Biện pháp kết cấu khi xây dựng công trình trên nền đất yếu

Biện pháp kết cấu khi xây dựng công trình trên nền đất yếu biện pháp kết cấu khi xây dựng công trình trên nền đất yếu 2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU. Khi thiết kế các công trình trên nền đất yếu, cần phải nắm được các hình thức kết cấu chịu lực phần trên công trình cũng như tính nhạy của nó đối với độ lún của nền đất. Độ nhạy lún của công trình chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng. Tùy theo độ cứng có thể phân chia kết cấu thành ba loại như sau :

biện pháp kết cấu khi xây dựng công trình trên nền đất yếu

2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU.

Khi thiết kế các công trình trên nền đất yếu, cần phải nắm được các hình thức kết cấu chịu lực phần trên công trình cũng như tính nhạy của nó đối với độ lún của nền đất Độ nhạy lún của công trình chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng Tùy theo độ cứng có thể phân chia kết cấu thành ba loại như sau :

2.1.1 Loại kết cấu tuyệt đối cứng.

Như ống khói, tháp nước, kết cấu khung nhiều tầng trên bản móng liên tục,

mố cầu… Loại kết cấu này có độ cứng không gian rất lớn do vậy công trình không

bị uốn, chỉ có khả năng lún đều hoặc nghiêng

Đối 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 độ nghiêng nếu

có của công trình

2.1.2 Loại kết cấu mềm.

Các loại kết cấu này như bản đáy móng của các bể chứa, cống, âu thuyền và những cấu kiện độc lập khớp như cột trên móng đơn 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 đất nền, do đó không gây nên những nội lực phụ trong kết cấu và không ảnh hưởng đến việc sử dụng công trình Đặc điểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún kém khi nền đất biến dạng không đều

2.1.3 Sơ đồ kết cấu có độ cứng giới hạn.

Đó là các khung siêu tĩnh trên các móng đơn, dầm liên nhiều nhịp, vòm không khớp… Các công trình thuộc loại này thường hay gặp trong thực tế

Khi nền đất có biến dạng không đều, đồng thời dưới đế 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 Ơ những tiết diện này, độ cứng của kết cấu giảm đáng kể Đặc điểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún lớn do đó cần có những biện pháp xử

lý thích hợp

Dưới đây là những biện pháp làm giảm độ lún không đều của đất nền thường được áp dụng trong thực tế :

Cắt công trình bằng khe lún : sẽ được trình bày trong phần II dưới đây

Thay đổi kích thước, dộ sâu chôn móng : Sử dụng khi nền đất có chiều dày các lớp khác nhau, không đồng nhất Biện pháp này nhằm mục đích làm cho chiều

dày vùng chịu nén của lớp đất dưới đế mĩng như nhau Cĩ thể thiết kế đáy mĩng

cĩ chiều rộng thay đổi làm cho biểu đồ phân bố ứng suất dưới đáy mĩng cĩ giá trị khác nhau tại các điểm dưới đế mĩng

Sử dụng các loại mĩng hợp lý : Dùng mĩng băng, mĩng băng giao thoa, mĩng bè, mĩng cọc… tùy theo tình hình thực tế của cơng trình Nếu chiều dày lớp đất yếu khơng lớn lắm cĩ thể dùng lớp đệm cát hoặc đệm các vật liệu khác để thay thế Khi chiều dày lớp đất yếu là lớn, để giảm bớt độ lún và khả năng lún khơng đều, cĩ thể xử lý bằng mĩng cọc hay các phương pháp gia cố nhân tạo như cọc cát, giếng cát…

Hình 2.1 đến 2.3 giới thiệu một số biện pháp thường dùng hiện nay : cấu tạo mĩng cĩ chiều sâu khác nhau (2.1); đế mĩng cĩ chiều rộng thay đổi (2.2) và sử dụng những loại mĩng khác nhau (2.3)

Hình 2.1 Cấu tạo của mĩng với những chiều sâu khác nhau.

LỚP ĐẤT YẾU

LỚP ĐẤT TỐT

Hình 2.2 Cấu tạo của mĩng với những chiều rộng khác nhau.

LỚP ĐẤT YẾU LỚP ĐẤT TỐT

Hình 2.3 Dùng mĩng cọc ở những đoạn lớp đất yếu cĩ chiều dày lớn.

2.2 BỐ TRÍ KHE LÚN.

Bố trí khe lún là một trong những biện pháp rất cĩ hiệu quả khi xây dựng những cơng trình cĩ tải trọng khác nhau trên nền đất cĩ tính nén lớn và tính nén khơng đều

Khe lún phải được bố trí sao cho bảo đảm cho những bộ phận của cơng trình

cĩ khả năng làm việc độc lập, cĩ đủ cường độ và độ cứng khi chịu lực, khơng gây

ra những vết nứt khi nền đất cĩ biến dạng lớn và biến dạng khơng đều

Vị trí đặt khe lún căn cứ vào sự phân bố các lớp đất dưới đế mĩng và hình thức kết cấu của cơng trình

Hình 2.4 dưới đây giới thiệu mơt số cách bố trí khe lún cho cơng trình khi gặp nền đất yếu hoặc cơng trình cĩ chiều dài lớn

LỚP ĐẤT TỐT LỚP ĐẤT YẾU

KHE LÚN

LỚP ĐẤT YẾU KHE LÚN

LỚP ĐẤT TỐT

KHE LÚN KHE LÚN

Hì

nh 2.4 Bố trí khe lún.

Chiều rộng khe lún tùy thuộc vào tính chất biến dạng của cơng trình và sự phân bố lớp đất yếu dưới đế mĩng

Chiều rộng tối thiểu của khe lún cĩ thể tính theo cơng thức sau đây :

 = k.h(tgp - tgtr) (2.1)

Trong đĩ :

h : khoảng cách từ đế móng đến độ cao mà ở đó xác định khe hở tgp : độ nghiêng cúa móng công trình phần bên phải

tgtr : độ nghiêng cúa móng công trình phần bên trái Nếu các phần công trình nghiêng vào nhau thì tgtr lấy trị âm

k : hệ số kể đến tính không đồng nhất của đất nền, k = 1,3 – 1,5

Tuy nhiên, khoảng cách của khe lún thường được lựa chọn trong khoảng từ 2-3cm

Trong nhiều trường hợp, khe lún được kết hợp với khe co dãn Tuy vậy, khe lún cũng gây nhiều khó khăn phức tạp trong xây dựng và sử dụng, tốn kém thêm tường, móng ngang, vì vậy chỉ làm khe lún khi thật cần thiết :

- Khi đất nền có tính nén lún lớn

- Khi công trình có hình dạng phức tạp, tải trọng, chiều cao tầng chênh lệch

- Khi công trình quá dài và có khả năng sảy ra lún không đều (thông thường khi công trình có chiều dài trên 60m)

2.3 THIẾT KẾ GIẰNG MÓNG VÀ GIẰNG TƯỜNG.

- Tác dụng :

 Tiếp thu nội lực kéo xuất hiện khi lún không đều

 Làm tăng thêm cường độ và độ cứng không gian của kết cấu

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

 Xác định 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…

- Để đảm bảo độ cứng không gian, giằng nên được bố trí liên tục trên suốt các tường hoặc phần móng bên dưới để tạo thành khung kín không gian Kích thước và số lượng giằng có thể xác định dựa vào tính chất không đồng đều của nền đất và đặc 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 đường kính 6-8mm, cách khoảng 3-6 hàng gạch bố trí 1 lớp Chiều dày mạch thường từ 3-4cm Mác vữa không nhỏ hơn 75

Nếu dùng các giằng đúc sẵn thì các mối nối phải có mác bê tông  mác của giằng Để tính toán cốt thép cho giằng có thể sử dụng 1 trong 2 phương pháp sau :

2.3.1 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp đơn giản.

2.3.1.1 Cơ sở tính toán.

Giả thiết cơ bản của PP này là tường dọc của nhà được xem như 1 dầm đặt trên nền đất có độ cứng thay đổi Tính nén không đều của nền đất được đặc trưng bằng sự thay đổi trị số modun biến dạng E0 của đất tại các điểm dọc theo chiều dài của nhà

2.3.1.2 Nội lực trong giằng.

- Moment uốn lớn nhất :

Mmax= (α1−1)qL

2

- Lực cắt lớn nhất :

Qmax= (α1−1)qL

Trong đó :

α1= E0 max

E0max : modun biến dạng lớn nhất của nền đất ở dưới hai đầu tường nhà

E0min : modun biến dạng nhỏ nhất của nền đất ở dưới hai đầu tường nhà

q : tải trọng của tường nhà hoặc công trình được xem là phân bố đều

L : chiều dài của tường nhà hoặc công trình

- Độ võng tuyệt đối lớn nhất :

Ymax= 33(α1−1)qL

4

- Độ võng tương đối lớn nhất :

f0=ymax

Trong đó :

E : modun đàn hồi của khối tường xây : đối với tường gạch có thể lấy bằng 5.000-10.000 kG/cm2, phụ thuộc vào mác gạch và vữa xây

J : moment quán tính tiết diện tường xét đến sự giảm yếu do các lỗ cửa

J =b tñ H3

b : chiều dày thực của tường

2.3.1.3 Tính toán cốt thép giằng.

Fct= Mmax

Trong đó :

Mmax :moment uốn lớn nhất tính theo công thức 2.2

Rct :giới hạn chảy của cốt thép

H0 : chiều cao tính toán của tường nhà; H0 = (0,8 - 0,9)H

Ưng suất tiếp trong khối tường xây do lực cắt gây nên :

τ =Qmax

Trong đó Fn : diện tích tiết diện nguyên của móng và các giằng giữa các tầng nhà của khối xây

Trị số ứng suất tiếp  tính theo công thức 2.10 trong mọi trường hợp không nên vượt quá 2,5 kG/cm2 Nếu trị số fo tính toán theo công thức 2.6 không vượt quá các trị số giới hạn cho trong bảng 2.1 thì cho phép không phải bố trí các giằng tường

Bảng 2.1 : Trị số độ võng tương đối giới hạn

5 0,00025 0,00030 0,00035 0,00045 0,0005 0,0006

4 0,00030 0,00035 0,00045 0,00060 0,0007 0,0005

3 0,00045 0,00040 0,00055 0,00070 0,0008 0,0010

2.3.2 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp của B.I Đalmatov.

Theo B.I Đalmatov, dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều q của tường, biểu đồ ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng theo hướng dọc sẽ có một trong những dạng như hình 2.5a,b

a)

b)

c)

Hình 2.5 Các dạng biểu đồ ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng : a) khi tường nhà bị uốn cong lên, b) khi tường nhà bị uốn cong xuống, c) biểu đồ ứng suất tiếp xúc tính toán trong trường hợp a.

Trị ứng suất tiếp xúc p dưới đế móng và diện tích cốt thép cần thiết Fct trong trường hợp 2.5a có thể tính như sau :

P=160.1,2 ymaxb t E k

Fct= 8.1,2 ymaxb t E k

αL ( 7 α2+16 ) mkmctRct (2.13)

Trong đó :

1,2:hệ số vượt tải

ymax : độ võng lớn nhất

ymax=( 1−n) ΔSL2 Φ(α)

(2.14)

n : hệ số, phụ thuộc vào thời gian cứng của vữa, tốc độ xây dựng và tốc độ tăng độ lún theo thời gian, có thể lấy bằng 0,25 – 0,75, đối với khối xây gạch bằng vữa hỗn hợp, lấy n = 0,50 – 0,75, với nhà panen lớn dùng vữa xi măng, lấy n = 0,25 – 0.50

S : độ không đồng đều tương đối của biến dạng nền

ΔS= Smax−Smin

Smac, Smin : độ chênh của biến dạng nền, xác định theo tính toán độ lún; đối với tường dài 60 – 100m, lấy sơ bộ bằng 0,4 – 0,5 trị số độ lún trung bình

L : chiều dài của tường

() : hàm số phụ thuộc vào  lấy theo bảng 2.2

Bảng 2.2 : Trị số của hàm số  ()

α= L

bt : chiều dày tương đương của tường có xét đến sự giảm yếu do cửa số

Ek : modun biến dạng lâu dài của khối xây

Ek= E 1+ ϕ1

E : modun đàn hồi của khối xây

t : đặc trưng từ biến, xác định bằng thực nghiệm hoặc có thể lấy gần đúng bằng cách căn cứ vào kết cấu của tường, theo bảng 2.3

Bảng 2.3 : Trị số gần đúng của đặc trưng từ biến  t

Tường panen lớn Tường khối lớn Tường gạch, đá vụn

2-3 3-4 4-5

H : chiều cao của tường nhà xác định như sau :

- Nếu tường có khả năng bị uốn cong lên theo chiều dọc thì lấy H từ đáy móng đến giằng trên cùng

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

mk và mct : hệ số điều kiện làm việc của khối xây tường và của cốt thép

Rct : giới hạn chảy của cốt thép

Khi có nhiều giằng bố trí trên chiều cao của tường, nếu giả thiết diện tích tiết diện cốt thép trong mỗi giằng đều như nhau thì tính như sau :

1∑

i=1

n

(H−a)

(2.18)

Trong đó :

Fct : tính theo công thức 2.13

a = 0,1H

n : số giằng làm việc đồng thời

Các loại giằng tường và giằng móng trong thực tế thường được thiết kế theo

sơ đồ trong hình 2.6 và 2.7 dưới đây

a)

b)

Hình 2.6 Bố trí cốt thép trong giằng tường : a,b,c)

Giằng BTCT, d) giằng cốt thép

1

2

Hình 2.7 Bố trí cốt thép trong giằng móng : 1)

giằng BTCT; 2) giằng cốt thép

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

Trong đó :

p : ứng suất tiếp xúc dưới đế móng, xác định theo công thức 2.12

b : chiều rộng đế móng

o : ứng suất trung bình dưới đế móng do tải trọng tính toán.

h : ứng suất do trọng lượng bản thân của đất ở cao trình đế móng

Ưng suất tiếp trong khối xây cần được thỏa mãn điều kiện sau đây :

τ =7 b pαα

tñ≤ Rkk

(2.20)

Trong đó :

btđ : chiều dày tương đương của tường có xét đến sự giảm yếu do cửa

Rkk : sức kháng tính toán củakhối xây khi chịu nén

2.4 CẤU TẠO GỐI TỰA CỨNG.

Với các công trình cao tầng xây dựng trên những vùng đất có biến dạng lún lớn và biến dạng không đều thì ngoài việc thiết kế các giằng tường, giằng móng như trên, trong nhiều trường hợp, để làm tăng độ cứng không gian, người ta còn bố trí các gối tựa cứng bằng bê tông cốt thép

Ơ nhiều nước, người ta đã thiết kế những gối tựa cứng giống như những móng hộp lớn bao gồm bản đáy, 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 đáy, bản trên của móng Bố trí thêm các cốt thép phụ ở các lỗ cửa sổ, cửa đi…

Biện pháp cấu tạo gối tựa cứng dưới nhà và công trình là một phương hướng tiến bộ để xử lý đối với nền đất yếu và đã được áp dụng ở nhiều nước Đây là biện pháp có hiệu quả đối với nhà và công trình cao tầng

2.5 CHỌN LOẠI MÓNG VÀ CHIỀU SÂU CHÔN MÓNG.

2.5.1 Chọn loại móng.

Đối với nền đất yếu, việc chọn loại móng có ý nghĩa quan trọng cả về kỹ thuật và kinh tế Chọn loại móng căn cứ vào những đặc điểm sau đây :

- Hình thức kết cấu của công trình, tính chất truyền tải trọng

- Sơ đồ bố trí các công trình ngầm (tầng hầm, ống dẫn…)

- Tình hình địa chất khu vực xây dựng

- Điều kiện XD móng (phương tiện thi công, thời gian XD…)

2.5.2 Chọn chiều sâu chôn móng.

Việc lựa chọn độ sâu chôn móng phụ thuộc vào các yếu tố sau đây :

2.5.2.1 Điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn khu vực xây dựng.

Điều kiện địa chất và địa chất thủy văn khu vực xây dựng công trình là yếu

tố có ảnh hưởng nhiều nhất đến việc lựa chọn độ sâu chôn móng; trong đó vị trí của lớp đất chịu lực là điều kiện quan trọng nhất Tùy thuộc vào các sơ đồ phổ biến trong thực tế để lựa chọn độ sâu chôn móng và các loại móng cho phù hợp

Về điều kiện thủy văn của khu vực xây dựng cần phải được xem xét thận trọng về biên độ dao động của mực nước ngầm, dòng chảy ngầm có thể gây ra hiện tượng cát chảy… đây là một trong những yếu tố làm cơ sở cho việc lựa chọn phương án móng, độ sâu chôn móng, biện pháp thi công móng… Khi mực nước ngầm nằm cao hơn đế móng, do tác dụng đẩy 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 đặt móng ở bên trên mực nước ngầm

2.5.2.2 Anh hưởng của trị số và tính chất truyền tải trọng của công trình.

Khi công trình chịu tải trọng lớn thì móng cần đặt sâu để giảm bớt diện tích

đế móng và hạn chế khả năng lún và biến dạng không đều của đất nền

Khi công trình chịu tải trọng ngang và moment uốn lớn, móng cũng phải có chiều sâu đủ lớn để đảm bảo ổn định về trượt và lật

2.5.2.3 Anh hưởng của đặc điểm 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, đường giao thông, đường ống dẫn nước… cũng như các công trình lân cận đã xây dựng

Đáy móng phải được đặt sâu hơn tầng hầm ít nhất 40cm và mặt trên của móng phải nằm ở dưới sàn tầng hầm Khi công trình tiếp cận với các đường giao thông ngầm thì đế móng cần đặt sâu hơn các vị trí trên tối thiểu 20 – 40cm

Việc xem xét tình hình xây dựng và đặc điểm móng của các công trình xây dựng lân cận là hết sức quan trọng Khi cao trình đáy móng mới và cũ khác nhau thì phải đảm bảo điều kiện tối thiểu về khoảng cách và góc truyền lực để các móng không ảnh hưởng lẫn nhau

2.5.2.4 Anh hưởng của biện pháp thi công móng.

Chiều sâu chôn móng có liên quan đến 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 đòi hỏi phức tạp Có thể đề xuất ra nhiều phương án móng, độ sâu chôn móng để lựa chọn phương án cho phù hợp