2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán công nghệ Top-base
2.2.2. Tính toán thiết kế
Trước hết, từ kết quả khảo sát đất, qua các thông số xác 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 yêu cầu, phương pháp gia cố nền được xem xét và Top-base được lựa chọn và tiến hành thiết kế một cách cụ thể.
Hiện tại, việc thiết kế Top-base đang được thực hiện bằng cách sử dụng “Bảng móng áp dụng phổ biến”. Đây là phương pháp ước lượng giá trị N (hay còn gọi là chỉ số SPT) 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, luôn cần tính toán khả năng chịu lực của nền Top-base. Trong trường hợp này, công thức tính toán khả năng chịu lực của nền Top-base bao gồm những ký hiệu được phép hoặc công thức tính toán khả năng chịu lực đảm bảo thiết kế tương đối an toàn được sử dụng và sẽ được giải thích ở phần sau.
Có thể chọn thông số ứng suất bằng phương pháp thông thường và xác định khả năng chịu lực của nền nguyên dạng bằng công thức tính khả năng chịu lực nền của Terzaghi.
a) Ước lượng thông số ứng suất bằng giá trị N
Trong thiết kế móng, có thể dựa trên kết quả thu được từ khảo sát địa chất chỉ là giá trị N. Và có những trường hợp không có phần giải thích phương pháp để ước lượng thông số ứng suất chỉ với giá trị N trong các hướng dẫn thiết kế khác nhau, vì thế đôi khi việc đánh giá của các kỹ sư khảo sát địa chất và các đặc tính vùng cần được xem xét đến.
Trong thiết kế phương pháp Top-base, khi ước lượng thông số ứng suất dựa trên giá trị N, công thức kinh nghiệm sau được sử dụng để đưa ra thông số thiết kế an toàn.
Trong trường hợp đất cát
N > 5 15N 15450 N ≤ 5 150
Trong 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/1,2 (tf/m2) N = 6; 7 cu 5 (tf/m2) N ≥ 8 cu N/1,6 (tf/m2) b) Tính toán khả năng chịu lực của nền ban đầu
Khả năng chịu lực của nền ban đầu sẽ được tính toán theo công thức tính toán đối với khả năng chịu lực, được coi như là hướng dẫn thiết kế kết cấu. Tuy nhiên, nếu không có phần hướng dẫn hoặc tiêu chí như trên thì có thể tính được khả năng chịu lực bằng công thức tính toán khả năng chịu lực của Terzaghi. Trong trường hợp này, dạng phá hoại của nền đất yếu chưa gia cố là phá hoại do trượt cục bộ, công thức tính toán khả năng chịu lực xét đến phá hoại do trượt cục bộ được sử dụng để tính toán khả năng chịu lực của nền ban đầu.
Ngoài ra, tải trọng tác dụng lên nền có thể là tải trọng ngang, tải trọng lệch tâm hoặc tải trọng lệch tâm xiên, vì thế trong các trường hợp này, khả năng chịu lực xét đến độ lệch tâm và độ nghiêng có thể không tính được.
c) Thiết kết nền Top-base
Khi tải thiết kế yêu cầu lớn hơn khả năng chịu lực cho phép của nền ban đầu như đã được giải thích trong phần (2), Top-base đã được xem xét lựa chọn. Trong thiết kế nền Top-base, phương pháp thiết kế dựa theo tra bảng “Bảng tiêu chuẩn áp dụng Top-base” được chấp nhận phổ biến nhưng phương pháp đánh giá cùng với tính toán sẽ được yêu cầu khi cần thiết.
(i) Ph ơng pháp thiết kế sử dụng tra b ng tiêu chuẩn áp dụng Top-base
Tiêu chuẩn áp dụng phổ biến được nêu trong Bảng 2.1 đối với từng kết cấu để được sử dụng như là thiết kế tiêu chuẩn phụ thuộc vào các loại nền và kích cỡ tải thiết kế, vì thế phương pháp thiết kế sẽ được sử dụng theo bảng này.
Trên thực tế, có nhiều trường hợp không có đủ dữ liệu khảo sát nền trong thiết kế kết cấu xây dựng, vì thế công tác xây dựng với quy mô tương đối nhỏ chỉ sử dụng kết quả thí nghiệm độ xuyên tiêu chuẩn.
Cân nhắc tình huống trên, Bảng 2.1 dùng khi chỉ có giá trị N.
Trong bản thiết kế sử dụng bảng này, kích thước và số lượng lớp Top-block phải được xác định cùng với kích thước của tải áp dụng và giá trị N của nền. Trên thực tế, việc đặt các khối Top-block sẽ được xác định bằng cách quy định đặt thừa ít nhất một nửa khối Top-block đối với đáy móng.
Bảng 2.1. Các tiêu chuẩn ứng dụng phổ biến của phương pháp móng Top-base
Hạng mục
Tải q(tf/m2)
q≤3 3<q≤5 5<q≤7 .5
7.5<q≤
10
10<q≤12 .5
12.5<q≤
Nền 15
Tường chắn
Đất sét
2≤N<4 (2≤Cu<4 tf/m2)
Loại 330
Loại 500
Loại 500
Loại 500 (1~2
lớp)
Loại 500
(2 lớp) *
N≥4 (Cu≥4
ft/m2) - -
Loại 330, 500
Loại 500
Loại 500 (1~2 lớp)
Loại 500 (2
lớp)
Cát
2≤N<5 Loại 330, 500
Loại 500
Loại 500
Loại 500
Loại 500 (1~2 lớp)
Loại 500 (2
lớp)
5≤N<9 Loại 330
Loại 330
Loại 330, 500
Loại 500
Loại 500 (1~2 lớp)
Loại 500 (2
lớp)
N≥9 - - Loại
330
Loại
500 Loại 500 Loại 500
Hạng mục
Tải q(tf/m2) q≤3 3<q≤5 5<q≤7.5 7.5<q≤10 Nền
Hộp, kênh hở
Đất sét
N<2 (Cu<2 tf/m2)
Loại 330,
500 Loại 500 * *
2≤N<3 (2≤Cu<3
tf/m2) Loại 330 Loại 500 Loại 500 Loại 500 N≥3 (Cu≥3
ft/m2) - Loại 330 Loại 330,
500 Loại 500
Cát
N<5 Loại 330,
500 Loại 500 Loại 500 Loại 500 5≤N<9
Loại 330 Loại 330 Loại 330,
500 Loại 500
N≥9 - - Loại 330 Loại 500
Chỳ ý:1) Đối với loại ứ 330 và ứ 500.
2) * dấu yêu cầu cần tổng hợp riêng một cách chi tiết
3) Khi tải lệch tâm đạt cực biên hoặc xảy ra lún sâu, cần phải tổng hợp riêng một cách chi tiết.
(ii) Phương pháp thiết kế trong trường hợp tính toán
Có một số trường hợp thiết kế của Top-base không thể thực hiện được trừ khi sử dụng tính toán, vì thế trình tự thiết kế trong trường hợp này như sau:
a) Xác định cách bố trí các Top-block. Lúc này, để tạo ra hiệu ứng phễu, hãy xếp các Top-block thành ít nhất 3 hàng dọc và ngang.
b) Đạt khả năng chịu lực cho phép của Top-base qka.
c) Nếu qka không đủ khi so sánh với tải thiết kế (cường độ tải tại đáy móng) q, lặp lại với bố trí diệnn tích Top-block lớn hơn.
d) Nếu cần, xem xét độ lún.
(iii) Tính toán khả năng chịu lực cho phép của Top-base
Khả năng chịu lực cho phép của Top-base qka tính được bằng công thức sau.
qka = (1/F)K1K2(αcNc + β Bk’Nr/2) + p0Nq (2.38) Trong ó:
qka: khả năng chịu lực cho phép (tf/m2)
Fs: Hệ số an toàn (thông thường Fs = 3, động đất: Fs = 2)
K1: Hệ số xác định hiệu ứng phân bố ứng suất của Top-base tính từ công thức sau
Móng dải: K1 = (Bk’ + 2H tan ω)/B’
Móng hình chữ nhật: (Bk’ + 2H tan ω)(Lk’ + 2H tan ω)/B’.L’) (2.39)
Hình 2.7. Sự phân phối tải trọng tác dụng lên Top-base
B’, L’: Mặt bên ngắn và dài giữa độ rộng tác dụng tải hiệu quả của kết cấu có xét đến độ lệch tâm (m)
B’ = B – 2es L’ = L – 2eL
B, L: Mặt bên ngắn và dài của độ rộng móng (m) EB, eL: độ lệch tâm tải (m)
BK’, LK’: Mặt bên ngắn và dài giữa độ rộng tác dụng tải hiệu quả của móng Top-base có xét đến độ lệch tâm (m)
K2: Hệ số tăng khả năng chịu lực cho phép khi không cần xét đến phân bố áp lực tiếp xúc nền móng cứng được tính từ Bảng 2.3 và Hình 2.9.
Hình 2.8. Độ rộng tác dụng hiệu qu và hệ số k1 d ới t i lệch tâm
Hình 2.9. Ph ơng pháp lựa chọn hệ số K2 ( ất sét, Top-block 500) α, β: Hệ số hình dạng móng
Nc, Nγ, Nq: Hệ số sức chịu tải đối với phá hoại do trượt sâu tra theo các biểu đồ hoặc bảng sau đây:
Biểu ồ hệ số kh năng chịu t i của Top-Base
Bảng Hệ số khả năng chịu tải của nền đất ban đầu và Top-base Hình 2.10. Phương pháp tính toán độ lún
C: lực kết dính của đất dưới móng (tf/m2) Po= Tải trọng xuyên (po= γ2Df) (tf/m2)
γ1: Trọng lượng thể tích của đất dưới đế phần cột (tf/m3)
(Dùng trọng lượng thể tích dưới nước trong trường hợp nằm dưới mực nước ngầm)
(iv) Tính toán ộ lún Top-base
Việc sử dụng phương pháp Top-base có thể gây ra hiệu ứng phân bố ứng suất và có thể ngăn hiện tượng biến dạng bên. Do vậy, việc tính toán độ lún móng Top-base được tiến hành như sau:
a. Tải trọng được phân bố tại vị trí trên cùng của chiều rộng móng đã lắp đặt. Do vậy cường độ tải trọng dùng để tính toán độ lún của Top-base có thể thực hịên được dùng công thức q=P/(Bk.Lk)
b. Mức phân bố ứng suất trong nền dự tính là tại 300 của góc khuyếch tán.
c. Đề cập đến khả năng chống biến dạng bên, bỏ qua độ lún của chiều cao phần xuyên sâu trên đỉnh, người ta cho rằng sự biến dạng của lớp đất tại phần tương ứng với chiều cao của phần đỉnh tại đáy cũng được giảm đáng kể. Do vậy, độ lún tại phần đó được cho là chỉ bằng 1 nửa độ lún đã tính toán mà thôi.
d. Độ sâu của các lớp đất có ảnh hưởng tới độ lún khoảng 1,5 lần tải trọng áp dụng cho chiều rộng nhưng việc sử dụng các hiệu quả Top-base chỉ tuỳ thuộc vào độ sâu và chiều rộng áp dụng trọng tải tương tự mà thôi vì có hiệu ứng phân bố ứng suất (Hình 2.9) do vậy độ sâu để xem xét độ lún còn tuỳ thuộc vào độ sâu và chiều rộng áp dụng tải trọng tương tự.
e. Số lượng để phân chia các lớp đất ra làm các lớp đất có cùng độ cao và chiều rộng áp dụng tải trọng như nhau, để tính toán được tổng độ lún cho mỗi lớp đất có thể coi là độ lún sau cùng của lớp móng Top-base.
f. Khi tiêu chuẩn thiết kế cho cấu trúc để có thể thiết kế tính toán một công thức xác định độ lún. Khi phạm vi ứng dụng tải trọng là tải trọng hữu hạn theo các hướng dài mà không cần tiêu chuẩn nào, đạt được độ căng theo chiều thẳng đứng với những công thức sau, để phân chia mỗi lớp dựa trên xem xét độ lún 3 chiều và tính toán độ lún sử dụng độ biến dạng này
εzi = (1/E)(1-2vK0)∆бzi Trong ó:
Εzi : Độ dãn theo chiều thẳng đứng của lớp “i”
E: Mô đun đàn hồi của đất bên dưới lớp Top-base v: Tỉ số Poison
K0: Hệ số áp lực đất tĩnh
∆бzi: Mức áp suất gia tăng trung bình của lớp “i” (được tính theo a, b) Tuy nhiên, mô đun đàn hồi của đất E được dự tính với công thức sau dùng hệ số nén mv đạt được từ dữ liệu thử nghiệm độ cố kết tiêu chuẩn
E = (1+v)(1-2v)/((1-v)mv) (2.40)
Tuy nhiên, khi có thể đạt được các dữ liệu đo lường của giá trị N, ta có thể xác định được giá trị của E nhờ vào giá trị N đã biết.
Có thể tính được độ lún của lớp Si sử dụng công thức sau:
Si = εzi x H (2.41)