ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ HỒNG QUANG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC
VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC
PHÍA NAM

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số: 60.58.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TS. TRẦN THỊ THANH
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. TRẦN TUẤN ANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
Ngày 09 tháng 01 năm 2013


ương pháp cọc vật liệu rời.
 Tính toán ứng dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền đất yếu cho bãi chế tạo. So
sánh phương pháp tính toán lý thuyết và kết quả quan trắc.
 Tính toán bài toán công trình đắp trên nền đất yếu điển hình phía Nam được xử
lý bằng cọc vật liệu rời. So sánh đánh giá hiệu quả với các phương pháp xử lý
nền khác. Mô phỏng ứng xử n
ền được xử lý bằng cọc vật liệu rời.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02 – 07 – 2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 – 11 – 2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Tp. HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN PGS.TS. VÕ PHÁN
TRƯỞNG KHOA KTXD

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Đánh giá khả năng ổn định và ứng dụng
cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu ở khu vực phía Nam” được thực hiện với
kiến thức tác giả thu thập trong suốt quá trình học tập tại trường. Cùng với sự cố

lượng và các phương pháp thiết kế của biện pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc vật
liệu rời. Áp dụng tính toán thiết kế và thi công công trình thực tế tại Việt Nam, thí
nghiệm hiện trường được thực hiện để kiệm tra và đánh giá độ ổn định của nền và
độ tin cậy của phươ
ng pháp. Việc tính toán xử lý nền đất yếu điển hình dưới công
trình đắp sử dụng các phương pháp xử lý nền khác nhau đã được thực hiện và so
sánh với phương pháp cọc vật liệu rời nhằm đưa ra cái nhìn tổng quan về tính hiệu
quả của phương pháp cọc vật liệu rời trong điều kiện địa chất khu vực phía Nam
EVALUATION OF STABILITY AND APPLICABILITY OF
STONE COLUMNS TO IMPROVE THE SOFT SOIL IN
SOUTHERN REGION
Abstract:
The thesis concentrates on studying of history, construction method, quality
control system and design methods of ground improvement using stone columns or
granular pile method. An actual project in Vietnam was calculated and constructed,
the field test was carried out to check and evaluate the ground stability and the
reliability of this method. The calculation of treatment using various ground
improvement techniques for a typical soft soil profile under an embankment was
carried out and compared with stone columns method in order to have a general
view on the effectiveness of stone columns method in the geological condition of
Southern region.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 3
1.1. Các phương pháp xử lý nền 3
1.1.1. Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước 3
1.1.2. Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước 5
1.1.3. Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không 7
1.2. Các phương pháp gia cường 8
1.2.1. Xử lý nền đất yếu bằng

3.4.1. Phương pháp giải tích 35
3.4.2. Phương pháp cân bằng 37
3.4.3. Phương pháp thực nghiệm 38
3.4.4. Phương pháp gia tăng (Gouhnour và Bayuk, 1979) 39
3.5. Ổn định mái dốc của khối nền gia cố 3 9
3.6. Phương pháp Priebe (1995) 41
3.7. Nhận xét chươn g 4 3
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT ĐƯỢC XỬ LÝ
BẰNG
CỌC VẬT LIỆU RỜI 45
4.1. Hiệu quả xử lý nền bằng cọc vật liệu rời ở công trình bãi chế tạo giàn khoan
dầu khí ở Vũng Tàu 45
4.1.1 Điều kiện địa chất của công trình và nhiệm vụ thiết kế 45
4.1.2 Tính toán ổn định và biến dạng theo phương pháp Priebe 50
4.2. Đánh giá khả năng ổn định nền đất yếu được xử lý bằng các phương pháp
khác nhau và hiệu quả của p
hương pháp xử lý bằng cọc vật liệu rời 61
4.2.1 Điều kiện địa chất công trình tổng thể và đặc điểm công trình đắp 61
4.2.2 Các giải pháp xử lý nền 64
4.2.3 Tính toán cọc vật liệu rời bằng phương pháp phần tử hữu hạn 7 1
4.3. Kết luận chương 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79
PHỤ LỤC 1
Phụ lục A
: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng cọc đất trộn xi măng 1
Phụ lục B: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng sàn giảm tải 3
Phụ lục C: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải trước 6
Phụ lục D: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng cọc đá 10


Hình 3.3: Sơ đồ phân bố ứng suất lên nền gia cố cọc vật liệu rời 29
Hình 3.4. Cơ chế phá hoại của cọc đơn trong đất yếu đồng nhất 31
Hình 3.5. Cơ chế phá hoại của nhóm cọc vật liệu rời 32
Hình 3.6. Cọc đá dưới tải móng hình băng và tải trọng đều khắp 33
Hình 3.7. Sơ đồ phân tích sự làm việc của nhóm cọc 34
Hình 3.8. Phương pháp Van Impe và De Beer 36
Hình 3.9. Biểu đồ phương pháp Van Impe và De Beer 36
Hình 3.10. So sánh độ lún tính toán và hiện trường (Aboshi) 38
Hình 3.11. So sánh phương pháp Greenwood và phương pháp cân bằng 39
Hình 3.12. Phương pháp sức chống cắt trung bình 40
Hình 3.13. Biểu đồ tính toán hệ số gia cố theo Priebe 42
Hình 3.14. Biểu đồ tính toán Δ(A/A
c
) khi xem xét tính nén lún của cọc đá 42
Hình 3.15. Biểu đồ tính toán hệ số ảnh hưởng độ sâu f
d
43
Hình 4.1. Bản đồ địa chất công trình khu vực dự án 47
Hình 4.2a: Biểu đồ sức kháng mũi đơn vị từ thí nghiệm xuyên tĩnh CPT 48
Hình 4.2b. Biểu đồ kết quả thí nghiệm xuyên động DPT 49
Hình 4.3 Hình ảnh thí nghiệm nén tĩnh bàn nén ở hiện trường công trình Biển Đông .59
Hình 4.3. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún 60
Hình 4.4. Biểu đồ độ lún theo thời gian của từng cấp tải 60
Hình 4.5. Mặt cắt ngang điển hình của khối đất đắp 62
Hình 4.6. Góc lệch  trong khối đắp 64
Hình 4.7. Mặt cắt ngang điển hình của cọc xi măng đất 65
Hình 4.8. Mặt cắt ngang điển hình của sàn giảm tải 6 6
Hình 4.9. Mặt cắt điển hình của bấc thấm và gia tải trước 67
Hình 4.10. Mặt cắt ngang điển hình của nền xử lý cọc đá 6 9
Hình 4.11. Tổng hợp mặt cắt của các phương pháp xử lý nền 70

Bảng 4.13. Các thông số mô hình trong Plaxis 71
Bảng 4.14. Tổng hợp và so sánh các phương án xử lý nền cho công trình đắp 75‐1‐  
MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa thực khoa học và thực tiễn của đề tài
Đất sét mềm bão hòa nước là một trong các loại đất có thành phần trạng thái và
tính chất đặc biệt. Để xây dựng công trình ở khu vực có loại đất này, nhất thiết phải có
các biện pháp xử lý nền móng để đảm bảo điều kiện làm việc ổn định. Thực vậy, độ
lún của công trình trên nền đất sét mềm bão hòa nước thường có giá trị lớn và gây mất
ổn định, không đảm bảo điều k
iện sử dụng công trình, đặc biệt là các công trình cơ sở
hạ tầng gây tải trọng trực tiếp lên đất sét mềm bão hòa nước.
Cho đến những năm đầu thế kỷ này, ở nước ta nói chung và các tỉnh thành phía
Nam nói riêng, biện pháp xử lý nền thường được lựa chọn là bấc thấm hay giếng cát
kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không, cột đất trộn xi măng để gia cường hay
cọc
bê tông cốt thép với công trình có tải trọng lớn. Việc xử lý nền bằng cọc vật liệu
rời đã được nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng nhiều nơi trên thế giới từ lâu nhưng áp
dụng trong thực tế tại nước ta chưa nhiều. Trong những năm 80 của thế kỷ trước, việc
nghiên cứu cọc vật liệu rời (cọc cát) để xử lý nền đất yếu được
GS. Hoàng Văn Tân đề
cập đến trong tài liệu của mình và một số bài giảng ở bậc cao học. Do đó, việc nghiên
cứu ứng dụng cọc vật liệu rời cho công trình cụ thể ở khu vực phía Nam là việc làm
cần thiết giúp bổ sung, hoàn chỉnh các phương pháp xử lý nền tùy theo điều kiện cấu
tạo địa chất của từng khu vực cụ thể.
Kết q
uả nghiên cứu này có thể giúp các kỹ sư và các nhà quản lý xây dựng có thêm
những chọn lựa phương pháp xử lý nền thích hợp với điều kiện công trình cụ thể cũng

rời. Cùng với đó, việc mô phỏng bằng phần tử hữu hạn cho bài toán này cũng sẽ
được t
iến hành nhằm so sánh đánh giá kết quả tính toán dựa trên phương pháp
giải tích.
‐3‐  
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU
Do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, mức độ biến dạng lớn nên cần thiết phải có
các biện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình bên trên. Đối với công trình đường
và công trình đắp ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm 2
nhóm chính:
 Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: Vải địa kỹ thuật, lưới địa
kỹ thuật, đất trộn vôi, trộn ximăng, silicat. Trong trường
hợp này, đất nền và đất
trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính biến
dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo điều kiện
làm việc của công trình. Trong điều kiện thực tế ở Việt nam, các biện pháp vải
địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng
nhiều nhất.
 Các biện pháp xử lý thường được áp dụng như giếng cát, bấc thấm kết hợp gia
tải trước hoặc bơm hút chân không. Trường hợp này, thời gian cố kết được rút
ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa vào sử dụng công trình.
Ngoài ra, việc chọn lựa chiều cao đắp hay bố trí kích thước công trình hợp lý
cũng có tác dụng làm thay đổi t
rạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều
kiện làm việc ổn định. Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp
này là: Đệm cát, làm xoải mái taluy, bệ phản áp.
1.1. Các phương pháp xử lý nền
1.1.1. Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước
Để rút ngắn thời gian cố kết, người ta thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng,

dưới
nền
đường
Tải trọng tạm

Hình 1.1. Nền được xử lý bằng giếng cát
- Các thơng số của giếng cát
+ Thường dùng cát hạt thơ, hạt trung (có hệ số thấm lớn).
+ Đường kính giếng cát thường sử dụng: 0,2~0,6 m.
+ Chiều sâu giếng cát bố trí hết vùng hoạt động chịu nén của nền.
+ Sơ đồ bố trí giếng cát thường có hai dạng chủ yếu: lưới tam giác và ơ vng
 Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.2.a)
S
Giếng cát
Vùng ảnh hưởng về thoát
nước xung quanh Giếng cát
Khoảng cách lưới Giếng cát
d
1
.
1
3
*
S

Hình 1.2.a. Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều

 Dạng lưới hình vng (như trong hình 1.2.b)
‐5‐  
d


Với:
U
t
–Mức độ cố kết theo thời gian, thường được tính theo cơng thức:
U
t
= 1-(1-U
v
)*(1- U
h
)
Trong đó:
U
v
- Độ cố kết trung bình do thốt nước theo phương đứng.
U
h
- Độ cố kết trung bình do thốt nước theo phương ngang.
1.1.2. Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước
Tương tự như giếng cát bấc thầm đứng có hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất
sét. Khi bố trí bấc thấm trong nền đất và kết hợp gia tải, nhờ tải trọng ngồi, nước lỗ
rỗng trong đất nền t
hấm về hướng bấc thấm rồi sau đó thốt nhanh theo phương đứng
ra khỏi đất nền.
Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cũng gồm
ba phần chính như hình 1.3.
‐6‐  
- Lớp đệm cát và tải trọng tạm tương tự như hệ thống xử lý bằng giếng cát kết hợp gia
tải trước.

w
được tính như sau:

2
)( ba
d
w



Với: a  100mm ; b  (37)mm
b
a
Bấc thấm
Mặt cắt ngang tương đương
d
w

Hình 1.4. Mặt cắt ngang tương đương của bấc thấm
‐7‐  
+ Bấc thấm được bố trí theo sơ đồ tương tự như giếng cát, thường có hai dạng như
hình 1.5a và 1.5b.
 Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.5a)
S
d
w
1.13*S
S
Bấc thấm
Vùng ảnh hưởng về thoát

Hình 1.6. Mô hình xử lý nền bằng bơm hút chân không
Ưu thế của biện pháp này là khi bơm hút, ứng suất tác dụng vào nền đất chỉ là ứng
suất đẳng hướng, ứng suất lệch không phát sinh nên điều kiện ổn định được đảm bảo.
Tuy nhiên, đây là phương pháp xử lý có yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp hơn các
phương pháp khác, thiết bị thi công chuyên dụng.
Trong quá trình thi công bơm hút chân không, nếu không có biện pháp xử lý tốt có
khả năng g
ây nứt, lún các công trình lân cận.
Nên sử dụng cho công trình có yêu cầu gấp về tiến độ.
1.2. Các phương pháp gia cường
1.2.1. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi
Trước đây biện pháp xử lý đất trộn vôi đã được sử dụng nhiều trong nước. Thời
gian gần đây, với công nghệ, thiết bị thi công du nhập từ nước ngoài vào, cộng thêm
việc nghiên cứu được chú trọng nên cọc đất gia cố ximăng được sử dụng phổ biến hơn
trong xây dựng
công trình đắp.
Cọc đất gia cố ximăng thường dùng cho các công trình chịu tải trọng lớn (đường
lăn, bãi đỗ trong sân bay, bến cảng); các công trình đòi hỏi độ ổn định cao (đường đắp
cao đầu cầu, bãi đúc các cấu kiện lớn, nền kho bãi, ); các công trình gia cố nền trong
phạm vi nhỏ hẹp (nhà móng nông bị nghiêng lún ).
Mô hình cấu tạo của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng
,
gia cố vôi cho đường đắp cao đầu cầu thường gặp như hình 1.7.
‐9‐  
Vải đòa
kỹ thuật
Nền
đất
yếu
dưới

Hình 1.8b. Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn ướt
Trong phương pháp trộn ướt, xi măng được trộn với nước thành một dung dịch
lỏng trước khi bơm chúng vào đất qua các lỗ ở đầu ống với áp lực khoảng 20MPa.
Phương pháp này có thiết bị thi công gọn nhẹ hơn phương pháp trộn khô. Tuy nhiên,
phương pháp này thường cho cọc có tiết diện không đều vì sức chống cắt của đất thay
đổi theo độ s
âu trong khi áp lực phun không thay đổi. Do đó khi sử dụng phương pháp
trộn ướt, cần có thử nghiệm thay đổi áp lực phun phù hợp theo điều kiện địa chất công
trình. Đến nay, với kinh nghiệm rút ra được từ nhiều công trình thực tế trong điều kiện
địa chất khu vực, việc điều chỉnh áp lực phun đã có nhiều cải tiến. Kết quả kiểm tra tại
hiện trường những
công trình gần đây cho thấy chất lượng của cọc đất trộn xi măng
‐11‐  
được cải thiện đáng kể nên các mẫu thử có thể đạt được cường độ cao. Tuy nhiên giá
thành xử lý chiếm tỷ trọng đáng kể trong xây dựng nên phương pháp này thường được
lựa chọn cho những công trình quan trọng và cần thiết như sân bay, bãi chứa có tải
trọng lớn.
Tính toán cọc đất xi măng theo nguyên lý cơ bản như sau: Khả năng chịu tải
của cọc xi măng phụ thuộc vào sức chống
cắt của đất nền ở xung quanh cọc và sức
chống cắt của bản thân cọc. Cơ chế phá hoại của đất nền phụ thuộc vào sức kháng
hông và sức kháng mũi. Cơ chế phá hoại của cọc phụ thuộc vào vật liệu bản thân cọc.
Khả năng chịu tải theo đất nền

2
(2,25)
soil
ult col u
QdH dc


có thể tính như sau:

col
soil
col
col
col
M
M
aa
q
A
Q
)1( 



Trong đó:
+ q – áp lực dưới đáy móng (dưới diện gia tải)
+
L
B
AN
a
col
*
*

- tỷ số diện tích tương đối giữa cọc và nền được xử lý.
Với: N – số cọc;



)(2
8,0


Trong đó:
+ B, L, H – kích thước khối cọc.
+ W
g
– tổng tải trọng của công trình bên trên.
+ c
u
– sức chống cắt không thoát nước trung bình của nền đất
xung quanh cọc.
+ f
c
– hệ số an toàn,
5,1
c
f
.
1.2.2. Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật
Có nhiều dạng áp dụng vải địa kỹ thuật – lưới địa kỹ thuật để gia cường nền đất.
Dưới đây chúng tôi sơ lược trường hợp sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng mức độ ổn
định của nền đắp t
rên nền đất yếu.
Khi bố trí vải địa kỹ thuật giữa nền đất yếu và nền đắp (hình 1.10), ma sát giữa đất
đắp và mặt trên của vải địa kỹ thuật sẽ tạo ra lực giữ khối trượt F và nhờ đó mức độ ổn
định của nền đắp trên nền đất yếu tăng lên.

* Điều kiện về lực ma sát cho phép đối với lớp vải rãi trực tiếp trên đất yếu
- Tổng lực ma sát trên vải trong phạm vùng hoạt động

F h f
cp d i
0
1





- Tổng lực ma sát trên vải trong phạm vùng bị động

F h f
cp d i



0
2


Trong đó:

1
- chiều dài vải trong phạm vi vùng hoạt động.

2
- chiều dài vải trong phạm vi vùng bị động.

Ngoài ra, sự xuất hiện của vải địa kỹ thuật làm phân bố lại ứng suất trong thân khối
đắp và trong nền đất yếu, làm giảm độ lún và độ lún lệch của công trình cũng như làm
tăng hệ số ổn định.
1.3. Các phương pháp phân bố lại ứng suất
1.3.1. Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát
Lớp đệm cát có tác dụng phân bố lại ứng suất lên nền đất yếu bên dưới công trình
đắp, do ứng suất tập trung vào lớp đệm cát có khả năng chịu tải cao hơn. Đệm cát làm
tăng độ ổn định của công trình, đẩy nhanh tốc độ cố kết của nền đất.
Xử lý bằng đệm cát thường dùng khi tải trọng đắp khôn
g lớn, lớp đất yếu dưới
công trình không quá dày và có sẵn vật liệu cát tại địa phương.
Vật liệu cát sử dụng làm đệm cát thường dùng cát hạt trung, hạt thô không lẫn bùn
đất với yêu cầu kỹ thuật như sau:
+ Loại cát có tỷ lệ hữu cơ
 5%, cỡ hạt lớn hơn 0,25 mm chiếm trên 50%, cỡ
hạt nhỏ hơn 0,08 mm chiếm ít hơn 5% và phải thỏa mãn một trong hai điều kiện:

D
D
60
10
6
D
DD
30
2
10 60