VAI TRÒ CỦA CỌC ĐẤT
TRONG VIỆC NÂNG CAO SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT YẾU
NCS. TRẦN QUỐC ĐẠT
Trường Đại học Giao thông Đường bộ
Matxcơva (MADI)
Tóm tắt: Bước đầu nghiên cứu về vai trò của cọc đất trong gia cố nền đất yếu khi xây dựng
các công trình trên đất yếu. Từ đó đề cập đến khả năng ứng dụng kết cấu cọc đất trong xây dựng
nền đường trên đất yếu ở Việt Nam.
Summary: The intial research into role of Soil Pile in the strengthening softsoil in
construction. Then, touching upon abilities of applying SoilPile structure in construction of Viet
Nam highway foundation on the softsoil.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ý tưởng về việc nghiên cứu các cọc đất
thoát nước thẳng đứng với tư cách là kết cấu
chịu tải đã xuất hiện từ các thí nghiệm sử
dụng cọc cát thóat nước cho việc đẩy nhanh
lún nền đường trên đất yếu bão hòa nước.
Quan trắc lún và ổn định của nền móng có cọc
cát thoát nước, nền móng là than bùn, bùn
hoặc là đất sét với độ ẩm tự nhiên cao, người
ta đã nhiều lần xác nhận rằng độ lún đo được
theo thời gian và mức độ ổn định của nền
đường là sai khác nhiều so với giá trị tính
toán. Ví dụ, sự nghiên cứu của J.R. Lake [4]
trên một đoạn nghiên cứu thuộc đường cao tốc
A.173 đã thu được các kết quả rất khác với
những kết quả tính toán lý thuyết - độ lún của
thùng nước đầy trên nền đất than bùn có thoát
nước thẳng đứng nhỏ hơn 10-15% so với độ
lún không thoát nước thẳng đứng.
Sven Hansbo [5] cũng đo được độ lún
của nền có cọc cát thoát nước thẳng đứng và
phát hiện ra rằng, khi bước cọc thoát nước là
0,9m thì độ lún là nhỏ hơn đáng kể so với khi
bước cọc 1,5m. Các độ lún này tương ứng là
48cm và 78cm.
Trong các ví dụ đã đưa ra, các tác giả đã
giải thích rõ hiệu ứng “ngược” của các công
trình thoát nước thẳng đứng không đúng với
các lý thuyết tính toán, còn trong một vài
trường hợp và công trình cọc cát thoát nước,
giống như cọc, đã thể hiện rõ vai trò của một
kết cấu cọc hoặc kết cấu cột (“hiệu ứng cọc”,
“hiệu ứng cột”). Các công trình nghiên cứu
nền có cọc cát thoát nước đã được W. Veber
[6] thực hiện ở Mỹ năm 1969 đã cho phép xác
định rằng, các cọc cát thoát nước có thể làm
tăng đáng kể ổn định của nền đất yếu khi chất
tải tức thời. Sự nghiên cứu độ ổn định của nền
đắp có thoát nước và không thoát nước trên
than bùn đã nhận được kết quả rằng, sự có
mặt của cọc thoát nước đã cho phép làm tăng
chiều cao giới hạn của nền đắp từ 2,5m đến
6,5m. Hiện tượng này cũng được tác giả giải
thích bằng “hiệu ứng cọc”, là hiệu ứng mà
xuất hiện trong kết cấu nền có cọc cát thoát
nước.
II. MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN
CỨU
Các nhân tố đã biết khác đã nêu cho phép
giả thiết rằng, các cọc cát thoát nước thẳng
đứng làm thay đổi các điều kiện làm việc của
đất trong nền móng công trình, cho phép làm
giảm lún và làm tăng độ ổn định của nền
móng, và do đó chúng có thể được xem xét
trong mức độ nào đó giống như kết cấu cọc
với sức chịu tải đã xác định. Dĩ nhiên là hiệu
quả từ sự có mặt các cọc cát trong nền đường
chỉ thuần túy giống nhau về bề ngoài với các
cột cứng thông thường. Do đó khái niệm
“hiệu ứng cọc” có thể thích hợp với kết cấu
nền có cọc cát ở mức độ đáng kể một cách có
điều kiện. Tuy vậy để ngắn gọn và tiện lợi khi
trình bày có thể sử dụng thuật ngữ “hiệu ứng
cọc” và hiểu đó là hiệu ứng có lợi về mặt ổn
định nền móng do sự thay đổi trạng thái ứng
suất của nền móng khi có mặt trong nền móng
các cọc cát.
Trong thực tế công trình, thuật ngữ cọc
“cát” hay cọc “đất” đã được biết khá lâu và
rộng rãi. Cọc đất, hay còn gọi là cọc vật liệu
rời, được làm chặt và chèn vào lớp đất mềm
yếu bằng phương pháp thay thế. Thuật ngữ
cọc đất được sử dụng ở đây thường là cát, sỏi
hay đá dăm được nén chặt. Đất yếu được bố
trí các cọc đất gọi là đất hỗn hợp. Công nghệ
bố trí các cọc đất đôi khi tương tự công nghệ
bố trí cọc cát thoát nước thẳng đứng, ở chỗ
rằng bề ngoài cả hai kết cấu trông có vẻ hoàn
toàn như nhau và sự khác nhau chỉ là trong
mục đích và phạm vi sử dụng chúng. Nếu các
cọc cát thoát nước thẳng đứng dùng cho các
mục đích thoát nước của lớp đất bão hòa và
làm tăng lún nền móng (Evgenhev, [2], [3]),
thì các cọc đất được sử dụng, tùy theo phương
pháp thi công cọc, có thể giống như phương
pháp làm giảm tích cực lỗ rỗng đất, làm chặt
đất (Abelev, [1]), hoặc là một giải pháp phân
bố lại áp lực nền đường xuống nền móng đất
yếu. Tuy nhiên ảnh hưởng của các cọc đất đến
điều kiện làm việc của đất trong nền móng
vẫn còn chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Khi đất hỗn hợp chịu tải, nhiều nghiên
cứu đã chỉ ra rằng, trên các cọc đất có sự tập
trung ứng suất, đồng thời kèm theo sự giảm
ứng suất trong vùng đất yếu ít cứng chắc hơn
ở xung quanh, hơn là truyền ứng suất xuống
các lớp đất dưới sâu (hình 1). Điều này có thể
giải thích là khi chất tải, độ lún của cọc đất và
của đất yếu xung quanh xấp xỉ nhau, cho nên
ứng suất sẽ tập trung trên các cọc đất vì cọc
đất có độ cứng lớn hơn đất dính và đất rời xốp
ở xung quanh [7]. Kết quả là cường độ và khả
năng chịu lực của nền đất yếu được tăng lên
và tính nén lún giảm.
Hình 1. Sơ đồ đất hỗn hợp
Sự phân bố ứng suất thẳng đứng trong
phạm vi một đơn nguyên cũng có thể biểu thị
bằng hệ số tập trung ứng suất sau:
s
c
σ
n=σ (1)
Ở đây: σs – ứng suất trên cọc đất
σc – ứng suất trên đất yếu ở xung
quanh cọc.
Độ lớn tập trung ứng suất cũng phụ thuộc
vào quan hệ giữa độ cứng của cọc đất và của
đất yếu xung quanh cọc. Theo các thí nghiệm
của Barksdal và Bachus (1983) thì nhận được
hệ số tập trung ứng suất thay đổi trong khoảng
từ 2 đến 5. Trong khi đó, Aboshi (1979) và
Bergado (1987) nhận được giá trị cao hơn,
bằng 9. Khoảng biến đổi lớn như vậy của hệ
số tập trung ứng suất (n = 2 ÷ 9) có thể được
giải thích là do các tác giả khi tiến hành thí
nghiệm đã sử dụng các tấm ép phẳng có độ
cứng khác nhau khi chất tải [7].
a) Cọc đất dài là cọc chống hoặc cọc treo -
Phá hoại phình ra ngoài
b) Cọc ngắn là cọc chống - Phá hoại cắt
c) Cọc ngắn là cọc treo - Phá hoại trượt
Hình 2. Cơ chế phá hoại cọc đất đơn
trong đất yếu
Ứng suất trung bình σ trên diện tích một
đơn nguyên có thể được biểu thị như sau:
σ = σs.as + σc.(1-as) (2)
Ở đây: as tỉ diện tích thay thế
s
s
sc
A
a=
A+A
Với: As - diện tích ngang của cọc đất
A
c - diện tích ngang của đất yếu
xung quanh cọc
Khi đó ứng suất trên cọc và trên đất yếu
bỉeu thị qua hệ số tập trung ứng suất là:
()
s
s
n.σ
σ=
1+ n-1 a =
⎡
⎤
⎣
⎦
μs . σ (3)
()
c
s
σ
σ=
1+ n-1 a =
⎡
⎤
⎣
⎦
μc . σ (4)
Ở đây: μs và μc tỉ số ứng suất trên cọc và
trên đất sét so với ứng suất trung bình trên
diện tích một đơn nguyên.
Về cơ chế phá hoại của cọc đất trong đất
yếu, dựa trên nhiều thí nghiệm, các tác giả ở
trên nhận thấy cọc đất có thể bị phá hoại riêng
từng cọc hoặc cả nhóm. Cơ chế phá hoại đối
với một cọc đơn được minh họa trên hình 2.
III. KẾT LUẬN
Như vậy kết cấu cọc đất đã được nghiên
cứu từ khá lâu, từ những năm 60 cho đến
những năm 80 của thế kỷ XX, và đã được áp
dụng thi công ở nhiều nước trên thế giới. Ở
Thái Lan, cọc đất đã được ứng dụng trong gia
cố đất yếu trên các đoạn đường đầu cầu ở
vùng đồng bằng Trung tâm và đã cho thấy
hiệu quả rõ rệt trong việc tăng chiều cao giới
hạn của nền đắp trên đất yếu có cọc, hiệu quả
cao về ổn định và giảm lún của nền đất yếu.
Tuy nhiên cho đến nay, việc nghiên cứu
cọc đất trong gia cố xử lý đất yếu mới chỉ
dừng lại ở một số nghiên cứu thực nghiệm để
đánh giá về sức chịu tải, độ ổn định và độ lún
của nền đất yếu khi có cọc đất. Còn nhiều vấn
đề cần được nghiên cứu sâu thêm, ví dụ về
trạng thái ứng suất – biến dạng của đất yếu
khi bố trí cọc đất, về phạm vi ứng dụng cọc
đất hiệu quả… nhằm hiểu rõ hơn về vai trò
của cọc đất trong đất yếu.
Hiện nay ở Việt Nam, các công nghệ thi
công cọc cát tiêu nước thẳng đứng và gần đây
là cọc ximăng - đất đã được hoàn thiện và thi
công phổ biến. Với việc công nghệ thi công
cọc đất tương đối tương đồng với công nghệ
thi công các cọc ở trên, đã mở ra khả năng
ứng dụng kết cấu cọc đất trong gia cố xử lý
đất yếu ở Việt Nam. Vì vậy, là rất cần thiết để
nghiên cứu sâu thêm về vai trò của cọc đất
trong đất yếu cả về mặt lý thuyết lẫn thực
nghiệm. Kết cấu cọc đất chắc chắn sẽ là một
giải pháp kinh tế và tiện dụng trong việc gia
cố xử lý đất yếu khi xây dựng đường ôtô.
Tài liệu tham khảo
[1]. Абелев М.Ю., Абелев М.Ю. "Основы
проектирования и строительства на
просадочных макропористых грунтах".
Стройиздат, M., 1968. Abelev M.IU., Abelev
M.IU. “Cơ sở thiết kế và xây dựng trên đất xốp”.
Nhà xuất bản xây dựng, Matxcơva, 1968.
[2]. Евгеньев И.Е. Земляное полотно с
вертикальными дренами на болотах.
"Транспорт", М.,1964. Evgenhep I.E. Nền đường
đắp có thoát nước thẳng đứng qua vùng đầm lầy.
“Giao thông”, Matxcơva, 1964.
[3] Евгеньев И.Е. Строительство автомобильных
дорог через болота. "Транспорт", М., 1968.
Evgenhep I.E. Xây dựng đường ôtô qua vùng đầm
lầy. “Giao thông”, Matxcơva, 1968.
[4]. Lake J.R. Pore-pressure and settlement
measurement during small-scale and laboratory
experiments to determine the effectiveness of
vertical sand drains in peat. Proc.of the conf. “Pore
pressure and suction in soils”. London, 1960.
[5]. Hansbo Sven. Consolidation of clay with
special reference to influence of vertical sand
drains. Swedish Geotechnical Inst.Proc.N18,1960.
[6]. Weber W.G. Perfomance of embankment
constructed over peat. Proc. ASCE. Journal of soil
mech.and found.div.v.95, N SM l, January, 1969.
[7]. Bergado D.T., Chai J.C., Alfaro M.C.,
Balasubramaniam A.S. "Improvement techniques
of soft ground in subsiding and lowland
environment", Division of geotechnical &
transportation engineering asian institute of
technology Thailand, 1992.
[8]. GS. TSKH. Bùi Anh Định. "Cơ học đất", Hà
Nội, 2004♦