Top-base là phương phỏp gia cố nền đất để cải thiện và gia cố đất xung quanh phần đỏy của kết cấu múng trờn nền đất yếu, cú thể được sử dụng cho bất kỳ múng cụng trỡnh nào khi tải trọng từ kết cấu trờn truyền xuống khụng quỏ lớn so với khả năng chịu lực cho phộp của nền đất ban đầu ( khụng quỏ 2,5 đến 3,5 lần ).
2.2. Cỏc nguyờn tắc [15]:
2.2.1. Mục đớch gia cố nền.
Cỏc mục tiờu khi ỏp dụng Top-base chủ yếu gồm hai loại là giảm độ lỳn và tăng khả năng chịu lực.
2.2.1.1 Tỏc dụng giảm độ lỳn
Tỏc dụng giảm độ lỳn thay đổi khi kiểm tra độ lỳn dài hạn tại hiện trường và thớ nghiệm mụ hỡnh trong phũng thớ nghiệm v.v. cũng như được xỏc nhận bằng cỏch phương phỏp tớch.
Đối với cỏc cuộc thử nghiệm độ lỳn dài hạn, việc thử nghiệm so sỏnh đó được thực hiện liờn quan đến 5 loại múng như nờu trong hỡnh 2.3 trờn nền đất yếu cú nhiều tàn tớch hữu cơ cú cỏc đặc tớnh đất như bảng 1.1. Kết quả đo độ lỳn được chỉ ra trong Hỡnh 2.4.
Top-base cú độ lỳn nhỏ hơn bao gồm phần gia cố thứ cấp mặc dự ỏp dụng tải 0,5tf lớn hơn so với nền đất ban đầu và việc so sỏnh độ lỳn dài hạn đối với tải trọng cựng mức chỉ ra rằng độ lỳn giảm nhờ cú Top-base đến 1/3 lần trờn nền đất ban đầu nếu dựng Top-base 1 lớp và chỉ cũn 1/9 của độ lỳn nền đất ban đầu nếu dựng Top-base 2 lớp.
Cỏc thử nghiệm độ lỳn dài hạn được tiến hành trong phũng thớ nghiệm với cỏch thức tương tự. Kết quả của việc thử nghiệm Top-base đường kớnh 6cm trờn lớp đất đường kớnh 50cm, sử dụng 9 khối bờ tụng theo 3 hàng trờn cả hai mặt giống như thử nghiệm tại chỗ được chỉ ra trong Hỡnh 2.5.
Khu vực Khu vực thử độ lỳn trong thời gian
dài Khu vực thử tải Hạng mục đo đạc Kết quả thử vật lớ Wn (%) 125.6 137.0 WL (%) 120.6 128.2 Wp (%) 55.8 63.3 Lp 64.8 64.9 Cỏt (%) 10 17 Bựn (%) 58 41 Đất sột (%) 32 42 Gs 2.579 2.538 Mật độ độ ẩm 1.358 1.333 Phõn loại đất do Nhật Bản thống nhất OH OH Giỏ trị N 0 0 Thớ nghiệm nộn khụng hở nụng Cường độ nộn khụng hở nụng qu (kgf/cm2) 0.115~0.09 (trung bỡnh 0.10) 0.11~0.09 (trung bỡnh 0.10) Mụdun biến dạng E50 (kgf/cm2) 3.0~2.8 (trung bỡnh 2.90) 3.8~3.3 (trung bỡnh 3.55)
Hỡnh 2.3. Cỏc loại múng thử lỳn trong thời gian dài, [15]
Hỡnh 2.5. Kết quả thớ nghiệm lỳn trong phũng thớ nghiệm (khụng bao gồm lỳn tức thời), [15]
Hỡnh 2.6. Kết quả thớ nghiệm cho đất húa lỏng trong thớ nghiệm lỳn dài hạn, [15]
Trong trường hợp múng Top-base, khi thử trong phũng thớ nghiệm, độ lỳn dài hạn giảm 1/2 lần so với múng gia cố bằng đỏ dăm. Điều này cũng được xỏc nhận bởi FEM (Phương phỏp phần tử hữu hạn) sử dụng mó phõn tớch cố kết đàn hồi/chảy/dẻo. Rừ ràng, thực tế này chỉ ra rằng múng Top-base cú tỏc dụng cải tạo giảm độ lỳn dài hạn.
Bờn cạnh đú, múng Top-base cũng cú hiệu quả trong nền bị hoỏ lỏng.
Căn cứ theo thực tế đú là khụng cú hư hại nào do động đất gõy ra cho cỏc ngụi nhà sử dụng múng Top-base trong thời gian xảy ra động đất tại trận động đất xảy ra tại phớa đụng tỉnh Chiba vào thỏng 12/1987, cỏc hiệu ứng trờn nền đất hoỏ lỏng bắt đầu được xem xột thử trong phũng thớ nghiệm.
Kết quả đo độ lỳn bằng cỏch ỏp dụng 2 loại tải như 150kgf và 75kgf tương ứng với tải trọng của toà nhà và gia tốc đầm rung 250gal cho hai 2 loại múng như múng đỏ dăm và múng top-base trờn nền đất cỏt tiờu chuẩn Toyoura được đầm đến 50% mật độ tương đối được chỉ ra trong hỡnh 2.6.
Trong khi múng đỏ dăm lỳn sõu 32cm do hiện tượng hoỏ lỏng thỡ múng Top- base chỉ lỳn 4,3cm mà khụng cú hiện tượng hoỏ lỏng.
Hiệu ứng giảm độ lỳn này cũng cú tỏc dụng trong trường hợp sử dụng múng Top-base nằm dưới cỏc khối bờ tụng chắn súng ở vựng ven biển. Hiện tượng lỳn sõu hơn 3m đó xảy ra chỉ trong một năm khi đặt cỏc khối bờ tụng chắn súng tại bờ biển Shiraoi trờn đường quốc lộ số 36 ở Hokkaido, và hầu hết cỏc khối bờ tụng bị chỡm trong cỏt mặc dự sau đú đó được chồng lờn thờm hơn 3 lần nữa.
Vào năm 1987, sau hai năm thi cụng người ta quyết định nõng cỏc khối bờ tụng đó chụn lờn, lắp đặt Top-base đường kớnh 2m và đặt lại cỏc khối bờ tụng chắn súng lờn trờn nền Top-base, đến nay độ lỳn chỉ khoảng 3cm. Trong trường hợp này sử dụng Top-base và khụng sử dụng Top-base đó cú sự khỏc biệt rất lớn mặc dự được thi cụng đồng thời và tại cựng một địa điểm.
2.2.1.2 Tỏc dụng tăng khả năng chịu lực:
Top base làm tăng khả năng chịu lực của nền đất yếu đó được kiểm tra bằng cỏch thử tải bàn nộn tại cụng trường và thử tải bàn nộn trờn thựng chứa đất lớn tại phũng thớ nghiệm.
Cỏc cuộc thử tải tại cụng trường được tiến hành bằng cỏch sử dụng Top block như trong hỡnh 2.3 trờn nền đất yếu nhiều tàn tớch hữu cơ (Bảng 2.1) giống với địa chất tại cụng trường đang quan trắc độ lỳn dài hạn.
Bờn cạnh đú, đối với việc thử tải trong phũng thớ nghiệm, việc thử tải giống như thử độ lỳn dài hạn trong phũng thớ nghiệm trong thựng đất lớn cú chiều rộng 20cm, dài 1,8m và sõu 72cm đó được tiến hành.
Kết quả thử tải tại cụng trường được nờu ra lần lượt trong Hỡnh 2.7 và kết quả thử tải trong phũng thớ nghiệm được nờu ra trong hỡnh 2.8 .
Trong hỡnh 2.7, đối với việc thử tải tại cụng trường, nền Top-base cú khả năng chịu lực gấp 1,5 lần lớn hơn nền đất ban đầu cú cựng độ lỳn và việc thử trong phũng thớ nghiệm cũng cho kết quả tương tự.
Cỏc tỏc dụng cải tạo như giảm độ lỳn cú thể hi vọng tăng khoảng 50% khả năng chịu lực so với nền đất ban đầu.
Trường hợp tải trọng đặt lệch tõm lờn múng cũng được kiểm tra. Trong trường hợp độ lệch tõm bằng B/6 tớnh từ tõm chiều rộng của múng B, Top- block 1 lớp cú khả năng chịu tải gấp 2 lần so với nền đất ban đầu và Top- block 2 lớp cú khả năng chịu tải gấp 3 lần so với nền đất ban đầu.
Do đú, Top-base được cụng nhận cũng mang lại hiệu quả cho tải lệch tõm.
2.2.2. Cơ chế gia cố nền đất.
Cỏc hiệu ứng cải tạo giảm độ lỳn và tăng khả năng chịu lực đó nờu ở trờn cú cựng cơ chế.
Phõn phối ứng suất dưới múng đó được mụ tả đối với nền đất cú độ lỳn dài hạn được đo bằng thớ nghiệm như trong Hỡnh 2.3 và 2.4.
Cỏc đường đồng ứng suất trong hỡnh vẽ phõn bố ứng suất theo chiều sõu cú được bằng cỏch đặt và đo ứng suất tại cỏc senso chụn sẵn theo chiều sõu được vẽ trong hỡnh 2.9.
Hỡnh 2.7. Cỏc đường cong tải – lỳn Hỡnh2. 8. Cỏc đường cong tải - lỳn (thử tải tại cụng trường), [15] (trong phũng thớ nghiệm), [15]
Hỡnh 2.9. Phõn bố ứng suất sau khi lỳn dài hạn, [15]
Ứng suất đặt lờn nền ban đầu là 2,5kgf/cm2, vỡ thế cỏc đường ứng suất cõn
bằng là 3kgf/cm2 hoặc cao hơn, biểu thị ứng suất tăng do độ lỳn cố kết.
Hỡnh 2.9 (a) là trường hợp nền đất được đặt cỏc tấm múng bờ tụng lờn trờn và người ta nghĩ rằng tập trung ứng suất chỉ xuất hiện dưới phần đầu của tấm truyền tải khi cỏc tấm này được đặt trờn nền đất sột và độ lỳn tăng do xảy ra
biến dạng ngang, vỡ thế điều này được kiểm tra cựng với phõn phối ứng suất với kết quả thay đổi.
Ngược lại, Top-base trong hỡnh 2.9 (c) là kết cấu cứng gồm cỏc khối phễu cú tỏc dụng triệt tiờu phần tải ngang, vỡ thế phõn phối ứng suất lớn hơn ở hai đầu và phõn bố ứng suất gần như đồng đều. Trong hỡnh 2.9 (d), khi cú hai lớp Top-base, phõn bố ứng suất phõn bố đều hơn nữa và ứng suất tăng đồng đều. Từ những nhận xột này, cú thể nhận thấy rằng Top-base cú tỏc dụng hạn chế biến dạng ngang.
Nghiờn cứu ỏp lực lỗ rỗng được tạo ra trờn nền đất ban đầu với thử nghiệm trong phũng thớ nghiệm, cú thể núi rằng khụng xảy ra ỏp suất lỗ rỗng dưới nền múng Top-base.
Hỡnh 2.10. Sơ đồ phõn bố biến dạng ngang, [15]
Cú thể thấy rằng khụng cú hiện tượng gión nở căn cứ theo biến dạng trượt tại phần cọc của Top-base, cú nghĩa là khụng thể xảy ra biến dạng ngang. Khuynh hướng tạo ỏp suất lỗ rỗng cho kết quả tương tự trong thớ nghiệm thựng đất thớ nghiệm để kiểm tra tớnh hoỏ lỏng như hỡnh 2.6. Múng chốn đỏ dăm cũng chỉ ra hiện tượng hoỏ lỏng, tạo ỏp suất lỗ rỗng lớn nhưng múng Top-base lại tạo ra ỏp suất lỗ rỗng thấp và khụng xảy ra hiện tượng hoỏ lỏng. Nhận thấy rằng nền cỏt cũng cho kết quả tương tự.
Biến dạng ngang thay đổi theo kết quả phõn tớch theo phương phỏp phần tử hữu hạn bằng phõn tớch đàn hồi/chảy/dẻo. Đó xột hiệu ứng gión nở, hiện tượng cố kết bờn ngoài và hiệu ứng cố kết thứ cấp. Hỡnh 2.10 chỉ ra kết quả phõn tớch, xỏc định dạng phõn bố biến dạng ngang. Từ hỡnh 2.10, cú thể thấy rằng Top-base ngăn chặn hiện tượng biến dạng ngang, và do đú, độ lỳn bề mặt nhỏ hơn 1/2 lần.
Khả năng chịu lực của nền đất thay đổi phụ thuộc vào hai loại phỏ hoại là phỏ hoại do trượt cục bộ hoặc phỏ hoại do trượt sõu. Tuy nhiờn, trong trường hợp xảy ra biến dạng ngang, khả năng chịu lực của nền trở thành khả năng chịu lực của phỏ hoại do trượt cục bộ. Cú thể thấy rằng múng trờn Top-base ngăn chặn việc sinh ra phỏ hoại do trượt cục bộ bằng cỏch ngăn chặn biến dạng ngang. Cụng thức tớnh khả năng chịu lực của Terzaghi thực hiện tớnh toỏn bằng cỏch giảm hệ số khả năng chịu lực xuống 2/3 trong trường hợp phỏ hoại do trượt cục bộ. Và đối với đất sột, khả năng chịu lực của phỏ hoại do trượt sõu lớn hơn 1,5 lần so với phỏ hoại do trượt cục bộ. Kết quả trong hỡnh 2.7 và
2.8 thể hiện cỏc thử nghiệm tải trọng cho thấy trong khi nền đất nguyờn dạng bị phỏ hoại do trượt cục bộ thỡ Top-base dẫn đến phỏ hoại do trượt sõu, do đú cú khả năng chịu lực lớn hơn.
Từ cỏc kết quả trờn, việc tạo ra kết cấu nền bằng cỏch đầm chặt đỏ dăm đó được đổ đầy giữa cỏc khối Top-block, đỏ dăm cú tỏc dụng truyền tải đều xuống đất yếu giảm tập trung ứng suất. Do kết cấu nền Top base nờn phõn bố ứng suất trong nền đất trở thành phõn bố đều và hơn nữa, sức chống ma sỏt xuất hiện trong đỏ dăm, phần cọc của Top base cú tỏc dụng ngăn chặn biến dạng ngang của nền xung quanh.
Giống như trờn, hiệu ứng đồng vận giữa cỏc Top-block và đỏ dăm giỳp cải thiện nền xung quanh và cú hiệu ứng giảm độ lỳn và tăng khả năng chịu lực.
2.3. Nguyờn lý thiết kế [15]:
2.3.1. Lựa chọn phương phỏp:
Khi ỏp dụng phương phỏp gia cố nền Top-base, điều quyết định là tải trọng thiết kế yờu cầu của kết cấu bờn trờn đó xỏc định phải nhỏ hơn kết quả xỏc định khả năng chịu tải của nền đó gia cố. Trước hết, người thiết kế tớnh toỏn tải trọng của kết cấu cụng trỡnh, sau đú tớnh toỏn khả năng chịu lực cho phộp của nền từ kết quả thớ nghiệm nền sau gia cố.
Như chỉ ra trong hỡnh 2.11, việc ỏp dụng Top-base là phự hợp hay khụng được đỏnh giỏ theo nhiều tiờu chớ. Cỏc tiờu chớ này cần được xem xột đồng thời, đú là : độ lỳn giảm được bao nhiờu, việc thi cụng Top-base cú phự hợp với địa hỡnh, với mụi trường xung quanh khụng v.v…hiệu quả kinh tế thế nào và độ an toàn so với cỏc phương phỏp khỏc như thế nào v.v…
Hỡnh 2.11. Sơ đồ khối chấp nhận phương phỏp Top-base, [15]
Từ việc đỏnh giỏ kết quả thi cụng trước đõy và cỏc đặc điểm của phương phỏp này, sử dụng Top-base cú hiệu quả hơn so với cỏc phương phỏp khỏc trong cỏc trường hợp sau :
1) Khi cần giảm tổng độ lỳn và độ lỳn khụng đều cú thể xảy ra thậm chớ khi tải trọng kết cấu khụng vượt khả năng chịu lực cho phộp của nền đất.
2) Trường hợp muốn trỏnh ỏp dụng múng cọc và cỏc phương phỏp gia cố nền khỏc do cỏc yếu tố như hiệu quả kinh tế v.v. do tải trọng từ kết cấu múng vượt quỏ khả năng chịu lực cho phộp của nền nguyờn dạng (trong trường hợp này, một độ lỳn nhỏ là khụng thể trỏnh được nhưng cú thể điều chỉnh để đạt được mục đớch bằng cỏch mở rộng diện tớch ỏp dụng Top-base).
3) Trường hợp khụng thể sử dụng thiết bị thi cụng lớn tại cụng trường do điều kiện địa hỡnh hay giao thụng hạn chế, khi việc gia cố nền là cần thiết (phương phỏp Top-base là phương phỏp thi cụng sử dụng cỏc cụng cụ đơn giản để khụng bị giới hạn bởi địa hỡnh và cỏc điều kiện xung quanh).
4) Trường hợp tỡm kiếm cỏch gia cố nền đồng thời quan tõm cỏc hiệu ứng chống rung và chống động đất cho múng.
Tớnh toỏn ỏp lực
truyền lờn nền, q
Thiết kế kết cấu
Yờu cầu giảm độ lỳn
Chấp nhận và đỏnh giỏ phương phỏp bằng cỏch so sỏnh q và qa
Đỏnh giỏ xõy dựng, an toàn kinh tế và dài hạn Khảo sỏt/ thớ
nghiệm nền
Tớnh toỏn khả năng chịu lực cho phộp, qa
5) Trường hợp muốn giảm độ lỳn và biến dạng do tải trọng kết cấu khụng vượt quỏ khả năng chịu lực cho phộp của nền quỏ nhiều trừ tải lỳn lệch tõm.
6) Trường hợp muốn tỡm kiếm cỏch gia cố múng cũng như ngăn chặn hiện tượng hoỏ lỏng với múng nền trong đú cú xột đến hiện tượng hoỏ lỏng do động đất.
2.3.2. Tớnh toỏn thiết kế:
Trước hết, từ kết quả khảo sỏt đất, qua cỏc thụng số xỏc định được khả năng chịu lực của nền ban đầu. Từ mối quan hệ giữa khả năng chịu lực này và tải thiết kế kết cấu yờu cầu, phương phỏp gia cố nền được xem xột và Top-base được lựa chọn và tiến hành thiết kế một cỏch cụ thể.
Hiện tại, việc thiết kế Top-base đang được thực hiện bằng cỏch sử dụng “Bảng múng ỏp dụng phổ biến”. Đõy là phương phỏp ước lượng giỏ trị N hoặc lực cố kết Cu của nền ban đầu và của nền Top-base từ mối quan hệ với tải kết cấu. Phụ thuộc vào nội dung thiết kế, luụn cần tớnh toỏn khả năng chịu lực của nền Top-base. Trong trường hợp này, cụng thức tớnh toỏn khả năng chịu lực của nền Top-base bao gồm những ký hiệu được phộp hoặc cụng thức tớnh toỏn khả năng chịu lực đảm bảo thiết kế tương đối an toàn được sử dụng và sẽ được giải thớch ở phần sau.
Cú thể chọn thụng số ứng suất bằng phương phỏp thụng thường và xỏc định khả năng chịu lực của nền nguyờn dạng bằng cụng thức tớnh khả năng chịu lực nền của Terzaghi.
2.3.2.1 Ước lượng thụng số ứng suất bằng giỏ trị N:
Trong thiết kế múng, cú thể dựa trờn kết quả thu được từ khảo sỏt địa chất chỉ là giỏ trị N. Và cú những trường hợp khụng cú phần giải thớch phương phỏp để ước lượng thụng số ứng suất chỉ với giỏ trị N trong cỏc hướng dẫn thiết kế
khỏc nhau, vỡ thế đụi khi việc đỏnh giỏ của cỏc kỹ sư khảo sỏt địa chất và cỏc đặc tớnh vựng cần được xem xột đến.
Trong thiết kế phương phỏp Top-base, khi ước lượng thụng số ứng suất dựa trờn giỏ trị N, cụng thức kinh nghiệm sau được sử dụng để đưa ra thụng số
