Tổng quan nghiên cứu

Sức kháng bên là một tham số quan trọng trong thiết kế móng cọc công trình cầu, đặc biệt đối với các công trình đi qua khu vực đất yếu như đoạn cầu cạn của tuyến đường sắt đô thị số 1 tại TP. Hồ Chí Minh. Theo ước tính, chiều dài đoạn cầu cạn này lên đến 17,2 km và đi qua nhiều khu vực có địa chất yếu như Văn Thánh, Ba Son. Vấn đề chuyển vị ngang của móng cọc khi chịu tải trọng ngang là một thách thức lớn, bởi nếu sức kháng bên không đủ, việc tăng số lượng hoặc kích thước cọc sẽ làm tăng chi phí và kéo dài thời gian thi công. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của phạm vi và kích thước vùng đất yếu được gia cố xung quanh móng cọc khoan nhồi đến sự gia tăng sức kháng bên của móng trụ cầu, từ đó xây dựng mối tương quan giữa kích thước vùng gia cố và sức kháng bên, đồng thời đề xuất phạm vi gia cố hợp lý cho nền đất yếu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn cầu cạn tuyến đường sắt đô thị số 1 tại TP. Hồ Chí Minh, sử dụng công nghệ jet grouting để gia cố đất yếu và phần mềm PLAXIS 3D FOUNDATION để mô phỏng tương tác móng cọc - đất nền. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả thiết kế móng cọc, giảm thiểu chi phí và rủi ro trong thi công công trình cầu trên nền đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Phương pháp tính toán sức kháng bên cực hạn của cọc: Bao gồm phương pháp Brinch Hansen (1961) và Broms (1964 a,b), phân tích sức kháng bên cực hạn dựa trên áp lực đất và mô hình phân bố lực dọc chiều sâu cọc trong đất dính và không dính.
  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Mô hình vật liệu đất dùng để mô phỏng ứng xử đàn hồi - dẻo tuyệt đối của đất nền, đặc biệt phù hợp với đất yếu và đất nhiều lớp.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm PLAXIS 3D FOUNDATION để mô phỏng tương tác giữa móng cọc và đất nền khi chịu tải trọng ngang, cho phép phân tích chi tiết ảnh hưởng của kích thước và hình dạng vùng gia cố.
  • Khái niệm hiệu quả nhóm cọc (Ge): Đánh giá khả năng chịu tải trọng ngang của nhóm cọc so với tổng khả năng của các cọc đơn lẻ, dựa trên các kết quả thí nghiệm và mô hình số.

Các khái niệm chính bao gồm: sức kháng bên cực hạn, chuyển vị ngang cho phép, mô đun phản lực nền (kh), mô hình dầm trên nền đàn hồi Winkler, và công nghệ jet grouting trong gia cố đất yếu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm thông số địa chất thực tế tại các vị trí móng trụ cầu trên tuyến đường sắt đô thị số 1, các thông số kỹ thuật của cọc khoan nhồi và vật liệu jet grouting. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tổng quan lý thuyết, thu thập số liệu thực nghiệm và mô phỏng số bằng phần mềm PLAXIS 3D FOUNDATION.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình móng cọc khoan nhồi điển hình của đoạn cầu cạn, với các trường hợp gia cố đất yếu xung quanh đài cọc và dưới đài cọc được mô phỏng với nhiều kích thước và hình dạng khác nhau của khối soilcrete. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng các trường hợp điển hình đại diện cho các phạm vi gia cố khác nhau nhằm đánh giá ảnh hưởng đến sức kháng bên.

Phân tích dữ liệu dựa trên kết quả chuyển vị ngang của móng cọc dưới tải trọng ngang, so sánh giữa các trường hợp đất nguyên trạng và đất được gia cố. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện luận văn từ năm 2015 đến 2016, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của gia cố đất yếu xung quanh móng cọc đến sức kháng bên: Việc gia cố đất yếu bằng công nghệ jet grouting xung quanh đài cọc và dưới đài cọc làm tăng sức kháng bên của móng cọc đáng kể. Cụ thể, một khối soilcrete gia cố xung quanh nhóm 9 cọc và bên dưới đài cọc làm tăng sức kháng bên từ khoảng 950 kN lên đến 2722 kN trong phạm vi chuyển vị 1,9 cm, tương đương tăng 185%. Khi chuyển vị tăng lên 5 cm, sức kháng bên có thể đạt 3300-3400 kN, tương đương tăng khoảng 250% so với ban đầu.

  2. Mối tương quan giữa kích thước vùng gia cố và sức kháng bên: Sức kháng bên tăng khoảng 1% khi gia cố thêm 0,2 m³ đất xung quanh đài cọc và 0,29 m³ đất dưới đáy đài cọc. Gia cố xung quanh đài cọc có tác dụng lớn hơn so với gia cố dưới đài cọc. Chiều sâu và chiều dài khối gia cố có ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ gia tăng sức kháng bên, với chiều sâu gia cố tối ưu tương ứng với chiều sâu lớp đất yếu.

  3. Giảm chuyển vị ngang của móng cọc khi gia cố: Mô phỏng cho thấy chuyển vị ngang của móng cọc giảm đáng kể khi gia cố đất yếu, ví dụ chuyển vị ngang giảm từ khoảng 20 mm xuống dưới 10 mm trong một số trường hợp gia cố hiệu quả. Điều này đồng nghĩa với việc tăng độ ổn định và khả năng chịu tải ngang của móng.

  4. Hiệu quả kinh tế của biện pháp gia cố so với tăng số lượng cọc: Gia cố đất yếu bằng jet grouting được đánh giá là giải pháp kinh tế hơn so với việc tăng số lượng hoặc kích thước cọc, đặc biệt trong các dự án quy mô lớn và khu vực thi công có mặt bằng hạn chế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự gia tăng sức kháng bên là do sự cải thiện cường độ và độ cứng của đất nền xung quanh móng cọc, làm tăng khả năng truyền tải lực ngang và giảm chuyển vị. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, như nghiên cứu của Brown et al. (1988) và Rollins et al. (2010) về ảnh hưởng của cải tạo đất đến sức kháng bên của nhóm cọc.

So sánh với các phương pháp gia cố khác như đào bỏ và thay thế đất, đầm nén hiện trường, jet grouting cho thấy ưu điểm vượt trội về khả năng kiểm soát phạm vi gia cố và tăng cường sức kháng bên hiệu quả. Biểu đồ tải trọng - chuyển vị và bảng tổng hợp kết quả mô phỏng có thể minh họa rõ ràng sự khác biệt về chuyển vị ngang giữa các trường hợp đất nguyên trạng và đất được gia cố.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế móng cọc cầu cạn trên nền đất yếu, giúp giảm thiểu rủi ro công trình và tối ưu chi phí đầu tư.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ jet grouting để gia cố vùng đất yếu xung quanh móng cọc nhằm tăng sức kháng bên, giảm chuyển vị ngang, đặc biệt tại các khu vực có địa chất yếu như Văn Thánh, Ba Son. Thời gian thực hiện gia cố nên được tích hợp trong giai đoạn thi công móng để tối ưu tiến độ.

  2. Xác định phạm vi gia cố hợp lý dựa trên mối tương quan kích thước vùng gia cố và sức kháng bên: ưu tiên gia cố vùng đất xung quanh đài cọc với thể tích khoảng 0,2 m³ đất gia cố cho mỗi 1% tăng sức kháng bên, đồng thời gia cố dưới đài cọc với thể tích khoảng 0,29 m³ đất gia cố để đạt hiệu quả tối ưu.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn (PLAXIS 3D FOUNDATION) trong thiết kế móng cọc để đánh giá chính xác tương tác móng - đất, từ đó đưa ra các giải pháp gia cố phù hợp với điều kiện thực tế từng công trình.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ quản lý và thi công về công nghệ jet grouting và phương pháp phân tích tải trọng ngang, nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả của biện pháp gia cố.

  5. Theo dõi và kiểm tra chất lượng gia cố trong quá trình thi công để đảm bảo các thông số kỹ thuật và phạm vi gia cố đạt yêu cầu thiết kế, giảm thiểu rủi ro phát sinh trong quá trình vận hành công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế cầu và móng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tính toán sức kháng bên của móng cọc trên nền đất yếu, giúp tối ưu thiết kế và lựa chọn biện pháp gia cố phù hợp.

  2. Chuyên gia thi công công trình giao thông đô thị: Tham khảo các giải pháp gia cố đất yếu bằng jet grouting, quy trình thi công và kiểm soát chất lượng nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công.

  3. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Hiểu rõ về lợi ích kinh tế và kỹ thuật của biện pháp gia cố đất yếu, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu chi phí phát sinh và rủi ro công trình.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng cầu, hầm: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực gia cố nền móng cầu trên đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Jet grouting là gì và tại sao được chọn để gia cố đất yếu?
    Jet grouting là công nghệ phun vữa xi măng áp lực cao để tạo khối đất gia cố (soilcrete) có cường độ cao. Phương pháp này được chọn vì khả năng gia cố chính xác vùng đất yếu xung quanh móng, thích hợp với điều kiện thi công chật hẹp và giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình lân cận.

  2. Sức kháng bên của móng cọc được xác định như thế nào?
    Sức kháng bên được xác định thông qua mô phỏng tương tác móng cọc - đất bằng phần mềm phần tử hữu hạn, kết hợp với các phương pháp tính toán truyền thống như Brinch Hansen và Broms, dựa trên các thông số địa chất và kích thước vùng gia cố.

  3. Phạm vi gia cố đất yếu ảnh hưởng ra sao đến sức kháng bên?
    Phạm vi gia cố càng lớn thì sức kháng bên càng tăng, tuy nhiên hiệu quả gia cố giảm dần khi vượt quá chiều sâu và chiều dài tối ưu tương ứng với lớp đất yếu. Gia cố tập trung xung quanh đài cọc có tác dụng lớn hơn so với gia cố dưới đài cọc.

  4. Gia cố đất yếu bằng jet grouting có ưu điểm gì so với tăng số lượng cọc?
    Gia cố bằng jet grouting giúp tăng sức kháng bên hiệu quả mà không cần tăng số lượng hoặc kích thước cọc, từ đó giảm chi phí vật liệu, rút ngắn thời gian thi công và hạn chế ảnh hưởng đến mặt bằng thi công.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng gia cố trong thi công?
    Kiểm soát chất lượng dựa trên các thông số kỹ thuật như cường độ soilcrete, kích thước khối gia cố, áp lực phun vữa và vị trí bố trí cọc jet grout. Việc giám sát thi công và thử nghiệm mẫu tại hiện trường là cần thiết để đảm bảo đạt yêu cầu thiết kế.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh rõ ràng việc gia cố đất yếu xung quanh móng cọc bằng công nghệ jet grouting làm tăng đáng kể sức kháng bên, giảm chuyển vị ngang của móng trụ cầu cạn trên tuyến đường sắt đô thị số 1 TP. Hồ Chí Minh.
  • Mối tương quan giữa kích thước vùng gia cố và sức kháng bên được thiết lập, giúp xác định phạm vi gia cố tối ưu về chiều sâu và chiều dài khối soilcrete.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PLAXIS 3D FOUNDATION) là công cụ hiệu quả để mô phỏng và phân tích tương tác móng cọc - đất nền chịu tải trọng ngang.
  • Giải pháp gia cố đất yếu bằng jet grouting được đánh giá cao về mặt kỹ thuật và kinh tế so với việc tăng số lượng cọc hoặc kích thước móng.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm ứng dụng thực tế giải pháp gia cố, theo dõi hiệu quả trong thi công và nghiên cứu mở rộng cho các loại công trình cầu khác trên nền đất yếu.

Call-to-action: Các kỹ sư thiết kế, nhà quản lý dự án và chuyên gia thi công được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và độ bền vững của công trình cầu trên nền đất yếu, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển các giải pháp gia cố tối ưu hơn trong tương lai.