Luận văn Nghiên cứu tính toán ổn định mái đào trong đất yếu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
***




HOÀNG HẢI HÀ



NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI ĐÀO
TRONG ĐẤT YẾU



Chuyên ngành : Xây dựng Công trình thủy
Mã số : 60 - 58 - 40



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.
TS. NGUYỄN QUỐC DŨNG

Hà Nội - 2010


1
LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiên cứu tính toán ổn định mái đào trong đất yếu”
được hoàn thành tại Khoa đào tạo đại học và sau đại học - Trường Đại học
Thuỷ Lợi Hà Nôi.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Quốc
Dũng đã tận tình hướng dẫn, dìu dắt tác giả hoàn thành luận văn này, xin trân
thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Công Trình - Trường đại học Thuỷ
Lợi, các đồng nghiệp trong và ngoài nước đã cung cấp các tài liệu và số liệu
cho luận văn nay.
Tác giả xin trân thành cảm ơn cơ quan và các cá nhân nói trên đã chia
sẻ những khó khăn, truyền bá kiến thức, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học
tập và hoàn thành luận văn này.
Tác giả có được kết quả hôm nay chính là nhờ sự chỉ bảo ân cần của
các thầy cô giáo, cùng sự giúp đỡ, động viên của cơ quan, gia đình và bạn bè
đồng nghiệp trong những năm qua. Một lần nữa tác giả xin ghi nhớ tất cả các
đóng góp to lớn đó.
Với thời gian và trình độ có hạn, luận văn không tránh khỏi những sai
sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp trân tình của Quí thầy cô
giáo và các bạn đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 03 năm 2010
Tác giả



HOÀNG HẢI HÀ

2
MỤC LỤC
Tiêu đề
Trang
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG

1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CỐ NỀN, MÁI
ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU

1.1.1. Các phương pháp làm chặt đất ở dưới sâu bằng chấn động và
thuỷ chấn

1.1.1.1. Nén chặt đất bằng chấn động

1.1.1.2. Nén chặt đất bằng thuỷ chấn

1.1.2. Gia cố đất yếu bằng các thiết bị tiêu nước thẳng đứng

1.1.2.1. Giếng cát, cọc cát

1.1.2.2. Bấc thấm và các vật thoát nước thẳng đứng chế tạo sẵn

1.1.3. Gia cố đất yếu bằng năng lượng nổ

1.1.4. Nén trước bằng tải trọng tĩnh

1.1.5. Gia cố đất yếu bằng vải địa kỹ thuật

1.1.6. Gia cố đất bằng các chất kết dính

1.1.6.1. Gia cố đất bằng phương pháp trộn vôi

1.1.6.2. Gia cố đất bằng phương pháp trộn xi măng

1.1.6.3. Gia cố đất bằng phương pháp trộn bitum

1.1.6.4. Gia cố đất bằng keo polime tổng hợp

1.1.7. Gia cố đất bằng phương pháp phụt dung dịch

1.1.7.1. Gia cố bằng phụt vữa xi măng
1.1.7.2. Gia cố đất yếu bằng phụt dung dịch silicat

1.1.7.3. Gia cố đất bằng phương pháp phụt nhựa bitum

1.1.8. Gia cố đất bằng một số phương pháp vật lý

1.1.8.1. Gia cố đất bằng phương pháp điện thấm

1.1.8.2. Gia cố đất bằng phương pháp điện hoá học

1.1.8.3. Gia cố đất bằng phương pháp điện silicat

1.1.8.4. Gia cố đất bằng phương pháp nhiệt

1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT YẾU

3
BẰNG XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI
1.3. CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG
ĐẤT Ở VIỆT NAM

1.4. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Ở
VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

1.4.1 Công trình hồ chứa Đá Bạc

1.4.2 Xử lý chống thấm đê quây thượng hạ lưu nhà máy thuỷ
điện Sơn La

1.4.3 Thi công trộn sâu trên thế giới

1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ KHOAN PHỤT CAO ÁP GIA CỐ
ĐẤT YẾU

2.1. MÔ TẢ CÔNG NGHỆ

2.1.1. Công nghệ đơn pha - xi măng đất S

2.1.2. Công nghệ hai pha - xi măng đất D

2.1.3. Công nghệ ba pha-xi măng đất T

2.2. PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG

2.2.1. Thiết bị thi công

2.2.2. Trình tự thi công

2.3. PHẠM VI ỨNG DỤNG

2.4. SẢN PHẨM CỌC XI MĂNG ĐẤT

2.4.1. Về cường độ

2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU
HẠN (PTHH)

3.3.1. Giới thiệu chung về phương pháp PTHH

3.3.1.1. Phần tử tam giác tuyến tính (T3)

3.3.1.2. Phần tử tứ giác tuyến tính (T4)

3.2. CÁC MÔ HÌNH VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN

4
3.2.1. Mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính

3.2.2. Mô hình vật liệu đàn dẻo lí tưởng

3.3. PHẦN MỀM PLAXIS

3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH
KÊNH XẢ LÀM MÁT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ 1

4.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG
PHÚ 1

4.1.1. Thông tin cơ bản về dự án

4.1.2. Số liệu kỹ thuật và chỉ tiêu của nhà máy

4.2. KÊNH XẢ NƯỚC LÀM MÁT

4.3. PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI KÊNH XẢ
CÓ KỂ ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC XI MĂNG ĐẤT

4.3.1. Các mô hình tính toán chính

4.3.2. Các tổ hợp tính toán

4.3.3. Lựa chọn chỉ tiêu dùng cho cọc xi măng đất

4.3.4. Lựa chọn vị trí của trụ xi măng đất nhằm chống trượt cho mái
kênh xả

4.3.5. Mô hình tính toán

4.4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

4.4.1. Trường hợp không gia cố

4.4.2. Trường hợp gia cố một hàng trụ xi măng đất

4.4.3. Trường hợp gia cố hai hàng trụ xi măng đất

4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1. KẾT LUẬN

5.2. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CỦA ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO





5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1:
Thi công cọc xi măng đất chống thấm nền đập
Hình 1.2:
Một đoạn tường chống thấm được đào hở để kiểm tra
Hình 1.3:
Hồ chứa sau khi tích nước
Hình 1.4:
Thi công chống thấm đê quây
Hình 1.5:
Hố móng công trình nhà máy thuỷ điện Sơn La
Hình 1.6:
Thi công trộn sâu ở Nhật Bản
Hình 1.7:
Thi công trộn sâu ở Hà Lan
Hình 1.8:
Thi công trộn sâu ở Đức
Hình 2.1:
Công nghệ đơn pha
Hình 2.2:
Công nghệ hai pha
Hình 2.3:
Công nghệ 3 pha
Hình 2.4:
Mô tả quá trình thi công công nghệ KPCA
Hình 2.5:
Phạm vi ứng dụng hiệu quả của các loại công nghệ khoan phụt
Hình 3.1:
Rời rạc hình tròn thành hữu hạn các phần tử tam giác với các sai
số biểu thị phần gạch chéo
Hình 3.2:

Độ chính xác lời giải phụ thuộc vào N
Hình 3.3:
Các thành phần ứng suất biến dạng
Hình 3.4:
Biểu diễn các thành phần ứng suất Phần tử tam giác tuyến tính
Hình 3.5:
Hệ toạ độ tự nhiên của phần tử tam giác tuyến tính
Hình 3.6:
Thể hiện hàm dạng cho phần tử tam giác tuyến tính
Hình 3.7:
Hệ toạ độ tự nhiên cho phần tử tứ giác tuyến tính
Hình 3.8:
Thể hiện hàm dạng cho phần tử tứ giác tuyến tính
Hình 3.9:
Một số phần tử có tỷ lệ đặc trưng cao không nên sử dụng trong
tính toán
Hình 3.10:
Một số phần tử có tỷ lệ đặc trưng nhỏ đựơc sử dụng trong tính
toán
Hình 3.11:
Các liên kết không đúng
Hình 3.12:
Phần tử dầm phẳng


6
Hình 3.13:
Quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng
Hình 3.14:
a. quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

b. Vòng tròn Mohr về ứng suất và đường bao phá hoại
Hình 4.1:
Mặt cắt ngang kênh xả

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1:
Các đặc trưng cơ lý của đất nền
Bảng 4.2:
Các đặc trưng cơ lý của trụ xi măng đất

















7
MỞ ĐẦU
Trong các công trình thủy lợi - thủy điện - nhiệt điện, phần gia cố mái
đào trong đất yếu để đảm bảo ổn định là công việc không thể thiếu. Đến nay,

có rất nhiều phương pháp gia cố mái đào trong đất yếu như: phương pháp
đóng cừ thép, phương pháp đóng cừ thép kết hợp với neo trong đất, phương
pháp dùng giếng kim để hạ mực nước ngầm, phương pháp neo Radish,
phương pháp tường vây….Tuy nhiên, mỗi phương pháp lại có những ưu
nhược điểm riêng trong việc thi công, tính toán thiết kế.
Tính toán ổn định mái đào trong đất yếu, các kỹ sư mới chỉ mô tả sự
làm việc của khối đất, từ đó họ tính được hệ số mái đào phù hợp. Thực tế, khi
đưa cọc xi măng đất vào mái đào trong đất yếu thì tại đó ngoài vật liệu là khối
đất ra còn kể tới vật liệu là cọc xi măng đất. Các cọc xi măng đất trong khối
đất cũng tham gia vào thành phần chống trượt của mái đào trong đất yếu. Nếu
chỉ rõ ra được cọc xi măng đất làm việc cùng với khối đất như thế nào trong
khối đó thì ta sẽ tính chính xác được lượng cọc xi măng đất cần để tham gia
chống trượt cho mái đào.
Việc tính toán chính xác được lượng cọc xi măng đất tại các khối đất
đó cũng là điều kiện để hạ giá thành công trình đáng kể.
Vì vậy đề tài “Nghiên cứu tính toán ổn định mái đào trong đất yếu”
là hết sức cần thiết, có ý nghĩa đối với khoa học và thực tiễn.
MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
1. Nghiên cứu phương pháp tính toán ổn định mái đào trong đất yếu có
kể đến sự làm việc của cọc xi măng đất.
2. Xác định hệ số ổn định mái đào trong đất yếu có kể đến sự làm việc
của cọc xi măng đất.
3. Đưa ra quy trình tính và mô hình hoá khối vật liệu, qua đó tính chính
xác số lượng cọc xi măng đất cần dùng.
CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
1. Cách tiếp cận


8
Qua tìm hiểu các dự án nước ngoài thiết kế, như kênh Nhiêu Lộc- Thị

Nghè, kênh xả nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ… gia cố mái kênh bằng trụ xi
măng đất. Tuy nhiên hiện nay chưa có tài liệu hướng dẫn tính toán ổn định
mái gia cố trụ xi măng đất. Việc chứng minh khả năng gia tăng ổn định khi có
trụ xi măng đất cần được phân tích, làm rõ.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tài liệu: Các tài liệu về đất yếu và công nghệ xử lý đất
yếu. Các tài liệu về vật liệu xi măng đất, các đề tài dự án đã thực hiện ở Việt
Nam ứng dụng công nghệ trụ xi măng đất.
- Sử dụng các phần mềm thương mại để phân tích ổn định mái dốc như
GeoSlope, Plaxis…
- Ứng dụng tính toán cho một công trình cụ thể để chứng minh hiệu quả
kinh tế, kỹ thuật…
3. Đối tượng nghiên cứu
Mái đào bể chứa thải của nhà máy nhiệt điện Long Phú I,
Địa điểm dự án: Xã Đức Long, huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Tìm được phương pháp tính toán ổn định mái đào trong đất yếu (có kể
đến sự làm việc của cọc xi măng đất) hợp lý để xác định hệ số ổn định mái
đào chính xác.
Vận dụng thành thạo chương trình tính toán Plaxis.
Tính toán cụ thể ổn định mái đào trong đất yếu có kể đến cọc xi măng
đất của kênh xả làm mát nhà máy nhiệt điện Long Phú 1.



9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG
1.1. TỔNG QUAN CÁC HÌNH THỨC MẤT ỔN ĐỊNH MÁI ĐÀO
TRONG ĐẤT YẾU
Chuyển động do trượt: Hiện tượng đất sườn dốc chuyển động do trượt

được chia thành các loại sau:
1.1.1. Trượt theo mặt phẳng:
Một lớp đất có tính chất cơ lý yếu kém nằm trên mặt nghiên của lớp đất
đá cứng bên dưới sẽ gây hiện tượng trượt phẳng.

Hình 1-1: Trượt mặt phẳng
1.1.2. Trượt vòng cung đơn giản
Trượt mái dốc theo mặt trượt vòng cung đơn giản là thường hay xảy ra nhất.
Đường trượt thường có dạng đơn giản giống như hình trụ. Phân tích khả năng
trượt mái dốc có thể áp dụng phương pháp kinh điển
Loại trượt này có thể được phân biệt bởi các dấu hiệu sau:
- Phía đỉnh mái dốc xuất hiện các vết nứt do lực đất kéo xuống
- Xuất hiện một khoảng trống phía đỉnh khối trượt
- Xuất hiện khối trồi phía chân khối trượt
Khi mặt trượt có dạng cung tròn ta gọi là trượt cung tròn. Trượt cung tròn
thường xảy ra trong phần lớn các trườnghợp trượt mái dốc. Ngược lại, đường
trượt không có dạng hình tròn ta chỉ gọi là trượt vòng cung.


10

Hình 1-2: Trượt vòng cung
1.1.3. Trượt vòng cung phức hợp
Trượt trên một mái dốc tạo ra nhiều khối trượt hình vòng cung chồng
lên nhau, gọi là trượt vòng cung phức hợp. Mỗi khối trượt chồng lên khối tiếp
theo là nguyên nhân làm cho khối tiếp theo trượt và cú thế liên tiếp trên một
mái dốc dài.

Hình 1-3: Trượt vòng cung phức hợp
Mái dốc do đào đât và mái dốc đất đắp nằm trên nền đất không chịu

nén. Các loại mái dốc này cùng có đặc điểm chung là bị trượt theo đường
trượt cung tròn.
Có thể phân chia thành các loại trượt cung tròn sau:
- Trượt cung tròn lưng dốc
- Trượt cung tròn chân dốc
- Trượt cung tròn sâu



11

Hình 1-4: Các loại trượt cung tròn trên mái dốc
- Trượt lưng dốc thường xảy ra ở chỗ đất không đồng nhất. Đáy của vòng
cung trượt tròn nằm trên mặt một lớp đất cứng hơn,
- Trượt cung tròn chân dốc thường gặp nhất trong loại mái dốc kiểu này,
- Trượt cung tròn sâu chỉ xảy ra khi đất nền dưới chân dốc quá yếu.
1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CỐ MÁI ĐÀO TRONG
ĐẤT YẾU
1.2.1. Ổn định mái đào bằng cách tạo cơ hoặc giảm mái dốc
Trường hợp mái dốc cao và địa chất phức tạp, mái dốc thường được bố
trí thêm cơ nhằm tăng ổn định mái và thuận lợi thi công. Nếu bố trí cơ mà mái
dốc vẫn không đảm bảo ổn định cần tăng hệ số mái dốc thoải hơn.
1: m1
1: m2

Hình 1-5: Mái dốc có cơ và hệ số mái thay đổi
1.2.2. Ổn định mái đào bằng tường vây
Tường vây chắn giữ có các loại chủ yếu sau đây:
- Tường chắn bằng xi măng đất trộn ở tầng sâu: Trộng cưỡng chế đất với xi
măng thành cọc xi măng đất, sau đó đóng rắn lại sẽ thành tường chắn có

12
dạng bản liền khối đạt cường độ nhất định, dùng để đào loại móng có độ
sâu 3-6m
- Cọc bản thép: dùng cọc ván thép sấp ngửa móc vào nhau hoặc cọc ván
thép khóa miệng bằng thép hình với mặt cắt chữ U và chữ Z. Dùng
phương pháp đóng hoặc rung để hạ chúng vào trong đất, sau khi hoàn
thành nhiệm vụ chắn giữ, có thể thu hồi sử dụng lại, dùng cho loại hố
móng có độ sâu 3- 10m
- Cọc bản bê tông cốt thép: cọc dài 6-12m, sau khi đóng xuống đất, trên
đỉnh cọc đổ một dầm vòng bằng bê tông cốt thép đặt một dây chắn giữ
hoặc thanh neo, dùng cho loại hố móng có độ sâu 3-6m.

Hình 1-6: Ổn định mái đào bằng tường vây
1.2.3. Ổn định mái đào bằng vải địa kỹ thuật
Trong những năm gần đây, vải địa kỹ thuật được dùng khá rộng rãi để
gia cố nền đất yếu, ổn định mái kênh, mái đào trong đất yếu. Tuỳ theo mục
đích sử dụng, vải địa kỹ thuật có thể đáp ứng được các yêu cầu khác nhau:
- Làm chức năng như một mặt phân cách: Các lớp đất yếu không ổn
định có thể được làm ổn định bằng cách sử dụng kết hợp vải địa kỹ thuật với
các vật liệu chất lượng tốt. Dùng vải địa kỹ thuật đặt trên bề mặt lớp đất yếu,
sau đó đắp bằng vật liệu tốt, đất đắp lên sẽ không bị chìm vào lớp nền dẫn đến
chiều dày lớp đất đắp ít bị thay đổi do đó làm giảm chiều cao đắp. Dùng vải
địa kỹ thuật phân cách lớp đất đắp và nền đất yếu cũng làm giảm sự phá hoại


13
các đặc tính cơ học của các lớp đất nền, làm giảm ứng suất cắt.
- Làm giảm chức năng như vật liệu tiêu nước: Vải địa kỹ thuật xốp, cấu

tạo kiểu không gian 3 chiều và có khả năng thấm nước cao nên được sử dụng
như một loại vật liệu tiêu nước tốt. Nó cho phép tiêu nước theo cả phương
thẳng đứng và trên mặt nằm ngang và xem như thiết bị tiêu tán áp lực nước
dư trong lỗ rỗng được hình thành trong đất sau khi xây dựng. Tiêu nước tốt có
thể đảm bảo ổn định hoặc làm tăng cường độ của các lớp đất và như vậy sẽ
làm tăng tính ổn định của nền đất yếu, mái đào trong đất yếu.
Ngoài ra, vải địa kỹ thuật còn được dùng để chống xói mòn, bảo vệ các
công trình dẫn nước, bờ kênh, bờ sông, …


Hình 1-7: Ổn định mái đào bằng vải địa kỹ thuật
1.2.4. Ổn định mái đào bằng tường chắn

Hình 1-7: Ổn định mái đào bằng tường chắn đất


14

1.2.5. Ổn định mái đào bằng neo

Hình 1-7: Ổn định mái đào bằng neo
1.2.6. Ổn định mái đào bằng băng thoát nước khoan vào mái
B¨ng tho¸t n-íc

Hình 1-7: Ổn định mái đào bằng băng thoát nước khoan vào mái
1.2.7. Ổn định mái đào bằng biện pháp cải tạo mái
1.1.2.1. Giếng cát, cọc cát
Dùng giếng cát, cọc cát là một trong những phương pháp hiệu quả và
kinh tế gia cố đất sét yếu, có tác dụng tăng nhanh tốc độ cố kết của đất, làm
cho công trình xây dựng ở trên nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún,

đồng thời làm cho đất có khả năng biến dạng đồng đều. Dùng giếng cát, cọc
cát còn làm tăng độ chặt của đất và do đó sức chịu tải của nền tăng lên một
cách đáng kể. Tuỳ thuộc vào đặc điểm công trình xây dựng và điều kiện nền
đất mà lựa chọn dùng giếng cát hay cọc cát để gia cố nền đất, gia cố mái đào
trong đất yếu. Giếng cát đóng vai trò thoát nước trong đất là chính, nó giúp
tăng nhanh tốc độ cố kết của nền. Do vậy, gia cố bằng giếng cát thường phải
đi kèm với biện pháp gia tải để nước thoát ra được dễ dàng. Khi gia cố đất
yếu bằng cọc cát, tác dụng nén chặt đóng vai trò chính, do đất được nén chặt


15
mà độ rỗng, độ ẩm của đất giảm đi, trọng lượng thể tích, modun biến dạng,
lực dính và góc ma sát trong tăng lên, sức chịu tải của nền tăng lên.
Để thi công giếng cát, cọc cát thường dùng cách đóng ống thép xuống
đất bằng búa hoặc bằng chấn động đến độ sâu thiết kế, sau đó nhồi cát và đầm
chặt theo từng lớp từ dưới lên trên. Giếng cát thường được dùng để gia cố cải
tạo các công trình đường giao thông khi xây dựng trên nền đất sét yếu có bề
dày lớn và cần có thời gian đủ dài (thường từ 6 đến 18 tháng) để đạt được
hiệu quả gia cố. Cọc cát được dùng trong gia cố nền đất yếu phục vụ xây
dựng các công trình nhà dân dụng và công nghiệp, nền kho bãi, bể chứa,
Phần lớn độ lún của đất có cọc cát kết thúc trong quá trình thi công. Do đó,
công trình mau chóng đạt giới hạn ổn định và có thể sử dụng ngay không cần
thời gian chờ đợi.
1.2.4.1. Gia cố bằng cọc xi măng đất
Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trền nền đất yếu cần phải
có các biện pháp xử lý đất nền bên dưới móng công trình, nhất là những khu
vực có tầng đất yếu khá dày như vùng Nhà Bè, Bình Chánh, Thanh Đa ở
thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long.
Cọc xi măng đất -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là một
trong những giải pháp xử lý nền đất yếu đặc biệt là trong điều kiện đất yếu

quá dày, mực nước ngầm cao hoặc nền ngập nước và hiện trường thi công
chật hẹp. Khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: Làm tường hào chống
thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, sửa chữa
thấm mang cống và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia
cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn
So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc xi măng đất
có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu
(từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu
trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã
đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác.(nếu sử dụng
phương pháp cọc bê tông ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất


16
yếu bên trên dày. Với 1 trường hợp đã áp dụng với lớp đất dày 30m, thì khi sử
dụng phương pháp cọc- đất xi măng tiết kiệm cho mỗi móng xi lô khoảng 600
triệu đồng.
Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi
măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Mũi khoan được
khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay
ngược lại và dịch chuyển lên. Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được
phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm
vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt).
1.2.5. Phân tích ưu nhược điểm của các phương án gia cố
Khi ứng dụng cho đối tượng nghiên cứu của dự án bãi thải xỉ nhà máy
nhiệt điện Long Phú I, ưu nhược điểm của các phương pháp gia cố ở trên:
1.2.5.1. ổn định mái đào bằng cách tạo cơ hoặc giảm mái dốc
Ưu điểm: + đơn giản, dễ thi công, rẻ
Nhược điểm: + với vùng dự án do đất quá yếu nên yêu cầu m=5~6 mới đảm
bảo ổn định. Dẫn đến diện tích chiếm đất lớn, tăng giá đền bù

+ Thi công đào đất trong điều kiện nước ngầm cao cũng rất phức tạp
1.2.5.2. ổn định bằng vây
Ưu điểm: + Do mái gần như thẳng đứng nên diện tích chiếm đất nhỏ,
Nhược điểm: + Chi phí cao, đòi hỏi máy móc thiết bị đắt
+ Thi công tường vây có thể gây tiếng ồn, ô nhiễm môi trường
1.2.5.3. Ổn định bằng vải địa kỹ thuật bố trí nhiều lớp
Ưu điểm: + giảm được độ dốc mái
Nhược điểm: Thi công mất nhiều thời gian, do phải đào ra đắp vào, đắp theo
lớp. Thi công đào trong điều kiện nước ngầm cao cũng rất phức tạp
1.2.5.4. Ổn định mái dốc bằng neo:
Không thích hợp với đất yếu, do phải phụt gia cố đất xung quanh neo
1.2.5.5. Tường chắn:


17
Không thích hợp do phải gia cố ổn định đáy tường
1.2.5.6. Băng thoát nước:
Không thích hợp với đất yếu
1.2.5.7. Ổn định mái bằng biện pháp cải tạo đất khu vực mái dốc
Bản chất làm thay đổi tính chất cơ lý (, , c, E…) vùng mái trong phạm vi
ảnh hưởng của công trình.
+ Biện pháp cải tạo bằng cọc cát, giếng cát:
Ưu điểm: Tốc độ thi công nhanh, giá thành rẻ.
Nhược điểm: với đất yếu bão hòa nước thì hiệu quả thấp.
+ Biện pháp cải tạo bằng cọc xi măng đất:
Ưu điểm: Thi công được trong điều kiện bất lợi như nền ngập sâu trong nước
hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp. So với phương pháp gia cố bằng tường
vây thì rẻ hơn.
1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG
TRỤ XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI

Trên thế giới, việc gia cố đất yếu bằng xi măng đã phát triển từ rất lâu,
xuất phát từ nhu cầu thực tế khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu.
Nhiều phương pháp gia cố đất yếu được áp dụng nhưng chủ yếu là các
phương pháp làm chặt đất trên mặt. Ngày nay, phương pháp trộn sâu (deep
mixing method - DMM) dùng để cải tạo đất yếu đã được ứng dụng rất rộng
rãi và hiệu quả.
Năm 1954, Công ty Prepakt Co (Mỹ) đã phát triển phương pháp trộn tại
chỗ và dùng phương pháp cọc (lưỡi khoan đơn). Phương pháp này hầu như
chỉ được sử dụng ở Mỹ.
Năm 1966, phương pháp trộn tại chỗ và được sử dụng dưới dạng bản
quyền cho hơn 300.000m cọc dài ở Nhật Bản dùng để gia cố hố đào và điều
tiết nước ngầm. Nó được tiếp tục đến đầu năm 1970 bởi Công ty Seiko Kogyo
đã thành công về kỹ thuật màng - tường chống thấm. Cùng năm này, Công ty
Port và Havber thuộc Viện Nghiên cứu Bộ Giao thông Vận tải (PHRI) đã sử


18
dụng bột đá vôi cho xử lý đất yếu. Năm 1967, Viện Nghiên cứu Bờ biển và
Cảng Bộ Giao thông Nhật Bản đã bắt đầu thí nghiệm trong phòng, đã sử dụng
hạt thô hoặc bột vôi để xử lý đất yếu có nguồn gốc biển. Nghiên cứu này
được tiếp tục ở Okumura, terashi và những người khác đến những năm 1970.
Các nghiên cứu của họ gồm: Nghiên cứu sự tương tác giữa vôi và đất sét
nguồn gốc biển; Phát triển phương pháp trộn; thí nghiệm cường độ kháng nén
không nở hông (Unconfined compressive strengths - UCS) từ 0.101MPa.
Các máy Mark I - IV đã dùng thử nghiệm lần đầu tiên tại sân bay Hameda.
Trong vài năm sau đó, các thí nghiệm trong phòng và hiện trường đã
bắt đầu được thực hiện để nghiên cứu về phương pháp cọc đất - vôi - xi măng
cho xử lý đất sét yếu dưới các nền công trình đất đắp bởi các Công ty Kjed
Paus, Linden - Alimak AB và Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển (SGI) hợp tác
cùng một số nước Châu Âu. Vấn đề này đã được quan trắc dựa theo Công ty

Kjed Paus và thi công cột vôi ở Mỹ.
Năm 1974, tại Viện Nghiên cứu Bờ biển và Cảng của Nhật Bản,
phương pháp trộn sâu vôi - ximăng đã được áp dụng hoàn thiện. Ứng dụng
đầu tiên là gia cố đất sét yếu ở ChiBa với máy Mak - IV được phát triển bởi
Công ty xây dựng Fudo. Các ứng dụng ở những nước Đông Nam Châu Á
cũng đã được thực hiện trong năm này. Phương pháp này tiếp tục được phổ
biến đến tận năm 1978. Phương pháp thử nhanh với cọc vôi - ximăng tại sân
bay Ska Edeby của Thuỵ Điển đã tiến hành những thử nghiệm cơ bản và đánh
giá về tương tác nước thoát từ cọc với chiều dài cọc 15m, đường kính là 0,5m.
Lần đầu tiên phương pháp cọc đất - vôi - ximăng được mô tả chi tiết bởi
Arrason và những người khác thuộc Công ty Linden Alimak AB.
Cũng vào những năm 1974, lần đầu tiên khối đắp thử theo phương pháp
xử lý cột đất - vôi - ximăng trong đất sét yếu ở Phần Lan (chiều cao khối đắp
là 6m, dài 8m dùng cột đất vôi - ximăng đường kính 0,5m).
Năm 1975, dựa trên kết quả nghiên cứu từ năm 1973 - 1974, Viện
Nghiên cứu Bờ biển và Cảng của Nhật Bản đã phát triển phương pháp trộn xi
măng sâu dùng dung dịch xi măng và phụt và đã ứng dụng cho một dự án lớn


19
xử lý đất nhiễm mặn vùng ven biển. Ở Thuỵ Điển, lần đầu tiên bắt đầu sử
dụng cột đất vôi – xi măng để gia cố hố đào, ổn định khối đất đắp, gia cố
móng nông ở gần Stockholm bởi Công ty Linden Alimak AB và SGI.
Năm 1976, Viện Nghiên cứu Công trình Công cộng thuộc Bộ Xây dựng
Nhật Bản liên kết với Viện Nghiên cứu Máy xây dựng đã bắt đầu nghiên cứu
phương pháp phụt khô sử dụng xi măng khô. Giai đoạn thực nghiệm đầu tiên
được hoàn thành vào cuối năm 1980.
Năm 1977, lần đầu tiên cuốn sổ tay về cột đất - vôi ra đời của tác giả
Broms và Boman xuất bản bởi Viện Nghiên cứu Địa kỹ thuật Thuỵ Điển.
Trong cuốn này chỉ mô tả về ứng dụng của cột đất - vôi.

Cũng vào những năm 1977 lần đầu tiên phương pháp trộn khô xi măng
được sử dụng ở Nhật Bản và phát triển nhanh chóng tiếp sau đó. Năm 1981
Giáo sư Jim Mitchell đã trình bày báo cáo tổng quát tại hội nghị quốc tế về cơ
học đất và nền móng tại Stockholm về cột đất - vôi – xi măng cho xử lý đất
dính, đất dẻo và phương pháp này đã được phát triển mạnh mẽ trên thế giới.
Năm 1983, Eggestad đã xuất bản báo cáo Helsinki về vấn đề các chất
phụ gia, gia cố cho phương pháp cột đất - vôi – xi măng.
Năm 1985, lần đầu tiên bắt đầu sử dụng phương pháp cột đất - vôi – xi
măng ở Phần Lan. Cũng vào năm này, Thuỵ Điển đã xuất bản tổng quan về
10 năm nghiên cứu phương pháp cột đất - vôi – xi măng. Giữa năm 1980
phương pháp này được ứng dụng ở Na Uy dưới sự hướng dẫn của
chuyên gia Thuỵ Điển.
Năm 1986, Công ty SMW Seko đã bắt đầu hoạt động ở Mỹ dưới bản
quyền của Công ty mẹ Seiko Kogyo (Nhật Bản) và nó đã giới thiệu và sử
dụng ở thị trường Mỹ phương pháp trộn khô xi măng.
Năm 1987, Công ty Bachy của Pháp đã phát triển "Colmix". Phương
pháp này đã dùng cách trộn và đầm nén đất, ximăng theo phương pháp quay
đảo ngược liên hoàn của lưỡi khoan trong khi kéo lên. Đây là kết quả nghiên
cứu được tài trợ bởi Cục Đường sắt và Đường bộ Quốc gia Pháp. Và sau này
người Châu Âu đã phát triển phương pháp này ra bên ngoài bán đảo


20
Scadinavia.
Năm 1987 - 1989, phương pháp trộn khô xi măng dùng dưới dạng khối
lớn gia cố trong các chương trình chống động đất tại đập Jackson Lake Dam.
Năm 1989 phương pháp cột đất - vôi – xi măng được phát triển mạnh
mẽ tại Thuỵ Điển.
Năm 1990, các dụng cụ mới được phát triển ở Phần Lan dùng xi măng
và vôi, được cung cấp và trộn riêng rẽ. Phương pháp này ứng dụng tốt cho

những cọc có độ sâu lớn hơn 20m và đường kính 800mm.
Vào năm này, Tiến sĩ Terashi đã phát triển phương pháp trộn khô cột
đất - vôi – xi măng tại Viện Nghiên cứu Bờ biển và Cảng Nhật Bản. Trong
bài giảng tháng 11/1990, tại Phần Lan, giới thiệu cho hơn 30 nhà thầu thi
công các phương pháp này, một số trong họ có dùng xỉ than, xỉ lò cao làm chất
phụ gia.
Năm 1991, Viện Nghiên cứu Khoa học Bungari đã có các báo cáo với
các kết quả nghiên cứu về đất – xi măng.
Năm 1992, những hướng dẫn thiết kế mới (STO - 91) đã được xuất bản
ở Phần Lan dựa trên những kinh nghiệm nghiên cứu từ những năm 1980 và
các nghiên cứu bởi các tác giả Kujala và Lahtnen (đã thí nghiệm 3.000 mẫu từ
29 hiện trường thi công khác nhau).
Năm 1993, Viện Nghiên cứu liên hợp DJM đã xuất bản bổ sung những
thiết kế mới và hướng dẫn thi công ở Nhật Bản.
Năm 1994, liên doanh BJM đã thông báo rằng có 1.820 dự án hoàn
thành từ trước đến nay với tổng thể tích cọc đất vôi xi măng đạt 12,6 triệu m
3
.
1.4. CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Ở
VIỆT NAM
Vấn đề nghiên cứu gia cố đất yếu ở nước ta được tiến hành từ năm
1958. Năm 1963, mặc dù còn khó khăn về kinh nghiệm thiết kế và thi công
nhưng đã áp dụng phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát lần đầu tiên cho
công trình dân dụng liên hợp 3,4 và 5 tầng N.Q ở Hà Nội. Theo thiết kế, dùng
các cọc cát đường kính 40cm, dài 4,5m, bố trí cách nhau 70cm theo lưới tam


21
giác đều, tổng số cọc là 566 chiếc. Sau khi thi công đã tiến hành khoan lấy
mẫu kiểm tra cho thấy, giá trị khối lượng thể tích, lực dính kết và góc ma sát

trong của đất tăng lên rõ rệt. Sau đó đã tiếp tục áp dụng gia cố bằng cọc cát
cho công trình B19 với đường kính 12cm, dài 2,25m, bố trí dạng tam giác
đều. Thời gian này còn tiếp tục dùng cọc cát gia cố tại một số công trình khác
do Bộ Kiến trúc đảm nhiệm thiết kế thi công.
Đến những năm 1966-1967, phương pháp gia cố đất nông bằng vôi
phục vụ xây dựng đường giao thông trên nền đất yếu vùng đồng bằng Bắc Bộ
phát triển mạnh. Hàng loạt các công trình được gia cố đã đạt được kết quả tốt.
Đoạn đê bao thành phố Nam Định do Bộ Kiến trúc làm năm 1967 với kết cấu
một lớp đã gia cố 9% xỉ vôi (chứa 40% Ca+MgO), tại Hà Nội dùng đất gia có
vôi với hàm lượng từ 8 đến 12% khi cải tạo mở rộng đường Hàng Bột.
Năm 1976, Tổ chức Huynh đệ Việt Nam tại Pháp giúp đỡ xây dựng các
xilô 10.000 tấn chứa ngũ cốc đầu tiên tại Trà Nóc, Cần Thơ, để gia cố nền đất
sét yếu tại đây đã dùng giải pháp giếng cát kết hợp đắp gia tải. Các giếng cát
có đường kính 40cm bổ trí theo lưới tam giác đều, khoảng cách các giếng 3m,
độ sâu 14m. Năm 1977 đã hoàn thành và đưa vào sử dụng.
Từ 1980, Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng kết hợp với Viện Địa kỹ
thuật Thuỵ Điển áp dụng gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - vôi và cọc đất - xi
măng cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp ở một số nơi như
Hà Nội, Hải Phòng, Nam Định và đã đạt được một số kết quả đáng quan tâm.
Trong thời kỳ này, đề tài áp dụng tiến bộ KHKT 26-03-07 "Gia cố nền đất
yếu bằng các phương pháp cọc đất vôi, đất xi măng và cốt thoát nước chế tạo
sẵn" do Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng chủ trì đã nghiên cứu và tiến hành
thực nghiệm tại một số công trình cụ thể như nhà 3 tầng tại 40 Lý Thường
Kiệt, thư viện Kim Mã, Viện Hán Nôm, Uỷ ban nhân dân huyện Thanh Trì,
và một số công trình khác. Liên hiệp các xí nghiệp thi công cơ giới (LICOGI)
nhập máy LSP -3 do hãng Linden - Almak (Thuỵ Điển) sản xuất và được
dùng thi công các cọc đất vôi và đất - xi măng đường kính 50 cm với chiều
sâu 10 m.

22
Trong thời gian khoảng 10 năm, từ 1980 công tác gia cố cải tạo nền đất
yếu gần như không được phát triển. Gần đây, khi nước ta bước vào thời kỳ
công nghiệp hoá, hiện đại hoá, cùng với sự phát triển của các ngành kinh tế,
công tác trong lĩnh vực xây dựng, công tác gia cố nền đất yếu cũng có nhiều
tiến bộ nhờ việc tiếp thu và áp dụng những thành quả khoa học kỹ thuật của
nước ngoài. Hàng loạt các công trình xây dựng dân dụng, đường giao thông,
bể chứa trên vùng đất yếu được áp dụng các biện pháp gia cố đã đem lại
những kết quả tốt.
Công trình nhà 2 tầng hồ Ba Mẫu xây dựng năm 1989 trên nền đất bùn
sét yếu có chiều dài đến 22m, để gia cố nền đã dùng cọc cát – xi măng có
chiều dài 3,5m, đường kính 30 cm, thi công bằng búa rung, khoảng cách cọc
1,0m x1,10m. Độ lún sau 2 năm xây dựng đạt yêu cầu. Đến nay công trình
vẫn sử dụng bình thường. Cũng tại hồ Ba mẫu, khi cải tạo kè bờ trên lớp bùn
yếu đã không thực hiện được do bị trượt 150m dọc bờ hồ. Để thi công phải
gia cố bằng cọc cát - xi măng đường kính 30 cm, chiều sâu gia cố từ 2 đến
3m, khoảng cách cọc 1,0mx1,3m, công trình hoàn thành vào năm 1995 đến
nay vẫn ổn định.
Khi xây dựng đường cao tốc Bắc Thăng Long - Nội bài qua vùng đất
yếu từ km 0+280 đến km 0+730 đã gia cố đất bằng giếng cát, đệm cát vàng
hạt khô đầm chặt đến hệ số rỗng e = 0,65 - 0,67. Bề rộng dải gia cố 40 m, các
giếng cát bố trí theo mạng tam giác đều có cạnh 2m. Sau gia cố, nền đường
được đắp gia tải cao 2m. Tính toán cho thấy sau 2 tháng nền lún 42% và sau 4
tháng đạt 78%.
Việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đồng bằng sông Cửu Long,
nói chung không thuận lợi vì phải xử lý nền đất tốn kém và phức tạp. Tuỳ
thuộc vào bề dày, các đặc trưng cơ lý của đất yếu và hạng mục công trình mà
thường dùng các biện pháp cọc tràm, cọc bê tông hoặc áp dụng các biện pháp
gia cố bằng cọc cát, bấc thấm và vải địa kỹ thuật. Trên tuyến đường 1A từ
thành phố Hồ Chí Minh đi Cần Thơ, tại các đoạn đường đắp vào cầu mới xây

dựng và sử dụng các giếng cát đường kính 400 mm, bố trí theo hình tam giác,


23
khoảng cách giữa các giếng 2,4m với chiều sâu giếng tối đa 16m. Các giếng
cát thường được thi công bằng phương pháp búa rung và nén khí, búa đóng
kết hợp nước nhồi cát các cầu Cai Lậy, An Cư, Huyền Báo, Cái Cam và 2 cầu
Quang Trung, Sáng Trắng tại Cần Thơ).
Đến nay, trong các dự án cải tạo và xây dựng đường giao thông, việc
gia cố nền đất yếu bằng giải pháp giếng cát, bấc thấm… đã trở nên phổ biến,
hàng loạt các công trình cải tạo và mở rộng như quốc lộ 10, quốc lộ 18, quốc
lộ 1A, quốc lộ 51 - đường Láng - Hoà Lạc, … đã áp dụng có hiệu quả.
Để làm nền móng cho các nhà dân dụng và công nghiệp hay các bể
chứa, việc gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - vôi, đất xi măng đã được áp
dụng. Hiện nay một số đơn vị dùng thiết bị máy khoan guồng xoắn của Liên
Xô trước đây để gia cố nền bằng cọc cát và cọc cát xi măng có kết quả tốt.
Công ty Phát triển Kỹ thuật Xây dựng, Công ty Liên doanh về Kỹ thuật Nền
móng Công trình (COFEC), dùng thiết bị của Thuỵ Điển và áp dụng thành
công xử lý nền đất yếu tại đồng bằng sông Cửu Long cho xây dựng móng để
chứa và chống trượt lở các mái dốc ven sông.
Trong công nghệ trộn sâu, trục khoan được thiết kế các cánh cắt đặc
biệt, hoặc bố trí các lỗ phun các chất làm cứng hoá, khi thi công xong tạo ra
các cột xi măng đất (XMĐ) có hình dạng và đặc tính khác nhau. Các chất xử
lý sẽ lấp đầy kẽ hở của đất, cố kết đất, làm tăng cường độ đất, tăng khả năng
chống thấm của đất. Tính chất của vật liệu bê tông đất phụ thuộc vào nhiều
yếu tố như: công nghệ thi công, loại đất, loại xi măng (XM), hàm lượng XM
trong một đơn vị thể tích XMĐ, thiết bị thí nghiệm.
1.5. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Ở VIỆT
NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI
1.5.1 Công trình hồ chứa Đá Bạc

24

Hình 1.1: Thi công cọc xi măng đất chống thấm nền đập

Hình 1.2: Một đoạn tường chống thấm được đào hở để kiểm tra