Phân tích sự phân bố ứng suất do tải đắp lên nền đất yếu có sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật

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

MAI TRẦN ĐỨC NGUYÊN

PHÂN TÍCH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DO TẢI ĐẮP
LÊN NỀN ĐẤT YẾU CÓ SỬ DỤNG
CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
M

: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Võ Phán

PGS.TS. Võ Phán
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Lê Bá Vinh

TS. Lê Bá Vinh
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Minh Tâm

TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 09 tháng 01 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. GS.TSKH. Nguyễn Văn Thơ (Chủ tịch)
2. TS. Lê Trọng Nghĩa (Thư ký)
3. PGS.TS. Võ Phán (Ủy viên)
4. TS. Lê Bá Vinh (Ủy viên)
5. TS. Nguyễn Minh Tâm (Ủy viên)
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.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG BỘ MÔN

GS.TSKH. Nguyễn Văn Thơ

PGS.TS. Võ Phán


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Mai Trần Đức Nguyên

MSHV: 11096059

Ngày, tháng, năm sinh: 15-04-1987

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số : 60.58.60

TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT
DO TẢI ĐẮP LÊN NỀN ĐẤT YẾU CĨ SỬ DỤNG
CỌC BÊ TƠNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép
kết hợp vải địa kỹ thuật.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt
thép kết hợp vải địa kỹ thuật.
Chương 3: Ứng dụng tính tốn cho cơng trình Metro Hưng Lợi Cần Thơ.
Chương 4: Phân tích kết quả tính tốn theo giải tích, mơ phỏng và quan trắc.
Kết luận và kiến nghị
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày 02 tháng 07 năm 2012
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 30 tháng 11 năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. Võ Phán
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tp. HCM, ngày 9 tháng 1 năm 2013
CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

PGS.TS. Võ Phán

PGS.TS. Võ Phán

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS. Bùi Cơng Thành


LỜI CẢM ƠN

Để có thể hồn thành chương trình cao học trong ba học kỳ vừa qua và thực
hiện luận văn này, ngoài nỗ lực của bản thân là sự giúp đỡ to lớn từ q thầy cơ, gia
đình và bè bạn. Hơm nay, với những dịng chữ này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu
sắc nhất của mình.
Trước hết, tơi xin chân thành cảm ơn đến q thầy cơ thuộc bộ mơn Địa Cơ
Nền Móng trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là những
thầy cơ đã tận tình giảng dạy cho tơi trong suốt thời gian học tập vừa qua.
Với lòng biết ơn chân thành nhất, xin gởi lời tri ân đến PGS.TS. Võ Phán.
Người thầy đã dành cho tôi rất nhiều thời gian để hướng dẫn, đôn đốc và động viên.
Chúc thầy luôn nhiều sức khỏe và cống hiến ngày càng nhiều những thành tựu cho sự
nghiệp giáo dục.
Sau cùng, không thể thiếu lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp…
đã quan tâm, hỗ trợ và tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt khóa học này.
Trân trọng kính chào!
TP. Hồ Chí Minh, 20 tháng 11 năm 2012
Học viên

MAI TRẦN ĐỨC NGUYÊN


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Việc xây dựng các cơng trình chịu tải trọng lớn và rộng trên nền đất yếu luôn

đặt ra cho người kỹ sư Địa Kỹ Thuật Xây Dựng những thách thức lớn. Giải pháp
gia cố nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật (GRPS) là một
trong những phương pháp đáng quan tâm.
Nội dung của luận văn là “Phân tích sự phân bố ứng suất do tải đắp lên nền
đất yếu có sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật”. Luận văn bao
gồm những nội dung chính như sau:
So sánh sự phân bố ứng suất thông qua hiệu ứng vòm giữa các cơ sở lý thuyết
khác nhau như: Terzaghi (1943), Carlsson (1987), Guido cùng cộng sự (1987),
Hewlett và Randolph (1988), Low cùng cộng sự (1994), tiêu chuẩn BS8006 (1995)
và Zaeske and Kempfert (2002)…
Sử dụng phần mềm Plaxis 2D phiên bản 8.2 tính tốn và thiết lập các mối liên
hệ giữa các yếu tố liên quan trong phương pháp GRPS, bao gồm: chiều cao nền đắp,
khoảng cách cọc, kích thước mũ cọc, tải trọng ngồi, độ lún lệch, lực nén trong cọc,
hệ số ứng suất và lực căng trong vải địa kỹ thuật…
Ứng dụng vào việc tính tốn thiết kế, kiểm tra và so sánh độ lún lệch hiện
trường cho cơng trình METRO Hưng Lợi Cần Thơ có sử dụng phương pháp GRPS
cho khu vực bãi xe ô tơ. Từ đó, người kỹ sư thiết kế có thể đề xuất những phương án
hợp lý khác.


ABSTRACT OF THESIS

The construction of heavy and large loads on weak foundation soils always is
a difficult challenge to the geotechnical engineer. The reinforced solution by
geosynthetic on the top of the reinforced-concrete piles (GRPS) is an interested
method.
Title of the thesis is "Analyzing the stress-distribution in embankment over
weak foundation soils which were reinforced by geosynthetic on the top of the
reinforced-concrete piles". This thesis includes the following main contents:
Comparing of stress-distribution through the soil arching effects between the

different theoretical basis as: Terzaghi (1943), Carlsson (1987), Guido et al (1987),
Hewlett and Randolph (1988), Low et al (1994), standard BS8006 (1995) and
Zaeske and Kempfert (2002)...
Using Plaxis 2D version 8.2 to calculates and establishs the relationship
between the involved factors in the method GRPS including: embankment height,
pile spacing, pile cap size, external load, differential settlement, compressible force
in the pile, stress concentration ration and tension in the geosynthetic...
Appling to the calculation, design, test and compare the differential
settlement at field of Metro Hung Loi Tho program which used GRPS methods for
parking areas. From that, the designer can propose reasonable solutions else.


MỤC LỤC
1.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. …………………………...…………….. 1

2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI. …………………………..…… 1

3.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI. ………………………... 1

4.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. ………... 2

5.

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI. …………..…………………... 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC
BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT ………………….……...... 4
1.1.

Giới thiệu chung về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép

kết hợp vải địa kỹ thuật.
1.2.

Tổng quan về lịch sử cơ chế truyền tải của phƣơng pháp gia cố nền đất yếu

bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật.
1.3.

6

Một số ứng dụng của phƣơng pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt

thép kết hợp vải địa kỹ thuật.
1.4.

4

Nhận xét.

14
17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG
CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT ………………........18
2.1.

Cơ sở lý thuyết về sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép.

18

2.1.1. Xác định sức chịu tải của cọc theo vật liệu.

19

2.1.2. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý đất nền.

19

2.1.3. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cƣờng độ đất nền.

19

2.2.

Cơ sở lý thuyết về sức chịu tải của vải địa kỹ thuật.

20

2.2.1. Xác định khả năng chịu kéo của vải ĐKT theo cƣờng độ vải.

21

2.2.2. Xác định khả năng chịu kéo của vải ĐKT theo điều kiện ma sát.

21

2.3.

Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép

kết hợp vải địa kỹ thuật.

22

2.3.1. Cơ chế truyền lực của phƣơng pháp GRPS.

22

2.3.2. Các thông số cơ bản của phƣơng pháp GRPS.

24

2.3.3. Các cơ sở lý thuyết có thể áp dụng cho phƣơng pháp GRPS.

28


2.3.3.1.

Cơ sở lý thuyết theo Terzaghi (1943).

28

2.3.3.2.

Cơ sở lý thuyết theo Carlsson (1987).

30

2.3.3.3.

Cơ sở lý thuyết theo Guido cùng cộng sự (1987).

30

2.3.3.4.

Cơ sở lý thuyết theo Hewlett và Randolph (1988).

31

2.3.3.5.

Cơ sở lý thuyết theo Low cùng cộng sự (1994).

34

2.3.3.6.

Cơ sở lý thuyết theo tiêu chuẩn BS8006 (1995).

36

2.3.3.7.

Cơ sở lý thuyết theo Zaeske and Kempfert (2002).

38

2.3.4. Tính tốn khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật trong phƣơng pháp GRPS.40
2.3.4.1.

Cơ sở lý thuyết xác định khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật trong

phƣơng pháp GRPS.

40

2.3.4.2. Cơ sở lý thuyết xác định khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật do trƣợt
ngang mái dốc

43

2.3.4.3. Phƣơng pháp xác định khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật trong phƣơng
pháp GRPS.

44

2.3.5. Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn BS8006 (1995)

45

2.3.6. Thiết kế hệ cọc.

47

2.3.6.1. Khoảng cách giữa các cọc.

47

2.3.6.2.

Phạm vi bố trí nhóm cọc.

2.3.6.3. Chuyển vị ngang của cọc và moment uốn trong cọc.
2.4.

Nhận xét.

47
48
49

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH METRO HƯNG LỢI
CẦN THƠ…………………………….......................................................................... 51
3.1.

Giới thiệu cơng trình.

51

3.1.1. Giới thiệu chung.

51

3.1.2. Tải trọng.

53

3.1.3. Địa chất cơng trình.

53

3.1.3.1.

Mặt cắt địa chất.

53

3.1.3.2.

Các thơng số địa chất.

55

3.1.3.3.

Các thơng số thí nghiệm SPT.

56

3.2.

Thiết kế thi cơng.

57


3.3.

Mơ hình cơng trình với phần mềm plaxis 2D.

59

3.3.1. Mơ hình tính tốn.

59

3.3.2. Thơng số tính tốn.

60

3.3.3. Các trƣờng hợp (phase) tính tốn.

63

3.4.

Tiến hành kiểm tra và quan trắc độ lún lệch.

65

3.5.

Nhận xét.

67

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TỐN THEO GIẢI TÍCH, MƠ PHỎNG
VÀ QUAN TRẮC ………….…………..................................................................... 68
4.1.

So sánh kết quả tính tốn theo các cơ sở lý thuyết giải tích và mơ phỏng.68

4.1.1. Nội dung so sánh.

68

4.1.2. Phƣơng pháp so sánh.

68

4.1.3. So sánh, nhận xét kết quả cùa việc mở rộng đầu cọc, gia tăng chiều cao đất
đắp và sử dụng vải ĐKT.
4.1.3.1.

Mối quan hệ giữa các thông số cơ bản với tỷ lệ a/d ứng với H = 2m, s =

2m.

71

4.1.3.2.

Mối quan hệ giữa các thông số cơ bản với tỷ lệ H/(s-a) ứng với s = 2m, a

= 0.9m, d = 0.3m, a/d=3m.
4.1.3.3.

Hiệu quả cùa việc gia cố của vải ĐKT theo mô phỏng plaxis 2D.

4.1.4. Nhận xét.
4.2.

71

Phân tích, kiểm tra cho cơng trình METRO Hƣng Lợi Cần Thơ.

79
85
88
90

4.2.1. Nội dung phân tích, kiểm tra.

90

4.2.2. Phƣơng pháp phân tích, kiểm tra.

90

4.2.3. Phân tích kết quả cùa việc thay đổi gia tăng chiều cao đất đắp, khoảng cách
cọc và tải trọng ngồi.
4.2.3.1.
đắp.
4.2.3.2.
cọc.

91

Mối quan hệ giữa các thơng số tính tốn với tải trọng theo chiều cao đất
91
Mối quan hệ giữa các thơng số tính tốn với tải trọng theo khoảng cách
99


4.2.4. Lý giải tính hợp lý và kiểm tra độ lún cho phƣơng án đã đƣợc thiết kế theo
IGW.

105

4.2.4.1.

Lý giải tính hợp lý của phƣơng án đã đƣợc thiết kế.

105

4.2.4.2.

So sánh độ lún của phƣơng án đã đƣợc thiết kế theo quan trắc.

108

4.2.5. Đề xuất phƣơng án hợp lý khác.

110

4.2.6. Nhận xét.

111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………….…………................................................. 113
1.

KẾT LUẬN ………….…………............................................................... 113

2.

KIẾN NGHỊ. ………….………….............................................................. 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………….…………....................................................... 115
PHỤ LỤC


1

MỞ ĐẦU

1.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.

Việc xây dựng cơng trình trên nền đất yếu ln đặt ra cho người kỹ sư Địa Kỹ

Thuật Xây Dựng những thách thức lớn, đặc biệt khi đối với những cơng trình chịu
tải trọng lớn và trên diện rộng như cơng trình cảng, cơng trình giao thơng, cơng
trình bến bãi, kho xưởng…
Đồng bằng sơng Cửu Long là một trong những khu vực có nhiều đất yếu,
một số nơi có độ dày lên đến 30 ÷ 40m. Những cơng trình chịu tải trọng lớn và trên
diện rộng khơng phù hợp với những loại móng nơng như: móng đơn, móng băng.
Có nhiều phương pháp gia cố nền đất yếu như gia tải trước bằng cọc cát, bất
thấm, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, cọc bê tông, sàn giảm tải… Mặc dù với
nhiều ưu điểm của mình, nhưng giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt
thép kết hợp vải địa kỹ thuật vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam và vẫn chưa có quy
phạm cụ thể để hướng dẫn việc áp dụng phương pháp này.
2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.
So sánh điểm khác biệt về sự phân bố ứng suất thơng qua hiệu ứng vịm của

phương pháp gia cố nền đất yếu bằng hệ cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật
được xác định dựa trên các cơ sở lý thuyết khác nhau như: Terzaghi (1943), Carlsson
(1987), Guido cùng cộng sự (1987), Hewlett và Randolph (1988), Low cùng cộng sự
(1994), tiêu chuẩn BS8006 (1995) và Zaeske and Kempfert (2002)…
Xây dựng mối liên hệ giữa các yếu tố liên quan trong phương pháp gia cố
nền đất yếu bằng hệ cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật bao gồm: chiều cao
nền đất đắp, khoảng cách cọc, kích thước mũ cọc, tải trọng ngồi, độ lún lệch, lực nén
trong cọc, hệ số tập trung ứng suất và lực căng trong vải địa kỹ thuật…
Ứng dụng vào việc tính tốn thiết kế, kiểm tra và so sánh độ lún lệch hiện
trường tại cơng trình METRO Hưng Lợi Cần Thơ có sử dụng phương pháp gia cố
nền đất yếu bằng hệ cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật cho khu vực bãi xe
ô tô.

2

3.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: 1) phương pháp tính tốn và kiểm tra sức chịu

tải của cọc bê tông cốt thép, 2) phương pháp tính tốn và kiểm tra sức chịu tải của
vải địa kỹ thuật, 3) phương pháp tính tốn và kiểm tra sức chịu tải, độ lún, độ ổn
định, lực kéo căng, sự phân bố ứng suất… trong phương pháp sử dụng cọc bê
tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật thơng qua hiệu ứng vịm trên nền đất đắp và
hiệu ứng màng trong lớp vải địa kỹ thuật.
Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D version 8.2 để phân tích ứng suất, biến
dạng trong lớp đất đắp trên nền đất yếu được gia cố bằng hệ cọc bê tông cốt thép kết
hợp vải địa kỹ thuật.
So sánh chuyển vị tính tốn từ mơ hình với quan trắc hiện trường của bãi xe ơ tơ
thuộc cơng trình METRO Hưng Lợi Cần Thơ.
4.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.
Ý nghĩa khoa học:
Đây là sự kết hợp giữa khả năng chịu lực của cọc bê tông cốt thép với khả

năng chịu lực căng của vải địa kỹ thuật, cũng là sự kết hợp giữa hiệu ứng vòm trong
nền đất đắp và hiệu ứng màng trong lớp vải địa kỹ thuật.
Hiệu ứng vòm trong đệm cát và hiệu ứng màng trong vải địa kỹ thuật xuất hiện
sẽ phân bố lại ứng suất trong nền đất đắp, giúp truyền tải trọng vào đầu cọc và giảm tải
trọng tác dụng lên nền đất yếu.

So với khi không gia cố, phương pháp gia cố này làm giảm sự lún lệch giữa
cọc và nền và giảm biến dạng chung của nền trong phạm vi cho phép.
Tính thực tiễn:
Q trình thi cơng khơng phức tạp mang lại hiệu quả kinh tế cao nên khuyến
khích áp dụng rộng rãi để gia cố nền đất yếu ứng với những cơng trình chịu tải
trọng lớn và trên diện rộng ở nước ta.
Đề tài giúp cho việc định hướng, lựa chọn các cơ sở lý thuyết khác nhau để áp
dụng tính tốn theo ý định người thiết kế.
Việc thiết lập các mối quan hệ giữa các yếu tố liên quan tạo cơ sở cho việc
thiết kế, kiểm tra đối với các cơng trình tương tự.


3

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.

5.

Phương pháp gia cố nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật làm
phân bố lại ứng suất trong nền đất đắp nhưng làm chậm đi quá trình cố kết của nền
đất bên dưới. Vì vậy, nếu lựa chọn phương pháp gia cố này cần xem xét tính chất và
quy mơ của cơng trình xây dựng.
Đề tài chưa tìm hiểu về: tính ổn định, sự phân bố ứng suất, chuyển vị… của
nền đất đấp tại vị trí mái dốc, chưa tìm hiểu về những sự cố có thể xãy ra khi áp
dụng phương pháp này chẳng hạn: vải địa kỹ thuật căng không đều hoặc bị rách tại
đầu cọc…
Phương pháp này có thể kết hợp với các biện pháp gia cố khác nhằm gia tăng
hiệu quả chẳng hạn: có thể sử dụng cọc đất trộn xi măng thay cho cọc bê tông cốt
thép, sữ dụng sàn giảm tải thay vải địa kỹ thuật, bố trí mặt bằng cọc theo dạng lưới
tam giác, dạng khối, dạng tường chắn thay vì lưới ô vuông…

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU
BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG

CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT.
Khi xây dựng các cơng trình nền đường đắp cao, kho xưởng, bến bãi có tải
trọng lớn và rộng trên nền đất yếu, nhiều giải pháp cải tạo đất nền khác nhau có thể
được áp dụng như: gia tải trước kết hợp sữ dụng cọc cát hoặc bấc thấm, cải tạo đất
bằng cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, sàn giảm tải… Mỗi phương pháp
đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Phương pháp gia tải trước trực tiếp làm tăng
độ cố kết của nền đất yếu bên dưới nhưng kéo dài thời gian thi cơng và chi phí gia tải
tương đối lớn. Phương pháp cải tạo đất bằng cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất
trộn vơi mang tính hiện đại và kinh tế nhưng cần phải đảm bảo chất lượng của vật
liệu và công nghệ thi công chuyên nghiệp.
Cùng với sự phát triển của các giải pháp gia cố đất nền, Reid và Buchanan
(1984) đã sớm sử dụng hệ cọc để truyền tải trọng nền đất đắp xuống tầng đất tốt bên
dưới (Conventional Pile Supported - CPS). Phương pháp CPS rút ngắn thời gian thi
công, giảm độ lún nền đắp nhưng đòi hỏi khoảng cách các cọc nhỏ nên số lượng cọc
lớn và kích thước mũ cọc to, những vị trí biên của nền đất đắp cần phải bố trí những
cọc có góc nghiêng để chống lại lực xơ theo phương ngang. [27]
Nền đắp

Mũ cọc

Đất yếu

Cọc bê tông cốt thép

Cọc nghiêng

Hình 1.1: Hệ thống cọc chịu tải truyền thống CPS
Theo đà phát triển, giải pháp cọc bê tông cốt thép kết hợp sàn giảm tải (Piled


5

with Concrete Slab – PCS) được sử dụng để gia tăng hiệu quả truyền tải vào đầu cọc
nhưng chi phí xây dựng rất lớn, chỉ có thể áp dụng cục bộ tại những vị trí nhất định
như đường vào cầu, kho xưởng có tải trọng lớn với quy mơ tương đối nhỏ.
Nền đắp

Mũ cọc

Sàn bê tông giảm tải
Đất yếu
Cọc bê tơng cốt thép
Hình 1.2: Hệ thống cọc kết hợp sàn giảm tải PCS

Để hoàn thiện hơn, Hewlett và Randolph (1988) đã sử dụng giải pháp cọc bê
tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật trải trên đỉnh cọc (Geosynthetic Reinforced
Pile Supported - GRPS). Vải địa kỹ thuật gia cường với độ bền chịu kéo cao sẽ làm
giảm độ lún lệch giữa các mũ cọc, chống lại lực xô ngang tại vị trí biên của nền đất
đắp, tăng ổn định mái dốc trong nền đất yếu và đảm bảo khả năng truyền tải giúp

khoảng cách giữa các cọc được mở rộng hơn so với giải pháp cọc đơn thuần truyền
thống, nhờ đó mang lại hiệu quả kinh tế cao. [27]
Vải địa kỹ thuật bên dưới
Nền đắp

Vải địa kỹ thuật

Mũ cọc

Cọc bê tơng cốt thép
Hình 1.3: Hệ thống cọc kết hợp vải địa kỹ thuật GRPS
Từ một cuộc khảo sát trên một diện rộng các dự án, Han (1999) đã nhận thấy
rằng phần trăm diện tích mặt bằng che phủ bởi mũ cọc trên tổng diện tích mặt bằng


6

được gia cường là 60-70% đối với giải pháp CPS truyền thống. Trong khi, giải pháp
GRPS tỷ lệ này giảm còn 10 - 20% chứng tỏ rằng khoảng cách giữa các cọc lớn nên
số lượng cọc giảm. Trong giải pháp GRPS này, kích thước cọc cũng được giảm tuy
nhiên kích thước mũ cần được mở rộng. Tùy theo mức độ quan trọng của cơng
trình, người thiết kế có thể sử dụng hệ cọc là cọc bê tông cốt thép, cọc đá, cọc vôi,
cọc đất trộn xi măng, cọc gỗ… [27]
1.2.

TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ CƠ CHẾ TRUYỀN TẢI CỦA PHƯƠNG

PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT
HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT.
Hệ thống cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật GRPS là một loại

móng hỗn hợp. Hoạt động dựa vào một cơ chế truyền tải hiệu quả từ nền đất đắp
xuống cọc dựa trên sự kết hợp của: hiệu ứng vòm do hiện tượng tập trung ứng suất
dựa trên sự khác nhau về độ cứng giữa cọc và đất yếu, hiệu ứng màng dựa trên khả
năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật và sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép.

Hiệu ứng vòm

Hiệu ứng màng

Phản lực của
lớp đất yếu

Cọc bê tơng
cốt thép

Tầng đất yếu
Tầng đất chịu lực

Hình 1.4: Tồng quan cơ chế truyền tải của phương pháp GRPS [18]
Theo dòng phát triển, hiệu ứng vòm của nền đất đắp trong phương pháp
GRPS dần được xác định qua những nghiên cứu đáng ghi nhận sau:


Ban đầu, hiệu ứng vòm đối với Terzaghi (1936) là sự hình thành sức


7

chống cắt dọc theo trụ đất không được chống đở bên dưới và phần đất được chống
đở xung quanh. Sức chống cắt này được tạo thành bởi chiều cao đất đắp bên trên và

được huy động tới một chiều cao đất đắp xác định nơi mà độ lún giữa các phần đất
là như nhau. Sau đó, Terzaghi (1943) đã định nghĩa hiệu ứng vòm trong nền đắp là
sự truyền áp lực đất từ khối đất mềm hơn vào khối đất cứng hơn bên cạnh. [23]

2B
D

Cung vịm
lật ngược

Nền đất cứng
Hình 1.5: Sự hình thành sức chống cắt
dọc theo trụ đất rỗng bên dưới theo Terzaghi (1943)


Đáng chú ý hơn, McNulty (1965) định nghĩa hiệu ứng vòm là khả

năng truyền tải từ nơi này sang nơi khác của vật liệu phản ứng lại trước mối quan hệ
chuyển vị giữa các thành phần với nhau.


Theo Carlsson (1987), trong mặt phẳng cọc và đất yếu, hiệu ứng vịm

có dạng hình tam giác với góc ở đỉnh là 30o


8

Mặt phẳng
nghiên cứu

Hình 1.6: Sự hình thành hiệu ứng vịm theo Carlsson (1987)


Phát triển ý tưởng của Carlsson trong không gian, Guido cùng cộng sự

(1987) cho rằng tải trọng tác dụng đất yếu là tải trọng đất nằm trong phạm vi hình
chóp tứ giác đều, phần tải cịn lại truyền vào mũ cọc.

Hình 1.7: Sự hình thành hiệu ứng vịm theo Guido cùng cộng sự (1987)


Theo Hewlett và Randolph (1988), trạng thái cân bằng giới hạn trong

lớp cát đắp có dạng chóp bán cầu giữa hai đầu cọc lân cận. Phần lớn tải trọng bên
trên đỉnh vòm truyền đến hệ cọc bên dưới thơng qua vịm cung này.

Hình 1.8: Sự hình thành hiệu ứng vịm theo Hewlett và Randolph (1988)


9

Hình 1.9: Sự hình thành hiệu ứng vịm Low cùng cộng sự (1994)
Đỉnh lớp đất đắp

Mặt phẳng có
cùng chuyền vị

Mặt phẳng tới hạn

Mặt đất tự nhiên

Cao độ ban đầu khi H=0
Cao độ sau cùng ứng với chiều cao H

Hình 1.10: Sự hình thành hiệu ứng vịm trong cống ngầm theo Spangler (1982)
được ứng dụng trong tiêu chuẩn BS8006 (1995) [6]


10



Dựa trên mơ hình của McNulty, Giroud cùng cộng sự (1990) xây dựng

mơ hình cho lớp đất yếu nằm bên trên lớp vải địa kỹ thuật.


Theo Schmertmann (1991) cho rằng tất cả các tải trọng trong phạm vi

hình tứ diện hoặc hình nón được truyền đến hệ cọc lân cận bên dưới.


Cải thiện phương pháp của Hewlett và Randolph, Low cùng cộng sự

(1994) mơ phỏng hiệu ứng vịm có dạng hình bán trụ trịn với bề dày bằng một nữa
kích thước mũ cọc.


Tiêu chuẩn BS8006 (1995) dựa trên lý thuyết Marston và Spangler

(1982) về hiệu ứng vịm hình thành trong các cơng trình ống dẫn ngầm.
Mặt phẳng lún mơ phỏng

Bề rộng hữu hiệu B

Chiều cao
đất đắp

Dạng cung vòm
Dạng tam giác
Trạng thái sau cùng

Độ lún

Phản lực nền đất yếu

Hình 1.11: Sự hình thành hiệu ứng vịm theo Iglesia cùng cộng sự (1999)


Bằng cách kết hợp các dữ liệu từ thí nghiệm guồng quay ly tâm và kế

thừa các lý thuyết hình thành hiệu ứng vòm, Iglesia cùng cộng sự (1999) đã xây
dựng q trình hình thành hiệu ứng vịm bao gồm các giai đoạn như hình vẽ: khi
khối trụ đất khơng được chống đở bên dưới dần hạ xuống, hiệu ứng vịm bắt đầu
phát triển có dạng một hình cung (1) tương tự dạng chóp bán cầu theo Hewlett và
Randolph; sau đó tiếp tục phát triển thành dạng hình tam giác (2) tương tự dạng


11

hình tứ diện theo Guido cùng cộng sự nhưng với một góc hơi lớn hơn 45o; đến khi
khối đất sụp xuống, có sự xuất hiện của khối lăng trụ giới hạn bởi 2 mặt huy động
ứng suất cắt và xuất phát từ 2 bên phần đất không được chống đở bên dưới (3) tương
tự như khối trượt Terzaghi.


Theo Zaeske và Kempfert (2002), hiệu ứng vòm giữa các cọc lân cận

được xem xét trong không gian 3 chiều và là một hệ thống các cung vịm đồng tâm.

Hình 1.12: Sự hình thành hiệu ứng vòm theo Zaeske và Kempfert (2002) [18]
Trong phần lớn các quan điểm nêu trên, đều giả định rằng các áp lực bên trên
lớp vải địa kỹ thuật đều được chống đở bởi chính lớp vải địa kỹ thuật đó cho dù bên
dưới các lớp này là đất, hay nói cách khác là có lỗ rỗng xuất hiện bên dưới lớp vải
địa.
Hiện tượng tập trung ứng suất là do sự khác nhau về độ cứng giữa cọc và đất
yếu xung quanh và kết quả là ứng suất theo phương thẳng đứng tập trung trên đỉnh
cọc lớn hơn so với ứng suất truyền vào đất yếu. Hệ số tập trung ứng suất vào mũ
cọc n (Stress Concentration Ratio) được định nghĩa là tỷ số ứng suất thẳng đứng
truyền vào mũ cọc σc với tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào đất nền σs được xác
định theo công thức n = σc/σs. Tỷ số tập trung ứng suất là một thông số quan trọng


12

để đánh giá mức độ hiệu quả của hiệu ứng vòm, độ cứng tương đối cũng như độ liên
kết giữa cọc và đất.
Khi giá trị n càng nhỏ thì mức độ xuất hiện hiệu ứng vòm càng thấp và phần
lớn tải trọng nền đất đắp sẽ tác dụng vào đất nền gây chuyển vị lệch. Khi giá trị n

càng lớn thì mức độ xuất hiện hiệu ứng vịm càng cao và phần lớn tải trọng nền đất
đắp sẽ tác dụng vào cọc. Điều này có tác dụng hạn chế chuyển vị lệch nhưng nếu hệ số
n quá lớn sẽ làm tăng giá thành xây dựng. Khi n = 1 thì hiệu ứng vịm khơng xảy ra.
Theo nghiên cứu của Ooi cùng cộng sự (1987) giá trị n trong phương pháp
cọc chịu tải truyền thống (CPS) thông thường trong khoảng từ 1 đến 8. Tỷ số này
đồng biến với tỷ số giữa chiều cao đất đắp với khoảng cách gần nhất giữa hai cọc.
Theo nghiên cứu của Reid (1993) và Maddison (1996) giá trị n trong phương pháp
cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật trải trên đỉnh cọc (GRPS) thông thường
trong khoảng từ 8 đến 25. Sự gia tăng của giá trị n là do có sự đóng góp của vải địa
kỹ thuật.

σc

σs

σc

Hình 1.13: Hiện tượng tập trung ứng suất vào mũ cọc thông qua hệ số n = σc/ σs
Song song với sự phát triển của hiệu ứng vòm, các phương pháp nghiên cứu
hiệu ứng màng cũng dần dần được phân tích bởi: Delmas (1979), Perrier (1983) và
Kinney (1987) cho hình dạng và điều kiện lực đơn giản, phương pháp Catenary của
John (1987) với giả định rằng vải địa kỹ thuật được đặt trên lưới trụ hình vng,
phương pháp xác định lực căng vải địa kỹ thuật theo BS8006 (1995) được cho là
thiên về an toàn, dựa trên mơ hình hiệu ứng vịm Carlsson (1998) xác định lực căng


13

vải địa kỹ thuật trên mơ hình 2D và 3D… Tuy nhiên, các trường hợp có hình dạng
và điều kiện lực phức tạp thì cần sử dụng phương pháp số như: Gutter (2002) trong

nghiên cứu của mình đã nhờ sự trợ giúp của phần mềm Grond để tính tốn lực căng
và chuyển vị, Plaxis 2D, Plaxis 3D Tunnel…

Hình 1.14: Hiệu ứng màng trong vải địa kỹ thuật
Lực kéo phát triển cùng với biến dạng của vải địa kỹ thuật trong suốt quá
trình đắp bên trên. Nếu vải địa kỹ thuật khơng biến dạng trong suốt q trình đắp thì
lực kéo cũng không phát triển. Theo BS8006 (1995), lực kéo trong vải địa kỹ thuật
gia cường được tính tốn có xét đến khả năng biến dạng cho phép lớn nhất 6% và

Lực kéo trong vải địa kỹ thuật (kN/m)

biến dạng từ biến cho phép lớn nhất là 2% đối với kết cấu đã cố định.
Không xét phản lực đất nền bên dưới

Chiều cao đấp đắp
(m)

Xét phản lực đất nền bên dưới

Chiều cao đấp đắp
(m)

Khoảng cách giữa các cọc (m)
Hình 1.15: Quan hệ giữa lực kéo trong vải địa kỹ thuật dưới đất đắp với khoảng cách
cọc theo Jones cùng cộng sự (1990)


14

Như đã đề cập, theo các nghiên cứu đã trình bày thường bỏ qua phản lực của

đất nền bên dưới lớp vải địa kỹ thuật do đó bài tốn thiết kế trở nên an toàn. Trên thực
tế, một phần phản lực do nền bên dưới lớp vải địa kỹ thuật cần phải được xem xét.
Reid và Buchman (1984) đã nghiên cứu và cho rằng phản lực đất nền bên dưới lớp vải
địa kỹ thuật bằng 0,18γH. Sau đó, John (1987) tiếp tục thực hiện và cho rằng phản
lực đất nền bên dưới lớp vải địa kỹ thuật bằng 0,15γH. Sử dụng phương pháp phần tử
hữu hạn, Jones cùng cộng sự (1990) đã mơ hình phương pháp gia cố đất nền bằng
cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật bằng chương trình Plaxis, kết quả được
thể hiện trong hình bên dưới. [27]
Hiệu ứng vịm giúp truyền hoạt tải và tải trọng bản thân khối đất đắp xuống
tầng đất chịu lực phía dưới thơng qua hệ thống vải địa kỹ thuật và cọc gia cường.
Sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép phải đáp ứng hai trạng thái giới hạn và được xác
định theo các chỉ tiêu vật liệu, chỉ tiêu cơ lý, chỉ tiêu cường độ đất nền…
1.3.

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT

YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT.
Nền hoàn thiện trên cùng
Cát đắp (nếu muốn)
Lớp phân cách (nếu cần thiết)
Vật liệu rời được
đầm chặt
Hiệu ứng vòm
Vải địa kỹ thuật
(1 hay nhiều lớp)

Các loại cọc

Hiệu ứng màng

Mũ cọc

Hình 1.16: Mơ hình tổng qt của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc bê tông
cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật


15

Hình 1.17: Biện pháp gia cố nâng cấp tuyến đường sắt giữa Hamburg và Berlin [18]

Hình 1.18: Áp dụng GRPS cho tuyến đường N210
ở Krimpenerwaard, South Holland