nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép

Việc thiết kế, thi công các công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông, dân dụng và công nghiệp còn gặp rất nhiều khó khăn, cần phải giải quyết rất nhiều vấn đề khác nhau như : L

LỜI TÁC GIẢ

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thuỷ với đề tài:

“ Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép” được hoàn

thành với sự giúp đỡ nhiệt tình, hiệu quả của phòng Đào tạo ĐH & SĐH, khoa công trình cùng các thầy, cô giáo, các bộ môn của trường Đại học Thuỷ lợi, bạn bè đồng nghiệp, cơ quan và gia đình

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Dương Đức Tiến đã trực tiếp

tận tình hướng dẫn, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn: Phòng Đào tạo ĐH & SĐH, khoa công trình, các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy trực tiếp lớp Cao học của trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức

Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo cơ quan Ban quản lý dự án sông Tích thuộc Sở Nông nghiệp & PTNT Hà Nội đã tận tình giúp đỡ trong suốt thời gian h ọc tập và thực hiện luận văn

Tác giả xin cảm ơn gia đình , các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ về mọi mặt cũng n hư động viên khích lệ tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả như ngày hôm nay

Do còn nhiều hạn chế về trình độ chuyên môn, cũng như thời gian có hạn, nên trong quá trình làm luận văn tác giả không tránh khỏi sai sót, tác giả mong muốn tiếp tục nhận được chỉ bảo của các thầy, cô giáo và sự góp ý của các bạn bè đồng nghiệp, để tác giả hoàn thiện hơn nữa kiến thức của mình

Hà Nội, tháng 02 năm 2013

Tác giả

Trịnh Minh Thuyên

MỤC LỤC

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về công tác thiết kế thi công móng cọc

1.1.1 Lich sử ra đời và phát triển của móng cọc 3

Chương 2: Một số phương pháp xử lý nền đất yếu bằng móng cọc

2.3.3 Xử lý nền bằng cọc nhồi 31

2.3.4 Xử lý nền bằng cọc xi măng đất (cọc trộn dưới sâu) 36

2.3.5 Xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn 41

2.4 Tính toán thiết kế và công nghệ thi công móng cọc 43

Chương 3: Đánh giá kết quả phương pháp xử lý nền bằng cọc BTCT

cho cống Hải Thanh-Dương Kinh-Hải Phòng

3.1 Giới thiệu tổng quan về công trình cống lấy nước 97

3.2 Tính toán xử lý nền cống Hải Thanh - Dương Kinh - Hải Phòng 101

Kết luận và kiến nghị 134

Bảng 2-5 Hệ số năng lượng xung kích tăng thêm khi đóng cọc xiên 86

Hình 2-9 Mũi ống thép tự mở có bản lề 50

Hình 2-11 Thiết bị đóng cọc cát không dùng ống thép 52

Hình 2-14 Hình thức kết cấu đầu khoan xoắn đường kính lớn 54 Hình 2-15 Dây chuyền công nghệ thi công làm lỗ khô của cọc khoan 56

Hình 2-17 Sơ đồ nguyên lý khoan quay tuần hoàn nghịch 59 Hình 2-18 Sơ đồ công nghệ thi công cọc khoan nhồi 60 Hình 2-19 Dây chuyền công nghệ thi công cọc nhồi làm lỗ ướt 61 Hình 2-20 Sơ đồ để tính lượng bê tông đổ đầu tiên 65 Hình 2-21 Một số hình ảnh thi công cọc khoan nhồi ở Việt Nam 67 Hình 2-22 Một số hình ảnh thi công cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ 72

Hình 2-27 Máy trộn dưới sâu di chuyển bằng ống lăn 76

Hình 2-29 Thiết bị làm cọc XM đất có 2 trục trộn của hãng Kobelco 78

Hình 2-31 Một số hình ảnh thi công cọc xi măng đất 82 Hình 2-32 Một số hình ảnh thí nghiệm cọc xi măng đất 82

Chương 3 Trang

Hình 3-4 Kết quả tính toán lún khi chưa có cọc (vừa thi công xong) 117 Hình 3-5 Kết quả tính toán lún khi chưa có cọc (lún cố kết 60 ngày) 117 Hình 3-6 Kết quả tính toán lún khi chưa có cọc (lún tổng thể) 117

Hình 3-9 Kết quả tính toán khi đã có cọc BTCT (khi vừa TC xong) 125 Hình 3-10 Kết quả tính toán khi đã có cọc BTCT (lún cố kết 60 ngày) 126 Hình 3-11 Kết quả tính toán khi đã có cọc BTCT (lún tổng thể) 126

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước , công tác xây dựng

cơ bản là một trong những nhiệm vụ hàng đầu của đất nước Việc thiết kế, thi công các công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông, dân dụng và công nghiệp còn gặp rất nhiều khó khăn, cần phải giải quyết rất nhiều vấn đề khác nhau như : Loại hình kết cấu, sử dụng vật liệu, biện pháp và công nghệ thi công… và đặc biệt là vấn đề xử lý nền công trình Một trong các khó khăn đó là việc xử lý nền của các công trình , đặc biệt là nền của các công trình thủy lợi , thủy điện , giao thông được xây dựng trên nền đất yếu

Khi xây dựng thường gặp phải nền công trình là nền đất yếu, các lớp đất yế u xen kẹp nhau có chiều dày từ một vài mét đến hàng chục mét , sức chịu tải của nền kém và tính nén lún lớn Lớp đất tốt thường nằm sâu dưới lòng đất , trong trường hợp này có nhiều phương pháp để xử lý nền , trong đó phương pháp xử lý nền bằng móng cọc thường được ứng dụng rộng rãi nhất Hiện nay việc thiết kế , thi công móng cọc còn gặp những khó khăn nhất định như xác định mật độ cọc , chiều sâu

cắm cọc, biện pháp và công nghệ thi công cọc

Vì vậy việc Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép

là cấp thiết và quan trọng trong giai đoạn hiện nay

II Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp xử lý nền bằng móng cọc, trọng tâm là xử lý nền đất yếu bằng cọc BTCT đúc sẵn Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất Đối với công trình thủy lợi, việc xử lý nền đất yếu còn làm giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp

- Phân loại và đề xuất phương pháp xử lý nền bằng móng cọc cho các trường hợp cụ thể Áp dụng tính toán xử lý nền cho cống Hải Thanh - Dương Kinh - Hải

Phòng bằng cọc bê tông cốt thép

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp đúc rút kinh nghiệm thực tế và tính toán giải quyết các bài toán thiết kế thực tế và lựa chọn công nghệ phù hợp

- Tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có về công tác xử lý nền bằng móng cọc , các quy trình, quy phạm tính toán thiết kế và chỉ dẫn thi công móng cọc

- Thu thập số liệu và đúc rút kinh nghiệm từ các công trình thực tế đã và đang xây dựng tại Việt Nam để lựa chọn công nghệ phù hợp

- Thu thập các số liệu có liên quan (địa chất, địa hình, kinh tế xã hội , tài liệu thiết kế, biện pháp và máy móc thiết bị thi công ) cho cống Hải Thanh - Dương Kinh - Hải Phòng

IV Kết quả dự kiến đạt được

- Đưa ra được phương pháp xử lý nền đất yếu bằng móng cọc

- Đưa ra các ý kiến về phương pháp xử lý nền bằng cọc BTCT cho cống Hải Thanh - Dương Kinh - Hải Phòng

Nền đất yếu là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể làm nền thiên nhiên cho công trình xây dựng Khi xây dựng các công trình dân dụng, giao thông và thủy lợi thường gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập hư hỏng khi xây dựng trên nền đất yếu

do không có những biện pháp xử lý phù hợp, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất Do vậy việc đánh giá chính xác và chặt chẽ các tính chất

cơ lý của nền đất yếu (Chủ yếu bằng các thí nghiệm trong phòng và hiện trường) để làm cơ sở và đề ra các giải pháp và xử lý nền móng phù hợp là một vấn đề hết sức khó khăn, nó đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng công trình khi xây dựng trên nền đất yếu

1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của móng cọc

Móng cọc đã được sử dụng rất sớm từ khoảng 1200 năm trước, những người dân của thời kỳ đồ đá mới của Thụy Sỹ đã biết sử dụng các cọc gỗ cắm xuống các hồ nông để xây dựng nhà trên các hồ cạn (Sower, 1979) Cũng trong thời kỳ này, người

ta đã biết sử dụng các cọc gỗ để đóng xuống các vùng đầm lầy để chống quân xâm

lược Ngoài ra, người dân đã biết sử dụng các vật liệu có sẵn như thân cây gỗ đóng thành hàng cọc để làm tường chắn đất, dùng thân cây, cành cây để làm móng nhà Ngày nay, cùng với tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung móng cọc ngày càng được cải tiến, hoàn thiện, đa dạng về chủng loại cũng như phương pháp thi công, phù hợp với yêu cầu cho từng loại nền móng công trình

Hiện nay ở Việt Nam, móng cọc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, giao thông, thủy lợi với rất nhiều chủng loại cọc

bê tông cốt thép khác nhau Trên cơ sở các tiêu chuẩn tính toán thiết kế móng cọc

do Nhà nước ban hành để xử lý nền công trình khi phải xây dựng trên nền đất yếu

1.1.2 K hái niệm chung về móng công trình

Móng là phần công trình kéo dài xuống dưới đáy mặt đất làm nhiệm vụ chuyển tiếp giữa công trình bên trên với nền đất Móng tiếp nhận tải trọng từ công trình và truyền vào đất nền thông qua các phần tiếp xúc của nó với đất Thông thường, khả năng tiếp nhận tải trọng của các loại vật liệu công trình lớn hơn của đất nền rất nhiều, do đó móng thường có kích thước mở rộng hơn so với công trình bên trên để giảm tải trọng lên nền đến mức đất có thể tiếp nhận được Sự mở rộng này có thể theo bề ngang, theo chiều sâu hoặc cả hai hướng Sự mở rộng theo chiều ngang làm tăng diện tích tiếp xúc của đáy móng với đất nền do đó làm giảm áp lực đáy móng, trong khi sự mở rộng theo chiều sâu làm tăng diện tiếp xúc ở các mặt bên móng với

đất do đó làm tăng diện tích ma sát bên Như vậy móng là một bộ phận của công trình có nhiệm vụ đỡ công trình bên trên, tiếp nhận tải trọng công trình và phân phối tải trọng đó vào đất nền thông qua phản lực nền và ma sát bên

Móng thường có hai loại móng nông và móng sâu:

a Móng nông: Là loại móng truyền tải trọng công trình vào đất nền chủ yếu thông qua diện tích tiếp xúc của đáy móng với đất do đó thường có kích thước mở rộng theo phương ngang Trong tính toán móng nông, ma sát bên của móng với đất thường bỏ qua, sự tồn tại của lớp đất trên mức đáy móng được thay thế bằng tải trọng tương đương với trọng lượng của bản thân đất Móng nông có thể được xây dựng cho riêng từng cấu kiện tiếp đất của công trình được gọi là móng đơn, cho

nhiều cấu kiện trên một hướng gọi là móng băng, cho trên hai hướng giao nhau gọi

là móng bè

Đôi khi, để dễ phân biệt người ta coi móng nông là loại móng có tỷ lệ giữa độ sâu chôn móng và bề rộng móng (hR m R/b) nhỏ hơn một giá trị nào đấy Thông thường móng nông có (hR m R/b) ≤ 1,0÷1,5

b Móng sâu: Là loại móng truyền tải trọng công trình vào đất nền thông qua cả diện tích tiếp xúc của đáy móng và thông qua ma sát giữa đất nền và thành bên của móng Móng sâu thông dụng và hay gặp hơn cả là móng cọc, ngoài ra còn có móng kiểu tường trong đất

Móng cọc là một loại móng sâu, thường dùng khi tải trọng công trình lớn nằm dưới lớp đất tốt, sâu dưới lòng đất Hai loại cọc phổ biến dùng trong móng cọc là cọc chế sẵn và cọc khoan nhồi (cọc đổ tại chỗ), ngoài ra còn có cọc khoan trộn sâu

Cọc chế sẵn có thể làm bằng bê tông cốt thép đúc sẵn hoặc thép (cừ Lassen) Cọc đổ tại chỗ, thường gọi là cọc nhồi, có dạng hình tròn Đường kính cọc nhồi khoảng 0,6 ÷5,0 m, với kích thước thường gặp ở Việt Nam hiện nay là 1,0 ÷ 2,0 m Một dạng cọc đổ tại chỗ khác là cọc Barrette, thường có dạng hình chữ nhật và thường được dùng làm móng công trình có tải trọng rất lớn

Hình 1-1: Các bộ phận chính của móng cọc

a Cọc: Cọc là kết cấu có chiều dài lớn so với bề rộng tiết diện ngang, được

đóng hay thi công tại chỗ vào lòng đất, đá để truyền tải trọng công trình xuống các tầng đất, đá, sâu hơn nhằm cho công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn quy định Cọc bê tông cốt thép là loại cọc chống hoặc treo nằm trong lòng đất để chịu lực đứng hay lực ngang

b Đài cọc: Là kết cấu dùng để liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng

của công trình lên các cọc phía dưới đài Nội lực ở cọc do tải trọng kết cấu phần trên truyền xuống qua hệ đài bản chất sinh ra do chuyển vị tại điểm liên kết cọc với hệ đài Có thể phân ra làm đài tuyệt đối cứng và đài mềm trong tính toán thiết kế hệ cọc

- Coi đài móng cứng tuyệt đối khi chiều cao đài phải rất lớn (Phá hoại cắt trước phá hoại uốn) Dưới tác dụng của tải trọng thì chuyển vị tại các điểm trên mặt cắt ngàm cọc là tuyến tính (hay là mặt cắt ngàm cọc trước phẳng sau vẫn phẳng) sau đó thông thường cọc ở vị trí biên sẽ có nội lực lớn nhất

- Lực truyền xuống cọc trong trường hợp đài cọc mềm sẽ đi theo đường ngắn nhất nghĩa là các cọc ngay dưới lõi vách, phản lực lớn hơn rất nhiều so với cọc biên (So với cách tính thông thường), đặc biệt đứng cho các tổ hợp có momem lớn Trong khi đó ở trường hợp đài cọc tuyệt đối cứng các cọc biên sẽ chịu lực lớn nhất

1.1.4 M ột số ưu điểm của móng cọc

Móng cọc sử dụng hợp lý đối với các công trình chịu tải trọng lớn mà lớp đất tốt nằm dưới sâu, giảm được biến dạng lún và lún không đều

Khi dùng móng cọc làm tăng tính ổn định cho các công trình có chiều cao lớn, tải trọng ngang lớn như các nhà cao tầng, nhà tháp,

Móng cọc với nhiều phương pháp thi công đa dạng như: Cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi v.v nên móng cọc có thể sử dụng làm móng cho các công trình có điều kiện địa chất, địa hình phức tạp mà các loại móng nông không đáp ứng được như vùng có nền đất yếu hoặc công trình trên sông và biển v.v

Hiện nay móng cọc được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, cầu đường giao thông, thủy lợi – thủy điện

Về ưu điểm:

+ Độ lún của móng cọc nhỏ gần như không đáng kể nên ít gây biến dạng cho công trình

+ Móng cọc đặt sâu trong lòng đất tốt, trong quá trình sử dụng công trình không gây lún ảnh hưởng đáng kể đến công trình lân cận

+ Quy trình thực hiện móng cọc dễ dàng thay đổi các thông số của cọc (chiều sâu, đường kính ) phù hợp với địa chất công trình

+ Giá thành hạ so với các loại móng khác trên nền đất yếu

+ Cao độ của đài cọc có thể dễ dàng thay đổi để chọn đặt ở độ cao tùy ý phù hợp với kết cấu và mỹ quan công trình

+ Dùng cọc bê tông đúc sẵn: Tiến độ thi công nhanh, chất lượng đảm bảo, thi công ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết đáp ứng yêu cầu xã hội, tạo điều kiện quay vòng vốn nhanh Đảm bảo điều kiện kinh tế

1.1.5 Phân loại cọc

Hiện nay có nhiều cách phân loại cọc dùng để sử dụng làm móng cọc Sau đây

là một số cách phân loại cọc thường gặp:

1 Phân loại theo vật liệu chế tạo cọc

2 Phân loại theo mặt cắt ngang của cọc

3 Phân loại theo khả năng chịu lực của cọc

+ Cọc chống

+ Cọc ma sát (cọc treo)

4 Phân loại theo công năng sử dụng

+ Cọc chịu lực nén dọc theo chiều thẳng đứng

+ Cọc chịu kháng đổ đứng

+ Cọc chịu lực ngang, cọc neo

+ Cọc vừa chịu lực đứng vừa chịu lực ngang

5 Phân loại theo ảnh hưởng tác dụng với đất quanh thân cọc

+ Cọc không có tác dụng lèn chặt đất quanh thân cọc

+ Cọc có tác dụng lèn chặt đất quanh cọc một phần

+ Cọc có tác dụng làm chặt đất quanh thân cọc

6 Phân loại theo đài cọc

+ Cọc đài thấp, cọc đài cao

+ Móng băng cọc, Móng bè cọc

7 Phân loại theo chiều dài cọc

+ Cọc ngắn chiều dài dưới 6m

+ Cọc vừa chiều dài khoảng 20 ÷ 25m

+ Cọc dài trên 25m có thể tới 50 ÷ 60m hoặc hơn nữa

+ Riêng đối với loại cọc bê tông cốt thép thường dùng phổ biến thì còn chia

ra các loại cọc: Cọc ống (cọc rỗng), cọc đặc, cọc bê tông cốt thép thường và cọc bê tông cốt thép dự ứng lực

8 Phân loại theo cách chế tạo cọc

+ Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông cốt thép đổ tại chỗ

+ Cọc bê tông cốt thép đổ tại chỗ có thể chia ra làm hai loại:

Cọc nhồi (Cọc khoan nhồi), cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ

Cọc barrette

Hai loại cọc này đều áp dụng phương pháp thay thế đất bằng cọc sau khi đào đất đá

+ Cọc khoan trộn sâu (cọc xi măng sét)

9 Phân loại theo biện pháp thi công cọc

+ Cọc đóng

+ Cọc ép

+ Ngoài ra còn có cọc cừ ván thép và cừ ván bê tông cốt thép sử dụng để làm tường chắn đất

1.2 Tình hình thiết kế và thi công móng cọc hiện nay

Hiện nay, do việc phát triển của khoa học công nghệ cũng như các biện pháp thi công tiên tiến, việc thiết kế và thi công móng cọc đã đạt được những bước tiến nhất định Hiện có rất nhiều loại cọc khác nhau dùng để xử lý nền đất yếu, vì vậy việc thiết kế và thi công cũng có những khó khăn và thuận tiện khác nhau đối với mỗi phương pháp

- Với các loại cọc như cọc gỗ (cọc tre và cọc cừ tràm) nó có lịch sử phát triển rất lâu đời, hiện nay việc thiết kế và thi công loại cọc này cũng đã tương đối hoàn thiện, đã có những quy phạm, tiêu chuẩn để áp dụng cho việc tính toán thiết kế, triển khai thi công và kiểm tra chất lượng Việc thi công cọc gỗ rất đơn giản thuận tiện, trước đây chủ yếu thi công bằng thủ công, gần đây việc thi công đã được sử dụng máy móc hoàn toàn, tốc độ thi công nhanh và đảm bảo chất lượng công trình

- Cọc cát, việc thiết kế và thi công cũng khá phát triển ở Việt nam cọc cát được

sử dụng khá nhiều trong việc sử lý nền đất yếu, ví dụ như: Dự án chỉnh trị hạ lưu sông Tắc – Quán Trường – Khánh Hoà; Công trình xử lý nền đường cao tốc thành phố Hồ Chí Minh; Tiêu biểu nhất là dự án mở rộng đường Láng – Hoà Lạc – Hà Nội v.v…Hiện ở Việt Nam đã có tiêu chuẩn riêng để áp dụng cho việc thiết kế, thi công, giám sát, kiểm tra chất lượng của cọc cát Cọc cát là một giải pháp xử lý nền được áp dụng phổ biến đối với các trường hợp công trình có tải trọng không lớn trên địa tầng có dạng cơ bản với chiều dầy lớp đất yếu tương đối lớn Nó được áp dụng nhiều nhất ở đất yếu của vùng đồng bằng Bắc Bộ, Nam Bộ và việc xử lý nền đường công trình đường bộ (đặc biệt là nền đường cao tốc)

- Cọc khoan nhồi so với các loại cọc khác cọc nhồi và cọc khoan trộn sâu mới phát triển gần đây, nhưng được phát triển rất nhanh và được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam Nó thường được sử dụng để gia cố nền đất yếu có chiều sâu và tải trọng công trình tương đối lớn, như các nhà cao tầng, khu chung cư, các công trình công cộng có chiều cao lớn

- Cọc khoan trộn sâu hay còn gọi là cọc xi măng đất cũng mới phát triển gần đây, chủ yếu được ứng dụng cho các công trình không đòi hỏi đài cọc vì cọc này không có cốt thép

- Cọc bê tông cốt thép: Đây là loại cọc được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất ở Việt Nam hiện nay Có rất nhiều các công ty, cơ quan được thành lập chuyên để cung cấp, thi công cọc BTCT đúc sẵn Cọc BTCT đúc sẵn áp dụng tốt nhất cho các công trình có tải trọng không lớn và chiều sâu lớp đất yếu không sâu

1.3 Các vấn đề tồn tại thường gặp trong thiết kế và thi công cọc

Nước ta là một nước thuộc nhóm các nước đang phát triển, vì vậy việc thiết

kế, thi công các công trình xử lý nền bằng móng cọc nói riêng và việc xử lý nền đất yếu nói chung còn tồn tại nhiều vấn đề cần phải giải quyết, sau đây là một số tồn tại

cơ bản trong quá trình xử lý nền đất yếu, đặc biệt là xử lý bằng móng cọc:

- Về thiết kế: Còn có một số sai sót do trình độ chuyên môn chưa cao, đa số các công trình lớn đều phải thuê chuyên gia nước ngoài (như cầu vượt Thanh Trì, hầm đường bộ Kim Liên v.v ) Mặt khác tài liệu khảo sát nhiều chỗ còn chưa chính xác dẫn đến người thiết kế đôi khi đánh giá sai thực trạng địa chất của nền Vì vậy có thể đưa ra những biện pháp xử lý nền không hợp lý Ngoài ra việc áp dụng các công nghệ, phần mền tiến bộ vào trong quá trình thiết kế còn hạn chế

- Về thi công:

+ Nhân lực: Trình độ thi công còn non kém, đội ngũ công nhân chủ yếu là công nhân chưa được đào tạo qua trường lớp, nếu có chỉ là đào tạo rất sơ lược hoặc vừa làm vừa đào tạo Mặt khác trong quá trình thi công chưa thực hiện triệt để đúng biện pháp thi công hoặc yêu cầu thiết kế hoặc hồ sơ dự thầu Vì vậy dễ dẫn đến sai sót trong quá trình thi công, chất lượng công trình không đạt yêu cầu, thậm trí dẫn đến

sự cố xẩy ra

+ Thiết bị máy móc: Bất kỳ một loại cọc nào cũng bắt buộc phải dùng đến thiết bị thi công cơ giới chuyên dụng và một quá trình công nghệ thi công nhất định mới có thể thực hiện được Do đó, trong những điều kiện địa chất và điều kiện môi trường đã xác định, loại cọc được lựa chọn cần xem xét đã tận dụng năng lực thiết bị và kỹ thuật hiện có để đạt các mục tiêu về đường kính và độ sâu hay không, mặt khác điều kiện môi trường của hiện trường có cho phép công nghệ thi công ấy được tiến hành thuận lợi hay không, những vấn đề này đều phải được tính toán cho kỹ, nếu không thì loại cọc được lựa chọn sẽ không thể biến thành hiện thực được và cũng không hợp lý Ví dụ ở vùng Thượng Hải với cọc bê tông đúc sẵn dài trên 50

m, do trở lực khi hạ cọc vào đất rất lớn phải tăng lực va đập của búa, sẽ dẫn đến ứng suất kéo khi đánh búa vượt quá cường độ của bê tông nên bắt buộc phải dùng cọc

dự ứng lực, nếu không thì nhất thiết phải đổi thành loại cọc khác Ví dụ khác xung quanh vùng đất xây dựng công trình, nếu là gần đường phố hoặc công trình xây dựng khác, dưới mặt đường lại có nhiều đường ống đan xen, do đó, cọc đóng chấn động lớn, lại có nhiều ảnh hưởng về chèn đất và tiếng ồn nên thường là không cho phép thực hiện, chỉ có thể dùng loại cọc không chèn đất, không chấn động và ít tiếng ồn Vì vậy việc đưa thiết bị thi công đúng vào từng hạng mục công việc là rất quan trọng trong quá trình thi công

+ Cán bộ giám sát thi công lực lượng còn mỏng, kinh nghiệm ít không kiểm soát được hết các tình huống, khi có sự cố thì việc xử lý chậm trễ gây ảnh hưởng đến chất lượng công trình

1.4 Kết luận chương 1

Hiện nay nhân loại đang chứng kiến sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật và công nghệ Nhiều loại công nghệ mới ra đời và được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, trở thành động lực thúc đẩy sự phát triển kinh tế và xã hội của nhiều quốc gia Vào cuối thế kỷ XX, công nghệ xử lý nền đất yếu bằng móng cọc với các công nghệ thi công mới như khoan trộn sâu, khoan nhồi ra đời như một sự kết hợp hài hòa, nhuần nhuyễn giữa các giải pháp về kết cấu, vật liệu xây dựng và công nghệ thi công trong lĩnh vực thiết kế và thi công móng cọc Với hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và tiến độ thi công nhanh giá thành thấp, các công nghệ xử lý nền bằng móng cọc đã nhanh chóng được công nhận và áp dụng vào thực tiễn trên khắp thế giới Việt Nam đã xây dựng nhiều công trình Thủy lợi-Thủy điện, giao thông, xây dựng và công nghiệp có quy mô vừa và lớn Một trong nhiều công trình đó đã được

xử lý nền bằng móng cọc một cách có hiệu quả và kinh tế Hiện nay với trình độ kỹ thuật và điều kiện kinh tế cho phép, xu hướng xử lý nền bằng các loại móng cọc hiện đại cho các công trình xây dựng ngày càng nhiều, hàng loạt các công trình sử dụng công nghệ xử lý nền đất yếu bằng móng cọc đã và đang được triển khai như Cầu vượt Thanh Trì, hầm đường bộ Kim Liên; các cầu vượt trên đường cao tốc Láng Hoà Lạc thành phố Hà Nội, cống qua đê v.v Đó là một hướng đi đúng đắn nhằm đáp ứng yêu cầu đưa nước ta trở thành một nước công nghiệp vào năm 2020

Tuy nhiên đối với công nghệ xử lý nền bằng các loại móng cọc hiện đại ở nước

ta mới chỉ đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển Phần lớn là dựa vào kinh nghiệm thiết kế và thi công của nước ngoài, chưa có những tổng kết, đánh giá mang tính hệ thống đầy đủ, đặc biệt là đối với các công trình lớn phải có sự tham gia của các chuyên gia nước ngoài trong việc thiết kế thi công Chính vì vậy để áp dụng công nghệ xử lý nền bằng các loại cọc hiện đại vào Việt Nam một cách an toàn, nhanh chóng, rộng rãi và hiệu quả thì cần phải có những nghiên cứu sâu sắc, phù hợp với điều kiện tự nhiên và xã hội của Việt Nam

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG MÓNG CỌC 2.1 Đặc điểm của nền đất yếu

2.1.1 Khái niệm về đất yếu và nền đất yếu

a Khái niệm về đất yếu

Hiện nay có rất nhiều quan niệm về đất yếu, sau đây tác giả xin trình bày một số khái niệm hay được đề cập:

- Theo TCXD 245-2000, 22TCN 262-2000 thì đất yếu được định nghĩa và có

các đặc trưng như sau: Đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0.15daN/cmP

2 P) lực chống cắt nhỏ… Nếu không có biện pháp

xử lý đúng đắn thì sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được khi xây dựng công trình trên nền này

Đất yếu là đất do các vật liệu mới hình thành, có thể chia thành 3 loại: đất sét hoặc đất á sét bụi mềm, có hoặc không có chất hữu cơ; than bùn hoặc các loại đất rất nhiều hữu cơ và bùn Tất cả các loại đất này đều được bồi tụ theo các điều kiện thủy lực khác nhau như bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, ao hồ… Trong các loại này đất sét mềm bồi tụ ở bờ biển hoặc gần biển (đầm phá, tam giác châu; cửa sông…) tạo thành một họ đất phát triển nhất Ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng thường bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e ≥1,5, đất á sét bụi e ≥1, lực dính thoát nước CR u R ≥0,15daN/cmP

2 P, góc nội ma sát φR u R=0, độ sệt

+ Đất rất yếu: SR u R≤ 25 kPa hoặc N ≤ 2;

b Khái niệm về nền đất yếu

Nền đất yếu là phạm vi đất nền gồm các tầng đất yếu có khả năng chịu lực kém, nằm bên dưới móng công trình và chịu tác động của tải trọng công trình truyền xuống Xét về mặt cấu trúc, đất nền có thể là một hoặc nhiều lớp đất xen kẽ có khả năng chịu lực khác nhau Công trình trên nền đất yếu có độ lún lớn, dễ bị lún không đều, thời gian lún kéo dài Khối đất đắp, mái dốc hố đào và công trình xây dựng kém ổn định

Các loại nền đất yếu thường gặp:

+ Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp

+ Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn (<200 µm) ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực + Than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chata hữu cơ có ở các đầm lầy (Hàm lượng hữu cơ từ 20 – 80%) + Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy

+ Đất Bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc điểm độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập

2.1.2 Cơ sở lý thuyết

Các phương pháp xử lý nền bằng móng cọc khi xây dựng công trình trên nền đất yếu được xây dựng dựa chủ yếu vào các môn khoa học cơ bản, tài liệu có liên quan đến tính toán về móng cọc và công nghệ phần mềm Ngoài ra còn dựa vào các tài liệu thiết kế và thi công móng cọc của các công trình đã và đang thi công Cụ thể như sau:

- Các định luật cơ bản của cơ học đất

- Các tài liệu tính toán về các loại móng cọc

- Giáo trình thủy công, thi công, nền móng công trình, địa kỹ thuật

- Các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành có liên quan

- Tham khảo các công trình đã và đang thi công hiện nay

- Sử dụng các phầm mềm có liên quan

2.2 Những vấn đề chung trong công tác xử lý nền bằng móng cọc

Hiện nay, do khoa học công nghệ phát triển nên có rất nhiều phương pháp được

áp dụng vào việc xử lý nền đất yếu bằng móng cọc, tuỳ vào từng loại công trình (cấp công trình, địa hình, địa chất, mật độ dân cư, các công trình liền kề ) mà ta chọn phương pháp xử lý nền đất yếu bằng loại cọc nào cho thích hợp Sau đây là một số phương pháp chính:

- Xử lý nền bằng cọc gỗ

- Xử lý nền bằng cọc bê tông và bê tông cốt thép

- Xử lý nền bằng cọc thép

- Xử lý nền bằng cọc cát

- Xử lý nền bằng cọc xi măng đất (cọc trộn dưới sâu)

- Xử lý nền bằng cọc khoan nhồi

- Xử lý nền bằng cọc Barrette (tường liên tục trong đất)

- Một số phương pháp khác

2.3 Một số phương pháp xử lý nền đất yếu bằng móng cọc

Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu bằng móng cọc Ở đây tác giả xin đề cập đến một số phương pháp chính hay được sử dụng để thi công các công trình móng cọc ở Việt Nam

1 Xử lý nền bằng cọc gỗ

2 Xử lý nền bằng cọc cát

3 Xử lý nền bằng cọc nhồi

4 Xử lý nền bằng cọc xi măng đất (cọc trộn dưới sâu)

5 Xử lý nền bằng cọc bê tông và bê tông cốt thép

2.3.1 X ử lý nền bằng cọc gỗ

Trong phương pháp này người ta hay dùng hai loại vật liệu chủ yếu là cọc tre và cọc cừ tràm

2.3.1.1 X ử lý nền bằng cọc tre

a Giới thiệu chung

Đóng cọc tre là một phương pháp gia cố nền đất yếu hay dùng trong dân gian thường chỉ dùng dưới móng chịu tải trọng không lớn (móng nhà dân, móng dưới cống, trụ cầu ) Miền Nam thường dùng cọc cừ tràm thay cho cọc tre do nguyên liệu cừ tràm là sẵn có

Đóng cọc tre là để nâng cao độ chặt của đất, giảm hệ số rỗng dẫn đến nâng cao sức chịu tải của đất nền Chỉ được đóng cọc tre trong đất ngập nước để tre không bị mục nát, nếu đóng trong đất khô hoặc khô ướt thay đổi thì tre bị mục nát và làm đất

yếu đi

Không đóng cọc tre trong đất cát vì đất cát không giữ được nước, thường chỉ đóng cọc tre trong nền đất sét có nước Thông thường người ta đóng 16-25 cọc/mP

2 P

kế móng (hoặc có thể giả sử sức chịu tải đất nền sau khi đóng cọc)

Sau khi đóng cọc xong làm thí nghiệm lại để kiểm tra sức chịu tải của nền đất nếu không khác nhiều so với sức chịu tải giả thiết thì không cần sửa thiết kế (thực tế ít có thí nghiệm kiểm tra mà chủ yếu dựa vào kinh nghiệm)

c Yêu cầu cọc và phương pháp tính toán

Tre làm cọc phải là tre già trên 2 năm tuổi, thẳng và tươi, đường kính tối thiểu phải trên 6cm (thường từ 80 ÷100mm), không cong vênh quá 1cm/ 1md cọc Dùng tre đặc (hay dân gian hay gọi là tre đực) là tốt nhất Độ dày ống tre không nhỏ quá

10mm Khoảng cách giữa các mắt tre không nên quá 40cm

Đầu trên của cọc (luôn lấy về phía gốc) được cưa vuông góc với trục cọc và cách mắt tre 50mm, đầu dưới được vát nhọn trong phạm vi 200mm và cách mắt 200mm để làm mũi cọc

Chiều dài cọc: Cắt dài hơn chiều dài thiết kế 20-30cm

Số lượng cọc trên 1mP

ee.40000n

−

−

=

π (2-1)Trong đó:

n: Số lượng cọc

d: Đường kính cọc

eR 0 R: Độ rỗng tự nhiên

eR yc R: Độ rỗng yêu cầu

Từ công thức trên ta thấy:

- Đất yếu vừa có độ sệt IR L R = 0,55 ÷ 0,60; cường độ chịu tải thiên nhiên

RR 0 R=0,7÷0,9 kG/cmP

2

Pđóng 16 cọc cho 1mP

2 P

- Đất yếu có độ sệt IR L R = 0,7 ÷ 0,8; cường độ chịu tải thiên nhiên RR 0 R=0,5÷0,7 kg/cmP

2

Pđóng 25 cọc cho 1mP

2 P

- Đất yếu quá có độ sệt IR L R > 0,80; cường độ chịu tải thiên nhiên RR 0 R< 0,5 kg/cmP

2 Pkhông áp dụng được cho cọc tre

Theo 22TCN 262-2000 thì cọc tre đóng 25 cọc/1mP

2 P, cừ tràm 16 cọc/1mP

2 P

2.3.1.2 X ử lý nền bằng cọc cừ tràm

a Giới thiệu

Việc sử dụng cọc cừ tràm để gia xử lý nền đất yếu, trong thiết kế được coi là chưa chính tắc, nhưng không phải vậy mà không sử dụng đến, thực tế nó vẫn sử dụng tốt cho những nơi có điều kiện thích hợp Thường nó được sử dụng như một phương pháp xử lý nền đất yếu trong dân gian

Hình 2-1: Cọc cừ tràm dùng để xử lý nền

đất yếu Hình 2-2 nhà hát TP HCM hơn 100 năm vẫn tươi : Cọc cừ tràm được đào lên của

Việc sử dụng cừ tràm có thể mang lại một số hiệu quả đáng kể như:

- Tận dụng được vật liệu địa phương

- Thích hợp cho công trình xây chen

- Có đủ khả năng chịu tải trọng của công trình từ 3 đến 5 tầng

Đa phần thiết kế móng cọc tràm dựa chủ yếu vào kinh nghiệm chứ không có một tiêu chuẩn nào về nó, nên dù có khả thi thì hiếm có người thiết kế nào áp dụng biện pháp thi công cọc tràm (trừ các công trình nhà dân)

Hiện nay Nhà nước đã bỏ ra rất nhiều kinh phí cho các nhà khoa học trong nước nghiên cứu vấn đề này, hầu hết đều cố gắng tìm một lý thuyết nào đó hay một quan điểm để áp dụng cho việc tính toán này, cách đây vài năm có một hội thảo khoa học cấp bộ để đưa ra các tiêu chuẩn về cọc tràm nhưng tới giờ vẫn chưa được công bố Thậm chí còn dự định đưa thành tiêu chuẩn Thiết Kế và nghiệm thu móng cọc cừ tràm (đã có bản dự thảo do Phân viện KHXD Miền Nam (IBST) xây dựng trên cơ sở đề tài của GS-TSKH Hoàng Văn Tân) Nhưng nó chưa thể ban hành được vì nhiều vấn đề khó có thể tiêu chuẩn hóa được

Lịch sử: Cọc cừ tràm được người Pháp sử dụng cách đây trên 100 năm, (ví dụ

cọc cừ tràm được sử dụng để xử lý nền móng của nhà hát thành phố Hồ Chí Minh) Một thời gian rất dài khi mà cọc bê tông cốt thép chưa được sử dụng rộng rãi, những căn hộ (nhà dân) ở thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và miền Tây Nam Bộ

nói chung thường dùng cừ tràm như một giải pháp gia cố móng khi xây trên nền đất yếu Ví dụ chung cư Thanh Đa - Quận Bình Thạnh - Thành phố Hồ Chí Minh được xây dựng vào khoảng năm 1968 - 1972 việc xử lý nền móng đều dùng cừ tràm Thực tế đã chứng minh công trình vẫn tồn tại rất tốt dù kiến trúc không còn phù hợp hoặc phần kết cấu chính sắp sập đổ do sự hư hỏng theo thời gian Trong số đó có những căn hộ cấp 4, đến những chung cư 3 đến 6 tầng đang tồn tại đến nay là một minh chứng cho kinh nghiệm việc sử dụng cừ tràm như một giải pháp hiệu quả trong việc gia cố nền móng cho những công trình nhỏ, thấp tầng

b Phương pháp tính toán.

Có thể tham khảo công thức đối với cọc tre để tính số lượng cọc trên 1 mP

2

Pđược xác định theo công thức (2-1)

2.3.1.3 Đánh giá nhận xét về phương án

- Về lịch sử và quá trình phát triển đây là phương pháp ra đời sớm nhất trong

việc xử lý nền đất yếu bằng móng cọc

- Về phạm vi áp dụng:

Cọc tre thường được sử dụng để gia cố nền đất cho những công trình có tải trọng truyền xuống không lớn hoặc để gia cố cừ kè vách hố đào, chú ý là cọc chỉ được sử dụng ở những vùng đất luôn luôn ẩm ướt, ngập nước

Cọc cừ tràm nên sử dụng ở những vùng đất yếu, đất bùn, có sức chịu tải thấp, không nên lạm dụng quá phương pháp xử lý nền kiểu này

Cả hai loại cọc này có ưu điểm là tận dụng được vật liệu địa phương, biện pháp thi công đơn giản, thường được người dân sử dụng để xử lý nền khi làm nhà ở

- Phương pháp tính toán và biện pháp thi công: Phương pháp tính toán và biện pháp thi công đơn giản, giá thành thấp, tiến độ thi công nhanh

- Tổng quan chung về tình hình nghiên cứu

Khi xây dựng công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày lớn, thì nén chặt đất bằng cọc cát là một phương pháp đem lại hiệu quả cao cho công trình Khi chiều dày lớp đất yếu lớn hơn 2 m có thể dùng cọc cát để nén chặt đất trong nền

Phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát đối với đất rời để nhằm làm tăng sức chịu tải của nền lần đầu tiên được nhà bác học người Nga M X.Volkov đề nghị vào

năm 1840 và tiếp đó là giáo sư V I Kuryumov năm 1886 Kể từ đó đến nay, trải qua một thời gian dài hơn một thế kỷ, phương pháp này đã và đang được nghiên cứu, bổ sung và áp dụng cho nhiều công trình xây dựng ở khắp các nơi trên thế giới như: Liên Xô, Trung Quốc, Anh, Hà Lan, Mỹ và Nhật Bản, v.v

Sau đây là một số dự án lớn đã áp dụng thành công biện pháp xử lý nền bằng cọc cát tại Việt Nam từ năm 2006 đến nay:

+ Dự án chỉnh trị hạ lưu sông Tắc - Quán Trường - thuộc tỉnh Khánh Hoà + Dự án xử lý nền các nhà kho chứa sét của nhà máy xi măng Cái Lân - Thị xã Cẩm Phả - Tỉnh Quảng Ninh

+ Công trình xử lý nền đường cao tốc thành phố Hồ Chí Minh - Trung Lương đoạn nối từ Tân Tạo đi chợ Đệm (KM 0+800 đến KM8+200)

+ Tiêu biểu nhất là dự án mở rộng đường Láng - Hoà Lạc đoạn qua huyện Từ Liêm, Quốc Oai, Thạch Thất thành phố Hà Nội

+ Hiện nay hàng loạt các đường cao tốc liên tỉnh đang sử dụng rất thành công phương pháp này

Đối với đất yếu thì việc xử lý nền bằng cọc cát là một phương pháp đem lại hiệu quả cao, đặc biệt là đất yếu ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ, để phục vụ cho công tác xây dựng này, về mặt lý thuyết ngay từ những năm 1965 ở nước ta đã có những tác giả nghiên cứu về vấn đề này và đã đưa ra những kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng cao Căn cứ vào hai tác dụng chính của cọc cát là:

+ Tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền, do đó làm cho công trình xây dựng ở trên đó nhanh chóng đạt được sự ổn định về lún, cũng có nghĩa là làm cho nền đất có khả năng biến dạng đồng đều;

+ Làm tăng độ chặt của đất nền dẫn đến sức chịu tải của nền tăng lên đáng kể Khi nghiên cứu quá trình cố kết của nền đất, trong đó có dùng cọc cát ta phải giải bài toán cố kết thấm 3 chiều Ở nước ta, bài toán cố kết thấm đối xứng trục đã được Giáo sư Nguyễn Công Mẫn và Giáo sư Hoàng Văn Tân nghiên cứu, giải quyết

2.3.2.2 Khả năng ứng dụng cọc cát trong việc xử lý nền

Cọc cát là một giải pháp xử lý nền được áp dụng phổ biến đối với các trường

hợp công trình có tải trọng không lớn trên địa tầng có dạng cơ bản với chiều dầy lớp đất yếu tương đối lớn

Cọc cát có một số đặc điểm sau:

- Có tác dụng làm cho độ rỗng, độ ẩm của nền giảm đi, trọng lượng thể tích,

mô đun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên do vậy biến dạng của nền giảm và cường độ nền tăng

- Khi xử lý nền bằng cọc cát, nền đất được nén chặt lại, do đó sức chịu tải của nền được tăng lên, độ lún và biến dạng không đồng đều của nền đất dưới đế móng các công trình giảm đi một cách đáng kể

- Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời, đất được nén chặt đều trong khoảng cách giũa các cọc Với một số các đặc điểm kể trên nên tính chất làm việc của cọc cát khác với các loại cọc cứng mà chúng ta thường gặp như cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông, bê tông cốt thép, vv

Do vậy tính ưu việt của cọc cát được thể hiện qua các mặt sau:

- Khi dùng cọc cát, trị số mô đun biến dạng của cọc cát cũng như ở các vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên Tính chất này hoàn toàn không thể có được khi dùng các loại cọc cứng đối với nền trong đó dùng cọc cứng, mô dun biến dạng của vật liệu làm cọc cứng lớn hơn nhiều lần so với môdun biến dạng của đất xung quanh thân cọc (khoảng 1000 lần), do đó toàn bộ tải trọng của công trình do móng tiếp thu sẽ truyền lên các cọc, các lớp đất

ở dưới mũi cọc và xung quanh cọc Trong trường hợp này, đất ở giữa các cọc hầu như không tham gia chịu lực và độ lún của móng phụ thuộc vào tính nén của các lớp đất dưới mũi cọc

- Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Khi trong nền đất có cọc cát thì lúc này các cọc cát ngoài tác dụng nén chặt nền đất, còn làm việc như các giếng cát thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của

tải trọng ngoài, do đó cải thiện được tình hình thoát nước của nền đất, điều này là không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc là đối với nền có sử dụng các loại cọc cứng Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định

Tính ưu việt của cọc cát còn được thể hiện về mặt kinh tế, cụ thể là về vật liệu làm cọc Vật liệu cát dùng làm cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với các loại vật liệu làm các loại cọc cứng như: gỗ, thép, bê tông, bê tông cốt thép và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực

Về mặt thi công, cọc cát có phương pháp thi công tương đối đơn giản, không đòi hỏi những thiết bị phức tạp

Do những ưu điểm nêu trên nên có thể nói rằng giá thành xây dựng cọc cát thường

rẻ hơn so với một số các phương án cọc khác như gỗ, bê tông, bê tông cốt thép

Tuy nhiên, theo kinh nghiệm các nước phát triển và sự tích lũy từ các công trình đã xây dựng thì mặc dù số lượng cọc cát dùng có lớn hơn so với các loại cọc cứng (số lượng dùng lớn hơn khoảng 30%÷50%) nhưng giá thành lại rất rẻ So với cọc bê tông cốt thép, giá thành giảm khoảng 2 lần; so với cọc gỗ giá thành giảm khoảng 30%

Thông qua những kết quả nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực tế xây dựng, người ta thấy rằng cọc cát là phương pháp áp dụng thích hợp và đem lại hiệu quả nén chặt cho các lớp đất yếu có chiều dày lớn như các loại đất cát nhỏ, cát bụi rời ở trạng thái bão hoà nước, các đất cát có xen kẽ những lớp bùn mỏng, các loại đất dính yếu (sét, sét pha cát và cát pha sét) cũng như các loại đất bùn và than bùn

2.3.2.3 Giới thiệu phương pháp tính toán

Việc tính toán và thiết kế cọc cát là hết sức quan trọng, kích thước của cọc cát ảnh hưởng đến tính kinh tế và kỹ thuật của công trình Sau đây là trình tự tính toán và thiết kế cọc cát:

1 Xác định hệ số rỗng nén chặt εRncRcủa đất nền sau khi được nén chặt bằng cọc cát

Khi dùng cọc cát, nền đất sẽ được nén chặt lại, tuy nhiên đất không thể nén chặt đến độ chặt tuỳ ý Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, hệ số rỗng nén chặt

εR nc RP Pcủa đất cát sau khi được nén chặt bằng đất cát có thể lấy tương ứng với độ chặt

tương đối D vào khoảng 0,7 đến 0,8 và được xác định theo công thức sau:

εRncR = εRmaxR – D(εRmaxR - εRminR) (2-2)

hoặc là: εRncR = εRmaxR – (0,7 ÷ 0,8)( εRmaxR - εRminR) (2-3)

Trong đó εRmaxR, εRminR là hệ số rỗng của cát ở trạng thái rời nhất và chặt nhất, xác định bằng thí nghiệm

Với các loại đất sét, trị số εRncR có thể lấy tương ứng với trị số εRPR khi p = 1,0 kG/cmP

2

P dựa vào kết quả thí nghiệm nén mẫu đất lấy ở trạng thái thiên nhiên (dựa

vào biểu đồ đường cong nén quan hệ giữa hệ số rỗng ε và áp lực tác dụng lên mẫu

∆- Trọng lượng riêng của đất;

γRnR - Trọng lượng thể tích của nước;

WRLR - Độ ẩm giới hạn lăn;

Φ - Chỉ số dẻo

Cần chú ý rằng, sau khi dùng cọc cát nếu nền đất không thể nén chặt đến giới hạn độ chặt cần thiết theo tính toán bằng những công thức ở trên thì lúc đó việc áp dụng cọc cát sẽ không hợp lý

2 Xác định diện tích nền được nén chặt

Diện tích nền đất được nén chặt thường lấy diện tích lớn hơn diện tích đế móng để đảm bảo nền đất 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 (Hình 2-3) và diện tích FR nc R của nền đất được nén chặt Tính theo công thức sau:

Trong đó:

b - Chiều rộng đáy móng (m);

l - Chiều dài đáy móng (m)

−

=Ω

Khoảng cách giữa các cọc (L) có thể xác định bằng tính toán và dựa vào những

giả thiết cơ bản sau:

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

- Đất được nén chặt trong khoảng cách giữa các cọc

- Độ giảm thể tích của đất (thể tích lỗ rỗng) chính bằng thể tích cọc cát đưa vào

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

Xét một lăng thể đất có đáy là tam giác đều ABC như (hình 2-4), chiều cao là h (mang tính đại biểu) Với giả thiết lượng giảm nhỏ thể tích đất tỉ lệ thuận với lượng giảm nhỏ của hệ số rỗng trong đất, theo Cơ học đất ta có:

ε ∆+

∆V = ½ thể tích tiết diện một cọc = d h d h

8

.4

.2

3 2

L: khoảng cách giữa các cọc

d: đường kính cọc cát

Thay các đại lượng đã xác định vào công thức (2-7)ta được:

nc

d L

εε

Hoặc có thể viết công thức (2-8)dưới dạng sau đây:

γγ

W: Độ ẩm thiên nhiên của đất trước khi nén chặt;

γ: Trọng lượng thể tích của đất thiên nhiên trước khi được nén chặt

Từ công thức (2-9)có thể biến đổi viết dưới dạng đơn giản hơn:

v d L

−

=

1

1 952,

Hình 2-5: Biểu đồ xác định khoảng cách giữa các cọc cát

Ngoài ra có thể tính khoảng cách giữa các cọc cát L theo chỉ dẫn thiết kế cọc cát, đối với nền đất yếu bão hoà nước ở Liên Xô, khoảng cách giữa các cọc cát được xác định căn cứ vào chiều sâu nén chặt

Khi chiều sâu nén chặt HR nc R bằng chiều dày vùng chịu nén H của lớp đất, trị số L có thể xác định theo công thức sau:

d S

lượng cọc cát ta cũng dựa vào những giả thiết đã nêu ở trên và xét khối đất của toàn

Ta có:

∆V: Thể tích cọc cát đưa vào cho toàn bộ nền;

∆V = n.fRcR.h

Với:

n: Số lượng cọc cần tìm;

fRcR: Diện tích tiết diện một cọc

h: C hiều cao lăng trụ đất

V: Thể tích toàn bộ khối đất nền cần lèn chặt;

V = FRncR.h

FRncR: Diện tích mặt nền được nén chặt;

Thay các đại lượng đã xác định vào biểu thức (2-7)ta được:

c nc c

nc nc

f

F f

−

=

ε

εε

−

=

εR0R - Hệ số rỗng của đất thiên nhiên trước khi nén chặt bằng cọc cát

5 Xác định chiều sâu nén chặt của cọc cát (HRncR)

Chiều sâu nén chặt HR nc R của cọc cát có thể lấy bằng chiều sâu vùng chịu nén H

ở dưới đế móng Chiều sâu vùng chịu nén được xác định xuất phát từ điều kiện ứng suất nén ở độ sâu ấy nhỏ hơn một giới hạn nhất định Theo quy phạm Liên Xô

CHIп (Snhip) -Б.1-62 thì chiều sâu H của vùng chịu nén được xác định từ điều kiện sao cho ứng suất nén (ứng suất tăng thêm hay ứng suất gây lún) σR z Rở đáy không lớn hơn 0,2 lần áp lực của bản thân đất (ứng suất bản thân) σR z R*, tức là:

*

2,

0 z

Điều kiện (2-15)áp dụng cho các công trình dân dụng và công nghiệp

6 Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát

Sức chịu tải tính toán của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát có thể lấy lớn hơn từ hai đến ba lần sức chịu tải của nền đất thiên nhiên khi chưa gia cố Đối với nền đất sét hoặc đất bùn, theo kết quả thực nghiệm, sau khi nén chặt bằng cọc cát, sức chịu tải tính toán của nền đất có thể lấy trong phạm vi (2 ÷ 3) kG/cmP

2 P Muốn kiểm nghiệm lại sức chịu tải sau khi nén chặt, có thể tiến hành thí nghiệm tải trọng tĩnh ở hiện trường hoặc dùng công thức sau:

RR tc R = m [(Ab + Bh) γ + D.CR tc R] (2-16)

Khi áp dụng công thức (2-16)thì các chỉ tiêu tính toán như γ, φ, c v.v…có thể xác định qua một số lỗ khoan kiểm nghiệm tiến hành sau khi đóng cọc cát hoặc dùng các chuỳ khoan tiêu chuẩn

7 Kiểm tra độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát

Trị số độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát có thể tính toán theo công thức sau đây:

i i j

i i C

E h P S

0 1

β

∑

=

Trong đó:

j: Số lớp đất nằm trong chiều sâu chịu nén của nền đất;

PRiR: Ứng suất trung bình phụ thêm của lớp đất thứ i do tải trọng của công trình

truyền xuống (hình 2-6)

Hình 2-6: Sơ đồ tính toán độ lún của nền đất theo quy phạm.

hRiR: Chiều dày của lớp đất thứ i nằm trong vùng chịu nén của nền đất;

β: Hệ số không thứ nguyên để hiệu chỉnh cho sơ đồ tính toán đã đơn giản hoá,

lấy bằng 0,8 cho tất cả các loại đất

ER0iR: M ôđun biến dạng của lớp đất thứ i.

2.3.2.4 Đánh giá nhận xét về phương pháp

- Lịch sử và quá trình phát triển: Đây là phương pháp được sử dụng để xử lý nền đất yếu ra đời tương đối sớm, hiện nay nó phát triển khá mạnh trên toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng

- Phạm vi áp dụng: Áp dụng tốt nhất để xử lý nền các công trình có tải trọng không lớn, địa tầng có dạng cơ bản, chiều dầy lớp đất yếu lớn Hiện nay ở Việt Nam cọc cát thường được áp dụng nhiều nhất trong việc xử lý nền đường cao tốc

- Phương pháp tính toán: Hiện nay ở Việt Nam việc tính toán không gặp khó khăn gì lớn Hiện đã có khá đầy đủ tiêu chuẩn, quy phạm để áp dụng tính toán thiết

kế, quản lý thi công, giám sát và nghiệm thu cọc cát

- Biện pháp thi công: Cọc cát thi công rất đơn giản, quá trình thi công không gặp nhiều khó khăn, nên tiến độ thi công nhanh, giá thành rẻ

2.3.3 Xử lý nền bằng cọc khoan nhồi

2.3.3.1 Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi

- Định nghĩa:

Cọc khoan nhồi là một loại móng cọc thuộc loại móng sâu được thi công ngay tại hiện trường bằng cách đổ bê tông tươi vào hố (lỗ) khoan trước đó

- Lịch sử và các bước phát triển:

Lịch sử: So với các loại cọc khác cọc khoan nhồi có lịch sử tương đối mới Trên

thế giới cọc khoan nhồi đã được tiến hành thi công từ những năm 1908 ÷ 1920, cọc được khoan có đường kính nhỏ 0,3m; dài 6÷12m, được thi công bằng máy khoan lỗ chạy bằng hơi nước Cuối những năm 1940 ÷ 1950 công nghệ cọc khoan nhồi đã khá phát triển Người ta đã có thể làm cọc mở rộng chân và khoan phá đá, cũng như đã biết cách sử dụng dung dịch (bentonite) để giữ thành hố khoan Ở Việt Nam cọc nhồi hiện đại được giới thiệu vào những năm 1990, kích thước phổ biến của cọc nhồi ở Việt Nam là: đường kính (1÷2)m chiều sâu khoan nhồi 20÷70m

Mặc dù công nghệ thi công cọc nhồi đã rất phát triển, nhưng lý thuyết phân tích thiết kế (dự báo sức chịu tải và độ lún) lại chậm hơn Mãi đến năm 1960 ÷ 1970 những chương trình nén tĩnh quy mô lớn mới giúp hiểu rõ hơn sự làm việc của cọc nhồi

Các bước phát triển gần đây nhất:

Ban đầu cọc khoan nhồi được thi công bằng phương pháp khoan khác nhau như khoan gầu, khoan rửa ngược

Tiếp theo là cọc khoan nhồi mở rộng đáy: Đây là cọc khoan nhồi có đường kính đáy cọc được mở rộng lớn hơn đường kính thân cọc Sức mang tải của cọc này

sẽ tăng lên chừng 5÷10% do tăng sức mang tải dưới mũi

Sau đó đến cọc barrette: Là cọc nhồi nhưng có tiết diện không tròn với các tiết diện khác nhau như chữ nhật, chữ thập, chữ I, chữ H và được tạo lỗ bằng gầu ngoạm Sức mang tải của cọc này có thể tăng lên tới 30% do tăng sức mang tải bên Mới đây nhất có cọc khoan nhồi có xói rửa và bơm vữa xi măng gia cường đáy:

Là cọc khoan nhồi có áp dụng công nghệ rửa sạch đáy (bằng cách xói áp lực cao) và bơm vữa xi măng gia cường đáy (cùng với áp lực cao) Đây là bước phát triển mới nhất trong công nghệ thi công cọc nhồi nhằm làm tăng đột biến sức mang tải của cọc nhồi (có thể tới 200 ÷ 300%), cho phép sử dụng tối đa độ bền của bê tông cọc

- Phân loại cọc khoan nhồi

Thông thường người ta hay phân loại cọc khoan nhồi theo cách tạo lỗ khi thi công, sau đây là một số loại cọc khoan nhồi:

+ Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan guồng xoắn và hệ guồng xoắn (tạo cọc khoan nhồi, tường vây - Diaphragm wall)

+ Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan thùng đào (tạo cọc khoan nhồi)

+ Tạo lỗ cọc bằng thiết bị đào gầu tròn (tạo cọc nhồi tròn)

+ Tạo lỗ bằng thiết bị đào gầu dẹt cơ cấu thủy lực (tạo cọc barrette, tường vây - Diaphragm wall)

+ Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn

+ Tạo lỗ bằng phương pháp sói nước bơm phản tuần hoàn

+ Tạo lỗ cọc bằng cách đào thủ công

2.3.3.2 Phạm vi áp dụng

Cọc khoan nhồi hiện nay được ứng dụng khá phố biến ở Việt Nam, nó thường được sử dụng để gia cố nền đất yếu có chiều sâu và tải trọng công trình tương đối lớn, như các nhà cao tầng, khu chung cư, các trình công cộng có chiều cao và tải trọng lớn

2.3.3.3 Giới thiệu phương pháp tính toán

Hiện nay để tính toán cọc khoan nhồi người ta thường làm theo các bước sau:

1 Tính toán sức chịu tải của cọc chủ yếu vào địa chất của đất nền (phụ thuộc vào các lớp đất nền)

2 Tính toán sức kháng bên của cọc nhồi trong đất

3 Tính toán sức kháng mũi của cọc nhồi

4 Sức chịu tải kéo dọc trục của cọc nhồi

5 Tính toán độ lún dự kiến của cọc nhồi đơn

2.3.3.4 Cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ

Xuất phát từ tình thực tiễn tại Việt Nam, hiện nay hầu hết các công trình xử lý nền đất yếu có sử dụng phương pháp cọc khoan nhồi thì đều là cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ Vì vậy sau đây tác giả sẽ trình bày chi tiết về việc xử lý nền bằng cọc

khoan nhồi tiết diện nhỏ

1 Giới thiệu:

Cọc khoan nhồi tiết diện là một giải pháp móng có nhiều ưu điểm Căn cứ vào tài liệu khảo sát địa chất, người thiết kế có thể xác định được chiều sâu cọc sao cho sức chịu tải của đất nền tương đương với sức chịu tải do vật liệu làm cọc (PR vl R≈ PR đn R) Điều này với phương pháp cọc đóng, nén tĩnh hoặc ép neo không thực hiện được Đó là điều kiện đưa đến giải pháp nền móng hợp lý và kinh tế hơn

Trong khoảng thời gian gần đây xu hướng các nhà dân trên địa bàn Hà Nội thường sử dụng cọc khoan nhồi Mini BTCT cho nền móng Thường cọc khoan nhồi

bê tông cốt thép mini có Đường Kính từ 300÷600 mm Trên thực tế cọc khoan nhồi Mini BTCT sử dụng tốt nhất đối với những nhà cao tầng có diện tích > 70 mP

2 P

x 4 tầng Cọc khoan nhồi Mini BTCT có tiết diện cọc thường từ 300 ÷ 600 mm, chịu tải trọng lớn thường từ 30 ÷ 160 tấn trên một đầu cọc Về ưu điểm thì cọc khoan nhồi

Mini BTCT ổn định hơn ép cọc BTCT

2 Ưu điểm:

- Giá thành rẻ hơn các loại móng cọc bằng bê tông cốt thép khác nhờ vào khả năng chịu tải trên mỗi đầu cọc cao nên số lượng cọc trong móng giảm Thêm vào đó, phần đài cọc nhỏ gọn nên tránh hiện tượng đài consol (đài cọc chịu tải trọng lệch tâm) Tổng giá thành xây dựng của móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép chỉ tương đương với tổng giá thành của móng ép cọc bê tông cốt thép

- Thiết bị thi công nhỏ gọn nên có thể thi công trong điều kiện xây dựng chật hẹp Không gây bất kỳ ảnh hưởng nào đối với phần nền móng và kết cấu của các công trình kế cận

- Độ an toàn trong thiết kế và thi công cao Bê tông đổ liên tục từ đáy hố khoan lên trên nên tránh được tình trạng chắp nối giữa các cọc Nhờ tháp dẫn hướng, độ nghiêng lệch của cọc đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép

- Không có khớp nối như cọc ép, đảm bảo truyền tải trọng đúng tâm

- Có thể khoan xuyên tầng đất cứng Khi gặp chướng ngại vật hoặc tầng đất tốt giả định có thể khoan phá để xuống sâu hơn đến tầng đất chịu lực Xác định được địa