TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT
KHOA XÂY DỰNG
BỘ MÔN KỸ THUẬT XÂY DỰNG
NGUYỄN VĂN MẠNH
BÀI GIẢNGXÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ðẤT YẾU
1.1. Khái niệm về ñất yếu và nền ñất yếu 2
1.2. ðặc ñiểm của một số loại ñất yếu 2
1.2.1. Nhận biết và phân loại 2
1.2.2. ðặc ñiểm của một số loại ñất yếu thường gặp 3
1.3. Cường ñộ chống cắt của ñất yếu 7
1.4. Các ñặc trưng nén lún trong phòng thí nghiệm 9
1.5. Các phương pháp thí nghiệm ñịa kỹ thuật ở hiện trường 12
1.6. Các vấn ñề ñặt ra khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu 13
Chương 2. Nghiên cứu về ổn ñịnh và lún của nền ñất yếu
14
2.1. Ổn ñịnh của nền ñất yếu 14
2.2. Biến dạng của nền ñất yếu 15
2.3. Các giải pháp xây dựng công trình trên nền ñất yếu 16
Chương 3. Các giải pháp xử lý khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu
17
3.1. Các giải pháp kết cấu khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu 17
3.1.1. Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ 17
3.1.2. Lựa chọn sơ ñồ kết cấu hợp lý 17
3.1.3. Thiết kế giằng móng và giằng tường 20
3.2. Các giải pháp xử lý móng khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu 25
3.2.1. Thay ñổi chiều sâu móng 25
3.2.2. Thay ñổi kích thước móng 27
3.2.3. Thay ñổi loại móng và ñộ cứng của móng 27
3.3. Các giải pháp xử lý nền ñất yếu 27
3.3.1. Phương pháp ñệm cát 27
3.3.2. Phương pháp ñầm chặt lớp ñất mặt 33
3.3.3. Phương pháp cọc cát 34
3.3.4. Phương pháp cọc vôi và cọc ñất - xi măng 38
yếu ñể làm cơ sở lựa chọn các giải pháp xử lý nền móng phù hợp là một vấn ñề hết sức khó
khăn, nó ñòi hởi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế ñể giải
quyết vấn ñề này nhằm giảm thiểu các sự cố của công trình khi xây dựng trên nền ñất yếu.
1.1. ðặc ñiểm của một số loại ñất yếu
1.1.1. Nhận biết và phân loại
ðất yếu là loại ñất có sức chịu tải kém (< 0,5 ÷ 1,0 kG/cm
2
), dễ bị phá hoại, biến dạng dưới
tác dụng của tải trọng công trình. ðất yếu có thể ñược nhận biết dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của
chúng như sau:
• Dựa vào chỉ tiêu vật lý, ñất ñược coi là yếu khi:
+ Dung trọng: γ ≤ 1,7 T/m
3
+ Hệ số rỗng: e ≥ 1
+
ðộ ẩm: W ≥ 40%
+ ðộ bão hòa: G ≥ 0,8
3
Chú ý: - ðất càng yếu thì dung trọng tự nhiên càng nhỏ do chứa nhiều nước hoặc bùn, hợp chất hữu cơ…
- Hệ số rỗng (e) là tỉ số giữa thể tích rỗng và thể tích hạt (V
r
/V
h
). Hệ số rỗng càng lớn thì ñất càng yếu.
- ðộ ẩm (W) là tỉ số giữa trọng lượng nước và trọng lượng hạt. ðộ ẩm càng lớn thì ñất càng chứa
nhiều nước.
- ðộ bão hòa (G) là tỉ lệ nước chiếm trong lỗ rỗng của ñất: G = V
2
) với e
1
và e
2
là hệ số rỗng của ñất ứng với áp lực nén p
1
và p
2
. Khi hệ
số nén lún a càng nhỏ thì ñất càng chặt hơn hay hệ số rỗng ít thay ñổi.
Trong thực tế xây dựng, chúng ta thường gặp các loại nền ñất yếu chủ yếu sau:
• ðất sét yếu: gồm các loại ñất sét hoặc á sét tương ñối chặt, ở trạng thái bão hòa nước,
có cường ñộ chịu nén thấp.
• ðất bùn: gồm các loại ñất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ở
trạng thái luôn no nước, hệ số ñộ rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực.
• ðất than bùn: là loại ñất yếu có nguồn gốc hữu cơ, ñược hình thành do kết quả phân
hủy các chất hữu cơ có ở các ñầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20% ñến 80%).
• ðất cát yếu (cát chảy): gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt
hoặc pha loãng ñáng kể. Loại ñất này khi chịu tải trọng ñộng thì chuyển sang trạng
thái chảy gọi là cát chảy.
• ðất bazan: là loại ñất yếu có ñộ rỗng lớn, dung trọng khô rất nhỏ, khả năng thấm nước
cao, dễ bị lún sụt.
1.1.2. ðặc ñiểm của một số loại ñất yếu thường gặp
1.2.2.1. ðất sét yếu
Trong ñất sét thường gồm có 2 thành phần:
• Phần phân tán thô (gọi là những hạt sét) có kích thước > 0,002mm; chủ yếu có các
khoáng chất nguồn gốc lục ñịa như thạch anh, fenspat,…
• Phần phân tán mịn (gọi là khoáng chất sét) bao gồm những hạt có kích thước rất bé
Montmorilonit có mạng tinh thể kém bền vững và dễ sảy ra hiện tượng trương nở dưới ñáy
móng khi có mặt loại sét này. Loại này thường dễ gặp ở vùng ven biển.
+ Illit: ðại biểu của nhóm ilit là hyñrômica (K,Al
2
[Al,Si
3
O
10
](OH)
2
) ñược tạo thành từ nhiều
ñiều kiện khác nhau nhưng chủ yếu là trong môi trường kiềm. Loại này không có khả năng
trương nở hoặc trương nở rất ít.
Liên kết cấu trúc của ñất sét:
Trong tự nhiên, ñất loại sét luôn tồn tại 3 dạng liên kết cấu trúc, ñó là: liên kết dạng chảy, liên
kết dạng dẻo và liên kết dạng cứng (Hình 1.1).
Lực dính của ñất sét ñược chia thành 2 thành phần: lực dính mềm và lực dính cứng:
∑
+=
CWW
CC
(1-1)
Trong ñó: C
W
là lực dính tổng cộng
∑
W
là tổng lực dính mềm (lực dính có nguồn gốc keo nước)
C
C
: lực dính theo kết quả cắt mẫu nguyên dạng
C
cb
: lực dính theo kết quả cắt mẫu chế bị
5
Theo Maxlop thì lực dính cứng chỉ tồn tại ở ñất nguyên dạng cứng.
S
W
P
M
ẫ
u nguyên dạng
C
W
∑
W
C
C
Mẫu chế bị
Hình 1.2. Kết quả cắt mẫu xác ñịnh lực dính cứng
- Phương pháp cắt theo bản phẳng:
0,25 ÷ 0,50
50 50
0,50 ÷ 0,75
20 80
0,75 ÷ 1,00
10 90
Tự nhiên
> 1,00 0 100
B < 0 70 30
0 ÷ 0,25
40 60
0,25 ÷ 0,50
30 70
0,50 ÷ 0,75
10 90
Nhân tạo
> 0,75 0 100
6
Trong các phương pháp trên thì thực tế thường sử dụng phương pháp cắt theo bản phẳng vì thí
nghiệm ñơn giản, trên cùng một mẫu và cho kết quả khá chính xác.
Khi không có ñiều kiện tiến hành thí nghiệm, có thể tham khảo các số liệu trong bảng 1-1 ñể
sử dụng trong thiết kế.
Hiện tượng hấp thụ: là khả năng hút nước từ môi trường xung quanh và giữ lại trên chúng
những vật chất khác nhau: cứng, lỏng và khí, những ion, phân tử và các hạt keo. Sự hấp thụ
của ñất sét có bản chất phức tạp và thường gồm một số quá trình xảy ra ñồng thời.
Tính dẻo: là một trong những ñặc ñiểm quan trọng của ñất sét. Tính chất này biểu thị sự lưu
ñộng của ñất sét ở một ñộ ẩm nào ñó khi chịu tác dụng của ngoại lực và chứng tỏ rằng về mức
ñộ biến dạng, ñất sét chiếm vị trí trung gian giữa thể cứng và thể lỏng hoặc chảy nhớt. ðộ dẻo
phụ thuộc vào nhiều nhân tố: mức ñộ phân tán và thành phần khoáng vật của ñất, thành phần
ñôi khi rất nguy hiểm cho công trình và cho công tác thi công phần ngầm của công trình. Cần
lưu ý hai hiện tượng nguy hiềm thường xảy ra ñối với ñất cát yếu là hiện tượng biến loãng và
cát chảy.
1.2.2.3. Bùn, than bùn và ñất than bùn
Bùn là những trầm tích hiện ñại, ñược thành tạo chủ yếu do kết quả tích lũy các vật liệu phân
tán mịn bằng cơ học hoặc hoá học ở ñáy biển, ñáy hồ, bãi lầy… Bùn chỉ liên quan với các chỗ
chứa nước, là các trầm tích mới lắng ñọng, no nước và rất yếu về mặt chịu lực. Theo thành
phần hạt, bùn có thể là cát pha sét, sét pha cát, sét và cũng có thể là cát, nhưng chỉ là cát hạt
nhỏ trở xuống.
ðộ bền của bùn rất nhỏ, vì vậy việc phân tích sức chống cắt thành lực ma sát và lực dính là
không hợp lý. Sức chống cắt của bùn phụ thuộc vào tốc ñộ phát triển biến dạng. Góc ma sát
có thể xấp xỉ bằng không. Chỉ khi bùn mất nước, mới có thể cho góc ma sát. Xây dựng các
công trình trên bùn chỉ có thể thực hiện sau khi ñã tiến hành các biện pháp xử lý nền.
Than bùn là ñất có nguồn gốc hữu cơ, thành tạo do kết quả phân hủy các di tích hữu cơ, chủ
yếu là thực vật, tại các bãi lầy và những nơi bị hóa lầy. ðất loại này chứa các hỗn hợp vật liệu
sét và cát.
Trong ñiều kiện thế nằm thiên nhiên, than bùn có ñộ ẩm cao 85 ÷ 95% hoặc cao hơn tùy theo
thành phần khoáng vật, mức ñộ phân hủy, mức ñộ thoát nước…
Than bùn là loại ñất bị nén lún lâu dài, không ñều và mạnh nhất. Không thể thí nghiệm nén
than bùn với mẫu có chiều cao thông thường là 15 ÷ 20cm, mà phải từ 40 ÷50cm.
Khi xây dựng ở những vùng ñất than bùn, cần áp dụng các biện pháp gia cố: làm ñai cốt thép,
khe lún, cắt nhà thành từng ñoạn cứng riêng rẽ, ñóng cọc, ñào hoặc thay một phần than bùn.
1.2.2.4. ðất ñắp
Loại ñất này ñược tạo nên do tác ñộng của con người. ðặc ñiểm của ñất ñắp là phân bố ñứt
ñoạn và có thành phần không thuần nhất.
Theo thành phần có thể chia thành 4 loại sau:
+ ðất gồm hỗn hợp các chất thải của sản xuất công nghiệp và xây dựng.
+ ðất hỗn hợp các chất thải của sản xuất và rác thải sinh hoạt.
+ ðất của các nền ñắp trên cạn và khu ñắp dưới nước (ñể tạo bãi).
+ ðất thải bên trong và bên ngoài các mỏ khoáng sản.
c.cotg
φHình 1.3. ðiều kiện cân bằng giới hạn của Coulomb
Hình 1.3 giới thiệu ñiều kiện cân bằng giới hạn của Coulomb thỏa mãn ñiều kiện ở trên. ðó là
hai nửa ñường thẳng xuất phát từ ñiểm S của trục Oσ và tạo với trục này một góc φ, và cắt
trục Oτ tại giá trị lực dính C. Khi lực dính bằng không (ñất rời), các nửa ñường thẳng này ñi
qua gốc tọa ñộ và khi ñó tiêu chuẩn bền là:
φ
σ
τ
tan
=
.
Nếu lực dính khác không thì ñất thuộc loại ñất dính và cường ñộ chống cắt của nó phụ thuộc
vào lực dính và góc nội ma sát của nó. Với loại ñất dính bão hòa nước, cường ñộ chống cắt
ñược biểu diễn bằng công thức sau:
(
)
Cu +−=
φστ
tan
(1-5)
Trong ñó: u là áp lực nước lỗ rỗng
(σ - u) là ứng suất tiếp xúc giữa các hạt ñất hay còn gọi là ứng suất hữu hiệu.
Tùy theo phương pháp thí nghiệm nén ba trục ñể xác ñịnh cường ñộ chống cắt có hoặc không
ño áp lực nước lỗ rỗng trong ñất sẽ ñược các giá trị cường ñộ chống cắt khác nhau.
Thí nghiệm không thoát nước - UU (Unconsolidated - Undrained triaxial compression test)
, sau khi cố kết xong (khi áp lực lỗ
rỗng ñã biến mất) thì tiến hành ngay thí nghiệm cắt không thoát nước và kết hợp ño áp lực lỗ
rỗng phát triển trong quá trình cắt này. Cường ñộ chống cắt trong trường hợp này có thể tính
theo ứng suất tổng hoặc theo ứng suất hữu hiệu:
cu
C+=
φστ
tan theo ứng suất tổng (1-6)
'''
tan
cu
C+=
φστ
theo ứng suất hữu hiệu (1-7)
Với ñất sét cố kết bình thường luôn có
cucu
φφ
>
'
, còn ñối với ñất sét quá cố kết thì
'
cu
φ
có giá
trị lớn hơn hoặc thấp hơn so với
cu
φ
nhưng
'
cucu
Trong ñó
w
φ
và
w
C là góc ma sát trong và lực dính kết của ñất phụ thuộc vào ñộ lún w hay ñộ
chặt của ñất (xác ñịnh theo hệ số rỗng e của ñất).
1.1.4. Các ñặc trưng nén lún trong phòng thí nghiệm
Khi nén ñất trong hộp cứng hoặc nén bằng tải trọng phân bố ñều trên một diện tích tương ñối
lớn, ñất nền không có khả năng biến dạng theo phương ngang mà chỉ biến dạng theo phương
thẳng ñứng, gọi là lún (Hình 1.4). Trường hợp nén ñất như thế này gọi là nén lún hoặc nén ép.
Trong nén lún, biến dạng xảy ra do sự giảm thể tích lỗ rỗng của ñất (nén chặt). q
h
q
a) Nén trong hộp cứng b) Nén tải trọng phân bố ñều, liên tục
HìnH 1.4. Sơ ñồ nén lún ñất
10
Hình 1.5 là ñường cong nén lún ñối với mẫu ñất nguyên dạng (a) và ñối với mẫu ñất có kết
cấu bị phá hoại (b). Với kết cấu không bị phá hoại, nhánh nén lúc ñầu có dạng ñường thẳng
(khi tải trọng nén chưa vượt quá ñộ bền kết cấu của ñất σ
c
) sau ñó là ñường cong. ðiều này
chứng tỏ sự nén chặt của ñất chỉ bắt ñầu phát triển khi tải trọng nén lún lớn hơn σ
c
2
σ
2
σ
1
e
1
e
2
a)
b
)
1
2Hình 1.5. ðường nén lún của mẫu ñất nguyên dạng a) và mẫu ñất có kết cấu bị phá hoại b)
1.Nhánh nén, 2.Nhánh nở
ðể ñánh giá tính nén lún của ñất thường dùng hệ số nén lún (m
v
). Trên ñường cong nén lún
(hình 1.5.b), lấy hai ñiểm M
c:
12
21
σσ
−
−
=
ee
a
(1-10)
Trong
ñ
ó: e
1
là h
ệ
s
ố
r
ỗ
ng c
ủ
a
ñấ
t
ứ
ng v
ớ
i áp l
ự
c nén ch
ặ
t c
ủ
a
ñấ
t, daN/cm
2
a là h
ệ
s
ố
nén lún, cm
2
/daN.
Nh
ư
v
ậ
y h
ệ
s
ố
nén ép
ñặ
c tr
ư
ng cho quá trình ng
ượ
ỏ
thì:
de = -a.dσ (1-11)
ð
ây là ph
ươ
ng trình r
ấ
t quan tr
ọ
ng dùng làm c
ơ
s
ở
cho m
ộ
t s
ố
lý thuy
ế
t c
ơ
b
ả
n trong c
ơ
h
ọ
c
ñấ
/daN Tính nén ép của ñất
< 0,001 Thực tế không có tính nén ép
0,001 ÷ 0,005
Tính nén lún nhỏ
0,005 ÷ 0,01
Tính nén lún vừa
0,01 ÷ 0,1
Tính nén lún lớn
> 0,1 Tính nén lún rất lớn
Quan hệ giữa biến dạng tương ñối ε
x
, ε
y
, ε
z
và các ứng suất tương ứng σ
x
, σ
y
, σ
z
cùng các ñặc
trưng biến dạng khác ñược viết như sau:
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
Trong ñó: E
o
là mô ñun biến dạng của ñất, daN/cm
2
; ν là hệ số Poisson của ñất.
Khi nén ñất trong ñiều kiện không nở hông, áp lực ngang q sẽ tăng dần theo sự tăng của áp
lực thẳng ñứng σ. Tỉ số q/σ gọi là hệ số áp lực hông, ký hiệu là λ. Khi nén ñất trong ñiều kiện
không nở hông thì:
λσσσσσεεε
====
∆
=== q
h
h
yxzzyx
;;;0 (1-13)
T
ừ
(1-12), có th
ể
vi
ế
t:
h
h
E
o
z
∆
=
o
là mô
ñ
un bi
ế
n d
ạ
ng
ñượ
c tính theo công th
ứ
c:
β
v
o
m
e
E
1
1+
=
(1-16)
β
là h
ệ
s
ố
không th
ứ
nguyên, tính theo công th
ν
ν
ν
λ
+
=
−
=
1
;
1
(1-18)
E
o
, a và ν là các ch
ỉ
tiêu bi
ế
n d
ạ
ng c
ủ
a
ñấ
t, th
ườ
ng
ñượ
c xác
ñị
t c
ủ
a
ñị
a t
ầ
ng,
ñặ
c tính
bi
ế
n d
ạ
ng và s
ứ
c ch
ị
u t
ả
i c
ủ
a
ñấ
t n
ề
n, d
ự
tính s
ứ
c ch
i s
ỏ
i. M
ụ
c
ñ
ích c
ủ
a thí nghi
ệ
m này
là cung c
ấ
p thêm các thông tin
ñể
thi
ế
t k
ế
và thi công các ph
ầ
n ng
ầ
m có
ñộ
sâu không l
ớ
n.
Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT
là thí nghi
ặ
t c
ủ
a
ñấ
t lo
ạ
i cát, tr
ạ
ng thái
c
ủ
a
ñấ
t lo
ạ
i sét, xác
ñị
nh v
ị
trí l
ớ
p
ñấ
t
ñặ
t m
ũ
i c
ọ
ề
u sâu d
ừ
ng kh
ả
o
sát,
ñ
ánh giá kh
ả
n
ă
ng hoá l
ỏ
ng c
ủ
a
ñấ
t lo
ạ
i cát bão hoà n
ướ
c.
Thí nghiệm cắt cánh
ñượ
c th
ự
c hi
ệ
ủ
a
ñấ
t, cung c
ấ
p thêm các thông tin cho
vi
ệ
c thi
ế
t k
ế
và thi công các công trình ng
ầ
m có
ñộ
sâu không l
ớ
n.
Thí nghiệm nén ngang
trong h
ố
khoan
ñượ
c s
ử
d
ụ
ng cho các l
ớ
ế
n d
ạ
ng ngang
c
ủ
a
ñấ
t
ñ
á.
Thí nghiệm ép nước
trong h
ố
khoan
ñượ
c dùng
ñể
xác
ñị
nh tính th
ấ
m n
ướ
c, kh
ả
n
ă
ng h
ấ
ạ
n h
ố
khoan
b
ằ
ng các nút chuyên môn, sau
ñ
ó ép n
ướ
c vào các
ñ
o
ạ
n
ñấ
t
ñ
á cách ly v
ớ
i các ch
ế
ñộ
áp l
ự
c
ñị
nh tr
ướ
thành h
ố
móng,
ñộ
d
ố
c thu
ỷ
l
ự
c và kh
ả
n
ă
ng có th
ể
sinh ra áp l
ự
c thu
ỷ
ñộ
ng… ph
ụ
c v
ụ
cho
công tác thi
ế
c n
ướ
c
ñể
xác
ñị
nh ch
ế
ñộ
bi
ế
n
ñổ
i m
ự
c n
ướ
c d
ướ
i
ñấ
t trong khu v
ự
c kh
ả
o sát. Ch
ế
ñộ
ố
ng < 15m nh
ằ
m cung c
ấ
p các thông tin v
ề
ch
ế
ñộ
n
ướ
c m
ặ
t.
Ố
ng
ñ
o n
ướ
c cho phép th
ấ
m vào bên trong trên toàn b
ộ
chi
ề
u dài. Các k
ế
ấ
t bi
ệ
n pháp
làm khô
ñ
áy móng cho vi
ệ
c thi công.
-
ð
o áp l
ự
c n
ướ
c theo
ñộ
sâu (
ố
ng piezometer):
ñộ
sâu
ñặ
t
ñầ
u
ñ
o ph
ụ
thu
ng cho vi
ệ
c thi
ế
t k
ế
thi công c
ọ
c
13
nhồi, tường trong ñất, các giải pháp thi công theo công nghệ ướt (chọn công nghệ thi công
thích hợp).
Thí nghiệm xác ñịnh ñiện trở của ñất: ñược thực hiện trong lòng hố khoan theo ñộ sâu ñể
cung cấp các thông số thiết kế chống sét và tiếp ñất.
Trong một số trường hợp cần xác ñịnh tầng hoặc túi chứa khí trong ñất có khả năng gây
nhiễm ñộc hoặc cháy nổ khi khoan cọc nhồi hoặc ñào hố móng sâu.
Khi khảo sát phục vụ cho thiết kế kỹ thuật và lập bản vẽ thi công móng cọc, tiến hành công
tác thí nghiệm nén tĩnh ñể xác ñịnh sức chịu tải của cọc ñơn và các phương pháp khác ñể
kiểm tra chất lượng cây cọc. Khối lượng và các yêu cầu kỹ thuật phải tuân thủ theo các tiêu
chuẩn hiện hành có liên quan.
1.2. Các vấn ñề ñặt ra khi xây dựng trên nền ñất yếu
ðể công trình có thể tồn tại lâu dài, ñảm bảo an toàn cho người sử dụng, bên cạnh những yếu
tố quan trọng về kĩ thuật thi công, vật liệu, …thì chất lượng ñất cũng là một yếu tố quyết ñịnh.
Nền ñất vững mới có thể giúp công trình tồn tại vững chãi với thời gian, chịu ñược thiên tai.
Khi xây dựng công trình trên nền ñất yếu thì vấn ñề lún là nguyên nhân chính gây ra các hậu
quả về sự cố của công trình. Lún là công trình bị chuyển vị thẳng ñứng từ trên xuống dưới của
ñất nền, kéo theo móng và cả bản thân công trình. Lún xảy ra do sự nén chặt của ñất nền dưới
tác dụng của trọng lượng toàn bộ công trình. Lún lệch hay còn gọi lún tương ñối là chuyển vị
w
là góc nội ma sát và lực dính của ñất phụ thuộc vào thành phần, trạng
thái và ñặc biệt là ñộ chặt và ñộ ẩm của ñất (w).
Như vậy ñộ bền của ñất ñược tạo bởi lực ma sát (σtanφ
w
) và lực dính (C
w
) của ñất. ðất có góc
nội ma sát là lực dính càng lớn thì ñộ bền và khả năng chịu tải của nó càng lớn và ngược lại.
Theo Terzaghi, sức chống cắt của ñất dính bão hòa nước hoàn toàn trong quá trình cố kết
ñược xác ñịnh theo biều thức sau:
''
tan)( cu +−=
φστ
(2-2)
Trong ñó: σ là ứng suất nén toàn bộ; u là áp lực nước lỗ rỗng; φ
’
và c
’
là góc nội ma sát và lực
dính của ñất ứng với thời ñiểm ñất kết thúc quá trình cố kết dưới áp suất nén hiệu quả (σ-u).
ðộ ổn ñịnh của ñất trên một diện nào ñó phụ thuộc vào tương quan giữa sức chống cắt của ñất
(τ
fw
) và ứng lực cắt do tải trọng gây ra (τ). Tuy nhiên, không phải là trên mặt cắt nào có τ
max
thì ñó là mặt cắt nguy hiểm nhất. Tại mặt cắt có τ = τ
fw
thì ñó là mặt nguy hiểm nhất của ñiểm
−
=
(2-3)
Với σ
1
và σ
2
là các ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất của ñiểm phân tố ñang xét do tải
trọng ngoài gây ra; γ là trọng lượng thể tích của ñất; Z là ñộ sâu của ñiểm phân tố ñang xét.
Khi tính toán ổn ñịnh nền ñất thường kiểm tra ñiều kiện làm việc của nền ñất theo trạng thái
giới hạn thứ nhất.
15
2.2. Biến dạng của nền ñất yếu
Biến dạng của nền ñất thường ñược xem xét chủ yếu là các biến dạng theo phương thẳng
ñứng hay còn gọi là ñộ lún khi chịu tải trọng. ðộ lún của ñất dưới tác dụng của tải trọng do
các loại biến dạng chủ yếu sau ñây gây ra:
+ Biến dạng do nén chặt: do các hạt rắn dịch chuyển lại gần nhau dưới tác dụng của các ứng
suất pháp tuyến, cho nên biến dạng nén chặt là loại biến dạng làm thu hẹp các lỗ rỗng trong
ñất, làm giảm thể tích của ñất. Thông thường, biến dạng nén chặt ñóng vai trò chủ yếu nhất so
với các loại biến dạng khác ở trong ñất, nó làm tăng góc nội ma sát và lực dính của ñất, do ñó
làm tăng ñộ bền, sức chịu tải và ổn ñịnh của ñất. ðối với ñất sét bão hòa nước, biến dạng nén
chặt có thể kéo dài hàng trăm năm trong sự phụ thuộc vào tốc ñộ ép ñẩy nước ra khỏi ñất. Khả
năng phục hồi biến dạng nén chặt (khi dỡ tải) rất nhỏ và gradien thấm thoát ban ñầu của ñất
ñã tăng cao do nén chặt ñất.
+ Biến dạng ñàn hồi: do ñộ ñàn hồi của tập hợp kết cấu hạt rắn, của các loại nước và khí
trong ñất. Biến dạng ñàn hồi thường xảy ra trong giây lát khi có tác dụng của tải trọng và có
khả năng phục hồi hoàn toàn nếu như ñộ chặt của ñất không ñổi. Trong thực tế, khi ñất chưa
ñạt tới ñộ chặt - ñộ ẩm tốt nhất, dưới tác dụng của tải trọng, biến dạng ñàn hồi thường xảy ra
ủ
a n
ề
n
ñấ
t y
ế
u là ki
ể
m tra
ñ
i
ề
u ki
ệ
n làm vi
ệ
c
c
ủ
a nó theo tr
ạ
ng thái gi
ớ
i h
ạ
n th
ứ
hai.
16
Kết cấu công trình có thể bị phá hỏng cục bộ hoặc toàn bộ do các ñiều kiện biến dạng không
thỏa mãn như: lún hoặc lún lệch quá lớn làm cho công trình bị nghiêng, lệch, ñổ…hoặc do áp
lực tác dụng lên mặt nền quá lớn trong khi nền ñất yếu, sức chịu tải bé. Các biện pháp về kết
cấu công trình nhằm làm giảm áp lực tác dụng lên mặt nền hặc làm tăng khả năng chịu lực
của kết cấu công trình.
3.1.1. Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ
Có thể sử dụng các loại vật liệu nhẹ, kết cấu thanh, mảnh nhưng vẫn ñảm bảo cường ñộ công
trình ñể làm giảm trọng lượng bản thân công trình, giảm ñược tĩnh tải tác dụng lên móng.
3.1.2. Lựa chọn sơ ñồ kết cấu hợp lý
Khi thiết kế các công trình trên nền ñất yếu, cần phải nắm ñược các hình thức kết cấu chịu lực
phần trên công trình cũng như tính nhạy của nó ñối với ñộ lún của nền ñất. ðộ nhạy lún của
công trình chủ yếu phụ thuộc vào ñộ cứng. Tùy theo ñộ cứng có thể phân loại kết cấu thành 3
loại như sau:
+ Loại kết cấu tuyệt ñối cứng: như ống khói, tháp nước, kết cấu khung nhiều tầng trên bản
móng liên tục, mố cầu… Loại kết cấu này có ñộ cứng không gian rất lớn do vậy công trình
không bị uốn, chỉ có khả năng lún ñều hoặc nghiêng.
ðối với kết cấu này, tính nhạy lún kém, không yêu cầu những biện pháp xử lý về phương diện
kết cấu. Trong trường hợp này, chỉ cần giảm bớt ñộ nghiêng nếu có của công trình.
+ Loại kết cấu mềm: như bản ñáy móng của các bể chứa, cống, âu thuyền và những cấu kiện
ñộc lập khớp như cột trên móng ñơn liên kết tự do với dàn hoặc dầm ngang…
Các công trình thuộc loại này có thể bị uốn cong cùng cấp với khả năng biến dạng của ñất
nền, do ñó không gây nên những nội lực phụ trong kết cấu và không ảnh hưởng ñến việc sử
dụng công trình. ðặc ñiểm của loại kết cấu này là có tính nhạy lún kém khi nền ñất biến dạng
không ñều.
+ Loại kết cấu có ñộ cứng giới hạn: như các khung siêu tĩnh trên các móng ñơn, dầm liên
tục nhiều nhịp, vòm không khớp…Các công trình thuộc loại này thường hay gặp trong thực tế
xây dựng.
Khi nền ñất có biến dạng không ñều, ñồng thời dưới ñế móng có sự phân bố lại ứng suất tiếp
xúc thì trong kết cấu móng và kết cấu chịu lực sẽ xuất hiện nội lực phụ cục bộ. Nếu kết cấu
không có khả năng tiếp thu nội lực phụ thì ở các tiết diện yếu sẽ có vết nứt. Ở những tiết diện
trp
hk
θθδ
−= (3-1)
Trong ñó: h là khoảng cách từ ñế móng ñến ñộ cao mà ở ñó xác ñịnh khe hở
k là hệ số kể ñến tính không ñồng nhất của nền, k = 1,3 ÷ 1,5
tanθ
p
là ñộ nghiêng của móng công trình phần bên phải
tanθ
tr
là ñộ nghiêng của móng công trình phần bên trái. Nếu các phần công
trình nghiêng vào nhau thì tanθ
tr
nhận giá trị âm.
Trong thực tế khe lún thường ñược chọn trong khoảng từ 2 ñến 3cm.
Trong nhiều trường hợp, khe lún ñược kết hợp với khe co dãn. Tuy nhiên, khe lún cũng gây
nhiều khó khăn phức tạp trong công tác thi công và sử dụng công trình, gây tốn kém thêm
tường, móng ngang. Vì vậy, chỉ nên làm khe lún trong những trường hợp thật cần thiết như:
+ ðất nền có tính nén lún lớn
+ Công trình có hình dạng phức tạp, tải trọng, chiều cao tầng chênh lệch lớn
+ Công trình quá dài và có khả năng xảy ra lún không ñều (thường khi công trình có chiều dài
trên 60m).
L
ưu ý rằng các tiêu chuẩn thiết kế nền móng và bê tông cố thép hiện hành ñều không quy
ñịnh khoảng cách giữa các khe lún hoặc chiều dài của khối công trình. Người thiết kế có thể
19
xem xét, quyết ñịnh tùy thuộc vào ñộ lún tổng cộng và ñộ lún lệch của các móng, loại móng
và nền ñất vị trí xây dựng công trình.
công trình. Nếu chiều dày lớp ñất yếu không lớn lắm có thể dùng lớp ñệm cát hoặc ñệm các
vật liệu khác ñể thay thế. Khi chiều dày lớp ñất yếu lớn, ñể giảm bớt ñộ lún và khả năng lún
không ñều, có thể xử lý bằng móng cọc hay các phương pháp gia cố nhân tạo như cọc cát,
giếng cát…Trên hình 3.4 thể hiện những loại móng khác nhau ñược sử dụng cho công trình
trên nền ñất yếu.
3.1.3. Thiết kế giằng móng và giằng tường
Giằng móng và giằng tường có tác dụng:
+ Tiếp thu nội lực kéo xuất hiện khi lún không ñều.
+ Làm tăng thêm cường ñộ và ñộ cứng không gian của kết cấu.
Thiết kế giằng móng và giằng tường bao gồm các công việc:
+ Xác ñịnh vị trí của các giằng trong tường và móng
+ Tính toán lượng cốt thép cần thiết trong giằng.
Vị trí của các giằng phụ thuộc vào tính chất biến dạng của công trình (công trình có thể bị
vồng lên hoặc võng xuống):
+ Bố trí ở phía trên hoặc phía dưới của tường.
+ Giằng tường có thể bố trí ở cao trình ngăn giữa các tầng nhà, lanh tô cửa sổ…
ðể ñảm bảo ñộ cứng không gian, giằng nên ñược bố trí liên tục trên suốt các tường hoặc phần
móng bên dưới ñể tạo thành khung kín không gian.
Kích thước và số lượng giằng có thể xác ñịnh dựa vào tính chất không ñồng ñều của nền ñất
và ñặc tính làm việc của kết cấu công trình:
+ Khi cốt thép bố trí 1 hàng, chiều dày giằng không nhỏ hơn 75mm
+ Khi cốt thép bố trí 2 hàng, chiều dày giằng không nhỏ hơn 150mm.
Khi giằng trong tường gạch cốt thép ñường kính 6 ÷ 8mm, cách khoảng 3 ÷ 6 hàng gạch bố trí
một lớp. Chiều dày mạch thường từ 3 ÷ 4cm. Mác vữa không nhỏ hơn 75.
Nếu dùng các giằng ñúc sẵn thì các mối nối phải có mác bê tông lớn hơn hoặc bằng mác của
giằng. ðể tính toán cốt thép cho giằng có thể sử dụng một trong hai phương pháp sau:
1. Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp ñơn giản
- Cơ sở tính toán:
Giả thiết cơ bản của phương pháp này là tường dọc của nhà ñược xem như một dầm ñặt trên
nền ñất có ñộ cứng thay ñổi. Tính nén không ñều của nền ñất ñược ñặc trưng bằng sự thay ñổi
α
α
qL
Q
(3-3)
Trong ñó:
min0
max0
1
E
E
=
α
(3-4)
E
0max
là mô ñun biến dạng lớn nhất của nền ñất dưới hai ñầu tường nhà
E
0min
là mô ñun biến dạng nhỏ nhất của nền ñất dưới hai ñầu tường nhà
q là tải trọng của tường nhà hoặc công trình ñược xem như phân bố ñều
L là chiều dài tường nhà hoặc công trình.
ðộ võng tuyệt ñối lớn nhất:
EJ
qL
Y
)2(5760
)1(33
1
tñ
= 0,6b
b là chiều dày thực của tường.
- Tính toán cốt thép trong giằng:
Lượng cốt thép yêu cầu trong giằng ñược xác ñịnh theo công thức sau:
0
max
hR
M
F
ct
ct
=
(3-8)
Trong ñó: M
max
là mô men uốn lớn nhất
R
ct
là giới hạn chảy của cốt thép
h
0
là chiều cao tính toán của tường nhà, h
0
= (0,8÷0,9)H
22
H là chiều cao thực của tường.
Ứng suất tiếp trong khối tường xây do lực cắt gây ra ñược tính toán như sau:
n
0
tính toán theo công thức (3-6) không vượt quá các trị số giới hạn cho
trong bảng 3-1 thì cho phép không phải bố trí các giằng tường.
2. Tính toán cốt thép giằng theo phương pháp của ðalmatov
Theo B.I. ðalmatov, dưới tác dụng của tải trọng phân bố ñều q của tường, biểu ñồ ứng suất
tiếp xúc p dưới ñế móng theo hướng dọc sẽ có một trong những dạng như hình 3.5 a,b.
q
min
q
max
q
a)
q
min
q
max
q
b
)
2p
ct
RmmL
EbY
F
)167(
2,1
8
2
max
+
=
αα
(3-12)
Trong ñó: 1,2
là
hệ số vượt tải
Y
max
là ñộ võng lớn nhất
)(max
2
)1(
α
Φ
∆
−=
SL
nY (3-13)
ă
ng
ñộ
lún theo th
ờ
i gian, có th
ể
l
ấ
y b
ằ
ng 0,25
÷
0,75,
ñố
i v
ớ
i kh
ố
i xây g
ạ
ch b
ằ
ng v
ữ
a
h
ỗ
n h
ợ
a bi
ế
n d
ạ
ng n
ề
n.
L
SS
S
5,0
minmax
−
=∆
(3-14)
S
max
, S
min
là
ñộ
chênh c
ủ
a bi
ế
n d
ạ
ng n
ề
n, xác
ườ
ng
Φ
(α)
là hàm s
ố
ph
ụ
thu
ộ
c vào α l
ấ
y theo b
ả
ng 3-2.
B
ả
ng 3-2. Tr
ị
s
ố
c
ủ
a hàm s
ố
Φ
(α)
α = L/H ≤ 1
1,5 2,0 4,0
k
là mô
ñ
un bi
ế
n d
ạ
ng lâu dài c
ủ
a kh
ố
i xây:
t
k
E
E
ϕ
+
=
1
(3-15)
E là mô
ñ
un
ñ
àn h
ồ
i c
ủ
ñ
úng b
ằ
ng cách
c
ă
n c
ứ
vào k
ế
t c
ấ
u c
ủ
a t
ườ
ng, theo b
ả
ng 3-3.
α = L/H (3-16)
H là chi
ề
u cao c
ủ
a t
ườ
ng nhà xác
ñị
nh nh
ư
ế
u t
ườ
ng có b
ị
u
ố
n cong xu
ố
ng thì l
ấ
y H t
ừ
mái h
ắ
t
ñế
n gi
ằ
ng d
ướ
i cùng
24
m
k
và m
ct
là hệ số ñiều kiện làm việc của khối xây tường và của cốt thép
R
)(
(3-17)
Trong ñó: F
ct
tính theo công thức (3-13)
a = 0,1H
n là số giằng làm việc ñồng thời.
Sau khi tính toán diện tích cốt thép cần kiểm tra lại ñiều kiện:
p ≤ b(σ
o
- γh) (3-18)
Trong ñó:
p là ứng suất tiếp xúc dưới ñế móng, xác ñịnh theo công thức (3-11)
b là chiều rộng ñế móng
σ
o
là ứng suất trung bình dưới ñế móng do tải trọng tính toán
γh là ứng suất do trọng lượng bản thân của ñất ở cao trình ñế móng
Ứng suất tiếp trong khối xây cần ñược thỏa mãn ñiều kiện sau ñây:
kk
tñ
R
b
p
≤=
7
α
τ
(3-19)
Trong
ề
n tính toán c
ủ
a kh
ố
i xây khi ch
ị
u nén.
Cấu tạo gối tựa cứng:
V
ớ
i các công trình cao t
ầ
ng xây d
ự
ng trên nh
ữ
ng vùng
ñấ
t có bi
ế
n d
ạ
ng lún l
ớ
n và bi
ế
n d
ạ
ng
ứ
ng không gian, có th
ể
b
ố
trí các g
ố
i t
ự
a c
ứ
ng b
ằ
ng bê tông c
ố
t thép.
Copyright: Tài liệu đại học ©