Ứng dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu cho công trình nhà xưởng tại khu vực thành phố cần thơ

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

LÂM NGỌC KHÁNH LINH

ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU CHO CƠNG TRÌNH NHÀ XƯỞNG
TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM
Mã ngành: 60.58.02.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. PHẠM TƢỜNG HỘI

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. NGUYỄN MẠNH TUẤN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 15 tháng 01 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch Hội đồng: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ

2. Cán bộ nhận xét 1: TS. Phạm Tường Hội
3. Cán bộ nhận xét 2: TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
4. Thư ký: TS. Đỗ Thanh Hải
5. Ủy viên: TS. Lê Bá Khánh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS. TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ

TRƢỞNG KHOA KTXD

TS. NGUYỄN MINH TÂM


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
Tp. HCM, ngày 07 tháng 12 năm 2014
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÂM NGỌC KHÁNH LINH
Ngày sinh: 21/10/1988
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình ngầm

MSHV: 13091293
Nơi sinh: Cần Thơ
Mã số: 60580204

I. TÊN ĐỀ TÀI
Ứng dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu cho cơng trình nhà xưởng tại khu vực

thành phố Cần Thơ.
II. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Mở đầu
Chƣơng 1. Tổng quan về sử dụng cọc vật liệu rời để xử lý đất yếu
Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết tính tốn cọc vật liệu rời để xử lý đất yếu
Chƣơng 3. Phân tích cách tính tốn độ lún của nền có cọc vật liệu rời theo các
phương pháp khác nhau
Chƣơng 4. Ứng dụng cọc vật liệu rời xử lý nền nhà xưởng khu cơng nghiệp Trà
Nóc, thành phố Cần Thơ
Kết luận, kiến nghị
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/7/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS VÕ PHÁN
Tp. HCM, ngày 07 tháng 12 năm 2014
CÁN BỘ
HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

KHOA QUẢN LÝ
CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. VÕ PHÁN

TS. LÊ BÁ VINH

TS. NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Ứng dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền
đất yếu cho cơng trình nhà xƣởng tại khu vực thành phố Cần Thơ” được thực hiện
với kiến thức tác giả thu thập trong suốt quá trình học tập tại trường. Cùng với sự cố
gắng của bản thân là sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia
đình trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến q thầy cơ bộ mơn Địa Cơ - Nền Móng, những người
đã cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm q báu trong suốt q trình học tập và
cơng tác.
Xin gửi lời cảm ơn đến các học viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng cơng
trình ngầm khóa 2013, những người bạn đã đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt q
trình học tập.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Võ Phán, người thầy đã
nhiệt tình hướng dẫn, động viên tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến Thanh tra Xây dựng – Sở Xây dựng thành phố Cần
Thơ, nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện rất nhiều về thời gian để tơi hồn thành q
trình học tập.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã động viên và tạo điều kiện tốt
nhất cho tôi tinh thần và thời gian trong những năm tháng học tập tại trường.
Luận văn được hồn thành nhưng khơng thể tránh được những thiếu sót và hạn
chế. Rất mong nhận được sự đóng góp của q thầy cơ, bạn bè và đồng nghiệp để luận
văn được hoàn thiện hơn.
Học viên

Lâm Ngọc Khánh Linh


ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU CHO CƠNG TRÌNH NHÀ XƢỞNG
TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

Tóm tắt:
Luận văn tập trung vào nghiên cứu cở sở lý thuyết tính tốn cọc vật liệu rời để
xử lý đất yếu. Qua phân tích lý thuyết về dạng phá hoại thường gặp của cọc vật liệu rời
và cách tính độ lún nền sau khi gia cố theo các phương pháp khác nhau, để áp dụng
vào việc tính tốn kích thước và khoảng cách hợp lý giữa các cọc và đề xuất áp lực tối
ưu tác dụng lên nền đối với vùng đất yếu tại khu vực Cần Thơ.
Quá trình tính tốn khả năng chịu tải của cọc vật liệu rời và độ lún của nền sau
khi gia cố được thực hiện bằng giải tích và mơ phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D. Từ
đó, so sánh kết quả tính tốn giữa chúng để đưa ra cái nhìn tổng quan về tính hiệu quả
của phương pháp xử lý nền đất yếu tại Cần Thơ bằng cọc vật liệu rời.


APPLICABILITY OF STONE COLUMNS TO IMPROVE
THE SOFT SOIL WORKS FOR FACTORIES
IN CAN THO CITY AREA

Abstract:
Dissertation research focuses on the theoretical basis for calculating of pile
foundation with reinforced bulk materials to handle the soft soil. Through theoretical
analysis of vandalism common form of bulk material piles and ground subsidence
calculations after reinforcement according to different methods, to apply to the
calculation for reasonable size and the distance between the poles, the maximum
covering height and destructive form of reasonable pile bulk material are suitable for
application in reinforcing soft soil in Can Tho area.
The process of calculating the load bearing capacity of the pile of bulk
materials and after the settlement of the reinforcement is done by analysis and
simulation using Plaxis 3D software. Since then, compared with the simulation to
provide an overview of the effectiveness of methods which use piles of bulk materials
in terms of geological zones Can Tho area.

.


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
1. Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................................................................................... 2
3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................................................................... 2
4. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài ............................................................................................. 3
5. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................................................................................. 3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ
ĐẤT YẾU ............................................................................................................................................................................................... 4
1.1. Tổng quan về cọc vật liệu rời ...................................................................................................................................... 4
1.2. Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền ..................................................................................................... 5
1.3. Công nghệ thi công cọc vật liệu rời ....................................................................................................................... 6
1.3.1. Các phương pháp thi công cọc vật liệu rời ........................................................................................ 6
1.3.1.1. Phương pháp rung và lèn chặt ...................................................................................................... 6
1.3.1.2. Phương pháp rung và thay thế ....................................................................................................... 7
1.3.1.3. Phương pháp rung kết hợp ............................................................................................................... 9
1.3.1.4. Phương pháp khoan có ống bao .................................................................................................. 9
1.3.2. Kỹ thuật đầm rung sâu .........................................................................................................................................10
1.4. Nhận xét ..........................................................................................................................................................................................12
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ
LÝ ĐẤT YẾU .......................................................................................................................................................................... 13
2.1. Tổng quan tính tốn và cơ chế làm việc cọc vật liệu rời .....................................................................13
2.1.1. Cơ chế phá hoại cọc đơn ....................................................................................................................................13
2.1.2. Cơ chế phá hoại của nhóm cọc .....................................................................................................................15
2.2. Những quan hệ cơ bản .......................................................................................................................................................16
2.2.1. Đường kính tương đương ..................................................................................................................................16

2.2.2. Tỷ diện tích thay thế ...............................................................................................................................................17
2.2.3. Hệ số tập trung ứng suất .....................................................................................................................................18
2.2.4. Tỷ số ứng suất lên cọc và đất nền ..............................................................................................................19
2.3. Xác định sức chịu tải cọc vật liệu rời ...................................................................................................................19
2.3.1. Khả năng chịu tải của cọc đơn ......................................................................................................................19
2.3.1.1. Phá hoại phình ngang .............................................................................................................................20
2.3.1.2. Trượt tổng thể ..............................................................................................................................................20
2.3.1.3. Chọc thủng .....................................................................................................................................................20
2.3.2. Khả năng chịu tải theo nhóm cọc ...............................................................................................................21
2.4. Độ lún của nền cải tạo bằng cọc vật liệu rời ..................................................................................................22
2.5. Tính tốn ổn định mái dốc trên nền cọc vật liệu rời ................................................................................23
2.5.1. Phương pháp mặt cắt .............................................................................................................................................23
2.5.2. Phương pháp sức chống cắt trung bình .................................................................................................24


2.5.3. Phương pháp gộp ......................................................................................................................................................26
2.6. Nhận xét ..........................................................................................................................................................................................26
Chƣơng 3. PHÂN TÍCH CÁCH TÍNH TỐN ĐỘ LƯN NỀN CĨ CỌC VẬT
LIỆU RỜI THEO CÁC PHƢƠNG PHÁP KHÁC NHAU ..................................................................27
3.1. Xác định độ lún theo phương pháp cân bằng ................................................................................................27
3.2. Xác định độ lún nền sau khi xử lý cọc vật liệu rời theo Priebe .....................................................30
3.3. Xác định độ lún theo phương pháp Ganular Wall ....................................................................................34
3.4. Xác định độ lún theo phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis 2D ...................................................35
3.5. Nhận xét ...........................................................................................................................................................................................39
Chƣơng 4. ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI XỬ LÝ NỀN NHÀ XƢỞNG KHU
CƠNG NGHIỆP TRÀ NĨC, THÀNH PHỐ CẦN THƠ ......................................................................40
4.1. Tổng quan về cơng trình nhà xưởng ....................................................................................................................40
4.2. Tổng quan điều kiện tự nhiên khu vực nhà xưởng ...................................................................................41
4.2.1. Đặc điểm địa hình .....................................................................................................................................................41
4.2.2. Đặc điểm khí hậu, thủy văn .............................................................................................................................41

4.2.3. Đặc điểm địa chất .....................................................................................................................................................41
4.3. Tính tốn cọc vật liệu rời theo phương pháp giải tích ...........................................................................43
4.3.1. Xác định khả năng chịu tải tới hạn của nền đất khơng có gia cường cọc vật
liệu rời ...........................................................................................................................................................................................................43
4.3.2. Xác định khả năng chịu tải của nền có gia cường cọc vật liệu rời .................................44
4.3.3. Xác định độ lún của nền đất khơng có gia cường cọc vật liệu rời..................................54
4.3.4. Xác định độ lún của nền sau khi gia cường cọc vật liệu rời ...............................................54
4.3.5. Xác định áp lực tối đa của nền đất sau khi gia cường cọc vật liệu rời ......................57
4.4. Tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis ..................................57
4.5. Nhận xét ..........................................................................................................................................................................................60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................................................................61
1. Kết luận ..............................................................................................................................................................................................61
2. Kiến nghị ...........................................................................................................................................................................................61
3. Hướng nghiên cứu tiếp .........................................................................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................................................................63


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình1.1. Phương pháp rung và lèn chặt (theo Baumann và Bawer, 1974)
Hình 1.2. Phương pháp rung và thay thế (Vibro Replacement)

..................................

7

.............................................................

7

Hình 1.3. Sơ đồ mơ tả trình tự thi cơng cọc đá bằng phương pháp ướt

..........................................

8

Hình 1.4. Sơ đồ mơ tả trình tự thi cơng cọc đá bằng phương pháp khơ

.........................................

8

Hình 1.5. Phương pháp rung kết hợp (theo Aboshi và Suematsu, 1985)

......................................

9

Hình 1.6. Phương pháp khoan trong ống bao (theo Datye và Nagaraju)

........................................

10

..............................................

11

.........................................................

14

Hình 1.7. Biểu đồ chọn lựa phương án đầm rung với cấu tạo lớp đất
Hình 2.1. Cơ chế phá hoại của cọc đơn trong đất yếu đồng nhất

Hình 2.2. Cơ chế phá hoại của cọc đơn trong đất dính khơng đồng nhất
Hình 2.3. Cơ chế phá hoại của nhóm cọc vật liệu rời

.......................................

15

.....................................................................................

16

Hình 2.4. Vùng ảnh hưởng tương ứng với sơ đồ bố trí dưới cọc
Hình 2.5. Sơ đồ cọc vật liệu rời

..........................................................

17

..........................................................................................................................................

18

Hình 2.6. Quan hệ giữa hệ số tập trung ứng suất và tỷ số Module đàn hồi tuyến tính ...... 19
Hình 2.7. Sơ đồ phân tích nhóm cọc vật liệu rời

.................................................................................................

Hình 2.8. Lớp giả định và dải tương đương trong phương pháp mặt cắt
Hình 2.9. Sơ đồ phân tích theo phương pháp ứng suất trung bình

21

........................................

24

......................................................

25

Hình 3.1. Xác định tỷ số lún nền gia
cố theo Barksdale và Bachus, 1983 ................................... 28
 cf
Hình 3.2. So sánh độ lún tính tốn và hiện trường (Aboshi) .................................................................... 29
Hình 3.3. Biểu đồ tính tốn hệ số gia cố Priebe, 1995

...................................................................................

31

 A

Hình 3.4. Biểu đồ tính tốn   khi xem xét tính nén lún của cọc đá......................................... 32
 Ac 
Hình 3.5. Biểu đồ tính tốn hệ số ảnh hưởng độ sâu fd

...................................................................................

33

Hình 3.6. Phương pháp tường vật liệu rời của Van Impe và De Beer 1983 .................................. 34
Hình 3.7. Sự phân bố ứng suất trong cọc vật liệu rời theo Van Impe và De Beer 1983 .... 35
Hình 3.8. Hệ số giảm lún xác định theo Van Impe và De Beer 1983 ................................................. 36
Hình 3.9. Mơ hình đàn hồi tuyến tính cho trụ cát đơn vị

............................................................................

36

Hình 3.10. Hệ số ảnh hưởng lún đàn hồi tuyến tính với as = 0.15 Mơ hình trụ đơn vị .... 37
Hình 3.11. Hệ số ảnh hưởng lún đàn hồi tuyến tính với as = 0.25 Mơ hình trụ đơn vị .... 37
Hình 4.1. Tổng quan dự án nhà máy Chiếu xạ thực phẩm và kho lạnh giai đoạn II

...........

40


Hình 4.2: Biểu đồ quan hệ giữa đường kính cọc vật liệu rời và lực dính tương đương
của lớp bề mặt (cát mịn) sau gia cố

.......................................................................................................

47

Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cọc vật liệu rời và dính tương đương của

lớp bề mặt (cát mịn) sau gia cố .................................................................................................................. 47
Hình 4.4: Biểu đồ quan hệ giữa đường kính cọc vật liệu rời và góc ma sát trong tương
đương của lớp bề mặt (cát mịn) sau gia cố

.....................................................................................

48

Hình 4.5: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cọc vật liệu rời và góc ma sát trong tương
đương của lớp bề mặt (cát mịn) sau gia cố

.....................................................................................

48

Hình 4.6: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cọc vật liệu rời và sức chịu tải của lớp bề
mặt (cát mịn) sau gia cố

...................................................................................................................................

50

Hình 4.7: Biểu đồ quan hệ giữa đường kính cọc vật liệu rời và sức chịu tải của lớp bề
mặt (cát mịn) sau gia cố

...................................................................................................................................

50

Hình 4.8: Biểu đồ quan hệ giữa đường kính cọc vật liệu rời và lực dính tương đương

của lớp bề mặt (cát mịn) sau gia cố (sơ đồ tam giác)

............................................................

51

Hình 4.9: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cọc vật liệu rời và lực dính tương đương
của lớp bề mặt (cát mịn) sau gia cố (sơ đồ tam giác) .............................................................. 51
Hình 4.10: Biểu đồ quan hệ giữa đường kính cọc vật liệu rời và góc ma sát trong tương
đương của lớp bề mặt (cát mịn) sau gia cố (sơ đồ tam giác)

........................................

52

Hình 4.11: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cọc vật liệu rời và góc ma sát trong
tương đương của lớp bề mặt (cát mịn) sau gia cố (sơ đồ tam giác)

........................

52

Hình 4.12: Biểu đồ quan hệ giữa đường kính cọc vật liệu rời và sức chịu tải của lớp bề
mặt (cát mịn) sau gia cường (sơ đồ tam giác)

............................................................................

53

Hình 4.14: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cọc vật liệu rời và sức chịu tải của lớp

bề mặt (cát mịn) sau gia cường (sơ đồ tam giác)

.....................................................................

Hình 4.15: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cọc và độ lún nền sau gia cố

..............................

53
55

Hình 4.16: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cọc và độ lún nền sau gia cố (sơ đồ tam
giác

......................................................................................................................................................................................

56

Hình 4.17: Phân bố độ lún của nền đạt độ lún ổn định sau khi gia cố cọc vật liệu rời có
đường kính D = 0,4m (Lưới cọc 1,2 x 1,2) ..................................................................................... 59
Hình 4.18: Phân bố độ lún của nền đạt độ lún ổn định sau khi gia cố cọc vật liệu rời có
đường kính D = 0,4m (Lưới cọc 1,4 x 1,4) ..................................................................................... 59


Hình 4.19: Chuyển vị theo phương ngang đối với nền gia cố cọc vật liệu rời đường
kính D =0,4m (Lưới cọc 1,2 x 1,2)

........................................................................................................

60

Hình 4.20: Chuyển vị theo phương ngang đối với nền gia cố cọc vật liệu rời đường
kính D =0,4m (Lưới cọc 1,4 x 1,4)

........................................................................................................

60


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp các phương pháp xác định độ lún (theo Aboshi và Suematsu,
1985)

................................................................................................................................................................................

Bảng 4.1. Bảng tóm tắt đặc trưng cơ lý các lớp đất

..........................................................................................

38
42

Bảng 4.2: Tính tốn sức chịu tải của nền đất theo TCVN 9362 - 2012 ............................................. 43
Bảng 4.3: Tổng hợp thông số sức chống cắt tương đương của lớp bề mặt (cát mịn) sau
khi gia cường cọc vật liệu rời có đường kính D = 0,4m

.....................................................

46

Bảng 4.4. Tính tốn sức chịu tải của lớp bề mặt (cát mịn) sau khi gia cố bằng cọc vật
liệu rời với đường kính cọc D = 0,4m theo TCVN 9362 - 2012................................... 49
Bảng 4.5: Tính toán độ lún của nền đất sau khi gia cường cọc vật liệu rời .................................... 55
Bảng 4.6: Tính tốn độ lún của nền đất sau khi gia cường cọc vật liệu rời (sơ đồ tam
giác) ..................................................................................................................................................................................... 56
Bảng 4.7: Bảng tính toán áp lực và chiều cao của nền sau khi gia cường cọc vật liệu
rời theo lưới ô vuông

..........................................................................................................................................

Bảng 4.8: Các thơng số đầu vào mơ hình Plaxis 3D

..........................................................................................

57
58


BẢNG KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ

A

m2

Diện tích đơn vị

Ac

m2

Diện tích tiết diện ngang của đất nền xung quanh cọc thuộc khối
trụ đơn vị

As

m2

Diện tích tiết diện ngang của cọc vật liệu rời

C0

kPa

Sức chống cắt khơng thốt nước ban đầu

Cc

-

Chỉ số nén

D

m

Đường kính cọc vật liệu rời

De

m

Đường kính tương đương

Df

m

Độ sâu chơn móng

DM

kN.m

Mơ men gây trượt của nền khơng có cọc vật liệu rời

E

kN.m

Mô đun đất nền

Eo

kN.m

Mô đun đàn hồi

F’c, F’q

-

Hệ số trương nở lỗ rỗng

F1

kN

Tải truyền lên cọc vật liệu rời

Ftot
FS

kN
-

Tổng tải trọng tác dụng lên cọc và đất nền
Hệ số an toàn của cung trượt giả định qua nền cọc vật liệu rời

H

m

Chiều dày lớp đất chịu nén lún

H’

m

Chiều cao mái đất

Kas

-

Hệ số áp lực chủ động của cọc vật liệu rời

Kac

-

Hệ số áp lực chủ động của đất

K0

-

Hệ số áp lực tĩnh của đất

Kpc

-

Hệ số áp lực bị động của đất

L

m

Chiều dài cọc vật liệu rời

Nc, Nq, N

-

Hệ số sức chịu tải của đất nền

N’c

-

Hệ số sức chịu tải của cọc vật liệu rời

P0

kN

Tải trọng tác dụng

R

-

Tỷ số giảm độ lún

RM

kN.m

Mơ men chống trượt của nền khơng có cọc vật liệu rời

S

m

Khoảng cách giữa các cọc vật liệu rời

St, Sv

m

Độ lún của nền có cọc vật liệu rời

S0, Sv,o

m

Độ lún của nền khơng có cọc vật liệu rời


T

m

Chiều dày của dải đất giả định được tự chọn

W

m

Bề rộng quy đổi của băng cọc vật liệu rời

as

-

Tỷ số diện tích thay thế

B

m

Bề rộng đáy móng

C

kPa

Lực dính khơng thốt nước của đất nền

cs

kPa

Lực dính của đất

cavg

kPa

Lực dính trung bình

cII

kPa

Lực dính đơn vị của đất nền trực tiếp dưới đáy móng

H

m

Chiều sâu đáy móng

h0

m

Chiều sâu đến tầng hầm

ktc

-

Hệ số tin cậy

m1

-

Hệ số điều kiện làm việc của nền đất

m2

-

Hệ số điều kiện làm việc của nhà hoặc cơng trình có tác dụng
qua lại với đất nền

mv

m2/kN

N

-

Hệ số tập trung ứng suất

n0

-

Hệ số gia cố cơ bản

P

kN/m2

Áp lực gây lún

qc

kN/m2

Khả năng chịu tải của sét yếu

qu

kN/m2

Khả năng chịu tải trọng tới hạn

q0

kN/m2

Ứng suất trung bình

Z

m

Độ sâu



độ

Góc nghiêng của mặt trượt so với mặt nằm ngang

Hệ số nén thể tích

c, s

kN/m3

Trọng lượng đơn vị của của sét yếu, vật liệu rời

 cf  sf

kN/m3

Trọng lượng đơn vị của dải đất giả định trên đất nền, dải vật liệu
rời

f

kN/m3

Trọng lượng đơn vị của đất đắp mái dốc

II

kN/m3

Trọng lượng thể tích phía dưới độ sâu đặt móng

’II

kN/m3

Trọng lượng thể tích phía trên độ sâu đặt móng

,

c, s

độ

Góc ma sát trong của đất nền, vật liệu cọc

avg

độ

Góc ma sát trung bình

c

-

Tỷ số ứng suất tác dụng lên đất nền với ứng suất trung bình

s

-

Tỷ số ứng suất tác dụng lên cọc vật liệu rời với ứng suất trung
bình

, 

-

Hệ số poisson



độ



kN/m2

Ứng suất do tải trọng bản thân

c, s

kN/m2

Ứng suất tác dụng lên đất nền, cọc vật liệu rời

0

kN/m2

Ứng suất có hiệu thẳng đứng trong lớp sét (ban đầu)

z

kN/m2

Ứng suất do trọng lượng bản thân ở độ sâu z

ro

kN/m2

Ứng suất ban đầu theo phương bán kính dọc theo cọc



kN/m2

Sức chống cắt của nền có cọc vật liệu rời

c, s

kN/m2

Sức chống cắt trong đất nền, cọc vật liệu rời



độ

Góc mặt trượt so với phương thẳng đứng

Góc so với phương ngang của mặt trượt giả định

RM

kN.m

Mô men chống trượt do ma sát của cọc vật liệu rời

DM

kN.m

Mô men gây trượt do trọng lượng của cọc vật liệu rời


PHỤ LỤC


-1-

MỞ ĐẦU
1. Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài
Thành phố Cần Thơ nằm trên lưu vực đồng bằng sơng Mê Kơng. Đây là khu
vực có tầng đất phù sa khá dày và tập trung đất sét yếu. Với mục tiêu phát triển các
đô thị, rất cần thiết lựa chọn các giải pháp và công nghệ xử lý nền thích hợp cho
điều kiện của Cần Thơ.
Vấn đề gia cố nền đất yếu vốn đa dạng và phức tạp về nhiều cách thức, khi
gặp một trường hợp móng nền yếu thì quan trọng nhất chính là giải pháp xử lý nền
đất yếu, mà muốn có giải pháp thì ta phải biết những giải pháp có thể ứng dụng hay
nói cách khác là phạm vi áp dụng của từng giải pháp.
Việc đa dạng trong cách khắc phục nền đất yếu một mặt tạo điều kiện thuận

lợi về cách xử lý nhưng cũng có những khó khăn nhất định nếu người quyết định
không đủ kinh nghiệm và kiến thức để giới hạn và khoanh vùng giải pháp nhằm đạt
hiệu quả xử lý cao nhất. Có nhiều biện pháp cải tạo và gia cố nền đã được áp dụng
rộng rãi khắp nơi trên thế giới bao gồm: gia tải trước kết hợp với hệ thống thoát
nước theo phương đứng (giếng cát, bấc thấm, …), cọc xi măng đất, …. Với mục
đích chung cho việc gia cố nền của tất cả các biện pháp kỹ thuật nhằm can thiệp vào
môi trường bên trong các lớp đất yếu, tạo nên những biến đổi quá trình tái cấu trúc
thành phần hạt đất khi khai thác sử dụng xây dựng cơng trình. Mặt khác, vai trò của
việc gia cố cải tạo nền gồm:
- Tăng khả năng chịu tải của nền đất;
- Giảm biến dạng, tăng tốc độ cố kết nền đất, giảm lún lệch;
- Giảm độ nhạy, hóa lỏng;
- Tăng sức chống cắt của đất.
Do đó, ta thấy rằng cải tạo và xử lý đất yếu trở nên thuận lợi hơn nhờ sự
đóng góp của các biện pháp cải tạo từ những thành tựu nghiên cứu. Trong nhiều
phương pháp gia cố đất thì cọc vật liệu rời đã được ứng dụng từ rất lâu và phương
án thiết kế, thi công cũng rất đa dạng và biến hóa. Những ứng dụng mạnh mẽ của
cọc vật liệu rời như:


-2-

- Tăng khả năng chịu tải nền, nền móng chống đỡ cơng trình dân dụng;
- Ổn định trượt, mái dốc, ổn định nền đưỡng cơng trình giao thơng;
- Giảm đặc tính hóa lỏng của cát.
Cọc vật liệu rời cấu tạo gồm đá, sỏi hoặc cát như là một hệ thống thoát nước
theo phương đứng khi được cấm vào trong đất và trở nên khả thi hơn, ngày càng giữ
được vai trị chính trong giai đoạn lựa chọn phương án thiết kế và hiệu quả kinh tế
trong xử lý nền móng và tăng khả năng chịu tải của đất yếu. Với sự phát triển khoa
học kỹ thuật công nghệ hiện nay thì việc thi cơng cọc vật liệu rời ngày càng trở nên

thuận lợi và rút ngắn thời gian thi công.
Tuy nhiên, cơng nghệ cọc vật liệu rời cịn khá mới trên thị trường Việt Nam,
do đó ta cần tập trung nghiên cứu ứng dụng của cọc vật liệu rời phù hợp cho những
cơng trình ở Việt Nam nói chung và khu vực thành phố Cần Thơ nói riêng. Đây
chính là cơ sở hình thành nên đề tài luận văn này.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu dạng phá hoại thường gặp của cọc vật liệu rời ở khu vực đất
Cần Thơ.
Nghiên cứu đường kính và khoảng cách của cọc vật liệu rời để ứng dụng phù
hợp gia cố đất yếu tại khu vực Cần Thơ.
Nghiên cứu giải pháp cọc vật liệu rời ứng với áp lực tác dụng lên nền tối đa
đối với vùng đất yếu tại khu vực Cần Thơ.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phân tích lý thuyết tính tốn cọc vật liệu rời trong gia cố ổn định nền đất yếu.
Tính tốn khả năng chịu tải của nền trước và sau khi gia cố bằng cọc vật liệu
rời theo phương pháp giải tích.
Ứng dụng phần mềm phân tích ổn định, biến dạng và khả năng chịu tải của
nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời. Ứng dụng tính tốn cơng trình thực tế với địa
chất khu vực thành phố Cần Thơ.
Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng liên quan đến
phương pháp cọc vật liệu rời. So sánh kết quả giải tích và mơ phỏng. Từ đó, để có
được đánh giá và kiến nghị kết quả đạt được.


-3-

4. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài
Từ phân tích ứng xử của cọc vật liệu rời bằng phần mềm Plaxis với các
thơng số tính tốn được xác định từ hồ sơ và phịng thí nghiệm. Do vậy, kết quả thu
được mang tính khoa học và thực tiễn cao.

Nghiên cứu này sẽ rất hữu ích cho các kỹ sư địa kỹ thuật và được sử dụng
như tài liệu tham khảo để phân tích độ ổn định, biến dạng, sự phân bố ứng suất lên
khi gia cố nền bằng cọc vật liệu rời. Từ đó lựa chọn phương pháp tính tốn và mơ
hình phù hợp cho các cơng trình tại khu vực đất yếu.
5. Phạm vi nghiên cứu
Thời gian thực hiện đề tài ngắn nên ở đây chỉ tập trung phân tích xác định độ
lún, độ ổn định và khả năng chịu tải vùng nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời. Dựa
vào lý thuyết nghiên cứu dạng phá hoại thường gặp, kích thước của cọc vật liệu rời
(chiều dài, đường kính) để ứng dụng phù hợp gia cố đất yếu tại khu vực Cần Thơ.
Đồng thời tìm giải pháp cọc vật liệu rời hợp lý ứng với chiều cao đắp hợp lý
đối với đất yếu tại khu vực thành phố Cần Thơ.


-4-

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT YẾU
1.1. Tổng quan về cọc vật liệu rời
Cọc vật liệu rời cấu tạo chủ yếu là cát, đá hoặc sỏi dùng để cải tạo nền đất
yếu. Đất nền được cải tạo bằng cọc vật liệu rời trở thành nền hỗn hợp. Khi chịu tải
trọng tác dụng cọc vật liệu rời có khuynh hướng phình ngang và truyền ứng suất
qua phần đất nền ở phía trên. Cường độ và khả năng chịu tải của đất nền hỗn hợp có
thể gia tăng và tính nén lún giảm. Ngồi ra, cọc cấu tạo bằng vật liệu rời có hệ số
thấm lớn cho nên nó cũng có chức năng làm tăng nhanh tốc độ cố kết và giảm độ
lún còn lại khi sử dụng cơng trình.
Cọc vật liệu rời có đường kính từ 0,3m ÷ 1,2m tùy thuộc vào cơng nghệ và
thiết bị của nhà thầu xây dựng. Khi sử dụng cọc vật liệu rời gia cố nền đất yếu thì số
lượng cọc sẽ thay thế từ 15% ÷ 35% thể tích đất yếu trong nền, sức chịu tải đất nền
tăng từ 50% ÷ 100%, độ lún giảm 3 ÷ 4 lần khi chưa gia cố. Khả năng chịu tải của
cọc từ 20T ÷ 50T tùy theo chiều dài và đường kính thiết kế của cọc. Khi cọc vật liệu

rời được xem là một phương pháp gia cố, cải tạo đất. Chiều dài của cọc được sử
dụng ở châu Âu có xu hướng nói chung giữa 13ft và 33ft (4m÷10m), thực tế và kinh
tế cho độ sâu ít hơn khoảng 20ft (6m). Chúng tạo nên một mơi trường đất có sức
chịu tải lớn và xảy ra quá trình tái kết cấu của khung hạt đất, sự phân bố lại ứng suất
trong nền, giảm độ lún, tăng nhanh quá trình cố kết. Cọc vật liệu rời đóng vai trị
như một hệ thống thoát nước của nền đất yếu, làm tăng nhanh quá trình cố kết của
đất tại khu vực xây dựng.
Điều kiện làm việc của cọc phụ thuộc vào cách bố trí cọc trên mặt bằng thi
cơng. Có ba hình thức bố trí cọc thường gặp là bố trí dạng tam giác, dạng lục giác
và dạng lưới ô vuông. Mỗi phương án thiết kế tác giả có thể tính tốn ổn định của
nền đất yếu.
Việc sử dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền có những ưu điểm nổi bật sau:
- Cọc vật liệu rời giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình
cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn.


-5-

- Nền đất được ép chặt do ống thép tạo lỗ, sau đó lèn chặt đất vào lỗ làm cho
đất được nén chặt thêm, nước trong đất bị ép thoát vào cọc cát, do vậy làm tăng
cường độ cho nền đất sau khi xử lý.
- Cọc vật liệu rời thi công đơn giản, vật liệu rẻ tiền (đá, sỏi hoặc cát) nên giá
thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệu khác.
Nhìn chung, khái niệm nền đất yếu bao hàm các loại đất sét yếu, đất với tỷ
phần hạt mịn cao hoặc đất sét chứa hàm lượng nước cao, đất chứa nhiều than bùn và
các tập cát lỏng ở gần hoặc dưới mực nước ngầm. Đối với các loại đất dạng sét, “độ
yếu” của chúng có thể đánh giá trên cơ sở sức kháng nén không nở hông, qu và giá
trị SPT N cũng được dùng để đánh giá độ chắc, tỷ trọng tương đối của nền đất. Xét
các yếu tố như tầm quan trọng của cơng trình, tải trọng, điều kiện nền đất, thời gian
xây dựng ... có thể thấy rõ tầm quan trọng của việc chọn lựa phương pháp thích hợp

đối với từng loại đất cụ thể:
- Đối với đất yếu và đất kết dính trong điều kiện đang lún, có thể áp dụng các
biện pháp cải thiện nền đất như Cọc vật liệu rời nện, thêm phụ gia.
- Đối với các loại nền cát rời có thể áp dụng các biện pháp đầm hiện trường
như đầm rung, đầm cộng hưởng và đầm rung nổi.
- Đối với các nền đất đắp nổi cao trên mặt đất, có thể áp dụng các biện pháp
gia cường đất, ổn định cơ học hoặc sử dụng các vật liệu địa kỹ thuật nhẹ.
1.2. Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền
Trong số các biện pháp cải thiện nền đất ngồi trời, có lẽ cọc cát hoặc đá là
vạn năng nhất. Chúng trước hết giúp gia cường nền và tiêu thốt nước, sau đó cịn
giúp cải thiện sức bền và đặc điểm biến dạng của đất yếu sau khi thi công và tái cố
kết. Cọc vật liệu rời, thay thế cho một phần đất yếu lấy đi, làm tăng dung trọng của
đất, tiêu thoát nhanh lượng áp lực nước lỗ rỗng dư, làm việc như những kết cấu
khoẻ, cứng chắc và chịu được ứng suất cắt lớn hơn.
Cọc vật liệu rời có thể áp dụng cho nhiều kiểu loại đất khác nhau, từ các loại
cát rời đến đất sét yếu và các loại đất hữu cơ. Cọc vật liệu rời rất kinh tế kể cả khi
phải chịu tải ở mũi cọc. Chúng được thi công bằng các biện pháp như rung - thay
thế, cọc cát đầm, cọc đá đóng và thậm chí đầm nặng. Cọc đá đóng đồng thời cũng


-6-

có thêm tác dụng của đầm nặng vì thực chất chúng được chất tải trước. Cọc vật liệu
rời thường được dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày > 3m.
Trên thế giới, cọc vật liệu rời được sử dụng rát phổ biến như: Ở Châu Âu cọc
vật liệu rời được ứng dụng rộng rãi hơn ở Mỹ và Canada; Ở Anh, cọc vật liệu rời sử
dụng thành công hơn 40 cơng trình gia cố nền bên dưới đoạn dẫn vào cầu; Còn ở
Pháp, cọc vật liệu rời thường sử dụng cho các cơng trình đất đắp và gia cố nền. Tuy
nhiên, nhìn chung thì cọc vật liệu rời sử dụng rộng hơn trong việc xây dựng các
cơng trình bồn chứa, nhà kho và những cơng trình đất đắp.

Ngồi ra, ngoài việc sử dụng cọc vật liệu rời bằng đá, sỏi người ta còn sử
dụng vật liệu cát hạt thơ. Cọc cát đóng vai trị như cọc vật liệu rời và ở Nhật cũng
được dùng trong thiết kế gia cố nền.
1.3. Công nghệ thi công cọc vật liệu rời
1.3.1. Các phƣơng pháp thi công cọc vật liệu rời
Những phương pháp khác nhau để tạo các cọc vật liệu rời đã được ứng dụng
khắp thế giới, tùy thuộc vào khả năng ứng dụng thực tế và khả năng thiết bị có được
ở từng địa phương. Sau đây, tác giả mơ tả sơ lược những phương pháp thông dụng.
1.3.1.1. Phương pháp rung và lèn chặt
Phương pháp này làm gia tăng độ chặt của đất rời, khơng dính bằng một đầu
rung xâm nhập vào đất nhờ trọng lượng của bản thân và rung động do đó gây ra với
sự hỗ trợ của nước. Sau khi đạt tới độ sâu thiết kế, đầu rung được rút lên từ từ đồng
thời cho cát vào lỗ và tiếp tục rung, nhờ đó đất rời được chặt hơn. Phương pháp
rung và lèn chặt được mô tả trong hình 1.1 bên dưới.


-7-

Hình1.1: Phương pháp rung và lèn chặt (theo Baumann và Bawer, 1974)
1.3.1.2. Phương pháp rung và thay thế
Phương pháp rung và thay thế đất được dùng để cải tạo nền đất sét có phần
trăm hạt mịn lọt qua rây số 200 vượt quá 18%, thiết bị thi công tương tự như trong
phương pháp rung và lèn chặt. Đầm rung xâm nhập vào đất nhờ trọng lượng của
bản thân với sự hỗ trợ của tia nước hoặc khí áp lực xói các hạt trung và mịn trồi lên
phía trên. Phương pháp này có thể tiến hành thi cơng khơ hoặc ướt. Phương pháp
rung và thay thế được mơ tả qua hình 1.4 bên dưới.

Hình 1.2: Phương pháp rung và thay thế (Vibro Replacement)
Trong q trình thi cơng ướt thể hiện trong hình 1.2, đầu rung có thể xói đất
bằng tia nước áp lực để tạo lỗ đến độ sâu thiết kế. Khi đầu rung rút lên một đoạn,

-8-

cát được cho vào và đầu rung hoạt động để lèn chặt đất, quá trình này được lặp lại
cho đến khi hình thành cọc vật liệu rời. Phương pháp thi cơng ướt chỉ thích hợp cho
trường hợp thành lỗ dễ sụp và mực nước ngầm cao. Sự khác biệt giữa phương pháp
thi cơng khơ và ướt là có sử dụng tia nước áp lực hay khơng.

Hình 1.3: Sơ đồ mơ tả trình tự thi cơng cọc đá bằng phương pháp ướt
Trong phương pháp thi cơng khơ ở hình 1.3, hố khoan phải khơng bị sụp, đất
nền phải có sức chống cắt khơng thốt nước > 40kN/m2 và mực nước ngầm tương
đối thấp.

Hình 1.4: Sơ đồ mơ tả trình tự thi công cọc đá bằng phương pháp khô


-9-

1.3.1.3. Phương pháp rung kết hợp
Phương pháp này được áp dụng phổ biến ở Nhật, dùng để cải tạo nền đất yếu
có mực nước ngầm cao. Cọc được tạo thành bằng cách hạ ống bao vào đất nhờ búa
rung động đặt ở đầu ống bao, sau đó cho cát vào ống bao lên một đoạn và đóng lại
một phần để cát lấp vào lỗ và được lèn chặt. Cọc vật liệu rời được tạo thành do
phương pháp thi công này được gọi là cọc cát vì cát dùng làm vật liệu chính cho cọc
như hình 1.5.

/Dựng lắp/ Xâm nhập vào đất/ /Tạo cọc vật liệu rời và đầm chặt/
Hình 1.5: Phương pháp rung kết hợp (theo Aboshi và Suematsu, 1985)
1.3.1.4. Phương pháp khoan có ống bao

Cọc được thi cơng bằng cách dùng một quả tạ nặng (thường 15 - 20 kN) đầm
vật liệu rời trong một lỗ đã khoan trước từ độ cao khoảng 1,0 - 1,5m như hình 1.6
bên dưới. Phương pháp này khá rẻ và có thể thay cho biện pháp đầm rung. Tuy
nhiên, phương pháp này gây ra xáo động nền đất và do đó khả năng ứng dụng có thể
hạn chế đối với các loại đất nhạy cảm.