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.
Trang 1PHÂN 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
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.
Trang 2Chính 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
Trang 3Trong 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.A
Q=n
(2)
2 0
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
Trang 4thuộc bởi ba nhân tố: áp lực phun (P), lưu lượng phun (Q), và tốc dộ nâng/hạ cần ( ):
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
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
(4)
Trang 5Tỷ 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)
: 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
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
Trang 63.3 Sức chống cắt của đất nền sau khi được xử lý
Hiệp hội Jet - Grouting của Nhật Bản đưa ra thông số lực dính tiêu chuẩn dùng trong thiết kế cọc Jet - Grouting là c = qu/2 và φu = 0
Hệ số Poisson: mặc dù có 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
3.4 Lý thuyết mô phỏng đất nền sau khi phụt vữa Jet - Grouting trong phần tử hữu hạn
Phương pháp phân tích số được lựa chọn sử dụng đánh giá tính hiệu quả của Jet - Grouting có 2 phương pháp mô phỏng như sau:
• Phương pháp RAS (The real allocation simulation) mô phỏng nền riêng biệt theo tính chất thật của đất nền và JGPs
Hình 4 Cọc Jet - Grouting làm việc bằng phương pháp nền liệu riêng biệt
(PP RAS: The real allocation simulation)
• Phương pháp EMS (Equivalent material simulation) mô phỏng qui đổi nền tương đương, xem cọc JGPs và đất nền làm việc như một khối duy nhất
Hình 5 Cọc Jet - Grouting làm việc bằng phương pháp nền tương đương
(PP EMS: Equivalent material simulation)
Trang 74 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH CAO ỐC MANDISON SỐ 15 THI SÁCH, QUẬN 1, TP.HCM
4.1 Mô tả công trình
Đây là dự án cao ốc phức hợp căn hộ kết hợp với officetel/ khách sạn tại thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Dự án bao gồm một tháp cao 17 tầng và 3 tầng hầm Ba tầng hầm để đậu xe và phục vụ M&E; Tầng 1 và Tầng 18 (Tầng mái thấp) dùng cho thương mại; Tầng 2 đến tầng 5 dành cho khách sạn, tầng 6 đến tầng 8 là officetel và căn
hộ từ tầng 9 trở lên
Ba tầng hầm được thiết kế thi công theo phương pháp Top-down Hệ chống tường chắn giữ đào đất là tường vây dày 800 mm, với chiều sâu chân tường vây 37,5 m so với mặt đất tự nhiên Chiều sâu đào lớn nhất là 19,7 m
Hình 6 Mặt bằng và mặt cắt tầng hầm công trình
Trang 8Bảng 2 Trình tự thi công tầng hầm
0 Trạng thái ban đầu của đất
1 Thi công tường vây + Tải trọng phân bố đất nền
9 Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ lắp hệ giằng khu vực lõi thang
10 Lắp hệ giằng khu vực lõi thang
11 Hạ mực nước ngầm và đào đất tới đáy móng bè lõi thang máy
4.2 Thông số bài toán
Chuyển vị ngang của tường vây sẽ được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis 2D V8.5 Hai mô hình nền được sử dụng trong phân tích là Morh-Coulomb Model (MCM) và Hardening Soil Model (HSM.) Kết quả phân tích sẽ được so sánh với nhau và so sánh với kết quả quan trắc
Trong bài báo này đánh giá đất với thông số cho 2 mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil như sau:
CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH MOHR-COULOMB Tên chỉ tiêu Lớp DD Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 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
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
Trang 9ϕ' (độ) 25 15051’ 30050’ 22004’ 31016’ 34045’
Ứng xử vật liệu Drained Undrained Undrained Undrained Undrained UnDrained
CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH HARDENING SOIL
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
Ứng xử vật liệu Drained Undrained Undrained Undrained Undrained UnDrained
Hình 7 Mô hình tổng thể bài toán trong phần mềm Plaxis
Trang 104.3 So sánh với quan trắc thực tế
Vì giai đoạn đào tới đáy móng bè lõi thang là nguy hiểm nhất và tường vây chuyển vị lớn nhất nên tiến hành so sánh tại thời điểm này
Hình 8 Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang của tường vây giữa quan trắc thực tế, mô hình Morh-
Coulomb, mô hình Hardening Soil
Qua so sánh giữa hai mô hình MC, HS và quan trắc nhận thấy mô hình HS cho kết quả gần với quan trắc hơn (sai số ở mô hình HS là 16%, ở mô hình MC là 120%) 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 Bài toán sau đây đề xuất phương án giải quyết vấn đề chuyển vị tường vây lớn trong quá trình thiết kế Do
đó, tác giả sẽ chọn mô hình Hardening Soil để mô phỏng trong quá trình tính toán
4.4 Phân tích ứng dụng giải pháp Jet-grouting để giảm chuyển vị hố đào
Cọc JGPs mô phỏng được giả định có đường kính D = 1 m, cường độ nén 1 trục
nở hông tự do (unconfined compression test) có = 10 (KG/cm2) = 1000 (KN/m2), và khi đó sức kháng của lớp JPGs là c = /2 = 500 (KN/m2), giá trị module biến dạng của lớp JGPs được chọn E = 200 = 200000 (KN/m2), giá trị dung trọng = 20 (KN/m3), = 22 (KN/m3)
Thông số đất được xử lý:
Mô phỏng cọc theo phương pháp nền riêng biệt:
Vì trong phần tử hữu hạn palxis 2D không thể mô phỏng được cọc tròn khi làm việc nên ta quy đổi vật liệu cọc như sau:
Trang 11Hình 9 Quy đổi từ cọc tròn sang cọc chữ nhật
1 2
p r
QUY ĐỔI CHIỀU DÀI CỌC Thành phần Ký hiệu Đơn vị
Quy đổi tương đương với
Trang 12Chiều dài 1
Chiều dày quy
Mô phỏng cọc theo phương pháp nền tương đương:
Xem đất nền và cọc JGPs làm việc như một khối vật liệu, được quy đổi theo công thức sau:
Vì phần móng bè dưới đáy lõi thang là khu vực cần gia cố bằng JGPs nên thông
số đất nền cho khu vực này sẽ được quy đổi với các tỷ lệ Ir khác nhau
Đồng thời khu vực đất nền được gia cố nằn hoàn toàn trong lớp đất số 2 nên thông
số đất lớp 2 dưới đáy móng bè lõi thang được quy đổi thay thế như trong bảng:
Các thông số của đất khi xử lý bằng Jet - Grouting trong mô hình Hardening Soil
Thành phần Lớp đất nền Cọc JGPs
Nền quy đổi tương đương (Ir = 5%)
Nền quy đổi tương đương (Ir = 10%)
Nền quy đổi tương đương (Ir = 15%)
Nền quy đổi tương đương (Ir = 20%)
Trang 13Bảng 3 So sánh kết quả chuyển vị tường vây mô phỏng bằng hai PP EMS và RAS
PP Mô phỏng
Độ lệch của PP EMS so với PP RAS 1,14 2,23 2,30 2,96
Hình 11 Biểu đồ so sánh chuyển vị tường vây
được mô phỏng bằng phương pháp vật liệu
tương đương
Hình 12 Biểu đồ so sánh chuyển vị tường
vây được mô phỏng bằng phương pháp nền
riêng biệt
Trang 14Dựa vào kết quả phân tích chuyển vị tường vây trong từng trường hợp khác nhau
về lượng vữa phụt vào đất, nếu chọn tỷ lệ phụt vữa Ir = 5%, Ir = 10%, thì chuyển vị ngang còn khá lớn, nếu chọn tỷ lệ phụt Ir = 20%, thì lượng vữa phụt tương đối nhiều nhưng chuyển vị ngang giảm không đáng kể Vì vậy chọn Ir = 15% trong trường hợp này là hợp lý 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 (<5%), nên có thể quan niệm rằng cọc và đất làm việc như một khối đồng nhất để thuận tiện trong quá trình tính toán Bên cạnh vấn đề ảnh hưởng chuyển vị ngang của tường vây đến 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 như sau:
- So sánh chuyển vị tường vây hai mô hình HS và MC với quan trắc, nhận thấy
mô hình Hardening Soil cho kết quả gần với quan trắc hơn Do đó, sẽ chọn mô hình Hardening Soil để mô phỏng tính trong quá trình tính toán
Tiến hành khảo sát với các tỷ lệ xử lý mặt đất Ir = 5%, Ir = 10%, Ir = 15%, Ir = 20%:
- Về chuyển vị ngang của tường vây:
+ Theo phương pháp vật liệu tương đương giảm lần lượt 10,7%; 14,2%; 16,9%; 18,5%
Hình 11 Chuyển vị mặt đất quanh hố đào
khi chưa xử lý và xử lý đáy hố đào bằng
phương pháp RAS
Hình 12 Chuyển vị mặt đất quanh hố đào
khi chưa xử lý và xử lý đáy hố đào bằng
phương pháp EMS
Trang 15+ Theo phương pháp nền riêng biệt giảm lần lượt 9,6%; 12,03%; 14,6%; 15,61%
- Về độ lún xung quanh hố đào:
+ Theo phương pháp vật liệu tương đương giảm lần lượt 20,1%; 21,8%; 23%; 23,6%
+ Theo phương pháp nền riêng biệt giảm lần lượt 18.31%; 20.21%; 21.42%; 22.2%
5.2 Kiến nghị
- Đề xuất tỷ lệ xử lý mặt đất Ir = 15%
- Qua việc mô phỏng cọc bằng hai phương pháp, phương pháp nền biệt (RAS) và phương pháp nền 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
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chang-Yu Ou, Deep Excavation, Theory and Practice, Taipei, Taiwan: Taylor& Francis
Group, 2006
[2] TCVN 9403-2012, Gia cố đất nền yếu – Phương pháp trụ đất xi măng
[3] Trần Nguyễn Hoàng Hùng, Công nghệ xói trộn vữa cao áp, Nhà xuất bản đại học quốc gia
TP.HCM năm 2016
[4] Lý Hữu Thắng và 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, số tháng 10/2012
[5] Choi (2005), Review of the Jet Grouting Method, University of Southern Queensland [6] Trần Nguyễn Hoàng Hùng, Ứng dụng công nghệ phụt vữa cao áp xử lý và gia cố nền, Hội
thảo khoa học, TPHCM, Việt Nam, 2013
Phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ
