Sức chịu tải cọc xi măng đất cốt cứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------

NGUYỄN BÁ PHÚ

SỨC CHỊU TẢI CỌC XI MĂNG ĐẤT CỐT CỨNG

Chuyên ngành
Mã số

: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1:………………………………………….........
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:…………………………………….................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 :……………………………………………...............
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 :……………………………………………..............
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày ……tháng……năm…….
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. …………………………………………………………………………………
2. …………………………………………………………………………………
3. …………………………………………………………………………………
4. …………………………………………………………………………………
5. …………………………………………………………………………………


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
Ngày, tháng, năm sinh
Chuyên ngành

: Nguyễn Bá Phú
: 12/12/1988
: Địa kỹ thuật xây dựng

MSHV : 11094335
Nơi sinh : Bình Định
Mã số
: 605860

I- TÊN ĐỀ TÀI:
SỨC CHỊU TẢI CỌC XI MĂNG ĐẤT CỐT CỨNG
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ :
- Mô phỏng và nghiên cứu các thông số cọc xi măng đất cốt cứng.
- Phân tích ảnh hưởng chiều dài, tiết diện của cốt cứng trong cọc đến
khả năng chịu tải của cọc SDCM.
- Đánh giá khả năng ứng dụng cọc xi măng đất cốt cứng trong thiết kế
móng cơng trình trên nền đất yếu.
2. Nội dung:
Phần Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về cọc xi măng đất cốt cứng (SDCM).
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn cọc xi măng đất cốt cứng.
Chương 3: Mô phỏng và nghiên cứu các thông số cọc xi măng đất cốt cứng dưới tải
trọng ngang và tải trọng dọc trục bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Chương 4: Đánh giá khả năng ứng dụng cọc xi măng đất cốt cứng trong thiết kế móng
cơng trình trên nền đất yếu.
Phần Kết luận và kiến nghị
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: 21/01/2013
: 21/06/2013

: TS. ĐỖ THANH HẢI
: TS. NGUYỄN MINH TÂM
TP.HCM, ngày..... tháng……năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CBHD1

TS. ĐỖ THANH HẢI

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

CBHD2

TS.NGUYỄN MINH TÂM

TRƯỞNG KHOA……………………

PGS.TS. VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian thu thập tài liệu và nghiên cứu, đến nay đề tài luận văn “Sức
chịu tải cọc xi măng đất cốt cứng” đã hoàn thành và đáp ứng được các yêu cầu đề ra.
Trước tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cơ bộ mơn Địa
Cơ Nền Móng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG
TP.HCM đã truyền đạt kiến thức cho học viên, giúp học viên có những kiến thức cơ
bản phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu, và cũng như hoàn thành luận văn này.
Tiếp theo học viên xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã giúp
đỡ, động viên khích lệ cho học viên trong thời gian học tập và thực hiện luận văn này.

Học viên xin chân thành cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy TS. Nguyễn Minh Tâm,
TS. Đỗ Thanh Hải, đã giúp đỡ tận tình cho học viên suốt quá trình thực hiện luận văn
này.
Đây là lần đầu tiên học viên nghiên cứu khoa học, mặc dầu học viên đã hết sức
cố gắng thu thập tài liệu, nghiên cứu và phân tích với tinh thần trách nhiệm và tâm
huyết nhưng do trình độ và thời gian có hạn nên trong luận văn không thể tránh khỏi
những tồn tại còn hạn chế, học viên rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp quý báu
và trao đổi chân thành từ các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp. Học viên cũng mong muốn
những vấn đề còn tồn tại chưa nghiên cứu sẽ được phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu
hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, tháng 06 năm 2013
Học viên thực hiện

Nguyễn Bá Phú


TĨM TẮT LUẬN VĂN
TĨM TẮT
Từ khi cơng nghệ xử lý đất yếu bằng cọc xi măng đất (DCM) ra đời cho đến nay
công nghệ này đã không ngừng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong công tác xử
lý đất yếu, các cơng trình xây dựng dân dụng, cầu đường, thủy lợi,…Mặc dầu cọc xi măng
đất (DCM) có nhiều ưu điểm và cho những ứng dụng khác nhau, nhưng do nhiều lý do
khác nhau như: tải trọng cơng trình lớn, cọc chịu tải trọng ngang lớn, động đất,….cọc
DCM có thể bị phá hoại khi sử dụng, đặc biệt là khi loại cọc này chịu tải trọng ngang. Hơn
nữa, cường độ của cọc có thể thấp hơn so với thiết kế ban đầu vì lý do chất lượng thi cơng,
điều kiện thi cơng trong suốt q trình xây dựng. Để khắc phục những nhược điểm này của
cọc xi măng đất, cọc xi măng đất cốt cứng- Stiffened DCM (SDCM) được kiến nghị sử
dụng.
Cọc xi măng đất cốt cứng (SDCM) là loại cọc được cấu tạo từ cọc xi măng đất thi

công bằng phương pháp trộn ướt và được chèn vào tâm cọc xi măng đất một loại cọc khác
còn gọi là cốt cứng (có thể sử dụng cọc bê tơng cốt thép, bê tông cốt thép ứng suất trước,
cừ tràm, ống thép,...). Cốt cứng được thiết kế với vật liệu có cường độ cao để chịu tải trọng
cơng trình và lớp DCM bao bên ngồi đóng vai trị truyền tải trong sang nền đất xung
quanh.
Dựa vào các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sức chịu tải loại cọc này, học viên
tiến hành mơ phỏng cọc SDCM bằng chương trình Plaxis 3D Foundation nhằm đánh giá
và phân tích sức chịu tải loại cọc này, trong đó xét ảnh ảnh hưởng của tiết diện, chiều dài
cốt cứng đến sức chịu tải cọc SDCM dưới tải trọng dọc trục và tải trọng ngang.
Từ những ưu điểm cọc SDCM đã được nghiên cứu, học viên tiếp tục sử dụng phần
mềm Plaxis 3D Foundation đánh giá sức chịu tải của nhóm cọc SDCM trong nền đất yếu
có bề dày lớn, sự phân bố tải trọng, chuyển vị trong cọc, độ lún lên đất nền. Trên cơ sở đó,
luận chứng cho tính hiệu quả của việc áp dụng cọc SDCM thay thế các loại móng cọc khác
như: cọc khoan nhồi, cọc bê tông trong xây dựng cơng trình trên nền đất yếu.


SUMMARY OF THESIS
Since the soft soil treatment technical by the deep cement method (DCM) was
born until now this technology has been continuous researched and applied in the
treatment of soft soil, the constructions, bridges, irrigation, ... Although the deep
cement method (DCM) has many advantages for different applications, but due to
many different reasons such as large building load, large lateral load, earthquake,....
DCM piles failure can occur when used, especially when subjected to the lateral load.
Moreover, the unexpected lower strength than the design commonly occurs due to lack
of quality control during construction. To mitigate the above-mentioned problems, a
new kind of composite pile named Stiffened DCM (SDCM) pile is introduced.
Stiffened deep cement method pile (SDCM) is composed of pile is DCM pile
which constructed by wet mixing method then inserting into the center DCM pile a
different kind of pile called hard core (can use reinforced concrete, reinforced concrete
prestressed, wood, steel pipes, ...). where the high strength concrete pile is designed to

bear the load, and DCM pile socket acts to transfer the axial force into the surrounding
soil by skin friction.
Based on the results of empirical research on load bearing capacity of the pile,
students conduct simulated SDCM pile by Plaxis 3D Foundation program to assess and
analyze the bearing capacity of the pile, which considered the effect of the cross
section, length of hard core to load capacity SDCM piles under axial load and
horizontal load.
With the advantages SDCM piles were studied, this thesic continue to use the
Plaxis 3D Foundation software to study bearing capacity of SDCM pile groups in the
thick soft soil layers, displacement and settlement of cement soil foundation. On this
basis, the argument for the effectiveness of the application pile SDCM for replacing
other types of piles: concrete piles during construction on soft ground.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung của luận văn là do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Minh Tâm và TS. Đỗ Thanh Hải.
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn này không trùng lặp với bất cứ luận văn
nào đã được công bố.


i

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ...................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài…………………………………………………………. 1
2. Mục đích nghiên cưú của đề tài…………………………………………………. 2
3. Nội dung nghiên cưú…………………………………………………………….. 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu………………………………………. 3

5. Kết quả dự kiến đạt được………………………………………………………… 3
6. Ý nghĩa khoa học………………………………………………………………… 3
7. Ý nghĩa kinh tế - xã hội…………………………………………………………. 4
8. Tính mới của luận văn…………………………………………………………… 4
9. Giới hạn của đề tài……………………………………………………………… 4
CHƯƠNG-I: TỔNGQUAN VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT CỐT CỨNG……….....5
I.1 Những phát triển gần đây của phương pháp cọc xi măng đất (DCM)................. 5
I.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ trụ đất trộn xi măng gia cố nền đất yếu ........ 5
I.1.2 Ứng dụng trụ đất trộn xi măng để gia cố nền đất yếu ................................ 6
I.2 Giới thiệu cọc xi măng đất có cốt cứng ........................................................... 10
I.2.1 Cấu tạo cọc xi măng đất có cốt cứng (SDCM) và cơ chế làm việc .......... 11
I.2.2 Sức chịu tải cọc cao và chi phí xây dựng thấp là ưu điểm lớn nhất cọc
SDCM ………………………………………………………………………..12
I.2.3 Độ tin cậy kết cấu cao ............................................................................. 12
I.2.4 Góp phần làm giảm tác động đến môi trường.......................................... 12
I.2.5 Khả năng ứng dụng................................................................................. 12
I.2.6 Công nghệ thi cơng cọc xi măng đất có cốt cứng. ................................... 13
I.2.7 Thiết kế cọc xi măng đất có cốt cứng (SDCM) ....................................... 13


ii

CHƯƠNG II - CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CỌC XI MĂNG ĐẤT
CỐT CỨNG……………………………………………………………………….14
II.1 Sức chịu tải của cọc xi măng đất [4] ................................................................ 14
II.1.1 Phương pháp tính tốn theo quan điểm trụ làm việc như “cọc” ............. 14
II.1.2 Phương pháp tính tốn theo quan điểm như nền tương đương............... 16
II.1.3 Phương pháp tính tốn theo quan điểm hỗn hợp ................................... 17
II.2 Sức chịu tải của cọc xi măng đất có cốt cứng (SDCM) .................................... 25
II.2.1 Thí nghiệm sức kháng ma sát ............................................................... 26

II.2.2 Mơ hình thí nghiệm nghiên cứu sự truyền lực cơ học của cọc SDCM ... 28
II.2.3 Thí nghiệm hiện trường nghiên cứu sức chịu tải cọc SDCM ................. 31
II.2.4 Phương pháp thiết kế cọc SDCM .......................................................... 34
II.3 Ảnh hưởng các thông số cọc đến sức chịu tải dọc trục và sức chịu tải ngang
của cọc SDCM…….. ………………………………………………………………35
II.4 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phần mềm plaxis 3D........................ 37
II.4.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ................................................... 37
II.4.2 Phần mềm Plaxis 3D Foundation (version 1.6) ..................................... 37
II.4.3 Các mơ hình tính .................................................................................. 38
II.5 Nhận xét.......................................................................................................... 46
CHƯƠNG III - MÔ PHỎNG VÀ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CỌC XI
MĂNG ĐẤT CỐT CỨNG DƯỚI TẢI TRỌNG NGANG VÀ TẢI TRỌNG
DỌC TRỤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM)………..47
III.1 Số liệu tính tốn. ............................................................................................ 47
III.1.1 Giới thiệu cơng trình .......................................................................... 47
III.1.2 Giải pháp kỹ thuật gia cố đất nền và các thông số cọc DCM ............... 49
III.1.3 Kết quả nén tĩnh cọc DCM ngoài hiện trường .................................... 51


iii

III.2 Q trình mơ phỏng bài tốn cọc chịu tải trọng ngang và dọc trục ................. 55
III.3 Kết quả quá trình mơ phỏng bài tốn ............................................................. 57
III.4 Nhận xét ........................................................................................................ 64
CHƯƠNG IV – ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT
CỐT CỨNG TRONG THIẾT KẾ MĨNG CƠNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT
YẾU………………………………………………………………………………..65
IV.1 Đặt bài tốn, tính tốn sức chịu tải cọc SDCM............................................... 65
IV.1.1 Vị trí khảo sát, địa chất cơng trình ..................................................... 65
IV.1.2 Tính tốn sức chịu tải cọc xi măng đất cốt cứng (SDCM) .................. 70

IV.2 Mô phỏng bài tốn, phân tích kết quả ............................................................ 72
IV.2.1 Mơ phỏng bài tốn ............................................................................. 72
IV.2.2 Kết quả chạy mơ hình ........................................................................ 75
IV.2.3 Nhận xét kết quả mô phỏng ............................................................... 78
IV.3 So sánh bài toán kinh tế khi sử dụng cọc SDCM với các loại cọc khác. ......... 78
IV.3.1 Thiết kế cọc khoan nhồi ..................................................................... 79
IV.3.2 Thiết kế cọc bê tông đúc sẵn .............................................................. 82
IV.3.3 So sánh sơ bộ bài toán kinh tế các phương án cọc .............................. 84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………...……….86
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….88
PHẦN PHỤ LỤC…………………………………………………………………..90


iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng I.1: Các thông số kỹ thuật thi công bằng phương pháp Jet grounting ……..10
Bảng II.1: Đặc tính đất nền khu vực thí nghiệm…………………………………..31
Bảng II.2: Thơng số và kết quả thí nghiệm nhóm cọc A………………………….32
Bảng II.3: Sức chịu tải các loại cọc DCM, cọc bê tông, cọc (SDCM)………….....33
Bảng III.1: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất……………………….....49
Bảng III.2: Tải trọng thí nghiệm nén tĩnh 3 cọc đơn……………………………....51
Bảng III.3: Thời gian theo dõi độ lún và ghi chép số liệu………………………...52
Bảng III.4: Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 1-B-4…………………..53
Bảng III.5: Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 3-B-4…………………..53
Bảng III.6: Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 1-C-4………………..…54
Bảng III.7: Sức chịu tải cho phép của 3 cọc ứng với độ lún 6mm ………………..55
BảngIII.8: Bảng tổng hợp các số liệu đầu vào trong mô phỏng…...........................56
Bảng III.9: Sức chịu tải cọc theo tiết diện và chiều dài cọc (KN)…………………61

Bảng III.10: Sức chịu tải trọng ngang cọc theo tiết diện và chiều dài cọc (KN)….63
Bảng IV.1: Các thơng số đầu vào trong bài tốn mơ phỏng………………………73
Bảng IV.2: Phân bố nội lực trong cọc SDCM (cọc 1)…………………………….77
Bảng IV.3: Bảng tính ma sát cọc bên Qs ( cọc khoan nhồi )……………………...81
Bảng IV.4: Bảng tính ma sát cọc bên Qs (cọc bê tông)……………………….…..83
Bảng IV.5: So sánh sơ bộ kinh tế các phương án móng…………………………..85


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình I.1: Sơ đồ thi cơng cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt…………….8
Hình I.2: Bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất…………………………………………...8
Hình I.3: Bố trí trụ trùng nhau theo cơng nghệ trộn ướt …………………………..8
Hình I.4: Cơng nghệ Jet Grouting………………………………………………….9
Hình I.5: Tương quan giữa hàm lượng xi măng với độ cứng cọc (DCM)………....10
Hình I.6: Sơ họa cọc SDCM…………………………………………………….....11
Hình II.1. Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc xi măng đất………….....18
Hình II.2. Quan hệ ứng suất- biến dạng vật liệu xi măng- đất…………………….19
Hình II.3. Phá hoại khối và phá hoại cắt cục bộ…………………………………..19
Hình II.4. Sơ đồ tính tốn biến dạng…………………………………………….....21
Hình II.5: Mẫu sức kháng ma sát………………………………………………......26
Hình II.6: Đường quan hệ qu , τu………………………………………………....28
Hình II.7: Sơ họa cọc A……………………………………………………………29
Hình II.8: Lực dọc trục phân bố dọc theo nhân cứng…………………………..…30.
Hình II.9: Ma sát bề mặt dọc theo nhân cứng…………………………………….30
Hình II.10: Đường cong quan hệ giữa độ lún và tải trọng tác dụng……………....32
Hình II.11: Tương quan sức chịu tải cọc SDCM với chiều dài lõi cứng…………..35
Hình II.12: Ảnh hưởng chiều dài và diện tích mặt cắt ngang của lõi cọc bê tông đến
sức chịu tải ngang của cọc SDCM ………………………………………………...36

Hình II.13: Mối tương quan giữa mơ ment và hệ số chiều dài cọc trong mô phỏng
cọc chịu tải trọng ngang và những giá trị hệ số tiết diện ngang…………………...36
Hình I.14: Cấu trúc chương trình của Plaxis……………………………………...37
Hình II.15: Quan hệ giữa các ứng suất và biến dạng chính trong mơ hình đàn hồ...39
Hình II.16: Ý tưởng ban đầu về mơ hình đàn dẻo lý tưởng………………………..39
Hình II.17: Phân tố ứng suất và đường bao sức chống cắt………………………...40
Hình II.18: Hướng chảy dẻo trong mặt phẳng lệch………………………………...41
Hình II.19: Mơ phỏng hàm chảy dẻo trong hệ trục không gian các ứng suất chín...41


vi

Hình II.20: Đồ thị thể hiện hướng chảy dẻo của phân tố đất…………………........42
Hình II.21: Đồ thị thể hiện các thơng số dẻo……………………………………....44
Hình II.22: Hình ảnh cơ học minh họa bản chất các thơng số dẻo………………...44
Hình II.23: Hình ảnh cơ học minh họa bản chất góc giãn nở và đồ thị quan hệ giữa
ứng suất và biến dạng………………………………………………………………45
Hình II.24: Mối quan hệ vi phân biến dạng cắt của phân tố đất…………………...45
Hình III.1: Trụ địa chất điển hình nền đường HCC Cảng hàng khơng Cần Thơ…..48
Hình III.2: Đồ thị quan hệ tải trọng- chuyển vị của cọc 1-B-4……………….........55
Hình III.3: Mơ phỏng cọc chịu trọng dọc trục, tải trọng ngang…………………..57
Hình III.4: Xác định sức chịu tải cọc theo phương pháp đồ thị ……………….…58
Hình III.5: So sánh đường cong quan hệ giữa độ lún – tải trọng trong q trình mơ
phỏng và thí nghiệm hiện trường………………………………………………....58
Hình III.6: So sánh đường cong quan hệ giữa độ lún – tải trọng dọc trục trong q
trình mơ phỏng cọc SDCM tiết diện cốt cứng 0.18m …………………………...59
Hình III.7:Sức chịu tải cực hạn của cọc SDCM theo chiều dài và tiết diện cốt
cứng...........................................................................................................................60
Hình III.8: Đường cong quan hệ giữu chuyển vị ngang và tải trọng ngang cọc DCM
và cọc SDCM…………………………………………………………………......61

Hình III.9: Ảnh hưởng chiều dài và tiết diện của cốt cứng đến sức chịu tải ngang
cực hạn của cọc SDCM……………………………………………………………62
Hình IV.1: Sơ đồ bố trí móng cọc xi măng đất cốt cứng…………………….........70
Hình IV.2: Mơ hình cọc và đất nền…………………………………………….....74
Hình IV. 3: Mơ hình cọc và đài cọc tên mặt phẳng -0.5m………………………..75
Hình IV.4: Biến dạng của nhóm cọc và đất nền (Uy=77.82 mm)…………………75
Hình IV.5: Chuyển vị cọc SDCM (Uy=77.44 mm)………………………………76
Hình IV.6: Chuyển vị tại các điểm B(y=-0.5m), D(y=-10m, E (y=-12m)………..76
Hình IV.7: Biểu đồ phân bố lực dọc dọc theo chiều dài cọc SDCM…………77


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài.
Trong những năm gần đây, cùng với xu thế phát triển nói chung của đất nước,
ngành xây dựng nói riêng ở nước ta cũng có nhiều bước tiến đáng kể. Đặc biệt là
các cơng nghệ xử lý đất yếu trong nền móng cơng trình ngày càng phong phú để
đáp ứng được yêu cầu xây dựng. Trong số đó cọc xi măng đất đã được các chuyên
gia trong nước chuyển giao công nghệ và ứng dụng rộng rãi cho các cơng trình cầu,
đường, thủy lợi, nhà cao tầng,…cho các mục đích xây dựng khác nhau.
Hiện nay chúng ta đã và đang nghiên cứu các loại cọc sau đây để làm móng
cho nhà cao tầng, cầu đường, xử lý đất yếu, nền móng cơng trình, sạt lở mái dốc,
tường vây thi cơng hầm …:
-

Cọc đóng bê tơng cốt thép 30x30 cm,40x40cm, cọc trịn ly tâm dự ứng lực

-

Cọc ép 15x15cm ÷ 40x40cm

-

Cọc khoan nhồi đường kính 80cm đến 250cm

-

Cọc xi măng đất ø600mm ÷ ø1200mm

-

Cọc bê tơng ly tâm dự ứng lực ø600 ÷ ø800mm thi cơng bằng cơng nghệ
khoan trong hoặc khoan ngồi.

Tuy nhiên do điều kiện địa hình, đất nền và các cơng trình hiện hữu các giải
pháp trên đất có những ưu nhược điểm nhất định như: cơng nghệ địi hỏi thời gian
dài, chi phí cao, ảnh hưởng các cơng trình lân cận, chất lượng thấp, tạo tiếng ồn,
rung động, vệ sinh môi trường, vận chuyển đất thừa…, hoặc đối với những cọc có
tải trọng lớn, địi hỏi thiết bị chun dùng, đối trọng lớn và nặng. Cọc xi măng đất
có nhiều ưu điểm nhưng có cường độ và sức chịu tải đứng và ngang thấp hơn so với
cọc thông thường. Nhằm khắc phục các nhược điểm trên của cọc xi măng đất thông
thường (DCM) hay các giải pháp khác, cọc xi măng đất có cốt cứng – Stiffened


2

Deep Cement Mixxing (SDCM) được kiến nghị sử dụng. Để minh chứng rõ ràng
cọc (SDCM) có khả năng chịu tải lớn hơn cọc (DCM) đến mức loại cọc này có thể

thay thế các loại cọc khác về phương diện chịu tải, thì vấn đề nghiên cứu sức chịu
tải cọc xi măng đất cốt cứng (SDCM) là cần thiết.
Cọc (SDCM) là loại cọc được cấu tạo từ cọc xi măng đất và được chèn vào
tâm cọc xi măng đất 1 loại cọc khác (có thể sử dụng cọc bê tơng cốt thép, bê tông
cốt thép ứng suất trước, cừ tràm, ống thép,...). Sử dụng vữa xi măng bơm với áp lực
thấp 30 – 50 kg/m2, có thể kết hợp với tro bay, phụ gia để thi công cọc xi măng đất
sau đó đặt cốt cứng vào chính tâm cọc xi măng đất để thi công (hoặc cùng lúc vừa
thi công cọc xi măng đất vừa đặt cốt cứng vào giữa cọc xi măng đất). Đầu cọc xi
măng đất có thể được mở rộng hoặc phun hàm lượng xi măng nhiều hơn để tăng
cường độ.
2. Mục đích nghiên cưú của đề tài
Nghiên cứu sức chịu tải của cọc xi măng đất có cốt cứng (SDCM), nhằm ứng
dụng loại cọc này trong công tác thiết kế móng, xử lý nền đất yếu cho các cơng
trình xây dựng ở Việt Nam.
3. Nội dung nghiên cưú
Để đạt mục đích nghiên cứu đã được đề cập ở trên thì những vấn đề sau sẽ
được đề cập và thực hiện:
- Chương I: Tổng quan về cọc xi măng đất cốt cứng (SDCM).
- Chương II: Cơ sở lý thuyết tính tốn cọc xi măng đất cốt cứng.
- Chương III: Mô phỏng và nghiên cứu các thông số cọc xi măng đất cốt
cứng (SDCM) dưới tải trọng ngang và tải trọng dọc trục bằng phương pháp phần tử
hữu hạn (FEM).
- Chương IV: Đánh giá khả năng ứng dụng cọc xi măng đất cốt cứng trong
thiết kế móng cơng trình trên nền đất yếu.
- Kết luận, kiến nghị.


3

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.

- Nghiên cứu và tiếp cận những công nghệ mới về cọc xi măng đất trong thời
gian gần đây trong đó có cọc xi măng đất có cốt cứng (SDCM).
- Tìm hiểu cách tính tốn sức chịu tải cọc (SDCM) từ những nghiên cứu trong
và ngoài nước.
- Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng cọc xi măng đất cốt
cứng và các thông số nhằm đánh giá ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện cốt cứng
đến khả năng chịu tải cực hạn của cọc (theo phương đứng và theo phương ngang)
- Sử dụng phần mềm plaxis đánh giá sức chịu tải của nhóm cọc xi măng đất
cốt cứng trong nền đất yếu có bề dày lớn, sự phân bố ứng suất, chuyển vị của các
phân tố đất trong khối cọc, xác định độ lún trong đất nền. Trên cơ sở đó luận chứng
cho tính hiệu quả của việc áp dụng cọc xi măng đất cốt cứng trong xây dựng các
cơng trình có tải trọng vừa và lớn.
5. Kết quả dự kiến đạt được.
- Giới thiệu công nghệ mới về cọc xi măng đất có cốt cứng.
- Xác định sự khác nhau giữa sức chịu tải DCM và SDCM.
- Sức chịu tải cọc xi măng đất cốt cứng (SDCM) gấp bao nhiêu lần so với cọc
xi măng đất thông thường?
- Ảnh hưởng chiều dài và tiết diện của cốt cứng bên trong đến sức chịu tải cọc
(SDCM) như thế nào?
- Đánh giá khả năng ứng dụng loại cọc xi măng đất cốt cứng trong thiết kế xây
dựng các cơng trình có tải trọng vừa và lớn.
6. Ý nghĩa khoa học.
Qua luận văn này giới thiệu thêm một công nghệ mới về cọc xi măng đất đó là
cọc xi măng đất có cốt, chúng ta sẽ có thêm lựa chọn để xử lí đất yếu, thiết kế móng
cho các cơng trình xây dựng, đặc biệt là các cơng trình tải trọng lớn được xây dựng
trên đất yếu.


4

7. Ý nghĩa kinh tế - xã hội.
Kết quả để tài giúp cho nhà thiết kế có thêm lựa chọn trong giải pháp xử lý đất
yếu, khắc phục những khuyết điểm cọc xi măng đất. Từ đó có thể tiết kiệm chi phí
xây dựng nền móng cơng trình một cách hợp lý nhất mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ
thuật.
8. Tính mới của luận văn.
Hiện tại trong và ngồi nước đã có rất nhiều nghiên cứu và đã sử dụng rất phổ
biến cọc xi măng đất (DCM) tùy theo mục đích sử dụng. Nhưng đối với cọc xi
măng đất có cốt thì chưa đề cập hoặc chưa quan tâm chắc có lẽ vì biện pháp thi
cơng phức tạp. Hiện nay tại đại học AIT có một số nghiên cứu đến cọc xi măng
đấtcốt cứng như: Numerical Simulations and Parametric Study of SDCM and DCM
Pile Under Full Axial and Lateral Loads (Dennes.T Bergado, T. Suksawat, P.
Jamsawang, 2011); Recent Development of Deep Cement Mixing Methnod
(Dennes.T Bergado, 2011); The Stiffening Effects of Soil Improvement Column
with Steel (Shoichi Tsutsumi and Takeshi Oshita, 2007). Tuy nhiên việc nghiên cứu
tính tốn sức chịu tải cọc xi măng đất cốt cứng một cách có hệ thống để khẳng định
ưu điểm loại cọc này nhằm ứng dụng thiết kế móng, xử lý nền đất yếu tại Việt Nam
là cần thiết.
9. Giới hạn của đề tài.
- Luận văn sẽ nghiên cứu cho cọc xi măng đất có cốt cứng với địa chất cho
khu vực TP. Hồ Chí Minh.
- Nghiên cứu các đặc trưng cũng như lý thuyết về cọc xi măng đất có cốt cứng
, từ đó mơ phỏng bài tốn cọc xi măng đất có cốt cứng bằng phần mềm Plaxis 3D
- Cọc xi măng đất có cốt cứng (SDCM) có cốt cứng bên trong thường là: gỗ
(hay cừ tràm), ống thép, cọc bê tông. Trong luận văn này học viên sẽ sử dụng cọc
bê tông cốt thép làm cốt cứng bên trong.


5

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT CỐT
CỨNG (SDCM)

I.1 Những phát triển gần đây của phương pháp cọc xi măng đất (DCM)
I.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ trụ đất trộn xi măng gia cố nền đất yếu [8]
Phương pháp trụ đất trộn vôi - xi măng ra đời từ thập niên 50 của thế kỷ XX
Từ những năm 1960, Nhật Bản và Thụy Điển đã được bắt đầu nghiên cứu và
phát triển kỹ thuật trộn sâu sử dụng vơi hoạt tính dạng hạt. Người Nhật chú trọng
đến kỹ thuật gia cường đất mà có thể sử dụng thích hợp cho các dự án ở biển, cảng
biển. Trong khi Thụy Điển thì chú trọng kỹ thuật gia cường đất sét yếu cho các dự
án xây dựng đường ô tô và tường chắn đất.
Đến những năm 1970, phương pháp trộn khô sử dụng vôi sống trộn với đất ở
hiện trường để tạo thành các trụ vôi đã được thực hiện ở Thụy Điển và Nhật Bản. Xi
măng khô được sớm đưa vào để tăng cường độ ổn định và tạo ra trụ để tăng cường
độ cao hơn. Phương pháp mà bột vôi khô và xi măng được sử dụng để tăng cường
ổn định gọi là phương pháp trộn khô.
Vào giữa năm 1970, một nỗ lực để tăng cường sự đồng nhất của đất đã được
gia cường bằng phương pháp trộn sâu, người Nhật cũng bắt đầu đưa ra phương
pháp tăng cường ổn định mà sử dụng vữa xi măng lỏng gọi là phương pháp trộn
ướt.
Đến thập niên 80 của thế kỷ XX, phương pháp trôn sâu được ứng dụng rộng
rãi trong xây dựng. Phương pháp trộn sâu để tăng cường đất nhằm đạt cường độ cao
hơn, giảm độ dẻo, hệ số nén thấp hơn đất nguyên gốc. Chất lượng của việc gia
cường đất phụ thuộc mật độ và dạng hình học của móng, q trình thi cơng, đặc tính
của đất gốc, thời gian thi cơng và nhiệt độ.
Ngày nay phương pháp trôn sâu được sử dụng khắp thế giới với tên gọi chung
là “Deep Mixing Method” viết tắc là DMM. Ở Việt Nam cũng đã áp dụng công


6

nghệ này vào các dự án lớn như cơng trình Đai Lộ Đơng Tây – Tp. Hồ Chí Minh, sử
dụng phương pháp trộn khô với chiều sâu trụ đất trộn xi măng lên tới 26 m; cơng
trình sân bay quốc tế Cần Thơ, sử dụng phương pháp trộn khô với chiều sâu trụ xi
măng 6m.
I.1.2 Ứng dụng trụ đất trộn xi măng để gia cố nền đất yếu
Trụ đất trộn xi măng được sử dụng với nhiều ứng dụng khác nhau trong xây
dựng dân dụng, nền móng cơng trình cầu đường, kết cấu tường chắn, làm giảm sự
hóa lỏng, chống vách hố đào…
Có 7 nhóm ứng dụng cơ bản có thể thích hợp cho phương pháp trộn sâu hiện
nay là:
-

Tường ngăn nước: những tường DMM để ngăn nước thấm qua hoặc sự phát
triển của nước ở dưới cấu trúc tường chắn.

-

Tường chắn: những tường DMM có cốt thép dùng chống lại áp lực đất xung
quanh trong thi công hố đào sâu, như chống đỡ hầm và tầng hầm.

-

Làm nền cho các kết cấu: Những khối đất trộn xi măng có cường độ cao hơn
hoặc đồng nhất thay thế đất tự nhiên.

-

Gia cố, tăng cường nền đất: những phần tử DMM được sử dụng để làm tăng
khả năng ổn định của đất dưới nền đường.

-

Làm giảm sử hóa lỏng của đất : DMM dạng hộp hoặc có cấu trúc có vạch
ngăn làm giảm khuynh hướng hóa lỏng đất và sự lan truyền chấn động do
động đất ra xung quanh bên dưới nền đường hoặc tịa nhà lớn

-

Xử lý ơ nhiêm mơi trường đất ; Hydrat hóa đất ơ nhiễm tại chỗ và ngăn ngừa
sự lây lan của đất ô nhiễm

-

Tăng cường ổn định trượt: Những trụ DCM làm tăng ổn định cho nền đường
đắp trên đất yếu và vách hố đào.


7

Gần đây, tại thành phố Hồ Chí Minh và một số địa điểm khác ven bờ sông, bờ
kênh bị lở xuống sông, xuống kênh. Phương pháp gia cố bờ kênh, bờ mương bằng
khoan phụt hay cịn gọi là cơng nghệ tạo cọc xi măng đất là một trong những biện
pháp có hiệu quả về cả mặt kỹ thuật và kinh tế.
Công nghệ khoan phụt vữa (grouting technology), với áp lực 20-40 MPa hiện
đang dùng trong xây dựng nền móng và cơng trình ngầm nhằm:
 Nhồi lấp các lỗ rỗng.
 Làm chuyển vị và dồn chặt đất.
 Giảm độ hút nước, tăng cường độ của nền.
 Tạo tường chắn giữ vách hố đào.

Với nhiều mục tiêu sau:
1)

Rắn hoá và ổn định đất để truyền tải trọng xuống sâu trong thi công đường
tàu điện ngầm, đường cao tốc và nền móng.

2)

Cách chấn cho móng máy.

3)

Làm hệ thống neo có phun vữa để giữ ổn định, chịu lực kéo trong đất.

4)

Bít lấp các vết nứt trong cơng trình bê tơng và thể xây.

5)

Làm lớp phủ mặt kênh đào.

6)

Phun khô bê tông làm lớp áo cho cơng trình ngầm.

7)

Làm giếng dầu bằng ximăng giếng khoan.

8)

Phun vữa ứng suất trước trên đường song.

9)

Phun vữa tạo cọc hoặc bảo vệ và xử lý cọc bị khuyết tật.

10)

Làm tường chắn khi đào hố sâu.

Biện pháp thi công: Sử dụng máy quay, làm quay cách gạt, đất trong phạm vi
quay của cánh gạt sẽ bị tơi, trong khi đó thì phụt hồ xi măng tạo thành cọc xi măng
đất. Ngun lý trộn ướt được mơ tả trong hình I.1 (TCXDVN 385: 2006- phương
pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng).


8

Hình I.1: Sơ đồ thi cơng cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt
Tham khảo TCXDVN 385: 2006- phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất
xi măng, các mơ hình bố trí trụ xi măng trộn ướt như: hình I.2; Hình I.3:

Hình I.2: Bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất.
1. Kiểu tường; 2. Kiểu kẻ ô; 3. Kiểu khối; 4. Kiểu diện

Hình I.3: Bố trí trụ trùng nhau theo công nghệ trộn ướt
và thứ tự thi công.

9

Sơ đồ cơng nghệ Jet Grouting xem hình I.4 [5]

a

b

c

Hình I.4: Công nghệ Jet Grouting
a. Công nghệ 1 pha; b. Công nghệ 2 pha; c.
Công nghệ 3 pha
-

Công nghệ phụt một ống: JET 1 (one-jet technology). Công nghệ này chỉ
dùng xi măng và nước làm vữa phụt. Cột phụt này có đường kính chỉ là 0,50,8 m.

-

Cơng nghệ phụt hai ống: JET 2 (two- jets technology). Cơng nghệ này có hai
ống phụt đồng trục dùng hỗn hợp nước - ximăng. Phạm vi cọc ximăng đất
được tạo có đường kính 0,8-1,5 m.

-

Công nghệ phụt 3 ống phụt JET 3 (three-jets technology). Công nghệ này sử
dụng 3 ống phụt đồng trục và áp lực bơm phụt tới 20-30 MPa và đường kính
cọc xi măng đất được phụt tới 1,2-2,5 m.

Tham khảo [20], thông số kỹ thuật thi công bằng phương pháp Jet
grounting thể hiện theo bảng I.1


10

Bảng I.1: Các thông số kỹ thuật thi công bằng phương pháp Jet grounting [5]
Thông số (Jet - Grounting)
Áp lực bơm phụt (Mpa)
Lượng vữa được phụt (lít/ phút)
Áp lực khí nén (Mpa)
Lưu lượng khí nén sử dụng ( lít/ phút)
Áp lực nước để ép (Mpa)
Lưu lượng nước ( lít/ phút)
Đường kính mũi phụt (mm)
Đường kính mũi phun nước (mm)
Lỗ mở cho khí thốt ra ở mũi (mm)
Tốc độ quay trục (rpm)
Tốc độ phun (cm/phút)

Jet1
Jet2
Min Max Min Max
20
60
30
60
40 120
70
150

0.6
1.2
2000 6000
1.5
3
1.5
3
1
2
10
25
5
10
10
50
7
30

Jet3
Min Max
3
7
70
150
0.6
1.2
2000 6000
20
50
70

150
4
8
1.5
3
1
2
5
10
5
30

Độ cứng của cột xi măng đất được diễn tả trong biểu đồ sau (tham khảo [5]).

Hình I.5: Tương quan giữa hàm lượng xi măng với độ cứng cọc (DCM)
I.2 Giới thiệu cọc xi măng đất có cốt cứng
Là loại cọc được cấu tạo từ cọc xi măng đất và được đặt bên trong nó một loại
cọc khác (sử dụng các loại cọc như cọc bê tong đúc sẵn, cọc thép, bê tông ly tâm, cừ
tràm,…). Sử dụng vữa xi măng bơm với áp lực thấp 30 – 50 kg/m2, có thể kết hợp


11

với tro bay, phụ gia để thi công cọc xi măng đất sau đó đặt cốt cứng vào chính tâm
cọc xi măng đất để thi công (hoặc cùng lúc vừa thi công cọc xi măng đất vừa đặt cốt
cứng vào giữa cọc xi măng đất). Đầu cọc xi măng đất có thể được mở rộng hoặc
phun hàm lượng xi măng nhiều hơn để tăng cường độ.
I.2.1 Cấu tạo cọc xi măng đất có cốt cứng (SDCM) và cơ chế làm việc
Cọc SDCM được cấu tạo từ cọc DCM được thi cơng bằng phương pháp trộn
ướt và một cốt cứng có cường độ cao hơn, độ cứng lớn hơn chèn vào tâm của cọc

DCM như hình I.6. Do đó có 2 lớp kết cấu của cọc SDCM được xây dựng: đó là
hỗn hợp xi măng đất bao bên ngoài và lõi cứng được đặt chính giữa, hai phần này
của cọc SDCM cùng làm việc khi chịu tải trọng cơng trình. Cốt cứng bên trong có
độ cứng lớn hơn do đó tải trọng cơng trình chủ yếu tập trung lên phần này và truyền
lên lớp DCM bên ngoài. Lớp xi măng đất bên ngồi có bề mặt tiếp xúc lớn với đất
nền, làm nhiệm vụ truyền áp lực sang đất nền xung quanh.
Cọc xi măng đất với phương pháp này đã được ứng dụng và là công nghệ mới
ở Trung Quốc để xử lý đất yếu cho sức chịu tải cọc cao hơn và giá thành thấp.

Hình I.6: Sơ họa cọc SDCM


12

I.2.2 Sức chịu tải cọc cao và chi phí xây dựng thấp là ưu điểm lớn nhất cọc
SDCM
Cọc SDCM có sức chịu tải cao hơn, do đó số cọc có thể giảm xuống góp phần
giảm chi phí xây dựng cơng trình. Loại cọc này rất thích hợp với những nơi có tầng
địa chất bên trên là bùn sét yếu dày từ 10 – 25m như tại TP. Hồ Chí Minh và Tây
Nam Bộ.
I.2.3 Độ tin cậy kết cấu cao
Đây là phương pháp cọc đạt được sức chịu tải cao cả thành phần ma sát xung
quanh cọc và thành phần mũi cọc. Khi đất khơng bị mềm hóa khi thi cơng thì
khả năng chịu ma sát lớn, khả năng chống động đất tốt và kháng lại các biến dạng
lớn bởi động đất, do sức chịu tải cao, số cọc bố trí giảm, kết cấu móng cũng sẽ
giảm.
I.2.4 Góp phần làm giảm tác động đến mơi trường
- Góp phần giảm lượng đất thừa: So với các phương án thiết kế móng cọc,
khi thi công cọc SDCM, vữa xi măng bị nén trực tiếp vào trong nền đất, do đó tổng
lượng đất thừa giảm đến mức tối thiểu.

- Giảm tiếng ồn và rung động: Khi thi công cọc SDCM cho ưu điểm giảm
tiếng ồn và rung động thấp vì trong phương pháp này cốt cứng được chèn vào cọc
DCM trước khi cọc này đơng cứng.
I.2.5 Khả năng ứng dụng
Cọc SDCM có ưu điểm cho sức chịu tải cọc cao hơn cọc DCM, có khả năng
thay thế các phương án cọc khác và sử dụng trong các lĩnh vực như: loại bảo vệ hố
đào sâu, chống thấm, phòng chống trượt lỡ mái dốc, cọc chịu tải cho nhà cao tầng,
mố trụ cầu, nền móng cho cơng trình cầu tàu, bể chứa,làm bờ kè sơng, kè biển…