GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ
II.1 CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN
Hiện nay, vấn đề tính sức chịu tải và biến dạng của nền đất gia cố bằng cọc đất gia cố xi măng vẫn còn là vấn đề tranh luận nhiều. Nhưng tựu chung lại có 3 quan điểm chính như sau:
- Quan điểm cột làm việc như cọc (tính toán như móng cọc).
- Quan điểm xem cột và đất cùng làm việc đồng thời (tính toán như đối với nền thiên nhiên).
- Một số nhà khoa học lại đề nghị tính toán theo cả hai quan điểm trên nghĩa là sức chịu tải thì tính toán như “cọc”, còn biến dạng thì tính toán theo nền.
Sở dĩ các quan điểm trên chưa hoàn toàn thống nhất bởi vì bản thân vấn đề phức tạp, những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm về vấn đề này chưa nhiều.
II.1.1. Theo quan điểm cột làm việc như “cọc”
Theo quan điểm này đòi hỏi trụ phải có độ cứng tương đối lớn và các đầu trụ này được đưa vào tầng đất chịu tải. Khi đó lực truyền vào móng sẽ chủ yếu đi vào các cọc đất gia cố xi măng (bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy móng). Trong trường hợp trụ không đưa được xuống tầng đất chịu lực thì có thể dùng phương pháp tính toán như tính toán với cọc ma sát.
II.1.1.1. Đánh giá ổn định các trụ gia cố theo trạng thái giới hạn 1
Khả năng chịu lực của công trình phụ thuộc vào số lượng và cách bố trí các trụ trong khối móng. Kết quả phân tích tính toán thể hiện thông qua nội lực tác dụng lên trụ: M, N, Q.
Để móng trụ đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau: Nội lực lớn nhất trong một trụ: Nmax < Qult/Fs
Mômen lớn nhất trong một trụ: Mmax < [Mgh] của vật liệu làm trụ Chuyển vị của khối móng : ∆y < [∆y]
Trong đó:
Qult - Sức chịu tải giới hạn của cọc ximăng - đất; [M] - Mômen giới hạn của cọc ximăng - đất;
Việc tính toán nội lực trong thân cột M, N, Q và chuyển vị móng cột ∆y có thể dùng các phần mềm hiện có để tính toán. Trong trường hợp không có phần mềm để tính toán các điều kiện ổn định trên có thể viết lại như sau:
- Trường hợp tải trọng đúng tâm:
ult max c N Q N n Fs = ∑ ≤ (2-1) Trong đó:
Nmax - tải trọng tác dụng lên mỗi cột; ΣN - tổng tải trọng tác dụng lên đài cột; nc - số lượng cột trong móng.
- Trường hợp tải trọng lệch tâm:
y x ult max 2 2 s i i M x N M y Q N nc y x F = ∑ ± ± ≤ ∑ ∑ (2-2) Trong đó:
Mx, My - mômen uốn do tải trọng gây ra đối với các trục chính của đáy đài cột;
xi, yi - khoảng cách từ trục chính của đài cột đến mỗi trục cột; x, y - khoảng cách từ trục chính của đài cột đến trục cột khảo sát.
II.1.1.2. Đánh giá ổn định các trụ gia cố theo trạng thái giới hạn 2
Tính toán theo trạng thái giới hạn 2 đảm bảo cho móng trụ không phát sinh biến dạng và lún quá lớn:
Trong đó:
[Sgh] - độ lún giới hạn cho phép; ∑Si - độ lún tổng cộng của móng cột.
Nhìn chung trong thực tế quan điểm này có nhiều hạn chế và có nhiều điểm chưa rõ ràng. Chính vì những lý do đó nên ít được dùng trong tính toán.
II.1.2. Theo quan điểm tính toán như nền tương đương
Nền trụ và đất dưới đáy móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ ϕtđ, Ctđ, Etđ được nâng cao (được tính từ ϕ, C, E của đất nền xung quanh trụ và vật liệu làm trụ). Công thức quy đổi tương đương ϕtđ, Ctđ, Etđ dựa trên độ cứng của cọc đất gia cố xi măng, đất và diện tích đất được thay thế bởi cọc đất gia cố xi măng. Gọi m là tỷ lệ giữa diện tích cột xi măng - đất thay thế trên diện tích đất nền.
m = s p A A (2-4) ϕtđ = mϕcột+(1-m)ϕnền (2-5) Ctđ = mCcột+(1-m)Cnền (2-6) Etđ = mEcột + (1-m)Enền (2-7) Trong đó:
Ap - Diện tích đất nền thay thế bằng cọc đất gia cố xi măng; As- Diện tích đất nền cần gia cố.
Theo phương pháp tính toán này, bài toán gia cố đất có 2 tiêu chuẩn cần kiểm tra: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tiêu chuẩn về cường độ: ϕtđ , Ctđ của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình.
- Tiêu chuẩn biến dạng: Môđun biến dạng của nền được gia cố Etđ phải thỏa mãn điều kiện lún của công trình.
Có thể dùng các công thức giải tích và các phần mềm địa kỹ thuật hiện có để giải quyết bài toán này.
II.1.3. Quan điểm hỗn hợp
II.1.3.1 Cách tính toán của Viện Kỹ thuật châu Á A.I.T
a) Sức chịu tải của cột đơn
Khả năng chịu tải của cọc đất gia cố xi măng được quyết định bởi sức kháng cắt của đất sét yếu bao quanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc đất gia cố xi măng (cọc đất gia cố xi măng phá hoại). Loại phá hoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài cọc đất gia cố xi măng và sức chịu chân cọc đất gia cố xi măng, loại sau còn phụ thuộc vào sức kháng cắt của vật liệu cọc đất gia cố xi măng. Khả năng chịu tải giới hạn ngắn của cọc đất gia cố xi măng đơn trong đất sét yếu khi đất phá hoại được tính theo biểu thức sau:
Qgh, đất = (πdHcột+2.25 πd2)Cu (2-8)
Trong đó:
d - đường kính của cọc đất gia cố xi măng; Hcột - chiều dài cọc đất gia cố xi măng;
Cu -độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh và xuyên côn.
Giả thiết là sức cản mặt ngoài bằng độ bền cắt không thoát nước của đất sét Cu và sức chịu ở chân cọc đất gia cố xi măng tương ứng là 9 Cu. Sức chịu ở chân cọc đất gia cố xi măng treo không đóng vào tầng nén chặt, thường thấp so với mặt ngoài. Sức chịu ở chân cọc đất gia cố xi măng sẽ lớn khi cọc đất gia cố xi măng cắt qua tầng ép lún vào đất cứng nằm dưới có sức chịu tải cao. Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp đất ở dưới qua đáy của cọc đất gia cố xi măng. Tuy nhiên sức chịu ở chân cọc đất gia cố xi măng không thể vượt qua độ bền nén của bản thân cọc đất gia cố xi măng.
Trong trường hợp cọc đất gia cố xi măng đã bị phá hoại trước thì các cọc đất gia cố xi măng được xem như một lớp đất sét cứng nứt nẻ. Độ bền cắt của hỗn hợp sét ở dạng cục hay hợp thể đặc trưng cho giới hạn trên của độ bền. Khi xác định bằng thí nghiệm xuyên hay cắt cánh, giới hạn này vào khoảng từ 2 ÷ 4 lần độ bền cắt dọc theo mặt liên kết khi xác định bởi thí nghiệm nén có nở hông.
Đường bao phá hoại tương ứng (xem phụ lục Hình II.1). Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do cọc đất gia cố xi măng bị phá hoại ở độ sâu z được tính từ quan hệ:
Qgh,cọc đất gia cố xi măng=Acộtx(3.5 Ccột+3σn) (2-9) Trong đó:
Ccột - lực dính kết của vật liệu cọc đất gia cố xi măng;
σn - áp lực ngang tổng cộng tác động lên cọc đất gia cố xi măng tại mặt cắt giới hạn.
Giả thiết góc ma sát trong của đất là 30o. Hệ số tương ứng hệ số áp lực bị động Kb khi ϕgh,cọc đất gia cố xi măng=30o.
Giả thiết là: σn =σp + 5 Cu (2-10)
Trong đó:
σp - áp lực tổng của các lớp phủ bên trên;
Cu- độ bền cắt không thoát nước của đất sét không ổn định bao quanh. Công thức này được dùng khi thiết kế có xét áp lực tổng của các lớp phủ bên trên, vì áp lực đất bị động thay đổi khi chuyển vị ngang lớn.
Do hiện tượng rão, độ bền giới hạn lâu dài của cọc đất gia cố xi măng thấp hơn độ bền ngắn hạn. Độ bền rão của cột ximăng-đất Qrão,cọc đất gia cố xi măng từ 65% - 85% của Qgh,cọc đất gia cố xi măng. Giả thiết quan hệ biến dạng - tải trọng là tuyến tính cho tới khi rão như hình II.2 (xem phụ lục Hình II.2). Có thể dùng quan hệ này để tính sự phân bố tải trọng σrão,cọc đất gia cố xi măng và môđun ép co của vật liệu cọc đất gia cố xi măng tương ứng độ dốc của đường quan hệ. Khi vượt quá độ bền rão, tải trọng ở cọc đất gia cố xi măng được coi là hằng số.
b) Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất gia cố xi măng
Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất gia cố xi măng phụ thuộc vào độ bền cắt của đất chưa xử lý giữa các cọc đất gia cố xi măng và độ bền cắt của vật liệu cọc đất gia cố xi măng. Sự phá hoại quyết định bởi khả năng chịu tải của khối với cọc đất gia cố xi măng.
Trong trường hợp đầu, sức chống cắt dọc theo mặt phá hoại cắt qua toàn bộ khối sẽ quyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất gia cố xi măng được tính theo:
Qgh,nhóm = 2CuH[B+L] +(6÷9)CuBL (2-11)
Trong đó:
B, L và H - chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc đất gia cố xi măng. Hệ số 6 dùng cho móng chữ nhật khi chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều (tức là L>>B). Còn hệ số 9 dùng cho móng vuông.
Trong thiết kế, kiến nghị không dùng khả năng chịu tải giới hạn vì phải huy động sức kháng tải trọng lớn nhất làm cho biến dạng khá lớn, bằng 5- 10% bề rộng vùng chịu tải. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khả năng chịu tải giới hạn, có xét đến phá hoại cục bộ ở rìa khối cọc đất gia cố xi măng, phụ thuộc vào độ bền chống cắt trung bình của đất dọc theo mặt phá hoại gần tròn như hình II.4 (xem phụ lục Hình II.4). Độ bền cắt
trung bình có thể tính như khi tính ổn định mái dốc. Khả năng chịu tải giới hạn có chú ý đến phá hoại cục bộ, được tính theo biểu thức (2-12) sau:
qgh = 5,5Ctb(1+0,2b
L) (2-12)
Trong đó:
b, L - chiều rộng và chiều dài vùng chịu tải cục bộ;
Ctb - độ bền cắt trung bình dọc theo bề mặt phá hoại giả định. Độ bền cắt trung bình của vùng ổn định chịu ảnh hưởng của diện tích tương đối của cọc đất gia cố xi măng a, (bx1) và độ bền cắt của vật liệu cọc đất gia cố xi măng. Đề nghị dùng hệ số an toàn là 2,5 khi tính toán thiết kế.
c) Tính toán biến dạng
Tổng độ lún của công trình xây dựng trên nền đất gia cố bằng cọc đất gia cố xi măng như hình II.5 (xem phụ lục Hình II.5). Tổng độ lún lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của toàn khối nền được gia cường (∆h1) và độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới đáy khối đất được gia cường phía trên (∆h2)
Tức là:
∆h = ∆h1 + ∆h2 (2-13)
Trong đó:
∆h1 - độ lún cục bộ của khối đất nền sau khi được gia cường;
∆h2 - độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới mũi cọc đất gia cố xi măng. Khi tính toán ∆h có thể xảy ra 2 trường hợp:
- Tải trọng ngoài tác dụng tương đối nhỏ và cọc đất gia cố xi măng chưa bị rão:
Nếu độ lún dọc trục các trụ tương ứng với độ lún phần sét yếu xung quanh, thì sự phân bố tải trọng ngoài sẽ phụ thuộc vào độ cứng tương đối của vật liệu cột. Chừng nào ứng suất dọc trục cột (σcột ) còn nhỏ hơn độ bền giới hạn rão của nó (σrão cột ), thì sự phân bố tải trọng dọc trục cột sẽ phụ thuộc vào môđun lún của vật liệu cột và của đất đã gia cường, được tính theo công thức (2-14) sau: cét cét d cét cét Q q M A a ( )(1 a) M σ = = + − (2-14) Trong đó: q - tải trọng đơn vị, kG/cm2; a - diện tích tương đối của cột;
Md và Mcột - môđun biến dạng của đất nền xung quanh và của vật liệu cột
(M e ∆σ =
∆ ; ∆σ - số gia ứng suất truyền lên đất hay cột và ∆e - số gia hệ số rỗng của đất nền hay vật liệu cột).
Tải trọng phân bố đều q (do công trình hay nền đất đắp bên trên truyền xuống), một phần truyền cho trụ q1, phần khác truyền cho đất q2. Nếu trụ và đất xung quanh có cùng chuyển vị tương đối, có thể dùng quan hệ (2-15) sau:
1 2
cét cét cét d