Mô hình hóa nền đường dẫn vào cầu gia cố bằng hệ cọc xi măng đất kết hợp với vải địa kỹ thuật

 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 26-02/2018 
35 
MÔ HÌNH HÓA NỀN ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU GIA CỐ BẰNG HỆ 
CỌC XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 
NUMERICAL MODELLING OF ABUTMENT APPROACH ROAD 
EMBANKMENT TREATED BY DEEP CEMENT MIXING COLUMN 
COMBINED WITH GEOTEXTILE 
Nguyễn Tấn Nguyên 
Trung tâm TVGS, Tổng công ty TVTK GTVT (TEDI) 
Tóm tắt: Gia cố nền bằng hệ cọc XMĐ kết hợp vải ĐKT (hệ GRPS) hiện nay đang được ứng dụng 
rộng rãi cho đường dẫn vào cầu vì: Chi phí rẻ hơn so với phương án sàn giảm tải, thời gian thi công 
nhanh hơn so với các phương pháp khác như giếng cát, bấc thấm. Để xây dựng mô hình cho nền 
đường dẫn vào cầu bằng phương pháp PTHH, các tài liệu thường chỉ mới mô phỏng mặt cắt ngang 
điển hình tại vị trí bất lợi (đắp cao tại mố). Rất ít tài liệu mô hình theo phương dọc cầu để mô phỏng 
nền đường và mố cầu làm việc đồng thời. Vì vậy, bài báo này sẽ nghiên cứu vấn đề trên. Nội dung 
trình bày: (1) xây dựng mô hình đường dẫn theo phương dọc cầu bằng phương pháp PTHH, (2) kiểm 
chứng xây dựng mô hình, (3) ứng dụng vào công trình cầu IC3 - TP. Cần Thơ để so sánh hiệu quả của 
phương pháp hệ cọc XMĐ với phương pháp đã được sử dụng trước đó là giếng cát kết hợp gia tải. 
Từ khóa: Hệ GRPS, cọc đất gia cố xi măng, đường dẫn vào cầu, gia cố địa kỹ thuật. 
Chỉ số phân loại: 2.4 
Abstract: The deep cement mixing column combined with geotextile method (GRPS system) is now 
widely using to improve abutment approach road embankment due to lower cost than pile slab 
method, and faster construction time more than sand drain or PVD method. To simulate calculation 
model by FEM for abutment approach road, some studies normally build calculation model by the 
typical section of embankment at unfavourable position (at abutment). There is a little document build 
model follow longitudinal to analysis work together between abutment and road embankment. 
Therefor, this paper will study above matters, the content includes: (1) how to build a FE model for 
abutment appoach road embankment, (2) verification of model, (3) applying the selected model for 
IC3 bridge to compare effect of the above treatment method with the sand drain method. 
Keywords: GRPS system, deep cement mixing column, abutment approach road embankment, 
geosynthetic reinforcement. 
Classification number: 2.4 
1. Giới thiệu 
Khi xây dựng các công trình cầu đường 
đi qua khu vực đất yếu, tại vị trí tiếp giáp 
giữa cầu và đường thường xảy ra hai vấn đề: 
Hình 1. 
Lún 
lệch tại 
vị trí 
tiếp 
giáp 
đường 
dẫn và 
mố cầu. 
- Chênh lệch độ lún tại vị trí tiếp giáp 
đường và mố cầu do mố cầu được tựa trên hệ 
cọc nên có độ lún nhỏ, trong khi đó nền 
đường không được xử lý sẽ có độ lún lớn 
(hình 1). Vì vậy, phải thường xuyên vuốt nối 
êm thuận, đảm bảo an toàn giao thông. Hiện 
tượng này thực tế xảy ra tại mố A1 đầu cầu 
Gò Dưa, đường Phạm Văn Đồng sau hai năm 
đưa vào sử dụng. 
Hình 2. 
Áp lực 
ngang tác 
dụng lên cọc 
do nền 
đường có độ 
lún lớn. 
- Nền đường dẫn vào cầu chưa được xử 
lý có độ lún lớn, gây ra áp lực ngang cho các 
lớp đất bên dưới và gây ra chuyển vị ngang 
cọc mố cầu (hình 2). Chuyển vị ngang này 
phát triển lớn dần có thể gây phá hoại cọc, 
làm sụp đổ mố cầu. Hiện tượng này đã xảy ra 
ở cầu Kỳ Hà, Quận 2, TP. Hồ Chí Minh. 
36 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 26, Feb 2018 
Để giải quyết vấn đề trên, phương pháp 
hiện nay hay được sử dụng là hệ cọc XMĐ 
kết hợp vải ĐKT (hệ GRPS) vì: chi phí xây 
dựng rẻ hơn so với phương pháp sàn giảm 
tải, thời gian thi công nhanh hơn so với các 
phương truyền thống: cọc cát, bấc thấm. 
Một số nghiên cứu về hệ GRPS cho thấy 
rằng cơ chế truyền lực trong hệ đó là sự kết 
hợp giữa hiệu ứng vòm, hiệu ứng màng của 
vải ĐKT và sự tập trung ứng suất lên đầu cọc 
[1-2]. Tuy nhiên, mô hình trên chỉ mới xây 
dựng cho nền đường thông thường bằng cách 
mô phỏng mặt cắt ngang điển hình tại vị trí 
đắp cao bất lợi. Rất ít tài liệu xây dựng mô 
hình theo phương dọc cầu để mô phỏng nền 
đường và mố cầu làm việc đồng thời. 
Vì vậy, bài báo này sẽ nghiên cứu các 
vấn đề trên, nội dung trình bày: (1) xây dựng 
nền đường dẫn theo phương dọc cầu bằng 
phương pháp PTHH, (2) kiểm chứng mô 
hình, (3) áp dụng mô hình đã chọn vào cầu 
IC3 để từ đó so sánh hiệu quả của phương 
pháp gia cố bằng hệ cọc XMĐ với phương 
pháp đã sử dụng là giếng cát kết hợp gia tải. 
2. Mô hình hóa đường dẫn vào cầu: 
2.1. Chuyển đổi bài toán từ 3D về 2D 
Vì bài toán không gian 3D có số lượng 
phần tử lớn, nhiều số ẩn nên tác giả chuyển 
bài toán 3D về bài toán biến dạng phẳng 2D. 
Cọc xi măng đất (XMĐ): Hàng cọc 
XMĐ theo phương ngang được quy đổi theo 
phương pháp của Huang [3]. Theo đó hàng 
cọc tròn XMĐ được quy về dạng tường cọc 
có chiều dày bằng đường kính cọc, mođun 
đàn hồi tương đương tính theo công thức: 
w
sppp
eq
As
EAAE
E
*
*)1(* 
 (1) 
Aw: diện tích tường cọc tương đương; Ap: 
diện tích cọc XMĐ; Es, Ep: mô đun đàn hồi 
của đất, cọc; Eeq: mô đun đàn hồi của tường 
cọc; S: khoảng cách cọc. 
Cọc khoan nhồi mố cầu: Hàng cọc 
khoan nhồi cũng được quy về tường cọc. Tại 
vị trí mố cầu đắp cao nên gây ra mô men uốn 
tác dụng lên cọc khoan nhồi, nên phần tử tấm 
(plate) được sử dụng để mô phỏng, các thông 
số về độ cứng EA và độ cứng chống uốn EI 
xác định theo phương pháp Randolph [4]: 
s
IEIE
IE
sspp
weq
**
*
 (2) 
Iw: Mô men chống uốn của tường cọc; Ip: mô 
men chống uốn của cọc mố; Is: mô men 
chống uốn của phần đất nền. 
2.2. Kích thước mô hình tính toán và 
mật độ lưới PTHH 
Kích thước mô hình: Được xác định 
bằng cách xét hàm hội tụ độ lún tại điểm gần 
biên khi cho kích thước biên thay đổi. 
Lưới PTHH: Được xác định bằng cách 
xét hàm hội tụ độ lún lớn nhất nền đường khi 
cho mật độ lưới PTHH thay đổi. 
2.3. Mô hình vật liệu 
Các lớp đất: Lớp đất sét áp dụng theo 
mô hình Modified Cam Clay, vì mô hình này 
xây dựng trên cơ sở lý thuyết trạng thái tới 
hạn, ứng xử phi tuyến thông qua quy luật 
tăng bền, phù hợp với ứng xử của lớp đất sét. 
Lớp cát đắp nền đường và lớp đất chịu lực 
được áp dụng theo mô hình Morh - Coulomb. 
Vải ĐKT: Áp dụng theo mô hình đàn 
hồi tuyến tính. Thông số đầu vào chỉ có độ 
cứng EA, chỉ chịu kéo, không chịu nén. 
Mố cầu và cọc khoan nhồi: Áp dụng 
theo mô hình đàn hồi tuyến tính và sẽ kiểm 
chứng ở mục 3. 
Cọc XMĐ: mô hình Morh – Coulomb 
được áp dụng và sẽ kiểm chứng ở mục 3. 
3. Kiểm chứng, lựa chọn mô hình: 
3.1. Mố cầu: Mô phỏng 2D cho mố cầu 
được tham khảo theo tài liệu [5]. Tác giả 
dùng PLAXIS 2D để mô phỏng lại nền 
đường dẫn vào cầu Brookdale Avenue. 
Hình 3. 
Kết quả 
độ lún 
giữa tài 
liệu [5] 
và bài 
báo. 
Kết quả hình 3 cho thấy độ lún tính toán 
của bài báo gần sát với số liệu trong tài liệu 
[5]. Sở dĩ có sai số là vì lưới PTHH sử dụng 
trong bài báo là dạng mịn (số lượng phần tử 
486, kích thước phần tử 3.46), còn trong tài 
liệu [5] không thể hiện rõ. Từ đó, mô phỏng 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 26-02/2018 
37 
2D áp dụng cho mố cầu là dạng phần tử 
phẳng 15 nút, mô hình là đàn hồi tuyến tính. 
3.2. Cọc XMĐ và cọc khoan nhồi: 
Mô phỏng 2D cho cọc khoan nhồi và cọc 
XMĐ được tham khảo theo tài liệu [6]. Tác 
giả dùng PLAXIS 2D để mô phỏng lại nền 
đường dẫn vào cầu Trần Thị Lý - Đà Nẵng. 
Hình 4. 
Kết quả 
độ lún 
giữa tài 
liệu [6] 
và bài 
báo. 
Kết quả hình 4 cho thấy độ lún của bài 
báo gần sát với kết quả trong tài liệu [6]. Từ 
đó, mô phỏng 2D cho cọc khoan nhồi là dạng 
phần tử tấm, cọc XMĐ là dạng phần tử 
phẳng 15 nút, mô hình là Morh - Coulomb. 
4. Áp dụng cho cầu vượt IC3 
4.1. Hiện trạng vị trí đường dẫn 
Cầu vượt IC3-TP.Cần Thơ nằm trên 
QL1A, là cửa ngỏ về các tỉnh Sóc Trăng, Bạc 
Liêu (hình 5). Đường dẫn vào cầu dài L = 
60m, chiều cao đắp tại mố Hđắp = 3m. Mố cầu 
BTCT M350, cọc khoan nhồi ∅1000, chiều 
dày lớp đất yếu D1 = 25m. Cọc XMĐ đường 
kính ∅800. 
Hình 5. Mô phỏng đường dẫn vào cầu IC3. 
4.2. Thông số vật liệu: 
Bảng 1. Thông số vật liệu cho các lớp đất và kết cấu. 
STT Lớp đất/ kết cấu Mô hình Thông số 
1 Cát đắp nền đường Morh - Coulomb 
E = 9x103kN/m2, c = 19.25 kN/m2, = 0, ν = 0.3,  = 
19 kN/m3, sat = 19.5 kN/m3 
2 Sét mềm ModifiedCam Clay 
 = 14.6kN/m3, sat = 15 kN/m3,  = 0.209,  = 0.032, 
M = 0.566, = 5o, c = 14.68kN/m2, ν = 0.3, e0 = 
2.1160 
3 Lớp đất chịu lực Morh- Coulomb 
E = 17.5x103 kN/m2, c = 12.8 kN/m2,  = 2o, = 30o, 
ν = 0.3,  = 18 kN/m3, sat = 19 kN/m3 
4 Mố cầu Linear Elastic E = 20x106kN/m2, ν = 0.2 
5 Vải ĐKT Linear Elastic EA = 2000kN/m 
6 Cọc XMĐ Morh- Coulomb 
E = 5.87x104 kN/m2, c = 80kN/m2,  = 0, = 30, ν = 
0.22,  = 23 kN/m3 
7 Cọc mố Linear Elastic EA = 5.23 x106kN/m, EI = 8.72x103 kN/m 
4.3. Kích thước mô hình, lưới PTHH 
Biên trái: Kết quả hình 6 cho thấy khi 
biên trái thay đổi thì độ lún tại vị trí đầu 
đường dẫn hội tụ dần về ∆S=168mm. Nên 
biên trái mô hình được chọn là Lt=30m. 
Hình 6. 
Mối quan 
hệ giữa 
biên trái 
mô hình 
và độ lún 
vị trí đầu 
đường 
dẫn (đỉnh 
lớp đất 
yếu). 
Biên phải: Hình 7 cho thấy độ lún tại mép 
trên bệ mố hội tụ dần về ∆S = 131mm. Nên 
biên phải mô hình được chọn là Lp = 20m. 
Hình 7. 
Mối 
quan hệ 
giữa 
biên 
phải mô 
hình và 
độ lún vị 
trí mép 
trên bệ 
mố 
Chiều sâu mô hình: Hình 8 cho thấy độ 
lún của mũi cọc khoan nhồi hội tụ dần về ∆S 
38 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 26, Feb 2018 
= 126mm. Nên chiều sâu mô hình được chọn 
là D2 = 14m. 
Hình 8. 
Mối quan 
hệ giữa 
chiều sâu 
mô hình 
và độ lún 
tại mũi 
cọc khoan 
nhồi. 
Chọn lưới PTHH: Kết quả hình 9 cho 
thấy khi mật độ lưới PTHH thay đổi thì độ 
lún lớn nhất của nền đường hội tụ về giá trị 
 S=1590mm. Từ đó, mật độ lưới PTHH 
dạng mịn được chọn. 
Hình 9. 
Mối quan 
hệ giữa 
độ lún lớn 
nhất nền 
đường và 
mật độ 
lưới 
PTHH. 
Từ kết quả phân tích trên, biên mô hình 
được chọn lần lượt là: Lt = 30m, Lp = 20m, 
D2 = 14m. Mật độ lưới PTHH là dạng mịn 
được chọn. Mô hình hoàn chỉnh cho nền 
đường dẫn vào cầu IC3 như hình 10. 
Tải trọng kết cấu phần trên cầu được quy 
đổi về lực tập trung F = 311.98kN đặt tại gối 
cầu. Cọc XMĐ được bố trí theo 3 vùng: AB 
(2.4≤H≤3) là a=1.8m, BC (1.8≤H≤2.4) là 
a=2.0m, CD (H≤1.8) là a=2.2m. 
Hình 10. Mô hình hoàn chỉnh đường dẫn vào cầu IC3. 
4.4. Sức chịu tải của nền đường: 
Sức chịu tải của cọc XMĐ: Ứng suất 
lớn nhất tác dụng lên cọc XMĐ tính được là 
yy = 723.28kN/m2, nên cọc XMĐ chịu tải 
trọng lớn nhất là Qcol = Ap*yy = 363.37kN. 
Hình 11. ƯS pháp σyy nền đường sau khi gia cố 
(ƯSmax tác dụng lên cọc XMĐ σyy =723.28kN/m2) 
Sức chịu tải theo đất nền của cọc XMĐ được 
xác định theo công thức của Bergado: 
usoilcolultsoil CddLQ )25.2(
2 (3) 
d, Lcol: Đường kính, chiều dài cọc XMĐ; 
Es, Ep: Mô đun đàn hồi của đất, cọc; 
Cusoil: Sức kháng cắt của đất nền. 
Kết quả tính được Qultsoil = 988.28kN, lấy hệ 
số an toàn Fs = 2.5 theo Bergado Qultsoil/Fs 
= 395.31kN > Qcol = 363.37kN, vì vậy cọc 
XMĐ đảm bảo điều kiện chịu lực. 
Khả năng chịu lực của lớp đất bên dưới: 
Ứng suất lớn nhất gây ra cho lớp đất bên 
dưới đầu cọc XMĐ là yy = 356.75 kN/m2. 
Sức chịu tải của lớp đất bên dưới khối móng 
được tính theo công thức của Terzaghi: 
cqđn cNHNBNR '''
2
1
   (4) 
N’γ, N’q, N’c: Hệ số phụ thuộc vào góc nội 
ma sát của lớp đất bên dưới khối móng; 
B, H: Bề rộng, chiều sâu khối nền gia cố 
Kết quả tính được Rđn=18439 kN/m2, lấy hệ 
số Fs=2.5 Rđn/Fs =7375>yy = 356.75kN/m2 
nên lớp đất bên dưới đạt yêu cầu chịu lực. 
4.5. Độ lún nền đường sau khi gia cố 
Độ lún lớn nhất tính toán được là 
∆S=18.8cm ≤ [∆S]= 20cm (thỏa mãn yêu cầu 
quy trình 22TCN 262-2000). 
Hình 12. Độ lún lớn nhất nền đường ∆S=188mm. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 26-02/2018 
39 
4. So sánh hiệu quả của phương pháp 
gia cố nền bằng hệ cọc XMĐ với phương 
pháp giếng cát đã xử dụng trước đó 
Cầu vượt IC3 đã được thi công và khánh 
thành vào tháng 9 năm 2013. Theo thiết kế 
thì nền đường dẫn vào cầu được gia cố bằng 
giếng cát ∅400 kết hợp với đắp gia tải cao H 
= 3.8m trong vòng 3 tháng. 
Bảng 2. So sánh về mặt kỹ thuật và kinh tế. 
STT 
Chỉ tiêu so 
sánh 
Phương pháp gia cố nền 
Cọc XMĐ kết 
hợp vải ĐKT 
Giếng cát + 
gia tải trước 
1 
Độ lún 
(cm) 
∆S = 18.8 ∆S = 19 
2 
Chi phí 
(VNĐ) 
6,830,350,700 6,796,470,000 
3 
Thời điểm 
đắp nền 
Có thể đắp 
ngay 
Đợi cố kết 3 
tháng 
So sánh về mặt kỹ thuật: với cách bố 
trí cọc XMĐ như ở mục 4.3 cho thấy rằng độ 
lún khi gia cố bằng hệ cọc XMĐ là tương 
đương với phương pháp giếng cát, và đều 
thỏa mãn S≤ 20cm (22TCN262-2000). 
So sánh về mặt kinh tế: để tính chi phí 
gia cố nền bằng cọc XMĐ, tác giả dùng đơn 
giá của công trình tương tự, còn đơn giá gia 
cố nền bằng giếng cát đã có sẵn trong dự 
toán của dự án IC3. Từ bảng 2 cho thấy: 
phương án cọc XMĐ có chi phí xây dựng lớn 
hơn 0.5% so với phương án giếng cát. Tuy 
nhiên, xét về tổng thể thì phương án cọc 
XMĐ kinh tế hơn vì: có thể thi công đắp nền 
ngay sau khi thi công cọc XMĐ, trong khi đó 
phương án giếng cát phải đợi 3 tháng cho nền 
đường cố kết nên tăng thêm chi phí quản lý. 
5. Kết luận 
(1) Bằng tính toán và kiểm chứng kết 
quả, tác giả giới thiệu cách thức xây dựng mô 
hình nền đường dẫn vào cầu bằng phương 
pháp PTHH, theo đó: 
+ Mố cầu được mô phỏng 2D bằng phần tử 
phẳng 15 nút với mô hình đàn hồi tuyến tính. 
Cọc mố cầu được mô phỏng bằng phần tử 
tấm (plate), mô hình đàn hồi tuyến tính. Cọc 
XMĐ được mô phỏng bằng phần tử phẳng 15 
nút với mô hình Mohr - Coulomb. 
+ Kích thước mô hình bài toán được xác 
định bằng cách xét hàm hội tụ độ lún của 
điểm gần biên. Khi áp dụng cho công trình 
cầu vượt IC3 thì các kích thước được xác 
định lần lượt là: biên trái Lt = 30m, biên phải 
Lp = 20m, chiều sâu mô hình là D2 = 14m. 
+ Mật độ lưới PTHH cũng được xác định 
bằng cách xét hàm hội tụ độ lún lớn nhất nền 
đường. Khi áp dụng cho công trình cầu vượt 
IC3 thì mật độ lưới PTHH là dạng mịn (fine) 
được lựa chọn. 
(2) So sánh hiệu quả giữa phương pháp 
gia cố nền bằng hệ cọc XMĐ với phương 
pháp giếng cát trong điều kiện đường dẫn 
vào cầu IC3, cho thấy những vấn đề sau: 
+ Về mặt kỹ thuật: độ lún của hai phương 
pháp là tương đương đương nhau và đều thỏa 
mãn S ≤ 20cm (22TCN262-2000). 
+ Về mặt kinh tế: Phương pháp cọc XMĐ 
có hiệu quả kinh tế cao hơn so với phương 
pháp giếng cát vì: (1) chi phí xây dựng không 
chênh lệch nhiều so với phương pháp giếng 
cát kết hợp, (2) đẩy nhanh tiến độ thi công, 
có thể thi công đắp nền ngay sau khi thi công 
xong cọc XMĐ mà không cần đợi nền cố kết. 
Nên đây cũng là một gợi ý tham khảo để áp 
dụng cho các công trình tương tự 
Tài liệu tham khảo 
[1] Nguyễn Tuấn Phương, Võ Phán, Võ Ngọc Hà (2014), 
Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc trong giải 
pháp xử lý nền đường bằng cọc BTCT kết hợp với vải 
ĐKT, tạp chí và tuyển tập hội nghị trường đại học 
Thủy Lợi số 44. 
[2] Nguyễn Tuấn Phương, Châu Ngọc Ẩn, Võ Phán 
(5/2011), Phân tích ứng xử của lớp đệm cát kết hợp 
với vải ĐKT trên đầu cọc trong nền nhà xưởng chịu 
tải phân bố đều, Tuyển tập KHCN - Viện khoa học 
thủy lợi miền nam số 11. 
[3] Huang, J. (2009), Coupled mechanical and hydraulic 
modelling of geosynthetic-reinforced column 
supported embankment, PhD Thesis, Department of 
cilvil, Envoromental and Architectural Engineer, 
University of Kansas. 
[4] Randolph MF. Pilot (1981), study of lateral loading 
of pile due to soil movement caused by embankment 
loading, Report for the Department of Transport 
(HECB). 
[5] Alper Turan, Tony sanguiliano (2013), Lateral 
movement of abridge abutment due to compressible 
foundation soils, Seventh International conference on 
case histories in geotechnical enineering. 
[6] Pham Anh Tuan (1/2016), Numerical analysis of piled 
foundation reinforced with geosynthetics to support 
construction of full-height bridge abutment, 
International Jounal of Engineer, volume 7, issue 6. 
 Ngày nhận bài: 28/12/2017 
 Ngày chuyển phản biện: 2/1/2018 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 23/1/2018 
 Ngày chấp nhận đăng: 30/1/2018