Phân tích chuyển vị tường vây sử dụng giải pháp phun vữa áp lực cao để xử lý đáy hố đào

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.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 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 vữa áp lực cao giải pháp xử lý đất yếu mang lại hiệu kinh tế Giải pháp sử dụng rộng rãi giới áp dụng Việt Nam Dựa nghiên cứu tổng quan giới, tác giả mô ứng dụng giải pháp phun vữa cao áp Jet Grouting giảm chuyển vị ngang hố đào điều kiện địa chất TP.HCM Đất khu vực đáy hố đào thay phần cọc Jet Grouting (JGPs) nhằm tăng sức kháng bị động Phương pháp phân tích số lựa chọn sử dụng đánh giá tính hiệu Jet Grouting, từ tìm giải pháp mơ dễ dàng nhanh chóng, giảm bớt khối lượng tính tốn 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 ĐẶT VẤN ĐỀ Ở nước ta, đặc biệt thành phố lớn Hà Nội TP Hồ Chí Minh, nhà cao tầng xuất nhanh chóng Cơng trình phát triển lên cao phần đưa sâu vào lòng đất Điều xu q trình đại hóa thành phố lớn Việc xây dựng tầng hầm khu vực đất tốt phức tạp việc xây dựng khu vực đất yếu khó khăn chuyển vị ngang tường vây tầng hầm trình đào hầm thường lớn gây ổn định cho hố đào cơng trình xung quanh VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 391 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Chính việc lựa chọn giải giải pháp giúp ổn định tường vây hố đào sâu vấn đề quan trọng thi công nhà cao tầng mà số cơng nghệ Jet-Grouting Phương pháp tương đối dễ dàng thi công, nên áp dụng nhiều nước giới Tuy nhiên phương pháp phân tích ý tưởng thiết kế đánh giá cao kinh nghiệm thiếu phương án thiết kế rõ ràng vào thời điểm Việc phân tích vấn đề địi hỏi khối lượng tính tốn lớn, nên phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phân tích sở lý thuyết, đánh giá phương pháp vữa áp lực cao để xử lý đáy hố đào - Tiến hành mơ hình hố đào gia cường giải pháp Jet-grouting với nhiều phương án khác tỷ lệ gia cố đất - Khảo sát thu thập số liệu quan trắc tường vây tầng hầm khu vực TP.HCM nhằm so sánh với kết tính tốn CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng Jet-Grouting Áp lực phun: Để hồ vữa thấm nhanh vào phần lỗ rỗng, tức tăng cường đưa vữa vào đất, cần u cầu có áp lực đáng kể Mặt khác điều lại nguyên nhân làm phần khối đất bị dời chuyển thay đổi cấu trúc, áp lực phải có giới hạn tối đa thích hợp Theo kinh nghiệm áp lực chiếm khoảng 25% ứng suất có hiệu trọng lượng than đất độ sâu Ngưỡng áp lực ảnh hưởng đến cấu trúc đất xác định trước tính tốn Hình Quan hệ khoảng cách xói áp lực phun (Essler & Yshida, 2004) Tốc độ dòng phụt, thể tích lưu lượng phụt: Khi tăng áp lực nước vịi phụt, thiết lập cơng thức theo định luật bảo toàn lượng V0 = m 2.g p0 392 (1) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Trong : 0: áp suất 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 chất lượng vòi phun Nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước cọc động lượng tia (Choi 2005 từ nguồn Covil & Skinner 1994) Động lượng tạo phụ thuộc vào khối lượng vận tốc thành phần, có hai cách để nâng cao động lượng tia được đưa (Choi, 2005) Với đầu phun tốt m = 0,92, lưu lượng vữa xác định theo biểu thức sau: Q = n.V A Q = n.m gp0 (2) π d2 (3) Trong đó: d : đường kính vịi phun A : diện tích vịi phun n : số lượng vịi phun cần Jet Grouting Hình Sự ảnh hưởng áp lực dòng Ảnh hưởng khí nén: Khi gia tăng tốc độ dịng khí với áp lực thấp mở rộng vùng xói mịn Phụt vữa áp lực cao dùng phương pháp khí nén đạt hiệu vài khía cạnh Điều đạt độ xói mịn với lượng tối đa sau điều quan trọng không đưa phần đất bị xói mịn lên mặt đất Tốc độ nâng/hạ cần: Năng lượng Jet - Grouting tạo đơn vị chiều dài thi cơng cọc (E) phụ VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 393 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 thuộc ba nhân tố: áp lực phun (P), lưu lượng phun (Q), tốc dộ nâng/hạ cần ( ): P.Q (4) E= Vt Tốc độ rút cần cho loại đất khác với số SPT (Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016): Hình Quan hệ tốc độ rút cần loại đất Tốc độ xoay cần: Tốc độ xoay cần phun đơi từ -15 vịng/phút, phun đơn từ - vịng/phút (Trần Nguyễn Hồng Hùng, 2016): Bảng Tổng hợp thông số vận hành Jet-Grouting phun đơn Nguồn Thông số Đơn vị BS EN 12716:2001 Bruce (1994) YBMCo Covil & Skinner (1994) 20 - 40 Áp lực bơm Mpa 30 - 50 30 - 55 20 - 40 Lưu lượng Lít/phút 50 - 450 60 - 150 60 - 100 Kích thước vịi mm 1,8 - 2,8 – 3,2 1,2 - 10 - 30 - 20 20 12,5 - 33 - 25 Số lượng tia 2-6 Tốc độ quay cần Vòng/phút Tốc độ rút cần cm/phút Số lần lặp: Các thí nghiệm trường cần phải xoay cần từ - vòng đủ để trộn đất vữa (Xanthakos et al., 1994 từ nguồn Kauschinger & Welsh, 1989) Kích thước lượng vịi phun: Số lượng vịi phun, đường kính vịi phun ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng phun, tỷ lệ đất bị cắt, lưu lượng vữa phun Số lượng vòi phun thay đổi từ - vịi đường kính vịi phun thường vào khoảng - mm Theo thực tế thử nghiệm TP.HCM, đường kính vịi phun 1,7 mm tượng nghẹt vịi thường xun xảy ra, đường kính vòi phun 2,5 mm dễ dàng vận hành khắc phục nghẹt vịi 394 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Tỷ lệ nước: xi măng (w:c) vữa phun: Vữa tỷ lệ phù hợp (c/w) lựa chọn cho đạt yêu cầu cường độ tính thấm (Xanthakos et al., 1994) Cường độ chịu nén soilcrete vào khoảng - 25 MPa xác định lượng xi măng phần đất lại khối soilcrete, tính chống thấm soilcrete ngăn khơng cho nước thấm vào cách lựa chọn loại vữa phù hợp cần 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 1) dựa cấp phối hạt đất, tính thấm đất, độ ẩm đất, khối lượng trung bình lượng vữa m3 đất (Xanthakos et al., 1994) 3.2 Chất lượng sản phẩm soilcrete Đường kính cọc: Lm = KPα Q β N γ Vδ (5) Trong : : bán kính cọc P: áp lực phun(MPa) Q: lưu lượng phun (m3/phút) N: số lần lặp chiều sâu thiết kế V: vận tốc quay vịi phun (m/s) = [d × π ×V (rpm)]/60; d: đường kính cần D: đường kính bên đầu phun (m) K: hệ số cho loại đất, đất cát lấy 1.5 hệ số α = 1,003, β = 1,186, γ = 0,135, δ = 0,198 Khoảng cách xói: lj d = 6,25 6.25 (Pi − Ps ) qu (6) Trong đó: d: đường kính vịi phun lj: khoảng cách xói tia Pi: áp lực vịi phun Ps: áp lực thủy tĩnh tác dụng lên đầu vòi phun qu: cường độ nén nở hơng đất VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 395 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 3.3 Sức chống cắt đất sau xử lý Hiệp hội Jet - Grouting Nhật Bản đưa thơng số lực dính tiêu chuẩn dùng thiết kế cọc Jet - Grouting c = qu/2 φu = Hệ số Poisson: có phân tán tương đối lớn liệu thí nghiệm, hệ số Poisson đất cải tạo từ 0,25 – 0,45 3.4 Lý thuyết mô đất sau vữa Jet - Grouting phần tử hữu hạn Phương pháp phân tích số lựa chọn sử dụng đánh giá tính hiệu Jet Grouting có phương pháp mơ sau: • Phương pháp RAS (The real allocation simulation) mô riêng biệt theo tính chất thật đất JGPs Hình Cọc Jet - Grouting làm việc phương pháp liệu riêng biệt (PP RAS: The real allocation simulation) • Phương pháp EMS (Equivalent material simulation) mô qui đổi tương đương, xem cọc JGPs đất làm việc khối Hình Cọc Jet - Grouting làm việc phương pháp tương đương (PP EMS: Equivalent material simulation) 396 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH CAO ỐC MANDISON SỐ 15 THI SÁCH, QUẬN 1, TP.HCM 4.1 Mơ tả cơng trình Đây dự án cao ốc phức hợp hộ kết hợp với officetel/ khách sạn thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Dự án bao gồm tháp cao 17 tầng tầng hầm Ba tầng hầm để đậu xe phục vụ M&E; Tầng Tầng 18 (Tầng mái thấp) dùng cho thương mại; Tầng đến tầng dành cho khách sạn, tầng đến tầng officetel hộ từ tầng trở lên Ba tầng hầm thiết kế thi công theo phương pháp Top-down Hệ chống tường chắn giữ đào đất tường vây dày 800 mm, với chiều sâu chân tường vây 37,5 m so với mặt đất tự nhiên Chiều sâu đào lớn 19,7 m Hình Mặt mặt cắt tầng hầm cơng trình VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 397 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Bảng Trình tự thi cơng tầng hầm Các bước Nội dung Trạng thái ban đầu đất Thi công tường vây + Tải trọng phân bố đất Thi công sàn Hạ mực nước ngầm đào đất tới cao độ đáy hầm Thi công sàn hầm Hạ mực nước ngầm đào đất tới cao độ đáy sàn hầm Thi công sàn hầm Hạ mực nước ngầm đào đất tới cao độ sàn hầm Thi công sàn hầm Hạ mực nước ngầm đào đến cao độ lắp hệ giằng khu vực lõi thang 10 Lắp hệ giằng khu vực lõi thang 11 Hạ mực nước ngầm đào đất tới đáy móng bè lõi thang máy 4.2 Thơng số toán Chuyển vị ngang tường vây phân tích phương pháp phần tử hữu hạn với hỗ trợ phần mềm Plaxis 2D V8.5 Hai mơ hình sử dụng phân tích Morh-Coulomb Model (MCM) Hardening Soil Model (HSM.) Kết phân tích so sánh với so sánh với kết quan trắc Trong báo đánh giá đất với thơng số cho mơ hình Mohr-Coulomb Hardening Soil sau: Tên tiêu Lớp Loại đất Đất đắp Sét Cát pha Sét pha Cát pha Cát pha Trạng thái San lấp Chảy Chặt vừa Dẻo cứng Chặt vừa Chặt Bề dày 2,5 2,5 29,5 15,8 6,7 33 γunsat(kN/m ) 15,23 14,64 16,43 16,69 16,68 18,2 γsat(kN/m3) 19,4 15,8 19,78 20,21 19,77 21,4 kx (m/day) 8,64 7,01E-04 0,172 5,83E-04 0,172 0,172 ky (m/day) 8,64 3,50E-04 0,0864 2,92E-04 0,0864 0,0864 Eref (kN/m2) 2700 3540 15710 44333 29790 32450 c' (kN/m2) 0,1 14 8,3 35,5 10,8 6,4 398 CÁC THƠNG SỐ MƠ HÌNH MOHR-COULOMB Lớp DD Lớp Lớp Lớp Lớp VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 ϕ' (độ) 25 15051’ 30050’ 22004’ 31016’ 34045’ Rinter 0,9 0,85 0,9 0,85 0,9 0,9 Hệ số poisson ʋ 0,3 0,35 0,3 0,3 0,3 0,3 Ứng xử vật liệu Drained Undrained Undrained Undrained Undrained UnDrained CÁC THƠNG SỐ MƠ HÌNH HARDENING SOIL γunsat(kN/m ) 15,23 14,64 16,43 16,69 16,68 18,2 γsat(kN/m3) 19,4 15,8 19,78 20,21 19,77 21,4 kx (m/day) 8,64 7,01E-04 0,172 5,83E-04 0,172 0,172 ky (m/day) 8,64 3,50E-04 0,0864 2,92E-04 0,0864 0,0864 (kN/m ) 2700 3540 15710 44333 29790 32450 Eoedref (kN/m2) 2700 1770 15710 22166 29790 32450 Eurref (kN/m2) 8100 10620 47130 132999 89370 97350 c' (kN/m2) 0,1 14 8,3 35,5 10,8 6,4 ϕ' (độ) 25 15 51’ 30 50’ 22 04’ 31 16’ 34045’ Rinter 0,9 0,85 0,9 0,85 0,9 0,9 m 0,5 0,75 0,75 0,75 0,75 Góc giãn nở ψ(độ) 0 0050’ 1016’ 4045’ Hệ số poisson ʋ 0,3 0,35 0,3 0,3 0,3 0,3 E50ref Ứng xử vật liệu Drained Undrained Undrained Undrained Undrained UnDrained Hình Mơ hình tổng thể tốn phần mềm Plaxis VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 399 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 4.3 So sánh với quan trắc thực tế Vì giai đoạn đào tới đáy móng bè lõi thang nguy hiểm tường vây chuyển vị lớn nên tiến hành so sánh thời điểm Hình Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang tường vây quan trắc thực tế, mơ hình MorhCoulomb, mơ hình Hardening Soil Qua so sánh hai mơ hình MC, HS quan trắc nhận thấy mơ hình HS cho kết gần với quan trắc (sai số mơ hình HS 16%, mơ hình MC 120%) Kết quan trắc đưa với mục đích lựa chọn mơ hình thích hợp cho tốn xử lý đất yếu đáy hố đào phương pháp vữa áp lực cao Bài toán sau đề xuất phương án giải vấn đề chuyển vị tường vây lớn q trình thiết kế Do đó, tác giả chọn mơ hình Hardening Soil để mơ q trình tính tốn 4.4 Phân tích ứng dụng giải pháp Jet-grouting để giảm chuyển vị hố đào Cọc JGPs mơ giả định có đường kính D = m, cường độ nén trục nở hông tự (unconfined compression test) có = 10 (KG/cm2) = 1000 (KN/m2), sức kháng lớp JPGs c = /2 = 500 (KN/m2), giá trị module biến dạng lớp JGPs chọn E = 200 = 200000 (KN/m2), giá trị dung trọng = 20 3 (KN/m ), = 22 (KN/m ) Thông số đất xử lý: Mô cọc theo phương pháp riêng biệt: Vì phần tử hữu hạn palxis 2D khơng thể mơ cọc trịn làm việc nên ta quy đổi vật liệu cọc sau: 400 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình Quy đổi từ cọc tròn sang cọc chữ nhật π D2 = td ⎯⎯ →t = π D2 4d (7) Xác định tỷ lệ diện tích đất xử lý sau: Ir = Ap d1d (8) Với Ap = π D2 (9) Giả sử cọc bố trí riêng biệt theo dạng hình vng sau: Hình 10 Sơ đồ bố trí cọc QUY ĐỔI CHIỀU DÀI CỌC Quy đổi tương Quy đổi tương Quy đổi tương Quy đổi tương đương với đương với đương với đương với Ir = 5% Ir = 10% Ir = 15% Ir = 20% Thành phần Ký hiệu Đơn vị Đường kính Khoảng cách cọc D m 1 1 d1xd2 mxm 15,70 7,85 5,23 3,93 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 401 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Chiều dài phương Chiều dày quy đổi Chiều dài coc d1 m 3,96 2,80 2,29 1,98 t m 0,20 0,28 0,34 0,40 l m 7 7 Mô cọc theo phương pháp tương đương: Xem đất cọc JGPs làm việc khối vật liệu, quy đổi theo công thức sau: Peq = Pg I rm + Pc (1 − I rm ) (10) Vì phần móng bè đáy lõi thang khu vực cần gia cố JGPs nên thông số đất cho khu vực quy đổi với tỷ lệ Ir khác Đồng thời khu vực đất gia cố nằn hoàn toàn lớp đất số nên thông số đất lớp đáy móng bè lõi thang quy đổi thay bảng: Các thông số đất xử lý Jet - Grouting mơ hình Hardening Soil Nền quy đổi Nền quy Nền quy đổi Nền quy Lớp đất tương tương đổi tương đổi tương Cọc JGPs Thành phần đương đương đương đương (Ir = 5%) (Ir = 10%) (Ir = 15%) (Ir = 20%) Pc Pg Peg = 5% Peg = 10% Peg = 15% Peg = 20% γunsat(kN/m3) 16,43 20 16,61 16,79 16,97 17,14 γsat(kN/m ) 19,78 22 19,89 20,00 20,11 20,22 kx (m/day) 8,64E-02 0,95 0,91 0,86 0,82 ky (m/day) 0,5 8,64E-02 0,48 0,46 0,44 0,42 E50ref (kN/m2) 15710 200000 19864 29345 38826 48306 Eoedref 15710 200000 19864 29345 38826 48306 (kN/m ) Eurref (kN/m2) 31149 c' (kN/m ) 8,3 31 ϕ' (độ) Góc giãn nở Ψ(độ) Rinter 0,9 m 0,75 Hệ số poisson ʋ 0,3 Mô hình HS Ứng xử Undrained 402 600000 500 0 0,9 0,3 0,25 HS Drained 59592 88034 116477 144919 32,9 57,5 82,1 106,6 29,5 27,9 26,4 24,8 0 0 0,90 0,90 0,90 0,90 0,73 0,71 0,68 0,66 0,30 0,30 0,30 0,30 HS HS HS HS Undrained Undrained Undrained Undrained VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Kết phân tích: Chuyển vị tường vây nguy hiểm độ sâu -19,7 m , nên so sánh kết chuyển vị tường vây trường hợp này, sau mơ mơ hình xử lý đáy hố đào vữa Jet - Grouting phần mền Plaxis theo phương pháp riêng biệt tương đương Hình 11 Biểu đồ so sánh chuyển vị tường vây mô phương pháp vật liệu tương đương Hình 12 Biểu đồ so sánh chuyển vị tường vây mô phương pháp riêng biệt Chuyển vị tường vây lớn chưa xử lý phương pháp Jet - Grouting theo mơ hình HS 70,02 mm Sau xử lý phương pháp vữa áp lực cao trường hợp Ir = 5%, Ir = 10%, Ir = 15%, Ir = 20%, chuyển vị ngang tường vây giảm sau: Bảng So sánh kết chuyển vị tường vây mô hai PP EMS RAS PP Mô EMS RAS Tỷ lệ xử lý đất Ir = 5% Ir = 10% Ir = 15% Ir = 20% Chuyển vị (mm) 62,5 60,04 58,19 57,02 Độ lệch so với chưa xử lý JGPs (%) 10,74 14,25 16,90 18,57 Chuyển vị (mm) 63,3 61,6 59,8 59,09 Độ lệch so với chưa xử lý JGPs (%) 9,60 12,03 14,60 15,61 1,14 2,23 2,30 2,96 Độ lệch PP EMS so với PP RAS VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 403 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Dựa vào kết phân tích chuyển vị tường vây trường hợp khác lượng vữa vào đất, chọn tỷ lệ vữa Ir = 5%, Ir = 10%, chuyển vị ngang cịn lớn, chọn tỷ lệ Ir = 20%, lượng vữa tương đối nhiều chuyển vị ngang giảm khơng đáng kể Vì chọn Ir = 15% trường hợp hợp lý Qua việc mô cọc hai phương pháp, phương pháp vật liệu riêng biệt (RAS) phương pháp vật liệu quy đổi tương đương (EMS), ta nhận thấy kết chuyển vị lớn tường vây có sai lệch hai phương pháp vữa áp lực cao Tuy nhiên kết sai lệch không đáng kể (