Một phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng của nền đất yếu gia cố bằng cọc đất xi măng trong xây dựng công trình giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
--------------------------

PHẠM VĂN HUỲNH

MỘT PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT
BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG
TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
--------------------------

PHẠM VĂN HUỲNH

MỘT PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT
BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG
TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 62 58 02 05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGÔ HÀ SƠN

HÀ NỘI - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác giả luận án

Phạm Văn Huỳnh

i


LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS.TSKH. Hà Huy Cương,
PGS.TS. Ngô Hà Sơn đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều chỉ dẫn khoa học giá trị,
đồng thời thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các chuyên gia,
các nhà khoa học trong và ngoài Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi,
thường xuyên giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến để luận án được hoàn thiện

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ giảng viên Bộ môn cầu đường sân bay,
Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Phòng sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ
môn Đường, Khoa Công trình, lãnh đạo trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải
đã tạo điều kiện, giúp đỡ NCS trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia
đình đã luôn động viên khích lệ và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian
thực hiện luận án.
Tác giả luận án

Phạm Văn Huỳnh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................xii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3
5. Nội dung và bố cục của luận án ............................................................................. 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT XI
MĂNG ........................................................................................................................ 5
1.1. Đất yếu và giải pháp xử lý nền đất yếu .............................................................. 5
1.1.1. Đất yếu Việt Nam .............................................................................................. 5

1.1.1.1. Đặc điểm của đất yếu ...................................................................................... 5
1.1.1.2. Phân bố đất yếu ............................................................................................... 7
1.1.2. Giải pháp xử lý đất yếu nền đường ..................................................................... 8
1.1.2.1. Yêu cầu chung của nền đường ô tô - sân bay ................................................... 8
1.1.2.2. Giải pháp xử lý nền đất yếu ............................................................................. 9
1.2. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng .......................................................... 10
1.2.1. Công nghệ và tình hình nghiên cứu áp dụng công nghệ .................................... 10
1.2.1.1. Công nghệ thi công ....................................................................................... 10
1.2.1.2. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ ................................................. 12
1.2.2. Ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau đến tính chất cơ học và cường độ của cọc
đất xi măng ................................................................................................................ 15
iii


1.2.3. Tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay ............................ 19
1.2.3.1. Phương pháp tính như “cọc cứng” ................................................................. 19
1.2.3.2. Phương pháp tính như nền đồng nhất ............................................................ 22
1.2.3.3. Phương pháp tính kết hợp “nền cọc” ............................................................. 25
1.3. Một số vấn đề rút ra từ nghiên cứu tổng quan và hƣớng nghiên cứu tiếp theo .. 31
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA NỀN ĐẤT GIA
CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG ........................................................................... 33
2.1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng .. 33
2.2. Xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất của nền đất gia cố
bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất ............................. 41
2.3. Giải bài toán bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn ........................................ 43
2.4. Khảo sát kiểm nghiệm bài toán ........................................................................ 46
2.5. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đơn đất xi măng ................................................. 48
2.5.1. Ứng suất và độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng............................ 48
2.5.2. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng có chỉ tiêu cơ lý khác nhau ............... 51
2.5.3. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng có kích thước hình học khác nhau .... 53

2.5.4. Một số vấn đề khi lựa chọn chiều dài cọc đất xi măng đảm bảo độ bền ............ 55
2.6. Gia cố nền đất yếu bằng nhóm cọc đất xi măng .............................................. 56
2.6.1. Trường ứng suất và độ bền của hệ nền - nhóm cọc ........................................... 57
2.6.2. Lựa chọn khoảng cách giữa các cọc đất xi măng đảm bảo độ bền .................... 59
2.6.3. Ứng suất và độ bền của hệ nền - nhóm cọc khi mũi cọc đặt trên lớp đất bền hơn .. 61
2.7. Kết quả và bàn luận .......................................................................................... 62
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƢỜNG ĐỘ GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ
BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG .................................................................................. 64
3.1. Xây dựng và giải bài toán xác định cƣờng độ giới hạn của nền đất gia cố bằng
cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất ...................................... 64
3.1.1. Cơ sở xây dựng bài toán ................................................................................... 64
3.1.2. Xây dựng bài toán xác định cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất
xi măng ...................................................................................................................... 69
3.2. Kiểm chứng kết quả lý thuyết - thực nghiệm của bài toán ............................. 71
iv


3.2.1. Khảo sát, đánh giá, lựa chọn kích thước ô lưới sai phân của bài toán xác định
cường độ giới hạn của nền đất tự nhiên ...................................................................... 72
3.2.1.1. Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của số điểm nút lưới sai phân ......................... 72
3.2.1.2. Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của kích thước ô lưới sai phân ........................ 72
3.2.2. Khảo sát và so sánh với lời giải giải tích của Prandtl xác định tải trọng giới hạn
của nền đất tự nhiên không trọng lượng ..................................................................... 75
3.2.3. Khảo sát và so sánh với bài toán xác định tải trọng giới hạn đàn dẻo của nền đất .. 76
3.2.4. Khảo sát, đánh giá bài toán xác định tải trọng giới hạn của nền đất gia cố bằng
cọc đơn đất xi măng với một số kết quả thực nghiệm ................................................. 78
3.3. Nghiên cứu đánh giá cƣờng độ giới hạn của nền đất trƣớc và sau khi gia cố
bằng cọc đất xi măng ............................................................................................... 83
3.3.1. Cƣờng độ giới hạn của nền đất tự nhiên ....................................................... 83
3.3.2. Ứng suất, độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng khi đạt trạng thái giới

hạn ............................................................................................................................. 84
3.3.3. Tải trọng giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo các chỉ tiêu cơ
lý và theo kích thước hình học của cọc đất xi măng ................................................... 86
3.3.3.1. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có lực dính đơn vị khác nhau .............. 86
3.3.3.2. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có góc ma sát trong khác nhau ............ 87
3.3.3.3. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có kích thước hình học khác nhau ....... 88
3.4. Kết quả và bàn luận .......................................................................................... 90
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG
CỌC ĐẤT XI MĂNG .............................................................................................. 91
4.1. Cơ sở xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất
xi măng ..................................................................................................................... 91
4.2. Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi
măng ......................................................................................................................... 93
4.2.1. Nguyên lý cực trị Gauss và xây dựng phương trình xác định chuyển vị của nền
đất theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss ........................................................... 94
4.2.1.1. Nguyên lý cực trị Gauss ................................................................................ 94

v


4.2.1.2. Xây dựng phương trình xác định chuyển vị của nền đất theo phương pháp
nguyên lý cực trị Gauss.............................................................................................. 94
4.2.2. Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của hệ nền - cọc trong nửa mặt phẳng đàn
hồi dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng ................................................................ 97
4.3. Giải bài toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn ......................................... 99
4.4. Kiểm chứng và đánh giá lý thuyết - thực nghiệm .......................................... 104
4.4.1. Kiểm chứng kết quả xác định chuyển vị của bài toán với một số lời giải giải tích 104
4.4.2. Kiểm chứng kết quả xác định chuyển vị (độ lún) của bài toán so với một số kết
quả thí nghiệm hiện trường ...................................................................................... 106
4.4.3. Nhận xét chung .............................................................................................. 110

4.5. Chuyển vị của nền đất trƣớc và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng .......... 110
4.5.1. Chuyển vị của nền đất tự nhiên theo các đặc trưng đàn hồi ............................ 110
4.5.2. Chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đơn đất xi măng ................................. 112
4.5.3. Chuyển vị của nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng .............................. 116
4.5.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc đến chuyển vị (độ lún tức thời) của
bề mặt nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng ................................................... 117
4.5.3.2. Xác định mô đun đàn hồi của nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng .... 118
4.6. Kết quả và bàn luận ........................................................................................ 121
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 122
1. Kết luận .............................................................................................................. 122
2. Hạn chế của luận án ........................................................................................... 123
3. Hƣớng tiếp tục nghiên cứu ................................................................................ 124
4. Kiến nghị ............................................................................................................ 124
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 126

vi


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
As

-

Diện tích đất trong phạm vi gia cố

Ac

-

Diện tích tiết diện cọc đất xi măng gia cố

ac

-

Tỷ lệ diện tích gia cố

A.I.T

-

Viện Công nghệ Châu Á

b

-

Bề rộng đặt tải

ca

-

Lực dính đơn vi giữa cọc và đất xung quanh cọc

cs

-

Lực dính đơn vị của đất nền

cc

-

Lực dính đơn vị của vật liệu cọc đất xi măng

cus

-

Độ bền cắt không thoát nước của đất sét yếu

Cọc, trụ

-

Cọc đất xi măng, trụ đất xi măng

Dc

-

Đường kính cọc đất xi măng

Df

-

Chiều sâu mũi cọc tính từ mặt đất

DMM

-

Phương pháp trộn sâu

Eo

-

Mô đun tổng biến dạng của đất nền

Ec

-

Mô đun đàn hồi của cọc đất xi măng

Es

-

Mô đun đàn hồi (biến dạng) nền đất yếu

Etb

-

Mô đun đàn hồi trung bình của hệ nền - cọc

Fs

-

Hệ số ổn định của nền

f(k)

-

Giá trị bền Mohr - Coulomb

fs

-

Lực ma sát đơn vị trên đoạn dài ΔL

-

Mô đun trượt của hệ nền - cọc, của cọc và đất xung

G, Gc, Gs

quanh cọc tương ứng

G, G0

-

Mô đun trượt của hệ cần tính và hệ so sánh

GT, GTVT

-

Giao thông, giao thông vận tải
vii


IP, IL

-

Chỉ số dẻo, độ sệt

i, j

-

Thứ tự hàng, cột trong lưới sai phân

k

-

Hệ số thấm của đất nền

KHKT

-

Khoa học kỹ thuật

LL

-

Giới hạn chảy

Lc

-

Chiều dài cọc đất xi măng

m, n

-

Số nút lưới sai phân theo chiều z, chiều x tương ứng

min ηmax

-

Cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất

Nc, Nγ, Nq

-

Hệ số tải trọng giới hạn

n

-

Hệ số tập trung ứng suất

NC

-

Nghiên cứu

nnk

-

Những người khác

p

-

Cường độ tải trọng tác dụng

pgh

-

Cường độ giới hạn, tải trọng giới hạn

PL

-

Giới hạn dẻo

PTHH

-

Phương pháp phần tử hữu hạn

-

Tải trọng giới hạn phá hoại nền, phá hoại cọc đất xi
măng

ptx, ptz

-

Số điểm nút lưới theo chiều x, chiều z

Pgh, Qgh

-

Lực chịu tải giới hạn

qu

-

Cường độ kháng nén nở hông vật liệu đất xi măng

Q p , Qf

-

Lực giới hạn chống mũi cọc, ma sát xung quanh cọc

Qgh, nhom

-

Lực chịu tải giới hạn hệ nền - nhóm cọc

Sgh

-

Độ lún giới hạn cho phép

Sc

-

Khoảng cách từ tim đến tim hai cọc đất xi măng liền kề

Pgh, s , Pgh,c

viii


SPT

-

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn

SPHH

-

Phương pháp sai phân hữu hạn

TTGH1

-

Trạng thái giới hạn 1

TTGH2

-

Trạng thái giới hạn 2

TCVN

-

Tiêu chuẩn Việt Nam

U

-

Chu vi của cọc

u, w, u0, w0

-

Chuyển vị ngang (x) và đứng (z) của hệ cần tính và hệ
so sánh

UCS

-

Thí nghiệm nén nở hông

VN

-

Việt Nam

Z

-

Phiếm hàm Z

za

-

Chiều sâu khu vực tác dụng của nền đường

Δh1, Δh2

-

Độ lún của hệ nền - cọc, độ lún của đất dưới mũi cọc

Δx, Δz

-

Kích thước ô lưới sai phân theo chiều x, chiều z

Δxc , Δxs

-

Kích thước ô lưới cọc, ô lưới đất theo chiều x

θa

-

Góc ma sát giữa đất và cọc

θs, θc

-

Góc ma sát trong của nền đất, của cọc đất xi măng

βi

-

Hệ số phụ thuộc vào sự nở hông của lớp đất i

, s

-

Trọng lượng thể tích của đất nền

c

-

Trọng lượng thể tích của cọc đất xi măng

k

-

Trọng lượng thể tích khô của đất nền

ε

-

Biến dạng tương đối

εx, εz, γxz, ε0x,

-

Biến dạng dãn dài theo chiều x, chiều z và góc trượt

ε0z, γ0xz
v

trong mặt phẳng xz của hệ cần tính và hệ so sánh
-

Tốc độ biến dạng thể tích

ix


θ, θ0

-

Biến dạng thể tích của hệ cần tính và hệ so sánh

δ

-

Biến phân

Ω

-

Hệ cần tính chuyển vị, hệ so sánh

Ω, Ωc, Ωs

-

Miền lấy tích phân của hệ nền - cọc, của cọc, của đất

ν, νs

-

Hệ số Poisson của đất

νc

-

Hệ số Poisson của cọc đất xi măng

ζ, ζ1, ζ2

-

Ứng suất nén, ứng suất chính tương ứng

ζx, ζz

-

Các ứng suất nén theo phương x, phương z

ζh

-

Ứng suất nén lên cọc theo phương nằm ngang

ζ0x , ζ0z, η0xz

-

Các ứng suất của hệ so sánh

η, ηf, ηmax,

-

Ứng suất tiếp, ứng suất tiếp giới hạn, ứng suất tiếp lớn
nhất

ηxz, ηzx

-

Các ứng suất tiếp

x


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1a. Thay đổi ζx, ζz trục tim hệ theo chiều sâu khi được gia cố cọc ................. 49
Bảng 2.1b. Độ bền f(k) theo chiều sâu khi chưa gia cố và khi được gia cố bằng......... 50
cọc đất xi măng (trục tim hệ nền - cọc) ...................................................................... 50
Bảng 2.2. Tỷ lệ tăng ứng suất ζz khi tăng trọng lượng thể tích của cọc đất xi măng ... 52
Bảng 2.3. Độ bền của tim cột đất theo chiều sâu trước và sau khi gia cố với các khoảng
cách đặt cọc Sc khác nhau .......................................................................................... 60
Bảng 3.1. Đánh giá sự thay đổi tải trọng giới hạn của nền đất khi thay đổi Δz ........... 73
Bảng 3.2. Đánh giá sự thay đổi tải trọng giới hạn khi thay đổi kích thước ô lưới Δx c 73
Bảng 3.3. pgh/cs theo góc ma sát trong của nền đất ..................................................... 77

Bảng 3.4. Kết quả tính tải trọng giới hạn theo bài toán và theo công thức thực nghiệm
(gia cố nền bùn sét yếu bằng cọc đất xi măng) ........................................................... 79
Bảng 3.5. Cường độ giới hạn của đất bùn theo chỉ tiêu cơ lý (một số địa phương) ..... 84
Bảng 3.6. Tải trọng giới hạn theo lực dính đơn vị của cọc đất xi măng ...................... 86
Bảng 3.7. Tải trọng giới hạn theo góc ma sát trong của cọc ....................................... 87
Bảng 3.8. Tải trọng giới hạn của cọc đất xi măng theo đường kính của cọc đất xi măng . 88
Bảng 4.1. Bảng tọa độ nút phần tử chữ nhật ............................................................. 100
Bảng 4.2. Thông số thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn đất xi măng tại Hải Phòng ............ 107
Bảng 4.3. Kết quả xác định chuyển vị của cọc đơn số 1 (Hải Phòng) ....................... 108
Bảng 4.4. Thông số thí nghiệm cọc đất xi măng (Sân bay Cần Thơ) ........................ 109
Bảng 4.5. Kết quả xác định chuyển vị của cọc đơn 1C4 (Sân bay Cần Thơ)............. 109
Bảng 4.6. Chuyển vị tại tim mặt của hệ nền - cọc theo Dc, Sc ................................... 118
Bảng 4.7. Chuyển vị tại tim mặt hệ nền - cọc theo áp lực của tải trọng tác dụng ...... 120

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu .......................................... 11
Hình 1.2a. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ nén so với khi chưa gia
cố (SDI=qu xử lý/ qu chưa xử lý) ................................................................................ 16
Hình 1.2b. So sánh ảnh hưởng chất gia cố đến cường độ nén các loại đất ở Thụy Điển .. 16
Hình 1.3a. Ảnh hưởng của thành phần hạt trong đất đến cường độ đất xi măng ......... 18
Hình 1.3b. Ảnh hưởng của vị trí, nguồn gốc đất đến cường độ nền đất gia cố xi măng ... 18
Hình 1.4. Sơ đồ tính lún của hệ nền - cọc ................................................................... 23
Hình 1.5. Quan hệ giả định giữa ứng suất (ζc) và biến dạng (εc) của cọc gia cố.......... 27
Hình 2.1a. Sơ đồ nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng dưới nền đường đắp ............... 33
Hình 2.1b. Các thành phần ứng suất của phân tố đất .................................................. 34
Hình 2.1c. Cường độ nén nở hông trung bình cọc đất xi măng tại một số tỉnh thành VN 36
Hình 2.1d. Cường độ nén nở hông theo chiều sâu của các cọc đất xi măng (Cần Thơ) ... 36

Hình 2.2. Tác dụng ứng suất của phân tố đất ............................................................ 38
Hình 2.3a. Vòng tròn Mohr ứng suất và điều kiện chảy dẻo Mohr - Coulomb ............ 40
Hình 2.3b. Bài toán xác định trạng thái ứng suất của hệ nền gia cố cọc đơn ............... 42
Hình 2.3c. Sơ đồ chia lưới sai phân bài toán hệ nền - cọc đơn.................................... 43
Hình 2.4a. Ứng suất ζz, ηxz của nền đất theo chiều sâu khi kích thước ô lưới Δx c khác
nhau ........................................................................................................................... 46
Hình 2.4b. Ứng suất ζz, ηxz của nền đất theo chiều sâu khi kích thước ô lưới Δz khác
nhau ........................................................................................................................... 46
Hình 2.5. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) ................................................................ 47
Hình 2.6a. Đồ thị ζx, ζz, ηxz, f(k) theo chiều sâu tại trục tim đặt tải nền đất (trục 7) khi
chưa gia cố ................................................................................................................ 48
Hình 2.6b. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của nền đất chưa gia cố ......................... 48
Hình 2.7a. Đồ thị ζx, ζz, ηxz, f(k) tại các điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu .. 49
xii


Hình 2.7b. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - cọc .................................... 49
Hình 2.8a. f(k) tại các điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi cc khác nhau ... 51
Hình 2.8b. f(k) tại các điểm trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi θc khác nhau .... 51
Hình 2.9. Giá trị bền f(k) của điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi cọc có
γc khác nhau ............................................................................................................... 52
Hình 2.10. Đồ thị ứng suất (ζ x, ζz), độ bền f(k) theo chiều sâu của các điểm trên trục
tim hệ nền - cọc khi Dc khác nhau .............................................................................. 53
Hình 2.11a. Ứng suất ζx, ζz, ηxz và f(k) theo chiều sâu tại các điểm trên trục tim hệ nền
- cọc khi Lc khác nhau................................................................................................ 54
Hình 2.11b. Độ bền f(k) theo chiều sâu của các điểm trên trục tim nền đất trước và sau
khi gia cố với bề rộng đặt tải khác nhau ..................................................................... 55
Hình 2.11c. Ảnh hưởng tăng bền của chiều dài cọc theo chiều sâu............................. 56
Hình 2.12. Sơ đồ chia lưới sai phân bài toán hệ nền - nhóm 6 cọc.............................. 57
Hình 2.13. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - nhóm cọc .......................... 58

Hình 2.14. Đồ thị ứng suất, giá trị bền theo chiều sâu của trục 5, 6, 7 ........................ 58
Hình 2.15a. Hệ số tập trung ứng suất nén ζz theo chiều sâu ....................................... 59
Hình 2.15b. Đồ thị độ bền của tim cột đất theo chiều sâu trước và sau khi gia cố với
các khoảng cách đặt cọc Sc khác nhau ........................................................................ 61
Hình 2.16a. Đồ thị ứng suất, giá trị bền theo chiều sâu của trục 5, 6, 7....................... 62
Hình 2.16b. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - nhóm cọc......................... 62
Hình 3.1a. Các vùng tác dụng của khối đất khi chịu tải trọng ..................................... 67
Hình 3.1b. Sơ đồ bài toán phá hoại trượt của Prandtl ................................................. 67
Hình 3.1c. Đồ thị quan hệ giữa pgh của bài toán với tổng số điểm nút lưới (ptx.ptz) ... 72
Hình 3.2a. Đồ thị quan hệ pgh với kích thước ô lưới sai phân ..................................... 74
Hình 3.2b. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất khi Δx c= Δxs= Δz
=0,3m ........................................................................................................................ 74

xiii


Hình 3.2c. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất khi Δxc= Δxs= Δz
=0,4m ........................................................................................................................ 74
Hình 3.3. Đồ thị xác định tải trọng giới hạn của nền đất theo lực dính đơn vị ............ 76
Hình 3.4a. Biến đổi pgh/cs theo góc ma sát trong của đất nền θs.................................. 77
Hình 3.4b. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo giới hạn theo min η max ( θs=10o) 77
Hình 3.4c. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo bài toán giới hạn đàn dẻo (θ s=10o) 77
Hình 3.5. Đồ thị pgh(cc) .............................................................................................. 80
Hình 3.6. Đồ thị xác định đường đồng mức bền và chảy dẻo của hệ nền gia cố cọc ... 82
Hình 3.7. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất tự nhiên ................... 83
Hình 3.8a. Đồ thị ứng suất và f(k) theo chiều sâu ....................................................... 85
Hình 3.8b. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo f(k) hệ nền - cọc ....................... 85
Hình 3.9. Tải trọng giới hạn của hệ nền - cọc thay đổi theo lực dính đơn vị của cọc .. 87
Hình 3.10. Tỷ lệ tăng tải trọng giới hạn nền đất được gia cố so với nền đất chưa gia cố
theo góc ma sát trong của cọc đất xi măng ................................................................. 88

Hình 3.11. Tải trọng giới hạn của cọc đất xi măng thay đổi theo Dc ........................... 89
Hình 3.12a. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với chiều dài cọc đất xi măng ................ 89
Hình 3.12b. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo f(k) của hệ nền - cọc (Lc=5m) . 89
Hình 4.1. Sơ đồ bài toán không gian chịu tác dụng của lực đơn vị đặt bên trong nền đất 92
Hình 4.2. Bài toán hệ cần tính và hệ so sánh trong nửa mặt phẳng đàn hồi ................. 95
Hình 4.3. Bài toán hệ nền - cọc cần tính và hệ so sánh trong nửa mặt phẳng đàn hồi . 98
Hình 4.4. Chia phần tử hệ nền - cọc đơn theo phương pháp PTHH .......................... 100
Hình 4.5. Phần tử chữ nhật 9 nút .............................................................................. 100
Hình 4.6a. Chuyển vị w trên mặt của nền đất theo bài toán và theo lời giải của Mindlin 105
Hình 4.6b. Chuyển vị u trên mặt của nền đất theo bài toán và theo lời giải của Mindlin 105

Hình 4.7. Chuyển vị trên mặt của khối nền đất dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng
đặt trên mặt khối đất (điểm 25) ................................................................................ 106
xiv


Hình 4.8. Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng thí nghiệm ................................................... 107
Hình 4.9. Đồ thị chuyển vị trên mặt tại tim cọc 1 theo tải trọng nén P ...................... 108
Hình 4.10. Đồ thị chuyển vị tại mặt tim cọc 1C4 theo tải trọng nén P ...................... 109
Hình 4.11. Chuyển vị thẳng đứng của các điểm trong nền đất theo chiều sâu ........... 111
Hình 4.12. Chuyển vị tại các điểm bề mặt nền đất theo mô đun đàn hồi của đất nền 112
Hình 4.13. Chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo chiều ngang khi chưa gia cố và
được gia cố bằng cọc có Ec khác nhau (thể hiện cho một nửa khối đất đối xứng) ..... 113
Hình 4.14. Chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo chiều ngang khi chưa gia cố và gia
cố bằng cọc đất xi măng có hệ số nở hông của cọc đất xi măng khác nhau ............... 114
Hình 4.15. Chuyển vị tại tâm điểm đặt lực theo chiều dài cọc Lc ............................. 115
Hình 4.16. Chuyển vị tại tâm điểm đặt lực theo đường kính cọc D c ......................... 115
Hình 4.17. Hệ nền - nhóm cọc đất xi măng .............................................................. 116
Hình 4.18a. Đồ thị chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo Sc .................................. 117
Hình 4.18b. Đồ thị chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo Dc, Sc ............................ 118

Hình 4.19. Đồ thị độ lún tại tim mặt hệ nền - cọc theo áp lực tải trọng tác dụng....... 120

xv


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Quá trình thành tạo nền đất Việt Nam sinh ra nhiều vùng trầm tích đất yếu có bề
dày lớn nhỏ khác nhau trải dài từ Bắc vào Nam. Các vùng này cũng là những khu vực
phát triển kinh tế, nên có nhiều công trình hạ tầng cơ sở như đường sá, sân bay,...v.v
được xây dựng. Theo thống kê chưa đầy đủ, chi phí xây dựng xử lý nền móng công
trình xấp xỉ 30%, một số trường hợp đặc biệt thì chi phí có thể lên tới 40% giá thành
công trình [6], [19].
Trước thực trạng đất yếu thì có nhiều giải pháp xử lý được áp dụng, như bấc thấm,
vải địa kỹ thuật, đệm cát, cọc cát,...v.v. Trong những năm gần đây, xử lý nền đất yếu
bằng công nghệ cọc đất xi măng đã du nhập để thi công các công trình xây dựng, giao
thông ...v.v tại Việt Nam. Mặc dù giải pháp đã được áp dụng trong thời gian dài,
nhưng cả người nghiên cứu và người trực tiếp thiết kế vẫn rất băn khoăn. Thứ nhất là
các tiêu chuẩn áp dụng trong nước còn thiếu (đặc biệt cho xử lý đất yếu nền đường ô
tô, sân bay) hoặc có nhưng chỉ ở mức chỉ dẫn cơ bản và chủ yếu vẫn dựa vào các
nguồn tài liệu nước ngoài như của các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, ...v.v;
gần đây đã có các công trình nghiên cứu về cọc đất xi măng, song còn ít và chủ yếu
nghiên cứu ở bước đầu. Thứ hai là khi tính toán cọc đất xi măng, thì vấn đề quan tâm
là đánh giá ổn định về sức chịu tải và độ lún của nền đất khi được gia cố, nhưng hiện
nay đưa ra khá nhiều cách tính khác nhau:
Chỉ dẫn thiết kế của Châu Âu, Trung Quốc, Nhật Bản,...v.v, tính toán cho hình
thức gia cố cụ thể, áp dụng cho một loại đất yếu nhất định và thông qua thí nghiệm
hoặc từ giả định các mặt trượt, hoặc từ kinh nghiệm để xác định các giá trị giới hạn.
TCVN 9403 - 2012 - "Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp trụ đất xi măng”, cho
rằng cường độ kháng cắt của cọc đất xi măng được xác định thông qua thí nghiệm nén

ngang thành hố khoan, còn giới hạn sử dụng được xác định từ thí nghiệm nén tĩnh cọc
đơn khi độ lún lớn nhất đạt 10% đường kính cọc hoặc thông qua chất tải trọng thật tổ
hợp cọc [11]. Tải trọng thiết kế được lấy theo giá trị nhỏ nhất của giới hạn trên chia
cho hệ số an toàn. Nhìn chung, các tính toán thiết kế chủ yếu vẫn là tham khảo các chỉ
dẫn thiết kế của nước ngoài và dựa vào thực nghiệm, kinh nghiệm. Tuy nhiên, khi áp
dụng các công thức thực nghiệm để tính toán xử lý nền đất yếu Việt Nam gặp những
hạn chế: (1) Nhiều thí nghiệm rất khó xác định, như thí nghiệm xuyên, thí nghiệm nén
ngang thành hố khoan, …v.v, vì vậy hiện nay chủ yếu vẫn sử dụng thí nghiệm nén dọc
trục (trong phòng hoặc hiện trường) để xác định giá trị giới hạn. Giá trị này cũng rất
1


phân tán và không phải lúc nào cũng thực hiện được, đặc biệt là với những dự án nhỏ
và trong điều kiện kinh tế khó khăn của Việt Nam; (2) Chưa chỉ rõ sự phân bố ứng
suất trong cọc và đất yếu xung quanh cọc theo tải trọng thiết kế, chỉ xác định được ứng
suất trung bình khi chấp nhận công thức quy đổi bằng cách đưa hệ nền - cọc về nền
đồng nhất (phương pháp nền - được trình bày trong chương 1), đặc biệt là chưa phân
tích rõ cơ chế thay đổi ứng suất, độ bền khi đạt đến giới hạn. Hơn nữa, từ nghiên cứu
của Viện Khoa học Thủy lợi và nnk cho rằng khi áp dụng công thức xác định sức chịu
tải của Trung Quốc trong điều kiện xử lý nền đất yếu của Việt Nam cho kết quả có sai
số rất lớn so với kết quả hiện trường [17], [19]; (3) mô đun biến dạng của vật liệu đưa
ra cũng rất khác nhau trong tính toán chuyển vị, mặt khác do tính chất đất ở mỗi vùng
và mỗi đất nước là khác nhau nên không thể lấy công thức thực nghiệm của nước
ngoài áp dụng vào Việt Nam.
Tóm lại, tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay tại Việt Nam,
sẽ là chưa đủ nếu chỉ dựa vào thực nghiệm hoặc các công thức kinh nghiệm của nước
ngoài, mà phải có các nghiên cứu lý thuyết đánh giá diễn biến của cả quá trình thay đổi
ứng suất, độ bền đến giới hạn, giúp cho quá trình tính toán đơn giản hơn và không phải
đưa ra nhiều giả thiết giả định. Chính vì vậy, luận án đặt vấn đề nghiên cứu xây dựng
bài toán xác định ứng suất, chuyển vị (độ lún) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi

măng. Bài toán xây dựng góp phần bổ sung vào các tài liệu, các tiêu chuẩn hiện hành
để tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay, hơn thế nữa nó giúp
người kỹ sư dễ dàng hơn để thiết kế xử lý nền đất yếu, đó chính là tính cấp thiết của đề
tài cần phải nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng mô hình bài toán lý thuyết sát thực tiễn để xác định trạng thái ứng suất,
ứng suất giới hạn và chuyển vị (độ lún) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng.
Áp dụng mô hình bài toán để nghiên cứu, đánh giá diễn biến thay đổi trạng thái
ứng suất - độ bền và biến dạng của nền đất trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi
măng, góp phần phát triển mở rộng NC sâu về cọc đất xi măng, đồng thời giúp người
kỹ sư dễ dàng thiết kế xử lý đất yếu nền đường bằng cọc đất xi măng đảm bảo yêu cầu
độ bền trượt và độ lún cho phép.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng chịu tác dụng của tải
trọng thẳng đứng.
2


Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và biến
dạng (chuyển vị) của nền hỗn hợp (nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng) dưới nền
đường đắp.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực tiễn gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng kết hợp với lý
thuyết cơ học đất, phương pháp nguyên lý cực trị Gauss để xây dựng bài toán xác định
trạng thái ứng suất - biến dạng của hệ nền gia cố. Sử dụng các phương pháp SPHH,
phương pháp PTHH và lập trình Matlab để giải. Kết quả bài toán được kiểm chứng độ
tin cậy theo các lời giải giải tích truyền thống và theo kết quả thí nghiệm hiện trường.
Thông qua khảo sát số để tìm mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý của bài toán.
5. Nội dung và bố cục của luận án
- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan về gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng
Luận án trình bày đặc điểm, phân bố đất yếu ở Việt Nam và các biện pháp chung
xử lý nền đất yếu hiện nay. Phần tiếp theo, trình bày phương pháp gia cố nền đất yếu
bằng cọc đất xi măng: phân tích công nghệ trộn sâu, tình hình nghiên cứu phát triển
công nghệ này trên thế giới và tại Việt Nam, quá trình hình thành cọc đất xi măng. Đặc
biệt, luận án đi sâu tìm hiểu các nghiên cứu tính toán về cọc đất xi măng trong và
ngoài nước, như các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, ...v.v và chỉ ra những ưu
điểm cũng như những tồn tại của từng quan điểm tính, trên cơ sở đó đưa ra vấn đề phải
nghiên cứu là xây dựng bài toán xác định trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và
chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng;
Để nghiên cứu bài toán ứng suất - biến dạng của hệ nền gia cố, cần đi từ cơ sở lý
thuyết của bài toán cơ học đất, vì vậy đưa điều kiện bổ sung cực tiểu của ứng suất tiếp
lớn nhất (viết tắt min ηmax) của các điểm trong nền đất kết hợp với điều kiện phân tích
giới hạn giúp xác định được ứng suất cũng như ứng suất giới hạn phản ánh sát điều
kiện làm việc của đất hơn, và đây cũng chính là cơ sở để xây dựng bài toán xác định
ứng suất độ bền của hệ nền - cọc.
Tóm lại, toàn bộ nội dung chương 1 chỉ rõ tính cấp thiết nghiên cứu bài toán gia
cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng và xây dựng phương pháp nghiên cứu tiếp theo.
- Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi
măng
Nghiên cứu cơ sở thực tiễn và lý thuyết xác định trạng thái ứng suất của nền đất
3


gia cố theo min ηmax. Trên cơ sở đó, xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng
suất, độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng. Kiểm chứng bài toán xây dựng
và vận dụng bài toán để khảo sát sự thay đổi ứng suất, độ bền của nền đất trước và sau
khi gia cố bằng cọc đất xi măng, từ đó tìm được quy luật thay đổi ứng suất - độ bền cắt
của hệ theo các chỉ tiêu cơ lý, theo kích thước cọc đơn (nhóm cọc), …v.v, giúp lựa
chọn được kích thước cọc, khoảng cách giữa các cọc, …v.v đảm bảo độ bền cắt khi

gia cố nền đường công trình giao thông.
- Chương 3: Nghiên cứu cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi
măng
Phân tích cơ sở lý thuyết và thực tiễn xác định cường độ giới hạn của nền đất hiện
nay, từ đó xem nền gia cố là vật liệu đàn dẻo lý tưởng thỏa mãn điều kiện chảy dẻo
Mohr-Coulomb thì thông qua phương pháp phân tích giới hạn và lý thuyết phân tích
trượt cắt min ηmax của các điểm trong nền đất để xây dựng bài toán xác định cường độ
giới hạn trực tiếp (tải trọng giới hạn) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng; sau đó
kiểm nghiệm bài toán theo lời giải giải tích, theo công thức thực nghiệm và các kết quả
thí nghiệm hiện trường. Vận dụng để nghiên cứu đánh giá cường độ giới hạn của nền
đất trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng.
- Chương 4: Nghiên cứu chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng
Trình bày các cơ sở lý thuyết và thực tiễn xác định chuyển vị (độ lún), vận dụng
phương pháp nguyên lý cực trị Gauss để xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền
đất gia cố bằng cọc đất xi măng. Đánh giá kết quả bài toán xây dựng dựa vào các lời
giải giải tích và các kết quả thí nghiệm tại hiện trường xây dựng. Vận dụng bài toán để
đánh giá tỷ lệ giảm độ lún tức thời bề mặt nền khi gia cố, tìm được quy luật thay đổi
độ lún bề mặt của nền gia cố theo các thông số đàn hồi, theo kích thước cọc gia cố,
…v.v, từ đó chọn được kích thước và khoảng cách đặt cọc hợp lý.
- Kết luận và kiến nghị
- Danh mục các công trình khoa học đã công bố
Liệt kê 6 bài báo được đăng trên Tạp chí Cầu đường Việt Nam và Tạp chí GTVT.
- Tài liệu tham khảo
Liệt kê 54 tài liệu tiếng Việt, 10 tài liệu tiếng Anh, 1 tài liệu tiếng Nga để hoàn
thành luận án.
- Phụ lục: Gồm 14 phụ lục trình bày các chương trình tính toán, các bảng biểu tính
chất cơ lý của đất và các số liệu kết quả thí nghiệm hiện trường trong khuôn khổ luận
án.
4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG
1.1. Đất yếu và giải pháp xử lý nền đất yếu
1.1.1. Đất yếu Việt Nam
1.1.1.1. Đặc điểm của đất yếu
Đất yếu được hình thành từ trầm tích sông (lòng sông, bãi bồi, tam giác châu),
trầm tích bờ, vũng vịnh và đều thuộc trầm tích hệ Thứ Tư với chiều dày lớp đất thay
đổi theo vùng thổ nhưỡng từ một vài mét đến hàng chục mét.
Do ảnh hưởng của thành phần vật chất, các điều kiện hình thành theo vị trí địa lý,
địa chất, địa hình nên tồn tại nhiều loại đất yếu khác nhau như bùn, than bùn, bùn pha,
đất hữu cơ, đất sét yếu và cát nhỏ bão hòa ...v.v. Các loại đất yếu này có khả năng chịu
lực thấp, sức chống cắt nhỏ không đáng kể nhưng nó thường được tăng lên theo chiều
sâu, hầu như bão hòa nước, tính thấm nước kém và thay đổi khi biến dạng, có tính nén
lún lớn, ...v.v [14], [38], [50]. Thực tế xây dựng, thường gặp các loại đất yếu là bùn và
sét yếu. Để cải tạo xử lý các loại đất này, phải nắm vững các đặc tính địa kỹ thuật,
ngoài ra cần đặc biệt chú ý đến các tác động làm thay đổi các chỉ tiêu cơ học của đất.
Các loại bùn
Bùn là trầm tích giai đoạn đầu của quá trình hình thành các loại đất sét, được tạo
thành trong nước có sự tham gia của các vi sinh vật gồm các hạt rất mịn đường kính
nhỏ hơn 200ϻm, trong đó tỷ lệ phần trăm các hạt đường kính nhỏ hơn 2ϻm cao, bản
chất khoáng vật thay đổi và thường có cấu trúc dạng tổ ong [32], [45], [46], [50].
Thành phần hạt bùn có thể coi là á sét, á cát và cũng có thể là cát mịn có chứa một
hàm lượng hữu cơ nhất định từ 10  20% (trường hợp than bùn có thể chứa trên 50%
khối lượng các vật chất hữu cơ). Cường độ của bùn rất nhỏ, biến dạng lớn, mô đun
biến dạng bùn sét từ 100 - 500kPa; với bùn á sét 1000  2500kPa, hệ số nén lún nhỏ
hơn 0,03(kPa)-1. Tính chất cơ học của bùn một số tỉnh thành Việt Nam xem phụ lục
1.1 [32], [50].
Với các loại bùn nói chung, độ bền cắt (góc ma sát trong, lực dính đơn vị) rất nhỏ
nên ít được phát huy trong khả năng chống cắt của đất, vì vậy khi chịu tác dụng của tải

trọng rất nhỏ thì liên kết kiến trúc đã bị phá hủy (trường hợp tác dụng lực rất nhỏ chưa

5


làm phá vỡ liên kết kiến trúc thì độ bền của bùn do lực dính quyết định mà không phụ
thuộc vào độ ẩm của đất).
Góc ma sát trong của bùn rất nhỏ, đôi khi bằng không. Khi thoát nước do xử lý
nền đất (tải trọng pháp tuyến tác dụng chậm) làm tăng góc ma sát trong của đất, từ đó
tăng được sức chống cắt của đất; trường hợp tải trọng tác dụng nhanh (không kịp thoát
nước trong đất) hoặc tải trọng đến giới hạn gây ra áp lực thủy động lớn trong đất làm
cho bùn bị nén chặt xung quanh, biến đổi thể tích và tạo độ lún khá lớn [45], [50].
Các loại sét yếu
Đất sét yếu là các loại sét hoặc á sét bão hoà nước, có cường độ cao hơn so với
bùn, chỉ số dẻo lớn hơn 17% và độ sệt từ 0,5  0,8. Đất chủ yếu gồm các hạt nhỏ như
thạch anh, felspat và các khoáng vật sét (các silicat alumin có thể chứa các ion Mg, K,
Ca, Na, Fe và được chia ba loại chính là ilit, kaolinit và monmorilonit, đây là các
khoáng vật tạo ra đặc tính riêng của đất sét). Các chỉ tiêu cơ học của đất sét yếu ở một
số tỉnh thành Việt Nam xem phụ lục 1.2 [32], [50].
Theo K.K. Gedroytx [38], các hạt sét có khả năng đặc biệt là hấp thụ (hút từ môi
trường xung quanh và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau như cứng, lỏng,
hơi, những ion, phân tử và các hạt keo). Chính vì khả năng đó, nên nó có thể kết hợp
với các loại khoáng khác để tạo các vật liệu mới, hoặc dùng để giải thích nhiều hiện
tượng và tính chất của đất.
Một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét là tính dẻo, với tính chất này làm
cho đất sét thể hiện sự lưu động của nó ở một độ ẩm nào đó dưới tác dụng của ngoại
lực. Có thể nói, mức độ biến dạng đất sét chiếm vị trí trung gian giữa thể cứng và thể
lỏng hoặc chảy nhớt [50].
Độ bền kiến trúc của sét yếu có ý nghĩa quan trọng để đánh giá độ bền của đất.
Khi cường độ tải trọng chưa vượt quá độ bền kiến trúc (với sét yếu độ bền này là 20 †

30kPa) thì đất chưa bị nén và đất chỉ thể hiện tính đàn hồi; khi cường độ tải trọng vượt
quá độ bền này thì bắt đầu xảy ra biến dạng dẻo dư phát triển tương đối nhanh đi kèm
theo sau biến dạng thuận nghịch.
Như vậy, đất yếu Việt Nam rất đa dạng, ngoài những đặc điểm chung là khả năng
chịu lực kém, biến dạng lớn, ...v.v thì đặc biệt lưu ý đến một số tính chất khi cải tạo
đất, như tính chất khoáng vật thay đổi (đặc biệt là khoáng vật sét), mức độ thấm nước,
khả năng hấp thụ, ...v.v.
6


1.1.1.2. Phân bố đất yếu
Trải dài từ Bắc vào Nam, nền đất yếu Việt Nam được phân bố thành các vùng,
miền như sau:
Đồng bằng Bắc Bộ
Theo V.M.Fritlan [45], địa tầng có chiều dày lớn từ vài mét đến hơn trăm mét, đặc
biệt là các vùng châu thổ ven biển trầm tích có chiều dày lớn nhất. Vị trí của đất đá ở
sâu, nông ảnh hưởng đến chiều dày của tầng trầm tích này, chẳng hạn vùng đồng bằng
Thái Bình tầng trầm tích mỏng hơn so với vùng đồng bằng sông Hồng [50]. Theo đánh
giá chung của các nhà địa chất, trầm tích vùng này cấu tạo từ 2 tầng: tầng dưới hạt thô
(cuội, sỏi lẫn cát thô, cát vừa hay cát nhỏ, cát pha sét), tầng trên hạt mịn (sét, sét pha
cát, bùn và than bùn) và như vậy lớp đất yếu phân bố khắp nơi chủ yếu là bùn và than
bùn [38], [45], [50].
Đồng bằng ven biển miền Trung
Vùng đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình, trầm tích thường thấy ở vùng thung
lũng các sông. Do chịu tác động của vận động kiến tạo hạ xuống hoặc nâng lên, nên
các trầm tích ở đây cũng rất đa dạng, như loại bồi tích tam giác châu, loại bồi tụ ven
biển, ...v.v. Các khu vực mài mòn xen kẽ hay sông suối ngắn và dốc, chính vì vậy mà
trầm tích vùng này không dày so với vùng đồng bằng Bắc Bộ.
Đất yếu trầm tích là các loại bùn hoặc cát nhỏ bão hoà rời rạc, số lượng các lớp đất
yếu thường không quá 3 lớp, chiều dày tầng đất yếu không quá 20m, đáy lớp thường là

đá magma hay đá biến chất [45].
Đồng bằng Sông Cửu Long và Nam Bộ
Khu vực đồng bằng sông Cửu Long:vùng châu thổ của hệ thống sông Mê Kông
chảy vào nước ta là vùng phân bố các trầm tích mềm yếu có bề dày lớn.Trầm tích cũng
rất đa dạng, như trầm tích nguồn gốc biển, nguồn gốc đầm lầy, hỗn hợp sông biển,
...v.v. Tùy theo từng vùng mà đặc tính cơ học của đất yếu khác nhau, thường được
phân thành 2 lớp hoặc 3 lớp, đất yếu chủ yếu là sét mềm yếu, bùn sét, bùn pha sét, cát
bão hòa nước, ...v.v, bề dày trung bình từ 15 † 20m [45], [50].
Khu vực Nam Bộ:thuộc đồng bằng bồi tích với nguồn gốc sông, đầm lầy, sông
biển, vũng vịnh hỗn hợp. Tầng trầm tích biến đổi khá lớn và phức tạp, chiều dày một
vài mét đến trăm mét tùy vào từng khu vực, trong đó loại trầm tích phù sa cổ
Pleistocen thường chịu lực tốt (gồm sét, á sét, cát mịn), loại bồi tích trẻ - đất yếu (chủ
7


yếu là đất bùn sét, bùn sét hữu cơ bão hoà, ...v.v) có chiều dày 8 † 35m, tập trung ở
đồng bằng phía Nam [50].
Nhận xét chung:
Do thành tạo, tạo ra nhiều vùng đất yếu khác nhau trải dài từ Bắc vào Nam. Trong
đó tương đối phổ biến loại đất yếu là bùn sét, sét yếu, ...v.v. Các loại đất yếu này có
chiều dày khá lớn, có khả năng thấm nước rất kém, có tính dẻo, tính hấp thụ và dễ kết
hợp với các vật liệu kết dính khác.
Các loại đất yếu nói chung thường được phân bố, hay tập trung ở những khu vực
xây dựng hạ tầng (đường ô tô, sân bay, ...v.v), nên cần phải được xử lý bằng nhiều giải
pháp khác nhau.
1.1.2. Giải pháp xử lý đất yếu nền đƣờng
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay đã và đang áp dụng nhiều phương pháp cải
tạo đất yếu khác nhau, qua thử nghiệm và ứng dụng thực tiễn cho thấy, các phương
pháp cải tạo có tác dụng làm tăng độ bền của đất, giảm độ lún tổng cộng và độ lún
lệch, rút gắn thời gian thi công, giảm chi phí xây dựng và các hiệu quả khác [6], [10],

[19], [25]. Đối với xử lý đất yếu nền đường công trình giao thông, bên cạnh nắm vững
các đặc tính địa kỹ thuật của nền đất yếu, để đưa ra các giải pháp xử lý cụ thể, phải xác
định được các yêu cầu kỹ thuật của nền đường.
1.1.2.1. Yêu cầu chung của nền đƣờng ô tô - sân bay
Khi xây dựng đường ô tô - sân bay, thường phải cố gắng tránh để không đi qua các
khu vực đất yếu. Trường hợp bắt buộc đi qua thì phải có biện pháp xử lý nền đất yếu,
đảm bảo các yêu cầu:
Ổn định về mặt cường độ chịu lực
Trong khu vực tác dụng của nền đường (za), nội lực do tải trọng tính toán gây ra
không vượt quá nội lực cho phép của vật liệu nền đường và phải thỏa mãn điều kiện
ổn định tổng thể, ổn định với nước. Chiều sâu khu vực tác dụng được xác định từ điều
kiện ứng suất do tải trọng hoạt tải lớn hơn 1/10 ứng suất do tải trọng bản thân nền đất
và áo đường tại độ sâu đó [27], đối với đường ô tô za=1,5m [14], [25], [47], với đường
sân bay za=5†6m tùy theo loại máy bay khai thác [16], [22], [25].
Ổn định về lún (biến dạng)
Độ lún do tải trọng gây ra không vượt quá độ lún cho phép ổn định của nền
đường, giảm độ lún lệch, độ lún theo thời gian và độ lún từ biến.
8