Ứng dụng giải pháp xử lý đất yếu dưới đáy hố đào để ổn định tường vây cho nhà cao tầng

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 2 ỨNG 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 trƣờng 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 nƣớc ta, vấn đề xử lý đất yếu vẫn còn là một công việc mới mẽ. Cho đến nay vẫn chƣa có một đánh giá mang tính toàn diện về tình hình xây dựng và khai thác công trình trên đất yếu, chƣa có các đối chiếu giữa lý thuyết và thực tế thi công nhƣ 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 đƣợc 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 dƣới công trình là vấn đề cần thiết hiện nay. Một trong những biện pháp để xử lý nền đất yếu dƣới 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 phƣơng pháp phụt vữa xi măng áp lực cao. 2. XỬ LÝ ĐẤT YẾU BẰNG PHƢƠNG PHÁP JET GROUTING Jet Grouting là một kỹ thuật gia cố nền bằng cách sử dụng tia nƣớc/ vữa/ khí với áp lực cao để cắt đất – xi măng (soilcrete) có cƣờng độ tốt hơn và hệ số thấm thấp hơn. Các phƣơng pháp thi công gồm có: phƣơng pháp phụt vữa đơn (S), phƣơng pháp thi công kép (D), phƣơng 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, lƣu lƣợng vữa, áp lực khí, lƣu lƣợng khí, tốc độ nâng cần, tốc độ xoay cần, kích thƣớc vòi phụt, thành phần vữa (tỉ lệ w:c, hàm lƣợng xi măng) [1]. + Các thông số của sản phẩm sau khi phụt vữa áp lực cao bao gồm: cƣờng độ nén nở hông của soilcrete, đƣờng kính cọc, mô đun đàn hồi [2]. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 13 + Tùy thuộc vào lƣợng dùng xi măng, loại đất, thời gian ninh kết mà đất nền sau khi đƣợc xử lý bằng công nghệ phụt vữa áp lực cao Jet Grouting (JGPs) sẽ có sự phát triển về cƣờng độ khác nhau. Hiệp hội Jet Grouting của Nhật Bản đƣa ra thông số lực dính tiêu chuẩn dùng trong thiết kế cọc Jet Grouting là c = qu/2 và 0u  . Hệ số Poisson: mặc dù có sự phân tán tƣơng đối lớn trong các dữ liệu thí nghiệm, hệ số Poisson của đất đƣợc cải tạo từ 0.25-0.45. Khi sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn, ảnh hƣởng 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 tƣơng đƣơng khi áp lực đất tác dụng lên bề mặt đất hỗn hợp bao gồm các khu vực đất đƣợc cải tạo và khu vực đất không đƣợc cải tạo ở dƣới 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 thƣơng mại Tài chính Dầu khí Phú Mỹ Hƣng (Petroland Tower). Dự án tọa lạc tại khu đô thị mới Phú Mỹ Hƣng. Trung tâm cao 30 tầng gồm 3 tầng đế, 27 tầng tháp và 3 tầng hầm với tổng diện tích sàn xây dựng trên 57.000m 2 . Kích thƣớc trung bình hố đào: 50m x 60m. Chiều sâu đào lớn nhất (3 tầng hầm): 14.0m, mực nƣớc ngầm cao. Biện pháp thi công: Semi Top – Down. Địa chất công trình đƣợc tóm tắt trong bảng 1. Hình 1: Mặt bằng công trình Biện pháp chống đỡ: tƣờng vây dày 0.8m, kết hợp với thanh chống ngang, sàn tầng hầm. Tƣờng vây đƣợc cắm vào độ sâu -24.0m so với mặt đất tự nhiên. Tƣờng 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 trạng thái chặt vừa. Trình tự thi công hố đào gồm các bƣớc sau: -Giai đoạn 1: thi công tƣờng 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) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 4 3.2.1Các 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 bằng 1T/m2, bề rộng tính toán lấy bằng 5m, 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 trƣờng c  Su NSPT (m) (%) g/cm 3 g/cm 3 (cm/s) kN/m 2 Độ daN/cm2 1 Lớp 1 1.5 San lấp - - - - - - - - 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 16 035’ - 21 4 Lớp 4 27 Cát chặt vừa 13.39 2.62 1.94 - 7.5 29 048’ - 38 5 Lớp 5 5.5 Sét cứng 19.11 2.06 1.73 - 64.7 23027’ - 44 - Thông số tƣờng vây Tƣờng 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 = 2.60E+07KN/m, EI = 1.39E+06KNm 2 /m, W =12.800KN/m/m - Thông số thanh chống Hố đào đƣợc 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 nhƣ 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 đƣợc tóm tắt nhƣ sau: EA=8.13E+06 KN/m, EI=4.23E+04 KNm 2 /m, W= 6.25 KN/m/m - Thông số Jet Grouting Tùy thuộc vào lƣợng dùng xi măng và loại đất và thời gian ninh kết mà đất nền sau khi đƣợc xử lý bằng công nghệ Jet-grouting sẽ có sự phát triển về cƣờng 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 tƣợng tắt nghẽn vòi phun thì tỷ lệ nƣớc 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 đƣợc 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 tƣờng 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). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 15 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. Vì mô hình MC chỉ xét đất nhƣ vật liệu đàn hồi – dẻo lý tƣởng, 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 đƣa vào phòng thí nghiệm đã khác so với đất làm việc ngoài thực tế. Kết quả quan trắc này đƣợc đƣa ra với mục đích lựa chọn mô hình thích hợp cho bài toán xử lý đất yếu dƣới đáy hố đào bằng phƣơng pháp phụt vữa áp lực cao. Nhìn vào đồ thị chuyển vị của tƣờng vây, thấy rằng kết quả chuyển vị lớn nhất của tƣờng vây ở vị trí đáy hố đào, điều này khá phù hợp với những lý thuyết tính toán. Bài toán đƣợc đƣa ra làm giảm chuyển vị ngang của tƣờng 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 đƣợc cắm vào đáy hố đào với chiều dài dự kiến 7m đƣợc 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 đƣợc giả định có cƣờng độ nén 1 trục nở hông tự do (unconfined compression test) là qu = 10 (kG/cm 2 ) = 1000 (kN/m 2). Và khi đó, sức kháng cắt của lớp JGPs là: c = qu/2 = 500 (kN/m 2), giá trị môđun biến dạng của lớp JGPs đƣợc chọn E = 200qu = 200000 (kN/m 2), giá trị dung trọng 3 320 / ; 22 /unsat satkN m kN m   . Cách bố trí mô phỏng hố đào có hai phƣơng pháp nhƣ 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 6 3.2.4. Phân tích ảnh hƣởng của tỷ lệ xử lý mặt đất Ir đến chuyển vị tƣờng 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 tƣờng 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 tƣờng vây trong trƣờng 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 tƣờng vây đƣợc phân tích, so sánh theo phƣơng pháp RAS và phƣơng pháp EMS sẽ trình bày trong (Hình 4), (Hình 5). Sau khi xử lý bằng phƣơng pháp phụt vữa áp lực cao trong các trƣờng hợp Ir=5%, 10%, 15%, 20% chuyển vị ngang của tƣờng vây (cách đỉnh tƣờng 10m) theo phƣơng pháp RAS tƣơng ứng là 74.1mm, 71.8mm, 68.7mm, 67.3mm tức là đã giảm tƣơng ứng 11.5%, 14%, 18%, 19.7%. Còn đối với phƣơng pháp EMS, chuyển vị ngang giảm tƣơng ứng là 71.1mm, 67.8mm, 67mm, 66mm tức là đã giảm tƣơng ứng 15%, 19%, 20%, 21.2%. Việc mô phỏng mô hình RAS trong phần mềm Plaxis mất khá nhiều thời gian so với phƣơng pháp EMS. Để xem xét sự làm việc giữa hai phƣơng 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 phƣơng pháp mô phỏng cho kết quả tƣơng đối chính xác và nhanh nhất. Qua việc mô phỏng cọc bằng hai phƣơng pháp, phƣơng pháp vật liệu riêng biệt (RAS) và phƣơng pháp vật liệu quy đổi tƣơng đƣơng (EMS), ta nhận thấy kết quả chuyển vị lớn nhất của tƣờng vây có sai lệch giữa hai phƣơng 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 nhƣ một khối đồng nhất để thuận tiện trong quá trình tính toán thiết kế. Các sự cố thƣờng gặp khi thi công hố đào trong vùng đất yếu thƣờng gặp là: mất ổn định thành (mái) hố đào, lún bề mặt đất xung quanh hố đào, đẩy trồi đáy hố đào, hƣ hỏng kết cấu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 17 móng 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 nƣớc ngầm, tăng áp lực nƣớc dƣới đáy hố đào. Hình 6. Chuyển vị tường vây đào -14m (Ir=5%) Hình 7. Chuyển vị tường vây đào -14m (Ir=10%) Hình 8. Chuyển vị tường vây đào -14m (Ir=15%) Hình 9. Chuyển vị tường vây đào -14m (Ir=20%) Bên cạnh vấn đề ảnh hƣởng chuyển vị ngang của tƣờng vây đến độ ổn định của công trình, thì việc xem xét độ lún của đất xung quanh hố đào cũng cần đƣợc quan tâm trong quá trình thi công. Kết quả phân tích, so sánh độ lún xung quanh hố đào theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn sẽ đƣợc nêu ra sau đây. Khi so sánh độ lún xung quanh hố đào theo phƣơng pháp RAS và EMS với các tỷ lệ phụt vữa khác nhau sẽ đƣợc trình bày trong (Hình 9), (Hình 10). Lún bề mặt hố đào cũng đƣợc 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 chƣa xử lý là 97.5mm cách mép tƣờng vây 4.5m. Sau khi xử lý đất bằng bơm phụt tính toán theo RAS với các tỷ lệ Ir=5%, 10%, 15%, 20% thì độ lún xung quanh hố đào tƣơng ứng 86.6mm, 81mm, 73.9mm, 71.6mm tức là giảm 11%, 17%, 24%, 26%. Khi xử lý đất bằng bơm phụt tính toán theo EMS với các tỷ lệ Ir=5%, 10%, 15%, 20% thì độ lún xung quanh hố đào tƣơng 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 8 4. KẾT LUẬN Đánh giá ảnh hƣởng của cọc JGPs dùng xử lý đất dƣới đáy hố đào, tác giả tiến hành khảo sát với các tỷ lệ xử lý mặt đất là Ir = 5%, 10%, 15%, 20%, chuyển vị tƣờng vây tại vị trí nguy hiểm nhất giảm tƣơng ứng 11.5%, 14%, 18%, 19.7% theo phƣơng pháp RAS, còn theo phƣơng pháp EMS chuyển vị ngang giảm tƣơng ứng 15%, 19%, 20%, 21.2%. Theo phƣơng pháp RAS với các tỷ lệ Ir=5%, 10%, 15%, 20% thì độ lún xung quanh hố đào giảm lần lƣợt 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 lƣợt với tỷ lệ 17%, 20%, 23%, 25%. Trên kết quả phân tích chuyển vị tƣờng vây trong từng trƣờng hợp khác nhau về lƣợng vữa phụt vào đất Ir=5%, Ir=10% , Ir=15%, Ir=20%, tỷ lệ Ir=10% đƣợc chọn là hợp lý nhất. Qua việc mô phỏng cọc bằng hai phƣơng pháp, phƣơng pháp vật liệu riêng biệt (RAS) và phƣơng pháp vật liệu quy đổi tƣơng đƣơng (EMS), ta nhận thấy kết quả chuyển vị lớn nhất của tƣờng vây có sai lệch giữa hai phƣơng 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 nhƣ 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 phƣơng pháp tính có độ chính xác cao, phục vụ cho quá trình tính toán, áp dụng sau này. Hiện nay, ở Việt Nam chƣa có quy trình hóa phù hợp về chỉ tiêu, thông số vữa phụt áp lực cao cho các phƣơng pháp và đối tƣợng địa tầng phụt thích hợp. Vì vậy, việc lựa chọn các thông số để đƣa vào thiết kế cần đƣợc xem xét cẩn thận, có thể dựa trên kinh nghiệm của công trình tƣơng 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”, chƣơng 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, “Hƣớng 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 protection of building in Taiwan.” Proc., 9 th Asian Regional conf. on Soil Mech, and found. Engrg., Panellist Rep., Bangkok, Thailand, 9-14. Người phản biện: PGS.TS ĐÀO VĂN TOẠI