33 Hình IV.2. các dạng lưỡi khoan trộn đất với vôi – xi măng Hình IV.3 Các trường hợp ứng dụng cọc đất trộn vôi – xi măng hiệu quả 34 Hình IV.4 Dạng cọc đất trộn – vôi và xi măng sau thời gian ninh kết 3.3.3 Ví dụ về công trình xử lý cọc xi măng đất. a. Sơ đồ về thiết kế móng xi lơ Tại Nhà Bè, các xi lơ có đường kính 32.2m, cao 14m, chứa 10.000 m 3 Tại Trà Nóc, các xi lơ có đường kính 34.0m, cao 14m, chứa 12.500 m 3 Các cọc được bố trí như sau: từ tâm ra 12.5 m bố trí xen kẽ cọc 7m và 20m theo lưới ơ vng với khoảng cách giữa các tim cọc là từ 75-115 cm. Từ 12,5 m ra đến hết đường kính của móng được bố trí cọc 10m và 20 m xen kẽ theo dạng rẻ quạt với khoảng cách giữa các tim cọc là 50 cm. Tồn bộ khối móng được thiết kế và tính tốn cho lún S = S 1 + S 2 < 50 cm trong 15 năm. Theo các nhà thiết kế tính tốn lún tức thời sẽ kết thúc ngay khi thử tải bằng nước là 5.7 cm và độ lún phần dưới khối móng là 40.6 cm. Tải trọng làm việc của móng khi đưa vào sử dụng tại Nhà Bè là 1.3 kg/cm 2 , tại Trà Nóc là 1.5 kg/cm 2 . 35 b. Tính chất cơ lý của đất nền. Khu vực Nhà Bè. Lớp 1: Đất đắp có bề dày 0.8 - 1.2 m - sẽ bóc bỏ khi xây dựng. Lớp 2: Bùn sét trạng thái chảy có bề dày từ 27 - 28m, đây là lớp đất được xử lý để làm móng cho xi lô. Lớp 3: Than bùn đang phân huỷ màu xám nâu, dày từ 1 - 1.8 m. Các lớp bên dưới gồm sét và cát có sức chịu tải lớn không cần xử lý. Khu vực Trà Nóc. Lớp 1: Đất đắp có bề dày 1.0 - 1.1 m - sẽ bóc bỏ khi xây dựng. Lớp 2: Sét màu xám nâu, xám đen trạng thái dẻo cứng, bề dày 0.6 m. Lớp 3: Bùn sét trạng thái chảy có bề dày từ 10.8 - 13.0 m, đây là lớp đất được xử lý để làm móng cho xi lô. Lớp 4: Bùn sét xen kẹp cát, dày từ 16.0 - 16.9, đây là lớp đất được xử lý để làm móng cho xi lô. Các lớp bên dưới gồm sét và cát có sức chịu tải lớn không cần xử lý. 36 c. Chất lượng cọc đất - xi măng. Trong quá trình khảo sát, đã lấy mẫu đất ở độ sâu từ 0 - 25 m để làm thí nghiệm thiết kế Mac cho cọc với hàm lượng xi măng thay đổi khác nhau và chọn ra tỷ lệ xi măng và đất tích hợp như sau: Hình 3a: Sau 14 ngày cường độ đạt 8.41 kG /cm 2 Hình 3b: Sau 28 ngày cường độ đạt 8.67 kg/cm 2 Các thí nghiệm trên cọc thử ngay tại hiện trường bằng phương pháp xuyên cắt tiêu chuẩn (SCPT) đều cho kết thúc kết quả sau 22 ngày và 27 ngày. Về chất lượng cọc xi măng là rất tốt, chứng tỏ đất trong cọc đã được gia cố tốt, đủ khả năng làm móng cho các kết cấu có tải trọng lớn được xây dựng bên trên. d. Cơ sở lý thuyết tính toán. Kiểm tra sức chịu tải của lớp đất yếu cần được xử lý bằng công thức: R n = 1 (0.5DγNγ + γHN q + CN c ) FS Trong đó: γ - Dung trọng tự nhiên của lớp đất R n : Cường độ chịu tải của đất nền D- đường kính móng C - lực dính của đất nền H - chiều dày tầng đất yếu FS - Hệ số an toàn (lấy FS = 2) Nγ , N q , N c – Thông số sức chịu tải phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất nền. Kiểm tra cường độ chịu tải của cọc đất xi măng sau khi được gia cố : 37 R c = 2τ c + 3σ h Với: R c : Cường độ chịu tải của cọc τ c : cường độ kháng cắt của cọc dự kiến là 17.5 Tấn/m 2 σ h : Giá trị ứng suất ngang tác dụng lên thành cọc (thí nghiệm nén ngang). Cường độ chịu tải của toàn khối móng được gia cố : R n = 1 (0.5DγNγ + γHN q + CN c ) FS Trong đó: γ - Dung trọng tự nhiên của lớp đất R n : Cường độ chịu tải của đất nền D- đường kính móng C - lực dính của đất nền H - chiều dày tầng đất yếu cần xử lý (H= 20m và H = 25m) FS - Hệ số an toàn (lấy FS = 2) Nγ , N q , N c – Thông số sức chịu tải phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất nền Các kết quả sau khi tính toán được ghi trong bảng 2 dưới đây: Bảng 2: So sánh ứng suất tác dụng và cường độ chịu tải của đất nền và cọc Ứng suất tác dụng (tấn/m 2 ) Cường độ chịu tải (tấn/m 2) Phần đất 1.006 2.1 Phần cọc đất - xi măng 26.36 37.19 e. Quá trình thực hiện. Phương pháp xử lý bằng cọc đất - xi măng khá đơn giản: bao gồm một máy khoan với hệ thống lưới có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường kính cột được thiết kế và các xi lô chứa xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực lên tới 12 kg/cm 2 . Các máy khoan của Thuỵ Điển và Trung Quốc có khả năng khoan sâu đạt đến 35 m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan luôn thẳng đứng. Trong quá trình khoan lưỡi được thiết kế để trộn đầu đất và xi măng, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều tạo thành những cọc đất - xi măng đường kính 60 cm. Thời gian khoan cho một bồn có đường kính 34 m từ 45 - 60 ngày. Sau khi khoan xong toàn bộ diện tích móng, các cọc đất được đào hở đầu cột và làm bằng phẳng. Vải địa kỹ thuật được trải lên trên để phân bố tải trọng đều cho móng. Xây dựng các mốc chuẩn và các mốc đo theo dõi lún. Quá trình tiếp theo là chất tải. Việc chất tải nén trước và theo dõi lún tuân thủ theo quy trình quy phạm tiêu chuẩn xây dựng của Việt Nam. Phương pháp gia tải nén trước nhằm các mục đích: - Tăng cường sức chịu tải của đất nền và khối móng 38 - Tăng nhanh q trình cố kết của đất nền và tồn bộ khối móng có độ lún ổn định trong thời gian ngắn. f. Gia tải nén trước. Giai đoạn 1: Chất tải thử ở tâm móng với đường kính 12m, chiều cao tải 7.8 m tương đương với tải trọng 14.04 tấn/m 2 vượt khoảng 8% so thiết kế. Bố trí 5 điểm đo theo dỗi lún, độ lún trung bình 57.4 cm. Độ lún vượt so với tính tốn của thiết kế. Do đó phải thực hiện chất tải giai đoạn 2. Giai đoạn 2: Chất tải tồn bộ diện tích móng với chiều cao tải 7.8 m. Bố trí 13 mốc đo theo dõi lún. Kết quả sau thời gian chất tải và theo dõi độ lún kéo dài 4 tháng, độ lún trung bình của tồn khối móng là 103.65 cm. Đến khi kết thúc theo dõi lún thì tốc độ lún giảm xuống còn 1.9 mm/ngày đêm. g. Nhận xét và khả năng áp dụng. Việc thiết kế móng mềm trên các khu vực đất yếu cho các cơng trình lớn cho phép chuyển vị lún lâu dài cần phải kết hợp phương pháp xử lý móng bằng cọc đất – xi măng với chất tải nén trước. Về hiệu quả kinh tế: nếu sử dụng phương pháp cọc bê ong ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày gần 30m. Sử dụng phương pháp cọc- đất xi măng tiết kiệm cho mơi móng xi lơ khoảng 600 triệu đồng. Phương pháp xử lý đất yếu bằng cọc đất – xi măng sử dụng cho đất yếu có kết hợp gia tải nén trước là phù hợp và nhất là trong đất yếu có xen kẹp các lớp cát mịn như khu vực Trà Nóc. Tuy nhiên cần phải theo dõi và nghiên cứu để đưa ra phương pháp tính tốn hợp lý trong thiết kế. 3.4 NÉN TRƯỚC BẰNG TẢI TRỌNG TĨNH. 3.4.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. Nén trước bằng tải trọng tónh sử dụng trong trường hợp gặp nền đất yếu như than bùn, bùn, sét và sét pha dẻo nhão… Mục đích của gia tải trước là : - Tăng cường sức chòu tải của đất nền. - Tăng nhanh thời gian cố kết, tức là làm cho lún ổn đònh nhanh hơn. Muốn đạt được mục đích trên, người ta dùng các biện pháp sau đây : - Chất tải trọng bằng cát, sỏi, gạch, đá… bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự đònh xây dựng để cho nền chòu tải trước và lún trước khi xây dựng. - Dùng giếng cát (biện pháp ở phần trên) hoặc bản giấy thấm để thoát nước lỗ rỗng, tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền. 39 3.4.2 Điều kiện về đòa chất công trình. Để đạt được mục đích nén chặt đất và nước trong lỗ rỗng thoát ra, điều kiện cơ bản là phải có chỗ cho nước thoát ra được. Những sơ dồ về đòa chất sau đây được xem là phù hợp cho phương pháp này : a. Sơ đồ theo hình 4.5a : khi bò ép, nước sẽ bò ép xuống lớp cát bên dưới. b. Sơ đồ theo hình 4.5b : khi bò ép, nước sẽ bò ép theo hai hướng lên trên và xuống lớp cát bên dưới. c. Sơ đồ theo hình 4.5c : khi bò ép, nước sẽ thoát theo hướng lên lớp cát phía trên. Để đạt được hiệu quả tốt, chiều dày lớp đất yếu nên được hạn chế h đy 3m. a) q (KPa) Đất đắp. đất trồng trọt Đất yếu Cát Cát Đất yếu b) q (KPa) Cát Đất sét Đất yếu c) q (KPa) Cát Hình 4.5 Các điều kiện đòa chất công trình để dùng phương pháp gia tải nén trước không dùng giếng thoát nước. 3.4.3 Tính toán gia tải trước. Lựa chọn áp lực nén trước như sau : + Dùng áp lực nén trước bằng đúng tải trọng công trình sẽ xây dựng. + Dùng áp lực nén trước lớn hơn tải trọng công trình (khoảng 20%) để tăng nhanh quá trình cố kết, không nên chọn quá lớn sẽ làm cho nền đất bò phá hoại. Độ lún dự tính của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng nén trước được xác đònh theo công thức kinh nghiệm sau : t t SS t α (4.19) Trong đó : S t : độ lún dự tính trong thời gian t nào đó; t : thời gian nén trước; : hệ số kinh nghiệm xác đònh theo công thức : 40 11 t t.t S S α (4.20) Trong đó : S : độ lún ổn đònh trong quá trình nén trước, xác đònh theo quan trắc thực tế. 1 t 1 2 t 2 12 S t S t tt S (4.21) ở đây, S t1 và S t2 là độ lún quan trắc ở thời điểm t 1 và t 2 . 3.4.4 Biện pháp thi công. Có hai cách gia tải nén trước : - Chất tải trọng nén trước ngay trên mặt đất, tại vò trí sẽ xây móng, đợi một thời gian theo yêu cầu để độ lún ổn đònh, sau đó dỡ tải và đào hố thi công móng. - Có thể xây móng, sau đó chất tải lên móng cho lún đến ổn đònh, sau đó dỡ tải và xây các kết cấu bên trên. Lưu ý chất tải tăng dần theo từng cấp. Mỗi cấp khoảng 15 – 20% tổng tải trọng. Cần tiến hành theo dõi, quan trắc độ lún để xem độ lún có đạt yêu cầu không, nếu không đạt cần có biện pháp tích cực hơn để nước tiếp tục thoát ra. 3.5 GIẾNG CÁT. 3.5.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. Giếng cát là một trong những biện pháp gia tải trước được sử dụng đối với các loại đất bùn, than bùn cũng như các loại đất dính bão hòa nước, có tính biến dạng lớn… khi xây dựng các công trình có kích thước và tải trọng lớn thay đổi theo thời gian như nền đường, sân bay, bản đáy các công trình thủy lợi… Giếng cát có hai tác dụng chính : - Giếng cát sẽ làm cho nước tự do trong lỗ rỗng thoát đi dưới tác dụng của gia tải vì vậy làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, làm cho công trình nhanh đạt đến giới hạn ổn đònh về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều. - Nếu khoảng cách giữa các giếng được chọn thích hợp thì nó còn có tác dụng làm tăng độ chặt của nền và do đó sức chòu tải của đất nền tăng lên. Những điểm giống và khác nhau giữa giếng cát và cọc cát : 41 - Kích thước (đường kính và chiều dài) tương tự như nhau, nhưng khoảng cách giữa các giếng cát thì lớn hơn cọc cát. - Nhiệm vụ của chúng khác nhau : + Cọc cát làm chặt đất là chính, làm tăng SCT đất nền, thoát nước lỗ rỗng là phụ. + Giếng cát để thoát nước lỗ rỗng là chính, tăng nhanh quá trình cố kết, làm cho độ lún của nền nhanh chóng ổn đònh. Làm tăng sức chòu tải của nền là phụ. 3.5.2 Tính toán và thiết kế giếng cát. Cấu tạo của giếng cát gồm có ba bộ phận chính (hình vẽ) là hệ thống các giếng cát, đệm cát và lớp gia tải. a. Đệm cát : Có nhiệm vụ tạo điều kiện cho công trình lún đều, Chiều dày lớp đệm cát tính theo công thức kinh nghiệm : h đ = S + (0,3 – 0,5m) (4.12) Trong đó : h đ : chiều dày lớp đệm cát; S : độ lún tính toán của nền đất. Cát làm lớp đệm thường sử dụng cát hạt trung hoặc hạt to. Tầng không thấm nước Đất yếu Đệm cát q Giếng cát L L d Cấu tạo giếng cát trên mặt bằng. Hình 4.4 Sơ đồ cấu tạo giếng cát. b. Lớp gia tải : Xác đònh chiều cao của lớp gia tải : h = γ σ (4.13) Trong đó : : áp lực do tải trọng ngoài. Và : R tc hay q at 42 R tc tính với đất yếu = 0 và đất đắp ngay trên mặt nên h = 0; vì vậy R tc = c. Nếu điều kiện trên không thỏa mãn thì phải đắp lớp gia tải nhiều lần hoặc dùng bệ phản áp. Q at = hγ π γπ 2 -ctg )2c.ctgh( (4.14) c. Giếng cát : Đường kính giếng cát tốt nhất d c = 35 - 45cm, chiều dài của giếng thường lấy bằng chiều sâu chòu nén cực hạn của đất nền dưới móng : + Móng đơn : l g 2 – 3b (b : chiều rộng móng). + Móng băng : l g 4b. + Móng bè : - Nếu nền đất yếu có gốc là đất loại sét, thì : l g 9m + 0,15b. - Nếu nền đất yếu có gốc là đất loại cát, thì : l g 6m + 0,10b. Khoảng cách giữa các giếng cát : Khoảng cách giữa các giếng cát phụ thuộc vào đường kính giếng cát cũng như tốc độ cố kết của nền đất. Theo kinh nghiệm, khoảng cách giữa các giếng trong khoảng 1,0 – 5,0m. d. Tính biến dạng của nền : - Độ lún của nền đất yếu khi chưa có giếng cát : hS 1đ 2đ1đ e1 ee (4.15) Trong đó : e 1đ ; e 2đ ; hệ số rỗng của đất ở xung quanh giếng cát trước và sau khi có tải trọng. h : chiều dày lớp đất yếu có giếng cát. Khi nền đất có nhiều lớp khác nhau thì dùng phương pháp tổng độ lún để xác đònh. - Độ lún của nền đất yếu khi có giếng cát có thể xác đònh theo công thức kinh nghiệm của Evgênev : hS 2 2 c o 1 po gc L d e ee (4.16) Trong đó : e o : hệ số rỗng của nền đất ở trạng thái tự nhiên; e p : hệ số rỗng của nền đất khi có tải trọng ngoài; d c : đường kính giếng cát; L : khoảng cách giữa các trục giếng cát; h : chiều dày lớp đất có giếng cát. - Độ lún theo thời gian : . hγ π γπ 2 -ctg )2c.ctgh( (4. 14) c. Giếng cát : Đường kính giếng cát tốt nhất d c = 35 - 45 cm, chiều dài của giếng thường lấy bằng chiều sâu chòu nén cực hạn của đất nền dưới móng : + Móng đơn : l g . đơn : l g 2 – 3b (b : chiều rộng móng) . + Móng băng : l g 4b. + Móng bè : - Nếu nền đất yếu có gốc là đất loại sét, thì : l g 9m + 0,15b. - Nếu nền đất yếu có gốc là đất loại cát,. lún phần dưới khối móng là 40 .6 cm. Tải trọng làm việc của móng khi đưa vào sử dụng tại Nhà Bè là 1.3 kg/cm 2 , tại Trà Nóc là 1.5 kg/cm 2 . 35 b. Tính chất cơ lý của đất nền.