Ứng dụng công nghệ phụt vữa thành trong việc gia tăng sức chịu tải cọc khoan nhồi

ều hạn chế dẫn đến việc tính toán và mô phỏng còn thiếu tính chính xác. Đề tài nghiên cứu thêm sự thay đối tính chất cơ lý của đất sau phụt vữa, sử dụng các kết quả thí nghiệm tải cọc khoan nhồi bằng hộp Ocell có được tại khu vực Tp. Hồ Chí Minh kết hợp với phần mềm Plaxis để so sánh, đánh giá sự cải thiện sức kháng hông đơn vị của cọc có phụt vữa, đồng thời đưa ra các hệ số cải thiện thực tế cho vài loại đất. ABSTRACT Improving bored pile capacity by high pressure grouting injection into surrounding soil changes soil properties significantly. However, the study about soil properties after grout injection still have a lot of limitation. This report researches the changing physical properties of soil after grouting, uses the data from the Ocell load test for bored pile in Ho Chi Minh city and result from Plaxis 2D to evaluate, analyze and compare the enhancement between grouting and non- grouting bored pile to get the enhancement factor for several typical types of soil. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Do xu hướng ngày càng xuất hiện các công trình cao tầng, các công trình có tải trọng lớn dẫn đến việc thiết kế nền móng yêu cầu các cọc có sức chịu tải lớn hơn. Trong một chừng mực nào đó thì đường kính của cọc có giới hạn và đi kèm các rủi ro cao khi phát triển cọc có đường kính lớn. Các công nghệ tăng sức chịu tải đất nền của cọc theo đất nền đã được ứng dụng, trong đó công nghệ phụt vữa thành cọc trong những năm gần đây đã chứng minh sự cải thiện đáng kể sức chịu tải theo đất nền của cọc dẫn đến giảm đáng kể số lượng và đường kính cọc, đồng thời rút ngắn thời gian thi công cũng như giảm thiểu chi phí thi công nền móng một cách đáng kể. Do đó cần có các nghiên cứu cụ thể về cọc có phụt vữa thành để ứng dụng rộng rãi hơn trong thiết kế và thi công cọc khoan nhồi cũng như cọc barrette trong tương lai. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng các công thức lý thuyết có sẵn. Sử dụng các kết quả thực nghiệm có được để đánh giá sự thay đổi tính chất của đất sau khi phụt vữa. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 407 Sử dụng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm Plaxis kết hợp các kết quả thí nghiệm thử tải để đánh giá sự cải thiện sức chịu tải của đất sau khi phụt vữa. 3. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHỤT VỮA Các ống phụt vữa được lắp theo chu vi của cọc từ cao độ mặt đất cho đến đáy của vùng được phụt vữa. Trong vùng phụt vữa, các van “Manchettes” được gia công trên các ống phụt vữa. Một đầu phụt vữa có gắn các van chặn bên trên và bên dưới vị trí van “Manchettes” sẽ được đưa vào ống phụt vữa, vì vậy có thể cô lập từng van “Manchettes” riêng biệt và tiến hành bơm vữa một cách có kiểm soát thông qua các van “Manchettes” ra bề mặt ngoài của cọc. Cấp phối đề xuất như sau: • 100 kg xi măng • 50 lít nước • 1 lít phụ gia Sikament Bảng 1. Số lượng ống phụt vữa và đường kính cọc Đường kính cọc (mm) Số lượng ống phụt vữa Khoảng cách lý thuyết (m) 1.000 4 0,79 1.200 4 0,94 1.350 5 0,85 1.800 6 0,94 2.000 7 0,90 2.500 8 0,98 3.1. Quy trình phun vữa áp lực cao 3.1.1. Thông các van “Manchettes” Khi ống phun vữa được hạ và đổ bê tông cùng với cọc nhồi, cần thiết phải làm thông vùng bê tông giữa ống phụt vữa và thành cọc trước khi bê tông đạt được cường độ quá cứng. Trong thực tế, công tác thông các van “Manchettes” hiệu quả nhất khoảng 12h sau khi bê tông đạt cường độ. 3.1.2. Công tác phụt vữa Sau một khoảng thời gian xác định trước sau công tác thông van “Manchettes”, công tác phụt vữa có thể tiến hành. Các nắp tạm sẽ được mở và kiểm tra lại chiều sâu của ống phụt vữa. Một lượng vữa yêu cầu sẽ được bơm qua van “Manchettes” và đến bề mặt tiếp xúc của cọc và đất. Các packer sẽ được xả căng và di chuyển đến vị trí phụt vữa kế tiếp. Lượng vữa yêu cầu được bơm khoảng 35 lít/m2 của bề mặt cọc. Công tác phụt vữa sẽ được dừng khi mà lượng vữa yêu cầu đạt được hoặc đạt áp lực tối đa là 60 bars. 3.2. Hiệu quả ổn định sau phụt vữa Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sức chịu tải của cọc sau khi phụt vữa không hề suy giảm theo thời gian. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 408 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Hình 1. Quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc cho cọc có phụt vữa trong đất sét ở giai đoạn gia tải ban đầu và gia tải lại [4] Hình 2. Quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc cho cọc có phụt vữa trong đất cát ở giai đoạn gia tải ban đầu và gia tải lại [4] 3.3. Cơ chế của việc gia tăng khả năng chịu tải của cọc có phụt vữa Cơ chế gia tăng sức chịu tải của cọc bằng phương pháp phụt vữa đã được tổng quát theo Stocker và Troughton & Stocker như sau: - Bê tông ở chu vi của cọc bị nứt và đẩy ra vào vùng đất xung quanh tạo thành cơ chế giằng vào đất, lấp đầy các khoảng trống ở vùng đất xung quanh. - Việc gia tăng áp lực thành bên do việc gia tăng mật độ của đất vào vùng đất tương tác xung quanh đã bị mềm trong quá trình thi công. - Trong đất dạng hạt, việc xi măng hóa các phân tử đất trong vùng tương tác có thể xảy ra do việc thâm nhập của vữa vào trong các lỗ rỗng của đất. - Việc phun vữa tạo ra màng nữa cứng xung quanh thành cọc với các điểm tập trung tại khu vực gần lỗ phun vữa, tuy nhiên đường di chuyển của vữa có thể nhất một khi vữa đã ra đến bề mặt của cọc là theo đường có sức kháng thấp nhất, đó chính là theo đi thẳng lên theo bề mặt ngoài của cọc lên đến mặt đất. - Áp suất của việc bơm vữa làm gia tăng ứng suất theo phương ngang và sức kháng cắt của đất xung quanh thành cọc. Bên cạnh đó, việc gia tăng sức kháng cắt của đất, mô đun kháng cắt cũng gia tăng theo. Dẫn đến khi có lực tác dụng, biến dạng trượt của đất sẽ nhỏ hơn. Vì vậy, trong trường hợp cọc đạt đến tải trọng giới hạn, ứng suất cắt dọc thành cọc được phun vữa sẽ rất lớn. Trong phạm vi bán kính ảnh hưởng, ứng suất cắt của cọc có phun vữa lớn hơn nhiều so với cọc thông thường đỗ tại chỗ, nhưng biến dạng trượt lại nhỏ hơn do mô đun kháng cắt lớn hơn tại cùng bán kính. Do đó, hệ số ảnh hưởng nhóm cọc có thể được giảm lại. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 409 4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC ĐỔ TẠI CHỖ ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN VỮA THÀNH CỌC 4.1. Phương pháp tính sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền Vùng đất sau khi phun vữa có các tính chất vẫn tuân theo mô hình Mohr- Columb. Công thức tính kháng đơn vị dọc thân cọc vẫn có thể áp dụng các công thức tính sức kháng đơn vị thông thường (1) Đối với cọc có phụt vữa, cường độ của đất được phụt vữa tùy thuộc vào tính chất của vữa được sử dụng (hàm lượng nước/ xi măng, loại xi măng) nhưng cũng còn tùy thuộc vào các yếu tố khác. Trong đó phải kể đến như loại đất, độ chặt, thành phần cỡ hạt... Đất càng rỗng, vữa càng dễ xâm nhập, sự cải thiện càng tăng. Các thí nghiệm cho thấy, đất sau khi phụt vữa, lực dính cải thiện đáng kể, tuy nhiên đối góc ma sát không thay đổi nhiều. Sự cải thiện góc ma sát chỉ xuất hiện đối với đất sét pha hoặc cát hạt lớn. Cần tiến hành các thí nghiệm cho từng loại đất cụ thể để xác định chính xác lực dính và góc ma sát sau phụt vữa. Hình 3. Thí nghiệm nén 3 trục cho mẫu đất cát phụt vữa và không phụt vữa [8] 4.2. Phương pháp tính sức chịu tải theo thực nghiệm 4.2.1. Đối với đất sét Sức kháng hông được tính như sau: fi=α x Cu (2) Trong đó Cu= 5N (N: Chỉ số SPT); Hệ số dính α=0.5, ứng với cọc thông thường; α=1, ứng với cọc phụt vữa. 4.2.2. Đối với đất cát fi= β σ’v (Phương pháp β- Bruland -1973); (3) 1. C=0,0 kN/m2, φ= 390 Av.R.D. = 73% 2. C=172 kN/m2, φ= 400 Av.R.D. = 59% TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 410 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM β=Ks. tan Giá trị của hệ số áp lực đất Ks dựa trên loại đất, lịch sử ứng suất của đất và phương pháp thi công cọc. Đối với những cọc bình thường, giá trị sức kháng thành vào khoảng 120 KN/m2. Đối với những cọc có phụt vữa thành cọc, giá trị sức kháng thành vào khoảng 260 KN/m2. Các kết quả thực nghiệm khác cũng cho thấy sức kháng hông của cọc được phun vữa cao gấp 2 đến 3 lần so với cọc không phụt vữa. Đặc biệt ở vùng cát hạt lớn có lẫn sỏi, giá trị sức kháng hông tăng đáng kể, có thể đạt đến hơn 400 KN/m2. 5. SO SÁNH, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THỬ TẢI GIỮA CỌC CÓ PHỤT VỮA THÀNH VÀ CỌC BÌNH THƯỜNG TẠI KHU VỰC TP. HỒ CHÍ MINH Tại khu vực quận 7, Tp Hồ Chí Minh, nhà thầu Bauer đã thi công CTN-C3 (D2000-84.5m- có phụt vữa thành cọc - Chiều dài đoạn phụt vữa là 20.0 từ mũi cọc đi lên) và cọc thí nghiệm CTN-C1 (D2000-80m-không phụt vữa). Kết quả so sánh sức kháng hông trung bình đo được giữa cọc phụt vữa CTN-C3 (-77,85 m đến -64,35 m) và không phụt vữa CTN-C1 (-77,30 m đến -64,35 m) được thể hiện trong bảng dưới Bảng 2. So sánh sức khánh hông trung bình đo được giữa CTN-C1 và CTN-C3 Vùng xét Địa chất CTN-C1 (Không phụt vữa) CTN-C3 (Có phụt vữa) Sức Kháng hông đơn vị Sức kháng hông đơn vị TB Sức kháng hông đơn vị Sức kháng hông đơn vị TB Hộp Ocell đến thiết bị đo dạng lớp 4 Cát chặt 257 KN/m2 217 KN/m2 Thiết bị đo biến dạng lớp 4 đến lớp 3 204 KN/m2 147 KN/m2 262 KN/m2 Thiết bị đo biến dạng lớp 3 đến lớp 2 84,7 KN/m2 144 KN/m2 Thiết bị đo biến dạng lớp 2 đến lớp 1 138 KN/m2 - Giá trị sức hông được tối đa gia tăng rõ rệt ở cọc có phun vữa phụt thành, so sánh giữa 2 cọc ở cùng độ sâu, cùng loại đất ta nhận thấy giá trị này lớn hơn khoảng tăng 47% (~ 1,47 lần) và còn có thể phát triển lớn hơn vì sức kháng hông Cọc C1 đã đạt đến giá trị tối đa trong khi cọc C3 còn tiếp tục tăng lên nếu tiếp tục gia tải. 5.1. Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis và so sánh với kết quả thí nghiệm có được Tiến hành mô phỏng cọc C1 không phụt vữa so sánh với kết quả thí nghiệm hiện trường cho độ lún và sức chịu tải tương đương, tiếp tục mô phỏng cọc C*3 có cùng đường kính, độ sâu và không phụt vữa và so sánh với kết quả của cọc C3 có phụt vữa ta có kết quả sau: TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 411 Bảng 3. Tổng hợp ứng suất dọc thân cọc giữa cọc có phụt vữa C3 và cọc không phụt vữa mô hình C*3 Cấp tải Giá trị tải (MN) Ứng suất tiếp bên trên hộp Ocell (Đoạn không phụt vữa cọc C3 và C*3) Ứng suất tiếp bên dưới hộp Ocell (Đoạn phụt vữa cọc C3 và không phụt vữa C*3) Cọc C*3 Cọc C3 % thay đổi Cọc C*3 Cọc C3 % thay đổi ∼0,5WL  9,88 14,30 10,5 -27% 37,13 54,6 47% ∼1WL  22,6 30,93 25,6 -17% 72,60 106,8 47% ∼1,5WL  32,16 43,45 36,8 -15% 98,46 147,0 49% ∼2WL  41,7 54,78 48,8 -11% 128,88 186,2 44% ∼2,5WL  53,34 67,07 62,36 -7% 169,89 233,1 37% Max   62,7 71,85 73,4 2% 201,22 268,1 33% Nhận xét: Trong cùng 1 cọc có đoạn phụt vữa và đoạn còn lại không phụt vữa thì sức kháng hông đơn vị của cọc C3 ở vùng phụt vữa được huy động nhanh hơn so với đoạn không phụt vữa ở giai đoạn đầu của việc gia tải, điều này làm tăng tính an toàn cho vùng không phụt vữa (Sức kháng đơn vị nhỏ hơn cọc thông thường khi chịu cùng 1 cấp tải), khi tải tăng dần và hiệu quả của đoạn phụt vữa giảm đi thì sức kháng hông đơn vị của phần không có phụt vữa tăng dần giống cọc bình thường Hình 4. Sự thay đổi sức kháng hông giữa đoạn có phụt vữa và không phụt vữa Bảng 4. Tổng hợp độ lún của cọc C3 & C*3 trong các trường hợp Cấp tải Tải trọng (KN) Độ lún (mm) Không phụt vữa (C*3) Có phụt vữa (C3) % thay đổi ~1WL 22.600 23,05 16,9 -27% ~2,5WL 53.340 52 39.4 -24% Max test 62.700 64 46 -28% TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 412 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Độ lún của cọc cũng cải thiện đáng kể đối với cọc có phụt vữa. 5.2. Kết quả thí nghiệm ở công trình Springlight City Phân tích sự huy động sức kháng hông đơn vị của cọc TP1- D2000-89m (không phụt vữa và TP2-D2200- 93m (Có phụt vữa thành). Hình 5. Sức kháng hông đơn vị dọc thành cọc bên trên và bên dưới hộp Ocell- Ocell – cọc TP1 được nén đến tải trọng 66,8 MN Hình 6. Sức kháng hông đơn vị dọc thành cọc bên trên và bên dưới hộp Ocell- Ocell – cọc TP2 được nén đến tải trọng 107,2 MN Nhận thấy ở cọc TP1, sức kháng hông được huy động nhỏ hơn nhiều so với cọc phụt vữa TP2 và đã đến giá trị phá hoại. Bảng 5. So sánh sức kháng hông đơn vị đo được ở giá trị nén lớn nhất của chu kỳ 1 Vùng xét Loại đất Sức kháng hông TB (KN/m2) Hệ số TP1 TP2 TP1 TP2 Thiết bị đo 1 đến 3 (-14,25 đến -32,58) Thiết bị đo 1 đến 3 (-14,25 đến -31,72) Cát mịn, Sét pha cát 3,59 4,99 39% Thiết bị đo 3 đến 8 (-32,58 đến -57,77) Thiết bị đo 3 đến 9 (-31,72 đến -61,24) Sét & Cát hạt mịn, 104,40 122,21 17% Thiết bị đo 8 đến 11 (-57,77 đến -83 m) Thiết bị đo 9 đến 12 (-61,24 đến -82,87) Cát lẫn sỏi 140,96 504,39 258% TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 413 Từ kết quả thí nghiệm, nhận thấy hầu hết các vùng đất đều cải thiện sức kháng hông một cách đáng kể ở địa chất cát pha sét hoặc sét pha cát. Sự cải thiện còn có thể tăng lên nếu tiếp tục gia tải cọc TP2. Ở phần mũi cọc ứng với địa chất cát lẫn sỏi, độ rỗng lớn dẫn đến sức cải thiện đạt đến trên 200%. 6. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 6.1. Kết luận • Công nghệ phụt vữa thành cọc đã được chứng minh qua những thí nghiệm trên thế giới và tại Việt Nam mang lại những cải thiện đáng kể trong việc gia tăng sức chịu tải cọc, giảm chiều sâu và rủi ro trong thi công cọc, sức kháng hông được gia tăng từ 50% (1,5 lần) đối với địa chất cát pha, sét pha đến 200% (3 lần) đối với địa chất cát pha sỏi. Các nghiên cứu đánh giá khác trên thế giới cho thấy hàm lượng cát yêu cầu tối thiểu để việc phụt vữa thành phát huy tác dụng tối thiểu lớn hơn 10%. • Độ lún của cọc giảm đi trên cùng cấp tải và ngược lại sức chịu tải của cọc tăng lên nếu xét trên cùng 1 độ lún (Độ lún giảm khoảng 30% (1,3 lần), sức chịu tải cọc cũng tăng lên xấp xỉ 27% (1,37 lần) tương tứng với chiều dài phụt vữa khoảng 25% tổng chiều dài cọc trong địa chất đất cát pha sét ở công trình The Everich 2- Quận 7). 6.2. Kiến nghị • Việc áp dụng phụt vữa thành cọc phải được tiến hành trên quy trình sát sao và chặt chẽ để có thể đảm bảo các khâu được thực hiện đúng quy trình và đảm bảo về mặt chất lượng, phát hiện các trường hợp bị nghẹt van phụt vữa hoặc kẹt packer để có biện pháp phun bù ở các vị trí lân cận nhằm đảm bảo khả năng chịu tải của cọc. • Thiết kế cọc với sự giả định về sự tăng cường sức chịu tải hông sau khi phụt vữa phải được kiểm chứng bằng việc thi công cọc thử để đảm bảo tính chính xác cho từng loại đất và khu vực. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Châu Ngọc Ẩn: Nền móng, NXB Đại học quốc gia, 2011 2. Nguyễn Hữu Đẩu, Phan Hiệp: Phương pháp Obsterberg đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi, Nhà xuất bản xây dựng 2004. 3. TCXD 10304: 2014 Móng cọc, tiêu chuẩn thiết kế. 4. B.D Little Child, G.D PlumBridge, M.W Fee, Ove Arup& Partner International: Shaft Grouted pile in Sand and clay in Bangkok. 5. K.K.S Ho, K.S Li: Geotechnical Engineering: Meeting Society's Needs ,Volume 1. 6. Miller M., Potts V., Skinner H.: Improvingthe capacity of bored piles by shaft grouting. 7. Santhosh Kumar: A study on the engineering behavior of grouted loose sandy soils. 8. Reuben H. Karol:Chemical Grouting And Soil Stabilization, Revised And Expanded. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ