Gia Cố Nền Móng Bằng Cọc Xi Măng đất

Link tải bảng tính móng cọc xi măng đất

1. Tổng quan về cọc xi măng đất.

Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và ximăng được phun xuống nền đất bằng thiết bị khoan phun. Mũi khoan được khoan sâu xuống làm tơi đất đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì xoay ngược lại và dịch chuyển lên. Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt).

1.1. Phạm vi ứng dụng:

• Cọc xi măng đất là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu:
• Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trên nền đất yếu cần phải có các biện pháp xử lý đất nền bên dưới móng công trình, nhất là những khu vực có tầng đất yếu khá dày (như vùng ven biển Đồng Bằng Bắc Bộ và một số tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long…)
• Cọc xi măng đất được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng, giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…

1.2. Các ưu điểm

• Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, không có yếu tố rủi ro cao. Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ. Tốc độ thi công cọc rất nhanh.
• Rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở các khu vực nền đất yếu như bãi bồi, ven sông, ven biển.
• Thi công được trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập sâu trong nước. Khả năng xử lý nền đất yếu sâu (có thể đến 50m).
• Thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu). Nếu địa chất nền là cát rất phù hợp và độ tin cậy cao.
• Nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý cọc đóng. (nếu sử dụng phương pháp cọc bê tông ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày.

1.3. Tiêu chuẩn thiết kế

Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế – thi công – nghiệm thu cọc xi măng đất là TCXDVN 385: 2006 “Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng” do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng biên soạn, Vụ Khoa học Công nghệ Xây dựng đề nghị, Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết định số 38/2006/QĐ-BXD ngày 27 tháng 12 năm 2006

1.4. Quy định về việc gia cố nền bằng cọc xi măng đất (TCXDVN 385:2006)

Thiết kế, thi công gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng cần tuân theo quy trình sau:

• Khảo sát địa chất công trình, thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng thích hợp trong phòng thí nghiệm;
• Thiết kế sơ bộ nền gia cố theo điều kiện tải trọng tác dụng của kết cấu bên trên (căn cứ vào kết quả thí nghiệm mẫu trong phòng và kinh nghiệm tích lũy);
• Thi công trụ thử bằng thiết bị dự kiến sử dụng;
• Tiến hành các thí nghiệm kiểm tra ( xuyên cánh, xuyên tĩnh, nén tĩnh, lấy mẫu…);
• So sánh với các kết quả thí nghiệm trong phòng, đánh giá lại các chỉ tiêu cần thiết ;
• Điều chỉnh thiết kế ( hàm lượng chất gia cố, chiều dài hoặc khoảng cách giữa các trụ);
• Thi công đại trà theo công nghệ đã đạt yêu cầu và tiến hành kiểm tra chất lượng phục vụ nghiệm thu.

1.5. Công nghệ thi công

• Công nghệ thi công trộn khô: đất và bột xi măng khô được trộn với nhau bằng cách xáo tơi cơ học tại hiện trường (có hoặc không có phụ gia).

• Công nghệ trộn ướt: đất, nước và bột xi măng khô được trộn với nhau bằng cách xáo tơi cơ học tại hiện trường (có hoặc không có phụ gia).

2. Các phương pháp tính toán gia cố nền bằng cọc xi măng đất.

Các phương pháp tính toán sức chịu tải và biến dạng của nền đất gia cố bằng cọc xi măng đất:

• Phương pháp tính toán dựa trên quan niệm xem cọc xi măng đất làm việc như cọc (tính toán như móng cọc).
• Phương pháp tính toán dựa trên quan niệm xem cọc xi măng và đất làm việc đồng thời (tính toán như đối với nền thiên nhiên).
• Phương pháp tính toán dựa trên cả 2 quan niệm trên: tính toán sức chịu tải thì tính toán như cọc, còn tính toán biến dạng thì tính toán như nền.

2.1. Phương pháp tính toán dựa trên quan niệm xem cọc xi măng đất làm việc như cọc

Theo quan điểm này đòi hỏi cọc xi măng đất phải có độ cứng tương đối lớn và các đầu cọc XMĐ này được đưa vào tầng đất chịu tải. Khi đó lực truyền từ móng ào nền chủ yếu đi qua các cọc XMĐ và bỏ qua sự làm việc của nền đất dưới đáy móng. Trong trường hợp cọc XMĐ không cắm vào nềm đất chịu tải thì có thể dung phương pháp tính toán như đối với cọc ma sát.

a. Tính toán kiểm tra sức chịu tải của cọc xi măng đất.

Sức chịu tải của cọc XMĐ:

Sức chịu tải theo vật liệu làm cọc: Pvl = kmPcAc

Trong đó:

km = hệ số điều kiện làm việc của cọc.

Rc = khả năng chịu nén cực hạn của cọc XMĐ.

Ac = Diện tích tiết diện cọc.

Theo đất nền.

Dùng công thức tính toán sức chịu tải của cọc theo các chỉ số C, φ của đất nền (công thức của Meyerhof): Pgh = Pm/3 + Pms/2 = qmAc/3 + ufsLc/2

Trong đó:

qm = zγNq+1.3cNc áp lực giới hạn tại mũi cọc.

fs = ma sát xung quanh cọc, với đất dính: fs = cKc với:

Khả năng chịu lực của móng cọc XMĐ phụ thuộc vào số lượng và cách bố trí cọc trong khối móng. Kiểm tra sức chịu tải của cọc XMĐ theo công thức:

Trong đó:

N, Mx, My = tải trọng tiêu chuẩn tại đáy móng.

xi, yi = tọa độ các cọc XMĐ đối với các trục chính của đài cọc XMĐ cũng nên được kiểm tra.

Ngoài ra, sức chịu tải của nền đất dưới đáy cọc.

b. Tính toán kiểm tra độ lún của móng cọc xi măng đất.

Công thức: S = ∑si ≤ [Sgh]

Trong đó :

Sgh = độ lún giới hạn cho phép.

S = độ lún tổng cộng của móng cọc.

2.2. Phương pháp tính toán theo quan niệm như nền tương đương.

Nền cọc XMĐ và đất dưới đáy móng được xem như một nền đồng nhất với các chỉ tiêu cơ lý  được nâng cao (được tính từ φ, c, E của đất nền xung quanh cọc và vật liệu làm cọc). Công thức quy đổi tương đương  dựa trên đọ cứng của cột XMĐ, đất và diện tích được thay thế bởi cọc XMĐ. Gọi m là tỉ lệ giữa cọc XMĐ thay thế cho đất nền.

m = Ap/As

φtd = mφcoc+(1-m)φnen

ctd = mccoc+(1-m)cnen

Etd = mEcoc+(1-m)Enen

Trong đó:

Ap = diện tích đất nền thay thế bằng cọc XMĐ.

As = diện tích đất nền cần gia cố.

Theo phương pháp tính toán này, bài toán gia cố nền đất bằng cọc XMĐ phải thỏa mãn 2 tiêu chuẩn sau:

• Tiêu chuẩn về cường độ: φtd, ctd của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình.
• Tiêu chuẩn biến dạng: mô đun biến dạng của nền được gia cố Etd phải thỏa mãn điều kiện độ lún của công trình.

2.3. Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp

Phương pháp này dựa theo phương pháp tính toán của viện kĩ thuật châu Á A.I.T

a. Sức chịu tải của cọc đơn.

Khả năng chịu tải của cọc XMĐ được quyết định bởi sức kháng cắt của đất sét bao quanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của cọc XMĐ (cọc XMĐ bị phá hoại). Loại phá hoại đầu phụ thuộc vào cả sức cản do ma sát mặt ngoài cọc XMĐ và sức chịu tải chân cọc XMĐ, loại sau còn phụ thuộc vào sức kháng cắt của vật liệu làm cọc XMĐ. Khả năng chịu chịu tải giới hạn của cọc XMĐ đơn trong đất sét yếu khi đất phá hoại đượ tính theo công thức sau:

Pgh,dat = (πdLc + 2.25πd2)cu

Trong đó:

d = đường kính của cọc XMĐ.

Lc = chiều dài của cọc XMĐ.

cu = độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh cọc, được xác định bằng thí nghiệm hiện trường như thí nghiệm cắt cánh hoặc CPT.

Giả thiết là sức cản mặt ngoài bằng độ bền cắt không thoát nước của đất sét cu và sức chịu chân cọc XMĐ tương ứng là 9cu. Sức chịu chân cọc XMĐ treo không đóng vào tầng đất nén chặt thường thấp hơn so với sức chịu ma sát thân cọc. Sức chịu ở chân cọc XMĐ sẽ lớn hơn khi cọc XMĐ cắt qua tầng ép lún vào đất cứng nằm dưới có sức chịu tải cao. Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp đất ở dưới qua đáy cọc XMĐ. Tuy nhiên sức chịu chân cọc XMĐ không thể vượt qua độ bền nén của bản thân cọc XMĐ.

Trong trường hợp cọc XMĐ đã bị phá hoại trước thì các cọc XMĐ được xem tương tự như một lớp đất sét cứng nứt nẻ. Độ bền cắt của hỗn hợp sét ở dạng cục hay hợp thể đặc trưng cho giới hạn trên của độ bền. Khi xác định bằng thí nghiệm xuyên hay cắt cánh, giới hạn này vào khoảng 2 đến 4 lần độ bền cắt dọc theo mặt liên kết khi xác định bởi thí nghiệm nén có nở hông.

Đường bao phá hoại của cọc XMĐ trong đất dính được thể hiện trong hình vẽ dưới đây:

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do cọc XMĐ bị phá hoại ở độ sâu z được tính từ quan hệ:

Pgh,coc = Acoc(3.5ccoc+3σn)

Trong đó:

ccoc : lực dính của vật liệu cọc XMĐ.

σn : áp lực ngang tổng cộng tác dụng lên cọc XMĐ tại mặt cắt giới hạn.

Đối với đất dính:

với Kc=tg2(45 – φ/2) là hệ số áp lực chủ động của đất.

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc XMĐ

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc XMĐ phụ thuộc vào độ bền cắt của đất giữa các cọc XMĐ và độ bền cắt của vật liệu cọc XMĐ. Sự phá hoại quyết định bởi khả năng chịu tải của khối cọc XMĐ.

Trường hợp đầu, sức chống cắt dọc theo mặt phá hoại cắt qua toàn bộ khối sẽ quyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc XMĐ. Công thức tính toán:

Qgh,nhom = 2cuH(B+L)+αcuBL

Trong đó:

B, L, H = chiều rộng, chiều dài, chiều cao của nhóm cọc XMĐ.

α=6 : khi móng hình chữ nhật có chiều dài lớn hơn nhiều lần chiều rộng .

α=9 : khi móng hình vuông.

Trong thiết kế, không dùng khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc vì phải huy động sức kháng tải trọng lớn nhất làm cho biến dạng khá lớn, bàng 5-10% bề rộng vùng chịu tải.

Trường hợp sau, khả năng chịu tải giới hạn, có xét đến phá hoại cục bộ ở rìa khối cọc XMĐ, phụ thuộc vào độ bền chống cắt trung bình của đất dọc theo mặt phá hoại gần tròn. Độ bền chống cắt trung bình có thể tính như ổn định mái dốc. Khả năng chịu tải giới hạn có chú ý đến phá hoại cục bộ được tính theo công thức:

qgh = 5.5ctb(1+0.2b/l)

Trong đó:

b, l là chiều rộng và chiều dài vùng chịu tải cục bộ.

ctb: độ bền cắt trung bình dọc theo bề mặt phá hoại giả định.

b. Tính toán biến dạng

Tổng độ lún lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của toàn khối nền được gia cường (Δh1) và độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới đáy khối đất được gia cường phía trên (Δh2).

Δh = Δh1 + Δh2

Trong đó:

Δh1 : độ lún bản thân khối cọc XMĐ.

Δh2 : độ lún của các lớp đất phía dưới mũi cọc.