thiết kế và xử lý nền đường công trình đường dẫn vào cầu cái nại bằng biện pháp cọc cát

12
1:1.5
5
0
30
8.1
=
=
=
C
ϕ
γ
THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG DẪN
VÀO CẦU CÁI NẠI BẰNG BIỆN PHÁP CỌC CÁT.
III.1 – Đặc điểm kết cấu cơng trình
Trong thực tế, việc thiết kế đưa ra các thơng số cho đường dẫn vào cầu phụ
thuộc rất nhiều yếu tố : u cầu về lưu lượng, mật độ xe, u cầu về chống tràn, chống ngập
về mùa lũ… từ những u cầu trên ta đã xác định các thơng số cho nền đường dẫn vào cầu
như sau: chiều cao đất đắp là 5 mét, nền đường rộng 12 mét, độ dốc ta luy là 1:1.5; đất đắp là
cát có dung trọng
γ
= 1.8t/m
3
,
o
30
=
ϕ
, c = 0; tải trong của xe tác động lên mặt đường là q =
1.5 t/m
2

. Các thơng số của nền đường thể hiện ở hình 3.1 như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ trắc ngang nền đường
III.2 – Đặc điểm về địa chất cơng trình
Dựa vào tài liệu hố khoan ngồi hiện trường và các số liệu trong phòng ta xác định
được các thơng số sau:
Lớp 1: Đất đắp sét lẫn bụi hữu cơ, màu xám đen, trạng thái dẻo chảy,
Bề dày lớp 14 mét
Độ ẩm: W: 62.18%
ChỈ số nén là: C
c
= 0.636
Dung trọng tự nhiên: 1.6 g/cm
3
Dung trong đẩy nổi: 0.61 g/cm
3
Hệ số rỗng ban đầu: e = 1.657
Góc nội ma sát: 1
0
28’
Lực dính khơng thốt nước:1 kg/cm
2
Lớp 2: Sét béo màu nâu vàng đốm trắng, dẻo cứng đến nửa cứng
Bề dày lớp 9.5 mét
Độ ẩm W: 28.58%
ChỈ số nén là:C
c
= 0.212
Dung trọng tự nhiên: 1.93 g/cm
3
Dung trong đẩy nổi: 0.95 g/cm

3
Hệ số rỗng ban đầu: e = 0.828
Góc nội ma sát: 12
0
06’
Lực dính khơng thốt nước:0.351 kg/cm
2
Lớp 3: Lớp sét gày màu nâu, trang thái dẻo cứng,
Bề dày lớp 12.5 mét
Độ ẩm W: 30.92%
ChỈ số nén là: C
c
= 0.224
Dung trọng tự nhiên: 1.92 g/cm
3
Dung trong đẩy nổi: 0.93 g/cm
3
Hệ số rỗng ban đầu: e = 0.864
Góc nội ma sát: 8
0
13’
Lực dính khơng thốt nước:0.406 kg/cm
2
Lớp 4: Sét gày, màu xám vàng, trạng thái nửa cứng,
Bề dày lớp >37mét
Độ ẩm W:22.13%
Chỉ số nén là: C
c
= 0.178
1

Dung trọng tự nhiên: 2.01 g/cm
3
Dung trong đẩy nổi: 1.64 g/cm
3
Hệ số rỗng ban đầu: e = 0.666
Góc nội ma sát: 10
0
47’
Lực dính không thoát nước:0.426 kg/cm
2
.
Mực nước ngầm cách mặt đất 4 mét .
III.3 – Thiết kế
III.3.1 – Xác định chiều cao khối đất đắp
•
•
Xác định chiều sâu ảnh hưởng
Tính cho chiều cao đắp H =5 (m).
a = 7.5 (m)
b = 6 (m)
Bảng 3.2: Tính chiều sâu ảnh hưởng
h
i
(m) z
i
(m) a/z
i
b/z
i
I 2I

i
z
σ
i
vz
σ
i
z
σ
/
i
vz
σ
2.00 1.00 7.5 6.00
0
0.49
6
0.99
2
9.92
0
1.60 6.2
2.00 3.00 2.5 2.00
0
0.48
8
0.97
7
9.76
6

4.80 2.035
2.00 5.00 1.5 1.20
0
0.47
2
0.94
4
9.44
0
7.01 1.35
2.00 7.00 1.07
1
0.85
7
0.44
2
0.88
4
8.84
2
8.23 1.072
2.00 9.00 0.83
3
0.66
7
0.41
3
0.82
7
8.26

6
9.45 0.873
2.00 11.0
0
0.68
2
0.54
5
0.38
2
0.76
3
7.63
3
10.67 0.715
2.00 13.0
0
0.57
7
0.46
2
0.35
1
0.70
2
7.01
5
11.98 0.585
2.00 15.0
0

0.50
0
0.40
0
0.32
6
0.65
1
6.51
0
13.45 0.48
2.00 17.0
0
0.44
1
0.35
3
0.29
6
0.59
1
5.91
5
15.35 0.385
2.00 19.0
0
0.39
5
0.31
6

0.27
0
0.53
9
5.39
4
17.25 0.312
2.00 21.0
0
0.35
7
0.28
6
0.25
1
0.50
1
5.01
5
19.15 0.262
2.0
0
23.00 0.326
0.26
1
0.240
0.47
9
4.794 21.05 0.227
2.0

0
25.00 0.300
0.24
0
0.231
0.46
3
4.627 22.92 0.200
2.0
0
27.00 0.278
0.22
2
0.214
0.42
8
4.281 24.78 0.173
2.0
0
29.00 0.259
0.20
7
0.199
0.39
7
3.974 26.64 0.149
2
2.0
0
31.00 0.242

0.19
4
0.188
0.37
6
3.765 28.5 0.132
2.0
0
33.00 0.227
0.18
2
0.174
0.34
9
3.487 30.36 0.115
2.0
0
35.00 0.214
0.17
1
0.165
0.33
0
3.298 32.22 0.102
2.0
0
37.00 0.203
0.16
2
0.156

0.31
2
3.117 34.79 0.089
2.0
0
39.00 0.192
0.15
4
0.148
0.29
5
2.951 38.07 0.077
Chiều sâu vùng ảnh hưởng xác định được là 29m
 III.3.2.Tính toán dự báo lún
Trường hợp không nở hông
Tính cho chiều cao đắp H = 5 mét
a = 7.5 mét
b = 6.00 mét
3
C
ri
e
i
i
z
σ
(T/m
2
)
i

vz
σ
(T/m
2
)
0.233 1.657 9.920
1.60
0.233 1.657 9.766
4.80
0.233 1.657 9.440
7.01
0.233 1.657 8.842
8.23
0.233 1.657 8.266
9.45
0.233 1.657 7.633
10.67
0.233 1.657 7.015
11.98
0.233 1.657 6.510
13.45
0.233 0.828 5.915
15.35
0.233 0.828 5.394
17.25
0.233 0.828 5.015
19.15
0.233 0.828 4.794
21.05
0.233 0.828 4.627

22.92
0.233 0.864 4.281
24.78
0.233 0.864 3.974
26.64
0.233 0.864 3.765
28.5
0.00 0.864 3.487
30.36
0.00 0.864 3.298
32.22
0.00 0.666 3.117
34.79
0.00 0.666 2.951
38.07
4
5
Tính cho chiều cao đắp H = 7(m);a = 10.5(m); b = 6 (m)
S
e
= 2.166(m)
Trong trường hợp xét đến khả năng nở hông của đất
S
c
= 0.8*S
e
(2.96)
H
đắp
(m) 5 6 7

S
e
(m) 1.587 1.897 2.166
S
c
(m) 1.269 1.518 1.733
Tính độ lún tức thời
S
i
= (m – 1)*S
c
(2.97)
H
đắp
(m) 5 6 7
S
c
(m) 1.269 1.518 1.733
m 1.100 1.100 1.100
S
i
(m) 0.127 0.152 0.173
Xác định chiều cao phòng lún
H
đắp
(m) 5 6 7
S
c
(m) 1.269 1.518 1.733
S

i
(m) 0.127 0.152 0.173
S = S
c
+ S
i
1.396 1.670 1.906
Hình 3.2. Biểu đồ quan hệ giữa s và h
Dựa vào kết quả trên ta vẽ biểu đồ quan hệ giữa độ lún và chiều cao đắp đất, ta thấy để
cho nền đường đạt chiều cao ổn định: H
đắp
= 5 mét thì cần phải đắp nền đường đến chiều cao
có xét đến phòng lún là: H
pl
= 6.88 mét
Khi đó độ lún tương ứng đạt được: S = 1.88(m). Trong đó S
c
= 1.71 (m) và S
i
= 0.17
(m).
Như vậy chiều cao nền đường có xét đến phòng lún là H
pl
= 6.88 (m)
III.3.3- Kiểm tra tính ổn định của nền
Ứng với chiều cao đắp H = 6.88 mét thì:
q =
H*
γ
= 18*6.88 = 123.84 (KN)

Khi đó sức chịu tải của nền là:
( )
u
CP *2
+=
π
= (3.14 + 2)*12.5 = 64.25 (KN)
Vậy q > P nên nền không ổn định.
6.88
III.3.4 – Giải pháp
 Xử lý bằng cọc cát.
Xác định e
nc
khi sử dụng cọc cát theo công thức
( ) ( )
173.17.235.01.32
1001
67.2
5.0
100
=×+
×
=Ι+×
×
∆
=
d
w
nc
We

γ
Xác định diện tích nền được nén chặt theo công thức:
F
nc
= 1.4b×(l+0.4b) = 1.4×32.04×(639.82 + 0.4×32.04) = 29274.64 (m
2
)
Xác định số lượng cọc cát để nén chặt nền là:
213.0
76.11
173.176.1
1
=
+
−
=
+
−
=Ω=
o
nco
nc
c
F
F
ε
εε
Chọn đường kính cọc d
w
= 0.4 (m)

( )
49644
20.0
64.29274213.0
2
=
×
×
=
×Ω
=
π
c
nc
f
F
n
(cọc)
Xác định trọng lượng thể tích của đất nén chặt:
( ) ( )
587.107.6401.01
76.11
67.2
01.01
1
=×+×
+
=×+×
+
∆

= W
nc
ε
γ
(g/cm
3
)
Các thông số của cọc cát:
Ta chọn thi công cọc cát với các thông số:
Đường kính cọc: d
w
= 0.4m.
Khoảng cách giữa các tim cọc: L =1.3 (m).
Bố trí theo sơ đồ mạn tam giác.
 Tính toán cố kết, ổn định của nền đất yếu khi xử lý bằng cọc cát.
1) Tính toán các thông số chung.
Căn cứ vào số liệu khảo sát, các thông số đất đắp và cọc cát, ta sát định các số liệu sau:
Hệ số thấm ngang k
n
ta chọn hế số ngang bằng 3 lần hệ số thấm thẳng
đứng: .
k
n
= 3k
v
Hệ số cố kết ngang C
h
:
ngàycmC
k

k
C
v
v
n
h
/7.449.14*3
2
===
Chiều sâu tính lún H = 2100 cm
Chiều sâu cọc cát H
1
= 1000 cm
Đường kính cọc cát d
w
= 40 cm
Kiểu bố trí cọc cát theo tam giác
Khoảng cách giữa các cọc cát L
b
= 130 cm
Khoảng cách tính đổi giữa các cọc cát D
e
= 136.5 cm
Hệ số cố kết đứng phần có cọc cát C
v
= 1.73*10^-4 cm
2
/s
Hay 14.9 cm
2

/ngày
Hệ số cố kết ngang phần có cọc cát C
h
= 3C
v
= 5.18×10^-4 cm
2
/s
Hay 44.7 cm
2
/ngày
Cố kết đứng phần có cọc cát U
z

Nhân tố thời gian T
v
: T
v
= [C
v
/H
1
^2]× t = 14.9×10^-6t
Cố kết ngang phần có cọc cát U
h
Nhân tố thời gian T
h
: T
h
= [C

h
/D
e
^2]×t = 0.0024t
n = D
e
/d
w
= 3.413
( )
( )
( )






+−






−
=
2
2
1

4
3
ln
1
n
n
n
n
nF
Nhân tố xét đến ảnh hưởng xáo động của đất khi dùng cọc cát:
( )
386.1ln1 =








×








−=

w
s
s
n
d
d
k
k
sF
Nhân tố xét đến sức cản của cọc cát:
w
n
r
q
k
HF
2
3
2
π
=
= 0.00209
F(n) + F
r
+ F
s
2.003
Tháng Số ngày Cố kết đứng phần cọc
cát U
z

%
Cố kết ngang phần cọc
cát U
h
%
Cố kết
tổng U%
T
v
U
z
% T
h
U
h
1 30 0.000447 2.39 0.071991 24.99 26.78
2 60 0.000894 3.37 0.143983 43.74 45.64
3 90 0.001341 4.13 0.215974 57.80 59.54
4.67 140 0.002087 5.15 0.335959 73.87 75.22
5 162 0.002414 5.54 0.388753 78.84 80.01
6.4 192 0.002862 6.04 0.460744 84.13 85.09
7.57 227 0.003383 6.56 0.544734 88.65 89.40
8 240 0.003577 6.75 0.57593 89.98 90.66
8.8 264 0.003935 7.08 0.633523 92.04 92.60
10 300 0.004471 7.55 0.719913 94.36 94.79
10.17 305 0.004546 7.61 0.731912 94.63 95.04
12 365 0.00544 8.32 0.875894 96.98 97.23
12.67 380 0.005664 8.49 0.91189 97.38 97.60
17 510 0.007601 9.84 1.223852 99.25 99.32
Dựa vào bảng thông số trên thấy đất nền đạt được cố kết 90% chỉ sau 240 ngày

Độ lún cố kết của nền đất sau khi đạt độ cố kết 90%
S
t
= S
c
*U = 1.71*0.9 = 1.539 (m)
Độ lún còn lại của nền đường:
S =1.71 – 1.539 = 0.171 < 0.2 (m)
 Tính toán ổn định nền
Xác định sức chịu tải giới hạn của nền theo TCXD 245 : 2000
q
u
= N
c
C
u
Tra hình 2.5 ta được N
c
= 5 (B/h < 1.49).
q
u
= 5×1.25 = 6.25 (T/m
2
)
chiều cao lớn nhất có thể của khối đất đắp (chọn hệ số an toàn bằng 1.2)
( )
m
q
H
d

u
8935.2
8.1*2.1
25.6
2.1
===
γ
Chọn chiều cao đất đắp ở giai đoạn I là H
1
= 2.5 (m).
Giả thiết sau khi đắp xong giai đoạn I, độ cố kết U đạt 70%, góc ma sát trong tăng một
lượng
ϕ
∆
= 3
o
, độ tăng lực dính:
( )
2'
/54.04698.15.27.0 mTtgtgHUC
o
d
=×××=×××=∆
ϕγ
C
1
= 1.25 + 0.54 = 1.79 (T/m
2
)
Kiểm tra lún trồi:

Tải trọng giới hạn của nền:
q
u
= N
c
C
u
= 5×1.79 = 8.95 (T/m
2
)
Tải trọng thực tế tính toán:
q
tt
= 2.5×1.8 = 4.5 (T/m
2
)
Đất nền không bị lún trồi.
Kiểm tra trượt:
B
H
C
AfF
r
u
×
+×=
γ
Trong đó: f =
u
tg

ϕ
= tg9
o
46
’
= 0.172
C
u
= 1.79 (T/m
2
) ;
( )
2
/8.1 mT
r
=
γ
; H = 2.5 (m)
Tỉ số h/H = 15/2.5 = 6 ; độ dốc của mái taluy: 1 : 1.5
Tra theo bảng 3 ta được A = 5.94; B = 5.85
F = 3.35 > 1.5
Vậy nền đường ở trạng thái ổn định, không có khả năng bị lún trồi hay trượt đổ
Với chiều rộng của đáy nền đường B = 32.04 (m), ta có B/H
a
< 1.49, nên chiều cao
đắp đất ở giai đoạn II tính toán theo công thức:
( )
( )
( )
m

C
H
d
26.4
8.12.1
79.12
2.1
2
1
2
=
×
×+
=
×
×+
=
π
γ
π
Chọn chiều cao đất đắp ở giai đoạn I là H
1
= 4.25(m).
Giả thiết sau khi đắp xong giai đoạn I, độ cố kết U đạt 75%, góc ma sát trong tăng một
lượng
ϕ
∆
= 3
o
, độ tăng lực dính:

( )
2'
/3.146128.125.47.0 mTtgtgHUC
o
d
=×××=×××=∆
ϕγ
C
1
= 1.79 + 1.3 = 3.09 (T/m
2
)
Kiểm tra lún trồi:
Tải trọng giới hạn của nền:
q
u
= N
c
C
u
= 5×3.09 = 15.45 (T/m
2
)
Tải trọng thực tế tính toán:
q
tt
= 2.5×4.25 = 7.65 (T/m
2
)
Đất nền không bị lún trồi

Kiểm tra trượt:
B
H
C
AfF
r
u
×
+×=
γ
Trong đó: f =
u
tg
ϕ
= tg12
o
46
’
= 0.226
C
u
= 3.09 (T/m
2
) ;
( )
2
/8.1 mT
r
=
γ

; H = 4.25 (m)
Tỉ số h/H = 15/4.25 = 3.53 ; độ dốc của mái taluy: 1 : 1.5
Tra theo bảng 3 ta được A = 5.94; B = 5.85
F = 3.71 > 1.5
Vậy nền đường ở trạng thái ổn định, không có khả năng bị lún trồi hay trượt đổ.
Với chiều rộng của đáy nền đường B = 32.04 (m), ta có B/H
a
< 1.49, nên chiều cao đắp đất
ở giai đoạn II tính toán theo công thức:
( )
( )
( )
m
C
H
d
35.7
8.12.1
09.2
2.1
2
1
2
=
×
×+
=
×
×+
=

3
π
γ
π
Như vậy ở giai đoạn này ta có thể đắp đến bề dày yêu cầu là H = 6.88 (m)
+ Chọn chiều cao đất đắp ở giai đoạn III là H
1
= 6.88(m).
Giả thiết sau khi đắp xong giai đoạn III, độ cố kết U đạt 90%, góc ma sát trong tăng một
lượng
ϕ
∆
= 3
o
, độ tăng lực dính:
( )
2'
/147.346158.188.69.0 mTtgtgHUC
o
d
=×××=×××=∆
ϕγ
C
1
= 3.09 + 3.147 = 6.236 (T/m
2
)
Kiểm tra lún trồi:
Tải trọng giới hạn của nền:
q

u
= N
c
C
u
= 5×6.236 = 31.18 (T/m
2
)
Tải trọng thực tế tính toán:
q
tt
= 6.88×1.8 = 12.38(T/m
2
)
Đất nền không bị lún trồi
Kiểm tra trượt:
B
H
C
AfF
r
u
×
+×=
γ
Trong ú: f =
u
tg

= tg15

o
46

= 0.282
C
u
= 6.236 (T/m
2
) ;
( )
2
/8.1 mT
r
=

; H = 6.88 (m)
T s h/H = 15/6.88 = 2.18 ; dc ca mỏi taluy: 1 : 1.5
Tra theo bng 3 ta c A = 5.94; B = 5.85
F = 4.62 > 1.5
Vy nn ng trng thỏi n nh, khụng cú kh nng b lỳn tri hay trt .
Xỏc nh khong thi gian ch i ca tng giai on thi cụng p nn.
Mc c kt ca t nn c xỏc nh theo cụng thc:
U = 1 (1 U
h
)(1 U
v
)
Ta cú th b qua U
v
do U

v
rt nh ti thi im t, do ú:
U = U
h
Thi gian ch i t nn c kt sau mi giai on:
UC
FD
t
h
e
ì
ì
=
1
1
ln
8
2
Vi khong cỏch cm cc cat L = 130 (cm):
t =
Uì
ì
1
1
ln
7.448
003.25.136
2
t =
U1

1
ln36.104
Khong thi gian ch i t giai on I n giai on II:
U
1
= 70% t
1
=104.36ìln3.33 = 126 (ngy)
Khong thi gian ch i t giai on IIn giai on III:
U
2
= 75% t
1
+ t
2
=104.36ìln4= 145 (ngy)
t
2
= 19 (ngy)
Khong thi gian ch i t giai on III n khi t nn t c
U = 90%:
U
3
= 90% t
1
+ t
2
+t
3
=104.36ìln10= 240 (ngy)

t
3
= 95 (ngy)
III.4 Dửù toaựn sụ lửụùc khi thi coõng coùc caựt
Trong cựng mt khong thi gian l 8 thỏng, cc cỏt cho ra mc c kt 90%
Giaự trũ kinh t (b qua lng cỏt hao ht khi thi cụng cc cỏt):
Phng ỏn
Tng chiu sõu
thi cụng (m)
Giỏ tin 1 một thi
cụng (ng)
Thi gian
Tng giỏ tin cụng
trỡnh (ng)
Cc cỏt 121300 50.000 240 6.065.000.000