Bài viết trình bày kết quả Thepaper tính dự đoán của tường vây ổn định của một Buiding cao với điều trị đất yếu dưới sâu đáy khai quật bằng phương pháp phun vữa máy bay phản lực. Các phần mềm Plaxis 8.5 với 2 mô hình tính toán (Real Allocation mô phỏng và tương đương Chất liệu mô phỏng) được sử dụng và kết quả phép lựa chọn theo mô hình tính toán reasonble hơn.
Trang 1ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ ĐẤT YẾU DƯỚI ĐÁY
HỐ ĐÀO ĐỂ ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY CHO NHÀ CAO TẦNG
VÕ PHÁN, KHỔNG HỒ TỐ TRÂM *
Treatment of soft soil under excavation bottom for diaphragm wall stability of high building
Absract: In recent years, the construction of high-rise buildings with
basement on soft soil is a matter of necessity, involve the use of different solutions to create optimal efficiency and economical The solution Jet Grouting is one of the good solutions for the purpose The paper presents results of prediction calculation of diaphragm wall stability of an high buiding with treatment of soft soil under deep excavation bottom by jet grouting method The software Plaxis 8.5 with
2 calculating models (Real Allocation Simulation and Equivalent Material Simulation) is used and the results allowed to choice theo calculation model more reasonble
1 GIỚI THIỆU *
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền
kinh tế, thị trường xây dựng ở Việt Nam đã
bùng nổ với hàng loạt công trình nhà cao tầng
mọc lên nhanh chóng ở các đô thị lớn, đặc biệt
là thành phố Hồ Chí Minh
Ở nước ta, vấn đề xử lý đất yếu vẫn còn là
một công việc mới mẽ Cho đến nay vẫn chưa
có một đánh giá mang tính toàn diện về tình
hình xây dựng và khai thác công trình trên đất
yếu, chưa có các đối chiếu giữa lý thuyết và
thực tế thi công như độ lún, độ ổn định,
chuyển vị… hay nghiên cứu về sự thay đổi
các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất yếu sau khi được
xử lý,… Do vậy, để đánh giá mức độ ổn định
và đảm bảo điều kiện làm việc lâu dài của
công trình, việc xử lý đất yếu dưới công trình
là vấn đề cần thiết hiện nay Một trong những
biện pháp để xử lý nền đất yếu dưới công trình
* Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-Hồ Chí Minh
268 Lý Thường Kiệt, Q10, TP Hồ Chí Minh
DĐ: 0913867008
Email: vphan54@yahoo.com
cao tầng là giải pháp xử lý bằng phương pháp phụt vữa xi măng áp lực cao
2 XỬ LÝ ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP JET GROUTING
Jet Grouting là một kỹ thuật gia cố nền bằng cách sử dụng tia nước/ vữa/ khí với áp lực cao
để cắt đất – xi măng (soilcrete) có cường độ tốt hơn và hệ số thấm thấp hơn Các phương pháp thi công gồm có: phương pháp phụt vữa đơn (S), phương pháp thi công kép (D), phương pháp thứ ba (T), ngoài ra còn có hệ thống phun đặc biệt (Super Jet Grouting)
Thông số của Jet Grouting bao gồm hai phần chính là các thông số về thiết bị, vận hành và các thông số về sản phẩm soilcrete
+ Các thông số về thiết bị, vận hành bao gồm: áp lực vữa, lưu lượng vữa, áp lực khí, lưu lượng khí, tốc độ nâng cần, tốc độ xoay cần, kích thước vòi phụt, thành phần vữa (tỉ lệ w:c, hàm lượng xi măng) [1]
+ Các thông số của sản phẩm sau khi phụt vữa áp lực cao bao gồm: cường độ nén nở hông của soilcrete, đường kính cọc, mô đun đàn hồi [2]
Trang 2+ Tùy thuộc vào lượng dùng xi măng, loại
đất, thời gian ninh kết mà đất nền sau khi
được xử lý bằng công nghệ phụt vữa áp lực
cao Jet Grouting (JGPs) sẽ có sự phát triển về
cường độ khác nhau Hiệp hội Jet Grouting
của Nhật Bản đưa ra thông số lực dính tiêu
chuẩn dùng trong thiết kế cọc Jet Grouting là
sự phân tán tương đối lớn trong các dữ liệu thí
nghiệm, hệ số Poisson của đất được cải tạo từ
0.25-0.45
Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn,
ảnh hưởng trong khu vực hố đào là tốt hơn so
với bên ngoài hố đào, trong những điều kiện
giống nhau
Xác định thông số vật liệu tương đương
khi áp lực đất tác dụng lên bề mặt đất hỗn hợp
bao gồm các khu vực đất được cải tạo và khu
vực đất không được cải tạo ở dưới đáy hố đào,
công thức tính toán sau đây đề nghị đánh giá
các tính chất vật liệu tổng thể của hỗn hợp mặt
đất theo Chang-Yu Ou, Tzong-Shiann Wu,
Hsii-sheng Hsieh (1996)
3 DỰ TÍNH CHUYỂN VỊ NGANG VÀ
LÚN XUNG QUANH HỐ ĐÀO SAU KHI
XỬ LÝ ĐẤT YẾU BẰNG CÔNG NGHỆ
JET GROUTING
3.1 Giới thiệu công trình
Công trình dùng để phân tích nghiên cứu là
Trung tâm thương mại Tài chính Dầu khí Phú
Mỹ Hưng (Petroland Tower) Dự án tọa lạc tại
khu đô thị mới Phú Mỹ Hưng Trung tâm cao
30 tầng gồm 3 tầng đế, 27 tầng tháp và 3 tầng
hầm với tổng diện tích sàn xây dựng trên
Kích thước trung bình hố đào: 50m x 60m
Chiều sâu đào lớn nhất (3 tầng hầm): 14.0m,
mực nước ngầm cao Biện pháp thi công:
Semi Top – Down Địa chất công trình được
tóm tắt trong bảng 1
Hình 1: Mặt bằng công trình
Biện pháp chống đỡ: tường vây dày 0.8m, kết hợp với thanh chống ngang, sàn tầng hầm Tường vây được cắm vào độ sâu -24.0m so với mặt đất tự nhiên Tường vây nằm hoàn toàn phần lớn trong lớp đất bùn sét, lớp đất sét từ trạng thái dẻo cứng đến dẻo mềm, lớp cát hạt mịn đến hạt trung
Trình tự thi công hố đào gồm các bước sau:
-Giai đoạn 1: thi công tường vây -Giai đoạn 2: đào đất đến cao độ -2.5m -Giai đoạn 3: Lắp hệ giằng chống ở cao
độ -2m -Giai đoạn 4: đào đất đến cao độ -4.5m -Giai đoạn 5: thi công sàn tầng hầm B1 -3.6m
-Giai đoạn 6: đào đất đến cao độ -8.0m -Giai đoạn 7: thi công sàn tầng hầm B2 -7.2 m
-Giai đoạn 8: đào đất đến cao độ -11.0m -Giai đoạn 9: Lắp hệ giằng chống ở cao độ -9.5m
-Giai đoạn 10: đào đất đến cao độ -14.0m
3.2 Phân tích quá trình thi công hố đào bằng phần từ hữu hạn (Plaxis V8.5)
Trang 33.2.1Các thông số đầu vào
- Phụ tải mặt đất
Phụ tải trên mặt đất lúc này chủ yếu là máy
móc thi công nên tải trọng xung quanh lấy
cách mép hố đào 1m
Bảng 1 Tính chất cơ lý chủ yếu của đất nền xây dựng công trình
STT Lớp đất
Dày Trạng thái W w d k
Cắt trực tiếp Ngoài hiện trường
(m) (%) g/cm3 g/cm3 (cm/s) kN/m2 Độ daN/cm2
2 Lớp 2 12.5 Bùn sét 112.5 1.45 0.71 6.4E-5 7.9 1056’ 0.29 -
3 Lớp 3 6.5 Sét dẻo
mềm 23.4 2.01 1.63 1.8E-5 16.8 16
0 35’ - 21
4 Lớp 4 27 Cát chặt
vừa 13.39 2.62 1.94 - 7.5 29
0 48’ - 38
5 Lớp 5 5.5 Sét cứng 19.11 2.06 1.73 - 64.7 23027’ - 44
- Thông số tường vây
Tường vây có chiều dày 0.8m, chiều sâu
tính từ mặt đất tự nhiên là 24m, sử dụng bê
tông có cấp độ bền B30 để thi công có EA =
=12.800KN/m/m
- Thông số thanh chống
Hố đào được thi công kết hợp với 2 tầng
thanh chống H400x400x13x2 Ở độ sâu -2m
có một tầng chống và ở độ sâu -9.5m có hai
tầng chống Thông số của một tầng chống
như sau: EA=4.51E+06 KN/m, L=5m
- Thông số sàn tầng hầm
Công trình gồm hai tầng hầm, tầng hầm 1
ở độ sâu -3.6m, tầng hầm 2 ở độ sâu -7.2m
với bề dày 0.25m.Các thông số của tầng hầm
được tóm tắt như sau: EA=8.13E+06 KN/m,
- Thông số Jet Grouting
Tùy thuộc vào lượng dùng xi măng và loại đất và thời gian ninh kết mà đất nền sau khi được xử lý bằng công nghệ Jet-grouting
sẽ có sự phát triển về cường độ khác nhau Theo Trần Nguyễn Hoàng Hùng (2013) nghiên cứu cọc Jet Grouting trong điều kiện địa chất TP.HCM, thì để cho trong quá trình khoan phụt không xảy ra hiện tượng tắt nghẽn vòi phun thì tỷ lệ nước và xi măng hợp lý là 0.7 (w/c = 0.7)
3.2.2 Kiểm chứng các thông số của
mô hình
Hai mô hình được lựa chọn để đánh giá
sự đúng đắn của các thông số đầu vào là mô hình Morh-Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soil (HS), kết quả chuyển vị tường vây sử dụng hai mô hình so với kết quả đo đạc thực tế khi đào đến đáy hố đào (-14m) thể hiện trong (Hình 2)
Trang 4Qua so sánh giữa hai mô hình MC, HS và
quan trắc, nhận thấy mô hình HS cho kết quả
gần với quan trắc hơn Vì mô hình MC chỉ
xét đất như vật liệu đàn hồi – dẻo lý tưởng,
mô hình HS có xét tới sự gia tải và dỡ tải,
điều này phù hợp hơn đối với bài toán thi
công hố đào Tuy nhiên HS vẫn khác so với
thực tế quan trắc vì mẫu đưa vào phòng thí
nghiệm đã khác so với đất làm việc ngoài
thực tế Kết quả quan trắc này được đưa ra
với mục đích lựa chọn mô hình thích hợp
cho bài toán xử lý đất yếu dưới đáy hố đào
bằng phương pháp phụt vữa áp lực cao
Nhìn vào đồ thị chuyển vị của tường vây,
thấy rằng kết quả chuyển vị lớn nhất của
tường vây ở vị trí đáy hố đào, điều này khá
phù hợp với những lý thuyết tính toán
Bài toán được đưa ra làm giảm chuyển vị
ngang của tường vây là xử lý đất nền trong
khu vực hố đào, nhằm tăng sức kháng bị
động trong hố đào bằng cách bơm vào khu
vựa hố đào những cọc xi măng đất sử dụng
công nghệ bơm phụt cao áp Jet Grouting hay
còn gọi là những cọc JGPs
Cọc được cắm vào đáy hố đào với chiều
dài dự kiến 7m được tính từ mặt đáy hố đào
Hình 2 So sánh chuyển vị ngang của tường vây giữa quan trắc thực tế, mô hình MC, mô hình
HS khi đào đất -14m
3.2.3 Phương pháp mô phỏng
Cọc JGPs mô phỏng được giả định có cường
độ nén 1 trục nở hông tự do (unconfined compression test) là qu = 10 (kG/cm2) = 1000
là: c = qu/2 = 500 (kN/m2), giá trị môđun biến dạng của lớp JGPs được chọn E = 200qu =
Cách bố trí mô phỏng hố đào có hai phương pháp như sau:
Hình 3a Cọc JGPs làm việc bằng
phương pháp vật liệu riêng biệt
(PP RAS: the real allocation simulation)
Hình 3b Cọc JGPs làm việc bằng vật liệu tương đương (PP EMS:
Equivalent material simulation) Hình 3 Phương pháp mô phỏng vật liệu
Trang 53.2.4 Phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ xử lý mặt đất Ir đến chuyển vị tường vây
Hình 5 Chuyển vị tường vây sau khi gia cố đất
bằng phương pháp phụt vữa áp lực cao theo
phương pháp vật liệu riêng biệt
Hình 6 Kết quả chuyển vị tường vây sau khi gia
cố đất bằng phương pháp phụt vữa áp lực cao theo phương pháp vật liệu tương đương
Chuyển vị tường vây ở đáy hố đào là nguy
hiểm nhất khi đào ở độ sâu -14m, nên ở đây chỉ
so sánh kết quả chuyển vị tường vây trong
trường hợp này Sau khi mô phỏng mô hình xử
lý đáy hố đào bằng phụt vữa Jet Grouting bằng
phần mềm plaxis, kết quả chuyển vị ngang của
tường vây được phân tích, so sánh theo phương
pháp RAS và phương pháp EMS sẽ trình bày
trong (Hình 4), (Hình 5)
Sau khi xử lý bằng phương pháp phụt vữa áp
20% chuyển vị ngang của tường vây (cách đỉnh
tường 10m) theo phương pháp RAS tương ứng
là 74.1mm, 71.8mm, 68.7mm, 67.3mm tức là đã
giảm tương ứng 11.5%, 14%, 18%, 19.7% Còn
đối với phương pháp EMS, chuyển vị ngang
giảm tương ứng là 71.1mm, 67.8mm, 67mm,
66mm tức là đã giảm tương ứng 15%, 19%,
20%, 21.2%
Việc mô phỏng mô hình RAS trong phần
mềm Plaxis mất khá nhiều thời gian so với
phương pháp EMS Để xem xét sự làm việc giữa hai phương pháp RAS và EMS ở (Hình 5), (Hình 5), ứng với từng tỷ lệ phụt vữa Ir=5%, 10%, 15%, 20%, ta so sánh các biểu đồ (Hình 6), (Hình 7), (Hình 8), (Hình 9) nhằm tìm ra phương pháp mô phỏng cho kết quả tương đối chính xác và nhanh nhất
Qua việc mô phỏng cọc bằng hai phương pháp, phương pháp vật liệu riêng biệt (RAS) và phương pháp vật liệu quy đổi tương đương (EMS), ta nhận thấy kết quả chuyển vị lớn nhất của tường vây có sai lệch giữa hai phương pháp khi phụt vữa áp lực cao Tuy nhiên kết quả sai lệch này không đáng kể, nên có thể quan niệm rằng cọc và đất làm việc như một khối đồng nhất để thuận tiện trong quá trình tính toán thiết kế
Các sự cố thường gặp khi thi công hố đào trong vùng đất yếu thường gặp là: mất ổn định thành (mái) hố đào, lún bề mặt đất xung quanh
hố đào, đẩy trồi đáy hố đào, hư hỏng kết cấu
Trang 6móng và các bộ phận ngầm đã xây dựng bên
trong hố đào và các công trình lân cận hố đào
Mà nguyên nhân chủ yếu gây sự cố là sự dịch
chuyển của các lớp đất yếu từ bên ngoài vào phía trong hố đào, hạ mực nước ngầm, tăng áp lực nước dưới đáy hố đào
Hình 6 Chuyển vị
tường vây đào -14m
(I r =5%)
Hình 7 Chuyển vị tường vây đào -14m (I r =10%)
Hình 8 Chuyển vị tường vây đào -14m (I r =15%)
Hình 9 Chuyển vị tường vây đào -14m (I r =20%)
Bên cạnh vấn đề ảnh hưởng chuyển vị ngang
của tường vây đến độ ổn định của công trình, thì
việc xem xét độ lún của đất xung quanh hố đào
cũng cần được quan tâm trong quá trình thi
công Kết quả phân tích, so sánh độ lún xung
quanh hố đào theo phương pháp phần tử hữu
hạn sẽ được nêu ra sau đây
Khi so sánh độ lún xung quanh hố đào theo
phương pháp RAS và EMS với các tỷ lệ phụt
vữa khác nhau sẽ được trình bày trong
(Hình 9), (Hình 10)
Lún bề mặt hố đào cũng được cải thiện khi
xử lý nền, điều này hết sức cần thiết cho sự an
toàn các công trình lân cận khi thi công hố đào
Độ lún xung quanh hố đào khi chưa xử lý là
97.5mm cách mép tường vây 4.5m Sau khi xử
lý đất bằng bơm phụt tính toán theo RAS với
quanh hố đào tương ứng 86.6mm, 81mm,
73.9mm, 71.6mm tức là giảm 11%, 17%, 24%,
26% Khi xử lý đất bằng bơm phụt tính toán
thì độ lún xung quanh hố đào tương ứng 80.6mm,
77.2mm, 75.7mm, 72.7mm tức là giảm 17%, 20%,
23%, 25%
Hình 10 Chuyển vị mặt đất quanh hố đào khi chưa
xử lý và xử lý đáy hố bằng phương pháp RAS
Hình 11 Chuyển vị mặt đất quanh hố đào khi chưa
xử lý và xử lý đáy hố bằng phương pháp EMS
Trang 74 KẾT LUẬN
Đánh giá ảnh hưởng của cọc JGPs dùng xử
lý đất dưới đáy hố đào, tác giả tiến hành khảo
15%, 20%, chuyển vị tường vây tại vị trí nguy
hiểm nhất giảm tương ứng 11.5%, 14%, 18%,
19.7% theo phương pháp RAS, còn theo
phương pháp EMS chuyển vị ngang giảm tương
ứng 15%, 19%, 20%, 21.2%
10%, 15%, 20% thì độ lún xung quanh hố đào
giảm lần lượt với tỷ lệ 11%, 17%, 24%, 26%
Khi xử lý đất bằng bơm phụt tính toán theo
EMS độ lún xung quanh hố đào giảm lần lượt
với tỷ lệ 17%, 20%, 23%, 25%
Trên kết quả phân tích chuyển vị tường vây
trong từng trường hợp khác nhau về lượng vữa
phụt vào đất Ir=5%, Ir=10% , Ir=15%, Ir=20%,
Qua việc mô phỏng cọc bằng hai phương
pháp, phương pháp vật liệu riêng biệt (RAS) và
phương pháp vật liệu quy đổi tương đương
(EMS), ta nhận thấy kết quả chuyển vị lớn nhất
của tường vây có sai lệch giữa hai phương
pháp khi phụt vữa áp lực cao Tuy nhiên kết
quả sai lệch này không đáng kể, nên có thể
quan niệm rằng cọc và đất làm việc như một
khối đồng nhất để thuận tiện trong quá trình
tính toán thiết kế
5 KIẾN NGHỊ
Ngoài phân tích trên mô hình 2D, cần xét
thêm mô hình phân tích 3D để kiểm tra sự chính
xác của mô hình, từ đó góp phần tìm ra phương
pháp tính có độ chính xác cao, phục vụ cho quá
trình tính toán, áp dụng sau này
Hiện nay, ở Việt Nam chưa có quy trình hóa
phù hợp về chỉ tiêu, thông số vữa phụt áp lực
cao cho các phương pháp và đối tượng địa tầng
phụt thích hợp Vì vậy, việc lựa chọn các thông
số để đưa vào thiết kế cần được xem xét cẩn thận, có thể dựa trên kinh nghiệm của công trình tương tự đã thi công Bên cạnh đó, việc kết hợp với quan trắc thực tế để có thể hiệu chỉnh kịp thời các thông số thiết kế, làm tài liệu tham khảo cho các công trình sau
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M.P.Moseley and K.Kirsch, “Ground
Improvement”, chương 5 – Jet grouting
[2] Trần Nguyễn Hoàng Hùng “Ứng dụng
công nghệ phụt vữa cao áp xử lý & gia cố nền.”
Hội thảo khoa học, TP.HCM, Việt Nam, 2013
[3] Bruce, D.A (1994), “Jet Grouting”,
Ground Control and Improvement, edited by Xanthakos, PP., Abramson, L.W and Bruce, D.A., John Willey & Sons, New York, pp
580 – 683
[4] Lý Hữu Thắng, Trần Nguyễn Hoàng
Hùng, “Đánh giá bước đầu về ứng dụng công
nghệ phụt vữa cao áp (Jet Grouting) trong điều kiện Việt Nam”, tạp chí xây dựng 2012
[5] Chu, E.H (2005), “Turbulent fluid jet
excavation in cohesive soil with particular application to Jet Grouting”, D.S thesis,
Massachusetts Institute of Technology, 457 pp [6] Nguyễn Quốc Dũng, “Hướng dẫn thiết
kế thi công cọc đất xi măng theo công nghệ Jet Grouting”, (2014)
[7] Woo, S M (1990) “Use of ground improvement in deep excavation sites for
Asian Regional conf on Soil Mech, and found Engrg., Panellist Rep., Bangkok, Thailand, 9-14
Người phản biện: PGS.TS ĐÀO VĂN TOẠI