Mô hình thí nghiệm cọc đá balat trên đất yếu trong phòng thí nghiệm: Phương pháp thay thế

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 49 
MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CỌC ĐÁ BALAT TRÊN ĐẤT YẾU 
TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM: PHƯƠNG PHÁP THAY THẾ 
PHAN VÕ THU PHONG
*
Simulation in laboratory for installation of stone columns in soft 
soils : substitution method 
Abstract - This article concerns the consolidation process of clay 
(kaolin) reinforced by ballast stone columns. Research work is based on 
laboratory experiments and mainly derived from the reduced 
reinforcement model of rock pile. The role of soil reinforcentnt with 
ballast pile by "substitution method" will be clairi fied at the same time 
taking into account of the influence of pile diameter in the 
implementation process on the settlement of the land after reinforcement. 
Keywords: Reinforcement, stone column, method of construction, 
compaction. 
1. LỜI NÓI ĐẦU * 
Việc áp dụng các giải pháp gia cố nền đất 
yếu đã được phổ biến rộng rãi ở Việt Nam, 
tuy nhiên giải pháp gia cố đất yếu bằng cọc 
đá balat chưa được đề cập nhiều. Kỹ thuật 
này được áp dụng đầu tiên ở Đức năm 1936, 
sau đó xây được cải tiến và sử dụng nhiều 
cho những công trình xây dựng trên đất sét 
yếu ở các nước châu Âu cũng như ở Mỹ. Khi 
ứng dụng giải pháp gia cố này, nền đất yếu 
được cải thiện bởi hai yếu tố: thứ nhất là từ 
vật liệu gia cố do chúng có những tính chất 
tốt hơn đất được gia cố, thứ hai là từ sự nén 
chặt của vùng đất xung quanh cọc do 
phương pháp chế tạo và do việc đầm nén vật 
liệu gia cố trong quá trình thi công. Chủ đề 
này cũng đã được nhiều nhà khoa học làm 
rõ bằng phương pháp phần tử hữu hạn, tức 
là việc xét đến sự nở hông của cọc khi thực 
hiện cọc gia cố dựa trên mô hình ứng xử của 
đất được gia cố (Rangeard và nnk, 2005; 
Flaviny và nnk, 2006). 
*
 Trường Đại học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia 
thành phố Hồ Chí Minh 
 pvtphong2001@gmail.com 
Bài báo xem xét chủ yếu ảnh hưởng của 
phương pháp thi công và đường kính cọc đơn 
đến quá trình cố kết của đất yếu sau khi gia cố 
bằng cọc đá balat. Để đơn giản và thuận tiện 
cho việc thực hiện, đồng thời để tránh sự 
biến đổi tính chất tự nhiên của mẫu đất gia cố, 
chúng tôi làm việc trên mẫu đất được chế bị tại 
phòng thí nghiệm từ một loại đất sét đồng nhất 
với những đặc tính được xác định rõ ràng, đó là 
cao lanh. Những cọc cát áp dụng trong nghiên 
cứu này được chế bị theo phương pháp thay 
thế không đầm nén. 
Nhiều đề tài đã nghiên cứu về ứng xử của 
cọc đá balat ở phòng thí nghiệm xét trên các 
mô hình thu nhỏ là khối đất yếu và cọc cát. 
Chúng ta có thể kể ra ở đây những công trình 
nghiên cứu của Sivakumar và nnk (2004); 
Black và nnk (2006) hoặc Ammar và nnk 
(2009)... Tuy nhiên, các nhà khoa học này chỉ 
quan tâm đến vai trò của đường kính và chiều 
sâu cọc lên hiệu quả của việc gia cố đất mà 
chưa xem xét đến ảnh hưởng của phương 
pháp thi công. 
Trong khuôn khổ của công việc này, chúng 
tôi cũng quan tâm đến việc chế tạo cọc sao cho 
thật sát với quy trình thực hiện thi công cọc đá 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 50 
balat ở công trường. Thật vậy, những cọc cát 
thực hiện trong phòng được chế tạo từ một bộ 
thiết bị cho phép thực hiện một hố khoan, sau 
đó thay thế đất yếu bởi vật liệu gia cố cọc bằng 
cách đổ vật liệu gia cố vào hố khoan mà không 
đầm nén (do đó được gọi là phương thay thế 
không đầm nén). Trong quá trình thực hiện, 
nhiều cọc cát cũng đã được chế tạo với những 
đường kính hố khoan khác nhau. Sau đó, 
những khối đất gia cố này (nghĩa là mẫu đất thí 
nghiệm có chứa một cọc cát) được đặt dưới 
cùng một tải trọng phân bố đều để tiến hành 
cố kết nhằm đánh giá ảnh hưởng của đường 
kính cọc gia cố và phương pháp chế tạo lên 
ứng xử của hỗn hợp đất và cọc. 
2. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 
Cát được sử dụng cho mô hình này là cát tự 
nhiên lấy từ sông Loire ở Pháp. Sau đó cát 
được rây sàng và rửa sạch. Để vật liệu được 
đồng nhất, có xét đến khối lượng cát sử dụng 
chế tạo cọc là nhỏ và vật liệu này đảm nhiệm 
vai trò màng lọc nước trong quá trình cố kết 
(Degoutte và nnk, 2005), chúng tôi sử dụng cát 
có thành phần hạt trong khoảng từ 1,00 mm đến 
1,25 mm. 
Đất sử dụng trong nghiên cứu này là cao lanh 
công nghiệp ở dạng bột khô. Các giá trị về giới 
hạn chảy wl và giới hạn dẻo wp của chúng cũng 
được xác định theo tiêu chuẩn của Pháp (NF P 
94-051) và có giá trị lần lượt là 55 % và 39 %. 
Các mẫu đất nghiên cứu ở đây được cố kết 
trước một phần từ cao lanh công nghiệp khi 
trộn lẫn chúng với nước theo hàm lượng bằng 
hai lần giới hạn chảy. Tức là cao lanh sẽ được 
làm ẩm và bảo quản trong một bao kín không 
rò sau 24 giờ để việc làm ẩm thật sự đồng 
đều. Sau đó, chúng ta sẽ đổ hỗn hợp cao lanh 
ẩm vào trong khuôn cứng hình trụ được làm 
bằng gang có đường kính là 150 mm và chiều 
cao là 200 mm, tiếp đến là đặt mẫu dưới tác 
dụng của lực phân bố đều có cường độ tăng 
dần cho đến khi đạt được một áp lực là 50 kPa 
(hình 1). 
Hình 1. Mẫu đất nghiên cứu 
Mỗi cấp áp lực cần được duy trì trong một 
thời gian đủ dài cho đến khi độ lún của mẫu ổn 
định (vượt qua gia đoạn cố kết thứ nhất). Trạng 
thái đạt được ở cấp tải cuối cùng (50 kPa) gọi là 
tình trạng ban đầu của mẫu đất nghiên cứu và đó 
cũng chính là mẫu tham chiếu để tiến hành chế tạo 
những cọc cát gia cố. 
Dựa vào các thí nghiệm cổ điển ở phòng thí 
nghiệm (thí nghiệm nén cố kết (XP P 94-090-1), 
thí nghiệm nén ba trục (NF P 94-074)), những 
đặc trưng cơ lý của mẫu đất cũng được xác định. 
Các mẫu dùng để làm thí nghiệm được trích 
từ mẫu đất nghiên cứu ban đầu chứa trong 
khuôn bằng các dụng cụ chuyên dụng. Những 
giá trị về cơ lý của đất được thể hiện chi tiết 
trong tài liệu tham khảo [11] và được tóm lược 
trong bảng 1. 
Bảng 1. Đặc trƣng cơ lý mẫu đất nghiên cứu 
Chỉ số 
nén 
Chỉ số 
nở 
Áp lực 
tiền cố 
kết 
Lực 
dính hữu 
hiệu 
Góc 
ma sát 
hữu 
hiệu 
Cc Cs ı’p (kPa) c' (kPa) φ’ (độ) 
0,5 0,1 50 0 21 
3. MÔ HÌNH CHẾ TẠO CỌC ĐÁ BALAT 
Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM THEO PHƢƠNG 
PHÁP THAY THẾ KHÔNG ĐẦM NÉN 
Mô hình chế tạo những cọc cát trong phòng 
thí nghiệm từ những mẫu đất ban đầu đã chuẩn 
bị ở mục §2 nhằm để mô phỏng các điều kiện khi 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 51 
áp dụng phương pháp thi công cọc đá balat ở 
ngoài thực tế. Chính xác hơn là sẽ mô phỏng lại 
sự thay thế đất yếu bằng đất gia cố tốt hơn dưới 
tác dụng của áp lực cố kết. 
Dụng cụ được sử dụng để chế tạo cọc cát 
chủ yếu bao gồm một bộ ống inox có đường 
kính trong (Φo) từ 10 mm đến 25 mm, bề dày 
của ống là 0,12 mm. Các giai đoạn chế tạo cọc 
cát theo phương thay thế không có đầm nén 
được thực hiện một cách tuần tự như sau: 
- Bước 1: một thiết bị dẫn hướng được lắp 
đặt cố định lên khuôn mẫu, thiết bị này được 
liên kết với tấm đệm cứng hình vành khăn đặt 
lên bề mặt cao lanh thông qua các bulông 
để giữ cố định khối đất trong quá trình chế 
tạo cọc cát. Ống inox (đầu mở) được đóng 
vào trong khối cao lanh đến sát đáy khuôn 
(hình 2a). 
- Bước 2: cao lanh được trích ra bởi một 
lưỡi khoan có đường kính bằng đường kính 
trong của ống inox (hình 2b). 
- Bước 3: một khối lượng cát được rót vào 
để tạo thành một lớp có chiều cao hlớp, với giả 
định dung trọng cát sau khi rơi tự do trong ống 
inox là 1,5 t/m
3
 (hình 2c). 
- Bước 4: một pít-tông bằng nhôm có đường 
kính tương tự với mũi khoan được đưa vào tiếp 
xúc với bề mặt lớp cát và được cố định bằng 
thanh giữ (hình 2d). 
- Bước 5: ống inox được nâng lên một đoạn 
bằng chiều cao hlớp (hình 2e). 
- Bước 6: lớp cát này được nén nhẹ dưới 
trọng lượng của pít-tông (3 N) (hình 2f). 
Các bước từ 3 đến 6 được lặp đi lặp lại cho 
đến khi cột cát được hình thành, nghĩa là chiều 
cao cột cát bằng với chiều cao của khối đất 
(hình 2g). 
- Bước 7: bề mặt của khối đất gia cố được 
bao phủ bởi một lớp cát dày 15 mm (hình 2h). 
- Bước 8: cột cát được đổ đầy nước và bão 
hòa ít nhất 24 giờ trước khi đặt tải (hình 2i). 
Hình 2. Quy trunh chế tạo cọc cát theo 
«phương pháp tha thếª không đầm nén 
Trong trường hợp này, lực đầm nén truyền 
lên vật liệu gia cố rất bé và do đó lực tác dụng lên 
đất xung quanh cọc cũng rất bé. Với mục đích 
phân tích ảnh hưởng của đường kính cọc gia cố lên 
đặc tính của hỗn hợp đất/cọc sau khi gia cố dưới 
một áp lực cố kết, nhiều cọc cát với những 
đường kính khác nhau từ 14 mm đến 28 mm đã 
được thực hiện bằng phương pháp này. 
Việc theo dõi độ lún của mỗi lớp gia cố trong 
quá trình chế tạo nhờ vào đồng hồ đo chuyển vị 
cho phép tính độ lún trung bình (htb) trên toàn 
bộ chiều cao cọc cát (ho). Sau đó xét biến dạng 
thẳng đứng trung bình (tb) của mỗi lớp gia cố 
trong lúc chế tạo cọc: 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 52 
εtb = ¨htb / hlớp (1) 
Kết quả tính toán được tổng hợp trong bảng 2. 
Bảng 2. Bảng tổng hợp độ lún và biến dạng 
thẳng đứng trung bình của mỗi lớp gia cố 
Mẫu I II
III IV V 
Фo 
(mm) 
11,9 13,8 15,8 20,1 25,1 
F (N) 3 3 3 3 3 
ıđn (kPa) 28 21 16 10 6 
hlớp 
(mm) 
18,4 22,7 24,2 19,9 9,4 
Δhtb 
(mm) 
5,5 6,3 6,0 3,1 2,1 
tb(%) 30 28 25 15 22 
Chúng tôi thấy rằng mặc dù áp lực đầm nén rất 
nhỏ nhưng độ lún trung bình của mỗi lớp gia cố dao 
động từ 2,1 mm đến 5,5 mm và biến dạng thẳng 
đứng trung bình thay đổi từ 22% đến 30% tỷ theo áp 
lực đầm nén. Diễn biến này được thể hiện trên hình 3. 
Hình 3. Sự tiến triển biến dạng thẳng đứng trung 
bình theo áp lực đầm nén của các mẫu thí nghiệm 
Đối với mỗi cọc được thực hiện, đường kính 
trung bình của cọc cát (Φtb) được xác định dựa 
vào số lượng cát đã được đổ vào trong lúc chế 
tạo. Sự tăng trưởng của đường kính cọc cát 
(¨Φtb/Φo) theo áp lực đầm nén rất nhỏ dưới trọng 
lượng của pít-tông được tính theo công thức: 
¨Φtb / Φo = (Φtb - Φo) / Φo (2) 
Để thấy rõ hơn nữa sự tăng tương đối của cọc 
so với đường kính hố khoan, chúng tôi xem xét 
tỉ lệ thay thế trước và sau gia cố vật liệu, tỉ lệ 
này được xác định bởi hệ số thay thế: 
A
A
a c (3) 
Với : Ac là diện tích của cọc cát sau khi thi 
công ; A là diện tích toàn bộ vùng ảnh hưởng 
của cọc và diện tích cọc (trong trường hợp này, 
A là diện tích của khuôn). 
Các kết quả trên được tổng hợp trong bảng 3 
và thể hiện trên hình 4. 
Bảng 3. Bảng tổng hợp đƣờng kính cọc và tỉ 
lệ thay thế của các mẫu thí nghiệm 
Mẫu I II III IV V 
Фo (mm) 14,2 16,1 17,4 21,8 28,5 
 Фtb / Фo (%) 20 17 11 8 13 
ao (%) 0,6 0,8 1,1 1,8 2,8 
atb (%) 0,9 1,1 1,4 2,1 3,6 
 atb / ao (%) 43 37 22 17 28,4 
Xét đến đường kính của khuôn hình trụ chứa 
mẫu đất gia cố là 150 mm, thu các tỉ lệ trộn được 
áp dụng cho phương pháp chế tạo này vào 
khoảng 3 %. Chúng ta ghi nhận rằng tỉ lệ này vẫn 
còn nhỏ hơn đối với tỉ lệ trộn đã sử dụng ở ngoài 
thực tế (Dhouib et Blondeau, 2005). 
Hình 4. Sự tăng trưởng của đường kính cọc 
và tỉ lệ thay thế theo áp lực nén tĩnh, dưới 
trọng lượng của pít-tông 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 53 
Chúng ta thấy rằng sự tăng tương đối đường 
kính cọc cát tỉ lệ với áp lực đầm nén mặc dù áp 
lực này rất nhỏ, điều đó cho thấy nó cũng làm nở 
hông một phần cọc cát trong quá trình chế tạo. 
4. ỨNG XỬ TRONG QUÁ TRÌNH CỐ 
KẾT CỦA CÁC KHỐI ĐẤT ĐƢỢC GIA CỐ 
Để đánh giá ảnh hưởng của việc gia cố đất 
đối với ứng xử của khối đất sét sau khi thực hiện 
gia cố bằng cọc cát, chúng tôi đặt chúng dưới 
một áp lực phân bố đều là 150 kPa. Áp lực phân bố 
này được duy trì trong thời gian đủ dài để giai 
đoạn tiền cố kết hoàn toàn kết thúc. Kết quả cụ 
thể được trình bày dưới đây. 
Những đường cong diễn biến độ lún được thể 
hiện ở hình 5. Đường cong biểu diễn độ lún của 
một mẫu cao lanh không được gia cố cọc cát 
cũng được biểu thị đồng thời trên hình này. 
Đường cong này cũng là đường cong tham 
chiếu biểu thị cho đất hoàn toàn chưa được xử 
lý. Như đã tiên đoán, chúng ta ghi nhận rằng, 
độ lún của những khối đất được gia cố bởi 
cọc cát là nhỏ hơn độ lún của khối đất thuần 
túy (đất không gia cố cọc cát) và điều này được 
nhận thấy một cách rõ ràng hơn đối với những 
cọc có đường kính lớn hơn 20 mm. Hơn nữa, 
dường như đường kính của cọc cát cũng ảnh 
hưởng quan trọng đến biên độ lún của khối đất. 
Hình 5. Độ lún theo thời gian dưới tác dụng tải 
phkn bố đều 150 kPa Những cọc cát được chế tạo 
theo phương pháp thay thế không đầm nén 
Để thấy một cách rõ ràng ảnh hưởng của 
việc chế tạo cọc theo phương pháp chế tạo này, 
chúng ta xem xét tỉ lệ giảm độ lún Tr được 
xác định bằng biểu thức sau: 
 (4) 
với ¨hkc là độ lún thuần túy của khối đất khi 
không có gia cố (mẫu tham chiếu), ¨hcc là độ lún 
của khối đất khi có gia cố bằng một cọc cát. 
Tính đến hình dạng của đường cong biểu 
diễn về độ lún (hình 5), giá trị độ lún được 
xem xét trong mỗi trường hợp sử dụng để tính 
trong công thức (4) là độ lún được đo ở cùng 
một thời điểm 105 giây. Kết quả được thể hiện 
trong bảng 4 và trên hình 6. 
Bảng 4. Tỉ lệ giảm độ lún của các 
mẫu thí nghiệm 
Mẫu I II III IV V 
Фo 
(mm) 
14,2 16,1 17,4 21,8 28,5 
Tr 
(%) 
0,8 1,5 3,4 8,4 13,6 
Chúng ta thấy rằng, đường kính cọc cát càng 
lớn, tỉ lệ giảm độ lún càng lớn và giá trị này đạt 
13,6% ứng với tỉ lệ trộn 3,6%. Mặt khác, ứng 
xử của một cọc đơn cũng khác biệt so với ứng 
xử của một cọc nằm trong nhóm (Wehr, 2004). 
Nhất là, sự phân tích ứng xử của một nhóm cọc 
được hunh thành từ việc gộp chồng các ứng 
xử của những cọc đơn dẫn đến một sự đánh giá 
thấp về hiệu quả của việc gia cố. 
Những phương pháp tính toán độ lún được 
dựa trên nền tảng đơn giản về sự đồng nhất của 
những đặc tính biến dạng của đất và của cọc 
(theo tỉ lệ về diện tích) ứng với trường hợp chế 
tạo cọc bằng phương pháp thay thế, khi những 
đặc trưng cơ lý của đất không hoặc ít tác dụng 
đến phương pháp thi công cọc. 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 54 
Hình 6. Sự giảm đ lún theo đường kính cọc 
5. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu này giải quyết ảnh hưởng của 
các phương pháp thi công cọc đá balat dựa trên 
việc gia cố đất sét yếu. Một nghiên cứu về mô 
hình thu nhỏ ở phòng thí nghiệm đã cho phép 
làm rõ vai trò phương pháp chế tạo cọc và cố 
kết của đất yếu khi được gia cố. Mặc dù việc 
đầm nén nhỏ nhưng biến dạng thẳng đứng của 
cọc trong quá trình chế tạo có thể đạt đến 30% 
tương ứng với áp lực đầm nén tĩnh là 28 kPa và 
điều đó đã làm tăng đường kính cọc lên đến 
20%, việc này cũng chứng tỏ đất xung quanh 
cũng bị ép chặt một phần khi chế tạo bằng 
phương pháp thay thế không đầm nén. Vai trò 
của đường kính cọc gia cố cũng đồng thời được 
sáng tỏ, đường kính cọc càng lớn, sự giảm độ 
lún càng lớn và giá trị này đạt 13,6% ứng với 
hệ số thay thế 3,6%. 
TÀI LIỆU TH M KHẢO 
1. Ambily A.P. and Gandhi S.R., «Behavior 
of Stone Columns Based on Experimental 
and FEM 
Analysis », Journal of Geotechnical and 
Geoenvironmental Engineering, 2007, pp.405-414. 
2. Ammar A.M.S., Liu X., Lin H. et Ren 
J., « Enlarged base stone columns to improve 
soft clay soil», International Conference on 
Transportation Engineering 2009 (ICTE 2009), 
2009, pp.4240-4245. 
3. Black J., Sivakumar V., Madhav M. R., 
and McCabe B., « An Improved Experimental 
Test Set-up to Study the Performance of 
Granular Columns », Geotechnical Testing 
Journal, Vol. 29, N° 3, 2006, p.193-199. 
4. Degoutte G., Royet P., Aide mémoire 
de mécanique des sols, Réédition, Paris, 2005. 
[5]. Dhouib A., Blondeau F., 
Colonnes Ballastées, Presses de l’École 
National des Ponts et Chaussées, Paris, 2005. 
[6]. Phan V.T.P., Renforcement des 
sols compressibles par colonnes ballastées, 
Thèse de doctorat, Université Européenne de 
Bretagne - INSA de Rennes, 2010. 
[7]. Rangeard D., Guillard R., Sadek 
M., « Caractérisation mécanique d’une colonne 
ballastée à partir d’essais pressiométrique », 
Proc. Int. Symp. 50 Years Pressuremeter 1, 
2005, pp.637-644. 
[8]. Sivakumar V., McKelvey D., Graham 
J., and Hughes D., «Triaxial tests on model 
sand columns in clay», Can. Geotech. J. 41, 
2004, pp. 299-312. 
[9]. Wehr J. (2004) Stone columns - 
Single columns and group behaviour. Proc. 
5
th
 Int. Conf. Ground Imp. Tech., 329-340. 
Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƯỜNG