bài giảng xây dựng công trình trên nền đất yếu

Nền ñất yếu là nền ñất không ñủ ñộ bền và bị biến dạng rất lớn khi chịu tải trọng của công trình bên trên, do ñó không thể làm nền cho công trình xây dựng nếu không có các biện pháp xử l

TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT

MỤC LỤC

Trang

1.2.2 ðặc ñiểm của một số loại ñất yếu thường gặp 3

1.5 Các phương pháp thí nghiệm ñịa kỹ thuật ở hiện trường 12 1.6 Các vấn ñề ñặt ra khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu 13

Chương 2 Nghiên cứu về ổn ñịnh và lún của nền ñất yếu 14

2.3 Các giải pháp xây dựng công trình trên nền ñất yếu 16

Chương 3 Các giải pháp xử lý khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu 17 3.1 Các giải pháp kết cấu khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu 17

3.2 Các giải pháp xử lý móng khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu 25

3.3.6 Phương pháp gia cố nền bằng vải ñịa kỹ thuật 59 3.3.7 Phương pháp gia cố nền bằng cố kết hút chân không 62

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Khái niệm về ñất yếu và nền ñất yếu

ðất yếu là các loại ñất có lực dính nhỏ, góc ma sát trong nhỏ, gần như bão hòa hoàn toàn, hệ

số rỗng lớn, ñộ lún lớn, mô ñun biến dạng nhỏ ðất yếu bao gồm các loại ñất sét mềm bão hòa nước, các loại ñất cát hạt nhỏ-mịn, than bùn, các trầm tích bị mùm hóa…

Nền ñất yếu là nền ñất do nhiều lớp ñất yếu hoặc do nhiều lớp ñất tốt và lớp ñất yếu xen kẽ nhau tạo thành Nền ñất yếu phụ thuộc vào tải trọng công trình Khi xây dựng công trình mà nền ñất không thỏa mãn trạng thái giới hạn thứ nhất hoặc trạng thái giới hạn thứ hai thì gọi là nền ñất yếu của công trình

Nền ñất yếu là nền ñất không ñủ ñộ bền và bị biến dạng rất lớn khi chịu tải trọng của công trình bên trên, do ñó không thể làm nền cho công trình xây dựng nếu không có các biện pháp

xử lý thích hợp Hiện tại ở nước ta, việc xây dựng các công trình trên nền ñất yếu vẫn là một bài toán khó ñối với người xây dựng, nhiều vấn ñề phức tạp cần ñược nghiên cứu xử lý ñể

ñảm bảo sự ổn ñịnh và ñộ lún cho phép của công trình Tùy thuộc vào tính chất của các lớp ñất yếu, ñặc ñiểm cấu tạo của công trình mà người ta sử dụng các phương pháp xử lý nền

móng cho phù hợp ñể nhằm làm tăng sức chịu tải của nền ñất, giảm ñộ lún, ñảm bảo ñiều kiện làm việc 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 ñất yếu do không có những biện pháp xử lý phù hợp, không ñánh giá chính xác ñược các tính chất

cơ lý của nền ñất Do vậy việc ñánh giá chính xác và chặt chẽ các tính chất cơ lý của nền ñất yếu ñể làm cơ sở lựa chọn các giải pháp xử lý nền móng phù hợp là một vấn ñề hết sức khó khăn, nó ñòi hởi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế ñể giải quyết vấn ñề này nhằm giảm thiểu các sự cố của công trình khi xây dựng trên nền ñất yếu

1.1 ðặc ñiểm của một số loại ñất yếu

1.1.1 Nhận biết và phân loại

ðất yếu là loại ñất có sức chịu tải kém (< 0,5 ÷ 1,0 kG/cm2), dễ bị phá hoại, biến dạng dưới tác dụng của tải trọng công trình ðất yếu có thể ñược nhận biết dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của chúng như sau:

• Dựa vào chỉ tiêu vật lý, ñất ñược coi là yếu khi:

+ Dung trọng: γ≤ 1,7 T/m3

+ Hệ số rỗng: e ≥ 1

+ ðộ bão hòa: G ≥ 0,8

Chú ý: - ðất càng yếu thì dung trọng tự nhiên càng nhỏ do chứa nhiều nước hoặc bùn, hợp chất hữu cơ…

- Hệ số rỗng (e) là tỉ số giữa thể tích rỗng và thể tích hạt (Vr/Vh) Hệ số rỗng càng lớn thì ñất càng yếu

- ðộ ẩm (W) là tỉ số giữa trọng lượng nước và trọng lượng hạt ðộ ẩm càng lớn thì ñất càng chứa nhiều nước

- ðộ bão hòa (G) là tỉ lệ nước chiếm trong lỗ rỗng của ñất: G = V n /V r G = 1 gọi là ñất bão hòa, nước chiếm toàn bộ lỗ rỗng trong ñất

• Dựa vào các chỉ tiêu cơ học, ñất ñược coi là yếu khi:

+ Mô ñun biến dạng: Eo ≤ 50 kG/cm2

+ Hệ số nén lún: a ≥ 0,1 cm2/kG

+ Góc ma sát trong: φ≤ 10ο

+ Lực dính kết: c ≤ 0,1 kG/cm2

Chú ý: - Eo càng nhỏ thì ñộ lún của ñất càng lớn

- Hệ số nén lún a = (e 1 -e 2 )/(p 1 -p 2 ) với e 1 và e 2 là hệ số rỗng của ñất ứng với áp lực nén p 1 và p 2 Khi hệ

số nén lún a càng nhỏ thì ñất càng chặt hơn hay hệ số rỗng ít thay ñổi

Trong thực tế xây dựng, chúng ta thường gặp các loại nền ñất yếu chủ yếu sau:

• ðất sét yếu: gồm các loại ñất sét hoặc á sét tương ñối chặt, ở trạng thái bão hòa nước,

có cường ñộ chịu nén thấp

• ðất bùn: gồm các loại ñất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ở

trạng thái luôn no nước, hệ số ñộ rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực

• ðất than bùn: là loại ñất yếu có nguồn gốc hữu cơ, ñược hình thành do kết quả phân

hủy các chất hữu cơ có ở các ñầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20% ñến 80%)

• ðất cát yếu (cát chảy): gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt

hoặc pha loãng ñáng kể Loại ñất này khi chịu tải trọng ñộng thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy

• ðất bazan: là loại ñất yếu có ñộ rỗng lớn, dung trọng khô rất nhỏ, khả năng thấm nước

+ Kaolinit: có công thức hóa học là Al2O3.2SiO2.2H2O; ñược tạo thành do phong hóa ñá phun trào, ñá biến chất và ñá trầm tích trong ñiều kiện môi trường axit (pH = 5÷6) ðặc ñiểm của mạng tinh thể kaolinit là tương ñối bền, ổn ñịnh và trương nở ít

+ Mônmôrilônit: có công thức hóa học là (OH)4Si8Al4O20.nH2O; ñược thành tạo do phong hoá ñá macma giàu Mg và các biến ñổi thứ sinh khác; ñược tạo thành do phong hóa ñá phun trào kiềm trong ñiều kiện môi trường kiềm (pH = 7÷8,5)

Montmorilonit có mạng tinh thể kém bền vững và dễ sảy ra hiện tượng trương nở dưới ñáy móng khi có mặt loại sét này Loại này thường dễ gặp ở vùng ven biển

+ Illit: ðại biểu của nhóm ilit là hyñrômica (K,Al2[Al,Si3O10](OH)2) ñược tạo thành từ nhiều

ñiều kiện khác nhau nhưng chủ yếu là trong môi trường kiềm Loại này không có khả năng

trương nở hoặc trương nở rất ít

Liên kết cấu trúc của ñất sét:

Trong tự nhiên, ñất loại sét luôn tồn tại 3 dạng liên kết cấu trúc, ñó là: liên kết dạng chảy, liên kết dạng dẻo và liên kết dạng cứng (Hình 1.1)

Lực dính của ñất sét ñược chia thành 2 thành phần: lực dính mềm và lực dính cứng:

nghiệm như sau:

- Cắt mẫu nguyên dạng và mẫu chế bị ở cùng ñộ ẩm, ñộ chặt:

Từ kết quả thí nghiệm cắt, xây dựng ñược biểu ñồ như trên hình 1.2 Lực dính cứng khi ñó

ñược xác ñịnh như sau:

CC = CW - ∑W = Cnd - Ccb (1-2) Trong ñó: Cnd: lực dính theo kết quả cắt mẫu nguyên dạng

Ccb: lực dính theo kết quả cắt mẫu chế bị

Theo Maxlop thì lực dính cứng chỉ tồn tại ở ñất nguyên dạng cứng

+ Lần ñầu cắt mẫu nguyên dạng theo chiều từ trái sang phải

+ Cắt tiếp lần thứ 2 theo chiều ngược lại

+ Có thể cắt tiếp lần 3, 4… theo chiều ngược lại cho ñến khi biểu ñồ ổn ñịnh

- Phương pháp cắt theo ñộ ẩm:

Mẫu thí nghiệm ñược lấy với cùng một loại ñất nhưng có ñộ ẩm khác nhau

Bảng 1-1 Lực dính thành phần của các loại ñất sét

Lực dính thành phần Cấu trúc của ñất ðộ sệt B

Trong các phương pháp trên thì thực tế thường sử dụng phương pháp cắt theo bản phẳng vì thí nghiệm ñơn giản, trên cùng một mẫu và cho kết quả khá chính xác

Khi không có ñiều kiện tiến hành thí nghiệm, có thể tham khảo các số liệu trong bảng 1-1 ñể

sử dụng trong thiết kế

Hiện tượng hấp thụ: là khả năng hút nước từ môi trường xung quanh và giữ lại trên chúng

những vật chất khác nhau: cứng, lỏng và khí, những ion, phân tử và các hạt keo Sự hấp thụ của ñất sét có bản chất phức tạp và thường gồm một số quá trình xảy ra ñồng thời

Tính dẻo: là một trong những ñặc ñiểm quan trọng của ñất sét Tính chất này biểu thị sự lưu

ñộng của ñất sét ở một ñộ ẩm nào ñó khi chịu tác dụng của ngoại lực và chứng tỏ rằng về mức

ñộ biến dạng, ñất sét chiếm vị trí trung gian giữa thể cứng và thể lỏng hoặc chảy nhớt ðộ dẻo

phụ thuộc vào nhiều nhân tố: mức ñộ phân tán và thành phần khoáng vật của ñất, thành phần

và ñộ khoáng hoá của dung dịch nước làm bão hòa ñất

Gradien ban ñầu: ñất sét có ñặc tính thẩm thấu khác thường: chỉ cho nước thấm qua khi

gradien cột nước vượt quá một trị số nhất ñịnh nào ñó Trị số ñó gọi là gradien ban ñầu Gradien ban ñầu là ñộ chênh lệch tối thiểu nào ñó của áp lực cột nước, mà thấp hơn nó tốc ñộ thấm giảm xuống nhiều, rất bé và có thể coi như không thấm nước

ðặ c ñiểm biến dạng: biến dạng của ñất sét yếu do bản chất mối liên kết giữa các hạt của

chúng quyết ñịnh Có thể chia biến dạng của ñất sét yếu ra các loại sau ñây:

+ Biến dạng khôi phục: bao gồm biến dạng ñàn hồi và biến dạng cấu trúc hấp phụ

+ Biến dạng dư: chỉ gồm biến dạng cấu trúc

Biến dạng của ñất sét yếu là do sự phá hoại các mối liên kết cấu trúc và biến dạng các màng hấp phụ của nước liên kết gây nên Các loại biến dạng chủ yếu của ñất sét yếu là biến dạng cấu trúc và biến dạng cấu trúc hấp phụ

Tính chất lưu biến: ñất sét là một môi trường dẻo-nhớt Chúng có từ biến và có khả năng

thay ñổi ñộ bền khi tải trọng tác dụng lâu dài Khả năng này gọi là tính chất lưu biến

Hiện tượng dão trong ñất sét yếu liên quan ñến sự ép thoát nước tự do khi nén chặt Do vậy hiện tượng này liên quan ñến sự thay ñổi mật ñộ kết cấu của ñất do kết quả chuyển dịch các hạt và các khối lên nhau, cũng như những thay ñổi trong sự ñịnh hướng của các hạt và các khối ñó với phương tác dụng của tải trọng

ðặc ñiểm quan trọng nhất của cát là bị nén chặt nhanh, có ñộ thấm nước rất lớn Khi cát gồm

những hạt nhỏ, nhiều hữu cơ và bão hòa nước thì chúng trở thành cát chảy, hiện tượng này

ñôi khi rất nguy hiểm cho công trình và cho công tác thi công phần ngầm của công trình Cần

lưu ý hai hiện tượng nguy hiềm thường xảy ra ñối với ñất cát yếu là hiện tượng biến loãng và cát chảy

1.2.2.3 Bùn, than bùn và ñất than bùn

Bùn là những trầm tích hiện ñại, ñược thành tạo chủ yếu do kết quả tích lũy các vật liệu phân tán mịn bằng cơ học hoặc hoá học ở ñáy biển, ñáy hồ, bãi lầy… Bùn chỉ liên quan với các chỗ chứa nước, là các trầm tích mới lắng ñọng, no nước và rất yếu về mặt chịu lực Theo thành phần hạt, bùn có thể là cát pha sét, sét pha cát, sét và cũng có thể là cát, nhưng chỉ là cát hạt nhỏ trở xuống

ðộ bền của bùn rất nhỏ, vì vậy việc phân tích sức chống cắt thành lực ma sát và lực dính là

không hợp lý Sức chống cắt của bùn phụ thuộc vào tốc ñộ phát triển biến dạng Góc ma sát

có thể xấp xỉ bằng không Chỉ khi bùn mất nước, mới có thể cho góc ma sát Xây dựng các công trình trên bùn chỉ có thể thực hiện sau khi ñã tiến hành các biện pháp xử lý nền

Than bùn là ñất có nguồn gốc hữu cơ, thành tạo do kết quả phân hủy các di tích hữu cơ, chủ yếu là thực vật, tại các bãi lầy và những nơi bị hóa lầy ðất loại này chứa các hỗn hợp vật liệu sét và cát

Trong ñiều kiện thế nằm thiên nhiên, than bùn có ñộ ẩm cao 85 ÷ 95% hoặc cao hơn tùy theo thành phần khoáng vật, mức ñộ phân hủy, mức ñộ thoát nước…

Than bùn là loại ñất bị nén lún lâu dài, không ñều và mạnh nhất Không thể thí nghiệm nén than bùn với mẫu có chiều cao thông thường là 15 ÷ 20cm, mà phải từ 40 ÷50cm

Khi xây dựng ở những vùng ñất than bùn, cần áp dụng các biện pháp gia cố: làm ñai cốt thép, khe lún, cắt nhà thành từng ñoạn cứng riêng rẽ, ñóng cọc, ñào hoặc thay một phần than bùn

1.2.2.4 ðất ñắp

Loại ñất này ñược tạo nên do tác ñộng của con người ðặc ñiểm của ñất ñắp là phân bố ñứt

ñoạn và có thành phần không thuần nhất

Theo thành phần có thể chia thành 4 loại sau:

+ ðất gồm hỗn hợp các chất thải của sản xuất công nghiệp và xây dựng

+ ðất hỗn hợp các chất thải của sản xuất và rác thải sinh hoạt

+ ðất của các nền ñắp trên cạn và khu ñắp dưới nước (ñể tạo bãi)

+ ðất thải bên trong và bên ngoài các mỏ khoáng sản

Các loại ñất ñắp hầu hết ñều phải có biện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình

1.1.3 Cường ñộ chống cắt của ñất yếu

ðối với ñất, cường ñộ kháng cắt (chống trượt) là ñặc trưng cơ bản của ñộ bền Sự phá hoại

của một phân tố ựất này trên phân tố ựất kia theo một mặt phẳng mà trên ựó ứng suất tiếp vượt quá cường ựộ chống cắt của ựất Trong trường hợp cân bằng giới hạn của ựất, chúng ta có mối quan hệ giữa các thành phần ứng suất như sau:

c.cotg φ

Hình 1.3 điều kiện cân bằng giới hạn của Coulomb Hình 1.3 giới thiệu ựiều kiện cân bằng giới hạn của Coulomb thỏa mãn ựiều kiện ở trên đó là hai nửa ựường thẳng xuất phát từ ựiểm S của trục Oσ và tạo với trục này một góc φ, và cắt trục Oτ tại giá trị lực dắnh C Khi lực dắnh bằng không (ựất rời), các nửa ựường thẳng này ựi qua gốc tọa ựộ và khi ựó tiêu chuẩn bền là: τ =σtanφ

Nếu lực dắnh khác không thì ựất thuộc loại ựất dắnh và cường ựộ chống cắt của nó phụ thuộc vào lực dắnh và góc nội ma sát của nó Với loại ựất dắnh bão hòa nước, cường ựộ chống cắt

ựược biểu diễn bằng công thức sau:

ựo áp lực nước lỗ rỗng trong ựất sẽ ựược các giá trị cường ựộ chống cắt khác nhau

Thắ nghiệm không thoát nước - UU (Unconsolidated - Undrained triaxial compression test)

Thắ nghiệm này ựược thực hiện không ựo áp lực nước lỗ rỗng và ựược áp dụng với các mẫu

ựất bão hòa nước Do không biết áp lực nước lỗ rỗng nên cường ựộ chống cắt ựược biểu thị

theo các ứng suất tổng: τ =σtanφu +C u là ứng suất cắt trên mặt phá hoại lúc mẫu ựất bị trượt Ở ựây chúng ta có φu = 0 ựặc trưng cho các thắ nghiệm không thoát nước trên mẫu ựất bão hòa nước Như vậy, thắ nghiệm không thoát nước dẫn ựến việc xác ựịnh một lực dắnh biểu kiến Cu (Cundrained) Lực dắnh trong trường hợp này bằng một nửa lực dọc trục làm mẫu bị phá

Thí nghiệm không thoát nước sau khi cố kết - CU (Consolidated - Undrained triaxial compression test with measurement of pore pressure)

Trong thí nghiệm này mẫu ñất ñược cố kết dưới áp lực σr, sau khi cố kết xong (khi áp lực lỗ rỗng ñã biến mất) thì tiến hành ngay thí nghiệm cắt không thoát nước và kết hợp ño áp lực lỗ rỗng phát triển trong quá trình cắt này Cường ñộ chống cắt trong trường hợp này có thể tính theo ứng suất tổng hoặc theo ứng suất hữu hiệu:

Với ñất sét cố kết bình thường luôn có φcu' >φcu

, còn ñối với ñất sét quá cố kết thì φcu' có giá trị lớn hơn hoặc thấp hơn so với φcu nhưng C cu >C cu'

Thí nghiệm thoát nước - CD (Consolidated - Drained triaxial compression test with measurement of volume change)

Cũng giống như thí nghiệm cố kết không thoát nước (CU), khi làm thí nghiệm cố kết thoát nước (CD), các mẫu ñất phải ñược cố kết trước rồi sau ñó ñược cắt với tốc ñộ chậm sao cho không xuất hiện áp lực lỗ rỗng ở trong mẫu lúc bị phá hoại Như vậy, về nguyên tắc trong mọi thời ñiểm luôn có ứng suất tổng bằng ứng suất hữu hiệu:

' '

'

tan +C

=σ φ

τ hoặc τ =σ tanφd' +C d' hoặc τ =σ'tanφd +C d (1-8)

Từ ñây có thể tính lực dính và góc nội ma sát theo kết quả thí nghiệm thoát nước (ký hiệu d) Ngoài ra, trong thực tế xây dựng hiện nay, người ta còn xác ñịnh sức kháng cắt của ñất theo

ñộ ẩm - ñộ chặt của ñất: τ =σtanφw +C w

Trong ñó φw và C là góc ma sát trong và lực dính kết của ñất phụ thuộc vào ñộ lún w hay ñộ w

chặt của ñất (xác ñịnh theo hệ số rỗng e của ñất)

1.1.4 Các ñặc trưng nén lún trong phòng thí nghiệm

Khi nén ñất trong hộp cứng hoặc nén bằng tải trọng phân bố ñều trên một diện tích tương ñối lớn, ñất nền không có khả năng biến dạng theo phương ngang mà chỉ biến dạng theo phương thẳng ñứng, gọi là lún (Hình 1.4) Trường hợp nén ñất như thế này gọi là nén lún hoặc nén ép Trong nén lún, biến dạng xảy ra do sự giảm thể tích lỗ rỗng của ñất (nén chặt)

Hình 1.5 là ñường cong nén lún ñối với mẫu ñất nguyên dạng (a) và ñối với mẫu ñất có kết cấu bị phá hoại (b) Với kết cấu không bị phá hoại, nhánh nén lúc ñầu có dạng ñường thẳng (khi tải trọng nén chưa vượt quá ñộ bền kết cấu của ñất σc) sau ñó là ñường cong ðiều này chứng tỏ sự nén chặt của ñất chỉ bắt ñầu phát triển khi tải trọng nén lún lớn hơn σc Biến dạng của mẫu ñất khi tải trọng nhỏ hơn σc là biến dạng ñàn hồi

2 1

Trong ñó: e1 là hệ số rỗng của ñất ứng với áp lực ban ñầu σ1

e2 là hệ số rỗng của ñất sau khi tăng áp lực lên σ2

luật nén ép của ñất Hệ số a là một trong những ñặc trưng nén ép quan trọng, biểu thị ñịnh lượng tính nén ép của ñất

o z

z x y

o y

z y x

o x

E E E

σ σ ν σ ε

σ σ ν σ ε

σ σ ν σ ε

111

Trong ñó: Eo là mô ñun biến dạng của ñất, daN/cm2; ν là hệ số Poisson của ñất

Khi nén ñất trong ñiều kiện không nở hông, áp lực ngang q sẽ tăng dần theo sự tăng của áp lực thẳng ñứng σ Tỉ số q/σ gọi là hệ số áp lực hông, ký hiệu là λ Khi nén ñất trong ñiều kiện không nở hông thì:

λσσ

σσσε

z y

ε

1

21

−

−

=1

21

2 hoặc

λ

λλ

)21)(

1(

(1-17)

Hệ số nở hông (ν) và hệ số áp lực hông (λ) có mối quan hệ:

λ

λνν

νλ

1.1.5 Các phương pháp thí nghiệm ñịa kỹ thuật ở hiện trường

Thí nghiệm xuyên tĩnh có thể ñược thực hiện ñể làm rõ tính ñồng nhất của ñịa tầng, ñặc tính

biến dạng và sức chịu tải của ñất nền, dự tính sức chịu tải của cọc ñơn.v.v Thí nghiệm ñược thực hiện trong các lớp ñất dính và ñất rời không chứa cuội sỏi Mục ñích của thí nghiệm này

là cung cấp thêm các thông tin ñể thiết kế và thi công các phần ngầm có ñộ sâu không lớn

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT là thí nghiệm xuyên ñộng ñược thực hiện trong hố khoan,

ñược dùng làm cơ sở ñể phân chia các lớp ñất ñá, xác ñịnh ñộ chặt của ñất loại cát, trạng thái

của ñất loại sét, xác ñịnh vị trí lớp ñất ñặt mũi cọc, tính toán khả năng chịu tải của cọc, cũng như thiết kế móng nông… Thí nghiệm này còn ñược dùng ñể xác ñịnh chiều sâu dừng khảo sát, ñánh giá khả năng hoá lỏng của ñất loại cát bão hoà nước

Thí nghiệm cắt cánh ñược thực hiện trong các lớp ñất có trạng thái từ dẻo mềm ñến chảy, trong

hố khoan ñể xác ñịnh sức kháng cắt không thoát nước của ñất, cung cấp thêm các thông tin cho việc thiết kế và thi công các công trình ngầm có ñộ sâu không lớn

Thí nghiệm nén ngang trong hố khoan ñược sử dụng cho các lớp ñất rời và ñất dính và thực

hiện ñược ở các ñộ sâu khác nhau ñể xác ñịnh ñặc tính biến dạng và mô ñun biến dạng ngang của ñất ñá

Thí nghiệm ép nước trong hố khoan ñược dùng ñể xác ñịnh tính thấm nước, khả năng hấp thụ

nước của ñá gốc nứt nẻ Bản chất của phương pháp thí nghiệm là cách ly từng ñoạn hố khoan bằng các nút chuyên môn, sau ñó ép nước vào các ñoạn ñất ñá cách ly với các chế ñộ áp lực

ñịnh trước

Thí nghiệm hút nước từ hố khoan nhằm xác ñịnh lưu lượng, hệ số thấm, kể cả của ñất ở

thành hố móng, ñộ dốc thuỷ lực và khả năng có thể sinh ra áp lực thuỷ ñộng… phục vụ cho công tác thiết kế chống giữ và chống thấm cho thành và ñáy hố móng, công tác thiết kế thi công hạ mực nước ngầm

Quan trắc nước ñể xác ñịnh chế ñộ biến ñổi mực nước dưới ñất trong khu vực khảo sát Chế

ñộ nước trong ñất ñược ño bằng hai loại thí nghiệm:

- ðo mực nước tĩnh (ống standpipe): chiều sâu ñặt ống < 15m nhằm cung cấp các thông tin về chế ñộ nước mặt Ống ño nước cho phép thấm vào bên trong trên toàn bộ chiều dài Các kết quả ño ñược sử dụng cho việc thiết kế thi công hố ñào, tường tầng hầm , ñề xuất biện pháp làm khô ñáy móng cho việc thi công

- ðo áp lực nước theo ñộ sâu (ống piezometer): ñộ sâu ñặt ñầu ño phụ thuộc vào cấu tạo ñịa tầng và vị trí tầng chứa nước Các kết quả ño ñược sử dụng cho việc thiết kế thi công cọc

nhồi, tường trong ñất, các giải pháp thi công theo công nghệ ướt (chọn công nghệ thi công thích hợp)

Thí nghiệm xác ñịnh ñiện trở của ñất: ñược thực hiện trong lòng hố khoan theo ñộ sâu ñể

cung cấp các thông số thiết kế chống sét và tiếp ñất

Trong một số trường hợp cần xác ñịnh tầng hoặc túi chứa khí trong ñất có khả năng gây nhiễm ñộc hoặc cháy nổ khi khoan cọc nhồi hoặc ñào hố móng sâu

Khi khảo sát phục vụ cho thiết kế kỹ thuật và lập bản vẽ thi công móng cọc, tiến hành công tác thí nghiệm nén tĩnh ñể xác ñịnh sức chịu tải của cọc ñơn và các phương pháp khác ñể kiểm tra chất lượng cây cọc Khối lượng và các yêu cầu kỹ thuật phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn hiện hành có liên quan

1.2 Các vấn ñề ñặt ra khi xây dựng trên nền ñất yếu

ðể công trình có thể tồn tại lâu dài, ñảm bảo an toàn cho người sử dụng, bên cạnh những yếu

tố quan trọng về kĩ thuật thi công, vật liệu, …thì chất lượng ñất cũng là một yếu tố quyết ñịnh Nền ñất vững mới có thể giúp công trình tồn tại vững chãi với thời gian, chịu ñược thiên tai Khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu thì vấn ñề lún là nguyên nhân chính gây ra các hậu quả về sự cố của công trình Lún là công trình bị chuyển vị thẳng ñứng từ trên xuống dưới của

ñất nền, kéo theo móng và cả bản thân công trình Lún xảy ra do sự nén chặt của ñất nền dưới

tác dụng của trọng lượng toàn bộ công trình Lún lệch hay còn gọi lún tương ñối là chuyển vị thẳng ñứng không ñều dẫn ñến chuyển vị ngang gây nghiêng nhà Nói chung tất cả các công trình xây dựng ñều bị lún, miễn trong giới hạn

Có nhiều nguyên nhân gây lún, trong ñó có 2 nguyên nhân chính thông thường nhất:

• Do công trình ñược ñặt trên nền ñất có sự chênh lệch về ñịa tầng làm cho khả năng chịu lực của 2 miền này khác nhau, có nghĩa là gây ra ñộ lún khác nhau, dẫn ñến có thể gây nứt hoặc xé tường

• Do công trình có 2 khối khác nhau rõ rệt về trọng lượng, trường hợp này cũng gây lún lệch ðể giải quyết vấn ñề này người ta cắt khe lún ñể giảm bớt ảnh hưởng lún của phần này ñến phần kia

Vì vậy khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu cần phải có các giải pháp xử lý nền ñất phù hợp ñể nhằm làm tăng khả năng làm việc của ñất nền cũng như của công trình xây dựng, ñảm bảo cho công trình làm việc an toàn, hiệu quả

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ðỊNH VÀ LÚN CỦA NỀN ðẤT YẾU

2.1 Ổn ñịnh của nền

Ổn ñịnh (ñộ bền) của nền ñất là khả năng chịu tải mà không bị phá hoại của nền ñất khi chịu

tác dụng của tải trọng bản thân nền ñất và các tải trọng ngoài ðộ bền của ñất tại một ñiểm phân bố bất kỳ trong nền ñất ñược xác ñịnh bằng ñại lượng sức chống cắt của ñất theo biểu thức sau:

w w

w =σ φ +C

Trong ñó: σ là ứng suất pháp do tải trọng bản thân của ñất và tải trọng ngoài gây ra

φw và Cw là góc nội ma sát và lực dính của ñất phụ thuộc vào thành phần, trạng thái và ñặc biệt là ñộ chặt và ñộ ẩm của ñất (w)

Như vậy ñộ bền của ñất ñược tạo bởi lực ma sát (σtanφw) và lực dính (Cw) của ñất ðất có góc nội ma sát là lực dính càng lớn thì ñộ bền và khả năng chịu tải của nó càng lớn và ngược lại Theo Terzaghi, sức chống cắt của ñất dính bão hòa nước hoàn toàn trong quá trình cố kết

ñược xác ñịnh theo biều thức sau:

' 'tan)

ðộ ổn ñịnh của ñất trên một diện nào ñó phụ thuộc vào tương quan giữa sức chống cắt của ñất

(τfw) và ứng lực cắt do tải trọng gây ra (τ) Tuy nhiên, không phải là trên mặt cắt nào có τmaxthì ñó là mặt cắt nguy hiểm nhất Tại mặt cắt có τ = τfw thì ñó là mặt nguy hiểm nhất của ñiểm phân tố Từ ñó ñộ ổn ñịnh của ñất tại một ñiểm phân tố ñược ñánh giá theo ñiều kiện sau:

θmax < φw: ñiểm ñang xét ở trạng thái ổn ñịnh

θmax = φw: ñiểm ñang xét ở trạng thái cân bằng giới hạn

θmax > φw: ñiểm ñang xét ở trạng thái mất ổn ñịnh (bị phá hoại)

Trong ñó θmax ñược xác ñịnh theo biểu thức sau:

w w C

γ σ σ

σ σ θ

tan22

sin

2 1

2 1 max

+++

2.2 Biến dạng của nền ñất yếu

Biến dạng của nền ñất thường ñược xem xét chủ yếu là các biến dạng theo phương thẳng

ñứng hay còn gọi là ñộ lún khi chịu tải trọng ðộ lún của ñất dưới tác dụng của tải trọng do

các loại biến dạng chủ yếu sau ñây gây ra:

+ Biến dạng do nén chặt: do các hạt rắn dịch chuyển lại gần nhau dưới tác dụng của các ứng

suất pháp tuyến, cho nên biến dạng nén chặt là loại biến dạng làm thu hẹp các lỗ rỗng trong

ñất, làm giảm thể tích của ñất Thông thường, biến dạng nén chặt ñóng vai trò chủ yếu nhất so

với các loại biến dạng khác ở trong ñất, nó làm tăng góc nội ma sát và lực dính của ñất, do ñó làm tăng ñộ bền, sức chịu tải và ổn ñịnh của ñất ðối với ñất sét bão hòa nước, biến dạng nén chặt có thể kéo dài hàng trăm năm trong sự phụ thuộc vào tốc ñộ ép ñẩy nước ra khỏi ñất Khả năng phục hồi biến dạng nén chặt (khi dỡ tải) rất nhỏ và gradien thấm thoát ban ñầu của ñất

ñã tăng cao do nén chặt ñất

+ Biến dạng ñàn hồi: do ñộ ñàn hồi của tập hợp kết cấu hạt rắn, của các loại nước và khí

trong ñất Biến dạng ñàn hồi thường xảy ra trong giây lát khi có tác dụng của tải trọng và có khả năng phục hồi hoàn toàn nếu như ñộ chặt của ñất không ñổi Trong thực tế, khi ñất chưa

ñạt tới ñộ chặt - ñộ ẩm tốt nhất, dưới tác dụng của tải trọng, biến dạng ñàn hồi thường xảy ra

kèm theo biến dạng nén chặt Biến dạng ñàn hồi của ñất thường có trị số rất nhỏ so với biến dạng nén chặt

+ Biến dạng từ biến: ở ñây sẽ xem xét ñến biến dạng từ biến tạo ra nén lún trong ñất trong

giai ñoạn cố kết thứ 2 của ñất Trong giai ñoạn này quá trình ép ñẩy nước ra khỏi ñất ñã ngưng lại do tương quan giữa gradien nén và gradien ban ñầu trong ñất Trong trường hợp này, biến dạng từ biến nén lún của ñất xảy ra dưới tác dụng của tải trọng bản thân ñất và tải trọng ngoài chủ yếu là do sự tăng cao ñộ chặt của các màng nước liên kết xung quanh các hạt rắn, do ñó làm tăng cao theo thời gian ñộ nhớt (η) của ñất ðể ñơn giản việc tính toán và cũng

là phù hợp với yêu cầu thực tế xây dựng hiện nay, chúng ta sẽ xét ñến loại biến dạng từ biến nén lún tuyến tính tuân theo quy luật từ biến tuyến tính:

Ngoài ra biến dạng từ biến nén lún của ñất còn do sự hóa già của các màng keo trong ñất Biến dạng từ biến của ñất thường xảy ra trong thời gian khá dài, hàng chục năm ñến hàng trăm năm như ở nền của tháp Pisa (Ý), lâu ñài Lubec (ðức) Trị số biến dạng lưu biến ở nền của hai công trình này tương ứng ñạt tới 300cm và 100cm

Trong ba loại biến dạng nêu trên, ñáng kể là biến dạng nén chặt và biến dạng từ biến Ngoài

ra còn có các loại biến dạng tức thời và biến dạng dẻo, nhưng các loại biến dạng này thường ít

ñược xét ñến trong thực tế Tính toán biến dạng của nền ñất yếu là kiểm tra ñiều kiện làm việc

của nó theo trạng thái giới hạn thứ hai

2.3 Các giải pháp xây dựng công trình trên nền ñất yếu

Với các ñặc ñiểm của ñất yếu như ñã ñược trình bày ở các phần trước, muốn xây dựng công trình trên nền ñất này thì phải có các biện pháp kỹ thuật ñể cải tạo tính chất của nền ñất trước khi tiến hành xây dựng công trình Nền ñất sau khi xử lý, cải tạo ñược gọi là nền ñất nhân tạo Việc xử lý khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu phụ thuộc vào nhiều ñiều kiện như: ñặc

ñiểm công trình, ñặc ñiểm của nền ñất… Trong từng ñiều kiện cụ thể mà người thiết kế ñưa

ra các biện pháp xử lý thích hợp Hiện nay ñể xử lý nền ñất yếu phục vụ cho việc xây dựng các công trình, thường có các nhóm giải pháp như sau:

• Các giải pháp xử lý về kết cấu công trình: chọn kiểu kết cấu ít nhạy lún, làm khe lún,

làm giằng bê tông cốt thép; dự trữ ñộ cao bằng ñộ lún dự kiến của công trình Lựa chọn ñộ sâu chôn móng và kích thước móng hợp lý, sử dụng vật liệu, các lớp cách nước ngăn ngừa nước dâng mao dẫn theo các khe hở trong ñất

• Các giải pháp xử lý về móng công trình: ñể cải thiện thành phần, trạng thái của ñất,

từ ñó làm cho các tính chất cơ học, vật lý của ñất nền ñáp ứng ñược yêu cầu trong xây dựng ðể làm tăng ñộ bền và làm giảm ñộ nén lún của ñất, có thể chọn những giải pháp làm giảm ñộ rỗng hoặc tăng lực dính Trong một số trường hợp khác, mục ñích của gia cố là làm cho ñất ñá từ chỗ thấm nước trở thành cách nước

• Các giải pháp xử lý về nền công trình: Lựa chọn các giải pháp về móng cho phù hợp

như : móng ñơn, móng băng (1 hoặc 2 phương), móng bè, móng cọc, … tùy theo tải trọng tác dụng và ñặc ñiểm của công trình, từng loại ñất cụ thể

Chi tiết từng nhóm giải pháp sẽ ñược trình bày chi tiết trong chương tiếp theo

CHƯƠNG 3 CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN KHI XÂY DỰNG

TRÊN NỀN ðẤT YẾU

3.1 Các giải pháp kết cấu khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu

Kết cấu công trình có thể bị phá hỏng cục bộ hoặc toàn bộ do các ñiều kiện biến dạng không thỏa mãn như: lún hoặc lún lệch quá lớn làm cho công trình bị nghiêng, lệch, ñổ…hoặc do áp lực tác dụng lên mặt nền quá lớn trong khi nền ñất yếu, sức chịu tải bé Các biện pháp về kết cấu công trình nhằm làm giảm áp lực tác dụng lên mặt nền hặc làm tăng khả năng chịu lực của kết cấu công trình

3.1.1 Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ

Có thể sử dụng các loại vật liệu nhẹ, kết cấu thanh, mảnh nhưng vẫn ñảm bảo cường ñộ công trình ñể làm giảm trọng lượng bản thân công trình, giảm ñược tĩnh tải tác dụng lên móng

3.1.2 Lựa chọn sơ ñồ kết cấu hợp lý

Khi thiết kế các công trình trên nền ñất yếu, cần phải nắm ñược các hình thức kết cấu chịu lực phần trên công trình cũng như tính nhạy của nó ñối với ñộ lún của nền ñất ðộ nhạy lún của công trình chủ yếu phụ thuộc vào ñộ cứng Tùy theo ñộ cứng có thể phân loại kết cấu thành 3 loại như sau:

+ Loại kết cấu tuyệt ñối cứng: như ống khói, tháp nước, kết cấu khung nhiều tầng trên bản

móng liên tục, mố cầu… Loại kết cấu này có ñộ cứng không gian rất lớn do vậy công trình không bị uốn, chỉ có khả năng lún ñều hoặc nghiêng

ðối với kết cấu này, tính nhạy lún kém, không yêu cầu những biện pháp xử lý về phương diện

kết cấu Trong trường hợp này, chỉ cần giảm bớt ñộ nghiêng nếu có của công trình

+ Loại kết cấu mềm: như bản ñáy móng của các bể chứa, cống, âu thuyền và những cấu kiện

ñộc lập khớp như cột trên móng ñơn liên kết tự do với dàn hoặc dầm ngang…

Các công trình thuộc loại này có thể bị uốn cong cùng cấp với khả năng biến dạng của ñất nền, do ñó không gây nên những nội lực phụ trong kết cấu và không ảnh hưởng ñến việc sử dụng công trình ðặc ñiểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún kém khi nền ñất biến dạng không ñều

+ Loại kết cấu có ñộ cứng giới hạn: như các khung siêu tĩnh trên các móng ñơn, dầm liên

tục nhiều nhịp, vòm không khớp…Các công trình thuộc loại này thường hay gặp trong thực tế xây dựng

Khi nền ñất có biến dạng không ñều, ñồng thời dưới ñế móng có sự phân bố lại ứng suất tiếp xúc thì trong kết cấu móng và kết cấu chịu lực sẽ xuất hiện nội lực phụ cục bộ Nếu kết cấu không có khả năng tiếp thu nội lực phụ thì ở các tiết diện yếu sẽ có vết nứt Ở những tiết diện này, ñộ cứng của kết cấu giảm ñáng kể ðặc ñiểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún lớn

do ñó cần có những biện pháp xử lý thích hợp

Các giải pháp làm giảm ñộ lún không ñều của nền ñất:

● Bố trí khe lún: là một trong những biện pháp rất có hiệu quả khi xây dựng những công

trình có tải trọng khác nhau trên nền ñất có tính nén lớn và tính nén không ñều Khe lún phải

ñược bố trí sao cho bảo ñảm cho những bộ phận của công trình có khả năng làm việc ñộc lập,

có ñủ cường ñộ và ñộ cứng khi chịu lực, không gây ra những vết nứt khi nền ñất có biến dạng lớn và biến dạng không ñều

Vị trí ñặt khe lún phải căn cứ vào sự phân bố các lớp ñất dưới ñế móng và hình thức kết cấu của công trình Hình 3.1 giới thiệu một số cách bố trí khe lún cho công trình khi gặp nền ñất yếu hoặc công trình có chiều dài lớn

Lớp ñất yếu Lớp ñất tốt

Khe lún

Lớp ñất yếu Lớp ñất tốt

Khe lún

Hình 3.1 Sơ ñồ bố trí khe lún Chiều rộng khe lún tùy thuộc vào tính chất biến dạng của công trình và sự phân bố lớp ñất yếu dưới ñế móng Chiều rộng tối thiểu của khe lún có thể tính theo công thức sau ñây:

)tan.(tan

Trong thực tế khe lún thường ñược chọn trong khoảng từ 2 ñến 3cm

Trong nhiều trường hợp, khe lún ñược kết hợp với khe co dãn Tuy nhiên, khe lún cũng gây nhiều khó khăn phức tạp trong công tác thi công và sử dụng công trình, gây tốn kém thêm tường, móng ngang Vì vậy, chỉ nên làm khe lún trong những trường hợp thật cần thiết như: + ðất nền có tính nén lún lớn

+ Công trình có hình dạng phức tạp, tải trọng, chiều cao tầng chênh lệch lớn

+ Công trình quá dài và có khả năng xảy ra lún không ñều (thường khi công trình có chiều dài trên 60m)

Lưu ý rằng các tiêu chuẩn thiết kế nền móng và bê tông cố thép hiện hành ñều không quy

ñịnh khoảng cách giữa các khe lún hoặc chiều dài của khối công trình Người thiết kế có thể

xem xét, quyết ñịnh tùy thuộc vào ñộ lún tổng cộng và ñộ lún lệch của các móng, loại móng

và nền ñất vị trí xây dựng công trình

● Thay ñổi kích thước, ñộ sâu móng: sử dụng khi nền ñất có chiều dày các lớp khác nhau,

không ñồng nhất Biện pháp này nhằm mục ñích làm cho chiều dày vùng chịu nén của lớp ñất dưới ñế móng như nhau Có thể thiết kế ñáy móng có chiều rộng thay ñổi làm cho biểu ñồ phân bố ứng suất dưới ñáy móng có giá trị khác nhau tại các ñiểm dưới ñế móng Hình 3.2 thể hiện cấu tạo móng có chiều sâu khác nhau Hình 3.3 mô tả ñế móng có chiều rộng thay ñổi

Lớp ñất yếu Lớp ñất tốt

Hình 3.2 Cấu tạo móng có chiều sâu khác nhau

Lớp ñất yếu Lớp ñất tốt

Hình 3.3 Cấu tạo móng có chiều rộng khác nhau

Dùng móng băng, móng băng giao thoa, móng bè, móng cọc… tùy theo tình hình thực tế của công trình Nếu chiều dày lớp ñất yếu không lớn lắm có thể dùng lớp ñệm cát hoặc ñệm các vật liệu khác ñể thay thế Khi chiều dày lớp ñất yếu lớn, ñể giảm bớt ñộ lún và khả năng lún không ñều, có thể xử lý bằng móng cọc hay các phương pháp gia cố nhân tạo như cọc cát, giếng cát…Trên hình 3.4 thể hiện những loại móng khác nhau ñược sử dụng cho công trình trên nền ñất yếu

3.1.3 Thiết kế giằng móng và giằng tường

Giằng móng và giằng tường có tác dụng:

+ Tiếp thu nội lực kéo xuất hiện khi lún không ñều

+ Làm tăng thêm cường ñộ và ñộ cứng không gian của kết cấu

Thiết kế giằng móng và giằng tường bao gồm các công việc:

+ Xác ñịnh vị trí của các giằng trong tường và móng

+ Tính toán lượng cốt thép cần thiết trong giằng

Vị trí của các giằng phụ thuộc vào tính chất biến dạng của công trình (công trình có thể bị vồng lên hoặc võng xuống):

+ Bố trí ở phía trên hoặc phía dưới của tường

+ Giằng tường có thể bố trí ở cao trình ngăn giữa các tầng nhà, lanh tô cửa sổ…

ðể ñảm bảo ñộ cứng không gian, giằng nên ñược bố trí liên tục trên suốt các tường hoặc phần

móng bên dưới ñể tạo thành khung kín không gian

Kích thước và số lượng giằng có thể xác ñịnh dựa vào tính chất không ñồng ñều của nền ñất

và ñặc tính làm việc của kết cấu công trình:

+ Khi cốt thép bố trí 1 hàng, chiều dày giằng không nhỏ hơn 75mm

+ Khi cốt thép bố trí 2 hàng, chiều dày giằng không nhỏ hơn 150mm

Khi giằng trong tường gạch cốt thép ñường kính 6 ÷ 8mm, cách khoảng 3 ÷ 6 hàng gạch bố trí một lớp Chiều dày mạch thường từ 3 ÷ 4cm Mác vữa không nhỏ hơn 75

Nếu dùng các giằng ñúc sẵn thì các mối nối phải có mác bê tông lớn hơn hoặc bằng mác của giằng ðể tính toán cốt thép cho giằng có thể sử dụng một trong hai phương pháp sau:

1 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp ñơn giản

- Cơ sở tính toán:

Giả thiết cơ bản của phương pháp này là tường dọc của nhà ñược xem như một dầm ñặt trên nền ñất có ñộ cứng thay ñổi Tính nén không ñều của nền ñất ñược ñặc trưng bằng sự thay ñổi trị số mô ñun biến dạng E0 của ñất tại các ñiểm dọc theo chiều dài của nhà

- Nội lực trong giằng:

Mô men uốn lớn nhất:

)1(1

2 1

)1(

1

1 max

max 0 1

E

E

=

E0max là mô ñun biến dạng lớn nhất của nền ñất dưới hai ñầu tường nhà

E0min là mô ñun biến dạng nhỏ nhất của nền ñất dưới hai ñầu tường nhà

q là tải trọng của tường nhà hoặc công trình ñược xem như phân bố ñều

L là chiều dài tường nhà hoặc công trình

ðộ võng tuyệt ñối lớn nhất:

EJ

qL Y

)2(5760

)1(331

4 1

Trong ñó: E là mô ñun ñàn hồi của khối tường xây, ñối với tường gạch có thể lấy bằng 5.000

ñến 10.000 kG/cm2, phụ thuộc vào mác gạch và vữa xây

J là mô men quán tính tiết diện tường có xét ñến sự giảm do các ô cửa:

12

3

H b

btñ là chiều dày tương ñương của tường, btñ = 0,6b

b là chiều dày thực của tường

- Tính toán cốt thép trong giằng:

Lượng cốt thép yêu cầu trong giằng ñược xác ñịnh theo công thức sau:

0

max

h R

M F

ct

Trong ñó: Mmax là mô men uốn lớn nhất

Rct là giới hạn chảy của cốt thép h0 là chiều cao tính toán của tường nhà, h0 = (0,8÷0,9)H

H là chiều cao thực của tường

Ứng suất tiếp trong khối tường xây do lực cắt gây ra ñược tính toán như sau:

n F

Hi là chiều cao của tường tầng thứ i

Bảng 3-1 Trị số ñộ võng tương ñối giới hạn

Trị số L/H Trị số α1

2 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp của ðalmatov

Theo B.I ðalmatov, dưới tác dụng của tải trọng phân bố ñều q của tường, biểu ñồ ứng suất tiếp xúc p dưới ñế móng theo hướng dọc sẽ có một trong những dạng như hình 3.5 a,b

qmin

qmax

qa)

qmin

qmax

qb)

2p

pc)

Hình 3.5 Các dạng biểu ñồ ứng suất tiếp xúc p dưới ñế móng: a) khi tường nhà bị uốn cong lên; b) khi tường bị uốn cong xuống; c) ứng suất tiếp xúc tính toán trong trường hợp a Trị ứng suất tiếp xúc p dưới ñế móng và diện tích cốt thép cần thiết Fct trong trường hợp 3.5a

có thể tính như sau:

(

2,1

ct ct k

k t ct

R m m L

E b Y F

)167

(

2,1

2)1( − ∆ Φα

Với n là hệ số phụ thuộc vào thời gian cứng của vữa, tốc ñộ xây dựng và tốc ñộ tăng ñộ lún theo thời gian, có thể lấy bằng 0,25÷0,75, ñối với khối xây gạch bằng vữa hỗn hợp, lấy n = 0,50÷0,75; với nhà panel lớn dùng vữa xi măng thì lấy n = 0,25÷0,50

∆S là ñộ không ñồng ñều tương ñối của biến dạng nền

L

S S S

5,0

L là chiều dài của tường

Φ( α ) là hàm số phụ thuộc vào α lấy theo bảng 3-2

Bảng 3-2 Trị số của hàm số Φ( α )

bt là chiều dày tương ñương của tường có xét ñến sự giảm yếu do cửa số

Ek là mô ñun biến dạng lâu dài của khối xây:

t k

E E

ϕ

+

=

E là mô ñun ñàn hồi của khối xây

ϕt là ñặc trưng từ biến, xác ñịnh bằng thực nghiệm hoặc có thể lấy gần ñúng bằng cách căn cứ vào kết cấu của tường, theo bảng 3-3

H là chiều cao của tường nhà xác ñịnh như sau:

+ Nếu tường có khả năng bị uốn cong lên theo chiều dọc thì lấy H từ ñáy móng ñến giằng trên cùng

+ Nếu tường có bị uốn cong xuống thì lấy H từ mái hắt ñến giằng dưới cùng

mk và mct là hệ số ñiều kiện làm việc của khối xây tường và của cốt thép

Rct là giới hạn chảy của cốt thép

Bảng 3-3 Trị số gần ñúng của ñặc trưng từ biến ϕt

ct

a H

a H F F F

F

1

2 1

)(

Trong ñó: Fct tính theo công thức (3-13)

a = 0,1H

n là số giằng làm việc ñồng thời

Sau khi tính toán diện tích cốt thép cần kiểm tra lại ñiều kiện:

Trong ñó:

p là ứng suất tiếp xúc dưới ñế móng, xác ñịnh theo công thức (3-11)

b là chiều rộng ñế móng

σo là ứng suất trung bình dưới ñế móng do tải trọng tính toán

γh là ứng suất do trọng lượng bản thân của ñất ở cao trình ñế móng

Ứng suất tiếp trong khối xây cần ñược thỏa mãn ñiều kiện sau ñây:

kk tñ

R b

=7

α

Trong ñó:

btñ là chiều dày tương ñương của tường có xét ñến sự giảm yếu do cửa

Rkk là ñộ bền tính toán của khối xây khi chịu nén

Cấu tạo gối tựa cứng:

Với các công trình cao tầng xây dựng trên những vùng ñất có biến dạng lún lớn và biến dạng không ñều thì ngoài việc thiết kế các giằng tường, giằng móng như trên, trong nhiều trường hợp, ñể làm tăng ñộ cứng không gian, có thể bố trí các gối tựa cứng bằng bê tông cốt thép

Ơ nhiều nước, người ta ñã thiết kế những gối tựa cứng giống như những móng hộp lớn bao

gồm bản ñáy, bản trên và các vách ngăn liên kết cứng với các tường ngăn và tường biên Ngoài ra còn kết hợp với việc bố trí thêm các loại cốt thép xiên, cốt thép dọc có sức chịu kéo cao trong các tường vách ngăn, bản ñáy, bản trên của móng Bố trí thêm các cốt thép phụ gia

cố ở các lỗ cửa sổ, cửa ñi…

Biện pháp cấu tạo gối tựa cứng dưới nhà và công trình là một phương hướng tiến bộ ñể xử lý

ñối với nền ñất yếu và ñã ñược áp dụng ở nhiều nước ðây là biện pháp có hiệu quả ñối với

nhà và công trình cao tầng

3.2 Các giải pháp xử lý móng khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu

Khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu, ñể ñảm bảo tính ổn ñịnh của công trình, có thể sử dụng một số phương pháp xử lý về móng thường dùng trong thực tế như sau:

3.2.1 Thay ñổi chiều sâu của móng

Khi thay ñổi chiều sâu của móng có thể giải quyết về mặt lún và khả năng chịu tải của nền Chiều sâu chôn móng phụ thuộc vào các yếu tố sau ñây:

1 ðiều kiện ñịa chất công trình, ñịa chất thủy văn khu vực xây dựng:

ðiều kiện ñịa chất công trình và ñịa chất thủy văn khu vực xây dựng công trình là yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất ñến việc lựa chọn ñộ sâu chôn móng, trong ñó vị trí của lớp ñất chịu lực

là ñiều kiện quan trọng nhất Tùy thuộc vào các sơ ñồ phổ biến trong thực tế ñể lựa chọn ñộ sâu chôn móng và các loại móng cho phù hợp

Về ñiều kiện thủy văn của khu vực xây dựng cần phải ñược xem xét thận trọng về biên ñộ dao

ñộng của mực nước ngầm, dòng chảy ngầm có thể gây ra hiện tượng cát chảy… ñây là một

trong những yếu tố làm cơ sở cho việc lựa chọn phương án móng, ñộ sâu chôn móng, biện pháp thi công móng… Khi mực nước ngầm nằm cao hơn ñế móng, do tác dụng ñẩy nổi của nước, sẽ làm giảm trị số ứng suất tác dụng lên nền và hạn chế khả năng chống trượt khi chịu lực ngang Vì vậy, trong mọi trường hợp nên cố gắng ñặt móng ở bên trên mực nước ngầm

2 Tải trọng tác dụng lên công trình:

Khi công trình chịu tải trọng lớn thì móng cần ñặt sâu ñể giảm bớt diện tích ñế móng và hạn chế khả năng lún và biến dạng không ñều của ñất nền

Khi công trình chịu tải trọng ngang và mô men uốn lớn, móng cũng phải có chiều sâu ñủ lớn

ñể ñảm bảo ổn ñịnh về trượt và lật

3 ðặc ñiểm và yêu cầu sử dụng công trình:

Chiều sâu chôn móng còn phụ thuộc vào sự có mặt của các công trình như tầng hầm, ñường giao thông, ñường ống dẫn nước… cũng như các công trình lân cận ñã xây dựng

đáy móng phải ựược ựặt sâu hơn tầng hầm ắt nhất 40cm và mặt trên của móng phải nằm ở

dưới sàn tầng hầm Khi công trình tiếp cận với các ựường giao thông ngầm thì ựế móng cần

ựặt sâu hơn các vị trắ trên tối thiểu 20 ọ 40cm

Việc xem xét tình hình xây dựng và ựặc ựiểm móng của các công trình xây dựng lân cận là hết sức quan trọng Khi cao trình ựáy móng mới và cũ khác nhau thì phải ựảm bảo ựiều kiện tối thiểu về khoảng cách và góc truyền lực ựể các móng không ảnh hưởng lẫn nhau

4 Biện pháp thi công móng:

Chiều sâu chôn móng có liên quan ựến phương pháp thi công móng Nếu lựa chọn chiều sâu chôn móng một cách hợp lý thì có thể rút ngắn thời gian xây dựng móng và biện pháp thi công không ựòi hỏi phức tạp Có thể ựề xuất ra nhiều phương án móng, ựộ sâu chôn móng ựể lựa chọn phương án cho phù hợp

Khi tăng chiều sâu chôn móng sẽ làm tăng trị số sức chịu tải của nền Trị số tăng của áp lực tiêu chuẩn ∆R khi tăng chiều sâu chôn móng có thể tắnh theo công thức sau:

B h g

h

5,0cot

1

∆

=

π φ

φ π

Trong ựó: γ là dung trọng của ựất nền

∆h là ựộ tăng thêm chiều sâu chôn móng

φ là góc nội ma sát của ựất nền

Ngoài ra, khi tăng ựộ sâu chôn móng thì sẽ giảm ựược ứng suất gây lún cho móng nên giảm

ựược ựộ lún của móng:

)(h h d

đồng thời khi tăng ựộ sâu chôn móng có thể ựặt móng xuống các tầng ựất phắa dưới chặt hơn,

ổn ựịnh hơn Tuy nhiên, việc tăng chiều sâu chôn móng phải cân nhắc giữa hai yếu tố kinh tế

5,

dp S S

Trong ựó: S là ựộ lún ổn ựịnh tắnh toán

Stc là ựộ lún xảy ra khi thi công (với công trình dân dụng Stc = 0,7S)

Trong trường hợp nền ựất yếu có chiều dày thay ựổi nhiều, ựể giảm chênh lệch lún có thể ựặt

3.2.2 Thay ñổi kích thước móng

Thay ñổi kích thước và hình dạng của móng sẽ có tác dụng thay ñổi trực tiếp áp lực tác dụng lên mặt nền, do ñó cũng cải thiện ñược ñiều kiện chịu tải cũng như ñiều kiện biến dạng của nền

Khi tăng diện tích ñáy móng thường làm giảm ñược áp lực tác dụng lên mặt nền và làm giảm

ñộ lún của công trình Tuy nhiên với ñất có tính nén lún tăng dần theo chiều sâu thì biện pháp

này không tốt

Nếu tầng ñất yếu chịu nén có chiều dày thay ñổi, có thể dùng biện pháp thay ñổi chiều rộng móng ñể cân bằng ứng suất cho toàn bộ công trình như trên hình 3.3

3.2.3 Thay ñổi loại móng và ñộ cứng của móng

Khi thiết kế, tùy thuộc sự phân bố tải trọng tác dụng lên móng và ñiều kiện ñịa chất mà lựa chọn kết cấu cho móng phù hợp Với nền ñất yếu, khi dùng móng ñơn, ñộ lún chênh lệch sẽ lớn, do vậy ñể giảm ảnh hưởng của lún lệch ta có thể thay thế bằng móng băng, móng băng giao thoa, móng bè hoặc móng hộp

Trường hợp sử dụng móng băng mà biến dạng vẫn lớn thì cần tăng thêm cường ñộ cho móng

ðộ cứng của móng bản, móng băng càng lớn thì biến dạng bé và ñộ lún lệch sẽ bé Ta có thể

sử dụng các biện pháp như: tăng chiều dày móng, tăng cốt thép dọc chịu lực, tăng ñộ cứng kết cấu bên trên, bố trí các sườn tăng cường khi móng bản có kích thước lớn

3.3 Các giải pháp xử lý nền ñất yếu

Xử lý nền ñất yếu nhằm mục ñích làm tăng sức chịu tải của nền ñất, cải thiện một số tính chất

cơ lý của nền ñất yếu như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng ñộ chặt, tăng trị số mô

ñun biến dạng, tăng cường ñộ chống cắt của ñất

Các biện pháp xử lý nền ñất yếu thông thường bao gồm:

+ Các biện pháp cơ học: bao gồm các phương pháp làm chặt bằng ñầm, ñầm chấn ñộng,

phương pháp thay ñất, phương pháp nén trước

+ Các biện pháp vật lý: gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương pháp dùng giếng

cát, bấc thấm, ñiện thấm

+ Các biện pháp hóa học: bao gồm các phương pháp keo kết ñất bằng xi măng, vữa xi măng,

phương pháp silicat hóa, phương pháp ñiện hóa

3.3.1 Phương pháp ñệm cát

Phạm vi áp dụng:

ðệm cát thường sử dụng khi lớp ñất yếu ở trạng thái bão hòa nước như sét nhão, cát pha bão

hòa nước, sét pha nhão, bùn, than bùn, có chiều dày lớp ñất cần thay thế không lớn lắm (nhỏ hơn 3m) Người ta bóc bỏ các lớp ñất yếu này và thay thế bằng lớp cát có khả năng chịu lực lớn hơn

+ Giảm chiều sâu chôn móng từ ñó giảm khối lượng vật liệu xây móng

+ Tăng nhanh tốc ñộ cố kết của nền, do ñó làm tăng nhanh sức chịu tải của nền và rút ngắn quá trình lún

+ Thi công ñơn giản, không ñòi hỏi thiết bị phức tạp nên ñược sử dụng tương ñối rộng rãi Tuy nhiên, khi sử dụng biện pháp ñệm cát cần phải chú ý ñến trường hợp sinh ra hiện tượng cát chảy, xói ngầm trong nền do nước ngầm hoặc hiện tượng hóa lỏng do tác dụng của tải trọng ñộng

Những trường hợp không nên sử dụng ñệm cát:

+ Lớp ñất phải thay thế có chiều dày lớn hơn 3m, lúc này ñệm cát có chiều dày lớn, thi công khó khăn, không kinh tế

+ Mực nước ngầm cao và có áp Khi ñó hạ mực nước ngầm rất tốn kém và ñệm cát không ổn

ðể ñảm bảo cho ñệm cát ổn ñịnh và biến dạng trong giới hạn cho phép thì kích thước ñệm cát

phải ñảm bảo ñiều kiện sau:

ñy

R

≤+ 2

tc

m tb

tc = +∑ 0

Hình 3.7 Sơ ñồ tính toán lớp ñệm cát Trong trường hợp móng chịu tải trọng lệch tâm:

W

M F

N h

tc tc

m tb

M0 là tổng mô men tiêu chuẩn do tải trọng công trình tác dụng lên móng

F là diện tích ñáy móng, F = a.b

W là mô men chống uốn của tiết diện ñáy móng

γtb là dung trọng trung bình của móng và ñất ñắp trên móng

Rñy là cường ñộ tiêu chuẩn của lớp ñất yếu dưới ñáy ñệm cát [TCVN 9362-2012]:

tc II

II II

y II

y

ñy

k

m m h c

D h

B b

A

0 '

γ + γ + −γ

Trong ñó:

A, B, D là các hệ số phụ thuộc vào góc nội ma sát φII ñược tra theo bảng 3-4

m1 và m2 là các hệ số ñiều kiện làm việc của nền và của công trình tác dụng qua lại với nền, lấy theo bảng 3-5

ktc là hệ số tin cậy, nếu dựa vào kết quả thí nghiệm trực tiếp các mẫu ñất tại nơi xây dựng thì ktc = 1; nếu theo tài liệu gián tiếp thì ktc = 1,1

II

kc

tñ h h h

by là bề rộng móng quy ước, ñược xác ñịnh như sau:

+ ðối với móng băng:

b

N b

cao L/H trong khoảng Loại ñất

Hệ

số m1

1 Sơ ñồ kết cấu cứng là những nhà và công trình mà kết cấu của nó có khả năng ñặc biệt

ñể chịu nội lực thêm gây ra bởi biến dạng của nền

2 ðối với nhà có sơ ñồ kết cấu mềm thì hệ số m2 lấy bằng 1

3 Khi tỷ số chiều dài trên chiều cao của nhà công trình nằm giữa các trị số nói trên thì hệ

số m2 xác ñịnh bằng nội suy

Chiều rộng của ñệm cát:

Trong ñó: α là góc truyền lực, thường lấy bằng góc nội ma sát của cát hoặc có thể lấy trong giới hạn 30°÷ 45°

Kiểm tra ñộ lún của ñệm cát và nền:

Sau khi xác ñịnh kích thước của ñệm cát cần phải kiểm tra lại theo công thức (3-23) và kiểm tra ñộ lún toàn bộ của nền S:

Trong ñó: S1 là ñộ lún của ñệm cát

S2 là ñộ lún của lớp ñất yếu dưới tầng ñệm cát

Sgh là ñộ lún giới hạn cho phép

Thi công và kiểm tra lớp ñệm cát:

Hiệu quả của ñệm cát phụ thuộc phần lớn vào công tác thi công, do vậy phải ñầm nén ñảm bảo ñủ ñộ chặt (thông thường ñộ chặt của ñệm cát phải ñạt D = 0,65÷0,7) và không làm phá hoại kết cấu của lớp ñất bên dưới Trường hợp không có nước ngầm, cát ñược ñổ từng lớp dày khoảng 20cm, làm chặt bằng ñầm lăn, ñầm rung… khi có nước ngầm cao, phải có biện pháp

hạ mực nước ngầm hoặc dùng biện pháp thi công trong nước

ðộ ẩm ñầm nén tốt nhất của cát làm vật liệu lớp ñệm xác ñịnh theo công thức sau ñây:

s

n tn

e W

γ

γ

7,0

Trong ñó: e là hệ số rỗng của cát trước khi ñầm nén

γn là trọng lượng riêng của nước

γs là trọng lượng riêng của cát

Sau khi ñầm nén cần kiểm tra lại ñộ chặt của ñệm cát bằng cách sử dụng xuyên tiêu chuẩn, xuyên tĩnh hoặc xuyên ñộng

3.3.2 Phương pháp ñầm chặt lớp ñất mặt

Khi gặp trường hợp nền ñất yếu có ñộ ẩm nhỏ (G < 0,7) thì có thể sử dụng phương pháp ñầm chặt lớp ñất mặt ñể làm tăng cường ñộ chống cắt của ñất và làm giảm tính nén lún

Lớp ñất mặt sau khi ñược ñầm chặt sẽ có tác dụng như một tầng ñệm ñất, không những ưu

ñiểm như phương pháp ñệm cát mà cón có ưu ñiểm là tận dụng ñược nền ñất tự nhiên ñể ñặt

móng, giảm ñược khối lượng ñào ñắp

ðể ñầm chặt lớp ñất mặt, người ta có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau, thường hay dùng

nhất là phương pháp ñầm xung kích: theo phương pháp này quả ñầm có trọng lượng 1 ÷ 4 tấn (có khi 5 ÷ 7 tấn) và ñường kính không nhỏ hơn 1m ðể hiệu quả tốt, khi chọn quả ñầm nên