Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu giải pháp cọc vữa xi măng-cát tiết diện nhỏ để xử lý nền đất yếu trong xây dựng nhà kho, nhà xưởng tại Thành phố Cần Thơ

VẤN ĐỀ THỰC TIỄN VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho kỹ sư ngành Địa Kỹ Thuật những thách thức lớn, đặc biệt là xây dựng những công trình

NỘI DUNG

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ CỌC VỮA XI MĂNG CÁT:

Nền đất ở các tỉnh Đồng Bằng Sông Cưu Long nói chung, thành phố Cần Thơ nói riêng tương đối yếu, có nơi rất yếu Để xử lý nền đất yếu này đã có nhiều giải pháp được nghiên cứu áp dụng như: cọc tràm, thay thế lớp đất yếu bằng đệm cát, cọc vôi, cọc đất vôi, cọc cát-xi măng-vôi, gia tải trước kết hợp bấc thấm, giếng cát, cọc cát.v.v các giải pháp trên đều có ưu điểm và nhược điệm của nó

Các công trình nhà xưởng, nhà kho với tải trọng vừa và nhỏ cần có một giải pháp xử lý nền hợp lý về mặt kỹ thuật, kinh tế và thời gian thi công đã đặt ra cho các kỹ sư ngành địa kỹ thuật không ngừng nghiên cứu để sáng tạo ra các giải pháp xử lý nền mới, có tính thực tiễn cao

Tác giả dựa vào nghiên cứu về cọc xi măng cát của Ths Lê Quang Ngọc để làm cơ sở nghiên cứu cho đề tài Cụ thể nghiên cứu của Ths Lê Quang Ngọc như sau:

- Ứng dụng cọc vữa - xi măng cát để xử lý nền đất yếu công trình Nhà Máy Chế Biến Thuỷ Sản Cổ Chiên

- Địa điểm xây dựng: Khu Công Nghiệp Trà Nóc, Phường Phước Thới, Quận Ô Môn, Thành Phố Cần Thơ

- Giải pháp kết cấu nền sau khi hoàn thiện theo dự kiến:

Theo thứ tự từ dưới lên tới nền hoàn thiện:

+ Đất tự nhiên có gia cố cọc xi măng cát

+ Cát san lấp 2m có gia cố cọc xi măng cát

+ Dal dày 10cm có bố trí 1 lớp thép d6a150

- Hoạt tải sử dụng của nền là 1000kG/m 2

- Số liệu địa chất: dựa vào số liệu khảo sát của Công Ty CPTS Cổ Chiên cung Cấp

- Với số liệu và yêu cầu như trên, tác giả đã sử dụng phương pháp cọc vữ xi măng cát với một thí nghiệm bàn nén hiện trường để kiểm chứng như sau: + Đường kính cọc: d = 200mm

+ Khoảng cách giữa các cọc là: s = 0,8m Như vậy mỗi cọc sẽ chịu áp lực cho diện tích là 0,64m 2 nền kho

+ Mác vữa được thiết kế theo tỉ lệ Mac 100 Nghĩa là để tạo ra 1m 3 vữa phải dùng 410 Kg xi măng PCB 30 + 1,06 m 3 Cát vàng + 260 lít nước + Quy trình thi công cọc xi măng cát:

Bước 1: Định vị máy khoan Chiều cao tháp dẫn hướng khoan 2,6m

Hình 1.1: định vị máy khoan vào vị trí cọc Bước 2: Tạo lỗ khoan:

Vừa khoan xoay, vừa ép để đưa mũi khoan vào đất đến độ sâu thiết kế, tức là tạo lỗ khoan bằng cách ép đất ra xung quanh mà không phải lấy đất lên

Bước 3: Bơm vữa vào hố khoan

Hình 1.3:Bơm vữa vào lỗ khoan Vừa rút cần khoan vừa bơm vữa vào để lấp đầy hố khoan, đồng thời xoay mũi khoan để trộn đều vữa

Hình 1.4: Hoàn thành cọc Bơm đầy vữa vào lỗ khoan, cọc hoàn thành

1.2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN TƯƠNG TỰ:

Cọc tre và cọc tràm là giải pháp công nghệ mang tính truyền thống để xử lý nền cho công trình có tải trọng nhỏ trên nền đất yếu, nền đất luôn luôn ở trạng thái ẩm ướt Cọc tràm và tre có chiều dài từ 2,5-6m được đóng để gia cường nền đất với mục đích làm tăng khả năng chịu tải và giảm độ lún Theo kinh nghiệm, thường 16-

30 cọc tre hoặc cọc tràm được đóng cho 1m 2 Tuy vậy nên dự tính sức chịu tải và độ lún của móng cọc tre hoặc cọc tràm bằng các phương pháp tính toán theo thông lệ Việc sử dụng cọc tràm trong điều kiện đất nền và tải trọng không hợp lý đòi hỏi phải chống lún bằng cọc tiết diện nhỏ

Nhằm giảm độ lún và tăng cường độ chặt cho đất yếu, cọc cát hoặc cọc đá đã đầm chặt được sử dụng.Cát và đá được đầm bằng hệ thống đầm rung và có thể sử dụng công nghệ đầm trong ống chống Đã sử dụng công nghệ cọc cát và cọc đá để xây dựng một số công trình tại Tp, Hồ Chí Minh, Hà Nội, Hải Phòng và Vũng Tàu Sức chịu tải của cọc cát phụ thuộc vào áp lực bên của đất yếu tác dụng lên cọc Theo Broms (1987) áp lực tới hạn bằng 25 Cu với Cu = 20kPa, cọc cát Ф 40cm có sức chịu tải tới hạn là 60KN Hệ số an toàn bằng 1,5 có thể được sử dụng Khác với các loại cọc cứng khác (bê tông, bê tông cốt thép, cọc gỗ, cọc cừ tràm, cọc tre ) là một bộ phận của kết cấumóng, làm nhiệm vụ tiếp nhận và truyền tải trọng xuống đất nền, mạng lưới cọc cát làm nhiệm vụ gia cố nền đất yếu nên còn gọi là nền cọc cát

Việc sử dụng cọc cát để gia cố nền có những ưu điểm nổi bật sau: Cọc cát làm nhiệm vụ như giếng cát, giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn; Nền đất được ép chặt do ống thép tạo lỗ, sau đó lèn chặt đất vào lỗ làm cho đất được nén chặt thêm, nước trong đất bị ép thoát vào cọc cát, do vậy làm tăng khả năng chịu lực cho nền đất sau khi xử lý; Cọc cát thi công đơn giản, vật liệu rẻ tiền (cát) nên giá thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệu khác Cọc cát thường được dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày > 3m

1.2.3 Cọc vôi và cọc xi măng đất:

Cọc vôi thường được dùng để xử lý, nén chặt các lớp đất yếu như: Than bùn, bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão Việc sử dụng cọc vôi có những tác dụng sau:

- Sau khi cọc vôi được đầm chặt, đường kính cọc vôi sẽ tăng lên 20% làm cho đất xung quanh nén chặt lại

- Khi vôi được tôi trong lỗ khoan thì nó toả ra một nhiệt lượng lớn làm cho nước lỗ rỗng bốc hơi làm giảm độ ẩm và tăng nhanh quá trình nén chặt

- Sau khi xử lý bằng cọc vôi nền đất được cải thiện đáng kể: Độ ẩm của đất giảm 5-8%; Lực dính tăng lên khoảng 1,5-3 lần

Việc chế tạo cọc xi măng đất cũng giống như đối với cọc đất - vôi, ở đây xilô chứa ximăng và phun vào đất với tỷ lệ định trước Lưu ý sàng ximăng trước khi đổ vào xilô để đảm bảo ximăng không bị vón cục và các hạt ximăng có kích thước đều

< 0,2mm, để không bị tắc ống phun Hàm lượng ximăng có thể từ 7-15% và kết quả cho thấy gia cố đất bằng ximăng tốt hơn vôi và đất bùn gốc cát thì hiệu quả cao hơnđất bùn gốc sét.Qua kết quả thí nghiệm xuyên cho thấy sức kháng xuyên của đất nền tăng lên từ 4-5 lần so với khi chưa gia cố.Ở nước ta đã sử dụng loại cọc đất- ximăng này để xử lý gia cố một số công trình và hiện nay triển vọng sử dụng loại cọc đất-ximăng này để gia cố nền là rất tốt.Thiết bị và công nghệ của Thuỵ Điển được dùng để chế tạo cùng đất xi măng và đất vôi

Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và áp dụng hiện trường cho thấy.Cọc đất vôi và đất xi măng đóng vai trò thoát nước và gia cường nền.Đây là giải pháp công nghệ thích hợp để gia cố sâu nền đất yếu.Các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng phụ thuộc vào thời gian, loại đất nền, hàm lượng hữu cơ, thành phần hạt và hàm lượng xi măng và vôi sử dụng.Việc sử dụng xi măng rẻ hơn trong điều kiện Việt Nam so với vôi Tỷ lệ phần trăm thường dùng là 8 – 12% và tỷ lệ phẩn trăm của xi măng là 12 – 15% trọng lượng khô của đất Thiết bị Thuỵ Điển có khả năng thi công cọc đất xi măng.Có thể dùng thiết bị xuyên có cánh để kiểm tra chất lưọng cọc.Cọc đất xi măng được dùng để gia cố nền đường, nền nhà, khu công nghiệp, nền đê Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ đất vôi

1.3 CÁC QUAN NIỆM TÍNH TOÁN NỀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA

CỐ BẰNG CỌC VỮA XI MĂNG CÁT:

1.3.1 Quan niệm cọc chịu tải hoàn toàn:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 2.1 CÁC QUY ĐỊNH CHUNG

Cọc vữa xi măng cát tiết diện nhỏ được thi công bằng phương pháp vừa khoan xoay, vừa ép để đưa mũi khoan vào đất đến độ sâu thiết kế, tức là tạo lỗ khoan bằng cách ép đất ra xung quanh mà không phải lấy đất lên sau đó bơm vữa xi măng vào lỗ khoan

Cọc Vữa xi măng có mác nhỏ thường nhỏ hơn 150, tùy từng mác vữa mà tỷ lệ pha trộn xi măng- cát – nước khác nhau

Cọc được tính toán theo hai trạng thái giới hạn sau:

Trạng thái giới hạn thứ nhất theo khả năng chịu tải của cọc trong đất nền, độ bền của kết cấu cọc và nền bên trên Tính toán theo trạng thái này ứng với tải trọng tác dụng tính toán, có xét đến các chỉ tiêu tính toán của đất và cường độ tính toán của vật liệu làm cọc

Trạng thái giới hạn thứ hai theo độ lún của nền cọc do tải trọng thẳng đứng gây ra, đặc biệt là độ lún lệch Sự hình thành và mở rộng vết nứt trong cọc bê tông cốt thép, độ lún ảnh hưởng qua lại của công trình mới và công trình lân cận

Tính toán móng cọc và nền đất theo trạng thái giới hạn cần đảm bảo các điều kiện:

Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất:

Pm : tải trọng tính toán trên một cọc của công trình truyền xuống

Qa : sức chịu tải tính toán của cọc

Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai:

S và Sgh : độ lún và độ lún giới hạn

S và Sgh :độ lún lệch và độ lún lệch giới hạn i và igh : góc xoay và góc xoay giới hạn Khi tính toán sức chịu tải của cọc cần tính hai thành phần: sức chịu tải của vật liệu làm cọc, sức chịu tải do ma sát giữa đất với cọc và sức chịu tải mũi cọc

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỌC ĐƠN

2.2.1 Sức chịu tải của vật liệu làm cọc:

Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặc chịu kéo khi cọc bị nhổ, sức chịu tải của cọc có thể tính toán được theo công thức sau:

QVL: sức chịu tải của cọc theo vật liệu

Ap: diện tích tiết diện ngang của cọc (có trừ phần diện tích thép trong cọc)

Rb: cường độ chịu nén tính toán của vật liệu làm cọc φ: hệ số ảnh hưởng bởi độ mảnh cọc

2.2.2 Tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền:

Qa: sức chịu tải trọng nén cho phép của cọc (T)

Qs: sức chịu tải cực hạn do ma sát bên của cọc đơn (T)

QP: cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc (T)

FSS=2: hệ số an toàn cho ma sát biên của cọc (FSS=1,5÷2)

FSP=3: hệ số an toàn cho sức chống tại mũi cọc (FSP=2÷3)

- Tính sức chịu tải cực hạn do ma sát thân cọc:

(2.7) Trong đó: fsi: Ssức chịu tải cực hạn do ma sát bên ở lớp đất thứ i

Với cai là lực dính giữa thân cọc và đất ở lớp đất thứ i (T/m 2 ) σ'h là ứng suất hữu hiệu trong đất theo phương vuông góc mặt bên cọc (T/m2)

KS = (1-sin’) hệ số áp lực ngang của đất ở trạng thái tĩnh

z = i.hi ứng suất của đất theo phương đứng (T/m 2 )

i: trọng lượng riêng lớp đất thứ i (T/m 3 ) hi: chiều dày lớp đất thứ i (m)

a: góc ma sát giữa cọc và đất (độ 0 )

Lấy a= ’= : lấy bằng góc ma sát trong của lớp đất thứ i ui: chu vi tiết diện cọc tiếp xúc lớp thứ i (m) li: chiều dài đoạn cọc cắm vào lớp đất thứ i (m)

- Tính sức chịu tải ở mũi cọc:

AP: diện tích tiết diện mũi cọc qP: cường độ chịu tải của đất nền dưới mũi cọc qP=cNc+ ’vp.Nq+ .dp.N     (2.11) Với: Nc, Nq, N là hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất c là Lực dính trong đất tại độ sâu mũi cọc

’vp là ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc do trọng lượng bản thân đất

 là dung trọng có kể đến đẩy nổi của lớp đất tại mũi cọc dp là đường kính mũi cọc (cọc tròn)-cạnh cọc (cọc vuông)

2.2.3 Sức chịu tải cho phép của cọc đơn, theo chỉ tiêu cơ lý đất nền:

Qa: Sức chịu tải cho phép tính toán theo đất nền

Qtc:Sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền của cọc đơn;

Ktc: Hệ số an toàn phụ thuộc vào số lượng cọc trong móng Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc ma sát thi công bằng phương pháp đóng có bề rộng tiết diện đến 0,8m, chịu tải trọng nén, được xác định theo công thức:

(2.13) Trong đó: qpvà fs- cường độ chịu tải ở mũi và ma sát bên của cọc mR, mf: Hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc và ma sát ở mặt bên có kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc

2.2.4 Tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học đất nền:

- Tính sức chịu tải do ma sát xung quanh cọc:

Thành phần Qs có thể xác định bằng cách tích phân lực chống cắt đơn vị fs của đất – cọc trên toàn bộ mặt tiếp xúc của cọc và đất, lực chống cắt này cho bởi biểu thức Coulomb: fs = ca + σ’htgφa = ca + Koσ’vtgφa (2.14) Trong đó: ca:Lực bám dính giữa cọc và đất φa: góc ma sát giữa cọc và đất

’h:ứng suất pháp tuyến hữu hiệu tại mặt bên của cọc, tính theo công thức σ’h =Ksσ’v = Koγ’z

Ko: hệ số áp lực ngang, hệ số này rất khó xác định chính xác Có nhiều cách khác nhau trong việc ước lượng giá trị hệ số áp lực ngang:

Ngoài ra còn có các phương pháp khác như : Phương pháp α, phương pháp β, phương pháp λ, phương pháp Nordlund, phương pháp Coyle – Castillo, phương pháp xác định thành phần ma sát xung quanh cọc Qs theo thí nghiệm hiện trường, trong luận văn này không đi sâu vào tính sức chịu tải nên không đề cập đến

- Tính sức chịu tải ở mũi cọc: a) Theo phương pháp Terzaghi:

Là phương pháp cổ điển nhất ước lượng sức chịu mũi do Terzaghi và Peck đề nghị sử dụng các công thức bán thực nghiệm, được phát triển trên cơ sở các công

Q thức sức chịu tải của móng nông, với sơ đồ trượt của đất dưới mũi cọc tương tự như sơ đồ trượt của đất dưới móng nông

Cho cọc vuông cạnh Rp (2.15) Cho cọc vuông cạnh Bp (2.16) Terzaghi đề ghị sử dụng các hệ số Nc,Nq,Nđược thiết lập cho móng nông tiết diện tròn và vuông:

Với Kp hệ số áp lực bị động của đất tác động lên mặt nghiêng của nêm nén chặt dưới đáy móng

Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của nền cọc cho thấy khu vực ảnh hưởng bởi lực ma sát của cọc lan rộng dần từ trên mặt đất đến chiều sâu tới hạn

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D FOUNDATION PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC VỮA -XI MĂNG CÁT

TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC VỮA -XI MĂNG CÁT 3.1 SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT

Căn cứ kết quả khảo sát tại các hố khoan, địa tầng tại vị trí xây dựng công trình được phân thành các lớp sau:

1) Lớp 1: (SM): Thành phần gồm: Lớp cát san lấp màu vàng, trạng thái xốp dày 1,8m

2) Lớp 2: (CL1): Thành phần gồm: Lớp sét pha cát, lẩn ít hữu cơ, màu xám đen, trạng thái dẻo chảy đến dẻo mềm Lớp này phân bố như sau:

Hố khoan Độ sâu lớp mặt, m Độ sâu đáy lớp, m Bề dày lớp, m SPT, búa

Sau đây là các chỉ tiêu cơ lý:

+ Dung trọng tự nhiên γw : 15,83kN/m 3

+ Dung trọng đẩy nổi γđn: 5,92 kN/m 3

+ Thí nghiệm cắt đất trực tiếp

- Lực dính kết C : 0,084 kG/cm 2

- Góc nội ma sát φ : 5,66 0 + Thí nghiệm nén cố kết đất

- Hệ số nén lún, a1-2 : 0,195 cm 2 /kG

- Mô đuyn BD, E1-2 : 10,008 kG/cm 2 3) Lớp 3 (ML): Thành phần gồm: Lớp bụi pha cát, màu xám xanh, trạng thái dẻo mềm Lớp này phân bố như sau:

Hố khoan Cao trình mặt lớp, m

Cao trình đáy lớp, m Bề dày lớp, m SPT, búa

+ Dung trọng tự nhiên γw : 17,47 kN/m 3

- Mô đuyn BD, E1-2 : 22,117 kG/cm 2 4) Lớp 4 (CL2): Thành phần gồm: Lớp sét pha cát, màu nâu vàng, trạng thái dẻo cứng Lớp này phân bố như sau:

+ Dung trọng tự nhiên γw : 17,66 kN/m 3

- Mô đuyn BD, E1-2 : 30,024 kG/cm 2 5) Lớp 5 (CL3): Thành phần gồm: Lớp sét pha cát, màu nâu đỏ, trạng thái cứng Lớp này phân bố như sau:

- Hạt bụi và sét: 97,213 % + Độ ẩm tự nhiên ω: 26,60 %

+ Dung trọng tự nhiên γw : 19,84 kN/m 3 + Dung trong khô γd : 15,87 kN/m 3 + Dung trọng đẩy nổi γđn: 9,95 kN/m 3 + Khối lượng riêng ∆ : 26,79 kN/m 3 + Hệ số rỗng e0 : 0,704

+ Độ bảo hòa S : 97,362 % + Thí nghiệm cắt đất trực tiếp

- Mô đuyn BD, E1-2 : 88,64 kG/cm 2

Hình 3.1: Mặt cắt địa chất.

3.2 THÍ NGHIỆM BÀN NÉN HIỆN TRƯỜNG

Hình 3.2 Thí nghiệm bàn nén hiện trường Công trình Nhà máy chế biến thủy sản Cổ Chiên có làm một thí nghiệm bàn nén hiện trường như sau: a Cọc thí nghiệm

Mác vữa cọc: M100 b Bàn nén

Bàn nén bằng bê tông M250, kích thước: 70.7cmx70.7cm, dày 0.2m c Tiêu chuẩn thí nghiệm:

TCVN: 9393: 2012: Cọc - phương pháp thi nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục

TCVN: 9354: 2012: Đất xây dựng – phương pháp xác định mô đun biến dạng tại hiện trường bằng tấm nén phẳng d Tải trọng thí nghiệm tối đa:

Pgh = 2*Ptk = 2*5 Tấn e Quy trình gia tải:

Giai đoạn 1: Gia tải trước để loại trừ sai số do lắp đặt thiết bị Giai đoạn 2: Gia tải chu kì 1, đến 100%Ptk

Giai đoạn 3: Gia tải chu kì 2, đến 200%Ptk

3.2.2 Kết quả thí nghiệm a Số liệu kết quả thí nghiệm

Bảng 3.1 Số liệu kết quả thí nghiệm bàn nén hiện trường b Các đồ thị thí nghiệm

Hình 3.3 Đồ thị quan hệ độ lún – thời gian

Hình 3.4 Đồ thị quan hệ tải trọng - độ lún

3.3 THÍ NGHIỆM CỌC VỮA XI MĂNG CÁT

Theo TCVN 3118 – 1993: Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén

3.3.1 Công tác lấy mẫu Đoạn cọc thí nghiệm được lấy từ hiền trường dài 5.8m ( đoạn cọc được lấy từ cọc làm thí nghiệm bàn nén hiện trường)

Hình 3.5: Đoạn cọc được lấy ngoài hiện trường

3.3.2 Công tác gia công mẫu

Bước 1: Đoạn cọc trên được cắt thành 3 đoạn gần bằng nhau

Bước 2: Khoan theo phương dọc trục với đường kính ống khoan: d = 6.8cm

Hình 3.6: Khoan dọc trụ mẫu cọc vữa xi măng cát

Hình 3.7: Mẫu sau khi khoan

Hình 3.8: Mẫu sau khi khoan được ghi số thứ tự

Hình 3.9: Mẫu sau khi gia công

Mẫu sau khi gia công có kích thước như sau:

Bảng 3.2 Kích thước mẫu khoan

Kích thước mẫu khoan Đường kính d i

Hai đầu được phủ một lớp farafin mỏng để làm phẳng bề mặt nén

Lần lượt đưa từng viên mẫu vào máy nén TYA – 2000 (khả năng nén tối đa

200 Tấn), tốc độ nén 1 – 2 KN/s

Hình 3.11: Nén mẫu M2 Hình 3.12: Nén mẫu M3

Bảng 3.3: Bảng số liệu nén mẫu

Chiều cao mẫu sau nén (h sni )

Chuyển vị mẫu sau khoan (Δ hi ) Đường kính

- cm cm - cm 2 KN daN/cm 2 cm cm

Bảng 3.4: Bảng kết quả tính toán

- cm 3 gam kN/m 3 - daN/cm 2

Theo TCVN 3118 – 1993: Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén:

“Nếu cả hai giá trị đo đều không lệch quá 15% so với cường độ nén của viên mẫu trung bình thì cường độ nén của bê tông được tính bằng trung bình số học của ba kết quả thử trên ba viên mẫu Nếu một trong hai giá trị đó lệch quá 15% so với cường độ nén của viên mẫu trung bình thì bỏ cả hai kết quả lớn nhất và nhỏ nhất Khi đó cường độ nén của bê tông là cường độ nén của một viên mẫu còn lại.”

Hai giá trị lớn nhất và nhỏ nhất đều không lệch quá 15% so với cường độ nén của viên mẫu trung bình, cường độ chịu nén của mẫu:

- Mẫu cọc vữa xi măng - cát làm thí nghiệm đạt mác vữa 100

- Mô đun đàn hồi Ec = 22436 daN/cm 2

3.4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D FOUNDATION MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM BÀN NÉN HIỆN TRƯỜNG

Mô phỏng bài toán thí nghiệm giống như thí nghiệm bàn nén hiện trường thực tế Thay đổi mô đun biến dạng của đất để kết quả quan hệ độ lún – tải trọng giữa thí nghiệm bàn nén hiện trường thực tế và từ phần mềm Plaxis 3D Foundation gần bằng nhau

Hình 3.13: Hình bố trí cọc và tấm nén

Hình 3.14: Mô hình mô phỏng thí nghiệm bàn nén hiện trường

3.4.2 Thông số nhập vào Plaxis 3D Foundation

Chiều dài cọc: l = 8m Đường kính cọc: d = 0.2m

Mô đun biến dạng, dung trọng, lực dính, góc ma sát của đất: từ hồ sơ khảo sát địa chất (Mô đun biến dạng lấy từ thí nghiện nén cô kết), lớp cát san lấp không có số liệu địa chất nên lấy theo bảng tra (Sách Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong phòng - Thầy Võ Phán, Thầy Hoàng Thế Thao, Thầy Đỗ Thanh Hải, Thầy Phan Lưu Minh Phượng )

Mô đun đàn hồi, trọng lượng riêng của cọc: lấy từ kết quả nén dọc trục mẫu cọc vữa xi măng cát

Tấm nén bằng bê tông M250 (70.7cmx70.7cm): Mô đun biến dạng, trọng lượng riêng được lấy từ TCVN 5574 – 2012 : Kết cấu bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế

Bảng 3.5: Đặc trưng vật liệu các lớp đất

Thông số Ký hiệu Đặc trưng vật liệu Đơn vị

Mẫu vật liệu Model Mohr-Coulomb Mohr-Coulomb -

Loại vật liệu tác động Type drained drained -

Khối lượng đơn vị đất trên mực nước ngầm unsats 16.5 15.83 kN/m 3

Khối lượng đơn vị đất dưới mực nước ngầm sats 16.5 15.83 kN/m 3

Mô đun biến dạng E 12000 2042 kN/m 2

Góc ma sát trong φ 27 5.66 Độ

Hệ số giảm cường độ Rinter 1.0 1.0 -

Bảng 3.6: Đặc trưng vật liệu cọc vữa xi măng cát và bàn nén bằng bê tông

Mẫu vật liệu Model Non-

Loại vật liệu tác động Type Linear elastic Linear elastic - Chiều dài cọc, bề dày tấm nén Lc, Dtn 8.0 0.2 m

Trọng lượng riêng unsats 20.47 25.00 kN/m 3

Mô đun đàn hồi E 2.24x106 2.7x107 kN/m 2

Hệ số giảm cường độ Rinter 1 1 -

Bảng 3.7 Các bước gán tải vào phần mềm Plaxis 3D Foundation

Các trường hợp chất tải Cấp tải Tải trọng Đường kính bàn nén Áp lực lên bàn nén

- Lần 1: Môn đun biến dạng của đất như bảng 3.5

Bảng 3.8: Bảng kết quả phân tích từ Plaxis lần 1

STT Cấp tải Áp lực lên bàn nén

Chuyển vị từ thí nghiệm

Chuyển vì tính bằng Plaxis

Hình 3.15: Đồ thị quan hệ tải trọng – chuyển vị lần 1

- Lần 2: Môn đun biến dạng của đất tăng 20%

Bảng 3.9: Mô đun biến dạng của đất khi tăng 20%

Mô đun biến dạng E 14400 2450.4 kN/m 2

Kết quả từ phần mềm Plaxis 3D Kết quả từ thí nghiệm bàn nén

Kết luận: Khi Môđun biến dạng của đất được tăng từ 150% đến 170% lần thì đường thẳng đồ thị từ thí nghiệm bàn nén và đường thẳng đồ thị từ tính toán bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation gần trùng nhau.Vì vậy, môđun biến dạng của đất khi nhập vào phần mềm Plaxis 3D Foundation có thế lấy bằng:

Eplaxis : Mô đun biến dạng nhập vào phần mềm Plaxis 3D Foundation

Eđất: Mô đun biến dạng của đất nền lấy từ thí nghiệm nén cô kết

3.5 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D FOUNDATION XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỌC VÀ HỆ SỐ ĐỘ CỨNG ĐÀN HỒI CỦA CỌC (K cọc )

Mô phỏng bài toán thí nghiệm nén tĩnh cọc với mô đun biến dạng của đất đã được hiệu chỉnh, ( Eplaxis = 2.5÷2.7Eđất) Từ kết quả tính, tìm được hai thành phần là sức chịu tải giới hạn của cọc (Pgh) và độ cứng đàn hồi của cọc (Kcọc)

Hình 3.26: Mô hình mô phỏng thí nghiệm thử tĩnh

3.5.2 Thông sô nhập vào Plaxis 3D Foundation

Chiều dài cọc: l = 8m Đường kính cọc: d = 0.2m

Dung trọng, lực dính, góc ma sát của đất: từ hồ sơ khảo sát địa chất

Mô đun biến dạng của đất: lấy Eplaxis = 2.6*Eđất

Mô đun đàn hồi, trọng lượng riêng của cọc: lấy từ kết quả nén dọc trục mẫu cọc vữa xi măng cát

Bảng 3.29: Đặc trưng vật liệu các lớp đất

Thông số Ký hiệu Đặc trưng vật liệu Đơn vị Lớp SM Lớp CL1

Khối lượng đơn vị đất trên mực nước ngầm unsats 16.5 15.83 kN/m 3

Khối lượng đơn vị đất dưới mực nước ngầm sats 16.5 15.83 kN/m 3

Mô đun đàn hồi E 31200 5309.2 kN/m 2

Góc ma sát trong φ 27 5.66 Độ

Hệ số giảm cường độ Rinter 1 1 -

Bảng 3.30: Đặc trưng vật liệu cọc vữa xi măng cát

Thông số Ký hiệu Đặc trưng vật liệu cọc Đơn vị

Mẫu vật liệu Model Non- Porous -

Loại vật liệu tác động Type Linear elastic -

Trọng lượng riêng unsats 20.47 kN/m 3

Mô đun đàn hồi E 2.24x10 6 kN/m 2

Hệ số giảm cường độ Rinter 1 -

3.5.3 Các trường hợp chất tải

Bảng 3.31 Các trường hợp chất tải vào phần mềm Plaxis 3D Foundation

Các trường hợp chất tải Cấp tải Tải trọng Đường kính cọc Áp lực cọc

Bảng 3.32: Kết quả tính toán bằng Plaxis 3D Foundation

Các trường hợp chất tải

Cấp tải Tải trọng Chuyển vị

11 Phase 11 250%Ptk 62.50 Bị phá hoại

Hình 3.27: Đồ thị quan hệ độ lún – chuyển vị Theo TCVN 9393:2012 ( Cọc – Phương pháp thí nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục), phụ lục E, mục E.2 (Xác định sức chịu tải giới hạn theo phương pháp biểu đồ) như sau:

“Trường hợp đường cong có điểm uốn rõ ràng: sức chịu tải giới hạn được xác định trực tiếp trên đường cong, là tải trọng ứng với điểm đường cong bắt đầu thay đổi độ dốc đột ngột hoặc đường cong gần như song song với trục chuyển vị;” Đồ thị không có điểm thay đổi độ dốc đột ngột hoặc đường cong gần như song song với trục chuyển vị Tuy nhiên, khi phần mềm Plaxis 3D Foundation phân tích đến Phase 11 (250%Ptk) thì báo mô hình bị phá hoại

Vì vậy, có thể lấy cường độ chịu tải giới hạn của cọc tại Phase 10 (225%Ptk):

Pgh = 56.25kN Sức chịu tải cho phép Pcp = Pgh/2 = 56.25/2 = 28.125 kN

Hệ số độ cứng đàn hồi cọc: nhận thấy trong đoạn đồ thị hệ độ lún – chuyển vị từ P = 0 đến P %kN là tuyến tính, vì vậy hệ số độ cứng đàn hội cọc có thể được tính như sau: kN m

1 Đoạn cọc được lấy từ cọc làm thí nghiệm bàn nén hiện trường thực tế đạt mác vữa 100 (Cường độ chịu nén R = 108.35daN/cm 2 ), Trọng lượng riêng  20.47kN/m 3 , Mô đun đàn hồi E = 22436daN/cm 2

2 Mô đun biến dạng của đất khi nhập vào Plaxis 3D Foundation (Eplaxis, mô hình Mohr-Coulomb) có thế lấy bằng:

Eplaxis : Mô đun biến dạng nhập vào phần mềm Plaxis 3D Foundation

Eđất: Mô đun biến dạng của đất nền lấy từ thí nghiệm nén cô kết

3 Sức chịu tải giới hạn của cọc vữa xi măng cát khi tính bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation: Pgh = 56.25kN

Sức chịu tải cho phép Pcp = Pgh/2 = 28.125 kN

4 Độ cứng đàn hồi của : kN m

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHO CÔNG

4.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU Đề tài sử dụng các số liệu thiết kế của công trình Nhà Máy Chế Biến Thuỷ Sản Cổ Chiên cụ thể như sau:

- Ứng dụng cọc vữa - xi măng cát để xử lý nền đất yếu công trình Nhà Máy Chế Biến Thuỷ Sản Cổ Chiên

- Địa điểm xây dựng: Khu Công Nghiệp Trà Nóc, Phường Phước Thới, Quận Ô Môn, Thành Phố Cần Thơ

- Giải pháp kết cấu nền sau khi hoàn thiện theo dự kiến:

Theo thứ tự từ dưới lên tới nền hoàn thiện:

+ Đất tự nhiên có gia cố cọc vữa - xi măng cát

+ Cát san lấp 1.8m có gia cố cọc xi măng cát

+ Dal bê tông cốt thép dày 10cm , mác 250

- Hoạt tải sử dụng của nền là P1 = 1000kG/m 2

+ Khoảng cách giữa các cọc là: s = 0,8m

+ Mác vữa được thiết kế là Mác 100, theo thí nghiệm thực tế có:

Mô dun đàn hồi: E = 2.24x10 5 T/m 2 Cường độ chịu nén dọc trục: Rb = 1080.4T/m 2

- Số liệu địa chất được lấy theo hồ sơ khảo sát địa chất và theo số liệu hiệu chỉnh thống số mô đun biến dạng của đất ở chương 3

4.2 CẤU TẠO LIÊN KẾT GIỮA NỀN BÊ TÔNG VÀ CỌC:

Trong trường hợp xem cọc làm việc hoàn toàn, nền đất dưới nền bê tông không tham gia chịu lực có thể cấu tạo liên kết giữa đầu cọc và nền là liên kết cứng

Cao độ các đầu cọc sau khi thi công khó có thể đảm bảo bằng nhau có thể do một số nguyên nhân sau:

- Khi thi công cọc bằng phương pháp bơm vữa xi măng, độ sụt của vữa sẽ lớn vì vậy chỉ có thể đổ vữa xi mằng đến mặt đất tự nhiên hoặc cao hơn mặt đất tự nhiên một chút Mặt đất tự nhiên thường không có độ cao tuyệt đối bằng nhau nên dẫn đến cao độ các đầu cọc không bằng nhau

- Khu vực thi công thường có nhiều nước và lẫn nhiều bùn làm cho công tác thi công gặp khó khăn, dẫn đến khó thi công đảm bảo tất cả các đầu cọc đều bằng nhau Tuy nhiên, Cần thi công đảm bảo các đầu cọc không chênh lệch so với cao độ thiết kế quá lớn

Có thể cấu tạo liên kết đầu cọc với nền bê tông như sau:

Hình 4.1: cấu tạo liên kết đầu cọc với nền bê tông Trong đó: a: Bề dày của nền bê tông cốt thép b: Phần bê tông đổ tạo liên kết c: Chều dài cọc vữa - xi măng cát d: Đường kính cọc vữa- xi măng cát

Phần bê tông đổ tạo liên kết chọn là 45 o , vì theo nhận định ban đầu khi nền truyền tải xuống cọc, đầu cọc sẽ sinh ra một phản lực gây chọc thủng nền bê tông với tháp chọc thủng khoảng 45 o Để thi công phần bê tông (phần b) có thể thi công theo các cách sau:

- Sử dụng đất cứng đắp xung quanh đầu cọc sau đó phủ xung quanh một lớp ni long

- Sử dụng ván khuôn gỗ

- Xây gạch xung quanh đầu cọc

Phần bê tông trên được đổ chung với bê tông nền

4.3 SỨC CHỊU TẢI THEO VẬT LIỆU LÀM CỌC:

Có thể xem cách tính sức chịu tải theo vật liệu của cọc Vữa xi măng cát như cọc khoan nhồi nhưng bỏ phần cốt thép trong cọc, cụ thể như sau:

Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm Sức chịu tải của cọc có thể tính toán được theo công thức sau:

QVL = Ap*Rb Trong đó:

QVL: sức chịu tải của cọc theo vật liệu

Ap: diện tích tiết diện ngang của cọc:

Rb: cường độ chịu nén tính toán của vật liệu làm cọc Do bê tông cọc được đổ dưới nước nên:

Rb = R/4.5 = 100/4.5 = 22.22 kG/cm 2 Trong đó: R là mác thiết kế của bê tông ( Vữa M100) Kết quả tính:

4.4 SỨC CHỊU TẢI DO MA SÁT THÂN CỌC VÀ SỨC CHỊU TẢI Ở MŨI CỌC: Để tính sức chịu tải cọc (sức chịu tải do ma sát thân cọc và sức chịu tải ở mũi cọc) theo TCVN 10304-2014 có nhiều phương pháp để tính toán sức chịu tải cọc Tuy nhiên, vì giới hạn đề tài nên chọn một phương pháp để tính sức chịu tải cọc Đề tài chọn tính theo chỉ tiêu cường độ đất nền (TCVN 10304-2014: móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế)

Qa: sức chịu tải trọng nén cho phép của cọc (T)

Qs: sức chịu tải cực hạn do ma sát bên của cọc đơn (T)

QP: cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc (T)

FSS: hệ số an toàn cho ma sát biên của cọc (FSS=1,5÷2), Chọn FSS = 2

FSP=3: hệ số an toàn cho sức chống tại mũi cọc (FSP=2÷3), Chọn FSP=3

- Tính sức chịu tải cực hạn do ma sát thân cọc:

Trong đó: fsi: Ssức chịu tải cực hạn do ma sát bên ở lớp đất thứ i

Với cai là lực dính giữa thân cọc và đất ở lớp đất thứ i (T/m 2 ) σ'h là ứng suất hữu hiệu trong đất theo phương vuông góc mặt bên cọc (T/m2)

KS = (1-sin’) hệ số áp lực ngang của đất ở trạng thái tĩnh

z = i.hi ứng suất của đất theo phương đứng (T/m 2 )

i: trọng lượng riêng lớp đất thứ i (T/m 3 ) hi: chiều dày lớp đất thứ i (m)

a: góc ma sát giữa cọc và đất (độ 0 )

Lấy a= ’= : lấy bằng góc ma sát trong của lớp đất thứ i ui: chu vi tiết diện cọc tiếp xúc lớp thứ i (m) li: chiều dài đoạn cọc cắm vào lớp đất thứ i (m)

- Tính sức chịu tải ở mũi cọc:

AP: diện tích tiết diện mũi cọc qP: cường độ chịu tải của đất nền dưới mũi cọc qP = cNc+ ’vp.Nq+ .dp.N    Với: Nc, Nq, N là hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất c là Lực dính trong đất tại độ sâu mũi cọc a h ai si c tg f    ' 

’vp là ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc do trọng lượng bản thân đất

 là dung trọng có kể đến đẩy nổi của lớp đất tại mũi cọc dp là đường kính mũi cọc (cọc tròn)-cạnh cọc (cọc vuông)

Phần cát san lấp tạm lấy :

Dung trọng tự nhiên w = 16.5kN/m3

Bảng 4.1: Tính sức chịu tải theo ma sát thân cọc:

Tổng sức chịu tải do ma sát bên cọc Qs = 4.60T

Tính sức chịu tải ở mũi cọc: QP;

AP: diện tích tiết diện mũi cọc, Ap = 0.031m2 qP: cường độ chịu tải của đất nền dưới mũi cọc (Theo Vesic (1973)): qP = c* Nc+ ’v*Nq+ *dp*N

Với: Nc, Nq, N: hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất

Sức chịu tải giới hạn của cọc khi tính bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation là Pgh = 5.63T, lớn hơn sức chịu tải giới hạn của cọc khi tính theo chỉ tiêu cường độ đất nền (TCVN 10304-2014: móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế) Độ chênh lệch sức chịu tải giới hạn của cọc: ΔP = Pgh – Qu = 5.63 – 5.04 = 0.59 Tấn

4.5 KIỂM TRA CƯỜNG ĐỘ ĐẤT NỀN DƯỚI MŨI CỌC:

4.5.1 Trường hợp hoạt tải nền giống của công trình thực tế (P 1 = 1000kG/m 2 ) Để đảm bảo móng cọc có khả năng chịu được tác dụng của tải trọng công trình thì ứng suất đất nền tại mặt phẳng mũi cọc không được vượt quá áp lực tiêu chuẩn của nền đất thiên nhiên:

: Tổng tải trọng tiêu chuẩn thẳng đứng tác dụng lên đáy khối móng quy ước, gồm cả trọng lượng của khối móng quy ước

:Tổng moment của tải trọng tiêu chuẩn đối với trọng tâm ở đáy đài

 tc tb: ứng suất trung bình dưới đáy khối móng quy ươc

 tc max: ứng suất lớn nhất dưới đáy khối móng quy ươc

 tc min: ứng suất nhỏ nhất dưới đáy khối móng quy ươc

Am: Diện tích đáy khối móng quy ước

Wm: Mô men kháng uốn tại đáy khối móng quy ước

R: Cường độ chịu tải tiêu chuẩn đất nền tự nhiên dưới khối móng ước Được tính Theo TCVN 9362:2012 –“tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình” như sau:

Trong đó: m1 và m2: lần lượt là hệ số điều kiện làm việc của nền đất và hệ số điều kiện làm việc của nhà hoặc công trình có tác dụng qua lại với nền, m1 = m2 = 1

 tc tc m tc m tc tc m tc m tc tc

II m tc m tc tc tb

 M tc ktc : là hệ số tin cậy lấy, ktc = 1

A, B và D: là các hệ số không thứ nguyên lấy theo bảng tra phụ thuộc vào trị tính toán của góc mà sát trong  , A = 0.102; B = 1.398; D = 3.721 b: là cạnh bé (bề rộng) của đáy móng, tính bằng mét (m); b = 1m h: là chiều sâu đặt móng, h = 8m

’: là trị trung bình (theo từng lớp) của trọng lượng thể tích đất nằm phía trên độ sâu đặt móng:

:có ý nghĩa như trên, nhưng của đất nằm phía dưới đáy móng:

 = 0.583T/m3 c: là lực dính đơn vị của đất nằm trực tiếp dưới đáy móng, c = 0.84 T/m2 ho: là chiều sâu đến nền tầng hầm tính bằng mét (m) Khi không có tầng hầm thì lấy ho = 0

Trong công thức tính ứng suất đất nền ở trên, giá trị mômen (M tc ) có thể xem bằng không, vì diên tích nền khá rộng và cọc được bố trí đều Tuy nhiên, thực tế phần tải trọng chất lên nền có thể khác nhau tại từng vị trí khác nhau sẽ dẫn đến xuất hiện mô men dưới mũi cọc Nếu có thể xác định được chính xác tại trọng chất lên nền tại từng vị trí thì phải tính toán thêm phần mô men vào công thức ở trên

Trong trường hợp xem mômen ( Mtc) bằng không thì chỉ tính giá trí ứng suất trung bình  tc tb

Tải trọng tác dụng lên nền là:

+ Hoạt tải sử dụng: P1 = 1000kG/m 2

+ Tĩnh tải bản thân của nền bê tông:

Tổng tải trọng trên nền : N tc 1 = P1 + P = 1000 + 250 = 1250 kG/m 2 = 1.25 Tấn/m 2

Tổng tải trọng đất phía trên mũi cọc:

Tổng tải trọng: N tc = N tc 1 + N tc 2 = 1.25 + 4.78 = 6.03T

4.5.2 Trường hợp hoạt tải nền giả định (P 2 = 2000kG/m 2 )

P = 0,1* 2500 = 250kG/m 2 Tổng tải trọng trên nền : N tc 1 = P2 + P = 2000 + 250 = 2250 kG/m 2 = 2.25 Tấn/m 2

4.5.3 Trường hợp hoạt tải nền giả định (P 3 = 3000kG/m 2 )

P = 0,1* 2500 = 250kG/m 2 Tổng tải trọng trên nền : N tc 1 = P3 + P = 3000 + 250 = 3250 kG/m 2 = 2.25 Tấn/m 2

4.6 KIỂM TRA ĐỘ LÚN CỦA NÊN DƯỚI MŨI CỌC:

4.6.1 Trường hợp hoạt tải nền giống của công trình thực tế (P 1 = 1000kG/m 2 )

TCVN 9362:2012 –“tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình” như sau: Độ lún S của móng phải thoả mãn điều kiện: S ≤ [Sgh], độ lún cho phép [Sgh]