Bài giảng Nền và móng - Chương 4: Xử lý và gia cố đất nền

4.1. KHÁI NIỆM

Chương 4: Xử lý và Gia Cố Đất Nền

Đệm vật liệu rời (đá, sỏi, cát)
Cọc vật liệu rời (cọc đá, cọc sỏi, cọc cát)
Cọc đất vôi, đất xi măng
Gia tải trước
Giếng cát gia tải trước
Bấc thấm
Cừ tràm

1

2

4.2. ĐỆM CÁT
-

4.2. ĐỆM CÁT

Chiều dày lớp đất yếu < 5m; công trình vừa, nhỏ, nhà công
nghiệp. Dùng lớp đệm để thay thế toàn bộ lớp đất yếu.
Làm tăng sức chịu tải của nền đất (được thay bởi lớp đất tốt
hơn)
Làm giảm độ biến dạng
Làm tăng khả năng chống trượt khi có tải trọng ngang
Ưu: sử dụng vật liệu địa phương, phương pháp thi công đơn
giản
Khuyết: thích hợp cho công trình nhỏ; công trình bên cạnh
ao, hồ, sông, biển thì cần phải có biện pháp ngăn ngừa hiện

tượng cát chảy. Khi MNN cao thì dùng γ’ nên không hiệu
quả.

Tính toán lớp đệm cát
Ntt

Df
h

pgl

α

b

hđ
bđ
σbt1

σz2

3

4

4.2. ĐỆM CÁT

4.2. ĐỆM CÁT

Tính toán lớp đệm cát

1. Xác định hđ
* Điều kiện 1:
σbt1+ σz2 ≤ Rtc(Df + hđ) ≈ RII (Df + hđ)
σbt1 = γ Df + γđ hđ
σz2 : Ư/s do tải trọng ngoài tại đáy lớp đệm
σz2 = k0 pgl = k0 (p - γ Df)
k0 = f (l/b, z/b)
RII =

- Để đơn giản hơn, ta có thể chọn hđ rồi kiểm tra lại đk1 và đk2
- hđ được chọn bằng bề dày lớp đất yếu và ≤ 3m

m1m2
[ Abz γ + B( D f + hđ )γ * + Dc] b : bề rộng móng tính đổi
z
k tc

- Móng băng:

bz

Tính toán lớp đệm cát
1. Xác định hđ
* Điều kiện 2: S = Sđệm + Sđất ≤ Sgh

N
=∑

tc

σ2 l

- Móng chữ nhật:

a = (l-b)/2

2

b z = Fz + a − a

Fz =

2. Xác định bđ
Tính bề rộng đáy lớp đệm vật liệu rời với gải thiết góc truyền
ứng suất nén trong nền đất là α ≈ ϕđ = 30 ÷ 350.
bđ = b + 2 hđ tan300

∑ N tc
σ2

5

6


4.2. ĐỆM CÁT

4.3. CỌC CÁT

Một số vấn đề thi công lớp đệm cát

- Đào bỏ hết lớp đất yếu
- Dùng loại cát hạt to, trung, hàm lượng chất bẩn ≤ 3%
- Rải từng lớp dày 20 – 30cm, tưới nước vừa đủ ẩm (Wopt) và
đầm
- Có thể thay cát bằng các loại đất tốt khác: cát pha sét lẫn
sỏi, sỏi đỏ.

Tác dụng
- Làm cho đất nền nén chặt lại nhờ hệ thống các cọc cát
- Tăng sức chịu tải của đất nền
- Giảm biến dạng, đặc biệt là biến dạng không đồng đều
- Tăng khả năng chống trượt đối với công trình chịu tải ngang
Ưu điểm
- Tận dụng được vật liệu địa phương (cát)
- Thiết bị thi công đơn giản
- Thời gian thi công (xử lí nền) nhanh
Nhược điểm
- Sử dụng hiệu quả cho công trình có tải trung bình. Công
trình có tải lớn hoặc vùng đất yếu lớn thì biện pháp này
không khả thi.

7

8

4.3. CỌC CÁT

4.3. CỌC CÁT

Các bước tính toán cọc cát

1. Xác định diện tích cần nén chặt

- Nền sét
Gs
enc =
(W p + 0,5 I p )
100 γ w

Fnc = lnc bnc
lnc = l + 0,4 b
bnc = b + 0,4 b

enc = 0,7 ÷ 0,8, nhưng < 1
e

enc=ep=0,1MP

2. Xác định hệ số rỗng nén chặt sau khi có cọc cát
p=0,1MPa

- Nền cát:
enc = emax – D(emax – emin)
Độ chặt tương đối D = 0,7 ÷ 0,8 khi thi công đóng ống tạo cọc

- Dung trọng sau khi nén chặt

γ nc =

Gs
(1 + 0,01W )

1 + enc
10

9

4.3. CỌC CÁT

4.3. CỌC CÁT

3. Xác định khoảng cách giữa các cọc
• Cọc bố trí theo lưới tam giác

L = 0,952 d

4. Xác định số lượng cọc cần thiết

d

1 + e0
e0 − enc

p

Fc : diện tích tổng các cọc cát, fc : diện tích 1 cọc cát
600

L

nnc =

Fc
fc

Fc =

e0 − enc
Fnc
1+ e0

fc =

Fc e0 − enc
=
Fnc
1 + e0

π d2
4

• Cọc bố trí theo lưới ô vuông
d

L = 0,886 d

1 + e0
e0 − enc
L
11

nc =

e0 − enc Fnc
1+ e0 f c

Thường chọn d = 20 ÷ 60cm, chọn và bố trí cọc nằm
ngoài phạm vi nén chặt.

12


4.3. CỌC CÁT

4.3. CỌC CÁT

5. Xác định chiều dài cọc lc cần thiết

6. Kiểm tra điều kiện ổn định

Chiều dài cọc phải ≥ chiều sâu vùng hoạt động lún (vùng
chịu nén) và phải thỏa mãn khả năng chịu tải của lớp đất yếu.
S = Scc + Sđất ≤ Sgh
σbt1+ σz2 ≤ Rtc(Df + lc) ≈ RII (Df + lc)
Thường chọn lc = Hnén + 0,5m

- Kiểm tra điều kiện ổn định dưới đáy móng
ptc ≤ Rtc(Df) ≈ RII (Df)
ptcmax ≤ 1,2 Rtc(Df) ≈ 1,2 RII (Df)
ptcmin ≥ 0
- Kiểm tra điều kiện ổn định dưới cọc cát
σbt1+ σz2 ≤ Rtc(Df + lc) ≈ RII (Df + lc)

7. Kiểm tra điều kiện biến dạng
S = Scc + Sđất ≤ Sgh

13

14

4.3. CỌC CÁT

4.4. GIA TẢI TRƯỚC

Một số vấn đề thi công cọc cát
- Đóng ống thép xuống nền đất, nhồi cát và đầm chặt, đồng
thời rút ống thép lên; dùng ống thép tự mở đáy.
- Thi công bằng phương pháp chấn động thì sau khi hạ ống
thép tới độ sâu thiết kế, nhồi cát vào, cho máy chấn động
rung khoảng 15-20ph, kế tiếp rút ống lên 0,5m, làm tương
tự.
- Thi công bằng phương pháp nổ mìn.

Tính toán tải trọng gia tải cho phép để đất nền không bị
phá hoại, p ≤ pgh

p gh = R tc = m ( A b γ + B D f γ * + D c)
p gh = RII =

m1m2
( A b γ + B D f γ * + D c)
k tc

Để đơn giản lấy ϕ = 0 => A = 0, B = 1, D = 3,14 = π
Pgh = π c
Chiều cao lớp gia tải là
h = pgh / γ
15

4.4. GIA TẢI TRƯỚC

4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

Tính toán cố kết đất nền

- Thích hợp cho công trình có kích thước bản đáy lớn: móng
băng, băng giao nhau, móng bè, nền đường, đê đập…
- Dùng cho nền: cát nhỏ - bụi bão hòa nước, đất dính bão hòa
nước, bùn, than bùn…
- Ưu điểm:
+ Tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền
+ Tăng khả năng chịu tải của đất nền
+ Nền được lún trước do thoát nước & gia tải
+ Giảm mức độ biến dạng & biến dạng không đồng đều của
đất nền
+ Tăng khả năng chống trượt khi công trình chịu tải ngang
- Nhược điểm:
+ Chỉ sử dụng hiệu quả cho công trình tải trọng trung bình
và chiều dày lớp đất yếu không lớn
+ Thời gian thi công (gia tải) lâu
+ Không hiệu quả cho đất nền có k < 10-8 cm/s

p

Biên thoát nước

Biên thoát nước

z

h

h

2h

dz
1

1

h
Cát thoát nước

Nền đất không thấm

Ut = 1−

8

π2

e

−

π

2

4

Tv

Tv =

Cv
t
h2
Tv =

Cv =

π  Uv 


16

1 + e1 k
k
=
a γ w ao γ w

2



4  100 
Khi Uv ≤ 60%
=>
Khi Uv > 60%=> Tv = 1,781 – 0,933 log(100-Uv)

17

18


4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

Cấu tạo của giếng cát gia tải trước

Gồm 3 bộ phận chính: hệ thống giếng cát, lớp đệm & phụ tải
Phản áp

hđệm = S + (30 ÷ 50) cm, chọn hđệm ≥ 0,5 m
S: độ lún ổn định của nền đất yếu

Lớp đệm

GIA TẢI TRƯỚC

Tính toán giếng cát gia tải trước

1. Chiều dày lớp đệm cát

2. Xác định đường kính d và khoảng cách giữa các giếng L
h=2H

Giếng cát

L=2R

- Thường chọn đường kính giếng cát d = 40 cm
- Khoảng cách các giếng cát L = 2 ÷ 5 m, chọn L = 2 m

z

2R

Hướng
thấm nước

2r

kz
kr
kz
19

4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

Uv,r = 1 – (1 - Ur) (1 – Uv)
kv (1 + e1 )

a γw

Ut ≈ 1−

cr =

Tv =

8

π2

e

−

kr (1 + e1 )
a γw

π2
4

cv t
H2

=> Uv

Tv

(Sơ đồ 0 )

Tr =

cr t
De2

=> Ur
21

4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

Uv,r : độ cố kết tổng hợp
H = lg : chiều dài giếng cát (chiều dày vùng thoát nước)
R = L/2 : bán kính ảnh hưởng
De : khoảng cách qui đổi giữa các giếng cát
De = 1,13 S (sơ đồ hình vuông)
De = 1,05 S (sơ đồ tam giác đều)
S : khoảng cách thực giữa các giếng cát
r : bán kính giếng cát
cv : hệ số cố kết theo phương đứng
cr : hệ số cố kết theo phương bán kính (phương ngang)
a : hệ số nén lún
γw : trọng lượng riêng của nước

22

4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

- Lời giải của Barron (1948)

5. Tính độ lún theo thời gian St:
St = U S∞

 8 Tr 
U r =1 − exp  −

 F ( n) 

- Xem nền không thay đổi:
e1 − e2
h
1+ e1

S∞ =
F (n) =

20

4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

4. Tính toán độ cố kết của nền đất
- Lời giải của Carrilo (1942) cho độ cố kết tổng hợp Uv,r của
thấm đứng Uv và thấm ngang Ur

cv =

3. Xác định chiều sâu giếng cát lg
- Chiều sâu giếng cát lg ≥ Hnén (phạm vi chịu nén)
- σbt1+ σz2 ≤ Rtc(Df + lg) ≈ RII (Df + lg)
- lg ≥ 2/3 Hđy

- Thường chọn lg = chiều sâu vùng đất yếu

n2
3 n 2 −1
Ln(n) −
n −1
4 n2
2

n

S=

∑

ao ∆p h

i =1

n =

R S
≈
r d

S=
23

n

β

i =1

E

∑

∆p h
24


4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

4.5. GIẾNG CÁT GIA TẢI TRƯỚC

Cho đất cố kết thường (OCR = 1)
 p + ∆p i
C h
S = ∑ c i log oi
i =1 1 + e0 i
 poi
n

Một số vấn đề thi công giếng cát
Trình tự thi công gần giống như cọc cát. Với chiều
sâu giếng < 12m, có thể dùng các loại máy đào cần
trục hoặc các loại máy rung có lực kích từ 10-20T,
thực tế hay dùng 14T.





Cho đất cố kết trước nặng (OCR > 1, po + ∆p ≤ pc )
S=

 p + ∆p 
Cs h

log o
1 + eo
 po 

Cho đất cố kết trước nhẹ (OCR > 1, po + ∆p ≥ pc)
S=

 p + ∆p 
Cs h
p
Ch

log c + c log o
1 + eo
p o 1 + eo
 pc 

25

26

4.6. BẤC THẤM

4.6. BẤC THẤM

Lời giải Hansbo (1979) cho bấc thấm, bản nhựa thấm:
 8T 
U r =1 − exp  − r 
 F 
cr =

kr (1 + e1 )
a γw

C t
Tr = r 2
De
Cr =

kh
a0 γ w

De : khoảng cách giữa các thiết bị thoát nước
De = 1,13 S (sơ đồ hình vuông)
De = 1,05 S (sơ đồ tam giác đều)
S : khoảng cách thực giữa các thiết bị thoát nước
F = F(n) + Fs + Fr

 k  
d 

Fs =  h  − 1 Ln  s 
 k s  
 dw 

biểu thị hiệu quả xáo trộn
của đất xung quanh thiết bị
thoát nước

dw =
dw =
27

2(a + b)

π
( a + b)
2

(Hansbo, 1979)
a: bề rộng, b: bề dày thiết bị thoát nước
28

4.7. CỪ TRÀM

ds : đường kính vùng bị xáo trộn kết cấu đất xung quanh thiết
bị thoát nước
kh
qw

biểu thị hiệu quả do khoảng

cách các thiết bị thoát nước

dw : đường kính tương đương của thiết bị thoát nước

4.6. BẤC THẤM

Fr = π Z ( L − Z )

D  3
F (n) = Ln  e  −
 dw  4

biểu thị hiệu quả sức cản thấm
của các thiết bị thoát nước.

Z : khoảng cách từ mặt đất đến chổ kết thúc thoát nước
qw : khả năng thoát nước khi gradient thủy lực bằng 1

29

Chiều dài cừ : lc = 4 ÷ 5 m, đường kính dc = 6 ÷ 10 cm.
Tính toán cừ tràm như cọc tiết diện nhỏ.
1. Chọn lc , dc ; thường chọn lc = 4 ÷ 5 m, dc = 6 ÷ 8 cm.
2. Xác định sức chịu tải của cừ:
- Theo vật liệu:
Pvl = 0,6 fc Rn
fc : diện tích tiết diện ngang 1 cừ
Rn : cường độ chịu nén dọc trục của cừ
- Theo đất nền:
Ap q p

A f
Qa = s s +
FS s
FS p
30


4.7. CỪ TRÀM
Qtc = mR fc Rp + u Σmf fi li
Qa = Qtc /1,4
Qa = km (Rp fc + u Σmf fi li) ; km = 0,7
Hệ số mR , mf lấy như cọc BTCT
ca = 2/3 c ; ϕa = 2/3 ϕ
=> Chọn Pc = min (Qa);
Pc ≈ 0,4 T
N + Qđ
3. Tính số lượng cừ n =
Pc
n Thường chọn mật độ 16 cây/m2, 25 cây/m2,
n0 =
F 36 cây/m2, 49 cây/m2.
4. Các phần còn lại tính tương tự cọc BTCT
* Phần tính lún thì móng khối qui ước chỉ 2/3 lc .

31