KẾT HỢP CỌC CỪ VỚI CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỂ BẢO VỆ MÁI HỐ MÓNG SÂU VÀ CÓ M ỰC NƯỚC NGẦM CAO Mai Lâm Tuấn1 Lê Văn Hùng1 Tóm tắt: Giải pháp cừ thép và cọc xi măng đất được sử dụng nhiều trong công tác gia cố bảo vệ mái hố móng, chúng thường được ứng dụng độc lập. Trong một số trường hợp, việc ứng dụng độc lập một giải pháp không đáp ứng yêu cầu. Bài báo đề cập đến giải pháp kết hợp cọc cừ thép với cọc xi măng đất để bảo vệ mái hố móng sâu trong điều kiện đất yếu và mực nước ngầm cao. Từ khóa: Cọc cừ, Cừ thép, Cọc xi măng đất, Hố móng sâu Cừ thép được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng, nó có thể phục vụ cho công trình lâu dài hoặc công trình tạm. Đối với việc bảo vệ hố móng sâu, cừ thép cũng được sử dụng rất phổ biến. Công tác chống đỡ cho cừ thép khi bảo vệ thành vách hố móng sâu rất đa dạng, chống đỡ phía trong với một hay nhiều tầng chống, neo giữ phía ngoài với các hàng neo trong đất. Khi sử dụng cừ thép bảo vệ thành vách hố móng sâu có mực nước ngầm cao thì cừ thép bộc lộ một số khiếm khuyết khó khắc phục như không chống thấm được theo hướng từ dưới đáy công trình lên và có hiện tượng rò rỉ mạnh, xói ngầm qua me cừ.1 Những năm gần đây, công nghệ cọc ximăng đất phát triển và ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực xây dựng khác nhau. Cọc xi măng đất có thể chống thấm theo phương thẳng đứng và phương ngang tùy theo cách bố trí các hàng cọc xi măng đất. Việc kết hợp cọc cừ thép và cọc ximăng đất để tận dụng các ưu điểm của cả hai giải pháp này trong công tác bảo vệ mái hố móng đã được ứng dụng tại một số công trình giao thông, dân dụng, điển hình là công trình hầm đường bộ Kim Liên (Hà Nội 2007). Trong phạm vi bài báo này chúng tôi đề cập đến giải pháp kết hợp cọc cừ thép với cọc ximăng đất để bảo vệ hố móng sâu trong điều kiện đất yếu và nước ngầm cao. Nội dung giới thiệu tập trung vào trường hợp phổ biến hiện nay đối với hố móng sâu có chiều rộng không lớn (<30m), có thể chống đỡ phía trong hố móng bằng nhiều tầng chống. 1 1. Những nội dung cơ bản cần xác định khi thiết kế hệ thống cọc cừ kết hợp với cọc ximăng đất Sơ đồ làm việc như hình 1. Khi thiết kế hệ thống bảo vệ hố móng bằng cọc cừ kết hợp với cọc ximăng đất cần xác định các thông số cơ bản sau: - Mô men lớn nhất trong hàng cừ thép, từ đó lựa chọn loại cừ thép. - Xác định số tầng chống, kết cấu và lực chống đỡ, từ đó tính toán chọn loại thép. - Đường kính cọc ximăng đất thành bên hố móng. - Chiều dày cần thiết của lớp ximăng đất ở đáy hố móng. - Lượng nước thấm vào hố móng. - Đại học Thủy lợi KHOA H ỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/ 2012) Sơ đồ làm việc của hệ thống cọc cừ kết hợp với cọc xi măng đất 91 2. Nội dung tính toán Để cụ thể hóa những nội dung cơ bản trên đây, chúng tôi đề cập đến bài toán thường gặp hiện nay để minh họa 2.1. Trường hợp tính toán Tính toán cho 3 trường hợp chống đỡ hố móng ứng với các chiều sâu hố móng là 8m, 12m và 16m. Vị trí các tầng chống như hình 2. Điều kiện địa chất công trình (bảng 1 phần phụ lục). Mực nước ngầm ở trạng thái cao nhất cách mặt đất 1,5m. 2.2. Các lực tác dụng Giả định trên mặt đất có tải trọng tạm thời phân bố đều 20 kN/m2. Vị trí chống đỡ ứng với các trường hợp (bảng 2 phần phụ lục). * Giá trị lực tác dụng tại các điểm (tính cho 1m dài tường cừ dọc theo phương biên móng) Lực tác dụng lên một điểm thuộc lớp thứ i được tính theo công thức sau:   Pi  q  j1  j.Hj .Kai  2.Ci . Kai   w .Hn (kN/m) (1) i Trong đó: q: Tải trọng phân bố đều trên mặt đất (kN/m2) ฀j: Dung trọng riêng của lớp thứ j (kN/m3). Nếu điểm tính toán trên mực nước ngầm, ฀j là dung trọng tự nhiên, nếu điểm tính toán nằm dưới mực nước ngầm, ฀j là dung trọng đẩy nổi. Hj: Chiều dày lớp thứ j tính đến điểm tính toán (m) Hn: Chiều cao cột nước từ mực nước ngầm đến điểm tính toán Kai: Hệ số áp lực đất chủ động của lớp đất thứ i    K ai  tan 2  45o  i  (2) 2  Ci: Lực dính của lớp thứ i (tại lớp chứa điểm tính toán) (kN/m2) ฀i: Góc ma sát trong của lớp đất thứ i (độ) Kết quả tính toán (bảng 3 phần phụ lục). Các trường hợp chống đỡ hố móng với chiều sâu H Kp: Hệ số áp lực đất bị động a) H = 8m; b) H = 12m; c) H = 16m * Xác định vị trí điểm không áp lực (G)    (5) K p  tan 2   xmđ  Vị trí điểm không áp lực (G) được tính theo 2  4 công thức: ฀xmđ, ฀i: Trọng lượng riêng của xi măng đất Pi (3) và lớp đất tại đáy hố móng (KN/m3) u  xmđ .K p   i .K a  Kết quả tính toán (bảng 4 phần phụ lục) Trong đó: 2.3. Tính kết cấu tường chắn và thanh Pi: Áp lực ngang tác dụng lên tường tại đáy chống hố móng (KN) a. Tính nội lực trên hệ tường chắn Ka: Hệ số áp lực đất chủ động của lớp đất Tính mômen trên hệ tường chắn và phản lực (4) đáy móng; K a  tan 2      tại các điểm chống. Cọc xi măng đất ở bên 4 2 ngoài tường chắn cũng tham gia vào việc chống 92 KHOA H ỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/ 2012) đỡ ngang, nhưng mức độ không lớn, chủ yếu làm tăng độ cứng của hệ tường chắn. Trong sơ đồ tính coi hệ tường cừ thép và cọc xi măng đất như một dầm liên tục. Điểm G là điểm không áp lực (áp lực bị động bằng áp lực chủ động) được coi như đầu ngàm. (Hình 3) Sơ đồ tính toán ứng với trường hợp hố móng có chiều sâu H=16m Kết quả tính toán (bảng 5 phần phụ lục). ứng suất nén dương trên mặt cắt phân bố đều, khả b. Kết cấu tường cừ thép năng chịu lực giới hạn được tính theo công thức: Ứng suất lớn nhất trong cừ thép phải thỏa P = fy.A (8) mãn điều kiện Trong đó: M max P: khả năng chịu lực giới hạn của thanh    (6) f W y: giới hạn chảy của vật liệu A: diện tích của thanh Trong đó: Khả năng chịu lực giới hạn của thanh nén Mmax: Mô men uốn lớn nhất trong hàng cừ phải là trị số nhỏ hơn trong hai trị số tải trọng thép (KN.m) 3 tới hạn Pcr và khả năng chịu lực giới hạn P. W: Mô men tĩnh của cừ (m ) Tính toán kết cấu thanh chống với mật độ [฀]: Giới hạn chảy của vật liệu làm cừ thép 2 chống 3m/hàng và ứng với các bề rộng hố móng (KN/m ) Từ các thông số của cọc cừ thép (bảng 12 khác nhau: B=15m, B=20m, B=25m, B=30m. phần phụ lục), lựa chọn loại cừ và tính toán Căn cứ vào kích thước thông dụng và độ dày kiểm tra ứng suất trên hàng cừ thép. Kết quả tiêu chuẩn thép hình H (bảng 11 phần phụ lục), lựa chọn loại thép hình H thỏa mãn cả hai yêu tính toán (bảng 6 phần phụ lục). cầu trên. Kết quả tính toán lựa chọn (bảng 7 c. Kết cấu thanh chống Trạng thái giới hạn khả năng chiu lực của thanh phần phụ lục). 2.4. Tính thấm nén bao gồm hai hình thức biểu hiện: a. Đường kính cọc xi măng đất bên thành hố móng 1. Thanh chịu nén mất ổn định Việc xác định chiều dày tường ximăng đất 2. Ứng suất trong mặt cắt thanh đạt đến giới H hạn chảy fy của vật liệu. được dựa vào [J]; J   n . Trong đó Hn là cột Với thanh nén một nhịp, hoặc thanh nén liên b tục nhiều nhịp mà độ cứng và độ rộng của các nước áp lực, b là chiều dày tường chống thấm. nhịp bằng nhau thì tải trọng tới hạn của nó tức là Theo kết quả nghiên cứu của viện Khoa học Thủy Lợi Việt Nam [Jxmđ] = 20-100. Bài báo tải trọng Euler: 2 tính toán chiều dày b ứng với [Jxmđ] = 20.  E.I Pcr  2 (7) Kết quả tính toán (bảng 8 phần phụ lục). l b. Chiều dày xi măng đất ở đáy hố móng Trong đó: Chiều dày lớp ximăng đất ở đáy hố móng l: chiều dài nhịp tính toán phụ thuộc vào chênh lệch mực nước ngầm và E, I: mô đun đàn hồi và mô men quán tính đáy hố móng. Chiều dày này phải đảm bảo điều của thanh kiện chống thấm (t1), đảm bảo ổn định không bị Khả năng chịu lực giới hạn của thanh nén: Thanh nén chỉ chịu lực nén trục, bỏ qua ảnh đẩy nổi đáy hố móng (t2) và phụ thuộc vào yêu hưởng của trọng lượng bản thân của thanh, khi đó cầu gia cố nền. KHOA H ỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/ 2012) 93 H n  t1 J H  t .B. n  2.K.R c .t 2 t2  n 2 B. xmđ t1  K: Hệ số thấm của xi măng đất (m/s) Hn: Chênh lệch cột nước từ mực nước ngầm đến đáy hố móng (m) (10) t: Chiều dày lớp đáy xi măng đất (m) Kết quả tính toán như bảng 10. Trong đó: 3. Trình tự thi công ti: Chiều dày đáy hố móng (m) Quá trình thi công kết cấu bảo vệ hố móng [J]: Gradien thấm cho phép của xi măng đất trong trường hợp này gồm 4 giai đoạn chính: ([J] = 20) 1. Hạ cọc cừ thép đến cao trình thiết kế. K: hệ số điều kiện làm việc của lớp đáy 2. Thi công hàng cọc xi măng đất sát với ximăng đất (K=0,3) hàng cừ thép. Hn: Chiều cao cột nước tính từ mực nước ngầm 3. Thi công lớp đáy móng bằng xi măng đất. cao nhất đến đáy hố móng (m); 4. Đào móng từ trên xuống cùng kết hợp với Rc: Cường độ kháng cắt của xi măng đất (Rc thi công kết cấu tầng chống. = 700 KN/m2 ứng với trường hợp hàm lượng 4. Kết luận 3 300Kg XM/1m đất ) Kết hợp cọc cừ và cọc xi măng đất để tận B: Bề rộng hố móng (m) dụng ưu điểm của hai loại hình gia cố hố móng ฀n: dung trọng của nước (KN/m3) này như tạo được biên hố móng chính xác, ngăn được hoàn toàn nước thấm vào hố móng trong ฀xmđ: dung trọng của ximăng đất (KN/m3) trường hợp hố móng sâu và có mực nước ngầm c. Lượng nước thấm vào hố móng Đối với hố móng có thành bên là tường xi cao. Việc kết hợp này phù hợp nhất khi dùng măng đất kết hợp với cừ thép, lượng nước thấm công nghệ Jet-Grouting nhằm tường xi măng đất qua thành bên hố móng là không đáng kể vì tạo ra tiếp giáp tốt với cọc cừ. Áp dụng cho công trình có mặt bằng chật tường ximăng đất có hệ số thấm nhỏ (<10-5cm/s). Do vậy lượng nước thấm chủ yếu là từ đáy hố hẹp, giữ nguyên được mực nước ngầm xung quanh hố móng để không ảnh hưởng lún cho các móng lên. Lượng nước thấm từ đáy hố móng được tính công trình lân cận. Biện pháp này sẽ tốn kém vì phải làm lớp theo công thức: đáy chống thấm. Áp dụng hiệu quả hơn trong Q = v.B.1 (11) trường hợp kết hợp với gia cố nền công trình. Trong đó: Trong một số trường hợp không tạo cọc xi măng Q: Tổng lượng nước thấm vào hố móng (tính đất dưới nền nên được xem xét phụ thuộc vào cho 1m dài) (m3/s/m) tính chất đất nền. B: Chiều rộng hố móng (m) Để thuận lợi cho thi công và kiểm soát chất 1: bề rộng 1m theo phương chu vi móng lượng, nên sử dụng một hình thức kết cấu và  H  t v  K. (12) kích thước tầng chống nhưng phân bố tương t thích với tải trọng. Abstract: COMBINING STEEL SHEET PILES AND SOIL-CEMENT COLUMNS TO PROTECT AND STABILIZE THE DEEP PIT IN CASE OF WEAK SOIL WITH HIGH LEVEL OF GROUNDWATER Steel sheet piles and soil-cement columns are used to protect the pits independently. In some cases, using each method separately does not work as well as expected. This article proposes a solusion combining steel sheet piles and soil-cement columns to protect and stabilize the deep pit in case of weak soil with high level of groundwater. Keywords: Steel sheet piles, soil-cement columns 94 (9) KHOA H ỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/ 2012) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Bá Kế (2009), Thiết kế và thi công hố móng sâu, Nhà xuất bản Xây dựng. 2. Nguyễn Quốc Dũng, Phùng Vĩnh An, Nguyễn Quốc Huy (2005), Công nghệ khoan phụt cao áp trong xử lý nền đất yếu, Nhà xuất bản Nông nghiệp. 3. Lê Văn Hùng (2008), Bảo vệ mái hố móng hầm đường bộ Kim Liên, Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường, số 22, Tháng 09/2008. 4. Lê Thái Sơn (2011), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ “Dòng vữa xi măng cao áp” (Jetgrouting) để sửa chữa nâng cao tính ổn định thấm của nền cống đồng bằng, áp dụng cho việc xử lý thấm cống Mai Trang – Phú Xuyên – Hà Nội, Luận văn Thạc sĩ. PHỤ LỤC Bảng 1: Thông số địa chất công trình Lớp đất Mô tả Bảng 5: Nội lực trên hệ tường chắn Chiều dày (m) Dung trọng (kN/m3) Góc ma sát trong (độ) Lực dính (kN/m2) 1 Đất đắp 1,5 18 15 0 2 Đất sét pha 2,4 18,5 20 13 3 Đất sét pha 3,6 17,8 24 15 4 Đất sét pha nhẹ 4,5 17,9 25 18 5 Đất sét bột kẹp cát 9,5 18,5 26 16 Điểm A B C D G H=8m M P (kN.m) (kN) 34,8 72,5 29,7 110,4 27,5 Điểm A B C D TT Lớp 1 59,1 76,1 H=8m H=12m H=16m 39,86.103 80,71.103 134,97.103 SP-II SP-II SP-II Bảng 7: Lựa chọn thanh chống Chiều sâu hố móng Áp lực ngang (kN) Ghi chú (m) H=8m H=12m H=16m 1 0 11,8 11,8 11,8 2 1 1,5 27,7 27,7 27,7 3 2 1,5 4,8 4,8 4,8 4 2 3,9 26,6 26,6 26,6 5 3 3,9 19,1 19,1 19,1 6 3 7,5 46,1 46,1 46,1 7 4 7,5 40,2 40,2 40,2 8 4 12 43,8* 72,9 72,9 9 5 12 72,1 10 5 16 100,9 *z=8m Bảng 4: V ị trí điểm không áp lực (G) Trường hợp H=8m H=12m H=16m u (m) 0,98 1,62 2,25 KHOA H ỌC Ứng suất lớn nhất (kN/m2) Chọn loại cừ thép Ghi chú Bảng 3: Lực tác dụng lên thành hố móng Độ sâu 44,4 H=16m M P (kN.m) (kN) 34,8 69,9 40,4 129,4 78,3 234,3 117,9 348,7 110,8 117,3 Bảng 6: Lựa chọn cừ thép Bảng 2: V ị trí chống đỡ hố móng Độ sâu chống đỡ so với MĐTN (m) H=8m H=12m H=16m 2 2 2 6 6 6 10 10 14 H=12m M P (kN.m) (kN) 34,8 69,4 42,2 132,3 70,5 221,3 KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 Lực chống lớn nhất ứng với Btt = 3m (kN) Iyc (cm4) B= I (cm4) 15m chọn Loại thép Iyc (cm4) B= I (cm4) 20m chọn Loại thép Iyc (cm4) B= I (cm4) 25m chọn Loại thép Iyc (cm4) B= Ichọn (cm4) 30m Loại thép H=8m H=12m H=16m 331,32 664,05 1046,25 3578 4510 H300*15*10 6361 13580 H350*12*19 9940 13580 H350*12*19 14313 22410 H400*13*21 7172 13580 H350*12*19 12750 13580 H350*12*19 19921 22410 H400*13*21 28687 (2*) 11299 13580 H350*12*19 20088 22410 H400*13*21 31387 (1*) 45198 (3*) Trường hợp (1*) và (2*) ứng với Btt = 2m thì Iyc1 = 20925 (cm4) và Iyc2 = 19125 (cm4), có thể chọn loại thép H400*13*21 để chống đỡ. Trường hợp (3*) ứng với Btt = 1,5m thì Iyc = 22600 (cm4), thép H100*13*21 vẫn không đảm bảo yêu cầu chống đỡ nếu chỉ chống 1 nhịp. Trường hợp này cần xem xét đến phương án tăng số nhịp chống lên thành 2 nhịp. (9/ 2012) 95 Bảng 8: Đường kính cọc ximăng đất bên thành hố móng Chiều sâu hố móng Cột nước tính đến đáy hố móng Hn (m) H=8m H=12m H=16m 6,5 10,5 14,5 byc 0,33 0,53 0,73 bchọn 0,35 0,55 0,75 Đường kính cọc xm đất 0,5 0,8 1,1 b Bảng 10: Lưu lượng nước thấm vào hố móng Chiều sâu hố móng H=8m H=12m Cột nước tính đến đáy hố 6,5 10,5 móng Hn (m) 3 -6 B = 15m Q (m /s) 31,9.10 32,9.10-6 B = 20m Q (m3/s) 36,0.10-6 36,9.10-6 3 -6 B = 25m Q (m /s) 40,5.10 40,4.10-6 3 -6 B = 30m Q (m /s) 44,5.10 44,7.10-6 B = 15m B = 20m B = 25m B = 30m H=8m H=12m H=16m 6,5 10,5 14,5 t1 (m) 0,34 0,55 0,76 t2 (m) 1,91 3,09 4,26 tchọn (m) 2,00 3,10 4,30 t1 (m) 0,34 0,55 0,76 t2 (m) 2,41 3,89 5,37 tchọn (m) 2,50 3,90 5,40 t1 (m) 0,34 0,55 0,76 t2 (m) 2,85 4,61 6,36 tchọn (m) 2,90 4,70 6,40 t1 (m) 0,34 0,55 0,76 t2 (m) 3,25 5,25 7,25 tchọn (m) 3,30 5,30 7,30 14,5 32,8.10-6 36,9.10-6 40,8.10-6 44,8.10-6 Bảng 11: Kích thước thông dụng và độ dày tiêu chuẩn thép hình H d (mm) 100 125 150 175 194 200 244 244 250 294 300 350 400 588 Bảng 9: Chiều dày lớp ximăng đất ở đáy hố móng Chiều sâu hố móng Cột nước tính đến đáy hố móng Hn (m) H=16m bt (mm) 100 125 150 175 150 200 175 252 250 200 300 350 400 300 tw(mm) 6 6,5 7 7,5 6 8 7 11 9 8 10 12 13 12 tf (mm) 8 9 10 11 9 12 11 11 14 12 15 19 21 20 W (kg/m) 17,2 23,8 31,5 40.2 30.6 49,9 44.1 64.4 72,4 56.8 94 137 172 151 Hình dạng mặt cắt Bảng 12: Các thông số cọc cừ thép Kích thước mặt cắt Loại SP-II SP-III SP-IIIA (E) SP-IIIA (D) SP-IV SP-V L SP-II W SP-III W SP-IV W B H t mm 400 400 400 400 400 500 600 600 600 mm 100 125 150 150 170 200 130 180 210 mm 10,5 13 13,1 13 15,5 24,3 10,3 13,4 18 Diện tích mặt cắt Tường Một cọc cọc cm2 cm2/m 61,2 153 76,4 191 74,4 186 76,4 191 96,9 242,5 133,8 267,6 78,7 131,2 103,9 173,2 135,3 225,5 Trọng lượng Một Tường cọc cọc kg/m kg/m2 48 120 60 150 58,4 146 60 150 76,1 190 105 210 61,8 103 81,6 136 106 177 Người phản biện: PGS.TS. Nguyễn Trọng Tư 96 KHOA H ỌC Mô men quán tính Tường Một cọc cọc cm4 cm4/m 1240 8740 2220 16800 2790 22800 3060 22600 4670 38600 7960 63000 2110 13000 5220 32400 8630 56700 BBT nhận bài: Phản biện xong: Mô men tĩnh Một Tường cọc cọc cm3 cm3/m 152 874 223 1340 250 1520 278 1510 362 2270 520 3150 203 1000 376 1800 539 2700 15/5/2012 22/6/2012 KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/ 2012)