TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
406 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA THÀNH TRONG VIỆC
GIA TĂNG SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI
PGS. TS. Võ Phán, KS. Hà Vĩnh Phúc
Trường Đại học Bách Khoa –TP. HCM
TÓM TẮT
Việc gia tăng sức chịu tải thành bên của cọc thông qua công tác phun vữa áp lực
cao vào vùng đất xung quanh cọc làm thay đổi các chỉ tiêu cơ lý một cách đáng
kể. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính chất của đất sau khi phun vữa còn nhiều 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.
TUYE
Å
N 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.
TUYE
Å
N 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.
TUYE
Å
N 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%
TUYE
Å
N 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/m2144 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: