Nghiên cứu gia cố nền đất yếu bằng cọc tràm ứng dụng cho công trình trên địa bàn tỉnh sóc trăng

Tính cấp thiết của Đề tài Hiện nay, ở đồng bằng Sông Cửu Long trong đó có địa bàn tỉnh Sóc Trăng các công trình xây dựng có tải trọng tương đối nhỏ chủ yếu được thi công bằng phương phá

NGUYỄN HOÀNG NAM

NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC TRÀM ỨNG DỤNG CHO CÔNG TRÌNH TRÊN ĐỊA BÀN 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

Đề tài luận văn cao học “Nghiên cứu gia cố nền đất yếu bằng cọc tràm ứng dụng cho

Trường Đại học Thủy lợi

Trong thời gian học tập tại trường với sự định hướng của các thầy cô cộng với kinh nghiệm làm việc tại cơ quan, sự giúp đỡ của bạn bè đồng nghiệp và đặc biệt là sự giúp

đỡ chỉ bảo của PGS.TS Bùi Văn Trường, học viên đã tự nghiên cứu và thực hiện đề tài Đây là thành quả lao động, là công trình nghiên cứu của tác giả

Hà Nội, tháng 12 năm 2017

Học viên

Nguyễn Hoàng Nam

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu theo chương trình đào tạo Thạc sĩ ngành Địa

kỹ thuật thuộc trường Đại Học Thủy Lợi Nay tôi đã hoàn thành với bản luận văn này

đã trực tiếp giảng dạy và cung cấp nguồn tài liệu trong thời gian học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô và các Cán bộ Phòng Nghiên Cứu Địa Kỹ Thuật - Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam, đã hỗ trợ rất nhiều trong công tác nguyên cứu khoa học

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học - Trường Đại học Thủy Lợi, đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt khóa học

Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến thầy PGS.TS Bùi Văn Trường, đã tận tình chỉ bảo

em hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, các thầy, cô đã giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng tôi xin trân trọng cảm ơn những người thân trong gia đình, đã luôn động viên giúp đỡ về mặt tinh thần và vật chất để tôi hoàn thành chương trình học tập

Với khả năng và sự hiểu biết còn giới hạn, chắc chắn sẽ không tránh khỏi được những sai sót nhất định xin quý Thầy, Cô cùng đọc giả bỏ qua và chỉ dẫn cho tôi trong việc hoàn thiện hơn nữa kiến thức của mình

Xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÓNG CỌC 3

1.1 Tổng quan về đất yếu 3

1.1.1 Khái niệm về đất yếu 3

1.1.2 Các loại đất yếu 3

1.1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu 7

1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng giải pháp móng cọc 12

1.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển của móng cọc 12

1.2.2 Tình hình thiết kế và thi công móng cọc 14

1.3 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT, PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÓNG CỌC TRÀM 25

2.1 Quan điểm và nguyên tắc tính toán, thiết kế và thi công cọc tràm 25

2.1.1 Quan điểm tính toán, thiết kế và thi công 25

2.1.2 Nguyên tắc tính toán, thiết kế và thi công 27

2.2 Cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, thiết kế và thi công cọc tràm 28

2.2.1 Tính toán, thiết kế quan điểm cọc làm chặt nền 28

2.2.2 Tính toán, thiết kế theo quan điểm cọc cứng 33

2.2.3 Kiểm toán ổn định trượt của nền 45

2.3 Quy trình kỹ thuật thi công cọc tràm 46

2.3.1 Phạm vi áp dụng 46

2.3.2 Yêu cầu của cọc tràm 47

2.3.3 Phương pháp hạ cọc 47

2.3.4 Trình tự thi công cọc tràm 48

2.4 Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÀM CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ TẠI SÓC TRĂNG 50

3.1 Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm móng cọc tại hiện trường 50

3.1.1 Thí nghiệm tải trọng động (đóng cọc thử) tại hiện trường 51

3.1.2 Thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường 55

3.1.3 Thí nghiệm nén tĩnh tấm nén phẳng tại hiện trường 60

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm móng cọc tràm tại hiện trường 63

3.2.1 Đặc điểm nền đất yếu tại vị trí nghiên cứu 63

3.2.2 Mục đích nghiên cứu 66

3.2.3 Nội dung, phương pháp nghiên cứu 66

3.2.4 Vị trí nghiên cứu 67

3.2.5 Kết quả nghiên cứu 68

3.3 Nghiên cứu móng cọc tràm bằng mô hình số 71

3.3.1 Giới thiệu phần mềm 71

3.3.2 Tính toán theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền 72

3.3.3 Tính toán theo quan điểm cọc cứng 78

3.3.4 Phân tích, đánh giá kết quả 83

3.4 Nghiên cứu, ứng dụng cho công trình thực thế 85

3.4.1 Giới thiệu về công trình 85

3.4.2 Tính toán xử lý nền gia cố cọc tràm theo phương pháp giải tích 85

3.4.3 Tính toán xử lý nền gia cố cọc tràm bằng phần mềm Plaxis 93

3.4.4 Phân tích kết quả tính toán ứng dụng 101

3.5 Kết luận chương 3 102

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 108

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Sức kháng tính toán của đất dưới mũi cọc 36

Bảng 2.2 Hệ số nén ngang của đất 36

Bảng 2.3 Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc (γqb) 38

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đất kiến nghị dùng cho tính toán 65

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm tĩnh nền được gia cố bằng cọc tràm và tính toán xác định mô đun biến dạng tại TN01 (trục 3-D) 69

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm tĩnh nền được gia cố bằng cọc tràm và tính toán xác định mô đun biến dạng tại TN02 (trục 12-J) 70

Bảng 3.4 Các thông số mô hình thí nghiệm bàn nén hiện trường theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền 73

Bảng 3.5a Các thông số mô hình thí nghiệm bàn nén hiện trường trên nền gia cố cọc tràm theo quan điểm cọc cứng 78

Bảng 3.5b Tổng hợp kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh nền gia cố bằng cọc tràm 84

Bảng 3.6 Thí nghiệm nén mẫu đất trong phòng 86

Bảng 3.7 Tính lún theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền 88

Bảng 3.7 Tính lún theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền 89

Bảng 3.8 Tính sức chịu tải cọc tràm theo quan điểm cọc cứng 90

Bảng 3.9 Tính lún theo quan điểm cọc cứng 92

Bảng 3.10 Các thông số mô hình tính toán xử lý nền bằng cọc tràm theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền 93

Bảng 3.11 Các thông số mô hình tính toán xử lý nền bằng cọc tràm theo quan điểm cọc cứng 97

Bảng 3.12 Tổng hợp kết quả nghiên cứu thực nghiệm và tính toán, mô phỏng gia cố nền bằng cọc tràm 101

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất 8

Hình 1.2 Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát 8

Hình 1.3 Gia tải trước bằng cách sử dụng khối đắp hoặc áp suất chân không 9

Hình 1.4 Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng 10

Hình 1.5 Thi công đóng cọc tre 14

Hình 1.6 Thi công đóng cọc tràm 16

Hình 1.7 Chi tiết cọc gỗ và một số cách nối cọc thông dụng 18

Hình 1.8Thi công cọc cát 19

Hình 1.9 Thi công cọc khoan nhồi 21

Hình 1.10 Thi công cọc xi măng đất 22

Hình 1.11 Thi công cọc bê tông cốt thép 23

Hình 2.1 Mô hình tính toán quan điểm cọc tràm làm chặt nền 29

Hình 2.2 Chiều cao vùng đất cần gia cố 30

Hình 2.3 Mặt bằng đóng cọc 31

Hình 2.4 Sự phân bố ứng suất của nền gia cố cọc tràm dưới công trình đất 32

Hình 2.5Quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất cố kết (đường cong cố kết) 33

Hình 2.6 Kích thước móng quy ước xác định theo cách 1 41

Hình 2.7 Kích thước móng quy ước xác định theo cách 2 đối với nền đồng nhất 41

Hình 2.8 Kích thước móng quy ước xác định theo cách 2 đối với nền có lớp đất yếu 42

Hình 2.9 Kích thước móng quy ước xác định theo cách 2 đối với nền nhiều lớp 42

Hình 2.10 Sơ đồ để tính lún theo phương pháp cộng lớp 43

Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường 55

Hình 3.2 Biểu đồ xác định sức chịu tải của cọc 57

Hình 3.3 Biểu đồ xác định sức chịu tải cực hạn của cọc theo Canadian Foundation Engineering Manual 59

Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm nén tĩnh tấm nén phẳng tại hiện trường 61

Hình 3.5 Sơ đồ xác định môđun biến dạng E từ thí nghiệm nén tĩnh tấm nén phẳng tại hiện trường 61

Hình 3.6 Trụ hố khoan địa chất tại khu thí nghiệm 65 Hình 3.7 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nén tĩnh nền được gia cố bằng cọc tràm tại hiện trường

Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ tải trọng P và độ lún S (vị trí thí nghiệm 01) 69

Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ tải trọng P và độ lún S (vị trí thí nghiệm 02) 70

Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm bàn nén trên nền gia cố cọc tram trong phần mềm Plaxis theo quan điểm làm chặt nền 73

Hình 3.12 Lưới biến dạng của nền ở cấp tải 80 kN/m2 74

Hình 3.13 Chuyển vị đứng (lún) của nền ở cấp tải 80 kN/m2 74

Hình 3.14 Phân bố ứng suất trong nền ở cấp tải 80 kN/m2 75

Hình 3.15 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất ở cấp tải 80 kN/m2 75

Hình 3.16 Lưới biến dạng của nền ở cấp tải 160 kN/m2 76

Hình 3.17 Chuyển vị đứng (lún) của nền ở cấp tải 160 kN/m2 76

Hình 3.18 Phân bố ứng suất trong nền ở cấp tải 160 kN/m2 77

Hình 3.19 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất ở cấp tải 160 kN/m2 77

Hình 3.20 Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm bàn nén trên nền gia cố cọc tràm trong phần mềm Plaxis theo quan điểm cọc cứng 78

Hình 3.21 Lưới biến dạng của nền ở cấp tải 80 kN/m2 79

Hình 3.22 Chuyển vị đứng (lún) của nền ở cấp tải 80 kN/m2 80

Hình 3.23 Phân bố ứng suất trong nền ở cấp tải 80 kN/m2 80

Hình 3.24 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền ở cấp tải 80 kN/m2 81

Hình 3.25 Lưới biến dạng của nền ở cấp tải 160 kN/m2 81

Hình 3.26 Chuyển vị đứng (lún) của nền ở cấp tải 160 kN/m2 82

Hình 3.27 Phân bố ứng suất trong nền ở cấp tải 160 kN/m2 82

Hình 3.28 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền ở cấp tải 160 kN/m2 83

Hình 3.29 Quan hệ Tải trọng - Độ lún từ kết quả thí nghiệm bàn nén hiện trường

và tính toán mô hình số 83

Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số rỗng e - áp lực nép P (trước gia cố cọc tràm) 86

Hình 3.31 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số rỗng e - áp lực nép P (sau khi gia cố cọc tràm) 87

Hình 3.32 Sơ đồ tính lún theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền 88

Hình 3.33 Sơ đồ tính lún theo quan điểm cọc tràm cứng 92

Hình 3.34 Sơ đồ mô phỏng nền công trình gia cố cọc tràm trong phần mềm Plaxis theo quan điểm làm chặt nền 94

Hình 3.35 Lưới biến dạng của nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm làm chặt nền 95

Hình 3.36 Chuyển vị đứng của nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm làm chặt nền (độ lún lớn nhất của nền sau khi xử lý là 63,73 mm) 95Hình 3.37 Phân bố ứng suất trong nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm làm chặt nền 96

96Hình 3.39 Sơ đồ mô phỏng nền gia cố cọc tràm trong phần mềm Plaxis theo quan điểm cọc cứng 98

cứng 99

cọc cứng (độ lún lớn nhất của công trình là 27,88 mm) 99Hình 3.42 Phân bố ứng suất trong nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm cọc cứng 100Hình 3.43 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm cọc cứng 100

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Hiện nay, ở đồng bằng Sông Cửu Long trong đó có địa bàn tỉnh Sóc Trăng các công trình xây dựng có tải trọng tương đối nhỏ chủ yếu được thi công bằng phương pháp dùng cọc tràm để gia cố nền đất yếu Tuy nhiên, việc tính toán thiết kế, xác định sức chịu tải của đất nền cũng như tính ổn định có nhiều vấn đề xảy ra như: sức chịu tải của đất nền lớn hơn nhiều so với sức chịu tải thiết kế giả định khi kiểm tra thực tế gây lãng phí, hay nhiều công trình có sức chịu tải của đất nền nhỏ hơn so với sức chịu tải thiết

kế giả định làm cho công trình có độ lún quá giới hạn cho phép làm hư hỏng mất an toàn trong sử dụng gây thiệt hại kinh tế Do vậy việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán và nghiên cứu thực nghiệm để lựa chọn các thông số thiết kế nền sau khi gia cố bằng cọc tràm là hết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu gia cố nền đất yếu bằng cọc tràm, ứng dụng cho công trình trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng” Có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu

trường để lựa chọn phương pháp, thông số thiết kế giải pháp gia cố nền bằng cọc tràm phù hợp với đặc điểm nền đất yếu ở Sóc Trăng, đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Giải pháp gia cố nền bằng cọc tràm

Phạm vi nghiên cứu: Trong khuôn khổ thời gian có hạn, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu, các khu vực có số liệu địa chất và có thí nghiệm thử tải do bản thân trực tiếp thực hiện

4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, lựa chọn các thông số thiết kế nền sau khi gia cố bằng cọc tràm;

Nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá khả năng làm việc, sức chịu tải của đất nền sau khi gia cố bằng cọc tràm tại hiện trường, từ đó kiến nghị lựa chọn các thông số thiết kế

phù hợp, nhằm tăng tính khả thi và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của giải pháp gia cố nền bằng cọc tràm;

Ứng dụng thiết kế gia cố nền bằng cọc tràm cho công trình thực tế ở Sóc Trăng

5 P hương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô hình số

Phương pháp tổng hợp, phân tích, tính toán lý thuyết để thu thập, tổng hợp tài liệu địa chất kết quả thí nghiệm, phân tích các phương pháp tính toán gia cố nền bằng cọc tràm; xử lý và lựa chọn thông số thiết kế gia cố nền bằng cọc tràm từ các kết quả thí nghiệm hiện trường;

Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu sự khả năng làm việc, sức chịu tải của nền đất sau khi gia cố bằng cọc tràm tại hiện trường;

Phương pháp mô hình số: Sử dụng phần mềm Plaxis, Geo-slope để mô phỏng, tính toán, thiết kế nền bằng cọc tràm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÓNG CỌC

1.1 Tổng quan về đất yếu

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

Nếu sức chịu tải của đất nền không đáp ứng tải trọng thiết kế hoặc mức độ thấm của đất vượt quá yêu cầu về độ thấm thiết kế thì gọi là nền đất yếu

Một quan niệm khác cho rằng, đất yếu được hiểu là các loại đất ở trạng thái tự nhiên có:

Đất yếu có thể được phân loại theo trạng thái tự nhiên dựa vào độ sệt B:

Wd Wch

Wd W

−

−

=B

Nếu B>1: đất ở trạng thái chảy;

Nếu 0,75<B<1: đất ở trạng thái dẻo chảy

Theo quan niệm xây dựng ở một số nước, đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về

- Đất rất yếu (trạng thái chảy): Su (kPa) ≤ 12,5 và N30 ≤ 2;

1.1.2 Các loại đất yếu

Các loại đất yếu thường gặp gồm:

-Sét hoặc á sét, trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp;

các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ >13%)

sunphat clorua >10% tính theo trọng lượng;

Đất yếu thường có những đặc điểm sau đây:

Ở Việt Nam thường gặp các loại đất sét mềm yếu, bùn và than bùn Ngoài ra ở một số vùng còn gặp loại đất có ít nhiều tính chất của loại đất lún sập như đất bazan ở Tây Nguyên và thỉnh thoảng còn gặp các loại cát chảy là những loại đất yếu có những đặc điểm riêng biệt

1.1.2.1 Đất sét mềm

Theo quan điểm địa kỹ thuật thì không có sự phân biệt rõ ràng giữa đất sét mềm và bùn Tuy nhiên ở đây ta hiểu đất sét mềm là các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, bão hòa nước và có cường độ cao so với bùn Đất sét mềm có những đặc điểm riêng biệt nhưng cũng có nhiều tính chất chung của các đất đá thuộc loại sét, đó là sản phẩm của giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét

Đất sét gồm chủ yếu là các hạt nhỏ như thạch anh, felspar (phần phân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn) Các khoáng vật sét này là các silicate alumin có

montmorlonite Đây là những khoáng vật làm cho đất sét có đặc tính riêng của nó

Ilite là một khoáng vật đại biểu của nhóm hydromica Hydromica được thành tạo chủ yếu là ở môi trường kiềm (pH tới 9,5), trung bình và axit yếu, luôn chứa khá nhiều kali trong dung dịch Về cấu tạo mạng tinh thể, ilite chiếm vị trí trung gian giữa kaolinite

và montmorilonite

Kaolinite được thành tạo do phong hóa đá magma, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện khí hậu ẩm khác nhau Đặc điểm của mạng tinh thể kaolinite là tương đối bền, ổn định

Montmorilonite phổ biến nhất là loại chứa oxit nhôm, cấu tạo mạng tinh thể gần giống như kaolinit nhưng kém bền vững, nước dễ xuyên vào gây trương nở mạnh Montmorilonite được thành tạo chủ yếu trong quá trình phong hóa đất magma trong điều kiện môi trường kiềm (pH= 7 – 8,5), khí hậu khô, ôn hòa và ẩm Montmorilonite cũng có thể phát sinh ở biển trong điều kiện môi trường kiềm

Các khoáng vật sét là dấu hiệu biểu thị các điều kiện môi trường mà nó thành tạo và có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất cơ – lý của đất sét Vì vậy, khi đánh giá đất sét

về mặt địa chất công trình cần nghiên cứu thành phần khoáng vật sét (phần phân tán mịn) của nó Trong trường hợp chung, đất sét là một hệ phân tán ba pha (hạt khoáng, nước lỗ rỗng và hơi), tuy nhiên do đất sét yếu thường bão hòa nước nên nó xem là một

hệ hai pha cốt đất và nước lỗ rỗng

Các hạt sét và hoạt tính của chúng với nước trong đất làm cho đất sét mang những tính chất mà những loại đất khác không có: Tính dẻo và sự tồn tại của gradient ban đầu, khả năng hấp thụ, tính chất lưu biến, từ đó mà đất sét có những đặc điểm riêng về cường độ, tính biến dạng

Một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét mềm là tính dẻo Nhân tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt kích thước nhỏ hơn 0,002 mm

và hoạt tính của chúng đối với nước

Trong thực tế xây dựng thường dùng các giới hạn Atterberg để đánh giá độ dẻo của đất loại sét Theo cách phân loại đó thì đất sét mềm có độ sệt từ dẻo chảy đến chảy Một trong những tính chất quan trọng nữa của đất sét là độ bền cấu trúc (hay cường độ kết

cấu) của chúng Nếu tải trọng truyền lên đất nhỏ hơn trị số cường độ kết cấuthì biến dạng rất nhỏ, có thể bỏ qua, còn khi vượt quá cường độ kết cấuthì đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực bắt đầu có độ dốc lớn Trị số cường độ kết cấucủa đất sét

Tính chất lưu biến cũng là một tính chất quan trọng của đất sét yếu Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt Chúng có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng Khả năng đó gọi là tính lưu biến Trong tính chất lưu biến của đất sét còn có biểu hiện giảm dần ứng suất trong đất khi biến dạng không đổi, gọi là sự chùng ứng suất Thời gian mà ứng suất gây nên biến dạng đang xét giảm đi 2,7183 lần gọi là chu kỳ chùng ứng suất Ở đất sét yếu chu kỳ chùng ứng suất thường rất ngắn

Hiện tượng hấp thụ là khả năng đất sét yếu hút từ môi trường chung quanh và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau (cứng, lỏng, hơi), những ion phân tử và các hạt keo Người ta dùng nó để giải thích nhiều hiện tượng và tính chất đặc biệt của đất sét

1.1.2.2 Bùn

Theo quan điểm địa chất thì bùn là các lớp đất mới được tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc trong môi trường nước biển, gồm các hạt rất mịn (nhỏ hơn 200µm) với

tỷ lệ phần trăm các hạt < 2µm cao, bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu

tổ ong Tỷ lệ phần trăm các chất hữu cơ nói chung dưới 10%

Bùn được tạo thành chủ yếu do sự bồi lắng tại các đáy biển, vũng, vịnh, hồ hoặc các bãi bồi của sông, nhất là các cửa sông chịu ảnh hưởng của thủy triều Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịu lực Theo quy phạm Liên Xô SNIP II – 1,62 thì bùn là trầm tích thuộc giai đoạn đầu của quy trình hình thành đất đá loại sét, được thành tạo trong nước, có sự tham gia của các quá trình vi sinh vật Độ ẩm của bùn luôn cao hơn giới hạn chảy, còn hệ số rỗng e > 1 (với á cát và á sét) và e > 1,5 (với sét)

Trong thành phần hạt, bùn có thể là á cát, á sét, sét và cũng có thể là cát mịn và đều có chứa một hàm lượng hữu cơ nhất định (đôi khi đến 10 – 12%), càng xuống sâu hàm lượng này càng giảm

Cường độ của bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn (bùn có đặc tính là nén chặt không hạn

kết cấu tự nhiên, do đó việc xây dựng trên bùn chỉ có thể thực hiện được sau khi áp dụng các biện pháp xử lý đặc biệt

1.1.2.3 Than bùn

Than bùn là đất yếu nguồn gốc hữu cơ, được thành tạo do kết quả phân hủy các di tích hữu cơ (chủ yếu là thực vật) tại các đầm lầy Than bùn có dung trọng khô rất thấp (3 –

cấu trúc không mịn, còn thấy tàn dư thực vật

Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm cao, trung bình 85 – 95% và có thể đạt hàng trăm phần trăm Than bùn là loại đất bị nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất,

thiết bị nén với mẫu cao ít nhất 40 – 50cm Than bùn thường được phân loại theo địa chất công trình và theo tính chất cơ – lý của đất

1.1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu

1.1.3.1 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất bằng cơ học

Phương pháp làm chặt đất trên mặt bằng cơ học là một trong những phương pháp cổ điển nhất, được sử dụng rất phổ biến trên thế giới Bản chất của phương pháp này là dùng các thiết bị cơ giới như xe lu, máy đầm, búa rung làm chặt đất Các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến khả năng đầm chặt của đất gồm: Độ ẩm, công đầm, thành phần hạt, thành phần khoáng hóa, nhiệt độ của đất và phương thức tác dụng của tải

Hình 1.1 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất

Do được làm chặt, các chỉ tiêu về độ bền của đất tăng lên đáng kể, tính biến dạng và tính thấm giảm đi Hiện nay phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường giao thông, sân bay, các công trình thủy lợi và trong xây dựng dân dụng và công nghiệp

1.1.3.2 Xử lý nền đất yếu bằng lớp đệm

Xử lý nền bằng lớp đệm nhằm mục đích tăng sức chịu tải và giảm tính nén lún của nền Người ta thường xử lý bằng đệm cát, đất, đá, sỏi

đất yếu người ta thay một phần lớp đất yếu bằng các vật liệu thay thế (gọi là tầng đệm cát) ngay dưới đáy móng để đủ sức chịu tải trọng mà vẫn tận dụng được khả năng của lớp đất yếu nằm ở phía bên dưới

- Đệm đất: Thay toàn bộ lớp đất yếu áp dụng cho đất yếu xuất hiện ngay trên bề mặt với chiều dày lớp đất yếu không lớn Bằng giải pháp này chúng ta tạo ra dưới đáy móng lớp đất mới có góc ma sát trong cao và trọng lượng riêng lớn, hệ số rỗng thấp không những đảm bảo tăng cường cường độ của đất mà còn làm giảm tính lún của đất

lớp đất yếu là lớp đất chịu lực tốt và xuất hiện nước có áp lực cao thì dùng đệm đá, sỏi Lớp đệm đá yêu cầu phải xếp chèn thật tốt nếu không sẽ mất ổn định toàn bộ lớp đệm

1.1.3.3 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp nén trước

Công trình xây dựng trên nền đất yếu sẽ chịu lún đáng kể Do vậy, trước đó người ta

đã chất tải buộc nền đất lún xuống đến mức cần thiết Trong thời gian chất tải, độ lún

và áp lực nước được quan trắc Lớp gia tải được dỡ khi độ lún kết thúc hoặc đã cơ bản xảy ra Công trình vẫn tiếp tục lún do đất có tính dẻo cao, nhưng biên độ lún khi đó sẽ chỉ bằng một phần nhỏ, khoảng 5 – 10% so với trường hợp không chất tải trước Tải trọng do công trình gây ra có tính lâu dài, đến hết tuổi thọ của công trình, trong khi chất tải trước chỉ kéo dài trong một thời gian ngắn Tuy nhiên do chất tải trước khá lớn nên mặc dù nền đất chưa đạt tới cố kết hoàn toàn nhưng cũng để đạt độ lún yêu cầu

1.1.3.4 Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng

Lún do cố kết nền đất sét yếu tạo ra nhiều sự cố cho nền móng công trình Cần nhiều thời gian để hoàn thành cố kết thứ nhất do tính thấm của đất sét nhỏ Để rút ngắn thời

gian cố kết này, thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng kết hợp với nén trước bằng khối đắp tạm thời hay áp lực chân không Thiết bị tiêu nước thẳng đứng có nhiều loại với các đặc trưng vật lý khác nhau nhằm tạo ra đường thoát nước nhân tạo cho đất Có hai loại đường thấm thẳng đứng: Giếng cát và bấc thấm Tác dụng của đường thấm thẳng đứng là để tăng nhanh quá trình thoát nước trong các lỗ rỗng của đất yếu, làm giảm độ rỗng, độ ẩm, tăng dung trọng Kết quả là làm tăng quá trình cố kết của nền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định trong thời gian cho phép

Để tăng nhanh tốc độ cố kết, ta thường kết hợp biện pháp xử lý bằng bấc thấm, giếng cát với biện pháp gia tải tạm thời, tức là đắp cao thêm nền đường so với chiều dày thiết

kế 2 – 3m trong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm t mà nền đường đạt được độ lún cuối cùng như trường hợp nền đắp không gia tải

1.1.3.5 Xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời

Cọc vật liệu rời có thể áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, từ các loại đất rời đến đất sét yếu và các loại đất hữu cơ Cọc vật liệu rời rất kinh tế kể cả khi phải chịu tải ở mũi cọc Chúng được thi công bằng biện pháp đầm rung, đầm trong lỗ khoan, cọc cát đầm, cọc đá đóng, đầm nặng Cọc đá đóng cũng có thêm tác dụng của đầm nặng vì thực chất chúng được chất tải trước Cọc đá sẽ nâng cao sức chịu tải của nền 240 – 480kPa, giảm độ lún cho móng, chuyển dịch ngang, chèn lấp các hang hốc Khả năng chịu tải của nền được cải thiện từ 50 – 100% trong khi lún giảm đi 3 – 4 lần Đáng lưu ý là lún hầu như chỉ xảy ra trong giai đoạn chất tải và còn rất nhỏ ở giai đoạn sau thi công

1.1.3.6 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất – xi măng đất

Cọc đất – xi măng là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu [6], đặc biệt là trong điều kiện nền đất yếu quá dày, mực nước ngầm cao hoặc nền ngập nước và hiện trường thi công chật hẹp Mục đích gia cố của công nghệ là làm tăng cường độ, khống chế biến dạng, giảm tính thấm của đất yếu hoặc đất co ngót hoặc để vệ sinh các khu nhiễm độc Tức là cải thiện các đặc trưng của đất như nâng cao khả năng chịu tải của đất bằng cách cứng hóa tại chỗ

Khả năng ứng dụng của công nghệ này tương đối rộng rãi như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng công trình xây dựng, chống thấm mang cống và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia

cố nền đường, mố cầu dẫn

Cọc đất - xi măng ứng dụng công nghệ trộn sâu theo chất kết dính: xi măng, vôi, thạch cao, tro bay và phương pháp trộn khô, ướt, quay, phun tia

Công nghệ thi công cọc đất – xi măng là công nghệ trộn khô và công nghệ trộn ướt

1.1.3.7 Xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép

Cọc BTCT được sử dụng rất phổ biến trong xử lý nền đất yếu Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn có hai loại: Cọc bê tông cốt thép thường và cọc bê tông cốt thép ứng suất trước Cọc thường có hình vuông, cạnh cọc có kích thước 0,1 – 1m; kích thước thường gặp ở Việt Nam hiện nay là 0,2 – 0,4m Với cọc bê tông cốt thép thường thì mác bê

khoảng 900 – 1300 MPa Cọc bê tông cốt thép ứng suất trước có ưu điểm là sức chịu tải lớn, có thể xuyên qua các lớp cát chặt, sỏi cuội Tuy nhiên, loại cọc bê tông cốt thép ứng suất trước còn chưa được áp dụng phổ biến ở Việt Nam

1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng giải pháp móng cọc

1.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển của móng cọc

Toàn bộ lịch sử nhân loại được phát triển từ vị trí của nền tảng kỹ thuật, trong đó địa

kỹ thuật luôn luôn được quan tâm và một số vấn đề về địa kỹ thuật lại rất quan trọng như việc xây dựng trên cọc Khi con người tiền sử xuất hiện từ các hang động, họ đã bắt đầu xây dựng những nơi ở riêng cho mình

Vào thời kỳ cuối thời kỳ đồ đá, những loại cọc đầu tiên được làm theo dạng cây cừ được sử dụng sớm nhất, con người định cư tại những thung lũng ven sông trên những tầng đất yếu, sình lầy hoặc trên những nơi dễ bị ngập lụt để sử dụng nguồn nước và săn bắt Họ dựng những nơi trú ẩn trên nền cọc gỗ và gia cố chắc chắn xung quanh những cọc gỗ đó bằng đá, ngày nay nhiều di tích được bảo tồn ở Đông Âu điển hình như trong Rừng đen nước Đức, Vollhynia, và Ba Lan Vào thời kỳ đồ đá hiện đại, xây dựng trên cọc cây cũng được sử dụng ở những sông, hồ rất lớn Cấu trúc này cũng thuận lợi trong khía cạnh phòng thủ trong đánh trận, hơn 400 khu định cư sử dụng cây

cừ ở Thụy Sĩ, miền nam nước Đức, và Bắc Ý là những di tích quen thuộc hay có thể hồi tưởng về pháo đài kiên cố xung quanh Novgorod Kremlin bên bờ sông Volkhov Trong quá trình xây dựng, gỗ được sử dụng để củng cố các tầng đất yếu và để đóng cọc Để đạt được khối lượng và thành quả như vậy thì sự chuẩn bị kỹ thuật và việc tổ chức đóng cọc phải đạt mức độ cao đối với con người thời đó Ngày nay, người ta biết những thông tin về kỹ thuật nền móng cổ đại do sự giới thiệu của Vitruvia, và những

mô tả chi tiết xây dựng cầu được sưu tập bởi Caesar

Vitruvia viết rằng có thể đạt được những nền móng vững chắc bằng cách sử dụng những cọc gỗ sồi được chuẩn bị một cách đặc biệt hoặc là những cọc hình thành từ gỗ trăn precalcined và gỗ ô liu hay mô tả những thiết bị dùng đóng ép cọc đơn giản nhất, các chuyển động của trục kéo và con vật cũng được sử dụng Ceasar mô tả việc xây dựng các cây cầu bằng gỗ, đoạn qua sông rộng cho quân đội La Mã khi đó cọc gỗ được sử dụng tạo thành trụ cầu có thể được xem như một tài liệu tham khảo cổ điển

về cọc

Ngoài ra, một số di tích cần được chú ý như: nền móng dưới nhà thờ Notre Dame de Strasbourg ở Pháp là một điều quan tâm Nhà thờ được xây dựng năm 1015, trên nền tảng nền móng trên các cọc gỗ bởi các nhà xây dựng thời La Mã cổ đại từ lâu đã nổi tiếng là một trong những thành tựu cao quý nhất của kiến trúc phương Tây Khai quật trong lâu đài Baunard ở London (1974-1976) đã chỉ cho thấy các bức tường chịu lực

cơ bản cũng nằm yên trên những cọc được đóng vào thế kỷ thứ 4 bởi các nhà xây dựng

La Mã

Và một bước tiến vượt bậc trong việc ngành kỹ thuật móng cọc khi năm 1740, Christoffoer Polhem người Thụy Điển, một nhà khoa học về vật lý và cơ khí học đã phát minh ra dụng cụ không khác mấy thiết bị đóng cọc mà ngày nay sử dụng Kế đến

là phát minh của James Hall Nasmyth, một kỹ sư và nhà sáng chế người Scotland đã

công ty đóng tàu năm 1938 rằng những thiết bị búa đóng lớn nhất vẫn không đủ lực đóng để rèn trục mái chèo, sau đó được ông cải tiến thêm thành máy đóng cọc vào năm 1843 Từ đó, thúc đẩy việc phát triển cọc chịu tải lớn hơn, bền hơn chủ yếu dựa vào vật liệu làm cọc Đầu tiên là cọc thép được ra đời vào khoảng năm 1800, sau đó đến năm 1824 Joseph Aspdin đã phát minh ra xi măng Portland, vật liệu không thể thiếu khi tạo thành bê tông, tiếp đến năm 1897 A.Raymond lần đầu tiên tìm ra hệ thống cọc được trộn bằng hỗn hợp bê tông mang tính kinh tế hơn so với cọc thép, và đến năm 1903 R.J.Beale phát triển thành phương pháp cọc bê tông nhồi trong ống thép, đến những năm 1960 đến nay với máy móc công nghệ thi công phát triển cho ra đời cọc vôi, cọc xi măng đất, cọc cát, và cọc kiểu kết hợp với nhau để tạo thành cọc phù hợp nhất với những loại nền đất nhất định

Có lẽ, không có khu vực nào trên trái đất không sử dụng cọc, thời gian đã khẳng định

độ tin cậy, tuổi thọ của các nền móng từ thời cổ đại trong nhiều vùng đất rất khác nhau của Châu Âu, Châu Á và Châu Phi Điều này cho thấy móng cọc có tầm ảnh hưởng rất quan trọng trong việc nâng cao sức chịu tải của nền đất và vốn dĩ là một biện pháp không thể thiếu đối với bất cứ công trình xây dựng có quy mô tương đối lớn nào trở lên Cho đến ngày nay, công nghệ rất tiên tiến nhưng vẫn chưa thể áp dụng một biện pháp cải thiện nền nào khác ngoài cọc đối với những công trình lớn như nhà cao tầng,

công trình thủy lợi, cầu đường,…Vì vậy, móng cọc vẫn đang là một đề tài rất được quan tâm cho đến ngày nay như về công nghệ làm cọc, vật liệu làm cọc, công nghệ thi công cọc, biện pháp thi công cọc, chiều dài cọc cần thiết, phương án rút ngắn cọc vẫn đảm bảo an toàn kỹ thuật…

1.2.2 Tình hình thiết kế và thi công móng cọc

Trải dài qua thời gian, với sự phát triển của khoa học và công nghệ cũng như các biện pháp thi công tiên tiến, việc thiết kế và thi công móng cọc đã đạt được những bước tiến nhất định Hiện nay, do việc phát triển của khoa học công nghệ cũng như các biện pháp thi công tiên tiến, việc thiết kế và thi công móng cọc đãđạt được những bước tiến nhất định Có rất nhiều loại cọc để xử lý nền đất yếu phổ biến như cọc tre, cọc tràm, cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông cốt thép, cọc xi măng đất, cọc cát, cọc kết hợp và mỗi một giải pháp móng cọc đều có những ưu nhược điểm riêng trong thiết kế, thi công

dùng cho những công trình dân dụng quy mô tải trọng nhỏ thấp tầng, hiện tại chưa thấy lý thuyết tính toán cụ thể mà chủ yếu dựa vào kinh nghiệm và tiêu chuẩn ngành

Hình 1.5 Thi công đóng cọc tre Phạm vi áp dụng:

Cọc tre được sử dụng để nâng cao độ chặt của đất, giảm hệ số rỗng nâng cao sức chịu tải của đất nền cho những công trình có tải trọng truyền xuống không lớn hoặc để gia

cố cừ kè vách hố đào

Cọc tre được sử dụng ở những vùng đất luôn luôn ẩm ướt, ngập nước Nếu cọc tre làm việc trong đất luôn ẩm ướt thì tuổi thọ sẽ khá cao khoảng 50-60 năm Nếu cọc tre làm việc trong vùng đất khô ướt thất thường thì cọc rất nhanh bị mục nát

Theo điều IV.3.5 tiêu chuẩn ngành 22TCN 262-2000 Bộ Giao Thông Vận Tải dùng

để khảo sát thiết kế đường ô tô đắp trên nền đất yếu thì dùng cọc tre đóng 25 cọc trong

chiều sâu cọc đóng (thường có thể đóng sâu 2-2.5m) Cọc tre nên dùng loại có đường kính đầu lớn trên 7cm, đường kính đầu nhỏ trên 4cm, loại tre khi đóng không dập gẫy Khi tính toán được phép xem vùng đóng cọc tre như là nền đã đắp

Cọc tre có thể đóng thủ công hoặc đóng bằng máy

Hạ cọc bằng thủ công : Dùng vồ gỗ rắn để đóng , để tránh dập nát đầu cọc phải dùng bịt đầu cọc bằng sắt Cọc đóng xong phải cưa bỏ phần dập nát đầu cọc Trường hợp nền đất yếu bùng nhùng mà khi đóng cọc bằng vồ cọc bị nẩy lên thì nên hạ cọc bằng phương pháp gia tải, kết hợp rung lắc

Hạ cọc bằng máy : Có thể dùng gầu máy đào để ép cọc nếu có thể Ở một số nơi đã cải tiến búa máy phá bê tông bằng cách chụp thêm một mũ chụp để đóng cọc tre Máy nén khí trường hợp này dùng loại có công suất nhỏ, áp lực khi nén khoảng bằng 4-8 atm, một máy nén khí có thể dùng đồng thời cho 5-6 máy đóng cọc tre

TP.HCM, chung cư Thanh Đa-Quận Bình Thạnh-TP.HCM (xây dựng vào khoảng năm

được sử dụng rộng rãi, hay những căn hộ ở TP.HCM nói riêng và miền Tây Nam Bộ nói chung thường dùng cừ tràm như một giải pháp gia cố móng khi xây trên nền đất yếu cho đến tận ngày nay, điều này minh chứng cho kinh nghiệm cuả những người đi

trước trong việc sử dụng cừ tràm như một giải pháp hiệu quả giai cố nền móng cho những công trình thấp tầng tải trọng nhỏ

Hình 1.6 Thi công đóng cọc tràm Phạm vi áp dụng:

Cọc tràm giống như một số loại cọc gỗ khác dùng thích hợp và có hiệu quả để xử lý nền đất yếu dưới các công trình dân dụng và công nghiệp cũng như các công trình khác với quy mô vừa và nhỏ khi ứng suất trung bình dưới đế móng không vượt quá 0,8 kG/cm2

Các loại đất yếu dùng thích hợp cho cọc tràm và móng cọc tràm có thể bao gồm các loại cát nhỏ, cát bụi ở trạng thái rời bão hòa nước, các loại đất dính (cát pha sét, sét

và than bùn

Cọc tràm chỉ được dùng trong trường hợp móng cọc đài thấp và chủ yếu chịu tải trọng thẳng đứng là chính, không thích hợp đối với móng cọc đài cao khi có tải trọng ngang tác dụng

Cọc tràm không nên dùng ở những nơi xảy ra hiện tượng động đất và xuất hiện các dạng đất hoàng thổ có tính lún ướt

Các yêu cầu chung đối với công tác khảo sát khi thiết kế các công trình trên móng cọc tràm cũng giống như các loại cọc khác, được quy định trong tiêu chuẩn 20TCN 160 :

87 cũng như trong tiêu chuẩn 20TCN 21 : 86 của bộ xây dựng

Phương pháp hạ cọc cũng giống cọc tre và những loại cọc gỗ khác có thể đóng thủ công hoặc đóng bằng máy

trình Một số loại cọc gỗ được sử dụng tùy vào khả năng ứng suất, chiều dài cọc và khả năng cung cấp

Tại Việt Nam, ngoài tre và tràm được sử dụng phổ biến thì bên cạnh đó cây giẻ, thông, muồng, keo, bạch đàn… cũng được sử dụng làm cọc do có chiều dài lớn hơn và khả năng chịu lực tốt hơn Những loại cọc này được sử dụng ở những vùng có tầng đất yếu dày hay có tầm ảnh hưởng tương đối quan trọng như cải thiện nền cầu đường, nền cống,…

Trên thế giới, người ta đã sử dụng cọc gỗ từ rất sớm và cho đến nay cọc gỗ vẫn đang được các nước sử dụng đặc biệt là những vùng nguồn cung cấp cây cối làm cọc tốt chẳng hạn như cây thông vàng ở vùng Nam Mỹ và ở bờ biển Tây Douglas Fir có thể tạo những cây cọc dài trên 20m đến 37m

Phạm vi áp dụng:

Cọc gỗ thích hợp nhất là cọc ma sát sử dụng ở những nơi đất có dạng hạt, thông thường chúng được sử dụng như cọc ma sát trong các lớp cát, bùn và đất sét có độ chặt thấp Không thể đóng cọc vào lớp đất có cường độ cao như những lớp sỏi sét cứng

định của cọc thì chỉ lấy sức chịu tải của cọc dưới 30 tấn theo Peck, Hanson và Thornburu 1974

Cọc nằm trong tầng đất bão hòa nước hoặc tầng đất luôn đảm bảo độ ẩm tốt cho cọc thì cọc sẽ bền vững rất lâu dài Tuy nhiên, nên tránh sử dụng cho những công trình ven biển vì khi đó cọc gỗ dễ bị các vi sinh vật tấn công và tuổi thọ của cọc chỉ còn vài ba tháng

Hạn chế tối đa việc nối cọc, trong trường hợp cọc chỉ chịu nén không chịu kéo, chịu uốn và lực cắt thì có những cách đơn giản để nối cọc như dùng ống thép, miếng thép với bu lông để liên kết hoặc có thể dùng lõi thép và vòng đai bọc ngoài cọc gỗ Còn nếu cọc chịu kéo, chịu uốn và lực cắt thì trước đây người ta thường dùng cách ốp gỗ kết hợp với những thanh sắt và bu lông để liên kết nhưng rất tốn công Ngày nay đối với trường hợp này người ta sẽ dùng biện pháp móng cọc khác thuận tiện hơn

Cọc gỗ khác có thể đóng thủ công hoặc đóng bằng máy Những cọc với chiều dài lớn

đóng ép cọc dễ dàng và chính xác hơn

Hình 1.7 Chi tiết cọc gỗ và một số cách nối cọc thông dụng

được đưa vào ống và làm chặt trong khi ống được rút lên Cách thi công như vậy một phần nén chặt đất xung quanh một phần làm giảm hệ số rỗng ban đầu của đất

tự nhiên và do vậy làm giảm được độ lún của nền dưới tác động của tải trọng công

Sử dụng cọc cát giúp tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, giúp công trình xây dựng ở trên nhanh chóng đạt được sự ổn định về lún, cũng có nghĩa là làm cho nền đất có khả năng biến dạng đồng đều

Nén chặt đất bằng cọc cát là phương pháp có hiệu quả về kinh tế, thời gian 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 thề dùng cọc cát đề nén chặt

Cọc cát có tác dụng làm cho độ rỗng, độ ẩm của nền giảm đi, trọng lượng thể tích, mô đun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên do vậy biến dạng của nền giảm và cường độ của nền tăng

Về mặt thi công, cọc cát có phương pháp thi công tương đối đơn giản không đòi hỏi

cọc khác

Hình 1.8Thi công cọc cát Phạm vi ứng dụng

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 So với tình hình kinh tế, kỹ thuật ở Viêt Nam thì việc sử dụng cọc cát ở vùng đất yếu có nhiều ưu thế nên có thể sử dụng phổ biến Cọc cát thích hợp sử dụng cho vùng đất yếu như sét, sét pha cát, than bùn, đất bùn, bùn mỏng

- Cọc khoan nhồi là một loại móng sâu được thi công bằng cách đổ bê tông tươi vào hố khoan trước đó

Cọc khoan nhồi được giới thiệu vào Việt Nam vào đầu thập kỷ 90, và được sử dụng nhiều cho đến nay với mục đích giúp cải thiện nền công trình trong các lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp như chung cư cao tầng, nhà công nghiệp, lĩnh vực cầu đường như cầu Việt Trì-Hà Nội, cầu Mỹ Thuận, cầu Bình Phước…

Cọc khoan nhồi có tiết diện và chiều dài lớn hơn nhiều so với một số loại cọc khác, nên việc bố trí cọc dưới các đài cọc ít hơn và dễ dàng hơn Các công nghệ thi công cọc khoan nhồi đường kính lớn đã giải quyết các vấn đề kỹ thuật móng sâu trong nền địa chất phức tạp; ở những nơi mà các loại cọc đóng bằng búa xung kích, búa rung hay cọc thép không thực hiện được hoặc chúng đòi hỏi chi phí cao, tiến độ thi công kéo dài

và hơn thế nữa chất lượng công trình không đảm bảo độ bền Cọc nhồi có sức chịu tải ngang lớn, việc thi công cọc nhồi có những rung chấn nhỏ hơn là cọc đóng, đồng thời không gây trồi đất và đẩy các cọc xung quanh sang ngang Tuy nhiên, nếu gặp phải lớp cát rời dày thì việc giữ thành hố khoan là một khó khăn tương đối lớn vì nó có thể gây sạt lở vào hố khoan và cát chảy có thể gây mất ổn định cho các cọc xung quanh, nghiêm trọng hơn sẽ gây hư hại cho công trình lân cận Sức kháng đơn vị cũng giảm đi nhiều so với cọc đóng, cọc ép do quá trình khoan làm cho đất rời ra, đồng thời cũng làm xáo trộn đất

Kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi cũng khó khăn hơn các loại cọc khác vì thân cọc được đổ bê tông không nhìn bằng mắt thường được Bên cạnh đó, chi phí công trình sử dụng cọc khoan nhồi lớn vì thiết bị cồng kềnh và đắt tiền Ngoài ra, chất lượng cọc còn phải tùy thuộc vào trình độ và công nghệ đổ bê tông Với đặc điểm thi công khoan tạo

lỗ trước nên có thể kiểm tra lại điều kiện địa chất công trình của từng cọc và có thể dễ dàng thay đổi kích thước, nhất là chiều sâu để phù hợp với điều kiện địa chất công trình thực tế

Hình 1.9 Thi công cọc khoan nhồi Phạm vi áp dụng:

Cọc khoan nhồi có kích thước mặt cắt, chiều dài cọc lớn (đường kính cọc tới 3m, chiều dài cọc có thề dài đến 120m) So với các loại cọc khác (trừ cọc ép) thì cọc khoan nhồi thi công thuận lợi trong các vùng đông dân cư, gần công trình đã xây trước

Cọc khoan nhồi thích hợp với các loại nền đất đá, kể cả vùng có hang casto, những công trình có tải trọng nặng, địa chất đất nền yếu hay có địa tầng thay đổi phức tạp Thích hợp cho nền móng các công trình cầu vượt trong thành phố hay khu dân cư đông đúc vì nó đảm bảo được các vấn đề về môi trường cũng như tiến độ thi công cần phải nhanh Nhà cao tầng có tầng hầm hay các công trình yêu cầu độ lún rất ít hay hầu như không lún cũng có thể sử dụng phương pháp cọc khoan nhồi

bay, xỉ cũng đã được giới thiệu Thiết bị trộn đã được cải tiến Phương pháp cũng được

áp dụng tại nhiều nước còn để giải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường để ngăn chặn và xử lý các vùng ô nhiễm

Gần đây, công nghệ tổ hợp được phát triển kết hợp trộn với phun tia, máy trộn bề mặt Hiện nay, công nghệ xi măng đất sử dụng nhiều nhất tại Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver

Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi các thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất

cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và di chuyển lên trên trong quá trình đó xi măng cũng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bơm bằng vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

Kỹ thuật thi công nhanh không phức tạp, không có yếu tố rủi ro cao Tiết kiệm thời gian đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ Hiệu quả kinh tế của cọc xi măng đất cao, giá thành thấp hơn nhiều so với phương án cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi

Dễ dàng điều chỉnh cường độ cọc bằng cách điều chỉnh hàm lượng xi măng, dễ quản

lý chất lượng thi công

Hình 1.10 Thi công cọc xi măng đất

Phạm vi ứng dụng

Cọc xi măng đất rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở khu vực nền đất yếu như bãi bồi, ven sông, ven biển như xây dựng nhà ở, nhà cao tầng, bến cảng, đê biển, mố cầu thành hố đào

Với mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập nước vẫn có thể xử lý cho công trình có tải trọng lớn vì cọc có thể xử lý sâu đến 50m Địa chất nền là cát là rất phù hợp với phương pháp gia cố bằng cọc xi măng đất với độ tin cậy cao

Chống thấm cho cống dưới đê, có thể xuyên qua bản đáy cống mà không ảnh hưởng đến kết cấu Có thể tạo ra được một tường chống thấm nằm dưới bản đáy, đồng thời phải lấp bịt được các hang hốc ở nền và mang cống

- Cọc bê tông cốt thép đúc sẵnlà loại cọc chống hoặc cọc treo được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại móng sâu chịu lực chống và lực ngang lớn vì ưu điểm thi công khá nhanh gọn, đủ khả năng chịu tải trọng công trình tương đối lớn, ngoài ra cọc bê tông cốt thép bền vững có độ bền cao, chống được sự xâm thực của các chất hòa tan trong nước dưới nền

Hiện nay, cọc bê tông cốt thép đúc sẵn thường được sử dụng xử lý nền cho các công trình nhà dân dụng thấp tầng đến các chung cư cao tầng, công trình nhà công nghiệp tải trọng lớn, móng các trạm bơm, móng cầu có tải trọng nhỏ…

Hình 1.11 Thi công cọc bê tông cốt thép

1.3 Kết luận chương 1

xử lý nền đất yếu, ưu nhược điểm, điều kiện phạm vi áp dụng của từng giải pháp và rút

ra một số kết luận sau:

Ở Việt Nam đất yếu phân bố rất phổ biến, với các loại như bùn, sét, á sét, á cát, trạng thái chảy, dẻo chảy, có cường độ chống cắt nhỏ và tính nén lún lớn, vì vậy cần có những giải pháp xử lý để đảm bảo ổn định công trình

lớp đệm, thiết bị tiêu nước thẳng đứng, nén trước, cọc vật liệu rời, cọc đất - xi măng đất, cọc bê tông cốt thép, cọc tre, cọc tràm, Trong đó móng cọc là giải pháp có nhiều

ưu điểm và được áp dụng rất phổ biến Mỗi loại móng cọc đều có những ưu, nhược

điểm và có điều kiện, phạm vi áp dụng nhất định, cần phân tích kỹ đặc điểm nền đất yếu, điều kiện thi công, để lựa chọn loại cọc xử lý nền phù hợp

có tải trọng nhỏ và vừa ở Sóc Trăng và đồng bằng Sông Cửu Long Tuy nhiên, hiện nay thiết kế móng cọc tràm còn có những quan điểm, phương pháp tính toán khác nhau Nhiều trường hợp, sức chịu tải, độ lún thiết kế sai lệch nhiều so với thực tế gây mất an toàn hoặc lãng phí cho công trình Do vậy cần có những nghiên cứu về cơ sở lý thuyết và thực nghiệm tại hiện trường về điều kiện làm việc thực tế của móng cọc tràm

để lựa chọn mô hình (quan điểm) thiết kế và phương pháp tính toán phù hợp Đó là những nội dung được tác giả tập trung nghiên cứu trong phần tiếp theo của luận văn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT, PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÓNG CỌC TRÀM

2.1 Quan điểm và nguyên tắc tính toán, thiết kế và thi công cọc tràm

2.1.1 Quan điểm tính toán, thiết kế và thi công

Ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long, việc dùng cọc tràm để gia cố nền đất yếu đã được thực hiện cách đây hơn trăm năm Gần như 80% các công trình xây dựng đều tựa

nhỏ; các công trình thủy lợi; đê đập và nền đường Việc sử dụng cọc tràm mang lại một số hiệu quả đáng kể như:

Đa phần thiết kế móng cọc tràm dựa chủ yếu vào kinh nghiệm chứ chưa có một tiêu chuẩn nào về nó.Cọc tràm giống như các loại cọc gỗ khác dùng thích hợp và có hiệu quả để xử lý nền đất yếu dưới các công trình dân dụng và công nghiệp cũng như các công trình khác với quy mô vừa và nhỏ Các loại đất yếu dùng thích hợp cho cọc tràm

và móng cọc tràm có thể bao gồm các loại cát nhỏ, cát bụi ở trạng thái rời bão hòa nước, các loại đất dính (cát pha sét, sét pha cát và sét) ở trạng thái dẻomềm, dẻo chảy

và chảy, các loại đất bùn, đất than bùn, và than bùn Tùy theo trị số và tính chất tác dụng của tải trọng công trình cũng như tùy thuộc vào đặc điểm cấu trúc nền đất yếu cụ thể ở khu vực xây dựng và đặc điểm quy mô công trình mà lựa chọn đường kính, chiều dài và mật độ thích hợp

Đường kính cọc tràm thường dùng từ 8cm đến 10cm, chiều dài cọc tràm nên chọn từ 3m đến 5m, mật độ cọc tràm (số cọc/m2) tùy theo loại đất và trạng thái của nó cũng nhưđộ lớn của tải trọng mà có thể sử dụng từ 16 cọc/m2 đến 49 cọc/m2

Thông thường, đối với các loại cát nhỏ, cát bụi ở trạng thái rời và bão hòa nước có thể

sử dụng mất độ từ 16 cọc/m2 đến 25 cọc/m2, đối với các loại cát pha sét và sét pha cát

ở trạng thái dẻo mềm, chảy dẻo hoặc chảy có thể sử dụng từ 25 cọc/m2 đến 36 cọc/m2,

còn đối với các loại sét ở trạng thái chảy và các loại bùn sét, đất than bùn và than bùn

có thể sử dụng từ 36 cọc/m2đến 49 cọc/m2 Đỉnh cọc tràm khi thiết kế luôn luôn phải bảo đảm nằm dưới mực nước ngầm thấp nhất và nước ngầm không có tính chất xâm thực Ở những nơi có thủy triều lên xuống thất thường, khi thiết kế phải đảm bảo định cọc tràm ở dưới mực nước xuống thấp nhất Gỗ tràm dùng làm cọc phải có tuổi từ 6 năm trở lên và đường kính ngọn khi khai thác không được nhỏ hơn 4cm khi chiều dài cọc tràm lớn hơn 4m và không nhỏ hơn 5cm khi chiều dài cọc tràm nhỏ hơn 4m Thân cọc tràm phải thẳng để hạn chế khả năng uốn dọc khi chịu tải trọng Lõi cọc tràm khi

sử dụng phải tươi, không bị mục và không bóc vỏ ngoài Các cọc tràm trước khi dùng phải được tưới ẩm và dưỡng hộ theo các quy định cụ thể trong quy trình thi công Cọc tràm chỉ được dùng trong trường hợp móng cọc đài thấp và chủ yếu chịu tải trọng thẳng đứng là chính, không thích hợp đối với móng cọc đài cao khi có tải trọng ngang tác dụng Cọc tràm không nên dùng ở những nơi xảy ra hiện tượng động đất và xuất hiện các dạng đất hoàng thổ có tính lún ướt

Mặc dù hiện nay đã có dự thảo quy trình tính toán và thiết móng cọc tràm (Kết quả của

đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ mã số RD-9513) Tuy nhiên trong thực tế hầu hết các kỹ sư chỉ tính toán một cách sơ bộ theo sức chịu tải, với mục đích tính toán sơ

bộ số lượng cọc dùng để gia cố (Vì bản thân vật liệu cọc tràm không có đường kính chuẩn, độ cong vênh khác nhau ) Ngay trong bản dự thảo quy trình tính toán và thiết móng cọc tràm cũng yêu cầu thực hiện thí nghiệm nén tĩnh trên hiện trường trước khi thi công xử lý nền Vì vậy việc nghiên cứu thực nghiệm xác định sức chịu tải của đất nền gia cố cọc tràm rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hiện nay có 2 quan điểm về tính toán, thiết kế móng cọc tràm:

này thích hợp cho việc gia cố đất có tính thấm nước trung bình và cao (Hệ số thấm K≥

vào đất yếu có hiệu quả như một vật liệu nén chặt đất Do đó các lý luận thiết kế nền gia cố cọc có thể đưa vào áp dụng cho trường hợp này

- Quan điểm thứ hai cho rằng, cũng giống như móng cọc gỗ và móng cọc bê tông cốt thép, móng cọc tràm và nền dưới móng cọc tràm được tính toán theo các trạng thái giới hạn Tùy theo điều kiện làm việc của cọc tràm đóng trong đất và tùy theo sơ đồ cấu tạo địa chất, cọc tràm sẽ được phân chia thành hai loại : cọc chống và cọc ma sát (cọc treo)

2.1.2 Nguyên tắc tính toán, thiết kế và thi công

Cọc tràm khi đưa vào sử dụng phải còn tươi, có qui cách đúng theo yêu cầu của thiết

kế Khi thi công cần có sự giám sát chặt chẽ về số lượng cọc, qui trình đóng cọc Đối với đất bùn sét hữu cơ, cần đóng cọc theo chu vi từ ngoài vào giữa móng nhằm đảm bảo nén chặt đất giữa các cọc và tạo thành khối móngcọc (bao gồm đất và cọc tràm) Giải pháp thiết kế không nên đưa đầu cọc tràm vào lớp bê tông lót dưới đáy móng, vì phần cừ trong bê tông sẽ bị mục Tốt nhất là để khả năng mao dẫn của cọc tràm và làm sạch đáy móng trước khi thi công móng, nên sử dụng một lớp cát phủ đầu cọc (phủ từ đầu cọc tràm chở xuống)

Khi thiết kế cần tính toán chính xác áp lực nước dưới đáy móng sao cho áp lực phân

bố đều và giá áp lực này không chênh lệch giữa các móng (tránh lún lệch, làm nghiêng hay vặn xoắn công trình) Khi đó có thể sử dụng nhiều giải pháp điều chỉnh bề rộng đáy móng, thậm chí sử dụng đà kiềng để điều chỉnh áp lực đáy móng

Trong thiết kế cần tính đến nhả năng mực nước ngầm bị hạ thấp do các nguyên nhân đào mương, giếng, hố khoan khai thác nước ngầm, v.v Do đó, khi thiết kế cần khảo

đóng cọc sao cho đảm bảo an toàn nhất

Tương tự như trong thiết kế và thi công cọc thông thường, cần phải tiến hành nén thử tải bằng bàn nén trên nền gia cố cọc tràm tại hiện trường Để xác định chính xác hơn khả năng chịu tải của đất nền và độ lún của móng, đồng thời điều chỉnh thiết kế cho phù hợp

2.2 C ơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, thiết kế và thi công cọc tràm

2.2.1 Tính toán, thiết kế quan điểm cọc làm chặt nền

Đóng cọc tràm vào đất để nén chặt đất yếu, trường hợp này thích hợp cho việc gia cố

sét, đất cát pha sét Trong trường hợp này, đóng cọc tràm vào đất yếu có hiệu quả như một vật liệu nén chặt đất Do đó các lý luận thiết kế nền gia cố cọc có thể đưa vào áp dụng cho trường hợp này

Dựa vào dung trọng tự nhiên yêu cầu của đất yếu, đất yếu phải được nén chặt để hệ số

creq và mô đun biến dạng Ereq

Số lượng cọc tràm trên một mét vuông có thể xác định tùy thuộc vào khả năng thoát nước của đất nền

Hình 2.1 Mô hình tính toán quan điểm cọc tràm làm chặt nền

khoảng S, để cân bằng với diện tích đơn vị F, thì FS chính là thể tích cần bổ sung vào trong đất

Ta có:

Trong đó:

: là thể cáchạt đất của một đơn vị thể tích đất

Trong công thức trên, d là đường kính cọc tràm tính bằng m Khi đường kính cọc tràm tính bằng cm thì số lượng cọc tràm là:

Trong đó: