đánh giá khả năng ổn định và ứng dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu ở khu vực phía nam - lê hồng quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LÊ HỒNG QUANG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC
VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC
PHÍA NAM

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TS. TRẦN THỊ THANH
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. TRẦN TUẤN ANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
Ngày 09 tháng 01 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS.TS. CHÂU NGỌC ẨN
2. GS.TS. TRẦN THỊ THANH
3. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
4. TS. TRẦN TUẤN ANH
5. TS. ĐỖ THANH HẢI
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KTXD


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ HỒNG QUANG

MSHV: 11090324

Ngày, tháng, năm sinh: 25/11/1979

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số: 605860

I. TÊN ĐỀ TÀI:
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC PHÍA NAM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan
đến phương pháp cọc vật liệu rời.
 Tính tốn ứng dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền đất yếu cho bãi chế tạo. So
sánh phương pháp tính tốn lý thuyết và kết quả quan trắc.
 Tính tốn bài tốn cơng trình đắp trên nền đất yếu điển hình phía Nam được xử
lý bằng cọc vật liệu rời. So sánh đánh giá hiệu quả với các phương pháp xử lý
nền khác. Mô phỏng ứng xử nền được xử lý bằng cọc vật liệu rời.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02 – 07 – 2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 – 11 – 2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Tp. HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

PGS.TS. VÕ PHÁN
TRƯỞNG KHOA KTXD


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Đánh giá khả năng ổn định và ứng dụng

cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu ở khu vực phía Nam” được thực hiện với
kiến thức tác giả thu thập trong suốt quá trình học tập tại trường. Cùng với sự cố
gắng của bản thân là sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và
gia đình trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Chân thành cám ơn PGS.TS Võ Phán, thầy là động lực và là tấm gương to lớn
giúp tơi phấn đấu trong suốt q trình học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ mơn Địa Cơ – Nền Móng, những người
đã cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt q trình học tập và
cơng tác.
Xin gửi lời cảm ơn đến các học viên chuyên ngành Địa Kỹ thuật Xây Dựng khóa
2011, những người bạn đã đồng hành và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Bùi Trường Sơn, người thầy đã
nhiệt tình hướng dẫn, động viên tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến cơng ty TNHH Nền Móng Keller Việt Nam, nơi tôi
công tác, đã tạo điều kiện rất nhiều về thời gian để tơi hồn thành q trình học tập.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã động viên và tạo điều kiện tốt
nhất cho tôi tinh thần và thời gian trong những năm tháng học tập tại trường.
Luận văn được hoàn thành nhưng khơng thể tránh được những thiếu sót và hạn
chế. Rất mong nhận được sự đóng góp của q thầy cơ, bạn bè và đồng nghiệp để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Học viên
Lê Hồng Quang


ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC
VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC
PHÍA NAM
Tóm tắt:
Luận văn tập trung vào nghiên cứu lịch sử, biện pháp thi công, quản lý chất
lượng và các phương pháp thiết kế của biện pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc vật

liệu rời. Áp dụng tính tốn thiết kế và thi cơng cơng trình thực tế tại Việt Nam, thí
nghiệm hiện trường được thực hiện để kiệm tra và đánh giá độ ổn định của nền và
độ tin cậy của phương pháp. Việc tính tốn xử lý nền đất yếu điển hình dưới cơng
trình đắp sử dụng các phương pháp xử lý nền khác nhau đã được thực hiện và so
sánh với phương pháp cọc vật liệu rời nhằm đưa ra cái nhìn tổng quan về tính hiệu
quả của phương pháp cọc vật liệu rời trong điều kiện địa chất khu vực phía Nam

EVALUATION OF STABILITY AND APPLICABILITY OF
STONE COLUMNS TO IMPROVE THE SOFT SOIL IN
SOUTHERN REGION
Abstract:
The thesis concentrates on studying of history, construction method, quality
control system and design methods of ground improvement using stone columns or
granular pile method. An actual project in Vietnam was calculated and constructed,
the field test was carried out to check and evaluate the ground stability and the
reliability of this method. The calculation of treatment using various ground
improvement techniques for a typical soft soil profile under an embankment was
carried out and compared with stone columns method in order to have a general
view on the effectiveness of stone columns method in the geological condition of
Southern region.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 3
1.1.

Các phương pháp xử lý nền...................................................................................... 3

1.1.1.

Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước ................................. 3

1.1.2.

Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước ................................. 5

1.1.3.

Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không ................................................. 7

1.2.

Các phương pháp gia cường..................................................................................... 8

1.2.1.

Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi .......................... 8

1.2.2.

Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật........................12

1.3.

Các phương pháp phân bố lại ứng suất .................................................................14

1.3.1.

Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát .....................................................................14

1.3.2.

Xử lý nền bằng bệ phản áp..............................................................................15

1.4.

Nhận xét và phương hướng của đề tài ..................................................................16

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC VẬT
LIỆU RỜI DÙNG ĐẦM RUNG SÂU..............................................................................17
2.1.

Giới thiệu và lịch sử của công nghệ đầm rung sâu..............................................17

2.2.

Công nghệ cọc vật liệu rời (cọc đá) ......................................................................18

2.2.1.

Các loại đất nền phù hợp để gia cố bằng cọc vật liệu rời............................19

2.2.2.

Qui trình thi cơng .............................................................................................19

2.2.3. Thông số kỹ thuật của hệ thống máy đầm rung và các thiết bị phụ trợ cho
công tác thi công cọc đá .................................................................................................23
2.2.4.

Quản lý chất lượng thi công trong phương pháp cọc vật liệu rời ..............25

2.2.5.

Ứng dụng và hạn chế .......................................................................................26

2.3.

Nhận xét chương ......................................................................................................27

CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CỌC VẬT LIỆU RỜI ..............28
3.1.

Khái niệm về phần tử đơn vị trong cọc vật liệu rời.............................................28

3.2.

Cơ chế phá hoại .......................................................................................................30

3.2.1.

Cơ chế phá hoại của cọc đơn ..........................................................................30

3.2.2.

Cơ chế phá hoại của nhóm cọc .......................................................................31

3.3.

Phương pháp thiết kế sức chịu tải cực hạn ...........................................................32

3.3.1.

Sức chịu tải cực hạn cho cọc đơn riêng lẻ.....................................................32

3.3.2.

Sức chịu tải cực hạn cho nhóm cọc................................................................34


3.4. Đánh giá khả năng biến dạng (độ lún) của nền đất được xử lý bằng cọc vật
liệu rời ..................................................................................................................................35
3.4.1.

Phương pháp giải tích ......................................................................................35

3.4.2.

Phương pháp cân bằng.....................................................................................37

3.4.3.

Phương pháp thực nghiệm ..............................................................................38

3.4.4.

Phương pháp gia tăng (Gouhnour và Bayuk, 1979) ....................................39

3.5.

Ổn định mái dốc của khối nền gia cố ....................................................................39

3.6.

Phương pháp Priebe (1995) ....................................................................................41

3.7.

Nhận xét chương ......................................................................................................43

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT ĐƯỢC XỬ LÝ
BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ............................................................................................45
4.1. Hiệu quả xử lý nền bằng cọc vật liệu rời ở cơng trình bãi chế tạo giàn khoan
dầu khí ở Vũng Tàu ............................................................................................................45
4.1.1

Điều kiện địa chất của cơng trình và nhiệm vụ thiết kế ..............................45

4.1.2

Tính tốn ổn định và biến dạng theo phương pháp Priebe .........................50

4.2. Đánh giá khả năng ổn định nền đất yếu được xử lý bằng các phương pháp
khác nhau và hiệu quả của phương pháp xử lý bằng cọc vật liệu rời ..........................61
4.2.1

Điều kiện địa chất cơng trình tổng thể và đặc điểm cơng trình đắp...........61

4.2.2

Các giải pháp xử lý nền ...................................................................................64

4.2.3

Tính tốn cọc vật liệu rời bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..................71

4.3.

Kết luận chương.......................................................................................................75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................79
PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 1
Phụ lục A: Tính tốn gia cố nền đắp sử dụng cọc đất trộn xi măng .............................. 1
Phụ lục B: Tính tốn gia cố nền đắp sử dụng sàn giảm tải ............................................. 3
Phụ lục C: Tính tốn gia cố nền đắp sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải trước .............. 6
Phụ lục D: Tính tốn gia cố nền đắp sử dụng cọc đá .....................................................10


MỤC LỤC HÌNH ẢNH  
Hình 1.1. Nền được xử lý bằng giếng cát ............................................................................. 4 
Hình 1.2.a. Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều .................................................. 4 
Hình 1.2.b. Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vng.............................................................. 5 
Hình 1.3: xử lý nền bằng bấc thấm ....................................................................................... 6 
Hình 1.4. Mặt cắt ngang tương đương của bấc thấm ........................................................... 6 
Hình 1.5a. Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình tam giác đều.................................................... 7 
Hình 1.5b. Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình vng ............................................................ 7 
Hình 1.6. Mơ hình xử lý nền bằng bơm hút chân khơng .................................................... 8 
Hình 1.7. Mơ hình xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vơi .............................. 9 

Hình 1.8a. Thi cơng cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn khơ .................................10 
Hình 1.8b. Thi cơng cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn ướt ..................................10 
Hình 1.9: Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp trong nhóm cọc đất - xi măng ...........................12 
Hình 1.10. Sơ đồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp. .....................................13 
Hình 1.11. Sơ đồ xử lý nền bằng đệm cát ...........................................................................15 
Hình 1.12.Sơ đồ bố trí bệ phản áp........................................................................................15 
Hình 2.1. Sơ đồ mơ tả trình tự thi cơng cọc đá bằng phương pháp ướt ..........................20 
Hình 2.1a. Thiết bị thi cơng cọc đá theo phương pháp ướt...............................................20 
Hình 2.2. Thiết bị thi cơng cọc đá theo phương pháp khô bằng trọng lượng và lực rung
..................................................................................................................................................21 
Hình 2.2. Thiết bị thi cơng cọc đá theo phương pháp khơ bằng lực kéo và lực rung ....21 
Hình 2.3. Sơ đồ thi công cọc đá bằng phương pháp khơ ..................................................22 
Hình 2.4. Sơ đồ thi cơng cọc đá dưới nước ........................................................................23 
Hình 2.5. Chi tiết và nguyên lý làm việc của máy đầm rung ...........................................23 
Hình 2.6. Kích thước và hình thức các loại đầm rung .......................................................24 
Hình 2.7. Thiết bị đo kiểm tra chất lượng hiện trường của cọc đá ..................................25 
Hình 2.8. Ghi nhận kết quả và đánh giá chất lượng q trình thi cơng cọc vật liệu rời26 


Hình 3.1. Miền ảnh hưởng tương ứng với các sơ đồ bố trí lưới cọc................................28 
Hình 3.2. Mơ hình phần tử đơn vị ........................................................................................29 
Hình 3.3: Sơ đồ phân bố ứng suất lên nền gia cố cọc vật liệu rời....................................29 
Hình 3.4. Cơ chế phá hoại của cọc đơn trong đất yếu đồng nhất.....................................31 
Hình 3.5. Cơ chế phá hoại của nhóm cọc vật liệu rời........................................................32 
Hình 3.6. Cọc đá dưới tải móng hình băng và tải trọng đều khắp ...................................33 
Hình 3.7. Sơ đồ phân tích sự làm việc của nhóm cọc........................................................34 
Hình 3.8. Phương pháp Van Impe và De Beer ...................................................................36 
Hình 3.9. Biểu đồ phương pháp Van Impe và De Beer.....................................................36 
Hình 3.10. So sánh độ lún tính tốn và hiện trường (Aboshi) ..........................................38 
Hình 3.11. So sánh phương pháp Greenwood và phương pháp cân bằng ......................39 

Hình 3.12. Phương pháp sức chống cắt trung bình ............................................................40 
Hình 3.13. Biểu đồ tính tốn hệ số gia cố theo Priebe ......................................................42 
Hình 3.14. Biểu đồ tính tốn Δ(A/Ac) khi xem xét tính nén lún của cọc đá...................42 
Hình 3.15. Biểu đồ tính tốn hệ số ảnh hưởng độ sâu fd ...................................................43 
Hình 4.1. Bản đồ địa chất cơng trình khu vực dự án .........................................................47 
Hình 4.2a: Biểu đồ sức kháng mũi đơn vị từ thí nghiệm xun tĩnh CPT......................48 
Hình 4.2b. Biểu đồ kết quả thí nghiệm xun động DPT .................................................49 
Hình 4.3 Hình ảnh thí nghiệm nén tĩnh bàn nén ở hiện trường cơng trình Biển Đơng .59 
Hình 4.3. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún ...........................................................60 
Hình 4.4. Biểu đồ độ lún theo thời gian của từng cấp tải..................................................60 
Hình 4.5. Mặt cắt ngang điển hình của khối đất đắp .........................................................62 
Hình 4.6. Góc lệch  trong khối đắp ....................................................................................64 
Hình 4.7. Mặt cắt ngang điển hình của cọc xi măng đất ...................................................65 
Hình 4.8. Mặt cắt ngang điển hình của sàn giảm tải..........................................................66 
Hình 4.9. Mặt cắt điển hình của bấc thấm và gia tải trước ...............................................67 
Hình 4.10. Mặt cắt ngang điển hình của nền xử lý cọc đá ................................................69 


Hình 4.11. Tổng hợp mặt cắt của các phương pháp xử lý nền .........................................70 
Hình 4.12. Phân bố ứng suất lên cọc vật liệu rời và nền đất yếu khi đặt tải ngắn hạn ..72 
Hình 4.13. Phân bố ứng suất lên cọc vật liệu rời và nền đất yếu khi đất nền đạt độ lún
ổn định .....................................................................................................................................72 
Hình 4.14. Phân bố độ lún trong nền đất khi đất nền đạt độ lún ổn định ........................73 
Hình 4.15. Phân bố độ lún của nền ngay sau khi đắp tải. .................................................73 
Hình 4.15. Độ lún của nền theo thời gian dưới tải trọng đắp ...........................................74 


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Tổng hợp các lớp đất ...........................................................................................47 
Bảng 4.2. Tính tốn ổn định cho lớp đất F dưới tác dụng tải trọng 500 KPa .................51 

Bảng 4.3. Tính toán ổn định cho lớp đất 1 dưới tác dụng tải trọng 500 KPa từ mặt đất
..................................................................................................................................................52 
Bảng 4.4. Tổng hợp thông số sức chống cắt tương đương của nền đất sau khi gia cố..54 
Bảng 4.5. Kết quả tính tốn khả năng chịu tải của lớp đất F sau gia cố dưới tác dụng tải
trọng 500 KPa .........................................................................................................................55 
Bảng 4.6. Kết quả tính tốn khả năng chịu tải của lớp đất 1 sau khi gia cố cọc vật liệu
rời dưới tác dụng tải trọng 500 KPa từ mặt đất ..................................................................56 
Bảng 4.7. Hệ số gia cố của từng lớp đất ..............................................................................57 
Bảng 4.8. Kết quả nén cố kết của mẫu sét ..........................................................................57 
Bảng 4.9. Kết quả dự tính độ lún dưới tác dụng của tải trọng ngoài cho nền chưa gia cố
..................................................................................................................................................58 
Bảng 4.10. Các giá trị tính tốn trung gian cho lưới cọc 1,7m x 1,7m............................58 
Bảng 4.11. Bảng tóm tắt cấu tạo địa chất đặc trưng tại khu vực dự định xử lý nền ......62 
Bảng 4.12. Tóm tắt đặc trưng cơ lý các lớp đất .................................................................63 
Bảng 4.13. Các thơng số mơ hình trong Plaxis ..................................................................71 
Bảng 4.14. Tổng hợp và so sánh các phương án xử lý nền cho cơng trình đắp .............75 


‐1‐ 

 

MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa thực khoa học và thực tiễn của đề tài
Đất sét mềm bão hịa nước là một trong các loại đất có thành phần trạng thái và
tính chất đặc biệt. Để xây dựng cơng trình ở khu vực có loại đất này, nhất thiết phải có
các biện pháp xử lý nền móng để đảm bảo điều kiện làm việc ổn định. Thực vậy, độ
lún của cơng trình trên nền đất sét mềm bão hịa nước thường có giá trị lớn và gây mất
ổn định, khơng đảm bảo điều kiện sử dụng cơng trình, đặc biệt là các cơng trình cơ sở
hạ tầng gây tải trọng trực tiếp lên đất sét mềm bão hòa nước.

Cho đến những năm đầu thế kỷ này, ở nước ta nói chung và các tỉnh thành phía
Nam nói riêng, biện pháp xử lý nền thường được lựa chọn là bấc thấm hay giếng cát
kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không, cột đất trộn xi măng để gia cường hay
cọc bê tơng cốt thép với cơng trình có tải trọng lớn. Việc xử lý nền bằng cọc vật liệu
rời đã được nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng nhiều nơi trên thế giới từ lâu nhưng áp
dụng trong thực tế tại nước ta chưa nhiều. Trong những năm 80 của thế kỷ trước, việc
nghiên cứu cọc vật liệu rời (cọc cát) để xử lý nền đất yếu được GS. Hoàng Văn Tân đề
cập đến trong tài liệu của mình và một số bài giảng ở bậc cao học. Do đó, việc nghiên
cứu ứng dụng cọc vật liệu rời cho cơng trình cụ thể ở khu vực phía Nam là việc làm
cần thiết giúp bổ sung, hoàn chỉnh các phương pháp xử lý nền tùy theo điều kiện cấu
tạo địa chất của từng khu vực cụ thể.
Kết quả nghiên cứu này có thể giúp các kỹ sư và các nhà quản lý xây dựng có thêm
những chọn lựa phương pháp xử lý nền thích hợp với điều kiện cơng trình cụ thể cũng
như rút ngắn tiến độ xây dựng.
Thực tế, phương pháp sử dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu thường có thời
gian thi cơng ngắn, chất lượng thi cơng được kiểm sốt chặt chẽ, giá thành tương đối
hợp lý so với các phương pháp khác như cột đất trộn xi măng hay cọc bê tơng cốt thép.
Do đó, cọc vật liệu rời có thể là phương pháp đáng để xem xét đánh giá và nghiên cứu
trong quá trình thiết kế và lập dự án đầu tư.

Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
 Nghiên cứu về công nghệ thi công cọc vật liệu rời sử dụng đầm rung sâu. Lịch
sử hình thành, biện pháp thi công, quản lý chất lượng.

 

 


‐2‐ 

 

 Tổng hợp các phương pháp tính tốn thiết kế cọc vật liệu rời được áp dụng trên
thế giới.
 Áp dụng tính tốn, thi cơng và kiểm tra chất lượng cho cơng trình thực tế theo
điều kiện địa chất khu vực. Kết quả được so sánh với kết quả quan trắc.
 Ngoài ra, việc đánh giá ứng xử ứng suất – biến dạng của nền được xử lý bằng
cọc vật liệu rời cịn được thực hiện bằng cách mơ phỏng bằng phần mềm Plaxis
2D.

Phương pháp nghiên cứu
 Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan
đến phương pháp cọc vật liệu rời. Nghiên cứu các ứng dụng thực tế của phương
pháp này cho các cơng trình thực cụ thể thơng qua các kết quả nghiên cứu đã
có.
 Trên cơ sở lý thuyết có xét đến điều kiện thực tế tại Việt Nam, tiến hành tính
tốn áp dụng cho cơng trình cụ thể sử dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền đất
yếu. So sánh phương pháp tính tốn lý thuyết và kết quả quan trắc.
 Trên cơ sở lựa chọn cấu tạo địa chất điển hình của khu vực phía Nam, tiến hành
tính tốn bài tốn cơng trình đắp trên nền đất yếu được xử lý bằng cọc vật liệu
rời. Cùng với đó, việc mơ phỏng bằng phần tử hữu hạn cho bài toán này cũng sẽ
được tiến hành nhằm so sánh đánh giá kết quả tính tốn dựa trên phương pháp
giải tích.

 

 

‐3‐ 

 

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU
Do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, mức độ biến dạng lớn nên cần thiết phải có
các biện pháp xử lý trước khi xây dựng cơng trình bên trên. Đối với cơng trình đường
và cơng trình đắp ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm 2
nhóm chính:
 Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: Vải địa kỹ thuật, lưới địa
kỹ thuật, đất trộn vôi, trộn ximăng, silicat. Trong trường hợp này, đất nền và đất
trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính biến
dạng giảm, từ đó độ ổn định của cơng trình được gia tăng và đảm bảo điều kiện
làm việc của cơng trình. Trong điều kiện thực tế ở Việt nam, các biện pháp vải
địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng nhiều nhất.
 Các biện pháp xử lý thường được áp dụng như giếng cát, bấc thấm kết hợp gia
tải trước hoặc bơm hút chân không. Trường hợp này, thời gian cố kết được rút
ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa vào sử dụng cơng trình.
Ngồi ra, việc chọn lựa chiều cao đắp hay bố trí kích thước cơng trình hợp lý
cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều
kiện làm việc ổn định. Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp
này là: Đệm cát, làm xoải mái taluy, bệ phản áp.

1.1.

Các phương pháp xử lý nền

1.1.1. Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước
Để rút ngắn thời gian cố kết, người ta thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng,

giếng cát là một trong những dạng đó.
Với hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét, khi bố trí giếng cát trong nền đất
và kết hợp gia tải, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, nước lỗ rỗng trong đất nền thấm
về hướng giếng cát rồi sau đó thốt nhanh theo phương đứng ra khỏi nền đất. Áp lực
nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán và đất nền nhanh đạt đến độ lún ổn định để khi cơng
trình được đưa vào sử dụng thì độ lún cịn lại khơng đáng kể.
Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước thường có
ba bộ phận chính: lớp đệm cát, giếng cát, tải trọng tạm (hình 1.1).
- Lớp đệm cát

 

 


‐4‐ 

 

 

+ Ngoài chức năng phân bố lại ứng suất trong đất nền do ứng suất tập trung vào lớp
cát thay thế, lớp đệm cát đóng vai trị như lớp đệm thoát nước. Nước lỗ rỗng trong đất
bị nén ép bởi tải trọng khối đắp gia tải bên trên sẽ thoát hướng về giếng cát, từ các
giếng cát nước lỗ rỗng này theo mơi trường cát trong giếng (có tính thấm tốt) thốt về

Tải trọng tạm

1:n

Đệm cát thoát nước

1:n

phía đệm cát, đệm cát dẫn nước thoát ngang và tiêu tán ra ngồi.

Hđắp

Nền
đất
yếu
dưới
nền
đường

Giếng cát

Hình 1.1. Nền được xử lý bằng giếng cát
- Các thông số của giếng cát
+ Thường dùng cát hạt thơ, hạt trung (có hệ số thấm lớn).
+ Đường kính giếng cát thường sử dụng: 0,2~0,6 m.
+ Chiều sâu giếng cát bố trí hết vùng hoạt động chịu nén của nền.
+ Sơ đồ bố trí giếng cát thường có hai dạng chủ yếu: lưới tam giác và ô vuông
 Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.2.a)
Giế ng cá t

d

Vùng ản h hưởn g về thoá t
nước xung quanh Giế ng cá t

1. 1
3*S

S

Khoả ng cá ch lướ i Giế ng cá t

Hình 1.2.a. Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều
 Dạng lưới hình vng (như trong hình 1.2.b)

 


‐5‐ 

 
Giế ng cát

d

 

Vù ng ả nh hưở ng về thoát
nước xung quanh Giếng cá t

1.05*S

S

Khoảng cá ch lưới Giếng cát

Hình 1.2.b. Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vng
- Tải trọng tạm:
+ Thường dùng cát hoặc đất, nhằm tạo quá trình nén trước nền đất trước khi đặt tải
trọng cơng trình.
+ Chiều cao đắp (hay tải trọng cơng trình) được chọn sao cho đảm bảo điều kiện ổn
định của nền đất yếu và khối đắp, phải tạo ra được ứng suất lớn hơn áp lực tiền cố kết
của nền đất để nền đất có thể cố kết.
Có khá nhiều phương pháp tính tốn khác nhau cho bài tốn dự báo độ lún của nền
đất yếu xử lý giếng cát kết hợp gia tải trước. Tổng quát lại, các giá trị cần tính tốn là:
 Độ lún cố kết cuối cùng (Sf ). giá trị độ lún khi mà áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư trong đất nền bị tiêu tán hoàn toàn.
 Độ lún theo thời gian (St )
St = Ut * Sf
Với:
Ut –Mức độ cố kết theo thời gian, thường được tính theo cơng thức:
Ut = 1-(1-Uv)*(1- Uh)
Trong đó:
Uv - Độ cố kết trung bình do thốt nước theo phương đứng.
Uh - Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương ngang.
1.1.2. Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước
Tương tự như giếng cát bấc thầm đứng có hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất
sét. Khi bố trí bấc thấm trong nền đất và kết hợp gia tải, nhờ tải trọng ngoài, nước lỗ
rỗng trong đất nền thấm về hướng bấc thấm rồi sau đó thốt nhanh theo phương đứng
ra khỏi đất nền.
Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cũng gồm
ba phần chính như hình 1.3.

 

‐6‐ 

 

 

- Lớp đệm cát và tải trọng tạm tương tự như hệ thống xử lý bằng giếng cát kết hợp gia

Tải trọng tạm

1 :n

Đệm cát thoát nước

1:n

tải trước.

Hđắp

Nền
đất
yếu
dưới
nền
đường

Bấc thấm

Hình 1.3: xử lý nền bằng bấc thấm
- Bấc thấm:
+ Quá trình thi cơng bấc thấm nhanh nếu có máy thi cơng chuyên dụng.
+ Cũng như giếng cát, bấc thấm chỉ nên sử dụng khi có mặt bằng rộng.
+ Khi cắm bấc thấm xuống độ sâu lớn thì khả năng thốt nước của bấc thấm sẽ giảm
đi do giảm tiết diện ngang của bấc thấm, do các hạt nhỏ tích vào lịng bấc thấm khi qua
được màng lọc. Trong cơng trình đường, vùng hoạt động chịu nén thường không quá
lớn nên bấc thấm kết hợp gia tải trước vẫn được sử dụng khá rộng rãi.
+ Để tiện cho việc tính tốn, xem mặt cắt ngang của bấc thấm tương đương có dạng
hình trịn đường kính dw . Theo Rixner và Hansbo, dw được tính như sau:
dw 

(a  b )
2

dw

Với: a  100mm ; b  (37)mm
Mặt cắt ngang tương đương

b

Bấc thấm

a
Hình 1.4. Mặt cắt ngang tương đương của bấc thấm

 

‐7‐ 

 

 

+ Bấc thấm được bố trí theo sơ đồ tương tự như giếng cát, thường có hai dạng như
hình 1.5a và 1.5b.
 Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.5a)
Bấ c thấ m

Vùn g ản h hưởn g về thoá t
nước xung quanh Bấ c thấ m

dw

S

1.13*S

S

Khoả ng cá ch lưới Bấc thấm

Hình 1.5a. Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình tam giác đều
 Dạng lưới hình vng (như trong hình 1.5b)
dw

Vùn g ả nh hưởng về thoá t

nước xung quanh Bấc thấm

S

1.05*S

Bấ c thấ m

S

Khoản g các h lưới Bấ c thấ m

Hình 1.5b. Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình vng
Phương pháp tính tốn tương tự như giếng cát nhưng được xét với các thông số của
bấc thấm.
1.1.3. Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không
Bơm hút chân không là biện pháp sử dụng áp lực của cột khí quyển (xấp xỉ
100KN/m2) thay thế cho vật liệu gia tải. Trong thực tế, giá trị tải trọng có thể đạt được
từ bơm hút chân không xấp xỉ 80KN/m2.

 


‐8‐ 

 

Hình 1.6. Mơ hình xử lý nền bằng bơm hút chân không
Ưu thế của biện pháp này là khi bơm hút, ứng suất tác dụng vào nền đất chỉ là ứng
suất đẳng hướng, ứng suất lệch không phát sinh nên điều kiện ổn định được đảm bảo.

Tuy nhiên, đây là phương pháp xử lý có yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp hơn các
phương pháp khác, thiết bị thi cơng chun dụng.
Trong q trình thi cơng bơm hút chân khơng, nếu khơng có biện pháp xử lý tốt có
khả năng gây nứt, lún các cơng trình lân cận.
Nên sử dụng cho cơng trình có u cầu gấp về tiến độ.

1.2.

Các phương pháp gia cường

1.2.1. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi
Trước đây biện pháp xử lý đất trộn vôi đã được sử dụng nhiều trong nước. Thời
gian gần đây, với công nghệ, thiết bị thi cơng du nhập từ nước ngồi vào, cộng thêm
việc nghiên cứu được chú trọng nên cọc đất gia cố ximăng được sử dụng phổ biến hơn
trong xây dựng cơng trình đắp.
Cọc đất gia cố ximăng thường dùng cho các cơng trình chịu tải trọng lớn (đường
lăn, bãi đỗ trong sân bay, bến cảng); các cơng trình đòi hỏi độ ổn định cao (đường đắp
cao đầu cầu, bãi đúc các cấu kiện lớn, nền kho bãi,...); các cơng trình gia cố nền trong
phạm vi nhỏ hẹp (nhà móng nơng bị nghiêng lún...).
Mơ hình cấu tạo của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng,
gia cố vôi cho đường đắp cao đầu cầu thường gặp như hình 1.7.

 

 


‐9‐ 

 

i%

 
i%

Vải địa
kỹ thuật

Cọc đất trộn
vôi/ximăng

Hđắp

Nền
đất
yếu
dưới
nền
đường

Hình 1.7. Mơ hình xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi
Hiệu quả của việc xử lý nền bằng xi măng hoặc vôi sẽ kém khi độ ẩm và hàm
lượng hữu cơ gia tăng. Chỉ số dẻo của đất càng lớn thì khả năng cải tạo nền càng kém.
Cải tạo nền hữu cơ bằng ximăng hiệu quả hơn cải tạo bằng vôi. Hiệu quả của xi măng
sẽ giảm dần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo tăng. Như vậy, độ linh hoạt của sét càng
lớn thì cường độ của đất xử lý bằng xi măng càng thấp. Đối với đất trộn xi măng,
cường độ phụ thuộc chủ yếu vào sự xi măng hố trong q trình thủy hợp.
Có hai phương pháp trộn xi măng vào đất khi thi công cọc đất trộn xi măng:
Phương pháp trộn khô (Minh họa như hình 1.8a)
Trong phương pháp này, bột xi măng được phun vào đất qua các lỗ ở đầu ống bằng

hệ thống khí nén, sau đó bột xi măng được trộn với đất bằng cách xoay hai cánh gắn
đối xứng ở đầu ống. Phương pháp này không cần sử dụng nước nên khơng làm tăng
lượng nước trong đất, vì thế việc cải tạo nền có hiệu quả hơn phương pháp trộn ướt.

 


 

‐10‐ 

Hình 1.8a. Thi cơng cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn khơ
Phương pháp trộn ướt (Minh họa như hình 1.8b)

Hình 1.8b. Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn ướt
Trong phương pháp trộn ướt, xi măng được trộn với nước thành một dung dịch
lỏng trước khi bơm chúng vào đất qua các lỗ ở đầu ống với áp lực khoảng 20MPa.
Phương pháp này có thiết bị thi cơng gọn nhẹ hơn phương pháp trộn khô. Tuy nhiên,
phương pháp này thường cho cọc có tiết diện khơng đều vì sức chống cắt của đất thay
đổi theo độ sâu trong khi áp lực phun khơng thay đổi. Do đó khi sử dụng phương pháp
trộn ướt, cần có thử nghiệm thay đổi áp lực phun phù hợp theo điều kiện địa chất cơng
trình. Đến nay, với kinh nghiệm rút ra được từ nhiều cơng trình thực tế trong điều kiện
địa chất khu vực, việc điều chỉnh áp lực phun đã có nhiều cải tiến. Kết quả kiểm tra tại
hiện trường những công trình gần đây cho thấy chất lượng của cọc đất trộn xi măng

 

 

‐11‐ 

 

được cải thiện đáng kể nên các mẫu thử có thể đạt được cường độ cao. Tuy nhiên giá
thành xử lý chiếm tỷ trọng đáng kể trong xây dựng nên phương pháp này thường được
lựa chọn cho những cơng trình quan trọng và cần thiết như sân bay, bãi chứa có tải
trọng lớn.
Tính tốn cọc đất xi măng theo ngun lý cơ bản như sau: Khả năng chịu tải
của cọc xi măng phụ thuộc vào sức chống cắt của đất nền ở xung quanh cọc và sức
chống cắt của bản thân cọc. Cơ chế phá hoại của đất nền phụ thuộc vào sức kháng
hông và sức kháng mũi. Cơ chế phá hoại của cọc phụ thuộc vào vật liệu bản thân cọc.
Khả năng chịu tải theo đất nền
soil
Qult  ( dH col  2, 25 d 2 )cu

Trong đó:

d – đường kính cọc; Hcol – chiều dài cọc.
cu – sức chống cắt trung bình của đất xung quanh cọc.
Khả năng chịu tải theo vật liệu
Khả năng chịu tải trọng dài hạn của cọc xi măng là:
creep
Qult  (0, 65  0, 80)

A
ccol
S2

Trong đó:

A – tiết diện ngang của cọc;
S – khoảng cách giữa các cọc trong lưới ô vuông
ccol – sức chống cắt khơng thốt nước của cọc xi măng
Khi thiết kế cọc xi măng, phải khống chế ứng suất trong cọc nhỏ hơn ứng suất từ
biến trong cọc. Theo Sweroad, ứng suất tác dụng lên cọc col có thể tính như sau:
 col 

Qcol

Acol

q
a  (1  a)

M soil
M col

Trong đó:
+ q – áp lực dưới đáy móng (dưới diện gia tải)
+ a

N * Acol
- tỷ số diện tích tương đối giữa cọc và nền được xử lý.
B*L

Với: N – số cọc;
Aco l – Diện tích tiết diện ngang của cọc.
B, L - kích thước vùng nền được xử lý.
+ Msoil , Mcol – module nén của đất nền xung quanh cọc và của cọc.
Kiểm tra nhóm cọc

 

 


‐12‐ 

 

Hình 1.9: Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp trong nhóm cọc đất - xi măng
Trong trường hợp nhiều cọc và khoảng cách giữa các cọc khơng vượt q 1,5~2m
thì cọc và đất nền giữa các cọc được xem làm việc như một khối cứng (hình 1.9). Cọc
trong khối cứng giữ vai trò như cốt cứng gia cường đất nền.
Độ lún lệch sẽ nhỏ nếu như ứng suất cắt trung bình trên mặt bên của khối nhỏ hơn
sức chống cắt trung bình của đất nền ở xung quanh cọc.
Ứng suất cắt trung bình trên mặt bên phải thoả điều kiện sau:
 per 

0,8Wg
2( B  L) H



cu
fc

Trong đó:
+ B, L, H – kích thước khối cọc.
+ Wg – tổng tải trọng của cơng trình bên trên.

+ c u – sức chống cắt khơng thốt nước trung bình của nền đất
xung quanh cọc.
+ fc – hệ số an toàn, f c  1,5 .
1.2.2. Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật
Có nhiều dạng áp dụng vải địa kỹ thuật – lưới địa kỹ thuật để gia cường nền đất.
Dưới đây chúng tôi sơ lược trường hợp sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng mức độ ổn
định của nền đắp trên nền đất yếu.
Khi bố trí vải địa kỹ thuật giữa nền đất yếu và nền đắp (hình 1.10), ma sát giữa đất
đắp và mặt trên của vải địa kỹ thuật sẽ tạo ra lực giữ khối trượt F và nhờ đó mức độ ổn
định của nền đắp trên nền đất yếu tăng lên.

 

 


‐13‐ 

 

Hình 1.10. Sơ đồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp.
(I)
- vùng hoạt động (khối trượt).
(II) - vùng bị động (vùng vải địa kỹ thuật đóng vai trò neo giữ).
F – lực kéo mà vải phải chịu (T/m).
Y – cánh tay đòn của lực F đối với tâm trượt nguy hiểm nhất (O).
Điều kiện cần bảo đảm trong tính tốn thiết kế khi sử dụng giải pháp này là:
F ≤ Fcp
Với:
Fcp - lực kéo cho phép của vải rộng 1m (T/m)

Lực kéo cho phép của vải được xác định theo các điều kiện sau:
* Điều kiện bền của vải
Fcp 

Fmax
k

Trong đó:
Fmax - cường độ chịu đứt của vải khổ 1m.
k - hệ số an toàn, lấy k=2 khi vải làm bằng polieste và k =5 khi vải
làm bằng polipropilen hoặc poliethilen.
* Điều kiện về lực ma sát cho phép đối với lớp vải rãi trực tiếp trên đất yếu
- Tổng lực ma sát trên vải trong phạm vùng hoạt động
1

Fcp    d h i f 
0

- Tổng lực ma sát trên vải trong phạm vùng bị động
Fcp 

Trong đó:

2

  d hi f 
0

1 - chiều dài vải trong phạm vi vùng hoạt động.
2 - chiều dài vải trong phạm vi vùng bị động.

 d - dung trọng đất đắp.

 

 


‐14‐ 

 

h i - chiều cao đắp trên vải (thay đổi từ h i=h đến h i =0).
f’- hệ số ma sát giữa đất đắp và vải cho phép dùng để tính tốn,
xác định theo cơng thức sau:

2
f   k  tg
3
Với: - góc ma sát trong của đất đắp xác định tương ứng với độ chặt thực tế
của khối đất đắp trên vải.
k’- hệ số dự trữ ma sát, lấy bằng 0,66.
Vải địa kỹ thuật có thể sử dụng nhiều lớp xem kẽ với các lớp vật liệu đắp dày từ
15cm ~ 30cm để làm tăng lực ma sát giữa vải và nền đắp, tăng mức độ ổn định nền.
Ngoài ra, sự xuất hiện của vải địa kỹ thuật làm phân bố lại ứng suất trong thân khối
đắp và trong nền đất yếu, làm giảm độ lún và độ lún lệch của cơng trình cũng như làm
tăng hệ số ổn định.

1.3.

Các phương pháp phân bố lại ứng suất

1.3.1. Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát
Lớp đệm cát có tác dụng phân bố lại ứng suất lên nền đất yếu bên dưới cơng trình
đắp, do ứng suất tập trung vào lớp đệm cát có khả năng chịu tải cao hơn. Đệm cát làm
tăng độ ổn định của cơng trình, đẩy nhanh tốc độ cố kết của nền đất.
Xử lý bằng đệm cát thường dùng khi tải trọng đắp không lớn, lớp đất yếu dưới
cơng trình khơng q dày và có sẵn vật liệu cát tại địa phương.
Vật liệu cát sử dụng làm đệm cát thường dùng cát hạt trung, hạt thô không lẫn bùn
đất với yêu cầu kỹ thuật như sau:
+ Loại cát có tỷ lệ hữu cơ  5%, cỡ hạt lớn hơn 0,25 mm chiếm trên 50%, cỡ
hạt nhỏ hơn 0,08 mm chiếm ít hơn 5% và phải thỏa mãn một trong hai điều kiện:
D60
 6
D10

 D30  2
D10 . D60

> 1 và < 3

Trong đó:
D60 - là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 60%
D30 - là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 30% .
D10 - là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 10%.
Chiều dày đệm cát thường chọn theo kinh nghiệm, theo độ lún cơng trình và phải
có giá trị lớn hơn 0,5m. Độ chặt đầm nén của tầng đệm cát phải đạt ít nhất là 90% độ
chặt đầm nén tiêu chuẩn.