nghiên cứu tính toán cơ chế phá hoại tường chắn cọc xi măng - đất thi công đoạn đào mở các tuyến metro

1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
(i) Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi,
(ii) Số liệu trong luận văn được điều tra trung thực,
(iii) Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.


Học viên


Nguyễn Chí Trung

2

LỜI CÁM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp
cận những kiến thức mới, khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu và hướng giải quyết
cho đề tài. Nhờ sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Thành Đạt, tôi đã từng bước
giải quyết được những khó khăn trên và có thể hoàn thành được đề tài. Tôi xin gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy.
Xin gửi lời cảm ơn đến Thầy cô của trường Đại học Giao thông Vận tải
Thành phố Hồ Chí Minh đã chỉ dạy cho tôi những kiến thức bổ ích trong quá trình
học tập tại trường.
Tôi xin chân thành cám ơn chú Hoàng Như Cương, Phó Trưởng Ban Quản lý
đường sắt đô thị TP. Hồ Chí Minh, kiêm Giám Đốc Ban quản lý dự án 1 đã nhiệt
tình giúp đỡ trong việc cung cấp một số thông tin liên quan đến dự án tuyến đường
sắt metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên phục vụ cho đề tài.
Xin cảm ơn gia đình và những người thân đã luôn khuyến khích, động viên
và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện

đề tài.

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CÁM ƠN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 13
1. Tính cấp thiết của đề tài 13
2. Mục tiêu của đề tài 13
3. Phương pháp nghiên cứu 13
4. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài 14
5. Nội dung của luận văn 14
6. Hạn chế của đề tài 14
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI TƢỜNG CHẮN HỐ ĐÀO - ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ CỌC XI MĂNG - ĐẤT TRONG THI CÔNG TƢỜNG
CHẮN HỐ ĐÀO 15
1.1 Một số loại tường chắn hố đào 15
1.1.1 Tường cừ thép 15
1.1.2. Tường cọc barrette 16
1.1.3. Tường cọc khoan nhồi 17
1.2. Ứng dụng công nghệ cọc ximăng – đất trong thi công tường chắn hố đào 17
1.2.1. Cơ sở lý thuyết cho cọc ximăng - đất 18
1.2.1.1 Quá trình nén chặt cơ học 18
1.2.1.2. Quá trình cố kết thấm 19
1.2.1.3. Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố, sức kháng cắt của đất nền 19
1.2.2. Phương pháp và công nghệ thi công cọc xi măng đất 20

1.2.3. Một số công nghệ thi công tường chắn cọc xi măng đất hiện nay 23
1.2.3.1. Công nghệ CDM (Cement Deep Mixing) và công nghệ SMW (Soil Mixing
Wall) của Nhật Bản 23
4

1.2.3.2. Công nghệ Geomix 25
1.2.4. Ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt Nam 27
1.2.5. Ưu, nhược của loại tường chắn cọc xi măng - đất bảo vệ thành hố đào 28
CHƢƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ CHÍNH PHÁ HOẠI LOẠI TƢỜNG CHẮN CỌC
XIMĂNG-ĐẤT TRONG THI CÔNG ĐOẠN ĐÀO MỞ VÀ NHÀ GA CÁC
TUYẾN METRO 30
2.1. Tường bị phá hoại do chuyển vị ngang của khối đất xung quanh cọc trong quá
trình thi công 30
2.2. Phá hoại do lớp đất dưới chân tường 36
2.3. Phá hoại do moment uốn và lực cắt lớn nhất 39
2.4. Phá hoại do trượt đáy chân tường 40
2.5. Phá hoại do hiện tượng trồi đất, trồi nước ở dưới đáy chân tường 45
2.6. Phá hoại do dòng thấm khi hạ mực nước ngầm để thi công 47
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LOẠI TƢỜNG
CHẮN CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG THI CÔNG ĐOẠN ĐÀO MỞ VÀ NHÀ
GA CÁC TUYẾN METRO 49
3.1. Mô hình tính toán 49
3.1.1. Cách bố trí cọc cho tường chắn cọc xi măng đất 49
3.1.2. Mô hình tính toán tường chắn cọc xi măng đất 50
3.2. Áp lực đất 50
50
53
3.2.3. Áp lực đất ở trạng thái nghỉ 54
3.3. ọc xi măng đất 54
3.3.1 54

3.3.2 55
3.3.3
(NLFEM) 56
3.4 n Plaxis 8.5 59
5

3.4 59
3.4 ần mềm Plaxis 8.5 [6], [8]. 60
3.5. Kết luận chương 3 63
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN MỘT SỐ CƠ CHẾ PHÁ HOẠI
TƢ ỜNG CHẮN CỌC XI MĂNG ĐẤT BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 8.5 - ÁP
DỤNG CHO ĐỊA CHẤT TUYẾN ĐƢỜNG SẮT METRO SỐ 01 BẾN THÀNH
– SUỐI TIÊN 64
4.1. Tổng quan về tuyến đường sắt metro số 01 Bến Thành – Suối Tiên 64
4.2. Đặc trưng vật liệu cọc xi măng đất trong các bài toán 65
4.3. Giải một số bài toán bằng phần mềm Plaxis 8.5 66
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101
5.1. Kết luận 101
5.2. Kiến nghị 102
5.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số đặc điểm của công nghệ CDM và công nghệ SMW 23
Bảng 4.1. Các thông số thiết kế của các lớp đất 65
Bảng 4.2. Đặc trưng vật liệu xi măng đất ứng với các tỷ lệ xi măng thiết kế 65
Bảng 4.3. Kết quả tính toán ứng suất
xx


,
yy

,
xy

lớn nhất của đất nền, chuyển vị
ngang U
x
và momen uốn M lớn nhất của tường khi q thay đổi 70
Bảng 4.4. Kết quả tính toán ứng suất
xx

,
yy

,
xy

lớn nhất của đất nền, chuyển vị
U
x
lớn nhất, mômen M lớn nhất của tường ứng với từng trường hợp độ sâu hố đào 74
Bảng 4.5. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U
x
và momen uốn M lớn nhất của
tường ứng với đường kính tương đương d
real
của một số loại tường thông dụng 79

Bảng 4.6. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U
x
của tường ứng với từng trường hợp
chênh cao giữa 2 hàng tường 83
Bảng 4.7. Kết quả tính toán chuyển mômen uốn của tường ứng với từng chênh cao
giữa 2 hàng tường chắn 84
Bảng 4.8. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U
x
của tường ứng với từng khoảng
cách giữa 2 hàng tường chắn 88
Bảng 4.9. Kết quả tính toán mômen uốn M (kN.m/m) của tường ứng với từng
khoảng cách giữa 2 hàng tường chắn 88
Bảng 4.10. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U
x
và momen uốn M lớn nhất của
tường khi bề rộng hố đào thay đổi 92
Bảng 4.11. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U
x
và mômen uốn M của tường ứng
với từng tỷ lệ trộn của xi măng 94
Bảng 4.12. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U
x
và mô men uốn M lớn nhất của
tường ứng với từng trường hợp độ sâu mực nước ngầm khác nhau 99

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thi công hố đào bằng tường cừ thép [19] 16
Hình 1.2. Chi tiết tường cọc barrette tầng hầm công trình dân dụng [3] 16

Hình 1.3. Cọc nhồi đơn 17
Hình 1.4. Cọc nhồi tiếp xúc 17
Hình 1.5. Hố khoan và lồng thép cọc khoan nhồi [19] 17
1.6. T - [10] 18
Hình 1.7. Chi tiết mũi khoan CN S 21
Hình 1.8. Chi tiết mũi khoan CN D 22
Hình 1.9. Lưu đồ công nghệ T 23
Hình 1.9. CDM 4 cần trộn [21] 24
Hình 1.10. CDM 8 cần trộn [21] 24
Hình 1.11. Tường vây cọc ximăng - đất có gia cố thép hình [24] 25
Hình 1.12. Hình ảnh bánh xe trộn theo công nghệ Geomix [21] 26
Hình 1.13. Hình ảnh thi công tường ximăng - đất theo công nghệ Geomix [19] 26
Hình 2.1. Các mô hình hoạt động của cần trộn cọc ximăng - đất [20] 31
Hình 2.2. Mô hình lực tác dụng khi thi công trộn cọc ximăng - đất [20] 31
Hình 2.3. Mô hình mô phỏng tính toán biến dạng dẻo theo L. M. Kachanôp [20] 32
Hình 2.4. Chi tiết các hàng cọc của tường chịu ảnh hưởng áp lực ngang do
p

32
Hình 2.5. Mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến hàng đơn. 36
Hình 2.6. Mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến nhiều hàng. 36
Hình 2.7. Chi tiết làm việc của tường dưới tác dụng của đất nền 37
Hình 2.8. Mô hình tính toán trường hợp phá hoại do Q
max
, M
max
39
Hình 2.9. Kiểu trượt tịnh tiến 40
Hình 2.10. Kiểu lật đổ 40
Hình 2.11. Kiểu trượt nghiêng 40

Hình 2.12. Kiểu trượt xoay 40
Hình 2.13. Trượt mặt phẳng 40
Hình 2.14. Trượt cung tròn 40
8

Hình 2.15. Trượt không theo nguyên tắc 41
Hình 2.16. Trượt hỗn hợp 41
Hình 2.17. Mặt trượt cắt thân tường 42
Hình 2.18. Mặt trượt qua đáy chân tường 42
Hình 2.22. Tính toán trồi nước 47
Hình 3.3. Cọc khối hình chữ nhật [17] 49
Hình 3.4. Cọc theo khối đào tròn [24] 49
Hình 3.5. Tường cọc ximăng - đất cát tuyến có gia cường thép hình [24] 49
Hình 3.7. Áp lực đất chủ động và bị động theo phương ngang của tường nhẵn. 51
Hình 3.8. Giới hạn ứng suất chủ động và bị động theo phương ngang. 52
Hình 3.9. Phươ ương đương t ng. 54
3.10. Phươ (WINKLER). 56
- 57
- 58
- ng. 62
a
c. 62
Hình 4.1. Tuyến đường sắt metro số 01 Bến Thành - Suối Tiên 64
Hình 4.2. Mặt cắt ngang một số loại cọc thông dụng dùng làm tường chắn 66
Hình 4.3. Mô hình tường chắn không neo 66
Hình 4.4. Mặt cắt ngang tường 2 hàng cọc chồng, đường kính mỗi cọc d=1300mm 67
Hình 4.5. Biểu đồ ứng suất
xx

của đất nền trường hợp tải 5kN/m

2
(xuất từ plaxis) 67
Hình 4.6. Biểu đồ ứng suất
yy

của đất nền trường hợp tải 5kN/m
2
(xuất từ plaxis) 68
Hình 4.7. Biểu đồ ứng suất
xy

của đất nền trường hợp tải 5kN/m
2
(xuất từ plaxis) 68
Hình 4.8. Lưới biến dạng trường hợp tải 5kN/m
2
(xuất từ plaxis) 69
Hình 4.9. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường hợp tải
5kN/m
2
(xuât từ plaxis) 69
9

Hình 4.10. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất
xx

(kN/m
2
) lớn nhất của đất nền và tải
trọng ngoài q (kN/m

2
) 70
Hình 4.11. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất
yy

(kN/m
2
) lớn nhất của đất nền và tải
trọng ngoài q (kN/m
2
) 71
Hình 4.11. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất
xy

(kN/m
2
) lớn nhất của đất nền và tải
trọng ngoài q (kN/m
2
) 71
Hình 4.12. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường và tải
trọng ngoài q (kN/m
2
) 71
Hình 4.13. Đồ thị quan hệ giữa moment uốn lớn nhất của tường M (kN.m/m) và tải
trọng ngoài q (kN/m
2
) 72
Hình 4.14. Biểu đồ chuyển vị U
x

(m) và Biểu đồ mômen M (kN.m/m) theo độ sâu
của tường ứng với các trường hợp tải trọng ngoài q (kN/m
2
) khác nhau 72
Hình 4.15. Lưới biến dạng trường hợp độ sâu hố đào 6m (xuất từ plaxis) 73
Hình 4.16. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường dộ sâu hố
đào 6m

(xuất từ plaxis) 74
Hình 4.17. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất
xx


(kN/m
2
) lớn nhất của đất nền và độ sâu
hố đào H (m). 75
Hình 4.18. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất
yy


(kN/m
2
) lớn nhất của đất nền và độ sâu
hố đào H (m). 75
Hình 4.19. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất

xy

(kN/m

2
) lớn nhất của đất nền và độ
sâu hố đào H (m). 76
Hình 4.20. Biểu đồ biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường và
độ sâu hố đào H (m) 76
Hình 4.21. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn lớn nhất M (kN.m/m)
của tường và độ sâu hố đào H (m) 76
Hình 4.22. biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang U
x
(m) và mômen uốn của tường M
(kN.m/m) theo chiều sâu của tường ứng với từng độ sâu hố đào H (m) 77
Hình 4.23. Lưới biến dạng trường hợp bề dày tương đương của tường 2.101m 78
10

Hình 4.24. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường trường hợp
bề dày tương đương 2.101m (xuất từ plaxis) 78
Hình 4.25. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của
tường ứng khi thay đổi bề dày tương đương của tường d
real
(m) 79
Hình 4.26. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa momen uốn M (kN.m/m) lớn nhất của
tường khi thay đổi bề dày tương đương của tường d
real
(m) 80
Hình 4.27. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang Ux (mm) và mômen uốn M
(kN.m/m) của tường theo độ sâu ứng với từng trường hợp về dày tương đương của
tường d
real
(m) 80
Hình 4.28. Mô hình tường chắn không neo loại 2 hàng tường 81

Hình 4.29. Mặt cắt ngang 1 bên tường 81
Hình 4.30. Lưới biến dạng trường hợp chênh cao giữa hai hàng tường là 2.5m 82
Hình 4.31. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường trước trường
hợp chênh cao giữa hai hàng tường 2.5m 82
Hình 4.32. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường sau trường hợp
chênh cao giữa hai hàng tường 2.5m 83
Hình 4.33. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang lớn nhất Ux (mm) và
độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 84
Hình 4.34. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn lớn nhất M(kN.m/m) của
tường khi thay đổi độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 84
Hình 4.35. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều
sâu của tường trước ứng với từng trường hợp độ chênh cao giữa hai hàng tường
h(m) 85
Hình 4.36. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều
sâu của tường sau ứng với từng trường hợp độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 85
Hình 4.37. Lưới biến dạng trường hợp khoảng cách giữa hai hàng tường là 3.5m 86
Hình 4.38. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường trước trường
hợp khoảng cách giữa hai hàng tường 3.5m (xuất từ plaxis) 87
11

Hình 4.39. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường sau trường hợp
khoảng cách giữa hai hàng tường 3.5m (xuất từ plaxis) 87
Hình 4.40. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang lớn nhất Ux (mm) và
khoảng cách giữa hai hàng tường a (m) 88
Hình 4.41. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn lớn nhất M (KN.m/m)
của tường khi thay đổi khoảng cách a(m) giữa hai tường. 89
Hình 4.42. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux(m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều
sâu của tường trước ứng với từng khoảng cách giữa hai hàng tường a(m) 89
Hình 4.43. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux(m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều
sâu của tường sau ứng với từng khoảng cách giữa hai hàng tường a(m) 90

Hình 4.44. Lưới biến dạng trường hợp bề rộng hố đào 11m 91
Hình 4.45. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường hợp bề rộng
hố đào 11m 91
Hình 4.46. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của
tường chắn ứng tới từng bề rộng hố đào B 92
Hình 4.47. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn M (kN.m/m) lớn nhất
của tường khi thay đổi bề rộng hố đào B(m). 93
Hình 4.48. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn M(kN.m/m) theo chiều
sâu của tường ứng với từng trường hợp bề rộng hố đào B(m) 93
Hình 4.49. Lưới biến dạng trường hợp tỷ lệ xi măng là 17% (xuất từ plaxis) 95
Hình 4.50. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường hợp tỷ lệ xi
măng là 17% (xuất từ plaxis) 95
Hình 4.51. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của
tường ứng với từng tỷ lệ xi măng trộn % 96
Hình 4.52. Đồ thị biểu diễn momen uốn M (kN.m/m) lớn nhất của tường ứng với
từng tỷ lệ % xi măng trộn 96
Hình 4.53. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux(m) và mômen uốn M (kN.m/m)theo chiều
sâu của tường ứng với tường thiết kế theo các tỷ lên trộn xi măng (%) khác nhau 97
Hình 4.54. Lưới biến dạng trường hợp mực nước ngầm ngay tại mặt đất 98
12

Hình 4.55. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường hợp mực
nước ngầm ngay tại mặt đất (xuất từ plaxis) 98
Hình 4.56. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux(mm) lớn nhất của
tường và độ sâu mực nước ngầm h
MNN
(m) 99
Hình 4.57. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên momen uốn M (KN.m/m) của tường khi
độ sâu mực nước ngầm h
MNN

(m) thay đổi 99
Hình 4.58. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux(m) và momen uốn M(kN.m/m) theo độ sâu
của tường chắn ứng với từng trường hợp độ sâu mực nước ngầm h
MNN
(m) 100
13

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việc xây dựng các tuyến đường sắt metro phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất
và địa hình của khu vực xây dựng, công nghệ và biện pháp thi công. Với Việt Nam
lần đầu xây dựng tuyến đường sắt Metro, chưa có nhiều kinh nghiệm nên cần phải
nghiên cứu kỹ với từng phương án đưa ra lựa chọn để giảm thiểu rủi ro mà vẫn đảm
bảo tính kinh tế.
Công nghệ cọc ximăng - đất đã được ứng dụng tại Việt Nam từ năm 1981và được
áp dụng cho các công trình dân dụng, thủy lợi và giao thông. Bên cạnh giải pháp sử
dụng cọc ximăng - đất để gia cố nền đất yếu, thì vấn đề giải quyết bài toán sử dụng
cọc ximăng - đất để gia cố thành hố đào trong quá trình thi công các hạng mục
ngầm cũng được sử dụng khá phổ biến trên thế giới. Do đó phương án sử dụng loại
tường chắn cọc xi măng đất để thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro
cũng là một trong những phương án có thể xem xét để lựa chọn.
Do cơ chế làm việc của loại tường chắn đất nói chung, tường chắn loại cọc xi măng
đất nói riêng gia cố hố đào đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro diễn biến rất
phức tạp nên vấn đề “nghiên cứu tính toán các cơ chế phá hoại tường chắn loại cọc
ximăng - đất thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro” cần được nghiên cứu
kỹ để cung cấp thêm thông tin cho người thiết kế và thi công.
2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu, nhận định các yếu tố phá hoại tường chắn cọc xi măng đất trong thi
công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro; tính toán, dự báo mức độ ảnh hưởng
của từng cơ chế phá hoại, đưa ra nhận định và khuyến cáo giải quyết.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phân tích tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể là sử dụng phần mềm
Plaxis 8.5 để tính toán và mô phỏng từng trường hợp các bài toán.
14

4. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Các nước tiên tiến trên thế giới đã xây dựng các tuyến metro từ hơn một trăm năm
nay, qua chừng đó thời gian, các công nghệ ngày càng phát triển để việc thi công
được thuận lợi, kinh tế và an toàn hơn.
Công nghệ cọc xi măng đất đã được ứng dụng từ rất lâu trên thế giới, ở Việt Nam,
công nghệ này cũng đã được áp dụng trên nhiều lĩnh vực như các công trình dân
dụng, giao thông, thủy lợi… đã phần nào kiểm chứng được ưu điểm và tính thực
tiễn của công nghệ này.
5. Nội dung của luận văn
Chƣơng 1: Tổng quan về các loại tường chắn hố đào - Ứng dụng công nghệ cọc
ximăng - đất trong thi công tường chắn hố đào.
Chƣơng 2: Các cơ chế chính phá hoại loại tường chắn cọc ximăng - đất trong thi
công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro.
Chƣơng 3: Mô hình và phương pháp tính toán loại tường chắn cọc xi măng đất
trong thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro.
Chƣơng 4: Mô phỏng và tính toán một số cơ chế phá hoại tường chắn cọc xi măng
đất bằng phần mềm Plaxis 8.5 – Áp dụng cho địa chất tuyến đường sắt metro số 01
Bến Thành – Suối Tiên.
Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị.
6. Hạn chế của đề tài
Đề tài chưa đi vào tính toán với tải trọng động mà chỉ tính toán với tải trọng tĩnh,
mô hình phẳng.
Mô hình bài toán chỉ được thực hiện trên cơ sở lý thuyết thông qua phần mềm hiện
có mà chưa có điều kiện kiểm chứng thực tế để tìm được kết quả chính xác.
Tài liệu tham khảo về nội dung của đề tài nghiên cứu còn hạn chế, các nghiên cứu

về cọc xi măng đất ở điều kiện địa chất khu vực chưa nhiều và mức độ chuyên sâu
chưa cao nên quá trình nghiên cứu còn gặp nhiều khó khăn.
15

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI TƢỜNG CHẮN HỐ ĐÀO -
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CỌC XI MĂNG - ĐẤT TRONG THI CÔNG
TƢỜNG CHẮN HỐ ĐÀO
1.1. Một số loại tƣờng chắn hố đào
Hiện nay, trên thế giới nói chung, ở Việt Nam nói riêng, để bảo vệ thành hố đào
người ta thường dùng một số giải pháp sau: Tường cừ thép hay ở Việt Nam thường
gọi là cừ Larsen (steel sheet pile), tường cọc barrette, tường vây cọc khoan nhồi
đường kính nhỏ và tường vây cọc ximăng – đất.
1.1.1. Tƣờng cừ thép
Ngày nay, tường cừ thép được sử dụng ngày càng phổ biến trong lĩnh vực xây dựng
dân dụng, cầu, hầm, công trình thủy lợi, công trình giao thông …Từ việc sử dụng
trong các công trình tạm thời đến xem như là một loại vật liệu xây dựng với những
đặc tính riêng biệt, thích dụng với một số bộ phận chịu lực trong công trình xây
dựng.
Cừ thép được sử dụng với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau như: hình dạng
mặt cắt ngang chữ U, Z thông thường, có loại có mặt cắt ngang Omega (W), dạng
tấm phẳng cho các kết cấu tường chắn tròn khép kín, dạng hộp được nối thành bởi
hai cọc U hoặc 4 cọc chữ Z hàn với nhau. Ngoài ra đối với các công trình có tải
trọng lớn phải dùng các loại cừ cọc thép ống hoặc cọc thép hình.
Về kích thước cừ thép có bề rộng thay đổi từ 400mm đến 750mm. Đối với các loại
cừ có bề rộng bản lớn thường có hiệu quả kinh tế hơn trong quá trình sử dụng.
Chiều dài cừ có thể được chế tạo lên tới 30m tại xưởng. Tuy nhiên chiều dài thực tế
của cừ thép thường được quyết định bởi yếu tố vận chuyển (thông thường từ 9m
đến 18m). Riêng dạng cừ gia công tại công trường có thể lên tới 72 m.
Ƣu điểm: dể dàng nối lại với nhau bằng mối hàn hoặc bu lông để tăng chiều dài,
khả năng chịu tải tốt, thi công đơn giản, thuận tiện, khả năng ngăn nước tốt, có thể

tái sử dụng nhiều lần và tính hiệu quả kinh tế cao.
Hạn chế: Dể bị ăn mòn đặc biệt là trong môi trường nhiễm mặn.
16


Hình 1.1. Thi công hố đào bằng tường cừ thép [19]
1.1.2. Tƣờng cọc barrette
Tường cọc barrette là loại tường bêtông cốt thép trong đất thường có tiết diện chữ
nhật, chiều dày từ 600mm đến 800mm, chiều rộng thường thay đổi từ 2,6m đến
5,0m, chiều sâu tường có thể lên tới 40m.


Hình 1.2. Chi tiết tường cọc barrette tầng hầm công trình dân dụng [3]
Ƣu điểm: Đây là loại tường có độ cứng lớn, biến dạng nhỏ, khả năng chống thấm
tốt và chịu được áp lực cao
Hạn chế: Thi công phức tạp và đòi hỏi tốn nhiều khối lượng vật liệu
17

1.1.3. Tƣờng cọc khoan nhồi
Đây là phương pháp khoan tạo lỗ, đồng thời kết hợp với việc bơm dung dịch
bentonite có khả năng giữ thành vách hố đào không cho sạt lỡ. Sau đó làm sạch cặn
lắng và đất bùn rơi xuống dưới đáy lỗ, tiến hành hạ lồng thép và cho đổ bêtông cọc
(theo phương pháp đổ bêtông dưới nước). Khi bêtông cọc đã ninh kết, đông rắn và
đạt được cường độ nhất định ta tiến hành đào hở đầu cọc, đập vỡ đầu cọc và thi
công dầm giằng đỉnh cọc tường vây.

Hình 1.3. Cọc nhồi đơn Hình 1.4. Cọc nhồi tiếp xúc

Hình 1.5. Hố khoan và lồng thép cọc khoan nhồi [19]
Ƣu điêm: Đầu cọc có thể chọn ở độ cao tùy ý cho phù hợp với kết cấu công trình

và quy hoạch kiến trúc mặt bằng, trong quá trình thi công có thể thay đổi các thông
số (như đường kính, độ sâu), có thể xuyên qua các tầng sét cứng, cát chặt.
Hạn chế: Môi trường thi công sình lầy, dơ bẩn, khó kiểm tra khuyết tật và chất
lượng cọc sau khi thi công, đòi hỏi thiết bị tốt, đầu tư máy móc thiết bị cao.
1.2. Ứng dụng công nghệ cọc ximăng – đất trộn sâu trong thi công tƣờng chắn
hố đào
18

ọ
ủa đấ ợ
.

1.6. - [10]
1.2.1. Cơ sở lý thuyết cho cọc ximăng - đất [11]
Cũng như các phương pháp cải tạo, gia cố nền đất yếu khác, phương pháp gia cố
nền đất yếu bằng cọc xi măng đất nhằm thay đổi tính chất cơ lý của đất theo hướng
nâng cao sức chịu tải, giảm biến dạng của nền. Trên cơ sở phân tích lý thuyết các
phương pháp gia cố nền bằng cọc đất - xi măng có thể nhận thấy, khi gia cố nền đất
yếu bằng cọc xi măng đất, trong nền đất sẽ diễn ra các quá trình cơ học và hoá lý
sau đây:
1.2.1.1 Quá trình nén chặt cơ học
Gia cố nền bằng cọc ximăng - đất là dùng thiết bị chuyên dụng để đưa một lượng
vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp ximăng - đất. Lượng vật liệu ximăng –
19

đất sẽ chiếm chỗ các lỗ rỗng trong đất làm cho lỗ rỗng trong đất giảm đi do các hạt
được sắp xếp lại, kết quả là đất nền được nén chặt lại.
Khi gia cố nền bằng cọc ximăng - đất thì quá trình nén chặt sẽ xảy ra tức thời. Hiệu
quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu đưa vào nền, nghĩa là phụ thuộc vào số
lượng, đường kính cũng như khoảng cách giữa các cọc, hình dạng bố trí cọc.

Việc kiểm tra đánh giá định lượng tác dụng nén chặt đất khi gia cố nền bằng cọc
ximăng - đất có thể thực hiện được bằng nhiều phương pháp như: khoan lấy mẫu
trong phạm vi giữa các cọc để xác định hệ số rỗng cũng như khối lượng thể tích của
khối đất sau khi gia cố hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hay nén tĩnh nền.
1.2.1.2. Quá trình cố kết thấm
Ngoài tác dụng nén chặt đất, cọc xi măng đất còn có tác dụng làm tăng nhanh quá
trình cố kết của đất nền.
Đối với cọc xi măng đất mà hỗn hợp được đưa vào nền dưới dạng khô, hỗn hợp đó
sẽ hút nước trong đất nền để tạo ra vữa xi măng, sau đó biến thành đá xi măng. Quá
trình tạo vữa xi măng làm tổn thất một lượng nước lớn chứa trong lỗ hổng của đất,
nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất. Quá trình này xảy ra ngay sau
khi bắt đầu gia cố và kéo dài cho đến khi nền đất được gia cố xong, toàn bộ cọc xi
măng đất trở thành một loại bê tông .
1.2.1.3. Quá trình gia tăng cƣờng độ của cọc gia cố, sức kháng cắt của đất nền
Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, sức kháng cắt của cọc cát dưới tác dụng của tải
trọng ngoài xác định theo định luật Coulomb t = σ tgφ , với φ là góc ma sát trong
của cát; σ ứng suất do tải trọng ngoài gây ra. Khi trộn thêm xi măng và vôi vào cát,
do hình thành liên kết xi măng – đất trong cọc nên khả năng chịu lực nén và lực cắt
của cọc gia cố tăng lên đáng kể. Lúc đó, sức kháng cắt của cọc ximăng - đất xác
định theo biểu thức t = σ tgφ + C
xm
, với C
xm
là lực dính được tạo nên bởi liên kết xi
măng – đất. Giá trị C
xm
có thể xác định được nhờ thí nghiệm cắt các mẫu chế bị ở
trong phòng.
Như vậy, khác với cọc cát, cọc xi măng – đất có độ bền lớn nhờ lực dính trong hỗn
hợp tạo cọc tăng lên. Độ bền của cọc ximăng – đất phụ thuộc vào lực dính trong

20

liên kết xi măng – đất, nghĩa là phụ thuộc vào hàm lượng xi măng và đất trong hỗn
hợp tạo cọc.
Mặt khác, khi trộn xi măng trong đất và đưa vật liệu vào nền đất. Ở mặt tiếp xúc
giữa cọc và đất nền sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion và phản ứng Puzolan. Các ion
canxi hoá trị 2 thay thế các ion natri và hydro hoá trị 1 ở trong lớp điện kép bao
quanh mỗi hạt khoáng vật sét. Vì cần ít hơn kali hoá trị 2 để trung hoà lưới điện âm
trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảm được kích thước của lớp điện kép và do
đó làm tăng lực hút của các hạt sét, dẫn đến lực dính của đất tăng lên. Hơn nữa, silic
và nhôm trong khoáng vật sét sẽ phản ứng với silicat canxi và hydrat nhôm canxi
trong phản ứng Puzolan, tạo ra các hợp chất có độ bền cao và rất bền trong môi
trường nước. Những quá trình này làm tăng lực ma sát và lực dính của đất xung
quanh cọc gia cố, dẫn đến làm gia tăng cường độ của đất nền.
Tất cả các quá trình nén chặt cơ học, quá trình cố kết, quá trình gia tăng cường độ
của cọc và đất nền khi gia cố bằng cọc ximăng – đất đều có liên hệ hữu cơ với nhau.
Các quá trình này không độc lập với nhau mà diễn ra đồng thời với nhau, là động
lực thúc đẩy phát triển của nhau.
1.2.2. Phƣơng pháp và công nghệ thi công cọc xi măng đất
Qua quá trình phát triển, các công nghệ thi công dựa trên 2 phương pháp cơ bản là
trộn khô và trộn ướt
Phƣơng pháp trộn khô (Dry Jet Mixing): là một quá trình cắt đất xáo trộn với
một hàm lượng ximăng khô và một lượng phụ gia nhất định (có thể có hoặc không).
Mục đích của phương pháp này nhằm cải thiện tính năng nén và thấm của đất nền.
Phƣơng pháp trộn ƣớt (Jet - grounting): [5] phương pháp này dựa vào nguyên lý
cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực. Khi thi công trước hết dùng máy khoan để
đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + ximăng)
với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ cấu trúc tầng đất. Với lực
xung kích của vòi phun, lực li tâm, trọng lực…sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi được
sắp xếp lại theo một tỉ lệ có quy luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt. Dưới tác

21

dụng của quá trình hóa lý xảy ra giữa đất, ximăng và nước thì quá trình đông cứng
được hình thành tạo thành trụ ximăng - đất.
Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet - Grounting là:
Công nghệ đơn pha S (công nghệ phụt một ống JET 1- One jet technology): Với
công nghệ này sử dụng cần khoan đơn với đầu mũi chỉ có một lỗ phun (nozzle), vữa
phụt ra với vận tốc 100m/s, đầu khoan vừa cắt vừa trộn vữa với đất đồng thời, tạo ra
cọc ximăng - đất đồng đều với độ cứng cao và hạn chế đất trào lên ngược lại.


Hình 1.7. Chi tiết mũi khoan CN S
Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa bố trí ngang hàng hoặc lệch
hàng và có độ lệch gốc đều nhau.
Công nghệ thi công đơn pha S dùng tạo ra các cọc có đường kính vừa và nhỏ: 0.5 m
đến 0.8 m và phù hợp với các loại nền đất đắp. Đây là loại thiết bị đầu ít dùng, chiều
sâu cọc có thể đạt tới khoảng 25 m.
Công nghệ hai pha (công nghệ D, JET 2- Two - jets technology): Công nghệ này sử
dụng cần khoan nòng đôi, lõi trong bơm vữa, lõi ngoài bơm khí. Lỗ phun kép có hai
vòng, vòng trong phun vữa, vòng ngoài phun khí. Hỗn hợp vữa ximăng được bơm
với áp suất cao lớn hơn 200 atm, phun ra ở vùng trong, đồng thời bơm khí nén >20
atm phun ra ở vòng ngoài và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi
phun. Vòng khí nén sẽ làm giảm ma sát và cho phép vữa xâm nhập vào trong đất
cho nên tạo ra cọc ximăng - đất có đường kính tương đối lớn. Tuy nhiên, dòng khí
22

làm giảm độ cứng của cọc đất sơ với phương pháp phụt một tia và đất bị trào lên
nhiều hơn.

Hình 1.8. Chi tiết mũi khoan CN D
Cấu tạo đầu khoan bao gồm một hoặc nhiều lỗ phun được bố trí ngang hàng hoặc
lệch hàng có độ lệch góc đều nhau để phun vữa và khí. Khe phun khí nằm bao
quanh lỗ phun vữa. Công nghệ hai pha này tạo ra các loại cọc có đường kính từ 0,8
đến 1,5 m được áp dụng cho việc thi công tường chắn, cọc và hào chống thấm,
chiều dài cọc có thể lên tới 45 m và là công nghệ phổ biến hiện nay.
Công nghệ ba pha (công nghệ T, JET 3 - Three jets technology): Quá trình phụt vữa
lúc này không giống như công nghệ S hay công nghệ D nữa mà nước được bơm với
áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước để đẩy khí ra khỏi cọc
đất gia cố. Vữa được bơm qua một vòi riêng biệt nằm dưới vòi khí và vòi nước để
lấp đầy khoản trống của khí. Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo
trộn. Đất được thay thế sẽ trào lên mặt đất sau đó thu gom và xử lý.
Cấu tạo đầu khoan gồm một lỗ hoặc nhiều lỗ đúp để phun nước và khí đồng thời và
một hoặc nhiều lỗ đơn nằm thấp phía dưới để phun vữa
23


Hình 1.9. Lưu đồ công nghệ T
Nói chung mỗi một cặp lỗ phun nước, khí và vữa đều nằm đối xứng nhau qua tâm
trục của đầu khoan. Các cặp lỗ được bố trí góc lệch đều nhau. Công nghệ T thường
áp dụng cho các cọc, các tường ngăn chống thấm có thể tạo ra cọc Soilcrete có
đường kính lên tới 3 m.
1.2.3. Một số công nghệ thi công tƣờng chắn cọc xi măng đất hiện nay
1.2.3.1. Công nghệ CDM (Cement Deep Mixing) và công nghệ SMW (Soil
Mixing Wall) của Nhật Bản
Bảng 1.1. Một số đặc điểm của công nghệ CDM và công nghệ SMW
Nội dung
Công nghệ (CDM)
Cement Deep Mixing
Công nghệ SMW

Soil Mixing Wall
Hình ảnh máy trộn


24

Nội dung
Công nghệ (CDM)
Cement Deep Mixing
Công nghệ SMW
Soil Mixing Wall
Mô phỏng trạng thái
làm việc
Các cần quay làm đất di
chuyển và bị cắt trộn đều
tạo ra hỗn hợp đất.
Các mũi khoan, các cần khoan
quay tạo ra hỗn hợp đất tại chỗ,
kết hợp với ximăng tạo nên bức
tường ximăng - đất liên tục.
Số cần khoan
2,4,6 hoặc 8 cần khoan.
1,2,3 hoặc 5 cần khoan.
Vật liệu
Ximăng hoặc vữa vôi.
Vữa ximăng, bùn đất sét và vữa
phụ gia cần thiết khác.
Loại đất áp dụng
Bùn nhão, đất sét mềm,
cát rời.

Bùn sét mềm cho tới cứng, cát,
sỏi sạn, sỏi cuội đá tảng.
Phạm vi ứng dụng
Phần lớn áp dụng cho các
công trình kè chắn sóng
vùng biển và bờ sông.
Gia cố hố đào, ngăn dòng mực
nước ngầm.
Quan điểm nhận xét
Được phát triển bởi Port
và Harbor.
Công ty Seiko Kogyo của Nhật
Bản.


Hình 1.9. CDM 4 cần trộn [21] Hình 1.10. CDM 8 cần trộn [21]
Thông thường loại tường liên tục bằng cọc ximăng – đất có các thành phần chính là
đất tại chỗ, ximăng và một hàm lượng phụ gia nhất định, không có cốt thép. Nhưng
25

trong điều kiện cần thiết như: gia công hố đào quá sâu cần phải giằng chống do áp
lực ngang của đất và nước ngầm quá lớn, người ta có thể tăng cường khả năng chịu
uốn của cọc này bằng cách gia cường các thanh thép hình vào cọc khi vừa trộn
xong. Số lượng và vị trí cọc được gia công thép hình tùy theo điều kiện địa chất khu
vực và độ sâu hố đào.

Hình 1.11. Tường vây cọc ximăng - đất có gia cố thép hình [24]
Việc sử dụng ưu điểm của vật liệu hỗn hợp ximăng - đất và công nghệ áp dụng cho
loại vật liệu này để gia cố đất nền và vách hố đào ngày càng được áp dụng rộng rãi
trên thế giới. Đồng thời hiện nay công nghệ này cũng ngày càng phổ biến ở Việt

Nam. Điển hình như một số dự án lớn ở Việt Nam đã thực hiện công nghệ này:
đường băng sân bay Cần Thơ, công trình Sài Gòn Pearl Nguyễn Hữu Cảnh, đường
dẫn vào hầm chui Thủ Thiêm…
1.2.3.2. Công nghệ Geomix
Ngoài vật liệu hỗn hợp ximăng - đất được sử dụng theo công nghệ CDM (SMW)
của Nhật Bản thì hiện nay một số công trình ở Việt Nam đang sử dụng loại vật liệu
này để gia cố thành hố đào dưới dạng bản tường (tấm panel) đó là công nghệ
Geomix - công ty Soletanche Bachy thi công.
Geomix cũng là một công nghệ dựa trên quy trình sử dụng cốt liệu chính là đất tại
chỗ, gia cố với một hàm lượng ximăng và phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và
các tính chất cơ – lý – hóa của đất nền tại khu vực đặt công trình thi công để tạo nên
những bức tường liên hoàn dùng trong việc gia cố thành hố đào, ngăn thấm rất tốt
và rất thân thiện với môi trường.
Công nghệ Geomix chỉ khác với công nghệ CDM (SMW) của Nhật ở thiết bị,
phương pháp thi công và hình dạng sản phẩm sau khi thi công.