2.1. ĐẶC ĐIỂM CƠNG NGHỆ TOP-BASE
2.1.4. Tính tốn thiết kế top-base
1. Kế hoạch thiết kế SỰ CẦN THIẾT GIẢM ĐỘ LÚN CHẤP NHẬN VÀ XEM XÉT PHƯƠNG PHÁP BẰNG CÁCH SO SÁNH q VÀ qa XEM XÉT TÍNH KINH TẾ VÀ AN TỒN LÂU DÀI CỦA CƠNG TRÌNH THIẾT KẾ KẾT CẤUTÍNH TỐN ÁP LỰC TIẾP XÚC qKHẢO SÁT NỀNTÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CHO PHÉP qa
Xem xét một phương xử lý nền, lựa chọn hay khơng cơng nghệ top- base và các kết quả khảo sát địa chất tương tự như các phương pháp gia cố nền khác. Trước tiên, tính tốn tải trọng kết cấu, sau đĩ tính tốn khả năng chịu cắt cho phép của nền từ kết quả khảo sát địa chất.
Như trong Hình 2.9, chấp nhận phương pháp gia cố nền là cần thiết hay khơng được xem xét bởi hai tham số:
- Sự cần thiết giảm độ lún;
- Cân nhắc tính kinh tế và an tồn lâu dài của cơng trình.
Xem xét các kết quả xây dựng cho đến nay và các đặc điểm của phương pháp, phương pháp top-base được coi là cĩ hiệu quả hơn các phương pháp khác trong các trường hợp sau đây:
- Trường hợp muốn giảm độ lún lệch và độ lún tuyệt đối càng lâu càng tốt thậm chí ngay cả khi tải trọng kết cấu khơng vượt quá khả năng chịu cắt cho phép của nền.
- Trường hợp muốn tránh sử dụng mĩng cọc và các phương pháp gia cố nền khác do các yếu tố như hiệu quả kinh tế, ngay cả khi tải trọng kết cấu vượt quá khả năng chịu cắt cho phép của nền (trong trường hợp này, độ lún nhỏ là khơng thể tránh khỏi, nhưng vì mục đích được xác định là tăng bề rộng gia cố bằng phương pháp top-base).
- Trường hợp khơng thể sử dụng các máy thi cơng cĩ kích thước lớn trên cơng trường do hạn chế về địa hình và vị trí xây dựng.
- Trường hợp muốn tăng khả năng kháng chấn và kháng động đất cho mĩng.
- Trường hợp muốn giảm độ lún và chuyển vị gây ra bởi tải trọng kết cấu khơng vượt quá khả năng chịu cắt cho phép của nền quá nhiều nhưng là tải trọng gây lún lệch tâm.
- Trường hợp muốn tăng cường khả năng chống hĩa lỏng cho đất nền.
2. Tính tốn thiết kế
Trước hết, từ kết quả khảo sát địa chất cơng trình, xác định tham số cường độ của đất nền được và tính tốn khả năng chịu cắt của đất tự nhiên. Từ mối quan hệ giữa khả năng chịu cắt này và tải trọng thiết kế của kết cấu, một phương pháp gia cố nền được xem xét và áp dụng cơng nghệ top-base được thiết kế cụ thể.
Hiện nay, thiết kế top-base tiêu chuẩn được hướng dẫn bằng các sử dụng “Bảng nền mĩng ứng dụng tổng quát”. Đây là phương pháp dự tính giá trị xuyên tiêu chuẩn N hoặc lực dính Cu của nền tự nhiên và sau đĩ sắp đặt các top-base theo mối liên hệ với tải trọng kết cấu. Dựa trên các nội dung thiết kế, cĩ một trường hợp cần tính tốn khả năng chịu cắt khi muốn sử dụng top-base. Trong trường hợp này, sử dụng cơng thức tính tốn khả năng chịu cắt dựa vào đặc tính được xác định hoặc cơng thức tính tốn khả năng chịu cắt với mục đích ràng buộc về an tồn thiết kế.
Xác định tham số cường độ và tính tốn khả năng chịu cắt đối với đất nền tự nhiên cần tuân theo chỉ dẫn hoặc tính tốn bằng cách sử dụng cơng thức của Terzaghi.
* Dự tính tham số cường độ bằng giá trị xuyên tiêu chuẩn N
Trong nền mĩng cơng trình đến nay, cĩ nhiều trường hợp, kết quả khảo sát địa chất thu được chỉ là giá trị N. Rồi, cĩ những trường hợp khơng
cĩ lời giải thích về một phương pháp dự tính tham số cường độ chỉ sử dụng giá trị N trong nhiều chỉ dẫn thiết kế, vì vậy, đơi khi việc nhận xét của một kỹ sư xây dựng cĩ trách nhiệm dự tính chất lượng đất nền và các đặc tính của vùng đất xây dựng được chấp nhận.
Trong thiết kế cơng nghệ top-base, khi dự tính tham số cường độ sử dụng giá trị N, hiện nay, cơng thức tính tốn sau được chấp nhận vì yếu tố thiết kế an tồn. - Trường hợp đất cát: N > 5, = 15N 5≤ 450; N ≤ 5, = 150; - Trường hợp đất sét: N = 0 (rod settle) Cu = 0.3 (tf/m2); N = 0 (mongen set) Cu = 0.5 (tf/m2); 1 ≤ N ≤ 5, Cu = N/0.5 (tf/m2); N = 6, 7 Cu = 5 (tf/m2); N ≥ 8 Cu = N/1.6 (tf/m2).
* Tính tốn khả năng chịu cắt của đất nền tự nhiên
Đưa ra một cơng thức tính tốn, đối với khả năng chịu cắt của đất nền tự nhiên, được xác định như là một chỉ dẫn thiết kế cho kết cấu để thiết kế, khả năng chịu cắt của đất nền tự nhiên tính tốn được dựa vào nĩ. Tuy nhiên, nếu khơng cĩ chỉ dẫn hay tiêu chuẩn như vậy thì sử dụng cơng thức của Terzaghi để tính tốn khả năng chịu cắt của đất nền tự nhiên. Trong trường hợp này, dạng phá hoại của đất xốp chưa được gia cố là phá hoại cắt cục bộ, một cơng thức tính tốn khả năng chịu cắt của đất nền tự nhiên tính đến phá hoại cắt cục bộ được sử dụng trong tính tốn khả năng chịu cắt của đất nền tự nhiên. Bên cạnh đĩ, tải trọng tác dụng xuống mĩng cĩ thể khơng đối
xứng, tải trọng lệch tâm hoặc tải trọng khơng đối xứng lệch tâm, vì vậy trong những trường hợp này, khả năng chịu cắt xét đến tính lệch tâm và khơng đối xứng là khơng thể nhưng cĩ thể xác định được.
3. Thiết kế phương pháp top-base
Khi tải trọng thiết kế lớn hơn khả năng chịu cắt của đất nền tự nhiên thì cơng nghệ top-base được xem xét. Trong thiết kế top-base, một phương pháp thiết kế dựa vào “bảng tiêu chuẩn áp dụng” thường được xem xét, nhưng một phương pháp khác dựa trên tính tốn được yêu cầu nếu cần thiết.
* Phương pháp thiết kế sử dụng các bảng tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn áp dụng được xác định như trong Bảng 2.2 cho mỗi kết cấu để sử dụng như một thiết kế tiêu chuẩn tùy thuộc vào loại đất và quy mơ của tải trọng thiết kế, vì vậy một phương pháp thiết kế dựa vào bảng này thường được sử dụng.
Trong Bảng 2.2, cần lưu ý:
+ Với top-block 330 và 500, xem Hình …
+ Đánh dấu sao (*) cĩ nghĩa là cần nghiên cứu chi tiết hơn;
+ Khi tải trọng lệch tâm quá lớn hoặc khi độ lún lớn cĩ thể xảy ra, cần nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.
Trên thực tế, cĩ nhiều trường hợp khơng đủ khảo sát địa chất trong thiết kế kết cấu dân dụng, do đĩ, cơng trình xây dựng qui mơ tương đối nhỏ chỉ sử dụng kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn. Tính đến trường hợp này,
Bảng 2.2 đã được chuẩn bị để được sử dụng trong trường hợp chỉ cĩ giá trị
N.
Trong thiết kế sử dụng bảng này, kích thước và sự sắp đặt các khối top-block áp dụng chỉ xác định qui mơ của tải trọng tác dụng và giá trị N của nền. Trên thực tế, sự sắp đặt của các khối khối top-block được xác định bằng
cách giả định sự sắp đặt ít nhất hơn một nửa khối khối top-block cho đáy mĩng.
* Phương pháp thiết kế bằng tính tốn
Cĩ một vài trường hợp, thiết kế top-base khơng thể thực hiện được bằng bảng tiêu chuẩn nhưng cĩ thể thực hiện được bằng tính tốn, vì vậy, trình tự tính tốn trong trường hợp này như sau:
- Xác định sắp xếp các khối top-block như thế nào. Ở thời điểm này, để sử dụng hiệu quả top-base, sắp xếp các khối top-block ít nhất 3 hàng theo chiều dọc và chiều ngang.
- Xác định khả năng chịu cắt cho phép của lớp top-base, qka
- Nếu qka xác định được khơng đủ so với tải trọng thiết kế (tải trọng phân bố dưới đáy mĩng) q, lặp lại sắp xếp các khối top-block
- Nếu cần thiết, xem xét độ lún.
a. Tính tốn khả năng chịu cắt cho phép của lớp top-base:
Khả năng chịu cắt cho phép qka:
q k c cN B N qN K K F 2 1 q ' 1 2 1 qa Trong đĩ
qka: khả năng chịu cắt cho phép (tf/m2)
Fs: Hệ số an tồn (bình thường Fs = 3, động đất Fs = 2)
K1: Hệ số kể đến ảnh hưởng phân bố ứng suất của lớp top-base, được
xác định theo cơng thức: Mĩng băng: 1 ' 2 ' tan B H B K k Mĩng chữ nhật: ' ' ' ' 1 tan 2 tan 2 L B H L H B K k k
B’, L’: Cạnh ngắn và cạnh dài theo bề rộng của tải trọng tác dụng hiệu quả của kết cấu cĩ xét đến độ lệch tâm (m).
B’ = B - 2eB; L’ = L - 2eL
B, L: Cạnh ngắn và cạnh dài của bề rộng mĩng (m); eB; eL: Độ lệch tâm của tải trọng (m).
Bk’, Lk’: Cạnh ngắn và cạnh dài trong bề rộng của tải trọng tác dụng hữu hiệu top-base cĩ xét đến độ lệch tâm (m).
K2: Hệ số kể đến sự tăng khả năng chịu cắt cho phép khi cần kể đến phân phối áp lực tiếp xúc với nền của mĩng cứng (xem Bảng 2.3).
α, β: Hệ số hình dạng của mĩng (xem Bảng 2.4 và 2.5)
Bảng 2.3. Phương pháp lựa chọn hệ số K2
Đất nền Sét Cát
Đường kính của top-block 500 330 500, 330
Mĩng băng Hình 1,0 1,0
Mĩng chữ nhật Hình 1,0 1,0
Bảng 2.4. Hệ số hình dạng của nền mĩng tự nhiên(Cần vẽ lại và dịch
ghi chú sang tiếng Việt)
Hình dạng đáy mĩng Dạng liên tục Dạng hình vuơng Dạng chữ nhật Dạng hình trịn α 1,0 1,0 1+0,3B/L 1,3
β 0,5 0,4 0,5-1,0B/L 0,3 Bảng 2.5. Hệ số hình dạng của top-base Hình dạng đáy mĩng Dạng liên tục Dạng hình vuơng Dạng chữ nhật Dạng hình trịn α 1,0 1,3 1+0,3B/L 1,3 β 0,5 0,6 1-0,4B/L 0,6
(Cần vẽ lại và dịch ghi chú sang tiếng Việt)
Nc, Nq, N: Hệ số khả năng chịu cắt đối với phá hoại cắt. C: Lực dính của đất dưới đáy mĩng (tf/m2)
p0 : Lực xuyên; p0 = 2Df (tf/m2)
1: Khối lượng đơn vị của đất ở dưới đầu mũi khoan (tf/m²)
(Lấy bằng khối lượng đơn vị nước ngầm trong trường hợp thấp hơn mực nước ngầm)
Df: Độ sâu từ bề mặt lớp đất thấp nhất gần đáy mĩng đến đầu mũi khoan (m).
Hình 2.12. Biểu đồ hệ số N
Hình 2.14. Biểu đồ hệ số Nq Hình 2.13. Biểu đồ hệ số Nc
Bảng 2.6. Hệ số khả năng chịu cắt của đất nền
b. Tính tốn độ lún của nền top-base
Việc sử dụng phương pháp top-base ảnh hưởng đến phân phối ứng suất, giảm biến dạng dọc trục, do đĩ việc tính tốn độ lún của lớp top-base được thực hiện như sau:
- Tải trọng phân bố trên bề rộng lớp top-base ở vị trí đầu tiên, do đĩ, cường độ tải trọng được sử dụng trong tính tốn độ lún lớp top-base là
c kL B
P q
- Phân bố ứng suất trong phạm vi đất nền được lấy theo gĩc nghiêng 300.
- Xem xét ảnh hưởng giảm biến dạng dọc trục, việc độ lún phía trên độ sâu khoan được bỏ qua và mặc dù biến dạng đất tại phần tương đương với độ cao đỉnh ở đáy mĩng cũng bị hạn chế, do đĩ, độ lún ở phần này mà được giả định là một nửa độ lún tính tốn.
- Độ sâu của lớp đất ảnh hưởng đến độ lún lấy bằng 1,5 lần bề rộng tác dụng của tải trọng, nhưng sử dụng top-base chỉ ảnh hưởng đến độ sâu tương tự bởi vì bề rộng tác dụng của tải trọng gây ra do ảnh hưởng phân phối ứng suất, do đĩ, độ sâu độ lún được lấy bằng bề rộng tác dụng của tải trọng.
- Số lượng để phân chia các lớp đất đến chiều cao tương đương bề rộng tác dụng của tải trọng và tổng độ lún của từng lớp đất phân chia là độ lún cuối cùng của top-base.
- Khi các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu để xây dựng cơng thức tính tốn độ lún. Khi phạm vi áp dụng là tải trọng phần tử tác dụng dọc trục mà khơng cĩ tiêu chuẩn như vậy, cĩ được biến dạng thẳng đứng, với cơng thức, đối với mỗi lớp được phân chia, bằng cách xem xét độ lún 3 chiều và độ lún tính tốn sử dụng biến dạng này.
Hình 2.15. Phương pháp tính lún nền top-base zi zi vK E 1 1 2 0 Trong đĩ:
zi: Biến dạng thẳng đứng của lớp thứ i; E: Mơ-đun đàn hồi của đất dưới top-base;
v: Hệ số Poison (lấy bằng 0,3);
Ko: hệ số áp lực đất ở trạng thái nghỉ (lấy bằng 0.5);
zi
: Số gia ứng suất lớp thứ i (tính theo a, b)
Mơ-đun đàn hồi của đất E cĩ thể được xác định bằng cơng thức sử dụng hệ số nén m, nhận được từ các số liệu thử nghiệm độ lún tiêu chuẩn.
vm v v E 1 2 1 1
Độ lún của lớp đất thứ i được xác định bằng cơng thức sau: Si = ziH
4. Lưu ý trong thiết kế
Khi các top-block của top-base được thiết kế ban đầu khơng đáp ứng được yêu cầu do tải trọng thiết kế lớn, cĩ thể phải thi cơng top-base 2 lớp hoặc mở rộng diện tích lắp đặt top-block.