cải tạo dưới đất yếu nền đường bằng cọc xi măng đất

Địa kỹ thuật số 2-2009 1
CảI TạO dới ĐấT YếU NềN ĐƯờNG
BằNG CọC XI MĂNG ĐấT

Nguyễn Châu Lân
*

CÔNG NGHệ NềN MóNG
Impovement of embankment on soft soils by using cment columns
Abstract: For the last some years cement column method of soil
stabilization has been applied popularly in Vietnam .This method has
been used to increase the load capacity and decrease settlement,
moreover it prevents road embankment on soft clay ground from failure.
This article describes in detail the design procedures of the cement
column methods by using Japanese criteria
The author also introduces the finite element method of settlement
calculation, slip circle analysis and load bearing capacity of soil cement
column method operated in the Ninh Binh highway.


1. ĐặT VấN Đề
Cọc xi măng đất là loại cọc đợc thi công
theo phơng pháp trộn sâu, bằng cách trộn đều
xi măng với nền đất yếu tạo thành một loại cọc
đờng kính cọc từ 0,5 1m, chiều sâu mà cọc
làm việc hiệu quả từ 15 ữ 30m.
Cọc xi măng đất dùng để cải tạo nền đất
theo phơng pháp trộn sâu thờng đợc áp
dụng nhằm gia cố nền đờng hay tờng chắn,
mố cầu dẫn, bờ dốc để đảm bảo yêu cầu

chống trợt, giảm độ lún và làm tăng sức chịu
tải của nền đất.
Hiện nay có nhiều quy trình thiết kế, tính
toán của các nớc nh Nhật Bản, Trung Quốc,
Thụy Điển Tại Việt nam chỉ có tiêu chuẩn xây
dựng về thiết kế - thi công nghiệm thu cọc xi
măng đất TCXDVN 385:2006. Tuy nhiên một
số phần hớng dẫn thiết kế trong tiêu chuẩn
này cha thật rõ ràng. Do vậy, tác giả tham
khảo cách tính toán và thiết kế theo quy trình
Nhật Bản, để kiến nghị đa ra cách tính toán
cọc xi măng đất cho phù hợp với điều kiện Việt
Nam. Đồng thời bài báo cũng đi sâu vào tính
toán phân tích các yếu tố biến dạng, ổn định,
cờng độ và áp lực nớc lỗ rỗng tiêu tán trong
nền đất đã đợc cải tạo bằng cọc xi măng đất
theo phơng pháp phần tử hữu hạn.
2. THIếT Kế CọC XI MĂNG ĐấT
2.1 Thiết kế theo quy trình Nhật Bản
Khi thiết kế cọc xi măng đất phải xác định
các điều kiện thiết kế trớc sau đó đa ra các
thông số cho vùng đất cải tạo và tính toán cọc
xi măng đất về độ lún, ổn định và cờng độ cọc.
Thiết kế cọc xi măng đất có thể tính theo các
bớc sau:
2.1.1. Xác định điều kiện thiết kế.
Điều kiện thiết kế xác định dựa vào mục
đích, chức năng và tầm quan trọng của công
trình và các yếu tố nh: tải trọng, tính chất cơ lý
của nền đất, cách bố trí cọc Có thể xem xét

một số vấn đề sau:
(1) Độ lún cho phép: độ lún d nhỏ hơn 10-
20 cm. Độ lún lệch giữa các cọc nên nhỏ hơn
khoảng 5cm(theo quy trình Nhật Bản).
(2) Hệ số ổn định (theo phơng pháp của
Bishop) theo quy trình 22 TCN 262-2000: trong
giai đoạn thi công FS1,4 và trong giai đoạn
khai thác FS1,2
(3) Tải trọng: gồm tải trọng của nền đờng
đắp DL và tải trọng đoàn xe LL
(4) Bố trí cọc: bố trí theo lới ô vuông hoặc lới

* Trờng Đại học Giao thông Vận tải H Nội
Cầu Giấy, Đống Đa, H Nội
DĐ: 0912877781

Địa kỹ thuật số 2-2009 2
tam giác.
Trong thiết kế cọc xi măng đất cần xác định
hệ số cải tạo nh sau:
21
XX
A
a
col
p
=

(1)
x1

x2

Hình 1: Bố trí cọc
Trong đó a
p
- hệ số cải tạo đất;
col
A
-

diện tích mặt cắt ngang của 1 cọc xi
măng đất
X
1
, X
2
- khoảng cách của mỗi cọc.
2.1.2. Tính toán độ lún
a) Tổng độ lún nền đất sau khi cải tạo
Tổng độ lún có thể đợc tính toán nh sau:
21
hhh +=

(2)
q
2
coc xi mang
q
1

h
2

h
1
2
1
2
1

Hình 2: Mô hình tính toán độ lún
của nền đất sau cải tạo

- Độ lún
1
h
, tính từ bề mặt đến phần đợc
cải tạo bằng cọc xi măng đất tính theo công
thức sau:
soilpcolp
EaEa
Hq
h
)1(
11
1
+
=

(3)

Trong đó q
1
- tổng tải trọng tác dụng
q
1
= (DL+LL)/A;
Với: A - diện tích cải tạo(A=B.L), với B-chiều
rộng móng;
L - chiều dài móng;
DL - tĩnh tải do nền đờng tác dụng lên 1 cọc;
LL - hoạt tải do đoàn xe tác dụng lên 1 cọc;
H
1
- chiều dài cọc;
a
p
- hệ số cải tạo;
E
col
- môđun đàn hồi của cọc xi măng đất,
xác định theo thí nghiệm có thể lấy gần đúng
E
col
= 100 # 300 q
uck
;

q
uck
- sức kháng nén của cọc xi măng đất xác

định bằng thí nghiệm
E
soil
- môđun đàn hồi của nền đất, có thể lấy
E
soil
= 210 c
0
;
Với c
0
- lực dính đơn vị của nền đất yếu.
- Độ lún
2
h

, tính từ phần cải tạo đến đáy
tầng đất yếu (hoặc đến hết chiều sâu tính lún),
đợc tính theo công thức sau:
'
2'
2
0
2
log
1
vo
voc
q
H

e
C
h


+
+
=

(4)
Trong đó:
c
C - chỉ số nén của đất;
e
0
- hệ số rỗng ban đầu của đất;
H
2
- độ dày của tầng không đợc cải tạo bên
dới cọc xi măng (m)
'vo

- ứng suất có hiệu thẳng đứng tại giữa
lớp đất yếu dới cọc của tầng phủ;
q
2
- tổng tải trọng tác dụng tại trọng tâm của
nền đất không đợc cải tạo.
q
2

= (DL+LL)/(B+H
2
/2).
b) Tính toán độ lún theo thời gian
Có thể tính toán tơng tự nh giếng cát.
2.1.3. Phân tích ổn định trợt sâu
Cờng độ chống cắt trung bình của đất sau
khi cải tạo bằng cọc xi măng đất có thể đợc
tính nh đất hỗn hợp, gồm sức chống cắt của
nền đất và của cọc xi măng:
ooo
ooppp
Kcc
caca
=

+
=
)1(


(5)
Trong đó:

- cờng độ chống cắt trung bình
của đất đã cải tạo;
p
c
- lực dính đơn vị của cọc xi măng đất
(c

p
=q
uck
/2);
oo
c - lực dính đơn vị của đất đã cải tạo.
K - hệ số chiết giảm.
Sau khi đã tính toán đợc cờng độ chống

Địa kỹ thuật số 2-2009 3
cắt của nền đất cải tạo có thể dùng phần mềm
Slope- W để kiểm toán ổn định cho nền đất cải
tạo bằng cọc xi măng đất.
2.1.4. Kiểm toán sức chịu tải của nền đất
cải tạo bằng cọc xi măng đất
Tính toán khả năng chịu tải của cọc xi măng
đất theo đất nền:
usoilusoilisoilult
cdchdQ 25,2
2
,

+=

(6)
Trong đó
soilult
Q
,
- khả năng chịu tải của cọc

theo đất nền;
d - đờng kính cọc;
h
i
- chiều dày lớp đất thứ i mà cọc xuyên qua;
c
usoil
- sức chống cắt không thoát nớc của
đất sét xung quanh.
- Tính toán khả năng chịu tải của cọc xi
măng đất theo vật liệu chế tạo
colult
Q
,

).35.3.(
, hcolcolcolult
cAQ

+= (7)
Trong đó
colult
Q
,
- khả năng chịu tải của cọc
theo vật liệu;
h

- tổng áp lực ngang tác dụng lên
cọc,

usoilvh
c.5+=


;
v

- ứng suất thẳng đứng do các lớp phủ
bên trên tác dụng;
col
c -lực dính đơn vị của cọc xi măng đất.
Khả năng chịu tải tính toán của cọc xi măng
đất có thể lấy giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị
khả năng chịu tải của cọc theo điều kiện đất
nền và theo vật liệu:
),min(
,, colultsoilultult
QQQ
=
(8)
Nếu lấy hệ số an toàn FS=1,5 thì khả năng
chịu tải cho phép của cọc xi măng :
FS
Q
Q
ult
allow
=
(9)
- Kiểm tra khả năng chịu tải của nền đất theo

điều kiện:
PQ
allow
>
Đạt
Trong đó: P là tổng tải trọng tác dụng lên 1
cọc
2.2. Ví dụ tính toán cọc xi măng đất
2.2.1. Điều kiện bi toán
Tác giả dựa vào kết quả khảo sát địa chất và
đề cơng thiết kế kỹ thuật Dự án đờng cao tốc
Cầu Giẽ-Ninh Bình do Tổng Công ty TVTK
GTVT (TEDI) lập.
- Tiêu chuẩn kỹ thuật của đờng
+ Nền đờng có chiều rộng B=18,0m;
trọng lợng thể tích 18 kN/m
3

+ Chiều cao nền đờng đắp H=7,4m;
chiều rộng bệ phản áp: 10m;
- Điều kiện địa chất
Nền đất yếu đợc gồm 4 lớp, với các chỉ tiêu
cơ lý của các lớp đất nh trong bảng sau::

Chỉ tiêu Đơn vị
Lớp 1
(sét chảy)
Lớp 2
(bùn sét pha)
Lớp 3

(sét dẻo chảy)
Lớp 4
(cát chặt)
Chiều dày m 6,6 2,3 24,0 2,0
Trọng lợng thể tích tự nhiên kN/m
3
18,2 16,4 16,6 17,5
Độ ẩm % 34,69 60,30 49,69 55,00
Hệ số rỗng - 1,00 1,64 1,41 0,94
Giới hạn chảy % 39,55 47,60 50,10 -
Giới hạn dẻo % 19,51 32,97 29,37 -
Lực dính đơn vị kN/m
2
18,00 16,90 17,90 -
áp lực tiền cố kết kN/m
2
65,00 - - -
Hệ số thấm m/ngày 2,2.10
-4
1,4.10
-4
2,2.10
-4
0,5
Hệ số cố kết cm
2
/s 0,00012 0,000132 0,00012
Chỉ số nén - 0,34 0,42 0,37 -
Chỉ số nở - 0,034 - - -
Chỉ số xuyên SPT búa - - - 32

2.2.2. Kết quả tính toán
a) Trớc khi xử lý

Địa kỹ thuật số 2-2009 4
Độ lún tổng cộng, tính toán theo phơng
pháp phân tầng cộng lún, tính cho nền đất gồm
cả 4 lớp nh bảng trên đợc: độ lún cố kết S
c
=
157,40 cm; độ lún tức thời S
I
= 15,74 cm; độ lún
tổng cộng: S = 173,14 cm; Độ lún d bằng
30,5cm >20cm (không thỏa mãn Quy trình
22TCN262:2000), cần tiến hành xử lý.
b) Sau khi xử lý bằng biện pháp cọc xi
măng đất

Sức khán
g
danh đ
ị
nh của
2
/300 cmkGq
uck
=
cọc (

30.000kN/m

2
)
Đờng kính cọc
D = 600 mm.
Chiều dài cọc
L=15 m.
Khoảng cách giữa các cọc
S=1,5m
Cách bố trí cọc
Lới ô vuông
- Tính lún: sử dụng phơng pháp phân tầng
cộng lún tơng tự quy trình 22 TCN-262-2000
1
h

- độ lún tính từ mặt đất đến cao độ mũi
cọc xi măng đất tính toán theo bảng sau:

Chiều
sâu
a
p

0
c (kN/m
2
)
o
soil
c

mkNE
.250
)/(
2
=
uc
k
col
q
mkNE
350
)/(
2
=

q
1

(
2
/ mkN
)
H
1
(m)
1
h
(m)
0-15 0,126 18 4500 105 000 133 15 0,12
2

h
- độ lún phần đất không đợc cải tạo đợc tính toán theo bảng sau:
Lớp
đất
Cao độ
của lớp
tính toán
H
(m)

(kN/m
3
)
)/(
2'
mkN
vo

q
2
=q
1
.B
(B+H/2)
0
e

Cc
Độ
lún (m)

Lớp
sét 3

-15~-17 2 16,6 16,6 130,94 1,41 0,37 0,29
-17~-19 2 16,6 58,1 128,94 1,41 0,37 0,16
-19~-21 2 16,6 74,7 127,01 1,41 0,37 0,13
-21~-23 2 16,6 91,3 125,13 1,41 0,37 0,11
-23~-25 2 16,6 107,9 123,30 1,41 0,37 0,10
-25~-27 2 16,6 124,5 121,53 1,41 0,37 0,09
-27~-29 2 16,6 159,5 119,81 1,41 0,37 0,074
Tổng 0,96

Vậy tổng độ lún:
1
h =0,12+0,96=1,08m
Tính toán ổn định: dùng phần mềm Slope-W tính theo phơng pháp Bishop đợc k=1,52
Tính toán khả năng chịu tải của nền đất.

soilult
Q
,
(kN)
colult
Q
,
(kN)
ult
Q (kN)

allow
Q (kN)
P(kN) Kết luận
675,76 881,4 `675,76 450 355,5 Đạt

3. THIếT Kế, TíNH TOáN CọC XI MĂNG
ĐấT THEO PHƯƠNG PHáP PHầN Tử HữU
HạN
3.1. Tính toán nền đờng đắp trên đất yếu ở
điều kiện tự nhiên bằng phần mềm Plaxis
3.1.1. Sơ đồ tính toán của bi toán

Địa kỹ thuật số 2-2009 5

Hình 3: Mô hình bi toán khi cha xử lý
3.1.2. Kết quả tính toán nền đất khi cha xử lý
0 500 1,e3 1,5e3 2,e3 2,5e3 3,e3
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
Time [day]
Uy [m]

Hình 4: Độ lún của điểm A tại tim nền đờng

Hình 5: Biểu đồ đờng đẳng áp lực nớc lỗ rỗng d.

- Độ lún ổn định của nền đất theo biểu đồ

hình 4 là: S=1,573 m.
- Từ biểu đồ hình 5 cho kết quả áp lực nớc
lỗ rỗng d lớn nhất là 93,72 kN/m
2
tại vị trí ngay
dới tim nền đờng.

Địa kỹ thuật số 2-2009 6
3.2. Tính toán cọc xi măng đất theo
phơng pháp phần tử hữu hạn bằng phần
mềm Plaxis
3.2.1. Khai báo các yếu tố hình học của bi toán
Mô hình tính toán đợc nhập theo tọa độ
điểm và cho nh hình bên dới:

Hình 6: Mô hình tính toán cọc xi măng đất trong Plaxis
3.3.2. Tính toán cọc xi măng đất theo phơng pháp phần tử hữu hạn
a) Khi bố trí chiều di cọc L=15m
0 1,e3 2,e3 3,e3 4,e3 5,e3 6,e3
-1,6
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
Time [day]
Uy [m]

Hình 7: Độ lún tại vị trí tim cọc xi măng đất

Hình 8: Biểu đồ tiêu tán áp lực nớc lỗ rỗng

Địa kỹ thuật số 2-2009 7

- Từ biểu đồ hình 7, độ lún của nền đờng
tại vị trí tim cọc xi măng đất là S=0,883 m; độ
lún của nền đờng S=0,891 m.
- Biểu đồ hình 8 là biểu đồ tiêu tán áp lực
nớc lỗ rỗng sau khi xử lý. So sánh với biểu đồ
tiêu tán áp lực nớc lỗ rỗng của nền đất khi
cha xử lý thấy rằng áp lực nớc lỗ rỗng trong
trờng hợp dùng cọc xi măng đất tiêu tán
nhanh hơn, do đó tốc độ cố kết cũng nhanh
hơn.
- Hệ số ổn định khi tính toán bằng Plaxis:
FS=1,42.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
|U| [m]
Su m- Ms f
Chart 2
Curv e 1

Hình 9 :Biểu đồ hệ số ổn định khi bố trí cọc xi măng đất
b) Nghiên cứu ảnh hởng khi thay đổi chiều di của cọc xi măng đất

- Tiếp theo cho thay đổi chiều dài cọc xi măng đất từ 15m thành 20 m và 25m và tính toán bằng
phần mềm Plaxis đợc:
0 1,e3 2,e3 3,e3 4,e3 5,e3 6,e3
-1,6
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
Time [day]
Displac ement [m]
Chart 1
Coc L=25m
Coc L=15m
Coc L=20m

Hình 10 :Biểu đồ độ lún của nền đất khi chiều di cọc thay đổi
Có thể tóm tắt kết quả tính toán khi thay đổi chiều dài cọc nh bảng sau:
Thông số L=15m L=20m L=25m
Độ lún 0,883 0,672 0,489
Thời gian để nền đất đạt độ cố
kết 90% (ngày)
415 295 190
Hệ số ổn định 1,42 1,53 1,601

Địa kỹ thuật số 2-2009 8
c) Nghiên cứu lới biến dạng trớc v sau
khi sử dụng cọc xi măng đất
Tác giả nghiên cứu hai trờng hợp trớc và
sau khi xử lý cho kết quả lới biến dạng nh
biểu đồ sau:

Hình 11: Biểu đồ biến dạng của nền đất trớc
khi xử lý bằng cọc xi măng đất
Hình 12: Biểu đồ biến dạng của nền đất sau
khi xử lý bằng cọc xi măng đất

Đồng thời biểu đồ hình 12 cho thấy biến
dạng trong phạm vi cọc xi măng đất nhỏ hơn rất
nhiều so với trờng hợp cha xử lý theo biểu đồ
hình 11. Điều đó chứng tỏ hiệu quả rõ rệt của
việc sử dụng cọc xi măng đất làm giảm biến
dạng của nền đất.
4. KếT LUậN
- Phơng pháp tính toán bằng phần tử hữu
hạn có nhiều u điểm đó là có thể xác định
đợc biến dạng, ứng suất, áp lực nớc lỗ rỗng
tại một điểm bất kỳ dới nền đất và tại vị trí giữa
các cọc xi măng đất mà các phơng pháp tính
tay không thể thực hiện đợc.
- Khi tính toán ổn định bằng Slope-W thì phải
quy đổi về nền đất tơng đơng, còn khi tính
toán theo Plaxis thì chỉ cần nhập vào môđun
của nền đất và của cọc xi măng đất, kết quả
tính toán bằng ổn định theo phần tử hữu hạn có
độ tin cậy cao.
- Khi phân tích bằng phơng pháp phần tử
hữu hạn, độ lún của nền đất phụ thuộc vào
chuyển vị ngang, khi dùng cọc xi măng đất thì
chuyển vị ngang của nền đờng cũng giảm và
giảm độ lún của nền đất.

- Kiến nghị nên đa phơng pháp phần tử
hữu hạn vào tính toán cọc xi măng đất.

TI LIệU THAM KHảO
[1]. Tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN
385:2006. Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi
măng, Bộ xây dựng, 2006.
[2]. Bộ Giao thông vận tải. Quy trình Khảo
sát thiết kế nền đờng ô tô đắp trên đất yếu,
22 TCN 262-2000.
[3]. Cement Deep mixing method
association. Cement Deep mixing method
manual , 1993.
[4]. Masaki Kitazume, Masaaki Terashi. The
deep mixing method: principle, design and
construction, Japan, 2002.
[5]
. Publics Works Research Center. Deep
mixing method design execution manual for
land works: 92-99, 1999.
[6]. Japan - Thailand Joint Study Project on
Soft Clay Foundation. Manual for design and
construction of cement column method,
1998

Địa kỹ thuật số 2-2009 9


Ngời phản biện: PGS.TS. Vơng Văn Thành