Chương 5 xử lý nền đất yếu

Chương XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 5.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐẤT YẾU Nền đất yếu đất có khả chịu tải nhỏ, khơng đủ độ bền có biến dạng nhiều, khơng thể xây dựng cơng trình Khi thi cơng cơng trình xây dựng gặp loại đất yếu, tùy thuộc vào tính chất lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo cơng trình mà người ta dùng phương pháp xử lý móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho cơng trình Đất yếu thực tế ảnh hưởng lớn đến công trình xây dựng giai đoạn thi cơng lẫn sử dụng Các tượng cơng trình bị phá hoại đất yếu gây ra: Lún không tầng đất yếu có độ dày thay đổi làm nghiêng, nứt cơng trình dẫn đến sụp đổ (Hình 1, Hình 2) Trong thực tế xây dựng, có nhiều cơng trình bị lún, sập xây dựng đất yếu khơng có biện pháp xử lý hiệu quả, khơng đánh giá xác tính chất lý đất để làm sở đề giải pháp xử lý móng phù hợp Đây vấn đề khó khăn, đòi hỏi kết hợp chặt chẽ kiến thức khoa học kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm tối đa cố, hư hỏng cơng trình xây dựng đất yếu Nắm vững xử lý tốt móng yêu cầu quan trọng để cơng trình xây dựng an tồn kinh tế Để đáp ứng yêu cầu này, thiết kế thi công khu vực người thiết kế cần nghiên cứu đặc trưng địa kỹ thuật lớp đất để từ đề biện pháp xử lý phù hợp Hình Chương 5.1.Đất yếu gây tượng trượt lở mái dốc Hình Chương 5.2 Đất yếu cố kết, lún âm ỉ theo thời gian gây hư hỏng cơng trình 5.1.1 Khái niệm đất yếu Theo TCVN 9355 : 2012, loại đất yếu thường gặp bùn, đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) trạng thái dẻo chảy Những loại đất thường có độ sệt lớn (I L > 1), hệ số rỗng lớn (e > 1), góc ma sát nhỏ (ϕ < 100), lực dính theo kết cắt nhanh khơng nước C 20cm > 30cm Đường cấp 60 trở xuống có tầng mặt cấp cao A1 >20 cm > 30cm > 40cm Loại cấp đường - Về hệ số ổn định đường, tính theo phương pháp phân mảnh cổ điển (Fellenius) Kmin < 1,20 theo phương pháp Bishop Kmin < 1,40 phải xử lý 5.2.2 Nguyên lý nhóm biện pháp xử lý đất yếu Các phương pháp xử lý đất yếu có nhiều, với phương pháp công nghệ thi cơng Mỗi phương pháp xử lý có cơng nghệ thi công đặc thù, nhiên phương pháp xử lý đất yếu dựa hai nguyên lý sau 5.2.2.1 Nguyên lý làm tăng sức kháng cắt thông qua việc làm tăng tốc độ cố kết Hiện tượng cố kết thấm giảm hệ số rỗng đất cách trục xuất nước bên lỗ rỗng tượng thấm, nhờ hạt đất tì chặt trực tiếp lên nhau, cấu trúc đất gia cố liên kết trực tiếp hạt đất (Hình 4) Hình Chương 5.4 Đất cố kết tải trọng tác dụng Bản chất tác dụng việc cố kết đất trước xây dựng nói chung giải thích Hình Nếu trước xây dựng mà khơng gia cố đất sau đặt cơng trình lên tải trọng cơng trình (p) gia tăng áp lực lên khiến cho trình cố kết xảy nước bị đẩy khỏi lỗ rỗng Kết đất bị lún tương đối nhanh, gây tượng lún khơng đều, từ dẫn đến nứt gãy kết cấu Tại thời điểm t đất cố kết hoàn toàn đạt độ lún cuối Sc(p) Nếu khơng có thay đổi tải trọng, ổn định khơng tiếp tục lún Hình Chương 5.5 Đường trình lún Gia cố trước xây dựng tiến hành cách gia tải trước có giá trị tổng tải trọng cơng trình (p) với siêu tải (f) (tải trọng gia tải chất thêm), tổng siêu tải (p+f), khiến lún nhanh mau chóng đạt giá trị S(p+f) xấp xỉ giá trị độ lún cuối Sc(p) thời điểm t1, sớm t2 Nếu thời điểm bắt đầu xây dựng đặt cơng trình lên độ lún dư năm cơng trình tương đối nhỏ khơng gây nguy hại cho kết cấu Có thể thấy siêu tải (f) lớn, thời gian cố kết t1 ngắn Một lưu ý xây dựng đất có khả nở ngược gia tải cơng trình dỡ mà cơng trình chưa xây dựng xong (hình 6) Vì việc chọn giá trị độ lún S(p+f) thời điểm ngừng gia cố đòi hỏi tính tốn tượng nở ngược Hình Chương 5.6 Đường trình lún 5.2.2.2 Nguyên lý làm tăng trực tiếp sức kháng cắt, sức chịu tải Nguyên lý dựa triết lý làm thay đổi trực tiếp tính chất học, tính chống cắt đất yếu biện pháp hóa học (như trộn đất nguyên trạng với ximăng vôi thành cọc ximăng đất cọc vôi đất), biện pháp học (như cọc cát làm tăng độ chặt đất nền….) Trong phần sau phương pháp xử lý đất yếu phân loại giới thiệu dựa hai nguyên lý 5.2.2.3 Đặc điểm chung biện pháp xử lý đất yếu Việc lựa chọn giải pháp xử lý đất yếu phụ thuộc vào đặc điểm đất yếu u cầu cơng trình Bảng đưa lựa chọn số giải pháp xử lý đất yếu thích hợp cho loại đất yếu cơng trình Bảng Chương 5.2 Các biện pháp xử lý Nhóm phương pháp Phương pháp Phạm vi áp dụng Ghi Giếng cát sử dụng loại đất bùn, than bùn loại đất Cần ý khả phá hỏng Giếng cát kết dính bão hòa nước, có tính biến dạng đất yếu kích thước giếng cát hợp với gia tải lớn xây dựng cơng trình có lớn Phải kiểm tra tốn ổn trước kích thước tải trọng lớn thay đổi định, trượt thời gian lún theo thời gian đường, sân bay, tốc độ lún ổn định làm tăng sức đáy cơng trình thủy lợi kháng cắt - Xây dựng đường đất yếu có thơng qua việc u cầu tăng nhanh tốc độ cố kết làm tăng tốc tăng nhanh cường độ đất yếu để độ cố kết bảo đảm ổn định đắp hạn chế độ lún trước làm kết cấu áo đường Bấc thấm kết - Tôn đất yếu để làm mặt hợp gia tải chứa vật liệu, để xây dựng kho chứa tầng, để xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp loại nhỏ - Sự phá vỡ kết cấu đất thi công Sự phá hỏng kết cấu làm tăng tổng độ lún làm giảm sức kháng cắt đất - Phạm vi chiều sâu thực có hiệu bấc thấm - Giá trị tải trọng nén trước để việc thoát nước lỗ rỗng cố kết đất có hiệu có tải trọng phân bố diện rộng (sau lún đến ổn định) làm tăng trực tiếp sức kháng Thay đất Chỉ áp dụng với tầng đất yếu mỏng < Cần thiết lựa chọn chất lượng 2,5m đất thay Thơng thường đóng 25 cọc/m2 cắt, sức chịu tải Cọc tre, cọc tram Gia cố nông, chủ yếu giải Nên tính tốn nhóm cọc tốn sức chịu tải Phải tính lún làm việc để lựa chọn số lượng nhóm cọc cọc hợp lý Đóng nhiều làm phá hoại Cọc nhỏ bê tông Gia cố sâu, giải toán ổn định cốt thép đường chống lún phải tính lún kính nhỏ Cọc xi nhóm cọc măng đất, cọc vơi đất Là giải pháp kinh tế tăng ma sát bên cọc khắc phục giới hạn cọc tre, cọc tràm (chiều dài giới hạn) Kiểm tra lượng xi măng vơi Gia cố sâu thí nghiệm phòng Phân bố ứng suất Tăng khả Phải kiểm tra độ ổn định Đất có cốt, vải chịu kéo đất, giảm áp lực lên mái dốc tường chắn Có thể địa kỹ thuật tường chắn ngăn cách lớp đất yếu kết hợp với vật liệu san lấp lưới địa kỹ thuật lớp đất đắp thay Thoát nhẹ Sử dụng theo dẫn kỹ nước tốt thuật nhà cung cấp Đầm chặt đất Cát rời, đất sét yếu gia cố sâu Phải có lượng cát bù sau cát, cát bụi gây chấn động đầm rung biện pháp rung, đầm rơi nặng 5.3 MỘT SỐ BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU THƯỜNG DÙNG 5.3.1 Các biện pháp tăng nhanh tốc độ cố kết 5.3.1.1.Biện pháp giếng cát xử lý đất yếu a) Đặc điểm phạm vi áp dụng Giếng cát biện pháp gia cố đất yếu cách làm cho nước lỗ rỗng đất yếu thẳng đứng mao dẫn thơng qua cọc cát hạt trung thô (thấm nước tốt) tác dụng tải trọng gia tải trước Giếng cát sử dụng loại đất bùn, than bùn loại đất dính bão hòa nước, có tính biến dạng lớn xây dựng cơng trình có kích thước tải trọng lớn thay đổi theo thời gian đường, sân bay, đáy cơng trình thủy lợi… Giếng cát có hai tác dụng : - Giếng cát làm cho nước tự lỗ rỗng thoát thẳng đứng, sau chảy ngang theo lớp đệm cát đặt đỉnh giếng cát làm tăng nhanh tốc độ cố kết nền, làm cho cơng trình nhanh đạt đến giới hạn ổn định lún, đồng thời làm cho đất có khả biến dạng đồng - Nếu khoảng cách giếng chọn thích hợp có tác dụng làm tăng độ chặt sức chịu tải đất tăng lên Những điểm giống khác giếng cát cọc cát : - Kích thước (đường kính chiều dài) tương tự nhau, khoảng cách giếng cát lớn cọc cát - Nhiệm vụ chúng khác : + Cọc cát làm chặt đất chính, làm tăng sức chịu tải đất nền, thoát nước lỗ rỗng phụ + Giếng cát để thoát nước lỗ rỗng chính, tăng nhanh q trình cố kết, làm cho độ lún nhanh chóng ổn định Làm tăng sức chịu tải phụ  Ưu nhược điểm: - Ưu điểm: + Sử dụng vùng có đất yếu lớn, chiều sâu xử lý lớn 20m + Tốc độ cố kết nhanh bấc thấm, nên thời gian chờ lún cố kết nhỏ Độ lún dư sau xử lý nhỏ + Mức độ rủi ro thấp, diễn biến lún không phức tạp + Khả chống ổn định trượt sâu cao bấc thấm, ngồi tác dụng nước để cố kết đất, có tác dụng cải thiện đất q trình thi cơng giếng cát (lèn đất thay đất yếu cát trung giếng cát) - Nhược điểm: + Phải có thiết bị thi công, cần cắm giếng cát sâu lớn 20m (khi chiều sâu nhỏ, cải tiến máy thi công từ máy đào, cần cẩu) + Phải tốn cát có hệ số thấm cao để lấp giếng (thường dùng cát hạt trung, hạt thô sàng tuyển kỹ) + Có thể xảy tượng cát nhồi bị ngắt quãng giếng, tác dụng dẫn nước bị giảm + Tiến độ thi công chậm bấc thấm + Cần lưu ý sử dụng giếng cát gia cố đất yếu cần đảm bảo đạt độ đồng cát suốt chiều dài giếng cát, tránh tượng đứt đầu giếng cát tác dụng loại tải trọng Xử lý đất yếu giếng cát phát huy hiệu cao đất yếu có hàm lượng hữu không lớn (thường 0,25mm chiếm 50% trọng lượng, cấp phối rải d = - 0,25mm -Với cát đen; hàm lượng SiO2 không nhỏ 80%, hàm lượng hữu không lớn 2%, hàm lượng mica hàm lượng sét nên nhỏ 2% Có thể trộn 70% cát vàng với 30% cát đen hay ba phần sỏi với hai phần cát vàng (sỏi có cỡ hạt 20 - 30mm)  Thiết kế lớp đệm cát Khi thiết kế lớp đệm cát, yêu cầu phải đảm bảo điều kiện sau đây: - Lớp đệm cát ổn định tác dụng tải trọng cơng trình; - Áp lực mặt lớp đất yếu đáy lớp đệm tải trọng công trình gây phải nhỏ áp lực tiêu chuẩn mặt lớp đất đó; - Độ lún tồn lớp đệm lớp đất nằm độ lún khơng móng phải nhỏ giá trị giới hạn quy định quy phạm thiết kế Khi có đệm cát, đất trở thành mơi trường lớp có tính chất hồn tồn khác nhau, lớp đệm cát có kích thước giới hạn lớp đất yếu có kích thước phát triển vơ hạn theo hướng Tuy nhiên tính tốn, người ta coi lớp đệm cát phận đất tức đồng biến dạng tuyến tính Với quan điểm này, kích thước lớp đệm cát thiết kế phải thỏa mãn: (Chươ ng 5.4 9) h σ + σ ≤ RH H P d Tầng đệm cát 49 Hỡnh Chng 5.36 Lp m cỏt đáy móng Trong đó: - σ1: ứng suất thường xuyên trọng lượng thân đất đệm cát tác dụng mặt đất yếu đáy lớp đệm cát σ1 = γđ.h + γc.d (Chươ ng 5.5 0) - γđ, γc: trọng lượng thể tích đất yếu cát làm đệm; - h: khoảng cách từ đáy móng đến mặt đất; - d: chiều dày lớp đệm cát; - σ2: ứng suất tải trọng công trình gây mặt lớp đất yếu đáy đệm cát; σ2 = α0.(σ0 – γđ.h) (Chươ ng 5.5 1) - α0: hệ số xét đến thay đổi ứng suất theo chiều sâu phụ thuộc vào chiều dài móng l, chiều rộng móng b khoảng cách từ đáy móng đến đáy lớp đệm cát (tra Hình Chương 5.37); - σ0: ứng suất bề mặt tầng đệm cát trọng tâm đáy móng (Chươ ng 5.5 2) σ0 = N/F - N: tổ hợp tải trọng thẳng đứng trọng tâm đáy móng; - F: diện tích đáy móng; - RH: sức chịu tải đất yếu đáy lớp đệm cát Chiều dày lớp đệm cát hc xác định theo công thức: (Chươ ng 5.5 3) hc = K.b - K: hệ số phụ thuộc tỉ số l/b R1/R2, tra từ tốn đồ Hình Chương 5.37; - R1, R2: sức chịu tải đệm cát đất yếu xác định từ thí nghiệm trường 50 Hình Chương 5.37 Tốn đồ xác định hệ số K  Thi cơng đệm cát Hiệu đệm cát phụ thuộc phần lớn vào chất lượng công tác thi công, phải đầm nén đảm bảo đủ độ chặt không làm phá hoại kết cấu lớp đất bên Trường hợp khơng có nước ngầm, cát đổ lớp dày khoảng 20cm, làm chặt đầm lăn, đầm rung… có nước ngầm cao, phải có biện pháp hạ mực nước ngầm dùng biện pháp thi công nước Độ ẩm đầm nén tốt cát làm vật liệu lớp đệm xác định theo công thức sau : W = tn 0,7eγn γs (Chương 5.54) Trong : e - hệ số rỗng cát trước đầm nén; γ n - trọng lượng riêng nước = 10 KN/m3; γ s - trọng lượng riêng cát Sau đầm nén cần kiểm tra lại độ chặt đệm cát cách sử dụng xuyên tiêu chuẩn; xuyên tĩnh xuyên động b) Phương pháp dùng bệ phản áp Nguyên lý : Giải pháp phản áp đắp đất cạnh ta luy với chiều cao thấp đường, tạo nên khối phản áp, để chống lại khối gây trượt (về lý thuyết tượng trượt xảy mô men gây trượt lớn mô men chống trượt; khối phản áp đặt vùng chống trượt) (Hình 38)  Ưu nhược điểm - Ưu điểm: Giải pháp có tác dụng chống trượt sâu, dùng phổ biến hầu hết dự án Giao thông, kết hợp đồng thời với giải pháp khác thay đất bấc thấm, giếng cát hay dùng đoạn sát đầu cầu hay cống hộp, đắp cao, thi công nhanh Với số cầu cao, phải dùng phản áp đặt trước mố, để chống trượt dọc cầu - Nhược điểm: Đó khơng giảm thời gian lún cố kết khơng khơng giảm độ lún mà tăng thêm độ lún (do thêm tải trọng bệ phản áp hai bên) Ngồi có 51 nhược điểm khối lượng đắp lớn diện tích chiếm dụng lớn Giải pháp khơng thích hợp với loại đất yếu than bùn bùn sột bệ ph ản p NềN Đ ắP Hỡnh Chng 5.38 B phn ỏp 52 bệ phản p TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TS Châu Ngọc Ẩn, “Nền móng”, Nhà xuất Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Mình, 2002; GS.TSKH Bùi Anh Định, PGS.TS Nguyễn Sỹ Ngọc; “Nền móng cơng trình cầu đường”; Nhà xuất xây dựng GS.TS-Vũ Cơng Ngữ, “Tính tốn Thiết kế móng nơng”; Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1982; Vũ Cơng Ngữ, “Móng cọc phân tích thiết kế”; Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006; Phan Hồng Quân, “Nền Móng”, Nhà xuất Giáo dục, 2006; GS.TS Lê Đức Thắng, “Tính tốn móng cọc”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1973; Nguyễn Đình Tiến, “Bài giảng Nền móng”, Trường đại học xây dựng 2011; Braja M.Das, “Principle of Geotechnical Engineering”, 7th edition, Cengage Learing, 2010; 53 ... 0,46 75 0 ,53 45 0 ,58 68 86 0,2302 0,3879 0,48 45 0 ,55 39 0,6081 87 0,2388 0,40 25 0 ,50 27 0 ,57 48 0,6311 88 0,2482 0,4183 0 ,52 25 0 ,59 74 0, 655 8 89 0, 258 4 0,4 355 0 ,54 39 0,6219 0,6827 90 0,2696 0, 454 3 0 ,56 74... cắt đất Trong nội dung chương tập trung nghiên cứu biện pháp xử lý đất yếu 5. 2 5. 2.1 CÁC NHÓM BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Sơ đồ khối biện pháp xử lý đất yếu Khi xây dựng cơng trình đất yếu phải... lý đất yếu Việc lựa chọn giải pháp xử lý đất yếu phụ thuộc vào đặc điểm đất yếu yêu cầu công trình Bảng đưa lựa chọn số giải pháp xử lý đất yếu thích hợp cho loại đất yếu cơng trình Bảng Chương