Tính toán và thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc cát chương 2

Tính toán và thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc cát chương 2

CHƯƠNG II

CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CỌC CÁTII.1/ TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN CỌC CÁT:

II.1.1/ Xác định hệ số rỗng của đất sau khi nén chặt bằng cọc cát :

 Khi dùng cọc cát, nền đất sẽ nén chặt lại, tuy nhiên đất không thể nén chặt tùyý

 Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ số rỗng enc của đất sau khi đượcnén chặt bằng cọc cát tương ứng với độ chặt tương đối D vào khoảng 0.7 - 0.8 Đượcxác định theo công thức sau: enc = emax – D(emax – emin) (2.1)

 Trong đó:

D - độ chặt tương đối

emax - hệ số rỗng của cát ở trạng thái xốp nhất

emin - hệ số rỗng của cát ở trạng thái chặt nhất

Trị số enc có thể xác định gần đúng dựa vào tính chất cơ lý của đất đá, theo côngthức sau :

) 5 , 0 (

II.1.2/ Xác định diện tích nền được nén chặt:

 Diện tích được nén chặt thường lấy lớn hơn diện tích đế móng để đảm bảo nềnđất được ổn định dưới tác dụng của tải trọng công trình Theo kinh nghiệm thiết kế,chiều rộng mặt bằng của nền nén chặt thường lấy lớn hơn chiều rộng móng 0,2b vàdiện tích Fnc (m2) của nền được nén chặt tính theo công thức sau đây:

- Độ ẩm đất trong quá trình nén chặt là không đổi

- Đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc cát

- Thể tích của đất nén chặt giới hạn trên bề mặt tam giác đều ABC giữa các trụccủa cọc cát (hình 2.1), sau khi nén chặt sẽ giảm thể tích bằng một nửa thể tích cọc cát

- Thể tích của các hạt đất trước và sau khi nén chặt xem như không đổi, nếu bỏqua tính nén bản thân của các hạt

d

L 0 , 952 (2.6)

 Trong đó:

W - Độ ẩm tự nhiên của đất trước khi nén chặt (%).

Công thức (2.7) có thể biến đổi viết dưới dạng đơn giản hơn:

v d

Trị số L phụ thuộc vào dc và v, có thể tra biểu đồ (hình 2.3).

Hình 2.3: Biểu đồ xác định khoảng cách giữa cọc cát

 Theo chỉ dẫn thiết kế cọc cát, đối với nền đất yếu bão hòa nước ở Liên Xô thìkhoảng cách giữa các cọc cát được xác định căn cứ vào mối tương quan giữa chiềusâu nén chặt Hnc và chiều dày vùng chịu nén H của lớp đất.

kế hoặc căn cứ vào tính chất của công trình mà quyết định

S - Trị số lún của nền đất tự nhiên dưới công trình khi chưa có cọc cát 2

tc R F

m - Hệ số làm việc được quy định như sau:

 Khi mực nước ngầm nằm cao hơn đế móng và dưới nó là lớp cátbụi thì m = 0,6

 Nếu là lớp cát nhỏ thì m = 0,8

 Trong các trường hợp còn lại lấy m = 1

b - Chiều rộng đế móng (m), nếu đế móng hình tròn hoặc hình đa giác,

1,001,121,251,391,551,731,942,172,432,723,063,44

3,143,323,513,713,934,174,424,695,005,315,666,04

242628303234363840424446

0,720,840,981,151,341,551,812,112,462,873,373,66

3,874,374,935,596,357,218,259,4410,8412,5014,4815,64

6,456,907,407,958,559,219,9810,8011,7312,7713,9614,64

Khi H nc < H , ta có:

L = d c

S

S S

]1)]([

3[  0  (2.13)

(“Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu” Hoàng Văn Tân vànnk, trang 132)

 Trong đó:

S0 - Trị số lún của lớp đất thiên nhiên nằm trong phạm vi chiều sâu (H –

Hnc) và được xác định theo các công thức tính lún thông thường; trong đó môđun biếndạng của lớp đất này được tính toán theo công thức sau đây :

 Có thể bằng 0,87 đối với móng hình vuông và 0.66 đối với móng băng

 Để đảm bảo nền đất được ổn định về phương diện biến dạng cũng như khảnăng chịu tải, cọc cát thường được bố trí không những ở dưới móng mà còn ở phạm

vi ngoài đáy móng

 Theo kinh nghiệm thiết kế, số lượng hàng cọc cát bố trí theo hướng dọc vàhướng ngang dưới đế móng thường lấy lớn hơn 3 hàng, trong đó trục của hàng cọcngoài cũng lấy rộng hơn kích thước mặt bằng đế móng một khoảng cách lớn hơn 1.5lần đường kính cọc hoặc 0.1 lần chiều dài cọc

 Theo kinh nghiệm của nước ngoài, đường kính cọc cát thường dùng là 40 –

60 cm ở nước ta, theo kinh nghiệm bước đầu của bộ kiến trúc, có thể dùng hai loạiđường kính cọc là 10 – 20cm và 20 – 40cm

 Cọc cát phải được đầm đến độ chặt nhất định Trọng lượng cát cần thiết trênmỗi mét dài của cọc được xác định theo công thức sau đây:

W f

G

nc c

 Trong đó :

 - Trọng lượng riêng của cát dùng trong cọc (g/cm3);

W – Độ ẩm tính theo trọng lượng của cát trong thời gian thi công (%)

II.2.3/ Xác định độ đầm nện trong cọc cát :

 Để cọc cát làm việc tốt nhất khi thi công phải tiến hành đầm đến độ chặt nhấtđịnh Trọng lượng cát cần thiết trên mỗi mét dài của cọc được xác định theo côngthức sau đây:

1

W f

nc

c

 (2.16)

 Trong đó:

 - Trọng lượng riêng của cát dùng trong cọc (g/cm3)

W1 - Độ ẩm của cát trong thời gian thi công (%)

II.2.4/ Xác định chiều sâu nén chặt của cọc cát:

 Chiều sâu nén chặt Hnc của cọc cát có thể lấy bằng chiều sâu vùng chịu nén H

ở dưới đế móng Theo quy phạm của Liên Xô, vùng chịu nén có thể lấy đến độ sâu

mà ở đó thỏa mãn điều kiện:

 Đối với công trình dân dụng và công nghiệp:

 Chiều sâu vùng chịu nén còn có thể xác định một cách gần đúng theo phươngpháp lớp đất tương đương của giáo sư N.A.Txưtovits:

H = 2hs (2.19)

 Trong đó :

hs - Chiều dày lớp đất tương đương hs = Ab (2.20)

A- Hệ số lớp tương đương phụ thuộc vào hệ số Poatxông  0, hình dạngmóng và độ cứng của móng, tra bảng 2.3

 Đối với nền đất sét yếu ở trạng thái bão hòa nước, chiều sâu vùng nén chặt cóthể lấy đến giới hạn khi ứng suất phụ thêm do tải trọng ngoài gây nên có giá trị vàokhoảng 0.2 – 0.3 kG/cm2

 Nói chung trong mọi trường hợp , ta có thể chọn chiều sâu nén chặt như sau:

 Đối với móng hình chữ nhật: H nc  2b

 Đối với móng băng: H nc  4b

 Khi chiều rộng của móng lớn hơn 10m, thì có thể xác định chiều sâu nénchặt như sau: H nc  9 m 0 15b: nếu nền là sét

H nc  9 m 0 15b: nếu nền là cát

II.2.5/ Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát :

 Sau khi thi công cọc cát thì sức chịu tải của nền cọc cát có thể tăng lên từ 2đến 3 lần so với sức chịu tải của nền thiên nhiên Đối với nền đất bùn hoặc đất sét,theo kết quả thực nghiệm thì nền sau khi gia cố bằng cọc cát có sức chịu tải có thểlấy trong khoảng 2kG/cm2 đến 3kG/cm2

 Muốn kiểm nghiệm lại sức chịu tải sau khi nén chặt bằng cọc cát ta có thểdùng một trong hai cách sau:

Tiến hành thí nghiệm tải trọng tĩnh ở hiện trường, diện tích bàn nén thínghiệm không nên lấy nhỏ hơn 4 m2

Dùng công thức Rtc = m[(Ab + Bh)  + Dctc] (công thức 2.12) để tính,khi sử dụng công thức Rtc thì các chỉ tiêu tính toán như ,,c có thể xác định qua

1 số lỗ khoan kiểm nghiệm tiến hành sau khi đóng cọc cát hoặc dùng chùy xuyêntiêu chuẩn

 Trong trường hợp không có điều kiện thí nghiệm tải trọng tĩnh hoặc khoanlấy mẫu thí nghiệm thì các chỉ tiêu c,  và E0 có thể tra (bảng 2.4, 2.5, 2.6) chotrong quy phạm dựa vào hệ số enc như sau:

Bảng 2.4: Trị số lực dính c(t/m2), góc ma sát trong  (độ), môđun biến dạng

E0(kG/cm2) của cát không phụ thuộc vào nguồn gốc và tuổi của chúng

“Hoàng Văn Tân và nnk (1997), Những phương pháp xây dựng công trình trên

Tính toán

Tiêu chuẩn

Tính toán

Tiêu chuẩn

Tính toán

Tiêu chuẩn

Tính toán

41 -

-0,1 40 100

38 -

38 300

36 -

- -

- -

38 -

-0,2 38 400

36 -

-0,1 35 300

33 -

- -

- -

0,1 36 -

0,4 36 380

34 -

-0,2 32 280

30 -

28 180

26 -

0,2 34 -

0,6 34 280

0,1 32 -

0,4 30 180

28 -

-0,2 26 110

24 -

-Bảng 2.5: Trị số lực dính c(t/m ), góc ma sát trong  (độ) của đất sét ở trầm tích

kỷ thứ tư ( khi 0  B  1 )

“Hoàng Văn Tân và nnk (1997), Những phương pháp xây dựng công trình trên nền

đất yếu, NXB Xây dựng” thứ tư ( khi 0  B  1 )Giới

Tính toán

Tiêu chuẩn

Tính toán

Tiêu chuẩn

Tính toán

Tiêu chuẩn

Tính toán

Tiêu chuẩn

Tính toán

Tiêu chuẩn

Tính toán 9,5 -

12,4

c



1,2 25

0,3 23

0,8 24

0,1 22

0,6 23

21

-

-

-

-

-

- 12,5 -

-15,4

c



4,2 24

1,4 22

2,1 23

0,7 21

1,4 22

0,4 20

0,7 21

0,2 19

-

-

-

- 15,5 -

-18,4

c



-

-

-5,0 22

1,9 20

2,5 21

1,1 19

1,9 20

0,8 18

1,1 19

0,4 17

0,8 18

0,2 16 18,5 -

22,4

c



-

-

-

-

-6,8 20

2,8 18

3,4 19

1,9 17

2,8 18

1,0 16

1,9 17

0,6 15 22,5 -

26,4

c



-

-

-

-

-

-

-8,2 18

3,6 16

4,1 17

2,5 15

3,6 16

1,2 14 26,5 -

30,4

c



-

-

-

-

-

-

-

-

-9,4 16

4,0 14

4,7 15

2,2 13

Chỉ số sệt B của đất sét được xác định theo công thức sau:

B =

d c

d

W W

W W

Wd - Độ ẩm ở giới hạn lăn (%).

II.2.6/ Kiểm nghiệm độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát:

Bảng 2.6: Trị số môđun biến dạng E0 (kG/cm2) của đất sét thuộc trầm tích kỷ thứ tư

0,41 0,50

0,51 0,60

0,61 0,70

0,71 0,80

0,81 0,90

0,91 1,00

1,01 1,10

E h p S

thứ i do tải trọng của công trình truyền xuống (kG/cm ).

hi - Chiều dày của lớp đất thứ i nằm trong vùng chịu nén của nền đất(m)

 - Hệ số không thứ nguyên để hiệu chỉnh cho sơ đồ tính toán đã đơngiản hóa, lấy bằng 0,8 cho tất cả các loại đất

E0i - Môđun biến dạng của lớp đất thứ i, có thể sử dụng các giá trị trongbảng 2.4 và bảng 2.6 hoặc xác định dựa vào kết quả thí nghiệm hiện trường(kG/cm2)

Theo quy phạm  OCT 12374-66 của Liên Xô (đối với đất đồng nhất) E0được xác định theo công thức sau:

E0 = ( 1 02) K1K2K3

S S

pb S

p - Cường độ tải trọng tác dụng trên tấm nén (kG/cm2)

b - Chiều rộng hoặc đường kính tấm nén (cm)

S - Độ lún toàn bộ của tấm nén tương ứng với tải trọng thí nghiệm(cm).

Stb - Độ lún của tấm nén khi xét đến ảnh hưởng của từ biến không xuấthiện trong thời gian thí nghiệm (cm)

K1 - Hệ số kể đến sự hữu hạn biến dạng của lớp đất khi có tác dụngcủa tải trọng p

K2 - Hệ số kể đến sự làm việc của đất trên mặt phẳng đi qua để tấmnén

K3 - Hệ số kể đến cố kết thấm không hoàn toàn

Trị số K 1 , K 2 , K 3 phụ thuộc vào phương pháp tính lún và đặc tính của đất, căn

cứ vào đó ta chọn K 1 , K 2 , K 3 tương ứng Các hệ số K 1 , K 2 , K 3 có thể tra bảng 2.7

sau:

Khi tính toán độ lún theo phương pháp chia thành nhiều

lớp nhỏ và cộng lại theo chiều sâu:

5m 10m 15m Khi tính toán độ lún theo phương pháp lớp tương đương

Khi tính toán độ lún theo phưong pháp chiều dày chịu nén

hữu hạn:

Đối vối đất sét nặng

Đối với đất sét pha cát và sét nhẹ

Đối với cát và cát pha sét

0,8 9 0,77 0,64 1,00 0,7 - - -

- - -

0,7 0 0,80 -

- - - -

-

0,85 0,95 1,00

Trị số Stb khi xét đến ảnh hưởng của từ biến tuyến tính, có thể xác định gần đúngtheo công thức sau :

Stb = 6 vs (2.25)

 Trong đó:

vs - Sự tăng biến dạng ở cấp tải trọng cuối, sau khi kết thúc giai đoạn

cố kết thấm, theo quy luật bậc nhất

 - Hệ số có kể đến ảnh hưởng của từ biến, lấy gần đúng bằng 0,5.Trị số lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát còn có thể xác định theophương pháp lớp tương đương của giáo sư N.A.Trưtovits:

0

1

21

2 0

0

1

21

a0m - Hệ số nén tương đương của lớp đất:

a0m = 



j

i i i i s

z h a

zi - Khoảng cách từ đỉnh biểu đồtam giác tương đương đến điểm giữa các lớp đất

h - Chiều sâu chôn móng

 - Trọng lượng thể tích của đất từ đế móng trở lên

Khi áp dụng cọc cát, đối với các công trình xây dựng trên nền đất không phải là

đá, chỉ cần kiểm nghiệm độ lún là đủ (tức là tính theo trạng thái giới hạn thứ hai).Tuy nhiên, đối với công trình mà nền đất thường xuyên chịu tải trọng ngang(tường chắn đất…), nền đất được giới hạn bằng những mái dốc hoặc nền đất trênnham thạch thì cần thiết phải kiểm tra ổn định theo khả năng chịu lực (tính theo giớihạn thứ nhất) Trong thực tế thiết kế, phương pháp dùng phổ biến hơn cả là phươngpháp dựa vào giả thiết mặt trượt là mặt trụ tròn (hình 2.5)

Hình 2.5: Phương pháp mặt trượt là mặt trụ tròn

 Phương pháp này cho phép có thể kiểm nghiệm ổn định của nền đất có nhiềulớp hoặc xét đến ảnh hưởng của lực thấm, trạng thái không ổn định của đất…,phương pháp này cho kết quả đáng tin cậy

 Nội dung của phương pháp này là xác định hệ số an toàn ổn định tối thiểutương ứng với các điều kiện và tải trọng đã biết Nền đất sẽ trượt theo mặt trụ tròn,nền đất cùng công trình sẽ trượt xoay quanh một tâm O nào đó

Hệ số an toàn ổn định cđược xác định như sau:

Mtruot - Tổng moment của những lực trượt Mtruot đối với tâm O lựctrượt bao gồm tải trọng thẳng đứng tiêu chuẩn Ptc và tải trọng ngang tiêu chuẩn Htc

do công trình truyền xuống

 Để xác định hệ số c, người ta chia khối đất trong phạm vi mặt trượt ra thànhnhững trụ đất nhỏ Chiều rộng trụ đất này thường lấy gần đúng vào khoảng 1/10 bánkính mặt trượt Dựa vào số trụ đất đã chia có thể tính được Mgiu và Mtruot:

i

n i

i i i

i n

i i giu R T R c l R N tg R c l M

tc tc

1

1

 - Góc ma sát trong tính toán của đất.

W1 và W2 - Trọng lượng của các trụ đất nằm trong phạm vi mặt trượt ởhai bên tâm trượt, khi mặt đất nằm ngang W1 = W2

Từ đó hệ số an toàn ổn định được tính theo công thức sau đây:

d H a P

l c R tg N R

tc tc

n i i i n

i

i

tc i c

Nền đất dưới công trình sẽ ổn định nếu như hệ số c tối thiểu lớn hơn giá trị 1,2.

II.2.7/ Biện pháp thi công gia cố nền đất yếu bằng cọc cát:

 Trước hết phải nói về nguồn vật liệu là cát phải thoả những những điều kiệnsau:

 Cát phải là cát hạt to hoặc cát hạt trung

 Cát cần phải được làm sạch, hàm lượng bụi và sét không quá 3%, đồngthời không lẫn những đá hòn có kích thước quá 60mm

 Thi công cọc cát bao gồm các bước sau đây :

 Đóng ống thép xuống đất

Theo kinh nghiệm của nước ngoài thì ống thép đóng xuống nền đất thường cóđường kính khoảng 30-50 cm Trước đây, mũi cọc có thể là 1 miếng đệm gỗ, sau khirút ống thép lên thì miếng đệm gỗ sẽ ở lại trong đất, biện pháp thi công như vậy sẽkhông cơ động và không kinh tế Hiện nay, để khắc phục nhược điểm nói trên, người

ta dùng ống thép có mũi nhọn, mũi nhọn có 4 cánh lắp bản lề khi đóng ống thépxuống thì mũi nhọn khép lại, khi rút lên thì mở ra (hình 2.6)

Ống thép được hạ xuống nền đất bằng búa đóng cọc hoặc bằng phương phápchấn động

Hình 2.7: Mũi cọc bằng đệm gỗ và bằng mũi cọc có bản lề

 Nhồi cát và đầm chặt đồng thời rút ống thép lên:

Nếu cọc cát được thi công bằng phương pháp đầm nện, ta tiến hành như sau:đóng ống thép xuống tới cao trình thiết kế, sau đó rút ống thép và nhồi cát vào lỗ cọctheo từng lớp khoảng 1 - 1,25m rồi dùng búa treo đầm từng lớp một

Nếu cọc cát được thi công bằng phương pháp chấn động, ta tiến hành nhưsau: dùng máy chấn động để hạ ống thép xuống cao trình thiết kế, nhấc máy chấnđộng ra, nhồi cát vào cao khoảng 1 mét, sau đó đặt máy chấn động vào rung khoảng

15 - 20 giây, tiếp theo bỏ máy chấn động ra và rút ống thép lên khoảng 0,5 mét rồiđặt máy chấn động vào rung khoảng 10 - 15 giây để cho đầu nhọn của ống mở ra,cát tụt xuống Sau đó rút ống lên dần với tốc độ đều, vừa rút vừa rung và khi nào ốngchỉ còn lại trong đất khoảng chừng 0,5 - 0,8 mét, lúc đó mới bỏ máy chấn động ra.Theo O.G.Đênixov và V.I.Ixaêv nếu dùng ống thép để thi công cọc cát thường cónhững nhược điểm sau:

- Khó kiểm tra được mức độ chặt của cát trong ống thép khi thicông

- Do tác dụng của áp lực đất theo hướng ngang, sẽ làm giảm kíchthước của cọc cát khi rút ống lên, hiện tượng này dẫn đến làmgiảm hiệu quả nén chặt của cọc cát

- Cát trong ống thường bị tơi ra do ảnh hưởng ma sát giữa cát vàthành ống khi rút ống lên

Do đó, hai ông đã đề nghị dùng phương pháp thi công và thiết bị mới (hình 2.7).Đặc điểm của phương pháp này là không dùng ống thép mà chỉ dùng một chiếc cầnthép, đầu cần gắn liền với mũi nhọn bằng thép cánh tự mở Chiều dài cần lấy bằng4,0 m, đường kính ở đầu mũi nhọn 30cm Máy đầm loại B 2 và máy kéo loại TT-75 Để chứa cát trong lúc thi công cọc người ta dùng loại thùng gỗ với kích thướcnhư sau: 100 x 100 x 100 cm.

1- máy xúc; 2- cần trục; 3- thanh thép chữ U dẫn hướng; 4- máy chấn động; 5- thùng đựng cát; 6- mũi bằng thép tự mở; 7- đầu cần khoan; 8- cần khoan; 9- sườn bằng thép cứng; 10- sườn bằng thép cứng; 11- tời; 12- thiết bị thủy lực.

Hình 2.8: Thiết bị đóng cọc cát không dùng ống thépTrình tự thi công gồm các bước sau: đặt thùng máy hở trên mặt đất, sau đó đặtcần khoan có đầu nhọn cánh khép kín trên cần khoan đặt máy đầm Sau khi đổ đầycát trong thùng thì bắt đầu cho máy đầm làm việc Cần khoan có đầu nhọn sẽ xuyênvào lớp đất yếu đến chiều sâu thiết kế Dưới tác dụng của máy đầm, cát sẽ nhồi đầytrong lỗ khoan Khi đến chiều sâu thiết kế thì đóng máy đầm lại và bắt đầu rút cầnkhoan lên, các cánh thép ở đầu nhọn sẽ tự mở ra và cát sẽ tụt xuống tự do Cuối cùngtiến hành đầm chặt từng lớp như trình bày ở trên

II.2.8/ KIỂM TRA NỀN CỌC CÁT SAU KHI THI CÔNG :

 Sau khi thi công xong cọc cát, cần tiến hành kiểm tra xác định trọng lượngthể tích, hệ số rỗng của đất, cũng như các chỉ tiêu cơ lý cần thiết khác ở khoảng cáchgiữa các cọc cát Những trị số này yêu cầu phải phù hợp với các số liệu tính toántrong thiết kế Để kiểm tra xác định các chỉ tiêu cơ lý trên ta thực hiện bằng nhữngphương pháp sau: