BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PPNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
---------------

TRẦN THANH TÂM

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC
CÁTỨNG DỤNG CHO TUYẾN ĐƯỜNG TRÁNH NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ, TỈNH SÓC TRĂNG

Chuyên ngành:

ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số:

60 58 02 04

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS BÙI VĂN TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2017



LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được

CHUƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CỌC CÁT ....................................... 3
1.1. Khái quát về nền đất yếu ................................................................................... 4
1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cọc cát .............................................................. 6
1.2.1. Khái niệm cọc cát ........................................................................................... 6
1.2.2. Đặc điểm, điều kiện làm việc của cọc cát ........................................................ 6
1.2.3.Tình hình nghiên cứu cọc cát ........................................................................... 9
1.2.4.Tình hình ứng dụng của cọc cát ..................................................................... 26
1.3 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 28
CHUƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CỌC
CÁT...................................................................................................................... 30
2.1. Trình tự tính toán của cọc cát .......................................................................... 31
2.2.Tính toán, thiết kế của cọc cát........................................................................... 32
2.2.1. Xác định hệ số rỗng enc của nền đất sau khi được nén chặt bằng cọc cát: ....... 32
2.2.2. Xác định diện tích nền được nén chặt. ........................................................... 33
2.2.3 Xác định số lượng cọc cát .............................................................................. 34
2.2.4. Bố trí cọc cát: ............................................................................................... 34
2.2.5. Xác định độ đầm nện trong cọc cát:............................................................... 39
2.2.6. Xác định chiều sâu nén chặt của cọc cát: ....................................................... 40
2.2.7. Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát .................... 42
2.2.8. Độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát .......................................... 43
2.3. Biện pháp thi công gia cố nền đất yếu bằng cọc cát: ......................................... 43
2.4. Kiểm tra nền cọc cát sau khi thi công: .............................................................. 47
2.5. Kết luận chương II: ......................................................................................... 48

3

3


CHUƠNG III

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Minh họa cho nền đất hỗn hợp .......................................................................10
Hình 1.2 Minh họa cho nền đất được cải tạo.................................................................14
Hình 1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích thay thế trên đường cong thời gian lún của nền
cải tiến............................................................................................................................24
Hình 1.4 Ảnh hưởng của tập trung ứng suất đến hiện tượng cố kết..............................25
Hình 2.1. Biểu đồ đường cong nén lún e = f(P) ............................................................32
Hình 2.2: Bố trí cọc cát và phạm vi nén chặt đất nền....................................................34
Hình 2.3: Sơ đồ bố trí cọc cát........................................................................................35
Hình 2.4: Biểu đồ xác định khoảng cách giữa cọc cát ..................................................36
Hình 2.5: Lưới tam giác đều..........................................................................................41
Hình 2.6 : Trình tự thi công cọc cát...............................................................................44
Hình 2.7: Mũi cọc bằng đệm gỗ và bằng mũi cọc có bản lề .........................................45
Hình 2.8: Thiết bị đóng cọc cát không dùng ống thép ..................................................47
Hình 3.1: Sơ đồ tính toán tải trọng xe ...........................................................................59
Hình 3.2: Sơ đồ xác định chiều cao đắp bù lún.............................................................60
Hình 3.3: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km0+750 –Km2+300..................................64
Hình 3.4: Mặt cắt ngang A-A xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km0+750 – Km2+30064
Hình 3.5: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km2+300- Km 3+0.00 ................................67
Hình 3.6: Mặt cắt ngang B-B xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km2+300- Km
3+0.00 ............................................................................................................................67
Hình 3.7: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km0+000 – Km0+750.................................70
Hình 3.8: Mặt cắt ngang C-C xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km0+000 – Km0+75070
Hình 3.9. Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc cát
cho phân đoạn đường Km0+750 –Km2+300 ................................................................73
Hình 3.10. Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc
cát cho phân đoạn đường Km2+300 đến Km 3+000 ....................................................73
Hình 3.11. Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc
cát cho phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 .....................................................74


đường Km2+300 đến Km 3+000 .................................................................................. 79
Hình 3.21. Lún nền trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát
phân đoạn đường Km2+300 đến Km 3+000................................................................ 79
Hình 3.22. Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn

đường

Km2+300 đến Km 3+000.............................................................................................. 80
Hình 3.23. Lún nền trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn đường Km2+300 đến
Km 3+000...................................................................................................................... 80
Hình 3.24. Chuyển vị lưới trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km2+300 đến
Km 3+000...................................................................................................................... 81
Hình 3.25. Chuyển vị thẳng đứng trong giai đoạn sử dụng phân đoạn

đường

Km2+300 đến Km 3+000.............................................................................................. 81
Hình 3.26. Lún nền trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km2+300 đến Km

6

6


3+000............................................................................................................................. 82
Hình 3.27. Lún mặt đường trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km2+300 đến
Km 3+000...................................................................................................................... 82

7



DANH MỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Hệ số ղ .......................................................................................................... 37
Bảng 3.1. Các thông số tính toán của từng lớp phân đoạn từ Km 0+750 đến Km 2+30062
Bảng 3.2 Các thông số mô hình .................................................................................... 72
Bảng 3.3. Bảng tổng hợp kết quả tính toán chuyển vị trong giai đoạn thi công và sử
dụng đường.................................................................................................................... 87

viii

8


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
ĐHTL Đại học Thủy lợi
LVThS Luận văn Thạc sĩ

9



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thực tế xây dựng hiện nay tại đồng bằng Sông Cửu Long, giải pháp xử lý nền
đất yếu bằng biện pháp lèn chặt đất bằng cọc cát nhằm đảm bảo sự ổn định lâu dài
về nền móng công trình là giải pháp được ứng dụng khá phổ biến. Tuy nhiên vấn đề
tính toán, thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, đặc biệt là độ lún của nền móng
còn có những hạn chế chưa phù hợp với thực tế gây tốn kém lãng phí, ảnh hưởng
đến ổn định công trình. Với các công trình xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, cần xác
định các thông số như hệ số rỗng của đất, diện tích nền được nén chặt, số lượng cọc,

- Phương pháp tổng hợp, phân tích, tính toán lý thuyết để thu thập, tổng hợp tài liệu
địa chất, phân tích các phương pháp tính toán gia cố nền bằng cọc cát; xử lý và lựa
chọn thông số thiết kế cọc cát;
- Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu sự làm việc thực tế của nền công trình xử lý
bằng cọc cát ;
- Phương pháp mô hình số: Sử dụng phần mềm Plaxis, để mô phỏng, tính toán, thiết kế
xử lý nền đất yếu bằng cọc cát.
6. Kết quả đạt được
- Tình hình nghiên cứu, ứng dụng; cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, thiết kế gia
cố nền bằng cọc cát;
- Nắm được phương pháp tính toán, thiết kế xử lý bằng cọc cát phù hợp đặc điểm nền
đất yếu ở địa phương;
- Ứng dụng thiết kế xử lý bằng cọc cát cho công trình cụ thể là tuyến đường tránh nhà
máy nhiệt điện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng.

2

2


CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CỌC CÁT
Ở Việt Nam, vùng đất yếu có chiều dày lớn phân bố ở các tỉnh thuộc đồng bằng sông
Hồng, đồng bằng sông Cửu Long, vùng bồi tích miền Trung và những vùng cửa sông
ven biển. Thường những vùng này có mật độ dân cư lớn, kinh tế xã hội, các cơ sở hạ
tầng, hệ thống công trình đang ngày càng phát triển. Như vậy việc nghiên cứu xây
dựng các công trình trên nền đất yếu là việc làm mang lại lợi ích rất to lớn cho xã hội,
tạo sự phát triển, đẩy nhanh quá trình hội nhập phát triển kinh tế. Tuy nhiên việc xây
dựng công trình trên nền đất yếu là rất phức tạp, đặc biệt là trong vấn đề xử lý nền
móng công trình.
Hiện nay, để xây dựng công trình trên nền đất yếu, có một số các phương pháp xử lý

nước đất nền, trong tính toán quan niệm nền và cọc làm việc độc lập. Để đơn giản hóa,
thuận tiện trong tính toán, nghiên cứu này đưa ra phương pháp tính toán cọc cát theo
quan điểm nền tương đương với bộ thông số nền tương đương bao gồm các đặc trưng
xét đến sự tăng nhanh sức chịu tải của nền và tăng nhanh tốc độ cố kết của nền (, c, E,
k…) với mục đích áp dụng được bộ thông số này vào việc tính toán các công trình
trong thực tế được đơn giản và thuận tiện hơn.
1.1. Khái quát về nền đất yếu
Đất yếu là một thuật ngữ được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực xây dựng. Hiện
nay, tồn tại một số quan niệm khác nhau về đất yếu. Dựa trên các tiêu chuẩn hiện
hành của Việt Nam như TCXD 245-2000, 22TCN 262-2000, tham khảo các tiêu
chuẩn phân loại đất của ASTM, BS, theo đất yếu là loại đất có một số đặc điểm cơ bản
sau đây:
- Là loại đất có khả năng chịu tải thấp (sức chịu tải nhỏ hơn 1,0kG/cm2), mô đun biến
dạng nhỏ (E0 < 50kG/cm2);
- Dễ bị biến dạng khi có tải trọng tác dụng, có độ lún lớn (thường hệ số rỗng ban ầu e0
>1); có lực chống cắt thấp (Cu < 0,15kG/cm2), giá trị xuyên tiêu chuẩn N: SPT < 5
2

búa, sức kháng xuyên đơn vị qc < 10kG/cm .
- Là loại đất được hình thành tạo từ các vật liệu trầm tích trẻ (từ 10.000 đến 15.000
năm tuổi vẫn đang trong quá trình cố kết trong điều kiện môi trường khác nhau
(bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, đầm lầy...).

4

4


Trên cở sở các đặc điểm về địa chất công trình (thành phần, tính chất cơ lý...), đất yếu
có thể được chia ra các loại chính sau:

thành phần khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong. Hàm lượng hữu cơ
thường dưới 10%. Đất bùn là những trầm tích hiện đại, được thành tạo chủ yếu do kết
quả tích lũy các vật liệu phân tán mịn bằng con đường cơ học hoặc hóa học ở tại đáy
biển hoặc vũng vịnh, hồ bãi lầy, hồ chứa nước hoặc bãi bồi của sông. Vì vậy thường
phân biệt bùn biển, bùn vũng, bùn hồ, bùn lầy và bùn bồi tích. Bùn luôn no nước và rất

5

5


yếu về mặt chịu lực. Cường độ của bùn nhỏ, biến dạng lớn, mô đun biến dạng chỉ vào
2

2

khoảng 1-5kG/cm với bùn sét; từ 10-25kG/cm với bùn pha cát và bùn cát pha sét; hệ
2

số nén lún chỉ có thể đạt lên tới 2-3cm /daN. Như vậy, bùn là loại trầm tích nén chưa
chặt, dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên. Do vậy khi xây dựng công trình trên đất nền là
bùn cần áp dụng các biện pháp xử lý nền phù hợp.
1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cọc cát
1.2.1. Khái niệm cọc cát
Cọc cát xuất phát từ cột đá Ballast là loại cọc được cấu tạo từ vật liệu rời đặt rong đất
tham gia cùng đất nền chống đỡ tải trong công trình, đã gọi là cọc, nên bản thân cọc
cát phải được tạo thành từ những loại cát đồng nhất, tiết diện liên tục theo chiều sâu,
sức chịu tải của cát được chọn phải lớn hơn đất nhiều lần so với đất nền tự nhiên. Vật
liệu làm cọc không thể hòa lẫn vào đất (chìm dần vào đất yếu). Do đó, không phải loại
đất yếu bất kỳ nào cũng có thể sử dụng cọc cát để xử lý.

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 giũa các cọc.
Do một số các đặc điểm kể trên nên tính chất làm việc của cọc cát khác với các loại
cọc cứng mà chúng ta thường gặp như cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông, bê tông cốt
thép…
Do vậy tính ưu việt của cọc cát được thể hiện qua các mặt sau:
- Khi dùng cọc cát, trị số mô đun biến dạng của cọc cát cũng như ở các vùng đất được
nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm. Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền
đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên. Tính chất này là
hoàn toàn không thể có được khi dùng các loại cọc cứng. Đối với nền trong đó dùng
cọc cứng, mô đun biến dạng của vật liệu làm cọc cứng lớn hơn nhiều lần so với mô
đun biến dạng của đất xung quanh thân cọc (khoảng 1000 lần), do đó toàn bộ tải trọng
của công trình do móng tiếp thu sẽ truyền lên các cọc, các lớp đất ở dưới mũi cọc và
xung quanh cọc. Trong trường hợp này, đất ở giữa các cọc hầu như không tham gia
chịu lực và độ lún của móng phụ thuộc vào tính nén của các lớp đất dưới mũi cọc.
- 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. Khi trong nền đất có cọc cát thì lúc này
các cọc cát ngoài tác dụng nén chặt nền đất, còn làm việc như các giếng cát thoát
nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của
tải trọng ngoài, do đó cải thiện được tình hình thoát nước của nền đất, điều này là

7

7


không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc là đối với nền có sử dụng các loại
cọc cứng. Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi
công do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định.
Tính ưu việt của cọc cát còn được thể hiện về mặt kinh tế, cụ thể là về vật liệu làm

- Sử dụng cọc cát về mặt kinh tế rẻ hơn so với khi sử dụng các phương án cọc khác
như: cọc gỗ, cọc bêtông, cọc bêtông cốt thép. Vật liệu làm cọc cát rẻ hơn nhiều so với
gỗ, thép, bêtông cốt thép dùng trong cọc cứng và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có
tính xâm thực. Biện pháp thi công cọc cát tương đối đơn giản, không đòi hỏi những
thiết bị phức tạp.
1.2.3.Tình hình nghiên cứu cọc cát
1.2.3.1 Giới thiệu chung
Phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát đối với đất rời để nhằm làm tăng sức chịu tải
của nền lần đầu tiên được nhà bác học người Nga M. X. Voikov đề nghị vào năm 1840
và tiếp đó là giáo sư V. I. Kuryumov năm 1886. Kể từ đó đến nay, trải qua một thời
gian dài hơn một thế kỷ, phương pháp này đã và đang được nghiên cứu, bổ sung và áp
dụng cho nhiều công trình xây dựng ở khắp các nơi trên thế giới như: Liên Xô, Trung
Quốc, Nhật Bản, Anh, Ý, Hà Lan và Mỹ.
Trong đó, Nhật Bản được biết đến như một quốc gia có nhiều những nghiên cứu về
phương pháp này. Kể từ những năm 1950 -1960, khi tại Nhật Bản, kỹ thuật cọc cát
đầm chặt xử lý nền đất yếu xuất hiện, đã có rất nhiều những nghiên cứu được thực
hiện trong các trường đại học, các viện nghiên cứu, các công ty tư vấn ở Nhật Bản.
Những nghiên cứu này đã chỉ ra những đặc điểm về sức chịu tải và biến dạng của nền
hỗn hợp bao gồm cọc cát và đất xung quanh cọc, các nghiên cứu về áp lực đất, sức
kháng theo phương ngang của nền đất được cải tạo, ngăn chặn hóa lỏng…cũng được
đề cập.
1.2.3.2 Cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp
Cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp trong đó bao gồm đất sét và cọc cát, chịu ảnh
hưởng của nhiều yếu tố chẳng hạn như: những đặc điểm của ứng suất- biến dạng trong
đất sét và cọc cát, hiệu ứng tập trung ứng suất, đường kính và khoảng cách cọc cát.
Nghiên cứu đầu tiên về cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp được thực hiện bởi
Igabari [8], trong đó một loạt các thí nghiệm cắt trực tiếp đã được thực hiện trên mẫu

9



c

A s : diện tích mặt cắt ngang của cọc cát;
c 0 : lực dính của đất sét;
''

S0 : sức chống cắt của nền hỗn hợp;
c:

ứng suất thẳng đứng của nền đất sét;

s:

ứng suất thẳng đứng của cọc cát;

fc :

fc

fs

cường độ chống cắt huy động trong đất

Hình 1.1 Minh họa cho nền đất hỗn hợp

sét;
fs :

cường độ chống cắt huy động trong đất