Bài giảng Xử lý nền móng

1 BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH ---oOo--- BÀI GIẢNG MÔN HỌC CHUYÊN ĐỀ XỬ LÝ NỀN MÓNG 30 tiết Biên soạn : TS. Tô Văn Lận Năm 2007 2 MỤC LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO : ................................................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1 ...................................................................................................................................................... 5 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐẤT YẾU ............................................................................................................. 5 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU. ......................................................................................................... 5 1.1.1 Về định tính. ......................................................................................................................... 5 1.1.2 Về định lượng. ...................................................................................................................... 5 1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MỘT SỐ LOẠI ĐẤT YẾU. .............................................................................. 6 1.2.1 Đất sét yếu............................................................................................................................ 6 1.2.1.1 Hạt sét và các khoáng vật sét. .............................................................................................. 6 1.2.1.2 Liên kết cấu trúc và sức chống cắt của đất sét. .................................................................... 7 1.2.1.3 Các đặc điểm khác của đất sét yếu. ..................................................................................... 9 1.2.2 Đất cát yếu. .........................................................................................................................10 1.2.3 Bùn, than bùn và đất than bùn. ............................................................................................11 1.2.4 Đất đắp. ...............................................................................................................................12 1.3 CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU. ............................................12 1.3.1 Giải pháp kết cấu. ................................................................................................................12 1.3.2 Các biện pháp xử lý nền. .....................................................................................................12 1.3.3 Các giải pháp về móng. .......................................................................................................13 CHƯƠNG 2 ....................................................................................................................................................13 BIỆN PHÁP KẾT CẤU KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU...........................................13 2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU. ....................................................................................................13 2.1.1 Loại kết cấu tuyệt đối cứng. ................................................................................................13 2.1.2 Loại kết cấu mềm. ...............................................................................................................14 2.1.3 Sơ đồ kết cấu có độ cứng giới hạn. ......................................................................................14 2.2 BỐ TRÍ KHE LÚN. .......................................................................................................................15 2.3 THIẾT KẾ GIẰNG MÓNG VÀ GIẰNG TƯỜNG. ......................................................................17 2.3.1 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp đơn giản. .........................................................17 2.3.2 Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp của B.I. Đalmatov. ..........................................19 2.4 CẤU TẠO GỐI TỰA CỨNG. ........................................................................................................22 2.5 CHỌN LOẠI MÓNG VÀ CHIỀU SÂU CHÔN MÓNG. ..............................................................22 2.5.1 Chọn loại móng. ..................................................................................................................22 2.5.2 Chọn chiều sâu chôn móng. .................................................................................................22 CHƯƠNG 3 ....................................................................................................................................................24 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, CẢI TẠO ĐẤT NỀN ...................................................................................24 3.1 ĐỆM CÁT. ....................................................................................................................................24 3.1.1 Phạm vi áp dụng. .................................................................................................................24 3.1.2 Tính toán đệm cát. ...............................................................................................................25 3.1.3 Thi công đệm cát. ................................................................................................................27 3.1.4 Trình tự thiết kế móng sử dụng đệm cát. .............................................................................28 3.2 CỌC CÁT. .....................................................................................................................................28 3.2.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. ..........................................................................................28 3.2.2 Tính toán và thiết kế cọc cát................................................................................................29 3.2.3 Thi công cọc cát. ..................................................................................................................30 3.3 CỌC XI MĂNG TRỘN ĐẤT. .......................................................................................................31 3.3.1 Phạm vi áp dụng. .................................................................................................................31 3.3.2 Mô tả về công nghệ. ............................................................................................................31 3.3.3 Ví dụ về công trình xử lý cọc xi măng đất. ..........................................................................34 3.4 NÉN TRƯỚC BẰNG TẢI TRỌNG TĨNH. ...................................................................................38 3.4.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. ..........................................................................................38 3.4.2 Điều kiện về địa chất công trình. .........................................................................................39 3 3.4.3 Tính toán gia tải trước. .........................................................................................................39 3.4.4 Biện pháp thi công. ..............................................................................................................40 3.5 GIẾNG CÁT. ................................................................................................................................40 3.5.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. ..........................................................................................40 3.5.2 Tính toán và thiết kế giếng cát. ...........................................................................................41 3.5.3 Thi công giếng cát. ..............................................................................................................43 3.6 GIA CỐ NỀN BẰNG BẤC THẤM. ..............................................................................................43 3.6.1 Phạm vi áp dụng. .................................................................................................................43 3.6.2 Mô tả về công nghệ. ............................................................................................................43 3.6.3 Ứng dụng trong thực tế. .......................................................................................................44 3.7 GIA CỐ NỀN BẰNG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT. ..............................................................................45 3.7.1 Gia cố nền đường..................................................................................................................45 3.7.2 Gia cố tường chắn đất. ..........................................................................................................46 CHƯƠNG 4 ....................................................................................................................................................48 NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ MỘT SỐ LOẠI MÓNG CỌC ................................................................................48 4.1 THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI. ....................................................................................48 4.1.1 Đặc điểm phạm vi áp dụng. .................................................................................................48 4.1.2 Thiết kế móng cọc khoan nhồi.............................................................................................49 4.1.3 Thi công móng cọc khoan nhồi. ...........................................................................................57 4.1.4 Kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi. ...................................................................................67 4.1.5 Các sự cố thường gặp và cách xử lý. ...................................................................................73 4.2 THIẾT KẾ MÓNG CỌC BARET. ...............................................................................................74 4.2.1 Khái niệm. ...........................................................................................................................74 4.2.2 Khảo sát địa chất cho thiết kế và thi công móng cọc barét. .................................................75 4.2.3 Sức chịu tải của cọc baret. ...................................................................................................76 4.2.4 Thiết kế cọc baret. ...............................................................................................................78 4.2.5 Thiết kế đài cọc. ..................................................................................................................81 4.2.6 Thi công cọc baret. ..............................................................................................................83 4.3 TƯỜNG TRONG ĐẤT (TƯỜNG CỪ - TƯỜNG CỌC BẢN). ......................................................86 4.3.1 Khái niệm. ...........................................................................................................................86 4.3.2 Phạm vi áp dụng. .................................................................................................................86 4.3.3 Mô tả công nghệ. .................................................................................................................88 4.3.4 Thiết kế tường trong đất. .....................................................................................................89 4.4 THIẾT KẾ MÓNG CỌC TRÀM. .................................................................................................92 4.4.1 Vật liệu cọc tràm. ................................................................................................................92 4.4.2 Đặc điểm, phạm vi áp dụng. ................................................................................................93 4.4.3 Thiết kế móng cọc tràm. ......................................................................................................94 CHƯƠNG 5 ....................................................................................................................................................98 CÔNG TÁC KHẢO SÁT TRONG XÂY DỰNG ..............................................................................................98 5.1 MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG CỦA CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT. ......................................98 5.1.1 Mục đích. .............................................................................................................................98 5.1.2 Nội dung chính của công tác khảo sát địa chất. ...................................................................98 5.1.3 Yêu cầu kỹ thuật (do người chủ trì kết cấu lập). ..................................................................98 5.2 KHẢO SÁT CHO THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÓNG CỌC. .....................................................99 5.2.1 Phương án kỹ thuật khảo sát. ...............................................................................................99 5.2.2 Nội dung khảo sát. ...............................................................................................................99 5.2.3 Khối lượng công tác khảo sát............................................................................................. 100 5.3 KHẢO SÁT CHO THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG. ..................................................................... 101 5.3.1 Thí nghiệm hiện trường. .................................................................................................... 101 5.3.2 Thí nghiệm trong phòng. .................................................................................................... 102 5.4 XỬ LÝ SỐ LIỆU KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT VÀ THÍ NGHIỆM. ................................................. 102 5.4.1 Nguyên tắc chung. ............................................................................................................. 102 5.4.2 Xác định trị tiêu chuẩn và trị tính toán của đất. ................................................................. 103 4 5.4.3 Yêu cầu về số lượng thí nghiệm các đặc trưng của đất. ..................................................... 105 Tài liệu tham khảo : 1. Hoàng Văn Tân, Trần Đình Ngô, Phan Xuân Trường, Phạm Xuân, Nguyễn Hải; Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu. NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1973. 2. Nguyễn Văn Quảng; Nền móng nhà cao tầng. NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2003. 3. TCXD 45 : 1978, Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình. 4. TCXD 205 : 1998, Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế. 5. TCXDVN 326 : 2004, Cọc khoan nhồi – Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu. 6. TCVN 4419-1987, Khảo sát cho xây dựng. 5 Chương 1 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐẤT YẾU 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU. Về đất yếu hiện nay có hai quan điểm dựa vào định tính và định lượng : 1.1.1 Về định tính. Đất yếu là loại đất mà bản thân nó không đủ khả năng tiếp thu tải trọng của công trình bên trên như các công trình nhà cửa, đường xá, đê đập… Khái niệm này nói chung không chặt chẽ và không có cơ sở khoa học. 1.1.2 Về định lượng. Đất yếu là loại đất có sức chịu tải kém, dễ bị phá hoại, biến dạng dưới tác dụng của tải trọng công trình dựa trên những số liệu về chỉ tiêu cơ lý cụ thể. Khái niệm này được thế giới chấp nhận và có cơ sở khoa học. + Dựa vào chỉ tiêu vật lý, đất được gọi là yếu khi : - Dung trọng : W  1,7T/m 3 . - Hệ số rỗng : e  1. - Độ ẩm : W  40%. - Độ bão hòa : G  0,8. Lưu ý : + Dung trọng, (dung trọng tự nhiên), đất càng yếu thì dung trọng càng nhỏ do chứa nhiều nước hoặc bùn, hữu cơ… + Hệ số rỗng : e là tỷ số giữa thể tích rỗng và thể tích hatï (Vr / Vh). Hệ số rỗng càng lớn thì đất càng yếu. Cách xác định : e = ( h / ) – 1 trong đó : h là trọng lượng hạt đất hay tỷ trọng ;  là trọng lượng 1 đơn vị thể tích ở trạng thái khô. + Độ ẩm : W - định nghĩa là tỷ số giữa trọng lượng nước và trọng lượng hạt (Gn / Gh )x 100%. Độ ẩm càng lớn thì đất càng có nhiều nước. + Độ bão hòa G được định nghĩa là tỷ lệ nước chiếm trong lỗ rỗng của đất, xác định như sau : n h r n e W V V G    Khi G = 1 gọi là đất bão hòa, nước chiếm toàn bộ lỗ rỗng trong đất. 6 + Dựa vào các chỉ tiêu cơ học : - Modun biến dạng : E0  50 kG/cm 2 . - Hệ số nén : a  0,01 cm2/kG. - Góc ma sát trong :   100. - Lực dính (đối với đất dính): c  0,1 kG/cm2. Lưu ý : + Eo càng nhỏ thì độ lún của đất càng lớn : i i i i h E p S  i + Hệ số nén a ( 21 21 pp ee a    ) với e1; e2 là hệ số rỗng của đất ứng với áp lực nén p1, p2. Từ công thức cho thấy khi a càng nhỏ thì đất càng chặt hơn hay hệ số rỗng thay đổi ít. 1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MỘT SỐ LOẠI ĐẤT YẾU. Trong thực tế xây dựng, chúng ta thường gặp những loại đất yếu sau đây : đất sét yếu; đất cát yếu; bùn; than bùn và đất than bùn và đất đắp. 1.2.1 Đất sét yếu. 1.2.1.1 Hạt sét và các khoáng vật sét. Trong đất sét gồm có 2 thành phần : - Phần phân tán thô (gọi là những hạt sét) có kích thước > 0,002mm. Chủ yếu có các khoáng chất nguồn gốc lục địa như thạch anh, fenspat,… - Phần phân tán mịn (gọi là khoáng chất sét) bao gồm những hạt có kích thước rất bé (2 – 0,1m) và keo (0,1 – 0,001m). Những khoáng chất này quyết định tính chất cơ lý của đất sét. Các khoáng chất sét thường gặp nhất là 3 nhóm điển hình : kaolinit (1) , mônmôrilônit (2) và ilit : + Kaolinit : Công thức hóa học là Al2O3.2SiO2.2H2O; được tạo thành do phong hóa đá phun trào, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện môi trường axit (pH = 5-6). Đặc điểm của mạng tinh thể kaolinit là tương đối bền, ổn định và trương nở ít. + Mônmôrilônit : (1) Tên lấy theo tên của dãy núi cao ở Trung Quốc là Kaulinh. (2) Tên lấy theo tên của mỏ Montmorilon ở Pháp. 7 Công thức hóa học là (OH)4Si8Al4O20.nH2O; được thành tạo do phong hoá đá macma giàu Mg và các biến đổi thứ sinh khác) được tạo thành do phong hóa đá phun trào kiềm trong điều kiện môi trường kiềm (pH = 7-8,5). Montmorilonit có mạng tinh thể kém bền vững và dễ sảy ra hiện tượng trương nở dưới dáy móng khi có mặt loại sét này. Loại này thường dễ gặp ở vùng ven biển. + Ilit : Đại biểu của nhóm ilit là hyđrômica, có công thức là K- ,Al2[Al,Si3O10](OH)2 được tạo thành từ nhiều điều kiện khác nhau nhưng chủ yếu là trong môi trường kiềm. Loại này không có khả năng trương nở hoặc trương nở rất ít. 1.2.1.2 Liên kết cấu trúc và sức chống cắt của đất sét. Trong tự nhiên, đất loại sét luôn tồn tại 3 dạng liên kết cấu trúc, đó là : dạng chảy, dạng dẻo và dạng cứng (hình 1.1). Người ta chia thành hai loại : - Liên kết mềm : lực liên kết chủ yếu là lực liên kết phân tử, từ tính. Liên kết này mềm dẻo và có thể hồi phục sau khi bị phá hoại (liên kết thuận nghịch). - Liên kết cứng : lực liên kết chủ yếu là liên kết ion, đồng hóa trị. Liên kết này cứng, giòn, không hồi phục được khi bị phá hoại bằng cơ học (liên kết thuận nghịch). Về lực dính của đất sét, một số nhà khoa học đã kiến nghị chia lực dính tổng cộng thành hai thành phần : lực dính mềm và lực dính cứng (lực dính cấu trúc) (3) : và CW = W + cc (1.1) Trong đó : CW : lực dính tổng cộng. W : lực dính mềm (lực dính có nguồn gốc keo nước). cc : lực dính cứng (lực dính cấu trúc). (3) Maxlôp là người đề xuất việc chia lực dính làm 2 thành phần vào năm 1933 – 1935, được viết thành sách vào năm 1941. Tiếp theo Ivanôp cũng đề xuất vào năm 1936. Denhixôp đề xuất vào năm 1947, với c = cn + cy. Hvorlev đề xuất năm 1956, chia làm 2 thành phần : c = cc + cr.. 8 NƯỚC TỰ DO HẠT ĐẤT LK DẠNG CHẢY LK DẠNG DẺO NƯỚC TỰ DO LK DẠNG CỨNG Hình 1.1 : Các dạng liên kết trong đất dính Phương pháp phân tích W, cc : a. Cắt mẫu nguyên dạng và mẫu chế bị ở cùng độ ẩm – độ chặt : Xây dựng được biểu đồ theo hình 1.2, và : cc = cnd - ccb (1.2) Trong đó : cnd : lực dính theo kết quá cắt mẫu nguyên dạng. ccb : lực dính theo kết quá cắt mẫu chế bị. Theo Maxlôp thì lực dính cứng chỉ tồn tại ở đất nguyên dạng cứng. C c . . MẪU NGUYÊN DẠNG Sw P MẪU CHẾ BỊ wC w Hình 1.2 : Kết quả cắt mẫu xác định lực dính cứng cc . b. Phương pháp cắt theo bản phẳng : Cắt mẫu cứng nguyên dạng, sau đó ép lại, để mẫu hồi phục và cắt lần thứ 2 (thời gian để phục hồi khoảng 20 phút). cc = cnd - cbản phẳng (1.3) c. Phương pháp trùng lặp : - Lần đầu cắt mẫu nguyên dạng theo chiều từ trái sang phải. - Cắt tiếp lần thứ 2 theo chiều ngược lại. - Có thể cắt tiếp lần 3,4 theo chiều ngược lại cho đến khi biểu đồ ổn định. 9 d. Phương pháp cắt theo độ ẩm : Với cùng 1 loại đất, lấy nhiều mẫu thí nghiệm với độ ẩm khác nhau. Trong 4 phương pháp trên, thường chọn PP thứ 2 vì thí nghiệm đơn giản, trên cùng 1 mẫu và cho kết quả khá chính xác. Từ những kết quả này, các tác giả kiến nghị rằng với những công trình có quy mô nhỏ, tạm thời, thành phần lực dính có thể lấy toàn bộ (cW), nhưng đối với công trình vĩnh cửu, có quy mô lớn thì chỉ nên lấy thành phần lực dính cứng cc mà thôi. Bảng 1.1 giới thiệu các thành phần của lực dính để tham khảo. Bảng 1.1 : Cơ cấu thành phần của lực dính đất loại sét. Cấu trúc của đất Độ sệt B Mức độ thể hiện của các thành phần lực dính cc = %cW W = %cW Tự nhiên B < 0 80 20 0 – 0,25 70 30 0,25 – 0,5 50 50 0,50 – 0,75 20 80 0,75 – 1,00 10 90 > 1,0 0 100 Nhân tạo B < 0 70 30 0 – 0,25 40 60 0,25 – 0,5 30 70 0,50 – 0,75 10 90 > 0,75 0 100 1.2.1.3 Các đặc điểm khác của đất sét yếu. Hiện tượng hấp thụ : Hiện tượng hấp thụ là khả năng hút nước từ môi trường xung quanh và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau : cứng, lỏng và hơi, những ion, phân tử và các hạt keo. Sự hấp thụ của đất sét có bản chất phức tạp và thường gồm một số quá trình sảy ra đồng thời. Tính dẻo : Tính dẻo là một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét. Tính chất này biểu thị sự lưu động của đất sét ở một độ ẩm nào đó khi chịu tác dụng của ngoại lực và chứng tỏ rằng về mức độ biến dạng đất sét chiếm vị trí trung gian giữa thế cứng và thể lỏng hoặc chảy nhớt. Độ dẻo phụ thuộc vào nhiều nhân tố : mức độ phân tán và thành phần khoáng vật của đất, thành phần và độ khoáng hoá của dung dịch nước làm bão hòa đất. 10 Gradien ban đầu : Đất sét có đặc tính thẩm thấu khác thường : chỉ cho nước thấm qua khi gradien cột nước vượt quá một trị số nhất định nào đó. Trị số đó gọi là gradien ban đầu. Gradien ban đầu là độ chênh lệch tối thiểu nào đó của áp lực cột nước, mà thấp hơn nó tốc độ thấm giảm xuống nhiều, rất bé và có thể coi như không thấm nước. Đặc điểm biến dạng : Tính chất biến dạng của đất sét yếu do bản chất mối liên kết giữa các hạt của chúng quyết định. Có thể chia biến dạng của đất sét yếu ra các loại sau đây : - Biến dạng khôi phục, gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng cấu trúc hấp phụ. - Biến dạng dư, chỉ gồm biến dạng cấu trúc. Biến dạng của đất sét yếu là do sự phá hoại các mối liên kết cấu trúc và biến dạng các màng hấp phụ của nước liên kết gây nên. Các loại biến dạng chủ yếu của đất