Nghiên cứu sự giảm áp lực đất đắp tác dụng lên nền đất yếu được gia cố bởi các giếng cát

ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 63 
NGHIÊN CỨU SỰ GIẢM ÁP LỰC ĐẤT ĐẮP TÁC DỤNG 
LÊN NỀN ĐẤT YẾU ĐƢỢC GIA CỐ BỞI CÁC GIẾNG CÁT 
TS. PHẠM ĐỨC TIỆP, ThS. CAO VĂN HÒA, KS. TRẦN VĂN CƢƠNG 
Học Viện Kỹ thuật Quân Sự 
Tóm tắt: Trên cơ sở nghiên cứu các tiêu chuẩn 
hiện hành và thu thập số liệu thực tế thi công một 
số công trình nhóm tác giả đã xác định được phạm 
vi thay đổi của các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu giếng 
cát. Ngoài ra nhóm tác giả cũng sử dụng phương 
pháp số để mô hình hóa sự làm việc của nền đường 
đắp trên đất yếu được gia cố bởi các giếng cát để 
thấy rõ hơn phân bố ứng suất trong giếng cát và 
trong nền đất yếu, từ đó khẳng định tính hiệu quả 
của giếng cát không chỉ rút ngắn thời gian cố kết mà 
còn tham gia và phân bố tải theo chiều sâu. 
Từ khóa: Phương pháp phần tử hữu hạn, vùng 
biến dạng dẻo, lún cố kết, giếng cát. 
Abstract: In this study, the ranges of mechanical 
properties of sand drains are observed based on 
available standards and database in literature. In 
addition, embankment behavior on weak soils 
reinforced by sand drains is analyzed with numerical 
approach (i.e. Finite Element Method) to obtain the 
stress fields of sand drains and soft soil. Based on 
the results, the effectiveness of sand drain not only 
shorten consolidation time but also participate and 
distribute the load in depth. 
Key words: Finite Element Method, plastic 
deformation zone, consolidation settlement, sand 
drains. 
1. Đặt vấn đề 
Khi tính toán thiết kế công trình trên nền đất yếu 
được gia cố bằng giếng cát thường sử dụng tiêu 
chuẩn 22TCN-262-2000 “Quy trình khảo sát thiết kế 
nền đường ô tô đắp trên đất yếu – tiêu chuẩn thiết 
kế” [1]. Theo tiêu chuẩn này giếng cát chỉ có vai trò 
thu nước để tăng nhanh quá trình cố kết mà không 
có ý nghĩa nèn chặt đất xung quanh như đối với cọc 
cát. Bản thân tiêu chuẩn TCVN 11713:2017 “Gia cố 
nền đất yếu bằng giếng cát - Thi công và nghiệm 
thu” [2] cũng tập trung vào khả năng thoát nước nên 
không đề cập đến yêu cầu về mặt độ chặt của cát 
trong giếng ngoài yêu cầu tỷ lệ cỡ hạt và hệ số 
thấm của cát, mặc dù biện pháp thi công đã tạo ra 
độ chặt nhất định cho cát trong giếng. Thực tế nếu 
kết cấu giếng mà độ nèn chặt cao thì đảm bảo ổn 
định hình dạng và yêu cầu đặt ra như sơ đồ làm 
việc đối với thoát nước, ngược lại nếu kết cấu giếng 
tơi xốp thì không đảm bảo độ thẳng đứng, dễ thay 
đổi hình dạng và ảnh hưởng đến khả năng thoát 
nước. Thường trong các hồ sơ biện pháp thi công 
xử lý nền đất yếu bằng giếng cát yêu cầu thể tích 
cát cần sử dụng gấp 1,2 đến 1,3 lần thể tích của 
giếng cát thiết kế. 
V0=kyc.Vtk (1) 
trong đó: 
kyc = 1,2÷1,3 
V0 - thể tích cát cần sử dụng cho một giếng cát, 
tương ứng có hệ số rỗng ban đầu ε0; 
Vtk - thể tích giếng cát, cát trong giếng được làm 
chặt do quá trình rút ống vách và rung ống vách; 
εtk - hệ số rỗng của cát trong giếng sau khi thi 
công xong. 
Căn cứ vào công thức (1) ta có thể thiết lập 
được mối liên hệ của εtk và ε0 như sau: 
yc
yc
tk
k
k 10 

 (2) 
 Thực tế khi thiết kế thoát nước bao gồm thoát 
nước đơn thuần hoặc thoát nước kết hợp gia cố. 
Đối với việc thoát nước đơn thuần đã có nhiều 
nghiên cứu. Bài báo này các tác giả đánh giá về 
tính hiệu quả thoát nước và gia cố khi sử dụng 
giếng cát. 
Vật liệu sử dụng làm giếng thường là cát hạt 
trung hoặc cát hạt thô, giả sử cát ban đầu ở trạng 
thái rời có ε0=0,7÷1,0; thay vào (2) ta xác định được 
phạm vi thay đổi hệ số rỗng của cát trong giếng sau 
khi thi công xong: εtk=0,31÷0,67. Khoảng biến đổi 
này cho thấy sau khi thi công xong cát trong giếng ở 
trạng thái chặt vừa đến chặt. Căn cứ vào khoảng 
biến đổi của εtk và bảng B.1 – Phụ lục B của tiêu 
chuẩn TCVN 9362:2012 “Tiêu chuẩn thiết kế nền 
nhà và công trình” [3] ta xác định được các thông số 
đặc trưng về tính biến dạng (Ec=30000÷50000kPa) 
và cường độ của vật liệu cát (góc ma sát trong 
φc=35÷40
0
, lực dính cc =1÷3 kPa).
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
64 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 
Bƣớc 1: Chuẩn bị mặt bằng 
- Định vị các giếng cát; 
- Dọn dẹp mặt bằng. 
Bƣớc 2: 
- Lắp đặt búa rung lên đầu ống vách, sử 
dụng giá dẫn hướng nâng ống vách đúng vị 
trí thi công; 
- Dưới tác dụng của phản lực đất, mũi ống 
vách được đóng lại; 
- Đóng ống vách bằng búa rung. 
Bƣớc 3: 
- Cho cát vào ống vách qua phễu được gắn 
chặt trên ống vách; 
- Trong quá trình cho cát vào, cho nước vào 
ống vách bằng máy bơm, nước làm cát chặt 
hơn; 
- Sau khi cho cát vào ống vách xong, sử 
dụng búa rung để rung. Cát sẽ được nèn 
chặt dưới tác dụng của nước và lực rung. 
Bƣớc 4: 
- Khi ống vách đạt tới cao độ thiết kế sử 
dụng nhân công và máy xúc cho cát vào ống 
vách lần 2; 
- Sau khi cho cát vào ống vách xong, sử 
dụng búa rung để rung. 
Bƣớc 5: 
- Rút ống vách lên bằng búa rung thì cát đi 
ra khỏi ống vách; 
- Cùng lúc với ống vách được rút lên dưới 
trọng lượng của cát và nước đầu dưới của 
ống vách sẽ được mở ra để cát đi ra; 
- Khi rút ống vách tránh để cát đóng cục; 
- Khi cát chui khỏi hết ống vách, cát sẽ được 
tiếp tục cho vào phễu. 
Hình 1. Trình tự thi công giếng cát 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 65 
Đối với đất yếu thì mô đun biến dạng thường rất 
nhỏ (Eđy ≤5000kPa). Hệ nền đất yếu và giếng cát 
làm việc đồng thời với nhau dưới tác dụng của tải 
trọng bản thân của lớp đất đắp bên trên và tải trọng 
thi công cũng như phương tiện giao thông. Sự 
chênh lệch giữa mô đun biến dạng của giếng và đất 
yếu sẽ xuất hiện hiện tượng tập trung ứng suất rất 
lớn ở đầu các giếng, chính vì vậy áp lực tác dụng 
lên đất yếu sẽ giảm. Tuy vậy theo 22TCN262-2000 
khi tính toán nền đất yếu được gia cường giếng cát, 
phần áp lực gây lún của đất đắp đơn giản được xác 
định theo quy luật của áp lực thủy tĩnh theo phương 
thẳng đứng. Vì vậy độ lún cố kết của đất yếu tính ra 
sẽ lớn hơn so với thực tế và công tác tính toán dự 
báo lún theo thời gian có sai khác lớn. Việc mô hình 
hóa sự làm việc công trình nền đắp trên nền đất yếu 
được gia cố bởi giếng cát bằng phương pháp phần 
tử hữu hạn sẽ đáp ứng được sự làm việc phù hợp 
của mô hình, phương pháp tiếp cận được tiến hành 
như sau: 
- Phương pháp 1: mô tả độc lập đất yếu và giếng 
cát theo các giá trị đặc trưng cơ lý riêng của chúng; 
- Phương pháp 2: thay thế các đặc trưng cơ lý 
của nền đất yếu được gia cố bởi các giếng cát bằng 
các đặc trưng cơ lý lớp đất tương đương. Khi đó các 
giá trị đặc trưng cơ lý lớp đất tương đương phụ 
thuộc vào đặc trưng cơ lý của đất yếu, vật liệu giếng 
cát và mật độ giếng cát (khoảng cách giữa các giếng 
cát). 
Nếu mô phỏng theo phương pháp 2 thì hiện 
tượng tập trung ứng suất không được biểu hiện, 
nên không thấy rõ sự giảm áp lực đất đắp lên nền 
đất yếu. Vì vậy để thấy rõ được sự giảm áp lực đất 
đắp lên nền đất yếu do hiện tượng tập trung ứng 
suất đối với giếng cát trong bài báo này nhóm tác 
giả sử dụng phương pháp mô phỏng thứ 1 để đánh 
giá giếng cát về mặt chịu lực. 
2. Đánh giá khả năng chịu lực nền độc lập và 
giếng cát theo đặc trƣng cơ lý 
0.5L D L D 0.5L
H
d
y
H
I
I
II
II
Hình 2. Sơ đồ mô hình hóa hệ nền đắp, đất yếu và giếng cát 
Hình 3. Mặt bằng 1 hàng giếng cát 
(sơ đồ quy đổi bài toán không gian về 
bài toán phẳng) 
Bảng 1. Đặc trưng cơ lý của vật liệu khi mô hình hóa 
Tên lớp đất 
Dung trọng 
tự nhiên γ 
(kN/m
3
) 
Góc ma sát 
trong φ (độ) 
Lực dính 
C(kN/m
2
) 
Mô đun biến 
dạng E 
(kN/m
2
) 
Mô hình 
Đất đắp 20 40 3 50 000 Mohr - Coulomb 
Cát trong giếng 19 38 2 40 000 Mohr - Coulomb 
Đất yếu 17 14 20 4100 Mohr - Coulomb 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
66 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 
Để xác định mức độ giảm áp lực nền đắp bên 
trên tác dụng lên đất yếu tác giả mô hình hóa hệ đất 
đắp, đất yếu và giếng cát làm việc đồng thời bằng 
phần mềm Plaxis 2D (hình 2). Mô hình chỉ xem xét 
đại diện trong phạm vi 2 giếng cát (giếng cát có 
đường kính D=0,35m và khoảng cách giữa 2 giếng 
là L=1,20m). Các đặc trưng thông số đầu vào của 
vật liệu như bảng 1. 
Kết quả tính toán thấy rõ hiện tượng tập trung 
ứng suất ở đầu các giếng cát (hình 4). Ứng suất 
hữu hiệu thẳng đứng tăng lên rõ rệt ở trong giếng, 
còn trong miền đất yếu xung quanh ứng suất này lại 
giảm đi, chính vì vậy những điểm biến dạng dẻo 
chủ yếu tập trung vào giếng cát và diện tích miền 
biến dạng dẻo trong đất yếu cũng giảm đi rất nhiều so 
với trường hợp nền không có giếng cát (hình 5).
a. Không có giếng cát b. Có giếng cát 
Hình 4. Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng σz
’
(kN/m
2
) 
a. Không có giếng cát b. Có giếng cát 
Hình 5. Ứng suất cắt tỷ đối (đánh giá mức độ ổn định của điểm) 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 67 
Khảo sát sự thay đổi ứng suất thẳng đứng theo 
chiều sâu trong nền đất đắp tại mặt cắt I-I (mặt cắt 
nằm chính giữa phạm vi 2 giếng cát) và mặt cắt II-II 
(đi qua tim giếng cát) từ kết quả hình 6 cho thấy: 
- Khi không có giếng cát: đường thay đổi ứng 
suất thẳng đứng theo chiều sâu tuân theo quy luật 
áp lực thủy tĩnh ở mọi mặt cắt. 
- Khi có giếng cát: 
+ Tại mặt cắt I-I, đường thay đổi ứng suất theo 
chiều sâu chia làm 2 phần với quy luật khác nhau: 
phần đầu tiên thay đổi theo quy luật áp lực thủy tĩnh 
(đoạn thẳng OA) – tuyến tính theo chiều sâu; phần 
thứ 2 (đoạn cong AB) lệch khỏi quy luật áp lực thủy 
tĩnh, trong phạm vi này giá trị áp lực tính toán được 
sẽ nhỏ hơn tính toán theo quy luật thủy tĩnh. Bởi 
vậy áp lực tác dụng lên nền đất yếu (áp lực gây lún) 
bị giảm đi; 
+ Tại mặt cắt II-II, đường thay đổi ứng suất theo 
chiều sâu cũng chia làm 2 phần: phần đầu tiên cũng 
như đoạn OA (tương tự mặt cắt I-I); phần thứ 2 
(đoạn cong AC) lệch khỏi quy luật áp lực thủy tĩnh, 
tuy nhiên trong phạm vi này giá trị áp lực tính toán 
lớn hơn rất nhiều giá trị tính toán theo quy luật thủy 
tĩnh (do tập trung ứng suất vào vùng có độ cứng 
cao hơn). 
Hình 6. Sự thay đổi ứng suất thẳng đứng σz
’
 trong nền đắp theo chiều sâu tại mặt cắt chính giữa I-I và tim giếng cát 
II-II (cốt 0.00 – tại vị trí bề mặt lớp đất đắp) 
3. Áp lực gây lún của đất đắp tác dụng lên nền đất yếu đƣợc gia cƣờng giếng cát 
a) Ảnh hưởng của mô đun biến dạng giếng cát 
Kết quả khảo sát được thể hiện qua bảng 2 và hình 7: 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
68 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 
Bảng 2. Khảo sát sự ảnh hưởng mô đun biến dạng giếng cát đến giá trị áp lực gây lún lớn nhất 
Ec φc cc Eđ φđ cđ
Tính theo 
Plaxis 2D
Tính theo
quy luật thủy 
tĩnh
σ
z
max = γ.Hđắp
kPa độ kPa m m kPa độ kPa kPa kPa %
1 30000 35.0 1.0 0.35 1.55 2000 8.3 8 -56.81 -60 5.3
2 35000 36.5 1.5 0.35 1.55 2000 8.3 8 -56.50 -60 5.8
3 40000 38.0 2.0 0.35 1.55 2000 8.3 8 -56.17 -60 6.4
4 45000 39.0 2.5 0.35 1.55 2000 8.3 8 -55.94 -60 6.8
5 50000 40.0 3.0 0.35 1.55 2000 8.3 8 -55.71 -60 7.2
6 30000 35.0 1.0 0.35 1.55 4100 14 20 -53.22 -60 11.3
7 35000 36.5 1.5 0.35 1.55 4100 14 20 -51.98 -60 13.4
8 40000 38.0 2.0 0.35 1.55 4100 14 20 -50.81 -60 15.3
9 45000 39.0 2.5 0.35 1.55 4100 14 20 -49.73 -60 17.1
10 50000 40.0 3.0 0.35 1.55 4100 14 20 -48.92 -60 18.5
STT
Đường 
kính 
giếng
D
Khoảng 
cách giữa 
tim các 
giếng L
Sai lệch
giữa 2
phương pháp
Đặc trưng cơ lý giếng cát [3]
Đặc trưng cơ lý đất 
yếu
vùng Hải Phòng [4]
Ứng suất thẳng 
đứng lớn nhất trên bề mặt đất yếu
Hình 7. Mối tương quan độ cứng giếng cát và ứng suất gây lún lớn nhất 
Nhận xét: 
- Càng tăng mô đun biến dạng giếng cát (càng 
nèn chặt) thì ứng suất thẳng đứng lớn nhất trên bề 
mặt đất yếu càng giảm; 
 - Hai trường hợp được gia cố giếng cát có cùng 
mô đun biến dạng, cùng đường kính giếng, cùng 
khoảng cách và cùng chiều cao đất đắp, đất tự 
nhiên càng yếu (mô đun biến dạng nhỏ) thì áp lực 
gây lún trên mặt đất yếu càng lớn; 
 - Đất càng yếu thì mức độ ảnh hưởng của 
mô đun biến dạng giếng cát đến sự giảm áp 
lực gây lún tác dụng lên đất yếu không đáng 
kể. 
b) Ảnh hưởng khoảng cách giữa các giếng cát 
 Mức độ xa hay gần của các giếng cát được thể 
hiện qua tỷ số n=L/D. Kết quả khảo sát được thể 
hiện ở bảng 3: 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 69 
Bảng 3. Khảo sát sự ảnh hưởng khoảng cách giữa các giếng cát đến giá trị áp lực gây lún lớn nhất 
Ec φc cc Eđ φđ cđ
Tính theo
Plaxis 2D
Tính theo
quy luật thủy 
tĩnh
σ
z
max = γ.Hđắp
m m m kPa độ kPa kPa độ kPa kPa kPa %
1 0.35 3 1.05 1.40 40000 38 2 4100 14 20 -49.12 -60 18.13
2 0.35 4 1.40 1.75 40000 38 2 4100 14 20 -52.58 -60 12.38
3 0.35 6 2.10 2.45 40000 38 2 4100 14 20 -56.12 -60 6.47
4 0.35 8 2.80 3.15 40000 38 2 4100 14 20 -57.74 -60 3.77
5 0.35 10 3.50 3.85 40000 38 2 4100 14 20 -58.59 -60 2.34
6 0.35 12 4.20 4.55 40000 38 2 4100 14 20 -59.08 -60 1.53
STT
Sai lệch
giữa 2 
phương 
pháp
L/D
Đặc trưng giếng cát [3]
Đặc trưng đất yếu
vùng Hải Phòng [4]
Ứng suất thẳng đứng
lớn nhất trên bề mặt lớp đất yếu
Đường 
kính 
giếng
D
Khoảng 
cách 
các 
giếng
L
Khoảng 
cách 
giữa 
tim 2 
giếng
L
*
Nhận xét: 
- Giếng cát càng bố trí xa nhau (n càng lớn) thì 
áp lực gây lún lên đất yếu càng tăng; 
 - Nếu L>6D thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của 
giếng cát đến sự giảm áp lực gây lún, nghĩa là chỉ 
tính toán giếng cát đóng vai trò tăng nhanh quá 
trình cố kết. 
4. Kết luận 
 Trên cơ sở thu thập các hồ sơ thi công và 
nghiệm thu giếng cát cho thấy cát trong giếng đạt 
độ chặt từ chặt vừa đến chặt, với mức độ nèn chặt 
như vậy mô đun biến dạng của giếng cát lớn hơn 
đất yếu một cách đáng để xem xét. Sự khác biệt về 
modun biến dạng như vậy sẽ xuất hiện hiện tượng 
tập trung ứng suất ở đầu các giếng, kết quả làm 
giảm áp lực tác dụng lên nền đất yếu, giảm vùng 
ảnh hưởng lún, dẫn đến giảm độ lún cố kết. 
Qua kết quả nghiên cứu nhóm tác giả xin đưa 
ra 2 kiến nghị như sau: 
- Khi tính toán giếng cát tùy thuộc vào khoảng 
cách hay độ chặt của vật liệu giếng cần xem xét 
đồng thời 2 yếu tố: tham gia chịu lực cùng đất yếu 
và hiệu quả quá trình cố kết cho đất yếu; 
- Cần nghiên cứu tiếp về tương tác và hiệu quả 
của mô hình làm việc đồng thời khi tính toán giếng 
cát. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên 
đất yếu 22TCN262-2000. 
[2] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11713:2017 “Gia cố nền 
đất yếu bằng giếng cát - Thi công và nghiệm thu”. 
[3] TCVN 9362:2012 “Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và 
công trình”. 
[4] Hoàng Văn Tân, Trần Đình Ngô, Phan Xuân Trường, 
Phạm Xuân, Nguyễn Hải (1997). Những phương 
pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu. Nhà Xuất 
bản Xây dựng. 
[5] Добров Э.М., Нгуен Ньы Бао (2017). Учет эффекта 
зависания насыпного грунта при устройстве 
гибких ростверков на слабых основаниях. Жур-л 
«Наука и техника в дорожной отрасли», №1, 21-
23с. 
[6] Пособие по проектированию земляного полотна 
автомобильных дорог на слабых грунтах, 
Минтранса России № ОС-1067-р от 03.12.2003. 
Ngày nhận bài: 12/12/2018. 
Ngày nhận bài sửa lần cuối: 19/4/2019.