Cơ sở tính toán và thiết kế cọc cát

Chương II CƠ SỞ tính toán VÀ THIẾT KẾ CỌC CÁT II.1/ TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN CỌC CÁT: II.1.1/ Xác định hệ số rỗng của đất sau khi nén chặt bằng cọc cát : Khi dùng cọc cát, nền đất sẽ nén chặt lại, tuy nhiên đất không thể nén chặt tùy ý. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ số rỗng enc của đất sau khi được nén chặt bằng cọc cát tương ứng với độ chặt tương đối D vào khoảng 0.7 - 0.8. Được xác định theo công thức sau: enc = emax – D(emax – emin) (2.1) Trong đó: D - độ chặt tương đối. emax - hệ số rỗng của cát ở trạng thái xốp nhất. emin - hệ số rỗng của cát ở trạng thái chặt nhất. Trị số enc có thể xác định gần đúng dựa vào tính chất cơ lý của đất đá, theo công thức sau : (2.2) Trong đó: - trọng lượng riêng của đất (g/cm3). - trọng lượng thể tích nước (g/cm3). Wd - độ ẩm giới hạn dẻo (%). Id - chỉ số dẻo (%). Sau khi dùng cọc cát, nếu nền đất không thể nén chặt đến giới hạn độ chặt cần thiết theo tính toán bằng những công thức ở trên thì lúc đó việc áp dụng cọc cát sẽ không hợp lý. Vì vậy nên việc chọn trị số enc không đúng có thể dẫn đến hậu quả là nền đất có biến dạng lớn và việc ứng dụng cọc cát không có hiệu quả. II.1.2/ Xác định diện tích nền được nén chặt: Diện tích 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. Theo kinh nghiệm thiết kế, chiều rộng mặt bằng của nền nén chặt thường lấy lớn hơn chiều rộng móng 0,2b và diện tích Fnc (m2) của nền được nén chặt tính theo công thức sau đây: Fnc = 1,4b( l + 0,4b) (2.3) Trong đó : b - chiều rộng móng (m). l - chiều dài móng (m). Tỷ lệ diện tích tiết diện các cọc cát Fc (m2 ) đối với diện tích nền được nén chặt Fnc (m2) sẽ được xác định như sau: (2.4) Trong đó: e0 - hệ số rỗng của đất thiên nhiên trước khi nén chặt bằng cọc cát. Hình 2.1: Bố trí cọc cát và phạm vi nén chặt đất nền. II.2/ THIẾT KẾ CỌC CÁT: II.2.1/ Xác định số lượng cọc cát: Số lượng cọc cát cần thiết được xác định như sau: (2.5) Trong đó : fc - Diện tích tiết diện cọc cát dùng khi thi công (m2). II.2.2/ Bố trí cọc cát: Cọc cát thường được bố trí theo đỉnh lưới của tam giác đều. Đó là sơ đồ bố trí hợp lý nhất đảm bảo đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc. Khoảng cách giữa các cọc có thể xác định bằng tính toán và dựa vào những giả thiết cơ bản sau: - Độ ẩm đất trong quá trình nén chặt là không đổi. - Đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc cát. - Thể tích của đất nén chặt giới hạn trên bề mặt tam giác đều ABC giữa các trục của cọc cát (hình 2.1), sau khi nén chặt sẽ giảm thể tích bằng một nửa thể tích cọc cát. - Thể tích của các hạt đất trước và sau khi nén chặt xem như không đổi, nếu bỏ qua tính nén bản thân của các hạt. Hình 2.2: Sơ đồ bố trí cọc cát Ta có công thức: (2.6) Trong đó: L - Khoảng cách giữa các cọc cát (m). dc - Đường kính cọc cát (m). - Trọng lượng thể tích của đất thiên nhiên (g/cm3). - Trọng lượng thể tích của đất được nén chặt (g/cm3). (2.7) Trong đó: - Trọng lượng riêng của đất (g/cm3). e - Hệ số rỗng của đất. W - Độ ẩm tự nhiên của đất trước khi nén chặt (%). Công thức (2.7) có thể biến đổi viết dưới dạng đơn giản hơn: (2.8) Trong đó: (2.9) Trị số L phụ thuộc vào dc và , có thể tra biểu đồ (hình 2.3). Hình 2.3: Biểu đồ xác định khoảng cách giữa cọc cát Theo chỉ dẫn thiết kế cọc cát, đối với nền đất yếu bão hòa nước ở Liên Xô thì khoảng cách giữa các cọc cát được xác định căn cứ vào mối tương quan giữa chiều sâu nén chặt Hnc và chiều dày vùng chịu nén H của lớp đất. Khi Hnc = H thì: (2.10) (“Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu” Hoàng Văn Tân và nnk, trang 130, 131). Trong đó: dc – Đường kính cọc cát , lấy trên 1m chiều dài (m) [S] - Trị số lún cho phép của công trình, có thể lấy theo quy phạm thiết kế hoặc căn cứ vào tính chất của công trình mà quyết định. S - Trị số lún của nền đất tự nhiên dưới công trình khi chưa có cọc cát. (2.11) Trong đó: F - Diện tích đế móng (m2). - Hệ số lún của lớp đất thiên nhiên, phụ thuộc vào trọng lượng thể tích trung bình của đất, có thể tra bảng 2.1: Bảng 2.1: Hệ số h (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/t2) 10 6.7 4.5 3 2 1.4 0.9 0.6 0.4 0.3 0.2 Rtc - Áp lực tiêu chuẩn của đất nền khi chưa có cọc cát. Rtc = m[(Ab + Bh) + Dctc] (2.12) Trong đó: m - Hệ số làm việc được quy định như sau: Khi mực nước ngầm nằm cao hơn đế móng và dưới nó là lớp cát bụi thì m = 0,6 Nếu là lớp cát nhỏ thì m = 0,8 Trong các trường hợp còn lại lấy m = 1. b - Chiều rộng đế móng (m), nếu đế móng hình tròn hoặc hình đa giác, có thể dùng công thức b = để tính toán. h - Chiều sâu chôn móng (m). - Trọng lượng thể tích của đất (g/cm3). Ctc - Lực dính tiêu chuẩn của đất (kG/cm2). A, B, D - những hệ số tra bảng 2.2. Bảng 2.2: Hệ số A, B, D (độ) A B D (độ) A B D 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0,00 0,03 0,06 0,10 0,14 0,18 0,23 0,29 0,36 0,43 0,51 0,61 1,00 1,12 1,25 1,39 1,55 1,73 1,94 2,17 2,43 2,72 3,06 3,44 3,14 3,32 3,51 3,71 3,93 4,17 4,42 4,69 5,00 5,31 5,66 6,04 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0,72 0,84 0,98 1,15 1,34 1,55 1,81 2,11 2,46 2,87 3,37 3,66 3,87 4,37 4,93 5,59 6,35 7,21 8,25 9,44 10,84 12,50 14,48 15,64 6,45 6,90 7,40 7,95 8,55 9,21 9,98 10,80 11,73 12,77 13,96 14,64 Khi Hnc < H , ta có: L = (2.13) (“Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu” Hoàng Văn Tân và nnk, trang 132). Trong đó: S0 - Trị số lún của lớp đất thiên nhiên nằm trong phạm vi chiều sâu (H – Hnc) và được xác định theo các công thức tính lún thông thường; trong đó môđun biến dạng của lớp đất này được tính toán theo công thức sau đây : E0 = (2.14) Trong đó: a0 - hệ số không thứ nguyên Có thể bằng 0,87 đối với móng hình vuông và 0.66 đối với móng băng. Để đảm bảo nền đất được ổn định về phương diện biến dạng cũng như khả năng chịu tải, cọc cát thường được bố trí không những ở dưới móng mà còn ở phạm vi ngoài đáy móng. Theo kinh nghiệm thiết kế, số lượng hàng cọc cát bố trí theo hướng dọc và hướng ngang dưới đế móng thường lấy lớn hơn 3 hàng, trong đó trục của hàng cọc ngoài cũng lấy rộng hơn kích thước mặt bằng đế móng một khoảng cách lớn hơn 1.5 lần đường kính cọc hoặc 0.1 lần chiều dài cọc. Theo kinh nghiệm của nước ngoài, đường kính cọc cát thường dùng là 40 – 60 cm. ở nước ta, theo kinh nghiệm bước đầu của bộ kiến trúc, có thể dùng hai loại đường kính cọc là 10 – 20cm và 20 – 40cm. Cọc cát phải được đầm đến độ chặt nhất định. Trọng lượng cát cần thiết trên mỗi mét dài của cọc được xác định theo công thức sau đây: (2.15) Trong đó: - Trọng lượng riêng của cát dùng trong cọc (g/cm3); W – Độ ẩm tính theo trọng lượng của cát trong thời gian thi công (%). II.2.3/ Xác định độ đầm nện trong cọc cát : Để cọc cát làm việc tốt nhất khi thi công phải tiến hành đầm đến độ chặt nhất định. Trọng lượng cát cần thiết trên mỗi mét dài của cọc được xác định theo công thức sau đây: G = (2.16) Trong đó: - Trọng lượng riêng của cát dùng trong cọc (g/cm3). W1 - Độ ẩm của cát trong thời gian thi công (%). II.2.4/ Xác định chiều sâu nén chặt của cọc cát: Chiều sâu nén chặt Hnc của cọc cát có thể lấy bằng chiều sâu vùng chịu nén H ở dưới đế móng. Theo quy phạm của Liên Xô, vùng chịu nén có thể lấy đến độ sâu mà ở đó thỏa mãn điều kiện: Đối với công trình dân dụng và công nghiệp: (2.17) Đối với công trình thủy lợi : (2.18) Chiều sâu vùng nén chặt xác định theo cách trên hoàn toàn chỉ có tính chất quy ước. Đúng hơn cả là nên xác định theo điều kiện đất nền thực tế không còn biến dạng dưới tác dụng của áp lực công trình truyền xuống. Chiều sâu vùng chịu nén còn có thể xác định một cách gần đúng theo phương pháp lớp đất tương đương của giáo sư N.A.Txưtovits: H = 2hs (2.19) Trong đó : hs - Chiều dày lớp đất tương đương. hs = Ab. (2.20) A- Hệ số lớp tương đương phụ thuộc vào hệ số Poatxông , hình dạng móng và độ cứng của móng, tra bảng 2.3. Đối với nền đất sét yếu ở trạng thái bão hòa nước, chiều sâu vùng nén chặt có thể lấy đến giới hạn khi ứng suất phụ thêm do tải trọng ngoài gây nên có giá trị vào khoảng 0.2 – 0.3 kG/cm2. Nói chung trong mọi trường hợp , ta có thể chọn chiều sâu nén chặt như sau: Đối với móng hình chữ nhật: Đối với móng băng: Khi chiều rộng của móng lớn hơn 10m, thì có thể xác định chiều sâu nén chặt như sau: : nếu nền là sét. : nếu nền là cát. a/b Sỏi và cuội Cát Sét pha cát dẻo Sét nặng rất dẻo Sỏi cứng và sét pha cát Cát pha sét Sét dẻo 1.0 1.13 0.96 0.89 1.2 1.01 0.94 1.26 1.07 0.99 1.37 1.17 1.08 1.58 1.34 1.24 2.02 1.71 1.58 1.5 1.37 1.16 1.09 1.45 1.23 1.15 1.53 1.30 1.21 1.66 1.40 1.32 1.91 1.62 1.52 2.44 2.07 1.94 2 1.55 1.31 1.23 1.63 1.39 1.30 1.72 1.47 1.37 1.88 1.60 1.49 2.16 1.83 1.72 2.76 2.34 2.20 3 1.88 1.55 1.46 1.90 1.63 1.54 2.01 1.73 1.62 2.18 1.89 1.76 2.51 2.15 2.01 3.21 2.75 2.59 4 1.99 1.72 1.63 2.09 1.81 1.72 2.21 1.92 1.81 2.41 2.09 1.97 2.77 2.39 2.26 3.53 3.06 2.90 5 2.13 1.85 1.74 2.24 1.95 1.84 2.37 2.07 1.94 2.58 2.25 2.11 2.96 2.57 2.42 3.79 3.29 3.10 6 2.25 1.98 - 2.37 2.09 - 2.50 2.21 - 2.72 2.41 - 3.14 2.76 - 4.00 3.53 - 7 2.35 2.06 - 2.17 2.18 - 2.61 2.37 - 2.84 2.51 - 3.26 2.87 - 4.18 3.67 - 8 2.43 2.14 - 2.56 2.26 - 2.70 2.40 - 2.94 2.61 - 3.38 2.98 - 4.32 3.82 - 9 2.51 2.21 - 2.64 2.34 - 2.79 2.47 - 3.03 2.69 - 3.49 3.08 - 4.46 3.92 - 10 Và lớn hơn 2.58 2.27 2.15 2.71 2.40 2.26 2.86 2.51 2.38 3.12 2.77 2.60 3.58 3.17 2.98 4.58 4.05 3.82 Bảng 2.3 : Hệ số Aw Các ký hiệu trong bảng gồm a - Chiều dài đế móng (m) b - Chiều rộng đế móng (m) - Hệ số Poatxông của đất. - Hệ số lớp tương đương dùng để xác định độ lún lớn nhất ở tâm đáy móng mềm. - Hệ số lớp tương đương dùng để xác định độ lún trung bình của móng cứng. - Hệ số lớp tương đương dùng để xác định độ lún các móng tuyệt đối cứng. II.2.5/ Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát : Sau khi thi công cọc cát thì sức chịu tải của nền cọc cát có thể tăng lên từ 2 đến 3 lần so với sức chịu tải của nền thiên nhiên. Đối với nền đất bùn hoặc đất sét, theo kết quả thực nghiệm thì nền sau khi gia cố bằng cọc cát có sức chịu tải có thể lấy trong khoảng 2kG/cm2 đến 3kG/cm2. Muốn kiểm nghiệm lại sức chịu tải sau khi nén chặt bằng cọc cát ta có thể dùng một trong hai cách sau: Tiến hành thí nghiệm tải trọng tĩnh ở hiện trường, diện tích bàn nén thí nghiệm không nên lấy nhỏ hơn 4 m2. Dùng công thức Rtc = m[(Ab + Bh) + Dctc] (công thức 2.12) để tính, khi sử dụng công thức Rtc thì các chỉ tiêu tính toán như có thể xác định qua 1 số lỗ khoan kiểm nghiệm tiến hành sau khi đóng cọc cát hoặc dùng chùy xuyên tiêu chuẩn. Trong trường hợp không có điều kiện thí nghiệm tải trọng tĩnh hoặc khoan lấy mẫu thí nghiệm thì các chỉ tiêu c, và E0 có thể tra (bảng 2.4, 2.5, 2.6) cho trong quy phạm dựa vào hệ số enc như sau: Bảng 2.4: Trị số lực dính c(t/m2), góc ma sát trong (độ), môđun biến dạng E0(kG/cm2) của cát không phụ thuộc vào nguồn gốc và tuổi của chúng. “Hoàng Văn Tân và nnk (1997), Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu, NXB Xây dựng” Tên đất Đặc trưng của đất Khi hệ số rỗng enc 0,41 - 0,50 0,51 - 0,60 0,61 - 0,70 0,71 - 0,80 Tiêu chuẩn Tính toán Tiêu chuẩn Tính toán Tiêu chuẩn Tính toán Tiêu chuẩn Tính toán Cát sạn và cát to c E0 0,2 43 500 - 41 - 0,1 40 100 - 38 - - 38 300 - 36 - - - - - - - Cát trung c E0 0,3 40 500 - 38 - 0,2 38 400 - 36 - 0,1 35 300 - 33 - - - - - - - Cát nhỏ c E0 0,6 38 480 0,1 36 - 0,4 36 380 - 34 - 0,2 32 280 - 30 - - 28 180 - 26 - Cát bụi c E0 0,8 36 390 0,2 34 - 0,6 34 280 0,1 32 - 0,4 30 180 - 28 - 0,2 26 110 - 24 - Bảng 2.5: Trị số lực dính c(t/m2), góc ma sát trong (độ) của đất sét ở trầm tích kỷ thứ tư ( khi 0 B 1 ) “Hoàng Văn Tân và nnk (1997), Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu, NXB Xây dựng” thứ tư ( khi 0 B 1 ) Giới hạn dẻo Wd (%) Đặc trưng của đất Khi hệ số rỗng enc 0,41 - 0,5 0,51 - 0,6 0,61 - 0,7 0,71 - 0,8 0,81 - 0,95 0,96 - 1,1 Tiêu chuẩn Tính toán Tiêu chuẩn Tính toán Tiêu chuẩn Tính toán Tiêu chuẩn Tính toán Tiêu chuẩn Tính toán Tiêu chuẩn Tính toán 9,5 - 12,4 c 1,2 25 0,3 23 0,8 24 0,1 22 0,6 23 - 21 - - - - - - - - - - - - 12,5 - 15,4 c 4,2 24 1,4 22 2,1 23 0,7 21 1,4 22 0,4 20 0,7 21 0,2 19 - - - - - - - - 15,5 - 18,4 c - - - - 5,0 22 1,9 20 2,5 21 1,1 19 1,9 20 0,8 18 1,1 19 0,4 17 0,8 18 0,2 16 18,5 - 22,4 c - - - - - - - - 6,8 20 2,8 18 3,4 19 1,9 17 2,8 18 1,0 16 1,9 17 0,6 15 22,5 - 26,4 c - - - - - - - - - - - - 8,2 18 3,6 16 4,1 17 2,5 15 3,6 16 1,2 14 26,5 - 30,4 c - - - - - - - - - - - - - - - - 9,4 16 4,0 14 4,7 15 2,2 13 Chỉ số sệt B của đất sét được xác định theo công thức sau: B = (2.21) Trong đó: W - Độ ẩm tự nhiên (%). Wc - Độ ẩm ở giới hạn chảy (%). Wd - Độ ẩm ở giới hạn lăn (%). II.2.6/ Kiểm nghiệm độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát: Bảng 2.6: Trị số môđun biến dạng E0 (kG/cm2) của đất sét thuộc trầm tích kỷ thứ tư Nguồn gốc và tuổi của đất Tên đất và độ sệt Khi hệ số rỗng enc 0,31 - 0,40 0,41 - 0,50 0,51 - 0,60 0,61 - 0,70 0,71 - 0,80 0,81 - 0,90 0,91 - 1,00 1,01 - 1,10 Phù sa (bồi tích) Cát pha sét : 0 B 1 - 320 240 160 100 70 - - Pha tích (sườn tích) ao hồ Sét pha cát 0 B 0.25 - 340 270 220 170 140 110 - 0,25 < B 0,5 - 320 250 190 140 110 80 - 0,5 < B 1 - - - 170 120 80 60 50 Phù sa ao hồ Sét 0 B 0,25 - - 280 240 210 180 150 120 0,25 < B 0,5 - - - 210 180 150 120 90 0,5 < B 1 - - - - 150 120 90 70 Trị số lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát có thể tính toán theo công thức sau: (2.22) Trong đó: j - Số lớp đất nằm trong chiều sâu chịu nén của nền đất. pi - Ứng suất trung bình phụ thêm của lớp đất thứ i do tải trọng của công trình truyền xuống (kG/cm2). hi - Chiều dày của lớp đất thứ i nằm trong vùng chịu nén của nền đất (m). - Hệ số không thứ nguyên để hiệu chỉnh cho sơ đồ tính toán đã đơn giản hóa, lấy bằng 0,8 cho tất cả các loại đất. E0i - Môđun biến dạng của lớp đất thứ i, có thể sử dụng các giá trị trong bảng 2.4 và bảng 2.6 hoặc xác định dựa vào kết quả thí nghiệm hiện trường (kG/cm2). Theo quy phạm OCT 12374-66 của Liên Xô (đối với đất đồng nhất) E0 được xác định theo công thức sau: E0 = (2.23) Để xét những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thí nghiệm tải trọng tĩnh chưa kể đến, trị số E0 trong trường hợp này có thể xác định theo công thức dưới dạng tổng quát như sau: E0 = (2.24) Trong đó: 0,785 (đối với tấm nén cứng hình tròn). 0,88 (đối với tấm nén hình vuông). - Hệ số Poatxing của đất, có thể lấy như sau: Đá vụn lớn = 0,27 Cát và cát pha sét = 0,30 Sét pha cát = 0,35 Sét = 0,42 p - Cường độ tải trọng tác dụng trên tấm nén (kG/cm2). b - Chiều rộng hoặc đường kính tấm nén (cm). S - Độ lún toàn bộ của tấm nén tương ứng với tải trọng thí nghiệm (cm). Stb - Độ lún của tấm nén khi xét đến ảnh hưởng của từ biến không xuất hiện trong thời gian thí nghiệm (cm). K1 - Hệ số kể đến sự hữu hạn biến dạng của lớp đất khi có tác dụng của tải trọng p. K2 - Hệ số kể đến sự làm việc của đất trên mặt phẳng đi qua để tấm nén. K3 - Hệ số kể đến cố kết thấm không hoàn toàn. Trị số K1, K2, K3 phụ thuộc vào phương pháp tính lún và đặc tính của đất, căn cứ vào đó ta chọn K1, K2, K3 tương ứng. Các hệ số K1, K2, K3 có thể tra bảng 2.7 sau: Phương pháp tính toán độ lún và đặc tính của đất K1 K2 K3 Khi tính toán độ lún theo phương pháp chia thành nhiều lớp nhỏ và cộng lại theo chiều sâu: 5m 10m 15m Khi tính toán độ lún theo phương pháp lớp tương đương Khi tính toán độ lún theo phưong pháp chiều dày chịu nén hữu hạn: Đối vối đất sét nặng Đối với đất sét pha cát và sét nhẹ Đối với cát và cát pha sét 0,89 0,77 0,64 1,00 0,7 - - - - - - - - 0,70 0,80 - - - - - - 0,85 0,95 1,00 Trị số Stb khi xét đến ảnh hưởng của từ biến tuyến tính, có thể xác định gần đúng theo công thức sau : Stb = 6vs (2.25) Trong đó: vs - Sự tăng biến dạng ở cấp tải trọng cuối, sau khi kết thúc giai đoạn cố kết thấm, theo quy luật bậc nhất. - Hệ số có kể đến ảnh hưởng của từ biến, lấy gần đúng bằng 0,5. Trị số lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát còn có thể xác định theo phương pháp lớp tương đương của giáo sư N.A.Trưtovits: - Đối với nền đất đồng nhất: Sc = a0hsp (2.26) - Đối với nền có nhiều lớp: Sc = a0mhsp (2.27) Trong đó: a0 - Hệ số nén tương đối của đất: a0 = (2.28) a - Hệ số nén của đất. - Hệ số rỗng ban đầu ứng với đất trước khi đặt tải trọng, có thể xác định khi biết các chỉ tiêu vật lý: g, D và W của đất. a0 có thể xác định bằng thí nghiệm nén trong phòng thí nghiệm hoặc xác định bằng thử tải trọng tĩnh ở hiện trường: Theo quy phạm OCT 12374-66 của Liên Xô: a0 = (2.29) Theo đề nghị của B.I Đalmotov: a0 = (2.30) a0m - Hệ số nén tương đương của lớp đất: a0m = (2.31) a0i - Hệ số nén tương đối của lớp đất thứ i: a0i = (2.32) hi - Chiều dày lớp đất thứ i nằm trong phạm vi chịu nén. zi - Khoảng cách từ đỉnh biểu đồ tam giác tương đương đến điểm giữa các lớp đất thứ i. hs - Chiều dày lớp đất tương đương được xác định theo công thức : hs = Ab. p - Áp lực gây lún dưới đế móng: p = (2.33) Hình 2.4 - Ứng suất trung bình dưới đế móng do tải trọng ngoài gây nên (trọng lượng móng và tải trọng công trình). h - Chiều sâu chôn móng. - Trọng lượng thể tích của đất từ đế móng trở lên. Khi áp dụng cọc cát, đối với các công trình xây dựng trên nền đất không phải là đá, chỉ cần kiểm nghiệm độ lún là đủ (tức là tính theo trạng thái giới hạn thứ hai). Tuy nhiên, đối với công trình mà nền đất thường xuyên chịu tải trọng ngang (tường chắn đất…), nền đất được giới hạn bằng những mái dốc hoặc nền đất trên nham thạch thì cần thiết phải kiểm tra ổn định theo khả năng chịu lực (tính theo giới hạn thứ nhất). Trong thực tế thiết kế, phương pháp dùng phổ biến hơn cả là phương pháp dựa vào giả thiết mặt trượt là mặt trụ tròn (hình 2.5). Hình 2.5: Phương pháp mặt trượt là mặt trụ tròn Phương pháp này cho phép có thể kiểm nghiệm ổn định của nền đất có nhiều lớp hoặc xét đến ảnh hưởng của lực thấm, trạng thái không ổn định của đất…, phương pháp này cho kết quả đáng tin cậy. Nội dung của phương pháp này là xác định hệ số an toàn ổn định tối thiểu tương ứng với các điều kiện và tải trọng đã biết. Nền đất sẽ trượt theo mặt trụ tròn, nền đất cùng công trình sẽ trượt xoay quanh một tâm O nào đó. Hệ số an toàn ổn định được xác định như sau: (2.34) Trong đó: Mgiu - Tổng moment của những lực giữ Mgiu đối với tâm O, lực giữ bao gồm lực ma sát do trọng lượng bản thân của đất và công trình, do lực dính của đất tác dụng theo mặt trượt. Mtruot - Tổng moment của những lực trượt Mtruot đối với tâm O. lực trượt bao gồm tải trọng thẳng đứng tiêu chuẩn Ptc và tải trọng ngang tiêu chuẩn Htc do công trình truyền xuống. Để xác định hệ số , người ta chia khối đất trong phạm vi mặt trượt ra thành những trụ đất nhỏ. Chiều rộng trụ đất này thường lấy gần đúng vào khoảng 1/10 bán kính mặt trượt. Dựa vào số trụ đất đã chia có thể tính được Mgiu và Mtruot: (2.35) (2.36) Trong đó : R - Bán kính của mặt trượt. n - Số lượng trụ đất được chia trong phạm vi mặt trượt. - Lực ma sát tiêu chuẩn của trụ thứ i. ci - Lực dính tính toán của đất. li - Chiều dài của trụ đất thứ i. - Góc ma sát trong tính toán của đất. W1 và W2 - Trọng lượng của các trụ đất nằm trong phạm vi mặt trượt ở hai bên tâm trượt, khi mặt đất nằm ngang W1 = W2. Từ đó hệ số an toàn ổn định được tính theo công thức sau đây: (2.37) Để xác định hệ số tối thiểu, cần tiến hành tính toán nhiều lần đối với các tâm trượt khác nhau O1, O2, O3, O4, O5,… kết quả sau khi tính toán ta sẽ được các hệ số tương ứng từ kết quả này ta có thể xác định được hệ số tối thiểu. Nền đất dưới công trình sẽ ổn định nếu như hệ số tối thiểu lớn hơn giá trị 1,2. II.2.7/ Biện pháp thi công gia cố nền đất yếu bằng cọc cát: Trước hết phải nói về nguồn vật liệu là cát phải thoả những những điều kiện sau: Cát phải là cát hạt to hoặc cát hạt trung. Cát cần phải được làm sạch, hàm lượng bụi và sét không quá 3%, đồng thời không lẫn những đá hòn có kích thước quá 60mm. Thi công cọc cát bao gồm các bước sau đây : Chuẩn bị hố móng. Đóng ống thép xuống đất. Nhồi cát và đầm chặt, đồng thời rút ống thép lên. Hình 2.6 : Trình tự thi công cọc cát Chuẩn bị hố móng: Khi đào hố móng người ta dựa vào cao độ thiết kế để tiến hành đào hố móng, nhưng không đào đến chiều sâu thiết kế mà thường để một khoảng cách chừng 1 mét (hoặc 3 lần đường kính của cọc cát) để sau này khi xây móng sẽ vét đi phần thừa ở đầu cọc vì phần này thường đầm không chặt. Đóng ống thép xuống đất Theo kinh nghiệm của nước ngoài thì ống thép đóng xuống nền đất thường có đường kính khoảng 30-50 cm. Trước đây, mũi cọc có thể là 1 miếng đệm gỗ, sau khi rút ống thép lên thì miếng đệm gỗ sẽ ở lại trong đất, biện pháp thi công như vậy sẽ không cơ động và không kinh tế. Hiện nay, để khắc phục nhược điểm nói trên, người ta dùng ống thép có mũi nhọn, mũi nhọn có 4 cánh lắp bản lề khi đóng ống thép xuống thì mũi nhọn khép lại, khi rút lên thì mở ra (hình 2.6) Ống thép được hạ xuống nền đất bằng búa đóng cọc hoặc bằng phương pháp chấn động. Hình 2.7: Mũi cọc bằng đệm gỗ và bằng mũi cọc có bản lề Nhồi cát và đầm chặt đồng thời rút ống thép lên: Nếu cọc cát được thi công bằng phương pháp đầm nện, ta tiến hành như sau: đóng ống thép xuống tới cao trình thiết kế, sau đó rút ống thép và nhồi cát vào lỗ cọc theo từng lớp khoảng 1 - 1,25m rồi dùng búa treo đầm từng lớp một. Nếu cọc cát được thi công bằng phương pháp chấn động, ta tiến hành như sau: dùng máy chấn động để hạ ống thép xuống cao trình thiết kế, nhấc máy chấn động ra, nhồi cát vào cao khoảng 1 mét, sau đó đặt máy chấn động vào rung khoảng 15 - 20 giây, tiếp theo bỏ máy chấn động ra và rút ống thép lên khoảng 0,5 mét rồi đặt máy chấn động vào rung khoảng 10 - 15 giây để cho đầu nhọn của ống mở ra, cát tụt xuống. Sau đó rút ống lên dần với tốc độ đều, vừa rút vừa rung và khi nào ống chỉ còn lại trong đất khoảng chừng 0,5 - 0,8 mét, lúc đó mới bỏ máy chấn động ra. Theo O.G.Đênixov và V.I.Ixaêv nếu dùng ống thép để thi công cọc cát thường có những nhược điểm sau: Khó kiểm tra được mức độ chặt của cát trong ống thép khi thi công. Do tác dụng của áp lực đất theo hướng ngang, sẽ làm giảm kích thước của cọc cát khi rút ống lên, hiện tượng này dẫn đến làm giảm hiệu quả nén chặt của cọc cát. Cát trong ống thường bị tơi ra do ảnh hưởng ma sát giữa cát và thành ống khi rút ống lên. Do đó, hai ông đã đề nghị dùng phương pháp thi công và thiết bị mới (hình 2.7). Đặc điểm của phương pháp này là không dùng ống thép mà chỉ dùng một chiếc cần thép, đầu cần gắn liền với mũi nhọn bằng thép cánh tự mở. Chiều dài cần lấy bằng 4,0 m, đường kính ở đầu mũi nhọn 30cm. Máy đầm loại B và máy kéo loại T T-75. Để chứa cát trong lúc thi công cọc người ta dùng loại thùng gỗ với kích thước như sau: 100 x 100 x 100 cm. 1- máy xúc; 2- cần trục; 3- thanh thép chữ U dẫn hướng; 4- máy chấn động; 5- thùng đựng cát; 6- mũi bằng thép tự mở; 7- đầu cần khoan; 8- cần khoan; 9- sườn bằng thép cứng; 10- sườn bằng thép cứng; 11- tời; 12- thiết bị thủy lực. Hình 2.8: Thiết bị đóng cọc cát không dùng ống thép Trình tự thi công gồm các bước sau: đặt thùng máy hở trên mặt đất, sau đó đặt cần khoan có đầu nhọn cánh khép kín trên cần khoan đặt máy đầm. Sau khi đổ đầy cát trong thùng thì bắt đầu cho máy đầm làm việc. Cần khoan có đầu nhọn sẽ xuyên vào lớp đất yếu đến chiều sâu thiết kế. Dưới tác dụng của máy đầm, cát sẽ nhồi đầy trong lỗ khoan. Khi đến chiều sâu thiết kế thì đóng máy đầm lại và bắt đầu rút cần khoan lên, các cánh thép ở đầu nhọn sẽ tự mở ra và cát sẽ tụt xuống tự do. Cuối cùng tiến hành đầm chặt từng lớp như trình bày ở trên. II.2.8/ KIỂM TRA NỀN CỌC CÁT SAU KHI THI CÔNG : Sau khi thi công xong cọc cát, cần tiến hành kiểm tra xác định trọng lượng thể tích, hệ số rỗng của đất, cũng như các chỉ tiêu cơ lý cần thiết khác ở khoảng cách giữa các cọc cát. Những trị số này yêu cầu phải phù hợp với các số liệu tính toán trong thiết kế. Để kiểm tra xác định các chỉ tiêu cơ lý trên ta thực hiện bằng những phương pháp sau: 1. Khoan lấy mẫu đất ở giữa các cọc cát để xác định trọng lượng riêng đất được nén chặt , hệ số rỗng nén chặt enc và c sau khi nén chặt, từ đó tính cường độ của nền đất được gia cố bằng cọc cát. 2. Dùng xuyên tiêu chuẩn để kiểm tra độ chặt của cát trong cọc cát và đất giữa các cọc cát. Nếu sức chống xuyên tĩnh pt >10.000 Kpa và sức kháng pđ >8000 Kpa thì nền cọc cát có độ chặt ID = 0,7 – 0,8. 3. Thử bàn nén tĩnh tại hiện trường, trên mặt nền cọc cát. Diện tích bàn nén thử tải thường phải lớn ( 4,0m) để chùm được ít nhất là 3 cọc cát và diện tích đất nén chặt giữa các cọc đó. Thông thường nếu thi công nền cọc cát tốt, đúng kỹ thuật thì cường độ của đất nền có thể tăng lên 2,0 - 2,5 lần so với trước khi thi được gia cố bằng cọc cát.