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 TT

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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2021


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Giao thơng Vận tải
Người hường dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh
Trường Đại học Giao thơng Vận tải
2. PGS.TS. Phạm Hồng Kiên
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Huy Phương
Phản biện 2: PGS.TS. Vương Văn Thành
Phản biện 3: PGS.TS. Hoàng Quốc Long

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án
cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi

.........giờ.......ngày ..... tháng .... năm 2021

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Thư viện trường Đại học Giao thông Vận tải


CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
1. Nguyen Thai Linh, Nguyen Duc Manh, Nguyen Hai Ha (2019), "Paralink
technology − method of soft soil stabilization by the soil cement pile
with high tensile geosynthetics", Proceedings of the IVth All-Russian
symposium with participation of foreign scientists, dedicated to the
90th anniversary of Academician Nikolay Logatchev Irkutsk, pp. 120
- 123. (ISBN 978-5-9908560-7-3)
2. Nguyễn Thái Linh, Nguyễn Đức Mạnh, Phạm Hoàng Kiên (2020),
"Nghiên cứu độ lún hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật
cường độ cao trên mơ hình thực nghiệm", Khoa học Giao thông vận
tải, 71(2), pp. 102 - 112. (ISSN 1859-2724)
3. Nguyễn Thái Linh, Nguyễn Đức Mạnh (2020), "Thiết lập tỷ lệ mơ hình
thực nghiệm trong phịng hợp lý phục vụ nghiên cứu ứng xử hệ trụ
đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao", Địa kỹ thuật, 1,
pp. 65 - 73. (ISSN - 0868 - 279X)
4. Nguyen Thai Linh, Nguyen Duc Manh, Nguyen Hai Ha (2021), "Analysis
of impacting factors for soil-cement column combined high strength
geogrid", Transport and Communication Science Journal, 72(1), pp.
9-15. (ISSN 2615-9554)


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Những năm qua, nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu được giới thiệu khơng chỉ
giải quyết bài tốn kinh tế - kỹ thuật, mà còn hướng tới tối ưu về thời gian thi
công và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng cọc đất xi măng (ĐXM) kết hợp với
lưới địa kỹ thuật (ĐKT) hay lưới ĐKT cường độ cao, còn gọi là hệ nền cọc
GRPS (Geosynthetics Reinforced Pile Supported) cũng được đề xuất và ngày
càng được sử dụng rộng rãi. 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, và thân thiện với mơi trường.
Ngồi việc áp dụng hệ GRPS phổ biến trên thế giới từ những năm 70 của thế
kỷ trước, các nghiên cứu liên quan chúng cũng được chú ý nhiều. Các nghiên
cứu thường đề cập về sự làm việc độc lập hoặc đồng thời giữa cọc bê tông cốt
thép (BTCT) hay cọc ĐXM với lưới ĐKT, chủ yếu gồm: cơ chế truyền tải
trọng; sự phân bố lực kéo trên lưới; hiệu ứng vòm; hiệu ứng màng ... Một số
nước cịn được tiêu chuẩn hóa như tiêu chuẩn BS 8006 (Anh), EBGEO 2004
(Đức), FHWA-HRT-13-046 (Mỹ)...
Ở Việt Nam, giải pháp cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT (hoặc vải ĐKT) cũng đã
được áp dụng ở dự án cầu Bạch Đằng (Hải Phòng), nhiệt điện Duyên Hải (Trà
Vinh), đường nội bộ nhà máy khí Cà Mau (Cà Mau), đường dẫn cầu Trần Thị
Lý (Đà Nẵng), trung tâm thương mại Metro Mega Cần Thơ (Cần Thơ)… Tuy
nhiên, các nghiên cứu về hệ GRPS còn rất khiêm tốn, chủ yếu mới chỉ là tổng
hợp lý thuyết, phân tích mơ hình số bằng một số phần mềm ĐKT có sẵn, hoặc
thực nghiệm trên cọc BTCT khi có vải ĐKT.
Mặc dù có nhiều nghiên cứu trên thế giới và trong nước, nhưng đến nay việc
tính toán hệ GRPS thường vẫn bỏ qua phản lực của đất nền giữa các cọc cũng
như không xét đến biến dạng của cọc và của lưới ĐKT khi làm việc. Nghĩa là

coi tải trọng truyền vào cọc và lực kéo lưới ĐKT cao hơn so với thực tế, khi đó
nền đất giữa cọc gần như khơng chịu tải, có thể gây lãng phí trong thực tế sản
xuất.
Xuất phát từ những đánh giá và phân tích nêu 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” tiếp cận bằng nghiên cứu thực nghiệm
trên mơ hình vật lý kết hợp mơ hình số có xét tới các yếu tố tương tác trong hệ
nền cọc như áp lực đất nền ('s), biến dạng cọc (Scol), hay biến dạng lưới (Sgrid)
là cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn.


2

II. 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 các công thức tính tốn
mới phù hợp hơn trong thiết kế hệ GRPS.
III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung luận án tập trung vào một số vấn đề sau:
1. Nghiên cứu tổng quan về giải pháp cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT để xử lý
nền đất yếu cho xây dựng.
2. Phân tích số ba chiều để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc
của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao.
3. Xây dựng và nghiên cứu trên mơ hình thực nghiệm cọc ĐXM kết hợp
lưới ĐKT cường độ cao trong phòng với tỷ lệ thu nhỏ 1/25.
4. Xây dựng và đề xuất các cơng thức tính tốn hệ GRPS dựa trên nền tảng
lý thuyết tiêu chuẩn BS 8006, khi có xét đến phản lực của đất nền và biến
dạng của cọc trong bài toán hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ
cao.

IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
- Ý nghĩa khoa học
Trên cơ sở tổng hợp lý thuyết, phân tích mơ hình số xác định được một số hạn
chế của các phương pháp tính tốn hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT đang áp
dụng phổ biến hiện nay.
Từ mơ hình vật lý và mơ hình số sử dụng nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp
lưới ĐKT cường độ cao, đề xuất được cơng thức tính tốn hồn thiện hơn,
khơng chỉ làm tiền đề và cơ sở phương pháp luận mà 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
Việc xem xét đủ hơn các yếu tố liên quan đến hiệu quả truyền tải, lực kéo lưới
ĐKT trong hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT khi làm việc, và đưa chúng vào
xem xét trong các công thức đề xuất vẫn đảm bảo độ tin cậy về chịu tải, phản
ánh sát thực hơn, góp phần giảm giá thành khi áp dụng giải pháp này trong
thực tế xây dựng.
Kết quả nghiên cứu là tài liệu chuyên môn tốt phục vụ công tác giảng dạy, đào
tạo tại các đơn vị liên quan tại Việt Nam.


3

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CỌC ĐẤT XI MĂNG
KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

Chương 1 tiến hành tổng quan về các lý thuyết tính toán đang được áp dụng
cho cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT hiện nay, 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

Đất yếu thường có sức chống cắt nhỏ, tính nén lún lớn với mơ đun tổng biến
dạng bé (E0 ≤ 5000 kPa), hệ số rỗng e0 lớn, độ ẩm tự nhiên cao và thường bão
hòa nước. 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 ổn
định cũng như việc khai thác các cơng trình.
Có nhiều cách phân loại đất yếu: theo nguồn gốc hình thành; theo trạng thái
của đất; hay phân loại theo các chỉ tiêu như hệ số rỗng e0, lực dính đơn vị c,
góc ma sát trong φ...
1.1.2. Sơ lược về các giải pháp xây dựng trên nền đất yếu cho nền đắp
Khi xây dựng đường ô tô trên nền đất yếu hay các khối đắp, các vấn đề phát
sinh chính bao gồm lún nhiều và lún kéo dài, hay mất ổn định trượt. Để giải
quyết vấn đề này, nền đất yếu có thể được xử lý hay cải tạo nhằm gia tăng sức
chống cắt để chống mất ổn định trượt, hoặc 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.
Khi kiểm tra ổn định và dự báo lún của nền đường đắp trên đất yếu, tùy bài
toán và cấp hạng cơng trình, cần phải xác định đủ các loại tải trọng tác dụng
bao gồm tải trọng đất đắp nền đường, tải trọng xe cộ và tải trọng động đất...
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 xây dựng chính gồm: nhóm giải
pháp về kết cấu cơng trình; nhóm giải pháp về kết cấu móng và nhóm giải
pháp xử lý hay cải tạo nền 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
Cọc 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 sức


4

chống cắt, giảm tính thấm và tính nén lún bằng cách trộn xi măng (hoặc vữa xi
măng) với đất nền, 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 Thụy Điển và Nhật Bản từ những
năm 1970. Ban đầu vôi bột chưa tôi được sử dụng để tạo cọc đất vơi. 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.
Do ứng xử phức tạp trong hệ cọc ĐXM khi xử lý nền đất yếu, hiện nay việc
tính tốn cọc ĐXM theo ba quan điểm sau: coi cọc ĐXM là cọc cứng; quy về
nền tương đương và tính tốn hỗn hợp - hệ nền cọc.
Tại Việt Nam có hai tiêu chuẩn liên quan về cọc ĐXM cho xử lý nền đất yếu
bao gồm: TCVN 9403:2012 "Gia cố nền đất yếu – Phương pháp trụ đất xi
măng", sử dụng phương pháp nền tương đương để đánh giá ổn định tổng thể
cơng trình, lún của hệ nền cọc và TCVN 9906:2014 "Cọc đất xi măng theo
phương pháp Jet grouting - Yêu cầu thiết kế thi công và nghiệm thu cho xử lý
nền đất yếu", sử dụng phương pháp tính tốn hỗn hợp - hệ nền cọc khi phân
tích cho hệ cọc ĐXM.
1.1.3.2. Lưới địa kỹ thuật
Lưới ĐKT được sản xuất đầu
tiên năm 1978 tại Anh. Lưới
ĐKT là một loại cốt địa kỹ
thuật, được chế tạo từ các
polyme
tổng
hợp
như
PolyPropylen (PP), PolyEtylen
(PE) và PolyEtylen -Terelat

Hình 1.1 Các loại lưới địa kỹ thuật
(PET), dạng tấm phẳng có lỗ
hình vng, chữ nhật hoặc oval, kích thước lỗ thay đổi tuỳ theo loại lưới có tác
dụng cài chặt với đá, sỏi, đất… được sử dụng trong gia cố khối đắp, ổn định
nền, chống xói lở...
Theo khả năng chịu lực, lưới ĐKT được chia thành 3 nhóm: một trục, hai trục,
và ba trục (hình 1.1). Về mặt cường độ, phổ biến loại có cường độ chịu kéo 50
đến 250kN/m. Lưới ĐKT được xếp loại cường độ cao khi có cường độ chịu
kéo lớn từ 300 kN/m cho đến 1350 kN/m, có khả năng chống ăn mịn và chống
hóa chất (hệ số an tồn vật liệu có tính đến độ bền FD < 1,05), khả năng chịu
va chạm khi thi công cao (hệ số an tồn vật liệu có tính đến tổn thương trong


5

thi công FC < 1,03), khả năng chống suy giảm cường độ theo thời gian rất tốt.
Về khả năng gia cường, lưới ĐKT cường độ cao có hiệu quả hơn so với vải
ĐKT. Theo nghiên cứu của Zhang và Hurta (2008), cơ chế gia cố nền đất của
lưới ĐKT và vải ĐKT là khác nhau. Vải ĐKT nâng cao khả năng chịu lực nền
đất bằng cơ chế ma sát bề mặt (interface friction) với vật liệu đắp, còn với lưới
ĐKT chủ yếu thông qua cơ chế cài chặt vật liệu (interlocking). Nghiên cứu
cũng chỉ ra rằng, cơ chế cài chặt hiệu quả hơn so với cơ chế ma sát bề mặt.
Ngồi ra, lưới ĐKT cường độ cao có độ cứng cao hơn nhiều lần so với vải
ĐKT nên hạn chế bị chọc thủng hay rách khi rải trên đỉnh cọc. Vì thế chúng
được đánh giá phù hợp hơn trong ứng dụng giải pháp cọc kết hợp cốt ĐKT để
xử lý nền đất yếu.
Việc thi công trải lưới ĐKT đơn giản, nhanh chóng nên tiết kiệm thời gian thi
cơng cũng như nhân lực và máy móc, phù hợp với các cơng trình địi hỏi tiến
độ thi cơng nhanh. Do đó lưới ĐKT nói chung và lưới ĐKT cường độ cao nói
riêng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng cơng trình giao

thơng.
1.2. Tổng quan về nghiên cứu cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật để
xử lý nền đất yếu
1.2.1. Mô tả giải pháp và ứng dụng
Giải pháp cọc ĐXM kết hợp với lưới
ĐKT xử lý nền đất yếu - hệ cọc kết
hợp vật liệu ĐKT, hay còn được gọi
hệ nền cọc GRPS, thường sử dụng
trong các trường hợp chiều dày lớp
đất yếu lớn, thời gian xây dựng và
mặt bằng xây dựng bị hạn chế (hình Hình 1.3 Hệ cọc kết hợp lưới địa kỹ thuật
1.3). Khi đó, vai trị chính của cọc là chịu và truyền tải trọng nền đắp cũng như
tải trọng giao thông xuống tầng đất tốt hơn ở dưới mũi cọc. Cịn lưới ĐKT có
khả năng chịu kéo lớn được trải trên đỉnh cọc giúp tăng phần tải trọng truyền
vào cọc và gánh đỡ phần tải trọng truyền xuống phần đất yếu giữa các cọc,
nhờ đó giảm được độ lún lệch giữa phần cọc và phần đất xung quanh cọc. Giải
pháp này được đánh giá là đơn giản trong thi công, rút ngắn thời gian xây
dựng, vật liệu ĐKT thân thiện mơi trường, do đó ngày càng được sử dụng rộng
rãi trong thực tế xây dựng cơng trình giao thơng.
1.2.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật
1.2.2.1. Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới


6

Các nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT có thể phân chia làm ba nhóm
chính: phương pháp lý thuyết; phương pháp mơ hình thực nghiệm; và nhóm
phương pháp số.
Phương pháp lý thuyết được nghiên cứu đầu tiên và phổ biến nhất. Dựa trên
các giả thiết tính tốn, các kết quả nghiên cứu đã đi sâu vào phân tích sự làm

việc giữa cọc và vật liệu ĐKT.
Trong nghiên cứu lý thuyết tính tốn hệ cọc kết hợp vật liệu ĐKT để xử lý nền
đất yếu, cơ chế truyền tải trọng là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Khi
chịu tải trọng, ngồi hiệu ứng vịm, hệ cọc kết hợp vật liệu ĐKT còn xảy ra
hiệu ứng màng. Đối với hiệu ứng vòm, rất nhiều các nghiên cứu đã công bố:
Terzaghi (1943), Hewlett và Randolph (1988), Kempfert và nnk (1997),
Zaeske và Kempfert (2002), EBGEO 2004, BS 8006 ..., tuy nhiên được áp
dụng phổ biến nhất là các tính tốn của Hewlett và Randolph (1988) đã được
đưa vào tiêu chuẩn BS 8006. Với hiệu ứng màng, theo Delmas (1979), Perrier
(1983), Giroud (1990), Espinoza (1994) và Hello và Villard (2009) có đề cặp
trong tính tốn bằng phương pháp hình học đơn giản (mặt phẳng 2D hoặc đối
xứng trục), còn khi phân tích ba chiều (3D) có các nghiên cứu của Kempton và
nnk (1996), Russell và Pierpoint (1998), Rogbeck và nnk (1998)...
Hạn chế của phương pháp lý thuyết là đưa ra nhiều giả thiết để đơn giản hóa
bài tốn, như ở đây đã bỏ qua sự làm việc của đất nền giữa các cọc, phân tích
các thành phần cọc, tải trọng và vật liệu ĐKT riêng rẽ nên khơng có sự tương
tác đồng thời trong quá trình chịu lực. Để khắc phục nhược điểm đó, các
phương pháp nghiên cứu mơ hình thực nghiệm và phương pháp phân tích mơ
hình số kiến nghị được áp dụng.
Nhóm nghiên cứu mơ hình thực nghiệm tiêu biểu như Hewlett và Randlph
(1988), Zaeske (2001), Bergado (2002), Fang (2006), Artidteang và nnk
(2013), King và nnk (2017)... Để lý giải ứng xử hệ GRPS khi chịu tải, các
nghiên cứu đã tiến hành trên các mơ hình vật lý tỷ lệ thực hay tỷ lệ thu nhỏ
cùng với sự hạn chế về loại vật liệu và kết cấu. Kết quả nghiên cứu mơ hình
thực nghiệm đã mơ phỏng được ngun lý làm việc hệ GRPS và là cơ sở tin
cậy cho việc phát triển, kiểm tra đối chiếu khẳng định các tính tốn giải tích
theo phương pháp lý thuyết hay điều kiện biên theo phương pháp số.
Phương pháp số phổ biến có hai loại: phương pháp sai phân hữu hạn (DEM)
và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Với phương pháp số này cho phép
làm nổi bật thông số ĐKT ảnh hưởng đến ứng xử của nền đắp, hệ GRPS, đánh

giá với kết quả phương pháp mơ hình thực nghiệm và phương pháp lý thuyết.
Nhóm nghiên cứu bằng phương pháp phân tích mơ hình số tiêu biểu có Jones


7

và nnk (1990), Han và Gabr (2002), Fang (2006), Tandel và nnk (2013), Ye và
nnk (2016), Zhang và nnk (2016), Chai và nnk (2017)... Nhóm phương pháp
này đã và đang giúp việc phân tích bài tốn cọc kết hợp với vật liệu ĐKT ngày
càng phổ biến. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp phân tích mơ hình số
phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn mơ hình vật liệu, mơ hình bài tốn và các
điều kiện biên.
1.2.2.2. Lý thuyết tính toán hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật
Kể từ khi Terzaghi đưa ra quan điểm hiệu ứng vịm vào năm 1943 đến nay,
phần lớn việc tính toán hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT trong xử lý nền đất yếu
dựa trên cơ sở lý thuyết này. Sau đó, có nhiều lý thuyết dần hồn thiện hơn
cho tính tốn hệ GRPS, điển hình như mơ hình thử nghiệm trong phòng của
Low và nnk (1984), phương pháp Guido và nnk (1987), theo tiêu chuẩn Thụy
Điển (1987), mơ hình thử nghiệm trong phòng của Hewlett và Randolph
(1988), thử nghiệm Zaeske (2001), phương pháp tính tốn của Colin (2004),
phương pháp phân tích theo tiêu chuẩn Đức EBGEO (2004), tính tốn theo
tiêu chuẩn Anh BS 8006 (2015)...
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
Các nghiên cứu trong nước về giải pháp xử lý nền đất yếu bằng hệ cọc ĐXM
kết hợp vật liệu ĐKT hiện đang ở dạng tổng hợp phương pháp lý thuyết theo
các công thức tính giải tích hoặc phương pháp số thơng qua việc ứng dụng một
số phần mềm ĐKT có sẵn như: phân tích số cho nhóm cọc đất xi măng có gia
cường vải địa kỹ thuật để hỗ trợ việc mở rộng nền đường đắp của Phạm Anh
Tuấn và Đỗ Hữu Đạo (2015); nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả giảm

lún nền đường đầu cầu đắp trên đất yếu trong đô thị bằng cọc đất xi măng có
gia cường vải địa kỹ thuật của Nguyễn Xuân Quân và Nguyễn Đức Mạnh
(2015); nghiên cứu tính tốn lớp cốt vật liệu địa kỹ thuật sử dụng trong nền
đắp có cọc hỗ trợ của Nguyễn Thị Loan (2016)... Ngồi ra, cịn có một số
nghiên cứu lý thuyết về gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - xi măng, sự phân bố
tải trọng lên cọc và tính tốn lớp cốt ĐKT như: bàn về phương pháp tính tốn
gia cố nền bằng cọc ximăng - đất của Phùng Vĩnh An (2012); một số vấn đề kỹ
thuật trong thiết kế khối đắp trên nền cọc của Nguyễn Quốc Dũng (2012)...
Nhìn chung các nghiên cứu về vấn đề sử dụng hệ GRPS ở nước ta còn hạn
chế, chủ yếu dựa vào các phương pháp lý thuyết, ngoài nghiên cứu thực
nghiệm bằng cọc BTCT với vải ĐKT được công bố năm 2018 của Nguyễn
Tuấn Phương, đến nay chưa có hoặc rất ít thực nghiệm đánh giá. Với thực tế
sản xuất, hiện một số cơng trình ở Việt Nam đã bắt đầu sử dụng hệ GRPS nói


8

chung, cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT nói riêng để giảm lún lệch giữa cọc và đất
nền, tăng khoảng cách cọc và giảm giá thành xây dựng, ví dụ như: phần đường
dẫn cầu Trần Thị Lý (Đà Nẵng); Metro Mega (Cần Thơ); đường dẫn cầu khu
đơ thị Mizuki Park (Bình Chánh, Tp. Hồ Chí Minh).
1.3. Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án
Luận án tập trung giải quyết những vấn đề sau:
- Sử dụng phương pháp phân tích số ba chiều (3D) để phân tích ảnh hưởng của
các yếu tố đến sự làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao
bao gồm tải trọng tác dụng, khoảng cách và đường kính cọc, độ cứng của cọc
và đất nền, cường độ của lưới ĐKT.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao
trong phòng với tỷ lệ thu nhỏ 1/25. Mơ hình thực nghiệm là cơ sở tin cậy để
đánh giá tính tốn lý thuyết, đối chứng thơng số vật liệu, xác định điều kiện

biên của phương pháp số.
- Xây dựng và đề xuất một số công thức cải tiến tính tốn cọc ĐXM kết hợp
lưới ĐKT cường độ cao, dựa trên cơ sở lý thuyết của tiêu chuẩn BS 8006,
trong đó có xét đến phản lực của đất nền, biến dạng của cọc ĐXM và biến
dạng của lưới ĐKT.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án áp dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu như tổng hợp và phân
tích lý thuyết, phương pháp phân tích mơ hình số, nghiên cứu mơ hình thực
nghiệm, phương pháp xác suất thống kê và tính tốn tốn học.


9

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG
KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO

Chương 2 tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ
cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong xử lý nền đất yếu. Kết quả
phân tích làm cơ sở và căn cứ chính để lựa chọn các kịch bản cho mơ hình
thực nghiệm nghiên cứu thể hiện trong chương 3 của bản luận án.
2.1. Phương pháp phân tích số và mơ hình vật liệu
2.1.1. Khái quát các nghiên cứu hệ cọc kết hợp vật liệu Địa kỹ thuật bằng
phương pháp phân tích số
Việc tính tốn cọc kết hợp với vật liệu ĐKT bằng phân tích số theo phương
pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn ngày càng được áp dụng rộng rãi.
Các phần mềm ĐKT hiện nay được xây dựng trên cơ sở phương pháp số, có
khả năng phân tích hầu hết các dạng mơ hình hình học, kết cấu vật liệu và đất
nền. Tuy nhiên độ chính xác của phân tích số phụ thuộc rất lớn vào việc lựa
chọn mơ hình phân tích, mơ phỏng số mơ hình bài tốn, các điều kiện biên,
thơng số đất nền, cọc ....

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
Trong nghiên cứu cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT, các tác giả trên thế giới
thường coi trọng việc sử dụng phương pháp phân tích mơ hình số. Các mơ
hình rút gọn khác nhau thường được sử dụng để mô phỏng hệ cọc ĐXM kết
hợp lưới ĐKT bao gồm mơ hình 2D biến dạng phẳng, mơ hình đối xứng trục
trên một vùng và mơ hình 3D xét đủ giới hạn biên.
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
Mơ hình vật liệu là một thành phần rất quan trọng quyết định mối quan hệ giữa
ứng suất và biến dạng. Các loại vật liệu liên quan tới bài toán nghiên cứu trong
luận án bao gồm: đất nền; lưới ĐKT; cọc ĐXM và vật liệu cho phần tiếp xúc
đất với cọc; đất với lưới ĐKT bao gồm mô hình Mohr - Coulomb, mơ hình
đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic).
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
2.2.1. Các tham số phân tích và mơ hình
phân tích
Hai tham số được đưa vào phân tích là hiệu
quả truyền tải cọc Ef thể hiện tác dụng của
hiệu ứng vòm và lực kéo lưới T thể hiện
tác dụng của hiệu ứng màng.
Mô phỏng số 3D dựa trên phần mềm Plaxis
3D theo phương pháp phần tử hữu hạn Hình 2.8 Mơ hình bài tốn nghiên cứu


10

(FEM) cho một nửa phần nền đường đắp đối xứng với góc dốc 1:2, chiều cao
5m được đắp bằng cát có trọng lượng thể tích =18,5kN/m3, phía trên có tải

trọng xe quy đổi q =12,5kPa. Nền đất yếu được gia cố bằng hệ hai hàng cọc
ĐXM đường kính D=1m, chiều dài cọc 20m. Mơ hình bài tốn nghiên cứu hệ
cọc ĐXM kết hợp lới ĐKT cường độ cao với các thơng số như trên được thể
hiện tại hình 2.8. Mơ hình số 3D lựa chọn với 21650 phần tử, 28105 điểm nút
và chiều dày 6m để mô phỏng hai hàng cọc ĐXM.
2.2.2 Các trường hợp phân tích
Phân tích sự làm việc của cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao với một
số trường hợp thay đổi các yếu tố ảnh hưởng: (1) Tải trọng thẳng đứng (v’);
(2) Tỷ số khoảng cách giữa tim cọc/đường kính cọc (s/D); (3) Tỷ số mô đun
đàn hồi cọc ĐXM/mô đun biến dạng đất nền (Ec/Es); (4) Số lớp lưới và mô đun
dãn dài của lưới ĐKT (J).
2.2.3. Phân tích kết quả
2.2.3.1. Ảnh hưởng của tải trọng thẳng đứng v’
Kết quả phân tích mơ hình số cho thấy,
áp lực thẳng đứng gây ra bởi chiều cao
đắp và tải trọng phương tiện giao thông
là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả
truyền tải cọc và lực kéo lưới ĐKT.
Nghĩa là, khi chiều cao đắp càng lớn thì
áp lực thẳng đứng càng tăng, vịm đất
được hình thành và phát triển theo cơ
chế hiệu ứng vòm, làm tải trọng truyền
vào cọc ngày càng nhiều, tức là hiệu quả
2.13 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo
truyền tải lên cọc Ef tăng. Ngồi ra, việc Hình
lưới ĐKT do ảnh hưởng áp lực thẳng đứng
chiều cao đất đắp tăng sẽ làm tăng áp lực
đất chủ động phía trên ma sát với lưới, dẫn tới làm tăng nhanh lực kéo trong
lưới.
2.2.3.2. Ảnh hưởng của tỷ số khoảng cách cọc/đường kính cọc (s/D)

Kết quả phân tích mơ hình số cho thấy
tỷ số s/D ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả
truyền tải cọc và lực kéo lưới ĐKT. Khi
s/D tăng, lực kéo lưới tăng lên rõ rệt,
trong khi đó hiệu quả truyền tải cọc
giảm mạnh. Nghĩa là, khi khoảng cách
cọc tăng, độ lún chênh lệch giữa cọc
ĐXM và đất yếu tăng lên, làm lực kéo
lưới tăng và tải trọng truyền nhiều hơn
vào cọc. Tuy nhiên, mức tăng tải trọng
Hình 2.15 Hiệu quả truyền tải lên cọc và
lực kéo lưới do ảnh hưởng tỷ số s/D


11

vào cọc đó khơng đủ để đảo ngược việc hạ thấp hiệu quả truyền tải cọc khi
tăng s. Ngoài ra, khi tỷ số s/D > 3, lực kéo lưới ĐKT có xu hướng tăng khơng
đáng kể do việc hình thành vịm đất ổn định.
2.2.3.3. Ảnh hưởng của tỷ số mơ đun đàn hồi cọc đất xi măng/mô đun biến
dạng đất nền (Ec/Es)
Khảo sát bằng mơ hình số cũng chỉ ra
rằng, ảnh hưởng khá lớn của tỷ số
Ec/Es đến hiệu quả truyền tải lên cọc.
Ứng suất trên đỉnh cọc tăng theo sự
gia tăng của môđun đàn hồi cọc, độ
cứng cọc càng cao càng tăng sự tập
trung ứng suất. Với cọc ĐXM đủ cứng
(khi Ec/Es > 150 lần) sẽ tạo thành vòm
đất ổn định. Sự thay đổi tỷ lệ của mơ

Hình 2.17 Hiệu quả truyền tải cọc và
đun đàn hồi Ec/Es dường như không
lực kéo lưới do ảnh hưởng tỷ số Ec/Es
ảnh hưởng đến lực kéo của lưới ĐKT.
2.2.3.4. Ảnh hưởng mô đun dãn dài J của lưới Địa kỹ thuật
Để so sánh hiệu quả của lưới ĐKT cường
độ cao so với lưới ĐKT thông thường,
trường hợp một lớp lưới ĐKT J=8000
kN/m (tương đương cường độ chịu kéo
600kN/m), hoặc hai lớp lưới ĐKT
J=4000 kN/m (tương đương cường độ
300 kN/m), hoặc ba lớp lưới ĐKT
J=2000 kN/m (tương đương cường độ
200kN/m) được khảo sát và phân tích. Hình 2.19 Hiệu quả truyền tải cọc do ảnh hưởng
mô đun dãn dài lưới J
Kết quả thấy là khi sử dụng 1 lớp lưới
ĐKT cường độ cao, mô đun dãn dài J
thay đổi từ 2000 kN/m đến 10000
kN/m, hiệu quả truyền tải và lực kéo
lưới ĐKT thay đổi như hình 2.20. Khi
mơđun dãn dài của lưới J tăng, lực kéo
lưới ĐKT cũng tăng do chúng tỷ lệ
thuận với môđun dãn dài. Đồng thời,
do hiệu ứng màng - độ căng của lưới
ĐKT làm giảm nhẹ ứng suất đầu cọc,
Hình 2.20 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo
khiến hiệu quả truyền tải lên cọc giảm
lưới do ảnh hưởng mô đun dãn dài lưới J
nhẹ.

12

2.3. Hệ số ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hiệu quả truyền tải và
lực kéo lưới địa kỹ thuật
Xây dựng hệ số ảnh hưởng của các yếu tố tham chiếu đến các trường hợp cơ
bản: J = 8000 kN/m; Ec = 150 MPa; Es = 1 MPa; H = 5m; q = 12,5 kPa. Sử
dụng công thức tính hiệu quả truyền tải cọc trường hợp bố trí 1 lớp lưới ĐKT
cường độ cao (Ef = 0,44) và nhân với các hệ số kể tới sự ảnh hưởng của các
yếu tố: tải trọng tác dụng (a1); tỉ số khoảng cách cọc/đường kính cọc (a2); tỷ số
mơ đun đàn hồi cọc ĐXM/mô đun biến dạng đất nền (a3); môđun dãn dài lưới
ĐKT (a4). Kết quả xác định hệ số ảnh hưởng thể hiện tại hình 2.22.

Hình 2.22 Hệ số ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả truyền tải cọc

2.4. Kết luận chương 2
- Khi sử dụng một lớp lưới ĐKT cường độ cao cho hiệu quả truyền tải xuống
cọc và phát huy lực kéo trong lớp lưới cao hơn trường hợp sử dụng nhiều lưới
ĐKT thông thường.
- Đã phân tích ảnh hưởng của các yếu tố chính đến hiệu quả truyền tải vào cọc
Ef và lực kéo lưới ĐKT trong hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao,
và xây dựng được hệ số ảnh hưởng của các yếu tố: (1) tải trọng thẳng đứng tác
dụng (v'); (2) tỷ số khoảng cách cọc/đường kính cọc (s/D); (3) tỷ số mô đun
đàn hồi cọc/mô đun biến dạng đất nền (Ec/Es); (4) môđun dãn dài của lưới
ĐKT (J), kết quả chỉ rõ:


13

+ Tải trọng tác dụng (v') và tỷ số (s/D) là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến

hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới ĐKT cường độ cao khi làm việc. Khi tải
trọng thẳng đứng tác dụng tăng, hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo cũng tăng
nhanh. Còn khi tỷ số s/D tăng, lực kéo lưới tăng lên rõ rệt, trong khi đó hiệu
quả truyền tải cọc giảm mạnh.
+ Khi kết hợp với lưới ĐKT cường độ cao, với tỷ số s/D từ 2,5 - 3,5 vẫn
đảm bảo hiệu quả truyền tải cọc so với trường hợp sử dụng nhiều lớp lưới
ĐKT thông thường.
+ Khi tỷ số Ec/Es > 150 hoặc J > 8000 kN/m, hiệu quả truyền tải cọc và lực
kéo lưới có xu hướng ít thay đổi.
+ Xây dựng hệ số ảnh hưởng của các yếu tố đến sự làm việc của hệ GRPS
này.


14

NGHIÊN CỨU HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT
CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN MƠ HÌNH VẬT LÝ

Chương 3 nghiên cứu thực nghiệm hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ
cao trên mơ hình vật lý theo các kịch bản khác nhau.
3.1. Mơ hình thu nhỏ
3.1.1. Các nghiên cứu mơ hình thực nghiệm
Việc xây dựng các mơ hình để nghiên cứu các bài tốn ĐKT là rất phổ biến
trên thế giới. Mơ hình vật lý bao gồm mơ hình tỷ lệ thực (full scale), mơ hình
trọng lực đơn (1g) và mơ hình ly tâm (centrifuge).
Với những hạn chế của các nghiên cứu tiêu biểu trong nước về việc nghiên
cứu sự làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong xử lý
nền đất yếu là khơng có thực nghiệm đánh giá, thì việc xây dựng và nghiên
cứu dựa trên mơ hình vật lý tỷ lệ nhỏ trong phịng thí nghiệm sẽ là cơ sở tin
cậy cho việc phát triển lý thuyết, kiểm tra đối chiếu các phương pháp tính tốn

giải tích hay các phương pháp số về cơ chế làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp
lưới ĐKT cường độ cao trong xử lý nền đất yếu.
3.1.2. Các nghiên cứu mơ hình thu nhỏ hệ cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật
Trong nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT, mơ hình thí nghiệm được
ưu tiên sử dụng nhằm phân tích các ứng xử phức tạp bao gồm phân tích sự tập
trung ứng suất, hiệu ứng vòm, khả năng chịu tải của cọc ĐXM, tiêu biểu trong
số đó như Kitazume và nnk (2000), M.Bouassida và A.Porbaha (2004), Fang
(2006), Artidteang và nnk (2013), Xing (2014), Zhang và nnk (2016)...
3.2. Xây dựng mơ hình hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật
cường độ cao
3.2.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình
3.2.1.1.Tỷ lệ mơ hình
Mơ hình thu nhỏ phục vụ nghiên cứu thường yêu cầu tuân theo định luật tỷ lệ
như:
- Tỷ lệ hình dạng:
n = Lm/Lp
(3.1)
trong đó: Lm - kích thước trong mơ hình thu nhỏ; Lp - kích thước trong mơ
hình thực.
- Tỷ lệ ứng suất:
N = 'm/'p
(3.2)
trong đó: 'm - ứng suất tại điểm phân tích trong mơ hình thu nhỏ; 'p - ứng
suất tại điểm phân tích trong mơ hình thực.
- Tỷ lệ gradien ứng suất: I = I'm/I'p
(3.3)
trong đó: I'm - gradient ứng suất trong mơ hình thu nhỏ; I'p - gradien ứng suất
trong mơ hình thực. Trong mơ hình ly tâm, I là tỷ lệ giữa gia tốc hướng tâm và
gia tốc trọng trường. Ở mơ hình trọng lực đơn (1g), I = 1.

15

3.2.1.2. Lựa chọn tỷ lệ mơ hình thu nhỏ hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ
thuật cường độ cao
Trong nghiên cứu này, tác giả sử
dụng mơ hình trọng lực đơn (1g)
tỷ lệ n = 1/25, vật liệu trong mơ
hình thu nhỏ giống mơ hình
thực, áp lực gia tải trong mơ
hình thu nhỏ giống mơ hình
thực, tức là I = N = 1. Tương
quan giữa mơ hình thực và mơ
hình thu nhỏ được giới thiệu ở Hình 3.8 Tương quan giữa mơ hình thực và mơ hình
hình 3.8.
thu nhỏ lựa chọn nghiên cứu
3.2.2. Chuẩn bị vật liệu, hệ thống gia tải
Để thực hiện thí nghiệm, mơ hình được xây dựng bao gồm đất yếu, mơ hình
cọc ĐXM thu nhỏ, thùng chứa đất trong phịng thí nghiệm, hệ thống gia tải và
hệ thống thiết bị đo ứng suất, biến dạng (hình 3.10).

Hình 3.10 Các thiết bị đo chuyển vị, biến dạng

Kết quả thử nghiệm, lựa chọn sử dụng lưới ĐKT có cường độ chịu kéo lớn
nhất 600 kN/m (hình 3.12); hàm lượng xi măng 300 kg/m3 (hình 3.14), tỷ lệ
nước/xi măng 80% để tạo cọc ĐXM cho mơ hình thí nghiệm.

Hình 3.12 Quan hệ giữa lực kéo với biến dạng Hình 3.14 Cường độ nén một trục nở hơng mẫu
của lưới địa kỹ thuật
chế bị đất xi măng ở 7 và 28 ngày

16

3.2.3. Lắp đặt mơ hình thí nghiệm
Mơ hình thực nghiệm được lắp đặt theo các bước chính: (1) cho đất vào thùng
chứa và cố kết sơ bộ; (2) tạo cọc ĐXM theo tỉ lệ xi măng đã xác định bên trên;
(3) lắp đặt hệ thống gia tải, thiết bị đo biến dạng và đo áp lực nước lỗ rỗng. Mơ
hình được thể hiện trên hình 3.16 đến hình 3.18.

Hình 3.16 Tạo hệ cọc đất xi măng D40 trong mơ hình thực nghiệm

Hình 3.17 Mơ hình thực nghiệm cọc
ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ
cao sau khi lắp đặt

Hình 3.18 Sơ đồ bố trí hệ thống
các thiết bị đo chuyển vị, ứng suất

3.3. Kết quả thí nghiệm mơ hình hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ
thuật cường độ cao
3.3.1. Quy trình thí nghiệm
Trong phạm vi nghiên cứu, các thí nghiệm được thực hiện theo TCVN
9393:2012.
3.3.2. Kết quả thí nghiệm độ lún
Kết quả theo dõi lún tại đỉnh cọc ĐXM và điểm nền đất giữa hai cọc, tương
ứng các cấp tải, các khoảng cách cọc khác nhau. Kết quả đo độ lún ở các
trường hợp khi khơng có lưới ĐKT, có lưới ĐKT cường độ cao được thể hiện
tại các hình 3.19 đến hình 3.22.
Với cùng khoảng cách cọc 2,5D, độ lún của đất nền giữa các cọc giảm từ 60%

đến 67%, sức chịu tải (áp lực) thẳng đứng tăng 19% so với trường hợp không


17

có lưới. Kết quả này được giải thích do hiệu ứng màng của lớp lưới ĐKT: lưới
căng ra đỡ tải trọng phía trên tạo thành lớp truyền tải mềm, phân phối lại tải
trọng làm giảm tải trọng truyền vào trong đất nền nên độ lún đất nền giảm
xuống, tăng tải trọng truyền vào cọc dẫn đến độ lún đầu cọc tăng lên.

Hình 3.19 Độ lún hệ cọc ĐXM khoảng cách
s = 2.5D khi khơng có và có lưới ĐKT

Hình 3.21 Độ lún lệch giữa cọc ĐXM và đất
nền trong các trường hợp thí nghiệm

Hình 3.20 Độ lún hệ cọc đất xi măng khoảng
cách s = 2.5D và s = 3D có lưới ĐKT

Hình 3.22 Độ lún hệ cọc đất xi măng trong
các trường hợp và TCVN 9906:2014

3.3.3. Kết quả thí nghiệm đo ứng suất đầu cọc và áp lực đất nền
Kết quả đo ứng suất đỉnh cọc, áp lực đất nền giữa các cọc các trường hợp khi
khơng có lưới ĐKT với có lưới ĐKT cường độ cao được thể hiện trong các
hình 3.23 đến hình 3.25.
Kết quả cho thấy hệ số tập trung ứng suất n khi khơng có lưới ĐKT khoảng
7,5. Cịn khi có lưới ĐKT cường độ cao, hệ số tập trung ứng suất n khoảng
13,5 (hình 3.26). Điều này được giải thích do ảnh hưởng của hiệu ứng màng
của lớp lưới ĐKT cường độ cao, làm tăng ứng suất đầu cọc, giảm áp lực đất

nền.


18

Hình 3.23 Ứng suất đỉnh cọc, áp lực đất Hình 3.24 Ứng suất đỉnh cọc, áp lực đất nền khi
nền khi khoảng cách cọc 2,5D không lưới
khoảng cách cọc 2,5D có lưới ĐKT
ĐKT

Hình 3.25 Ứng suất đỉnh cọc, áp lực đất
nền khi khoảng cách cọc 3D có lưới ĐKT

Hình 3.26 Hệ số tập trung ứng suất trong các
trường hợp thí nghiệm

3.4. Kết luận chương 3
- Độ lún hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao giảm từ 60% đến 67%
so với trường hợp không sử dụng lưới ĐKT cường độ cao.
- Khi có lưới ĐKT cường độ cao hệ số tập trung ứng suất lên đầu cọc ĐXM
cao hơn nhiều (n = 13,5) so với trường hợp không sử dụng lưới ĐKT (n = 7,5).
- Hiệu ứng màng của lớp lưới ĐKT thể hiện rõ vai trò giảm lún, đặc biệt lún
lệch cho hệ cọc ĐXM kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao, vì vậy cần có
các nghiên cứu để hiệu chỉnh cơng thức dự báo lún phổ biến hiện hành cũng
như tại TCVN 9906:2014 đối với trường hợp có sử dụng lưới ĐKT, đặc biệt
với lưới ĐKT cường độ cao.


19

CHƯƠNG 4
XÂY DỰNG CƠNG THỨC TÍNH TỐN HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG
KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO

Từ những phân tích cơ sở lý thuyết tại chương 2, khảo sát sự ảnh hưởng các
yếu tố ở chương 2 và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm hệ cọc ĐXM kết
hợp lưới ĐKT cường độ cao ở chương 3, trong chương 4 trình bày các nội
dung sau:
- Xây dựng và hồn thiện các cơng thức tính hệ số tạo vòm, xác định áp lực
đất nền giữa các cọc ĐXM, lực phân bố trên lưới dựa trên cơ sở lý thuyết tiêu
chuẩn BS 8006 trong đó có xét đến phản lực của đất nền và biến dạng cọc
ĐXM.
- Xây dựng cơng thức dự tính lún hệ cọc ĐXM khi có lưới ĐKT cường độ cao
trong đó xét đến cường độ và môđun dãn dài của lưới.
4.1. Cơ sở lý thuyết xác định lực kéo lưới Địa kỹ thuật theo tiêu chuẩn BS
8006 của Anh
Các cơng thức tính tốn mới được xây dựng, hiệu chỉnh và đề xuất trên nền
tảng cơ sở lý thuyết tính tốn lực kéo lưới ĐKT của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới
ĐKT theo tiêu chuẩn BS 8006. Qua cách tính lực kéo lưới ĐKT và độ lún theo
tiêu chuẩn BS 8006, một số nhận xét được rút ra:
- Khi xác định ứng suất đỉnh cọc và lực kéo lưới, trong tiêu chuẩn BS 8006
đã bỏ qua phần tải trọng truyền vào đất nền (giả thiết phần áp lực truyền
vào đất nền bằng 0). Nhưng thực tế, khoảng cách giữa các cọc trong hệ
GRPS thường tương đối lớn, nên diện tích phần đất yếu chịu lực giữa các
cọc cần phải xét đến trong quá trình chịu tải. Do vậy, tác giả xây dựng
cơng thức mới để tính tốn áp lực lên đất yếu từ kết quả thí nghiệm.
- Một trong các thông số quan trọng cần xác định trong sự làm việc của hệ
cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT là hệ số tạo vòm. Tiêu chuẩn BS 8006 dựa
trên tính tốn của Marston (1913), đã xác định hệ số tạo vòm theo nghiên
cứu trên ống cống tròn BTCT. Trong luận án này, tác giả xây dựng lại

công thức tính hệ số tạo vịm Cc cho phù hợp hơn, trực tiếp với điều kiện
bài toán hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong trường hợp
cọc xuyên qua đất yếu chống vào lớp đất rời, có xét đến khoảng cách giữa
các cọc.
- Khi tính tốn độ lún hệ cọc ĐXM có hoặc khơng có lưới ĐKT, các tiêu
chuẩn hiện hành (TCVN 9906:2014, BS 8006) dựa trên công thức gốc của
Broms, đều giả thiết tất cả tải trọng đều truyền xuống cọc và đất nền gây
lún. Tuy nhiên, với trường hợp hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT thì ngồi
tải trọng truyền vào cọc và đất nền, thì một phần tải trọng truyền vào lưới
ĐKT, do vậy tác giả sẽ xây dựng cơng thức tính lún phù hợp bài toán hệ
cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong trường hợp cọc xuyên
qua đất yếu chống vào lớp đất rời.


20

4.2. Xây dựng cơng thức tính tốn
Từ kết quả số liệu thí nghiệm từ mơ hình vật lý, phân tích hồi quy phi tuyến,
xây dựng và đề xuất các công thức mới trên cơ sở lý thuyết tiêu chuẩn BS
8006 có xét đến áp lực đất nền, biến dạng cọc ĐXM và biến dạng lưới ĐKT.
4.2.1. Công thức xác định hệ số tạo vòm Cc cho cọc đất xi măng trong trường
hợp cọc chống
Sử dụng kết quả thực nghiệm từ mơ hình vật lý tại chương 3 của luận án trong
trường hợp khoảng cách cọc 2,5D và 3D, phân tích hồi quy tuyến tính, xây
dựng và đề xuất cơng thức xác định hệ số tạo vòm Cc:
s
H
s
(4.15)
Cc = (0,1712 + 0,1816) − (0, 0784 + 0,3435)

D

a

D

Theo đó, hệ số hiệu chỉnh R2 = 0,98 > 0,9 có nghĩa cơng thức đề xuất phù hợp
theo kết quả thực nghiệm. Với công thức xác định hệ số tạo vòm Cc theo tiêu
chuẩn BS 8006 chỉ phụ thuộc vào chiều cao đất đắp và bề rộng cọc quy đổi.
Trong khi đó, với cơng thức đề xuất 4.15, ngồi hai yếu tố trên, cịn xét đến
yếu tố quan trọng khác là khoảng cách giữa các tim cọc. Điều này phù hợp với
kết quả thực tế, khi khoảng cách cọc tăng, dẫn đến hệ số tạo vòm tăng, tức là
ứng suất đỉnh cọc tăng lên.
4.2.2. Công thức xác định áp lực đất nền và lực phân bố trên lưới địa kỹ
thuật
Phân tích hồi quy phi tuyến các kết quả thực nghiệm đo được từ mô hình vật
lý, xây dựng và đề xuất cơng thức xác định áp lực truyền vào nền đất yếu s:
s
(0,0396 + 0,0842)H
s
'
D
s = (−0,134 + 13,53)e
(4.22)
D
Kết quả cho thấy R2 = 0,97 > 0,9 có nghĩa cơng thức đề xuất tính áp lực đất
nền phù hợp với kết quả thực nghiệm. Trong tiêu chuẩn BS 8006 để thiên về
an toàn đã giả thiết bỏ qua sự làm việc của đất nền xung quanh cọc, tức là tất
cả tải trọng sẽ truyền vào cọc và lưới. Với kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật
lý cho thấy, đất nền có tham gia vào q trình chịu tải trọng đắp. Cơng thức

4.22 đề xuất áp lực đất nền phụ thuộc vào ba yếu tố chính: chiều cao đắp;
đường kính cọc; và khoảng cách cọc.
Đề xuất cơng thức tính lực phân bố WT trên lưới có xét đến sự làm việc của đất
nền:
s
(0.,396 + 0,0842)H 

s
D
WT = s. (H + p).X − (−0,134 + 13,53)e

D



p 'c
)
H + p
s2 − a 2

(4.23)

(s 2 − a 2 .

với: X =

4.2.3. Cơng thức tính lún hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật
Trong bài toán cọc xuyên qua đất yếu chống vào lớp đất rời (chiều dài cọc
ĐXM bằng chiều dày lớp đất yếu), đề xuất cơng thức tính độ lún S của hệ cọc

21

ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao bao gồm độ lún cọc ĐXM Scol và độ
võng lớp lưới ĐKT Sgrid (công thức 4.24). Với giả thiết độ võng của lưới ĐKT
bằng độ lún của nền đất xung quanh cọc trong khả năng chịu tải, tức là áp lực
đất nền nhỏ hơn sức chịu tải giới hạn nền đất.
'
3.
S = Scol + Sgrid = pc .L + (s − a)

E col

8

(4.24)

trong đó: p'c - ứng suất đầu cọc; L - chiều dài cọc ĐXM; Ecol - Mô đun đàn hồi
của cọc ĐXM; s - khoảng cách tim các cọc; a - bề rộng cọc quy đổi từ đường
kính;  - biến dạng tương đối của lưới ĐKT.
4.3. Đánh giá các cơng thức tính tốn hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa
kỹ thuật cường độ cao đã xây dựng
4.3.1. Cơng thức tính hệ số tạo vịm và áp lực đất nền trường hợp cọc xuyên
qua đất yếu chống vào lớp đất rời
Để đánh giá độ tin cậy của các công thức đề xuất, tác giả sử dụng các công
thức (4.15) tính tốn hệ số tạo vịm Cc, từ đó xác định ứng suất đầu cọc p'c và
công thức (4.22) tính tốn áp lực đất nền s so sánh với kết quả tính tốn theo
tiêu chuẩn BS 8006 và tiêu chuẩn EBGEO dựa trên hai tiêu chí so sánh hệ số
tập trung ứng suất n = p'c/s vào cọc ĐXM và hệ số giảm ứng suất SRR =
s/v(hình từ 4.10 đến 4.13). Kết quả cho thấy:

- Trong khoảng 0,5 < H/(s-a) < 2,5: kết quả theo công thức đề xuất khá sát với
tiêu chuẩn EBGEO.
- Trong khoảng 2,5 < H/(s-a): kết quả theo cơng thức đề xuất có sự khác biệt
so với kết quả theo tiêu chuẩn EBGEO và BS 8006.

Hình 4.10 Tỷ số giảm ứng suất SRR theo các Hình 4.11 Hệ số tập trung ứng suất theo các
phương pháp (khoảng cách s=2,5D)
phương pháp (khoảng cách s = 2,5D)


22

Hình 4.12 Tỷ số giảm ứng suất SRR theo các Hình 4.13 Hệ số tập trung ứng suất theo các
phương pháp (khoảng cách s = 3D)
phương pháp (khoảng cách s = 3D)

4.3.2. Cơng thức tính tốn độ lún hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ
thuật cường độ cao đã xây dựng
Sử dụng công thức đề xuất 4.24, tính lún hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT
cường độ cao, so sánh với kết quả tính độ lún theo quy trình TCVN
9906:2014. Kết quả phân tích cho thấy, độ lún tính tốn theo cơng thức đề xuất
có khác biệt so với TCVN 9906:2014 (hình 4.14, hình 4.15). Điều này thể
hiện được vai trò của hiệu ứng màng của lớp ĐKT cường độ cao trong việc
giảm lún hệ nền cọc.

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

Hình 4.15 Độ lún hệ cọc theo các phương
pháp (khoảng cách s = 3D)

4.4. Kết luận chương 4
- Cho đến nay, khi thiết kế cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu,
tiêu chuẩn BS 8006 của Anh được áp dụng phổ biến. Tuy nhiên, cơ sở lý
thuyết tính tốn trong tiêu chuẩn này vẫn giả thiết gần đúng khá nhiều điều
kiện biên để đơn giản hóa bài tốn, chẳng hạn như: bỏ qua sự làm việc của nền
đất yếu (C= 0); coi toàn bộ tải trọng từ khối đắp truyền vào cọc và lưới ĐKT;
và khơng có biến dạng của cọc và lưới khi chịu lực.