Xử lý và gia cố đất nền

Chương 4: Xử lý và Gia Cố Đất Nền 1 4.1. KHÁI NIỆM
Đệm vật liệu rời (đá, sỏi, cát)
Cọc vật liệu rời (cọc đá, cọc sỏi, cọc cát)
Cọc đất vôi, đất xi măng
Gia tải trước
Giếng cát gia tải trước
Bấc thấm
Cừ tràm 2 4.2. ĐỆM CÁT - Chiều dày lớp đất yếu < 5m; công trình vừa, nhỏ, nhà công nghiệp. Dùng lớp đệm để thay thế toàn bộ lớp đất yếu. - Làm tăng sức chịu tải của nền đất (được thay bởi lớp đất tốt hơn) - Làm giảm độ biến dạng - Làm tăng khả năng chống trượt khi có tải trọng ngang - Ưu: sử dụng vật liệu địa phương, phương pháp thi công đơn giản - Khuyết: thích hợp cho công trình nhỏ; công trình bên cạnh ao, hồ, sông, biển thì cần phải có biện pháp ngăn ngừa hiện tượng cát chảy. Khi MNN cao thì dùng γ’ nên không hiệu quả. 3 4.2. ĐỆM CÁT
Tính toán lớp đệm cát Df Ntt h σz2 σ bt 1 pgl hđ bđ α b 4 4.2. ĐỆM CÁT 1. Xác định hđ * Điều kiện 1: σbt1+ σ z 2 ≤ Rtc(Df + hđ) ≈ RII (Df + hđ) σbt1 = γ Df + γđ hđ σz2 : Ư/s do tải trọng ngoài tại đáy lớp đệm σz2 = k0 pgl = k0 (p - γ Df) k0 = f (l/b, z/b) ])([ *21 DchDBAb k mmR đfz tc II +++= γγ bz : bề rộng móng tính đổi - Móng băng: l Nb 2 tc z σ = ∑ aaFb 2zz −+= - Móng chữ nhật: a = (l-b)/2 2 tc z NF σ = ∑
Tính toán lớp đệm cát 5 4.2. ĐỆM CÁT 1. Xác định hđ * Điều kiện 2: S = Sđệm + Sđất ≤ Sgh - Để đơn giản hơn, ta có thể chọn hđ rồi kiểm tra lại đk1 và đk2 - hđ được chọn bằng bề dày lớp đất yếu và ≤ 3m 2. Xác định bđ Tính bề rộng đáy lớp đệm vật liệu rời với gải thiết góc truyền ứng suất nén trong nền đất là α ≈ ϕđ = 30 ÷ 350. bđ = b + 2 hđ tan300
Tính toán lớp đệm cát 6 4.2. ĐỆM CÁT
Một số vấn đề thi công lớp đệm cát - Đào bỏ hết lớp đất yếu - Dùng loại cát hạt to, trung, hàm lượng chất bẩn ≤ 3% - Rải từng lớp dày 20 – 30cm, tưới nước vừa đủ ẩm (Wopt) và đầm - Có thể thay cát bằng các loại đất tốt khác: cát pha sét lẫn sỏi, sỏi đỏ. 7 4.3. CỌC CÁT Tác dụng - Làm cho đất nền nén chặt lại nhờ hệ thống các cọc cát - Tăng sức chịu tải của đất nền - Giảm biến dạng, đặc biệt là biến dạng không đồng đều - Tăng khả năng chống trượt đối với công trình chịu tải ngang Ưu điểm - Tận dụng được vật liệu địa phương (cát) - Thiết bị thi công đơn giản - Thời gian thi công (xử lí nền) nhanh Nhược điểm - Sử dụng hiệu quả cho công trình có tải trung bình. Công trình có tải lớn hoặc vùng đất yếu lớn thì biện pháp này không khả thi. 8 4.3. CỌC CÁT
Các bước tính toán cọc cát 1. Xác định diện tích cần nén chặt Fnc = lnc bnc lnc = l + 0,4 b bnc = b + 0,4 b 2. Xác định hệ số rỗng nén chặt sau khi có cọc cát - Nền cát: enc = emax – D(emax – emin) Độ chặt tương đối D = 0,7 ÷ 0,8 khi thi công đóng ống tạo cọc 9 4.3. CỌC CÁT - Nền sét )5,0( 100 ppw s nc IW G e += γ p e enc=ep=0,1MP p=0,1MPa enc = 0,7 ÷ 0,8, nhưng < 1 - Dung trọng sau khi nén chặt )01,01( 1 W e G nc s nc ++ =γ 10 4.3. CỌC CÁT 3. Xác định khoảng cách giữa các cọc • Cọc bố trí theo lưới tam giác d L 600 nc ee edL − + = 0 01952,0 • Cọc bố trí theo lưới ô vuông d L nc ee edL − + = 0 01886,0 11 4.3. CỌC CÁT 4. Xác định số lượng cọc cần thiết Fc : diện tích tổng các cọc cát, fc : diện tích 1 cọc cát c c nc f F n = 4 2dfc pi = 0 0 1 e ee F F nc nc c + − = nc nc c F e eeF 0 0 1+ − = c ncnc c f F e ee n 0 0 1+ − = Thường chọn d = 20 ÷ 60cm, chọn và bố trí cọc nằm ngoài phạm vi nén chặt. 12 4.3. CỌC CÁT 5. Xác định chiều dài cọc lc cần thiết Chiều dài cọc phải ≥ chiều sâu vùng hoạt động lún (vùng chịu nén) và phải thỏa mãn khả năng chịu tải của lớp đất yếu. S = Scc + Sđất ≤ Sgh σbt1+ σ z 2 ≤ Rtc(Df + lc) ≈ RII (Df + lc) Thường chọn lc = Hnén + 0,5m 13 4.3. CỌC CÁT 6. Kiểm tra điều kiện ổn định - Kiểm tra điều kiện ổn định dưới đáy móng ptc ≤ Rtc(Df) ≈ RII (Df) ptcmax ≤ 1,2 Rtc(Df) ≈ 1,2 RII (Df) ptcmin ≥ 0 - Kiểm tra điều kiện ổn định dưới cọc cát σbt1+ σ z 2 ≤ Rtc(Df + lc) ≈ RII (Df + lc) 7. Kiểm tra điều kiện biến dạng S = Scc + Sđất ≤ Sgh 14 4.3. CỌC CÁT - Đóng ống thép xuống nền đất, nhồi cát và đầm chặt, đồng thời rút ống thép lên; dùng ống thép tự mở đáy. - Thi công bằng phương pháp chấn động thì sau khi hạ ống thép tới độ sâu thiết kế, nhồi cát vào, cho máy chấn động rung khoảng 15-20ph, kế tiếp rút ống lên 0,5m, làm tương tự. - Thi công bằng phương pháp nổ mìn.
Một số vấn đề thi công cọc cát 15 4.4. GIA TẢI TRƯỚC
Tính toán tải trọng gia tải cho phép để đất nền không bị phá hoại, p ≤ pgh Để đơn giản lấy ϕ = 0 => A = 0, B = 1, D = 3,14 = pi Pgh = pi c Chiều cao lớp gia tải là h = pgh / γ )*( cDDBbAmRp ftcgh ++== γγ )*(21 cDDBbA k mmRp f tc IIgh ++== γγ 16 4.4. GIA TẢI TRƯỚC
Tính toán cố kết đất nền p h 1 1 dz Nền đất không thấm Biên thoát nước z 2h Biên thoát nước h Cát thoát nước h vT t eU 42 2 81 pi pi − −= wow v a kk a eC γγ = + = 11t h C T vv 2= Khi Uv ≤ 60% => Khi Uv > 60%=> Tv = 1,781 – 0,933 log(100-Uv) 2 1004      = v v UT pi 17 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC - Thích hợp cho công trình có kích thước bản đáy lớn: móng băng, băng giao nhau, móng bè, nền đường, đê đập - Dùng cho nền: cát nhỏ - bụi bão hòa nước, đất dính bão hòa nước, bùn, than bùn - Ưu điểm: + Tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền + Tăng khả năng chịu tải của đất nền + Nền được lún trước do thoát nước & gia tải + Giảm mức độ biến dạng & biến dạng không đồng đều của đất nền + Tăng khả năng chống trượt khi công trình chịu tải ngang - Nhược điểm: + Chỉ sử dụng hiệu quả cho công trình tải trọng trung bình và chiều dày lớp đất yếu không lớn + Thời gian thi công (gia tải) lâu + Không hiệu quả cho đất nền có k < 10-8 cm/s 18 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
Cấu tạo của giếng cát gia tải trước 2R L=2R 2r Phản áp GIA TẢI TRƯỚC Lớp đệm kr kz kz Hướng thấm nước z h=2H Giếng cát Gồm 3 bộ phận chính: hệ thống giếng cát, lớp đệm & phụ tải 19 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
Tính toán giếng cát gia tải trước hđệm = S + (30 ÷ 50) cm, chọn hđệm ≥ 0,5 m S: độ lún ổn định của nền đất yếu 1. Chiều dày lớp đệm cát 2. Xác định đường kính d và khoảng cách giữa các giếng L - Thường chọn đường kính giếng cát d = 40 cm - Khoảng cách các giếng cát L = 2 ÷ 5 m, chọn L = 2 m 3. Xác định chiều sâu giếng cát lg - Chiều sâu giếng cát lg ≥ Hnén (phạm vi chịu nén) - σbt1+ σ z 2 ≤ Rtc(Df + lg) ≈ RII (Df + lg) - lg ≥ 2/3 Hđy - Thường chọn lg = chiều sâu vùng đất yếu 20 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC 4. Tính toán độ cố kết của nền đất - Lời giải của Carrilo (1942) cho độ cố kết tổng hợp Uv,r của thấm đứng Uv và thấm ngang Ur Uv,r = 1 – (1 - Ur) (1 – Uv) w v v a ek c γ )1( 1+ = 2H tcT vv = w r r a ek c γ )1( 1+ = => Uv (Sơ đồ 0 ) => Ur2 e r r D tcT = vT t eU 42 2 81 pi pi − −≈ 21 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC Uv,r : độ cố kết tổng hợp H = lg : chiều dài giếng cát (chiều dày vùng thoát nước) R = L/2 : bán kính ảnh hưởng De : khoảng cách qui đổi giữa các giếng cát De = 1,13 S (sơ đồ hình vuông) De = 1,05 S (sơ đồ tam giác đều) S : khoảng cách thực giữa các giếng cát r : bán kính giếng cát cv : hệ số cố kết theo phương đứng cr : hệ số cố kết theo phương bán kính (phương ngang) a : hệ số nén lún γw : trọng lượng riêng của nước 22 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC - Lời giải của Barron (1948)       −−= )( 8 exp1 nF TU rr 2 2 2 2 4 13)( 1 )( n n nLn n n nF −− − = d S r R n ≈= 23 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC 5. Tính độ lún theo thời gian St: St = U S∞ - Xem nền không thay đổi: h e eeS 1 21 1+ − = ∞ hpaoS n i ∆= ∑ =1 hp E S n i ∆= ∑ = β 1 24 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC Cho đất cố kết trước nặng (OCR > 1, po + ∆p ≤ pc )       ∆+ + = o o o s p pp e hCS log 1 Cho đất cố kết trước nhẹ (OCR > 1, po + ∆p ≥ pc)       ∆+ + + + = c o o c o c o s p pp e hC p p e hCS log 1 log 1       ∆+ + = ∑ = oi ioi n i i ic p pp e hCS log 11 0 Cho đất cố kết thường (OCR = 1) 25 4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC
Một số vấn đề thi công giếng cát Trình tự thi công gần giống như cọc cát. Với chiều sâu giếng < 12m, có thể dùng các loại máy đào cần trục hoặc các loại máy rung có lực kích từ 10-20T, thực tế hay dùng 14T. 26 4.6. BẤC THẤM Lời giải Hansbo (1979) cho bấc thấm, bản nhựa thấm:       −−= F TU rr 8 exp1 2 e r r D tCT = w h r a kC γ0 = De : khoảng cách giữa các thiết bị thoát nước De = 1,13 S (sơ đồ hình vuông) De = 1,05 S (sơ đồ tam giác đều) S : khoảng cách thực giữa các thiết bị thoát nước F = F(n) + Fs + Fr w r r a ek c γ )1( 1+ = 27 4.6. BẤC THẤM 4 3)( −      = w e d D LnnF biểu thị hiệu quả do khoảng cách các thiết bị thoát nước               −      = w s s h s d d Ln k k F 1 biểu thị hiệu quả xáo trộn của đất xung quanh thiết bị thoát nước dw : đường kính tương đương của thiết bị thoát nước pi )(2 badw + = 2 )( badw + = (Hansbo, 1979) a: bề rộng, b: bề dày thiết bị thoát nước 28 4.6. BẤC THẤM ds : đường kính vùng bị xáo trộn kết cấu đất xung quanh thiết bị thoát nước w h r q kZLZF )( −= pi biểu thị hiệu quả sức cản thấm của các thiết bị thoát nước. Z : khoảng cách từ mặt đất đến chổ kết thúc thoát nước qw : khả năng thoát nước khi gradient thủy lực bằng 1 29 4.7. CỪ TRÀM Chiều dài cừ : lc = 4 ÷ 5 m, đường kính dc = 6 ÷ 10 cm. Tính toán cừ tràm như cọc tiết diện nhỏ. 1. Chọn lc , dc ; thường chọn lc = 4 ÷ 5 m, dc = 6 ÷ 8 cm. 2. Xác định sức chịu tải của cừ: - Theo vật liệu: Pvl = 0,6 fc Rn fc : diện tích tiết diện ngang 1 cừ Rn : cường độ chịu nén dọc trục của cừ - Theo đất nền: p pp s ss a FS qA FS fAQ += 30 4.7. CỪ TRÀM Qtc = mR fc Rp + u Σmf fi li Qa = Qtc /1,4 Qa = km (Rp fc + u Σmf fi li) ; km = 0,7 Hệ số mR , mf lấy như cọc BTCT ca = 2/3 c ; ϕa = 2/3 ϕ => Chọn Pc = min (Qa); Pc ≈ 0,4 T 3. Tính số lượng cừ c đ P QN n + = F n n =0 Thường chọn mật độ 16 cây/m2, 25 cây/m2, 36 cây/m2, 49 cây/m2. 4. Các phần còn lại tính tương tự cọc BTCT * Phần tính lún thì móng khối qui ước chỉ 2/3 lc . 31