Mô hình tính toán cho cọc xi măng đất để ứng dụng cho công trình dân dụng vừa và cao tầng

1
Lời cảm ơn
Tôi xin cám ơn các thầy cô giảng dạy trong Khoa sau đại học- Trờng
Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Tôi xin chân thành cám ơn Phó giáo s, Tiến sĩ Ngô Hà Sơn là ngời hớng
dẫn khoa học đã hết sức tận tâm nhiệt tình giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cám ơn sự quan tâm góp ý của Giáo s, Tiến sĩ Đỗ Nh Tráng.
Tôi cũng xin cám ơn sự ủng hộ, động viên tinh thần nhiệt tình của gia
đình, bạn bè, đồng nghiệp trong thời gian thực hiện luận văn.
2
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn là do tôi thực hiện dới
sự hớng dẫn khoa học của Phó giáo s, Tiến sĩ Ngô Hà Sơn.
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn này không trùng lặp với bất cứ
luận văn nào đã từng đợc công bố.
3
Mục lục
MễC LễC 3
Danh mục các bảng 5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 5
Mở đầu 7
CHƯƠNG 1 9
Nghiên cứu tổng quan các giảI pháp gia cờng nền đất yếu. giải pháp gia
cờng bằng cọc xi măng đất 9
1.1. Một số giải pháp gia cờng nền đất yếu. 11
1.1.1. Gia cố nền đất yếu bằng trụ vật liệu rời [20] 11
1.1.2. Gia cố nền đất yếu bằng vật liệu có chất kết dính [20] 15
1.2. Phơng pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất 17
1.2.1. Giới thiệu cọc xi măng đất [4] 17
1.2.2. Ưu điểm của cọc xi măng đất [2] 18
1.2.4. Giới thiệu công nghệ trộn sâu [2] 22

1.2.5. Các phơng pháp tính toán gia cố nền bằng cọc xi măng đất [4] 28
1.3. So sánh giữa cọc xi măng đất và trụ vật liệu rời, cọc vôi. 40
1.3.1. So sánh giữa cọc xi măng đất và trụ vật liệu rời 40
1.3.2. So sánh giữa cọc xi măng đất và cọc vôi 40
1.4. Nhận xét về các mô hình tính toán cọc xi măng đất 40
CHƯƠNG 2 42
Xây dựng mô hình tính cọc xi măng đất 42
2.1. Số liệu tính toán [16]. 43
2.2. Kết quả thực nghiệm đo đạc ngoài hiện trờng [16]. 45
2.2.1. Thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn 45
2.2.2. Thí nghiệm chất tải trọng cho cụm cọc ở hiện trờng 50
2.3. Kiểm chứng mô hình bài toán lý thuyết, xây dựng mô hình tính phù
hợp. 52
4
2.3.1. Tính toán cọc XMĐ theo quan điểm cọc cứng 52
2.3.2. Tính toán cột xi măng đất theo quan điểm nền tơng đơng 56
2.3.3. Tính toán cột xi măng đất theo quan điểm hỗn hợp (sức chịu tải tính
nh cọc còn biến dạng tính nh nền tơng đơng) 59
2.3.4. So sánh kết quả tính toán giữa các mô hình tính với kết quả thí
nghiệm nén tĩnh ngoài hiện trờng 61
CHƯƠNG 3 63
Khảo sát trên mô hình số, xác định phạm vi ứng dụng của cọc xi măng
đất 63
3.1. Khảo sát mô hình tính. 63
3.1.1. Thay đổi đờng kính cọc D (bán kính cọc r) 64
3.1.2. Thay đổi chiều dài cọc L 66
3.1.3. Thay đổi mật độ cọc 67
3.2. Xác định phạm vi ứng dụng của cọc xi măng đất với công trình dân
dụng. 69
3.2.1. Khảo sát biến dạng của nền theo chiều dài cọc và tải trọng tác dụng 69

3.2.2. áp dụng cho công trình dân dụng 72
3.2.3. Ví dụ về gia cố nền bằng cọc xi măng đất cho bồn dầu (Tổng kho
xăng dầu Cần Thơ) 74
Kết luận và kiến nghị 76
5
Danh mục các bảng
Số hiệu
bảng
Tên bảng Trang
1.1 Khả năng áp dụng biện pháp kỹ thuật cải tạo đất
cho các loại đất khác nhau
10
2.1 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất. 46
2.2 Tải trọng thí nghiệm nén tĩnh 3 cọc đơn 47
2.3 Thời gian theo dõi độ lún và ghi chép số liệu 48
2.4 Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 1-B-4 49
2.5 Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 3-B-4 50
2.6 Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 1-C-4 50
2.7 Sức chịu tải cho phép của 3 cọc 51
2.8 Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cụm 36 cọc 53
2.9 So sánh kết quả tính toán giữa các mô hình tính
với kết quả thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trờng
63
3.1 Tính toán sức chịu tải và biến dạng của cọc khi
bán kính r của cọc thay đổi
66
3.2 Tính toán sức chịu tải và biến dạng của cọc khi
chiều dài L của cọc thay đổi
68
3.3 Tính toán sức chịu tải và biến dạng của cọc khi

mật độ cọc thay đổi
70
3.4 Biến dạng của nền theo tải trọng tác dụng và chiều
dài cọc
72
3.5 Biến dạng của nền theo tải trọng tác dụng và bán
kính cọc
74
3.6 Giá trị tải trọng (tấn) truyền xuống chân công trình
theo nhịp và số tầng
75
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Số hiệu
hình vẽ,
đồ thị
Tên hình vẽ Trang
1.1 Kết quả bàn nén phẳng hiện trờng 13
1.2 Cơ chế phá hoại trụ đơn vật liệu rời trong đất sét
yếu đồng nhất
14
1.3 Phân tích nhóm trụ vật liệu rời 15
6
1.4 Phơng thức phá hoại của móng cọc vôi 17
1.5 Tính toán lún khi cha vợt độ bền rão của cọc vôi 18
1.6 Gia cố cọc xi măng đất tại sân bay Cần Thơ 23
1.7 Gia cố cọc xi măng đất móng bồn dầu 23
1.8 Gia cố cọc xi măng đất Cảng dầu khí Vũng Tàu. 23
1.9 Các ứng dụng cơ bản của công nghệ trộn sâu
24
1.10 Sơ đồ thi công trộn khô 25

1.11 Bố trí trụ trộn khô 25
1.12 Bố trí trụ trùng nhau theo khối 26
1.13 Sơ đồ thi công trộn ớt 26
1.14 Bố trí trụ trộn ớt trên mặt đất 27
1.15 Bố trí trụ trùng nhau theo công nghệ trộn ớt 27
1.16
ổn định khối kiểu A
28
1.17
ổn định khối kiểu B
28
1.18 Công nghệ Jet Grouting 29
1.19 Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc xi
măng đất
33
1.20 Quan hệ ứng suất- biến dạng vật liệu xi măng- đất 35
1.21 Phá hoại khối và phá hoại cắt cục bộ 35
1.22 Sơ đồ tính toán biến dạng 37
2.1 Trụ địa chất điển hình nền đờng HCC Cảng hàng
không Cần Thơ.
45
2.2 Đồ thị quan hệ tải trọng- chuyển vị của cọc 1-B-4 51
2.3 Đồ thị quan hệ tải trọng- chuyển vị của cụm cọc 53
2.4 Sơ đồ tính biến dạng theo quan điểm cọc cứng 56
2.5 Sơ đồ tính toán biến dạng theo quan điểm nền tơng
đơng
59
3.1 Quan hệ giữa bán kính cọc và sức chịu tải của cọc 67
3.2 Quan hệ giữa bán kính cọc và độ lún 67
3.3 Quan hệ giữa chiều dài cọc và sức chịu tải của cọc 69

3.4 Quan hệ giữa chiều dài cọc và độ lún 69
3.5 Quan hệ giữa chiều dài cọc và độ lún của nền gia
cố
71
3.6 Quan hệ giữa chiều dài cọc và sức chịu tải của cọc 73
3.7 Quan hệ giữa chiều dài cọc và độ lún 73
3.8 Gia cố nền móng bồn dầu bằng cọc xi măng đất 78
3.9 Chuẩn bị thử tải 78
7
Mở đầu
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, ngành xây dựng
Việt Nam cũng có sự chuyển mình mạnh mẽ, hàng loạt công trình cao tầng
mọc lên ở các khu đô thị lớn. Theo đó các công nghệ xử lý nền móng bằng
cọc ép, cọc nhồi, cọc cát đã đợc khai thác và sử dụng triệt để. Tuy nhiên giá
thành nguyên vật liệu ngày một tăng cao đang là vấn đề nan giải gây thiệt hại
đối với nhà thầu và chủ đầu t.
Công nghệ cọc ép, cọc nhồi bê tông cốt thép tuy có sức chịu tải lớn nh-
ng bên cạnh đó cũng bộc lộ những nhợc điểm nh giá thành cao, thời gian thi
công kéo dài, gây ô nhiễm môi trờng
Chính vì thế mà một công nghệ mới đã đợc nghiên cứu và đang đợc áp
dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới, đó chính là công nghệ cọc đất trộn xi
măng (gọi tắt là cọc xi măng đất, hay cũng có thể gọi là trụ xi măng
đất).
So với các công nghệ móng cọc khác, công nghệ cọc xi măng đất tỏ ra
có hiệu quả kinh tế do tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ ngay dới chân công
trình. Đặc biệt nó chính là một giải pháp vô cùng hợp lý cho các nền đất yếu
mà trong đó vùng Đồng bằng Nam Bộ của nớc ta là một điển hình.
Công nghệ cọc xi măng - đất đã đợc nhiều đơn vị ở Việt Nam tiếp nhận,
thiết kế và thi công có hiệu quả từ những năm 90 của thế kỉ trớc. Tuy nhiên
8

phạm vi áp dụng chủ yếu mới chỉ là xử lý nền móng cho các công trình giao
thông thủy lợi và một số công trình công nghiệp. Việc nghiên cứu áp dụng vào
xử lý nền móng cho công trình dân dụng vừa và cao tầng thay thế cho móng
cọc bê tông cốt thép là rất đáng quan tâm. Do đó trong luận văn này tôi nghiên
cứu mô hình tính toán cho cọc xi măng đất để ứng dụng cho công trình
dân dụng vừa và cao tầng . Công nghệ cọc xi măng đất với các u điểm nh
giá thành rẻ hơn các công nghệ khác do không tốn nhiều vật liệu, tận dụng đ-
ợc vật liệu tại chỗ, thiết bị thi công không quá phức tạp nếu tính toán áp
dụng thành công thì sẽ đạt đợc hiệu quả rất lớn.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đề xuất mô hình tính toán lý thuyết
của cọc xi măng đất, trên cở sở đó kiến nghị phạm vi áp dụng của mô hình.
Phơng pháp nghiên cứu:
Luận văn sử dụng các phơng pháp nghiên cứu sau:
- Về nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu về vật liệu cọc, mô hình tính và lời
giải
- Về nghiên cứu thực nghiệm: thu thập, phân tích số liệu, kết quả thí
nghiệm hiện trờng.
Nội dung nghiên cứu và cấu trúc của đề tài:
Nội dung của luận văn gồm ba chơng:
Chơng 1: Nghiên cứu tổng quan các giải pháp gia cờng nền đất yếu.
Giải pháp gia cờng bằng cọc xi măng đất.
Chơng 2: Xây dựng mô hình tính cọc xi măng đất.
Chơng 3: Khảo sát trên mô hình số, xác định phạm vi áp dụng của cọc
xi măng đất cho các công trình dân dụng.
Các kết quả nghiên cứu của luận văn có thể đợc sử dụng làm tài liệu
tham khảo, nghiên cứu và áp dụng cho chuyên ngành địa kỹ thuật, thi công và
xây dựng công trình ngầm đô thị, và nếu đợc hoàn thiện thêm, sẽ là cơ sở khoa
9
học để kiến nghị sử dụng rộng rãi phơng pháp gia cố nền bằng cọc xi măng

đất trong thực tiễn xây dựng các công trình vừa và cao tầng ở Việt Nam.
CHƯƠNG 1
Nghiên cứu tổng quan các giảI pháp gia cờng nền đất
yếu. giải pháp gia cờng bằng cọc xi măng đất
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay đã và đang áp dụng nhiều phơng
pháp cải tạo đất khác nhau, qua thử nghiệm và ứng dụng thực tiễn cho thấy
các phơng pháp cải tạo đã có tác dụng làm tăng độ bền của đất, giảm độ lún
tổng cộng và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí xây dựng
và các hiệu quả khác.
Nếu xét đến các yếu tố nh: tầm quan trọng của công trình, tải trọng, tác
dụng, điều kiện thi công, thời gian xây dựng thì việc lựa chọn giải pháp
thích hợp cho từng loại đất riêng biệt sẽ rất quan trọng và đợc hệ thống trong
bảng sau 1.1 [20].
Bảng 1.1. Khả năng áp dụng biện pháp kỹ thuật cải tạo đất cho các loại đất
khác nhau.
Cơ chế cải tạo Cốt Hỗn hợp trộn
hay phụt vữa
Đầm
chặt
Thoát
nớc
Thời gian cải tạo Phụ thuộc sự tồn
tại của thể vùi
Tơng đối ngắn Lâu dài Lâu dài
Đất hữu cơ
Đất sét nguồn gốc núi lửa
Đất sét độ dẻo cao
Đất sét độ dẻo thấp
Đất bùn
10

Đất cát
Đất sỏi
Trạng thái cải tạo đất Tơng tác giữa
đất và thể vùi
Xi măng hóa Dung trọng cao do
hệ số rỗng giảm
(Không thay đổi
trạng thái đất)
(Thay đổi trạng thái đất)
Các phơng pháp gia cố nền đất yếu có thể đợc nhóm lại theo các nhóm nh sau
tùy thuộc vào chỉ tiêu phân nhóm:
* Theo đặc điểm của quá trình tơng tác giữa đất yếu và tác nhân gia cố, có thể
phân biệt các nhóm gia cố sau:
- Phơng pháp gia cố bằng tác nhân cơ học: trong hệ phơng pháp này quá trình
gia cờng chủ yếu là quá trình cơ học. Đó là các phơng pháp trụ cát, giếng cát,
phơng pháp trụ vật liệu rời, phơng pháp đầm nén chặt
- Phơng pháp gia cố bằng tác nhân hóa học: trong hệ phơng pháp này các quá
trình hóa học mang lại hiệu quả chủ yếu. Đó là phơng pháp silicat hóa, phơng
pháp gia cố đất bằng vôi, xi măng, nhựa bitum
- Phơng pháp gia cố bằng tác nhân hóa lý học: trong hệ phơng pháp này, các
quá trình hóa lý học mang lại hiệu quả chủ yếu, đó là phơng pháp thẩm thấu,
điện thẩm thấu, điện silicat
- Ngoài ra còn có các phơng pháp gia cố bằng các tác nhân nhiệt, điện
* Theo vật liệu để gia cố, có thể phân biệt:
- Phơng pháp gia cố bằng các vật liệu vô cơ: vôi, xi măng, tro xỉ
- Phơng pháp gia cố bằng các vật liệu hữu cơ: bi tum, nhựa đờng
- Phơng pháp gia cố bằng vật liệu Polime: vật liệu carbamid, lignhin
* Theo mục đích gia cố:
- Phơng pháp gia cố làm tăng độ bền: đệm cát, trụ vật liệu rời
- Phơng pháp gia cố làm giảm tính biến dạng: Trụ xi măng đất, gia tải trớc

- Phơng pháp gia cố làm tăng nhanh quá trình cố kết: các phơng pháp sử dụng
vật thoát nớc thẳng đứng.
* Theo phạm vi gia cố có thể phân biệt:
11
- Phơng pháp gia cố nông: phạm vi gia cố chỉ ở bề mặt nh cấp phối thích hợp,
đệm cát.
- Phơng pháp gia cố sâu: trụ vật liệu rời, trụ vôi, trụ xi măng đất
Dựa trên phân loại này, ngời ta đa ra các giải pháp kỹ thuật cụ thể phụ
thuộc vào mục đích sử dụng và tính hiệu quả kinh tế. Sau đây luận văn sẽ giới
thiệu tổng quan một số giải pháp gia cờng nền đất yếu.
1.1. Một số giải pháp gia cờng nền đất yếu.
1.1.1. Gia cố nền đất yếu bằng trụ vật liệu rời [20].
* Khái niệm chung:
Trụ vật liệu rời cấu tạo bằng cát hay đá (cuội sỏi) đợc đa vào lớp đất
yếu bằng phơng pháp thay thế hoặc không thay thế.
Gia cố nền đất yếu bằng trụ vật liệu rời là một phơng pháp gia cố sâu,
trong đó với công nghệ thích hợp tạo dựng trong nền đất yếu cần gia cố một
trụ có kích thớc xác định (đờng kính, độ sâu) bằng vật liệu rời (cát, sỏi, đá
dăm hoặc hỗn hợp của chúng). Các trụ vật liệu rời này đợc bố trí dới móng với
hình dạng, số lợng và khoảng cách phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của công
trình xây dựng. Trụ vật liệu rời thông dụng nhất là trụ sử dụng vật liệu nhồi là
đá dăm hay cát thô đầm chặt.
Đất đợc cải tạo bằng trụ vật liệu rời gọi là đất hỗn hợp. Khi chất tải, trụ
bị biến dạng phình lấn vào các tầng đất và phân bố lại ứng suất ở các mặt cắt
bên trên của đất hơn là truyền ứng suất xuống các lớp đất dới sâu. Điều đó làm
cho đất chịu đợc ứng suất. Kết quả là cờng độ và khả năng chịu lực của đất
hỗn hợp có thể tăng lên và tính nén lún giảm. Ngoài ra nó còn giảm đợc ứng
suất tập trung sinh ra trên các trụ vật liệu rời. Thành phần của trụ là vật liệu
rời có tính thấm cao, nên trụ còn làm tăng nhanh độ lún cố kết, giảm trị số độ
lún của công trình sau xây dựng.

Kết quả bàn nén phẳng hiện trờng giữa đất gia cố trụ vật liệu rời và đất
cha gia cố xem Hình 1.1.
12
Hình 1.1. Kết quả bàn nén phẳng hiện trờng: 1- đất cha gia cố; 2- đất đã gia
cố
* Công nghệ thi công trụ vật liệu rời
Nhiều phơng pháp khác nhau để tạo trụ vật liệu rời đã đợc sử dụng trên
thế giới, tùy thuộc vào khả năng ứng dụng thực tế của chúng và khả năng có
đợc các thiết bị thi công ở từng địa phơng. Một số phơng pháp thi công trụ vật
liệu rời:
- Phơng pháp nén chặt bằng rung động;
- Phơng pháp thay thế bằng rung động;
- Phơng pháp rung động kết hợp;
- Phơng pháp khoan tạo lỗ.
* Cơ chế phá hoại
Trong thực tế trụ vật liệu rời đợc xây dựng xuyên qua toàn bộ lớp đất
yếu nằm trên tầng rắn chắc (trụ chống). Cũng có thể làm những trụ mà mũi trụ
chỉ trong phạm vi lớp đất yếu (trụ treo). Dới tác dụng của tải trọng, các trụ vật
liệu rời có thể bị phá hoại riêng từng trụ hay cả nhóm. Cơ chế phá hoại đối với
một trụ đơn đợc minh họa trên Hình 1.2.
Có các loại phá hoại sau: a) phình ra bên; b) cắt qua trụ; c) trợt trụ.
13
Hình 1.2. Cơ chế phá hoại trụ đơn vật liệu rời trong đất sét yếu đồng nhất
(theo Barksdale và Bachus, 1983.
* Khả năng chịu tải giới hạn của trụ đơn riêng biệt vật liệu rời
Đối với trụ đơn riêng biệt vật liệu rời, cơ chế phá hoại phình ra bên là
dễ xảy ra nhất. Cơ chế này có thể xảy ra đối với loại trụ mà trụ còn ở trong lớp
đất sét yếu hoặc đã tựa vào lớp đất sét cứng chắc.ứng suất không nở hông giữ
trụ thờng đợc xác định dựa vào sức kháng bị động giới hạn mà đất xung quanh
trụ có thể phát huy khi trụ phình ra phía ngoài. Hầu hết các phơng pháp dự

tính khả năng chịu tải giới hạn của trụ đơn đợc phát triển dựa vào mô hình phá
hoại đã nêu ở trên.
* Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ vật liêu rời
Phơng pháp chung dự tính khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ vật
liệu rời đều cho rằng góc ma sát trong của đất dính xung quanh trụ và lực dính
trong trụ vật liệu rời là không đáng kể. Hơn nữa cờng độ của trụ vật liệu rời và
của đất dính đều đợc phát huy đầy đủ. Nhóm trụ cũng xem nh đợc chất tải bởi
móng cứng.
Khả năng chịu tải giới hạn theo Barksdale và Bachus (1983) đợc xác
định bằng bề mặt phá hoại gần đúng từ hai đoạn thẳng nh trên Hình 1.3.
14








Hình 1.3. Phân tích nhóm trụ vật liệu rời (theo Barksdale và Bachus, 1983).
* Độ lún tổng hợp
Hầu hết các phơng pháp dự đoán độ lún của đất hỗn hợp đều cho rằng
vùng đất chất tải là vô cùng rộng và đợc gia cố bằng các trụ vật liệu rời có đ-
ờng kính và khoảng cách không đổi. Với điều kiện chất tải và kích thớc hình
học nh vậy việc lý tởng hóa một đơn nguyên là cần thiết. Mô hình của một
đơn nguyên đợc chất tải bởi tấm phẳng cứng tơng tự nh thí nghiệm cố kết
thấm một chiều. Vì vậy đơn nguyên đợc giới hạn bởi một tờng cứng không có
ma sát và ứng suất thẳng đứng tại mọi vị trí nằm ngang đều giống nhau.
Tỉ lệ giảm độ lún còn đợc biểu thị nh là hàm của tỉ diện tích thay thế
s

a
,
góc ma sát trong của vật liệu rời
s

, hệ số tập trung ứng suất
* Phạm vi áp dụng
- Nên sử dụng khi nền đất yếu có bề dày hạn chế nhỏ hơn độ sâu vùng
hoạt động của tải trọng công trình và dới nó là lớp đất tốt;
15
- Có thể sử dụng khi chiều dày đất yếu lớn song cần thi công trụ hoàn
chỉnh và có các giải pháp phụ thêm đi kèm nh gia tải trớc, các giải pháp kết
cấu;
- Không nên sử dụng khi đất quá yếu với sức kháng cắt không thoát nớc
nhỏ hơn 10 kPa và có bề dày lớn.
1.1.2. Gia cố nền đất yếu bằng vật liệu có chất kết dính [20]
Vật liệu có chất kết dính ở đây thờng dùng là vôi, xi măng hoặc thạch
cao. Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất- vôi hoặc xi măng là một phơng pháp gia
cố sâu, trong đó một trụ đợc thi công tại chỗ từ hỗn hợp đất trộn lẫn vôi hoặc
xi măng bằng công nghệ thích hợp.
* Giải pháp kỹ thuật
Sử dụng máy khoan và các thiết bị chuyên dụng (cần khoan, mũ
khoan ) khoan vào đất với đ ờng kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế. Đất
trong quá trình khoan không đợc lấy lên khỏi lỗ khoan mà bị phá vỡ kết cấu,
đợc các cánh mũi khoan nghiền tơi, trộn đều với chất kết dính.
* Công nghệ thi công
Hiện nay trên thế giới có hai công nghệ đợc áp dụng phổ biến là công
nghệ của Châu Âu và công nghệ của Nhật Bản.
ở Việt Nam phổ biến hai phơng pháp trộn của Nhật Bản là phơng pháp
trộn phun khô (Dry Jet Mixing Method - DJM) và phun vữa (Wet Jet mixing

method WJM).
* Phơng pháp tính toán cho trụ vôi.
+ Khả năng chịu tải giới hạn của trụ vôi đơn (Nghiên cứu cho đất sét yếu ở
Băng Cốc Thái Lan).
Khả năng chịu tải giới hạn của trụ vôi đơn đợc quyết định bởi sức
kháng cắt của đất sét yếu bao quanh (đất phá hoại) hay sức kháng cắt của vật
liệu trụ (trụ phá hoại). Loại phá hoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát
mặt ngoài trụ và sức chịu ở chân trụ. Còn loại sau phụ thuộc vào sức kháng cắt
của vật liệu trụ
16
+ Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ vôi
Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ vôi phụ thuộc vào độ bền cắt
của đất cha xử lý giữa các trụ và độ bền cắt của vật liệu làm trụ. Sự phá hoại
quyết định khả năng chịu tải của khối với các trụ vôi hay khả năng chịu tải
của khối ở rìa công trình khi các trụ vôi đặt xa nhau.
Khả năng chịu tải giới hạn, có xét đến phá hoại cục bộ ở rìa khối trụ
vôi, phụ thuộc vào độ bền cắt trung bình của đất, dọc theo bề mặt phá hoại
gần tròn nh trong Hình 1.4.
Hình 1.4. Phơng thức phá hoại của móng cọc vôi.
* Độ lún tổng cộng.
Độ lún tổng cộng của một công trình đặt trên nền gia cố cọc vôi đợc
tính nh miêu tả trong Hình 1.5.
17
Độ lún tổng cộng lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của khối đợc gia
cố
1
h
và độ lún cục bộ của đất không ổn định nằm ở dới khối
2
h

.
Hình 1.5. Tính toán lún khi cha vợt độ bền rão của cọc vôi.
Độ lún tổng cộng:
1 2
h h h = +
* Nhận xét.
Khả năng chịu tải giới hạn của trụ đơn hay nhóm trụ vôi đều phụ thuộc
vào độ bền cắt của đất xung quanh trụ và của vật liệu trụ, điều này chứng tỏ
trong tính toán trụ vôi tác giả đã quan niệm nền gia cố trụ vôi là nền tơng đ-
ơng trong đó trụ và đất xung quanh làm việc đồng thời.
Trên đây luận văn đã trình bày hai phơng pháp gia cố nền bằng trụ vật
liệu rời và trụ vôi vì chúng có nhiều nét tơng đồng với cọc xi măng đất. Chúng
sẽ làm cơ sở để so sánh và áp dụng trong việc nghiên cứu cơ chế làm việc và
phá hoại của cọc xi măng đất.
1.2. Phơng pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất
1.2.1. Giới thiệu cọc xi măng đất [4]
Cọc xi măng đất (tên tiếng Anh là Deep Soil Mixing hay DSM) đợc
nghiên cứu ở Nhật bởi giáo s Tenox Kyushu của Đại Học Tokyo vào khoảng
những năm 1960. Loại cọc này sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ, gia cố
với một hàm lợng xi măng và chất phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các
tính chất cơ - lý hoá của đất nền. Nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao khi
18
địa chất là đất cát. Cọc xi măng đất thờng đợc thi công bằng công nghệ trộn
sâu hay gọi tắt là DMM (Deep Mixing Method). Cọc xi măng - đất có thể làm
móng sâu, thay thế cọc nhồi (trong một số điều kiện áp dụng nhất định); làm
tờng trong đất (khi xây dựng tầng hầm nhà cao tầng), gia cố nền. Thông thờng
loại cọc này không có cốt thép, song trong một số trờng hợp cần thiết, cốt thép
cứng cũng có thể đợc ấn vào cọc vữa khi vừa thi công cọc xong.
Sử dụng xi măng trộn cỡng chế với đất nền nhờ các phản ứng hoá học
vật lý xảy ra làm cho nền đóng rắn thành một thể cọc xi măng đất có độ ổn

định cao trở thành tờng chắn có dạng bản liên kết khối.
Khi độ sâu hố móng từ 3-6m mà ứng dụng phơng pháp cọc xi măng đất
làm kết cấu chống giữ sẽ thu đợc kết quả tốt.
1.2.2. Ưu điểm của cọc xi măng đất [2]
Một số u điểm của cọc xi măng đất:
- Tăng khả năng chống trợt của mái dốc;
- Tăng cờng sức chịu tải của nền đất;
- Giảm ảnh hởng chấn động đến công trình lân cận;
- Tránh hiện tợng biến loãng của đất rời;
- Cô lập phần đất bị ô nhiễm;
- ổn định thành hố đào;
- Gim lún công trình;
- Ngăn đợc nớc thấm vào hố đào;
- Dùng kiểu tờng trọng lực nên không phải đặt thanh chống, tạo điều
kiện thi công hố móng rất thông thoáng. Cọc trộn xi măng đất thờng có cờng
độ chịu kéo nhỏ hơn nhiều so với cờng độ chịu nén vì vậy cần triệt để sử dụng
kiểu kết cấu tờng chắn lợi dụng trọng lợng bản thân;
- Thi công đơn giản, nhanh chóng;
- Sử dụng vật liệu có sẵn nên có, cốt liệu chính là đất tại chỗ (cát) nên
giá thành rất thấp, hiệu quả kinh tế cao;
19
- Thiết bị thi công không quá đắt (giá một thiết bị thi công cọc khoảng
3,5 tỉ VNĐ cha kể trạm trộn & thiết bị bơm vữa xi măng);
- Quá trình khoan có thể kiểm tra đợc địa chất khoan nhờ thiết bị tự
động đo & ghi mômen xoắn ở đầu cần khoan);
- Khâu thi công đợc tự động hóa gần nh hoàn toàn, sau khi định vị, máy
khoan sẽ tiến hành khoan một cách tự động, hàm lợng vữa xi măng sẽ đợc tự
động điều chỉnh cho phù hợp với tình hình địa chất tùy thuộc mômen xoắn đo
đợc ở đầu cần khoan);
- Chất lợng thi công không phụ thuộc nhiều vào yếu tố con ngời (vì đã

đợc tự động hóa);
- Công trờng thi công không gây ô nhiễm, mất vệ sinh nh khi thi công
cọc nhồi, rất phù hợp cho việc xây dựng móng nhà cao tầng trong đô thị.
1.1.3. ứng dụng cọc xi măng đất
a) Trên thế giới [4].
Những n ớc ứng dụng công nghệ trộn sâu nhiều nhất l Nhật bản v các
n ớc vùng Scandinaver (Bắc Âu). Theo thống kê của hiệp hội cọc trộn sâu
CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80~96 có 2345 dự án, sử dụng
26 triệu m3 hỗn hợp xi măng - đất. Riêng từ 1977 đến 1993, l ợng đất gia cố
bằng trộn sâu ở Nhật vo khoảng 23.6 triệu m3 cho các dự án ngoi biển v
trong đất liền, với khoảng 300 dự án. Hiện nay hng năm thi công khoảng 2
triệu m3. Đến 1994, hãng SMW Seiko đã thi công 4000 dự án trên ton thế
giới với 12.5 triệu m2 (7 triệu m3).
Tạp chí Tin tức kỹ thuật (ENR) th ờng xuyên thông báo các th nh tựu
của DM ở Nhật Bản, chẳng hạn số 1983 đăng kết quả ứng dụng cho các công
trình nền móng thi công trong n ớc, số 1989 về tác dụng chống động đất, số
1986 về các t ờng chống thấm . H ng năm, các hội nghị về các công nghệ
gia cố nền đ ợc tổ chức tại Tokyo, trong hội nghị nhiều th nh tựu mới nhất
về khoan phụt v DM đã đ ợc trình b y.
20
Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, mặc dù ngay
từ cuối những năm 1960, các kỹ s Trung Quốc đã học hỏi ph ơng pháp trộn
vôi d ới sâu v CDM ở Nhật bản. Thiết bị trộn sâu dùng trên đất liền xuất
hiện năm 1978 v ngay lập tức đ ợc sử dụng để xử lý nền các khu công
nghiệp ở Th ợng Hải. Tổng khối l ợng xử lý bằng trộn sâu ở Trung Quốc
cho đến nay vo khoảng trên 1 triệu m3. Từ năm 1987 đến 1990, công nghệ
trộn sâu đã đ ợc sử dụng ở Cảng Thiên tân để xây dựng 2 bến cập t u v cải
tạo nền cho 60 ha khu dịch vụ. Tổng cộng 513000m3 đất đ ợc gia cố, bao
gồm các móng kè, móng của các t ờng chắn phía sau bến cập tầu.
Một số nghiên cứu khác liên quan tới trộn sâu ở Đông Nam á nh sử

dụng các cột vôi đất xử lý đất hữu cơ ở Trung Quốc (Ho, 1996), các hố đo
sâu ở Đi Loan (Woo, 1991) v một số dự án khác nhau ở Singapore (Broms ,
1984).
Tại Châu âu, nghiên cứu v ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển v Phần Lan.
Trong năm 1967, Viện Địa chất Thụy Điển đã nghiên cứu các cột vôi (SLC)
theo đề xuất của Jo. Kjeld Páue sử dụng thiết bị theo thiết kế của Linden-
Alimak AB (Rathmayer, 1997). Thử nghiệm đầu tiên tại sân bay Ska Edeby
với các cột vôi có đ ờng kính 0.5m v chiều sâu tối đa 15m đã cho những
kinh nghiệm mới về các cột vôi cứng hoá (Assarson v nnk, 1974). Năm
1974, một đê đất thử nghiệm (6m cao 8m di) đã đ ợc xây dựng ở Phần Lan
sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng v
chiều di cột về mặt khả năng chịu tải (Rathmayer v Liminen, 1980).
b) ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt Nam [2].
Công nghệ trộn sâu đã đ ợc miêu tả trong quyển Xử lý sự cố nền móng
công trình của GS Nguyễn Bá Kế xuất bản năm 2000. Năm 2002, Viện
KHCN Xây dựng đã có đề ti nghiên cứu về cọc xi măng - vôi. Hiện nay, Bộ
xây dựng đã ban hnh Tiêu chuẩn thiết kế cọc xi măng đất.
Năm 2002, đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc xi măng đất vo xây
dựng các công trình trên nền đất yếu ở Việt nam. Cụ thể nh : Dự án cảng Ba
21
Ngòi (Khánh ho) đã sử dụng 4000m cọc xi măng đất có đ ờng kính 600cm
thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đ ờng kính 35m,
cao 4m ở Cần Thơ. Năm 2003, một Việt kiều ở Nhật đã thnh lập công ty xử
lý nền móng tại TP Hồ Chí Minh, ứng dụng thiết bị trộn khô để tạo cọc xi
măng đất lồng ống thép. Cọc xi măng đất lồng ống thép cho phép ứng dụng
cho các nh cao tầng (đến 15 tầng) thay thế cho cọc nhồi, rẻ v thi công
nhanh hơn. Năm 2004 cọc xi măng đất đ ợc sử dụng để gia cố nền móng cho
nh máy n ớc huyện Vụ Bản (H nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu
ở Đình vũ (Hải phòng). Các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ
sâu xử lý trong khoảng 20m. Tháng 5 năm 2004, các nh thầu Nhật bản đã sử

dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh trì
(H nội). Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc xi măng đất nh : dự
án thoát n ớc, khu đô thị Đồ Sơn - Hải phòng, dự án đ ờng cao tốc TP Hồ
Chí Minh đi Trung L ơng, dự án cảng Bạc Liêu,
Năm 2004, Viện Khoa học Thuỷ lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ
khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật bản. Đề ti đã ứng dụng công nghệ
v thiết bị ny trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn v nhóm cọc, khả
năng chịu lực ngang, ảnh h ởng của h m l ợng xi măng đến tính chất của xi
măng đất, nhằm ứng dụng cọc xi măng đất vo xử lý đất yếu, chống thấm
cho các công trình thuỷ lợi. Nhóm đề ti cũng đã sửa chữa chống thấm cho
Cống Trại (Nghệ an), cống D10 (H Nam), Cống Rạch C (Long an).
Một số hình ảnh về ứng dụng công nghệ cọc xi măng đất tại Việt Nam
xem Hình 1.6; Hình 1.7; Hình 1.8.
22

Hình 1.6. Gia cố cọc xi măng đất tại sân bay Cần Thơ.

Hình 1.7. Gia cố cọc xi măng đất Hình 1.8. Gia cố cọc xi măng đất tại
móng bồn dầu tại Cần Thơ Cảng dầu khí Vũng Tàu.
1.2.4. Giới thiệu công nghệ trộn sâu [2]
Trộn sâu phân loại theo chất kết dính (xi măng, vôi, thạch cao, tro
bay ) và ph ơng pháp trộn (khô/ớt, quay/phun tia, guồng xoắn hoặc lỡi cắt).
23
Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công trộn khô và trộn ớt của các n-
ớc Bắc Âu và Nhật Bản.
Các ứng dụng chính của công nghệ trộn sâu xem Hình 1.9.
a) Công nghệ thi công trộn khô.
Trộn khô là quá trình gồm xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trờng và trộn
bột xi măng khô với đất có hoặc không có phụ gia.
Hình 1.9. Các ứng dụng cơ bản của công nghệ trộn sâu

24
Nguyên tắc chung của phơng pháp trộn khô đợc thể hiện trên Hình
1.10. Khí nén sẽ đa xi măng vào đất.
Mô hình bố trí trụ :
Tùy theo mục đích sử dụng một số mô hình thi công thể hiện trên các
hình 1.11, hình 1.12. Để giảm độ lún, bố trí trụ đều theo lới tam giác hoặc ô
vuông. Để làm tờng chắn thờng tổ chức thành dãy.
Hình 1.11. Bố trí trụ trộn khô
1. Dải; 2. Nhóm; 3. Lới tam giác; 4. Lới vuông
Xe tải Xi măng
Silo
Máy nén khí Máy sấy Bồn chứa khí
Xi măng
Nhà kiểm tra Nguồn điện Thi công trụ
Hình 1.10. Sơ đồ thi công trộn khô
25
Hình 1.12. Bố trí trụ trùng nhau theo khối
b) Công nghệ thi công trộn ớt
Trộn ớt là quá trình gồm xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trờng và trộn
vữa xi măng gồm nớc, xi măng, có hoặc không có phụ gia với đất.
Nguyên lý trộn ớt đợc mô tả trong Hình 1.13.
Nớc Xi măng Phụ gia
Bơm áp lực
Trộn Bồn chứa
Kiểm soát lu lợng
Kiểm soát độ sâu và độ quay
Tạo trụ
Hình 1.13. Sơ đồ thi công trộn ^ớt