Đồ án Đánh giá điều kiện địa chất công trình tuyến đường cao tốc Cầu Giẽ – Ninh Bình đến đê sông Hồng đoạn Km 21+000 đến Km 21+900, thiết kế xử lý nền đoạn đường trên bằng cọc cát

đáy lớp được tính theo công thức (4.12); Trong đó: pgl = Pđ = 1,85´ 4,43 = 8,19 (T/m2) Để đơn giản trong việc tính toán, tải trọng đất đắp tác dụng lên nền đường được quy về tải trọng hình chữ nhật với chiều rộng trung bình. Trong phạm vi chiều sâu lỗ khoan, phân chia nền đất thành các phân lớp nhỏ: Lớp 2: có bề dày 0,7m được chia thành 1 lớp phân tố có bề dày 0,7m; Lớp 3: có bề dày tổng cộng 6,3m, được chia thành 7 lớp phân tố, trong đó có 6 lớp phân tố có bề dày từ 1m và 1 phân tố có bề dày 0,3m; Lớp 4: có bề dày tổng cộng 7m, được chia thành 7 lớp phân tố, mỗi lớp phân tố có bề dày từ 1m. Với lớp bùn sét pha, khối lượng thể tích được lấy để tính toán là khối lượng thể tích tự nhiên của đất, còn lớp cát hạt nhỏ khối lượng thể tích được lấy để tính toán là khối lượng thể tích bão hoà. Việc phân chia lớp và kết quả tính ứng suất được trình bày trong bảng 4.2 Bảng 4.3- Bảng tính ứng suất tại tim dưới nền đất tại mặt cắt km 21+182.50 Lớp Điểm tính Độ sâu (m) y/b z/b Ko sz (T/m2) sbt (T/m2) 2 1 0 0 0 1 8,19 0 2 0,7 0,023 0,996 8,16 1,18 3 3 1 0,033 0,995 8,15 1,68 4 2 0,065 0,989 8,10 3,35 5 3 0,098 0,984 8,06 5,02 6 4 0,131 0,979 8,02 6,69 7 5 0,163 0,974 7,98 8,36 8 6 0,196 0,969 7,94 10,03 9 7 0,228 0,964 7,90 11,70 4 10 8 0,261 0,954 7,81 13,64 11 9 0,294 0,935 7,66 15,58 12 10 0,326 0,917 7,51 17,52 13 11 0,359 0,899 7,36 19,46 14 12 0,392 0,880 7,21 21,40 15 13 0,424 0,863 7,07 23,34 16 14 0,457 0,844 6,91 25,28 17 15 0,489 0,826 6,76 27,22 18 16 0,522 0,807 6,61 29,16 19 17 0,555 0,787 6,45 31,10 20 17,5 0,571 0,777 6,36 32,07 + Từ kết quả tính ứng suất, vẽ được biểu đồ ứng suất dưới tim nền đường tại mặt cắt Km 21+182.50 như sau: Hình 4.7 Biểu đồ phân bố ứng suất dưới tim nền đường tại mặt cắt Km21+182.50 + Xác định chiều dày vùng hoạt động nén ép: Tại độ sâu 17,5m có sz= 6,36 (T/m2); sbt= 32,07 (T/m2) thỏa mãn điều kiện sz < 0,2sbt nên chiều dày vùng hoạt động nén ép là 17,5m. + Tính độ lún cố kết của đất nền: Độ lún của đất nền được tính đến hết vùng hoạt động nén ép; Với: Lớp 1_lớp sét dẻo mềm được tính lún theo công thức (4.10); Lớp 4_lớp cát hạt nhỏ được tính lún theo công thức (4.11); Lớp 3_lớp bùn sét pha với 5 phân tố đầu (sbt sc) được tính lún theo công thức (4.9); 2 phân tố sau (sbt > s c) tính lún theo công thức (4.7). Bảng tính giá trị độ lún cố kết của của đất nền tại mặt cắt như sau: Bảng 4.4 Bảng tính độ lún cố kết tim dưới nền đường tại mặt cắt km 21+182.50 Hi (m) szi T/m2 sbti T/m2 sci T/m2 ao m2/T E0 T/m2 S (m) 0,7 - - 8,18 0,59 - - - 0,0033 - 0,019 0,3 6,5.10-3 0,122 8,16 1,43 8,6 0,779 0,047 - - 0,003 1 6,5.10-3 0,122 8,13 2,52 8,6 0,533 0,093 - - 0,015 1 6,5.10-3 0,122 8,08 4,19 8,6 0,312 0,154 - - 0,021 1 6,5.10-3 0,122 8,04 5,86 8,6 0,167 0,209 - - 0,027 1 6,5.10-3 0,122 8,00 7,53 8,6 0,058 0,257 - - 0,032 1 - 0,122 7,96 9,20 8,6 - 0,300 - - 0,037 1 - 0,122 7,92 10,87 8,6 - 0,339 - - 0,041 1 - - 7,86 12,67 - - - - 1800 0,003 1 - - 7,74 14,61 - - - - 1800 0,003 1 - - 7,59 16,55 - - - - 1800 0,003 1 - - 7,44 18,49 - - - - 1800 0,003 1 - - 7,29 20,43 - - - - 1800 0,003 1 - - 7,14 22,37 - - - - 1800 0,003 1 - - 6,99 24,31 - - - - 1800 0,003 1 - - 6,84 36,25 - - - - 1800 0,003 1 - - 6,69 28,19 - - - - 1800 0,003 1 - - 6,53 30,13 - - - - 1800 0,003 0,5 - - 6,41 31,59 - - - - 1800 0,001 Tổng độ lún cố kết (Sc) tại mặt cắt là 0,226 (m) = 22.6 (cm); Tổng độ lún các phân tố : S = 0,226 (m) = 22,6 (cm). Tổng độ lún cố kết : Sc = 0,8.S = 0,8.22,6 = 18,08 (cm) Tổng độ lún : S = Stt + Sc = 18,08 + 2,4 = 20,08 (cm) Tại mặt cắt km 21+900 Áp lực bản thân của đất tại các điểm đáy lớp được tính như theo công thức (4.11); Ứng suất phụ thêm tại các điểm tại đáy lớp được tính theo công thức (4.12); Trong đó: pgl = Pđ = 1,85´ 4,14 = 7,66 (T/m2) Trong phạm vi chiều sâu lỗ khoan, phân chia nền đất thành các phân lớp nhỏ: Lớp 3: có bề dày tổng cộng 8,5m, được chia thành 9 lớp phân tố, trong đó có 8 lớp phân tố có bề dày 1m và 1 phân tố có bề dày 0,5m; Lớp 4: có bề dày tổng cộng 6,5m, được chia thành 7 lớp phân tố, có 6 phân tố có bề dày 1m và 1 phân tố dày 0,5m; Với lớp bùn sét pha, khối lượng thể tích được lấy để tính toán là khối lượng thể tích tự nhiên của đất, còn lớp cát hạt nhỏ khối lượng thể tích được lấy để tính toán là khối lượng thể tích bão hoà. Việc phân chia lớp và kết quả tính ứng suất được trình bày trong bảng 4.2 Bảng 4.5- Bảng tính ứng suất tại tim dưới nền đất tại mặt cắt km 21+900 Lớp Điểm tính Độ sâu (m) y/b z/b Ko sz (T/m2) sbt (T/m2) 3 1 0 0 0 1 7,66 0 2 1 0,033 0,995 7,62 1,67 3 2 0,066 0,989 7,58 3,34 4 3 0,099 0,984 7,54 5,01 5 4 0,132 0,979 7,50 6,68 6 5 0,166 0,973 7,45 8,35 7 6 0,199 0,968 7,41 10,02 8 7 0,232 0,963 7,38 11,69 9 8 0,265 0,951 7,28 13,36 10 8,5 0,281 0,942 7,18 14,20 4 11 9,5 0,314 0,924 7,08 16,14 12 10,5 0,348 0,905 6,93 18,08 13 11,5 0,381 0,887 6,79 20,02 14 12,5 0,414 0,868 6,65 21,96 15 13,5 0,447 0,850 6,51 23,90 16 14,5 0,480 0,831 6,37 25,84 17 15 0,497 0,822 6,30 26,81 18 16 0,530 0,802 6,14 27,78 19 17 0,563 0,782 5,99 30,69 + Từ kết quả tính ứng suất, vẽ được biểu đồ ứng suất dưới tim nền đường tại mặt cắt Km 21+900 như sau: Hình 4.8 Biểu đồ phân bố ứng suất dưới tim nền đường tại mặt cắt Km21+900 + Xác định chiều dày vùng hoạt động nén ép: Tại độ sâu 17m có sz= 5,99 (T/m2); sbt= 30,69 (T/m2) thỏa mãn điều kiện sz < 0,2sbt nên chiều dày vùng hoạt động nén ép là 17m. + Tính độ lún cố kết của đất nền: Độ lún của đất nền được tính đến hết vùng hoạt động nén ép; Với lớp 1, lớp 4, tính lún theo công thức (4.9); Với lớp 3: - 3 lớp phân tố đầu tiên có sbt sc nên tính lún theo công thức (4.8); - Các lớp phân tố tiếp theo có sbt > sc, tính lún theo công thức (4.7). Bảng tính giá trị độ lún cố kết của của đất nền tại mặt cắt như sau: Bảng 4.6 – Bảng tính độ lún cố kết tim dưới nền đường tại mặt cắt km 62+365 Hi (m) szi sbti sci (T/m2) E0 (T/m2) S(m) 1 0,0065 0,1233 7,64 0,84 8,60 - -0,006 - 0 1 0,0065 0,1233 7,60 2,51 8,60 0,5348 0,0274 - 0,007 1 0,0065 0,1233 7,56 4,18 8,60 0,3133 0,0985 - 0,014 1 0,0065 0,1233 7,52 5,85 8,60 0,1673 0,1596 - 0,021 1 0,0065 0,1233 7,48 7,52 8,60 0,0582 0,2135 0,027 1 - 0,1233 7,43 9,19 8,60 - 0,2611 - 0,032 1 - 0,1233 7,40 10,86 8,60 - 0,3040 - 0,038 1 - 0,1233 7,33 12,53 8,60 - 0,3427 - 0,042 0,5 - 0,1233 7,23 13,78 8,60 - 0,3687 - 0,023 1 - - 7,13 15,17 - - - 1800 0,003 1 - - 7,01 17,11 - - - 1800 0,003 1 - - 6,86 19,05 - - - 1800 0,003 1 - - 6,72 20,99 - - - 1800 0,003 1 - - 6,58 22,93 - - - 1800 0,003 1 - - 6,44 24,87 - - - 1800 0,003 0,5 - - 6,34 26,33 - - - 1800 0,003 1 - - 6,22 27,30 - - - 1800 0,003 1 6,07 29,24 - - - 1800 0,003 Tổng độ lún các phân tố : S = 0,231 (m) = 23,1 (cm). Tổng độ lún cố kết : Sc = 0,8.S = 0,8.23,1 = 18,48 (cm) Tổng độ lún : S = Stt + Sc = 18,48 + 4,5 = 22,98 (cm) 4.2.2.2. Xác định lún theo thời gian Độ lún theo thời gian ở thời điểm t kể từ lúc đắp xong nền đường ký hiệu là St xác định theo công thức sau: St = S.Ut Trong đó: S – tổng độ lún cuối cùng; Ut - độ cố kết đạt được tới thời điểm t, xác định theo công thức sau: Ut = f(T) Ut được lập sẵn thành bảng cho các trường hợp “0”, “1”, “2”, “01” và “02”, trong đó các giá trị Ut được chọn tuỳ theo nhân cố kết N; Cvtb – hệ số cố kết trung bình được tính theo công thức: Cvtb = (4.14) Thời gian ứng với độ lún St được tính như sau: , (4.15) Trong đó : Ha – chiều sâu vùng hoạt động nén ép (hay chiều dày đất yếu); hi – chiều dày mỗi lớp đất tương ứng trong phạm vi vùng ảnh hưởng; Cvi – hệ số cố kết của từng lớp đất; N – nhân cố kết ứng với các sơ đồ phân bố ứng suất, phụ thuộc vào trị số của hàm Ut = f(T); Tại mặt cắt km 21+182.50 Dựa vào cấu trúc đất nền - đất yếu dày 6,3m nằm giữa lớp sét dẻo mềm và lớp cát hạt nhỏ trên lớp sét dẻo cứng coi như cách nước - và biểu đồ phân bố ứng suất (hình 4.4), tại mặt cắt này ta tính toán độ lún theo thời gian theo sơ đồ “0”. Với chiều dài đường thấm h = Ha/2 = 3,15 (m). Với Ha = 6,3m. Hệ số cố kết : Cv1II = 0,89.10-3 cm2/s = 26700 cm2/năm Thời gian lún ổn định của nền đất là: (năm) Với độ cố kết U0 = 90% ta tra bảng quan hệ giữa U và N (Theo sổ tay thiết kế nền móng), ứng với sơ đồ “0”, được: N0 = 2,090 Do đó thời gian để nền đất đạt độ cố kết 90% là: t = 1,51.2,090 = 3,15 (năm). Tại mặt cắt km 21+900: Tại mặt cắt này bên dưới lớp đất yếu là lớp cát hạt nhỏ có hệ số thấm lớn, tốc độ thoát nước nhanh. Do đó có thể coi như lớp này lún cố kết hoàn toàn ngay sau khi chất tải. Việc tính lún theo thời gian lúc này chỉ tính cho lớp bùn sét pha phía trên. Hệ số cố kết : Cv1II = 0,89.10-3 cm2/s = 26700 cm2/năm; Sơ đồ cố kết ứng với trường hợp “0”. Với chiều dài đường thấm h = Ha/2 =20 = 10 (m). Thời gian cố kết: (năm) Với độ cố kết U0 = 90% ta tra bảng ứng với sơ đồ 0 ta được N0 = 2,090. Thời gian để nền đất đạt độ cố kết 90% là t = 15,19.2,090 = 31,75 (năm). Thời gian cố kết như trên là khá lâu, do đó cần phải có biện pháp xử lý nền đường để đảm bảo thời gian thi công công trình. Kết luận: Qua dự báo các vấn đề địa chất công trình của đoạn tuyến đường, nhận thấy: - Khi đắp đường trên nền thiên nhiên của đoạn tuyến, tuy độ lún và thời gian cố kết của lớp đất yếu không lớn nhưng vẫn xảy ra các vấn đề mất ổn định lún trồi và trượt cục bộ. Vì vậy xử lý nền đường trước khi tiến hành đắp cao chính là yêu cầu cấp thiết. PHẦN 2 THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐOẠN TUYẾN TỪ KM21+000 – KM21+900 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỌC CÁT CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT Khái quát về phương pháp Phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát là 1 phương pháp để làm ổn định nền đất yếu bằng cách thi công cọc cát được đầm kỹ với đường kính lớn bằng quá trình lập đi lập lại rút hạ cọc ống thép được rung. Phương pháp nay toạ ra các ống mao dẫn (là cọc cát), làm giảm mực nước ngầm trong đất, làm chặt đất và cải thiện chỉ tiêu cơ lý cuat đất nền. Phương pháp có hiệu quả khi xây dựng các công trình chịu tải trọng lớn trên nên đất yếu có chiều dày lớn. Khi chiều dày đất yếu lớn hơn 2,0m có thể sử dụng cọc cát để nén chặt được. Trong nền đất yếu bão hoà nước, cọc cát làm cho độ rỗng, độ ẩm của đất nền giảm đi, khối lượng thể tích, môđun tổng biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên. Khi đó nền đất được nén chặt lại làm cho sức chịu tải tăng lên, độ lún và biến dạng không đồng đều của đất nền dưới đế móng các công trình giảm đi một cách đáng kể. Khác với các loại cọc cứng khác (cọc bê tông, cọc bêtông cốt thép, cọc gỗ, cọc tre…) là 1 bộ phận của kết cấu móng, làm nhiệm vụ tiếp nhận và truyền tải trọng xuống đất nền, mạng lưới cọc cát còn làm nhiệm vụ gia cố nền đất yếu. Ở nước ta công nghệ cọc cát đã được sử dụng để xây dựng 1 số công trình tại thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, HảI Phòng… Và trong tương lai do yêu cầu về xây dựng cơ bản, số lượng công trình xây dựng trên đất yếu càng ngày càng nhiều nên phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát cho các lớp đất yếu có chiều dày lớn sẽ được ứng dụng rộng rãi. 1.2 Ưu nhược điểm của phương pháp Phương pháp thi công cọc cát được sử dụng rộng rãi bởi một số ưu điểm sau: - Khi dùng cọc cát, trị số môđun biến dạng ở trong cọc cát cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm. Vì vậy, sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên. Tính chất này hoàn toàn không thể có được khi dùng các loại cọc cứng. - Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng. Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công. Do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định. Bởi vì lúc này cọc cát làm việc như các giếng thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát nước ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài. Điều này không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cho cọc cứng. Cát dùng trong cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với gỗ, thép, bê tông cốt thép dùng trong cọc cứng và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực. Không những thế, quá trình thi công cọc cat tương đối đơn giản, không đòi hỏi những thiết bọ phức tạp. Do những ưu điểm kể trên, nên giá thành xây dựng khi dùng cọc cát thường rẻ hơn so với một số phương án khác như cọc gỗ, cọc thép và cọc bê tông cốt thép. Theo kinh nghiệm nước ngoài, so với thi công cọc bê tông cốt thép thì giá thành rẻ hơn 2 lần. Ở nước ta, theo kinh nghiệm của bộ xây dựng, giá thành giảm khoảng 45% so với dùng cọc bê tông cốt thép và giảm khoảng 20 % so với dùng lớp đệm cát. Tuy nhiên, kỹ thuật thi công cọc cát khá phức tạp, đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dụng và phải xét đến ảnh hưởng xấu tới các công trình lân cận. 1.3. Trình tự tính toán và thiết kế cọc cát Khi áp dụng phương pháp cọc cát nhất thiết phải thiết kế tầng cát đệm nhằm tạo đường thoát nước từ dưới lên. Theo tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 chiều dày tầng đệm cát ít nhất phải bằng độ lún tổng cộng cộng thêm 0,2m – 0,3m nhưng không được nhỏ hơn 50cm. Độ chặt đầm nén của tầng cát đệm chỉ cần đạt 0,9 độ chặt đầm nén tiêu chuẩn để phục vụ xe máy thi công. Cất dùng làm tầng cát đệm phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Tỷ lệ hữu cơ < 5%; - Cỡ hạt lớn hơn 0,25mm chiếm trên 50%; - Cỡ hạt nhỏ hơn 0,08mm chiếm ít hơn 5%. Và thoả mãn một trong hai điều kiện sau: Hoặc 1 < <3 Trong đó: D10, D30, D60 là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ hạt nhỏ hơn nó chiếm 10%, 30%, 60%. Bề rộng mặt tầng cát đệm phải rộng hơn đáy nền đắp mỗi bên tối thiểu là 0,5 – 1,0m, mái dốc và phần mở rộng hai bên của tầng cát đệm phải cấu tạo tầng lọc ngược để nước cố kết thoát ra không lôi theo cát, nhất là khi lún chìm vào đất yếu nước cố kết vẫn có thể thoát ra và khi cần thiết dùng bơm hút nước sẽ không gây phá hoại tầng cát đệm. Tầng lọc ngược có thể được cấu tạo theo cách thông thường bằng cách xếp đá dày 20 – 25 cm hoặc bằng vải địa kỹ thuật. Trường hợp dùng vải địa kỹ thuật thì nên rải vải trên đất yếu, sau đó đắp tầng cát đệm, rồi lật vải bọc cả mái dốc và phần mở rộng của nó để làm chức năng lọc ngược. Lớp vải làm chức năng lọc ngược này phải chờm vào phạm vi đáy nền ít nhất là 2m. Nước cố kết từ tầng cát đệm qua tầng lọc ngược thoát ra cần phải được thoát nhanh khỏi phạm vi lân cận nền đường. Cần thiết kế sẵn các đường thoát nước và khi cần thiết có thể bố trí bơm hút tháo nước (đặc biệt là khi tầng đệm cát đã lún hết vào trong đất yếu). Việc tính toán và thiết kế xử ký nền đất yếu bằng cọc cát bao gồm: 1.3.1. Xác định hệ số rỗng enc của nền đất sau khi được nén chặt bằng cọc cát Khi dùng cọc cát, nền đất sẽ được nén chặt lại. Tuy nhiên đất không thể nén chặt đến độ chặt tuỳ ý. Hệ số rỗng nén chặt (enc) được tính toán tuỳ từng loại đất yếu xử lý. Đối với nền đất cát: enc = emax – D.(emax – emin) (1-1) Trong đó: D: độ chặt tương đối của cát, lấy D = 0,7 – 0,8; emax và emin- hệ số rỗng của cát ở trạng thái rời nhất và chặt nhất, xác định bằng thí nghiệm. Đối với đất loại sét, trị số enc được lấy tương ứng với trị số ep khi p=1,0 kG/cm2 dựa vào kết quả thí nghiệm nén mẫu đất lấy ở trạng thái thiên nhiên (dựa vào biểu đồ đường cong nén lún e = f(P) (quan hệ giữa hệ số rỗng e và áp lực tác dụng lên mẫu đất p). Hình 1.1. Biểu đồ đường cong nén lún e = f(P) Đồng thời, trị số enc còn có thể xác định gần đúng dựa vào tính chất cơ lý của đất theo công thức sau đây: enc = (1-2) Trong đó: D - khối lượng riêng của đất (g/cm3); gn – khối lượng thể tích của nước (g/cm3); Wp - độ ẩm ở giới hạn dẻo (%); Ip – chỉ số dẻo (%). Cần chú ý rằng, sau khi dùng cọc cát, nếu nền đất không có thể nén chặt đến giới hạn độ chặt cần thiết theo tính toán bằng các công thức ở trên thì lúc đó việc áp dụng cọc cát sẽ không hợp lý. Trong phần lớn trường hợp, nền đất thiên nhiên đều có cường độ nhất định mặc dù giá trị của nó có thể rất nhỏ. Trong quá trình thi công cọc cát, do ảnh hưởng chấn động trong quá trình hạ ống thép trong đất, có thể làm cho cường độ của đất nền giảm đi (do hậu quả lực dính giữa các hạt giảm đi). Sau khi thi công xong, nền đất có cọc cát được nén chặt lại, độ rỗng của đất giảm đi và cường độ đất tăng lên. Hiện tượng trên có liên quan đến việc chọn hệ số enc. Nếu việc chọn hệ số enc không đúng, có thể dẫn đến hậu quả làm cho nền đất có biến dạng lớn và việc ứng dụng cọc cát sẽ không có hiệu quả. 1.3.2. Xác định diện tích nền được nén chặt. Diện tích nền được nén chặt thường lấy lớn hơn diện tích đế móng để đảm bảo nền đất được ổn định dưới tác dụng của tải trọng công trình. Chiều rộng mặt bằng của nền nén chặt thường lấy lớn hơn chiều rộng móng 0,2 lần. Diện tích nén chặt Fnc được tính như: Fnc = 1,4b (a+ 0,4b); (1-3) Trong đó: b: chiều rộng đế móng (m); a: chiều dài đế móng (m); Tỷ lệ diện tích tiết diện các cọc cát Fc đối với diện tích nền được nén chặt Fnc được xác định như sau: ; (1-4) Trong đó: eo – hệ số rỗng của đất thiên nhiên trước khi nén chặt bằng cọc cát. 1.3.3. Chiều sâu xử lý cọc cát Chiều sâu xử lý cũng chính là chiều dài cọc cát, phụ thuộc vào cấu trúc nền và tảI trọng công trình. Chiều sâu xử lý không nhất thiết phải bố trí đến hết phạm vi chịu ảnh hưởng của tải trọng đắp mà chỉ cần bố trí đến hết độ sau của các lớp đất yếu trong trường hợp bề dày đất yếu không lớn. 1.3.4. Xác định số lượng cọc cát, số lượng hàng Số lượng cọc cát được tính theo công thức sau: ; (1-5) Trong đó: n : Số lượng cọc cát; ac : Tỉ diện tích các cọc cát với diện tích nền được nén chặt; Fnc : Diện tích nền được nén chặt (m2); ƒC = (1.6) Với d là đường kính cọc cát. Số lượng hàng cọc được tính theo công thức: nhc = (1.7) Trong đó : axl : Chiều dài đường cần xử lý (m); Lhc : Khoảng cách giữa các hàng cọc (m). 1.3.5. Lựa chọn đường kính cọc cát Đường kính cọc cát được xác định phụ thuộc vào chiều sâu xử lý và quy mô tải trọng công trình. Chiều sâu gia cố lớn thì đường kính cọc gia cố cần tăng lên để cọc không quá mảnh và giảm khoảng cách giữa các cọc. Ngoài ra, lựa chọn đường kính cọc còn phụ thuộc vào khả năng của thiết bị chế tạo cọc gia cố. Năng lực thiết bị phù hợp, thi công nhanh, đạt yêu cầu kỹ thuật, kinh tế. Thông thường, đường kính cọc dao động từ 200 đến 430mm, phụ thuộc vào năng lực thiết bị và chiều sâu gia cố. 1.3.6. Lựa chọn mạng lưới bố trí cọc cát Cách bố trí ưu việt nhất của cọc cát theo đỉnh lưới của hình tam giác đều, làm như vậy đảm bảo đất được làm chặt trong khoảng cách giữa các cọc một cách đồng đều nhất. Khoảng cách giữa các cọc có thể xác định bằng tính toán và dựa vào giả thiết: - Độ ẩm của đất trong quá trình nén chặt là không đổi; - Đất được nén chặt đều trong khoảng cách các cọc cát; - Thể tích của đất nén chặt giới hạn trên bề mặt tam giác đều ABC (hình 1.3) giữa các trục của cọc cát, sau khi nén chặt sẽ giảm một thể tích bằng nửa thể tích cọc cát; Hình 1.2. Lưới tam giác đều - Thể tích của các hạt đất trước và sau khi nén chặt xem như không đổi, nếu bỏ qua tính nén bản thân giữa các hạt. Dựa vào những giả thiết đã trình bày, khoảng cách giữa các cọc được tính: L = 0,952d (1.8) Trong đó : L- khoảng cách giữa các cọc cát (m); dc- đường kính cọc cát (m). Khoảng cách giữa các hàng cọc Lhc (m): Lhc = (1.9) 1.3.7. Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát Thông thường, sức chịu tải tính toán của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát có thể lấy lớn hơn từ hai đến ba lần sức chịu tải của nền đất thiên nhiên khi chưa gia cố. Đối với nền đất sét hoặc đất bùn, theo kết quả thực nghiệm, sau khi nén chặt bằng cọc cát, sức chịu tải tính toán của nền đất có thể lấy trong phạm vi 2 ¸ 3 kG/cm2. Có thể kiểm nghiệm lại sức chịu tải của đất nền sau khi nén chặt, có thể dùng công thức: (1-10) Trong đó: a : Hệ số không thứ nguyên, có thể lấy bằng 0,87 đối với móng hình vuông và 0,66 đối với móng băng; Rtc : Sức chịu tải quy ước nền đất khi chưa có cọc cát : Hệ số độ lún của lớp đất thiên nhiên, phụ thuộc vào khối lượng thể tích trung bình của đất, có thể tra bảng 1.1. Bảng1.1: Hệ số g (t/m3) 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 (m4/t3) 10 6,7 4,5 3 2 1,4 0,9 0,6 0,4 0,3 0,2 Đánh giá độ bền nền đất sau gia cố có thể tiến hành bằng các thí nghiệm nén tĩnh bằng bàn nén, xuyên tĩnh, xuyên tiêu chuẩn, cắt cánh. 1.3.8. Kiểm nghiệm độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát Trị số độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát có thể tính toán theo công thức sau đây: (1-11) Trong đó: j – số lớp đất nằm trong chiều sâu chịu nén của nền đất; Pi – ứng suất trung bình phụ thêm của lớp thứ i do tải trọng của công trình truyền xuống; hi – chiều dày của lớp đất thứ i nằm trong vùng chịu nén của nền đất; - hệ số không thứ nguyên để hiệu chỉnh cho sơ đồ tính toán đã đơn giản hoá, lấy bằng 0,8 cho tất cả các loại đất; E0i – môđun biến dạng của lớp đất thứ i, có thể dùng các trị số ghi trong bảng ( TCXD 45-78), hoặc xác định dựa vào kết quả thí nghiệm tải trọng tĩnh ở hiện trường. CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐOẠN TUYẾN TỪ KM0+000-KM3+000 BẰNG CỌC CÁT Đoạn tuyến trên bao gồm các phân đoạn sau: + Phân đoạn từ Km0+000 đến Km0+750, đặc trưng cho phân đoạn này là mặt cắt 2, có tổng bề dày các lớp đất yếu là 2,3m và chiều dài phân đoạn này là 750m. + Phân đoạn từ Km0+750 đến Km2+300, đặc trưng cho phân đoạn này là mặt cắt 1, có tổng bề dày các lớp đất yếu là 7,3m và chiều dài phân đoạn này là 1550m. + Phân đoạn từ Km2+300 đến Km3+000, đặc trưng cho phân đoạn này là mặt cắt 3, có tổng bề dày các lớp đất yếu là 1,8m và chiều dài phân đoạn này là 700m. Do cấu trúc địa chất, chiều cao đắp của từng phân đoạn khác nhau, nên thiết kế xử lý nền đất bằng cọc cát cho từng phân đoạn cũng khác nhau. Dưới đây là quá trình thiết kế xử lý cọc cát cho từng phân đoạn: 2.1. Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km0+750 đến Km2+300 2.1.1. Tính toán diện tích cần xử lý Theo kết quả kiểm toán, do đường mất ổn định trượt cục bộ, nền phải xử lý bằng phương pháp đắp thêm bệ phản áp. Đồng thời cũng làm đường cho các phương tiện thô sơ và người đi bộ ở hai bên đường. Theo toán đồ của Pilot và Moreau: + Chiều rộng của bệ phản áp bằng 2/3 chiều dày lớp đất yếu: Bp= 5m. + Chiều cao của bệ phản áp bằng 40¸50% chiều cao nền đường Hd: Hp= 2m. Vì vậy cần phải xử lý cả nền đất của bệ phản áp. Tổng chiều rộng của nền phải xử lý trung bình là b = 4x1,5x2 + 40 + 5x2 = 62m. Chiều dài của đoạn tuyến từ Km0+750-Km2+300 cần xử lý là a= 1550m. Vậy, diện tích cần xử lý bằng cọc cát lấy bằng diện tích của nền đường bao gồm cả nền đất của bệ phản áp. S = 1550x62 = 96100 (m2) 2.1.2. Tính toán chiều sâu xử lý Chiều sâu xử lý cũng chính là chiều dài cọc, phụ thuộc vào cấu trúc nền đất yếu và chiều sâu vùng hoạt động nén ép của công trình. Như đã đánh giá ở chương dự báo các vấn đề địa chất công trình, chiều sâu vùng hoạt động nén ép là 29,8m lớn hơn chiều sâu của lớp đất yếu nên ta lấy chiều sâu xử lý bằng chiều sâu của lớp đất yếu. Bao gồm: + Lớp 3: Sét màu xám vàng, xám xanh, trạng thái dẻo mềm; bề dày 1,5m; + Lớp 4: Bùn sét lẫn hữu cơ, màu xám ghi, xám đen; bề dày 1,4m; + Lớp 5: Bùn sét pha màu xám nâu, xám tro, xám đen; bề dày 5,9m. Như vậy, chiều sâu lớp đất yếu là 8,8m, chọn chiều sâu gia cố qua toàn bộ lớp đất yếu phía trên, vào tới lớp 6 - Cát hạt nhỏ, màu xám ghi, xám đen, kết cấu xốp, nên chọn chiều dài cọc cát là 10m. 2.1.3. Tính toán đường kính và khoảng cách giữa các cọc Đường kính cọc được xác định phụ thuộc vào chiều sâu cần xử lý và quy mô tải trọng công trình. Chiều sâu gia cố lớn thì đường kính cọc gia cố cần tăng lên để cọc không quá mảnh, đảm bảo cọc ổn định trong nền đất. Ngoài ra, lựa chọn đường kính cọc còn phụ thuộc vào khả năng của thiết bị chế tạo cọc gia cố, phù hợp với năng lực thiết bị, đảm bảo thi công nhanh, đạt yêu cầu kỹ thuật, kinh tế. Thông thường, đường kính của cọc dao động từ 200 đến 400mm. Cụ thể tại đoạn tuyến này lấy đường kính của cọc cát f = 400mm. Thông số tính toán của các lớp thể hiện trong bảng II-1. Bảng II-1: Các thông số tính toán của từng lớp Thông số Lớp D gn Ip Wp eo g/cm3 g/cm3 % % - Lớp 3 2,71 1,00 18,6 26,1 0,997 Lớp 4 2,62 1,00 19,4 40,7 1,991 Lớp 5 2,66 1,00 14,6 33,0 1,472 Chọn: e0 = 1,991 ( hệ số rỗng của lớp 4 - bùn sét lẫn hữu cơ - lớp đất yếu nhất) Xác định enc theo công thức (1-2): enc = == 1,320 Khoảng cách giữa các cọc được xác định tuỳ thuộc vào mạng lưới bố trí cọc. Ở đây, tôi bố trí cọc theo mạng lưới tam giác đều. Vì vậy, khoảng cách của các cọc được tính theo công thức (1-7): L = = 0,804 (m) 2.1.4. Tính toán số lượng cọc Chiều dài của đoạn cần xử lý là 1550m; Diện tích Fnc của nền được nén chặt: Fnc = 1,4b (a+ 0,4b) Với a= 1550m, b= 62m => Fnc = 1,4. 62 (1550+ 0,4.62) = 136692 (m2) Tỷ lệ diện tích tiết diện các cọc cát Fc đối với diện tích đất nền được nén chặt Fnc xác định theo công thức (1-4): = = 0,224 Số lượng cọc được xác định theo công thức (1-5): = = 243658 (cọc) Hình 2.1. Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km0+750 –Km2+300 Tổng số cọc cần dùng để xử lý cho đoạn tuyến từ Km0+750-Km2+300 là 243658 (cọc). Độ dài trung bình mỗi cọc là 10m, nên tổng số mét dài cọc là: 243658x10 = 2436580 (m) 2.2. Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km2+300 đến Km3+000 2.2.1. Tính toán diện tích cần xử lý Theo toán đồ của Pilot và Moreau: + Chiều rộng của bệ phản áp bằng 2/3 chiều dày lớp đất yếu: Bp= 1,2m. + Chiều cao của bệ phản áp bằng 40¸50% chiều cao nền đường Hd: Hp= 2,5m. Vì vậy cần phải xử lý cả nền đất của bệ phản áp. Tổng chiều rộng của nền phải xử lý trung bình là b = 4,32x1,5x2 + 40 + 1,2x2 = 55,4m. Chiều dài của đoạn tuyến từ Km2+300-Km3+000 cần xử lý là a= 700m. Vậy, diện tích cần xử lý bằng cọc cát lấy bằng diện tích của nền đường bao gồm cả nền đất của bệ phản áp. S = 700.55,4 = 38780 (m2) 2.2.2. Tính toán chiều sâu xử lý Chiều sâu xử lý cũng chính là chiều dài cọc, phụ thuộc vào cấu trúc nền đất yếu và chiều sâu vùng hoạt động nén ép của công trình. Như đã đánh giá ở chương dự báo các vấn đề địa chất công trình, chiều sâu vùng hoạt động nén ép là 28,8m lớn hơn chiều sâu của lớp đất yếu nên ta lấy chiều sâu xử lý bằng chiều sâu của lớp đất yếu. Bao gồm: + Lớp 3: Sét màu xám vàng, xám xanh, trạng thái dẻo mềm; bề dày 1,1m; + Lớp 4: Bùn sét lẫn hữu cơ, màu xám ghi, xám đen; bề dày 1,8m; Như vậy, chiều sâu lớp đất yếu là 2,9m, chọn chiều sâu gia cố qua toàn bộ lớp đất yếu phía trên, vào tới lớp 6 - Cát hạt nhỏ, màu xám ghi, xám đen, kết cấu xốp, nên chọn chiều dài cọc cát là 4m. 2.2.3. Tính toán đường kính và khoảng cách giữa các cọc Tương tự phân tuyến trên, chọn đường kính của cọc cát f = 400mm. Chọn: e0 = 1,991 ( hệ số rỗng của lớp 4 - bùn sét lẫn hữu cơ - lớp đất yếu nhất) Xác định enc theo công thức (1-2): enc = == 1,320 Khoảng cách giữa các cọc được xác định tuỳ thuộc vào mạng lưới bố trí cọc. Ở đây, tôi bố trí cọc theo mạng lưới tam giác đều. Vì vậy, khoảng cách của các cọc được tính theo công thức (1-7): L = = 0,804 (m) 2.2.4. Tính toán số lượng cọc Chiều dài của đoạn cần xử lý là 700m; Diện tích Fnc của nền được nén chặt: Fnc = 1,4b (a+ 0,4b) Với a = 700m, b = 55,4m => Fnc = 1,4. 55,4 (700+ 0,4.55,4)= 56011 (m2) Tỷ lệ diện tích tiết diện các cọc cát Fc đối với diện tích đất nền được nén chặt Fnc xác định theo công thức (1-4): = = 0,224 Số lượng cọc được xác đinh theo công thức (1-5): = = 99842 (cọc) Hình 2.2. Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km2+300-Km3+000 Tổng số cọc cần dùng để xử lý cho đoạn tuyến từ Km2+300-Km3+000 là 99842 (cọc). Độ dài trung bình mỗi cọc là 4m, nên tổng số mét dài cọc là: 99842x4 = 399368 (m) 2.3. Thiết kế khối lượng cần xử lý phân đoạn từ Km0+000 đến Km0+750 2.3.1. Tính toán diện tích cần xử lý Theo toán đồ của Pilot và Moreau: + Chiều rộng của bệ phản áp bằng 2/3 chiều dày lớp đất yếu: Bp= 1,5m. + Chiều cao của bệ phản áp bằng 40¸50% chiều cao nền đường Hd: Hp= 2,5m. Vì vậy cần phải xử lý cả nền đất của bệ phản áp. Tổng chiều rộng của nền phải xử lý trung bình là b = 3,23x1,5x2 + 40 + 1,5x2 = 53m. Chiều dài của đoạn tuyến từ Km0+000-Km0+750 cần xử lý là a = 750m. Vậy, diện tích cần xử lý bằng cọc cát lấy bằng diện tích của nền đường bao gồm cả nền đất của bệ phản áp. S = 750x53 = 39750 (m2) 2.3.2. Tính toán chiều sâu xử lý Chiều sâu xử lý cũng chính là chiều dài cọc, phụ thuộc vào cấu trúc nền đất yếu và chiều sâu vùng hoạt động nén ép của công trình. Như đã đánh giá ở chương dự báo các vấn đề địa chất công trình, chiều sâu vùng hoạt động nén ép là 24,8m lớn hơn chiều sâu của lớp đất yếu nên ta lấy chiều sâu xử lý bằng chiều sâu của lớp đất yếu. Bao gồm: + Lớp 3: Sét màu xám vàng, xám xanh, trạng thái dẻo mềm; bề dày 1,7m; + Lớp 4: Bùn sét lẫn hữu cơ, màu xám ghi, xám đen; bề dày 1,1m; + Lớp 5: Bùn sét pha màu xám nâu, xám tro, xám đen; bề dày 1,2m; Như vậy, chiều sâu lớp đất yếu là 4m, chọn chiều sâu gia cố qua toàn bộ lớp đất yếu phía trên, vào tới lớp 7 - Cát hạt trung màu nâu vàng, trạng thái xốp, nên chọn chiều dài cọc cát là 5m. 2.3.3. Tính toán đường kính và khoảng cách giữa các cọc Tương tự phân tuyến trên, chọn đường kính của cọc cát f = 400mm. Chọn: e0 = 1,991 ( hệ số rỗng của lớp 4 - bùn sét lẫn hữu cơ - lớp đất yếu nhất) Xác định enc theo công thức (1-2): enc = == 1,320 Khoảng cách giữa các cọc được xác định tuỳ thuộc vào mạng lưới bố trí cọc. Ở đây, tôi bố trí cọc theo mạng lưới tam giác đều. Vì vậy, khoảng cách của các cọc được tính theo công thức (1-7): L = = 0,804 (m) 2.3.4. Tính toán số lượng cọc Chiều dài của đoạn cần xử lý là 750m; Diện tích Fnc của nền được nén chặt: Fnc = 1,4b (a+ 0,4b) Với a= 750m, b= 53m => Fnc = 1,4. 53 (750+ 0,4.53)= 57223 (m2) Tỷ lệ diện tích tiết diện các cọc cát Fc đối với diện tích đất nền được nén chặt Fnc xác định theo công thức (1-4): = = 0,224 Số lượng cọc được xác đinh theo công thức (1-5): = = 102002 (cọc) Hình 2.3. Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km0+000 – Km0+750 Tổng số cọc cần dùng để xử lý cho đoạn tuyến từ Km0+000-Km0+750 là 102002 (cọc). Độ dài trung bình mỗi cọc là 5m, nên tổng số mét dài cọc là: 102002x5 =510010 (m) 2.4. Công tác trắc địa + Mục đích Định vị trí các cọc cát từ bình đồ ra thực tế. Định vị trí điểm khoan, xuyên, nén tĩnh, thí nghiệm cắt cánh kiểm tra chất lượng nền từ bình đồ ra thực tế + Khối lượng và phương pháp tiến hành Xác định vị trí các cọc cát ra thực tế. Yêu cầu định vị các đường trục chính của đoạn tuyến, sau đó có thể dùng thước để xác định vị trí cọc cát. Với các điểm kiểm tra, xác định trên vị trí các cọc cát đã thi công 2.5. Tổ chức thi công 2.5.1. Công tác chuẩn bị vật liệu Cát dùng để thi công cọc cát và lớp đệm cát thoát nước ngang phải là cát hạt thô hoặc cát hạt trung, đạt được các yêu cầu sau: - Tỷ lệ cỡ hạt > 0,5mm phải chiếm trên 50%; - Tỷ lệ cỡ hạt < 0,14mm không quá 10%; - Hệ số thấm của cát không nhỏ hơn 10-4m/s; - Hàm lượng hữu cơ không quá 5%; - Và cần phải thoả mãn một trong hai điều kiện sau: ; Trong đó: D60, D30, D10, - Là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ hạt nhỏ hơn nó chiếm 60%, 30%, 10%. Trước khi thi công cần giải phóng mặt bằng, giúp thi công thuận lợi nhất. Dựa vào: cấu trúc nền, điều kiện địa chất thuỷ văn, mối quan hệ giữa công trình xây dựng với các công trình lân cận, tôi chọn phương pháp thi công cọc cát bằng búa rung, chọn loại máy rung có tần số cao, do công trường thi công cách xa khu dân cư, chọn máy BB -2M, hiện có ở các xí nghiệp thi công cơ giới. Nhân lực làm việc bình thường và đảm bảo an toàn lao động. Trong quá trình thi công, phải đảm bảo nền đường thoát nước dễ dàng trong thời gian thi công. 2.5.2. Quy trình công nghệ thi công 2.5.2.1. Thi công lớp đệm cát thoát nước ngang Cần phải thi công tầng đệm cát trước khi cho thi công cọc cát. Tầng đệm cát này yêu cầu làm bằng cát hạt thô hoặc cát hạt trung, có chiều dày ít nhất phải bằng độ lún tổng cộng, nhưng không được nhỏ hơn 50cm, thường chọn chiều dày từ 1,0¸1,5m. Ở đây, tôi chọn chiều dày lớp đệm cát là 1,0m, bề rộng mặt tầng cát đệm phải rộng hơn đáy nền đắp mỗi bên là 0,5m. Việc thi công tầng đệm cát phải tuân theo các quy định và quy trình đắp nền (mỗi lớp thường từ 10¸30cm). Phần mở rộng hai bên của tầng cát đệm phải cấu tạo tầng lọc ngược để nước cố kết thoát ra không lôi theo cát. Tầng lọc ngược có là vải địa kỹ thuật, nên dải trên đất yếu, sau đó đắp tầng cát đệm, rồi lật vải bọc cả mái dốc và phần mở rộng của nó để làm chức năng lọc ngược. Lớp vải làm chức năng lọc ngược này phải chờm vào phạm vi đáy nền ít nhất 2m. Độ chặt phải đảm bảo yêu cầu có hệ số thấm đầm chặt k=0,95. Khối lượng cát dùng để thi công lớp đệm cát dày 1,0m là: V= S.H Trong đó: V- Khối lượng cát; S - Diện tích cần đệm cát; H - Chiều cao lớp đệm cát. Vdc = (63x1550 + 54x750 + 56,4x700)x1,0 = 177630 (m3) Khối lượng vải địa kỹ thuật dùng làm tầng lọc ngược là: Vvai = 177630 + 4(750+700+1550) = 189630 (m2) 2.5.2.2. Thi công cọc cát Thi công cọc cát bằng búa rung tạo chấn động thì sau khi hạ ống thép tới độ sâu thiết kế, người ta nhấc máy chấn động ra, nhồi cát vào và đổ cao chừng 1m, sau đó đặt máy chấn động vào rung trong khoảng 15 – 20 giây để đầu nhọn của ống mở ra, cát tụt xuống. Sau đó rút ống lên dần dần với tốc độ đều, vừa rút ống vừa rung và khi nào ống chỉ còn lại trong đất khoảng chừng 0,5 – 0,8m, lúc đó mới bỏ máy chấn động ra. Hình 2.4. Hình ảnh thi công cọc cát Trước khi thi công chính thức, đơn vị thi công phải tổ chức thi công thí điểm trên một diện tích, đủ để máy di chuyển 2¸3 lần khi thực hiện các thao tác ép cọc cát. Việc thi công thí điểm cũng cần phải tuân thủ đúng quy trình công nghệ như bản thiết kế thi công đại trà. Việc thi công phải có sự chứng kiến của tư vấn giám sát. Kiểm tra mỗi thao tác thi công và mức độ chính xác của việc ép cọc cát (độ thẳng đứng, đúng vị trí và đảm bảo độ sâu thiết kế). Thể tích cát phải dùng cho một mét dài cọc là: Vc= Sc.H Vc= (3,14.0,22).1 = 0,126 (m3) + Trình tự thi công thí điểm: - Chuẩn bị sẵn vật liệu cát làm cọc như thiết kế; - Xác định vị trí cọc gia cố; - Chuẩn bị mặt bằng thi công: phải xác định rõ tim mốc, cao độ và kích thước khu vực hạ cọc, đường biên với công trình lân cận phải san ủi mặt bằng. Nếu nền đất có Rtc > 0,7 kG/cm2 mới đưa máy vào, nếu yếu phải đổ lớp cát dày đủ ổn định cho máy. - Đưa máy đóng ống thép đến vị trí thi công cọc, tiến hành đóng ống thép đến chiều sâu thiết kế, đổ cát vào, sau đó rút ống thép lên các lá chắn mở ra, đồng thời dùng máy chấn động vào rung chặt cát xuống. 2.6. Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi gia cố Dựa vào hệ số rỗng enc = 1,32 , theo (TCXD 45-78) ta có các thông số tính toán của nền đất sau khi được gia cố là: + Ctt = 2,2 T/m2 = 0,22 kG/cm2 ; + jtt = 130 , tra bảng được: A = 0,245; B = 2,055; C = 4,555; + g = g/cm3 = 0,0019 kG/cm3. Sức chịu tải quy ước của đất nền (lớp 4 – lớp đất yếu nhất trong cấu trúc đất nền) sau khi gia cố theo công thức (1-12): Rgc = 1.(0,245.100+2,055.100)0,0019 + 0,22.4,555 = 1,44 kG/cm2 Như vậy, sau khi gia cố bằng cọc cát, sức chịu tải của lớp 4 lớn hơn gấp ba lần sức chịu tải của lớp 4 trước khi gia cố (R = 0,55 kG/cm2). 2.7. Kiểm nghiệm độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát Theo kết quả kiểm toán, chỉ có mặt cắt tại Km1+200 có độ lún của nền đất trước khi gia cố chưa đạt yêu cầu. Vì vậy, sau khi gia cố bằng cọc cát, chỉ cần kiểm nghiệm độ lún của nền đất tại Km1+200. Trị số độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát tính toán theo công thức (1-13) như sau: Bảng II-2:Bảng tính lún cho các lớp Tên Lớp Phân lớp hi (m) zi (m) zi/b k0i Pi =szi (T/m2) gWi (T/m3) sbti (T/m2) b Eo (T/m2) Si (m) Lớp4 1 1,4 0,7 0,013 0,998 11,73 1,9 1,33 0,8 700 0,0188 Lớp5 2 5,9 4,35 0,084 0,987 11,6 1,94 8,383 0,8 750 0,0730 Lớp6 3 10 12,8 0,246 0,961 11,29 1,95 23,856 0,8 1500 0,0600 4 15 25,3 0,486 0,828 9,73 1,95 48,23 0,8 1500 0,0778 S 0,229 (Chú ý: giá trị g, Eo của các lớp đất nền được xác định theo TCXD 45 -78 dựa vào enc của từng lớp) Như vậy, chiều sâu vùng hoạt động nén ép Hc = 25,3m, vì tại độ sâu này sgl = 0,2sbt. Độ lún cuối cùng: S= 0,229 (m)= 22,8 (m); Độ lún cố kết: Sc = 22,8x0,8 = 18,4 cm. Độ lún của nền đất sau khi gia cố bằng cọc cát (Sc = 18,4 cm), giảm đi rất nhiều so với độ lún của nền đất khi chưa gia cố. Theo tiêu chuẩn 22 TCN-262-2000 của Bộ Giao thông Vận tải, phần độ lún cố kết cho phép còn lại sau khi hoàn thành công trình, với đường cấp II đồng bằng là DS £ 30 cm (đoạn đắp thông thường). Như vậy, độ lún của nền đất sau khi xử lý là chấp nhận được 2.8. Kiểm tra chất lượng của nền đất sau gia cố Công tác kiểm nền đất sau khi gia cố cọc cát nhằm đánh giá hiệu quả của công tác gia cố. Thông thường, sau khi gia cố nền đất ở phạm vi nhỏ thuộc công trình, công tác kiểm tra nền đất sau khi gia cố được tiến hành để có cơ sở thiết kế, đảm bảo công tác gia cố đạt hiệu quả cao nhất trước khi thi công đại trà. Công tác kiểm tra nền đất sau gia cố chủ yếu về độ bền và biến dạng của nền đất. Ngoài ra, cũng lấy mẫu để so sánh một số chỉ tiêu cơ lý của đất trước và sau khi gia cố. Với nền đất yếu, công tác khoan lấy mẫu và thí nghiệm trong phòng là một việc khó khăn, các mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm nhiều khi không thể phản ánh đúng những điều kiện thực tế trong tự nhiên. Việc áp dụng các thí nghiệm tại chỗ để nghiên cứu nền đất yếu cho những kết quả tin cậy. Các thí nghiệm thường dùng để nghiên cứu nền đất và cọc sau khi gia cố bao gồm: 2.8.1. Nén tĩnh nền bằng bàn nén + Mục đích: Xác định môđun tổng biến dạng của đất nền và cọc cát sau khi gia cố. + Khối lượng: bố trí 12 thí nghiệm nén tĩnh nền (N1, N2,…, N11, N12) trên đoạn tuyến đã xử lý. Bảng II-3: Số lượng dự kiến thí nghiệm nén tĩnh nền STT Phân đoạn Số hiệu thí nghiệm nén tĩnh nền 1 Km0+000-Km0+750 N1 2 N2 3 N3 4 Km0+750-Km2+300 N4 5 N5 6 N6 7 N7 8 N8 9 N9 10 Km2+300-Km3+000 N10 11 N11 12 N12 Tổng số thí nghiệm nén tĩnh nền 12 Sơ đồ bố trí các thí nghiệm nén tĩnh nền được thể hiện trên phụ lục 2. + Phương pháp tiến hành: - Thí nghiệm đặt trực tiếp trên bề mặt nền sau gia cố. - Phạm vi đặt bàn nén phải đảm bảo phủ cả cọc và nền (tối thiểu là 3 cọc) bàn nén phải được đặt ở đáy hố và tiếp xúc hoàn toàn với mặt đất, diện tích bàn nén nên lấy hơn 4,0 m2 ; chọn diện tích bàn nén là 5m2 . Mặt đất dưới bàn nén phải được san phẳng, nếu không phải dải lớp đệm cát lên trên, dày khoảng 1 ¸ 2cm. Sau khi lắp đặt thiết bị nén, đưa tất cả đồng hồ về 0 và chuẩn bị gia tải. Tải trọng tối đa tiến hành thí nghiệm được xác định theo tải trọng công trình và khả năng chịu tải của đất nền, ở đây chọn Pmax = 1,5 kG/cm2. Theo tiêu chuẩn ngành 20TCN- 80- 80, đối với đất yếu chọn cấp gia tải là 0,25 kG/cm2. Như vậy, cấp gia tải nhỏ nhất là Pmin= 0,25 kG/cm2 và số cấp tải trọng là 6 cấp. Quan trắc và đọc độ lún trên đồng hồ biến dạng, đối với mỗi cấp áp lực theo quy trình như sau: Giờ đầu tiên cứ 15 phút đọc một lần, giờ thứ hai cứ 30 phút/lần, sau đó cứ 1 giờ đọc 1 lần cho đến khi ổn định lún quy ước . Sau khi bàn nén đạt độ lún cuối cùng, ứng với cấp tải trọng cuối cùng thì tiến hành giảm tải, cũng theo từng cấp. Ghi chép đầy đủ quá trình biến dạng giãn nở của đất. Kết thúc thí nghiệm, phải lấy mẫu đất đã bị nén để nghiên cứu tính chất của chúng sau khi chịu tác dụng của tải trọng. Quá trình thí nghiệm phải quan trắc và ghi chép các số liệu cần thiết để sử dụng tính toán môđun tổng biến dạng và các chỉ tiêu lún ướt nếu có. Ghi chép độ lún theo thời gian ứng với từng cấp áp lực và xác định độ lún ổn định quy ước ứng với cấp áp lực tác dụng. Để tính môđun biến dạng, cần lập các biểu đồ quan hệ S=f(t) và S=f(P) Hình 2.5. Biểu đồ quan hệ S = f(t) và S = f(P) Môđun biến dạng của nền được xác định theo công thức: E = (1 - m2).w.d.’ Trong đó: m - hệ số poisson; w - hệ số không thứ nguyên; d - đường kính bàn nén; DP – gia số áp lực tác dụng lên bàn nén (kG/cm2); DP = Pn - Po DS – gia số độ lún của bàn nén ứng với gia số áp lực DP. DS = Sn – S0 2.8.2. Thí nghiệm xuyên tĩnh + Mục đích: Kiểm tra chất lượng nền đất và bản thân cọc sau khi gia cố; + Khối lượng: Bố trí 16 hố xuyên (X1, X2, X3, X4,…, X16) trên đoạn tuyến đã xử lý. Khối lượng công tác xuyên tĩnh như sau: Bảng II-4: Khối lượng và chiều sâu hố xuyên tĩnh. STT Phân đoạn Số hiệu hố xuyên Mục đích Chiều sâu xuyên (m) 1 Km0+000-Km0+750 X1 Kiểm tra chất lượng nền đất sau khi gia cố 6 2 X2 6 3 Km0+750-Km2+300 X3 12 4 X4 12 5 X5 12 6 X6 12 7 Km2+300-Km3+000 X7 7 8 X8 7 9 Km0+000-Km0+750 X9 Kiểm tra chất lượng của cọc cát sau khi thi công 5 10 X10 5 11 Km0+750-Km2+300 X11 10 12 X12 10 13 X13 10 14 X14 10 15 Km2+300-Km3+000 X15 4 16 X16 4 Tổng (m) 132 Sơ đồ bố trí các hố xuyên, biểu diễn trên phụ lục 2. + Phương pháp tiến hành : Trước khi xuyên cần tiến hành kiểm tra toàn bộ thiết bị, xác định chính xác vị trí điểm xuyên, tiến hành lắp đặt các thiết bị xuyên. Máy xuyên phải được cân chỉnh về vị trí cân bằng, độ nghiêng tối đa cho phép không vượt quá 2%, trục của cần xuyên phải trùng với phương thẳng đứng của thiết bị tạo lực nén. Khi tiến hành xuyên cần thao tác thí nghiệm xuyên liên tục, chỉ ngừng xuyên khi nối cần. Vận tốc xuyên quy định là 2-3 cm/s. Nếu không có thiết bị đo tự động thì cứ 20 cm đọc trị số một lần ( Giá trị X, Y ). Kết quả thí nghiệm được ghi vào sổ nhật ký xuyên tĩnh. Ngoài ra còn ghi: Tên và địa điểm công trình; số hiệu điểm xuyên; ngày xuyên; cao độ điểm xuyên. Mẫu nhật ký thí nghiệm xuyên tĩnh: - Tên công trình……………… - Cao độ miệng hố……... - Địa điểm…………………… - Độ sâu xuyên………... - Thiết bị…………………….. - Ngày thí nghiệm……... - Phương pháp xuyên………… - Người thí nghiệm……. -Số hiệu xuyên……………….. 2.8.3. Khoan lấy mẫu xác định tính chất cơ lý của đất và của cọc gia cố. + Mục đích: lấy mẫu xác định (hệ số rỗng e, khối lượng thể tích g, lực dính kết C, góc ma sát trong j, hệ số nén lún a) của đất nền, đánh giá chất lương đất nền sau khi gia cố. + Khối lượng và phương pháp tiến hành: Sau khi gia cố nền đất bằng cọc cát, tiến hành khoan lấy mẫu bằng máy XJ-100 của Trung Quốc, phương pháp khoan xoay lấy mẫu. Bố trí khối lượng công tác khoan như sau: Bảng II-5: Khối lượng công tác khoan STT Phân đoạn Số hiệu hố khoan Chiều sâu hố khoan (m) 1 Km0+000 – Km0+750 KT1 12 2 KT2 12 3 Km0+750 – Km2+300 KT3 12 4 KT4 12 5 KT5 12 6 KT6 12 7 Km2+300 – Km3+000 KT7 12 8 KT8 12 Tổng (m) 96 Số lượng là 8 lỗ khoan (KT1, KT2), (KT3, KT4, KT5, KT6), (KT7, KT8), tương ứng với 3 phân đoạn (Km0+000-Km0+750), (Km0+750-Km2+300), (Km2+300-Km3+000) đã xử lý, cụ thể xem ở phụ lục 2. Chiều sâu mỗi lỗ khoan là 12m, khoảng cách lấy mẫu là 2m/mẫu (mỗi lỗ 6 mẫu). 2.8.4. Thí nghiệm cắt cánh + Mục đích: thí nghiêm cắt cánh dùng xác định độ bền kháng cắt không thoát nước của đất bùn, đất sét dẻo đến chảy sau khi đã làm chặt bằng cọc cát + Khối lượng: Trong mỗi lỗ khoan, sau mỗi lần lấy mẫu tiến hành 1 thí nghiệm cắt cánh, cho đến hết chiều dày lớp đất yếu xử lý. Như vậy, mỗi lỗ khoan tiến hành 4 lần cắt cánh. Bảng II-6: Khối lượng thí nghiệm cắt cánh trong hố khoan. STT Số hiệu hố khoan Số điểm cắt cánh trong hố khoan (điểm) 1 KT1 2 2 KT2 2 3 KT3 4 4 KT4 4 5 KT5 4 6 KT6 4 7 KT7 2 8 KT8 2 Tổng (điểm) 24 Sơ đồ các vị trí thí nghiệm cắt cánh, biểu diễn trên phụ lục 2. + Phương pháp tiến hành: tiến hành lắp đặt thiết bị cắt cánh, ấn cánh đến độ sâu cần thí nghiệm, quay cánh cắt với tốc độ 0,2¸0,4 vòng/phút. Khi cắt, đọc số đọc góc quay và mômen xoắn. Giai đoạn đầu, khi mômen tăng, cứ 1¸20 đọc một lần, giai đoạn đất bị cắt theo mặt trụ, mômen xoắn giảm, cứ 3¸50 đọc một lần. Tiếp tục quay cho đến khi mômen xoắn ổn định. Kết quả thí nghiệm ghi vào sổ. CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KHỐI LƯỢNG VÀ DỰ TRÙ KINH PHÍ 3.1. Khối lượng a. Cọc cát Tổng số m chiều dài cọc cát sử dụng là: L cát = 2436580 + 399368 + 510010 = 3345958 (m) b. Đất đắp gia tải + Mặt cắt ngang tại Km0+500, đặc trưng dặc trưng cho phân đoạn (Km0+000 – Km0+750) : Đáy trên, b = 40m; Chiều cao đất đắp, H = 3,23 m; Đáy dưới, B = 40 + 2x3,23x1,5 = 49,69m. Do đó khối lượng đất đắp phân đoạn này sẽ là: (m3) ; + Mặt cắt ngang tại Km1+200, đặc trưng dặc trưng cho phân đoạn (Km0+750 – Km2+300) : Đáy trên, b = 40m; Chiều cao đất đắp, H = 4m; Đáy dưới, B = 40 + 2x4x1,5 = 52m. Do đó khối lượng đất đắp phân đoạn này sẽ là: (m3) ; + Mặt cắt ngang tại Km2+500, đặc trưng dặc trưng cho phân đoạn (Km2+300 – Km3+000) : Đáy trên, b = 40m; Chiều cao đất đắp, H = 4,32m; Đáy dưới, B = 40 + 2x4,32x1,5 = 52,96m. Do đó khối lượng đất đắp phân đoạn này sẽ là: (m3) ; Vậy tổng khối lượng đất đắp của cả đoạn tuyến (Km0+000 – km3+000) là: V= V1 + V2 + V3 = 108637+ 285200+140555 = 534392 (m3) c. Lớp đệm cát Thể tích cát: Vđ == 177630 (m3) d. Công tác khoan, thí nghiệm mẫu + Khoan 96m; + Thí nghiệm nén ba trục: 24 mẫu; + Thí nghiệm trong phòng: 24 m. e. Thí nghiệm cắt cánh: 24 điểm. f. Thí nghiệm nén tĩnh : 12 điểm. g. Thí nghiệm xuyên tĩnh: Tiến hành xuyên 132m. h. Vải địa kỹ thuật Diện tích vải: V = 189630 (m2) 3.2. Giá thành xử lý bằng cọc cát Tổng giá thành bằng tổng khối lượng nhân đơn giá cộng thuế GTGT (10%), cụ thể có kết quả ở bảng III-1. Bảng III-1: bảng tính giá thành xử lý nền đường bằng phương pháp cọc cát STT Danh mục Đơn vị Đơn giá (đ) Khối lượng Giá thành (đ) 1 Lớp đệm cát m3 73006 177630 18246097560 2 Đất đắp gia tải m3 30677,56 534392 16393842640 3 Khoan lấy mẫu m 293542 96 28180032 4 Thí nghiệm nén ba trục mẫu 3588203 24 86116872 5 Thí nghiệm trong phòng mẫu 521836 24 12524064 6 Thí nghiệm cắt cánh điểm 215952 24 5182848 7 Thí nghiệm nén tĩnh điểm 4633268 12 55599216 8 Thí nghiệm xuyên tĩnh m 122577 132 16180164 9 Cọc cát 100m 6995314 3345958 234060268400 10 Vải địa kỹ thuật m2 14500 189630 11 Thuế GTGT 24361992400 Tổng giá thành 267981916400 (chú thích: giá thành tính theo “Đơn giá xây dựng 2008”) Vậy, giá thành biện pháp xử lý nền bằng cọc cát là: 267981916400 (đ) KẾT LUẬN Bằng nỗ lực của bản thân và được sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS Đỗ Minh Toàn cũng như các Thầy cô giáo trong Bộ môn ĐCCT và các bạn trong lớp, bản đồ án của tôi được hoàn thành, với một số kết quả sau: Đánh giá được những đặc điểm chủ yếu của điều kiện ĐCCT đường trục phía Nam tỉnh Hà Tây (đoạn từ Km0+000 đến Km3+000), từ đó đề ra được phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát cho đoạn đường từ Km 0+000 đến Km 3+000. Đồng thời, với việc làm đồ án tốt nghiệp đã giúp em nhận thức đúng đắn về cách đánh giá và thiết kế hợp lý phương án xử lý nền đất yếu cho một công trình cụ thể. Tuy bản đồ án đã hoàn thành nhưng do kiến thức và trình độ còn hạn chế, nên bản đồ án của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy cô giáo và các bạn, để tôi có thể nắm vững hơn về kiến thức cũng như công việc của một Kỹ Sư ĐCCT. Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo PGS.TS. Đỗ Minh Toàn, cũng như sự giúp đỡ của các Thầy cô giáo trong Bộ môn và các bạn sinh viên trong lớp! Hà Nội, tháng 06 năm 2009 Sinh viên: Nguyễn Văn Tú CÁC PHỤ LỤC KÈM THEO Phụ lục số 1. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất Phụ lục số 2. Sơ đồ tài mặt bằng bố trí các công tác kiểm tra chất lượng nền đất sau khi gia cố bằng cọc cát đoạn tuyến Km0+000 – Km3+000 tuyến đường trục phía Nam khu vực Hà Tây. Tỷ lệ 1: 2000. Phụ lục số 3. Mặt cắt ĐCCT đoạn đường từ Km0+000 – Km0+750 tuyến đường trục phía Nam khu vực Hà Tây. Phụ lục số 4. Mặt cắt ĐCCT đoạn đường từ Km0+750 – Km2+300 tuyến đường trục phía Nam khu vực Hà Tây. Phụ lục số 5. Mặt cắt ĐCCT đoạn đường từ Km2+300 – Km3+000 tuyến đường trục phía Nam khu vực Hà Tây. Phụ lục số 6. Bản vẽ thiết xử lý nền đường bằng cọc cát tại Km0+000 – Km0+750 Phụ lục số 7 . Bản vẽ thiết xử lý nền đường bằng cọc cát tại Km0+750 – Km2+300 Phụ lục số 8. Bản vẽ thiết xử lý nền đường bằng cọc cát tại Km2+300 – Km3+000 Phụ lục số 9. Bản đồ địa chất khu vực Hà Tây. Tỷ lệ 1: 200 000 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn ngành. Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu. 22 TCN 262 - 2000. Bộ Giao thông vận tải. Nguyễn Thành Long và nnk. Nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam. Nxb Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội 1994. Tiêu chuẩn Xây dựng. Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình (TCXD 45 – 78). Hoàng Văn Tân và nnk. Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu. Nxb Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nôi 1973. Ralph B.Peck-Walter E.Hanson-Thomas H.Thornburn. Kỹ thuật nền móng- Tập 1, 2. Nxb Giáo dục-1997. Lê Quý An- Nguyễn Công Mẫn-Hoàng Văn Tân. Tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn. Nxb Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội 1976. Vũ Công Ngữ- Nguyễn văn Thông. Bài tập Cơ học đất. Nxb Giáo dục-2000. N.A.Xưtôvich. Cơ học đất. Nxb Nông nghiệp Hà Nội-Nxb Mir Maxcơva. Nguyễn Ngọc Bích và nnk. Địa kỹ thuật thực hành. Nhà xuất bản Xây dựng. Hà Nội,1997. V.Đ.Lômtadze. Thạch luận công trình. Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp. Hà Nội, 1978. V.Đ.Lômtadze. Địa chất công trình-Địa chất công trình chuyên môn. Nxb Đại học và Trung học chuyên nghiệp. Hà Nội, 1983. PGS. TS. Tạ Đức Thịnh- PGS.TS. Nguyễn Huy Phương. Giáo trình Cơ học đất. Nhà xuất bản Xây dựng. Hà nội, 2005. MỤC LỤC