Bước đầu nghiên cứu công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cọc cát - xi măng - tro bay trong xây dựng cơ sở hạ tầng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
BẰNG CỌC CÁT - XI MĂNG - TRO BAY TRONG XÂY DỰNG
CƠ SỞ HẠ TẦNG
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hồ Anh Cương
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Tú
Lớp: Vũ Đức Thắng
Tô Văn Tăng
Phạm Văn Thanh
Trần Thị Ánh
Cơng Trình GTCC K58

Tóm tắt: Hiện nay, trên thế giới cũng như tại Việt Nam việc ảnh hưởng của nền đất yếu đến
q trình xây dựng cơng trình là hiện tượng khá phổ biến và khó khắc phục, do nền đất yếu là ảnh
hưởng của nhiều các hiện tượng tự nhiên hay đặc biệt là bản chất của vật liệu xây dựng. Có khá
nhiều phương pháp gia cố, xử lý nền đất yếu, bao gồm: các phương pháp vật lý, cơ học, hóa
học,…(Vd: phương pháp gia cố bằng cọc cát, cọc đất - xi măng, đệm cát,…) còn nhiều nhược điểm
chưa khắc phục được cho nên chúng em đưa ra một giải pháp “nghiên cứu công nghê xử lý nền
đất yếu bằng cọc cát – xi măng – tro bay trong xây dựng cơ sở hạ tầng”. Công nghệ có những ưu
điểm: vừa gia cố vừa hút nước, phương pháp thi công đơn giản, nhân lực tay nghề thấp,..bên cạnh
đó khắc phục được nhược điểm của các biện pháp trên mà còn tận dụng được các nguồn vật liệu
tại chỗ,giải quyết được vấn đề tro xỉ thải ra mơi trường gây ơ nhiễm.
Từ khóa:Cọc,cát,xi,măng,tro,bay

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tổng quan trong nước
- Hiện nay, trên thế giới cũng như tại Việt Nam có khá nhiều cơng nghệ gia cố, xử lý
nền đất yếu, bao gồm: 1) nhóm cơng nghệ thay đất yếu bằng đất tốt (đệm cát, đệm sỏi, đệm
đá dăm); 2) nhóm cơng nghệ nén chặt đất trên mặt bằng cơ học (đầm rơi, đầm lăn, đầm
rung); 3) nhóm công nghệ làm chặt đất dưới sâu bằng chấn động, thủy chấn; 4) nhóm cơng

nghệ nén chặt đất bằng năng lượng nổ; 5) nhóm cơng nghệ gia cố nền bằng vải địa kỹ
thuật; 6) nhóm cơng nghệ gia cố nền bằng vật lý và hóa học (điện thấm, điện hóa học,
nhiệt); 7) nhóm cơng nghệ làm chặt đất bằng gia tải trước kết hợp với thoát nước thẳng
đứng (giếng cát, cọc cát, bấc thấm) và hút chân khơng; 8) nhóm công nghệ gia cố nền bằng

Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

233


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI

chất kết dính (vơi, xi măng, bitum, keo polimer tổng hợp); 9) nhóm cơng nghệ gia cố nền
bằng phụt dung dịch (vữa xi măng, dung dịch silicat, nhựa bitum); 10) nhóm cơng nghệ gia
cố nền bằng cọc vật liệu (cọc tre, cừ tràm, cọc cát, cọc vôi, cọc đất – vôi, cọc đất – xi măng,
cọc đá dăm). Mỗi công nghệ gia cố, xử lý nền đất yếu đều có những ưu điểm, nhược điểm,
phạm vi ứng dụng riêng. Hiệu quả gia cố, xử lý nền đất yếu phụ thuộc vào bản chất công
nghệ, loại cơng trình xây dựng và đặc biệt là cấu trúc nền đất yếu . Đối với những khu vực
có đất yếu phân bố ngay trên mặt đất và chiều dày nhỏ thì các cơng nghệ xử lý hiệu quả là
công nghệ thay thế đất yếu bằng đất tốt; công nghệ trộn vôi, trộn xi măng; công nghệ cọc
tre, cừ tràm; công nghệ sử dụng vải địa kỹ thuật. Tại những khu vực có đất yếu phân bố
dưới sâu, chiều dày lớn thì cơng nghệ xử lý hiệu quả hơn cả là công nghệ cọc cát; công
nghệ giếng cát, bấc thấm; công nghệ cọc đất – xi măng, cọc đất – vôi.
Tổng quan trên thế giới
- Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng các thiết bị thoát nước thẳng đứng được sử dụng
kết hợp với công nghệ gia tải trước nhằm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất. Thiết bị
thoát nước thẳng đứng được dùng phổ biến đầu tiên là giếng cát, được thi công bằng cách
khoan tạo lỗ với các đường kính khác nhau, sau đó lấp đầy lỗ khoan bằng cát. Những giếng
cát đầu tiên được thi công ở California năm 1934 và vẫn được sử dụng rộng rãi ở Mỹ đến
những năm 1970 [1]. Sau đó, Dastidar & nnk đã đề xuất ứng dụng công nghệ bấc cát (sandwicks) để gia cố nền đất yếu [2].Một vật liệu thoát nước khác là bấc thấm được nghiên cứu

từ năm 1948 bởi Kjellman, có ưu điểm thi cơng nhanh, ít xảy ra sự cố trong q trình thi
cơng và hạn chế dùng vật liệu cát tự nhiên [3]. Từ những năm 1970, bấc thấm (PVDs) thẳng
đứng được dùng để thay thế hoàn toàn bấc cát. Tuy nhiên, bấc thấm có hạn chế là độ lún
của nền sau khi xử lý bằng bấc thấm thường lớn hơn độ lún tính tốn, cho nên, từ những
năm 2000, việc xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm được kết hợp với công nghệ cố kết chân
không (hút chân không). Cho đến nay, công nghệ cố kết chân không kết hợp với bấc thấm
đã được sử dụng rất phổ biến ở nhiều nước trên thế giới.
Tính thời sự của vấn đề
Công nghệ gia cố, xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời cũng đã được sử dụng phổ
biến trên thế giới từ rất lâu. Năm 1930, lần đầu tiên cọc vật liệu rời được áp dụng để gia cố
nền đất yếu tại Pháp và sau đó được sử dụng phổ biến ở Châu Âu từ những năm 1950 của
thế kỷ trước. Bản chất của công nghệ này là làm chặt đất bằng cách đưa vật liệu rời vào
trong nền đất để chiếm thể tích lỗ rống trong đất và đồng thời làm vật liệu thoát nước thẳng
đứng để tăng nhanh quá trình cố kết thấm.
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

234


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH
Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp, phân tích, tính tốn và kết hợp phương pháp chuyên gia để đánh giá các
yếu tố liên quan đến hiệu quả sử dụng phương pháp lý thuyết dựa trên các tài liệu tham
khảo, phương pháp của các chuyên gia có kiến thức trong sử lý nền đất yếu đặc biệt là
phương pháp sử dụng cọc cát - xi măng - tro bay, phương pháp thí nghiệm trong phịng thí
nghiệm tại Việt Nam
Phương tiện nghiên cứu
- Nhiều tiêu chuẩn xây dựng về xử lý nền đất yếu theo các công nghệ này đã được

ban hành như TCVN 9403:2012, TCVN 9355:2012, TCVN 9842:2013, TCVN
11713:2017 [37-40] làm căn cứ pháp lý quan trọng trong xử lý nền đất yếu ở nước ta. Kết
hợp việc thí nghiệm trong phịng thí nghiệm đưa ra kết quả của đề tài nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu đã thực hiện
Chương 1: Tổng quan về đất yếu và các biện pháp sử lý nền đất yếu
- Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sơng Hồng và sông
Mê Kông. Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền
đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dịng sơng và bờ
biển. Thực tế này đã địi hỏi phải hình thành và phát triển các cơng nghệ thích hợp và tiên
tiến để xử lý nền đất yếu.
- Các biện pháp xử lý nền đất yếu đc chia làm 3 loại là biện pháp cơ học biện pháp
vật lý và biện pháp hóa học. Trong nội dung hnay nhóm e sẽ giới thiệu về một số biện pháp
cơ học là cọc cát, cọc đất xi măng và 1 biện pháp mới đang trong quá trình nghiên cứu đó
là phương pháp cọc cát xi măng tro bay
Chương 2: Xác định các chỉ tiêu cơ lý hóa của vật liệu cọc cát - xi măng - tro bay
- Quá trình nén chặt xảy ra chủ yếu do sự phá huỷ các cạnh và góc nhọn của các hạt,
các hạt xắp xếp lại, độ lỗ rỗng giảm đi.
- Quá trình nén chặt của đất phụ thuộc vào độ lỗ rỗng ban đầu của cát. Độ lỗ rỗng ban
đầu càng lớn thì quá trình nén chặt đất cát xảy ra càng nhanh và ngược lại.
- Khi cất tải, chỉ một phần biến dạng của đất mang tính đàn hồi, còn phần lớn là biến
dạng dư.
- Với các loại cọc trộn xi măng, sự có mặt của xi măng giúp làm cho cọc có sức chịu
tải lớn (hình thành cường độ do các phản ứng thủy hóa xi măng và hút nước khi trộn khơ).
Ngồi ra do phản ứng thủy hóa xi măng là thủy nhiệt nên tỏa ra nhiệt lượng lớn, ảnh hưởng
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

235


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

đến độ bền của cấu kiện cọc. Để giảm nhiệt tỏa ra cũng như giảm giá thành cọc nhờ tận
dụng vật liệu phế thải mà vẫn đảm bảo tính chất kết dính và hút nước, tro bay được sử dụng
để thay thế một phần xi măng trong cấu kiện cọc cát – xi măng – tro bay.

Mẫu đối chứng không chứa tro bay
Mẫu xi măng-cát-20% tro bay
Hình 7. Hình ảnh SEM mẫu đá xi măng-cát-tro bay 1 ngày tuổi
Chương 3: Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát - xi măng - tro bay
- Quá trình nén chặt cơ học là gia cố nền bằng cọc cát - xi măng - tro bay là dùng
thiết bị chuyên dụng đưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp cát - xi
măng - tro bay. Lượng vật liệu cát, xi măng và vôi này sẽ chiếm chỗ các lỗ hổng trong đất
làm cho độ lỗ rỗng giảm đi, các hạt đất sắp xếp lại, kết quả là đất nền được nén chặt

Hình 2. Hình ảnh cọc cát xi măng tro bay thi công xong

Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

236


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI

- Q trình cố kết thấm là Ngoài tác dụng nén chặt đất, cọc cát - xi măng – tro bay
cịn có tác dụng làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền. Do cọc cát - xi măng – tro
bay được đưa vào nền dưới dạng khô nên hỗn hợp cát - xi măng – tro bay sẽ hút nước trong
đất nền để tạo ra vữa xi măng, sau đó biến thành đá xi măng. Quá trình tạo vữa xi măng
làm tổn thất một lượng nước lớn chứa trong lỗ hổng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá
trình cố kết của nền đất
- Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền. Khi gia

cố nền đất yếu bằng cọc cát, sức kháng cắt của cọc cát dưới tác dụng của tải trọng ngoài
xác định theo định luật Coulomb  =  tg , với  là góc ma sát trong của cát. Khi trộn
thêm xi măng và vơi vào cát, do hình thành liên kết xi măng - tro bay trong cọc nên khả
năng chịu lực nén và lực cắt của cọc gia cố tăng lên đáng kể.
- Quá trình gia tăng cường độ của cọc cát-xi măng và nền đất yếu xung quanh cọc.
- Công nghệ cọc cát-xi măng-tro bay gia cố nền đất yếu được phát triển trên cơ sở
công nghệ cọc cát và cơng nghệ cọc đất-xi măng. Vì vậy, về lý thuyết, cọc cát-xi măng-tro
bay vừa giống cọc cát lại vừa giống cọc đất-xi măng, vừa có tính năng cải tạo nền lại vừa
có tính năng gia cố nền
- Quá trình gia tăng cường độ của hỗn hợp cát-xi măng-tro bay.Khác với cọc cát, vật
liệu làm cọc cát-xi măng-tro bay để gia cố nền đất yếu gồm cát, xi măng và tro bay trộn
với nhau ở trạng thái khô. Sau khi thi công tạo cọc, hỗn hợp cát-xi măng-tro bay khô sẽ hút
nước ở trong nền đất yếu tạo thành vữa cát-xi măng-tro bay. Quá trình rắn chắc của vữa
cát-xi măng-tro bay sẽ làm gia tăng cường độ của cọc cát-xi măng-tro bay và nền đất yếu
xung quanh cọc

Hình 3. Hình ảnh bãi cọc cát xi măng tro bay và máy khoan thi công chuyên dụng
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

237


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Kết quả nghiên cứu và bình luận
Từ các phân tích nêu trên, đặt ra yêu cầu cần phải nghiên cứu phát triển một công
nghệ phù hợp để gia cố nền đất yếu nhằm phát huy được ưu điểm và khắc phục được hạn
chế của các công nghệ ngoại (bấc thấm, cọc cát, cọc đất-xi măng, v.v...). Công nghệ cọc
vật liệu hỗn hợp cát biển-xi măng-tro bay với đầy đủ cơ sở lý thuyết và thực nghiệm; phát
huy được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm của các công nghệ nêu trên; đồng thời

sử dụng nguồn cát biển và tro bay tại chỗ làm vật liệu cọc, giúp hạn chế sử dụng nguồn cát
sông vốn đang ngày càng khan hiếm và giải quyết vấn đề tro xỉ thải ra môi trường
Việc “nghiên cứu công nghê xử lý nền đất yếu bằng cọc cát – xi măng – tro bay trong
xây dựng cơ sở hạ tầng“ là giải pháp thực sự cần thiết, có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn cao, hoàn toàn xuất phát từ thực tiễn khách quan.
3. KẾT LUẬN
- Đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ, có tính lún nén lớn, hầu như bão hịa nước,
có hệ số rỗng lớn, lực chống cắt nhỏ, modun biến dạng thấp.
- Từ các phân tích nêu trên, đặt ra yêu cầu cần phải nghiên cứu phát triển một công
nghệ phù hợp để gia cố nền đất yếu nhằm phát huy được ưu điểm và khắc phục được hạn
chế của các công nghệ ngoại (bấc thấm, cọc cát, cọc đất-xi măng, v.v...).
- Công nghệ cọc vật liệu hỗn hợp cọc cát - xi măng - tro bay với đầy đủ cơ sở lý
thuyết và thực nghiệm, phát huy được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm của các
công nghệ nêu trên, đồng thời sử dụng nguồn cát và tro bay tại chỗ làm vật liệu cọc, giúp
hạn chế sử dụng nguồn cát vốn đang ngày càng khan hiếm và giải quyết vấn đề tro xỉ thải
ra môi trường gây ơ nhiễm.
Tài liệu tham khảo
[1]. Hồng Văn Tân và nhiều người khác. Những phương pháp xây dựng cơng trình trên
nền đất yếu, 1997. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.
[2]. Tạ Đức Thinh. Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ “Nghiên cứu khả
năng gia cố nền đất yếu bằng cọc cát-xi măng-vôi”. Trường Đại học Mỏ-Địa chất Hà Nội,
2002.
[3]. Tạ Đức Thịnh, Nguyễn Huy Phương, 2002. Cơ học đất. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà
Nội.
[4]. Bergado, D.T, Chai, J.C, Alfaro, M.C, Balasumbramaniam, A.S, 1994. Những biện
pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây dựng. Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
[5]. Tạ Đức Thịnh, Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Văn Phóng, 2009. Nền và móng cơng
trình. Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội

Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

238