Mô hình thí nghiệm cọc đá Balat trên đất yếu trong phòng thí nghiệm: Phương pháp thay thế

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CỌC ĐÁ BALAT TRÊN ĐẤT YẾU
TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM: PHƯƠNG PHÁP THAY THẾ
PHAN VÕ THU PHONG*

Simulation in laboratory for installation of stone columns in soft
soils : substitution method
Abstract - This article concerns the consolidation process of clay
(kaolin) reinforced by ballast stone columns. Research work is based on
laboratory experiments and mainly derived from the reduced
reinforcement model of rock pile. The role of soil reinforcentnt with
ballast pile by "substitution method" will be clairi fied at the same time
taking into account of the influence of pile diameter in the
implementation process on the settlement of the land after reinforcement.
Keywords: Reinforcement, stone column, method of construction,
compaction.
1. LỜI NÓI ĐẦU *
Việc áp dụng các giải pháp gia cố nền đất
yếu đã được phổ biến rộng rãi ở Việt Nam,
tuy nhiên giải pháp gia cố đất yếu bằng cọc
đá balat chưa được đề cập nhiều. Kỹ thuật
này được áp dụng đầu tiên ở Đức năm 1936,
sau đó xây được cải tiến và sử dụng nhiều
cho những công trình xây dựng trên đất sét
yếu ở các nước châu Âu cũng như ở Mỹ. Khi
ứng dụng giải pháp gia cố này, nền đất yếu
được cải thiện bởi hai yếu tố: thứ nhất là từ
vật liệu gia cố do chúng có những tính chất
tốt hơn đất được gia cố, thứ hai là từ sự nén
chặt của vùng đất xung quanh cọc do
phương pháp chế tạo và do việc đầm nén vật
liệu gia cố trong quá trình thi công. Chủ đề

này cũng đã được nhiều nhà khoa học làm
rõ bằng phương pháp phần tử hữu hạn, tức
là việc xét đến sự nở hông của cọc khi thực
hiện cọc gia cố dựa trên mô hình ứng xử của
đất được gia cố (Rangeard và nnk, 2005;
Flaviny và nnk, 2006…).
*

Trường Đại học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia
thành phố Hồ Chí Minh


ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015

Bài báo xem xét chủ yếu ảnh hưởng của
phương pháp thi công và đường kính cọc đơn
đến quá trình cố kết của đất yếu sau khi gia cố
bằng cọc đá balat. Để đơn giản và thuận tiện
cho việc thực hiện, đồng thời để tránh sự
biến đổi tính chất tự nhiên của mẫu đất gia cố,
chúng tôi làm việc trên mẫu đất được chế bị tại
phòng thí nghiệm từ một loại đất sét đồng nhất
với những đặc tính được xác định rõ ràng, đó là
cao lanh. Những cọc cát áp dụng trong nghiên
cứu này được chế bị theo phương pháp thay
thế không đầm nén.
Nhiều đề tài đã nghiên cứu về ứng xử của
cọc đá balat ở phòng thí nghiệm xét trên các
mô hình thu nhỏ là khối đất yếu và cọc cát.
Chúng ta có thể kể ra ở đây những công trình

nghiên cứu của Sivakumar và nnk (2004);
Black và nnk (2006) hoặc Ammar và nnk
(2009)... Tuy nhiên, các nhà khoa học này chỉ
quan tâm đến vai trò của đường kính và chiều
sâu cọc lên hiệu quả của việc gia cố đất mà
chưa xem xét đến ảnh hưởng của phương
pháp thi công.
Trong khuôn khổ của công việc này, chúng
tôi cũng quan tâm đến việc chế tạo cọc sao cho
thật sát với quy trình thực hiện thi công cọc đá
49


balat ở công trường. Thật vậy, những cọc cát
thực hiện trong phòng được chế tạo từ một bộ
thiết bị cho phép thực hiện một hố khoan, sau
đó thay thế đất yếu bởi vật liệu gia cố cọc bằng
cách đổ vật liệu gia cố vào hố khoan mà không
đầm nén (do đó được gọi là phương thay thế
không đầm nén). Trong quá trình thực hiện,
nhiều cọc cát cũng đã được chế tạo với những
đường kính hố khoan khác nhau. Sau đó,
những khối đất gia cố này (nghĩa là mẫu đất thí
nghiệm có chứa một cọc cát) được đặt dưới
cùng một tải trọng phân bố đều để tiến hành
cố kết nhằm đánh giá ảnh hưởng của đường
kính cọc gia cố và phương pháp chế tạo lên
ứng xử của hỗn hợp đất và cọc.
2. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM
Cát được sử dụng cho mô hình này là cát tự

nhiên lấy từ sông Loire ở Pháp. Sau đó cát
được rây sàng và rửa sạch. Để vật liệu được
đồng nhất, có xét đến khối lượng cát sử dụng
chế tạo cọc là nhỏ và vật liệu này đảm nhiệm
vai trò màng lọc nước trong quá trình cố kết
(Degoutte và nnk, 2005), chúng tôi sử dụng cát
có thành phần hạt trong khoảng từ 1,00 mm đến
1,25 mm.
Đất sử dụng trong nghiên cứu này là cao lanh
công nghiệp ở dạng bột khô. Các giá trị về giới
hạn chảy wl và giới hạn dẻo wp của chúng cũng
được xác định theo tiêu chuẩn của Pháp (NF P
94-051) và có giá trị lần lượt là 55 % và 39 %.
Các mẫu đất nghiên cứu ở đây được cố kết
trước một phần từ cao lanh công nghiệp khi
trộn lẫn chúng với nước theo hàm lượng bằng
hai lần giới hạn chảy. Tức là cao lanh sẽ được
làm ẩm và bảo quản trong một bao kín không
rò sau 24 giờ để việc làm ẩm thật sự đồng
đều. Sau đó, chúng ta sẽ đổ hỗn hợp cao lanh
ẩm vào trong khuôn cứng hình trụ được làm
bằng gang có đường kính là 150 mm và chiều
cao là 200 mm, tiếp đến là đặt mẫu dưới tác
dụng của lực phân bố đều có cường độ tăng
dần cho đến khi đạt được một áp lực là 50 kPa
(hình 1).
50

Hình 1. Mẫu đất nghiên cứu
Mỗi cấp áp lực cần được duy trì trong một

thời gian đủ dài cho đến khi độ lún của mẫu ổn
định (vượt qua gia đoạn cố kết thứ nhất). Trạng
thái đạt được ở cấp tải cuối cùng (50 kPa) gọi là
tình trạng ban đầu của mẫu đất nghiên cứu và đó
cũng chính là mẫu tham chiếu để tiến hành chế tạo
những cọc cát gia cố.
Dựa vào các thí nghiệm cổ điển ở phòng thí
nghiệm (thí nghiệm nén cố kết (XP P 94-090-1),
thí nghiệm nén ba trục (NF P 94-074)), những
đặc trưng cơ lý của mẫu đất cũng được xác định.
Các mẫu dùng để làm thí nghiệm được trích
từ mẫu đất nghiên cứu ban đầu chứa trong
khuôn bằng các dụng cụ chuyên dụng. Những
giá trị về cơ lý của đất được thể hiện chi tiết
trong tài liệu tham khảo [11] và được tóm lược
trong bảng 1.
Bảng 1. Đặc trƣng cơ lý mẫu đất nghiên cứu

Chỉ số Chỉ số
nén
nở
Cc
0,5

Cs
0,1

Áp lực
Lực
tiền cố dính hữu

kết
hiệu
ı’p (kPa) c' (kPa)
50
0

Góc
ma sát
hữu
hiệu
φ’ (độ)
21

3. MÔ HÌNH CHẾ TẠO CỌC ĐÁ BALAT
Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM THEO PHƢƠNG
PHÁP THAY THẾ KHÔNG ĐẦM NÉN
Mô hình chế tạo những cọc cát trong phòng
thí nghiệm từ những mẫu đất ban đầu đã chuẩn
bị ở mục §2 nhằm để mô phỏng các điều kiện khi
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015


áp dụng phương pháp thi công cọc đá balat ở
ngoài thực tế. Chính xác hơn là sẽ mô phỏng lại
sự thay thế đất yếu bằng đất gia cố tốt hơn dưới
tác dụng của áp lực cố kết.
Dụng cụ được sử dụng để chế tạo cọc cát
chủ yếu bao gồm một bộ ống inox có đường
kính trong (Φo) từ 10 mm đến 25 mm, bề dày
của ống là 0,12 mm. Các giai đoạn chế tạo cọc

cát theo phương thay thế không có đầm nén
được thực hiện một cách tuần tự như sau:
- Bước 1: một thiết bị dẫn hướng được lắp
đặt cố định lên khuôn mẫu, thiết bị này được
liên kết với tấm đệm cứng hình vành khăn đặt
lên bề mặt cao lanh thông qua các bulông
để giữ cố định khối đất trong quá trình chế
tạo cọc cát. Ống inox (đầu mở) được đóng
vào trong khối cao lanh đến sát đáy khuôn
(hình 2a).
- Bước 2: cao lanh được trích ra bởi một
lưỡi khoan có đường kính bằng đường kính
trong của ống inox (hình 2b).
- Bước 3: một khối lượng cát được rót vào
để tạo thành một lớp có chiều cao hlớp, với giả
định dung trọng cát sau khi rơi tự do trong ống
inox là 1,5 t/m3 (hình 2c).
- Bước 4: một pít-tông bằng nhôm có đường
kính tương tự với mũi khoan được đưa vào tiếp
xúc với bề mặt lớp cát và được cố định bằng
thanh giữ (hình 2d).
- Bước 5: ống inox được nâng lên một đoạn
bằng chiều cao hlớp (hình 2e).
- Bước 6: lớp cát này được nén nhẹ dưới
trọng lượng của pít-tông (3 N) (hình 2f).
Các bước từ 3 đến 6 được lặp đi lặp lại cho
đến khi cột cát được hình thành, nghĩa là chiều
cao cột cát bằng với chiều cao của khối đất
(hình 2g).
- Bước 7: bề mặt của khối đất gia cố được

bao phủ bởi một lớp cát dày 15 mm (hình 2h).
- Bước 8: cột cát được đổ đầy nước và bão
hòa ít nhất 24 giờ trước khi đặt tải (hình 2i).
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015

Hình 2. Quy trunh chế tạo cọc cát theo
«phương pháp tha thếª không đầm nén
Trong trường hợp này, lực đầm nén truyền
lên vật liệu gia cố rất bé và do đó lực tác dụng lên
đất xung quanh cọc cũng rất bé. Với mục đích
phân tích ảnh hưởng của đường kính cọc gia cố lên
đặc tính của hỗn hợp đất/cọc sau khi gia cố dưới
một áp lực cố kết, nhiều cọc cát với những
đường kính khác nhau từ 14 mm đến 28 mm đã
được thực hiện bằng phương pháp này.
Việc theo dõi độ lún của mỗi lớp gia cố trong
quá trình chế tạo nhờ vào đồng hồ đo chuyển vị
cho phép tính độ lún trung bình (htb) trên toàn
bộ chiều cao cọc cát (ho). Sau đó xét biến dạng
thẳng đứng trung bình (tb) của mỗi lớp gia cố
trong lúc chế tạo cọc:
51


εtb = ¨htb / hlớp
(1)
Kết quả tính toán được tổng hợp trong bảng 2.
Bảng 2. Bảng tổng hợp độ lún và biến dạng
thẳng đứng trung bình của mỗi lớp gia cố
Mẫu

I

II

III

IV

V

Фo
(mm)
F (N)
ıđn (kPa)
hlớp
(mm)
Δhtb
(mm)
tb(%)

11,9

13,8

15,8

20,1

25,1

3
28
18,4

3
21
22,7

3
16
24,2

3
10
19,9

3
6
9,4

5,5

6,3

6,0

3,1

2,1

30

28

25

15

22

Chúng tôi thấy rằng mặc dù áp lực đầm nén rất
nhỏ nhưng độ lún trung bình của mỗi lớp gia cố dao
động từ 2,1 mm đến 5,5 mm và biến dạng thẳng
đứng trung bình thay đổi từ 22% đến 30% tỷ theo áp
lực đầm nén. Diễn biến này được thể hiện trên hình 3.

¨Φtb / Φo = (Φtb - Φo) / Φo (2)
Để thấy rõ hơn nữa sự tăng tương đối của cọc
so với đường kính hố khoan, chúng tôi xem xét
tỉ lệ thay thế trước và sau gia cố vật liệu, tỉ lệ
này được xác định bởi hệ số thay thế:
A
(3)
a c
A
Với : Ac là diện tích của cọc cát sau khi thi
công ; A là diện tích toàn bộ vùng ảnh hưởng
của cọc và diện tích cọc (trong trường hợp này,
A là diện tích của khuôn).

Các kết quả trên được tổng hợp trong bảng 3
và thể hiện trên hình 4.
Bảng 3. Bảng tổng hợp đƣờng kính cọc và tỉ
lệ thay thế của các mẫu thí nghiệm
Mẫu

I

II

III

IV

V

Фo (mm)

14,2

16,1

17,4

21,8

28,5

Фtb / Фo (%)

20

17

11

8

13

ao (%)

0,6

0,8

1,1

1,8

2,8

atb (%)

0,9

1,1

1,4

2,1

3,6

atb / ao (%)

43

37

22

17

28,4

Xét đến đường kính của khuôn hình trụ chứa
mẫu đất gia cố là 150 mm, thu các tỉ lệ trộn được
áp dụng cho phương pháp chế tạo này vào
khoảng 3 %. Chúng ta ghi nhận rằng tỉ lệ này vẫn
còn nhỏ hơn đối với tỉ lệ trộn đã sử dụng ở ngoài
thực tế (Dhouib et Blondeau, 2005).

Hình 3. Sự tiến triển biến dạng thẳng đứng trung
bình theo áp lực đầm nén của các mẫu thí nghiệm
Đối với mỗi cọc được thực hiện, đường kính
trung bình của cọc cát (Φtb) được xác định dựa
vào số lượng cát đã được đổ vào trong lúc chế
tạo. Sự tăng trưởng của đường kính cọc cát
(¨Φtb/Φo) theo áp lực đầm nén rất nhỏ dưới trọng

lượng của pít-tông được tính theo công thức:
52

Hình 4. Sự tăng trưởng của đường kính cọc
và tỉ lệ thay thế theo áp lực nén tĩnh, dưới
trọng lượng của pít-tông
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015


Chúng ta thấy rằng sự tăng tương đối đường
kính cọc cát tỉ lệ với áp lực đầm nén mặc dù áp
lực này rất nhỏ, điều đó cho thấy nó cũng làm nở
hông một phần cọc cát trong quá trình chế tạo.
4. ỨNG XỬ TRONG QUÁ TRÌNH CỐ
KẾT CỦA CÁC KHỐI ĐẤT ĐƢỢC GIA CỐ
Để đánh giá ảnh hưởng của việc gia cố đất
đối với ứng xử của khối đất sét sau khi thực hiện
gia cố bằng cọc cát, chúng tôi đặt chúng dưới
một áp lực phân bố đều là 150 kPa. Áp lực phân bố
này được duy trì trong thời gian đủ dài để giai
đoạn tiền cố kết hoàn toàn kết thúc. Kết quả cụ
thể được trình bày dưới đây.
Những đường cong diễn biến độ lún được thể
hiện ở hình 5. Đường cong biểu diễn độ lún của
một mẫu cao lanh không được gia cố cọc cát
cũng được biểu thị đồng thời trên hình này.
Đường cong này cũng là đường cong tham
chiếu biểu thị cho đất hoàn toàn chưa được xử
lý. Như đã tiên đoán, chúng ta ghi nhận rằng,
độ lún của những khối đất được gia cố bởi

cọc cát là nhỏ hơn độ lún của khối đất thuần
túy (đất không gia cố cọc cát) và điều này được
nhận thấy một cách rõ ràng hơn đối với những
cọc có đường kính lớn hơn 20 mm. Hơn nữa,
dường như đường kính của cọc cát cũng ảnh
hưởng quan trọng đến biên độ lún của khối đất.

Hình 5. Độ lún theo thời gian dưới tác dụng tải
phkn bố đều 150 kPa Những cọc cát được chế tạo
theo phương pháp thay thế không đầm nén
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015

Để thấy một cách rõ ràng ảnh hưởng của
việc chế tạo cọc theo phương pháp chế tạo này,
chúng ta xem xét tỉ lệ giảm độ lún Tr được
xác định bằng biểu thức sau:
(4)
với ¨hkc là độ lún thuần túy của khối đất khi
không có gia cố (mẫu tham chiếu), ¨hcc là độ lún
của khối đất khi có gia cố bằng một cọc cát.
Tính đến hình dạng của đường cong biểu
diễn về độ lún (hình 5), giá trị độ lún được
xem xét trong mỗi trường hợp sử dụng để tính
trong công thức (4) là độ lún được đo ở cùng
một thời điểm 105 giây. Kết quả được thể hiện
trong bảng 4 và trên hình 6.
Bảng 4. Tỉ lệ giảm độ lún của các
mẫu thí nghiệm
Mẫu
Фo

(mm)
Tr
(%)

I
14,2

II
16,1

III
17,4

IV
21,8

V
28,5

0,8

1,5

3,4

8,4

13,6

Chúng ta thấy rằng, đường kính cọc cát càng

lớn, tỉ lệ giảm độ lún càng lớn và giá trị này đạt
13,6% ứng với tỉ lệ trộn 3,6%. Mặt khác, ứng
xử của một cọc đơn cũng khác biệt so với ứng
xử của một cọc nằm trong nhóm (Wehr, 2004).
Nhất là, sự phân tích ứng xử của một nhóm cọc
được hunh thành từ việc gộp chồng các ứng
xử của những cọc đơn dẫn đến một sự đánh giá
thấp về hiệu quả của việc gia cố.
Những phương pháp tính toán độ lún được
dựa trên nền tảng đơn giản về sự đồng nhất của
những đặc tính biến dạng của đất và của cọc
(theo tỉ lệ về diện tích) ứng với trường hợp chế
tạo cọc bằng phương pháp thay thế, khi những
đặc trưng cơ lý của đất không hoặc ít tác dụng
đến phương pháp thi công cọc.

53


Hình 6. Sự giảm đ lún theo đường kính cọc
5. KẾT LUẬN
Nghiên cứu này giải quyết ảnh hưởng của
các phương pháp thi công cọc đá balat dựa trên
việc gia cố đất sét yếu. Một nghiên cứu về mô
hình thu nhỏ ở phòng thí nghiệm đã cho phép
làm rõ vai trò phương pháp chế tạo cọc và cố
kết của đất yếu khi được gia cố. Mặc dù việc
đầm nén nhỏ nhưng biến dạng thẳng đứng của
cọc trong quá trình chế tạo có thể đạt đến 30%
tương ứng với áp lực đầm nén tĩnh là 28 kPa và

điều đó đã làm tăng đường kính cọc lên đến
20%, việc này cũng chứng tỏ đất xung quanh
cũng bị ép chặt một phần khi chế tạo bằng
phương pháp thay thế không đầm nén. Vai trò
của đường kính cọc gia cố cũng đồng thời được
sáng tỏ, đường kính cọc càng lớn, sự giảm độ
lún càng lớn và giá trị này đạt 13,6% ứng với
hệ số thay thế 3,6%.
TÀI LIỆU TH M KHẢO

and FEM
Analysis », Journal of
Geotechnical
and
Geoenvironmental Engineering, 2007, pp.405-414.
2. Ammar A.M.S., Liu X., Lin H. et Ren
J., « Enlarged base stone columns to improve
soft clay soil», International Conference on
Transportation Engineering 2009 (ICTE 2009),
2009, pp.4240-4245.
3. Black J., Sivakumar V., Madhav M. R.,
and McCabe B., « An Improved Experimental
Test Set-up to Study the Performance of
Granular Columns », Geotechnical Testing
Journal, Vol. 29, N° 3, 2006, p.193-199.
4. Degoutte G., Royet P., Aide mémoire
de mécanique des sols, Réédition, Paris, 2005.
[5]. Dhouib
A.,
Blondeau

F.,
Colonnes Ballastées, Presses de l’École
National des Ponts et Chaussées, Paris, 2005.
[6]. Phan V.T.P., Renforcement des
sols compressibles par colonnes ballastées,
Thèse de doctorat, Université Européenne de
Bretagne - INSA de Rennes, 2010.
[7]. Rangeard D., Guillard R., Sadek
M., « Caractérisation mécanique d’une colonne
ballastée à partir d’essais pressiométrique »,
Proc. Int. Symp. 50 Years Pressuremeter 1,
2005, pp.637-644.
[8]. Sivakumar V., McKelvey D., Graham
J., and Hughes D., «Triaxial tests on model
sand columns in clay», Can. Geotech. J. 41,
2004, pp. 299-312.
[9]. Wehr J. (2004) Stone columns Single columns and group behaviour. Proc.
5th Int. Conf. Ground Imp. Tech., 329-340.

1. Ambily A.P. and Gandhi S.R., «Behavior
of Stone Columns Based on Experimental

Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƯỜNG

54

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015