BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN
BẰNG CỌC CÁT THUỘC ĐỀ TÀI:
“
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐỂ ĐẮP ĐÊ BẰNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG VÀ ĐẮP TRÊN
NỀN ĐẤT YẾU TỪ QUẢNG NINH ĐẾN QUẢNG NAM
”
Mã số: 05 Thuộc chương trình: NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ PHỤC VỤ XÂ
Y
DỰNG ĐÊ BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN
Chủ nhiệm đề tài: PGS. TS Nguyễn Quốc Dũng
Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam


1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng:
Nén chặt đất bằng cọc cát là một phương pháp có hiệu quả khi xây dựng các
công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày lớn. Khi chiều dày lớp đất
yếu lớn hơn 2m có thể dùng cọc cát nén chặt được. Không nên dùng cọc cát trong
trường hợp đất quá nhão (khi hệ số rỗng nén chặt ε>1) cọc cát không thể lèn chặ
t đất.
1.2. Nguyên lý làm việc của cọc cát:
Cọc cát làm cho độ lỗ rỗng, độ ẩm của đất nền giảm đi, trọng lượng thể tích,
môdun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên.
Vì nền đất được nén chặt lại, do đó sức chịu tải được tăng lên, độ lún và biến
dạng không đồng đều của đất nền dưới đế móng các công trình giảm đi một cách đáng
k
ể.
Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc
cùng làm việc đồng thời đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc.
1.3. Ưu nhược điểm của phương pháp:
1.3.1. Ưu điểm:
- Khi dùng cọc cát, trị số môdun biến dạng ở trong cọc cát cũng như ở vùng đất
được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi đi
ểm. Vì vậy, phân bố ứng suất trong
nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên. Tính chất này
hoàn toàn không thể có được khi dùng các loại cọc cứng.
- Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so
với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng. Phần lớn độ lún của nền đất có
cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó t
ạo điều kiện cho công trình
mau chóng đạt đến giới hạn ổn định.
- Cát dùng trong cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với gỗ, thép, bê tông cốt
thép và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực.


o
tk0
1V
V
ε+
ε−ε
=
∆
(2-1)
Thể tích rỗng giảm:

h
4
3C
1
h
2
3C
C
2
1
.
1
V
1
V
3
o
tk0

1
.
32
dC
ε−ε
ε+
π
= (2-4)
Giả sử trong quá trình lèn chặt, độ ẩm của đất W không đổi thì từ (2-4) ta có:

otk
tk
.
32
dC
γ−γ
γ
π
=
(2-5)
Trong đó:
+ d: Đường kính cọc cát;
+ ε
0
, γ
0
: Hệ số rỗng và dung trọng tự nhiên của đất nền trước khi có cọc cát;
+ ε
tk
, γ

tk
+=
ω
γ
γ
ε
(2-7)
A=ω
ch
-ω
d
Trong đó:
+ ε
max
, ε
min
- Hệ số rỗng của cát ở trạng thái rời nhất và chặt nhất
xác định bằng thí nghiệm.
+ γ
h
: Dung trọng hạt của đất nền;
+ γ
n
: Dung trọng của nước;
+ ω
d
: Giới hạn dẻo của đất;
+ ω
ch
: Giới hạn chảy của đất.

a,b - chiều dài và chiều rộng đế móng;
2.3. Xác định chiều dài cọc cát L:
Xác định chiều dài cọc cát trên 2 cơ sở:
+ Khống chế về mặt biến dạng: L≥H
a
, với H
a
là chiều sâu vùng nền chịu ảnh
hưởng lún;
+ Khống chế về mặt cường độ, ổn định: lấy L> độ sâu lớn nhất của vùng nền
trượt. L còn phụ thuộc khả năng của phương tiện đóng nhổ ống thép. Hiện nay chưa có
phương pháp chính xác tìm chiều dài cọc L.
2.4. Bố trí cọc cát
Cọc cát thường được bố trí theo đỉnh lưới hình tam giác đều. Đó là sơ đồ bố trí
hợp lý nhất đảm bảo đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc. Khoảng
cách giữa các cọc còn có thể xác định bằng tính toán vẫn dựa vào những giả thiết cơ
bản như trong phần xác định khoảng cách giữa các cọc ở trên
- Thể tích của các hạt đất trước và sau khi nén chặt xem nh
ư không đổi, nếu bỏ
qua tính nén bản thân của các hạt.

5
Dựa vào những giả thiết đã trình bày, chúng ta có thể viết:

0
2
2
0
2
1


Hoặc có thể viết công thức (2-7) dưới dạng sau đây:
C = 0,952d
c
γ−γ
γ
nc
nc

(2-12)
Trong đó:
γ
nc
- Trọng lượng thể tích của đất được nén chặt;
γ
nc
=
()
W01,01
1
+
ε+
∆
(2-13)
W - độ ẩm thiên nhiên của đất trước khi nén chặt;
γ - Trọng lượng thể tích của đất thiên nhiên trước khi được nén chặt.
Từ công thức (2-8) có thể biến đổi viết dưới dạng đơn giản hơn:
C = 0,952d
c
v1

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+ (2-16)
Trong đó:
[S] - trị số độ lún cho phép của công trình, có thể lấy theo qui phạm thiết
kế hoặc căn cứ vào tính chất của công trình mà quyết định.
S - trị số độ lún của nền đất thiên nhiên dưới công trình khi chưa có cọc
cát.
S = η
2
tc
RF (2-17)
η - hệ số độ lún của lớp đất thiên nhiên, phụ thuộc vào trọng lượng thể
tích trung bình của đất, có thể tra ở bảng 2-1.
Bảng 2-1: Hệ số η
γ (t/m
3
) 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9
η (m
4
/t
2
) 10 6,7 4,5 3 2 1,4 0,9 0,6 0,4 0,3 0,2
F - diện tích đế móng (m
2
)

14 0,29 2,17 4,69 38 2,11 9,44 10,80
16 0,36 2,43 5,00 40 2,46 10,84 11,73
18 0,43 2,72 5,31 42 2,87 12,50 12,77
20 0,51 3,06 5,66 44 3,37 14,48 13,96
22 0,61 3,44 6,04 46 3,66 15,64 14,64
b - chiều rộng đế móng, nếu đế móng hình tròn hoặc hình đa giác, có thể
dùng công thức b =
F để tính toán.
h - chiều sâu chôn móng, tính từ mặt đất thiên nhiên hoặc từ cao trình
thiết kế đến đế móng.
γ - trọng lượng thể tích của đất.
C
tc
- Lực dính tiêu chuẩn (lực dính đơn vị) của đất.
Khi H
nc
<H, ta có
C =
[]
()
c
0
d1
S
SS3
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣

hướng ngang dưới đế móng thường lấy lớn hơn 3 hàng, trong đó trục của hàng cọc
ngoài lấy rộng hơn kích thước mặt bằng đế móng một khoảng cách lớn hơn 1,5lần
đường kính cọc hoặc 0,1 lần chiều dài cọc.

8
Theo kinh nghiệm xây dựng ở nước ngoài, đường kính cọc cát thường dùng
40÷60cm. Ở nước ta, theo kinh nghiệm bước đầu của Bộ Kiến trúc, có thể dùng hai
loại đường kính cọc: đường kính cọc cát cỡ nhỏ có thể chọn 10÷20cm và đường kính
cỡ lớn 20÷40cm.
Cọc cát chỉ có tác dụng nén chặt theo chiều sâu, nếu số lượng cát chứa đầy
trong cọc đáp ứng được yêu cầu độ chặ
t cần thiết theo thiết kế.
Trọng lượng cần thiết trên một mét dài của cọc được xác định theo công thức
sau đây:
G =
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
ε+
∆
100
W
1
1
f
1

≤ 0,1p (2-23)
Trong đó:
p - áp lực gây lún ở dưới đế móng
Chiều sâu vùng nén chặt xác định theo cách trên hoàn toàn chỉ có tính chất qui
ước. Đúng hơn cả là nên xác định theo điều kiện đất nền thực tế không còn biến dạng
dưới tác dụng của áp lực do công trình truyền xuống.
Chiều sâu vùng chịu nén còn có thể xác định một cách gần đúng theo phương
pháp lớp đất tương đương của giáo sư N.A.Txưtovits:
H = 2h
s
(2-24)
Trong đó:
h
s
- chiều dày lớp đất tương đương.
h
s
= Aωb (2-25)
Aω - hệ số lớp tương đương, phụ thuộc vào hệ số Poatxông µ
0
, hình dạng đế
móng và độ cứng của móng, tra bảng 2-3.
Đối với nền đất sét yếu ở trạng thái bão hoà nước, chiều sâu vùng nén chặt có
thể lấy đến giới hạn khi ứng suất phụ thêm do tải trọng ngoài gây nên có giá trị vào
khoảng 0,2-0,3kg/cm
2
.

9
Nói chung trong mọi trường hợp, chiều sâu nén chặt có thể lấy lớn hơn hai lần

0
(kG/cm
2
) của đất cát không phụ thuộc vào nguồn gốc và tuổi của chúng
Chỉ dẫn bảng 2-5: chỉ số độ sệt B của đất sét được xác định theo công thức sau
đây:
B =
Lc
L
WW
WW
−
−
(2-26)
Trong đó:
W - Độ ẩm thiên nhiên;
W
c
- Độ ẩm giới hạn chảy;
W
L
- Độ ẩm giới hạn lăn.

8
Bảng 2-3: Hệ số Aω
Sét và cuội Cát Sét pha cát dẻo
Sỏi cứng và sét pha cát Cát pha sét Sét dẻo
Sét nặng rất dẻo
b
a

2,26
- 2,7 2,40 - 2,94 2,61 - 3,38 2,98 - 4,32 3,82 -
9 2,51 2,21 - 2,64

2,34 - 2,79 2,47 - 3,03 2,69 - 3,49 3,08 - 4,46 3,92 -
10
và lớn
hơn
2,58 2,27 2,15 2,71 2,40 2,26 2,86 2,51 2,38 3,12 2,77 2,60 3,58 3,17 2,98 4,58 4,05 3,82
Aω Aω
0
Aω
m
Aω
const
Aω
0
Aω
m
Aω
const
Aω
0
Aω
m
Aω
const
Aω
0
Aω

nc
0,41-0,50 0,51-0,60 0,61-0,70 0,71-0,80
Tên đất
Đặc trưng
của đất

Tiêu
chuẩn
Tính
toán
Tiêu
chuẩn
Tính
toán
Tiêu
chuẩn
Tính
toán
Tiêu
chuẩn
Tính
toán
c 0,2 - 0,1 - - - - -
ϕ
43 41 40 38 38 36 - -
Cát sạn và
cát to
E
0
500 - 100 - 300 - - -

giới hạn
lăn (%)
Đặc
trưng
của
đất
Tiêu
chuẩn
Tính
toán
Tiêu
chuẩn
Tính
toán
Tiêu
chuẩn
Tính
toán
Tiêu
chuẩn
Tính
toán
Tiêu
chuẩn
Tính
toán
Tiêu
chuẩn
Tính
toán

nc

0,31- 0,41- 0,51- 0,61- 0,71- 0,81- 0,91- 1,01-
Nguồn gốc
và tuổi của
đất
Tên đất và độ sệt
0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10
Phù sa (bồi
tích)
Cát pha sét 0
≤ B≤1
- 320 240 160 100 70 - -
0
≤
B≤0,25
-
340 270 220 170 140 110 -
0,25<B≤0,50
-
320 250 190 140 110 80 -
Phù sa (sườn
tích) ao hồ
Sét pha
cát
0,50<B≤1
- -
- 170 120 80 60 50
0≤B≤.0,25
- -

- Ứng suất trung bình phụ thêm của lớp đất thứ i do tải trọng công
trình truyền xuống.
h
i
- Chiều dày của lớp đất thứ i nằm trong vùng chịu nén của nền đất.

β - Hệ số không thứ nguyên để hiệu chỉnh cho sơ đồ tính toán đã đơn
giản hóa, lấy bằng 0,80 cho tất cả các loại đất.
E
0i
- Môdun biến dạng của lớp đất thứ i, có thể dùng các trị số ghi trong
bảng 2-4, 2-6 hoặc xác định dựa vào kết quả thí nghiệm tải trọng tĩnh ở hiện trường;
Khi thử tải trọng tĩnh ở hiện trường, theo qui phạm ΓOCT 12374-66 của Liên Xô (đối
với nền đất đồng nhất) trị số E
0
được xác định theo công thức sau đây:
E
0
= ω(1-
2
0
µ
)
S
pb
(2-28)

ω = 0,785 (đối với tấm nén cứng hình tròn);

ω = 0,8 (đối với tấm nén hình vuông);

trong trường hợp này có thể xác định theo công
thức dưới dạng tổng quát như sau:
E
0
= ω(1-
2
0
µ
)
321
tb
KKK
SS
pb
+
(2-29)
Trong đó:
S
tb
- Độ lún của tấm nén khi xét đến ảnh hưởng của từ biến không xuất
hiện trong thời gian thí nghiệm.
K
1
- Hệ số kể đến sự hữu hạn biến dạng của lớp đất khi có tác dụng của
tải trọng p.

11
K
2
- Hệ số kể đến sự làm việc của đất trên mặt phẳng đi qua đế tấm nén.

Khi tính toán độ lún theo phương pháp lớp tương đương 1,00 - -
Khi tính toán độ lún theo phương pháp chiều dày chịu
nén hữu hạn:
0,70 - -
- Đối với đất sét nặng - 0,70 0,85
- Đối với đất sét pha cát và sét nhẹ - 0,80 0,95
- Đối với cát và cát pha sét - 1,00 1,00
Các hệ số K
1
, K
2
, K
3
phụ thuộc vào phương pháp tính lún
3. TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT THI CÔNG CỌC CÁT:
3.1.Vật liệu và yêu cầu về vật liệu
Để làm tăng tốc độ cố kết và độ chặt của đất nền, cát dùng làm vật liệu cọc
thường làm cát hạt to hay hạt trung, cát yêu cầu phải sạch, hàm lượng bụi và sét lẫn
vào không quá 3%, hàm lượng chất hữu cơ < 5%, muối < 3%, đồng thời không lẫn
những đất hòn to có kích thước lớn quá 60mm.
3.2. Thiết bị và yêu cầu về thiết bị
Theo kinh nghiệm nước ngoài ống thép đóng xuống nền đất thường có đường
kính vào khoảng 30-50cm. Trước đây, mũi cọc có thể là một miếng đệm gỗ, sau khi
rút ống thép lên thì miếng đệm gỗ đó sẽ để lại trong đất, biện pháp thi công như vậy sẽ
không cơ động và không kinh tế. Hiện nay, để khắc phục nhược điểm nói trên, người
ta dùng ống thép có mũi nhọn; mũi nhọn có b
ốn cánh lắp bản lề. Khi đóng ống thép
xuống thì mũi nhọn khép lại, khi rút lên thì mở ra.
Theo O.G. Đênixov và V.I. Iaxaêv, nếu dùng ống thép để thi công cọc cát thì
thường dẫn đến một số nhược điểm sau:
Hình 2-3: Mũi cọc bằng đệm gỗ

Hình 2-4: Mũi ống thép tự mở có bản lề
Ống thép được hạ xuống nền đất bằng búa đóng cọc hoặc bằng phương pháp
chấn động đến cao trình thiết kế sau đó rút lên và nhồi cát vào lỗ cọc. Với phương
pháp đầm nện thì đầm từng lớp bằng búa treo, mỗi lớp có chiều dày vào khoảng 1,00-
1,25m. Nếu thi công bằng phương pháp chấn động thì sau khi hạ ống thép tới độ sâu
thiết kế, người ta nhấc máy chấn động ra, nhồi cát vào và đổ cao chừng 1m, sau đó đặt
máy chấn động vào rung trong khoảng 15-20giây, tiếp theo bỏ máy chấn động ra và
rút ống lên khoảng 0,5m rồi lại đặt máy chấn động vào rung trong khoảng 10-15giây
để cho đầu nhọn của ống mở ra, cát tụt xuống. Sau đó rút ống lên dần với tốc độ đều,
vừa rút ống vừa rung và khi nào ống chỉ còn lại trong đất khoả
ng chừng 0,5 đến 0,8m,
lúc đó mới bỏ máy chấn động ra.
- Thiết bị thi công không dùng ống thép:
Đặt thùng đáy hở trên mặt đất, sau đó đặt cần khoan có đầu nhọn cánh khép kín
trên cần khoan đặt máy đầm. Sau khi đổ đầy cát trong thùng thì bắt đầu cho máy đầm
làm việc. Cần khoan có đầu nhọn sẽ xuyên vào lớp đất yếu đến chiều sâu thiết kế.

13
Dưới tác dụng của máy đầm, cát sẽ nhồi đầy trong lỗ khoan. Khi tới chiều sâu thiết kế
thì đóng máy đầm lại và bắt đầu rút cần khoan lên, các cánh thép ở đầu nhọn sẽ tự mở
ra và cát sẽ tụt xuống tự do. Cuối cùng, tiến hành đầm như đã trình bày ở phần trên.

Hình 2-5: Sơ đồ thi công cọc cát
1) Thùng; 2) Đầu bằng thép, cánh tự mở; 3) Cần khoan;
4) Máy chấn động; 5) Cát; 6)Cọc cát
Ở Việt Nam, trong những năm qua, Bộ kiến trúc đã tiến hành thi công hai công

đóng ba lần để nén chặt cát (hình 2-6d).
Tiếp tục kéo ống lên 1,0m nữa; đổ 0,1m
3
cát; hạ búa đóng như trước (hình 2-
6e).
Cuối cùng chuyển ống ra, hạ chày đầm đóng thêm ba lần nữa thì kết thúc giai
đoạn thi công một cọc cát (hình 2-6g).
Theo kinh nghiệm thi công, thời gian đóng một cọc cát trung bình gồm: di
chuyển máy đóng cọc: 14phút; đóng ống thép trên chiều sâu 4,0m mất 5phút; rút ống
lên đổ cát đầm 17phút. Tổng cộng thời gian cần thiết hoàn thành một cọc cát là
36phút.
Công trình B19 dùng cọc cát có đường kính 12cm và dài 2,25m; bố trí cọc theo
đỉnh tam giác đều. Công trườ
ng đã sử dụng loại búa rung, loại búa trước đây dùng
đóng cọc tre để thi công cọc cát. Ống đóng là loại ống thép rỗng, nòng gỗ (hình 2-7).
Khi rút ống lên áp dụng nguyên tắc đòn bẩy (hình 2-8).

Hình 2-7: Kích thước nòng gỗ để đầm chặt cát (cm)

Hình 2-8: Sơ đồ bố trí rút ống thép bằng nguyên tắc đòn bẩy
a) Rút ống thép bằng lực nổ; b) Rút ống thép bằng lực nén; X - khoảng cách cánh tay
đòn từ điểm tựa đến đầu cọc; Y - khoảng cách cánh tay đòn từ điểm gây ra lực nhổ đến
đầu cọc (hình 2-8a) và từ điểm gây ra lực nén đến điểm tựa (hình 2-8b).

15

Hình 2-9: Trình tự thi công cọc cát ở công trình B19 Hình 2-10: Sơ đồ thi công cọc cát

Lưu ý: ở các công trình giao thông, cọc cát kết hợp với vải lọc hoặc tấm tiêu
nước đặt ngang, phía trên chất tải trước để rút ngắn thời gian cố kết nền. Trong đê biển
thì nên như thế nào???