Ứng dụng công nghệ phụt vữa thành trong việc gia tăng sức kháng ma sát đơn vị của cọc barrette trong nền đất cát

g tác phun vữa áp lực cao xuống vào nền đất xung quanh cọc, bó chặt cọc lại làm thay đổi chỉ tiêu cơ lý của đất một cách đáng kể. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính chất của đất sau khi phun vữa còn nhiều hạn chế nên việc tính toán và mô phỏng còn thiếu chính xác. Đề tài nghiên cứu sự gia tăng sức kháng đơn vị trong đoạn cọc phụt và không phụt vữa từ kết quả thử tải cọc barrette bằng hộp Ocell trong nền đất cát tại khu vực quận 1, TP HCM kết hợp với chương trình phần mềm plaxis để so sánh, phân tích, đánh giá sự cải thiện sức kháng đơn vị trong đoạn cọc phụt vữa. ABSTRACT Increasing the unit resistance around the shaft pile is through hight pressure grouting injection into surrounding soil around shaft pile .However, the study about soil properties after grouted injection still have a lot of limitation. the subject has researched the increase of unit resistance of grouted and non-grouted piles segment, use data from the Ocell load test for barrette pile of the sand soil in District 1, Ho Chi Minh City and result from plaxis 2D to evaluate, compare and analyze the improving of the unit resistance for the non-grouted piles segment. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây ngày càng xuất hiện nhiều công trình cao tầng thường là những đô thị của thành phố lớn, công trình có tải trọng lớn nên yêu cầu cọc phải có sức chịu tải lớn và cần có công nghệ mới để làm gia tăng sức chịu tải của cọc. Trong đó công nghệ phụt vữa thành trong những năm gần đây đã chứng minh sự cải thiện đáng kể sức chịu tải đất nền của cọc một cách đáng kể. Do đó cần nghiên cứu cụ thể về cọc có phụt vữa thành để ứng dụng rộng rãi hơn trong thiết kế và thi công cọc barrette cũng như cọc khoan nhồi trong tương lai. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng kết quả thí nghiệm hiện trường có được để đánh giá sự thay đổi tính chất của đất sau khi phụt vữa. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 381 Sử dụng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm plaxis kết hợp với kết quả thí nghiệm thử tải để đánh giá sức kháng đơn vị sau khi phun vữa. Tổng hợp cơ sở lý thuyết tính toán sức chịu tải của cọc. 3. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA Ống phụt vữa có đường kính 60 mm được gắn vào xung quanh của chu vi khung thép đi suốt chiều dài thân cọc, trong đoạn cọc phụt vữa thì ống phụt vữa phải được đục lỗ để cho vữa thoát ra trong quá trình phụt. Mặt khác, một đầu ống phụt vữa phải bịt nắp kín lại để cho công tác phụt vữa thành đảm bảo chất lượng. Sau khi đổ bê tông cọc khoảng 5 ngày, lúc này bê tông bảo vệ cọc còn mềm nên công việc phụt vữa thành được thực hiện. Đầu tiên là làm nứt lớp bê tông bảo vệ cọc với nước có áp lực cao đi xuyên qua các ống phụt, khi đó nước chảy theo vết nứt của lớp bê tông bảo vệ cọc chảy lan ra thành cọc làm xói lỡ cát xung quanh đoạn phụt, sau đó vữa hỗn hợp xi măng bơm với áp lực cao đi xuống dưới nền đất xung quanh thành cọc, bó chặt cọc lại làm sức kháng đơn vị xung quanh cọc gia tăng, hỗn hợp vữa xi măng với tỷ lệ 1:2, khối lượng phụt vào cọc TP1 là 12 m3 và TP2 là 6 m3. 4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4.1. Tính toán sức kháng theo phương pháp giải tích a. Theo chỉ tiêu cơ lý đất nền Công thức: , , , 1 ( . . . . ) n c u c c q b b c f i i i R q A u f lγ γ γ = = + ∑ (1) γc: hệ số điều kiện làm việc của cọc, lấy γc = 1. γcq: hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi cọc, lấy γcq = 0,9 cho trường hợp dùng phương pháp đổ bê tông dưới nước. γcf: hệ số điều kiện làm việc của đất trên thân cọc, phụ thuộc vào phương pháp tạo lỗ và điều kiện đổ bê tông. b. Theo chỉ tiêu cường độ đất nền - Đất dính: Cường độ sức kháng cắt không thoát nước dọc thân cọc trong lớp đất thứ “i” xác định theo phương pháp α ,i u if cα= × (2) Với α được xác định theo hình G1, trang 81, TCVN 10304-2014. - Đất rời: Sức kháng cắt trung bình dọc thân cọc trong lớp đất thứ “i” được xác định theo phương pháp β . ' , tan (3)v zi i if k σ δ= (3) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 382 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM ' ,v zσ : là ứng pháp hiệu quả theo phương đứng trung bình trong lớp đất thứ “i”. c. Theo viện kiến trúc Nhật Bản SPT Chỉ số SPT được xác định theo công thức Viện kiến trúc Nhật Bản: Tại mục G.3.2 TCVN 10304-2014). Trong đó: :bq Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc. :bA Diện tích tiết diện ngang của cọc :u Chu vi tiết diện ngang thân cọc. , , , :c i s if f Cường độ sức kháng của đất rời và đất dính thứ i trên thân cọc. Đối với đất cát (đất rời): , , , :c i s il l chiều dài đoạn cọc nằm trong đất rời và đất dính thứ i trên thân cọc. , :c iN là chỉ số SPT trung bình trong lớp đất rời thứ “i”. Đối với đất dính (đất sét): , , , . . :c i p i L u if f cα= Cường độ sức kháng trên thân cọc nằm trong lớp đất dính thứ “i”. , :p iα Hệ số điều chỉnh cho cọc đóng, phụ thuộc vào sức kháng cắt không thoát nước uC và trị số trung bình ứng suất có hiệu thẳng đứng ' vσ , (xác định theo biểu đồ trên hình G.2a TCVN 10304-2014). :Lf Hệ số điều chỉnh theo độ mãnh h/d với 1Lf = (cho cọc nhồi). , :u iC Cường độ sức kháng cắt không thoát nước trong lớp đất dính thứ “i”: , , 6.25 :u i c iC N= , :c iN Là chỉ số SPT trung bình trong lớp đất dính thứ “i”. , , 10 : 3 s i s i Nf = Cường độ sức kháng trên thân cọc nằm trong lớp đất rời thứ ”i” 4.2. Theo phương pháp mô phỏng (phương pháp phần tử hữu hạn) a. Mô hình Mohr- Coulomb Mô hình Mohr Coulomb là mô hình đàn hồi lý tưởng nhưng dẻo phá hoại (còn gọi là Đàn dẻo), mặt dẻo là mặt phá hoại, mô hình phá hoại dựa trên tiêu chuẩn Mohr- Coulomb với biểu thức tan cτ σ ϕ= + . Nếu xét bài toán trong giai đoạn tức thời (tức là tại giai đoạn xây dựng công trình) thì biểu thức chính là sức kháng cắt không thoát nước. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 383 tanu u uc cτ σ ϕ= = + . (4) Mô hình Mohr Coulomb được thể hiện như (Hình 1) như ở bên dưới. Hình 1. Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình Mohr Coulomb Nếu xét trong không gian thì mô hình Mohr Coulomb có 6 mặt như hình bên dưới. Hình 2. Mô hình Mohr Coulomb trong không gian b. Mô hình Hardening-Soil Mô hình Hardening soil là mô hình tăng bền, mô hình Hardening soil phá hoại cũng dựa trên Mohr - Coulomb nhưng sau khi đạt đến trạng thái dẻo thì tái bền trở lại nên gọi là mô hình tăng bền. Hình 3. Mô hình Hardening soil Nếu xét hệ trục trong không gian, mô hình Hardening Soil cũng giống với mô hình Mohr - Coulomb, cũng có 6 mặt và có 6 phương trình, nhưng tại đình có mặt dẻo hình thành từ môđul cố kết E0ed. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 384 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Hình 4. Mô hình Hardening soil trong hệ trục không gian. 5. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 5.1. Giới thiệu về công trình Công trình Eximbank với chiều cao được xây dựng là 40 tầng (xắp xỉ 163 m), với 5 tầng hầm, diện tích xây dựng là 3518 m2, được xây dựng tại Quận 1, TP HCM. Công trình được thiết kế là cọc barrette với tiết diện (0,8x2,8) m, tải trọng thiết kế là 15MN cho mỗi cọc. 5.2. Mặt cắt và đặc trưng cơ lý của các lớp đất tại vị trí xây dựng Hình 5. Mặt cắt ngang địa chất công trình tại công trình xây dựng TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 385 Hình 6. Mặt cắt ngang địa chất công trình tại công trình xây dựng Lớp T: Sét lẫn dăm sạn, trạng thái dẻo mềm, chiều dày lớp đất H = 1,8 m. Lớp 1: Bùn sét, trạng thái chảy, chiều dày H = 2,1 m Lớp 2: Á sét lẫn ít sỏi sạn, trạng thái dẻo chảy, chiều dày H = 3,3 m Lớp 3A: Cát mịn lẫn bột ít sét, trạng thái rời, chiều dày H = 5,3 m. Lớp 3B: Cát mịn đến trung lẫn bột, trạng thái chặt vừa, chiều dày H = 28,1 m. Lớp 4: Sét trạng thái cứng, chiều dày H = 7,7 m Lớp 5: Á sét trạng thái cứng, chiều dày H = 1,9 m. Lớp 6: Cát mịn đến trung lẫn bột, ít sét, ít sỏi sạn, trạng thái chặt đến rất chặt, chiều dày H = 38,35 m. Sét lẫn dăm sạn Trạng thái dẻo mềm Bùn sét trạng thái chảy Á sét lẫn ít sỏi sạn Trạng thái dẻo chảy Cát mịn lẫn bột ít sét Trạng thái rời Cát mịn lẫn trung đến bột Trạng thái chặt vừa Sét trạng thái cứng Á sét trạng thái cứng Cát mịn đến trung lẫn bột, ít sét, ít sỏi sạn, trạng thái chặt đến rất chặt Ghi chú: TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 386 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Bảng 1. Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền Lớp đất Lớp T Đất đắp: Sét lẫn dăm sạn,trạng thái dẻo mềm LỚP 1 Bùn sét, trạng thái chảy LỚP 2 Á sét lẫn sỏi sạn, trạng thái dẻo chảy LỚP 3A Cát mịn lẫn bột, ít sét, trạng thái rời LỚP 3B Cát mịn đến trung lẫn bột, ít sét, ít sỏi nhỏ, trạng thái chặt vừa LỚP 4+5 Sét, trạng thái cứng+á sét trạng thái cứng LỚP 6 Cát mịn đến trung lẫn bột, ít sét, ít sỏi sạn, trạng thái chặt đến rất chặt Cọc Vữa phụt Type HS Undrained HS UnDrained HS Undrained HS Drained HS Drained HS Undrained HS Drained Linear elastic Nonporous Linear elastic Nonporous γunsat (kN/m3) 18,83 14,33 18,43 18,31 19,125 20,385 19,92 25 18,6 γsat (kN/m3) 18,92 15,61 19,25 19,18 19,809 20,645 20,622 ky (m/day) 8.043E-05 8.643E-06 8.6 43E-05 3.362E-04 3.077E-04 8.643E-05 8.643E-07 8.643E-05 1.071E-04 kx (m/day) 17.29E-05 17.29E-06 17.286E-05 16.81E-04 15.385E-04 17.286E-05 43.215E-07 17.286E-05 2.142E-04 386 V IEÄN K H O A H O ÏC TH U ÛY LÔ ÏI M IEÀN N A M TU Y EÅN TA ÄP K EÁT Q U A Û K H O A H O ÏC & C O ÂN G N G H EÄ 2017 - 2018 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 387 50 refE (kN/m2) 15000 4000 11250 14000 38000 78750 130000 31GPa 31000000 150000 ref oedE (kN/m2) 15000 4000 11250 14000 38000 78750 130000 ref urE (kN/m2) 45000 12000 33750 42000 114000 236250 390000 refp (kN/m2) 100 100 100 100 100 100 100 m 0,75 1 0,85 0,5 0,5 0,75 0,6 urν 0,3 0,3 0,3 0,25 0,25 0,3 0,25 0,2 0,25 c (kN/m2) 18,8 10 16,3 0 4,2 175,.85 4,8 4,2 4,8 φ (o) 0 4,8 7,3 31 32,08 0 38,18 ψ (o) 0 0 0 0 2,08 0 8,18 Rinter 0,85 07 0,7 0,85 0,85 085 0,85 1,0 1,0 V IEÄN K H O A H O ÏC TH U ÛY LÔ ÏI M IEÀN N A M 387 TU Y EÅN TA ÄP K EÁT Q U A Û K H O A H O ÏC & C O ÂN G N G H EÄ 2017 - 2018 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 388 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 5.3. Kết quả tính toán theo mô phỏng và thực nghiệm hiện trường a. Theo kết quả thí nghiệm Hình 7. Biểu đồ quan hệ sức kháng và chuyển vị từ kết quả thử tải Nhận xét: Trong đoạn cọc phụt vữa sức kháng đơn vị đã huy đông được giá trị lớn nhất quan sát từ cao độ (GL3-Ocell) là 396 (kN/m2) và trong đoạn cọc không phụt vữa đã huy động được giá trị lớn nhất được quan sát từ cao độ (GL4-GL5) là 215 (kN/m2). Kết luận: Sức kháng đơn vị của đoạn cọc phụt vữa được tăng lên 1,8 lần (84,2%) so với đoạn cọc không phụt vữa trong lớp đất cát. b. Theo kết quả mô phỏng Nhận xét: Sức kháng đơn vị trong đoạn cọc phụt vữa được huy động lớn nhất với giá trị là 225 (kN/m2)được quan sát từ cao độ (GL3-Ocell). Sức kháng đơn vị qua đoạn cọc không phụt vữa được quan sát từ cao độ (GL4-GL5) được giá trị lớn nhất bằng 132 (kN/m2). Kết luận: Đoạn cọc phụt vữa gia tăng gấp 1,7 lần so với đoạn cọc không phụt vữa. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 389 Hình 8. Biểu đồ quan hệ sức kháng và chuyển vị theo kết quả mô phỏng 6. KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 6.1. Kết luận Sức kháng đơn vị của trường hợp thí nghiệm hiện trường trong đoạn cọc phụt vữa có giá trị tăng lên gấp 1,8 lần (84,2%) so với đoạn cọc không phụt vữa, còn trong trường hợp mô phỏng giá trị tăng lên gấp 1,7 lần (70,5%) trong nền đất cát. 6.2. Kiến nghị - Nếu tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn thì sẽ cho giá trị sức kháng đơn vị nhỏ hơn, an toàn hơn so với thí nghiệm. - Khi thiết kế cọc phụt vữa nếu có giả định cường độ sức kháng hông đơn vị sau khi phụt vữa thì nên thí nghiệm cọc thử để kiểm chứng lại, nhằm để đảm bảo tính chính xác cho từng loại đất trong khu vực. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Phán, Hoàng Thế Thao: Phân tích và tính toán móng cọc, NXB Đại học quốc gia TP HCM, 2010. [2] Võ Phán, Đỗ Thanh Hải, Phan Lưu Minh Phượng: Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong phòng, NXB Đại học quốc gia TP HCM, 2014. [3] Vũ Công Ngữ: Móng cọc phân tích và thiết kế, NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2014. [4] Nguyễn Hữu Đẩu, Phan Hiệp: Phương pháp Osterberg, đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi-Barrette. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 390 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM [5] SHAMSHER PRAKASH-HARID.SHARMA: Móng cọc trong thực tế xây dựng, NXB XÂY DỰNG HÀ NỘI, 2011. [6] Trần Nguyễn Hoàng Hùng: Công nghệ xói trộn vữa cao áp, NXB Đại học quốc gia TP HCM, 2016. [7] Report on Barrtte load testing TP2- Eximbank Tower, Ho Chi Minh City, Viet Nam- 138131-2, 29 September 2013. [8] Jorj O. Osterberg.The Osterberg load test method for bored and driven piles the first ten years, Northwestern University. Phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ