Tài liệu Phương pháp top - base

MỤC LỤC MỞ ĐẦU...........................................................................................................4 * Tính cấp thiết của đề tài:...........................................................................4 * Mục đích nghiên cứu:................................................................................4 * Phạm vi nghiên cứu:..................................................................................4 * Nội dung và phương pháp nghiên cứu:.....................................................5 * Lịch sử hình thành và phát triển:...............................................................5 * Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:.................................................6 Chương 1: Giới thiệu chung Top-Base...........................................................7 1.1. Lời nói đầu [15]:.....................................................................................7 1.2. Hình dạng và kích thước của Top-Block [15]:.......................................8 1.3. Phương pháp thi công:..........................................................................10 1.4. Tính ưu việt và phạm vi ứng dụng của phương pháp Top-Base [15]:. 11 1.4.1. Tính ưu việt của phương pháp Top-base:......................................11 1.4.2. Phạm vi ứng dụng của phương pháp Top-base:............................11 1.5. Đặc điểm cơ lý của phương pháp Top-base [15]:................................12 1.6. Công tác đào đất:..................................................................................18 1.7. Công tác lắp đặt Top-block:.................................................................19 1.8. Đổ bêtông tại chỗ:................................................................................21 1.9. Chèn đá dăm:........................................................................................22 1.10. Liên kết khoá đỉnh các khối phễu:.....................................................23 1.11. Cách xử lý một vài tình huống trong quá trình thi công Top-base:.. .25 1.11.1. Chèn đá dăm chưa đạt yêu cầu (do lượng đá dăm chưa đủ).......25 1.11.2. Khi đặt Top base trên nền đất rất yếu:........................................26 1.11.3. Trường hợp hố móng quá sâu:....................................................26 1.11.4. Trường hợp đặt Top-base trên các độ cao khác nhau:................26 1.11.5. Trường hợp đặt Top-base trên nền đất đắp.................................27 1.12. Nghiệm thu thi công Top-base:..........................................................27 1.13. Một số ví dụ thực hành xây dựng [15]:..............................................28 1.14. Các điểm cần lưu ý:............................................................................30 1.15. Những tiêu chuẩn kĩ thuật chung và các quy trình thử tải [15]:.........31 1.15.1. Hình dáng, kích thước và chất lượng của sản phẩm Topbase.....31 1.15.2. Quy trình thử tải nén nền Top-base:............................................31 Chương 2: Thiết kế Top-Base........................................................................34 2.1. Khái quát [15]:.....................................................................................34 2.1.1. Tổng quan về phương pháp:..........................................................34 2.1.2. Đặc điểm của Top-base:................................................................36 2.1.3 Phạm vi áp dụng Top-base:............................................................36 2.2. Các nguyên tắc [15]:............................................................................37 2.2.1. Mục đích gia cố nền......................................................................37 2.2.2. Cơ chế gia cố nền đất....................................................................42 2.3. Nguyên lý thiết kế [15]:.......................................................................46 2.3.1. Lựa chọn phương pháp:................................................................46 2.3.2. Tính toán thiết kế:.........................................................................48 2.4. Các đặc tính kĩ thuật của sản phẩm và vật liệu [15]:............................58 2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích Top-Base:....................60 2.5.1 Phần tử khối:..................................................................................60 2.5.2. Mô hình phi tuyến phần tử khối:...................................................63 Chương 3: Ứng dụng Top-base ở Việt Nam.................................................68 3.1 Đánh giá điều kiện áp dụng Top-base tại Việt Nam:............................68 3.1.1 Điều kiện địa chất tại các thành phố lớn ở Việt Nam....................68 3.1.2 Đánh giá hiệu quả của phương pháp Top-base:.............................69 3.2 Phân tích thí nghiệm Top-Base theo phương pháp phần tử hữu hạn:...72 3.3 Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của nền gia cố Top-Base: .....................................................................................................................75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................81 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................82 CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN: Chương 1: Bảng 1 .............................................................................................................33 Hình 1.1.............................................................................................................8 Hình 1.2. Kích thước và hình dạng chuẩn của Top-Block................................8 Hình 1.3. Mặt cắt Top-Base..............................................................................9 Hình 1.4. Mặt bằng Top-Base...........................................................................9 Hình 1.5. Phương pháp thi công......................................................................10 Hình 1.6...........................................................................................................11 Hình 1.7...........................................................................................................12 Hình 1.8. Đặc tính của Top-base.....................................................................12 Hình 1.9. Bánh xích dạng Top-shape của máy ủi............................................12 Hình 1.10.........................................................................................................13 Hình 1.11. Phân phối cường độ của các loại móng khác nhau sau khi lún dài hạn..14 Hình 1.12.........................................................................................................14 Hình 1.13.........................................................................................................15 Hình 1.14. Biểu đồ Tải trọn Độ lún các loại móng.........................................16 Hình 1.15. Ứng suất dưới đất Móng Top-Base...............................................16 Hình 1.16. Phân bố ứng suất Móng Top-Base................................................16 Hình 1.17. Biến dạng ngang của Móng Top-Base..........................................16 Hình 1.18. Chuyển vị ngang dưới Móng Top-Base........................................17 Hình 1.19. Khả năng chịu tải và Độ lún của các loại Móng............................17 Hình 1.20.........................................................................................................18 Hình 1.21.........................................................................................................19 Hình 1.22.........................................................................................................20 Hình 1.23.........................................................................................................21 Hình 1.24.........................................................................................................22 Hình 1.25.........................................................................................................23 Hình 1.26.........................................................................................................25 Hình 1.27.........................................................................................................30 Hình 1.28.Cấu tạo Top-Block.........................................................................31 Hình 1.29. Thí nghiệm thử tải ở công trường đã xây dựng xong....................32 Hình 1.30. Thí nghiệm thử tải ở công trường chưa xây dựng........................32 Hình 1.31.........................................................................................................33 Chương 2: Bảng 2.1. Kết quả thử trong phòng thí nghiệm...............................................38 Bảng 2.2. Các tiêu chuẩn ứng dụng phổ biến của phương pháp móng Top-base..50 Bảng 2.3. .........................................................................................................54 Bảng 2.4. hệ số khả năng chịu tải của nền đất ban đầu và Top-base..............55 Bảng 2.5: Các tham số của mô hình Mohr-Coulomb......................................66 Hình 2.1. Top-block bê tông và Top-base.......................................................34 Hình 2.2. Tên các bộ phận của móng topbase................................................35 Hình 2.3. Các loại móng thử lún trong thời gian dài.......................................39 Hình 2.4. Đồ thị quan hệ độ lún – thời gian....................................................39 Hình 2.5. Kết quả thí nghiệm lún trong phòng thí nghiệm..............................40 Hình 2.6. Kết quả thí nghiệm cho đất hóa lỏng trong thí nghiệm lún dài hạn..40 Hình 2.7. Các đường cong tải – lún(thử tải tại công trường)..........................43 Hình 2. 8. Các đường cong tải - lún (trong phòng thí nghiệm).......................43 Hình 2.9. Phân bố ứng suất sau khi lún dài hạn..............................................43 Hình 2.10. Sơ đồ phân bố biến dạng ngang.....................................................44 Hình 2.11. Sơ đồ khối chấp nhận phương pháp Top-base..............................46 Hình 2.12.........................................................................................................53 Hình 2.13. Độ rộng tác dụng hiệu quả và hệ số k1 dưới tải lệch tâm..............54 Hình 2.14. Phương pháp lựa chọn hệ số K2 (đất sét, Top-block 500)...........54 Hình 2.15. Biểu đồ hệ số khả năng chịu tải của Top-Base..............................55 Hình 2.16. Phương pháp tính toán độ lún........................................................56 Hình 2.17. Khối bê tông dạng phễu dùng trong đất liền.................................58 Hình 2.18.........................................................................................................59 Hình 2.19: Phần tử bốn mặt (trái), lăng trục (giữa), và phần tử sáu mặt (phải)...60 Hình 2.20: Hệ tọa độ tự nhiên của phần tử sáu mặt........................................62 Hình 2.21: Tiêu chuẩn dẻo Mohr-Coulomb ...................................................64 Hình 2.22: Tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính...65 Hình 2.23: Xác định góc ma sát trong và lực dính đơn vị...............................67 Hình 2.24: Xác định góc giãn nở....................................................................67 Chương 3: Bảng 3.1: Những công trình đã áp dụng trên thực tế tại Việt Nam.................71 Bảng 3.2: Bảng chỉ tiêu cơ lý các lớp đất dưới đáy móng..............................72 Bảng 3.3: Đặc trưng của loại nền 1.................................................................77 Bảng 3.4: Đặc trưng của loại nền 2.................................................................77 Bảng 3.5: Đặc trưng của loại nền 3.................................................................77 Hình 3.1. Quan hệ tải trọng - độ lún (từ thí nghiệm mô hình)........................70 Hình 3.2: Mô phỏng thí nghiệm nén hiện trường bằng bàn nén.....................73 Hình 3.3: Chuyển vị của hệ khi có gia cố Top-Base.......................................74 Hình 3.4: Chuyển vị của hệ khi không gia cố Top-Base.................................75 Hình 3.5: Mô hình tính toán............................................................................78 Hình 3.6: Sự gia tăng ứng suất lệch với đất nền loại 1....................................79 Hình 3.7: Sự gia tăng ứng suất lệch với đất nền loại 2....................................79 Hình 3.8: Sự gia tăng ứng suất lệch với đất nền loại 3....................................80 Hình 3.9: Độ lệch chuyển vị giữa đỉnh và đáy móng đất nền 2......................80 MỞ ĐẦU * Tính cấp thiết của đề tài: Công nghiệp xây dựng Việt Nam đang ở giai đoạn phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng yêu cầu của đất nước trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá. Thực tiễn đó thúc đẩy sự sáng tạo và áp dụng các công nghệ xây dựng mới đồng thời phải luôn cố gắng cải tiến các công nghệ xây dựng hiện có để phù hợp hơn với yêu cầu mới. Trong những năm gần đây, các công nghệ, phương pháp xử lý nền đất mới đã được đưa vào áp dụng rộng rãi ở Việt Nam. Nhưng hầu hết các công nghệ này chỉ mới chú trọng tới những công trình cao tầng có tải trọng lớn. Với sự quan tâm đặc biệt tới những công trình thấp tầng có tải trọng trung bình, trên nền đất yếu, tới môi trường tôi đã tìm hiểu và tiếp cận với Phương pháp TOP-BASE (TOP-BASE Method). Trong phạm vi đề tài này, tôi xin giới thiệu Phương pháp TOP-BASE cũng như sự nghiên cứu và ứng dụng nó trong điều kiện địa chất ở Việt Nam. * Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu về công nghệ xử lý nền bằng Top-Base và ứng dụng của nó trong điều kiện địa chất ở Việt Nam. Qua đó để thấy được sự hiệu quả khi sử dụng công nghệ Top-Base. * Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán và ứng dụng nền Top-Base trong điều kiện địa chất ở Việt Nam. Tuy nhiên, do không có điều kiện thực hiện thí nghiệm xác định khả năng chịu tải của Top-Base nên sẽ được thực hiện bằng phương pháp lý thuyết kết hợp với tài liệu nén tính của một số công trình thực tế do công ty đã thi công. * Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Chúng tôi sẽ tiến hành phân tích sự làm việc của nền được gia cố bằng Phương pháp TOP-BASE theo hai hướng: - Hướng phân tích lý thuyết: Dựa vào mô hình nền biến dạng tuyến tính, phân tích sức chịu tải về biến dạng của nền, tài liệu do bên phía Hàn Quốc cung cấp. - Phân tích thực nghiệm: Dựa trên tài liệu nén tĩnh của một số công trình đã thi công. Từ các kết quả thu được sẽ đưa ra kết luận về sức chịu tải của nền đất khi áp dụng phương pháp TOP-BASE. * Lịch sử hình thành và phát triển: 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 Chibahien Nhật Bản vào năm 1987, người Nhật nhận thấy sự bền vững của những công trình được sử dụng phương pháp TOPBASE. Từ đó họ bắt đầu tập trung nghiên cứu và phát triển chúng. Vào những năm 80 của thế kỉ XX, phương pháp TOP-BASE là sáng kiến kỹ thuật đặc biệt của Nhật Bản và đã trở thành một thuật ngữ quốc tế dưới tên gọi Phương pháp móng cọc dài phễu (TOP-BASE Method). Với việc chế tạo hàng loạt những top-block bằng bê tông trong nhà máy, Phương pháp TOPBASE 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. * Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Phương pháp TOP-BASE có ưu điểm nổi trội trên ba phương diện sau đây: - Khắc phục hiện tượng lún không đều, giảm tối đa tác hại của chấn động (động đất, dư chấn khác..) - Thời gian thi công nhanh, giá thành hợp lý. - Thân thiện với môi trường Chương 1: Giới thiệu chung Top-Base 1.1. Lời nói đầu [15]: Một phương án móng mới gần đây được gọi là Phương pháp TOP-BASE đã thu hút sự quan tâm của các kỹ sư Nhật Bản và Hàn Quốc. Nó được sử dụng trên nền đất yếu để giảm độ lún cố kết và tăng khả năng chịu tải của nền. Phương pháp Top-base là phương pháp đặt các khối bê tông hình phễu trong nền đá dăm lên lớp đất yếu. Phương pháp Top-base đổ bê tông tại chỗ cho thấy độ lún cố kết giảm từ 1/10 ÷ 1/2 hoặc nhiều hơn, đồng thời tăng khả năng chịu tải của nền từ 50% - 200% hoặc nhiều hơn so với nền đất ban đầu chưa được xử lý. Phương pháp Top-base có tác dụng ngăn cản chuyển vị ngang của lớp đất yếu và làm giảm khả năng giãn nở dẫn đến giảm độ lún móng công trình, và phân phối ứng suất bên dưới đáy móng đều hơn dẫn đến tăng khả năng chịu lực của nền. Do sự gia tăng dân số, sự thiếu thốn về đất đai, và nhu cầu sử dụng đất yếu để xây dựng công trình đã thúc đẩy các kỹ sư xây dựng tìm ra các giải pháp cải thiện các khu vực nền đất yếu phục vụ công tác xây dựng sao cho tiết kiệm chi phí vật liệu và chi phí xây dựng, phương pháp này chỉ nên dùng cải thiện nền đất bề mặt và ngay dưới bề mặt. Gần đây, một phương pháp mới được phát minh mà liên kết các khối bê tông hình phễu và đặt chúng lên trên nền đất. Các nhóm Top-block có thể được sử dụng như phương án móng nông để thay thế móng cọc. Nó được gọi là “Móng Top-base”. Thực tế cho thấy nhiều công trình xây dựng ứng dụng phương pháp này đem lại hiệu quả mạnh mẽ trong việc giảm độ lún và tăng khả năng chịu lực của nền đất. Hình 1.1. [15] Phương pháp móng cải tiến, Top-base, được sử dụng thành công nhằm cải thiện nền đất yếu trong hơn 10 năm qua tại Hàn Quốc. Có 2 loại móng Topbase: loại thứ 1 được đúc sẵn trong nhà máy, loại thứ 2 là đổ bê tông tại chỗ. Mặc dù cả 2 loại móng này có đặc tính như nhau, tuy nhiên phương pháp Top-base đúc tại công trường thi công dễ dàng hơn và chi phí rẻ hơn so với phương pháp Top-base sản xuất sẵn trong nhà máy. Vì vậy, hầu hết các kỹ sư nhận định rằng phương pháp móng Top-base đổ tại chỗ mà được phát triển và cải thiện bởi công ty Banseok Top-Base Co., Ltd là phương án móng tối ưu hơn cả. 1.2. Hình dạng và kích thước của Top-Block [15]: vßng thÐp Ø10 50 phÇn trô nãn 200 phÇn trô nãn khu«n nhùa tæng hîp t = 5 mm phÇn cäc 200 50 phÇn mòi v¸t 200 500 135 50 500 50 200 Hình 1.2. Kích thước và hình dạng chuẩn của Top-Block,[15] Một khái niệm mới của phương pháp Top-base đổ bê tông tại chỗ là sử dụng các thanh thép nối các Top-block với nhau tạo thành nhóm các Top-block (nối tại vị trí giao giữa phần trụ nón và phần cọc), đổ bê tông vào phễu nhựa, rải đá dăm đầm chặt, lắp dựng cốt thép nối phía trên, v.v…, phần trụ nón nghiêng với phương ngang 450 có tác dụng phân phối lại ứng suất của tải trọng, và phần mũi vát được thiết kế đặc biệt để ngăn cản biến dạng ngang của Top-block. Hình 1.3. Mặt cắt Top-Base, [15] Đây là phương pháp thi công Top-base mới làm giảm chi phí xây dựng do tiết kiệm được thời gian thi công, đơn giản và giảm chi phí vật liệu. Hình 1.4. Mặt bằng Top-Base, [15] 1.3. Phương pháp thi công: Bước 5: Lắp đặt các thanh thép nối phía trên Bước 6: Hoàn thành Móng Top-base Hình 1.5. Phương pháp thi công, [18] 1.4. Tính ưu việt và phạm vi ứng dụng của phương pháp Top-Base [15]: 1.4.1. Tính ưu việt của phương pháp Top-base: - Đảm bảo an toàn cho tải trọng đặt trên nền đất yếu. - 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. Hình 1.6. [15] - 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. 1.4.2. Phạm vi ứng dụng của phương pháp Top-base: Phương pháp Top-base được áp dụng rộng rãi để xử lý nền cho các công trình dân dụng và công nghiệp. - Công trình liên quan tới bảo vệ môi trường như: bãi san lấp chất thải, nơi xử lý chất thải. - Nhà dân dụng bao gồm nhà thấp tầng và nhà nhiều tầng. - Nhà công nghiệp. - Bể chứa, bồn chứa và các công trình xử lý nước thải. - Các công trình giao thông và thông tin liên lạc như: đường và các công trình liên quan, hệ thống cáp ngầm… Hình 1.7. [15] 1.5. Đặc điểm cơ lý của phương pháp Top-base [15]: Top-shape của máy ủi, [15] (Hình 1.8) là biểu đồ đặc tính của Top-base: phần trụ nón của Topblock được đặt trong lớp vật liệu rời rạc (đá dăm) nằm trên nền đất yếu, phần cọc của Top-block cũng được đặt trong phần địa tầng tương tự, và phần cốt thép phía trên và phía dưới có tác dụng nối các Top-block thành nhóm; vì vậy phương pháp móng Top-base trở thành hệ kết cấu móng cứng linh hoạt. Hình 1.10. [15] Bên cạnh đó, góc giữa phần trụ nón của Top-block và phần đất (vật liệu rời rạc ) tiếp xúc là 450, hình dạng tương tự như bánh xích của xe ủi đất (Hình 1.9), cấu tạo này cho phép phân tích tải trọng thẳng đứng tác dụng lên Topbase được chia thành 2 thành phần: ứng suất thẳng đứng (P V) và ứng suất theo phương ngang (PH). Điều này dẫn đến biến dạng ngang bị ngăn cản bởi lực kháng của lớp vật liệu rời rạc và phần cọc, như trong (Hình 1.10). Tóm lại, phương pháp Top-base là phương pháp cải thiện nền đất làm tăng khả năng chịu tải của nền đất và giảm độ lún do sự phân phối lại ứng suất và ngăn cản biến dạng ngang thông qua việc thiết lập nên hệ kết cấu tạo bởi lớp đá dăm và hình dạng bánh xích của phần trụ nón. (Hình 1.11) thể hiện biểu đồ phân phối cho các loại móng khác nhau: móng bê tông và móng đá dăm có đường phân bố ứng suất không đều, móng trên nền Top-base cho kết quả đường phân bố ứng suất đồng đều, có nghĩa là móng trên nền Top-base ổn định hơn. Thực tế, Top-base làm tăng từ 1,5 ÷ 2,5 lần khả năng chịu tải của nền và làm giảm 1/2 ÷ 1/4 lần độ lún so với nền đất ban đầu. Top-base không chỉ có tác dụng phân phối đều tải trọng tác dụng và độ lún, nó còn làm giảm cường độ tải trọng truyền qua lớp Top-base do sự phân phối lại ứng suất, vì vậy tải trọng tác dụng sẽ không gây ảnh hưởng đến lớp đất ở dưới sâu. Hình 1.11. Phân phối cường độ của các loại móng khác nhau sau khi lún dài hạn, [15] Hình 1.12. [15] Hình 1.13. [15] Hình 1.14. Biểu đồ Tải trọng Hình 1.15. Ứng suất Độ lún các loại móng, [15] dưới đất Móng Top-Base, [15] Móng Top-Base, [15] Móng Top-Base, [15] Hình1.18. Chuyển vị ngang dưới Móng Top-Base, [15] Hình 1.19. Khả năng chịu tải và Độ lún của các loại Móng, [15] Topbase là một phương pháp gia cố nền đất rất hiệu quả, cần được thực hiện theo trình tự dưới đây: Dưới đây quy định một số yêu cầu cụ thể cho công tác thi công Top-base: 1.6. Công tác đào đất: Đất sẽ được đào đến độ sâu thiết kế, nếu hố đào sâu trên 1m phải dự kiến biện pháp bảo vệ thành hố đào và thoát nước hố đào để bảo đảm điều kiện thi công.