Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích và đánh giá chất lượng cọc đổ tại chỗ bằng công nghệ phụt vữa thành cọc (shaft grounting) tại Quận 2, Tp. Hồ Chí Minh

-* -

NGUYỄN TRỌNG NHÀN

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC ĐỔ TẠI CHỖ BẰNG CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA THÀNH CỌC

(SHAFT GROUTING) TẠI QUẬN 2, TP HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm Mã số: 8580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2022

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS.TS Lê Bá Vinh - Chủ tịch

2 PGS.TS Bùi Trường Sơn - Thư ký 3 TS Đỗ Thanh Hải - Phản biện 1 4 TS Cao Văn Hóa - Phản biện 2 5 Ths Nguyễn Phước Bình An - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tich Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN TRỌNG NHÀN MSHV: 1870110 Ngày, tháng, năm sinh: 08/07/1992 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm Mã số: 8580204

I TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC ĐỔ TẠI CHỖ BẰNG CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA THÀNH CỌC (SHAFT GROUTING) TẠI QUẬN 2, TP HỒ CHÍ MINH

ANALYSIS AND ASSESSMENT OF CAST-IN-PLACE PILE QUALITY BY SHAFT GROUTING IN DISTRICT 2, HO CHI MINH CITY

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nhiệm vụ: Phân tích và đánh giá chất lượng cọc đổ tại chỗ bằng công nghệ phụt

vữa thành cọc (Shaft Grouting)

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/09/2021 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 12/12/2021

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Lê Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Báo cáo luận văn Thạc sĩ Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng v.v Đó là trách nhiệm cũng như niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Võ Phán Thầy đã tận tình dẫn dắt, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Cùng với đó, thầy đã đưa ra những gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Báo cáo luận văn Thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Tp HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2021

Nguyễn Trọng Nhàn

Bài báo cáo luận văn Thạc sĩ tập trung phân tích và đánh giá hiệu quả của công nghệ phụt vữa thành cọc đến việc gia tăng chất lượng (sức chịu tải) cọc đổ tại chỗ thông qua kết quả thử tĩnh 2 cọc khoan nhồi có thi công phụt vữa và không phụt vữa tại dự án Khu Phức hợp Sóng Việt (Metropole) tại Quận 2, Tp Hồ Chí Minh Hiệu quả phụt vữa thành cọc được đánh giá thông qua việc so sánh kết quả sức chịu tải và tỷ số ma sát thành đơn vị fs(kN/m2) theo chỉ số NSPT từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm đo biến dạng cho cọc phụt vữa và cọc không phụt vữa Kết quả cho thấy rằng công nghệ phụt vữa thành cọc làm tăng giá trị ma sát đơn vị lên từ 2.2-2.6 lần Hiệu quả phụt vữa thu được trong đất cát cao hơn trong đất sét Ngoài ra, phương pháp mô phỏng bằng phần tử hữu hạn – phần mềm Plaxis 3D cũng được sử dụng để phân tích sức chịu tải của cọc phụt vữa để đối chiếu với kết quả thí nghiệm cọc thực tế Kết quả thu được là giải pháp phụt vữa thành cọc làm tăng 25-30% giá trị sức chịu tải của cọc

ABSTRACT

Title:

ANALYSIS AND ASSESSMENT OF CAST-IN-PLACE PILE QUALITY BY SHAFT GROUTING IN DISTRICT 2, HO CHI MINH CITY Abstract:

The Master's thesis report focuses on analyzing and evaluating the effectiveness of grouting technology to increase the quality (pile resistance) of poured piles through the results of static testing of 2 bored piles with injection construction grouting and non-grouting at The Song Viet Complex (Metropole) project in District 2, Ho Chi Minh city The effectiveness of grouting the pile shaft is evaluated by comparing the resistance of the pile and the friction ratio into the unit fs(kN/m2) according to the NSPT index from the static compression test and strain test results for grouted and ungrouted piles The results show that grouting technology increases the unit friction value by 2.2-2.6 times The grouting efficiency obtained in sandy soil is higher than in clay soil In addition, the finite element simulation method - Plaxis 3D software is also used to analyze the load capacity of the mortar piles to compare with the actual pile test results The result is that the solution of grouting the pile shaft increases 25-30% of the pile resistance value

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS TS Võ Phán

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2021

Nguyễn Trọng Nhàn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài 2

5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 3

TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐỔ TẠI CHỖ BẰNG CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA THÀNH CỌC (SHAFT GROUTING) 4

Giới thiệu về công nghệ cọc đổ tại chỗ bằng công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) 4

1.1.1Khái niệm cọc đổ tại chỗ (cọc khoan nhồi, cọc barrette) 4

1.1.2Khái niệm vữa phụt và chế tạo vữa phụt 5

1.1.3Công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) 7

Tình hình ứng dụng công nghệ cọc Shaft Grouting trên thế giới 9

Tình hình ứng dụng công nghệ cọc Shaft Grouting tại Việt Nam 12

Nhận xét chương 1 14

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC ĐỔ TẠI CHỖ BẰNG CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA THÀNH CỌC (SHAFT GROUTING) 15Cơ sở lý thuyết xác định sức chịu tải của cọc 15

Tính toán sức chịu tải của cọc đổ tại chỗ bằng công nghệ phụt vữa thành cọc

19

2.2.1Tính toán sức chịu tải của cọc theo phương pháp giải tích 19

2.2.2Tính toán sức chịu tải của cọc theo phương pháp mô phỏng (phương pháp phần tử hữu hạn) 23

Theo kết quả nghiên cứu, đánh giá từ các công trình thực tế đã áp dụng tại Việt Nam 24

Một số tính toán trong thiết kế bơm phụt 25

2.4.1Tính áp lực phụt 27

2.4.2Tính lượng tiêu thụ vữa: 29

3.1.4Công tác đổ bê tông 36

3.1.5Công tác phá nước và phụt vữa 38

3.1.6Cấp phối vữa (tham khảo) 40

3.1.7Ghi nhận quá trình phụt vữa 40

3.1.8Thiết bị thi công 43

Tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi phụt vữa 56

4.3.1Sức chịu tải của cọc theo phương pháp giải tích 57

4.3.2Sức chịu tải của cọc theo thực tế thi công và mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis 3D) 60

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 73

1 Kết luận 73

2 Kiến nghị 73

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 77

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 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 7

Hình 1.2 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 7

Hình 1.3 Công nghệ phụt vữa được áp dụng ban đầu để tạo tường ngăn nước (Essler & Yoshida 2004) 9

Hình 1.4 Mặt cắt và chi tiết cọc thí nghiệm (Gouvenot and Gabaix 1975) 10

Hình 1.5 Kết quả phân tích hiệu quả phụt vữa cho lớp đất sét (BERTS 1998) 10

Hình 1.6 Kết quả phân tích hiệu quả phụt cho lớp đất cát (BERTS 1998) 11

Hình 1.7 Trung tâm Tài chính Quốc tế, Hồng Kông 11

Hình 1.8 Quảng trường Union, Hồng Kông 11

Hình 1.9 Tòa nhà VINCOM A – Q.1, Tp Hồ Chí Minh 12

Hình 1.10 Tòa nhà Saigon Center Giai đoạn 2&3 – Q.1, Tp Hồ Chí Minh 13

Hình 1.11 Chung cư An Phú 2 – Q.6, Tp Hồ Chí Minh 13

Hình 1.12 Tòa nhà Landmark 81 – Q.Bình Thạnh, Tp Hồ Chí Minh 14

Hình 2.1 Khả năng chịu tải của cọc 15

Hình 2.2 Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất dính 16

Hình 2.3 Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất dính 16

Hình 2.4 Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất rời 16

Hình 2.5 Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất rời 16

Hình 2.6 Biểu độ huy động sức kháng của cọc 17

Hình 2.7 Nguyên lý làm việc của công tác phụt 17

Hình 2.8 Mặt đứng bố trí ống phụt vữa trong cọc 18

Hình 2.9 Thí nghiệm nén 3 trục cho mẫu đất cát phụt vữa và không phụt vữa 19

Hình 2.10 Mô hình Hardening soil 23

Hình 2.11 Mô hình Hardening soil trong hệ trục không gian 23

Hình 2.12 Giá trị SPT điều chỉnh, N60 24

Hình 2.13 Tương quan giữa ru và σ′v0 cho lớp đất cát & tương quan giữa hệ số thực nghiệm và ước tính giá trị ru không áp dụng phụt vữa cho lớp đất cát 25

Hình 2.14 Mặt bằng bố trí lỗ phụt vữa trên cọc barrette 26

Hình 2.15 Mặt bằng bố trí lỗ phụt vữa trên cọc khoan nhồi 26

Hình 2.16 Áp lực vữa phụt lớn nhất 28

Hình 3.1 Quy trình thi công cọc đổ tại chỗ phụt vữa 32

Hình 3.2 Công tác thi công đào cọc barrette 33

Hình 3.3 Công tác thi công đào cọc khoan nhồi 34

Hình 3.4 Định vị và kiểm tra độ thẳng đứng của hố đào 34

Hình 3.5 Công tác nghiệm thu hố đào 35

Hình 3.6 Công tác gia công lồng thép 35

Hình 3.7 Hạ lồng thép đã gia công xuống hố đào 36

Hình 3.8 Công tác đổ bê tông cọc vào ống tremie 37

Hình 3.9 Bố trí ống T.A.M cho cọc Shaft Grouting 38

Hình 3.20 Hệ thống bentonite tuần hoàn 44

Hình 3.21 Thiết bị kiểm soát phụt vữa 44

Hình 3.22 Thiết bị siêu âm cọc 44

Hình 3.23 Lắp đặt hệ gia tải thí nghiệm 46

Hình 3.24 Ghi nhận kết quả thí nghiệm 46

Hình 3.25 Lắp đặt đầu đo biến dạng 48

Hình 3.26 Hộp đọc tự động DT85G 48

Hình 4.1 Vị trí dự án “Khu Phức Họp Sóng Việt” 51

Hình 4.2 Dự án khu phức hợp Sóng Việt (The Metropole Thu Thiem) 52

Hình 4.3 Mặt bằng bố trí hố khoan địa chất và vị trí cọc thí nghiệm, lô 1-14 – Dự án Khu phức hợp Sóng Việt 53

Hình 4.4 Mặt cắt địa chất hố khoan BH14.1 và BH14.2 – Sóng Việt Lô 1-14 55

Hình 4.5 Hình trụ địa chất và chi tiết cọc khoan nhồi 56

Hình 4.6 Mặt bằng bố trí cọc thí nghiệm thử tĩnh cho cọc WTP1 và TP1 60

Hình 4.7 Sơ đồ cọc thử tĩnh, cao độ bố trí strain gauge và địa chất 61

Hình 4.8 Kết quả thử tĩnh cọc WTP1 62

Hình 4.9 Kết quả thử tĩnh cọc TP1 63

Hình 4.10 Ma sát đơn vị đo được tại các đoạn cọc WTP1 63

Hình 4.11 Ma sát đơn vị đo được tại các đoạn cọc TP1 64

Hình 4.12 Giá trị fs/NSPT theo độ sâu 65

Hình 4.13 So sánh giá trị ma sát thành fs(kN/m2) giữa cọc phụt vữa và không phụt vữa 65

Hình 4.14 Khai báo các thông số của đất và vật liệu cọc 69

Hình 4.15 Khai báo các giai đoạn trong mô hình cọc khoan nhồi phụt vữa WTP1 70Hình 4.16 Kết quả mô phỏng cọc WTP1 tại cấp tải 2255T 70

Hình 4.17 Lực dọc thành cọc và ma sát thành cọc WTP1 từ mô hình Plaxis 3D 71

Hình 4.18 So sánh độ lún đầu cọc WTP1 giữa kết quả nén tĩnh và Plaxis 3D 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Bảng tổng hợp giá trị ma sát thành cọc khoan nhồi và barrette 8

Bảng 2 Tổng hợp các giá trị tương quan giữa chỉ số SPT N và giá trị ru 25

Bảng 4.1 Bảng thông số cốt thép sử dụng cho cọc 56

Bảng 4.2 Bảng tính toán sức chịu tải của cọc (Cho cọc khoan nhồi D1200) 57

Bảng 4.3 Bảng tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi phụt vữa theo nền đất 58

Bảng 4.4 Bảng tổng hợp ma sát đơn vị fs và chỉ số NSPT theo độ sâu 64

Bảng 4.5 Tỷ số fs/NSPT cho đoạn cọc phụt vữa và không phụt vữa cho từng loại đất từ kết quả thí nghiệm 66

Bảng 4.6 Bảng thông số mô hình cọc khoan nhồi phụt vữa WTP1 68

Bảng 4.7 Tổng hợp kết quả sức chịu tải cọc khoan nhồi phụt vữa WTP1 72

DANH MỤC KÝ HIỆU – CHỮ VIẾT TẮT

c - Là hệ số điều kiện làm việc của cọc

cq - Là hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi cọc qb - Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc

Ab - Diện tích tiết diện ngang mũi cọc u - Chu vi tiết diện ngang cọc

cf - Là hệ số điều kiện làm việc của đất trên thành cọc, phụ thuộc vào phương pháp tạo lỗ và điều kiện đổ bê tông

fi - Cường độ sức kháng trung bình (ma sát đơn vị) của lớp đất thứ “i” trên thành cọc li - Chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp thứ “i”

γunsat - Dung trọng đất tự nhiên (kN/m3) γsat - Dung trọng đất bão hòa (kN/m3) k - hệ số thấm của đất

Eref50 - Mô-đun đàn hồi cát tuyến của thí nghiệm nén 3 trục (kN/m2) Eref

eod - Mô-đun đàn hồi tiếp tuyến của thí nghiệm nén cố kết (kN/m2) Eref

ur - Mô-đun đàn hồi trong giai đoạn nén lại và dở tải (kN/m2) pref - Áp lực ban đầu (kN/m2)

m - Hệ số mũ

 - Hệ số Poisson c - Lực dính (kN/m2) φ - Góc ma sát (º) ψ - Góc dãn nở (º)

Rinter – Hệ số phần tử tiếp xúc g - gia tốc trọng trường ~ 9.81m/s2 n - độ rỗng của đất

r - bán kính lỗ phụt  - độ nhớt của vữa

w - độ nhớt của nước H - áp lực tác dụng

t - thời gian tính từ khi bắt đầu phụt

b - độ mở khe nứt (m)

PE - áp lực phụt hiệu dụng (Pa)

0 - sức kháng thuỷ lực Bingham (Pa)

𝑟𝑤 - bán kính hố khoan (m), do nhỏ nên có thể bỏ qua

 vl - tỷ trọng vật liệu

mn - khôi lượng nước (kN) mvl - khối lượng vật liệu (kN) GIN - chỉ số cường độ phụt

R - bán kính thấm trung bình của vữa R = p.e/2.c p - áp lực phụt cuối cùng

v - lượng ăn vữa đơn vị (cho 1m dài) v = nR2 n' - số khe nứt tổng đơn vị (cho 1m dài) kp - hệ số hụt áp do độ nhám mặt khe nứt

kv - hệ số tăng lượng ăn vữa do thay đổi độ nhẵn hở của miệng khe nứt Rt và GINt - là các trị số thí nghiệm.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển của xã hôi, các dự án nhà cao tầng với quy mô lớn tại Việt Nam ngày càng nhiều, càng đòi hỏi tải trọng đặt lên móng công trình ngày càng cao Bản thân sự ra đời của công nghệ cọc nói chung và cọc khoan nhồi, barrette nói riêng đã giải quyết được phần nào tính cấp thiết của yêu cầu thực tế Tuy nhiên, việc tăng cường khả năng chịu tải cọc khoan nhồi, barrette bằng cách tăng số lượng cọc, tăng chiều sâu và kích thước cọc đang bộc lộ một số hạn chế do công nghệ thi công hiện tại, mặt bằng, chi phí,… tác động

Cùng với đó, bản thân quá trình thi công cọc khoan nhồi, barrette cũng tìm ẩn nhiều vấn đề có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cọc được hình thành như sạt lở, sập thành hố đào, bùn lắng ứ đọng ở thân và đáy hố đào cọc, … Và công nghệ tăng sức chịu tải cọc bằng phương pháp phun vữa áp lực cao dọc thành cọc (Shaft Grouting) đã giúp xử lý đáng kể những vấn đề trên cũng như góp phần gia cường khả năng chịu tải của cọc, giải quyết được phần nào tính cấp thiết hiện nay

Mặc dù hiện nay cũng đã có nhiều những nghiên cứu, nhưng việc đánh giá hiệu quả sử dụng công nghệ này vẫn còn nhiều hạn chế và cũng chưa có tiêu chuẩn thi công cụ thể nào được ban hành cho lý thuyết tính toán và thi công cọc phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) Đặt biệt là việc đánh giá tổng quan chất lượng cọc, cũng như đánh giá sự gia tăng sức chịu tải của cọc có phụt vữa và không có sử dụng phụt vữa; đánh giá hiệu quả phụt vữa trong đất cát hay đất sét mang lại hiệu quả cao hơn; phương pháp nào để mô phỏng ứng xử của cọc phụt vữa trong tính toán

Với những đặc điểm và yêu cầu nêu trên, đề tài “Phân tích và đánh giá chất lượng cọc đổ tại chỗ bằng công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) tại Quận 2, Tp Hồ Chí Minh” sẽ thu thập và tổng hợp lại những kết quả nghiên cứu,

triển khai Đồng thời sẽ tiến hành phân tích và đánh giá hiệu quả của công nghệ này cho 1 dự án cụ thể ở điều kiện địa chất Quận 2 để mang lại cho người đọc cái nhìn chi tiết hơn về công nghệ và từng bước áp dụng vào thực tế thi công

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của Đề tài bao gồm:

- Đánh giá tổng quan hiệu quả phụt vữa cho cọc khoan nhồi được phụt vữa và cọc không được phụt vữa tại khu vực Quận 2, Tp Hồ Chí Minh

- Nghiên cứu tính toán các giá trị tương quan giữa cọc phụt vữa và cọc không phụt vữa

- Nghiên cứu phân tích hiệu quả phụt vữa cho từng loại địa chất tại khu vực khảo sát

- Mô hình hóa tính toán cho cọc khoan nhồi ứng dụng công nghệ phụt vữa thân cọc (Shaft Grouting) và đề xuất các hệ số tương quan để áp dụng trong tính toán

3 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập các tài liệu và nghiên cứu lý thuyết: Tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước, tài liệu, báo cáo khoa học, giáo trình hướng dẫn tính toán thiết kế cọc phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting)

- Tổng hợp và phân tích các kết quả thí nghiệm nén tĩnh cho cọc phụt vữa và cọc không phụt vữa tại thực tế công trình

- Tính toán theo phương pháp giải tích

- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis 3D) để mô phỏng tính toán và đối chiếu, so sánh với các kết quả thu được

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

- Tính khoa học: Từ quá trình phân tích và tổng hợp dữ liệu cho công nghệ thi công phụt vữa thành cọc theo đề tài nghiên cứu, có thể đề xuất các hệ số tương quan, phương pháp tính toán, mô phỏng và đánh giá chất lượng cọc thông qua việc gia tăng sức chịu tải của cọc

- Tính thực tiễn: Kết quả nghiên cứu từ bài luận văn có thể giúp cho các kỹ sư xây dựng như một tài liệu tham khảo cho các công trình có địa chất tương tự khu vực Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh

5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

- Từ những nghiên cứu tổng quan, tác giả chọn vấn đề nghiên cứu là phân tích và đánh giá chất lượng (sức chịu tải) của cọc phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) làm hướng nghiên cứu của Luận văn Trong điều kiện thời gian quy định, học viên chưa đề cập được toàn diện các vấn đề về thiết kế, công nghệ thi công… mà chỉ tập trung vào phân tích số liệu tính toán, thí nghiệm và hiệu quả mang lại của công nghệ này cho một công trình thực tế tại Quận 2, Tp Hồ Chí Minh

- Luận văn sẽ tổng hợp các kết quả tính toán và đối chiếu với kết quả thí nghiệm thực tế để để đưa ra những đánh giá, nhận định về hiệu quả của công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) và khả năng áp dụng trong tương lai.

TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐỔ TẠI CHỖ BẰNG CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA THÀNH CỌC

(SHAFT GROUTING)

Giới thiệu về công nghệ cọc đổ tại chỗ bằng công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting)

1.1.1 Khái niệm cọc đổ tại chỗ (cọc khoan nhồi, cọc barrette)

Trong số các phương án cọc cho kết cấu móng công trình, bao gồm cọc chế tạo sẵn và cọc nhồi hay còn gọi là cọc đổ tại chỗ đã có lịch sử hình thành từ lâu và là một trong những giải pháp nền móng không thể thiếu cho công trình xây dựng Tuy nhiên, với cọc đổ tại chỗ nói chung và cọc khoan nhồi, cọc barret nói riêng đã và đang là một trong những giải pháp tối ưu cho kết cấu công trình cao tầng, chịu tải trọng lớn hiện nay

Phương pháp thi công cơ bản của cọc khoan nhồi, cọc barrette là phương pháp khoan tạo lỗ trước trong đất, sau đó tiến hành lắp đặt lồng thép và đổ bê tông để lấp đầy lỗ khoan Việc tạo lỗ thường được thực hiện bằng máy khoan, gàu ngạm hoặc các phương pháp đào khác nhau tùy theo từng loại và hình dáng cọc

Ưu điểm của cọc khoan nhồi, cọc barret:

- Sử dụng được cho mọi loại địa tầng khác nhau - Sức chịu tải lớn

- Độ lún nhỏ do mũi cọc được hạ vào lớp đất có tính nén rất nhỏ

- Không gây tiếng ồn và tác động đến công trình lân cận, phù hợp xây dựng trong điều kiện xây chen tại các đô thị

- Rút bớt được công đoạn đúc cọc, do đó không cần các khâu xây dựng bãi đúc, lắp dựng ván khuôn

- Cho phép kiểm tra trực tiếp các lớp đất lấy mẫu từ các lớp đất đào lên, có thể đánh giá chính xác điều kiện đất nền

Nhược điểm của cọc khoan nhồi, cọc barrette:

- Sản phẩm trong quá trình thi công đều nằm sâu trong lòng đất khó kiểm soát chất lượng bê tông cọc

- Cọc đổ tại chỗ, nên dễ xảy ra các khuyết tật ảnh hưởng tới chất lượng cọc như:

 Hiện tượng co thắt, hẹp cục bộ thành cọc hoặc thay đổi kích thước tiết diện khi cọc xuyên qua các lớp đất khác nhau

 Bê tông xung quanh thành cọc bị rửa trôi gây ra rỗ mặt thành cọc  Lỗ khoan nghiêng lệch, sụt vách lỗ khoan

 Bê tông đổ thành cọc không đồng nhất và phân tầng 1.1.2 Khái niệm vữa phụt và chế tạo vữa phụt

Vữa phụt là một chất lưu, chủ yếu ở trạng thái lỏng và tùy từng trường hợp chứa một phần trạng thái khí phù hợp dạng vi bọt Dù có thành phần nào, vữa cũng phải đáp ứng một số thuộc tính bản chất sau:

- Trong quá trình phụt, chúng là một chất lưu, nhưng sau một thời gian ngắn (từ vài đến vài ba chục ngày) chúng phải chuyển một phần lớn hoặc hoàn toàn về trạng thái rắn kết hợp với phần tử của môi trường hoặc của chính chúng (bằng quá trình đông kết hoặc gắn kết)

- Khi ổn định ở trạng thái rắn, chúng có độ bền vĩnh cữu theo kết cấu công trình và không gây ô nhiễm môi trường bằng tác nhân độc hại từ bản thân Vữa phụt nhìn chung có thể phân chia ra các loại gồm hỗn hợp (suspension), huyền phù (emulsion) và hợp chất (solution)

Vữa hỗn hợp cấu thành bởi các hạt rắn cỡ nhỏ lơ lửng trong dung môi lỏng Thuộc loại này gồm có các vữa cement, tức là hỗn hợp cement với nước; vữa đất-cement tạo thành từ hỗn hợp đất và cement với nước, và vữa Bentonite gồm hỗn hợp Bentonite trong nước.Vữa cement được sử dụng rộng rãi và thường là hỗn hợp nước với cement theo tỷ lệ từ 10:1 đến 2:1

Vữa huyền phù tạo bởi các giọt keo lỏng phân tán trong dung môi nước; huyền phù bitum thuộc vào loại vữa này Các loại vữa khác cũng luôn cần có mức độ huyền phù nhất định để đảm bảo độ keo-nhớt của dung dịch trong quá trình phụt và tính năng bơm của thiết bị

Vữa hợp chất gồm hợp phần các phân tử cùng loại với hai hay nhiều phần tố; vữa hóa học như hợp chất silicat natri hay nhựa keo acrylic là ví dụ về loại vữa này Chúng thường là lỏng ở trạng thái ban đầu và có thể được bơm vào đất rồi sau khi thấm đến khu vực cần thiết trong khối đất thì định hình quánh lại và cô đặc theo thời gian

Các tính chất chung của vữa phụt

Loại vữa nào cũng cần có những tính chất phù hợp mục đích và công nghệ thực hiện bao gồm:

- Tạo hiệu quả phụt tối ưu sau khi đông kết hoặc gắn kết ổn định

- Có tính chất phù hợp của chất lưu về độ nhớt và độ phụt để xâm nhập hiệu quả nhất vào môi trường cần phụt, ổn định thông số trong suốt quá trình phụt - Giảm thiểu tối đa tác hại đến thiết bị phụt về tính mài mòn

- Đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn về môi trường và sức khỏe cho người tiếp xúc

Để đáp ứng các tính chất này, một số chỉ tiêu chính của vữa phụt cần tính đến gồm:

 Độ phụt (Groutability): thể hiện khả năng của vữa vận động đến được nơi cần phụt trong khối đất

 Độ ổn định (Stability): là khả năng của vữa duy trì được trạng thái lỏng mà không bị phân tách ra các thành phần riêng

 Độ lắng (Setting time): là thời gian cho đến lúc vữa lắng thành các khối cement hoặc keo riêng biệt

 Độ bền (Permanence): cho thấy khả năng của vữa chống lại sự dời chuyển khỏi phần lỗ rỗng đất theo thời gian

 Độ độc hại (Toxicity): thể hiện khả năng của vữa phụt làm nhiễm bẩn nước ngầm khi gặp phải và hậu quả có hại cho sức khỏe công nhân trong lúc phụt vữa có tiếp xúc bằng tay

1.1.3 Công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting)

Về bản chất, cọc khoan nhồi, barrette sau khi thi công xong sẽ sử dụng công nghệ phụt vữa để gia cường phần vật chất xung quanh thành cọc Tạo ra lớp vật liệu bao quanh có cường độ cứng hơn và tăng hiệu quả làm việc của khối cọc-đất-xi măng, đồng thời khắc phục được các sự cố liên quan đến quá trình thi công cọc

Công nghệ phụt sử dụng ở đây thực chất là kỹ thuật đưa một lượng hỗn hợp chất lưu (tia nước/vữa/khí) nhờ tia nước và vữa phun ra với áp suất cao (200 - 700 atm), vận tốc lớn ( 100m/s) vào môi trường đất có khe-lỗ hổng hoặc đá nứt nẻ-lỗ rỗng nhằm mục đích tạo ra khối đất – xi măng (Soilcrete) có cường độ tốt hơn và giảm hệ số thấm hoặc gia cường tính ổn định và chịu lực của chúng, hoặc cả hai

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sức chịu tải của cọc sau khi phụt vữa không hề suy giảm theo thời gian:

Hình 1.1 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

Hình 1.2 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

(Theo ‘Tuyển tập kết quả Khoa học & Công nghệ 2016’) Ngoài ra, đây là phương pháp được sử dụng khá linh hoạt cho nhiều mục đích khác nhau như: gia cường móng cho các công trình, làm tường chống thấm, làm giảm và kiểm soát chuyển vị cho các hố đào hay trong quá trình thi công hầm, v.v (Choi 2005, Essler & Yoshida 2004)

Cơ chế giúp công nghệ phụt vữa đem lại hiệu quả cho cọc khoan nhồi, barrette đã được các tác giả như Stocker (1983), Toughton & Stocker (1996) tổng kết như sau:

- Công nghệ phụt vữa giúp lấp đầy các khe nứt xuất hiện xung quanh chu vi cọc, giúp nâng cao chất lượng bề mặt cọc

- Quá trình khoan đất khi thi công cọc thường dẫn đến cấu trúc đất xung quanh cọc bị ảnh hưởng hoặc bị phá hủy Công nghệ phụt vữa có tác dụng củng cố lại nền đất xung quanh cọc, làm gia tăng áp lực ngang tác dụng vào cọc

- Công nghệ phụt vữa giúp gắn kết các tầng đất rời trong phạm vi xung quanh cọc, do sự xâm nhập của vữa vào các khe hở giữa các hạt đất

- Các khe hở, lỗ rỗng, khe nứt giữa cọc và đất sẽ được lấp đầy trong quá trình phun vữa làm cải thiện đáng kể sự tiếp xúc và ma sát giữa cọc và đất

Công nghệ phụt vữa giúp nâng cao giá trị của sức kháng thành giữa cọc và đất nếu so sánh với cọc trơn (không sử dụng công nghệ phụt vữa trên bề mặt cọc) Sức kháng thành được cải thiện là do tác dụng đồng thời của sự gia tăng áp lực ngang của đất vào cọc và sức kháng cắt giữa bề mặt cọc - đất, dẫn đến khi có lực tác dụng, biến dạng trượt của đất sẽ nhỏ hơn, ứng suất cắt dọc thành cọc được phun vữa sẽ rất lớn Bảng 1: Bảng tổng hợp giá trị ma sát thành cọc khoan nhồi và barrette

Ma sát dọc trục giới hạn (kPa)

Cọc Cọc phụt vữa

Plumbridge et al [6], Hong Kong

Cọc khoan nhồi/

Barrette Cát (**) 150 210 Lui et al [10], Hong

(*): Cát (Từ đá granite)

(**): Cát (Từ đá granite và bồi tích)

(Theo tổng hợp từ hội nghị AGSSEA và Địa kỹ thuật Đông Nam Á lần thứ 18) Các nghiên cứu về trị số tối đa của sức kháng thành một số tác giả trong khu vực được tổng hợp trong Bảng 1 đã cho thấy rõ hơn ưu điểm của công nghệ này

Tình hình ứng dụng công nghệ cọc Shaft Grouting trên thế giới

Khả năng xói của tia nước đã được sử dụng cho mục đích đào đất từ rất sớm, đặc biệt là trong công nghiệp khai thác mỏ, thậm chí có một số tài liệu cho rằng kỹ thuật này được áp dụng từ thời Trung Cổ (Essler & Yashida 2004)

Ở Anh, kỹ thuật phun vữa sớm được phát minh vào thập niên 50, nhưng được ứng dụng đầu tiên ở Nhật vào thập niên 70 (Essler & Yoshida 2004) Những nghiên cứu và phát triển ban đầu sử dụng nguyên lý về cắt và xói đất vào khoảng năm 1965 bởi Yamakado và cộng sự (Xanthakos et al 1994 từ nguồn Miki & Nikanishi 1984) Trong giai đoạn này, công nghệ phụt vữa được sử dụng đầu tiên chỉ để tạo tường ngăn nước (Essler & Yoshida 2004) (hình 1.1)

Hình 1.3 Công nghệ phụt vữa được áp dụng ban đầu để tạo tường ngăn nước (Essler & Yoshida 2004)

Đến năm 1975 ở Mỹ, ứng dụng phun vữa áp lực cao xung quanh thành cọc được áp dụng lần đầu tiên cho cọc thép trong hệ móng ngoài khơi (Gouvenot and Gabaix 1975) và cho nhiều kết quả khả quan

Hình 1.4 Mặt cắt và chi tiết cọc thí nghiệm (Gouvenot and Gabaix 1975) Tại Bangkok năm 1998, hệ thống đường bộ và đường sắt (BERTS) đã ứng dụng công nghệ phun vữa thành cọc cho cả lớp đất sét và đất cát Hiệu quả xử lý cũng đã được ghi nhận

Hình 1.5 Kết quả phân tích hiệu quả phụt vữa cho lớp đất sét (BERTS 1998)

Hình 1.6 Kết quả phân tích hiệu quả phụt cho lớp đất cát (BERTS 1998) Đến nay, công nghệ đã từng bước được ứng dụng tại nhiều nơi và đem lại nhiều kết quả tích cực, điển hình như: Littlechild (Bangkok, 1998), Kowloon – Caton (Hong Kong, 2000), Tung Chung Designated Area (Hong Kong, 2006), …

Một số ví dụ về công trình cọc Shaft Grouting trên thế giới:

Hình 1.7 Trung tâm Tài chính Quốc tế, Hồng Kông

Hình 1.8 Quảng trường Union, Hồng Kông

Tình hình ứng dụng công nghệ cọc Shaft Grouting tại Việt Nam

Tại Việt Nam, Shaft Grouting đã được áp dụng từ khá sớm với sự nghiên cứu kỹ lưỡng và khảo sát đến nhiều yếu tố của những nhà thầu hàng đầu hiện nay, điển hình như Bachy Soletanche Vietnam, SaiGon M&C (HCM, 2005), FECON South, …

Cho đến nay, từng đặc thù của công nghệ thi công này ngày càng được phát kiến và ứng dụng vào thực tế cho nhiều công trình hơn Các phân tích ứng xử của cọc Shaft Grouting cũng đã được thực hiện để cung cấp thêm dữ liệu cho thiết kế hiện tại

Một số ví dụ về công trình cọc Shaft Grouting trong nước:

Hình 1.9 Tòa nhà VINCOM A – Q.1, Tp Hồ Chí Minh

Hình 1.10 Tòa nhà Saigon Center Giai đoạn 2&3 – Q.1, Tp Hồ Chí Minh

Hình 1.11 Chung cư An Phú 2 – Q.6, Tp Hồ Chí Minh

Hình 1.12 Tòa nhà Landmark 81 – Q.Bình Thạnh, Tp Hồ Chí Minh

Nhận xét chương 1

Trong chương này học viên đã nêu được tổng quan về công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting), lịch sử phát triển công nghệ, khả năng ứng dụng Đồng thời khái quát tình hình nghiên cứu cọc phụt vữa (Shaft Grouting), ứng dụng thực tiễn của công nghệ này trong nước và trên thế giới Đây là một giải pháp gia cường sức chịu tải cọc rất khả thi trong các công trình xây dựng chịu tải trọng lớn hiện nay

Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, việc ứng dụng cọc Shaft Grouting ngày càng hoàn thiện và đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu thực tiễn

Cọc khoan nhồi, barrette bằng công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) tuy còn khá mới ở Việt Nam Nhưng với những tính năng phù hợp và ưu việt trong nhiều trường hợp nêu trên đặc biệt là đáp ứng được yêu cầu tải trọng lớn của công trình, … Chính vì vậy cần thiết đầu tư nghiên cứu ứng dụng, giải pháp tổ chức thi công công nghệ cọc này một cách hợp lý để áp dụng cho các công trình xây dựng trong tương lai.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC ĐỔ TẠI CHỖ BẰNG CÔNG NGHỆ

PHỤT VỮA THÀNH CỌC (SHAFT GROUTING)

Cơ sở lý thuyết xác định sức chịu tải của cọc

Phương trình tổng quát để xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi, barrette như sau:

Hình 2.1 Khả năng chịu tải của cọc

Khả năng chịu tải cho phép của cọc:

Qu= Qp + Qs (2.1)

Trong đó:

Qu – Sức chịu tải cho phép của cọc

Qp – Sức kháng mũi: là phản lực giữa đất ở mũi cọc tác dụng lên đầu cọc

Qp = Ap.qp (2.2) Qs – Sức kháng bên (gồm ma sát bên và lực dính, thường gọi là ma sát bên): là phản lực giữa đất với phần xung quanh cọc

𝑄𝑠 = ∫ 𝐹0𝐿 𝑠𝑑𝑧 = 𝑈 ∑ 𝑞𝑠𝑖 𝑙𝑖 (2.3)

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng: Sức kháng bên thường đạt cực hạn rất nhanh (ở chuyển vị khoảng 3 ÷ 5 mm) Nếu cọc khoan nhồi, cọc barret có thành bên rất nhám, thì sức kháng bên có thể đạt cực hạn ở chuyển vị lớn hơn do quá trình khoan tạo lỗ có hiện tượng chảy cát/ sỏi xuống đáy hố khoan nên cọc có thể phình ra, dẫn đến sức kháng bên của cọc nhội đạt cực hạn chậm hơn (ở chuyển vị khoảng 3 ÷ 6 mm với cọc trong đất dính, 4 ÷ 8 mm với cọc trong đất rời, và chậm chí 10 ÷ 20 mm với cọc trong đá sỏi

Hình 2.2 Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất dính

Hình 2.3 Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất dính

Hình 2.4 Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất rời

Hình 2.5 Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất rời

(Theo sách Móng cọc phân tích và thiết kế - Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái)

Dưới tải trọng cho phép, chuyển vị của cọc [s] là khá nhỏ, do đó sức kháng mũi mới chỉ được huy động một phần nhỏ Trong khi đó, sức kháng bên của cọc đã được huy động khá lớn

a) Đất bình thường b) Đất giảm yếu khi biến dạng lớn Hình 2.6 Biểu độ huy động sức kháng của cọc

(Theo sách Móng cọc phân tích và thiết kế - Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái) Quá trình phụt vữa như đã trình bày sẽ tạo dòng chảy giúp thổi rửa và tăng giá trị sức kháng bên, do đó tăng đáng kể giá trị sức kháng cực hạn cho cọc khoan nhồi, cọc barret

Hình 2.7 Nguyên lý làm việc của công tác phụt

Hình 2.8 Mặt đứng bố trí ống phụt vữa trong cọc

Bên cạnh đó, khi phân tích sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý 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 thành cọc vẫn có thể áp dụng các công thức tính sức kháng đơn vị thông thường:

𝑓𝑡 = 𝐶𝑎 + 𝐾𝑠 𝜎′𝑣 𝑡𝑎𝑛𝜑𝑥 (2.4) 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 2.9 Thí nghiệm nén 3 trục cho mẫu đất cát phụt vữa và không phụt vữa

Ngoài ra, bằng các phương pháp thực nghiệm khác nhau cho các loại địa chất điển hình như đất sét, đất cát, kết quả thu được cũng cho thấy sức kháng hông của cọc được phụt vữa cao gấp 2 đến 3 lần so với cọc không phụt vữa Qua đó đã mang lại kết quả khả quan cho việc áp dụng rộng rãi công nghệ phụt vữa thành cọc Shaft Grouting

Tính toán sức chịu tải của cọc đổ tại chỗ bằng công nghệ phụt vữa thành cọc

Hiện nay, các phương pháp tính toán sức chịu tải cho cọc đổ tại chỗ như cọc khoan nhồi, cọc barret đang ngày càng đa dạng về phương pháp tính cũng như số liệu đầu vào để phục vụ tính toán, kế thừa và phát triển từ những thành công của các công trình nghiên cứu đã thực hiện Tuy nhiên, trong phạm vi đề tài nghiên cứu, học viên sẽ giới hạn lại phương pháp tính toán cho cọc đổ tại chỗ bằng công nghệ phụt vữa thành cọc với trọng tâm dựa vào phương thức làm việc của cọc và nền đất Các phương pháp tính toán bao gồm:

2.2.1 Tính toán sức chịu tải của cọc theo phương pháp giải tích a Sức chịu tải theo vật liệu

Sức chịu tải theo vật liệu Rc,d,M được tính toán như sau:

Rc,d,M = [cb’cb Rb(Ac - As) + Rs *As] (2.5) Các thông số về vật liệu sẽ được dựa vào hồ sơ thiết kế cọc để tính toán giá trị sức chịu tải theo vật liệu của cọc

b Theo chỉ tiêu cơ lý đất nền

Theo TCVN 10304:2014 - xác định sức chịu tải cực hạn Rc,u tính bằng kN của

cọc theo đất nền là:

Rc,u = c (cq qb Ab + ucf fi li) (2.6) c Theo chỉ tiêu cường độ đất nền

fi - Cường độ sức kháng trung bình (ma sát đơn vị) của lớp đất thứ “i” trên thành cọc

li - Chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp thứ “i”

- Đất dính: Cường độ sức kháng cắt không thoát nước dọc thành cọc trong lớp đất thứ “i” được xác định theo phương pháp α như sau:

Với α được xác định theo hình G1, trang 81, TCVN 10304-2014

- Đất rời: Sức kháng cắt trung bình dọc thành cọc trong lớp đất thứ “i” được xác định theo phương pháp β như sau:

𝑓𝑖 = 𝑘𝑖 𝜎̅𝑣,𝑧 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑖 (2.8) 𝜎̅𝑣,𝑧 - Là ứng pháp hiệu quả theo phương đứng trung bình trong lớp đất thứ “i” d Sức chịu tải của cọc theo SPT

Chỉ số SPT được xác định theo công thức Viện kiến trúc Nhật Bản: Tại mục G.3.2 TCVN 10304-2014)

Rc,u = qb Ab + u(fc,i lc,I + fs,i ls,i) (2.9) Trong đó:

fc,i , fs,i - Cường độ sức kháng của đất rời và đất dính thứ i trên thành cọc

- Đối với đất cát (đất rời):

lc,i , ls,i - Chiều dài đoạn cọc nằm trong đất rời và đất dính thứ i trên thành cọc

Nc,i - Chỉ số SPT trung bình trong lớp đất rời thứ “i”

- Đối với đất dính (đất sét):

fc,i = α p,i fL cu,i - Cường độ sức kháng trên thành cọc nằm trong lớp đất dính

thứ “i”

v

αp,i - Hệ số điều chỉnh cho cọc đóng, phụ thuộc vào sức kháng cắt không thoát

nước Cu và trị số trung bình ứng suất có hiệu thẳng đứng 𝜎′𝑣,𝑧 (xác định theo biểu đồ trên hình G.2a TCVN 10304-2014)

fL - Hệ số điều chỉnh theo độ mãnh h/d với fL = 1 (cho cọc nhồi)

Cu ,i - Cường độ sức kháng cắt không thoát nước trong lớp đất dính thứ “i”:

Cu,i = 6.25Nc,i

Nc,i - Là chỉ số SPT trung bình trong lớp đất dính thứ “i”

𝑓𝑠,𝑖 =10𝑁𝑠,𝑖

3 Cường độ sức kháng trên thành cọc nằm trong lớp đất rời thứ ”i”

Xác định sức chịu tải của cọc theo SPT đã được sử dụng khá phổ biến trong tính toán cọc khoan nhồi, barrette trước đây Khi áp dụng tính toán cho cọc phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting), nhiều nghiên cứu đã được tiến hành và mang lại nhiều kết quả khả quan cho việc áp dụng tính toán và triển khai cọc phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting), điển hình như:

Lui et al (1993) đã phân tích kết quả thử tĩnh của các cọc khoan nhồi đường kính nhỏ phụt vữa thành biên trong một dự án chung cư tại Hồng Kông để đề xuất công thức quan hệ sức kháng ma sát đơn vị với kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn fs = 5.5N (kPa) (N là giá trị SPT trung bình trong đoạn cọc ma sát) Littlechild et al (1998) cũng dựa trên kết quả thử tĩnh của các cọc khoan nhồi phụt vữa thành biên đường kính từ 0.8m đến 1.5m thực hiện tại dự án hệ thống đường sắt đô thị Bangkok (BERTS), và đề xuất công thức quan hệ sức kháng ma sát đơn vị thành cọc cho đất loại sét theo phương pháp ứng suất tổng fs = αCu (với α = 1 và sức kháng cắt không thoát nước Cu = 5N (kPa), N là giá trị SPT trung bình từ kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn đất xung quanh đoạn cọc ma sát) và cho đất loại cát theo phương pháp ứng suất hữu hiệu (fs = βσ’v

với β = 0.55) Một nghiên cứu khác của Littlechild et al (2000) cũng sử dụng phương pháp trên cho cọc barrette và cọc khoan nhồi phụt vữa thành biên tại một dự án ở Hồng Kông và cho thấy sức kháng ma sát đơn vị thành cọc tính bằng kPa quan hệ với giá trị SPT từ 1.3 đến 5.6 lần

Tương tự, Lei và Ng (2007) cũng phân tích kết quả thử tĩnh của nhiều cọc barrette và khoan nhồi phụt vữa thành biên tại các dự án khác nhau ở Hồng Kông và đưa ra công thức quan hệ sức kháng ma sát đơn vị với giá trị SPT trung bình là từ 1.64N đến 2.3N Văn phòng địa kỹ thuật Hồng Kông GEO (2006) đã tổng hợp nhiều dữ liệu thử tĩnh cọc sử dụng biện pháp phụt vữa thi công tại nước này và thấy rằng quan hệ sức kháng ma sát đơn vị với giá trị SPT trung bình fs/N thay đổi từ 1.4 đến 5.5

Cũng dựa trên kết quả thử tĩnh của các cọc khoan nhồi phụt vữa thành biên tại Hồng Kông, Zhang và Chu (2009) đã đề xuất công thức quan hệ sức kháng ma sát đơn vị thành cọc với giá trị SPT trung bình fs = 0.36N + 112 (kPa); và công thức quan hệ sức kháng ma sát đơn vị thành cọc với ứng suất hữu hiệu fs

= 0.11σ’v + 104.5

Liên quan đến các công trình ở Việt Nam, Trí và Dũng (2011) cũng phân tích kết quả thử tĩnh của loại cọc barrette phụt vữa thành biên tại nhiều công trình xây dựng và cho thấy quan hệ sức kháng ma sát đơn vị thành cọc với kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn là khoảng 7.8N cho đất loại sét và 7.9N cho đất loại cát

Có thể thấy rằng, các nghiên cứu đề xuất công thức tính toán sức kháng ma sát đơn vị thành cọc ở trên chủ yếu sử dụng phương pháp phân tích ngược kết quả thí nghiệm thử tĩnh cọc quan hệ với kết quả các thí nghiệm đất mà phổ biến nhất là thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy tác dụng nâng cao sức chịu tải cọc hay sức kháng ma sát cọc huy động xung quanh đoạn cọc phụt vữa thành biên bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như loại đất hay điều kiện địa chất của khu vực xây dựng (Littlechild et al., 2000), đặc tính vữa phụt (Zhang et al., 2009), tải trọng thử tĩnh (Trí và Dũng, 2011)… nên các công thức đề xuất có sự thay đổi từ tác giả này sang tác giả khác

2.2.2 Tính toán sức chịu tải của cọc theo phương pháp mô phỏng (phương pháp phần tử hữu hạn)

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 2.10 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 EOed

Hình 2.11 Mô hình Hardening soil trong hệ trục không gian

Ngoài ra, mô hình Hardening Soil được lựa chọn để phân tích kết quả thử tĩnh cọc bởi vì đây là mô hình nâng cao, có sử dụng độ cứng dỡ tải 𝐸𝑢𝑟 phù hợp với ứng xử dỡ tải khi thử tĩnh cọc Ngoài ra, mô hình còn có xét đến thành phần biến dạng dẻo của đất, thích hợp để phân tích, đánh giá khả năng làm việc của cọc phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) được hình thành