giải pháp móng cho nền đất yếu công nghệ top – base

CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TỒN GIẢI PHÁP MĨNG CHO NỀN ĐẤT YẾU CƠNG NGHỆ TOP – BASE I ĐẶT VẤN ĐỀ Đã từ lâu công trình xây dựng địa yếu gây nhiều khó khăn cơng tác khảo sát thiết kế, thi công đặc biệt làm cho giá thành cơng trình bị đẩy lên cao, nhiều dự án phải dừng lại thiếu kỹ thuật, thiếu giải pháp hữu hiệu để triển khai thực Vấn đề đặt cho nhà khoa học, nhà thiết kế, nhà quản lý nhà thi công phải tìm giải pháp nhằm giải vướng mắc nói Để khắc phục khó khăn có nhiều giải pháp xử lý đất yếu đưa như: biện pháp thay đất, biện pháp cọc cát, cọc đất gia cố xi măng, bấc thấm, hút chân không… tùy vào quy mơ cơng trình khả kỹ thuật nhà thi công mà ta chọn biện pháp xử lý thích hợp Trong vài năm gần số dự án kiến nghị dùng biện pháp móng Top – Base để thi cơng cơng trình đất yếu, bước đầu cho thấy tính hiệu việc làm tăng sức chịu tải đất, giảm lún, giảm thời gian thi công từ giảm giá thành xây dựng II NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP MÓNG TOP-BASE 2.1 Giới thiệu chung: Phương pháp Top – Base Method (TBM) sử dụng khối bê tơng có dạng hình phễu (hay topblock) xếp liên tục đất tạo tầng đệm (gọi lớp Top – Base) móng cơng trình với đất thực Lỗ rỗng khối bê tông chèn lấp vật liệu rời đầm chặt (thông thường sử dụng đá dăm) Mặt cắt ngang lớp Top – Base (Hình2.1) Nền gia cố hai lớp Top – base Hình 2.1: Mặt cắt ngang lớp Top-Base Hiện thực tế thường sử dụng loại top – block có đường kính 33cm 50cm để xử lý đất yếu đáy móng cơng trình Theo kết nghiên cứu nước sử dụng phương pháp TBM việc xử lý đất yếu phương pháp móng TBM tăng sức chịu tải đất lên đến 200%, giảm độ lún 15% – 30% so với đất yếu không sử dụng biện pháp xử lý NHĨM CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TOÀN 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 công đất yếu 30 năm Nhật Bản, Hàn Quốc Công nghệ Top- Base phát minh Nhật Bản vào năm 1980, thời gian công 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 công 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 Top- Base trở nên đơn giản nhanh chóng thi công, thân thiện với môi trường đặc biệt giá thành hạ cách thuyết phục Với 2000 cơng trình Hàn Quốc xây dựng Top- Base 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 công 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 NHĨM CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TỒN 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 Công ty Banseok với Bộ mơn Cơ học đất – Nền móng Trường Đại học Xây dựng năm 2007 Cũng năm này, Ông Đỗ Đức Thắng, Giám đốc Công ty Kết cấu Công nghệ Việt Nam (NST Việt Nam) tham quan cơng nghệ Hàn Quốc hình thành ý định áp dụng công nghệ Việt Nam Năm 2008, lần Cơng nghệ móng Top-Base nghiên cứu Trường Đại học Xây dựng qui mô mơ hình phòng thí nghiệm Cơ học đất Tháng 08/2008, Công ty TBS Việt Nam liên doanh Hàn quốc với Việt Nam đời nhằm thúc đẩy áp dụng công nghệ vào Việt nam Lần công 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 Công 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 Nguyên 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 trình tiếp nhận tải trọng cơng trình bên thơng qua việc hạn chế biến dạng ngang Hình 2.7: Cấu tạo Top –Base NHĨM 4 CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TOÀN 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 trình truyền ứng suất bê tông thông qua khối Top-Block Hiện công nghệ Top –Base đưa loại Top-Block với kích thước tương ứng φ330mm,φ500mm φ2000mm có cấu tạo hình sau: 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 Hình 2.9b Bánh xích dạng Top-shape máy ủi 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 (PH) Điều dẫn đến biến dạng ngang bị ngăn cản lực kháng lớp vật liệu rời rạc phần cọc, (Hình 2.9c) NHĨM CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TỒN 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 thông 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 không gây ảnh hưởng đến lớp đất sâu Hình 2.9c: Biến dạng ngang Hình 2.10 Phân phối ứng suất loại móng khác sau lún dài hạn Hình 2.11 Phân bố ứng suất không gia cố gia cố Top - Base NHĨM CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TOÀN 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) Hình 2.12: Các loại móng dùng kiểm tra lún theo thời gian a) Nền tự nhiên không gia cố b) Nền gia cố đá dăm dày 20cm c) Nền gia cố cọc gỗ φ12cm d) Nền gia cố lớp Top – Base e) 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 NHĨM CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TỒN Kết thí nghiệm xác định độ lún theo thời gian loại thể qua biểu đồ quan hệ sau: Hình 2.13: Quan hệ độ lún với thời gian xác định trường 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 không 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 không 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 trường (hình 2.14) Hình 2.14: Quan hệ độ lún với thời gian xác định phòng thí nghiệm 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 không sử dụng biện pháp gia cố Kết NHĨM CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TOÀN 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 giảm lún mà có khả giảm chấn lớn, kết đánh giá qua thực tiễn trận động đất Chiba vào 12/1988 điều đáng 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 toàn 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 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 trường NHĨM CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TỒN Hình 2.16: Đường biểu diễn quan hệ p – S phòng thí nghiệm 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 không sử dụng biện pháp gia cố 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 chôn 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 NHĨM 10 CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TOÀN 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 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 Top- base ngăn chặn việc sinh phá hoại trượt cục cách ngăn chặn biến dạng ngang Công thức tính khả chịu lực Terzaghi thực tính toán 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 nguyên dạng bị phá hoại trượt cục Top-base dẫn đến phá hoại trượt sâu, có khả chịu lực lớn 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 yêu 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 không 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 môi trường xung quanh không v.v…hiệu kinh tế độ an toàn so với phương pháp khác v.v… NHĨM 11 CƠNG NGHỆ TOP – BASE GVHD: TS LÊ KHÁNH TOÀN 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 xuyên 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: Hạng mục Tải q(tf/m2) q≤3 Nền 3