Nghiên cứu tăng khả năng chịu tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp phụt vữa

ThS. Trần Thanh Quang Trường Cao đẳng Công nghệ (Đại học Đà Nẵng) Người phản biện: PGS. TS. Châu Trường Linh ThS. Phạm Văn Hùng

TÓM TẮT: Hiện nay, dự án nhà cao tầng tại Việt Nam ngày càng nhiều, tải trọng công trình đặt lên móng cọc khoan nhồi càng lớn, chiều sâu cọc khoan nhồi ngày càng sâu. Việc tăng cường khả năng chịu tải cọc khoan nhồi mà không làm tăng chiều sâu cọc đang được tính toán và nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế. Bài báo trình bày khả năng tăng sức chịu tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp phụt vữa thân cọc và mũi cọc nhằm tăng cường khả năng chịu tải cọc của dự án Eximbank.

Để phục vụ cho việc thiết kế móng của dự án Eximbank chiều cao 40 tầng xây dựng tại TP. Hồ Chí Minh (Việt Nam), 2 cọc thử tải sử dụng phương pháp O-cell đã được sử dụng nhằm đánh giá khả năng chịu tải của cọc. Hai cọc thử nghiệm đều được phụt vữa lần lượt ở những vị trí khác nhau nhằm đánh giá khả năng chịu tải cọc. Theo tài liệu khảo sát địa chất, tầng đất sét mềm có chiều sâu 7m, tầng cát  độ sâu 41m, tầng sét pha là 52m. Hai cọc barrette có kích thước là 2.800 x 1.400mm. Cọc TP1 được khoan đến độ sâu 65m và TP2 khoan đến độ sâu 85m, kích thủy lực O-cell được lắp đặt trên mũi cọc khoảng 16m. Dọc thân cọc được lắp đặt các thiết bị đo ứng suất thân cọc. Sau khi đổ bê tông 2 cọc, tiến hành bơm phụt vữa cọc TP1 là từ -25,20m đến -65,2m và cọc TP2 là từ -64,1m đến -85,3m. Sau 27 ngày đổ bê tông tiến hành thí nghiệm đánh giá sức chịu tải cọc.

TỪ KHÓA: Cọc khoan nhồi, O-cell, đầu đo biến dạng, độ lún, sức chịu tải cọc.

ABSTRACT: Today, Bored piles need to be installed deeper under the ground surface to increase steadiness of high buildings foundation. Therefore, Many researches have been done to increase load-bearing capacity of the bored piles without changing the its deepth. The paper presents method to increase load-bearing capacity by grouting shaft and toe piles for  Eximbank project.

Two test piles using O-cell were used to evaluate load-bearing capacity of the Eximbank 40-storey tower. The 2 test piles were grouted at different levels. According to geologic investigation, soft clay is 7m deepth, sand is 41m and clayed soil is 52m. 2 barrtte pile have size 2.800x1.400mm. TP1 at 65m deepth and TP2 at 85m. O-cell is installed 16m above the toe. Strain gages are placed along the shaft pile. After concreting, TP1 was grouted at the deepth of -25,2 to -65,2m and TP2 was  -64,1 to -85,3m. Test results were obtained after 27 days.

Keywords: Boring pile, O-cell, Strain gages, Settement, Static loading.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Dự án Eximbank có chiều cao 163m với diện tích 3514m², gồm 40 tầng và 5 tầng hầm. Để tiến hành thiết kế phần móng tòa nhà, công trình đã thí nghiệm 02 cọc barrtte với kích thước 2.800mm x 1.400mm với chiều sâu mỗi cọc tương ứng là 65m và 85m. Cọc thí nghiệm có sức chịu tải thiết kế 2.500 tấn và được thí nghiệm bằng phương pháp Osterberg Cell. Cọc thí nghiệm sau khi đổ bê tông xong sẽ tiến hành phụt vữa vào thân cọc và mũi cọc qua vị trí các lỗ phụt vữa trong thân cọc tại các độ sâu lần lượt TP1 là từ -25,20m đến -65,2 m và cọc TP2 là từ -64,1m đến -85,3m.

Dọc thân cọc có gắn thiết bị strain gages đo ứng suất dọc thân cọc.

Bài báo trình bày cách phân tích đánh giá khả năng chịu tải cọc khoan barrtte khi tiến hành phụt vữa nhằm đánh giá khả năng chịu tải trọng của cọc.

Hình 1.1: Eximbank

2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẤT

Theo kết quả khảo sát địa chất, tình trạng lớp đất tại vị trí cọc thí nghiệm như sau: Đất sét mềm độ sâu 0 - 7m trên nền đất cứng pha ít sỏi ở độ sâu 7 - 40m, lớp đất sét cứng ở độ sâu 52m trên nền cát chặt đến rất chặt lẫn sạn sỏi độ sâu 78m. Lớp dưới cùng đến độ sâu 90m là lớp đất cát lẫn sạn sỏi rất chặt .

Hình 2.1 chỉ sự phân bố về độ ẩm của đất, thành phần hạt và chỉ số SPT. Độ ẩm của đất dao động từ 40% ở độ sâu 7m, 20% từ độ sâu 7 - 52m, 15% ở độ sâu 52 - 90m. Khối lượng riêng của đất ɣ = 2.000kg/cm³. Sự phân bố chỉ số SPT 3 búa ở độ sâu 0 - 7m, 18 độ sâu 7 - 40m, 40 độ sâu 52 - 65m và >50 độ sâu lớn hơn 65m.

Hình 2.1: Chỉ số SPT, độ ẩm, thành phần hạt của đất phân bố theo chiều sâu

3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỌC [4]

Theo TCVN 10304:2014 - xác định sức chịu tải cực hạn R_c,u tính bằng kN của cọc theo đất là:

R_c,u = q_b.A_b + u.Σ.f_i.l_i

Trong đó:

q_b - Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc;

A_b - Diện tích tiết diện ngang mũi cọc;

u - Chu vi tiết diện ngang cọc;

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

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

Tính toán sức chịu tải cọc phụ thuộc rất nhiều đến tiết diện ngang mũi cọc và chu vi thân cọc. Khi thi công cọc khoan nhồi, lượng bentonite bơm vào giữ cho thân cọc khỏi bị sạt lỡ. Lượng bentonite tại mũi cọc bị lắng xuống sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng chịu tải cọc, do đó biện pháp phụt vữa thân cọc và mũi cọc sẽ xói đi lớp bentonite, tạo ra lớp vữa mới bao bọc xung quanh thân và mũi cọc, nhằm làm tăng khả năng ma sát thân cọc và mũi cọc . Khi đó sức chịu tải của cọc sẽ được tăng lên (Hình 3.1).

Hình 3.1: Lớp vữa bao bọc xung quanh thân cọc sâu khi phụt vữa

4. THI CÔNG CỌC THÍ NGHIỆM

4.1. Thi công cọc

Cọc thí nghiệm là cọc barrtte kích thước 2.800 x 1.400.

Cọc sau khi khoan đến độ sâu lần lượt là 65m và 85m, sau đó tiến hành đổ bê tông. Vị trí kích thủy lực đặt thân cọc lần lượt là 48,5m và 69,6m (Hình 4.2). Dọc thân cọc gắn các thiết bị strain gages để đo biến dạng thân cọc 1 có 9 vị trí đo strain gages, cọc TP2 có 11 vị trí đo biến dạng. Các cọc sau khi tiến hành đổ bê tông xong tiến hành phụt vữa mũi cọc tại các vị trí TP1 26,3 - 69,3m và cọc TP2 là 65,1 - 85,3m. Sau thời gian 28 ngày tiến hành thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng làm việc của cọc.

 

 Hình 4.1: Thi công cọc TP1,TP2 tại hiện trường

Bảng 4.1. Bảng tổng hợp các thông số về cọc thí nghiệm

	TP1	TP2
Chiều dài	64,9mm	85,3m
Đường kính	2.800x1.400mm	2.800x1.400mm
Vị trí lắp O-cell	-48,5m	-69,6
Chiều dài dưới O-cell	16,4m	15,7m
Tải trọng thí nghiệm	2.500 tấn	2.500 tấn

Hình 4.2:  Sơ đồ bố trí các vị trí gắn đầu đo strain gage, vị trí O-cell và vị trí tiến hành bơm phụt vữa

4.2. Công tác phụt vữa cọc thí nghiệm

Sau khi đổ bê tông 2 cọc TP1, TP2  khoảng 2 ngày thì tiến hành việc phụt vữa mũi cọc. Vị trí phụt vữa xi măng 2 cọc TP1 và TP2 (Hình 4.2). 

Hình 4.3: Vị trí lắp đặt ống phụt vữa và khoảng cách 2 vị trí lắp đặt cao su

Trong giai đoạn thi công lồng thép người ta lắp đặt vào lồng thép các ống thép được bao bằng các vòng cao su. Khoảng cách từ vòng này đến vòng kia là 1m (Hình 4.3). Trong thời gian 2 ngày sau khi đổ bê tông cọc barrtte, dùng máy bơm nước áp lực bơm vào ống thép làm cho các vòng cao su bên ngoài ống phụt vữa được mở ra. Sau đó, mỗi ống thép tại các cao trình khác nhau sẽ lần lượt được phụt vữa bằng bơm áp lực cao cho đến khi đạt tiêu chuẩn áp lực và lượng vữa bơm xuống. Sau khi quá trình bơm phụt hoàn tất, lượng vữa bơm vào 35 lít/m².

Theo địa chất, vị trí tầng cát và chỉ số SPT ổn định tăng đều theo chiều sâu. Lượng vữa bơm tại các vị trí có chỉ số SPT cao ở  độ sâu -25m đến -90m (Hình 2.1). Tỷ lệ nước xi măng là 1:2. Khối lượng vữa bơm phụt cho 2 cọc TP1 và TP2 là 12m³ và 6m³.

Với lượng vữa phụt vào cọc TP1 12m³ thì thể tích cọc tăng lên 4,79%, cọc TP2 là 6m³ thì thể tích cọc tăng lên 1,80%.

5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM O-CELL

Thí nghiệm được tiến hành theo Tiêu chuẩn ATSM 1143-07. Khi tiến hành gia tải thí nghiệm, bơm dung dịch nước để tạo áp lực cho kích. Chính trọng lượng bản thân cọc và lực ma sát bên sẽ đối trọng để tiến hành đánh giá khả năng làm việc của cọc.

5.1. Lực ma sát thân cọc [8][9]

Khi tiến hành gia tải tại O-cell của hai cọc TP1 là 29,82MN và TP2 là 32,56MN thì giá trị strain gages đo được lần lượt tại các cao trình (Hình 5.1).

Hình 5.1: Biểu đồ phân bố tải trọng 2 cọc TP1 và TP2

 

 

Cọc TP1 ta tiến hành phân tích tại 9 cao trình lắp đặt strain gages. Cọc TP2 ta phân tích 11 cao trình strain gages. Đường cong tải trọng phân bố được tính toán dựa trên lực ma sát đo được từ các vị trí strain gages được đo trong suốt 2 chu kỳ gia tải của O-cell. Sự khác nhau trong việc đánh giá ảnh hưởng của đất nền trong quá trình thí nghiệm O-cell tại những vị trí lắp đặt strain gages phụ thuộc rất nhiều vào chu vi thân cọc, khoảng cách giữa các strain gages. Đường cong cho thấy sức kháng thân cọc tại những độ sâu khác nhau tăng lên cùng với độ sâu cọc và trọng lượng bản thân cọc.

Từ kết quả phân tích được tại những vị trí đầu đo biến dạng ở 9 cao trình lắp đặt ở cọc TP1 và 11 cao trình cọc TP2, Kết quả thí nghiệm lực ma sát hông xây dựng đường cong quy đổi tương đương tải trọng phân bố dọc cọc từ vị trí đầu cọc đến O-cell.

Đường phân bố tải trọng được xây dựng từ những kết quả phân tích được nhằm đánh giá khả năng làm việc cọc.

5.2. Kết quả thí nghiệm phân tích tải trọng cọc tại vị trí O-cell tách ra [8][9]

Khi tiến hành bơm thí nghiệm phần cọc và mũi cọc tại vị trí O-cell sẽ tách ra. Ta sẽ đánh giá khả năng chịu tải cọc sau khi xác định được trọng lượng bản thân cọc, lực ma sát hông và khả năng chịu tải ở mũi cọc nhằm.

Bảng 5.1. Kết quả phân tích tải trọng và chuyển vị của O-cell cho 2 cọc TP1 và TP2

 

Tên cọc	Tải trọng thí nghiệm (MN)	Chu kỳ	Độ lún(mm)
			Đi lên	Đi xuống	Đầu cọc	Mũi cọc
TP1	14,25	1	2,07	3,68	0,15	1,06
TP1	29,82	2	7,44	10,08	1,51	5,34
TP2	14,39	1	2,30	3,45	0,57	0,34
TP2	32,56	2	7,75	7,45	0,72	3,26

Hình 5.2: Biểu đồ tải trọng và chuyển vị lên, xuống của O-cell cọc TP1 và TP2

Khi tiến hành thí nghiệm sức chịu tải cọc ở 2 chu kỳ, đối với TP1 khi đạt tải trọng 29,82MN thì độ lún ở phần thân là 8mm và mũi cọc bên dưới O-cell là 10mm. Cọc TP2 khi đạt tải trọng 32,56MN thì độ lún thân cọc 8mm và mũi cọc là 10mm (Bảng 5.1).

Căn cứ vào độ lún đồng đều giữa hai cọc ta tiến hành so sánh đánh giá được sức chịu tải 2 cọc tại vị trí O-cell tách ra là 29,82MN và 32,56MN là tương đồng. Vì 2 cọc sử dụng lại nên khi đến tải trọng thiết kế và độ lún tương đồng thì dừng thí nghiệm.

So với thiết kế hai cọc sau khi tiến hành phụt vữa đã tăng sức chịu tải cọc lần lượt lên là 4,84MN và 7,56MN tương ứng với  sức tăng về chịu lực là 19,36% và 30,24% so với không phụt vữa.

Việc xây dựng đường cong tải trọng - độ lún đầu cọc được xác định bởi các nhà chuyên môn để xác định tải trọng làm việc đặt lên hệ cọc. Kết quả việc thử tải trọng làm việc của cọc trong thời gian dài mang yếu tố quyết định đến việc xác định độ lún toàn hệ móng cọc.

Việc xác định đường kính thực tế của cọc trong quá trình thi công ảnh hưởng rất lớn đến kết quả phân tích cọc. Móng cọc được thiết kế trong giới hạn độ lún chấp nhận được thì ảnh hưởng rất nhiều đến độ an toàn của công trình sau khi đưa vào sử dụng.

Việc tính toán lại chu vi thân cọc sau khi phụt vữa cũng ảnh hưởng nhiều đến kết quả thí nghiệm cọc.

6. Kết luận

Qua thí nghiệm O-cell, hai cọc barrette của công trình Eximbank Tower sử dụng phương pháp phụt vữa ở những độ sâu khác nhau. Từ những kết quả phân tích cho ta kết luận như sau: Tải trọng thí nghiệm ở các cọc TP1 và TP2 lần lượt là 2.982 tấn và 3.256 tấn. Độ lún tối đa phần thân cọc, mũi cọc lần lượt là 8 - 10mm. Thể tích cọc TP1 sau khi phụt vữa tăng lên là 4,7% thì sức chịu tải tăng thêm là 19,36% so với tải trọng thí nghiệm theo thiết kế cọc. Thể tích cọc TP2 sau khi phụt vữa tăng lên 1,8% thì sức chịu tải cọc tăng 30,24% so với tải trọng thí nghiệm theo thiết kế của cọc.

Vì vậy, chiều dài cọc công trình đặt vị trí 65m có phụt vữa thì tăng được lực ma sát, sức kháng mũi đáp ứng khả năng chịu lực công trình nhằm giảm nhiều chi phí xây dựng phần móng cọc.

Tài liệu tham khảo

[1]. Vũ Công Ngữ (2006), Móng cọc phân tích và thiết kế, NXB. Khoa học kỹ thuật.

[2]. Tomlinson, Pile design and Contruction Practice.

[3]. TCVN 9393-2012, Cọc - Phương pháp thử nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục.

[4]. TCVN 10304-2014, Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế.

[5]. Đỗ Hữu Đạo, Lê Xuân Mai, Trần Thanh Quang, Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sức chịu tải và khả năng ứng dụng cọc ống PHC cho công trình giao thông, Hạ tầng giao thông Việt Nam với phát triển bền vững, ISBN 978-604-22-0019-0, trang 47.

[6]. Fellenius, BH (2006), Basic of foundation design a text book, Revised Electronic Edition, www.Fellenius.net.

[7]. Fellenius B.H and Nguyen H.M. (2013), Large Diameter Long Bored Piles in the Mekong Delta, International Journal of Geoengineering Case Histories, vol 2, chapter 3, 196-207.

[8]. Report on Barrtte load testing TP1 Eximbank Tower, Ho Chi Minh City, Viet Nam (13813l-1).

[9]. Report on Barrtte load testing TP2 Eximbank Tower, Ho Chi Minh City, Viet Nam (13813l-2).

[10]. Osterberg, J.O. (May 1989), A new device for load testing driven piles and drilled shafts separates friction and end bearing,  Proc of Deep Foundations Institute, Int. Conf. on Piling and Deep Foundations, London, 15-18, pp. 421-427.