Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hải Phòng là trung tâm kinh tế biển trọng điểm phía Bắc với tổng diện tích tự nhiên 1.503 km² và quy mô dân số trên 1.837.000 người, đạt mật độ dân số trung bình 1.027 người/km². Tốc độ đô thị hóa nhanh chóng thúc đẩy nhu cầu xây dựng các tổ hợp công trình cao tầng có từ 2 đến 5 tầng hầm phục vụ thương mại và dân sinh. Tuy nhiên, điều kiện địa mạo và địa chất công trình tại Hải Phòng rất phức tạp với tầng trầm tích phù sa trẻ dày, mực nước ngầm nông cách mặt đất dưới 2 m và chịu tác động trực tiếp của 3 đến 5 cơn bão mỗi năm với vận tốc gió giật lên tới 50 m/s. Bài toán xử lý nền móng cho các dự án quy mô lớn đòi hỏi giải pháp kết cấu sâu vừa có khả năng chịu lực nén đứng lớn, vừa đáp ứng khả năng chống trượt và giữ ổn định hố đào sâu.

Trước thực tế đó, luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Vũ Thanh Tuấn dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TSKH Nguyễn Văn Quảng đã đi sâu giải quyết đề tài: “Nghiên cứu áp dụng cọc Barrette được gia cường bằng phương pháp phụt vữa thân cọc cho việc xây dựng nhà cao tầng ở thành phố Hải Phòng”. Nghiên cứu được thực hiện trên địa bàn thành phố Hải Phòng, đối chiếu trực tiếp với các công trình tiêu biểu như tòa nhà SHP Plaza cao 28 tầng (105 m) tại số 12 Lạch Tray và khu phức hợp cao ốc Vinhomes Riverside 45 tầng tại Hồng Bàng. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xác lập quy trình thi công cọc Barrette tiết diện chữ nhật kết hợp công nghệ phụt vữa áp lực cao qua thân cọc nhằm xử lý triệt để lớp màng sét bentonite bám dính quanh thành vách. Giải pháp này giúp gia tăng sức chịu tải giới hạn của cọc từ 20% đến 35%, đồng thời tiết kiệm 15% đến 20% tổng chi phí đầu tư xây dựng phần ngầm cho các dự án cao tầng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết tương tác đất - móng sâu hiện đại và các chỉ dẫn thiết kế móng cọc Barrette, tường trong đất của GS. TSKH Nguyễn Văn Quảng. Cọc Barrette được định nghĩa là cọc bê tông cốt thép đúc tại chỗ trong hố đào sâu bằng gầu ngoạm thủy lực chuyên dụng, có tiết diện hình chữ nhật phổ biến từ 0,6 x 2,2 m đến 1,5 x 6,0 m và chiều sâu ngàm từ 30 m đến trên 100 m. Về mặt cơ học, sức chịu tải giới hạn của cọc được hình thành từ tổng sức kháng ma sát thân cọc và sức chống mũi cọc.

Khung lý thuyết thứ hai là nguyên lý phụt vữa thân cọc (shaft grouting) qua hệ thống ống có măng sét (tube-à-manchette). Khi vữa xi măng được bơm dưới áp lực từ 1,5 MPa đến 4,0 MPa, dòng vữa sẽ phá vỡ lớp màng bentonite nhão nhớt bám dính ở mặt bên cọc, lấp đầy các khoảng hốc rỗng và nén chặt đất nền xung quanh vách đào. Bên cạnh đó, nghiên cứu áp dụng mô hình cân bằng giới hạn trong thí nghiệm nén tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg (O-cell). Phương pháp này sử dụng hệ phương trình cân bằng: $P_0 \le G + P_{ms}$ và $P_0 \le P_m$ (trong đó $P_0$ là lực kích, $G$ là trọng lượng bản thân cọc, $P_{ms}$ là sức kháng ma sát thân và $P_m$ là sức chống mũi) để xác định độc lập từng thành phần chịu lực mà không cần sử dụng hệ dầm chất tải tĩnh truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp từ tài liệu địa chất công trình chi tiết của 9 khu vực đặc trưng tại Hải Phòng (thuộc đới Duyên Hải và đới Hà Nội) cùng hồ sơ quan trắc kỹ thuật từ 12 dự án nhà cao tầng tiêu biểu tại Việt Nam (như Vietcombank Tower, Everfortune 83 Lý Thường Kiệt tại Hà Nội và SHP Plaza tại Hải Phòng). Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng địa chất kết hợp khảo sát điển hình theo mục đích kỹ thuật, tập trung vào các tầng bùn sét Holocen và sét dẻo Pleistocen có chiều dày từ 5 m đến trên 25 m.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích giải tích kết hợp xử lý dữ liệu thực nghiệm nén tĩnh (theo quy trình duy trì tải trọng từng cấp ML và tốc độ lún không đổi CRP) là nhằm nắm bắt chính xác quy luật biến dạng phi tuyến của cọc Barrette trong điều kiện địa chất yếu. Toàn bộ quá trình kiểm soát chất lượng còn tích hợp dữ liệu kiểm tra không phá hủy bằng phương pháp siêu âm truyền qua (sử dụng đầu phát tần số từ 20 kHz đến 100 kHz) và thí nghiệm động biến dạng lớn PDA (tần số lấy mẫu 5.000 Hz, dải đo gia tốc tuyến tính 1.000g) được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 3 năm 2016 đến tháng 3 năm 2017, tuân thủ các quy chuẩn TCVN 5574-1991 và TCXD 206:1988.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả phân vùng địa chất khẳng định khu vực đô thị Hải Phòng phân bố dày đặc các lớp đất yếu thuộc hệ tầng Hải Hưng và Thái Bình với sức chịu tải tiêu chuẩn chỉ đạt $R_t \approx 0,4 - 1,4\text{ kG/cm}^2$, hệ số rỗng $B = 0,54 - 1,4$ và dung trọng tự nhiên $\gamma = 1,65 - 1,85\text{ g/cm}^3$. Khi thi công cọc Barrette trong điều kiện này, dung dịch bentonite giữ vách tạo ra lớp áo sét nhão dày 5 mm đến 15 mm tại thành hố đào, làm suy giảm từ 25% đến 35% sức kháng ma sát thành cọc nếu không được xử lý gia cường.

Thứ hai, việc áp dụng công nghệ phụt vữa thân cọc mang lại hiệu quả vượt trội trong việc nâng cao sức chịu tải. Qua phân tích số liệu nén tĩnh bằng hộp Osterberg, điểm giới hạn đàn hồi tuyến tính của ma sát thân cọc đạt giá trị $P_{thms} = 1.100\text{ tấn}$ và sức kháng mũi đạt $P_{thmũi} = 2.200\text{ tấn}$. Tổng sức chịu tải tới hạn của cọc đạt $P_{th} = 3.300\text{ tấn}$, cho phép xác lập sức chịu tải thiết kế an toàn ở mức $P_{tk} = 1.600 - 1.650\text{ tấn}$ với hệ số an toàn $FS = 2,0$. So với cọc Barrette không phụt vữa, sức kháng ma sát đơn vị thân cọc tăng từ 40% đến 65%.

Thứ ba, nghiên cứu chứng minh công nghệ phụt vữa áp lực cao giúp triệt tiêu các khuyết tật phổ biến như phình thân cọc, co thắt tiết diện, rỗ tổ ong do dòng nước ngầm và thấu kính bùn đất xen kẹp. Nhờ đó, lượng bê tông hao hụt thực tế được kiểm soát chặt chẽ, giảm từ mức vượt định mức >20% xuống chỉ còn khoảng 5% đến 8% so với thể tích hình học thiết kế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng sức chịu tải là do vữa xi măng áp lực cao đã thẩm thấu, ép chặt lớp bùn lắng và nén vùng đất yếu xung quanh thân cọc, tái lập trạng thái ứng suất ban đầu của đất nền vốn bị suy giảm trong quá trình đào đất bằng gầu ngoạm. So với các công trình cọc khoan nhồi đường kính lớn tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, cọc Barrette gia cường tại Hải Phòng cho độ cứng chống uốn lớn hơn 1,5 lần và giảm thiểu độ lệch ngang của kết cấu tầng hầm tới 25%.

Trong thực tế thiết kế, các dữ liệu chuyển vị và sức kháng được biểu diễn trực quan qua hệ biểu đồ nén tĩnh quan hệ tải trọng - độ lún ($P-S$). Biểu đồ phản ánh đường cong lún đàn hồi tuyến tính ổn định kéo dài đến tải trọng trên 1.500 tấn với độ lún giới hạn tuyệt đối kiểm soát dưới 20 mm đối với cọc ma sát và dưới 8 mm đối với cọc chống. Bảng thông số cơ lý phân vùng 9 khu vực địa chất Hải Phòng đóng vai trò là công cụ tra cứu định lượng, giúp kỹ sư dễ dàng xác định cao trình đặt mũi cọc tối ưu vào tầng cát hạt trung Pleistocen có sức chịu tải $R_t \ge 2,2\text{ kG/cm}^2$.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ban hành quy trình kỹ thuật phụt vữa thân cọc Barrette: Đề xuất Sở Xây dựng TP. Hải Phòng phối hợp cùng các hội nghề nghiệp xây dựng ban hành hướng dẫn tiêu chuẩn về thiết kế và thi công phụt vữa thân cọc cho các công trình cao từ 20 tầng trở lên. Mục tiêu giai đoạn Quý 2/2018 đến Quý 4/2019 là 100% dự án áp dụng đạt yêu cầu kiểm soát lún lân cận dưới mức 5 mm.
  2. Áp dụng đồng bộ công nghệ thử tải Osterberg (O-cell) và kiểm tra PDA: Các đơn vị tư vấn thiết kế và chủ đầu tư cần chuyển đổi từ phương pháp nén tĩnh chất tải truyền thống sang sử dụng hộp tải trọng Osterberg tại đáy cọc kết hợp đo biến dạng động PDA. Lộ trình thực hiện ngay từ giai đoạn cọc thử nghiệm năm 2018, giúp cắt giảm 40% chi phí thử tải và rút ngắn 7 ngày chuẩn bị mặt bằng thi công.
  3. Kiểm soát nghiêm ngặt các chỉ tiêu dung dịch bentonite và vữa phụt: Các nhà thầu xây dựng và phòng thí nghiệm LAS-XD phải duy trì các thông số bentonite mới ở mức tiêu chuẩn (tỷ trọng 1,01 - 1,05 g/ml, độ nhớt Marsh 30 - 40 giây, độ tách nước < 30 cm³, hàm lượng cát 0%) và vữa xi măng phụt (tỷ lệ N/X = 0,5, áp lực bơm 1,5 - 4,0 MPa) liên tục trong suốt 24 giờ thi công mỗi cọc.
  4. Hiện đại hóa thiết bị thi công và nâng cao tay nghề nhân lực: Doanh nghiệp xây lắp trên địa bàn Hải Phòng cần đầu tư đồng bộ hệ thống gầu ngoạm thủy lực kích thước 0,6 x 2,8 m đến 1,2 x 3,0 m có gắn cảm biến định tâm tự động. Kế hoạch triển khai từ năm 2018 đến 2020 nhằm duy trì tốc độ đổ bê tông tối ưu 0,6 m³/phút và hạn chế độ lệch tim cọc dưới 1%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư kết cấu và địa kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tính toán sức chịu tải ma sát bên và sức kháng mũi theo phương pháp Osterberg, giúp tối ưu hóa số lượng cọc Barrette và tiết kiệm từ 10% đến 15% khối lượng cốt thép trong các công trình từ 20 đến 50 tầng.
  2. Đơn vị tư vấn quản lý dự án và tư vấn giám sát: Tra cứu quy trình nghiệm thu dung dịch giữ thành, quy trình đổ bê tông vữa dâng theo tiêu chuẩn TCXD 206:1988 và các biện pháp xử lý sự cố sập thành vách, kẹt ống đổ tremie trong điều kiện đất yếu.
  3. Nhà thầu thi công nền móng và công trình ngầm: Ứng dụng quy trình chế tạo lồng cốt thép, bố trí hệ thống ống măng sét phụt vữa áp lực cao và vận hành hệ thống thu hồi, xử lý dung dịch bentonite tuần hoàn tại công trường.
  4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Xây dựng: Tiếp cận hệ thống dữ liệu toàn diện về 9 phân vùng địa chất công trình Hải Phòng, các case study công trình ngầm thực tế và phương pháp luận thí nghiệm cơ học đất phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cọc Barrette là lựa chọn tối ưu cho nhà cao tầng có tầng hầm tại Hải Phòng? Hải Phòng có tầng đất yếu bão hòa nước dày 10 - 20 m và mực nước ngầm cao cách mặt đất dưới 2 m. Cọc Barrette tiết diện chữ nhật từ 0,6 x 2,2 m đến 1,2 x 3,0 m sở hữu độ cứng uốn cao, vừa chịu tải trọng đứng trên 1.600 tấn, vừa kết hợp làm tường vây chắn đất ngăn nước tuyệt đối cho tầng hầm.

  2. Phương pháp phụt vữa thân cọc giúp tăng sức chịu tải của cọc Barrette như thế nào? Vữa xi măng được bơm dưới áp lực 1,5 - 4,0 MPa qua các van măng sét sẽ phá vỡ lớp áo sét bentonite nhão bám quanh thân cọc, nén chặt các tầng đất yếu xung quanh và gia tăng độ nhám tiếp xúc. Quá trình này giúp nâng cao sức kháng ma sát thành cọc thêm 40% đến 65%.

  3. Phương pháp thử tải Osterberg (O-cell) có ưu điểm gì so với thử tải nén tĩnh truyền thống? Thí nghiệm Osterberg tận dụng trọng lượng bản thân cọc và ma sát thành làm đối trọng, loại bỏ hoàn toàn hệ dầm chất tải hàng ngàn tấn cồng kềnh. Phương pháp này tiết kiệm 30% - 50% chi phí, rút ngắn 5 - 7 ngày thi công và đo đạc độc lập thành phần ma sát bên ($P_{ms}$) và sức chống mũi ($P_m$).

  4. Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của dung dịch bentonite giữ thành hố đào là gì? Dung dịch bentonite mới đưa vào hố đào phải đạt tỷ trọng 1,01 - 1,05 g/ml, độ nhớt Marsh trên 35 giây, độ tách nước dưới 30 cm³ và hàm lượng cát bằng 0%. Sau khi thu hồi tuần hoàn qua trạm lọc, dung dịch phải đảm bảo tỷ trọng dưới 1,20 g/ml, độ nhớt 35 - 40 giây và hàm lượng cát dưới 5%.

  5. Biện pháp nào giúp loại bỏ triệt để khuyết tật lắng cặn ở mũi cọc và rỗ xốp thân cọc? Trước khi đổ bê tông, cần tiến hành thổi rửa đáy hố đào bằng bơm áp lực để kiểm soát chiều dày lớp cặn lắng dưới 10 cm. Quá trình đổ bê tông phải diễn ra liên tục bằng phương pháp vữa dâng với độ sụt 13 - 18 cm, luôn giữ đầu ống tremie ngập sâu trong bê tông tươi từ 2 m đến 3 m.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh tính ưu việt của giải pháp móng cọc Barrette kết hợp phụt vữa thân cọc trong việc giải quyết bài toán nền móng cho các tòa nhà cao 20 đến 45 tầng trên nền đất yếu Hải Phòng.
  • Giải pháp phụt vữa áp lực cao giúp nâng sức chịu tải thiết kế của cọc đạt mức 1.600 - 1.650 tấn, tăng ma sát thành cọc từ 40% đến 65% và hạ tỷ lệ hao hụt bê tông xuống dưới 8%.
  • Khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng phương pháp thử tải Osterberg và kiểm tra động biến dạng lớn PDA nhằm tối ưu hóa hệ số an toàn thiết kế ($FS = 2,0$) và rút ngắn thời gian chuẩn bị hiện trường.
  • Hệ thống hóa chi tiết đặc trưng cơ lý của 9 phân vùng địa chất công trình Hải Phòng, cung cấp luận cứ khoa học tin cậy cho công tác thiết kế móng sâu đô thị.
  • Kế hoạch hành động giai đoạn 2018 - 2020: Hoàn thiện quy chuẩn thiết kế trong 12 tháng, đẩy mạnh đầu tư thiết bị cơ giới chuyên dụng và đào tạo nhân lực kỹ thuật cao nhằm giảm 15% đến 20% chi phí xây dựng công trình ngầm tại Hải Phòng. Hãy tham khảo và áp dụng ngay các giải pháp kỹ thuật từ luận văn để nâng cao chất lượng và tối ưu hóa chi phí cho dự án của bạn.