Cọc đất gia cố xi măng - Hướng dẫn tính toán chi tiết

1. Giới thiệu và mục đích của bài viết

Bài viết này được xây dựng nhằm hướng dẫn chi tiết cách sử dụng bảng tính Excel phục vụ thiết kế và kiểm tra phương án xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng (CDM). Nội dung tập trung vào cách nhập các thông số đầu vào, theo dõi kết quả tính toán và kiểm soát các chỉ tiêu chính trong bảng tính phục vụ công tác thiết kế kỹ thuật. Bài viết không trình bày lại cơ sở lý thuyết của phương pháp CDM, các nội dung về nguyên lý làm việc và so sánh với các giải pháp xử lý nền khác được trình bày trong các bài viết riêng.

2.Tư duy và trình tự giải bài toán tính toán

Về bản chất, bài toán tính toán xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng (CDM) không hề phức tạp nếu tiếp cận đúng tư duy.

Toàn bộ bài toán có thể tóm gọn trong một câu:

Với mỗi lớp đất trong nền, chỉ cần kiểm tra xem lớp đó có nằm trong phạm vi gia cố hay không, từ đó lựa chọn công thức tính lún phù hợp.

Cụ thể, trình tự tư duy được thực hiện như sau:

Trước hết, nền đất yếu được chia thành các phân lớp nhỏ ( thường là 1m/lớp). Với từng phân lớp đất, ta lần lượt đặt ra câu hỏi:

👉 Lớp đất này có nằm trong chiều sâu gia cố của cọc CDM hay không?

Trường hợp 1: Lớp đất nằm ngoài phạm vi gia cố

Nếu lớp đất nằm bên dưới mũi cọc CDM, tức là không được gia cố, thì lớp đất này vẫn làm việc như đất yếu nguyên trạng.

Khi đó:

🔸Độ lún của lớp đất được tính theo lý thuyết cố kết truyền thống

🔸Áp dụng các công thức tính lún theo tiêu chuẩn TCCS 41:2022

👉 Nói cách khác, không có sự thay đổi nào trong cách tính lún đối với các lớp đất không được xử lý.

Trường hợp 2: Lớp đất nằm trong phạm vi gia cố

Nếu lớp đất nằm trong chiều sâu gia cố của cọc CDM, thì bản chất lớp đất này không còn là đất yếu nguyên trạng nữa, mà đã trở thành đất gia cố – nền composite.

Lúc này:

🔸Không tiếp tục sử dụng công thức tính lún cố kết theo TCCS 41:2022

🔸Thay vào đó, độ lún của lớp đất được tính theo mô đun biến dạng tương đương của nền gia cố

Về mặt tư duy, lớp đất gia cố được xem như một vật liệu đàn hồi có độ cứng lớn hơn, và độ lún được xác định theo biểu thức đơn giản:

Si= q × hᵢ / Etđ

Trong đó:

🔸S_i là độ lún của lớp thứ i trong phạm vi cắm cọc xi măng đất

🔸q là tải trọng nền đắp

🔸hᵢ là chiều dày lớp đất thứ i

🔸E_tđ  là mô đun biến dạng tương đương của nền gia cố

Ghép kết quả để ra độ lún tổng thể

Sau khi đã xác định và tính toán độ lún cho từng lớp đất:

🔸Các lớp được gia cố → tính lún theo mô đun E_tđ  (Phần độ lún S₁)

🔸Các lớp không được gia cố → tính lún theo công thức cố kết truyền thống (Phần độ lún S₂)

Cuối cùng, độ lún tổng thể của nền được xác định bằng cách cộng độ lún của tất cả các lớp đất theo đúng thứ tự địa chất. (S₁+S₂)

Có thể thấy, tư duy giải bài toán CDM không nằm ở công thức, mà nằm ở việc:

🔸Phân biệt đúng lớp nào được gia cố – lớp nào không

🔸Áp dụng đúng công thức cho đúng lớp đất

Khi đã nắm được tư duy này, việc sử dụng bảng tính ở các bước tiếp theo sẽ trở nên rất trực quan và dễ kiểm soát kết quả.

3. Hướng dẫn sử dụng bảng tính  xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng

Trong phần này mình sẽ hướng dẫn tính toán xử lý cọc xi măng đất cho nền đắp 5m trên nền địa chất gồm 3 lớp đất yếu, tổng chiều dày 15m. Công việc đầu tiên là đi tính lún cho nền đắp này.

3.1 Tính lún và dự báo lún

Trong mọi phương án xử lý nền đất yếu, tính lún và dự báo độ lún cố kết là bước bắt buộc nhằm xác định tổng độ lún dự kiến, từ đó làm cơ sở quyết định có cần xử lý nền hay không. Nội dung nguyên lý và phương pháp tính đã được trình bày chi tiết trong bài Hướng dẫn tính lún và dự báo độ lún cố kết. Trong bài viết này, mình không lặp lại phần lý thuyết, mà tập trung trình bày kết quả và các bước nhập liệu – tính toán thực tế.

🔸Nhập thông số cố kết e_o và C_v  cho các lớp địa chất

🔸Nhập thông số kết cấu áo đường

🔸Nhập thông số nền đắp và các lớp địa chất

🔸Kết quả tính lún

🔸Biểu đồ lún cố kết theo thời gian

Kết quả độ lún cố kết tính ra = 0.6m  >0.3m, như vậy cần phải xử lý nền, phần tính toán xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng được trinhg bày trong mục tiếp theo.

3.2 Tính toán cọc đất gia cố xi măng theo phương pháp nền tương đương (TCVN 9403-2012)

Chuyển sang sheet CDM để khai báo các thông số xử lý

Tại sheet này khai báo các thông số 

🔸Chiều sâu cọc xi măng đất

🔸Hàm lượng xi măng: Giá trị này được tổng hợp từ các hàm lượng xi măng nhập trong bảng "Chỉ tiêu cơ lý của cọc CDM trộn với từng lớp đất" phía dưới.

🔸Kiểu bố trí trên mặt bằng: Có 2 kiểu hình vuông và hình tam giác

🔸Khoảng cách giữa các cọc: Khoảng cách từ tim cọc này đến tim cọc kia.

🔸Đường kính cọc: Cọc CDM có nhiều đường kính khác nhau phù hợp với từng loại công trình, đối với cọc dùng xử lý nền đất yếu, phổ biến dùng loại 0.8m.

Tiếp theo trong mục Chỉ tiêu cơ lý của cọc CDm trộn với từng lớp đất, khai báo giá trị cường độ kháng nén qu, modun đàn hồi E và hàm lượng xi măng mỗi lớp đất trên chiều dài cọc. Lưu ý rằng có thể thi công được nhiều hàm lượng xi măng trên 1 cọc.

🔸Giá trị qu và E lấy từ kết quả nén mẫu trộn thử trong phòng ở 28 ngày tuổi. Do mẫu trộn thử trong phòng luôn đạt cường độ cao hơn cọc thi công ngoài hiện trường, vì vậy để thiên về an toàn, chỉ lấy 40% giá trị của mẫu trộn thử để nhập vào.

🔸Mỗi lớp đất cần có các mẫu trộn thử riêng, giá trị qu và Edh được nhập cho từng lớp đất.

🔸Dung trọng và góc ma sát có thể để mặc định bằng 1.9 T/m3 và 30 độ. Nếu có thí nghiệm xác định thì nhập theo kết quả thí nghiệm. 

Sau khi khai báo xong, bấm nút "Tính Sgt" ở ô D13 để bảng tính tính toán lại Sgt. Cần phải làm bước này vì xử lý nền bằng cọc CDM là biện pháp làm thay đổi độ lún.

Độ lún sau xử lý Sc=S1 +S2 (ô I102) chính là kết quả đạt được sau tính toán. Trong ví dụ trên độ lún cố kết tính ra = 0.25m < 0.3m, như vậy đã đảm bảo yêu cầu về độ lún theo TCCS 41-2022.

3.2 Tính toán sức chịu tải của cọc CDM, đất nền, lực kéo trong vải/lưới CDM phủ đầu cọc theo tiêu chuẩn TCVN9906-2014

Trong mục kiểm toán này, phần tính toán sức chịu tải của cọc CDM, của đất nền đều được thực hiện tự động. Riêng phần vải địa/lưới địa bạn cần khai báo vào để bảng tính có thông số kiểm toán

 

Lưu ý rằng vải địa kỹ thuật dùng phủ đầu cọc CDM trước khi đắp nền được dùng không nhằm mục đích chống trượt mà để dàn đều tải trọng đắp lên hệ cọc, vì vậy loại vải này cần có cường độ kéo đứt theo 2 phương là như nhau. Thực tế thường dùng vải 400x400 Kn/m. Bạn sẽ nhập cường độ kéo đứt của vải theo 2 phương. Độ dãn dài của vải ( thường để 5%) và hệ số an toàn K. Sau đó bảng tính sẽ tự động kiểm toán.

Nếu như bạn thấy 3 vị trí bôi vàng đều hiển thị OK, tức là phần kiểm toán theo TCVN 9906-2014 đã đảm bảo.

Trong phần kiểm toán ứng suất đất nền, công thức tính Rtc để so sánh với ứng suất đất nền trong tiêu chuẩn nêu không rõ rang, vì vậy mình có trích dẫn một văn bản hướng dẫn ở đây kèm theo link trả lời của Bộ khoa học công nghệ để có thêm tính thuyết phục.

Link trả lời của bộ khoa học công nghệ: 👉 Bộ KHCN trả lời

      

✅Như vậy là mình đã hướng dẫn xong cách sử dụng bảng tính xử lý đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng CDM theo 2 tiêu chuẩn TCVN 9403-2012 và TCVN 9906-2014.

Bài viết phản ánh quan điểm kỹ thuật của tác giả tại thời điểm biên soạn và sẽ được cập nhật, hiệu chỉnh theo quá trình tích lũy thêm kiến thức và kinh nghiệm thực tế.