CÔNG NGHỆ MÓNG TOP- BASE TRONG XỬ LÍ NỀN ĐẤT YẾU

CƠNG G NGHỆ Ệ MĨNG G TOP – BASE TRONG T G XỬ LÝ Ý NỀN ĐẤT Đ YẾU U Bạch Văn Sỹ Bộ mơn Kỹ th huật Xây dự ựng Đặt vấn đề: Đã từ lâu cơng trình xâyy dựng địa yếếu gây raa nhiều khó khăn t cơng tác khảo sát thhiết kế, thi cơng c đặc biệt làm chho giá thành h cơng trình bị đẩy lên ccao, nhiều n dự ánn phải dừng lại thiếu kỹ thuật, thhiếu giảải pháp hữu u hiệu để triển khai thự ực Vấn n đề đặtt cho nhhà khoa họcc, nhà thiết kế, k nhà quảản lý nhàà thi cơng làà phải tìm m giải pháp p nhhằm giải vướnng mắc nói Để khắc phục khó khăn thìì đ có nhiều giải phááp xử lý n đất yếu đư ược đưa ư: biện phápp thay đất, biện b pháp cọọc cát, cọc đất đ gia cố xi x măng, bấcc thấm, hút chân khơngg… tùy vào quuy mơ cơng c trình v khả năngg kỹ thuật củ nhà thi t cơng màà ta chọn biiện pháp xử lý thích hợp đ số dự d án kiếến nghị dùnng biện phápp móng Top p – Base để thi Troong vàii năm gần cơng cơng trình n đất yếuu, bước đầu cho thấy tíính hiệu quuả việc llàm tăng sứ ức chịu tải c đất, giảm lún, giảm m thời giann thi cơng vàà từ giảm m giá thành xây dựng Nội dung phư ương pháp móng Top – Base: 2.11.Giới thiệu u chung: Phư ương pháp Top T – Base Method (T TBM) sử dụng khốii bê tơng cóó dạng quay q (hay toopblock) xếp liên tụục đất đ tạo m tầng đệm m (gọi lớpp Top – Baase) mó óng cơng trình L rỗng giữ ữa khốii bê tơng đư ược chèn lấấp vật liệu rời đầầm chặt (thơơng với đấất thực Lỗ thường sử dụng đá dăăm) Mặt cắắt ngang mộột lớp Top – Base (Hìnnh2.1) Nềnn đượ ợc gia cố bằằng hai h lớp Top – base Hìnnh 2.1: Mặtt cắt ngang lớp Topp-Base Hiệện trongg thực tế thư ường sử dụụng loại top – block có đường kínhh 33cm 50cm để xử lý đất yếuu đáy móng m cơng trình Theoo kết ng ghiên cứu củủa nướcc sử dụng g phương phháp TBM trongg việc xử lýý đất yếuu phươnng pháp ng TBM tăng sức chhịu tải n đất lên đến đ 200%, giảm m độ lún còòn 15% – 300% so với đất yếu k khơng sử s dụng biệnn pháp xử lý ý 83 2.2.Phạm vi áp dụng: 2.2.1 Tình hình áp dụng giới: Cơng nghệ Top-Base vốn coi bước đột phá cơng nghệ xây dựng , hồn thiện áp dụng thành cơng đất yếu 30 năm Nhật Bản, Hàn Quốc Cơng nghệ TopBase phát minh Nhật Bản vào năm 1980, thời gian cơng nghệ Top – Base dành tín nhiệm cao kỹ sư xây dựng ứng dụng rộng rãi Nhật Bản với 6000 cơng trình xây dựng đất Top-Base Các cơng trình xây dựng Top- Base qua trận động đất khủng khiếp Chiba năm 1987 Kobe năm 1995 mà khơng bị hư hại Nhiều nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tiến hành để lý giải hiệu phương pháp cơng bố tạp chí Địa kỹ thuật Nhật hội thảo quốc tế xử lý Đầu năm 1990 cơng nghệ nghiên cứu ứng dụng Hàn Quốc có nhiều phát minh quan trọng kể từ đó, đặc biệt lĩnh vực thi cơng Các cải tiến Hàn Quốc làm cho TopBase trở nên đơn giản nhanh chóng thi cơng, thân thiện với mơi trường đặc biệt giá thành hạ cách thuyết phục Với 2000 cơng trình Hàn Quốc xây dựng TopBase vào năm 1990, riêng năm 2007 có triệu khối bê tơng top-block sử dụng tương đương với triệu m2 đất gia cố Nền Top-base sử dụng cho đất yếu để tăng cường khả chịu tải đất giảm kết cấu móng Nhờ ưu việt phương pháp mang lại mà sau cơng ty Banseok Top-Base Co., Ltd tiếp tục nghiên cứu phát triển với trung tâm nghiên cứu đặt trường đại học Dankook Một số cơng trình điển hình Nhật Bản Hàn Quốc áp dụng phương pháp móng Top-Base: Hình 2.2: Bãi chứa container Kwangyang Hình 2.3: Cống hộp đại lộ Iksan Hình 2.4: Tường chắn đất Busan 84 2.2.2 Tình hình áp dụng Việt Nam: Cơng nghệ móng Top-Base giới thiệu lần Việt Nam buổi trao đổi Giáo sư Kim Hak-Moon Trường Đại học Dankook, Seoul Cơng ty Banseok với Bộ mơn Cơ học đất – Nền móng Trường Đại học Xây dựng năm 2007 Cũng năm này, Ơng Đỗ Đức Thắng, Giám đốc Cơng ty Kết cấu Cơng nghệ Việt Nam (NST Việt Nam) tham quan cơng nghệ Hàn Quốc hình thành ý định áp dụng cơng nghệ Việt Nam Năm 2008, lần Cơng nghệ móng Top-Base nghiên cứu Trường Đại học Xây dựng qui mơ mơ hình phòng thí nghiệm Cơ học đất Tháng 08/2008, Cơng ty TBS Việt Nam liên doanh Hàn quốc với Việt Nam đời nhằm thúc đẩy áp dụng cơng nghệ vào Việt nam Lần cơng nghệ TBM áp dụng xử lý cơng trình 110 Mai Hắc Đế Hà nội vào tháng năm 2008 thử nghiệm sau ứng dụng khu thị PG Hải phòng danh nghĩa thức Cơng ty Liên doanh TBS Việt nam Một số hình ảnh áp dụng móng Top-base Việt Nam cơng trình dân dụng cơng nghiệp: Hình 2.5: Cơng trình khách sạn cao 12 tầng 32 Lò Sũ, Hà Nội Hình 2.6: Cơng trình khách sạn Ocean View – Vũng Tàu 2.3.Ngun lý chịu lực móng Top – Base: 2.3.1 Cấu tạo Top-Base: Móng Top-Base cấu tạo từ khối bê tơng hình phễu xen lớp vật liệu rời giúp cho khối bê tơng hình phễu thêm vững đồng thời tham gia phần vào q trình tiếp nhận tải trọng cơng trình bên thơng qua việc hạn chế biến dạng ngang Hình 2.7: Cấu tạo Top –Base[7] 85 2.3.2 Cấu tạo khối Top – Block: Phương pháp Top-Base với đặc điểm khác biệt so với phương pháp khác cải tạo đất yếu chổ tận dụng q trình truyền ứng suất bê tơng thơng qua khối Top-Block Hiện cơng nghệ Top –Base đưa loại Top-Block với kích thước tương ứng φ330mm, φ500mm φ2000mm có cấu tạo hình sau[7]: Hình 2.9: Cấu Tạo Top-Block φ2000 Hình 2.8: Cấu Tạo Top-Block φ330,φ500 2.3.3 Ngun lý chịu lực móng Top – Base: Hình 2.9a Đặc tính Top-base [7] Hình 2.9b Bánh xích dạng Top-shape máy ủi[7] Hình 2.9a biểu đồ đặc tính Top-base: phần trụ nón Top-block đặt lớp vật liệu rời rạc (đá dăm) nằm đất yếu, phần cọc Top-block đặt phần địa tầng tương tự, phần cốt thép phía phía có tác dụng nối Top-block thành nhóm; phương pháp móng Top-base trở thành hệ kết cấu móng cứng linh hoạt Bên cạnh đó, góc phần trụ nón Top-block phần đất (vật liệu rời rạc ) tiếp xúc 450, hình dạng tương tự bánh xích xe ủi đất (Hình 2.9b), cấu tạo cho phép phân tích tải trọng thẳng đứng tác dụng lên Top-base chia thành thành phần: ứng suất thẳng đứng (PV) ứng suất theo phương ngang Hình 2.9c: Biến dạng ngang[7] 86 (PH) Điều dẫn đến biến dạng ngang bị ngăn cản lực kháng lớp vật liệu rời rạc phần cọc, (Hình 2.9c) Tóm lại, phương pháp Top-base phương pháp cải thiện đất làm tăng khả chịu tải đất giảm độ lún phân phối lại ứng suất ngăn cản biến dạng ngang thơng qua việc thiết lập nên hệ kết cấu tạo lớp đá dăm hình dạng bánh xích phần trụ nón (Hình 2.10) thể biểu đồ phân phối cho loại móng khác nhau: móng bê tơng móng đá dăm có đường phân bố ứng suất khơng đều, móng Top-base cho kết đường phân bố ứng suất đồng đều, có nghĩa móng Top-base ổn định Thực tế, Top-base làm tăng từ 1,5 ÷ 2,5 lần khả chịu tải làm giảm 1/2 ÷ 1/4 lần độ lún so với đất ban đầu Top-base khơng có tác dụng phân phối tải trọng tác dụng độ lún, làm giảm cường độ tải trọng truyền qua lớp Top-base phân phối lại ứng suất, tải trọng tác dụng khơng gây ảnh hưởng đến lớp đất sâu Hình 2.10 Phân phối ứng suất loại móng khác sau lún dài hạn[7] Hình 2.11 Phân bố ứng suất khơng gia cố gia cố Top - Base[7] 2.3.3.1 Tác dụng giảm lún: Tác dụng giảm lún móng Top – Base chứng minh thơng qua q trình thử nghiệm ngồi trường phòng thí nghiệm biểu thị quan hệ độ lún theo thời gian Quan hệ độ lún theo thời gian xác định thơng qua q trình thử nghiệm móng nơng kích thước 1x1x0.1m loại khác (hình 2.12) 87 Hình 2.12: Các loại móng dùng kiểm tra lún theo thời gian[7] a) b) c) d) e) Nền tự nhiên khơng gia cố Nền gia cố đá dăm dày 20cm Nền gia cố cọc gỗ φ12cm Nền gia cố lớp Top – Base Nền gia cố lớp Top – Base Với đặc trưng lý thể qua bảng kết phân tích đặc trưng lý phòng thí nghiệm sau: Bảng 2.1: Phân tích tiêu lý[7] Kết thí nghiệm xác định độ lún theo thời gian loại thể qua biểu đồ quan hệ sau: 88 Hình 2.13: Quan hệ độ lún với thời gian xác định trường[7] Qua biểu đồ quan hệ (hình 2.13) ta nhận thấy địa chất đất yếu nhau, kích thước móng đất có sử dung Top – Base có độ lún nhỏ nhiều so với đất yếu chưa gia cố, tải trọng gây lún trường hợp đất khơng gia cố nhỏ 0.5tf/m2 so với đất có sử dụng khối Top – Block kết hợp với đá dăm Từ biểu đồ ta thấy độ lún Top –Base lớp giảm 1/3 lần so với đất khơng sử dụng biện pháp gia cố Ở phòng thí nghiệm, kết thí nghiệm với lớp Top – Base đường kính 6cm, thiết bị chứa đất thí nghiệm có đường kính 50cm, sử dụng top-block chia làm hàng Kết độ lún theo thời gian tương tự với kết ngồi trường (hình 2.14) Hình 2.14: Quan hệ độ lún với thời gian xác định phòng thí nghiệm[7] Q trình kiểm tra phòng thí nghiệm kết cho thấy độ lún dài hạn móng dùng phương pháp gia cố móng Top –Base giảm 1/2 lần so với móng khơng sử dụng biện pháp gia cố Kết kiểm chứng phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn với giả thiết phân tích đàn hồi/chảy/dẻo Nền gia cố theo phương pháp Top – Base khơng giảm lún mà có khả giảm chấn lớn, kết đánh giá qua thực tiễn trận động đất Chiba vào 12/1988 điều đáng 89 ngạc nhiên cơng trình gia cố móng Top – Base khơng bị hư hỏng hư hỏng nhẹ cơng trình sử dụng phương pháp móng thơng thường bị phá hủy hồn tồn 2.3.3.2 Cải thiện sức chịu tải nền: Sự cải thiện sức chịu tải phương pháp móng Top – Base đánh giá thơng qua q trình gia tải kiểm tra ngồi trường tải trọng phòng thí nghiệm qua việc mơ kích thước đất có giới hạn Tiến hành thí nghiệm ngồi trường với đất có tiêu lý bảng 2.1 kết cấu móng hình 2.12, bên cạnh q trình kiểm tra phòng thí nghiệm thực với đất đựng thùng có kích thước 0.2 x 1.8 x 0.72m Kết q trình kiểm tra ngồi trường phòng thí nghiệm thể qua hình 2.15 hình 2.16 sau: Hình 2.15: Đường biểu diễn quan hệ p – S ngồi trường[7] Hình 2.16: Đường biểu diễn quan hệ p – S phòng thí nghiệm[7] Qua đường biểu diễn mối quan hệ tải trọng độ lún ta thấy sử dụng móng Top – Base sức chịu tải tăng lên 1.5 lần so với đất khơng sử dụng biện pháp gia cố 90 độ lún, đồng thời qua đồ thị ta thấy rõ sử dụng biện pháp móng Top – Base sức chịu tải cải thiện nhiều so với biện pháp xử lý khác như: dùng lớp đá dăm làm nền, dùng cọc vv… Các tác dụng cải tạo giảm độ lún hi vọng tăng khoảng 50% khả chịu lực so với đất ban đầu Trường hợp tải trọng đặt lệch tâm lên móng kiểm tra Trong trường hợp độ lệch tâm B/6 tính từ tâm chiều rộng móng B, Top-block lớp có khả chịu tải gấp lần so với đất ban đầu Top-block lớp có khả chịu tải gấp lần so với đất ban đầu Do đó, Topbase cơng nhận mang lại hiệu cho tải lệch tâm Phân phối ứng suất móng mơ tả đất có độ lún dài hạn xác định thí nghiệm Hình 2.12 2.13 Các đường ứng suất hình vẽ phân bố ứng suất theo chiều sâu có cách đặt cảm biến đo ứng suất chơn sẵn đất theo chiều sâu thể hình 2.10 Ứng suất đặt lên ban đầu 2,5kgf/cm2, đường ứng suất cân 3kgf/cm2 cao hơn, biểu thị ứng suất tăng độ lún cố kết Hình 2.10 (a) trường hợp đất đặt móng bê tơng lên người ta thấy tập trung ứng suất xuất phía truyền tải đặt đất sét độ lún tăng xảy biến dạng ngang, điều kiểm tra với phân phối ứng suất với nhiều kết thực Ngược lại, Top-base hình 2.10 (d) kết cấu cứng gồm khối bê tơng hình phễu có tác dụng triệt tiêu phần tải ngang, phân phối ứng suất lớn hai đầu gần đồng Trong hình 2.10 (d), có hai lớp Top-base, phân bố ứng suất phân bố ứng suất tăng đồng Từ nhận xét này, nhận thấy Top-base có tác dụng hạn chế biến dạng ngang Nghiên cứu áp lực lỗ rỗng tạo đất ban đầu với thử nghiệm phòng thí nghiệm, nói khơng xảy áp suất lỗ rỗng móng Top-base Biến dạng ngang thay đổi theo kết phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn phân tích đàn hồi/chảy/dẻo Đã xét hiệu ứng giãn nở, tượng cố kết bên ngồi hiệu ứng cố kết thứ cấp Hình 2.9c kết phân tích, xác định dạng phân bố biến dạng ngang Từ hình 2.9c, thấy Top-base ngăn chặn tượng biến dạng ngang, đó, độ lún bề mặt nhỏ 1/2 lần Khả chịu lực đất thay đổi phụ thuộc vào hai loại phá hoại phá hoại trượt cục phá hoại trượt sâu Tuy nhiên, trường hợp xảy biến dạng ngang, khả chịu lực trở thành khả chịu lực phá hoại trượt cục Có thể thấy móng Topbase ngăn chặn việc sinh phá hoại trượt cục cách ngăn chặn biến dạng ngang Cơng thức tính khả chịu lực Terzaghi thực tính tốn cách giảm hệ số khả chịu lực xuống 2/3 trường hợp phá hoại trượt cục Và đất sét, khả chịu lực phá hoại trượt sâu lớn 1,5 lần so với phá hoại trượt cục Kết hình 2.15 2.16 thể thử nghiệm tải trọng cho thấy đất ngun dạng bị phá hoại trượt cục Top-base dẫn đến phá hoại trượt sâu, có khả chịu lực lớn 91 Từ kết trên, việc tạo kết cấu cách đầm chặt đá dăm đổ đầy khối Top-block, đá dăm có tác dụng truyền tải xuống đất yếu giảm tập trung ứng suất Do kết cấu Top base nên phân bố ứng suất đất trở thành phân bố nữa, sức chống ma sát xuất đá dăm, phần cọc Top base có tác dụng ngăn chặn biến dạng ngang xung quanh Giống trên, hiệu ứng đồng vận Top-block đá dăm giúp cải thiện xung quanh có tác dụng giảm độ lún tăng khả chịu lực 2.4.Ngun lý tính tốn thiết kế móng Top – Base: 2.4.1 Lựa chọn phương pháp: Khi áp dụng phương pháp gia cố Top-base, điều định tải trọng thiết kế u cầu kết cấu bên xác định phải nhỏ kết xác định khả chịu tải gia cố Trước hết, người thiết kế tính tốn tải trọng kết cấu cơng trình, sau tính tốn khả chịu lực cho phép từ kết thí nghiệm sau gia cố Như hình 2.17, việc áp dụng Top-base phù hợp hay khơng đánh giá theo nhiều tiêu chí Các tiêu chí cần xem xét đồng thời, : độ lún giảm bao nhiêu, việc thi cơng Top-base có phù hợp với địa hình, với mơi trường xung quanh khơng v.v…hiệu kinh tế độ an tồn so với phương pháp khác v.v… u cầu giảm độ lún Thiết kế kết cấu Khảo sát/ thí nghiệm Tính tốn áp lực truyền lên nền, q Tính tốn khả chịu lực cho phép, qa Chấp nhận đánh giá phương pháp cách so sánh q qa Đánh giá xây dựng, an tồn kinh tế dài hạn Hình 2.17 Sơ đồ khối chấp nhận phương pháp Top-base[7] Từ việc đánh giá kết thi cơng trước đặc điểm phương pháp này, sử dụng Top-base có hiệu so với phương pháp khác trường hợp sau : 1) Khi cần giảm tổng độ lún độ lún khơng xảy chí tải trọng kết cấu khơng vượt khả chịu lực cho phép đất 2) Trường hợp muốn tránh áp dụng móng cọc phương pháp gia cố khác yếu tố hiệu kinh tế v.v tải trọng từ kết cấu móng vượt q khả chịu lực cho phép ngun dạng (trong trường hợp này, độ lún nhỏ khơng thể tránh điều chỉnh để đạt mục đích cách mở rộng diện tích áp dụng Top-base) 3) Trường hợp khơng thể sử dụng thiết bị thi cơng lớn cơng trường điều kiện địa hình hay giao thơng hạn chế, việc gia cố cần thiết (phương pháp Top-base phương pháp thi cơng sử dụng cơng cụ đơn giản để khơng bị giới hạn địa hình điều kiện xung quanh) 92 4) Trường hợp tìm kiếm cách gia cố đồng thời quan tâm hiệu ứng chống rung chống động đất cho móng 5) Trường hợp muốn giảm độ lún biến dạng tải trọng kết cấu khơng vượt q khả chịu lực cho phép q nhiều trừ tải lún lệch tâm 6) Trường hợp muốn tìm kiếm cách gia cố móng ngăn chặn tượng hố lỏng với móng có xét đến tượng hố lỏng động đất 2.4.2 Tính tốn thiết kế: Trước hết, từ kết khảo sát đất, qua thơng số xác định khả chịu lực ban đầu Từ mối quan hệ khả chịu lực tải thiết kế kết cấu u cầu, phương pháp gia cố xem xét Top-base lựa chọn tiến hành thiết kế cách cụ thể Hiện tại, việc thiết kế Top-base thực cách sử dụng “Bảng móng áp dụng phổ biến” Đây phương pháp ước lượng giá trị N lực cố kết Cu ban đầu Topbase từ mối quan hệ với tải kết cấu Phụ thuộc vào nội dung thiết kế, ln cần tính tốn khả chịu lực Top-base Trong trường hợp này, cơng thức tính tốn khả chịu lực Top-base bao gồm ký hiệu phép cơng thức tính tốn khả chịu lực đảm bảo thiết kế tương đối an tồn sử dụng giải thích phần sau Có thể chọn thơng số ứng suất phương pháp thơng thường xác định khả chịu lực ngun dạng cơng thức tính khả chịu lực Terzaghi 2.4.2.1 Ước lượng thơng số ứng suất giá trị N: Trong thiết kế móng, dựa kết thu từ khảo sát địa chất giá trị N Và có trường hợp khơng có phần giải thích phương pháp để ước lượng thơng số ứng suất với giá trị N hướng dẫn thiết kế khác nhau, đơi việc đánh giá kỹ sư khảo sát địa chất đặc tính vùng cần xem xét đến Trong thiết kế phương pháp Top-base, ước lượng thơng số ứng suất dựa giá trị N, cơng thức kinh nghiệm sau sử dụng để đưa thơng số thiết kế an tồn: Trong trường hợp đất cát N>5 φ = 15N + 15 ≤ 450 N≤5 φ = 15 Trong trường hợp đất sét N = (rod settle) cu = 0,3 (tf/m2) N = (mongen set) cu = 0,5 (tf/m2) 1≤N≤5 cu = N / 1,2 (tf/m2) N = 6; cu = (tf/m2) N≥8 cu = N / 1,6 (tf/m2) 93 2.4.2.2 Tính tốn khả chịu lực ban đầu: Khả chịu lực ban đầu tính tốn theo cơng thức tính tốn khả chịu lực, coi hướng dẫn thiết kế kết cấu Tuy nhiên, khơng có phần hướng dẫn tiêu chí tính khả chịu lực cơng thức tính tốn khả chịu lực Terzaghi Trong trường hợp này, dạng phá hoại đất yếu chưa gia cố phá hoại trượt cục bộ, cơng thức tính tốn khả chịu lực xét đến phá hoại trượt cục sử dụng để tính tốn khả chịu lực ban đầu Ngồi ra, tải trọng tác dụng lên tải trọng ngang, tải trọng lệch tâm tải trọng lệch tâm xiên, trường hợp này, khả chịu lực xét đến độ lệch tâm độ nghiêng khơng tính 2.4.2.3 Thiết kết Top-base: Khi tải thiết kế u cầu lớn khả chịu lực cho phép ban đầu giải thích phần (2), Top-base xem xét lựa chọn Trong thiết kế Top-base, phương pháp thiết kế dựa theo tra bảng “Bảng tiêu chuẩn áp dụng Top-base” chấp nhận phổ biến phương pháp đánh giá với tính tốn u cầu cần thiết 2.4.2.3.1 Phương pháp thiết kế sử dụng tra bảng tiêu chuẩn áp dụng Top-base: Tiêu chuẩn áp dụng phổ biến nêu Bảng 2.2 kết cấu để sử dụng thiết kế tiêu chuẩn phụ thuộc vào loại kích cỡ tải thiết kế, phương pháp thiết kế sử dụng theo bảng Trên thực tế, có nhiều trường hợp khơng có đủ liệu khảo sát thiết kế kết cấu xây dựng, cơng tác xây dựng với quy mơ tương đối nhỏ sử dụng kết thí nghiệm độ xun tiêu chuẩn Cân nhắc tình trên, Bảng 2.2 dùng có giá trị N Trong thiết kế sử dụng bảng này, kích thước số lượng lớp Top-block phải xác định với kích thước tải áp dụng giá trị N Trên thực tế, việc đặt khối Top-block xác định cách quy định đặt thừa nửa khối Top-block đáy móng Bảng 2.2 Các tiêu chuẩn ứng dụng phổ biến phương pháp móng Top-base[7]: Hạng mục Tường chắn Tải q(tf/m2) 3