Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới công trình kho bằng cọc vật liệu rời

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

DƯƠNG CHUNG NGUYỆN

NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI
CƠNG TRÌNH KHO BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI

Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
Mã số: 60 58 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 21 tháng 06 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. LÊ BÁ VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. LÊ VĂN PHA

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGUYỄN NGỌC PHÚC

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 29 tháng 08 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1. PGS.TS. TÔ VĂN LẬN
2. TS. LÊ BÁ VINH
3. TS. LÊ VĂN PHA
4. TS. NGUYỄN NGỌC PHÚC
5. TS. LÊ TRỌNG NGHĨA
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH HOA
-----------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
----------------------------Tp. HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: DƯƠNG CHUNG NGUYỆN

MSHV: 11094323

Ngày, tháng, năm sinh: 21/04/1985

Nơi sinh: Hậu Giang

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số: 60 58 60

Khóa (năm trúng tuyển): 2011 đợt 2
I.

TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới cơng trình kho bằng cọc vật liệu rời

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Nhiệm vụ: Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới công trình kho bằng cọc vật liệu
rời
Nội dung
Mở đầu:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan cọc vật liệu rời.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn cọc vật liệu rời.
Chương 3: Phân tích các phương pháp tính tốn độ lún và sự phân bố ứng suất
khi gia cố bằng cọc vật liệu rời.
Chương 4: Tính tốn, phân tích gia cố nền bằng cọc vật liệu rời tại cơng trình nhà
máy VIFON II, Long An
Kết luận và kiến nghị
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

21 / 01 / 2013

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

21 / 06 / 2013

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. LÊ BÁ VINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NGHIỆM BỘ MÔN

TS. LÊ BÁ VINH

PGS.TS. VÕ PHÁN

KHOA QUẢN LÝ
CHUYÊN NGÀNH


LỜI CÁM ƠN

Luận văn “ Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới cơng trình kho bằng cọc vật liệu
rời” với mục đích nghiên cứu lý thuyết tính tốn độ lún ổn định, hệ số phân bố ứng suất
lên nền và lên cọc, sức chịu tải cọc vật liệu rời. Đề tài cũng đưa ra cơ sở lý thuyết tính

tốn sự phân bố ứng suất theo các phương pháp giải tích và kết hợp mơ phỏng bằng phần
mềm Plaxis 3D Foundation trên một cơng trình thực tế tại nhà máy thực phẩm Vifon II,
Long An.
Em xin trân trọng cảm ơn thầy TS. Lê Bá Vinh đã tận tình hướng dẫn và cung cấp
các tài liệu cần thiết có liên quan đến đề tài để em có thể hồn thành luận văn này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ mơn Địa Cơ Nền Móng, trường
Đại Học Bách Khoa đã tận tình hướng dẫn, trang bị nhiều kiến thức giúp cho em có thể
hồn thành luận văn này.
Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn và kiến thức về lĩnh vực địa kỹ thuật nên
không tránh khỏi hạn chế và thiếu sót. Em rất mong sự đóng góp của q thầy cơ để luận
văn được hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.

TP.Hồ Chí Minh, 21 tháng 06 năm 2013
Học viên

DƯƠNG CHUNG NGUYỆN


TÓM TẮT

Xử lý gia cố nền đất yếu là một trong những yếu tố hàng đầu khi xây dựng cơng
trình trên những địa tầng đất yếu. Tuy nhiên, biện pháp gia cố cải tạo nền đất yếu hiện
nay trở nên phổ biến và thân thiện với môi trường xây dựng như: Xử lý nền bằng cọc xi
măng đất, bấc thấm, jet groundting, bơm hút chân không, cọc vật liệu rời…Tùy theo đặc
điểm địa chất cơng trình khu vực xây dựng mà có những phương án gia cố hợp lý.
Trong luận văn này tác giả sử dụng biện pháp gia cố cải tạo nền đất yếu bằng công
nghệ cọc vật liệu rời cho dự án cơng trình nhà máy thực phẩm Vifon II, Long An. Cọc
được cấm vào trong nền đất yếu với các khoảng cách 2.5x2.5m sao cho cơng trình được
đảm bảo làm việc ổn định trong suốt thời gian vận hành. Cọc được thi công theo phương

pháp đầm rung thay thế xuyên qua chiều dày lớp đất yếu cần gia cố và làm tăng nhanh
quá trình cố kết của lớp đất yếu kết hợp gia tải trước.
Để tính tốn ổn định về độ lún cơng trình và cũng như khả năng chịu tải của cọc
vật liệu rời cho nền gia cố thì tác giả nghiên cứu, tiếp cận các cơ sở lý thuyết tính tốn
khác nhau của các tác giả như: Aboshi 1979, Priebe 1995, De Beer và Van Impe 1983...
kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation và số
liệu quan trắc thực tế ngồi cơng trường. Từ đó tác giả có những đánh giá về kết quả
nghiên cứu đạt được trong luận văn này. Đồng thời, trong luận văn tác giả cũng mở rộng
nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất và độ lún của nền gia cố bằng
cọc vật liệu rời.


ABSTRACT

Handling reinforced soft soil is one of the factors leading to construction on soft
soil strata. However, measures to strengthen soft soil improvement now becoming
popular and friendly built environment, such as: Deep soil mixing, absorbent sponge, Jet
Groundting, vacuum pumps, Stone columns ... geotechnical characteristics of the
construction sector which reinforced the reasonable alternatives.
In this thesis, the authors use measures reinforced by weak ground improvement
technologies stone columns for construction projects Vifon II plant food, Long An. Piles
are prohibited in soft ground with the desired distance that is guaranteed to work for
stability during operation. Piles shall be constructed by the method of replacing vibrating
through thickness reinforced soft soil needs and accelerates the process of consolidation
of soft soil in combination preload.
To calculate the stability of settlement construction and pile bearing capacity of
stone columns and the reinforcement of the study authors, approaching the theoretical
basis of various calculations of authors such as Aboshi 1979, Priebe 1995, De Beer and
Van Impe 1983 ... combined with the finite element method by software Plaxis 3D
Foundation and the actual observed data outside the field. Since then, the authors

evaluate the results achieved in this thesis. At the same time, the thesis author also
extended the study of factors affecting the stress distribution and settlement of pile
foundation reinforced by stone columns.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân tác giả, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết tính tốn và mơ phỏng ứng
xử đất nền bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation và ứng dụng tính tốn cho cơng trình
thực tế dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy TS. Lê Bá Vinh.
Các số liệu địa chất, kết quả tính tốn, mơ hình tính tốn trong luận văn này là
trung thực. Các tài liệu tham khảo của các tác giả sử dụng trong quá trình nghiên cứu
luận văn được tác giả trích dẫn cụ thể trong mục tài liệu tham khảo.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.


PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
1. Đặt vấn đề nghiên cứu ........................................................................................ 1
2. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 2
3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 3
4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 3
CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CỌC VẬT LIỆU RỜI...................................... 4
1.1 Tổng quan cọc vật liệu rời................................................................................ 4
1.2 Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền ...................................................... 6
1.3 Công nghệ thi công cọc vật liệu rời................................................................ 10
1.3.1 Tổng quan kỹ thuật đầm rung sâu ............................................................... 10
1.3.2 Quá trình đầm rung trong đất rời................................................................. 11
1.3.3 Đầm thay thế trong đất rời thành phần hạt mịn cao và trong đất dính........ 12

1.3.4 Phương pháp Vibro Replacement (Wet Method)........................................ 13
1.3.5 Phương pháp Vibro Displacement (Dry Method) ....................................... 14
1.3.6 Phương pháp khoan có ống bao (Borehole Method)................................... 16
1.4 Ưu khuyết điểm .............................................................................................. 17
1.4.1 Ưu điểm ....................................................................................................... 17
1.4.2 Khuyết điểm ................................................................................................ 18
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CỌC VẬT LIỆU RỜI........................... 19
2.1 Tổng quan tính toán và cơ chế làm việc cọc vật liệu rời................................ 19
2.1.1 Cơ chế phá hoại cọc đơn ............................................................................. 19
2.1.2 Cơ chế phá hoại của nhóm cọc.................................................................... 20
2.2 Những quan hệ cơ bản.................................................................................... 22
2.2.1 Đường kính tương đương ............................................................................ 22


2.2.2 Tỷ diện tích thay thế .................................................................................... 23
2.2.3 Tỷ số ứng suất.............................................................................................. 24
2.3 Xác định sức chịu tải cọc vật liệu rời ............................................................. 24
2.3.1 Khả năng chịu tải cọc đơn ........................................................................... 24
2.3.2 Khả năng chịu tải theo nhóm cọc ................................................................ 29
2.4 Một số cơng thức tính tốn sức chịu tải cọc vật liệu rời ................................ 31
CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘ LÚN VÀ SỰ
PHÂN BỐ ỨNG SUẤT KHI GIA CỐ BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI .......... 32
3.1 Phương pháp cân bằng tương đương.............................................................. 32
3.2 Tính tốn độ lún nền gia cố bằng cọc vật liệu rời theo phương pháp Priebe .....
.............................................................................................................................. 36
3.3 Phương pháp tường vật liệu rời ...................................................................... 41
3.4 Phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation ......... 43
3.5 Sự tập trung ứng suất lên cọc vật liệu rời....................................................... 44

3.6 Phương pháp xác định độ lún ổn định theo Asaoka....................................... 48
CHƯƠNG 4
PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI
TẠI CƠNG TRÌNH NHÀ MÁY VIFON II, LONG AN................................. 50
4.1 PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN ĐỘ LÚN NỀN GIA CỐ ................................... 50
4.1.1 Tổng quan cơng trình nhà máy Vifon II...................................................... 50
4.1.2 Tổng quan địa chất khu vực nhà máy Vifon II............................................ 53
4.1.3 Phương pháp thi cơng.................................................................................. 54
4.1.4 Tính tốn độ lún nền gia cố bằng cọc vật liệu rời bằng phương pháp giải
tích theo các quy trình tính tốn khác nhau.......................................................... 59
4.1.4.1 Phương pháp cân bằng ............................................................................. 59
4.1.4.2 Tính lún theo phương pháp Priebe, 1995 ................................................. 62
4.1.4.3 Tính lún bằng phương pháp tường vật liệu rời......................................... 66


4.1.5 Tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D
Foundation ............................................................................................................ 67
4.1.5.1 Thông số vật liệu đầu vào......................................................................... 67
4.1.5.2 Mơ hình tính tốn ..................................................................................... 68
4.1.5.3 Kết quả tính tốn ...................................................................................... 69
4.1.6 Kết quả quan trắc lún hiện trường ............................................................... 70
4.1.7 Tổng hợp kết quả tính tốn độ lún từ các phương pháp.............................. 77
4.1.8 Tính tốn độ lún theo điều kiện thi công thực tế......................................... 79
4.2 TÍNH TỐN HỆ SỐ GIẢM ỨNG SUẤT (SRR) LÊN NỀN GIA CỐ
BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI .............................................................................. 82
4.2.1 Xác định hệ số giảm ứng suất SRR tác dụng lên nền và cọc theo phương
pháp cân bằng (Aboshi 1979)............................................................................... 82
4.2.2 Xác định hệ số giảm ứng suất SRR theo Priebe 1995................................. 82
4.2.3 Xác định hệ số giảm ứng suất SRR lên nền theo phương pháp tường vật
liệu rời (Van Impe 1983) ...................................................................................... 83

4.2.4 Xác định hệ số phân bố ứng suất theo phương pháp phần tử hữu hạn
bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation................................................................. 84
4.2.4.1 Mơ hình tính tốn ..................................................................................... 85
4.2.4.2 Kết quả tính tốn ...................................................................................... 86
4.3 MỞ RỘNG NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ
SỐ GIẢM ỨNG SUẤT SRR VÀ ĐỘ LÚN KHI NỀN GIA CỐ BẰNG CỌC
VẬT LIỆU RỜI .................................................................................................... 92
4.3.1 Ảnh hưởng của tỷ diện tích thay thế as đến hệ số SRR ............................... 92
4.3.2 Ảnh hưởng của góc ma sát trong của vật liệu làm cọc đến hệ số SRR ....... 95
4.3.3 Ảnh hưởng của mô đun đất nền đến hệ số SRR.......................................... 96
4.3.4 Ảnh hưởng của mô đun vật liệu làm cọc đến hệ số SRR ............................ 98
4.3.5 Ảnh hưởng của mô đun lớp san lấp đến hệ số SRR .................................. 100
4.4 TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC VẬT LIỆU RỜI.......... 105
4.4.1 Khả năng chịu tải cọc đơn theo lý thuyết .................................................. 105


4.4.2 Tính tốn khả năng chịu tải cọc bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation .. 108
4.4.3 Phân tích khả năng chịu tải cọc vật liệu rời theo kết quả nén tĩnh tại hiện
trường ................................................................................................................. 109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................... 113
I. KẾT LUẬN ..................................................................................................... 113
1. Tính tốn độ lún.............................................................................................. 113
2. Sự phân bố ứng suất ....................................................................................... 114
3. Sức chịu tải cọc............................................................................................... 116
II. KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 118


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng tổng hợp các phương pháp xác định sức chịu tải cọc vật liệu rời

.............................................................................................................................. 31
Bảng 3.1: Kết quả nghiên cứu hệ số tập trung ứng suất trên thế giới .................. 47
Bảng 3.2: Thông số thiết kế cọc vật liệu rời của các nhà thầu ............................. 48
Bảng 4.1: Thông số đất nền hố khoan BH-10 trong tính tốn gia cố nền ............ 53
Bảng 4.2: Thơng số đầu vào tính tốn độ lún nền bằng phần mềm Plaxis 3D
Foundation ............................................................................................................ 67
Bảng 4.3: Tổng hợp đặc điểm cọc thi công tại vùng gia tải S7, S8, S9, S10....... 70
Bảng 4.4: Kết quả quan trắc tại vùng S7 .............................................................. 71
Bảng 4.5: Kết quả quan trắc tại vùng S8 .............................................................. 72
Bảng 4.6: Kết quả quan trắc tại vùng S9 .............................................................. 73
Bảng 4.7: Kết quả quan trắc tại vùng S10 ............................................................ 74
Bảng 4.8: Kết quả tính tốn độ lún theo các phương pháp giải tích, phần tử
hữu hạn và quan trắc hiện trường ......................................................................... 77
Bảng 4.9: Tổng hợp kết quả tính lún bằng các phương pháp giải tích theo
đường kính thực tế................................................................................................ 79
Bảng 4.10: Tổng hợp dự án sử dụng cọc vật liệu rời gia cố nền trên thế giới ..... 81
Bảng 4.11: Tổng hợp tải trọng tác dụng lên đầu cọc............................................ 89
Bảng 4.12: Tổng hợp kết quả tính tốn hệ số giảm ứng suất SRR theo các phương
pháp ..................................................................................................................... 90
Bảng 4.13: Sự thay đổi SRR khi thay đổi đường kính cọc theo phương pháp
giải tích và bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation............................................. 92
Bảng 4.14: Kết quả tính tốn hệ số tập trung ứng suất theo tỷ số s/D theo
phương pháp Aboshi 1979, Priebe 1995 và phần mềm Plaxis 3D Foundation.... 94
Bảng 4.15: Kết quả tính tốn hệ số tập trung ứng suất SRR theo góc ma sát vật
liệu làm cọc........................................................................................................... 95
Bảng 4.16: Kết quả tính tốn hệ số giảm ứng suất và hệ số tập trung ứng suất
theo Priebe 1995 và bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation................................ 97


Bảng 4.17: Kết quả tính tốn hệ số giảm ứng suất SRR khi thay đổi mô đun

vật liệu cọc và mô đun đất nền bằng phần mềm Plaxis 3D Fondation ................ 99
Bảng 4.18: Kết quả tính tốn độ lún nền gia cố khi thay đổi mô đun cọc vật
liệu rời theo mơ đun đất nền............................................................................... 100
Bảng 4.19: Kết quả tính toán hệ số SRR và độ lún nền khi thay đổi mô đun
lớp san lấp........................................................................................................... 101
Bảng 4.20: Thông số mô hình nén tĩnh xác định sức chịu tải cọc vật liệu rời
trong Plaxis 3D Foundation................................................................................ 108
Bảng 4.21: Bảng tổng hợp kết quả tính tốn SCT cọc vật liệu rời..................... 111


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Bố trí cọc vật liệu rời theo lưới ơ vng và tam giác............................. 5
Hình 1.2: Mặt bằng tổng thể đường cao tốc Malaysia ........................................... 6
Hình 1.3: Biện pháp gia cố cọc vật liệu rời dưới nền đường ................................. 7
Hình 1.4: Xưởng tàu Pipavav, Gujarat, India......................................................... 7
Hình 1.5: Mặt bằng bố trí 15 bồn chứa dầu tại Terminal, Singapore..................... 8
Hình 1.6: Bồn dầu đơi có sức chứa mỗi bồn 16000m3 ........................................... 8
Hình 1.7: Bồn chứa dầu Kemira AB, New Storage Stank, Helsingborg, Sweeden
2005 ........................................................................................................................ 9
Hình 1.8: Đường xe lửa tại Berlin Đức xây dựng 1996 với tốc độ 250km/h......... 9
Hình 1.9: Sân vận động EURO Klagenfurt 2008................................................... 9
Hình 1.10: Biểu đồ lựa chọn phương pháp thi cơng cọc vật liệu rời ................... 11
Hình 1.11: Thiết bị đầm rung trong đất rời .......................................................... 12
Hình 1.12: Quan hệ giữa hệ số gia cố nền và tỷ diện tích thay thế theo góc ma sát
vật liệu làm cọc..................................................................................................... 13
Hình 1.13: Các bước thi công cọc vật liệu rời theo phương pháp rung ướt......... 14
Hình 1.14: Quy trình thi cơng phương pháp top – feed ....................................... 15
Hình 1.15: Quy trính thi cơng cọc theo phương pháp bottom – feed................... 16
Hình 1.16: Phương pháp khoan có ống bao theo Aboshi và Suematsu 1985 ...... 17
Hình 2.1: Cơ chế phá hoại cọc đơn trong nền đất đồng nhất ............................... 19

Hình 2.2: Các dạng tải tác dụng lên cọc vật liệu rời ............................................ 20
Hình 2.3: Cơ chế phá hoại cọc theo điều kiện làm việc theo nhóm cọc .............. 21
Hình 2.4: Cách bố trí và tính tốn đường kính tương đương cọc vật liệu rời ...... 22
Hình 2.5: Mơ hình hóa trong tính tốn cọc vật liệu rời theo Bachus và Barksdale,
1989 ...................................................................................................................... 23
Hình 2.6: Biểu đồ xác định hệ số Fc và Fq theo Vesic.......................................... 25
Hình 2.7: Cơ chế phá hoại cắt cọc ngắn theo Vitkar 1978................................... 26
Hình 2.8: Xác định giá trị Nc theo φs và D/B...................................................... 27


Hình 2.9: Xác định giá trị N γ , N q theo φs và D/B ........................................... 28
Hình 2.10: Sơ đồ phân tích nhóm cọc vật liệu rời dạng móng vng và móng
băng ...................................................................................................................... 29
Hình 3.1: Kết quả nghiên cứu hệ số giảm lún theo tỷ diện tích thay thế của
Bachus và Barksdale, 1983................................................................................... 33
Hình 3.2: Kết quả nghiên cứu hệ số giảm lún theo tỷ diện tích thay thế tại công
trường Jourdan Road theo phương pháp cân bằng và phương pháp của
Greenwood............................................................................................................ 33
Hình 3.3: Kết quả nghiên cứu hệ số giảm lún của Priebe với phương pháp cân
bằng tại công trường Jourdan Road khi φs thay đổi............................................. 37
Hình 3.4: Quan hệ giữa hệ số giảm lún cơ bản n0 và tỷ diện tích xác định theo
Priebe 1995 ........................................................................................................... 38
Hình 3.5: Quan hệ giữa tỷ số mô đun Ds/Dc và độ gia tăng tỷ diện tích thay thế
theo Priebe 1995 ................................................................................................... 40
Hình 3.6: Hệ số ảnh huởng theo độ sâu và tỷ diện tích thay thế theo góc ma sát
làm cọc theo Priebe 1995 ..................................................................................... 40
Hình 3.7: Hệ số ảnh hưởng độ sâu lớn nhất theo Priebe 1995 ............................. 41
Hỉnh 3.8: Sơ đồ tính tốn hệ số phân bố ứng suất theo De Beer và Van Impe 1983
.............................................................................................................................. 42
Hình 3.9: Đồ thị tương quan hệ số phân bố ứng suất lên cọc theo tỷ diện tích thay

thế và góc ma sát làm cọc theo De Beer và Van Impe 1983................................ 43
Hình 3.10: Hệ số giảm lún xác định theo phương pháp tường vật liệu rời .......... 43
Hình 3.11: Mơ hình gia cố bằng cọc vật liệu rời trong Plaxis 3D Foundation .... 44
Hình 3.12: Sự phân bố ứng suất lên cọc và nền gia cố ........................................ 45
Hình 3.13: Quan hệ giữa hệ số tập trung ứng suất và hệ số giảm ứng suất theo
Bachus và Barksdale, 1983................................................................................... 46
Hình 3.14: Quan hệ giữa hệ số tập trung ứng suất, tỷ số mô đun và tỷ diện tích
thay thế theo Bachus và Barksdale, 1983............................................................. 46
Hình 3.15: Xác định độ lún theo phương pháp Asaoka ....................................... 49
Hình 4.1: Tổng quan dự án nhà máy Vifon II ...................................................... 50


Hình 4.2: Sơ đồ chiều sâu gia cố và bố trí cọc vật liệu rời lưới ơ vng 2.5x2.5m
điển hình tại cơng trình nhà máy vifon II ............................................................. 51
Hình 4.3: Mặt bằng tổng thể cơng trình vifon II và vị trí bố trí các hố khoan khảo
sát SPT, CPT và VST ........................................................................................... 52
Hình 4.4: Mặt cắt địa chất tại hố khoan BH-10.................................................... 54
Hình 4.5: Sơ đồ bố trí điểm quan trắc lún ............................................................ 56
Hình 4.6: Thi cơng cọc vật liệu rời tại cơng trường ............................................. 57
Hình 4.7: Kiểm tra đường kính cọc sau khi thi cơng ........................................... 57
Hình 4.8: Tiến hành thí nghiệm nén tĩnh cọc thử tại cơng trường ....................... 58
Hình 4.9: Lấy mẫu cát thí nghiệm và tiến hành gia tải trước............................... 58
Hình 4.10: Đặc điểm vùng nền gia cố bằng cọc vật liệu rời cho cơng trình
Vifon II ................................................................................................................. 59
Hình 4.11: Mơ hình tính tốn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation................. 68
Hình 4.12: Kết quả tính tốn độ lún bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation....... 69
Hình 4.13: Độ lún ổn định nền xác định theo phương pháp Asaoka tại vùng S7 ....
.............................................................................................................................. 75
Hình 4.14: Độ lún ổn định nền xác định theo phương pháp Asaoka tại vùng S8 ....
.............................................................................................................................. 76

Hình 4.15: Độ lún ổn định nền xác định theo phương pháp Asaoka tại vùng S9 ....
.............................................................................................................................. 76
Hình 4.16: Độ lún ổn định nền xác định theo phương pháp Asaoka tại vùng S10
.............................................................................................................................. 77
Hình 4.17: So sánh tương quan kết quả tính lún bằng các phương pháp khác nhau
giữa lý thuyết và quan trắc hiện trường................................................................ 78
Hình 4.18: Kết quả tính tốn độ lún theo điều kiện thực tế bằng phần mềm Plaxis
3D Foundation ...................................................................................................... 80
Hình 4.19: Mơ hình tính tốn trong Plaxis 3D Foundation.................................. 85
Hình 4.20: Sự phân bố ứng suất trong nền gia cố bằng cọc vật liệu rời khi phân
tích bằng phần mềm Plaxis 3D Fondation............................................................ 86
Hình 4.21: Sự phân bố ứng suất lên nền và cọc dưới tác dụng tải sử dụng ......... 87


Hình 4.22: Lực dọc tác dụng lên đầu cọc phân tích bằng phần mềm Plaxis 3D
Foundation ............................................................................................................ 88
Hình 4.23: Biểu đồ so sánh các phương pháp tính tốn hệ số giảm ứng suất SRR
theo các phương pháp........................................................................................... 91
Hình 4.24: Ảnh hưởng tỷ diện tích thay thế đến hệ số SRR tính theo Priebe
(1995), Aboshi 1979 và mơ phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation ........ 93
Hình 4.25: Ảnh hưởng tỷ diện tích thay thế đến độ lún nền gia cố phân tích bằng
PP Priebe 1995, Aboshi 1979 và phần mềm Plaxis 3D Foundation .................... 93
Hình 4.26: Tương quan giữa độ lún và hệ số giảm ứng suất SRR phân tích bằng
phần mềm Plaxis 3D Foundation ......................................................................... 94
Hình 4.27: Tương quan hệ số tập trung ứng suất (n) và tỷ số s/D theo Priebe 1995,
Aboshi 1979 và Plaxis 3D Foundation................................................................. 95
Hình 4.28: Ảnh hưởng góc ma sát vật liệu làm cọc đến hệ số giảm ứng suất
SRRđược xác định theo phương pháp của Priebe và phần mềm Plaxis 3D
Foundation ............................................................................................................ 96
Hình 4.29: Ảnh hưởng tỷ số Ecol/Esoil đến hệ số SRR được tính bằng phương pháp

Priebe (1995) và bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation .................................... 97
Hình 4.30: Ảnh hưởng tỷ số Ecol/Esoil đến sự tập trung ứng suất phân tích theo
Priebe và bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation................................................. 98
Hình 4.31: Ảnh hưởng mô đun đất nền đến hệ số SRR và độ lún nền gia cố...... 98
Hình 4.32: Ảnh hưởng mơ đun vật liệu cọc gia cố đến sự thay đổi hệ số giảm ứng
suất theo mô đun đất nền ...................................................................................... 99
Hình 4.33: Quan hệ mơ đun của vật liệu làm cọc và độ lún nền gia cố ............. 100
Hình 4.34: Ảnh hưởng mô đun lớp gia tải đến hệ số giảm ứng suất SRR ......... 101
Hình 4.35: Tương quan độ lún và SRR khi thay đổi mô đun lớp san lấp .......... 102
Hình 4.36: Ảnh hưởng mơ đun lớp gia tải đến độ lún nền gia cố ...................... 102
Hình 4.37: Sơ đồ tính tốn khả năng chịu tải cọc đơn ....................................... 105
Hình 4.38: Mơ hình tính tốn khả năng chị tải cọc đơn bằng phần mềm Plaxis 3D
Foundation .......................................................................................................... 108
Hình 4.39: Kết quả phân tích tải trọng và độ lún theo Plaxis 3D Foundation ... 109
Hình 4.40: Kết quả nén tĩnh hiện tường ............................................................. 110


Hình 4.41: Đồ thị tương quan độ lún theo thời gian theo từng cấp tải............... 110
Hình 4.42: Kết quả xác định sức chịu tải cực hạn của cọc từ kết quả nén hiện
trường theo quan hệ (S60 – S10) và áp lực nén .................................................... 111
Hình 4.43: Biểu đồ so sánh khả năng chịu tải cọc vật liệu rời dưới dạng cọc đơn ..
............................................................................................................................ 112


-1-

MỞ ĐẦU
1.

Đặt vấn đề nghiên cứu

Như chúng ta đã biết, hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều những nghiên
cứu về địa kỹ thuật và đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của kỹ thuật
nền móng. Trong đó, lĩnh vực địa kỹ thuật đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng
và có những đóng góp tiến bộ. Kỹ thuật cải tạo, xử lý nền đất yếu là một trong
những yếu tố đầu tiên đã được quan tâm và nghiên cứu trong suốt thời gian qua.
Có nhiều biện pháp cải tạo và gia cố nền đất yếu đã được áp dụng rộng rãi
khắp nơi trên thế giới bao gồm: gia tải trước kết hợp với hệ thống thoát nước theo
phương đứng (giếng cát, bấc thấm….), cọc xi măng đất (deep soil mixing), đầm
chặt đất, bơm hút chân không, sàn giảm tải… được sử dụng khá phổ biến trong
nhiều năm qua và trở nên thực tiễn trong việc lựa chọn phương pháp thiết kế và
hiệu quả kinh tế trong ứng dụng cải tạo nền đất yếu.
Với một mục đích chung cho việc gia cố nền của tất cả các biện pháp kỹ
thuật nhằm can thiệp vào môi trường bên trong các lớp đất yếu, tạo nên những biến
đổi quá trình tái cấu trúc thành phần hạt đất khi khai thác sử dụng xây dựng cơng
trình. Mặt khác, vai trò của việc gia cố cải tạo nền gồm:
-

Tăng khả năng chịu tải của nền đất,

-

Giảm biến dạng, tăng tốc độ cố kết nền đất, giảm lún lệch,

-

Giảm độ nhạy, hóa lỏng,

-

Tăng sức chống cắt của đất.

Do đó, ta thấy rằng cải tạo và xử lý đất yếu trở nên thuận lợi hơn nhờ sự
đóng góp của các biện pháp cải tạo từ những thành tựu nghiên cứu. Trong nhiều
phương pháp gia cố xử lý nền đất yếu thì cọc vật liệu rời (Stone Column) đã và
đang được ứng dụng khá phổ biến từ khi có những cơ sở lý thuyết được kiểm chứng
từ thực nghiệm đã được nghiên cứu trong nửa thế kỷ qua. Những ứng dụng của cọc
vật liệu rời như:
-

Tăng khả năng chịu tải nền,


-2-

-

Như là yếu tố móng cho cơng trình dân dụng,

-

Ổn định trượt, mái dốc, ổn định nền đường cơng trình giao thơng,

-

Giảm đặc tính hóa lỏng của cát…

Cọc vật liệu rời cấu tạo gồm đá, sỏi hoặc cát như là một hệ thống thoát nước
theo phương đứng khi được cấm vào trong đất và trở nên khả thi hơn và ngày càng
giữ vai trị chính trong giai đoạn lựa chọn phương án thiết kế và hiệu quả kinh tế

trong xử lý nền móng và tăng khả năng chịu tải của đất yếu.
Với sự phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ hiện nay thì việc thi cơng cọc
vật liệu rời ngày càng trở nên thuận lợi và rút ngắn được thời gian thi cơng. Trên thế
giới có nhiều phương pháp thi công như: phương pháp thay thế bằng rung động
(Vibro-Replacement Method) hay còn gọi là phương pháp rung ướt (Wet), phương
pháp nén chặt bằng tác động rung (Vibro-Displacement), phương pháp rung khô
(Dry). Tùy vào cấu tạo, thành phần hạt của từng lớp đất mà ta chọn phương pháp thi
công phù hợp.
Tuy nhiên cơng nghệ cọc vật liệu rời cịn khá mới mẽ trên thị trường Việt
Nam, do đó ta cần tập trung nghiên cứu về ứng dụng của cọc vật liệu rời phù hợp
cho những cơng trình ở Việt Nam nói chung và khu vực đồng bằng sơng Cửu Long
nói riêng. Đây cũng chính là cơ sở hình thành nên đề tài luận văn này.
2.

Nội dung nghiên cứu

-

Tập trung nghiên cứu phân tích lý thuyết tính tốn cọc vật liệu rời

trong gia cố ổn định nền móng cơng trình.
-

Phân tích độ độ lún, khả năng chịu tải, sự phân bố ứng suất lên khi gia

cố nền bằng cọc vật liệu rời.
-

Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation mô phỏng ứng xử của nền

khi gia cố bằng cọc vật liệu rời.
-

Ứng dụng tính tốn cơng trình thực tế, cơng nghệ thi cơng cọc vật liệu

rời cho cơng trình nhà máy thực phẩm Vifon II tại khu công nghiệp Hải Sơn, xã
Đức Hòa Hạ, huyện Đức Hòa, tỉnh Long An.


-3-

3.

Phương pháp nghiên cứu

-

Dự tính độ lún ổn định nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời theo lý

thuyết giải tích của các tác giả như: Aboshi (1979), De Beer và Van Impe (1983),
Priebe (1995) cùng với việc quan trắc bằng phương pháp Asaoka.
-

Mô phỏng ứng xử nền bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation.

-

So sánh kết quả tính tốn và quan trắc hiện trường.

-

Nghiên cứu sự phân bố ứng suất lên nền và cọc vật liệu rời.

-

Lặp biểu đồ quan hệ tương quan giữa các kết quả thu được từ tính

tốn, quan trắc. Từ đó để có được đánh giá và kiến nghị kết quả đạt được.
-

Xác định sức chịu tải cọc đơn theo lý thuyết và mô phỏng kết hợp kết

quả nén tĩnh tại hiện trường.
4.

Phạm vi nghiên cứu

Thời gian thực hiện đề tài ngắn nên tác giả chỉ tập trung phân tích xác định
độ lún ổn định, sự phân bố ứng suất và khả năng chịu tải vùng nền khi gia cố bằng
cọc vật liệu rời.
Các số liệu qua trắc cơng trình cịn hạn chế nên kết quả nghiên cứu chỉ đại
diện cho khu vực nhất định.


-4-

CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CỌC VẬT LIỆU RỜI
1.1

Tổng quan về cọc vật liệu rời (Stone Column)

Cọc vật liệu rời là một giải pháp gia cố xứ lý nền đất yếu, nó xuất hiện vào
năm 1935 và phát triển rất mạnh ở các nước như: Mỹ, Canada và Châu Âu vào
những năm 1950. Cọc vật liệu rời đóng vai trị quan trọng trong giải quyết những
bài toán địa kỹ xây dựng cơng trình trên nền đất yếu, là một trong những giải pháp
hữu hiệu và kinh tế cho những công trình đất yếu có chiều sâu nén lún khơng lớn.
Cọc được cắm vào trong vùng đất yếu bằng phương pháp rung động khác nhau và
được vận dụng linh hoạt cho những vùng đất đất yếu có cường độ kháng cắt nhỏ
phân bố từ 15 kPa đến 50 kPa, nhằm làm tăng khả năng chịu tải của đất nền, giảm
độ lún nền khi xây dựng cơng trình bên trên.
Cọc vật liệu rời có đường kính từ 0.3m ÷ 1.2m tùy thuộc vào công nghệ và
thiết bị của nhà thầu xây dựng. Khi sử dụng cọc vật liệu rời gia cố nền đất yếu thì
số lượng cọc sẽ thay thế từ 15% ÷ 35% thể tích đất yếu trong nền, sức chịu tải đất
nền tăng từ 20% ÷ 100%, độ lún giảm 2 ÷ 4 lần khi chưa gia cố. Khả năng chịu tải
của cọc từ 20T ÷50T tùy theo chiều dài và đường kính thiết kế của cọc. Khi cọc vật
liệu rời được xem là một phương pháp gia cố, cải tạo đất. Chiều sâu cắm cọc hiệu
quả từ 20÷ 30ft (từ 6÷ 10m). Chúng tạo nên một mơi trường đất có sức chịu tải lớn
và xảy ra q trình tái kết cấu của khung hạt đất, sự phân bố lại ứng suất trong nền,
giảm độ lún, tăng nhanh quá trình cố kết. Cọc vật liệu rời đóng vai trị như một hệ
thống thoát nước của nền đất yếu, làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất tại khu
vực xây dựng.
Điều kiện làm việc của cọc phụ thuộc vào cách bố trí cọc trên mặt bằng thi
cơng. Tuy nhiên có ba hình thức bố trí cọc thường gặp là bố trí dạng tam giác, lục
giác và dạng lưới ơ vng. Mỗi phương án thiết kế mà ta có thể tính toán, ổn định
cho phù hợp.


-5-

Column radius = r
Column Area = AC

S
S
S

Area per column
= A(Unit Cell)
Hình 1.1:Bố trí cọc vật liệu rời theo lưới ơ vuông và tam giác
Đặc biệt khi ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền thì cần quan tâm cấu
tạo của phân tầng địa chất khu vực. Nếu vùng đất yếu có các lớp đất có độ nhạy lớn
và những lớp có nguồn gốc hữu cơ hay là gồm các thấu kính đất yếu của bùn vì khả
năng chịu nén của những lớp đất này rất thấp gây ra sự chuyển vị dọc thân cọc lớn.
Khi các lớp thấu kính cũng như lớp đất bùn có bề dày từ 1 ÷ 2 lần đường kính cọc
vật liệu rời thì khả năng sử dụng phương pháp rung và thay thế không hiệu quả.
Chiều dài của cọc vật liệu rời sử dụng ở Châu Âu từ 13 ÷ 33ft (4 ÷ 10m).
Những ứng dụng thực tế cho thấy cọc có chiều dài hiệu quả nhất là 4m ÷ 10m, khi
chiều dài cọc trong tầng đất yếu hơn 10m thì hiệu quả kinh tế thấp. Tuy nhiên ngoài
việc xem xét về ảnh hưởng hình dạng cọc trong ứng dụng xử lý nền thì cọc vật liệu
rời được sử dụng trong phương án lựa chọn thiết kế đối với lớp đất có sức chống cắt
khơng thốt nước > 7kPa.
Việc thi cơng cơng nghệ cọc vật liệu rời trong gia cố, cải tạo nền đất yếu có
thể hồn tồn sử dụng cho cả những hố đào sâu bằng phương pháp thay thế hay đằm
chặt. Các phương pháp xây dựng cọc vật liệu rời được sử dụng hiện nay gồm:
Vibro-Replecement (Wet Method), Vibro-Displecement (Dry Method), Rammed
Stone Column, Sand Compaction, Case-Borehole Method.


-6-

Hiện nay trên thế giới sử dụng chủ yếu các phương pháp là VibroReplecement

(Wet

Method),

Vibro-Displecement

(Dry

Method),

Vibro-

Compaction.
1.2

Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền

Giải pháp kỹ thuật khi thiết kế cọc vật liệu rời trong xử lý, cải tạo nền đã rất
thành cơng như: giải quyết các bài tốn về ổn định mái dốc cho đường đắp, đê, đập,
cơng trình san lấp và cho cả việc gia cố những mái dốc tự nhiên. Đồng thời tăng khả
năng chịu tải của đất nền, giảm độ lún và khả năng hóa lỏng của các loại đất xốp và
cát. Việc sử dụng phương pháp cọc vật liệu rời ở Mỹ cho thấy rằng, khi được xây
dựng trên nền cát yếu hiệu quả hơn trên nền đất dính. Vào năm 1982 ở Mỹ đã có 21
dự án sử dụng cọc vật liệu rời. Các công trình gia cố bằng cơng nghệ cọc vật liệu
rời:
-

Gia cố móng nền đường (Embankment fill Support): cho đường cao

tốc và đoạn đất đắp của hai bên mố cầu và được sử dụng tại Hamton, Virginia và
Clarrk Fork, Idoho. Ngoài ra tại Malaysia cọc vật liệu rời được chọn lựa gia cố nền
đường cao tốc có chiều cao 15m, bố trí lưới ơ 1.6 x 2.2m, đường kính cọc D = 1 ÷
1.1m, chiều sâu cắm cọc 12 ÷ 15m.

Hình 1.2 :Mặt bằng tổng thể đường cao tốc Malaysia


-7-

Hình 1.3: Biện pháp gia cố cọc vật liệu rời dưới nền đường
-

Cơng trình kết cấu: thư viện bê tơng cốt thép 7 tầng, nhà y tế 2 tầng,

nhà kho xưởng, bãi đậu xe, đường cống thoát nước với vai trị như một yếu tố nền
móng. Cơng trình xưởng đóng tàu Pipavav, Gujarat, India được xây dựng năm 2008
bằng cọc vật liệu rời bố trí lưới ơ vng 2.2 x 2.2m, chiều dài 12m.

Hình 1.4: Xưởng tàu Pipavav, Gujarat, India

-

Xi lơ, bồn chứa: làm nền móng cho các bể chứa nước, chứa dầu lên

đến 5 triệu gallon. Tại Terminal Singapore các bồn chứa dầu lên đến 16 ÷ 22 triệu
barrel, tổng cộng gồm 15 bồn, bố trí lưới 2.3 x 2.3m, chiều sâu cắm 6 ÷ 12m, xây
dựng 4/2006.