CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

§1. Khái niệm về nền đất yếu và xử lý nền đất yếuI. Khái niệm chungI.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 độkết cấu bị vi phạm.

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.

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 chungcủa đất.

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.

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.

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: sửdụng 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.

§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

Đệm cáth 1

h 1 hm

hđhđ

hm

h1

Đệm cát thay thế toàn bộ Đệm cát thay thế 1 phần

II. Cấu tạo đệm cát

Bđ

hđ

hm

α* b α*

β

1m

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 pháhoại;+ 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.

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).

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.

III.2. Xác định chiều dày đệm cát hđ theo điều kiện cường độ đất yếu dưới đệm

Fsp

R đyghđy

−=

* 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 đất yếu dưới đáy đệm cát.

pgh-đy: sức chịu tải giới hạn của đất yếu dưới đáy đệm cát;Fs: hệ số an toàn.

a. Xác định chiều dày đệm cát hđ cho móng đơn

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ==

bh

bz

blfk đ

o ,

* 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).

đycqđyđđygh cNqNBNp ......21

321 ααγα γ ++=−

* Xác định sức chịu tải giới hạn pgh-đy

* Xác định sức chịu tải giới hạn pgh-đy móng đơn (tiếp)

12 =αđ

đ

LB.2,012,011 −=−=

αα

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.

đ

đ

LB.2,012,013 +=+=

αα

b. Xác định chiều dày đệm cát hđ cho móng băng

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ====

bh

bz

bbxfk đ

z ,00

- 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).

đycqđyđđygh cNqNBNp ....21

++=− γγ

- Xác định sức chịu tải giới hạn pgh-đy

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;

§3. Tính toán thiết kế cọc cát nén chặtI. 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

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.

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* Phân tích một vùng đất códiện tích F với hệ số rỗng ban đầu eo. Diện tích F gồm 2 phần: F = Fh + Fr:

Fr

Fh Fh

FcF’r

h

ro FFe = F

eF

oh +=

11 F

eeF

o

or +=

1

II.1. Nguyên lý tính toán

FeeeFo

oc +

−=

1*

* 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 sốrỗng của đất giảm xuống giá trị e*:

h

cr

FFFe −

=*

* 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*)

II.2. Xác định khoảng cách cọc cát

2

43

11*

co

tko

o

oc D

eeeF

eeeF

+−

=+−

=42

1 2Φ=

πcF

22

4360sin

21

cc DDF =°=

a. Theo sơ đồ tam giác đều: Dc ≡chiều dài cạnh tam giácVùng đất trong phạm vi tam giác đều gọi là một đơn nguyên xử lý. Trên đơn nguyên tam giác đều, diện tích cần xử lý F:

* Diện tích cọc cát cần chèn vào Fc:

Dc

Dc

Dc

A

B C

a. Theo sơ đồ tam giác đều (tiếp)

Giải theo Dc ta có:

* Nếu chọn trước Dc: việc xử lý sẽ làm hệ số rỗng của nền giảm xuống giá trị enc:

421

43

1

22 Φ=

+− π

co

tko Deee

tko

oc ee

eD−+

Φ=1952,0

2

2

2

2

906,0906,01cc

onc DDee Φ

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Φ−=

b. Theo sơ đồ hình vuông

2

11*

co

tko

o

oc D

eeeF

eeeF

+−

=+−

=4

2Φ=π

cF

2cDF =

- Dc ≡ chiều dài cạnh hình vuôngVùng đất trong phạm vi hình vuông gọi là một đơn nguyên xửlý. Trên đơn nguyên hình vuông, diện tích cần xử lý F:

* Diện tích cọc cát cần chèn vào Fc:

Dc

DcDc

DcA

B C

D

b. Theo sơ đồ hình vuông (tiếp)

Giải theo Dc ta có:

* Nếu chọn trước Dc: việc xử lý sẽ làm hệ số rỗng của nền giảm xuống giá trị enc:

41

22 Φ=

+− π

co

tko Deee

tko

oc ee

eD−+

Φ=1886,0

2

2

2

2

786,0786,01cc

onc DDee Φ

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Φ−=

Trong thiết kế sơ bộ, chỉ tiêu cơ lý của đất sau xử lý cọc cát có thể dự tính

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.

FAFAFFA ccc

ch.).( +−

=

II.3. Chỉ tiêu cơ lý của đất sau xử lý cọc cát

Gọi f là tỷ diện tích xử lý, được xác định theo

Chỉ tiêu chung của nền sau xử lýAch = (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

FFf c=

tk

onc e

W++Δ

=1

)1(.γγ

II.3. Chỉ tiêu cơ lý của đất sau xử lý cọc cát

S¬ ®å bè trÝ cäc c¸ttheo l−íi tam gi¸c hm

Lc