Bài giảng nền móng - Chương 5

Bài giảng Bộ môn Cơ sở kỹ thuật Xây dựng. Nội dung trình bày: Một số vấn đề cơ bản trong thiết kế nền móng các khái niệm cơ bản. Móng là bộ phận chịu lực đặt thấp nhất, là kết cấu cuối

Chương 5

NỀN NHÂN TẠO

5.1 Khái niệm

Khi mà nền thiên nhiên không đủ sức chịu, không đủ độ bền và bị biến dạng nhiều,

thì người ta xử lý nhân tạo

Có nhiều phương pháp gia cố nền yếu Tuỳ thuộc vào từng loại công trình, tuỳ

thuộc vào điều kiện kinh tế kỹ thuật mà mà chọn lựa phương pháp thích hợp

Trong bảng dưới đây sẽ trình bày 1 cách tóm tắt những phương pháp thông dụng

hiện nay

5.2 Đệm cát

5.2.1 Phạm vi áp dụng

Lớp đệm cát được sử dụng có hiệu quả nhất khi lớp đất yếu ở trạng thái bùn nhão

hoà nước (sệt nhão, sệt pha nhão, cát pha nhão hoà nước, bùn, than bùn) và chiều dày nhỏ

hơn 3m Đệm cát thường làm bằng cát hạt to, cát hạt trung hoặc pha hai loại đó với nhau

Việc thay thế lớp đất yếu bằng đệm cát có những tác dụng chủ yếu say đây :

- Sau khi thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới móng công trình đệm cát đóng

vai trò như 1 lớp chịu lực, có khả năng tiếp thu (nhận) được tải trọng công trình

và truyền tải trọng đó xuống lớp đất thiên nhiên phía dưới ;

- Giảm bớt độ lún toàn bộ và độ lún không đều của công trình, đồng thời làm tăng

nhanh quá trình cố kết của đất nền (vì cát trong lớp đệm có hệ số thấm lớn) ;

- Làm tăng khả năng ổn định của công trình kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng,

vì cát được nén chặt sẽ tăng lực ma sát và tăng sức chống trượt ;

- Kích thước móng và chiều sâu chân móng sẽ được giảm bớt vì áp lực tính toán

của đất nền tăng lên

Phương pháp này có những tác dụng tốt như vậy, mà thi công lại đơn giản, không

đòi hỏi các thiết bị phức tạp nên được sử dụng rộng rãi Tuy vậy, trong những trường hợp

bất lợi sau đây thì không nên dụng cát đệm:

- Lớp đất yếu phải thay thế có chiều dày lớn hơn 3m Vì lớp đệm cát có chiều dày

lớn hơn 3m thì tốn rất nhiều cát, thi công khó và chi phí lớn ;

- Mực nước ngầm cao và có áp, vì như vậy việc hạ mực nước rất tốn kém và mặt

khác đệm cát sẽ không ổn định

5.2.2 Xác định kích thước đệm cát

Việc xác định kích thước đệm cát một cách chính xác là một bài toán phức tạp, vì

đệm cát và lớp đất yếu có tính chất hoàn toàn khác nhau

Với mức độ thực tế cho phép, có thể coi lớp đệm cát như 1 bộ phận của đất nền, tức

là đồng nhất và biến dạng tuyến tính Do đó có thể sử dụng được những công thức tính

ứng suất và biến dạng của môn cơ học đất

Để đảm bảo cho đệm cát ổn định và biến dạng trong giới hạn cho phép, thì phải

đảm bảo điều kiện :

σ1 + σ2 ≤ Rdy (5.1)

hM

hd

b

Ntc 0

γhM

σ −γ0tc hM

Trong đó :

σ1_ Ứng suất thường xuyên do trọng lượng bản thân của đất trên cốt đáy móng và của đệm cát tác dụng trên mặt lớp đất yếu và đáy đệm cát

Hình 5.1: Sơ đồ tính toán đệm cát

hM và hd_ Chiều sâu đặt móng và chiều dày lớp đệm cát ;

γ và γd_ Dung trọng của đất và của lớp đệm cát ;

σ2 _ Ứng suất do công trình gây ra, truyền trên mặt lớp đất yếu dưới đáy đệm cát ; σ2 = K0(σ0tc – γhM)

K0_ Hệ số phụ thuộc vào m =

b

z

2 và n =

bl ; z_ Chiều sâu của điểm đang xét;

l_ Chiều dài móng;

b_ Chiều rộng móng (tra bảng 5.1);

σ0tc_ Ứng suất tiêu chuẩn trung bình dưới đáy móng xác định như sau:

a) Trường hợp móng chịu tải trung tâm :

σ0tc = γtb HM +

F

Ntc0

∑ b) Trường hợp móng chịu tải lệch tâm :

σ0tc =

2 1( σmax tc + σmintc )

min

max

σ = γtb HM +

F

Ntc0

∑

± W

Mtc

∑

Trong đó :

∑ N0tc_ Tổng tải trọng tiêu chuẩn thẳng đứng của công trình tác dụng lên móng;

∑ M0tc_ Tổng mô men do tải trọng tác dụng vào móng;

F_ Diện tích đáy móng;

W_ Mô men chống uốn của tiết diện đáy móng và đất đắp lên móng

Cường độ tính toán tại mặt lớp đất yếu, dưới đáy lớp đệm cát xác định theo công

thức :

Rdy =

Ktc

m

m1 2

(Aby γII + BHy γII’ + DCII) Trong đó:

A, B, C_ Các hệ số phụ thuộc ϕII tra bảng;

by_ Chiều rộng móng quy ước, xác định như sau:

- Đối với móng băng

by =

l

N

2

tc 0

σ

∑ (5.8)

- Đối với móng chữ nhật :

∆=

2

b l− (5.10)

Fy =

2

tc 0

N σ

∑ (5.11)

γtb – dung trọng trung bình của các lớp đất kể từ mặt đất thiên nhiên đến lớp đệm

cát, có kể đến sức đẩy nổi của nước

CII - giá trị tính toán thứ 2 của lực dính đơn vị của đất nền ở đáy lớp đệm cát

Để đơn giản trong tính toán, chiều dày lớp đệm cát hd có thể xác định theo công

thức gần đúng sau đây :

Trong đó:

K_ hệ số phụ thuộc vào tỉ số

bl và

2

1

R R

tra trên biểu đồ hình 5.2;

Hình 5.2 Biểu đồ xác định hệ số K

R1_ Cường độ tính toán của đệm cát, thường xác định bằng thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường hoặc theo công thức quy phạm;

R2_ Cường độ tính toán của lớp đất yếu nằm dưới lớp cát đệm, thường xác định bằng bàn nén tại hiện trường hoặc theo CII, ϕII

Chiều rộng đệm cát xác định theo công thức :

Theo kinh nghiệm thiết kế, để đảm bảo yêu cầu về ổn định thì góc truyền lực α thường lấy bằng góc ma sát trong của cát (cũng là góc nghỉ thiên nhiên của cát (α = ϕd) hoặc có thể lấy trong giới hạn = 30 ÷ 450

Sau khi xác định được kích thước của đệm ta phải kiểm tra lại điều kiện (5.1) và bảo đảm độ lún trong giới hạn cho phép :

Hình 5.3 Móng trên đệm cát

Trong đó:

S1 : độ lún của đệm cát;

S2 : độ lún của lớp đất dưới đệm cát (trong vùng chịu nén cực hạn);

Sgh : độ lún giới hạn cho phép;

Thông thường người ta cấu tạo đệm cát như hình bên để đảm bảo hố đào trong đất

yếu không bị sụt lở và phù hợp với biểu đồ ứng suất dưới đế móng.Theo kinh nghiệm có

thể lấy cạnh AD = AE và BC = BG

5.3 Nền cọc cát

5.3.1 Đặc điểm và phạm vi áp dụng

Trước hết phải phân biệt cọc cát với các loại cọc cứng khác (bằng bê tông cốt thép,

bằng thép, bằng gỗ, bằng tre…) Mạng lưới cọc cát làm nhiệm vụ gia cố nền, nên gọi là

nền cọc cát Còn các loại cọc cứng là một bộ phận của kết cấu móng (móng cọc) làm

nhiệm vụ truyền tải của công trình xuống nền

Cọc cát có những đặc điểm sau đây :

- Làm nhiệm vụ như giếng cát, giúp cho nước lỗ rỗng trong đất thoát ra nhanh,

nên làm cho quá trình cố kết của đất tăng lên và độ lún chóng ổn định hơn ;

- Khi thi công nền cọc cát thì trước hết ống thép (tạo lỗ) đã bước đầu làm giảm thể

tích đất, sau đó cát trong các lỗ đó lại tiếp tục nén chặt đất thêm Tức là làm cho

độ rỗng của đất giảm bớt, nước lỗ rỗng trong đất thoát ra và do đó làm cho

cường độ của nền cọc cát (bao gồm cọc cát và đất giữa các cọc) được tăng lên

Như vậy là nền đất được tốt lên một cách rõ rệt ;

- Nền cọc cát được thi công một cách đơn giản với các vật liệu rẻ tiền (cát thô, sạn

sỏi) nên giá thành thường ít hơn các loại móng cọc và đệm cát ;

Do những ưu điểm như vậy nên cọc cát thường được dùng để gia cố nền đất yếu có

chiều dày lớn (≥ 3m)

Trong những trường hợp sau đây thì không nên dùng cọc cát :

- Đất quá nhão yếu, lưới cọc cát không thể lèn chặt được đất Chúng tôi đề nghị,

khi hệ số rỗng nén chặt enc > 1 chứng tỏ hiệu quả nén chặt của cọc cát rất ít, và

như vậy thì không nên dùng cọc cát

- Chiều dày lớp đất yếu nhỏ hơn 2m, thì dùng đệm cát lại tốt hơn cọc cát

5.3.2 Tính toán nền cọc cát

Người ta thi công cọc cát bằng máy chuyên dùng Ống thép tạo lỗ và nhồi cát vào

lòng đất có đường kính 400 - 500 mm

Trước khi đóng cọc cát phải biết hệ số rỗng thiên nhiên của lớp đất yếu (theo kết

quả khảo sát) Sau khi nén chặt bằng cọc cát, thì đất nền có hệ số rỗng nén chặt Tương

ứng với enc đó, cần phải bảo đảm độ chặt của nền đất (được gia cố bằng cọc cát) có giá trị

ID = 0,7 - 0,8

Hệ số rỗng của nền cát được gia cố bằng cọc cát :

enc = emax - ID (emax - emin) (5.16) Trong đó :

emax : hệ số rỗng của cát ở trạng thái xốp nhất

emin : hệ số rỗng của cát ở trạng thái chặt nhất

Đối với nền đất dính được nén chặt bằng cọc cát :

2 100

W W

w

γ

γ

(5.16a) Diện tích đất nền được nén chặt bởi các cọc cát là :

Ở đây :

b - chiều rộng đáy móng (tính bằng m);

l - chiều dài đáy móng (m)

Tỷ lệ diện tích tiết diện của tất cả các cọc cát Fc đối với diện tích đất nền được nén

chặt Fnc được xác định như sau :

0

nc 0 nc

0

e 1

e e F

F

+

−

= Ω

Từ đó số lượng cọc cát cần thiết để nén chặt nền đất yếu là :

n =

c

nc

f

F Ω

(5.19)

fc - diện tích tiết diện mỗi cọc cát (lấy bằng diện tích tiết diện của ống thép khi tạo

lỗ cọc cát)

Cọc cát thường được bố trí theo đỉnh lưới hình tam giác đều Đó là sơ đồ bố trí hợp

lý nhất để đảm bảo cho đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc cát

Fnc Fmãng

0,2b b 0,2b

Hình 5.4: Bố trí các cọc cát để nén chặt nền

Khoảng cách giữa các cọc cát là :

L = 0,95d

0 nc

nc

γ

− γ

γ

(5.20) Trọng lượng riêng của đất sau khi nén chặt bằng cọc cát :

nc

s c

e

1 +

γ

=

Trong đó :

W - độ ẩm của đất ở trạng thái thiên nhiên ;

0

γ - trọng lượng riêng của đất ở trạng thái thiên nhiên;

d - đường kính cọc cát

Cọc cát chỉ có tác dụng nén chặt đất nền theo chiều sâu, nếu số lượng cát chứa đầy trong các cọc đáp ứng được yêu cầu độ chặt cần thiết theo thiết kế

Trọng lượng cần thiết của cát cho mỗi mét dài của cọc được xác định theo công thức;

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ + +

γ

100

W 1 e 1

f

nc

s

L

L

d

A

Hình 5.5: Sơ đồ xác định khoảng cách giữa tim các cọc cát

Trong đó:

s

γ - trọng lượng riêng của hạt cát dùng trong cọc ;

W1 - độ ẩm của cát khi thi công cọc

Chiều sâu nén chặt của nền bằng chiều dài của cọc

Đối với móng hình chữ nhật thì chiều dài của cọc cát phải bằng hoặc lớn hơn 2 lần chiều rộng của móng tức là lc ≥ 2b

Đối với móng băng thì lc ≥ 4b

Khi chiều rộng của móng lớn hơn 10m thì có thể xác định chiều sâu đóng cọc cát như sau :

lc ≥ 9m + 0,15b (khi đất nền là sét);

lc ≥ 6m + 0,10b (khi đất nền là cát)

5.4 Nền cọc vôi và cọc đất – ximăng

5.4.1 Đặc điểm và phạm vi áp dụng cọc vôi

Cọc vôi thường được dùng để nén chặt các lớp đất yếu như: than bùn, bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão

Cọc vôi có những tác dụng sau đây:

- Sau khi cọc vôi được đầm chặt, thì đường kính cọc vôi sẽ tăng lên 20% và đất xung quanh cọc được nén chặt lại

- Khi vôi được tôi trong lỗ khoan thì dưới nhiệt độ khoảng 120-1600C sẽ tạo ra một nhiệt lượng khoảng 280Kcal trên 1kg canxi Với một nhiệt lượng lớn như vậy, nước lỗ rỗng trong đất sẽ bốc hơi, làm giảm độ ẩm trong đất và làm cho quá trình nén chặt đất tăng nhanh Mặt khác, khi tôi vôi thì thể tích sẽ tăng lên khoảng 2 lần và do đó đất xung quang cọc cũng được nén chặt thêm nữa

Do những tác dụng của cọc vôi như vậy nền đất sẽ có những biểu hiện tốt lên như sau:

- Độ ẩm của đất sẽ giảm đi khoảng 5 - 8%;

- Modul biến dạng tăng khoảng 3 - 4 lần ;

- Lực dính tăng lên khoảng 1,5 - 3 lần

Theo kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cường độ chịu nén 1 trục của mỗi cọc vôi

có thể đạt tới 1000-2500 KPa

Cường độ của đất giữa các cọc vôi có thể tăng lên khoảng 2 lần Và vì thế, sau khi gia cố thì nền cọc vôi có cường độ tăng lên khoảng 2-3 lần

Như vậy là nền đất yếu sau khi được gia cố bằng cọc vôi, thì cường độ được tăng lên một cách rõ rệt Tuy nhiên, khi đất ở trạng thái quá nhão yếu (thường có độ sệt IL>1) thì cần phải thận trọng khi dụng cọc vôi, bởi vì hiệu quả nén chặt của cọc vôi sẽ rất bị hạn chế Nhất là đối với loại bùn gốc sét và sét nhão yếu thì hiệu quả nén chặt ngày càng ít vì vôi tôi và đất sét đều là loại thấm nước ít nên nước lỗ rỗng trong đất được ép thoát ra rất khó Trong trường hợp đó, thì nên dùng đệm cát, cọc cát hoặc các giải pháp xử lí nền khác

Ở nước ta thì cọc vôi còn được dùng rất ít nên chưa có kinh nghiệm mấy

5.4.2 Thiết kế và thi công cọc vôi

Việc tính toán và thiết kế cọc vôi tương tự như cọc cát Nhưng chú ý là khả năng thoát nước của chúng khác nhau

Để thi công cọc vôi, trước hết phải khoan tạo lỗ Đường kính hố khoan thông thường là 240 - 400mm Nếu thành hố khoan bị sụt lở thì phải hạ ống chống bằng thép Sau đó người ta cho từng lớp vôi sống dày khoảng 1m xuống lỗ khoan và đầm chặt từng lớp cho đến hết chiều dài hố khoan Vừa đầm vừa rút ống chống lên

Hiệu quả nén chặt của cọc vôi phụ thuộc vào chất lượng đầm chặt ban đầu và phụ thuộc vào thành phần hoá học của vôi, trước hết phụ thuộc vào hàm lượng của MgO và CaO Thông thường thì vôi canxi khi tôi có thể tích tăng lên nhiều hơn vôi dolomi

Độ chặt hoặc cường độ của nền cọc vôi cũng có thể kiểm tra tương tự như nền cọc cát Nghĩa là có thể dùng bàn nén hiện trường và xuyên tiêu chuẩn để thí nghiệm kiểm ta

Trên đây là phương pháp thi công cọc vôi của Liên Xô cũ và một số nước Đông âu

Ở Thụy Điển và một số nước phương Tây người ta lại thi công cọc vôi bằng phương pháp khác Khác với phương pháp trên, là ở chỗ vật liệu làm cọc Sau đây sẽ trình bày phương pháp thi công loại cọc đất vôi

5.4.3 Cọc đất - vôi

5.4.3.1 Chế tạo cọc đất - vôi

Cọc đất vôi do máy LPS-3 của hãng Lindas Alimak của Thụy Điển sản xuất Máy ALIMAX có cấu tạo như hình bên Máy ALIMAX gồm hai bộ phận chính: phần máy điều khiển và xilo đựng vôi bột hoặc xi măng bột Máy điều khiển hoạt động của bộ phận khoan và xilo

Lưỡi khoan như các ngoáy trứng khổng lồ Lưỡi khoan có đường kính φ500mm, có tác dụng tạo lỗ và làm đất tơi ra tại chỗ Có thể khoan sâu 10m Khi khoan đến chiều sâu thiết kế, thì bắt đầu quá trình phun vôi Vôi bột được chứa trong xilo, có dung tích 2,5m3 (đủ cho 1 ca hoạt động) Khi máy vận hành, một bộ phận máy nén khí sẽ tạo nên trong xilo một áp lực khoảng 10atmotphe Với áp lực đó vôi bột sẽ được đẩy từ xilo, qua ống dẫn băng cao su vào cần khoan lỗ, chui ra một lỗ nhỏ φ500mm ở dưới lưỡi khoan và phun vào lòng đất Vôi bột tác dụng với nước lỗ rỗng trong đất tạo nên các liên kết ximăng và silicat hoá Các liên kết đó sẽ gắn kết các hạt khoáng vật trong đất lại và làm cho đất trở nên cứng hơn lên một cách rõ rệt

5.4.3.2 Hiệu quả tác dụng của cọc vôi đất

q (K Pa)

c

1500

1000

500

0

(ngµy)

1 2 3 4 5

v«i v«i v«i v«i v«i

15 %

11 % 9%

7%

5%

Hình 5.6: Sự tăng cường độ cọc đất vôi theo thời gian

Sau khi máy ALIMAX tạo nên cọc đất vôi tại chỗ, cường độ của cọc đất vôi này tuỳ thuộc vào lượng vôi phun và tăng dần theo thời gian Biểu đồ sau đây thể hiện điều đó Kết quả nghiên cứu của viện KHKTXD Bộ Xây Dựng cho thấy rằng, lượng vôi càng nhiều thì độ cứng của cọc càng tăng nhanh

I I

II - II

I - I

Hình 5.7: Dùng cọc vôi đất làm tường cừ

Ở nước ta, đối với đất yếu có độ ẩm thiên nhiên khoảng 40-70% thì dùng lượng vôi khoảng 6-12% là hợp lí Với tỉ lệ đó thì cường độ cọc đạt được 50% sau 1 tháng và 70-80% sau 3 tháng Độ bền của đất thể hiện qua sức chống cắt của đất Sau khi gia cố bằng cọc vôi đất có thể tăng lên hàng chục lần Sức chống cắt không thoát nước có thể đạt tới

1000 KPa Nhờ cường độ của cọc đất- vôi tăng lên một cách rõ rệt như vậy, nên người ta

có thể dùng cọc này để làm tường cừ hoặc chịu tải trọng công trình

a Làm tường cừ: Tường cừ bằng cọc vôi đất làm thành 1 dãy sát nhau (như hình

vẽ) tuỳ theo yêu cầu từng loại công trình Áp lực chủ động của đất càng lớn, tức

là lực đạp của đất càng khoẻ thì càng cần nhiều dãy cọc Người ta có thể dùng cọc đất vôi để làm tường cừ bảo vệ mái dốc và bảo vệ thành hố móng

b Làm nền cho móng công trình: Do cọc đất vôi có khả năng làm tăng sức chịu tải

của nền (thông thường là từ 3-5 lần, theo kết quả nén tĩnh tại hiện trường với bàn nén 10.000cm2) nên người ta có thể dùng cọc vôi để gia cố nền

Hình 5.8: Dùng cọc vôi đất để gia cố nền đất yếu