Nghiên cứu phương pháp tính lún cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TẤN BẢO LONG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN
CHO NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TẤN BẢO LONG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN
CHO NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình ngầm
Mã số chun ngành: 62580204

Phản biện độc lập 1: PGS. TS. Trần Tuấn Anh
Phản biện độc lập 2: PGS. TS. Trương Quang Thành

Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Phi Lân
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Thành Đạt
Phản biện 3: PGS. TS. Lê Văn Nam

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. LÊ BÁ VINH
2. PGS. TS. VÕ PHÁN


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu
(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án

Chữ ký

Nguyễn Tấn Bảo Long

i


TĨM TẮT LUẬN ÁN
Ngày nay, cơng nghệ đất trộn xi măng đã rất phổ biến và mang lại hiệu quả cao trong
việc xử lí nền đất yếu. Tuy nhiên các lý thuyết tính tốn độ lún cho nền đất yếu được
gia cố trụ đất xi măng vẫn chưa nhiều, đặc biệt là ở Việt Nam. Do đó việc nghiên cứu
phương pháp phù hợp để tính lún cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng là rất
cần thiết. Hiện nay, khi tính lún ổn định cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng,
độ lún S1 của bản thân khối gia cố phần lớn được tính theo lý thuyết đàn hồi thông qua
định luật Hooke. Khi đó độ lún S1 được tính đơn giản, khơng xét đến ảnh hưởng của
sức chống cắt của đất xung quanh khối gia cố. Bên cạnh đó, việc tính lún theo thời
gian của nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng gặp khơng ít khó khăn và vẫn chưa

có tiêu chuẩn hướng dẫn cụ thể.
Do đó đã có nhiều tác giả trên thế giới cũng đã đề xuất các phương pháp tính lún theo
nhiều cách khác nhau cho phù hợp với thực tế hơn như Baker, Alen, Alamgir,... Trong
luận án này, nội dung i, là tác giả nghiên cứu, đề xuất phương pháp tính lún ổn định
của bản thân khối gia cố có xét đến sức chống cắt của đất xung quanh khối gia cố. Nội
dung ii, tác giả nghiên cứu, đề xuất phương pháp tính lún theo thời gian cho nền đất
yếu được gia cố trụ đất xi măng, trong đó có xét đến tính thấm của trụ đất xi măng.
Sau đó tác giả kiểm chứng các phương pháp đề xuất bằng các thí nghiệm hiện trường
ở Việt Nam và Nhật Bản. Đồng thời tác giả cũng kiểm chứng các phương pháp đề xuất
bằng phương pháp Phần tử hữu hạn.
Hơn nữa, theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9403:2012, khi tính tốn độ lún S1 của
khối gia cố, thì thông số Ec là mô đun đàn hồi của vật liệu trụ. Hiện nay giá trị mô đun
đàn hồi này chủ yếu được lấy từ thí nghiệm nén một trục có nở hơng vì đây là thí
nghiệm đơn giản và rất phổ biến. Tuy nhiên với cách xác định như vậy là chưa phù
hợp vì thực tế ngồi hiện trường xung quanh các trụ đất xi măng cịn có áp lực ngang
của đất nền, cịn trong thí nghiệm nén một trục có nở hơng thì khơng có áp lực xung
quanh mẫu thí nghiệm. Do vậy, đây là một trong những nguyên nhân gây ra sự khác
biệt giữa giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu trụ đất xi măng thực tế tại hiện trường và
giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu trụ đất xi măng thu được từ thí nghiệm nén một trục
có nở hơng. Nhiều kết quả thí nghiệm hiện trường đã cho thấy sự khác biệt này là rất

ii


đáng kể. Do đó nội dung iii mà tác giả nghiên cứu là tương quan giữa giá trị mô đun
đàn hồi của vật liệu trụ từ thí nghiệm nén 3 trục và thí nghiệm nén 1 trục.

iii

ABSTRACT
Today, Soil-cement technology has been very popular and high effectiveness in
the soft-soil treatment. However, theory to calculate settlement for the soft soil
improved by soil cement columns is not much, specially in Vietnam. Therefore, the
research into the analytic method to calculate settlement for the soft soil improved by
soil cement columns is very necessary. Nowadays, in the settlement calculation for the
soft soil improved by soil cement columns, settlement S1 of the soft soil block
improved by soil cement columns is usually calculated by the basic theory of elasticity
through Hooke’ law. This calculation is very simple, because it ignores the shearing
resistance of the soft soil. Besides, the calculation settlement as function of time for
the soft soil improved by soil cement columns is very difficult.
Therefore, many authors on the world had proposed theory to calculate
settlement for the soft soil improved by soil cement columns arccording to various
approachs, example Baker, Alen, Alamgir,....The first matter which author have
proposed in this thesis is the method to calculate final settlement, include the shearing
resistance of the soft soil. The second matter which author have proposed in this thesis
is the method to calculate settlement as function of time for the soft soil improved by
soil cement columns, include the soil cement permeability. After that, the author verify
the proposed analytic methods by field experiment and fine elements method.
Furthermore, arccording to the standard of Viet Nam TCVN 9403:2012, in the
calculation settlement S1 of the soft soil block improved by soil cement columns, Ec is
the elastic modulus of soil cement columns. Nowadays the elastic modulus is assumed
from the unconfined compression test because this test is simple and popular. However
that calculation is unappropriate because on site the soil cement columns bear
horizontial earth pressure, while the unconfined compression test is unconfined test.
That is reason cause the difference between the elastic modulus of soil cement
columns from triaxial test and the elastic modulus of soil cement columns from the
unconfined compression test. Many tests had been assumed the difference is very
significant. For this reason, the third matter which author have proposed in this thesis

iv


is the correlation between the elastic modulus of soil cement columns from triaxial test
and the elastic modulus of soil cement columns from the unconfined compression test.

v


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học
Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, nhờ sự hướng dẫn, giảng dạy tận tình của q thầy trong
bộ mơn Địa Cơ Nền Móng, tơi đã tích lũy được nhiều kiến thức vơ cùng quý báu. Trên
cơ sở đó, cùng với sự tận tâm giúp đỡ của PGS. TS. Lê Bá Vinh, PGS. TS. Võ Phán,
sự động viên không ngừng nghỉ của gia đình, sự hỗ trợ của các đồng nghiệp ở Đại học
Tiền Giang, tơi đã hồn thành tốt luận án này.
Xin chân thành tri ân sâu sắc đến PGS. TS. Lê Bá Vinh, PGS. TS. Võ Phán,
PGS. TS.Châu Ngọc Ẩn, PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm, TS. Lê Trọng Nghĩa, PGS. TS.
Bùi Trường Sơn, TS. Đỗ Thanh Hải, PGS. TS. Võ Ngọc Hà và các đồng nghiệp ở
Đại học Tiền Giang.
Xin gửi đến cha mẹ kính u lịng biết ơn vơ hạn vì đã ln động viên, tạo điều
kiện cho con được học tập và nghiên cứu.

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
biến dạng tương đối (%)
ứng suất theo phương đứng (kPa)
E

mô đun đàn hồi (MPa)

Sl

độ lún bản thân khối gia cố (m)

St

độ lún sau cùng của khối gia cố (m)

mvs

hệ số nén thể tích của đất

Etb

mơ đun biến dạng của khối gia cố (MPa)

Etđ

mô đun biến dạng của khối gia cố (MPa)

Eblock

mô đun biến dạng của khối gia cố (MPa)

Cv

hệ số cố kết theo phương đứng (m2/s)

Ut

độ cố kết của nền (%)

Cn

hệ số cố kết theo phương ngang (m2/s)

KStab

hệ số thấm của đất xi măng (m/s)

KSoid

hệ số thấm của đất tự nhiên (m/s)

a

tỷ diện tích thay thế (%)

as

tỷ diện tích thay thế (%)

fs

lực ma sát (kN/m2)

S1

độ lún của bản thân khối gia cố

H

chiều sâu của khối gia cố (m)

q

tải trọng cơng trình truyền lên khối gia cố

B, L

chiều rộng và chiều dài của khối gia cố

Ec

mô đun đàn hồi của vật liệu trụ (Mpa)

Cc

sức kháng cắt của vật liệu trụ (kg/cm2)

Es

mô đun biến dạng của đất nền giữa các trụ.

Cu

sức kháng cắt khơng thốt nước của đất nền (kg/cm2)

c

lực dính trung bình của đất nền (kN/m2)

Cvkgc

hệ số cố kết của khối gia cố (m2/ngày)

a0kgc

hệ số nén lún tương đối của khối gia cố (m2/kN)

γn

trọng lượng riêng của nước (kN/m3)

STCVN

độ lún ổn định của khối gia cố tính theo tiêu chuẩn Việt Nam (m)

SCTĐX

độ lún ổn định của khối gia cố tính theo cơng thức đề xuất (m)
xi


W

độ ẩm (%)

WL

giới hạn chảy (%)

WP

giới hạn dẻo(%)

IL

độ sệt

τ

sức chống cắt của đất (kg/cm2)

P0

áp lực trung bình tại đỉnh trụ đất xi măng (kN/m2)

P0z

áp lực trung bình tại mũi trụ đất xi măng (kN/m2)

μs

hệ số ứng suất tác dụng lên đất yếu

β

tỷ lệ giữa chiều dài trụ đất xi măng và bề dày lớp đất yếu.

η

tham số phụ thuộc chỉ số nén và nở;

M

thông số tới hạn của đất, M = q/p,

xii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 Hầm chui Thanh Xn gia cố nền bằng trụ đất xi măng ..................................... 1
Hình 2 Tồn cảnh nút giao thơng khi hầm Thanh Xn thơng xe 2 chiều...................... 2
Hình 3 Mơ hình gia cố nền dưới hầm chui bằng trụ đất xi măng.................................... 3
Hình 1.1 Các độ lún thành phần của nền gia cố .............................................................. 7
Hình 1.2 Ngun lí tính bề dày đất theo Tiêu chuẩn Nhật Bản ...................................... 9
Hình 1.3 Sơ đồ ngun lí phân bố ứng suất ................................................................... 9
Hình 1.4 Ngun lí xác định độ lún theo Mikio Kubo .................................................. 10
Hình 1.5 Mơ hình thí nghiệm của M.D. Bolton ........................................................... 12
Hình 1.6 Quan hệ giữa độ lún và tải trọng đứng ............................................................... 12
Hình 1.7 Vi ảnh điện tử của đất tự nhiên và đất trộn xi măng ...................................... 14
Hình 1.8 Quan hệ ứng suất, biến dạng từ thí nghiệm của Terashi ................................ 15
Hình 1.9 Mặt bằng mơ hình thí nghiệm của Islam và Hashim ...................................... 17
Hình 1.10 Mơ hình chất tải trong thí nghiệm của Islam................................................ 17
Hình 1.11 Mơ hình quan trắc lún theo thời gian của Jinchun Chai ............................... 18
Hình 1.12 Mặt bằng bố trí trụ tại cơng trường Loftaan ................................................. 18

Hình 1.13 Thiết bị thí nghiệm của Baker ...................................................................... 19
Hình 1.14 Khối đắp hiện trường cao 3m trong thí nghiệm của Alen ............................ 19
Hình 1.15 Thí nghiệm hiện trường của GS. TS. Nguyễn Trường Tiến ........................ 20
Hình 1.16 Thiết bị thí nghiệm của GS. TS. Nguyễn Trường Tiến ................................ 20
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phân bố tải trọng trong khối gia cố ..................................... 23
Hình 2.2 Lớp phân tố đất ............................................................................................... 23
Hình 2.3 Nền gia cố trụ đất xi măng ............................................................................. 26
Hình 2.4 Mơ hình biến dạng của đơn vị phần tử theo Alamgir (1996) ......................... 28
Hình 2.5 Tương quan giữa βc và n................................................................................ 29
Hình 2.6 Mơ hình phần tử trụ ........................................................................................ 30
Hình 2.7 Vùng ảnh hưởng của trụ ................................................................................. 33
Hình 3.1 Thí nghiệm nén 1 trục nở hơng mẫu đất xi măng lấy tại hiện trường................. 35
Hình 3.2 Xác định Mơ đun đàn hồi bằng thí nghiệm nén 3 trục ................................... 37
Hình 3.3 Tương quan giữa E50 và thời gian .................................................................. 38
Hình 3.4 Tương quan giữa ứng suất, biến dạng ứng với các cấp áp lực buồng khác nhau .. 38
xiii


Hình 3.5 Máy nén cố kết (a); Mẫu nén cố kết (b) ......................................................... 40
Hình 3.6 Cấu tạo bộ dụng cụ thấm với cột áp thay đổi ................................................. 42
Hình 3.7 Mẫu thí nghiệm thấm (a);Hộp thấm (b);Bộ thí nghiệm thấm Nam Kinh (c) . 43
Hình 3.8 Thiết bị thí nghiệm tính thấm của đất xi măng............................................... 44
Hình 3.9 Hệ số thấm của đất xi măng theo các phương pháp ....................................... 46
Hình 3.10 Tiến hành lấy mẫu đất tự nhiên .................................................................... 47
Hình 3.11 Mặt cắt thiết bị tạo trụ đất xi măng ngồi hiện trường ................................. 48
Hình 3.12 Cấu tạo thiết bị tạo trụ đất xi măng ngồi hiện trường ................................. 49
Hình 3.13 Mặt bằng của mơ hình thí nghiệm ................................................................ 50
Hình 3.14 Mặt cắt của mơ hình thí nghiệm ................................................................... 50
Hình 3.15 Lắp đặt thiết bị quan trắc lún ........................................................................ 51
Hình 3.16 Mơ hình chất tải trong thí nghiệm ................................................................ 52

Hình 3.17 Trụ đất xi măng nguyên dạng trong nền....................................................... 53
Hình 3.18 Trụ đất xi măng được lấy lên mặt đất ........................................................... 54
Hình 3.19 Quan trắc lún theo thời gian ......................................................................... 55
Hình 3.20 Tương quan giữa độ lún và thời gian từ thí nghiệm hiện trường ................. 55
Hình 3.21 Dự tính độ lún ổn định của nền gia cố theo phương pháp Asaoka .............. 56
Hình 3.22 Dự tính độ lún ổn định của đáy khối gia cố theo phương pháp Asaoka ...... 56
Hình 3.23 Mơ hình mơ phỏng trong Plaxis .................................................................. 58
Hình 3.24 Phát sinh mực nước ngầm trong nền gia cố ................................................ 58
Hình 3.25 Chuyển vị tổng thể của nền gia cố .............................................................. 59
Hình 3.26 Tương quan giữa kết quả quan trắc và kết quả từ Plaxis ............................. 59
Hình 4. 1 Mơ hình trong Plaxis 3DF ............................................................................ 62
Hình 4.2 Chia lưới phần tử trong Plaxis ....................................................................... 63
Hình 4.3 Chuyển vị tổng thể của nền gia cố ................................................................ 63
Hình 4.4 Kết quả tính tốn biến dạng của bản thân khối gia cố theo các phương pháp ... 64
Hình 4.5 Mơ hình thí nghiệm 1 về độ lún theo thời gian của Jinchun Chai ................. 65
Hình 4.6 Các thơng số đất của mơ hình 1..................................................................... 65
Hình 4.7 Kết quả quan trắc lún của mơ hình 1 ............................................................. 66
Hình 4.8 Độ lún quan trắc từ mơ hình thí nghiệm 1 của Jinchun Chai ........................ 67
Hình 4.9 Kết quả tính tốn biến dạng theo các phương pháp ....................................... 67
Hình 4.10 Mơ hình tính lún theo phương pháp giải tích đề xuất .................................. 68
xiv


Hình 4.11 Kết quả quan trắc lún từ mơ hình thí nghiệm của tác giả ............................. 70
Hình 4.12 Tương quan giữa độ lún và thời gian ........................................................... 70
Hình 4.13 Kết quả quan trắc lún của mơ hình 1 ............................................................ 72
Hình 4.14 Tương quan giữa độ lún và thời gian ........................................................... 73
Hình 4.15 So sánh kết quả tính lún theo thời gian ........................................................ 75
Hình 4.16 Chuyển vị tổng thể của nền gia cố .............................................................. 76
Hình 4.17 Tương quan giữa độ lún và thời gian .......................................................... 76

Hình 4.18 Mơ hình mơ phỏng trong Plaxis .................................................................. 78
Hình 4.19 Chuyển vị tổng thể của nền gia cố .............................................................. 78
Hình 4.20 Vị trí các điểm khảo sát ............................................................................... 78
Hình 4.21 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm A..................................................... 79
Hình 4.22 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm B ..................................................... 79
Hình 4.23 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm C ..................................................... 80
Hình 4.24 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm D..................................................... 80
Hình 4.25 Độ lún theo thời gian tại điểm A .................................................................. 81
Hình 4.26 Độ lún theo thời gian tại điểm B .................................................................. 81
Hình 4.27 Độ lún theo thời gian tại điểm C .................................................................. 82
Hình 4.28 Độ lún theo thời gian tại điểm D .................................................................. 82
Hình 4.29 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm A..................................................... 83
Hình 4.30 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm B ..................................................... 83
Hình 4.31 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm C ..................................................... 84
Hình 4.32 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm D..................................................... 84
Hình 4.33 Độ lún theo thời gian tại điểm A .................................................................. 85
Hình 4.34 Độ lún theo thời gian tại điểm B .................................................................. 85
Hình 4.35 Độ lún theo thời gian tại điểm C .................................................................. 86
Hình 4.36 Độ lún theo thời gian tại điểm D .................................................................. 86
Hình 4.37 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong nền tự nhiên ........................................ 87
Hình 4.38 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong nền gia cố............................................ 87
Hình 4.39 Độ lún theo thời gian trong nền tự nhiên ..................................................... 88
Hình 4.40 Độ lún theo thời gian trong nền gia cố ......................................................... 88
Hình 4.41 Mặt bằng bố trí trụ tại cơng trường Loftaan ................................................ 90
Hình 4.42 Gán tải trọng và tạo các Workplanes trong Plaxis ...................................... 91
xv


Hình 4.43 Kết quả biến dạng từ các phương pháp ........................................................ 92

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các phương pháp giải tích tính tốn độ lún ổn định của bản thân khối gia cố ..... 22
Bảng 2.2 Các phương pháp giải tích tính tốn độ lún theo thời gian của nền gia cố .... 25
Bảng 3.1 Kết quả nén 1 trục có nở hơng trên mẫu đất xi măng lấy tại hiện trường ..... 36
Bảng 3.2 Kết quả nén 3 trục với σ3= 0 trên mẫu đất xi măng lấy tại hiện trường ....... 37
Bảng 3.3 Kết quả nén 3 trục với cấp áp lực buồng σ3 khác nhau .................................. 39
Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả thí nghiệm hệ số thấm của đất xi măng ............................ 45
Bảng 3.5 Tương quan giữa mác chống thấm W và hệ số thấm K ................................. 46
Bảng 3.6 Tổng hợp kết quả dự tính lún ổn định ............................................................ 57
Bảng 3.7 Thơng số và mơ hình vật liệu trong Plaxis .................................................... 57
Bảng 4.1 Kết quả tính tốn biến dạng theo công thức đề xuất và TCVN ..................... 61
Bảng 4.2 Kết quả quan trắc lún hiện trường.................................................................. 61
Bảng 4.3 Thơng số vật liệu phân tích Plaxis ................................................................. 62
Bảng 4.4 Kết quả tính tốn biến dạng theo cơng thức đề xuất ...................................... 66
Bảng 4.5 Các thơng số tính tốn trong mơ hình thí nghiệm .......................................... 68
Bảng 4.6 Số liệu tính lún theo phương pháp giải tích đề xuất ...................................... 69
Bảng 4.7 Các thơng số tính tốn trong mơ hình thí nghiệm 1 ....................................... 71
Bảng 4.8 Kết quả tính tốn độ lún bằng phương pháp giải tích đề xuất ....................... 72
Bảng 4.9 Các thơng số tính tốn trong mơ hình thí nghiệm 2 ....................................... 73
Bảng 4.10 Số liệu tính lún theo phương pháp giải tích đề xuất .................................... 74
Bảng 4.11 Thơng số vật liệu phân tích Plaxis ............................................................... 75
Bảng 4.12 Thơng số vật liệu phân tích Plaxis ............................................................... 77
Bảng 4.13 Số liệu tính tốn cho trường hợp có vải địa ................................................. 89
Bảng 4.14 Thông số vật liệu .......................................................................................... 90

xvi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, tốc độ phát trển của hệ thống đƣờng giao thông không thể đáp ứng đƣợc
nhu cầu giao thông ngày càng tăng, đặc biệt là tại các nút giao thông trong các đô thị
lớn thƣờng xuyên xảy ra ùn tắc giao thông, gây khơng ít khó khăn cho sự phát triển
kinh tế xã hội nói chung cũng nhƣ việc sinh hoạt, đi lại của ngƣời dân nói riêng. Trong
bối cảnh đó, hầm chui là một trong những giải pháp tối ƣu để giải quyết ùn tắc giao
thông tại các nút giao thông này. Tuy nhiên, khi hầm chui đƣợc quy hoạch tại nơi có
địa chất yếu địi hỏi phải xử lí, gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng. Ví dụ nhƣ
hầm chui Thanh Xuân, Hà Nội là một trong những hầm chui đầu tiên ở Việt Nam sử
dụng trụ đất xi măng để gia cố nền.

Hình 1 Hầm chui Thanh Xuân gia cố nền bằng trụ đất xi măng
Nhƣ trong hình 2, sau khi hầm chui Thanh xuân đã thông xe 2 chiều ùn tắc giao thông
đƣợc giải quyết. Điều đó cho thấy hiệu quả của các hầm chui tại các nút giao thông là
rất cao.

1


Phƣơng pháp xử lí đất yếu bằng trụ đất xi măng đƣợc áp dụng ngày càng phổ biến ở
các nƣớc trên thế giới nói chung cũng nhƣ ở Việt Nam nói riêng nhờ những ƣu điểm
nổi bật nhƣ: cơng nghệ thi cơng đơn giản, chi phí thấp, thời gian thi cơng ngắn, khả
năng xử lí sâu đến 50m, thích hợp với đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công
đƣợc cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nƣớc hoặc điều kiện hiện trƣờng chật
hẹp, đặc biệt là trụ đất-xi măng có cƣờng độ tăng lên từ vài chục đến 100 lần so với
đất yếu tự nhiên.
Các nƣớc trên thế giới, tiêu biểu là Nhật Bản và Thụy Điển đã nghiên cứu, ứng dụng
trụ đất xi măng để xử lí đất yếu từ rất lâu, đồng thời cũng đạt đƣợc hiệu quả rất cao.
Đối với Việt Nam, công nghệ đất xi măng lần đầu tiên đƣợc Thụy Điển chuyển giao
công nghệ cho Bộ Xây Dựng vào những năm 1992-1994, cho đến nay cơng nghệ trộn
sâu rất phổ biến.

Hình 2 Mơ hình gia cố nền dƣới hầm chui bằng trụ đất xi măng

2


Ngoài ứng dụng gia cố nền hầm chui, trụ đất xi măng còn đƣợc sử dụng để gia cố nền
của móng bè đỡ sàn tầng hầm trong các tịa nhà thấp tầng.
Ở Việt Nam hiện nay đã có khá nhiều nghiên cứu về trụ đất xi măng, tuy nhiên đa số
nghiên cứu đƣợc thực hiện chủ yếu bằng thí nghiệm trong phịng, chƣa có nhiều
nghiên cứu về lý thuyết tính lún cũng nhƣ thí nghiệm hiện trƣờng về độ lún của bản
thân khối gia cố. Do đó tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu phƣơng pháp tính lún cho nền
đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi măng.
Thật vậy, hiện nay trong các cơng thức tính lún ổn định của bản thân khối gia cố còn khá
đơn giản và thiên về an toàn, đồng thời trong Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9403-2012
cũng chƣa giới thiệu về phƣơng pháp tính lún theo thời gian của nền đất yếu đƣợc gia cố
trụ đất xi măng. Do đó tác giả sẽ nghiên cứu, đề xuất cơng thức tính lún cho bản thân
khối gia cố có xét thêm ảnh hƣởng của ma sát xung quanh và sự giảm dần ảnh hƣởng
của tải trọng ngoài theo độ sâu. Đồng thời tác giả cũng đề xuất phƣơng pháp tính lún
theo thời gian của nền gia cố, trong đó có xét đến tính thấm của trụ đất xi măng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất phƣơng pháp tính lún ổn định và tính lún theo thời
gian cho nền đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi măng. Theo đó, trong cơng thức tính lún của
bản thân khối gia cố, tác giả có xét đến sức chống cắt của đất xung quanh khối gia cố.
Đồng thời trong cơng thức tính lún theo thời gian của nền gia cố, tác giả có xét đến
tính thấm của trụ đất xi măng. Bên cạnh đó tác giả cũng phân tích ảnh hƣởng của áp
lực ngang đến mơ đun đàn hồi của vật liệu trụ, từ đó đề xuất tƣơng quan giữa mô đun
đàn hồi vật liệu trụ từ thí nghiệm nén 3 trục và mơ đun đàn hồi vật liệu trụ từ thí
nghiệm nén đơn.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc cũng nhƣ tiêu chuẩn
TCVN 9403:2012. Tác giả sẽ đề xuất các phƣơng pháp giải tích tính lún ổn định và tính
lún theo thời gian cho nền đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi măng. Bên cạnh đó tác giả cũng
tiến hành các thí nghiệm hiện trƣờng và trong phòng để phục vụ cho việc tính lún. Sau
đó tác giả tiến hành kiểm chứng các phƣơng pháp giải tích đề xuất bằng các thí nghiệm

3


hiện trƣờng trong và ngoài nƣớc, đồng thời tác giả cũng kiểm chứng thêm bằng phƣơng
pháp Phần tử hữu hạn.
4. Tính khoa học và thực tiễn của nghiên cứu
Nghiên cứu này đề xuất đƣợc phƣơng pháp giải tích tính lún ổn định và tính theo thời
gian cho nền đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi măng phù hợp với thực tế hơn, bằng việc xét
thêm sức chống cắt của đất xung quanh khối gia cố và hệ số thấm của trụ đất xi măng.
Bên cạnh đó tác giả cũng đề xuất tƣơng quan giữa mô đun đàn hồi của trụ đất xi măng
thu đƣợc từ thí nghiệm nén 3 trục và mô đun đàn hồi của trụ đất xi măng thu đƣợc từ
thí nghiệm nén 1 trục. Từ đó góp phần làm cho kết quả tính tốn biến dạng, tính lún
theo thời gian của nền đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi măng hợp lí hơn, đồng nghĩa với
việc giúp cho giải pháp xử lí nền đất yếu bằng trụ đất xi măng phù hợp với thực tế
hơn, đƣợc kiểm soát tốt hơn và kinh tế hơn.
5. Điểm mới của luận án
5.1 Nghiên cứu, đề xuất phƣơng pháp tính lún ổn định của bản thân khối gia cố, trong
đó có xét đến sức chống cắt của đất xung quanh khối gia cố:
S1 

qH
H
(1 
)

aEC  1  a E S
2

5.2 Nghiên cứu, đề xuất phƣơng pháp tính lún theo thời gian của nền đất yếu đƣợc gia
cố trụ đất xi măng, trong đó có xét đến tính thấm của trụ đất xi măng.
5.3 Nghiên cứu, đề xuất tƣơng quan giữa mô đun đàn hồi của vật liệu trụ thu đƣợc từ
thí nghiệm nén 3 trục và mơ đun đàn hồi của vật liệu trụ thu đƣợc từ thí nghiệm nén
đơn nhƣ sau:
(Ecol)nén3trục ≈ (1,65÷3,7)(Ecol)nénđơn
6. Cấu trúc của luận án
Nội dung chính của luận án gồm phần Mở đầu, phần Kết luận - kiến nghị và 4 chƣơng
nhƣ sau:
Chƣơng 1: “Tổng quan về các phƣơng pháp tính lún cho nền đất yếu đƣợc gia cố trụ
đất xi măng”.
Chƣơng 2: “Phƣơng pháp tính lún cho nền đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi măng”.

4


Chƣơng 3: “Thí nghiệm trong phịng và hiện trƣờng để đánh giá độ lún ổn định và độ
lún theo thời gian của nền đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi măng”.
Chƣơng 4: “Kiểm chứng các công thức đề xuất bằng các thí nghiệm hiện trƣờng và
phƣơng pháp Phần tử hữu hạn”.
7. Phạm vi nghiên cứu
Trong nghiên cứu tính lún ổn định, tác giả chỉ tập trung cho độ lún của bản thân khối
gia cố. Nghiên cứu đƣợc thực hiện với đất nền khu vực xã Phƣớc Nhơn, huyện Long
Hồ, tỉnh Vĩnh Long, nơi có địa chất đặc trƣng cho vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long.

5

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH LÚN CHO
NỀN ĐẤT YẾU ĐƢỢC GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG
Cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về độ lún của nền đất yếu gia cố trụ đất xi
măng và các tác giả chủ yếu tính lún theo phƣơng pháp truyền thống. Theo tiêu chuẩn
Thụy Điển, tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 9403:2012 ) và phần lớn các phƣơng pháp
tính hiện nay về tính tốn lún của nền gia cố trụ đất xi măng thì độ lún S1 của bản thân
khối gia cố đƣợc tính dựa trên định luật Hooke, bỏ qua sức chống cắt của đất xung
quanh khối gia cố.
Bên cạnh đó, các phƣơng pháp tính lún theo thời gian của nền đất yếu đƣợc gia cố trụ
đất xi măng cịn khá ít. Theo Terashi (1983), Ahnberg (1995) và Jinchun Chai (2015)
thì hệ số thấm của đất trộn xi măng sẽ giảm tƣơng ứng với sự gia tăng hàm lƣợng xi
măng. Trong Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9403:2012 hiện nay cũng chƣa có hƣớng
dẫn cụ thể về phƣơng pháp tính lún theo thời gian cho nền đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi
măng.
Khi tính tốn độ lún của nền đất yếu đƣợc gia cố trụ đất xi măng, thông số quan trọng
trong các phƣơng pháp hiện nay là mô đun đàn hồi của vật liệu trụ đất xi măng và hiện
nay giá trị mô đun đàn hồi này chủ yếu đƣợc lấy từ thí nghiệm nén một trục có nở
hơng vì đây là thí nghiệm đơn giản và rất phổ biến. Tuy nhiên với cách xác định nhƣ
vậy là chƣa phù hợp vì thực tế ngồi hiện trƣờng xung quanh các trụ đất xi măng có áp
lực ngang của đất nền cịn trong thí nghiệm nén một trục có nở hơng thì khơng có áp
lực xung quanh mẫu thí nghiệm. Do vậy, đây là một trong những nguyên nhân gây ra
sự khác biệt giữa giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu trụ đất xi măng thu đƣợc từ thí
nghiệm nén tĩnh hiện trƣờng và giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu trụ đất xi măng thu
đƣợc từ thí nghiệm nén một trục có nở hơng. Nhiều kết quả thí nghiệm hiện trƣờng đã
cho thấy sự khác biệt này là rất đáng kể.

6

1.1 Tổng quan về việc xác định lún ổn định của bản thân khối gia cố
1.1.1 Tiêu chuẩn Việt Nam, Thụy Điển [1]
Theo đó độ lún của nền gia cố đƣợc chia thành 2 độ lún thành phần S1 là độ lún của
bản thân khối gia cố và S2 là độ lún của nền bên dƣới khối gia cố nhƣ trong hình 1.1.

Hình 1.1 Các độ lún thành phần của nền gia cố
Độ lún của bản thân khối gia cố đƣợc tính nhƣ sau:
S1 

qH
qH

Etb aEC  1  a E S

(1.1)

Trong đó:
S1 - độ lún của bản thân khối gia cố;
q - tải trọng ngoài tác dụng lên khối gia cố;
H - chiều sâu của khối gia cố;
a - tỷ diện tích thay thế của trụ đất xi măng;
EC - mô đun đàn hồi của vật liệu trụ đất xi măng;
ES - mô đun biến dạng của đất yếu;
Etb - mô đun biến dạng của khối gia cố.
Theo cách tính độ lún S1 của bản thân khối gia cố nhƣ cơng thức (1.1) thì phƣơng pháp
này đã bỏ qua sức chống cắt của đất xung quanh khối gia cố.

7

1.1.2 Tiêu chuẩn Trung Quốc và một số nước Châu Âu [2] [3]
Độ lún S1 của bản thân khối gia cố đƣợc xác định nhƣ sau:
S1 

P0  P0 Z L
2 Etđ

(1.2)

Trong đó:
S1 - độ lún của bản thân khối gia cố;
P0 - tải trọng tác dụng tại đầu trụ đất xi măng;
P0z - tải trọng tác dụng tại mũi trụ đất xi măng;
L - chiều sâu của khối gia cố;
Etđ - mô đun biến dạng của khối gia cố.
Theo cách tính độ lún S1 của bản thân khối gia cố nhƣ cơng thức (1.2) thì phƣơng pháp
này cũng đã bỏ qua sức chống cắt của đất xung quanh khối gia cố. Tuy nhiên phƣơng
pháp có xét thêm trọng lƣợng bản thân trụ đất xi măng.
1.1.3 Phương pháp John P.Carter (2011) [4]
Với trƣờng hợp trụ đất xi măng xuyên hết lớp đất yếu, thì độ lún của khối gia cố đƣợc tính
nhƣ sau:

St  mvs sH

(1.3)

Trong đó:
St - độ lún của bản thân khối gia cố;
mvs - hệ số nén thể tích của đất;
μs - hệ số ứng suất tác dụng lên đất yếu;

σ - tải trọng tác dụng lên khối gia cố;
H - chiều sâu của khối gia cố.
Với trƣờng hợp trụ đất xi măng không xuyên hết lớp đất yếu, chiều dày tính tốn độ
lún của khối gia cố và độ lún của lớp đất yếu bên dƣới khối gia cố đƣợc xác định nhƣ
trong hình 1.2.

8


Hình 1.2 Ngun lí tính bề dày tính lún cho lớp đất yếu theo Tiêu chuẩn Nhật Bản
Theo đó:
Khi tỷ diện tích thay thế nhỏ hơn 30% thì chiều dày tính lún cho khối gia cố là 2HL/3,
chiều dày tính lún cho lớp đất yếu bên dƣới khối gia cố là HS và tải trọng tác dụng lên
lớp đất yếu là q2 có bề rộng đƣợc xác định bằng vẽ đƣờng thẳng hợp với mép ngoài
của trụ ngoài cùng một góc 30o đến độ sâu HS/2.
Khi tỷ diện tích thay thế lớn hơn 30% thì chiều dày tính lún cho khối gia cố là HL,
chiều dày tính lún cho lớp đất yếu bên dƣới khối gia cố là HS và tải trọng tác dụng lên
lớp đất yếu là q2 có bề rộng đƣợc xác định bằng vẽ đƣờng thẳng hợp với mép ngồi
của trụ ngồi cùng một góc 30o đến độ sâu HS/2.
Theo cách tính độ lún của bản thân khối gia cố nhƣ cơng thức (1.3) thì phƣơng pháp
này có xét đến hệ số nén thể tích của đất yếu và tải trọng tính lún là tải tác dụng lên đất
yếu.
1.1.4 Phương pháp Alen và Baker (2010) [5]
Alen, C. và Baker, S. đã đề xuất mơ hình ƣớc tính biến dạng của khối gia cố:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí phân bố ứng suất

9

 col ( x, z ) 

Ecol
. block ( x, z )
Eblock

 soil ( x, z ) 

Esoil
. block ( x, z )
Eblock

(1.4)
(1.5)

 block
dz
Eblock
D

S   dz  
D

(1.6)

Trong đó:
S - độ lún của bản thân khối gia cố;
Ecol - mô đun đàn hồi của trụ đất xi măng;
Esoil - mô đun biến dạng của đất;
Eblock - mô đun biến dạng của khối gia cố;

Δσcol - độ gia tăng ứng suất lên trụ đất xi măng;
Δσsoil - độ gia tăng ứng suất lên đất;
Δσblock - độ gia tăng ứng suất lên khối gia cố;
ε - biến dạng tƣơng đối của khối gia cố;
1.1.5 Phương pháp của Mikio Kubo [6]
Cách xác định chiều dày tính lún theo Mikio Kubo đƣợc thể hiện trong hình 1.4. Theo
đó chiều dày tính lún cho khối gia cố là 2H1/3, chiều dày tính lún cho lớp đất yếu bên
dƣới khối gia cố là (H2 + H1/3) và tải trọng tác dụng lên lớp đất yếu là q2 có bề rộng
đƣợc xác định bằng vẽ đƣờng thẳng hợp với mép ngoài của trụ ngoài cùng một góc 30o
đến hết lớp đất yếu.
B
q1

H1 (Chiều dài trụ)

S1

H1/3
S2
H2 (Vùng không gia cố)

1
2

S1 Độ lún của
khối gia cố
S2 Độ lún dưới
khối gia cố

q2

Đất yếu
Nền cứng

Hình 1.4 Ngun lí xác định độ lún theo Mikio Kubo

10


Độ lún của khối gia cố và lớp đất yếu dƣới khối gia cố đƣợc xác định nhƣ sau:
S1 = (q1/Etb) x (2/3H1)

(1.7)

S2 = mv x q2 x (1/3H1 + H2)

(1.8)

Trong đó:
S1 - độ lún của bản thân khối gia cố;
S2 - độ lún dƣới khối gia cố;
Etb - mô đun biến dạng của khối gia cố;
H1 - chiều dài trụ;
H2 - chiều dày vùng không gia cố;
mv - hệ số nén thể tích của đất yếu;
q1 - tải trọng tác dụng lên khối gia cố;
q2 - tải trọng tác dụng lên lớp đất yếu;
1.1.6 Một số phương pháp khác [7], [8]
Năm 1994 H.Ochiai & M.D.Boton đã sử dụng mô hình thí nghiệm để ƣớc tính độ lún
ổn định của bản thân khối gia cố. Theo đó M.D.Bolton đã tạo 8 trụ đất xi măng đƣờng

kính 30mm, dài 200mm trong hộp vách kính. Xi măng Portland đƣợc trộn với hàm
lƣợng 15kg/m3 vào trong sét Kaolin. Tải trọng đứng 25kPa đƣợc đặt thông qua tấm
cứng trên đầu trụ.
Eblock 

m

(b  1)a  1
ab 1  a

Ec
Es

(1.9)

5  4 s
8(1  s )

(1.10)

1 m

E 
b   c 
 Es 
Trong đó:

a - tỷ diện tích thay thế của đất xi măng
b - hệ số phân bố ứng suất
νs - hệ số Poison của đất nền

11

(1.11)