Bài giảng Gia cố đất nền - Nguyễn Sĩ Hùng

Phần 4: Gia cố đất nền i t Nguyễn Sĩ Hùng – SPKT HCM Thế nào là Đất yếu Đất yếu: - Khả năng chịu lực thấp (0,5÷1,0kg/cm2); - Mô đun tổng biến dạng E0 ≤ 50kG/cm2; - Chỉ số SPT bé N < 2 với đất dính, N < 4 với đất cát - Chỉ số CPT bé qc < 300÷500 kPa - Đất dính có độ sệt lớn, B>1, W > Wnh; - Đất bùn cát pha e0 > 1,1; bùn sét và bùn sét pha e0 > 1.5; - Cát bụi rời bão hòa có D<0,2; qc < 1000 kPa; - Góc ma sát trong ϕ < 100 Đất yếu: Chỉ tiêu, loại đất Trọng lượng riêng γ (kN/m3) Góc ma sát trong ϕ (độ) Lực dính c (kN/m2) Mô đun tổng biến dạng Eo (kPa) Hệ số rỗng e Độ sệt B Chỉ số SPT N Sức kháng mũi qc (kPa) Đất sét 1,1 B > 1 N < 5 qc < 500 Đất cát bụi < 17 < 10 < 5000 e > 0,8 (cát bụi) N < 5 qc < 1000 Đất bùn: (ven biển, đầm lầy, ao hồ) Lưu ý : Bùn sét đến khi khô hạn thì bị nứt nẻ Thành phần : di tích thực vật + cát + sét Độ ẩm lớn: W > Wch Hệ số rỗng lớn: e > 1 với cát pha sét và e > 1,5 với đất sét Góc ma sát ϕ ~ 0 E0 = 100÷2500 kPa Đất than bùn: (bùn đầm lầy) Thành phần : hạt mịn + keo khoáng hữu cơ + vi sinh vật Than bùn nhẹ và xốp, γ = 7÷14 kN/m3 Sức chịu tải thấp, tính nén lún cao Góc ma sát ϕ < 100 E0 ~1000 kPa Cát mịn, xốp, bão hòa nước Sét, á sét trạng thái nhão Á cát bão hòa nước Các hậu quả xấu có thể xẩy ra khi xây dựng công trình trên đất yếu Lún quá mức Lún nghiêng quá mức Trượt đất Lún lệch làm nứt nẻ kết cấu bên trên, rất nguy hiểm Các giải pháp khi xây dựng công trình trên đất yếu 1. Điều chỉnh công trình phù hợp với đất nền 2. Cải tạo đất phù hợp với công trình Móng nông Tăng kích thước móng Gia cố đất nền Móng sâu CÔNG TRÌNH Thay đổi độ sâu chôn móng theo chiều dày lớp đất yếu sao cho chiều dày lớp đất yếu dưới đáy móng xấp xỉ nhau ở các vị trí (lưu ý chỉ áp dụng khi chiều dày lớp đất yếu biến đổi không lớn lắm) Các phương án điều chỉnh kết cấu công trình phù hợp với đất nền Thay đổi bề rộng móng theo chiều dày lớp đất yếu (lưu ý chỉ áp dụng khi chiều dày lớp đất yếu biến đổi không lớn lắm) Thay đổi phương án móng theo chiều dày lớp đất yếu + khe lún (lưu ý : áp dụng khi chiều dày lớp đất yếu biến đổi lớn, đột ngột ) Tách công trình thành nhiều đơn nguyên khi đất nền thay đổi hoặc khi tải trọng thay đổi và mặt bằng phức tạp Làm mềm hóa công trình để công trình cùng lún với đất nền Ống cấp nước dài 11,7m, đường kính 1,5÷1,7m Đường ống đi qua nhiều đoạn địa chất yếu, biến đổi nhiều, nguy cơ lún lệch cao. Giải pháp : mềm hóa tuyến ống bằng cách sử dụng ống ngắn trong vùng địa chất yếu (2m;3m;4m) Cải tạo đất nền : Đất nền sẽ được cải thiện khi cải thiện các thông số như ϕ, γ, c, K Khi cải thiện một thông số, các thông số còn lại cũng được cải thiện theo: - Tăng trọng lượng riêng γ; làm giảm hệ số rỗng e, giảm W - Tăng góc ma sát trong ϕ, Lực dính c Tác dụng: - Tăng cường độ pgh, tăng E, giảm hệ số nén lún a Mục đích xử lý: - Tăng cường độ; - Giảm độ lún; - Tăng tốc độ lún Các biện pháp gia cố nền đất 1). Bóc và thay thế toàn bộ hoặc một phần lớp đất yếu : - Đệm cát 2). Đẩy nhanh sự cố kết đất nền : - Gia tải trước; - Giếng cát, bấc thấm; - Hút chân không; 3). Làm chặt đất: - Cọc cát, đầm nén 4). Hóa học : - Cọc xi măng đất, cọc vôi; 5). Kết cấu (giới thiệu ở phần sau): - Móng cọc; Phương pháp đầm nén, tăng γ, phù hợp nhất cho đất rời, đất thoát nước tốt Không dùng Rất tốt Đất hạt mịn Đất đắp Khá nếu khô và kém nếu ướtCát có 10-80% hạt bụi và < 20% hạt sét Cực tốtSỏi sạn và cát có <10% hạt bụi, không phải là sét Hiệu quảLoại đất Độ sâu ảnh hưởng đầm có thể lên đến 10m, khi quả năng rơi ở độ cao lớn (quả nặng >1T rơi từ độ cao >10m) Chiều sâu ảnh hưởng (Robert Lucas): D = k(W x H)1/2 Trong đó: D - chiều sâu ảnh hưởng lớn nhất tính từ mặt đất (m); W - trọng lượng quả tạ (tấn hay 9kN); H - chiều cao rơi tới mặt đầm (m); k - hệ số lấy từ 0,3 - 0,7 tùy loại đất, trị số nhỏ cho đất hạt mịn Với đất cát, độ ẩm không ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả đầm, còn đất sét hiệu quả đầm phụ thuộc chặt vào độ ẩm Cần quan trắc để kiểm tra độ lún. Xác định độ chặt của đất sau đầm nén bằng phương pháp dao vòng, rót cát, SPT, CPT Đầm từng lớp, các vết lõm cách nhau khoảng 0,5 đến 1m, lớp trên và dưới đầm so le nhau (khoảng cách vết lõm cần được tính toán cụ thể) Đầm bề mặt bằng lu hoặc bằng đầm tay Một số lưu ý khi thi công đầm đất 1. Đầm theo từng lớp, đầm từ ngoài vào trong; 2. Khi mực nước ngầm cao cần có đệm cát dày tối thiểu 0,5m để tạo biên thoát nước 3. Đầm thành 2 đến 5 lần để áp lực lỗ rỗng tiêu tan dần. Với đất sét khoảng cách các đọt đầm là 1 đến 4 tuần, với đất cát là 1 đến 2 ngày, thậm chí đầm liên tục 4. Phải có giải pháp giảm chấn cho những công trình liền kề Phương pháp đầm rung sâu – Phù hợp với đất rời Thiết bị: Đầm rung chạy điện hoặc thuỷ lực có độ lệch tâm về trọng lượng, dạng ống dài 2,5÷5m, đường kính 0,3÷0,5m. Cẩu trục để định vị và di chuyển Trong quá trình đầm, bơm nước vào trong đất để đạt hiệu quả đầm nén cao Sau quá trình nầm nén sẽ để lại một chỗ lõm trên bề mặt cần lấp bù bằng đất cát Loại đất Hiệu quả Phạm vi ảnh hưởng (ft) Cát hạt đều có <5% hạt bụi, không phải sét Cát hạt mịn đến thô có <5% hạt bụi, không phải sét Cát bụi có 5-15% hạt bụi, không phải sét Cát/ bụi >15% hạt bụi Sét và bãi rác Cực tốt Tốt Khá Không nên dùng Không nên dùng 9 - 11 7,5 - 9 6 - 7,5 - - Phương pháp VC có hiệu quả ở đất rời thoát nước dễ. Mặc dù phần nhiều có hiệu quả dưới mực nước ngầm nhưng VC cũng có hiệu quả cả ở trên mực nước ngầm. Giới hạn việc cải tạo này trong đất bụi, khi cần phải có cọc vật liệu rời. So sánh tác dụng đầm nông và đầm sâu Cọc vật liệu rời (cát, sỏi...) làm giảm hệ số rỗng tự nhiên e0 và tăng góc ma sát ϕ cho đất nền – Phù hợp với đất dính Yêu cầu : - Cát dùng cho cọc cát là cát hạt trung hoặc cát hạt to; - Đệm cát phải được đầm chặt; Ngoài cát có thể dùng đá dăm, sỏi làm cọc vật liệu rời Ngoài cát có thể dùng đá dăm, sỏi làm cọc vật liệu rời Nếu bố trí cọc theo sơ đồ tam giác đều Yêu cầu thiết kế là giảm hệ số rỗng ban đầu eo -> etk Nếu bố trí cọc theo lưới hình vuông Các chỉ tiêu của đất nền sau xử lý tỷ lệ thuận với tỷ lệ f =(diện tích cọc cát/diện tích đất xử lý) = Fc/F Dùng các thí nghiệm hiện trường như xuyên tĩnh, bàn nén hiện trường, thí nghiệm cắt cánh để thử lại các chỉ tiêu cơ lý của đất sau xử lý Cọc cát làm rộng hơn bề rộng móng tối thiểu 0,2b Thay đất yếu trên bề mặt nếu lớp này mỏng (<= 3m) bằng đất tốt (thường là cát) – Phù hợp với đất dính Đất yếu Đệm cát Yêu cầu : - Cát dùng cho đệm cát là cát hạt trung hoặc cát hạt to; - Đệm cát phải được đầm chặt; Vải địa kỹ thuật Đất tốt Đệm cát thay thay thế một phần đất yếu nếu lớp này dày (> 3m) – Phù hợp với đất dính Đất yếuĐệm cát Vải địa kỹ thuậtCát to, cát trung đầm chặthoặc sỏi, đá dăm m3≤ MNN Đất yếuĐệm cát Vải địa kỹ thuậtCát to, cát trung đầm chặthoặc sỏi, đá dăm m3≤ MNN Có thể kết hợp với cọc tre, cọc tràm h Giảm tối đa chiều sâu chôn móng h để tận dụng tốt đệm cát - Vải địa kỹ thuật ngăn không cho cát bị chìm và đất yếu và tạo điều kiện đầm chặt lớp đất cát Đất yếuĐệm cát Vải địa kỹ thuậtCát to, cát trungđầm chặt m3≤ - Đệm cát + Vải địa kỹ thuật tạo biên thoát nước tốt, giảm thời gian cố kết đất yếu dưới đệm cát - Lđ = l + 2Hđ tgα - Bđ = b + 2Hđ tgα − α = 30÷400 Kích thước đệm cát Chiều dày lớp đệm cát Hd phải đảm bảo điều kiện: σdy ≤ [p]đy với σdy = σ1 + σ2 = γcát(Hđ + h) + kzpgl dH h dB dL S = (Sđ + Sn) ≤ [S] h ñ h H y σ1 σ2 bñ b ΣNo tc α )......(.][ 0 '21 hcDHBbA k mmpR IIIIIIyIIy tc γγγ −++== aaAb yy −+= 2 2 bla −= gl hz tc gl hz ytb tc y dd NHN A == ∑∑ =+= σσ γ .0 Các bước thiết kế đệm cát - + Chọn giá trị Hđ bất kỳ (1,5 ÷2,5m); - + Xác định kích thước đáy đệm cát ; - + Xác định ứng suất nén σdy tại đáy đệm cát; - + Xác định sức chịu tải tính toán [p] của đất yếu; - + So sánh kiểm tra điều kiện σdy <= [p]; - + Kiểm tra yêu cầu tiết kiệm theo điều kiện ([p] - σdy) < δ[p] với δ thường chọn trong khoảng 0.05 ÷ 0.10. Kiểm tra độ lún - S = (Sđ + Sn) <= [S] R1 R2 6,0 4,0 3,0 2,0 1,0 5,0 0,0 0,5 1,0 1,5 K b l =1 =2b l =xlb Xác định hd : Có thể căn cứ vào áp lực tiêu chuẩn R1 của đệm cát ở độ sâu h và áp lực tiêu chuẩn R2 của đất yếu ở độ sâu Hy BKhd .= - R1 và R2 có thể xác định theo bảng tra hoặc thí nghiệm bàn nén hiện trường . [ ])/();/( 21 blRRK ∈ h ñ h H y σ1 σ2 bñ b ΣNo tc α Bùn sét, γ = 17 kN/m3, c = 10 kPa, ϕ = 80, R2 = 90 kPa Đệm cát, γ = 19,5 kN/m3, R2 = 210 kPa Móng băng, h = 1,8m , b = 2,0m, ΣNtc = 300 kN/ 1m dài BKhd .= [ ])/();/( 21 blRRK ∈ 3,29,0/1,2/ 21 ==RR ∞=bl / 3,1=K 6,22.3,1. === BKhd - Kiểm tra chiều dày đệm cát: kPa hhdd 7,818,1.176,2.5,19 ..1 =+= += γγσ h ñ h H y σ1 σ2 bñ b ΣNo tc α m8,1 m6,2 kPa F N h tc tb 186 1.2 3008,1.20 . 00 =+= += ∑γσ kPahk 70)8,1.17186.(45,0)..( 002 =−=−= γσσ kPady 15321 =+= σσσ m l N b tc dy 3,41.70 300 .2 === ∑σ kPa cDHBbA k mmR IIIIyIIy tc 200 ).....(. '21 = ++= γγ RkPady <=153σ Đệm cát Đất không thấm Đất yếu Chất tải trước, làm đất cố kết nhanh – Phù hợp với đất dính. Lưu ý cần gia tải theo từng cấp Hiệu quả phương pháp chất tải trước sẽ tăng khi kết hợp với các vật thoát nước thẳng đứng (bấc thấm, giếng cát) Giếng cát Đệm cát Đất không thấm G i ế n g c á t Đất yếu Kiểm tra : - Cấp phối cát, lọai cát; - Chiều sâu chôn cọc, độ đầm chặt của cát; Hút chân không 35 4 6 Bấc thấm 2 7 Đất yếu Đất tốt 1 8 1-Máy hút chân không, 2- rãnh/tường sét, 3- màng chân không, 4 – cát gia tải, 5 – Cát đệm, 6 – lớp nước gia tải, 7 – đập giữ nước, 8 – hệ thống ống thoát nước. ống thoát nước Màng chân không trải trên toàn bộ diện tích xử lý Bơm chân không Nước trong đất thoát ra do cố kết chân không 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Thời gian (ngày) Đ ộ l ú n ( m ) TK-Base Actual TK-Worst TK-Optimal Cọc tre, cọc tràm làm chặt đất dính ướt, bùn Cừ tràm, cọc tre được sử dụng từ thời Pháp (Nhà hát lớn, chung cư Thanh Đa, ...vv) Tràm, tre được đóng với mật độ 25 cọc/m2 Chiều dài (m) Đường kính gốc (cm) Đường kính ngọn (cm) Đường kính trung bình (cm) Cừ 3m 4,5 – 6,0 3 4 – 4,5 Cừ 4m 6 – 7 3 –3,5 4,5 – 5 Cừ 5m 7 - 10 3,5 – 5 5 – 7,5 Tràm sử dụng phải từ 6 tuổi trở lên Yêu cầu đối với cọc tre : - Tre già trên 2 năm tuổi, thẳng (không cong quá 1cm/m), tươi; - Dùng tre đặc hoặc rỗng có bề dày 10 ÷ 15mm; - Đường kính ≥ 60mm. Đóng cọc tre, cọc tràm rộng hơn diện tích đài móng. Tre, tràm tạo với đài móng thành khối móng, đẩy cung trượt xuống đất tốt phía dưới Trị số Rc (t/m2) Các loại đất rời ở trạng thái chặt vừa Sỏi Cát to Cát trung Cát nhỏ Cát bụi Các loại đất dính với độ sệt B Chiều sâu mũi cọc tràm kể từ mặt đất tự nhiên (m) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 3 750 400 660 300 200 310 120 200 110 60 4 830 510 680 380 250 320 160 210 125 70 5 880 620 700 400 280 340 200 220 130 80 7 970 690 730 430 330 370 220 240 140 85 10 1050 730 770 500 350 400 240 260 150 90 Cường độ đất nền sau gia cố nên xác định bằng nén tĩnh. Có thể tham khảo bảng sau (Tô Văn Lận, ĐHKT HCM): Cọc lưới của hãng Augeo – Hà Lan Cọc bê tông thành mỏng PCC – Trung Quốc Cọc xi măng đất – Gắn kết đất, chống trượt, làm tường chắn đất TCXDVN 385-2006 Hình 8: Nguyên lý và quy trình phương pháp bơm phụt vữa ximăng Bơm cao,áp và dung dịch Drilling machine 1) Bắt đàu ấn mũi xuống Vừa ấn vừa và xoay 2) Bắt đầu bơm Bơm phụt Vừa xoay vừa rút lên 3) Xoay và rút lên Cọc ximăng- đất 4) Kết thúc một cọc Cọc xi- măng đất Đáy hố đào Hinh 1: Quang cảnh đường hầm Kim Liên Khẩu U.9 Khẩu U.8 Cọc Xi măng – đất không được xem như cọc điển hình (BTCT hay Thép ...). Đất sau khi gia cố vẫn tính theo phương pháp áp dụng với nền tự nhiên nhưng có các chỉ tiêu cơ lý đã được cải thiện Phương pháp silicat hóa Mục đích: Bơm vữa silicat và trong đất, tạo ra cấu trúc mới (loại đất rời thành khối) ổn định đất vùng làm tuy nen, màn chắn nước. Chống thấm cho đất cát và sỏi sạn có <18% hạt bùn cát và <2% sét. Dùng vữa xi măng hoặc vữa silicat và vữa hóa chất khác có thể bơm 1 hoặc 2,3 đợt. Tùy vào thành phần hạt của đất để chọn và mục đích áp dụng. Để hình thành cấu trúc mới cho sỏi sạn thì dùng xi măng Portland và nước. Đối với cát mịn vừa và thô thì dùng vữa hóa chất (thường là sodium silicate hoặc acrylate và polyurethane). Phương pháp bơm ép Mục đích : Làm chặt đất bằng cách bơm vào đất dung dịch ít lưu động, độ sụt thấp. Vữa bơm này sẽ trương nở khi đóng rắn và nén chặt đất quanh lỗ bơm, tạo thành cột đất gia cường. Hiệu quả: giảm lún cho móng, giảm lún do động đất và hoá lỏng, giảm dòng chảy ngầm hoặc ổn định hang hốc trong vùng karst. Bơm chỗ khe nứt Móng TOP-BASE - y/cong-nghe/gia-co-nen- mong-top-base - d.com Xe bánh xích gợi ý tưởng cho Top-Base - Top-Base là một lớp vật liệu nhân tạo ngăn cách kết cấu móng (nông) thực sự với nền đất tự nhiên nhằm làm tăng khả năng tiếp nhận tải trọng của đất nền và làm giảm độ lún của nền, giảm thời gian cố kết của đất Nguyên lý móng Top-Base - Lớp TB gồm các khối BT có dạng con quay thẳng đứng được chèn bằng vật liệu rời (hiện sử dụng đá dăm). - Phần tử chính của lớp TB là khối BT dạng con quay (gọi là top-block) - Top-block có dạng như hình vẽ là loại được sử dụng phổ biến hiện nay trong xử lý nền công trình xây dựng. Ngoài ra, top-block kích thước 2000mm được sử dụng trong xử lý nền cho công trình biển. Top-block Đá dăm Đất yếu Thép liên kết Công nghệ Hàn Quốc Công nghệ Nhật Bản 12 34 23 45 - Móng Top-Base có tác dụng dàn đều ứng suất dưới đáy móng, tránh trượt cục bộ, trượt sâu, giảm lún lệch - Móng Top-Base chống chuyển vị ngang của đất dưới đáy móng - Đất dưới móng Top-Base hầu như không có biến dạng ngang khi ứng suất = 40% sức chịu tải - Đất dưới móng Top-Base biến dạng rất ít so với móng bê tông khi ứng suất = 100% sức chịu tải - Móng thường bị trượt - Móng Top- Base không bị trượt - Móng Top-Base giảm lún rất hiệu quả (có thể giảm 5 lần so với móng bè bê tông) - Móng Top-Base có thể làm tăng sức chịu tải lên gấp 2 - Giảm hơn 70% độ lún - Thí nghiệm bàn nén trên đất tự nhiên ở Hải Phòng - Từ biểu đồ nén lún, xác định Pgh = 105 kPa, Ptc = 35 kPa - Thí nghiệm bàn nén trên nền Top- Base tại HP, Từ biểu đồ nén lún, xác định Pgh = 460 kPa, Ptc = 153 kPa - Thí nghiệm bàn nén trên nền Top- Base tại HP, cho thấy sức chịu tải tăng lên 5 lần (Ptc = 35 kPa lên Ptc = 153 kPa) Top- Base đã áp dụng thành công nhiều nơi Top- Base kết hợp móng cọc cho nhà cao tầng là giải pháp tiết kiệm hiệu quả 22 T Top- Base chịu được tải trọng 22T/m2 (tương ứng với 1,5 cm độ lún)