Cọc cắt đầm chặt, công nghệ thi công và khả năng ứng dụng để xử lý nền đường đất yếu đoạn từ km 96+300 đến km 105+417 thuộc đường cao tốc hà nội hải phòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ THỊ THANH NHÀN

CỌC CÁT ĐẦM CHẶT, CÔNG NGHỆ THI CÔNG VÀ
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG
ĐẤT YẾU ĐOẠN TỪ KM 96+300 ĐẾN KM 105+417
THUỘC ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ THỊ THANH NHÀN

CỌC CÁT ĐẦM CHẶT, CÔNG NGHỆ THI CÔNG VÀ
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG
ĐẤT YẾU ĐOẠN TỪ KM 96+300 ĐẾN KM 105+417
THUỘC ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chun ngành: Địa chất cơng trình
Mã số: 60.44.65

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Đỗ Minh Toàn

HÀ NỘI - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài này do chính tơi thực hiện. Những tài liệu và số liệu
được sử dụng trong luận văn là hoàn toàn đúng sự thật, có nguồn gốc rõ ràng. Đề tài
luận văn mà tơi nghiên cứu là hồn tồn mới, chưa từng được làm trước đây, hồn
tồn khơng có sự sao chép nào trong đề tài này.

Tác giả luận văn

Lê Thị Thanh Nhàn


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT VÀ BƯỚC ĐẦU
ÁP DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM ....................................... 4
1.1 Khái quát chung về phương pháp làm tăng độ chặt của đất bằng cọc cát ........ 4
1.1.1 Cơ chế làm việc của cọc cát ........................................................................ 4
1.1.2 Đặc điểm làm việc của cọc cát .................................................................... 4
1.1.3 Tính ưu việt và phạm vi áp dụng của cọc cát ............................................... 5
1.1.4 Nguyên lý thi công cọc cát .......................................................................... 5

1.1.5 Kiểm tra chất lượng cọc cát đã thi công xong .............................................. 8
1.2 Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt ....................................................... 8
1.2.1 Đặc điểm của phương pháp cọc cát đầm chặt .............................................. 9
1.2.2 Phạm vi áp dụng của phương pháp cọc cát đầm chặt (SCP) ...................... 10
1.2.3 Thiết bị thi công ........................................................................................ 10
1.2.4 Yêu cầu vật liệu cát .................................................................................. 12
1.2.5 Quản lý chất lượng.................................................................................... 13
1.3 Trình tự thiết kế cọc cát đầm chặt ................................................................ 18
1.3.1 Điều kiện thiết kế cọc cát đầm chặt ........................................................... 19
1.3.2 Thiết kế xử lý nền đất yếu là đất rời bằng cọc cát đầm chặt ....................... 21
1.3.3 Thiết kế xử lý nền đất yếu là đất dính bằng cọc cát đầm chặt .................... 26
1.4 Trình tự thi cơng cọc cát đầm chặt ............................................................... 39
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH TUYẾN ĐƯỜNG
CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHỊNG ĐOẠN TỪ KM96+300 ĐẾN KM
105+417 ................................................................................................................ 43
2.1 Vị trí địa lý đoạn tuyến từ Km 98+860 đến Km 99+100 .............................. 43


2.2 Đặc điểm địa hình và địa mạo ....................................................................... 43
2.3 Sơ lược đặc điểm khí tượng thuỷ văn, địa chất thuỷ văn ............................ 44
2.4 Đặc điểm địa tầng và tính chất cơ lý của đất nền ......................................... 44
2.4.1 Lớp 1: Đất lấp và đất trồng trọt. ................................................................ 44
2.4.2 Lớp 2: Sét pha, trạng thái dẻo mềm. .......................................................... 45
2.4.3 Lớp 3: Sét, trạng thái dẻo mềm ................................................................. 46
2.4.4 Lớp 4: Sét, trạng thái dẻo cứng ................................................................. 47
2.4.5 Lớp 5: Sét pha, trạng thái dẻo mềm ........................................................... 48
2.4.6 Lớp 6: Cát hạt vừa, kết cấu chặt. ............................................................... 49
2.4.7 Lớp 7: Cát hạt nhỏ, kết cấu rất chặt ........................................................... 50
2.5 Nhận xét ......................................................................................................... 51
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT ĐẦM

CHẶT TUYẾN ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG, ĐOẠN TỪ
KM 96+300 ĐẾN KM 105+417 ........................................................................... 52
3.1 Tiêu chuẩn và yêu cầu thiết kế ...................................................................... 52
3.1.1 Các tiêu chuẩn áp dụng ............................................................................. 52
3.1.2 Các yêu cầu thiết kế xử lý nền đất yếu ...................................................... 52
3.2 Phương pháp tính tốn .................................................................................. 54
3.2.1 Kiểm tốn ổn định đoạn tuyến đường từ Km 98+860 đến Km 99+100 ...... 54
3.2.2 Cơ sở lý thuyết và số liệu tính tốn cọc cát đầm chặt ................................ 65
3.2.3 Xác định chiều sâu, phạm vi xử lý ............................................................ 67
3.2.4 Phần mềm ................................................................................................. 67
3.3 Phân tích lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý của đất để thiết kế xử lý nền đường ...... 67
3.3.1 Khối lượng thể tích đơn vị ........................................................................ 68
3.3.2 Cường độ kháng cắt khơng thốt nước ban đầu ......................................... 69
3.3.3 Hệ số cường độ kháng cắt khơng thốt nước ............................................ 71
3.3.5 Tóm tắt tính chất cơ lý, giá trị đất tính tốn để thiết kế xử lý nền đất
yếu .................................................................................................................... 75
3.4. Thiết kế xử lý nền đất yếu ............................................................................ 76
3.4.1 Thiết kế xử lý nền đất yếu cho đoạn đường từ Km 98+860 đến Km 99+100 .......... 76


3.4.2 Sử dụng phần mềm tính độ lún K-embankment và tính trượt bằng
Geoslope kiểm tra lại. ........................................................................................ 78
3.4.3 Chi phí thi công xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt đoạn đường
Km 98+860 - Km 99+100. ................................................................................. 80
3.4.4 Tóm lại ..................................................................................................... 81
3.5 Các cơng tác quan trắc địa kỹ thuật ............................................................. 81
3.5.1 Quan trắc lún ............................................................................................ 82
3.5.2 Quan trắc mực nước dưới đất .................................................................... 82
3.5.3 Quan trắc chuyển vị ngang ........................................................................ 82
3.5.4 Đo áp lực nước lỗ rỗng ............................................................................. 83

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP CỌC CÁT
ĐẦM CHẶT ĐÃ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM ............................................... 84
4.1 Thiết kế xử lý nền đường đất yếu bằng phương pháp bấc thấm cho Km
98+860 đến Km 99+100 ....................................................................................... 84
4.1.1 Xác định các thông số lý nền đường đất yếu bằng phương pháp bấc
thấm cho Km 98+860 đến Km 99+100 .............................................................. 84
4.1.2 Tính chiều cao đắp nền đường theo các giai đoạn ..................................... 85
4.1.3 Thời gian chờ giữa các giai đoạn đắp ........................................................ 90
4.1.4 Kết luận .................................................................................................... 94
4.1.5 Chi phí thi cơng xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm đoạn đường
Km98+860 - Km99+100.................................................................................... 96
4.2. Phân tích hiệu quả của phương pháp cọc cát đầm chặt .............................. 96
4.2.1 Tính ưu việt về kỹ thuật ............................................................................ 96
4.2.2 Tính ưu việt về kinh tế .............................................................................. 99
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1: Các phương pháp kiểm toán lún của nền đất sau gia cố ......................... 35
Bảng 2.1: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 2 .......................................................... 45
Bảng 2.2: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 3.......................................................... 46
Bảng 2.3: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 4.......................................................... 47

Bảng 2.4: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 5 .......................................................... 48
Bảng 2.5: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp 6 ........................................... 50
Bảng 2.6: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 7 .......................................................... 50
Bảng 3.1: Bảng tính ứng suất tại tim đường dưới nền đường đắp ........................... 59
Bảng 3.2: Bảng tính giá trị độ lún cố kết của đất.................................................... 61
Bảng 3.3: Góc ma sát trong và tỷ lệ phân chia ứng suất theo tỷ lệ thay thế ............ 66
Bảng 3.4: Các giá trị Co điển hình từ kết quả thí nghiệm ....................................... 70
Bảng 3.5: Kiến nghị các giá trị của Cc, Cv và Kv của lớp đất 4 cho việc thiết kế ... 75
Bảng 3.6: Bảng chỉ tiêu cơ lý của đất cho thiết kế xử lý nền đất yếu ...................... 75
Bảng 3.7: Vị trí các đoạn trong phạm vi từ Km 96+300 đến Km 105+417 được
xử lý bằng phương pháp cọc cát đầm chặt ............................................ 76
Bảng 3.8: Thông số thiết kế xử lý nền bằng cọc cát đầm chặt ................................ 77
Bảng 3.9: Thông số đầu vào cho phần mềm K-embankment.................................. 78
Bảng 3.10: Kết quả tính tốn của phần mềm K-embankment ................................. 79
Bảng 3.11: Kết quả hệ số an toàn Fs từ phần mềm Geoslope ................................. 79
Bảng 3.12: Các thông số thiết kế xử lý bằng phương pháp cọc cát đầm chặt
Km98+860 đến Km 99+100 ................................................................. 81
Bảng 4.1: Bảng số lượng bấc thấm ........................................................................ 85
Bảng 4.2: Các giá trị hệ số an toàn F của mặt cắt 1 với chiều cao đắp Hđ1 =2m...... 87
Bảng 4.3: Chiều cao đắp cho từng giai đoạn .......................................................... 90
Bảng 4.4: Thông số thiết kế xử lý nền đấy yếu bằng bấc thấm Km 98+860 Km99+100 ........................................................................................... 95
Bảng 4.5: Chi phí thi cơng các hạng mục cơng việc khác....................................... 96


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
STT

Tên hình

Trang

Hình 1.1: Sơ đồ thi cơng cọc cát thường .................................................................. 5
Hình 1.2: Đầu mũi ống thép..................................................................................... 6
Hình 1.3: Đặt ống vách đúng vị trí thi cơng ............................................................. 7
Hình 1.4: Hạ ống vách thép vào trong đất yếu ......................................................... 7
Hình 1.5: Đổ cát và nước đã chuẩn bị sẵn qua "cửa sổ" ở đỉnh cọc ống thép ............ 7
Hình 1.6: Dùng phương pháp chấn động vừa rung vừa rút ống thép lên khỏi mặt đất....... 8
Hình 1.7: Thiết bị thi công cọc cát đầm chặt .......................................................... 10
Hình 1.8: Đồ thị về giới hạn thành phần hạt của cát được sử dụng để thi công
cọc cát đầm chặt ................................................................................... 12
Hình 1.9: Bảng mã hóa thơng tin của một cọc cát đầm chặt trên Excel .................. 14
Hình 1.10: Các thành phần ứng suất tác dụng lên mẫu đất hỗn hợp ....................... 15
Hình 1.11: Cơng tác đo chuyển vị ngang sâu ......................................................... 17
Hình 1.12: Cơng tác quan trắc mực nước ngầm ..................................................... 17
Hình 1.13: Cơng tác đo áp lực nước lỗ rỗng .......................................................... 18
Hình 1.14: Sơ đồ bố trí cọc cát đầm chặt ............................................................... 18
Hình 1.15: Mặt bằng bố trí cọc (a) và mặt cắt dọc cọc cát (b) ................................ 20
Hình 1.16: Cọc chống ............................................................................................ 20
Hình 1.17: Cọc treo ............................................................................................... 21
Hình 1.18: Mối liên hệ giữa độ chặt tương đối và hệ số rỗng theo Masaki
Kitazume[3] ......................................................................................... 22
Hình 1.19: Mối liên hệ giữa chỉ số xuyên tiêu chuẩn của đất chưa gia cố Ni với
chỉ số Nti sau cải tạo theo Masaki Kitazume[3] .................................... 22
Hình 1.20: Mối quan hệ giữa emax , emin với Fc .................................................. 23
Hình 1.21: Quan hệ giữa Fc và s.......................................................................... 24
Hình 1.22: Sơ đồ tính tốn xử lý nền đất là đất rời ................................................. 25
Hình 1.23: Phương pháp tính ổn định xét đến sự làm việc giữa cọc và đất ............. 31
Hình 1.24: Phương pháp thi cơng cọc cát đầm chặt ............................................... 40
Hình 1.25: Sự di chuyển của đầu mũi ống dẫn ....................................................... 40

Hình 1.26: Sự thay đổi đường kính của cọc cát đầm chặt ....................................... 41
Hình 2.1: Mặt cắt địa chất cơng trình đoạn Km 98+860 đến Km 99+100............... 44
Hình 3.1: Sơ đồ tính tốn tải trọng giao thơng ....................................................... 53
Hình 3.2: Giá trị tải trọng và phân bổ .................................................................... 54
Hình 3.3: Sơ đồ phá hoại của nền đường có đáy rộng ............................................ 55
Hình 3.4: Biểu đồ phân bố ứng suất dưới tim nền đường ....................................... 60
Hình 3.5: Sơ đồ bố trí và quan niệm thiết kế Cọc cát đầm (SCP) ........................... 65
Hình 3.6: Sơ lược về khối lượng thể tích đơn vị của lớp đất 3 và 4 ........................ 68
Hình 3.7: Tóm tắt các thơng số thí nghiệm sức chống cắt khơng thốt nước
của đất ................................................................................................. 70
Hình 3.8: Tóm tắt các giá trị Co điển hình từ các kết quả thí nghiệm ..................... 71
Hình 3.9: Giá trị m từ kết quả thí nghiệm CU và giá trị được đề nghị thiết kế ........ 71
Hình 3.10: Mối quan hệ giữa m và chỉ số dẻo ........................................................ 72
Hình 3.11: Biến thiên của PC với độ sâu và so sánh với áp lực quá tải .................. 72
Hình 3.12: Tóm tắt các giá trị Cc của lớp đất 3 ...................................................... 73
Hình 3.13: Đồ thị và giá trị đặc trưng của lớp đất 3[từ 8m trở lên]......................... 73
Hình 3.14: Đồ thị và giá trị đặc trưng của lớp đất 3 [từ 8m xuống] ........................ 74
Hình 3.15: Mối quan hệ Cc-e, Cv-e và Kv-e được xây dựng cho đất yếu của
đoạn đường .......................................................................................... 74
Hình 3.16: Mặt cắt ngang điển hình đoạn cần tính tốn thiết kế xử lý .................... 78
Hình 3.17: Biểu đồ độ lún và độ cố kết của đất theo thời gian t (K-embankment) ........ 79
Hình 4.1: Biểu đồ phân kỳ thi cơng xử lý bằng bấc thấm ....................................... 94


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Trong xây dựng, đặc biệt là xây dựng giao thông thường gặp nền đất yếu, khi

thi cơng cần phải có giải pháp xử lý nền để đảm bảo độ ổn định cơng trình. Hiện
nay ở Việt Nam đã áp dụng nhiều biện pháp để gia cố nền đất yếu như:
- Phương pháp thay thế đất;
- Giải pháp thoát nước thẳng đứng (bấc thấm, giếng cát...);
- Phương pháp cọc đất xi măng;
- Sàn giảm tải;
- Phương pháp cọc cát,...
Phương pháp cọc cát đầm chặt để gia cố nền đất yếu đã được sử dụng ở một
số các nước như Hàn Quốc, Nhật Bản... và mới bước đầu được nghiên cứu và áp
dụng ở Việt Nam. So với phương pháp làm chặt đất bằng cọc cát thông thường cọc
cát đầm chặt khác về công nghệ thi công. Giải pháp và công nghệ thi công xử lý nền
đất yếu bằng cọc cát đầm chặt có những ưu điểm: làm rút ngắn thời gian thi công,
không cần đắp gia tải đồng thời, có thể thi cơng đến độ sâu thiết kế xử lý nền đất
yếu lớn... Hơn nữa, cọc cát đầm chặt khác với cọc cát thông thường ở chỗ có đường
kính lớn hơn nhiều  = 600mm-800mm, cùng với công nghệ thi công ưu việt hơn
nên cọc cát đầm chặt có khả năng chịu tải cao hơn, làm cố kết đất nhanh hơn cọc cát
thông thường.
Để tìm hiểu, phân tích tính ưu việt của phương pháp cọc cát đầm chặt và
hướng tới khả năng ứng dụng rộng rãi phương pháp này ở Việt Nam đề tài: “Cọc
cát đầm chặt, công nghệ thi công và khả năng ứng dụng để xử lý nền đường đất
yếu đoạn từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc đường cao tốc Hà Nội - Hải
Phịng” có tính cấp thiết.
2. Mục đích của luận văn:
Nghiên cứu, tìm hiểu về các bước thiết kế cọc cát thi công trong việc xử lý
nền đất yếu bằng phương pháp đầm chặt;
Ứng dụng thiết kế xử lý cho đoạn đường từ Km 96+300 đến Km 105+417
thuộc đường cao tốc Hà Nội - Hải Phịng;
Bước đầu phân tích làm sáng tỏ tính ưu việt của phương pháp cọc cát đầm chặt.

2

3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là cọc cát đầm chặt;
Phạm vi nghiên cứu là phương pháp tính tốn, thiết kế, thi cơng cọc cát đầm
chặt; ứng dựng phương pháp cọc cát đầm chặt trong việc thiết kế xử lý nền đường
đất yếu đoạn từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc tuyến đường cao tốc Hà Nội Hải Phòng.
3. Nhiệm vụ của luận văn:
Để đạt được mục đích trên, nhiệm vụ của luận văn là:
- Nghiên cứu tìm hiểu về đặc điểm thiết kế, thi cơng xử lý nền đất yếu bằng
cọc cát thông thường và cọc cát đầm chặt;
- Làm sáng tỏ đặc điểm ĐCCT đoạn từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc
tuyến đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng;
- Ứng dụng thiết kế xử lý đất yếu của nền đường đoạn đường từ Km 96+300
đến Km 105+417 thuộc đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng bằng phương pháp cọc
cát đầm chặt;
- Phân tích làm sáng tỏ tính ưu việt của phương pháp cọc cát đầm chặt để
nâng cao khả năng ứng dụng phương pháp này ở Việt Nam.
4. Nội dung của luận văn
Để giải quyết các nhiệm vụ của đề tài đặt ra, nội dung luận văn tập trung giải
quyết các vấn đề:
- Tổng quan về phương pháp thiết kế xử lý nền bằng cọc cát đầm chặt và
nhưng kết quả bước đầu ứng dụng ở Việt Nam;
- Điều kiện ĐCCT đoạn tuyến đường từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc
tuyến đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng;
- Thiết kế xử lý nền đất yếu đoạn đường từ Km 96+300 đến Km 105+417
bằng phương pháp cọc cát đầm chặt;
- Phân tích tính ưu việt và phạm vi ứng dụng của phương pháp cọc cát
đầm chặt.
5. Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu: thu thập tất cả các tài liệu


3

đã có nghiên cứu về nội dung, đối tượng nghiên cứu của phương pháp cọc cát đầm
chặt và ưu nhược điểm của nó;
- Phương pháp địa chất: đi thực địa, tìm hiểu điều kiện địa chất cơng trình
vùng nghiên cứu để thiết kế xử lý nền đất yếu;
- Phương pháp tính tốn lý thuyết: ứng dụng để phân tích, tính tốn thiết kế
xử lý đất yếu nền đường giao thơng.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ tính ưu việt của việc xử lý nền đất
yếu bằng phương pháp cọc cát đầm chặt;
Kết quả nghiên cứu là cơ sở để mở rộng phạm vi ứng dụng phương pháp cọc
cát đầm chặt ở Việt Nam.
7. Cấu trúc luận văn:
Luận văn gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận được trình bày trong
108 trang với 25 hình vẽ và 45 bảng biểu.
Sau khi trải qua quá trình đào tạo trong nhà trường, nghiên cứu, tìm tịi, đi
thực địa và viết luận văn, tối đã hoàn thành bản luận văn thạc sĩ. Tôi đã nhận được
nhiều sự giúp đỡ từ các thầy cô, bạn bè và các đồng nghệp. Đề tài luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ chun ngành Địa chất cơng trình của tôi nghiên cứu về một phương
pháp xử lý nền đấy yếu khá mới mẻ. Trên thực tế cũng mới được tiến hành tại tuyến
đường cao tốc Hà Nội - Hải Phịng và hiện nay cơng trình vẫn chưa được hồn
thiện. Vì vậy, cơng việc này thực sự chưa có quy trình, tiêu chuẩn nào được đưa ra
một cách hiệu quả nhất. Tơi cảm thất mình là người may mắn khi chọn được đề tài
này nhưng đó cũng là điều gây khó khăn cho tơi khi thực hiện. Nhờ sự giúp đỡ tận
tình từ giáo viên hướng dẫn - PGS.TS Đỗ Minh Toàn, giáo viên hướng dẫn thực

địa ThS. Nguyễn Thị Hiền tơi đã hồn thành luận văn này thành công. Nhân đây,
tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo và các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp
đỡ tơi hồn thành nhiệm vụ.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT VÀ BƯỚC ĐẦU ÁP DỤNG
ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM
1.1 Khái quát chung về phương pháp làm tăng độ chặt của đất bằng cọc cát
Phương pháp cọc cát đầm chặt đã được sử dụng khá rộng rãi tại các nước
như Nhật Bản, Hàn Quốc… Thực tế thi công cho thấy, nén chặt đất bằng cọc cát là
một phương pháp có hiệu quả khi xây dựng các cơng trình chịu tải trọng lớn trên
nền đất yếu có chiều dày lớn.

1.1.1 Cơ chế làm việc của cọc cát
Cọc cát có tác dụng làm cho độ rỗng, độ ẩm của đất nền giảm đi, khối lượng
thể tích, các đặc trưng cơ học của đất tăng lên. Do nền đất được nén chặt lại mà sức
chịu tải của đất nền tăng lên, độ lún và biến dạng không đồng đều của đất nền dưới
đế móng các cơng trình giảm đi một cách đáng kể. Dưới tác dụng của tải trọng, cọc
cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời, đất được
nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc.

1.1.2 Đặc điểm làm việc của cọc cát
Khi sử dụng cọc cát, trị số modul tổng biến dạng ở trong cọc cát cũng như ở
vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm. Vì vậy, sự phân bố
ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên
nhiên. Tính chất này hồn tồn khơng thể có được khi dùng các loại cọc cứng. Đối
với các nền đất dùng cọc cứng, chúng ta có nhận xét rằng, do modul tổng biến dạng

của đất ở xung quanh thân cọc nhỏ hơn rất nhiều lần (vào khoảng 1.000 lần) so với
modul biến dạng của vật liệu cọc, do đó tồn bộ tải trọng của cơng trình do móng
tiếp nhận sẽ truyền lên các cọc, các lớp đất ở dưới mũi cọc và xung quanh cọc.
Trong trường hợp này, đất ở giữa các cọc hầu như không tham gia chịu lực và độ
lún của cơng trình do các lớp đất ở dưới mũi cọc quyết định.
Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn nhiều so với
nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng. Phần lớn độ lún của nền đất gia cố
bằng cọc cát thường kết thúc trong q trình thi cơng, do đó tạo điều kiện cho cơng


5

trình mau chóng đạt đến giới hạn lún ổn định. Nguyên nhân là do cọc cát làm việc
như các giếng thốt nước, nước trong đất có điều kiện thốt ra nhanh theo chiều dài
cọc dưới tác dụng của tải trọng ngồi. Điều này khơng thể có được đối với nền đất
thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng.

1.1.3 Tính ưu việt và phạm vi áp dụng của cọc cát
Tính ưu việt của cọc cát về mặt kinh tế còn thể hiện ở vật liệu cọc. Cát dùng
trong cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với gỗ, thép, bê tông cốt thép dùng trong
cọc cứng và không bị ăn mịn nếu nước ngầm có tính xâm thực. Biện pháp thi cơng
cọc cát tương đối đơn giản, khơng địi hỏi những thiết bị phức tạp. Do những ưu
việt kể trên nên giá thành xây dựng khi dùng cọc cát thường rẻ hơn so với một số
phương án khác như cọc gỗ, cọc bê tông và bê tông cốt thép. Kinh nghiệm xây dựng
cũng như những kết quả đã nghiên cứu cho thấy rằng, sử dụng cọc cát là một
phương pháp dùng có hiệu quả để nén chặt các lớp đất yếu có chiều dày lớn như các
loại đất cát nhỏ, cát bụi rời ở trạng thái bão hòa nước, các đất cát xen kẽ những lớp
bùn mỏng, các loại đất dính yếu (sét, sét pha, cát pha trạng thái chảy, dẻo chảy, dẻo
mềm) cũng như các loại đất bùn và than bùn.

1.1.4 Nguyên lý thi công cọc cát
Việc thi công đóng cọc cát được tiến hành nhờ các máy chuyên dụng bao
gồm bộ phận chấn động, máy rung ấn ống thép (đường kính 40-60cm) vào lịng đất
đến độ cao thiết kế.
Sơ đồ và nguyên lý thi công cọc cát thông thường:

Hình 1.1: Sơ đồ thi cơng cọc cát thường


6

Ống thép được hạ xuống nền đất bằng búa đóng cọc hoặc phương pháp chấn
động. Để làm tăng tốc độ cố kết, cát dùng làm vật liệu cọc thường là loại cát hạt to
hay hạt trung. Cát yêu cầu phải sạch, hàm lượng bụi và sét lẫn vào không quá 3%,
khơng lẫn những đất hịn to có kích thước lớn hơn 6 mm. Hiện nay, có 2 phương
pháp thi cơng cọc cát thông thường.
+ Thi công cọc cát bằng phương pháp đầm nện được tiến hành như sau:
Bước 1: đóng những cọc lõi bằng gỗ hay bằng thép xuống tới cao trình thiết kế;
Bước 2: tiếp theo rút cọc lên và nhồi cát vào lỗ cọc theo từng lớp;
Bước 3: trong khi thi cơng bước 2 thì kết hợp đầm từng lớp một bằng búa
treo, mỗi lớp có chiều dày vào khoảng 1,00 - 1,25m.
+ Thi công cọc cát bằng phương pháp chấn động được tiến hành như sau:
Bước 1: hạ ống thép tới độ sâu thiết kế (hình 1.3);
Bước 2: nhấc máy chấn động ra, nhồi cát vào và đổ cao chừng 1m, sau đó đặt
máy chấn động vào rung trong khoảng 15-20 giây;
Bước 3: bỏ máy chấn động ra và rút ống lên khoảng 0,5m rồi lại đặt máy
chấn động vào rung trong khoảng 10-15 giây để cho đầu nhọn của ống mở ra, cát
tụt xuống.
Bước 4: Sau đó rút ống lên dần với tốc độ đều, vừa rút ống vừa rung khi
nào ống chỉ còn lại trong đất khoảng chừng 0,5 - 0,8m, lúc đó mới bỏ máy chấn

động ra.

Hình 1.2: Đầu mũi ống thép


7

Ta có thể tóm tắt q trình thi cơng cọc cát bằng một số hình ảnh sau đây:

Hình 1.3: Đặt ống vách đúng vị trí thi cơng

Hình 1.4: Hạ ống vách thép vào trong đất yếu

Hình 1.5: Đổ cát và nước đã chuẩn bị sẵn qua "cửa sổ" ở đỉnh cọc ống thép


8

Hình 1.6: Dùng phương pháp chấn động vừa rung vừa rút ống thép lên khỏi
mặt đất

1.1.5 Kiểm tra chất lượng cọc cát đã thi công xong
Sau khi thi công xong, nền gia cố bằng cọc cát phải được kiểm tra chất lượng
bằng các biện pháp sau đây:
- Khoan lấy mẫu đất ở giữa các cọc cát để xác định khối lượng thể tích nén
chặt của nền đất, hệ số rỗng sau khi nén chặt và cường độ chống cắt sau khi nén
chăt. Từ đó tính ra được cường độ của đất nền sau khi đã được gia cố. So sánh với
giá trị thiết kế. (Áp dụng tiêu chuẩn 22 TCN 259 - 2000).
- Dùng xuyên tiêu chuẩn (SPT) để kiểm tra độ chặt của cát trong cọc cát và
đất giữa cọc cát. (Áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN 226 - 1999).

- Nén tĩnh bằng bàn nén tại hiện trường trên nền đã gia cố, diện tích bàn nén
thường chọn lớn hơn 4,0m2 để trùm khít ít nhất 3 cọc cát. (Áp dụng tiêu chuẩn
TCVN 80 - 1980).

1.2 Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt
Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát có mục đích làm chặt nền, tăng sức
chịu tải của đất. Giải pháp này được áp dụng rất phổ biến ở Việt Nam trong những
năm gần đây, nhất là trong các dự án xây dựng cơng trình giao thơng đường bộ. Tuy
nhiên, do hạn chế về công nghệ thi công nên chiều sâu xử lý còn hạn chế. Tại nhiều
dự án, việc xử lý nền đất yếu chưa đạt được các yêu cầu kỹ thuật. Thực tế thi công
xử lý nền đất yếu ở Việt Nam địi hỏi phải có các giải pháp, cơng nghệ và thiết bị


9

thi công đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra nhất là giảm lượng lún dư sau
khi đưa cơng trình vào khai thác, kinh phí hợp lý phù hợp với điều kiện của Việt
Nam. Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt (Sand Compaction Pile SCP) cho phép đường kính cọc lên tới 800mm và độ sâu xử lý đến 40m, khá phù
hợp và có hiệu quả đối với các dự án giao thơng nhất là nền đường đầu cầu, nền
cống chui, hầm chui...khi xây dựng trên các lớp đất yếu có bề dày lớn.
Phương pháp cọc cát đầm chặt là một phương pháp cải tạo đất yếu đã được
phát triển ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan,... Phương pháp này sử dụng cách rung
hạ ống vách thép vào trong các lớp đất yếu và nhồi cát hoặc những vật liệu tương tự
vào bên trong để tạo ra các cọc cát đầm chặt.
Hiệu quả của cọc cát đầm chặt:
-

Đối với đất dính:
+ Tăng sức chịu tải của nền đất;
+ Tăng áp lực bị động;

+ Tăng khả năng chịu tải ngang;
+ Tăng độ ổn định cho nền đường;
+ Giảm độ lún.

-

Đối với đất rời:
+ Tăng sức chịu tải cho nền đất;
+ Giảm độ lún;
+ Giảm sự hóa lỏng khi có động đất.

Tại Nhật, hơn 69.960.000 m cọc cát đầm chặt và giếng cát được xây dựng
trong 25 năm. Trong 90% cọc cát đầm chặt đã được dùng ở Nhật để chống đỡ các
tải trọng nặng, các thùng chứa, nền đường bộ và đường sắt, các cơng trình cảng.

1.2.1 Đặc điểm của phương pháp cọc cát đầm chặt
Phương pháp cọc cát đầm (SCP) sử dụng tải trọng nén kết hợp rung để xuyên
một ống nhồi cát và đầm chặt vào lớp đất yếu hoặc có kết cấu xốp, rời rạc làm cho
nền đất được nén chặt, hệ số rỗng giảm, từ đó tăng cường độ và môđun biến dạng
của đất nền. Đồng thời dưới áp lực của tải trọng ngoài, cọc cát làm việc như một


10

giếng cát thốt nước, q trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn. Khi xử lý nền
bằng cọc cát đầm chặt có thể xem cọc cát với đất nền xung quanh làm việc đồng
thời như nền đất hỗn hợp.
Ưu điểm: hiệu quả trong việc chống trượt và gia tăng tốc độ cố kết của đất
nền, giảm thời gian thi cơng đặc biệt khi xử lý nền móng của các hầm chui. Chi phí
xây dựng thấp hơn so với các giải pháp cùng công nghệ xử lý sâu như cọc đất xi

măng hoặc sàn giảm tải.
Nhược điểm: công nghệ và thiết bị thi công chưa phổ biến tại Việt Nam, yêu
cầu cần có khối lượng vật liệu lớn, khi thi công gây chấn động xung quanh phạm vi
làm việc tương đối rộng.

1.2.2 Phạm vi áp dụng của phương pháp cọc cát đầm chặt (SCP)
Cọc cát đầm chặt được áp dụng cho hầu hết các nền đất yếu, các loại đất sét
yếu bão hòa nước, đất lẫn hữu cơ, cát hạt bụi, cát mịn trạng thái rời. Rất thích hợp
để xử lý nền đất yếu tại các đoạn nền đường đắp cao, đường dài, nền hầm chui,
cống… khi có chiều dày lớn.

1.2.3 Thiết bị thi cơng

Hình 1.7: Thiết bị thi công cọc cát đầm chặt
1: cần trục, 2: ống vách, 3: búa rung, 4: thiết bị chứa cát, 5: bình tạo áp lực khí.


11

Các thiết bị chính phục vụ q trình thi cơng cọc đầm chặt:
- Cần trục : thiết bị chính là một cần trục bánh xích có trọng lượng 310 350 kN (35 - 40 T).
- Ống vách:
+ Ống vách được làm bằng thép;
+ Đường kính ống vách thép khoảng 400 - 600 mm;
+ Ống vách thép được treo lên nhờ cần trục và một thiết bị dẫn hướng để thi
công cọc;
+ Ống vách thép được hạ xuống độ sâu thiết kế bằng búa rung;
+ Ống vách thường kéo dài hơn chiều dài yêu cầu của cọc cát đầm để có thể
rút lên khỏi mặt đất sau khi đạt đến chiều sâu thiết kế;
+ Toàn bộ ống thép được dùng để chống đỡ đất xung quanh trong suốt thời

gian thi công.
- Búa rung:
+ Trọng lượng búa rung từ 40 - 53 kN (4,5 - 6 T);
+ Búa rung được gắn trức tiếp vào ơng vách;
+ Thường dùng búa rung có tần số thấp và biên độ cao với tấn số khoảng 500
- 600 cpm (vòng / phút) và biên độ trong chế độ không tải là 15 -18mm. Biên độ
được xác định là một nửa của chuyển vị đầu cọc;
+ Thường dùng búa rung đóng cọc có các motor khoảng 90 -120 kW và tạo
ra các lực không cân bằng từ 400 - 600kN.
- Thiết bị thổi khí:
+ Trên ống thép chứa đầy cát, lắp đặt một thiết bị thổi khí có áp lực 35kG/cm2 tác dụng lên đỉnh cọc cát;
+ Để đảm bảo áp lục tác dụng lên đỉnh cọc cát, cần một máy áp lực tạo ra áp
suất khí nén khoảng 7kG/cm2.
- Thiết bị chứa cát: thiết bị chứa cát là nơi chứa cát để vận chuyển đến phễu
chứa cát đặt phía trên ống thép.
- Các vịi phun nước:


12

+ Các voi phun nước có áp lực lên tới 85 kG/cm2;
+ Các vòi phun nước thường được sử dụng khi hạ ống vách thép vào các lớp
đá có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT (N) là 15 -20.

1.2.4 Yêu cầu vật liệu cát
Cát được dùng để thi công cọc cát là các loại cát hạt to, cát hạt trung. Cát yêu
cầu phải sạch không lẫn các tạp chất cũng như không lẫn bụi, hàm lượng muối
không vượt quá 3% , đồng thời khơng lẫn các hạt to có kích thước lớn hơn 6cm.
Cát để thi công cọc cát đầm chặt phải có hàm lượng hữu cơ <5%, cỡ hạt lớn
hơn 0,25mm chiếm trên 50%, cỡ hạt lớn hơn 0,08mm chiếm ít hơn 5%.

Cát phải thỏa mãn nhưng điều kiện sau:
- Cu 

D60
6
D10

- 1< C c 

( D30 ) 2
<3
D60 .D10

- D10 từ 0,2 đến 0,8 mm
- D60 từ 0,4 đến 0,7mm
Trong đó:
- D60, D30, D10 đường kính các nhóm hạt khi hàm lượng phần trăm tích
lũy của chúng tương ứng là 10%, 30%, 60%.
- Cc: hệ số đường cong;
- Cu: hệ số khơng đều hạt.

Hình 1.8: Đồ thị về giới hạn thành phần hạt của cát được sử dụng để thi công
cọc cát đầm chặt


13

Biện pháp cọc cát đầm chặt được thi công bằng biện pháp rung động kết hợp
có ưu điểm là sử dụng được một cấp phối hạt rộng bằng cát như hình vẽ.

1.2.5 Quản lý chất lượng
1.2.5.1 Quản lý chất lượng trong q trình thi cơng
Để đảm bảo q trình thi công thuận lợi và đạt chất lượng cao cần quan tâm
đến một số vấn đề sau:
- Số lượng cọc cát đầm;
- Cao độ đỉnh cọc và mũi cọc của mỗi cọc cát đầm chặt;
- Số lượng thùng chứa cát để nhồi vào mỗi cọc;
- Năng lượng tiêu thụ của búa rung trong cả quá trình rung xuống, năng
lượng trong suốt q trình thi cơng. Ngày tháng và các thơng số xác định cọc cát
cũng được ghi lại;
- Thời gian để đóng xuống và thời gian hồn thành mỗi cọc cát đầm chặt;
- Các thông tin về chướng ngại vật, sự cản trở thi công và các bất thường
khác của nền đất.
Hệ thống quản lý thơng tin giúp cho q trình xây dựng cơng trình có độ
chính xác cao hơn do dễ dàng quản lý được các số liệu quan trắc. Việc quản lý chất
lượng được tính tốn và đảm bảo an tồn trong q trình xây dựng nhờ việc xử lý
các thông tin trong thời gian thi công nền, điều kiện máy hoạt động...Các dữ liệu
được quản lý bằng một máy tính cá nhân.
Hệ thống thơng tin của các cọc cát được quản lý bằng bảng tính Excel. Mỗi
cọc cát có một bảng tính riêng gồm các thơng tin về chiều sâu của ống vách, tốc độ
rút lên và cao độ của các trong ống vách để điều khiển quá trình nhồi cát vào nền
đất. Hệ thống quản lý thơng tin sẽ tạo ra các dữ liệu theo định dạng ASC II, bao
gồm các thông tin cơ bản như vị trí cọc cát, ngày và các thơng tin về u cầu cơng
tác thi cơng. Sau đó hệ thống sẽ trích ra dữ liệu hai chiều từ các dữ liệu ba chiều:
thiết lập mối quan hệ giữa vị trí tọa độ Y -Z với tọa độ của một ô trong bảng tính và
ghi lại tồn bộ các số liệu trên một bảng tính mới. Nó cũng có thể phân tích số liệu
trên một cột hay dịng hay tồn bộ dữ liệu và các độ lệch chuẩn, tạo ra các biều đồ
để phân tích các kết quả tại vị trí cần thiết.

14

Hình 1.9: Bảng mã hóa thơng tin của một cọc cát đầm chặt trên Excel
Trình tự hoạt động của hệ thống như sau:
- Các thông tin cần thiết như vị trí xây dựng và loại đất cải tạo được đưa vào
bằng cách chọn trên các menu;
- Đối với mỗi mặt cắt, máy tính sẽ tính tốn tự động như điều kiện đất nền,
điều kiện điều khiển của máy và phương pháp đưa vật liệu vào, truyền các dữ liệu
từ mỗi thiết bị đo đạc đến một máy tính cá nhân ghi lại. Nó cũng có thể đưa ra giá
trị xuyên tiêu chuẩn N ước tính dựa vào điều kiện tải trọng của máy thi cơng để có
thể quản lý chất lượng sau khi xây dựng và ước tính trong quá trình thi cơng.
- Q trình thực hiện của hệ thống không những đưa ra các thông tin trực
tiếp đến chất lượng mà cịn cũng cấp các thơng tin liên quan đến yêu cầu của công
việc, kế hoạch thi công, điều kiện máy móc, điều kiện bảo dưỡng, ghi lại các thông
số của máy, tên của công nhân và thời gian cần thiết để làm việc.
- Bằng trực quan, thông tin chỉ ra trong quá trình xây dựng theo mặt bằng và
các mặt cắt, hệ thống không những quản lý được chất lượng và độ ổn định của mỗi
cọc cát đầm mà cịn đưa ra các thơng tin cho tồn bộ q trình thi cơng hay tại mỗi
mặt cắt.

1.2.5.2 Đánh giá chất lượng sau khi thi công cọc cát đầm chặt
Phương pháp đánh giá chất lượng sau khi thi công cọc cát đầm chặt có thể


15

chia ra làm các loại sau:
+ Đối với bản thân cọc cát có thể kiểm tra bằng thí nghiệm xun tiêu
chuẩn SPT
- Khi nền đất được xử lý là đất dính: tiến hành thí nghiệm SPT tại tâm cọc,

cứ 2m thì đóng SPT 1 lần. Tùy theo tiêu chuẩn cụ thể yêu cầu giá trị SPT - N trong
khoảng 10 đến 20 búa.
- Khi nền đất được xử lý là đất rời: tiến hành thí nghiệm SPT tại tâm cọc, cứ
2m thì đóng SPT 1 lần. Giá trị SPT u cầu lớn hơn 15 búa.
+ Đối với toàn bộ nền đất hỗn hợp: có thể thực hiện thí nghiệm cắt cánh ở
hiện trường hoặc thí nghiệm nén 3 trục cho mẫu đất hỗn hợp. Kết quả tính tốn là
các đặc trưng sức chống cắt của nền đất hỗn hợp. So sánh kết quả với các giá trị
thiết kế ta có thể biết hiệu quả của việc xử lý nền đất này.
- Thí nghiệm nén 3 trục được áp dụng với các mẫu đất hỗn hợp gồm nền
đất và cọc cát đầm chặt. Mẫu đất có đường kính 10cm và chiều cao 10cm, gồm có
một phần của cọc cát đầm là 5cm, sét là 5cm. Giả thiết mọi cơ chế phá hoại là
một mặt trượt gồm có cả cọc cát và đất, được chỉ ra như hình vẽ. Đối với mẫu đất
hỗn hợp được thí nghiệm nén 3 trục xem xét đến áp lực hông σh. Ứng suất thẳng
đứng tác dụng vào phần cọc cát đầm là σvs và ứng suất thẳng đứng tác dụng vào
phần sét là σvc.

Hình 1.10: Các thành phần ứng suất tác dụng lên mẫu đất hỗn hợp


16

Theo tác giả Enoki, có thể xác định ứng suất cắt trên mặt trượt theo công thức:


v h
2

. sin 2a

(1.1)

Sức chống cắt của phân tố đất được xác định như sau:
s  cu .(1  a s )  (

 vs   h
2



 vs   h
2

. cos 2a).a s .tg s

(1.2)

Tổng ứng suất thẳng đứng σv được tính theo biểu thức sau:
σv=as..σvs+(1-as)σvs

(1.3)

Phần cọc cát và phần sét hình trụ được bọc bởi màng cao su mỏng, có nắp
cứng đặt trên bệ. Tách riêng để sao cho khi tiếp nhận ứng suất thẳng đứng thì sự
thay đổi thể tích hay áp lực nước lỗ rỗng có thể thu được riêng rẽ.
Thí nghiệm cắt đơn giản cũng được áp dụng cho phân tố đất hỗn hợp để
nghiên cứu sự thay đổi của các thành phần sức kháng theo các hướng. Mẫu có
đường kính 5cm và cao 2,5cm bao gồm cát khơ có đường kính 2,5cm được bọc
bằng mang cao su. Yêu cầu tốc độ cắt 3mm/phút, các kết quả trong điều kiện cắt
khơng thốt nước của đất sét.
+ Quan trắc

Đối với cơng trình xây dựng trên nền đất yếu cần tiến hành quan trắc theo
quy định của quy trình 22 TCN 262 - 2000.
- Đo chuyển vị ngang
Mốc đo chuyển vị ngang làm bằng gỗ tiết diện 10 x 10cm, đầu có gắn đinh.
Mốc được đóng sâu vào trong đất 1m và cao lên trên mặt đất là 3m, được bố trí trên
trắc ngang. Mỗi trắc ngang bố trí 6 mốc (mỗi bên 3 mốc). Mốc thứ nhất cách chân
taluy nền đắp 2m. Dùng mốc chuẩn và máy kinh vĩ để đo chuyển vị ngang theo thời
gian, mỗi ngày đo chuyển vị ngang 1 lần. Đoạn tuyến dài 100m nên bố trí một trắc
ngang để quan trắc.