1. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
§1. Khái niệm về nền đất yếu và xử lý nền đất yếu
I. Khái niệm chung
I.1. Khái niệm về nền đất yếu
* Đất yếu khi XD có thể gây hậu quả bất lợi, không thỏa
mãn:
- CT bị mất ổn định do cường độ thấp;
- Lún nhiều, lún kéo dài hoặc nghiêng vượt qua giới hạn
cho phép, cản trở việc hoàn thiện và đưa vào sử dụng
một cách bình thường đúng thời hạn mong muốn.
Ngoài ra, lún lệch quá nhiều có thể làm cho cường độ
kết cấu bị vi phạm.
2. I.2. Xử lý nền đất yếu
* Xử lý nền đất yếu: chỉ áp dụng với phương án móng
nông (có thể có hoặc không kết hợp với xử lý KC bên
trên):
- Xử lý KC bên trên;
- Xử lý móng;
- Xử lý nền (tùy thuộc vào địa chất);
- Kết hợp cả ba.
3. II. Các biện pháp xử lý nền làm tăng cường độ
* Cường độ của nền tăng đồng biến với γ, ϕ, c → để tăng
cường độ của nền phải tăng γ, ϕ, c.
* Một số biện pháp xử lý nền sau đây có thể áp dụng:
- Đệm cát
- Bệ phản áp
- Đưa vào trong đất các chất kết dính vô cơ dạng bột
hoặc vữa như vôi, ximăng, thủy tinh lỏng silicat (trộn
hoặc bơm vào trong đất) → tăng lực dính đơn vị chung
của đất.
4. III. Các biện pháp xử lý nền làm giảm độ lún
chung
* Lún của nền chủ yếu do giảm Vr khi chịu tải trọng CT.
* Một số biện pháp xử lý nền giảm độ lún chung:
- Đầm nén.
- Nén chặt đất theo phương ngang: đưa các dạng cọc vào
đất theo phương đứng → đất bị chèn ép ra xung quanh
→ giảm lún.
- Gia tải trước: tạo ra tải trọng tĩnh trước khi XD CT →
đất bị nén chặt.
+ Để giảm bớt thời gian chờ đợi, người ta kết hợp gia tải
trước với “cọc cát nén chặt” hoặc “giếng cát” cố kết nền.
5. IV. Các biện pháp xử lý nền làm tăng tốc độ lún
* Độ lún của nền tại một thời điểm bất kỳ: S(t) = U(t).S.
- S: độ lún cuối cùng của nền, S = f(tính chất biến dạng
của nền; tải trọng CT).
- U(t): độ cố kết chung của nền tại thời điểm t, U(t) =
f(khả năng thoát nước của đất; chiều dài đường thoát
nước).
- Việc tăng tốc độ lún thường hướng tới giảm chiều dài
đường thoát nước. Để rút ngắn thời gian chờ, người ta
thường kết hợp gia tải trước vượt quá tải trọng dự kiến
của CT.
6. IV. Các biện pháp xử lý nền làm tăng tốc độ lún
* Một số biện pháp xử lý nền làm tăng tốc độ lún:
- Rút ngắn chiều dài đường thoát nước theo phương
đứng: tạo ra trên bề mặt đất tự nhiên một lớp vật liệu
nhân tạo (cát hạt trung trở lên) có khả năng thoát nước
tốt (biên thoát nước đứng nhân tạo).
- Rút ngắn chiều dài thoát nước theo phương ngang: sử
dụng vật thoát nước thẳng đứng (cát đưa vào dưới dạng
cọc – “giếng cát” hoặc “bấc thấm”) tạo ra biên thoát
nước ngang.
- Sử dụng cả 2 giải pháp trên kết hợp với gia tải trước
hoặc gia quá tải. Tải trọng gia tải trước có thể là vật liệu
đắp hoặc áp lực chân không.
7. §2. Tính toán thiết kế đệm cát
I. Khái niệm
* Phạm vi áp dụng
- Đệm cát được dùng xử lý nền đất yếu trong trường
hợp địa tầng có lớp đất yếu nằm trên lớp đất tốt
8. Đệm cát
Đệm cát thay thế toàn bộ Đệm cát thay thế 1 phần
hm hm
h1
h1
hđ h1
hđ
10. II. Cấu tạo đệm cát (tiếp)
* hm: độ sâu đặt móng, không nên chọn hm quá sâu,
hm ≤ (1 ÷ 1,5)m
* Kích thước cơ bản của đệm cát
- hđ: chiều dày đệm cát: là khoảng cách từ đáy hố đào
đến đáy móng. Tính toán hđ thỏa mãn:
+ Về cường độ: đất yếu dưới đáy đệm không bị phá
hoại;
+ Về biến dạng: độ lún chung của nền S ≤ [S]
- m: taluy (độ dốc) hố đào, m xác định dựa vào phân
tích ổn định mái dốc của lớp đất yếu. Sơ bộ chọn m = 1 ÷
1,5.
11. II. Cấu tạo đệm cát (tiếp)
- Kích thước đáy đệm
+ Móng đơn: Lđ = l + 2hđ.tgα*
Bđ = b + 2hđ.tgα*
l, b: có được từ bài toán xác định kích thước đáy móng
trên nền cát thay thế;
+ Móng băng: Bđ = b + 2hđ.tgα*
b: bề rộng móng băng, có được từ bài toán xác định kích
thước đáy móng trên nền cát thay thế.
- α*: góc truyền tải trọng trọng đất, α* = 30° ÷ ϕđc (ϕđc:
góc ma sát trong của đệm cát. Thường lấy α* = 30°.
→ Lđ, Bđ = f(hđ).
12. III. Tính toán thiết kế đệm cát
* Nội dung tính toán:
- Xác định độ dốc hố đào (taluy hố đào) m;
- Xác định kích thước cơ bản của đệm cát:
+ Móng đơn: hđ; Lđ.Bđ;
+ Móng băng: hđ; Bđ;
III.1. Xác định độ dốc thành hố đào m
- Lấy theo kinh nghiệm (dựa vào loại đất);
- Phân tích ổn định taluy theo điều kiện ổn định.
13. III.2. Xác định chiều dày đệm cát hđ theo điều
kiện cường độ đất yếu dưới đệm
* Chiều dày đệm cát thỏa mãn điều kiện: σđđ ≤ Rđy
σđđ: ứng suất tại đáy đệm cát (tại bề mặt lớp đất yếu) do
trọng lượng bản thân đất và do tải trọng CT gây ra;
σđđ = σbt + σ(p)
- Thông thường, ta tính ứng suất σđđ tại điểm nằm trên
trục đứng qua tâm móng.
Rđy: sức chịu tải cho phép của p gh − đy
đất yếu dưới đáy đệm cát.
Rđy =
Fs
pgh-đy: sức chịu tải giới hạn của đất yếu dưới đáy đệm
cát;
Fs: hệ số an toàn.
14. a. Xác định chiều dày đệm cát hđ cho móng đơn
* σđđ: ứng suất tại đáy đệm cát, σđđ = σbt + σ(p)
σbt: ứng suất do trọng lượng bản thân tại đáy đệm cát
σbt = γtb.hm + γđ.hđ
γđ: trọng lượng riêng của đệm cát;
σ(p): ứng suất do tải trọng ngoài gây ra tại đáy đệm cát
σ(p) = ko(ptb - γtb.hm).
⎛ l z hđ ⎞
ko = f ⎜ , = ⎟
⎝b b b ⎠
* Xác định sức chịu tải giới hạn pgh-đy
1
p gh − đy = α1 N γ .Bđ .γ đy + α 2 .N q .q + α 3 .N c .cđy
2
15. * Xác định sức chịu tải giới hạn pgh-đy móng đơn (tiếp)
γđy: trọng lượng riêng của đất yếu dưới đáy đệm cát;
q: phụ tải: q = γ1.(hm + hđ);
Nγ, Nq, Nc: hệ số sức chịu tải = f(ϕđy);
ϕđy, cđy: góc ma sát trong và lực dính đơn vị của đất
dưới đáy đệm cát;
Bđ: bề rộng đáy đệm cát.
0,2 0,2.Bđ 0,2 0,2.Bđ
α1 = 1 − = 1− α 2 = 1 α3 = 1+ = 1+
α Lđ α Lđ
16. b. Xác định chiều dày đệm cát hđ cho móng băng
- σđđ: ứng suất tại đáy đệm cát, σđđ = σbt + σ(p)
σbt: ứng suất do trọng lượng bản thân tại đáy đệm cát,
σbt = γ1.hm + γđ.hđ
σ(p): ứng suất do tải trọng ngoài gây ra tại đáy đệm cát,
σ(p) = kz(ptb - γ1.hm).
⎛x 0 z hđ ⎞
k z = f ⎜ = = 0, = ⎟
⎝b b b b ⎠
- Xác định sức chịu tải giới hạn pgh-đy
1
p gh − đy = N γ .Bđ .γ đy + N q .q + N c .cđy
2
17. III.3. Xác định chiều dày đệm cát hđ theo điều
kiện biến dạng
* Độ lún chung của nền phải thỏa mãn: S ≤ [S]
- S: độ lún cuối cùng của nền, S = Sđ + Sn:
+ Sđ: độ lún của lớp đệm cát;
+ Sn: độ lún của phần nền đất dưới đệm cát;
18. §3. Tính toán thiết kế cọc cát nén chặt
I. Khái niệm
* Phạm vi áp dụng
- Cọc cát được dùng xử lý nền đất yếu trong trường hợp
địa tầng có lớp đất yếu nằm trên lớp đất tốt (lớp đất yếu
có chiều dày hy tương đối lớn).
* Giả thiết khi tính toán thiết kế cọc cát:
- Hệ số rỗng giảm đều (đất được lèn chặt đều giữa các
cọc cát);
- Thể tích lỗ rỗng giảm trong khi thể tích hạt không đổi;
- Độ ẩm không đổi trong quá trình lèn chặt;
- Đất không trồi lên mặt đất
19. I. Khái niệm (tiếp)
* Đặc trưng của cọc cát
- Φ: đường kính cọc cát, Φ = 400 ÷ 600, thường Φ = 400;
- L: chiều dài cọc cát, L = min {Hn, hy-hm}
Hn: chiều sâu ảnh hưởng tải trọng; hy: chiều dày lớp đất
yếu cần xử lý.
+ Khi độ sâu ảnh hưởng tải trọng vượt quá phạm vi lớp
đất yếu: chỉ cần xử lý đến hết lớp đất yếu;
+ Khi chiều dày lớp đất yếu lớn hơn phạm vi ảnh hưởng
tải trọng: chỉ cần xử lý đến hết phạm vi ảnh hưởng tải
trọng Hn.
* Nội dung tính toán: Xác định đường kính cọc cát Φ;
Xác định khoảng các giữa các cọc cát Dc; Xác định dài
cọc cát L.
20. II. Xác định khoảng cách giữa các cọc cát Dc
* Dc = f(hiệu quả xử lý mong muốn: mức giảm eo đến etk;
cách bố trí mạng lưới);
- eo: hệ số rỗng ban đầu của đất ≅ hệ số rỗng tự nhiên ev;
- etk: hệ số rỗng thiết kế (hệ số rỗng sau khi được xử lý).
II.1.Nguyên lý tính toán
Fr F’r Fc
* Phân tích một vùng đất có
diện tích F với hệ số rỗng
ban đầu eo. Diện tích F gồm Fh Fh
2 phần: F = Fh + Fr:
Fr eo
eo = Fh =
1
F Fr = F
Fh 1 + eo 1 + eo
21. II.1. Nguyên lý tính toán
* Gọi Fc là diện tích vật liệu mới đưa vào trong đất làm
diện tích lỗ rỗng trong đất còn F’r = (Fr – Fc) → hệ số
rỗng của đất giảm xuống giá trị e*:
Fr − Fc
e* =
Fh
* Ngược lại, nếu cần giảm hệ số rỗng của đất xuống e*
thì diện tích cọc cát cần chèn vào Fc:
Fc = Fr – e*.Fh = Fh.(eo – e*)
eo − e *
Fc = F
1 + eo
22. II.2. Xác định khoảng cách cọc cát
a. Theo sơ đồ tam giác đều: Dc ≡ A
chiều dài cạnh tam giác
Vùng đất trong phạm vi tam giác
đều gọi là một đơn nguyên xử lý. Dc Dc
Trên đơn nguyên tam giác đều,
diện tích cần xử lý F:
Dc
1 2 3 2 B C
F = Dc sin 60° = Dc
2 4
* Diện tích cọc cát cần chèn vào Fc:
eo − e * eo − etk 3 2 1 πΦ 2
Fc = F= Dc Fc =
1 + eo 1 + eo 4 2 4
23. a. Theo sơ đồ tam giác đều (tiếp)
eo − etk 3 2 1 πΦ 2
Dc =
1 + eo 4 2 4
Giải theo Dc ta có:
1 + eo
Dc = 0,952Φ
eo − etk
* Nếu chọn trước Dc: việc xử lý sẽ làm hệ số rỗng của
nền giảm xuống giá trị enc:
⎛ Φ 2
⎞ Φ 2
enc = eo ⎜1 − 0,906 2 ⎟ − 0,906 2
⎜ ⎟
⎝ Dc ⎠ Dc
24. b. Theo sơ đồ hình vuông
- Dc ≡ chiều dài cạnh hình vuông B C
Dc
Vùng đất trong phạm vi hình
vuông gọi là một đơn nguyên xử
lý. Trên đơn nguyên hình vuông, Dc Dc
diện tích cần xử lý F:
F = Dc
2
Dc
A D
* Diện tích cọc cát cần chèn vào Fc:
eo − e * eo − etk 2 πΦ 2
Fc = F= Dc Fc =
1 + eo 1 + eo 4
25. b. Theo sơ đồ hình vuông (tiếp)
eo − etk 2 πΦ 2
Dc =
1 + eo 4
Giải theo Dc ta có:
1 + eo
Dc = 0,886Φ
eo − etk
* Nếu chọn trước Dc: việc xử lý sẽ làm hệ số rỗng của
nền giảm xuống giá trị enc:
⎛ Φ 2
⎞ Φ 2
enc = eo ⎜1 − 0,786 2 ⎟ − 0,786 2
⎜ ⎟
⎝ Dc ⎠ Dc
26. II.3. Chỉ tiêu cơ lý của đất sau xử lý cọc cát
Trong thiết kế sơ bộ, chỉ tiêu cơ lý của đất sau xử lý cọc
cát có thể dự tính
( F − Fc ). A + Fc . Ac
Ach =
F
Ach: chỉ tiêu chung của nền cần xác định sau xử lý;
F: diện tích đơn nguyên xử lý;
Fc: diện tích cát thay thế trong một đơn nguyên;
A: chỉ tiêu tương ứng của đất nền trước khi xử lý;
Ac: chỉ tiêu tương ứng của vật liệu cát thay thế.
27. II.3. Chỉ tiêu cơ lý của đất sau xử lý cọc cát
Fc
Gọi f là tỷ diện tích xử lý, được xác định theo f =
F
Chỉ tiêu chung của nền sau xử lý
Ach = (1 – f).A + f.Ac
Một số chỉ tiêu tính qua tỷ diện tích có dạng:
Eoch = (1 – f).Eo + f.Eoc
γch = (1 – f).γnc + f.γc
Δ.γ o (1 + W )
γ nc =
1 + etk
