Tài liệu đề tài nghiên cứu biện pháp móng top - base xử lý nền đất yếu dưới móng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ----------***---------- BẠCH VĂN SỸ Đề tài: “Nghiên cứu biện pháp móng Top – Base xử lý nền đất yếu dưới móng tường chắn đất thuộc dự án đường Bờ Kè sông Cái – thành phố Nha Trang – Khánh Hòa”. CHUYÊN NGÀNH: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã số : 60.58.30 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VŨ THẾ SƠN Năm 2013 --1-PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 1. 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong những năm gần đây nền kinh tế của nước ta đạt độ tăng trưởng ổn định, đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện. Để đẩy nhanh việc phát triển kinh tế và nâng cao đời sống của nhân dân thì cơ sở hạ tầng thường phải đi trước một bước và được đầu tư rất nhiều tiền của. Một số dự án đã hoàn thành như đường cao tốc Hà Nội – Hải Phòng, đường cao tốc Sài Gòn – Trung Lương ... vv. Một số dự án đang được triển khai như đường cao tốc Long Thành – Dầu Dây, dự án cải tạo nâng cấp Quốc lộ 51, các dự án đường vành đai thuộc khu vực thành phố Hồ Chí Minh, dự án chỉnh trang đô thị khu vực sông Cái – thành phố Nha Trang ...vv. Trong những tuyến đường kể trên có nhiều đoạn đi qua khu vực có địa chất phức tạp, nền đất yếu... Các đoạn đường đi qua khu vực có địa chất đặc biệt này đã gây ra rất nhiều khó khăn trong công tác khảo sát thiết kế, thi công và đặc biệt chúng làm cho giá thành công trình được đẩy lên cao, do đó nhiều dự án đã bị dừng lại vì thiếu kỹ thuật, thiết các giải pháp hữu hiệu để thực hiện. Vấn đề này đặt ra câu hỏi cho các nhà khoa học, nhà quản lý, nhà thi công là phải đi tìm giải pháp nào cho việc giải quyết các vướng mắc ở trên. Để khắc phục những khó khăn cũng như giải quyết những câu hỏi đặt ra ở trên đã có rất nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu được đưa ra khi xây dựng công trình trên đất yếu như: biện pháp thay đất, gia cố đất, dùng cọc cát, giếng cát, bức thấm, cọc đất gia cố xi măng, cọc đá, cọc cừ tràm... hoặc sử dụng kết hợp nhiều giải pháp với nhau. Trong một vài năm gần đây một số dự án đã kiến nghị biện pháp móng Top – Base để thi công công trình trên đất yếu, bước đầu đã cho thấy tính hiệu quả việc gia tăng sức chịu tải cho đất, giảm độ lún và giảm thời gian thi công xây dựng. 1. 2. Ý nghĩa khoa học của luận văn: Trong hoàn cảnh cụ thể nào đó, việc lựa chọn một biện pháp xử lý nền đất yếu mang ý nghĩa quan trọng, vì kết quả tính toán của phương pháp đó phải phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật. Mặt khác, kết quả tính toán lại phụ thuộc nhiều vào phương pháp tính toán. Vì vậy, ý nghĩa khoa học của luận văn là đề cập tới phương pháp tính toán, trình tự thi công và cơ chế làm việc của móng Top – Base được sử dụng để gia cố nền đất yếu dưới móng công trình. Đồng thời cung cấp thêm những nhận định tổng quan về các biện pháp xử lý nền đất yếu sau này. --2-1. 3. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn: Ý nghĩa thực tiễn của luận văn là các kết quả nghiên cứu của luận văn hoàn toàn có thể áp dụng để thiết kế xử lý nền đất yếu dưới đáy móng công trình bằng biện pháp móng Top – Base nhằm mang lại hiệu quả về xử lý nền cũng như hiệu quả về kinh tế. 2. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nền đất yếu bão hòa nước thuộc địa chất khu vực ven sông Cái và biện pháp cải tạo đất yếu bằng phương pháp móng Top – Base dựa trên các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. 3. Phạm vi nghiên cứu: Biện pháp móng Top – Base là một biện pháp cải tạo đất yếu mới đưa vào áp dụng tại Việt Nam từ những năm 2008 và chủ yếu là xử lý nền đất yếu dưới móng của các công trình nhà dân dụng và công nghiệp. Tuy nhiên, ở đây luận văn nghiên cứu biện pháp cải tạo này áp dụng cho kết cấu tường chắn đất ven sông thuộc dự án đường Bờ Kè sông Cái – thành phố Nha Trang – tỉnh Khánh hòa. 4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Mục đích của luận án nhằm giới thiệu một cách tổng quát các phương pháp xử lý nền đất yếu khi tiến hành xây dựng công trình trên nền đất yếu. Trong đó biện pháp cải tạo đất yếu bằng móng Top – Base sẽ được xem xét, phân tích và tính toán một cách kỹ lưỡng, chi tiết hơn. Qua đó giúp cho người kỹ sư thiết kế cũng như nhà quản lý có cơ sở để lựa chọn và tìm ra giải pháp thiết kế một cách hiệu quả nhất. 5. Phương pháp nghiên cứu: Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp chuyên gia. Dựa trên những tài liệu có sẵn và bằng những tư duy logic để rút ra những kết luận khoa học cần thiết. Từ những kết luận đó kết hợp với bài toán thực tiễn để đánh giá và rút ra những kết luận đầy đủ và chính xác về đối tượng nghiên cứu. 6. Những hạn chế của luận văn và độ tin cậy của các số liệu: 6. 1. Những hạn chế của luận văn: Luận văn đã nghiên cứu khá chi tiết về phương pháp gia cố nền đất yếu mới đó là phương pháp móng Top – Base, mặt khác luận văn cũng chỉ ra những ưu việt cũng như những hạn chế của phương pháp gia cố này. Tuy nhiên, phần áp dụng vào thực tiễn luận văn tính toán gia cố cho một loại đất yếu đó là đất sét của nền địa chất sông Cái, tải trọng tính toán là tải trọng của kết cấu tường chắn, vì thế cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa cho --3-các loại đất yếu khác nhau ứng với từng loại tải trọng khác nhau. Kết quả tính toán được dựa vào phương pháp giải tích, chưa được kiểm toán lại bằng các phần mềm tính toán gia cố nền chuyên dụng. 6. 2. Độ tin cậy của các số liệu: Số liệu tính toán hoàn toàn dựa vào nền địa chất được khảo sát thực thế cùng với phương pháp tính toán đã được kiểm nghiệm và công bố nên kết quả tính toán của luận văn có thể tin cậy được. Kết quả tính toán xử lý nền cho công trình cụ thể hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra. 7. Kết cấu của luận văn: Kết cấu của luận văn gồm có: Phần mở đầu: Nêu tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Chương 1: Tổng quan về các biện pháp xử lý nền đất yếu. Trình bày một cách tổng quát về các biện pháp xử lý nền đất yếu hiện nay, ưu nhược điểm và phương pháp tính toán của chúng. Đồng thời chọn nội dung nghiên cứu của luận văn. Chương 2: Cơ sở tính toán biện pháp xử lý nền đất yếu bằng móng Top – Base. Trong chương này mục đích trình bày chi tiết về cơ sở tính toán và biện pháp thi công móng Top – Base hiện nay. Chương 3: Thiết kế biện pháp xử lý nền đất yếu dưới móng tường chắn đất thuộc dự án đường Bờ Kè sông Cái. Trong chương này tác giả trình bày nội dung tính toán xử lý nền đất yếu bằng móng Top – Base khi áp dụng vào bài toán cụ thể là xử lý nền đất yếu dưới móng tường chắn đất, phục vụ cho việc chắn đất nền đường giúp đảm bảo ổn định của nền đường ven sông, đồng thời so sánh với giải pháp thiết kế hiện hữu là sử dụng cọc bê tông cốt thép. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. Trình bày những kết luận và kiến nghị của tác giả khi nghiên cứu về biện pháp xử lý nền đất yếu bằng móng Top – Base. --4-CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1. Khái niệm về đất yếu: Đất yếu là những loại đất có khả năng chịu lực thấp (0.5 – 1 kG/cm2), hầu như hoàn toàn bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (thường e >1), hệ số nén lún lớn, modul biến dạng bé (E0 < 50kG/cm2)[18]. Giá trị sức chống cắt không đáng kể. Công trình xây dựng trên nền đất yếu phải có biện pháp xử lý, nếu không thì sau khi xây dựng công trình khó có khả năng đứng vững trong suốt thời kỳ khai thác. Theo quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu 22TCN 262-2000 thì đất yếu có nguồn góc chủ yếu từ khoáng vật và nguồn gốc hữu cơ.  Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ…; loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10 - 12 %) nên có thể có màu nâu đen, xám đen, có mùi. Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e ≥ 1.5, á sét e ≥1), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát ϕ từ 0 - 10° hoặc lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu ≤ 0.35 daN/cm2. Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1, độ bão hòa G > 0.8).  Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật. Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 - 80%, thường có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật). Đối với loại này được xác định là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặc trưng sức chống cắt của chúng cũng đạt các trị số như nói ở trên. Ở Việt Nam, đất yếu chủ yếu phân bố ở vùng đồng bằng. Các công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi thường gặp rất nhiều khó khăn khi xây dựng trên khu vực đất yếu. Vì vậy, việc xử lý nền đất yếu trước khi xây dựng là một yêu cầu tất yếu. 1.2. Các phương pháp gia cố nền đất yếu: 1.2.1. Khái niệm: --5-Công trình xây dựng khi tiến hành xây dựng trên nền địa chất yếu sẽ phát sinh biến dạng lún gây nên sự hoạt động không bình thường của kết cấu bên trên, nguyên nhân là do nền đất yếu không đủ khả năng chịu lực, phát sinh biến dạng lún lớn. Chính vì vậy khi xây dựng công trình lên nền đất yếu người ta thường phải có các biện pháp xử lý dựa vào các yêu cầu sau[8]:  Đảm bảo yêu cầu về mặt cường độ: Nền đất yếu sau khi được áp dụng các biện pháp xử lý thì cần phải đủ cường độ hay nói cách khác là cần phải đủ sức chịu tải, không phát sinh hiện tượng phá hoại cắt hoặc trượt khi tiến hành xây dựng bên trên trong suốt quá trình thi công cũng như khai thác.  Đảm bảo yêu cầu về độ lún: phải tính toán được độ lún của nền cũng như của công trình để từ đó có biện pháp xử lý thích hợp. 1.2.2. Các phương pháp gia cố nền đất yếu: 1.2.2.1. Phương pháp thay đất đệm cát: a. Phạm vi áp dụng. Thay đất là biện pháp thay nền đất yếu bằng các loại vật liệu có cường độ chống cắt lớn như cát, cát sỏi, đất tốt… lớp đệm cát sử dụng hiệu quả nhất khi lớp đất yếu là đất sét bão hòa nước và có chiều dày nhỏ hơn 3m. Việc thay đất bằng đệm cát thường có tấc dụng chính sau đây:  Giảm độ lún của nền công trình và độ lún không đều, đồng thời làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền (vì cát có hệ số thấm lớn).  Làm tăng khả năng ổn định của công trình kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng vì cát được nén chặt sẽ tăng lực ma sát và tăng khả năng chống trượt.  Kích thước kết cấu móng, nền đắp và chiều sâu chôn móng giảm do sức chịu tải của nền đất tăng lên.  Thi công đơn giản, không đòi hỏi thiết bị nhiều nên được sử dụng tương đối rộng rãi ở nước ta. Với ưu điểm tăng độ ổn định của nền đất, giảm lún. Tuy nhiên, việc thay đất bằng đệm cát cũng có những hạn chế nhất định và thường không sử dụng trong các trương hợp sau:  Lớp đất yếu cần thay thế quá dày, chiều dày trên 3m. Vì khi đó thi công khó khăn, chi thi công phí lớn. --6- Mực nước ngầm cao và nước có áp, vì cần phải hạ thấp mực nước ngầm và tầng đệm cát sẽ không ổn định do dễ xuất hiện hiện tượng xói ngầm và hóa lỏng của cát. b. Nguyên lý tính toán thiết kế. Việc tính toán thiết kế lớp đệm cát , yêu cầu phải đảm bảo các điều kiện sau:  Lớp đệm cát ổn định dưới tác dụng của tải trọng công trình  Áp lực trên mặt lớp đất ở đáy lớp đệm do tải trọng công trình phải nhỏ hơn áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đất đó.  Độ lún của toàn bộ lớp đệm và lớp đất nằm dưới cũng như độ lún không đều của móng phải nhỏ hơn giá trị giới hạn quy định trong quy phạm thiết kế nền. Công tác thiết kế đệm cát bao gồm các công việc sau: xác định kích thước lớp đệm, độ lún toàn bộ móng xây trên đệm và vật liệu làm lớp đệm.  d Hình 1.1: Sơ đồ thiết kế đệm cát  Xác định kích thước đệm cát: Việc xác định kích thước đệm cát là một bài toán rất phức tạp vì lớp đệm cát và lớp đất yếu dưới lớp đệm cát có tính chất hoàn toàn khác nhau, lớp đệm cát có kích thước giới hạn còn lớp đệm cát có kích thước vô hạn nên trạng thái ứng suất phân bố là hoàn toàn khác nhau. Ở Việt Nam hiện nay thường sử dụng phương pháp gần đúng để xác định kích thước của đệm cát. Kích thước đệm cát được thiết kế theo điều kiện biến dạng của đất nền phải thõa mãn biểu thức sau:  1   2  Rtc Trong đó: σ1 - ứng suất thường xuyên do trọng lượng bản thân đất nền và đệm cát tác dụng trên mặt đất yếu dưới đáy lớp đệm. --7-σ2 - ứng suất do tải trọng công trình gây ra trên mặt lớp đất yếu dưới đáy lớp đệm cát. Rtc – áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đất yếu dưới đáy lớp đệm cát, được xác định theo công thức của quy phạm.   Rtc  A.bmq  Bhm  hd   tb  D.c Với: A, B, D - hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào góc ma sát trong φ của đất bmq – chiều rộng móng quy ước. γtb – trọng lượng thể tích trung bình của các lớp đất từ mặt đất tự nhiên đến đáy lớp đệm cát, có xét tới áp lực đẩy nổi của nước. c – cường độ lực dính của đất hd – chiều dày lớp đệm cát  Độ lún S dưới móng công trình: Được xác định theo biểu thức sau: S = S1 + S2 < [S] Trong đó: S1 – độ lún của đệm cát S2 – độ lún các lớp đất dưới đệm cát Sau khi xác định chiều dày lớp đệm cát cần tính toán lại theo điều kiện về độ lún S. c. Phương pháp thi công. Chất lượng lớp đệm cát phụ thuộc vào loại cát và chất lượng thi công đệm cát. Đệm cát được đánh giá theo chỉ tiêu độ chặt thông qua hệ số rỗng e hoặc độ chặt tương đối D. Còn chiều dày đầm lèn đệm cát phụ thuộc vào loại thiết bị đầm nén và tải trọng đầm nén. Để đảm bảo độ chặt theo yêu cầu thì độ ẩm tốt nhất của cát trong lớp đệm cát phải thõa mãn công thức: W 0.7e %  Trong đó: e – hệ số rỗng của cát trước khi đầm nén. Δ – tỷ trọng hạt của cát. Theo kinh nghiệm thi công thì độ ẩm tốt nhất có thể được lấy như sau:  Với cát hạt nhỏ: W = 21.7 – 22.5%  Với cát hạt trung: W = 15.5 – 17% Khi thi công xong đệm cát cần tiến hành kiểm tra độ chặt bằng các phương pháp quy định trong quy phạm. --8-1.2.2.2. Phương pháp lèn chặt đất bằng cọc cát: a. Phạm vi áp dụng: Cọc cát là một giải pháp xử lý nền đất yếu áp dụng phổ biến đối với các trường hợp công trình có tải trọng không lớn với chiều dày lớp đất yếu tương đối lớn. Nó có các tác dụng sau:  Làm tăng nhanh quá trình thoát nước lỗ rỗng, dẫn đến quá trình cố kết của nền đất yếu được nhanh hơn, làm cho độ lún của nền đất nhanh đạt tới trạng thái ổn định.  Đất được nén chặt thêm, độ rỗng của đất giảm và cường độ của nền phức hợp (gồm cọc cát và đất giữa cọc cát) được tăng lên.  Thi công đơn giản bằng các vật liệu rẻ tiền như cát thô, sỏi sạn nên chi phí thấp hơn so với đệm cát và các loại móng cọc. Cọc cát dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày lớn hơn 3m. Cọc cát có ưu điểm là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất. Tuy nhiên, cọc cát không nên dùng với trường hợp nền đất yếu quá nhão và khi chiều dày lớp đất yếu mỏng. b. Nguyên lý tính toán:  Xác định hệ số rỗng thiết kế etk: Độ lèn chặt của đất được đánh giá bằng độ giảm hệ số rỗng Δe: Δe = e0 – etk Trong đó: e0 – hệ số rỗng tự nhiên của đất. etk – hệ số rỗng của đất nền khi lèn chặt, nó phụ thuộc vào loại đất nền.  Với nền đất cát : etk  emax  D.(emax  emin )  Với nền đất dính: etk  h  n .100 Wd  0.5 A Với: D – độ chặt tương đối emax, emin – hệ số rỗng nhỏ nhất và lớn nhất của cát nền Wd – độ ẩm giới hạn dẻo A – chỉ số dẻo của đất  Diện tích nền được lèn chặt: Diện tích nền được lèn chặt tính theo công thức: Fn = (b +2c)(l+2c) --9-Trong đó: b, l – bề rộng và chiều dai móng c = 0.1b nhưng không nhỏ hơn 0.5m  Diện tích tiết diện cọc cát trong 1m2 diện tích nền:  Fc e0  etk , với Fc – tổng diện tích các tiết diện cọc cát, Fn – diện tích  Fn 1  e0 nền.  Số lượng cọc trong nền: xác định theo công thức: N    Fn , fc – diện tích mặt cắt ngang cọc cát fc Khoảng cách L giữa các cọc: L  0.952  tk  tk   0 Với: γ0 – trọng lượng thể tích tự nhiên của đất γtk – trọng lượng thể tích của đất sau khi lèn chặt  Chiều sâu lèn chặt: Chiều sâu lèn chặt lấy bằng chiều sâu lớp đất ép co của nền, nhưng không nhỏ hơn 2b đối với móng chữ nhật, (3- 4)b đối với móng băng. c. Thi công cọc cát: Quá trình thi công cọc cát thường trải qua các bước sau: làm lớp đệm cát, tạo lỗ trong đất yếu, rót cát vào lỗ đầm chặt. Trước khi thi công cọc cát người ta thường làm lớp đệm dày tối thiều 50cm, lớp đệm này có tác dụng tạo phẳng mặt thi công và thoát nước trong các cọc cát ra ngoài. Hiện nay công nghệ thi công cọc cát thường dùng bằng máy tạo lỗ cọc chuyên dụng. Máy ấn ống thép (đường kính 40 – 50cm) vào đất đến độ sâu thiết kế. Khi ấn, đầu ống thép đóng lại, sau đó nhấc bộ phận chấn động ra, nhồi cát vào và đổ cao chừng 1m. Rồi đặt máy chấn động và rung khoảng 15 – 20s, tiếp theo bỏ máy chấn động ra và rút ống lên khoảng 0.5m, rồi lại đặt máy chấn động vào rung khoảng 10 – 15s để cho đầu cọc của ống mở ra và cát tụt xuống. Sau đó rút ống lên dần dần với vận tốc đều, vừa rút vừa rung cho cát được làm chặt. Sau khi thi công xong cọc cát cần kiểm tra lại bằng phương pháp xuyên tiêu chuẩn, thử bàn nén tĩnh hoặc khoan lấy mẫu để xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất sau khi lèn chặt bằng cọc cát. --10-1.2.2.3. Phương pháp gia tải nén trước: Khi tiến hành xây dựng công trình trên nền đất yếu bão hòa nước như bùn, than bùn, sét, á sét dẻo vv… thì áp dụng biện pháp cọc cát đơn thuần ít có tác dụng vì đất dính bão hòa nước là loại đất có đặc điểm là cố kết kéo dài theo thời gian. Vì vậy, muốn quá trình cố kết diễn ra nhanh chóng, nền đất nhanh đạt sức chịu tải thiết kế thì cần phải có hệ thống nén trước để đẩy nhanh quá trình cố kết nói trên. Phương pháp gia tải nén trước được sử dụng nhằm mục đích:  Làm tăng sức chịu tải của đất nền.  Tăng nhanh thời gian cố kết, làm cho độ lún nhanh đạt tới độ ổn định. Muốn đạt được điều đó cần phải tiến hành chất tải trọng bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự định thiết kế lê nền đất yếu đê nền chịu tải và lún trước khi tiến hành xây dựng thực. Hiện nay để tăng nhanh tốc độ cố kết thoát nước người ta sử dụng kết hợp gia tải với cọc cát, giếng cát hoặc bấc thấm.  Phương pháp nén trước không dùng giếng thoát nước: Phương pháp này sử dụng khi cấu tạo địa chất tự nhiên ở vùng xây dựng đã có các lớp thoát nước cho lớp đất yếu cần gia cố. Để đảm bảo điều kiện thoát nước tốt thì tốt nhất chiều dày tầng đất yếu không nên vượt quá 3m, còn áp lực nén trước sinh ra do chất tải thì nên lấy bằng hoặc lớn hơn khoảng 20% tải trọng thiết kế vì nếu chọn quá lớn thì nền đất yếu sẽ dễ phát sinh biến dạng trượt, gây nên sự phá hoại không cần thiết. Quá trình gia tải có thể tiến hành theo hai cách sau đây:  Chất tải trọng nén trước ngay trên mặt đất, tại vị trí sẽ xây móng sau này. Đợi một thời gian để độ lún đạt tới độ ổn định sau đó dở tải ra rồi đào móng để thi công.  Có thể xây dựng trước móng sau đó chất tải lên móng cho nó lún trước đạt tới độ ổn định sau đó dở tải ra rồi tiến hành xây dựng kết cấu lên trên. Trong cả hai trường hợp trên, phải chất tải dần dần theo từng cấp, đồng thời cần phải đặt mốc quan trắc theo dõi độ lún của nền và móng. Nếu thời gian cố kết quá dài, độ lún không đạt tới độ ổn định thì chứng tỏ giải pháp nén trước không dùng giếng thoát nước là chưa đạt yêu cầu. Khi đó cần dùng thêm biện pháp gia tải kết hợp với giếng cát hoặc bấc thấm. --11-- Hình 1.2: Các điều kiện địa chất công trình để dùng phương pháp gia tải nén trước không dùng giếng thoát nước  Phương pháp nén trước dùng giếng cát thoát nước: Việc sử dụng giếng cát là để thoát nước nhanh cho tầng đất yếu phía dưới. Vì vậy, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh chóng đồng thời thời gian đạt tới độ lún ổn định của nền đất được rút ngắn. 1.2.2.4. Phương pháp cọc đất gia cố xi măng/ vôi: a. Đặc điểm và phạm vi sử dụng: Gia cố bằng cọc đất xi măng/vôi là phương pháp cải tạo sâu làm tăng độ ổn định của nền đất yếu bằng phương pháp trộn khô hoặc trộn ướt các chất kết dính với đất tạo thành một trụ đất xi măng hoặc vôi. Phương pháp này có thể cải tạo một phần hoặc toàn bộ chiều dày của nền đất yếu tùy thuộc vào tải trọng của công trình. Phương pháp cọc đất xi măng/vôi được sử dụng nhằm mục đích sau:  Tăng độ bền của kết cấu đất cần được cải tạo nhằm để tăng độ ổn định của khối đất đắp, tăng khả năng chịu tải trọng, ngăn chặn hiện tượng hóa lỏng của nền đất.  Cải tạo tính chất biến dạng của đất yếu thông qua việc giảm độ lún của nền, giảm thời gian chờ lún cố kết của nền đất, từ đó giảm thời gian thi công của công trình. b. Nguyên lý thiết kế: Đất xử lý trộn sâu được thiết kế sao cho công trình xây dựng đạt các yêu cầu về tính khả thi, tính kinh tế và ổn định lâu dài, chịu được các tác động cũng như các ảnh hưởng trong quá trình thi công và sử dụng, tức là thõa mãn các điều kiện về trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng. --12-Công tác thiết kế thường sử dụng phương pháp lặp, trong đó kết quả của các phương pháp thí nghiệm, kiểm tra là rất quan trọng. Thiết kế sơ bộ dựa trên kết quả thí nghiệm mẫu trộn trong phòng, tương quan cường độ nén không nở hông giữa mẫu thân trụ ở hiện trường và mẫu trộn trong phòng thí nghiệm có thể chọn theo kinh nghiệm từ 0.2 – 0.5 tùy theo loại đất và tỷ lệ trộn. Nếu kết quả thí nghiệm hiện trường không đáp ứng yêu cầu thì cần phải điều chỉnh thiết kế công nghệ và khi cần thiết có thể điều chỉnh cả thiết kế chức năng. Quy trình thiết kế có thể thực hiện theo trình tự sau:  Khảo sát địa chất khu vực đất yếu cần gia cố, thí nghiệm xác định hàm lượng chất kết dính xi măng/vôi thích hợp trong phòng thí nghiệm.  Thiết kế sơ bộ nền gia cố theo điều kiện tải trọng tác dụng của kết cấu bên trên.  Thi công trụ thử bằng thiết bị dự kiến sử dụng  Tiến hành thí nghiệm kiểm tra (xuyên tĩnh, nén tĩnh, lấy mẫu, xuyên cánh vv…)  So sánh lại với các kết quả thí nghiệm trong phòng, đánh giá lại các chỉ tiêu cần thiết.  Điều chỉnh thiết kế (hàm lượng chất gia cố, chiều dài cọc, khoảng cách giữa các cọc …)  Thi công đại trà theo công nghệ đã đạt yêu cầu và kiểm tra chất lượng để tiến hành nghiệm thu. c. Phương pháp thi công: Hiện nay, phương pháp gia cường cải tạo đất có hai loại: phương pháp phun trộn khô, phương pháp phun trộn ướt.  Phương pháp phun trộn khô: phương pháp này, bột xi măng hoặc vôi bột sống được phụt sâu vào lòng đất thông qua ống khí nén, sau đó các bột này được trộn một cách cơ học nhờ thiết bị cánh quay. Với phương pháp trộn khô, không cho thêm nước vào trong đất nền hiệu quả sẽ cao hơn phương pháp phun vữa. Khi dùng vôi sống, quá trình thủy phân sẽ tạo ra lượng nhiệt làm khô đất xung quanh, do đó công tác cải tạo sẽ có kết quả hơn. Hiện nay, bằng thiết bị máy móc hiện đại cọc đất xi măng có thể trộn với chiều sâu 40m. --13- Phương pháp phun trộn ướt: với phương pháp này vữa sẽ được phun vào nền đất sét với áp lực 20kPa bằng một vòi phun xoay. Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị thi công nhẹ nên có thể di chuyển dễ dàng trong công trường. Nhược điểm của phương pháp là đường kính của cọc đất thay đổi theo độ sâu tùy theo độ bền cắt của đất nền. 1.2.2.5. Phương pháp bơm hút chân không. Nguyên lý của giải pháp bơm hút chân không là dùng bơm hút để tạo một khoảng chân không giữa một màng kín phủ phía trên với khu vực đất yếu cần xử lý ở phía dưới. Nhờ lực hút chân không mà nước cố kết theo các phương tiện thoát nước thẳng đứng và băng thoát nước ngang ra ngoài hào thu nước được bố trí 2 bên. Thông thường giải pháp này tạo được một áp lực có hiệu trong đất yếu tối đa tương đương với một chiều cao đắp bằng 4m nhưng nhờ bơm hút nên cố kết đạt được nhanh hơn rất nhiều so với việc đắp cao hơn 4m rồi chờ cho đến cố kết xong . Hơn nữa so với việc đắp trực tiếp rồi chờ còn có lợi là sẽ không bị rủi ro trong quá trình đắp khi tốc độ cố kết không tăng kịp với tốc độ đắp đất. Gần đây công nghệ phát triển thêm một bước là không cần màng phủ kín mà dùng các đầu nối trực tiếp ống bơm hút với từng phương tiện thoát nước thẳng đứng với điều kiện là mỗi chổ nối tiếp phải đảm bảo kín tuyệt đối vì nếu mối nối hở thì sẽ mất áp lực chân không nên nước sẽ không được thoát ra ngoài. Ưu điểm chính của phương pháp này là giảm được thời gian chờ cố kết xuống đến mức ít nhất, tùy thuộc vào năng lực bơm hút đồng thời đảm bảo không xảy ra hiện tượng lún khi đưa công trình vào khai thác. Bên cạnh những ưu điểm thì nó có những nhược điểm sau:  Chiều cao đắp phía trên chỉ được có 4m tương đương với áp lực 80kPa hay nói cách khác năng lực bơm hút bị hạn chế, thời gian bơm hút hoàn toàn dựa vào thiết bị thi công  Chi phí tốn kém  Rủi ro thường bị rò rỉ khí chổ nối tiếp hoặc do màng phủ không đảm bảo đủ kín  Chỉ áp dụng được ở những nơi đất rất yếu và không thể gia tải phía trên. --14-1.2.2.6. Phương pháp móng Top – Base. Phương pháp Top - Base được sử dụng lần đầu tiên tại Nhật Bản vào những năm 80 của thế kỷ XX. Trong thời gian đầu thì giải pháp này không được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Sau trận động đất lớn ở Chiba Nhật Bản vào năm 1987, người Nhật nhận thấy sự bền vững của những công trình được sử dụng phương pháp Top - Base. Từ đó họ bắt đầu tập trung nghiên cứu và phát triển chúng. Top - Base đã trở thành một thuật ngữ quốc tế dưới tên gọi Phương pháp móng cọc đài phễu (Top - Base Method). Với việc chế tạo hàng loạt những Top-Block bằng bê tông trong nhà máy, Phương pháp Top - Base dễ dàng được sử dụng trong nhiều công trình tại Nhật Bản. Tuy nhiên, mỗi Top-Block nặng khoảng 75kg, việc vận chuyển chúng đến công trường rất phức tạp và đòi hỏi thi công bằng các thiết bị lớn. Nhận thấy tính ưu việt của Phương pháp Top - Base, các kỹ sư Hàn Quốc nhanh chóng nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến mạnh mẽ công nghệ này. Thay cho việc đúc sẵn trong nhà máy, Top-Block được đổ ngay tại hiện trường với những khuôn nhựa được làm từ rác thải tái chế. Những cải tiến này góp phần giảm giá thành cũng như rút ngắn thời gian thi công và xử lý được một phần chất thải rắn khó phân huỷ. Năm 1995, Bộ giao thông xây dựng Hàn Quốc đã kiểm định và cho phép áp dụng rộng rãi Phương pháp Top - Base trên toàn lãnh thổ Hàn Quốc. Móng Top-Base được cấu tạo từ các khối bê tông hình phễu xen giữa là lớp vật liệu rời giúp cho các khối bê tông hình phễu đó thêm vững chắc đồng thời tham gia một phần vào quá trình tiếp nhận tải trọng của công trình bên trên thông qua việc hạn chế biến dạng ngang. Hình 1.3: Cấu tạo nền Top –Base[1] Tính ưu việt của phương pháp Top-Base:  Đảm bảo an toàn cho tải trọng đặt trên nền đất yếu. --15- Giảm độ lún tổng thể và lún lệch của công trình, đồng thời tăng khả năng chịu tải của nền ban đầu.  Hoàn toàn loại bỏ được ảnh hưởng xấu đến việc xây dựng do tiếng ồn và chấn động gây ra.  Có khả năng thi công ở nơi chật hẹp ngay cả trong công trình đã xây dựng.  Thi công tiện lợi không cần thiết bị đặc biệt.  Giảm thời gian thi công và giá thành xây dựng.  Thân thiện với môi trường. 1.3. Kết luận: Trong các nội dung đã trình bày ở trên, tác giả đã giới thiệu, phân tích một số biện pháp gia cố và cải tạo nền đất yếu. Trong mỗi biện pháp đã phân tích, trình bày một cách cụ thể những ưu nhược điểm, phạm vị ứng dụng…đồng thời cũng giới thiệu phương pháp tính toán và thi công một số giải pháp gia cố nền đất yếu. Ngày nay, trong xây dựng đặc biệt là xây dựng cầu đường với đặc điểm là công trình trải dài theo tuyến nên việc đi qua vùng địa chất yếu là vấn đề thường gặp. Vấn đề ở chổ là phải biết nhìn nhận và đánh giá những ưu nhược điểm của phương pháp để lựa chọn ra một giải pháp gia cố hợp lý với điều kiện cụ thể của công trình. 1.4. Lựa chọn nội dung nghiên cứu: 1.4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu: Phương pháp móng Top – Base là phương pháp cải tạo nền đất yếu được sử dụng rất lâu trên thế giới, đặc biệt là ở Nhật Bản và Hàn Quốc, ở Việt Nam mới bắt đầu sử dụng từ năm 2008. Đến nay thì đã có rất nhiều công trình áp dụng phương pháp này ở nước ta, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp. Còn trong lĩnh cầu đường thì hiện nay còn phải nghiên cứu và có đánh giá cụ thể. Phương pháp đã được áp dụng tại một số công trình cụ thể nhưng phương pháp lại chưa có một hướng dẫn thiết kế và thi công rõ ràng. Do đó để có được đánh giá cụ thể về phương pháp chúng ta cần phải giải quyết một số nội dung sau:  Kiểm tra tính ứng dụng của phương pháp trong điều kiện địa chất ở nước ta.  Đánh giá mức độ hợp lý của phương pháp khi áp dụng vào một công trình cụ thể có tính chất trải dài theo tuyến. --16- Tiến tới ban hành những hướng dẫn cụ thể về thiết kế và thi công móng Top – Base. 1.4.2. Lựa chọn nội dung nghiên cứu: Phương pháp này đã được chuyển giao cho công ty Tadits tại Việt Nam vào năm 2008. Tuy nhiên những tài liệu cụ thể về tính toán thiết kế và thi công lưu hành còn rất ít. Vì vậy, để nghiên cứu và áp dụng phương pháp này một cách có hiệu quả về kỹ thuật lẫn kinh tế thì cần phải có nhiều thời gian và cần phải kết hợp với tính toán trong phòng và kiểm tra thông qua kết quả thí nghiệm hiện trường, đồng thời cần có những tập hợp, đánh giá qua những công trình đã hoàn thiện thi công. Trong khuôn khổ của luận án này tôi chỉ nghiên cứu các vấn đề về nguyên lý thiết kế và biện pháp thi công móng Top – Base, đồng thời áp dụng phương pháp vào tính toán cụ thể một công trình được xây dựng trên nền địa chất yếu. --17-CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG MÓNG TOP – BASE 2.1. Giới thiệu chung: Trong những năm gần đây một phương pháp xử lý nền móng mới đã thu hút sự chú ý của các kỹ sư xây dựng ở Nhật Bản và Hàn quốc đó là phương pháp móng Top – Base (Top – Base Method hay còn gọi là móng phểu). Phương pháp này dùng cho việc xử lý móng công trình ở nơi có địa chất yếu, hiệu quả của việc sử dụng phương pháp TBM (Top – Base Method) là độ lún tổng thể của công trình giảm và sức chịu tải của nền đất tăng lên. Phương pháp Top – Base Method (TBM) sử dụng các khối bê tông có dạng con quay (hay Top-Block) sắp xếp liên tục trên nền đất tạo ra một tầng đệm (gọi là lớp Top – Base) giữa móng công trình với nền đất thực sự. Lỗ rỗng giữa các khối bê tông được chèn lấp bằng vật liệu rời đầm chặt (thông thường sử dụng đá dăm). Mặt cắt ngang một lớp Top – Base (Hình2.1). Nền có thể được gia cố bằng một hoặc hai lớp Top – Base. Hình 2.1: Mặt cắt ngang một lớp Top-Base[1][9] Hiện nay trong thực tế thường sử dụng loại Top – Block có đường kính 33cm và 50cm để xử lý nền đất yếu dưới đáy móng công trình. Theo kết quả nghiên cứu của các nước đã sử dụng phương pháp TBM trong việc xử lý nền đất yếu thì phương pháp móng TBM là có thể tăng sức chịu tải của nền đất lên đến 200%, giảm độ lún còn 15% – 30% so với nền đất yếu khi không sử dụng biện pháp xử lý[1][9]. 2.2. Phạm vi áp dụng: --18-2.2.1. Tình hình áp dụng trên thế giới: Công nghệ Top-Base vốn được coi là một bước đột phá về công nghệ xây dựng , đã được hoàn thiện và áp dụng thành công trên nền đất yếu hơn 30 năm ở Nhật Bản, Hàn Quốc. Công nghệ Top-Base được phát minh tại Nhật Bản vào những năm 1980, trong thời gian này công nghệ mới Top –Base đã dành được sự tín nhiệm rất cao của các kỹ sư xây dựng và được ứng dụng rộng rãi tại Nhật Bản với hơn 6000 công trình được xây dựng trên nền đất Top-Base. Các công trình xây dựng trên nền Top- Base đã qua được các trận động đất khủng khiếp tại Chiba năm 1987 và Kobe năm 1995 mà hầu như không bị hư hại gì. Nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được tiến hành để lý giải hiệu quả của phương pháp và đã được công bố trên các tạp chí Địa kỹ thuật của Nhật bản cũng như tại các hội thảo quốc tế về xử lý nền. Đầu những năm 1990 công nghệ được nghiên cứu ứng dụng tại Hàn Quốc và đã có nhiều phát minh quan trọng kể từ đó, đặc biệt trong lĩnh vực thi công. Các cải tiến của Hàn Quốc đã làm cho Top-Base trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn trong thi công, thân thiện với môi trường và đặc biệt giá thành hạ một cách thuyết phục . Với hơn 2000 công trình ở Hàn Quốc được xây dựng trên nền Top- Base vào những năm 1990, riêng năm 2007 đã có hơn 8 triệu khối bê tông Top-Block được sử dụng tương đương với 2 triệu m2 đất nền được gia cố. Nền Top-Base được sử dụng cho nền đất yếu để tăng cường khả năng chịu tải của nền đất và giảm kết cấu móng. Nhờ những ưu việt của phương pháp mới mang lại mà sau này được công ty Banseok Top-Base Co., Ltd tiếp tục nghiên cứu và phát triển với trung tâm nghiên cứu chính đặt tại trường đại học Dankook. Móng Top-Base là một lớp vật liệu nhân tạo được bố trí bên dưới kết cấu móng và bên trên nền đất tự nhiên nhằm làm tăng khả năng tiếp nhận tải trọng của đất nền và làm giảm độ lún của móng, giảm thời gian cố kết lún của đất. Thành phần chủ yếu là những chiếc phễu làm từ nhựa tái chế thay cho cốp pha như trong các phương pháp thi công Hình 2.1: Mặt cắt lớp Top-Base[1] truyền thống thường áp dụng. Top-Base là phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cách đặt các khối bê tông hình phễu Top-Block lên bề mặt của nền đất nguyên dạng và chèn đầm chặt đá dăm lấp đầy --19-vào khe trống giữa các Top-Block này để tạo thành kết cấu nền cho móng nông. Những kết quả đo lường từ thực tế sử dụng cho thấy công nghệ Top-Base cho phép giảm kết cấu móng chỉ còn 1/10 tới 1/2(hoặc hơn nữa). Có 2 phương pháp thi công Top-Base, đó là thi công tại nhà máy các Top-Block đúc sẵn (công nghệ Nhật Bản) và Top-Base đổ tại chỗ (công nghệ Hàn Quốc). Phương pháp đổ tại chỗ ứng dụng nhiều ở Việt Nam được thực hiện bằng cách đặt các phễu được kết nối chặt chẽ với nhau tại vị trí thi công, sau đó đặt hệ lưới thép dưới, đổ bê tông hoặc vữa lỏng vào phễu , đầm chặt đá dăm vào các khoảng không gian giữa các khối TopBlock , đặt lưới thép trên… Trong một Top-Block khối bê tông hình nón ở trên có góc nghiêng 45o có tác dụng phân phối ứng suất, khối bê tông hình trụ đỉnh chóp ở dưới có tác dụng ngăn sự biến dạng ngang. Công nghệ mới móng Top-Base có tính đột phá nhờ chi phí rất thấp bởi thời gian thi công ngắn cũng như sử dụng những vật liệu thi công rẻ tiền, dễ vận chuyển đến công trường và phương pháp thi công đơn giản đồng thời giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường thông qua việc sử dụng tái chế các vật liệu nhựa phế thải để làm khuôn. Cơ chế cải tạo đất bằng Top-Base : Phân bố đều ứng suất trong nền , tập trung ứng suất gần đáy móng, hạn chế biến dạng ngang-khắc phục cơ chế phá hoại do trượt cục bộ thành phá hoại do trượt sâu. Một số công trình điển hình ở Nhật Bản và Hàn Quốc áp dụng phương pháp móng Top-Base: Hình 2.2: Bãi chứa container ở Kwangyang[1] Hình 2.3: Cống hộp tại đại lộ Iksan[1] Hình 2.4: Tường chắn đất ở Busan[1]