Nền và móng - Chương IV: Xây dựng công trình trên nền đất yếu

Nguyễn Hồng Nam, 2010 1 NỀN MÓNG PGS.TS. Nguyễn Hồng Nam Hà Nội, 1/2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT 2 Chương IV: Xây dựng công trình trên nền đất yếu 4.1 Khái niệm chung về đất yếu, nền đất yếu 4.2 Các biện pháp về kết cấu phần trên 4.3 Các biện pháp về móng 4.4 Các biện pháp về xử lý nền 4.5 Các biện pháp thi công để xử lý nền Nguyễn Hồng Nam, 2010 2 3 4.1 Khái niệm chung về đất yếu, nền đất yếu • Đất yếu: là các loại sét yếu, than bùn, cát yếu có các đặc trưng sau: e>1 Eo ≤50 kgf/cm2 p<1 kgf/cm2 4 4.1 Khái niệm chung về đất yếu, nền đất yếu • Nền đất yếu là nền - không đảm bảo về cường độ, hoặc - Không thỏa mãn các điều kiện về biến dạng Khái niệm nền đất yếu có liên quan đến: - Khả năng chịu lực của đất nền - Tính chất công trình xây dựng trên đó Nguyễn Hồng Nam, 2010 3 5 4.1 Khái niệm chung về đất yếu, nền đất yếu • Khi gặp nền đất yếuÆ cần có các biện pháp xử lý về: - Kết cấu phần trên - Móng - Nền - Biện pháp thi công Nền Móng Kết cấu phần trên Mặt đất tự nhiên 6 4.2 Các biện pháp về kết cấu phần trên • Nguyên tắc: - Giảm tải trọng tác dụng lên đáy móng - Tăng khả năng chịu lực của kết cấu Giải pháp: - Dùng vật liệu nhẹ - Tăng độ mềm công trình - Tăng cường độ cho kết cấu công trình Nguyễn Hồng Nam, 2010 4 7 Dùng vật liệu nhẹ - Làm giảm áp lực đáy móng, dễ xử lý. - Nhược điểm: đối với công trình chịu tải trọng ngang thường xuyên, dễ bị trượt, lậtÆ cần biện pháp thích hợp. 8 Tăng độ mềm của công trình • Khử được ứng suất phụ phát sinh trong kết cấu do biến dạng không đều gây ra • Sử dụng khe lún hoặc kết cấu tĩnh định. Nguyễn Hồng Nam, 2010 5 9 Khe lún • Bố trí tại chỗ có sự: - Thay đổi đột ngột của tải trọng - Thay đổi về bố trí mặt bằng Chiều rộng khe lún phụ thuộc tải trọng và tính chất đất nền. δ=k.h(tgθp-tgθt) h: chiều cao khe lún k: hệ số an toàn có xét tính không đồng nhất của đất nền (1.3-1.5) θp, θt: góc nghiêng phần công trình bên phải và trái khe lún. 10 Dùng kết cấu tĩnh định Thay mối nối cứng giữa các bộ phận công trình bằng mối nối khớp hoặc tựa ÆKhử được ứng suất phụ phát sinh do công trình bị biến dạng Nhược điểm: Làm công trình nặng nề, kém mỹ thuật Nguyễn Hồng Nam, 2010 6 11 Tăng thêm cường độ cho kết cấu công trình • Sử dụng các giằng BTCT (giằng tường, giằng móng)áp dụng đ/v nền b/dạng không đều • Gia cố cục bộ tại những nơi lực cắt lớnÆ đặt thêm thép hoặc giằng gia cường. (ảnh sưu tầm, internet) 12 Ảnh hưởng của độ cứng kết cấu đối với sự lún lệch Kết cấu mềm Kết cấu cứng Coduto, 2001 Nguyễn Hồng Nam, 2010 7 13 14 4.3 Các biện pháp về móng • Thay đổi chiều sâu hố móng hm • Thay đổi kích thước, hình dáng móng • Thay đổi loại móng và độ cứng Nguyễn Hồng Nam, 2010 8 15 Thay đổi chiều sâu hố móng hm Pgh=A γ.b+B.q+D.c hmZÆq=γhmZÆPghZ Nếu không thể tăng hm, có thể thay đổi chiều dày móng hm 16 Cao trình đặt móng thiết kế Do có sự sai khác giữa cao trình đặt móng thiết kế với cao trình đáy móng khi lún ổn địnhÆ cần tính độ lún dự phòng Sdp=1/2(S+Stc) Trong đó: Sdp: độ lún dự phòng S: độ lún ổn định tính toán Stc: độ lún xảy ra khi thi công Đối với công trình XDDD và công nghiệp trên nền đất sét: Sdp=0.7S Nguyễn Hồng Nam, 2010 9 17 Thay đổi kích thước, hình dáng móng • Tăng diện tích đáy móngÆ giảm áp lực lên mặt nềnÆgiảm lún, tăng SCT • Đối với nền có chiều dày chịu nén khác nhauÆ thay đổi chiều rộng tạo ra sự lún đều cho công trình • Tuy nhiên, đ/v nền có tính nén lún tăng theo chiều sâu, việc mở rộng đáy móng không có tác dụng. Đất yếu Đất yếu 18 Thay đổi loại móng và độ cứng • Chọn loại móng thích hợp: căn cứ điều kiện tải trọng, địa chấtÆmóng đơn, móng băng, móng bản • Tăng độ cứng khi độ lún quá lớn (tăng chiều dày, tăng cốt thép, kết hợp với kết cấu phần trênÆ dùng móng hộp độ cứng lớn, nhẹ. Nguyễn Hồng Nam, 2010 10 19 4.4 Các biện pháp xử lý nền • Giới thiệu: Xử lý nền khi các biện pháp kết cấu phần trên và các biện pháp về móng không thỏa mãn. • Mục đích: Tăng sức chịu tải, giảm độ lún, giảm tính thấm của đất. • Nguyên tắc: Giảm tính rỗng Tăng cường độ liên kết • Các phương pháp: PP Cơ học (đầm, chấn động, cọc, thay đất, nén trước) PP vật lý (hạ nước ngầm, giếng cát, điện thấm) PP hóa học (keo kết xi măng, silicat hóa, điện hóa). 20 Phương pháp đệm cát • Còn gọi là PP thay đất • Áp dụng với chiều dày lớp đất yếu tương đối mỏng & vật liệu dễ kiếm • Tăng sức chịu tải, giảm độ lún, giảm hm, tăng độ cố kết • Tính toán thiết kế: Nguyên tắc: Đệm cát phải ổn định về cường độÆTTGH1 Độ lún đảm bảo S<[S]ÆTTGH2 Nguyễn Hồng Nam, 2010 11 21 Tính toán thiết kế đệm cát • Giả thiết α> góc nghỉ của cát. • hc: chọn theo kinh nghiệm • Đối với cát: α=30-35o • Đối với sỏi: α=40-45o • Tính toán theo TTGH1 và TTGH2 • Chọn etkÆDr=(emax-etk)/(emax-emin) • Dr=0.7-0.8 • Kiểm tra ứng suất dưới đáy đệm cát: • Nếu không thỏa mãn, cần chọn lại kích thước đệm cát • Tính lún theo phương pháp cộng lún. α α b bc hc hm o σzd σz σzd +σz≤Rtc 22 Thi công đệm cát • Yêu cầu: đảm bảo độ chặt lớn nhất và không phá hủy kết cấu đất nền dưới tầng đệm cát. • Khi hố móng khô: đầm tay, đầm máy • Khi hố móng ướt: Phương pháp xỉa, lắc Nguyễn Hồng Nam, 2010 12 23 Phương pháp đầm chặt lớp mặt • Áp dụng với nền đất xấu, độ ẩm nhỏ (G<0.7), chiều dày nhỏ , không cần bóc bỏ • Sử dụng các loại đầm lăn (chân dê, bánh hơi), đầm xung kích • Đầm xung kích: Trọng lượng 2-7 tấn, D ≥1m • Ứng suất do quả đầm gây trên mặt nền: • σ ≤ 0.20 kgf/cm2 (đất sét) • σ ≤ 0.15 kgf/cm2 (đất cát) • Chiều cao quả đầm rơi tự do: H=4-6m • Căn cứ độ chối e để kết thúc quá trình đầm (sét: e≥1-2cm, cát: e≥0.5-1cm) (đầm khoảng 5-10 lần) H T 24 Phương pháp đầm chặt lớp mặt • Tính hiệu quả: - Chiều dày lớp đất mặt được đầm chặt: 1.5-3.5m - Độ lún sau khi đầm: ∆h=0.4-0.6m - Cát: γk=16 kN/m3; sét γk=16-17 kN/m3 - Tận dụng được toàn bộ đất nền thiên nhiên, tiết kiệm khối lượng đào đắp - Nhược: không áp dụng cho nền đất yếu bão hòa nước Nguyễn Hồng Nam, 2010 13 25 Phương pháp đầm chặt lớp mặt • Tính toán thiết kế: • Cần xác định: Chiều dày lớp đất mặt đầm chặt (T) • Độ hạ thấp mặt nền sau khi đầm ∆S T=kD (D<2m, P=2-7 Tấn, H=4-8m) K: hệ số phụ thuộc loại đất (K=1-1.55) Đất hạt thô: K lớn; đất hạt mịn: K nhỏ T e eeeS o tkđo    + +−=∆ 1 )(5.0 H T eo: hệ số rỗng tự nhiên của đất eđ: hệ số rỗng của đất nền sau khi đầm etk: hệ số rỗng ở lớp đáy móng (độ sâu T) tính theo độ chặt thiết kế Dr. 26 Phương pháp lèn chặt đất bằng cọc cát • Áp dụng đối với nền đất yếu khá dày, chịu tải trọng tương đối lớn • Phương pháp: hạ cọc vào trong đấtÆ thể tích đất co lại do cọc chiếm chỗÆ đất được nén chặt • Các loại cọc: cọc cát, cọc đất, vôi đất, cọc tre, cọc gỗ, cọc thép, cọc BT, BTCT, đá • Hiệu quả: biến dạng nền giảm, SCT tăng • Tính toán thiết kế: - Xác định khoảng cách cọc l - Xác định số lượng cọc n - Xác định chiều dài cọc H Nguyễn Hồng Nam, 2010 14 27 Xác định khoảng cách cọc cát • Giả thiết: - Độ giảm thể tích của đất=thể tích cọc cát đưa vào - Đất nền không bị trồi lên khi đóng cọc - Đất được lèn chặt đều giữa các cọc Bố trí cọc cát theo lưới tam giác đều, xét thể tích khối đất có đáy là tam giác đều, chiều cao H. o o e ee V V + −=∆ 1 l 60o 60o d (*) 2 3 211 Hll e eeV e eeV o o o o     + −=    + −=∆ (**) 42 1 2 HdV π=∆     − += tko o ee edl 1 32 π otk tkdl γγ γπ −= 32 Từ (*) và (**) rút ra: Nếu ω=constÆ eo và etk: hệ sỗ rỗng của đất trước và sau khi đóng cọc 28 Phương pháp lèn chặt đất bằng cọc cát • Đối với đất cát: Chọn etk căn cứ vào độ chặt thiết kế etk=emax-Dr(emax-emin), Dr=0.7-0.8 • Đối với cát bụi: Dr=0.6-0.8 (trạng thái chặt vừa) • Đối với nền sét bão hòa nước: etk=γh( ωd+0.5A)/(100γn) A: chỉ số dẻo; ωd: giới hạn dẻo Nguyễn Hồng Nam, 2010 15 29 Xác định số lượng cọc n c F V Vn ∆= HF e eeV e eeV o tko o tko F .11     + −=    + −=∆ fHVc =     + −= o tko e ee f Fn 1 Xác định chiều sâu cọc H H≥Ha: Ha: Chiều sâu tắt lún (Khống chế biến dạng) H> độ sâu lớn nhất của vùng trượt (Khống chế cường độ) Vc: Thể tích 1 cọc cát ∆VF: Thể tích lỗ rỗng giảm F: Diện tích nền vùng xử lý f:= πd2/4 30 Phương pháp nén trước • Điều kiện áp dụng: - Nền đất sét, sét pha cát ở trạng thái chảy - Nền cát nhỏ, cát bụi bão hòa nước - Diện tích nền không lớn • Phương pháp: - Nén trước đất nền dưới tác dụng của tải trọng bề mặt (cát, sỏi, gạch, đá) - Khi nền đạt độ chặt yêu cầuÆdỡ tải xây dựng công trình • Hiệu quả: - Tăng sức chịu tải của đất nền - Giảm tính lún vì đất nền được làm chặt Nguyễn Hồng Nam, 2010 16 31 Tính toán thiết kế • Xác định cường độ áp lực nén trước pnt • Xác định thời gian nén trước tnt 32 Chọn Pnt • Pnt≥Ptk (tải trọng thiết kế) • Không phá hoại nềnÆ tăng tải từng cấp, khống chế tốc độ gia tải hoặc kết hợp dùng giếng cát Nguyễn Hồng Nam, 2010 17 33 Chọn tnt • Phụ thuộc quá trình cố kết của đất nền Xét trường hợp không có giếng cát: Tìm tnt khi biết độ cố kết Qt=St/S: nhìn chung tnt khá lâu (>2 năm) Công thức kinh nghiệm: St=S.t/(α+t) =f(t) t: thời gian nén trước α: hệ số kinh nghiệm α=(S/St1)t1-t1 S=(t2-t1)/(t2/St2-t1/St1) St1: độ lún thực tế ứng với t1 t1: thời điểm ứng với lúc tăng cấp áp lực cuối cùng S: độ lún ổn định St2: độ lún thực tế ứng với t2 34 Chọn tnt Xét trường hợp có giếng cát: Qt=1-(1-Qtz)(1-Qtr) Qt: độ cố kết chung của nền Qtz: độ cố kết của nền theo phương đứng (không xét giếng cát) Qtr: độ cố kết của nền theo phương ngang xuyên tâm (có giếng cát) Nguyễn Hồng Nam, 2010 18 35 Chọn tnt Qtz=f (Tz) Æ tra biểu đồ Tz=Cv.t/H2, Cv=kz(1+eo)/(aγw) Qtr=f(Tr,n=R/r)Æ tra biểu đồ Tr=Cr.t/(4R2), Cr=kr(1+eo)/(aγw) Trong đó: H: chiều sâu giếng cát • r: bán kính giếng cát • R: bán kính hiệu quả lưới vuông R=0.564l, lưới tam giác đều R=0.525l, l: khoảng cách tim giếng cát • kz: hệ số thấm đứng của đất nền • kr: hệ số thấm ngang của đất nền Có thể tra Qtz, Qtr từ Hình 4-15 (Nền móng, Lê Đức Thắng, NXBGD, 2000) 36 Nguyên lý nén trước Nguyễn Hồng Nam, 2010 19 37 Độ cố kết tại thời điểm t2 38 Nguyễn Hồng Nam, 2010 20 39 40 Các bước tính toán • Biết trước ∆σ’(f), tính t2. Từ σ’o, ∆σ’(p) Æ UÆTvÆt2=TvH2/Cv • Biết trước t2, tính ∆σ’(f). Tính TvÆUÆ ∆σ’(f)/ ∆σ’(p)Æ ∆σ’(f) Nguyễn Hồng Nam, 2010 21 41 42 Nguyễn Hồng Nam, 2010 22 43 Dùng biện pháp thi công để xử lý nền • Nén chặt đất bằng cách hạ thấp mực nước ngầm • Khống chế tốc độ thi công để cải thiện điều kiện chịu lực của nền đất • Thay đổi tiến độ thi công để cải thiện biến dạng của nền 44 Nén chặt đất bằng cách hạ thấp mực nước ngầm MĐTN CT1 CT2 Khi MNN ở CT1: đất tại CT2 chịu áp lực là: p1=γ.h1+γ’.h2 (1) Khi MNN rút xuống CT2, đất tại CT2 chịu áp lực là: p2=γ(h1+h2) (2) Từ (1) và (2) ÆChênh lệch áp lực do hạ thấp MNN: ∆p=p2-p1=(γ- γ’)h2 Nếu h2=10m, γ=20 kN/m3, γ’=10 kN/m3Æ∆p=100 kN/m2=1kgf/cm2. Chú ý: Khi hạ MNN xuất hiện dòng thấm đi xuống có tác dụng làm chặt đất h1 h2 γ1 γ2 Mục đích: -Thi công thuận lợi do hố móng khô -Tăng sức chịu tải của đất nền Điều kiện áp dụng: Đất loại sét, đất cát bồi tích Bơm hút MNN Hố móng Nguyễn Hồng Nam, 2010 23 45 Khống chế tốc độ thi công để cải thiện điều kiện chịu lực của nền đất • Sét yếu: e lớn, w lớn, cường độ chống cắt τ nhỏ • Khống chế tốc độ thi công trong giai đoạn đầu để tăng sức chịu tải • Mô hình Denixov 1b 2b 3b n σσt σ τ τ1 το 1c 2c 3c σt σt 1a 2a 3a σ t0 (Ha) (Hb) (Hc) ''tan' co += φστ 46 Thay đổi tiến độ thi công để cải thiện biến dạng của nền Chênh lún: Có thể do điều kiện không đồng nhất về điều kiện đất nền Nguyên tắc: • Bộ phận công trình nằm trên phần nền có tính nén lún lớn cần thi công sớm hơn • Cần theo dõi diễn biến lún của bộ phận đó để thi công bộ phận tiếp theo Điều kiện áp dụng: Đê, đập đất, đập đất đá hỗn hợp Chú ý: Đối với công trình có móng cứng: kết hợp với biện pháp làm khe lún.