Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất-ximăng

 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 
53 
PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT – XIMĂNG 
STABILIZATION OF SOFT SOIL BY THE SOIL CEMENT COLUMN METHOD 
 ThS. ĐOÀN THẾ MẠNH 
 Khoa Công trình thuỷ, Trường ĐHHH 
Tóm tắt 
Một trong các phương pháp gia cố nền đất mới được đưa vào ứng dụng ở Việt nam là gia cố 
nền đất bằng cọc đất-ximăng. Tuy vậy, sự hiểu biết và mạnh dạn áp dụng phương pháp gia 
cố này trong thực tế còn có nhiều hạn chế, kết quả thi công nhiều khi còn chưa đáp ứng 
được yêu cầu đề ra. Bài báo này giới thiệu về công nghệ thi công xử lý nền đất yếu bằng cọc 
đất –ximăng 
Abstract 
Soil-cement column method is one of the newest applied stabilization methods of soft-soil in 
Vietnam. However, the knowledge and the application experiences of this method still meet 
with difficulties. The achieved result sometimes does not match the requirements. This article 
introduces the technology of stabilization for soft-soil using soil-cement column method. 
1. Giới thiệu chung 
 Cọc đất–ximăng(Đ–XM) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với khả năng ứng 
dụng tương đối rộng rãi như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các 
công trình xây dựng, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường 
hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn...So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc 
Đ–XM có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho 
đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện 
trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử 
lý khác. 
 1.1. Ứng dụng của cọc đất – ximăng 
- Làm giảm độ lún và tăng độ ổn định của nền đất đắp. 
- Làm tăng độ ổn định của mái dốc, gia cố hố đào móng nông. 
- Nền và móng cho công trình. 
- Giảm áp lực đất chủ động, tăng áp lực đất bị động lên tường cừ ở hố đào sâu. 
 1.2. Các công trình thông dụng sử dụng công nghệ cột đất – ximăng: 
 - Công trình giao thông: nền đắp của đường bộ, đường sắt, đường dẫn đầu cầu, bến bãi 
đỗ xe, cảng container 
 - Móng bồn bể chứa. Nền móng nhà công nghiệp 
 - Các loại hố đào. 
 - Các vùng đất lấn biển, san lấp ven sông. 
1.3. Hiệu quả từ việc sử dụng công nghệ gia cố đất nền bằng cột đất – ximăng: 
 - Kinh tế, thời gian xử lý nhanh. 
 - Không gây ảnh hưởng tới các công trình lân cận. 
1.4. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc ximăng - đất 
trên thế giới . 
 Tại Châu Âu, công nghệ cọc Đ-XM được nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và 
Phần Lan bắt đầu từ năm 1967. Nước ứng dụng công nghệ Đ-XM nhiều nhất là Nhật Bản và các 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 
54 
nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 
1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ. Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố 
bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với 
khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. 
 Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng 
cọc Đ-XM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. 
1.5. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc ximăng - đất 
ở Việt Nam: 
 Tại Việt nam, việc áp dụng thi công đại trà gia cố nền đất sử dụng công nghệ khô trộn sâu 
– thi công cọc Đ-XM bắt đầu được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ 21. Năm 2001, tập đoàn 
Hercules của Thuỵ điển hợp tác với Công ty CP Phát triển kỹ thuật xây dựng( TDC) thuộc Tổng 
công ty xây dựng Hà nội đã thi công xử lý nền móng cho 08 bể chứa xăng dầu có đường kính 
21m, cao 9m ( dung tích 3000m3 / bể) của công trình Tổng kho xăng dầu Cần thơ bằng cọc đất xi 
măng. Từ năm 2002 đến 2005 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc Đ-XM vào xây dựng các 
công trình trên nền đất, như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc Đ-XM có 
đường kính 0,6m , gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho 
bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự 
án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu, các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ 
sâu xử lý trong khoảng 20m. 
Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao 
áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản. Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức 
chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng XM đến 
tính chất của cọc Đ-XM,... nhằm ứng dụng cọc Đ-XM vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công 
trình thuỷ lợi. Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà 
Nam), Cống Rạch C (Long An)...Tại thành phố Đà Nẵng, cọc Đ- XM được ứng dụng ở Plazza Vĩnh 
Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi. 
Tại Tp. Hồ Chí Minh, cọc Đ-XM được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, building 
Saigon Times Square.. Hiện nay, các kỹ sư hãng Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc Đ-XM để 
chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – 
Nam (giai đoạn 3) cũng kiến nghị chọn cọc Đ-XM xử lý đất yếu. 
2. Nguyên tắc gia cố đất nền 
 Cọc Đ-XM được gia cố là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố với hỗn hợp ximăng 
được phun xuống thông qua thiết bị khoan trộn. Cột gia cố tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và 
chất kết dính, mà thông thường là vôi và ximăng. Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan 
xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều ngược lại và đồng thời rút dần lên, trộn đất tại chỗ 
với chất gia cố. Trong suốt quá trình rút lên, hỗn hợp chất gia cố được phun vào bằng khí nén ở 
đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột thì dừng lại. 
Hình 1- Công nghệ thi công cọc xi măng - đất 
Phun theo pha ®i lªn 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 
55 
Việc hình thành cường độ xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp Đ– XM. Khi 
ximăng được trộn với đất, ximăng phản ứng với nước tạo ra Canxi hyđrôxit Ca(OH)2 từ đó kết hợp 
với đất nền tạo ra keo ninh kết CSH, đây là quá trình Hydrat hoá. Phản ứng này diễn ra nhanh và 
mạnh toả ra một nhiệt lượng lớn và giảm bớt lượng nước có trong đất gia cố.Hợp chất Hydrat này 
tạo ra một hỗn hợp liên kết các thành phần hạt trong đất gia cố hình thành lên khoáng chất nền 
bền vững, cứng. 
 Ximăng + H2O → Keo CSH + Ca(OH)2. 
3.Công nghệ thi công 
Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công cọc Đ-XM là: Công nghệ trộn khô (Dry Jet 
Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet-grouting). 
Trong phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất ( độ ẩm của đất 
cần phải không nhỏ hơn 20%). Trong phương pháp trộn ướt, vữa xi măng là chất kết dính. Trộn 
khô chủ yếu dùng cải thiện tính chất của đất dính, trong khi phun ướt thường dùng trong đất rời. 
3.1 Công nghệ thi công trộn khô 
Nguyên tắc chung của phương pháp trộn khô được thể hiện trên hình.1. Khí nén sẽ đưa xi 
măng vào đất. Quy trình thi công gồm các bước sau: 
a) Định vị thiết bị trộn 
b) Xuyên đầu trộn xuống độ sâu thiết kế đồng thời phá tơi đất; 
c) Rút đầu trộn lên, đồng thời phun xi măng vào đất 
d) Đầu trộn quay và trộn đều xi măng với đất 
e) Kết thúc thi công. 
Hình 2 - Sơ đồ thi công trộn khô 
3.2 Công nghệ thi công trộn ướt 
 Nguyên lý trộn ướt được mô tả trong hình.2. 
Hình 3 - Sơ đồ thi công trộn ướt 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 
56 
 Trộn ướt dùng vữa xi măng. Khi cần có thể cho thêm chất độn ( cát và phụ gia). Khối 
lượng vữa thay đổi được theo chiều sâu. Khi chế tạo trụ trong đất rời dùng khoan guồng xoắn liên 
tục có cánh trộn và cánh cắt hình dạng khác nhau, có đủ công suất để phá kết cấu đất và trộn đều 
vữa. 
 Cường độ và tính thấm phụ thuộc vào thành phần và đặc tính của đất (hàm lượng hạt mịn, 
hàm lượng hữu cơ, loại sét, thành phần hạt), khối lượng và chủng loại vữa và quy trình trộn. 
 Có thể ngưng trộn khi vữa chưa bắt đầu đông cứng, khởi động trộn lại tại độ sâu ít nhất 
0.5 m trong đất đã xử lý. 
 Bơm để chuyển vữa đến lỗ phun cần phải có đủ công suất (tốc độ truyền và áp lực) để 
truyền lượng vữa thiết kế an toàn. 
Được biết hiện nay ở Việt Nam, Trung tâm Công nghệ Máy xây dựng và Cơ khí thực 
nghiệm thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải đã nghiên cứu và chế tạo thành 
công thiết bị điều khiển và định lượng xi măng để thi công cọc đất gia cố. So với sản phẩm cùng 
loại của CHLB Đức, thiết bị do Trung tâm chế tạo có tính năng kỹ thuật tương đương nhưng giá 
thành chỉ bằng 30%. So với thiết bị của Trung Quốc, thiết bị có nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn: 
Do sử dựng máy cơ sở là loại búa đóng cọc di chuyển bằng bánh xích, nên tính cơ động cao, tốc 
độ làm việc của thiết bị khoan lớn, năng suất gấp 1,5-2 lần. Đặc biệt, tổ hợp thiết bị được trang bị 
hệ thống điều khiển hiện đại, toàn bộ các thao tác thi công cọc gia cố được tự động hóa theo các 
chương trình, các số liệu về lượng xi măng sử dụng trên từng mét cọc được hiển thị, lưu giữ và in 
thành bảng kết quả thi công cho từng cọc. Đây chính là những chỉ tiêu rất quan trọng đánh giá chất 
lượng của thiết bị cũng như chất lượng của cọc gia cố được thi công. 
4.Công tác khảo sát, thí nghiệm phục vụ tính toán và thiết kế cải tạo, gia cố nền bằng công 
nghệ trộn sâu cột đất – ximăng. 
4.1 Công tác khảo sát hiện trường 
 Mục đích: làm rõ các yếu tố về địa hình, địa mạo, tính chất cơ lý của nền đất tự nhiên, các 
tầng lớp địa chất, tính chất thuỷ văn, mực nước ngầmqua đó xác định các chỉ tiêu: 
 + Địa hình khu vực cần gia cố. 
 + Lát cắt địa chất. 
 + Các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất tự nhiên. 
 + Các điều kiện địa chất thuỷ văn, mực nước ngầm. 
 + Các hồ sơ, tài liệu các công trình lân cận. 
4.2. Công tác thí nghiệm trong phòng 
 Mục đích: thông qua thí nghiệm xác định được hàm lượng chất kết dính và phụ gia cần 
thiết để tạo ra được một loại đất gia cố có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật hợp lý, phục vụ cho tính 
toán thiết kế. 
 Giá trị cường độ thiết kế của đất gia cố là kết quả của mẫu thí nghiệm ở tuổi 28 ngày. Để 
xác định giá trị này ta phải thực hiện với nhiều tổ mẫu với hàm lượng ximăng khác nhau. Với mỗi 
loại tổ hợp không nhỏ hơn 3 mẫu. Mỗi tổ hợp mẫu được thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu ở độ 
tuổi 3 ngày, 7ngày, 28 ngày. Cần xác định các chỉ tiêu: 
 + Chỉ tiêu cơ lý( γc, ,ωc, Δc, εc....). 
 + Chỉ tiêu cường độ( chịu cắt, chịu nén). 
 + Môđun biến dạng của đất trộn ximăng Ec. 
4.3. Thí nghiệm hiện trường 
Mục đích: kiểm tra chất lượng, quá trình phát triển cường độ, khả năng chịu tải của cọc Đ-
XM tại hiện trường để kiểm tra giá trị thiết kế, qua đó có thể điều chỉnh lại thiết kế cho phù hợp với 
điều kiện thực tế. Cường độ của cọc nói riêng và các chỉ tiêu cơ lý nói chung chịu ảnh hưởng rất 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 
57 
lớn của điều kiện địa chất thuỷ văn ở ngoài thực tế. Công tác thí nghiệm hiện trường được tiến 
hành trước khi thi công đại trà, ở khu vực thi công. 
Các thí nghiệm thường hay được sử dụng gồm có: 
a.Thí nghiệm xuyên cắt thuận, xuyên cắt nghịch. 
Tiến hành thí nghiệm trước và sau khi gia cố để đánh giá chất lượng đồng đều của cọc Đ-
XM và hiệu quả gia cố khi so sánh với đất nền không được gia cố. Thông qua thí nghiệm xác định 
được: sức kháng xuyên quc từ đó xác định được cấu tạo địa tầng khu vực thí nghiệm, các chỉ tiêu 
cơ lý, cường độ trước và sau khi gia cố, sức chịu tải của cọc Đ-XM. Hiện nay thí nghiệm này được 
dùng phổ biến. Tuy nhiên, với phương pháp trộn ướt, thí nghiệm này không thực hiện được. 
b. Thí nghiệm khoan lấy lõi. 
Trong trường hợp dùng phương pháp trộn ướt để gia cố nền móng, không thể thực hiện 
được thí nghiệm xuyên cắt thì tiến hành khoan lấy lõi. Dùng thiết bị chuyên dụng khoan lấy lõi của 
cọc Đ-XM. Mẫu nguyên dạng được mang về phòng thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý mà thiết 
kế yêu cầu để kiểm tra đánh giá được hiệu quả gia cố. 
c. Thí nghiệm nén tải trọng tĩnh (cọc đơn hoặc nhóm cọc) 
Xác định sức chịu tải nén của cọc đơn, của cụm cọc. Qui trình gia tải, dỡ tải tuân theo các 
tiêu chuẩn của TCVN. Căn cứ vào yêu cầu tính toán thiết kế mà người thiết kế cần xác định các 
thông số tương ứng phục vụ cho công tác của mình. Tuy nhiên hầu hết các trường hợp cần xác 
định các chỉ tieu cơ lý, cường độ chịu nén Rnc, sức kháng cắt quc, môđun biến dạng hỗn hợp Đ-XM 
Ec. mức độ biến dạng của cột và đất. 
5. Các phương pháp tính toán và thiết kế cải tạo gia cố đất nền bằng công nghệ trộn sâu 
cọc đất – xi măng. 
 Việc tính toán thiết kế của nền đất gia cố bằng phương pháp trộn sâu dựa trên nhiều giả 
thiết với các quan điểm khác nhau, nhưng có thể khái quát thành 3 quan điểm chính: 
- Quan điểm xem cọc Đ-XM và nền đất tự nhiên chưa được gia cố cùng làm việc đồng thời 
như một nền tương đương. Tính toán và thiết kế như đối với nền thông thường( có cùng chung 
các tính chất cơ lý). 
- Quan điểm cọc Đ-XM làm việc như một cọc đơn chịu lực. Tính toán thiết kế như móng 
cọc. 
- Quan điểm hỗn hợp: tính sức chịu tải của nền như là tính với móng cột, còn tính biến dạng 
thì tính toán theo nền tương đương. 
 Tuy nhiên các phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ thi công cũng như 
điều kiện làm việc của cột, điều kiện địa chất, tính chất cơ lý của nền được gia cố, việc tính toán 
thiết kế cần đề cập đến các hệ số kinh nghiệm. 
 Ưu diểm của công nghệ trộn sâu cọc đất – ximăng. 
 - Lượng chất gia cố được trộn trong cọc chính xác. 
 - Có chất lượng tốt với đất có độ ẩm cao(> 75%). 
 - Cải thiện cơ bản kết cấu đất nền trong khu vực được gia cố. 
6. Kiểm soát chất lượng 
Bao gồm 3 quá trình chủ yếu sau đây: 
 - Kiểm soát trong quá trình thiết kế hàm lượng trộn được thực hiện trong phòng, bước này đưa ra 
được hàm lượng trộn và cách thức trộn một cách hợp lý. 
- Kiểm soát trong quá trình thi công: số vòng quay của mũi trộn, số lần trộn/ mét cột, lượng xi 
măng sử dụng. 
- Kiểm soát sau khi thi công cột: tiến hành các thí nghiệm kiểm tra chất lượng cột như: đào lộ đầu 
cọc, khoan lấy mẫu để thí nghiệm, xuyên cắt cây cọc, thí nghiệm bàn nén nền hỗn hợp. 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 
58 
7. Thiết bị thi công 
 Tổ hợp thiết bị thi công bao gồm: 
 - Máy khoan, máy phát điện, máy nén khí và bình tích áp, máy sấy khí. 
 - Bình trộn ximăng, chứa ximăng, téc cung cấp ximăng. 
 - Thiết bị định lượng ( cân khối lượng, đo độ sâu ). 
 Thiết bị điện tử tích hợp trên máy khoan kiểm soát chặt chẽ việc bơm phun gia cố: các thông số 
của một cây cọc Đ-XM được lưu vào thiết bị và được in ra dưới dạng phiếu có đầy đủ các thông 
tin về cây cọc đó: chiều sâu khoan, chiều sâu bơm phun, lượng ximăng được phun ra trên từng 
mét dài cọc, khối lượng ximăng bơm phun cho toàn cây cọc, thời gian bắt đầu và kết thúc cho 
từng cây cọc. 
 Tổ hợp thiết bị cơ giới hoá cao, vận chuyển và lắp dựng được thực hiện nhanh chóng, và có thể 
di chuyển trên nền đất có cường độ thấp. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] TCXDVN 385 : 2006 Tiêu chuẩn thiết kế - thi công - nghiệm thu cọc đất- ximăng. 
[2] Hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công Hạng mục gia cố kè sau cầu Cầu tầu 20.000DWT của Công ty 
cổ phần cảng dịch vụ dầu khí Đình vũ. 
[3] Http:// www.orbitec.vn: xử lý đất yếu bằng cọc đất – ximăng. Ths. Nguyễn Duy Liêm. 
Người phản biện: PGS.TS. Nguyễn Văn Ngọc