TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 391
PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ TƯỜNG VÂY SỬ DỤNG GIẢI PHÁP PHUN
VỮA ÁP LỰC CAO ĐỂ XỬ LÝ ĐÁY HỐ ĐÀO
ANALYSIS DEFORMATION OF DIAPHRAGM WALL USING JET GROUTING
IN BOTTOM OF EXCAVATION
PGS. TS. Võ Phán, KS. Lê Trung Tín
Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM
TÓM TẮT
Giải pháp phụt vữa áp lực cao là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu mang
lại hiệu quả kinh tế. Giải pháp này đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới và đang
được áp dụng tại Việt Nam. Dựa trên những nghiên cứu tổng quan trên thế giới, tác
giả mô phỏng ứng dụng giải pháp phun vữa cao áp Jet Grouting giảm chuyển vị
ngang hố đào trong điều kiện địa chất TP.HCM. Đất trong khu vực đáy hố đào được
thay thế một phần bằng những cọc Jet Grouting (JGPs) nhằm tăng sức kháng bị
động. Phương pháp phân tích số được lựa chọn sử dụng đánh giá tính hiệu quả của
Jet Grouting, từ đó tìm ra giải pháp mô phỏng dễ dàng và nhanh chóng, giảm bớt
khối lượng tính toán.
ABSTRACT
The solution Jet Grouting is one of the good solutions for soft ground which brings
economic efficiency. This solution has been widely used in the world and is being
applied in Vietnam. Based on the study of the world, the author describes the
application high-pressure grouting solution (Jet Grouting) reduced horizontal
displacement excavations in geological conditions in Ho Chi Minh city. The soil in
the bottom of excavations is replaced in part by the Jet Grouting piles (JGPs) to
increase passive resistance. Nunbering methods of analysis have chosen to use to
assess the effectiveness of Jet Grouting, thus generating simulation solution easily
and quickly, which reduce the amount of calculation.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ở nước ta, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh,
nhà cao tầng đã xuất hiện rất nhanh chóng. Công trình được phát triển lên cao hơn
và một phần được đưa sâu vào lòng đất. Điều này là một xu thế chính trong quá
trình hiện đại hóa các thành phố lớn.
Việc xây dựng tầng hầm trong các khu vực đất tốt đã phức tạp thì việc xây dựng
trong các khu vực đất yếu thì càng khó khăn hơn vì chuyển vị ngang của các tường vây
tầng hầm trong quá trình đào hầm thường rất lớn gây mất ổn định cho hố đào và công
trình xung quanh.
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
392 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
Chính vì vậy việc lựa chọn giải giải pháp giúp ổn định tường vây hố đào sâu là
một trong những vấn đề quan trọng khi thi công nhà cao tầng mà một trong số đó là
công nghệ Jet-Grouting.
Phương pháp này tương đối dễ dàng thi công, nên được áp dụng ở nhiều nước trên
thế giới. Tuy nhiên phương pháp phân tích và ý tưởng thiết kế vẫn còn đánh giá cao kinh
nghiệm và thiếu phương án thiết kế rõ ràng vào thời điểm này. Việc phân tích vấn đề này
đòi hỏi một khối lượng tính toán lớn, nên phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phân tích cơ sở lý thuyết, đánh giá về phương pháp phụt vữa áp lực cao để xử lý
nền dưới đáy hố đào.
- Tiến hành mô hình hố đào gia cường bằng giải pháp Jet-grouting với nhiều
phương án khác nhau về tỷ lệ gia cố đất nền.
- Khảo sát thu thập các số liệu quan trắc tường vây tầng hầm ở khu vực TP.HCM
nhằm so sánh với kết quả tính toán được.
3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng Jet-Grouting
Áp lực phun: Để hồ vữa có thể thấm nhanh vào phần lỗ rỗng, tức tăng cường đưa
vữa vào đất, thì cần yêu cầu có áp lực phụt đáng kể. Mặt khác điều này lại là nguyên
nhân làm một phần khối đất bị dời chuyển hoặc thay đổi cấu trúc, do vậy áp lực phụt
phải có giới hạn tối đa thích hợp. Theo kinh nghiệm thì áp lực này chiếm khoảng 25%
của ứng suất có hiệu do trọng lượng bản than đất tại độ sâu phụt. Ngưỡng áp lực phụt sẽ
ảnh hưởng đến cấu trúc đất có thể xác định trước bằng tính toán.
Hình 1. Quan hệ giữa khoảng cách xói và áp lực phun (Essler & Yshida, 2004)
Tốc độ dòng phụt, thể tích và lưu lượng phụt:
Khi tăng áp lực nước trong vòi phụt, sẽ thiết lập được công thức theo định luật
bảo toàn năng lượng.
0 0
2. .V m g p= (1)
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 393
Trong đó :
0: áp suất tại đầu phun tính theo chiều cao cột nước có áp (m)
0: vận tốc ban đầu từ đầu phun (m/s)
g : gia tốc trọng trường (m/2).
m : hệ số ảnh hưởng bởi chất lượng vòi phun.
Nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước của cọc là động lượng của tia phụt
ra (Choi 2005 từ nguồn Covil & Skinner 1994). Động lượng được tạo ra phụ thuộc vào
khối lượng và vận tốc của các thành phần, vì vậy có hai cách để nâng cao động lượng
của tia phụt được được đưa ra (Choi, 2005). Với đầu phun tốt m = 0,92, lưu lượng vữa
được xác định theo biểu thức như sau:
.V.AQ n= (2)
2
0
. . 2 . 4
Q n m gp d
π
= (3)
Trong đó:
d : đường kính vòi phun.
A : diện tích vòi phun.
n : số lượng vòi phun trên thanh cần Jet Grouting.
Hình 2. Sự ảnh hưởng của áp lực và dòng phụt
Ảnh hưởng của khí nén: Khi gia tăng tốc độ dòng khí với áp lực thấp vẫn có thể
mở rộng vùng xói mòn. Phụt vữa áp lực cao dùng phương pháp khí nén đạt hiệu quả
trong một vài khía cạnh. Điều đầu tiên là đạt được độ xói mòn với năng lượng tối đa và
sau đó điều quan trọng không kém là đưa các phần đất bị xói mòn lên mặt đất.
Tốc độ nâng/hạ cần:
Năng lượng của Jet - Grouting tạo ra trên mỗi đơn vị chiều dài thi công cọc (E) phụ
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
394 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
thuộc bởi ba nhân tố: áp lực phun (P), lưu lượng phun (Q), và tốc dộ nâng/hạ cần ():
.
=
t
P Q
E
V
Tốc độ rút cần cho các loại đất khác nhau với chỉ số SPT (Trần Nguyễn Hoàng
Hùng 2016):
Hình 3. Quan hệ giữa tốc độ rút cần và loại đất
Tốc độ xoay cần: Tốc độ xoay cần đối với phun đôi từ 5 -15 vòng/phút, phun đơn
từ 4 - 8 vòng/phút (Trần Nguyễn Hoàng Hùng, 2016):
Bảng 1. Tổng hợp thông số vận hành Jet-Grouting phun đơn
Thông số Đơn vị
Nguồn
BS EN
12716:2001
Bruce
(1994) YBMCo.
Covil & Skinner
(1994)
Áp lực bơm Mpa 30 - 50 30 - 55 20 - 40 20 - 40
Lưu lượng Lít/phút 50 - 450 60 - 150 60 - 100
Kích thước vòi mm
1,8 - 3 2,8 – 3,2
1,2 - 3
Số lượng tia
2 - 6
Tốc độ quay cần Vòng/phút
10 - 30 6 - 20 20
Tốc độ rút cần cm/phút 12,5 - 33 8 - 25
Số lần lặp: Các thí nghiệm hiện trường đã chỉ ra cần phải xoay cần từ 4 - 6 vòng
đủ để trộn đất và vữa (Xanthakos et al., 1994 từ nguồn Kauschinger & Welsh, 1989).
Kích thước và lượng vòi phun: Số lượng vòi phun, đường kính vòi phun ảnh
hưởng trực tiếp đến lưu lượng phun, tỷ lệ đất bị cắt, và lưu lượng vữa phun. Số lượng
vòi phun thay đổi từ 1 - 4 vòi và đường kính vòi phun thường vào khoảng 1 - 5 mm.
Theo thực tế thử nghiệm tại TP.HCM, đường kính vòi phun bằng 1,7 mm hiện tượng
nghẹt vòi thường xuyên xảy ra, đường kính vòi phun bằng 2,5 mm dễ dàng hơn trong
vận hành vì khắc phục được nghẹt vòi.
(4)
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 395
Tỷ lệ nước: xi măng (w:c) của vữa phun: Vữa và tỷ lệ phù hợp (c/w) được lựa
chọn sao cho đạt yêu cầu về cường độ và tính thấm (Xanthakos et al., 1994). Cường độ
chịu nén của soilcrete vào khoảng 1 - 25 MPa và được xác định bởi lượng xi măng và
một phần đất còn lại trong khối soilcrete, tính chống thấm của soilcrete ngăn không cho
nước thấm vào bằng cách lựa chọn loại vữa phù hợp và nếu cần có thể bổ sung thêm
bentonite (Keller Group).
Nếu muốn tạo soilcrete có cường độ cao, tỷ lệ nước: xi măng (w/c) thường dùng
giá trị vào khoảng 0,6 – 1,2 (thường lấy bằng 1) và dựa trên cấp phối hạt đất, tính thấm
của đất, độ ẩm đất, khối lượng trung bình của lượng vữa trong 1 m3 đất (Xanthakos et
al., 1994).
3.2. Chất lượng sản phẩm soilcrete
Đường kính cọc:
m
KP Q N
L
V
α β γ
δ
= (5)
Trong đó :
: bán kính cọc
P: áp lực phun(MPa).
Q: lưu lượng phun (m3/phút)
N: số lần lặp ở chiều sâu thiết kế.
V: vận tốc quay của vòi phun (m/s) = [d × π ×V (rpm)]/60;
d: đường kính cần
D: đường kính bên ngoài của đầu phun (m).
K: hệ số cho từng loại đất, đối với đất cát lấy bằng 1.5 và các hệ số α = 1,003, β =
1,186, γ = 0,135, δ = 0,198.
Khoảng cách xói:
(P )
6.25
j
i s
u
l
P
d q
−
=
(6)
Trong đó:
d: đường kính vòi phun.
lj: khoảng cách xói của tia.
Pi: áp lực trong vòi phun
Ps: áp lực thủy tĩnh tác dụng lên đầu vòi phun
qu: cường độ nén nở hông của đất
6,25