Cọc vật liệu rời - Thiết kế, thi công và hành vi
Tóm tắt
Cọc vật liệu rời lúc đầu được phát triển, như mọi loại cọc khác, chủ yếu nhằm để đỡ tải
trọng nén xuống. Tuy nhiên, sức chịu tải của cọc đơn hoặc một nhóm Cọc vât liệu rời khá
hạn chế vì chúng hay bị phình. Có thể làm tăng sức chịu tải của cọc vật liệu rời bằng cách
gia cường thêm vải hoặc lưới địa kỹ thuật, ở dạng các tấm hoặc bao nhằm hạn chế hiện
tượng đầu cọc bị phình ra. Một nhóm nhỏ cọc vật liệu rời có thể bị phá huỷ theo nhiều
kiểu, tư kiểu đâm thủng đơn giản đối với các cọc ngắn, kiểu phá huỷ do nén dọc trục đối
với các cọc dài, đến kiểu bị oằn do cắt của các Cọc vật liệu rời ngoại vi. Nhưng chúng
nhiều khi lại là một giải pháp kinh tế thay cho phương án nhóm cọc khá đắt tiền. Bằng
đôi chút cải tiến đơn giản, như đặt một tấm thép, để bê tông hoặc một tấm lưới địa kỹ
thuật ở đáy, thêm một sợi cáp hoặc dây thép ở chân móng, Cọc vật liệu rời có thể chịu
được các lực nhổ hoặc đẩy lên. Phản ứng của các neo làm bằng Cọc vật liệu rời (GPA)
hay hơn nhiều so với các loại cọc đặc vì tải trọng được truyền trực tiếp xuống mũi cọc,
nơi khả năng chống phình của cọc là cao nhất. Cải tiến này còn tỏ ra hiệu quả hơn đối với
các loại cọc đất cố kết bình thường, vốn có sức bền không thoát nước tăng dần theo độ
sâu. Bài này tóm tắt và trình bày khái quát những tiến bộ liên quan đến Cọc vật liệu rời.
Giới thiệu
Nhìn chung, khái niệm nền đất yếu bao hàm các loại đất sét yếu, đất với tỷ phần hạt mịn,
như bột, cao hoặc đất sét chứa hàm lượng nước cao, đất chứa nhiều than bùn và các tập
cát lỏng ở gần hoặc dưới mực nước ngầm. Đối với các loại đất dạng sét, “độ yếu” của
chúng có thể đánh giá trên cơ sở sức kháng nén không nở hông, q
u
. Mặt khác, giá trị SPT
N cũng được dùng để đánh giá độ chắc và tỷ trọng tương đối của nền đất. Bảng 1 phân
loại nền đất yếu theo tính chất công trình xây dựng trên chúng trên cơ sở các phương
pháp đánh giá kể trên. Xét các yếu tố như tầm quan trọng của công trình, tải trọng, điều
kiện nền đất, thời gian xây dựng có thể thấy rõ tầm quan trọng của việc chọn lựa
phương pháp thích hợp đối với từng loại đất cụ thể như nêu ở Bảng 2. Đối với đất yếu và
đất kết dính trong điều kiện đang lún, có thể áp dụng các biện pháp cải thiện nền đất như
Cọc vật liệu rời nện, thêm phụ gia (phương pháp trộn sâu hoặc thoát nước bằng bấc thấm.

C: Bình thường
<2
2-4
4-8
<25
25-50
50-100
<125
125-250
250-500
Đường
cao tốc
A: Đất than bùn
B: Đất sét
C: Đất cát
<4
<4
<10
<50
<50
-
>100
>50
>30
Đường sắt (Chiều dày lớp)
>2m
>5m
>10m
0
<2

Thời gian cải
thiện
Đất hữu cơ Đất
sét nguồn gốc
núi lửa
Đất có tính dẻo
cao
Đất có tính dẻo
thấp
Đất bột
Đất cát
Đất cuội sỏi
Trạng thái của
đát được cải
thiện
Tuỳ thuộc
tuổi thọ
của cọc
Tương tác
giữa đất
và cọc
(Không có
thay đổi
về trạng
thái của
đất)
Tương đối ngắn hạn
Xi măng hoá (Thay
đổi về trạng thái
của đất)

độ sâu dự kiến bằng cách dùng một búa nặng vừa rung vừa đóng ở đầu ống chống. Sau
đó đổ cát vào ống chống và rút dần ống chống ra bằng cách dùng một búa rung ở đáy
ống. Cứ tiếp tục như thế cho đến khi tạo được một cọc vât liệu rời được đầm chặt.
Phương pháp Cased Borehole (đầm trong lỗ khoan có ống chống)
Cọc được thi công bằng cách dùng một quả tạ nặng đầm vật liệu rời trong một lỗ đã
khoan trước (thường nặng 15-20kN) từ độ cao khoảng 1.0-1.5m.Phương pháp này khá rẻ
và có thể thay cho biện pháp đầm rung. Tu nhiên phương pháp này gây ra xáo động nền
đất và do đó khả năng ứng dụng có thể hạn chế đối với các loại đất nhạy cảm.
Bảng 3. Ước tính khả năng chịu tải tối đa (Aboshi and Suematsu, 1985)
Kiểu
phá hủy
Công thức tính Tài liệu
tham
khảo
Phình
q
ult
=
)(
pcopcc
kczk 2+
γ
s
s
Φ−
Φ+
sin1
sin1
ult
q

s
Φ−
Φ+
sin1
sin1
( )
soroo
qKC ++
σ
4
)(
B
W
2
+
(
)
)
s
q
B
W
2
1−
Greenw
ood
(1970)
Datye
and
Nagaraj

qfc
ND
γ
q
ult
=






ψγ
3
tan
2
1
B
c
+ 2
)(
aC
o
−+ 1tan
2
ψ
ψ
tan
o
C

2
σ
µγ
ss
z +
) a
s
tan
s
Φ
cos
2

θ
s
µ
=
s
an )1(1
1
−+
Aboshi
et al.
(1979)

Phương pháp thay - rung (Vibro - Replacement Method)
Dùng để cải thiện các loại đất dính bằng cách sử dụng thiết bị giống như đầm rung. Có
thể thi công khô hoặc ướt. Trong thi công ướt, đầu tiên tạo một hố bằng cách dùng
vibroflot và nước để đạt tới độ sâu cần thiết. Sau đó rút vibroflot ra, tạo nên một lỗ không
chống lớn hơn so với bản thân đầm. Sau đó làm sạch hố và đổ cuội sỏi vào. Thi công khô

theo Φ
g
và G/c
u
theo đó cọc chuyển từ cơ chế phá huỷ xuyên thủng sang cơ chế phình.
Chiều dài tới hạn chuẩn hoá (L/d)
cr
, tăng theo Φ
g
của vật liệu rời tạo cọc và tỷ số G/c
u
của
đất sét yếu.
Neo cọc vật liệu rời
Một kỹ thuật mới gọi là “neo cọc vật liệu rời” (GPA) đã phát triển nhằm giúp cọc kháng
lại lực đẩy nổi cùng với lực nén tác dụng lên nó. Đó là cọc vật liệu rời có để bê tông, bản
thép hoặc lưới địa kỹ thuật, gắn với một sợi dây cáp hoặc kim loại tác động lực kéo. Lực
kéo có qua đó được xuống đầu GPA để kháng lại lực đẩy nổi. Công năng của cọc được
cải thiện nhờ có neo đặt dưới đáy cọc. Lực kháng đẩy nổi phụ thuộc vào (i) trọng lượng
của cọc và (ii) lực kháng cắt dọc theo giao diện đất - cọc.
Phani Kumar et al. (2000&2004) đã báo cáo kết quả thí nghiệm trên các mô hình nhỏ của
neo cọc vật liệu rời chịu lực kéo kháng lại hiện tượng đẩy nổi trong đất tương nở. Đất
được xử lý như vậy tự điều chỉnh để thích nghi với các biến đổi về độ ẩm tốt hơn so với
đất không được xử lý, do cọc có tính thấm cao. Lực kháng nổi tối đa và biến dạng khi bị
phá huỷ đều tăng lên khi hệ số embedment ratio tăng ( tỷ phần giữa lượng cọc đưa thêm
vào và đất nền). Các kết cấu gia cường đất kiểu như vậy(được gọi là các geopier) đang
được sử dụng ngày càng phổ biến để ổn định nền đất (White et al, 2001), kiểm soát lún
và bùng nền. Lillis (2004) cũng báo cáo về kết quả thí nghiệm hiện trường về khả năng
kháng nồi của các GPA. Kumer et al. (2003&2004) và Rajan et al (2000) cũng trình bày
một số kết quả thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường về khả năng kháng nổi của

*
2

4
.
Phá huỷ được cho là xảy ra tại 1/2 đường kính cọc tính từ mũi cọc, chứ không phải tính
từ đầu cọc như trong trường hợp cọc vật liệu rời chịu nén.
Lực kháng kéo tối đa của GPA được tính cho cả hai cơ chế phá huỷ đâm thủng và phình
bằng cách sử dụng phương trình (*) và (**) cho cùng một khoảng tham số như khi tính
khả năng chịu nén tối đa. Lực kháng kéo tối đa của GPA đối với cơ chế phá huỷ đâm
thủng phụ thuộc vào G/c
u
và Φ
g
nhưng tăng tuyến tính theo tỷ số L/d. Khả năng kháng
phình của cọc GPA phụ thuộc vào G/c
u
, Φ
g
và L/d vì hiện tượng này có thể xảy ra gần
mũi cọc chứ không phải gần đầu cọc như trong trường hợp cọc chịu nén.
Biến thiên của P* theo L/d đối với các gọc Φ
g
khác nhau và G/c
u
cho thấy kiểu phá huỷ
đâm thủng giống như trong trường hợp cọc vật liệu rời chịu nén chủ yếu xảy ra với L/d
nhỏ và mọi Φ
g
trong khi kiểu phá huỷ phình khống chế khả năng chịu kéo tối đa khi L/d

tanβ
Where
c
B
c
2
2
tan
3
+=
βγ
σ
β= 45 +
2
avg
Φ
Φ
avg
= tan
-1
(
s
µ
a
s
tan
s
Φ
)
c

c
Trong đó: N
1
c
= hệ số khả năng chịu tải tổng hợp của cọc vật liệu rời thay đổi từ 18 đến
22.
Tính lún đối với nền đất gia cường bằng cọc vật liệu rời
Nhìn chung các phương pháp tính lún đối với kiểu nền đất kể trên đều giả thiết một bề
mặt chịu tải rộng vô cùng, được gia cường với các cọc rời có đường kính và khoảng cách
không đổi. Khi đó giả thiết về một nền đơn vị lý tưởng, chịu tải của một tấm bản cứng
được coi là phù hợp và tương đương với thí nghịêm cố kết một chiều. Nền đơn vị được
giới hạn bởi một bức tường cứng không có ma sát và biến dạng theo chiều thẳng đứng tại
bất kỳ mặt bằng nào cũng đều như nhau. Một số phương pháp tính lún cho nền gia cường
được nêu ở Bảng 4.
Vật liệu sử dụng trong cột đá là sỏi hoặc cát sắc cạnh lèn chặt. Thiết kế tối ưu của cột đá
đòi hỏi phải có một hệ số tập trung ứng suất tối ưu Do đó ứng suất lên cột đá theo chiều
thẳng đứng thường gần đạt tới sức bền cực đại của nó và vật liệu bị nở ra. Mô hình do
Van Impe và Madhav (1992) đề xuất đã tính tới độ nở ra của vật liệu rời tạo cọc và tính
đối xứng dọc trục của vấn đề. Kết quả đạt được cho thấy ảnh hường tích cực của hiện
tượng nở đối với giảm lún. Thậm chí chỉ cần nở ra khoảng 0,5% cũng có thể giảm lún
đáng kể so với trường hợp vật liệu tạo cọc biến dạng nhưng không thay đổi thể tích. Hệ
số giảm β khá phù hợp với hệ số do Greenwood (1970), Priebe (1976), Balam & Booker
đề xuất. Còn theo lý thuyết của Van Impe và Madhav nó cao hơn so với đề xuất của
Priebe và Balaam và Polous, nhưng dao động trong khoảng như Greenwood đề xuất.
Bảng 4. Tính lún đối với nền gia cường (Aboshi and Suemastsu, 1985)
Phươn
g pháp
Công thức Tài liệu
tham
khảo

−
+
+= 1
),()(
),(2/1
1
1
ssA
s
s
afk
af
a
R
ν
ν
Priebe
(1976)
=),(
s
af
ν






+−
−−

-
)
2
Φ

Phương
pháp
tường
vật liệu
rời
S
t
= RH (1 -
E
σ
ν
ν
ν
)
1
1)(
2
2
2
−
−
R =
)/,,,( Eaf
ss
σν

)(
)(
log
1
0
0
10
0
][
1(1
21
)(
*
>++
+
∆
=∆ KifKKoK
K
cp
p
o
ν
(1 if K ≤ 1)
K= Ko +
s
s
v
a
a
−

Φ+−+∆
=∆
ν
R
p
=







∆+
+
vc
vc
v
P
pP
e
Cc
)(
)()(
log1
0
*
0
100
ν

)()()()1(
∆+∆+∆=∆
−
σσ
Alaam
and
Poulos
Kết luận
Cọc cát/ cột đá là một trong những biện pháp gia cường nền đất vạn năng nhất. Có thể thi
công chúng nhằm gia cường nhiều loại nền đất khác nhau, bằng nhiều kỹ thuật khác nhau
như đầm rung (vibro-compaction), thay – rung (vibro-Replacement), đầm trong lỗ khoan
(rammed granular piles), vibro-compozer, vibro-wings, sand or gravel compaction
piling Nếu đất được cải thiện theo phương thức gia cường, làm chặt và tiêu thoát nước.
Chúng đều tỏ ra có hiệu quả trong điều kiện bình thường và có động đất.
Khả năng chịu tải của nền được cải thiện từ 50 đến 100% trong khi lún giảm đi 3-4lần.
Đáng lưu ý là lún hầu như chỉ xảy ra trong giai đoạn chất tải, và còn lại rất nhỏ ở giai
đoạn sau thi công.
Trước kia cọc vật liệu rời được dùng để chịu các tại trọng nén. Tuy nhiên chỉ cần cải tiến
đôi chút bằng cách lót đáy một tấm bản thép/bê tông/lưới địa kỹ thuật và neo lại bằng
một sợi dây thép hoặc cáp là các lực kéo có thể được chuyền tới đáy cọc và khi đó vật
liệu rời trở thành một cái neo cọc vật liệu rời, làm việc có khi còn hay hơn cọc đặc vì nó
thường chỉ bị phình ra ở mũi cọc trong khi khả năng chịu tải lại cao hơn đáng kể. Neo cọc
vật liệu rời GPA trở thành có thể nén được, biến dạng triệt giảm ở phần sâu và chỉ có một
phần biến dạng rất nhỏ xảy ra ở gần đầu cọc.
Nền đất được gia cường bằng cọc vật liệu rời, nếu chịu tải đồng nhất thông qua một lớp
vật liệu rời nửa cứng chỉ xảy ra lún rất ít và rất đều so với nền đất chưa được xử lý. Nếu
huy động thêm được hiện tượng nở ra của vật liệu làm cọc thì nền đất còn trở nên cứng
chắc hơn là lún ít hơn nữa.
Theo Madhira R. Madhav-J.N.T.University, Hyderabad, India
(Nguồn tin: Tuyển tập Bài giảng về Xử lý đất yếu và kỹ thuật nền móng công trình,