Lý thuyết tính toán lún

3.2. Tính toán thiết kế giải pháp xử lý nền thích hợp

3.2.4. Tính toán thiết kế xử lý nền cấu trúc 2

3.2.4.1 Lý thuyết tính toán lún

Để đảm bảo an toàn tác giả kiến nghị sử dụng hố khoan HK1-5 để tính toán điển hình cho cấu trúc 2.

+ Khi chưa xử lý nền, lý thuyết tính toán lún theo [1] đã được tác giả trình bày ở mục 3.2.3. Kết quả tính toán ứng suất phụ thêm và ứng suất bản thân được thể hiện như bảng.

Bảng 3.12 Ứng suất phụ thêm và ứng suất bản thân tại tim đường

Lớp

Chiều dày (m)

Chiều sâu y (m)

    P ('vi)

(kN/m2) P0 'v0i

km2



P/P0

1 1.000 0.50 1.47584 -1.4758 2.95169 0 82.52 4.99 16.54 1 1.000 1.50 1.2925 -1.2925 2.58499 0 81.81 9.98 8.20 1 1.000 2.50 1.12638 -1.1264 2.25275 0 79.60 14.97 5.32 1 1.000 3.50 0.98279 -0.9828 1.96559 0 75.91 19.96 3.80 1 1.000 4.50 0.86217 -0.8622 1.72434 0 71.28 24.95 2.86 1 1.000 5.50 0.76215 -0.7621 1.52429 0 66.30 29.94 2.21 1 1.000 6.50 0.67941 -0.6794 1.35883 0 61.40 34.93 1.76 1 1.000 7.50 0.61073 -0.6107 1.22145 0 56.79 39.92 1.42 1 1.000 8.50 0.55329 -0.5533 1.10659 0 52.58 44.91 1.17 1 1.000 9.50 0.50486 -0.5049 1.00972 0 48.78 49.90 0.98 1 1.000 10.50 0.46365 -0.4636 0.9273 0 45.39 54.89 0.83 1 1.000 11.50 0.42826 -0.4283 0.85653 0 42.36 59.88 0.71 1 1.000 12.50 0.39763 -0.3976 0.79526 0 39.66 64.87 0.61 1 1.000 13.50 0.37089 -0.3709 0.74178 0 37.25 69.86 0.53

1 1.000 14.50 0.34739 -0.3474 0.69477 0 35.08 74.85 0.47 1 1.000 15.50 0.32658 -0.3266 0.65316 0 33.13 79.84 0.41 1 1.000 16.50 0.30805 -0.3081 0.61611 0 31.37 84.83 0.37 1 1.700 17.85 0.28605 -0.2861 0.5721 0 29.26 91.57 0.32 Kẹp 2 3.000 20.20 0.25428 -0.2543 0.50855 0 26.16 109.98 0.24 2 1.000 22.20 0.23222 -0.2322 0.46444 0 23.98 127.45 0.19 2 1.000 23.20 0.22254 -0.2225 0.44509 0 23.01 134.03 0.17 2 1.000 24.20 0.21363 -0.2136 0.42726 0 22.12 140.61 0.16 2 1.000 25.20 0.2054 -0.2054 0.41079 0 21.29 147.19 0.14

Tại chiều sâu z = 25 m, 'vi = 0.15.'v0i nên chiều sâu vùng hoạt động nén ép là 25 m.

Kết quả tính lún cố kết cấu trúc 2 được thể hiện tại bảng 3.11 (Lớp kẹp 2 coi như không xảy ra lún cố kết mà chỉ có lún tức thời).

Bảng 3.13 Bảng kết quả tính lún cố kết tại tim đường cấu trúc 2

Lớp

Chiều dày hi(m)

Chiều sâu zi (m)

'

(kN/m3) eo

(-) Cc

(-) Cr

(-)

Pc ('pi) (kN/m2)

P ('vi)

(kN/m2) P0 ('v0i) (kN/m2)

Độ lún Sc (m) 1 1.0 0.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 82.52 4.99 0.11 1 1.0 1.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 81.81 9.98 0.10 1 1.0 2.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 79.60 14.97 0.09 1 1.0 3.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 75.91 19.96 0.09 1 1.0 4.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 71.28 24.95 0.08 1 1.0 5.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 66.30 29.94 0.08 1 1.0 6.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 61.40 34.93 0.08 1 1.0 7.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 56.79 39.92 0.07 1 1.0 8.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 52.58 44.91 0.07 1 1.0 9.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 48.78 49.90 0.07 1 1.0 10.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 45.39 54.89 0.07 1 1.0 11.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 42.36 59.88 0.07 1 1.0 12.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 39.66 64.87 0.06 1 1.0 13.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 37.25 69.86 0.05 1 1.0 14.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 35.08 74.85 0.05 1 1.0 15.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 33.13 79.84 0.04 1 1.0 16.50 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 31.37 84.83 0.04 1 1.7 17.85 4.99 2.175 0.935 0.167 57.8 29.26 91.57 0.06

2 1.0 22.20 6.58 1.426 0.399 0.080 72.4 23.98 127.45 0.01 2 1.0 23.20 6.58 1.426 0.399 0.080 72.4 23.01 134.03 0.01 2 1.0 24.20 6.58 1.426 0.399 0.080 72.4 22.12 140.61 0.01 2 1.0 25.20 6.58 1.426 0.399 0.080 72.4 21.29 147.19 0.01

Lún cố kết Sc (m): 1.36

Độ lún tức thời của lớp kẹp 2, áp dụng công thức tính toán của lý thuyết đàn hồi:

E0 z z

 

  ;

Trong đó:z: là biến dạng tỷ đối ( h s

z 

 , s là độ lún, h là bề dày, h của lớp kẹp 2 bằng 3m).

z : ứng suất gây lún ở giữa lớp cát.

 



  1 1 2

2 ( hệ số nở hông của cát lấy bằng 0.3, nên  0.74)

E0 :Mô đun đàn hồi (Modun tổng biến dạng).

Vậy độ lún lớp kẹp 2 là:

0 2

. . .

h E

skep z  = 0.00925 (m) ≈ 0.01 (m).

Kiến nghị hệ số m=1.2.

Lún tức thời cấu trúc 2: Si = (m-1). Sc + S kẹp 2 = 0.282 (m) Tổng lún của cấu trúc 2: S= m.Sc + S kẹp 2 = 1.65 (m)

Kết quả cho thấy, nền đất bị biến dạng lún rất lớn, vì vậy, việc nghiên cứu xử lý nền đất yếu là hoàn toàn hợp lý.

Chi tiết và kết quả tính toán cấu trúc 2 tham khảo phụ lục 05.

+ Khi áp dụng phương án xử lý nền bằng trụ xi măng đất CDM, một số quan điểm tính toán phổ biến như sau:

Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu (Design guide soft soil stabilistation CT97-0301).

a) Cách xác định khoảng cách giữa các trụ đất xi măng.

Khoảng cách giữa các trụ phải được tính toán sao cho bước trụ là lớn nhất để đáp ứng về nhu cầu kinh tế, đồng thời đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật. Giới hạn tối đa

cho khoản cách giữa các trụ khi bố trí theo lưới ô vuông thì có thể xác định theo công thức sau:

q f h f s Q

q fs

p

. .

. 

  (3.37) Trong đó:

Qp - khả năng chịu tải cho phép của mỗi trụ.

ffs - hệ số tải trọng do đất đắp, xét trạng thái giới hạn cường độ, ffs = 1,3 ÷ 1,5.

fp - hệ số tải trọng do hoạt tải, xét trạng thái giới hạn cường độ, fp = 1,3 ÷ 1,5.

q - hoạt tải phân bố đều trên bề mặt đất đắp.

h - chiều cao đất đắp.

γ – trọng lượng trung bình của đất đắp.

b) Kiểm tra theo vật liệu cọc.

Tải trọng tác dụng lên trụ:

) a 1 E ( a E

A . Q q

col soil

col tt





 (3.388)

Sức chịu tải của mỗi trụ đất xi măng như sau:

Qcoc = Acol(3,5Cucol+3σn) (3.39) Trong đó:

Acol - diện tích tiết diện ngang của trụ đất xi măng.

σn = σp + 5Cusoil - áp lực ngang tổng cộng tác dụng lên trụ đất xi măng.

Cucol , Cusoil – sức kháng cắt của trụ và đất nền.

σp = qtt + γđn . Lcol - ứng suất phân bố dưới đáy khối gia cố bằng trụ đất xi măng.

2

 Q

FS Qcol (3.40)

qtt - hoạt tải và tải trọng đất đắp.

a - tỷ diện thay thế của trụ đất xi măng.

Esoil, Ecol - mô đun biến dạng của nền đất và trụ đất xi măng.

c) Kiểm tra theo đất nền

Kiểm tra theo điều kiện đất nền được thực hiện theo phương pháp hệ số vượt tải với điều kiện:

2



ac col

S P

F Q (3.41)

Sức chịu tải của trụ đất xi măng theo điều kiện đất nền:

Qcol = (π*D*Lc + 2,25* π *D2)Su (3.42) Trong đó:

FS - hệ số an toàn.

D - đường kính trụ.

Lc - chiều dài trụ.

Su - sức kháng cắt không thoát nước của đất nền.

Pac - tải trọng tính toán của 1 trụ đơn bao gồm cả hoạt tải.

d) Kiểm tra sức chịu tải của nhóm trụ đơn.

Kiểm tra theo điều kiện đất nền của nhóm trụ được thực hiện theo phương pháp hệ số vượt tải với điều kiện:

group 1,5

S

group

F Q

 P  (3.43)

Sức chịu tải của nhóm trụ tính theo công thức của Broms & Boman (1978), Bergado (1996):

Qgroup = 2Su*Lc(B + L) + (6÷9) Su*B*L (3.44)

Tải trọng tính toán:

Pgroup = (Pgl + Pht)B*L (3.45)

Trong đó:

B - bề rộng của nhóm trụ.

L - chiều dài nhóm trụ

Su - sức kháng cắt không thoát nước của đất nền.

Hệ số lấy bằng 6 khi móng hình chữ nhật có L>>B (móng băng).

e) Độ lún của khối thân trụ.

Độ lún tổng cộng của một công trình đặt trên nền đất gia cường bằng cột đất xi măng gồm hai thành phần là độ lún cục bộ của khối đất được gia cố (Δh1) và độ lún của đất không ổn định nằm dưới khối (Δh2).

Tính độ lún cục bộ của khối đất được gia cố (Δh1):

Độ tăng tải trọng q gây ra do công trình, một phần truyền lên cọc (q1) và một phần truyền cho đất ở xung quanh (q2).

Hình 3.8 Phân chia tải trọng tác dụng lên trục và đất nền Độ lún do tải trọng q1 gây ra:





Ecol

a q S h

. . 1

1 (3.46) Độ lún do tải trọng q2 gây ra:

 



Msoil

a q S h

).

1 (

. 2

2 (3.47) Độ lún cục bộ phần trụ đất xi măng Δh1 được xác định theo giả thiết độ tăng tải trọng q không đổi suốt chiều cao khối và tải trọng trong khối không giảm, lúc đó thì trụ và đất nền có cùng độ lún:

  









soil

col a M

E a

q S h

S

h . (1 ).

.

2 1

1 (3.48)

Trong đó:

A: tỷ diện thay thế của trụ đất xi măng.

Ecol: mô đun đàn hồi của trụ đất xi măng.

Msoil: mô đun biến dạng của đất nền xung quanh trụ.

Δh: chiều dày của lớp địa chất.

f) Độ lún của đất dưới mũi trụ.

Độ lún Δh2 của đất chưa gia cố dưới mũi trụ được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp phân tố (quy về móng khối quy ước).











  

 

 

 '

' '

' '

1 0

2 lg lg

1 p

v i vo

c vo i p r n

i

i

i C C

e h h









 (3.49)

Trong đó:

hi - bề dày lớp đất tính lún thứ i.

e0i - hệ số rỗng của lớp đất i ở trạng thái tự nhiên ban đầu.

Cri - chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải.

Cci - chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún.

σ’v0 - ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i.

Δσ'v - gia tăng ứng suất thẳng đứng.

σ'p - ứng suất tiền cố kết.

Phương pháp tính toán theo quy trình Nhật Bản (Guideline for Design and Quality Control of Soil Improvement for Buildings - Deep and Shallow Cement Mixing Methods, 2004).

a. Sức chịu tải của trụ đất xi măng theo vật liệu.

Khả năng chịu tải của trụ đất xi măng được tính toán theo công thức sau:

Pa

A P

P   .  (3.50)

Trong đó:

P: tải trọng của nền đất đắp do một trụ đỡ (kN).

ΔP: tổng tải trọng phân bố của nền đắp (kN/m2).

A: diện tích nền đất do một trụ đỡ (m2).

A = x2 (3.51)

x: hoảng cách giữa các trụ (tính từ tim trụ).

Pa: lực nén lớn nhất mà trụ có thể chịu được (kN).

Pa=qu.Ap (3.52)

qu: cường độ chịu nén của trụ (kN/m2).

Ap: diện tích tiết diện của trụ (m2)

b. Sức chịu tải của trụ đất xi măng theo đất nền.

i di pu

u R L h

R   . . (3.53)

Trong đó:

Ru - Sức chịu tải cực hạn của trụ gia cố.

Rup - Sức chịu tải mũi cực hạn của trụ gia cố.

τdi - Ma sát thành bên cực hạn của trụ gia cố.

hi - Chiều dày phân tố.

L - Chu vi cọc gia cố.

Sức chịu tải mũi cực hạn của trụ gia cố phụ thuộc vào loại đất:

- Với đất rời:

p

up N A

R 75. . (3.54)

- Với đất dính:

p

up c A

R 6. . (3.55)

Trong đó:

N : trị số SPT trung bình trên và dưới 1 lần đường kính trụ.

C: lực dính của đất nền.

Ap: diện tích tiết diện của trụ.

Ma sát thành bên cực hạn của trụ được tính theo công thức sau:

- Đối với đất rời:

3 . 10N

di 

 (3.56)

- Đối với đất dính:

di  c

 hoặc

2

u di

 q

 (3.57)

Trong đó:

qu: sức kháng cắt của trụ.

N: trị số SPT tại độ sâu đang xét.

c. Tính độ lún của nền đất gia cố.

Độ lún tổng (S) của nền gia cố được xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố:

S = S1 + S2 (3.58) Trong đó:

S1 - độ lún trong phần đất được gia cố.

S2 - độ lún của lớp đất yếu chưa được gia cố dưới mũi trụ.

 Độ lún S1.

Sn

S1   . (3.59)

) 1 ( 1

1



 

n ap

 (3.60)

Trong đó:

Ap - tỷ diện tích đất được thay thế.

n - tỷ số mô đun,

soil col

E

n E (3.61)

Sn - độ lún cuối cùng của lớp đất thứ n (trong bài toán tính lún khi nền đất chưa được gia cố).

p w H w

e

Sn Cc n ( )

log . 1 .

1 2 2 1 0



 





  (3.62) Cc - chỉ số nén của lớp đất thứ n.

e0 - hệ số rỗng ban đầu của lớp đất thứ n.

hn - chiều dày của lớp đất thứ n.

w1, w2 - tải trọng của đất đắp.

P - ứng suất cố kết ở giữa lớp đất thứ n, p = max(pc, σ2).

σ1, σ2 - ứng suất có hiệu do tải trọng gây ra.

 Độ lún S2.

Xem khối đất được gia cố bằng trụ đất xi măng ở phía trên như một móng khối quy ước, khi đó độ lún S2 của đất yếu phía dưới khối gia cố được tính theo phương pháp phân tầng cộng lún từng lớp phân tố.

Phương pháp tính toán theo quy trình Trung Quốc (DBJ08-40-94) a. Sức chịu tải của khối gia cố

Sức chịu tải cho phép của trụ đất xi măng

Khả năng chịu tải cho phép của trụ đất xi măng được xác định theo thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn tại hiện trường, tuy nhiên có thể ước tính theo công thức sau và lấy giá trị nhỏ hơn.

p cu

a f A

P . . . (3.63)

Hoặc

 

 p si i p p

a U q l A q

P . . . . (3.64)

Trong đó:

fcu - cường độ chịu nén của mẫu thử đất gia cố xi măng trong phòng thí nghiệm ở 90 ngày tuổi trong điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn.

Ap: diện tích mặt cắt ngang trụ.

Η: hệ số chiết giảm cường độ thân trụ, có thể lấy bằng 0,3 ÷ 0,4 Up: chu vi trụ đất xi măng.

qsi: lực ma sát của lớp đất xung quanh trụ.

li: chiều dày lớp đất thứ i.

α: hệ số chiết giảm khả năng chị tải của đất dưới mũi trụ, lấy 0,4 ÷ 0,6.

qp: khả năng chịu tải của đất dưới mũi trụ.

Sức chịu tải cho phép của khối nền đất gia cố.

Khả năng chịu tải cho phép của khối nền đất gia cố được xác định theo thí nghiệm nén nền hỗn hợp tại hiện trường, tuy nhiên có thể ước tính theo công thức sau và lấy giá trị nhỏ hơn.

s p

a

sp m f

A P

F m. .(1 ).





  (3.65) Trong đó:

m - tỷ diện thay thế của trụ đất xi măng.

fs - khả năng chịu tải cho phép của đất giữa các trụ.

β:hệ số chiết giảm khả năng chị tải của đất dưới mũi trụ, lấy 0,4 ÷ 0,6.

b. Độ lún của nền đất gia cố

Độ lún của nền đất gia cố được tính toán bao gồm độ lún của khối thân trụ đất xi măng và tổng độ lún của lớp đất yếu không gia cố dưới mũi trụ.

+ Độ lún của khối thân cọc đất xi măng E l.

. 2

p S p

sp z 0 0 1

  (3.66)

Trong đó:

Po - áp lực trung bình tại đỉnh trụ.

Poz - áp lực tại mũi cọc.

Esp - Mô đun co nén của thân trụ.

Esp = m.Ep + (1-m).Es (3.67) Ep: mô đun co nén của trụ đất xi măng, Ep = (100-120) fcu (3.68) fcu - sức kháng cắt của trụ đất xi măng.

m - tỷ diện thay thế của trụ đất xi măng.

Es - mô đun co nén của đất xung quanh trụ.

+ Độ lún của đất dưới mũi cọc

Độ lún S2 của đất chưa gia cố dưới mũi trụ được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp.

Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 9403:2012) – Tính toán nền gia cố theo biến dạng.

Độ lún tổng (S) của nền gia cố được xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố:

Hình 3.9 Sơ đồ tính toán lún nền gia cố trụ đất xi măng

S = S1 + S2 (3.69) Trong đó: S1 - độ lún bản thân khối gia cố

S2 - độ lún của đất chưa gia cố, dưới mũi trụ

 Độ lún của bản thân khối gia cố S1 được tính theo công thức:

s c

tb

1 aE (1 a)E

qH E

S qH



 

 (3.70) Trong đó:

q - tải trọng công trình truyền lên khối gia cố (kN);

H - chiều sâu của khối gia cố (m);

a - tỷ số diện tích, a = (nAc / BL), n- tổng số trụ, Ac - diện tích tiết diện trụ, B, L - kích thước khối gia cố

Ec - Mô đun đàn hồi của vật liệu trụ; Có thể lấy Ec = (50100) Cc Với Cc là sức kháng cắt của vật liệu trụ.

Es - Mô đun biến dạng của đất nền giữa các trụ. (Có thể lấy theo công thức thực nghiệm Es = 250Cu, với Cu là sức kháng cắt không thoát nước của đất nền).

 Độ lún của đất chưa gia cố S2 dưới mũi trụ: được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp. Phạm vi vùng ảnh hưởng lún đến chiều sâu mà tại đó áp lực gây lún không vượt quá 15% áp lực đất tự nhiên.