt khả năng chịu lực cho phép của nền đất

2) Trường hợp muốn tránh áp dụng móng cọc và các phương pháp gia cố nền khác

do các yếu tố như hiệu quả kinh tế v.v do tải trọng từ kết cấu móng vượt quá khả năng chịu lực cho phép của nền nguyên dạng (trong trường hợp này, một độ lún nhỏ là không thể tránh được nhưng có thể điều chỉnh để đạt được mục đích bằng cách mở rộng diện tích áp dụng Top-Base)

3) Trường hợp không thể sử dụng thiết bị thi công lớn tại công trường do điều kiện địa hình hay giao thông hạn chế, khi việc gia cố nền là cần thiết (phương pháp Top-Base là phương pháp thi công sử dụng các công cụ đơn giản để không bị giới hạn bởi địa hình và các điều kiện xung quanh)

4) Trường hợp tìm kiếm cách gia cố nền đồng thời quan tâm các hiệu ứng chống rung và chống động đất cho móng

5) Trường hợp muốn giảm độ lún và biến dạng do tải trọng kết cấu không vượt quá khả năng chịu lực cho phép của nền quá nhiều trừ tải lún lệch tâm

6) Trường hợp muốn tìm kiếm cách gia cố móng cũng như ngăn chặn hiện tượng hoá lỏng với móng nền trong đó có xét đến hiện tượng hoá lỏng do động đất

Tính toán áp lực truyền lên nền, q Thiết kế kết cấu

Yêu cầu giảm độ lún

Chấp nhận và đánh giá phương pháp bằng cách so sánh q và qa

Đánh giá xây dựng, an toàn kinh tế và dài hạn

Khảo sát/ thí nghiệm nền

Tính toán khả năng chịu lực cho phép,

qa

2.4.2 Tính toán thiết kế:

Trước hết, từ kết quả khảo sát đất, qua các thông số xác định được khả năng chịu lực của nền ban đầu Từ mối quan hệ giữa khả năng chịu lực này và tải thiết kế kết cấu yêu cầu, phương pháp gia cố nền được xem xét và Top-Base được lựa chọn và tiến hành thiết kế một cách cụ thể

Hiện tại, việc thiết kế Top-Base đang được thực hiện bằng cách sử dụng “Bảng móng áp dụng phổ biến” Đây là phương pháp ước lượng giá trị N hoặc lực cố kết Cu của nền ban đầu và của nền Top-Base từ mối quan hệ với tải kết cấu Phụ thuộc vào nội dung thiết kế, luôn cần tính toán khả năng chịu lực của nền Top-Base Trong trường hợp này, công thức tính toán khả năng chịu lực của nền Top-Base bao gồm những ký hiệu được phép hoặc công thức tính toán khả năng chịu lực đảm bảo thiết kế tương đối an toàn được sử dụng

và sẽ được giải thích ở phần sau

Có thể chọn thông số ứng suất bằng phương pháp thông thường và xác định khả năng chịu lực của nền nguyên dạng bằng công thức tính khả năng chịu lực nền của Terzaghi

2.4.2.1 Ước lượng thông số ứng suất bằng giá trị N:

Trong thiết kế móng, có thể dựa trên kết quả thu được từ khảo sát địa chất chỉ là giá trị N Và có những trường hợp không có phần giải thích phương pháp để ước lượng thông số ứng suất chỉ với giá trị N trong các hướng dẫn thiết kế khác nhau, vì thế đôi khi việc đánh giá của các kỹ sư khảo sát địa chất và các đặc tính vùng cần được xem xét đến

Trong thiết kế phương pháp Top-Base, khi ước lượng thông số ứng suất dựa trên giá trị N, công thức kinh nghiệm sau được sử dụng để đưa ra thông số thiết kế an toàn:

Trong trường hợp đất cát

4515

2.4.2.2 Tính toán khả năng chịu lực của nền ban đầu:

Khả năng chịu lực của nền ban đầu sẽ được tính toán theo công thức tính toán đối với khả năng chịu lực, được coi như là hướng dẫn thiết kế kết cấu Tuy nhiên, nếu không

có phần hướng dẫn hoặc tiêu chí như trên thì có thể tính được khả năng chịu lực bằng công thức tính toán khả năng chịu lực của Terzaghi Trong trường hợp này, dạng phá hoại của nền đất yếu chưa gia cố là phá hoại do trượt cục bộ, công thức tính toán khả năng chịu lực xét đến phá hoại do trượt cục bộ được sử dụng để tính toán khả năng chịu lực của nền ban đầu Ngoài ra, tải trọng tác dụng lên nền có thể là tải trọng ngang, tải trọng lệch tâm hoặc tải trọng lệch tâm xiên, vì thế trong các trường hợp này, khả năng chịu lực xét đến độ lệch tâm và độ nghiêng có thể không tính được

2.4.2.3 Thiết kết nền Top-Base:

Khi tải thiết kế yêu cầu lớn hơn khả năng chịu lực cho phép của nền ban đầu như

đã được giải thích trong phần (2), Top-Base đã được xem xét lựa chọn Trong thiết kế nền Top-Base, phương pháp thiết kế dựa theo tra bảng “Bảng tiêu chuẩn áp dụng Top-Base” được chấp nhận phổ biến nhưng phương pháp đánh giá cùng với tính toán sẽ được yêu cầu khi cần thiết

2.4.2.3.1 Phương pháp thiết kế sử dụng tra bảng tiêu chuẩn áp dụng Base:

Top-Tiêu chuẩn áp dụng phổ biến được nêu trong Bảng 2.2 đối với từng kết cấu để được sử dụng như là thiết kế tiêu chuẩn phụ thuộc vào các loại nền và kích cỡ tải thiết kế,

vì thế phương pháp thiết kế sẽ được sử dụng theo bảng này

Trên thực tế, có nhiều trường hợp không có đủ dữ liệu khảo sát nền trong thiết kế kết cấu xây dựng, vì thế công tác xây dựng với quy mô tương đối nhỏ chỉ sử dụng kết quả thí nghiệm độ xuyên tiêu chuẩn Cân nhắc tình huống trên, Bảng 2.2 dùng khi chỉ có giá trị N

Trong bản thiết kế sử dụng bảng này, kích thước và số lượng lớp Top-Block phải được xác định cùng với kích thước của tải áp dụng và giá trị N của nền Trên thực tế, việc đặt các khối Top-Block sẽ được xác định bằng cách quy định đặt thừa ít nhất một nửa khối Top-Block đối với đáy móng

Bảng 2.2 Các tiêu chuẩn ứng dụng phổ biến của phương pháp móng Top-Base[1]:

Hạng

mục

Tải q(tf/m2

) q≤3 3<q≤5 5<q≤7.5 7.5<q≤10 Nền

(2 ≤ Cu < 3 tf/m2) Loại 330 Loại 500 Loại 500 Loại 500

N ≥ 9 - - Loại 330 Loại 500 Loại 500 Loại 500

Chú ý:1) Đối với loại ø 330 và ø 500, tham khảo hình 9.15

2) (*) dấu yêu cầu cần tổng hợp riêng một cách chi tiết

3) Khi tải lệch tâm đạt cực biên hoặc xảy ra lún sâu, cần phải tổng hợp riêng một cách chi tiết

2.4.2.3.2 Phương pháp thiết kế trong trường hợp tính toán:

Có một số trường hợp thiết kế của Top-Base không thể thực hiện được trừ khi sử dụng tính toán, vì thế trình tự thiết kế trong trường hợp này như sau:

a) Xác định cách bố trí các Top-Block Lúc này, để tạo ra hiệu ứng phễu, hãy xếp các

Top-Block thành ít nhất 3 hàng dọc và ngang

b) Đạt khả năng chịu lực cho phép của Top-Base qka

c) Nếu qka không đủ khi so sánh với tải thiết kế (cường độ tải tại đáy móng) q, lặp lại

với bố trí diện tích Top-Block lớn hơn

2.4.2.3.3 Tính toán khả năng chịu lực cho phép của Top-Base[1]:

Khả năng chịu lực cho phép của Top-Base qka tính được bằng công thức sau

qka = (1/Fs)K1K2(αcNc + β1 Bk’Nr/2 + p0Nq )

Trong đó:

 qka: khả năng chịu lực cho phép (tf/m2)

 Fs: Hệ số an toàn (thông thường là 2, động đất: 3)

B, L: chiều rộng và chiều dài móng (m)

(a) (b) Hình 2.20 Phương pháp lựa chọn hệ số K 2 (đất sét, Top-Block 500) [1]

Hình 2.21 Biểu đồ hệ số khả năng chịu tải của Top-Base [1]

 α, β: Hệ số hình dạng móng được tra theo bảng 2.5:

Bảng 2.5: Hệ số hình dạng móng[1]

Hệ số hình

Móng hình vuông

 Nc, Nγ, Nq: Hệ số khả năng chịu lực đối với phá hoại do trượt sâu tra theo các biểu đồ hoặc bảng 2.4

 γ2: Trọng lượng thể tích của đất trên đế phần cột (tf/m3) (Dùng trọng lượng thể tích dưới nước trong trường hợp nằm dưới mực nước ngầm)

 Df: chiều sâu tính từ mặt đất gần mặt móng nhất đến đỉnh lớp Top – Block

2.4.2.3.4 Tính toán độ lún Top-Base:

Sử dụng phương pháp Top-Base có thể gây ra hiệu ứng phân bố ứng suất và có thể ngăn hiện tượng biến dạng ngang Do vậy, việc tính toán độ lún móng Top-Base được tiến hành như sau:

a Tải trọng được phân bố tại vị trí trên cùng của chiều rộng móng đã lắp đặt Do vậy cường độ tải trọng dùng để tính toán độ lún của Top-Base có thể thực hịên được dùng công thức q=P/(B’k.L’k)

b Phạm vi phân bố ứng suất trong nền

dự tính là tại 300

của góc khuyếch tán

c Đề cập đến khả năng chống biến

dạng bên, bỏ qua độ lún của chiều

cao phần xuyên sâu trên đỉnh, người

ta cho rằng sự biến dạng của lớp đất

tại phần tương ứng với chiều cao của

phần đỉnh tại đáy cũng được giảm

đáng kể Do vậy, độ lún tại phần đó được

cho là chỉ bằng 1 nửa độ lún đã tính

toán

d Độ sâu của các lớp đất có ảnh hưởng tới độ lún khoảng 1,5 lần tải trọng áp dụng cho chiều rộng nhưng việc sử dụng các hiệu quả Top-Base chỉ tuỳ thuộc vào độ sâu và chiều rộng áp dụng trọng tải tương tự mà thôi vì có hiệu ứng phân bố ứng suất (hình 2.10) Do vậy độ sâu để xem xét độ lún còn tuỳ thuộc vào độ sâu và chiều rộng áp dụng tải trọng tương tự

e Lớp đất tính lún được chia làm nhiều lớp có chiều dày như nhau, tổng độ lún của mỗi lớp đất có thể coi là độ lún sau cùng của lớp móng Top-Base

f Tính toán độ lún từng lớp có thể sử dụng công thức sau:

εzi = (1/E)(1-2K0)∆бzi

Trong đó:

εzi : biến dạng thẳng đứng của lớp “i”

Hình 2.22 Phương pháp tính toán độ lún [1]

E: Mô đun đàn hồi của đất bên dưới lớp Top-Base

: hệ số Poison,  = 0.3

K0: Hệ số áp lực đất tĩnh, K0 = 0.5

∆бzi: ứng suất gia tăng trung bình của lớp “i” (được tính theo a, b) Tuy nhiên, mô đun đàn hồi của đất E được dự tính với công thức sau dùng hệ số nén mv đạt được từ dữ liệu thử nghiệm độ cố kết tiêu chuẩn

E = (1+)(1-2)/((1-)mv) Tuy nhiên, khi có thể đạt được các dữ liệu đo lường của giá trị N, ta có thể xác định được giá trị của E nhờ vào giá trị N đã biết

Độ lún của lớp Si sử dụng công thức sau:

Si = εzi x H

2.5 Trình tự thi công móng Top – Base [20] :

Quá trình thi công Top – Base hiện nay tồn tại phương pháp để thi công đó là thi công theo công nghệ của Nhật Bản và thi công theo công nghệ của Hàn Quốc

 Sắp xếp các Top – Block lên nền đất

 Sắp xếp các khuôn đúc chế tạo sẵn lên nền đất

Tuy nhiên tùy theo điều kiện cụ thể của từng công trình mà ta có thể lựa chọn phương pháp thi công cho phù hợp

Ở trong khuôn khổ của luận văn xin được trình bày phương pháp thi công theo công nghệ của Hàn Quốc hiện đang được công ty cổ phần tư vấn đầu tư LICOGI 16.8 áp dụng

Top – Base là một phương pháp gia cố nền hiệu quả, được thực hiện theo trình tự sau:

Công tác chuẩn bị Đào đất hố móng Kiểm tra cao độ

Định vị cốt thép

Lắp đặt Top - Block (Đổ bê tông nếu dùng phểu nhựa) Đầm, chèn đá dăm Kiểm tra độ chặt

Lắp đặt thanh thép liên kết đỉnh Top-block

Kiểm tra Top-block trước khi đổ bê tông Vệ sinh sạch sẽ

Hoàn thiện bê tông khóa đỉnh Top-block

Hồ sơ thiết kế Thép định vị D10

Top - block (phểu nhựa)

đá dăm

Thép D10 - D12

San lấp nếu cần

Nếu còn lún phải đầm tiếp

Sau đây là một số yêu cầu cụ thể cho cơng tác thi cơng:

Bước 1 Cơng tác đào đất:

Đất sẽ được đào đến độ sâu thiết kế, nếu hố đào sâu trên 1m phải dự kiến biện pháp bảo vệ thành hố đào và thốt nước hố đào để bảo đảm điều kiện thi cơng

Hình 2.23 Đào các hố mĩng để đặt Top-Base

Trường hợp đáy hố đào ở trên mực nước ngầm (không bị ngập nước) và là lớp đất rời rạc, cần tiến hành làm ẩm và đầm nén làm chặt lớp đất đáy hố móng, trải vải địa kỹ thuật trước khi lắp đặt phễu nhựa hoặc Top-Block đúc sẵn

Trường hợp đáy hố móng khô ráo và là đất dính có R>0,5kg/cm2 thì chỉ cần làm phẳng đáy hố móng, rải lớp vải địa kỹ thuật rồi lắp đặt phễu nhựa hoặc Top-Block đúc sẵn,

Nếu đất tại đáy hố móng quá yếu ( R< 0,3 kg/cm2 ) phải trải lớp đá mạt hoặc đá dăm dày tối thiểu 100mm trên diện tích bố trí Top-Base trước khi tiến hành lắp đặt

Bước 2 Công tác lắp đặt Top-Block

Hình 2.24 Luồn các thanh thép dưới liên kết các Top-Block thành khối

Khi lắp đặt các khối Top-Block cần phải điều chỉnh độ cao của các móc thép gắn trên phễu bê tông sao cho bằng nhau Lưới cốt thép định vị cho trường hợp sử dụng Top-Block là lưới thép thanh có khoảng cách 500 x 500mm với đường kính thanh thép 10mm Cũng có thể chế tạo lưới thép này bằng hàn hồ quang điện ngay tại công trường, song cần hàn thêm một thanh chéo vào mỗi ô vuông 500 x 500mm để làm khung định vị phần cọc của Top-Block

Phần thẳng đứng có dạng cọc của Top-Block (chân phễu) phải được chôn hoặc đóng vào nền đất theo phương thẳng đứng vào ô có hình tam giác trên lưới thép định vị (nếu dùng Top-Block đúc sẵn) Khi sử dụng Top-Base theo phương pháp đúc bêtông tại chỗ trong các phễu nhựa sẽ định vị các phễu nhựa bằng cách luồn các thanh thép Ø10 qua lỗ khoan sẵn ở nơi tiếp giáp giữa phần cọc và phần côn của phễu nhựa Nếu việc chôn/đóng chặt các Top-Block gặp khó khăn do nền quá cứng, có thể phải tạo lỗ có đường kính bằng đường kính chân phễu để đút chân phễu vào đó Các phương pháp để