Nghiên cứu sự làm việc của cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao trong xử lý nền đất yếu cho xây dựng giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN THÁI LINH
NGUYỄN THÁI LINH

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ĐẤT XI MĂNG
KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO
TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO XÂY DỰNG GIAO THÔNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN THÁI LINH

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ĐẤT XI MĂNG
KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO
TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO XÂY DỰNG GIAO THƠNG

Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Mã số

: 9580205

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1 - PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh
2 - PGS.TS. Phạm Hoàng Kiên

HÀ NỘI - 2021


i

LỜI CẢM ƠN
Bằng những tình cảm chân thành nhất, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc
tới PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh và PGS.TS. Phạm Hoàng Kiên đã tận tình hướng dẫn
và định hướng khoa học, tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như giúp đỡ tác giả trong suốt
q trình học tập, nghiên cứu để hồn thành luận án.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong bộ môn Địa kỹ thuật, đặc
biệt là sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Nguyễn Sỹ Ngọc, PGS.TS. Nguyễn Châu Lân
và ThS. Nguyễn Hải Hà trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ, các chuyên gia và
các nhà khoa học đã chỉ dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để luận án được hồn
thiện.
Trong q trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Giao thông Vận tải, tác
giả xin được trân trọng cảm ơn: Ban Giám hiệu Nhà trường, phịng Đào tạo Sau đại học,
khoa Cơng trình đã quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành nhiệm vụ
học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tác giả xin được cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đã
động viên, chia sẻ trong suốt thời gian thực hiện luận án.


ii

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Tác giả luận án

NCS. Nguyễn Thái Linh


iii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CỌC ĐẤT XI MĂNG

KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ................................. 4
1.1 Khái quát về đất yếu, cọc đất xi măng, lưới địa kỹ thuật và các giải pháp xây
dựng cơng trình trên nền đất yếu .....................................................................................4
1.1.1 Đất yếu và phân loại đất yếu [2], [5], [6] ...........................................................4
1.1.2 Sơ lược về các giải pháp xây dựng trên nền đất yếu cho nền đường đắp ..........5
1.1.3 Cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật .................................................................8
1.2 Tổng quan về nghiên cứu cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật để xử lý nền

đất yếu............................................................................................................................14
1.2.1 Mô tả giải pháp và ứng dụng............................................................................14
1.2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật ..............18
1.2.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp cọc đất xi măng kết hợp lưới
Địa kỹ thuật ở Việt Nam ...........................................................................................37
1.3 Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án .................................................................38
1.4 Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................39
CHƯƠNG 2

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC HỆ CỌC ĐẤT

XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO ............................ 41
2.1 Phương pháp phân tích số và mơ hình vật liệu........................................................41
2.1.1 Khái qt các nghiên cứu hệ cọc kết hợp vật liệu Địa kỹ thuật bằng phương
pháp phân tích số .......................................................................................................41
2.1.2 Các mơ hình tính tốn trong nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới
Địa kỹ thuật bằng phân tích số ..................................................................................42
2.1.3 Các mơ hình vật liệu sử dụng trong phân tích số hệ cọc đất xi măng kết hợp
lưới Địa kỹ thuật........................................................................................................45


iv

2.2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới
Địa kỹ thuật cường độ cao .............................................................................................49
2.2.1 Các tham số phân tích và mơ hình phân tích ...................................................49
2.2.2 Các trường hợp phân tích .................................................................................51
2.2.3 Phân tích kết quả ..............................................................................................54
2.3 Hệ số ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới
địa kỹ thuật ....................................................................................................................62

2.4 Nhận xét chương 2...................................................................................................65
CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ

THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN MƠ HÌNH VẬT LÝ ............................................ 66
3.1 Mơ hình thu nhỏ ......................................................................................................66
3.1.1 Các nghiên cứu mơ hình thực nghiệm .............................................................66
3.1.2 Các nghiên cứu mơ hình thu nhỏ hệ cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật ......68
3.2 Xây dựng mô hình hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao ....71
3.2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình ...................................................................71
3.2.2 Chuẩn bị hộp thí nghiệm, vật liệu, hệ thống gia tải .........................................74
3.2.3 Hiệu chỉnh các thiết bị thí nghiệm ...................................................................76
3.2.4 Lắp đặt mơ hình thí nghiệm .............................................................................78
3.3 Kết quả thí nghiệm mơ hình hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường
độ cao .............................................................................................................................81
3.3.1 Quy trình thí nghiệm ........................................................................................81
3.3.2 Kết quả thí nghiệm độ lún ................................................................................81
3.3.3 Kết quả thí nghiệm đo ứng suất đầu cọc và áp lực đất nền ..............................85
3.3.4 Kết quả thí nghiệm đo biến dạng lưới địa kỹ thuật ..........................................88
3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................................89
CHƯƠNG 4

ĐỀ XUẤT CÁC CÔNG THỨC TÍNH TỐN HỆ CỌC ĐẤT XI

MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO ................................ 90
4.1 Cơ sở lý thuyết xác định lực kéo lưới Địa kỹ thuật theo tiêu chuẩn BS 8006
(Anh) ..............................................................................................................................90
4.2 Độ lún của hệ cọc đất xi măng theo TCVN 9906:2014 ..........................................92
4.3 Đề xuất cơng thức tính tốn .....................................................................................94

4.3.1 Đề xuất cơng thức xác định hệ số tạo vòm Cc cho cọc đất xi măng trong


v

trường hợp cọc chống ................................................................................................94
4.3.2 Đề xuất công thức xác định áp lực đất nền và lực phân bố WT trên lưới địa
kỹ thuật trong trường hợp cọc chống ........................................................................97
4.3.3 Đề xuất cơng thức tính lún hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật
trong trường hợp cọc chống ....................................................................................100
4.4 Đánh giá các cơng thức đề xuất tính toán hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa
kỹ thuật cường độ cao..................................................................................................101
4.4.1 Đánh giá công thức đề xuất tính hệ số tạo vịm và áp lực đất nền trường
hợp cọc chống .........................................................................................................101
4.4.2 Đánh giá công thức đề xuất tính tốn độ lún hệ cọc đất xi măng kết hợp
lưới Địa kỹ thuật......................................................................................................105
4.5 Kết luận chương 4 .................................................................................................107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 108
I. KẾT LUẬN ..............................................................................................................108
II. NHỮNG HẠN CHẾ ...............................................................................................109
III. KIẾN NGHỊ ...........................................................................................................109
IV. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................................109
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................ 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 111


vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
IL

Độ sệt

BTCT

Bê tông cốt thép

ĐKT

Địa kỹ thuật

ĐXM

Đất xi măng

GRPS

Cọc kết hợp vật liệu Địa kỹ thuật (Geosynthetics Reinforced Pile
Supported)

LTP

Lớp truyền tải (Load Transfer Platform)

MC

Mơ hình đất Mohr - Coulomb

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Kí hiệu Đơn vị

Giải thích ý nghĩa

A

m2

Diện tích mặt cắt ngang cọc

AC

m2

Diện tích mũ cọc hoặc đỉnh cọc (trường hợp khơng có mũ cọc)

AE

m2

Phần diện tích một ơ cọc

a

m

Kích thước mũ cọc vng hoặc kích thước quy đổi từ mũ cọc trịn

a'1

-

Hệ số tương tác giữa cốt ĐKT với lớp đất phía trên cốt ĐKT

a'2

-

Hệ số tương tác giữa cốt ĐKT với lớp đất phía dưới cốt ĐKT

Cc

-

Hệ số vịm

ci

kPa

d

m

E

MPa

Ecap

-

Hiệu quả truyền tải tại mũ cọc

Ecr

-

Hiệu quả truyền tải tại đỉnh vòm

Emin

-

Giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị Ecap và Ecr

Es

MPa

Fmax

kN

Fpi

kN/m

fm

-

Hệ số vật liệu riêng phần cho cốt ĐKT

fms

-

Hệ số riêng phần vật liệu áp dụng với tan

Lực dính đơn vị của phần tử tiếp xúc
Đường kính mũ cọc hoặc đường kính quy đổi
Mô đun đàn hồi vật liệu cọc

Mô đun đàn hồi của đất nền
Lực nén lớn nhất cho phép tại chân cọc
Sức chịu tải của cọc i trên 1 m chiều dài tuyến đường


vii

fn

-

Hệ số riêng phần trên phương diện thiệt hại về mặt kinh tế

fp

-

Hệ số riêng phần của sức kháng kéo của cốt

fs

-

Hệ số riêng phần của sức kháng trượt của cốt

H

m

Chiều cao đất đắp

Hv

m

Chiều cao vòm đất

hi

m

Khoảng cách giữa các lớp lưới

J1, J2

kN/m

Mô đun dãn dài của cốt ĐKT theo phương 1 và 2

Jx, Jy

kN/m

Mô đun độ dãn dài của cốt ĐKT theo phương x và y

Ka

-

Kfoot

kPa

Kn, Kt

kPa

Kp

-

Ks

kPa

k

-

ks

Hệ số áp lực đất chủ động
Mô đun đàn hồi của phần tử tiếp xúc cọc và nền tại chân cọc
Mô đun đàn hồi chống cắt theo phương vng góc với thân cọc
của phần tử tiếp xúc
Hệ số áp lực đất bị động
Mô đun đàn hồi chống cắt theo phương dọc thân cọc của phần tử
tiếp xúc
Số cọc nằm trong vùng trượt

kN/m3 Hệ số nền
Chiều dài neo giữ cốt theo mặt cắt ngang cần thiết phụ thuộc vào

Lb

m

Li

m

Ln

m

LP

m

MD

kN.m

Mô men gây trượt

MRP

kN.m

Mô men chống trượt do cọc

MRR

kN.m

Mô men chống trượt do cốt ĐKT

MRS

kN.m

Mô men chống trượt do đất

mi

m

Chiều dài phân bố của ngoại lực trên mảnh thứ i

n

-

Độ dốc taluy nền đắp

hàng cọc ngoài cùng
Chiều dài đoạn cốt ĐKT lớp i
Chiều dài tính tốn đoạn cốt ĐKT giới hạn trong tam giác vòm
đất
Khoảng cách theo phương nằm ngang từ mép ngoài của mũ cọc
ngoài cùng đến chân taluy


viii

p'c

kPa

Ứng suất thẳng đứng trên mũ cọc

QP

kN

Khả năng chịu tải của mỗi cọc trong nhóm

q

kPa

Ngoại tải đặt trên nền đắp

Rd

m

Bán kính cung trượt

Rinter

-

Hệ số suy giảm

s

m

Khoảng cách giữa hai cọc liên kề tính từ tim cọc

sd

m

TD

kN/m

Cường độ thiết kế của cốt ĐKT

Ti

kN/m

Cường độ chịu kéo trong lớp cốt ĐKT thứ i

Tr

kN/m

Lực kéo tính tốn trên 1m chiều rộng cốt, Tr = Trp + Tds

Trp

kN/m

Lực kéo trong cốt do tải trọng thẳng đứng trên 1m chiều rộng

kN/m

Lực kéo theo phương ứng suất chính 1và 2 trên 1m chiều rộng

Tu

kN/m

Cường độ chịu kéo danh định của cốt ĐKT trên 1m chiều rộng

tw

m

Chiều dầy lớp đất yếu

ui

m

Chiều cao mực nước ngầm tính từ mặt trượt của phân tố

uP

m

Chuyển vị của cọc

us

m

Chuyển vị của đất

Wi

kN

Trọng lượng của mỗi mảnh

Wtr

kN

wi

kPa

y

m

Độ lún lệch giữa cọc và đất yếu xung quanh



độ

Góc nghiêng của cạnh vịm đất



độ

Góc nghiêng của mặt trượt phân tố với mặt phẳng nằm ngang

Trp1,
Trp2

Khoảng cách lớn nhất giữa hai cọc trong một ô lưới cọc tính từ
tim cọc

Lực thẳng đứng trên diện tích AE do tĩnh tải đất đắp và ngoại tải
gây ra
Ứng suất trên lớp cốt thứ i



kN/m3 Trọng lượng thể tích của đất đắp



kN/m3

a,k

độ

Góc ma sát chủ động trong trường hợp nền đắp trên cọc



%

Độ dãn dài tương đối của cốt ĐKT

Trọng lượng thể tích của nước

ix

c

%

Biến dạng tương đối của cọc theo phương thẳng đứng

1, 2

%

Độ dãn dài tương đối theo phương 1 và 2 trên 1 m dài

p

độ

’v

kPa

Ứng suất thẳng đứng trung bình ở đáy nền đắp:

’cv

độ

Góc ma sát trong hữu hiệu của đất đắp

’cv1

độ

Góc ma sát trong của lớp đất phía trên cốt ĐKT

’cv2

độ

Góc ma sát trong của lớp đất lớp phía dưới cốt ĐKT

i

độ

Góc ma sát trong của phần tử tiếp xúc



-

Góc đứng của phương đi qua mép ngoài của mũ cọc ngồi cùng
và vai đường

Hệ số khơng thứ ngun phụ thuộc vào độ dãn dài


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Hệ số suy giảm cường độ theo thời gian của lưới cường độ cao [64] ...........13
Bảng 1.2 Các nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật tiêu biểu .......16
Bảng 2.1 Hệ số tiếp xúc đất và kết cấu [65] ..................................................................48
Bảng 2.2 Bảng thơng số vật liệu mơ hình .....................................................................51
Bảng 2.3 Bảng tổng hợp các trường hợp khảo sát.........................................................51
Bảng 2.4 Ảnh hưởng của tải trọng thẳng đứng v’ đến hiệu quả truyền tải ..................54
Bảng 2.5 Ảnh hưởng của tỷ số s/D đến hiệu quả truyền tải ..........................................56
Bảng 2.6 Ảnh hưởng của tỷ số Ec/Es đến hiệu quả truyền tải ......................................58
Bảng 2.7 Ảnh hưởng số lớp lưới Địa kỹ thuật đến hiệu quả truyền tải.........................59
Bảng 2.8 Ảnh hưởng của mô đun dãn dài J của lưới đến hiệu quả truyền tải ...............61
Bảng 2.9 Tổng hợp ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hiệu quả truyền tải cọc ....63
Bảng 3.1 Tổng hợp nghiên cứu mơ hình tỷ lệ thu nhỏ của các tác giả .........................71
Bảng 3.2 Quan hệ tỷ lệ giữa mơ hình thực và mơ hình thu nhỏ ....................................72
Bảng 3.3 Các đại lượng cơ bản trong mơ hình thu nhỏ.................................................74
Bảng 3.4 Một số đặc trưng vật lý của đất yếu sử dụng nghiên cứu trên mơ hình .........75
Bảng 3.5 Độ lún đỉnh cọc và đất nền theo từng cấp áp lực ...........................................82
Bảng 3.6 Ứng suất đỉnh cọc và áp lực đất nền theo từng cấp áp lực ............................85
Bảng 3.7 Biến dạng và độ dãn dài lưới Địa kỹ thuật theo các trường hợp ...................88
Bảng 4.1 Hệ số tạo vòm theo thực nghiệm và BS 8006 ................................................94
Bảng 4.2 Mức độ phù hợp của cơng thức đề xuất hệ số tạo vịm .................................95
Bảng 4.3 Áp lực đất nền thí nghiệm theo các cấp áp lực ..............................................97
Bảng 4.4 Mức độ phù hợp của công thức đề xuất áp lực truyền vào đất yếu ...............98
Bảng 4.5 Cơng thức tính ứng suất đầu cọc và áp lực đất nền theo các phương pháp .101
Bảng 4.6 Hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp
(khoảng cách s = 2.5D) ................................................................................................101
Bảng 4.7 Hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp
(khoảng cách s = 3D) ...................................................................................................102
Bảng 4.8 R2 của hệ số tập trung ứng suất trong các trường hợp .................................104

Bảng 4.9 Độ lún hệ cọc đất xi măng theo các phương pháp (khoảng cách s = 2,5D) 105
Bảng 4.10 Độ lún hệ cọc đất xi măng theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) .105
Bảng 4.11 R2 của kết quả độ lún hệ cọc trong các trường hợp ...................................107


xi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các loại lưới địa kỹ thuật ...............................................................................13
Hình 1.2 Các lớp truyền tải LTP để tăng hiệu quả truyền tải cọc [24] .........................14
Hình 1.3 Hệ cọc kết hợp vật liệu địa kỹ thuật ...............................................................15
Hình 1.4 Thi công cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật tại Nhật Bản ..........................16
Hình 1.5 Một số ứng dụng cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật [43] .................17
Hình 1.6 Diện tích cọc (mũ cọc) phụ thuộc vào chiều cao nền đắp [47] ......................18
Hình 1.7 Trạng thái ứng suất trong khối đắp theo Terzaghi (1943) [72] ......................20
Hình 1.8 Phương thức truyền tải hệ GRPS theo Han và Gabr (2002) [43] ...................21
Hình 1.9 Vịm đất theo Guido và nnk (1986) ................................................................23
Hình 1.10 Vịm đất theo phương pháp Thụy Điển (1987) ............................................23
Hình 1.11 Giả thiết vịm đất dạng bán cầu Hewlett và Randolph (1988) .....................24
Hình 1.12 Bố trí mơ hình thực nghiệm Zaeske (2001)..................................................25
Hình 1.13 Kết quả thực nghiệm Zaeske (2001) ............................................................25
Hình 1.14 Giả thiết vịm đất trong phương pháp Colin (2004) .....................................26
Hình 1.15 Vịm đất theo EBGEO ..................................................................................27
Hình 1.16 Diện tích ơ cọc ..............................................................................................28
Hình 1.17 Lực thẳng đứng phân bố trên lưới Địa kỹ thuật ...........................................29
Hình 1.18 Toán đồ tra độ dãn dài lớn nhất trên lưới Địa kỹ thuật theo EBGEO 2010 .30
Hình 1.19 Trạng thái giới hạn về cường độ theo BS 8006 ............................................31
Hình 1.20 Trạng thái giới hạn sử dụng theo BS 8006 ...................................................31
Hình 1.21 Chiều cao vịm đất theo BS 8006 .................................................................32
Hình 1.22 Phân bố tải trọng theo lý thuyết vòm đất của Marston .................................32

Hình 1.23 Vịm đất theo Hewlett và Randolph 1988 ....................................................34
Hình 1.24 Sơ đồ tính lực kéo Trp do tải trọng thẳng đứng theo BS 8006 ......................35
Hình 1.25 Sơ đồ tính Tds do trượt ngang khối đắp trên lưới theo BS 8006...................35
Hình 2.1 Phân tích 2D - EA hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật mô phỏng cơng
trình đường sau mố cầu tại sơng Sippo (Hertsby, Phần Lan) [43] ................................43
Hình 2.2 Mơ hình đối xứng trục hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật [70] ....44
Hình 2.3 Mơ hình 3D hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật .............................45
Hình 2.4 Mơ hình Mohr- Coulomb ...............................................................................46


xii

Hình 2.5 Khơng gian ứng suất chính Mohr- Coulomb..................................................47
Hình 2.6 Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng của mô hình Mohr - Coulomb ................47
Hình 2.7 Lực kéo trong lưới Địa kỹ thuật .....................................................................48
Hình 2.8 Mơ hình bài tốn nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật
cường độ cao trong xử lý nền đất yếu ...........................................................................50
Hình 2.9 Mơ hình số 3D hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao .52
Hình 2.10 Chuyển vị hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao ......52
Hình 2.11 Ứng suất thẳng đứng hệ cọc đất xi măng trong phân tích số 3D .................53
Hình 2.12 Lực kéo lưới Địa kỹ thuật trong phân tích số 3D .........................................53
Hình 2.13 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng áp lực thẳng đứng ..55
Hình 2.14 Hàm hồi quy hiệu quả truyền tải do ảnh hưởng tải trọng thẳng đứng..........55
Hình 2.15 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng của tỷ số s/D ...........56
Hình 2.16 Hàm hồi quy hiệu quả truyền tải do ảnh hưởng tỷ số s/D ............................57
Hình 2.17 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng của tỷ số Ec/Es ........58
Hình 2.18 Hàm hồi quy hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới do ảnh hưởng tỷ số Ec/Es 59
Hình 2.19 Hiệu quả truyền tải cọc do ảnh hưởng của mơđun dãn dài lưới địa kỹ thuật
.......................................................................................................................................60
Hình 2.20 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng mơđun dãn dài lưới J

.......................................................................................................................................61
Hình 2.21 Hàm hồi quy hiệu quả truyền tải do ảnh hưởng môđun dãn dài của lưới ....62
Hình 2.22 Hệ số ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả truyền tải cọc .......................64
Hình 3.1 Nguyên lý của sự thay đổi áp lực địa tầng (dưới tác dụng của gia tốc trọng
trường 1g) và lực ly tâm tác dụng lên mẫu [11] ............................................................67
Hình 3.2 Mơ hình hệ cọc đất xi măng gia cố móng tỷ lệ 1/30 [17] ..............................68
Hình 3.3 Mơ hình hệ cọc đất xi măng đường kính 20mm [30] .....................................69
Hình 3.4 Mơ hình hệ cọc đất xi măng đường kính 40mm [35] .....................................69
Hình 3.5 Mơ hình thu nhỏ lớp lưới Địa kỹ thuật [27] ...................................................70
Hình 3.6 Mơ hình thu nhỏ thí nghiệm kéo lớp lưới Địa kỹ thuật [85] ..........................70
Hình 3.7 Mơ hình thực hệ cọc kết hợp lưới ĐKT cường độ cao...................................73
Hình 3.8 Tương quan giữa mơ hình thực và mơ hình thu nhỏ trong bài toán

hệ

cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao ..............................................73


xiii

Hình 3.9 Kích thủy lực để gia tải ..................................................................................75
Hình 3.10 Các thiết bị đo chuyển vị, biến dạng ............................................................75
Hình 3.11 Mơ hình thực nghiệm được chế tạo ..............................................................76
Hình 3.12 Quan hệ giữa lực kéo với biến dạng của lưới địa kỹ thuật ...........................76
Hình 3.13 Biểu đồ hiệu chỉnh đo ứng suất đầu cọc .......................................................77
Hình 3.14 Cường độ nén một trục nở hông mẫu chế bị đất xi măng ở 7 và 28 ngày ...78
Hình 3.15 Cường độ nén một trục nở hông với biến dạng mẫu chế bị đất xi măng có hàm
lượng khác nhau ở 28 ngày ...........................................................................................78
Hình 3.16 Tạo hệ cọc đất xi măng D40 trong mơ hình thực nghiệm ............................79
Hình 3.17 Mơ hình thực nghiệm cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao

sau khi lắp đặt ................................................................................................................81
Hình 3.18 Sơ đồ bố trí hệ thống các thiết bị đo chuyển vị, ứng suất ............................81
Hình 3.19 Độ lún hệ cọc ĐXM khoảng cách s = 2.5D khi khơng có và có lưới ĐKT .83
Hình 3.20 Độ lún hệ cọc đất xi măng khoảng cách s = 2.5D và s = 3D có lưới ĐKT ..83
Hình 3.21 Độ lún lệch giữa cọc ĐXM và đất nền trong các trường hợp thí nghiệm ....84
Hình 3.22 Độ lún hệ cọc đất xi măng trong các trường hợp và TCVN 9906:2014 ......84
Hình 3.23 Ứng suất đầu cọc, áp lực đất nền khi khoảng cách cọc 2,5D khơng có lưới 86
Hình 3.24 Ứng suất đầu cọc, áp lực đất nền khi khoảng cách cọc 2,5D có lưới ĐKT .86
Hình 3.25 Ứng suất đầu cọc, áp lực đất nền khi khoảng cách cọc 3D có lưới ĐKT ....87
Hình 3.26 Hệ số tập trung ứng suất trong các trường hợp thí nghiệm ..........................87
Hình 3.27 Biến dạng và độ dãn dài tương đối lưới Địa kỹ thuật theo các trường hợp .88
Hình 4.1 Các thành phần chịu tải trọng hệ cọc đất xi măng..........................................91
Hình 4.2 Sơ đồ xác định độ lún hệ cọc đất xi măng ......................................................92
Hình 4.3 Hệ số tạo vịm theo kết quả thực nghiệm và BS 8006 ...................................94
Hình 4.4 R2 của hệ số tạo vịm theo cơng thức đề xuất trường hợp s = 2,5D ...............96
Hình 4.5 R2 của hệ số tạo vịm theo cơng thức đề xuất trường hợp s = 3D ..................96
Hình 4.6 Áp lực đất nền theo kết quả thực nghiệm .......................................................97
Bảng 4.3 Áp lực đất nền thí nghiệm theo các cấp áp lực ..............................................97
Bảng 4.4 Mức độ phù hợp của công thức đề xuất áp lực truyền vào đất yếu ...............98
Hình 4.7 R2 của áp lực đất nền theo công thức đề xuất trường hợp s = 2,5D ...............99
Hình 4.8 R2 của áp lực đất nền theo công thức đề xuất trường hợp s = 3D ..................99


xiv

Hình 4.9 Sơ đồ tính độ lún của hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật ...........100
Hình 4.10 Tỷ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp (khoảng cách s = 2,5D) 102
Hình 4.11 Hệ số tập trung ứng suất theo các phương pháp (khoảng cách s = 2,5D) ..103
Hình 4.12 Tỷ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) ...103
Hình 4.13 Hệ số tập trung ứng suất theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) .....104

Hình 4.14 Độ lún hệ cọc tính theo các phương pháp (khoảng cách s = 2,5D) ............106
Hình 4.15 Độ lún hệ cọc tính theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) ...............106


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Để phát triển kinh tế đất nước, mạng lưới đường bộ nói chung và hệ thống đường ơ
tơ cao tốc nói riêng ngày càng được ưu tiên đầu tư xây dựng. Tất yếu, việc xây dựng cơng
trình đường đắp qua vùng đất yếu tại đồng bằng Bắc Bộ, ven biển và Nam Bộ là không
tránh khỏi. Những năm qua, nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu được giới thiệu không chỉ
giải quyết bài tốn kinh tế - kỹ thuật, mà cịn hướng tới việc tối ưu về thời gian thi công.
Một trong số đó, việc sử dụng giải pháp cọc đất xi măng (ĐXM) kết hợp với lưới địa kỹ
thuật (ĐKT) hay lưới địa kỹ thuật cường độ cao, còn được gọi là hệ nền cọc GRPS
(Geosynthetics Reinforced Pile Supported) cũng được đề xuất và ngày càng được sử dụng
rộng rãi. Nhờ khả năng chịu kéo lớn, lưới ĐKT cường độ cao khi trải trên đỉnh cọc tạo
thành lớp truyền tải mềm, làm gia tăng tải trọng truyền vào cọc, giảm một phần áp lực
truyền xuống đất yếu giữa các cọc, nhờ đó giảm được độ lún lệch giữa cọc với phần đất
xung quanh. Ưu điểm của việc áp dụng hệ GRPS để xử lý nền đất yếu dưới các khối đắp
vừa cho tốc độ thi công nhanh, đảm bảo ổn định tốt và chi phí hợp lý, đồng thời cho
phép xử lý nền đất yếu sâu tới 50m và thân thiện với mơi trường. Vì thế, đã và đang có
nhiều cơng trình ứng dụng giải pháp này tại các vị trí đắp cao hay tải trọng lớn, yêu cầu
độ lún cho phép nhỏ như đường đầu cầu, phần mở rộng của đường hiện hữu, cải tạo nền
cơng trình nhà kho hay bãi cảng...
Trên thế giới, từ những năm 1970, giải pháp cọc kết hợp vật liệu ĐKT nói chung,
cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT nói riêng trong xây dựng nền đắp trên đất yếu được nghiên
cứu và sử dụng trong thực tế, tiêu biểu như: Đường đắp đầu cầu tuyến A876 (Scotland)
tỉ lệ diện tích cọc sử dụng so với diện tích đáy nền đắp chỉ 10.6% nhưng đã chứng minh
hiệu quả giảm lún rất tốt của giải pháp; Hay đường đắp tại nút giao các tuyến I - 95 với

US-1 ở Virginia (Mỹ), 59 cọc ĐXM thi công theo phương pháp trộn sâu, trên đỉnh cọc
có phủ lưới ĐKT; Dự án xây dựng đường cao tốc Fuxia (Đài Loan) sử dụng cọc ĐXM
dài 15m kết hợp hai lớp lưới ĐKT để giảm lún đường đắp đầu cầu cao 5m; Dự án đường
sắt Buchen - Hamburg (Đức) yêu cầu độ lún nền đường rất nhỏ sử dụng cọc ĐXM đường
kính 0.6m kết hợp hai lớp lưới ĐKT cường độ cao 400kN/m...
Các nghiên cứu về hệ GRPS cũng được chú ý từ khá sớm, bao gồm cả nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm về sự làm việc độc lập hay kết hợp giữa cọc BTCT hoặc ĐXM
với lưới ĐKT như cơ chế truyền tải trọng, sự phân bố lực kéo trên lưới, hiệu ứng vòm


2

... cũng được quan tâm khá nhiều, đặc biệt trong các tiêu chuẩn của Anh (BS 8006), Đức
(EBGEO), Mỹ (FHWA), Nhật Bản...
Ở Việt Nam, trong lĩnh vực ứng dụng, giải pháp cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT (hoặc
vải ĐKT) cũng đã bắt đầu được áp dụng cho một số công trình lớn như: Dự án cầu Bạch
Đằng - Hải Phịng; Dự án mở rộng nhà máy nhiệt điện Duyên Hải; Dự án nền đường
nhà máy khí Cà Mau; Dự án đường dẫn đầu cầu Trần Thị Lý - Đà Nẵng… Tuy nhiên,
việc nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT hiện chỉ
mới chỉ dừng lại ở việc tổng hợp nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết hoặc phương
pháp số thông qua việc ứng dụng một số phần mềm ĐKT có sẵn, chưa có hoặc rất ít
đánh giá thực tế bằng thực nghiệm.
Qua tổng hợp các nghiên cứu công bố trong nước và trên thế giới liên quan vấn đề
về hệ GRPS trên, các lý thuyết tính tốn hiện nay đều bỏ qua phản lực của đất nền,
không xét đến biến dạng của cọc và của lưới ĐKT. Chính điều này làm cho tải trọng
truyền vào cọc và lực kéo lưới ĐKT cao hơn so với thực tế, gây lãng phí trong thiết kế.
Do vậy, việc nghiên cứu cải tiến hoặc đề xuất phương pháp đạt hiệu quả cao là rất cần
thiết.
Xuất phát từ những đánh giá và phân tích trên, đề tài “Nghiên cứu sự làm việc
của cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao trong xử lý nền đất yếu

cho xây dựng giao thông” xét tới đầy đủ hơn các yếu tố tương tác trong hệ nền xử lý
có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn.
2. Mục đích nghiên cứu
Từ các nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình trong phịng, phân tích mơ hình số khi
chịu tải của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao có xét tới áp lực đất nền, biến
dạng cọc, và biến dạng lưới, đề xuất một số cơng thức tính tốn mới phù hợp hơn trong
thiết kế hệ GRPS. Từ đó, nâng cao hiệu quả thiết kế hệ cọc ĐXM để xử lý nền đất yếu
trong xây dựng giao thông.
3. Đối tượng nghiên cứu
Sự làm việc của hệ cọc ĐXM và lưới ĐKT cường độ cao dưới tác dụng tải trọng
khối đắp khi xử lý nền đất yếu trong xây dựng công trình giao thơng.
4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ứng xử hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trên mơ hình số
ba chiều và mơ hình vật lý trọng lực đơn (1g) trong phịng thí nghiệm trên một số điều


3

kiện cụ thể thông qua ứng suất đầu cọc và áp lực đất nền, độ lún hệ nền cọc khi chịu tải
trọng thẳng đứng tương ứng với một loại đất yếu có cấu tạo địa tầng cụ thể.
Luận án chưa xem xét đến ảnh hưởng tải trọng ngang, tải trọng động đất, cấu tạo
địa chất nhiều lớp đất, hiện tượng ma sát âm, ổn định tổng thể nền đường.
5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Tổng kết tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp cọc ĐXM kết hợp với lưới
ĐKT cường độ cao, góp phần đánh giá sự khả thi, tính thực tế của giải pháp trong lĩnh
vực xử lý nền đất yếu trong xây dựng giao thông. Trên cơ sở tổng hợp lý thuyết, luận án
phân tích được một số hạn chế của các phương pháp thiết kế được áp dụng phổ biến
hiện nay khi tính tốn cho hệ cọc ĐXM và lưới ĐKT.
- Việc xây dựng được mơ hình vật lý phục vụ nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp

lưới ĐKT cường độ cao và đề xuất cơng thức tính tốn hồn thiện hơn, không chỉ làm
tiền đề, làm cơ sở phương pháp luận và còn là căn cứ khoa học tin cậy phục vụ các
nghiên cứu tương tự khác tại Việt Nam thời gian tới.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Việc xem xét đầy đủ hơn các yếu tố liên quan đến hiệu quả truyền tải và lực kéo
lưới ĐKT trong hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao khi làm việc, và đưa
chúng vào trong các công thức đề xuất của tác giả không chỉ phản ánh sát thực hơn mà
còn là cơ sở thiết kế đảm bảo mức độ phù hợp về kỹ thuật và giảm giá thành khi áp dụng
giải pháp này trong thực tế xây dựng.
- Kết quả nghiên cứu không chỉ bổ sung các cơ sở phương pháp luận hay cơ sở lý
thuyết, mà còn là tài liệu chuyên môn tốt phục vụ công tác giảng dạy, đào tạo và nghiên
cứu tại các đơn vị liên quan tại Việt Nam.
6. Bố cục luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án bố cục thành 04 chương nội dung chính:
Chương 1. Tổng quan về nghiên cứu cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật để
xử lý nền đất yếu
Chương 2. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc hệ cọc đất xi măng kết
hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao
Chương 3. Nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao
trên mơ hình vật lý
Chương 4. Nghiên cứu đề xuất công thức và chương trình tính tốn hệ cọc đất xi
măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CỌC ĐẤT XI MĂNG
KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Giải pháp cọc đất xi măng (ĐXM) kết hợp lưới địa kỹ thuật (ĐKT) cường độ cao

để xử lý nền đất yếu cho xây dựng giao thông, ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế
giới và bước đầu được áp dụng tại Việt Nam. Tuy nhiên, còn tồn tại bất cập trong việc
thiết kế hệ nền cọc trên đó là sử dụng cơ sở lý thuyết tính tốn được xây dựng trên hệ
cọc BTCT với lưới ĐKT mà chưa phải là cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao.
Chương 1 có nhiệm vụ tổng quan về các lý thuyết tính tốn đang được áp dụng cho cọc
ĐXM kết hợp lưới ĐKT, phân tích các vấn đề cịn tồn tại, từ đó lựa chọn nội dung
nghiên cứu ở các chương tiếp theo.
1.1 Khái quát về đất yếu, cọc đất xi măng, lưới địa kỹ thuật và các giải pháp xây
dựng cơng trình trên nền đất yếu
1.1.1 Đất yếu và phân loại đất yếu [2], [5], [6]
Đất yếu thường có sức chống cắt nhỏ và tính nén lún lớn, hệ số rỗng e0 lớn, độ ẩm
tự nhiên cao và thường bão hịa nước, mơ đun tổng biến dạng bé (E 0 ≤ 5000 kPa). Do
vậy, khi xây dựng cơng trình trên nền đất yếu, nếu không áp dụng các biện pháp xử lý,
giải pháp móng hoặc kết cấu cơng trình thích hợp thì sẽ xảy ra lún nhiều, lún kéo dài
hoặc mất ổn định, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác các cơng trình.
Đất yếu vốn rất phức tạp về thành phần, nguồn gốc và đặc tính xây dựng nên cũng
vì vậy, việc phân loại chúng cũng chưa thống nhất và có nhiều quan điểm khác nhau.
Đất yếu có thể được phân loại theo nguồn gốc hình thành, trạng thái tự nhiên hay chỉ số
thí nghiệm. Theo nguồn gốc hình thành, đất yếu thường có nguồn gốc khống vật hoặc
hữu cơ. Theo 22TCN 262-2000, loại đất yếu có nguồn gốc khống vật thường là sét
hoặc sét pha trầm tích trong nước ở ven biển, vũng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác
châu. Chúng có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới
10-12%) nên nhiều khi có màu nâu đen, xám đen, thậm chí có mùi. Đối với loại đất yếu
này, được xác định là đất yếu, nếu ở trạng thái tự nhiên mà độ ẩm của chúng gần bằng
hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng tự nhiên lớn (sét e0  1,5, sét pha e0  1), lực
dính đơn vị theo kết quả cắt nhanh khơng thốt nước cu  15 kPa, góc ma sát trong  
10o hoặc sức chống cắt từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Su  35 kPa. Với đất
yếu loại than bùn thường có e0 vào khoảng 3 ÷ 15, lực dính đơn vị c từ 1 kPa - 4 kPa, φ

5

từ 20 - 40.
Ngoài ra, ở các vùng thung lũng cịn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát,
bùn cát mịn (hệ số rỗng e0 > 1, độ bão hồ Sr > 0,8).
Loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích
đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa
và phân huỷ, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khống vật. Loại đất yếu
này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20-80%, thường
có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc khơng mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật). Đối với loại
này, được xác định là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặc trưng sức chống cắt của chúng
cũng đạt các trị số như đất nguồn gốc khoáng vật. Đất yếu đầm lầy than bùn còn được
phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ như sau: khi lượng hữu cơ có từ 20-30% gọi là đất nhiễm
than bùn; lượng hữu cơ có từ 30-60% - đất than bùn và lượng hữu cơ trên 60% được gọi
là than bùn.
Ngoài cách phân loại theo nguồn gốc hình thành như trên, cịn có cách phân loại
phổ biến khác theo trạng thái tự nhiên của đất. Theo đó, đất yếu loại sét có thể phân loại
theo độ sệt (IL), gồm: bùn sét, bùn sét pha khi IL >1 (đất yếu ở trạng thái chảy) và đất
yếu loại sét dẻo chảy khi 0,75 < IL ≤ 1 [2].
Ở nước ta còn một số cách phân loại đất yếu khác như TCVN 9355-2012, ngoài
căn cứ theo IL, e0, c,  thì cịn xét tới sức kháng xuyên đầu mũi từ kết quả thí nghiệm
xuyên tĩnh (qc < 100 kPa) hay chỉ số xuyên tiêu chuẩn (N30 < 5) [5]. Hay như TCVN
9362-2012, đất yếu là loại bùn sét (có thể gồm cả đất lún ướt, đất trương nở) và than
bùn [6]. Trong đó, đất loại bùn được phân loại theo hệ số rỗng tự nhiên (e 0), còn than
bùn là một loại đất thuộc dạng than bùn và được phân loại căn cứ vào độ than bùn (q)
gồm: đất có ít than bùn (0,1 < q ≤ 0,25); đất có than bùn vừa (0,25 < q ≤ 0,4); đất có
nhiều than bùn (0,4 < q ≤ 0,6); và than bùn (q > 0,6).
1.1.2 Sơ lược về các giải pháp xây dựng trên nền đất yếu cho nền đường đắp
1.1.2.1 Các yêu cầu xử lý nền đất yếu dưới nền đường đắp và tải trọng tác dụng của nền
đường đắp trên đất yếu [2]

Khi xây dựng đường ô tô trên nền đất yếu, các vấn đề phát sinh chính bao gồm lún
nhiều và lún kéo dài, hay mất ổn định trượt. Từ những vấn đề này, việc xử lý nền đất
yếu chính là gia tăng sức chống cắt của đất nhằm giải quyết các bài toán về xử lý chống
trượt, giảm độ lún và tăng nhanh tốc độ cố kết để rút ngắn thời gian cố kết nền đất yếu
dưới tải trọng đắp ngay trong quá trình thi công.


6

Các yêu cầu chính khi thiết kế giải pháp xử lý nền đường đắp trên đất yếu tập trung
các nội dung chính như:
- Về ổn định, nền đắp trên nền đất yếu phải đảm bảo ổn định, không bị phá hoại
do trượt trồi trong q trình thi cơng đắp và trong suốt q trình khai thác sử dụng sau
đó;
- Về lún, ngồi việc phân tích dự báo được độ lún tổng cộng, lún cố kết, và lún
theo thời gian kể từ khi bắt đầu đắp nền cho đến khi lún hết hồn tồn;
- Tính tốn và thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu hợp lý;
- Thiết kế và bố trí hệ thống quan trắc trong q trình thi cơng nền đắp trên nền đất
yếu, trong q trình lưu tải xử lý nền đất yếu, hay khi khai thác vận hành cơng trình.
Khi kiểm tra ổn định và dự báo lún, cần phải xác định các loại tải trọng tác dụng
của nền đường đắp trên đất yếu bao gồm tải trọng đất đắp nền đường, tải trọng xe cộ và
tải trọng động đất. Tải trọng đắp nền đường gây ra ứng suất thẳng đứng được tính theo
[2] (cơng thức 1.1):

z = I.q

(1.1)

trong đó: z - ứng suất thẳng đứng tại độ sâu z do tải trọng đất đắp nền đường; I - hệ số
ảnh hưởng theo toán đồ Osterberg; q = h - áp lực thẳng đứng tại đáy nền đường do tải

trọng đắp gây ra;  - trọng lượng thể tích vật liệu đắp nền đường; h - chiều cao đắp nền
đường.
Theo quy trình 22TCN 262:2000, hoạt tải do xe cộ được xem là tải trọng của số xe
nặng tối đa cùng một lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng của nền đường, được xác định theo
[2] (cơng thức 1.2):
q xe =

n.G
B.l

(1.2)

trong đó: n - số xe tối đa có thể xếp được trên phạm vi bề rộng nền đường; G - trọng
lượng một xe; B - bề rộng phân bố ngang của các xe; l - phạm vi phân bố tải trọng xe
theo hướng dọc tim đường.
Tải trọng động đất được tính đến khi kiểm tra mức độ ổn định của nền đắp trên đất
yếu có động đất cấp VII (MSK-64) trở lên, là lực quán tính do động đất của bản thân
khối trượt, lực này tỷ lệ thuận với trọng lượng bản thân khối trượt [2] (công thức 1.3):
Wi = K c . Q i

(1.3)

trong đó: Wi - lực động đất tác dụng trên một mảnh trượt i (hoặc khối trượt i), có điểm


7

đặt là trọng tâm mảnh (hoặc khối trượt) và có phương nằm ngang từ phía trong nền
đường ra phía ngồi mái ta luy nền đắp; Qi - trọng lượng của mảnh trượt i (hoặc khối
trượt i); Kc - hệ số động đất được tính tùy thuộc cấp động đất.

1.1.2.2 Một số giải pháp xây dựng cơng trình trên nền đất yếu
Để giải quyết vấn đề lún nhiều, lún kéo dài và mất ổn định khi xây dựng cơng trình trên
nền đất yếu, có ba nhóm giải pháp chính [21], gồm: nhóm giải pháp kết cấu cơng trình,
nhóm giải pháp kết cấu móng và nhóm giải pháp xử lý nền đất yếu.
- Nhóm giải pháp kết cấu cơng trình
Kết cấu cơng trình bị phá hoại do các điều kiện biến dạng như lún hoặc lún lệch
quá lớn, sức chịu tải không đảm bảo. Giải pháp về kết cấu cơng trình nhằm giảm áp lực
tác dụng lên nền đất hoặc tăng khả năng chịu lực, chịu biến dạng của kết cấu công trình.
Trên thế giới thường dùng các biện pháp sau: giảm trọng lượng bản thân cơng trình khi
dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ; làm tăng sự linh hoạt của kết cấu cơng trình bằng các
kết cấu tĩnh định, khe lún, khớp dẻo; tăng khả năng chịu lực bằng cách gia cố tại các vị
trí xuất hiện ứng suất cục bộ lớn; sử dụng kết cấu rỗng độ cứng lớn (ống cống rỗng) ....
- Nhóm giải pháp kết cấu móng
Khi xây dựng cơng trình trên nền đất yếu, một số giải pháp về móng đã được sử
dụng như thay đổi chiều sâu chơn móng để tăng sức chịu tải và giảm lún khi đặt móng
xuống các tầng đất phía dưới chặt hơn, ổn định hơn - giải pháp móng sâu như móng cọc
thép, cọc gỗ, cọc bê tơng cốt thép, cọc khoan nhồi, cọc bê tông rỗng đổ tại chỗ...; thay
đổi kích thước móng để giảm áp lực lên nền đất hoặc sử dụng loại móng có độ cứng phù
hợp với điều kiện địa chất cơng trình như móng bè, móng trụ tháp...
- Nhóm giải pháp xử lý nền đất yếu
Tùy theo tính chất và quy mơ của cơng trình sử dụng mà có các giải pháp xử lý
nền đất yếu khác nhau. Để tăng nhanh tốc độ lún, giảm thiểu lún dư của nền đắp khi
khai thác, có thể sử dụng các giải pháp thoát nước thẳng đứng như bấc thấm, giếng cát...
kết hợp gia tải trước hay cố kết đất yếu bằng hút chân không hoặc gia tải trước. Để tăng
cường độ đất nền, tăng độ ổn định của nền đắp thì có thể sử dụng các biện pháp như cọc
ĐXM, cọc đất vôi, cọc trụ vật liệu rời, gia cố tồn khối bằng chất kết dính, xử lý nền đất
yếu bằng vữa hóa học, bệ phản áp....
Với đặc thù của cơng trình giao thơng là trải dài trên tuyến, nhóm giải pháp xử lý
nền đất yếu nói chung, giải pháp sử dụng cọc ĐXM nói riêng ngày càng được áp dụng

8

phổ biến nhằm tăng sức chịu tải nền đất, giảm lún cơng trình và rút ngắn thời gian thi
cơng khi xây dựng nền đường đắp qua đất yếu.
1.1.3 Cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật
1.1.3.1 Cọc đất xi măng và các phương pháp tính tốn
a. Một số nghiên cứu tiêu biểu về cọc đất xi măng trên thế giới và Việt Nam
Cọc đất xi măng (ĐXM) được sử dụng để cải tạo nền đất từ nhiều thập kỷ trước.
Mục đích của phương pháp này là cải thiện các đặc trưng của nền đất yếu như tăng
cường độ chống cắt, giảm tính thấm và tính nén lún bằng cách trộn xi măng (hoặc vữa
xi măng) tương tác với đất nền, xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra cọc ĐXM với khả
năng chịu lực cao và biến dạng ít hơn so với đất nền ban đầu.
Quá trình nghiên cứu cọc ĐXM bắt đầu tại Viện Cảng và Tàu thủy Nhật Bản và
tại Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển từ những năm 1970. Ban đầu vôi bột chưa tôi được sử
dụng để tạo cọc đất vôi. Tuy nhiên việc bảo quản vơi bột khó khăn và giá thành cao,
những nhà nghiên cứu Thụy Điển và Nhật Bản chuyển sang sử dụng xi măng để thay
thế. Từ đó, cọc ĐXM ra đời với ưu điểm vượt trội và chi phí thấp hơn cọc đất vơi [55],
[57].
Việc hình thành cường độ cọc ĐXM xảy ra thơng qua q trình ninh kết của hỗn
hợp đất và xi măng. Khi ximăng được trộn với đất, ximăng phản ứng với nước tạo ra
Calci hyđrôxit Ca(OH)2, từ đó kết hợp với đất nền tạo ra keo ninh kết CSH, đây là q
trình hydrat hố. Phản ứng này diễn ra nhanh và mạnh, toả ra một nhiệt lượng lớn và
giảm bớt lượng nước có trong đất gia cố. Hợp chất hydrat này tạo ra một hỗn hợp liên
kết các thành phần hạt trong đất gia cố, tạo thành khoáng chất nền bền vững, cứng.
Hiện nay phổ biến hai nhóm cơng nghệ thi cơng cọc ĐXM là: nhóm cơng nghệ
trộn khơ (Dry Jet Mixing) và nhóm cơng nghệ trộn ướt (Wet Mixing). Trong phương
pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất (độ ẩm của đất không nhỏ
hơn 20%). Trong công nghệ trộn ướt, vữa xi măng là chất kết dính. Với ưu điểm của
mình, cọc ĐXM được sử dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt được sử dụng nhiều nhất

tại Nhật Bản và các nước vùng Bắc Âu với khối lượng hàng năm thi công khoảng 2 triệu
m3 trong các lĩnh vực xây dựng cơng trình như: ổn định đường đắp, giảm lún đường đầu
cầu, ổn định thành và đáy hố đào, móng nhà cao tầng, tường chống thấm...
Cùng với sự hình thành và phát triển của cọc ĐXM, trên thế giới có nhiều nghiên
cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng xi măng, nước và loại đất đến cường độ của cọc


9

ĐXM, cũng như nghiên cứu về ứng suất - biến dạng cọc ĐXM khi chịu lực, tiêu biểu
như [28], [32], [51], [70], [82]. Một số nghiên cứu có chú ý đến sự cố kết của đất nền cải
tạo bằng cọc ĐXM bằng các mơ hình vật lý để sáng tỏ việc cọc ĐXM làm việc trong
điều kiện thoát nước [28], [35], [74]...
Gần đây, một số nghiên cứu về tính tốn của nhóm cọc ĐXM như [30], [35], [56].
Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu này bị hạn chế do việc nghiên cứu sức chịu tải của cọc
ĐXM chưa tính đến áp lực nước lỗ rỗng và và sự phân bố lại ứng suất.
Mơ hình phá hủy, lực cắt, momen, mặt phá hoại của nhóm cọc đã được kết luận
phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như thông số đất nền, tải trọng ngồi và vị trí của
cọc trong nhóm cọc ĐXM trong các nghiên cứu của [30], [33], [35].
Phương pháp tính tốn đơn giản được đề xuất để dự báo khả năng chịu tải dọc trục
của nhóm cọc ĐXM đã được trình bày trong [32]. Sau đó, nghiên cứu của [30] đã đề
xuất cải tiến cơng thức tính sức chịu tải giới hạn cho nhóm cọc ĐXM. Tuy nhiên, mơ
hình mặt trượt trong các nghiên cứu trên chưa có thực nghiệm đánh giá.
Tại Việt Nam, việc áp dụng thi công đại trà để gia cố, xử lý nền đất sử dụng cọc
ĐXM bằng công nghệ trộn khô bắt đầu được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ 21.
Năm 2001, tập đồn Hercules của Thụy Điển hợp tác với Cơng ty cổ phần Phát triển kỹ
thuật xây dựng (TDC) thuộc Tổng công ty xây dựng Hà nội đã thi công xử lý nền móng
cho 08 bể chứa xăng dầu có đường kính 21m, cao 9m (dung tích 3000 m3/bể) của cơng
trình Tổng kho xăng dầu Cần Thơ bằng cọc ĐXM. Từ năm 2002 đến 2005 đã có một số
dự án bắt đầu ứng dụng cọc ĐXM vào xây dựng các cơng trình trên nền đất, như: Dự án

cảng Ba Ngịi (Khánh Hịa) đã sử dụng 4000m cọc ĐXM có đường kính 0,6m , gia cố
nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng
dầu ở Đình Vũ (Hải Phịng), dự án thốt nước khu đơ thị Đồ Sơn - Hải Phịng, dự án sân
bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu, các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ
sâu xử lý trong khoảng 20m [21].
Một số nghiên cứu tiêu biểu về lựa chọn tỷ lệ nước, xi măng: Lựa chọn tỷ lệ xi
măng với đất khi chế tạo cọc xử lý nền đất yếu [23]; Lựa chọn hàm lượng xi măng và tỉ
lệ nước-xi măng hợp lý cho gia cố đất yếu vùng ven biển đồng bằng sông Cửu Long
[20] chỉ ra rằng việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất để xử lý nền đất yếu bằng cọc ĐXM
là rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và chi phối chất lượng, giá thành xây dựng
cơng trình. Đây là một chỉ tiêu quan trọng cần phải được nghiên cứu tỉ mỉ kể cả lý thuyết