Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của các dự án nhà cao tầng tại Việt Nam, đặc biệt tại TP. Hồ Chí Minh, nhu cầu về móng công trình chịu tải trọng lớn ngày càng tăng cao. Theo ước tính, việc gia tăng sức chịu tải của cọc khoan nhồi truyền thống bằng cách tăng số lượng hoặc kích thước cọc đang gặp nhiều hạn chế về công nghệ thi công, chi phí và mặt bằng. Công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) được xem là giải pháp tiên tiến nhằm gia cường chất lượng cọc đổ tại chỗ, đồng thời khắc phục các vấn đề kỹ thuật như sạt lở thành hố đào, bùn lắng đọng trong quá trình thi công. Mục tiêu nghiên cứu tập trung phân tích và đánh giá hiệu quả của công nghệ phụt vữa thành cọc tại dự án Khu Phức hợp Sóng Việt, Quận 2, TP. Hồ Chí Minh, trong giai đoạn từ năm 2021 đến 2022. Nghiên cứu nhằm xác định mức độ gia tăng sức chịu tải cọc thông qua so sánh kết quả thử tĩnh giữa cọc có và không có phụt vữa, đồng thời đánh giá hiệu quả phụt vữa trên các loại đất cát và đất sét đặc trưng khu vực. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng công nghệ Shaft Grouting trong các công trình xây dựng ngầm và cao tầng, góp phần nâng cao độ bền vững và an toàn kết cấu móng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong kỹ thuật xây dựng công trình ngầm, bao gồm:

  • Lý thuyết sức chịu tải cọc: Tổng sức chịu tải cho phép của cọc được xác định bằng tổng sức kháng mũi và sức kháng bên, trong đó sức kháng bên bao gồm ma sát bên và lực dính giữa cọc và đất nền. Công thức tổng quát là (\displaystyle Q_u = Q_p + Q_s).

  • Mô hình Hardening Soil: Mô hình phần tử hữu hạn nâng cao, mô phỏng ứng xử đàn hồi dẻo của đất nền, phù hợp với phân tích biến dạng và sức chịu tải của cọc khoan nhồi phụt vữa. Mô hình này xét đến thành phần biến dạng dẻo và độ cứng dỡ tải, giúp mô phỏng chính xác hơn so với mô hình Mohr-Coulomb truyền thống.

  • Khái niệm vữa phụt (Grout): Vữa phụt là hỗn hợp chất lưu có khả năng chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn, có tính chất phù hợp về độ nhớt, độ ổn định và thời gian đông kết để đảm bảo hiệu quả phụt và không gây ô nhiễm môi trường.

  • Công nghệ Shaft Grouting: Kỹ thuật phun vữa áp lực cao (200-700 atm) với vận tốc lớn (≥ 100 m/s) vào thành cọc nhằm gia cường lớp đất xung quanh, tăng ma sát thành cọc và cải thiện sức chịu tải tổng thể.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp sau:

  • Thu thập và tổng hợp dữ liệu thực nghiệm: Số liệu thử nghiệm nén tĩnh và đo biến dạng của hai cọc khoan nhồi tại dự án Khu Phức hợp Sóng Việt, trong đó một cọc được thi công với công nghệ phụt vữa và một cọc không sử dụng phụt vữa.

  • Phân tích giải tích: Tính toán sức chịu tải cọc dựa trên các công thức tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 và các công thức liên quan đến chỉ số SPT, áp dụng hệ số điều chỉnh phù hợp với công nghệ phụt vữa.

  • Mô phỏng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm Plaxis 3D để mô phỏng ứng xử và sức chịu tải của cọc khoan nhồi phụt vữa, đối chiếu với kết quả thực nghiệm nhằm đánh giá độ chính xác và hiệu quả của mô hình.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2021, bao gồm thu thập dữ liệu, phân tích, mô phỏng và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Gia tăng sức chịu tải cọc nhờ phụt vữa: Kết quả thử tĩnh cho thấy sức chịu tải của cọc khoan nhồi có phụt vữa tăng từ 25% đến 30% so với cọc không phụt vữa. Cụ thể, ma sát đơn vị (f_s) trên thành cọc phụt vữa cao gấp khoảng 2 lần so với cọc không phụt vữa.

  2. Hiệu quả phụt vữa theo loại đất: Hiệu quả phụt vữa được ghi nhận cao hơn trong đất cát so với đất sét. Tỷ số ma sát đơn vị trên chỉ số NSPT của cọc phụt vữa trong đất cát vượt trội hơn khoảng 20% so với đất sét.

  3. Độ chính xác mô phỏng phần tử hữu hạn: Mô hình Plaxis 3D mô phỏng sức chịu tải và độ lún đầu cọc phụt vữa tương đồng với kết quả thử nghiệm thực tế, sai số trong khoảng 5-7%, cho thấy mô hình phù hợp để dự báo hiệu quả công nghệ phụt vữa.

  4. Tương quan giữa chỉ số SPT và sức kháng thành cọc: Các công thức tính toán dựa trên chỉ số SPT được điều chỉnh phù hợp với công nghệ phụt vữa, với hệ số kinh nghiệm (k) dao động từ 2.7 đến 3.2 tùy loại đất, giúp cải thiện độ tin cậy trong thiết kế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân gia tăng sức chịu tải cọc phụt vữa được giải thích bởi cơ chế vữa thấm sâu vào các khe hở, lấp đầy các khoảng trống và tạo lớp vật liệu cứng chắc bao quanh thành cọc, tăng ma sát và lực dính giữa cọc và đất. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tại dự án Khu Phức hợp Sóng Việt tương đồng với các công trình tại Hồng Kông và Bangkok, khẳng định tính ứng dụng rộng rãi của công nghệ này trong điều kiện địa chất tương tự. Việc mô phỏng bằng phần tử hữu hạn giúp minh họa rõ ràng sự phân bố ứng suất và biến dạng quanh cọc, có thể trình bày qua biểu đồ tải trọng - chuyển vị đầu cọc và bản đồ ứng suất đất xung quanh cọc. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu thiết kế và thi công, giảm thiểu rủi ro và chi phí cho các công trình xây dựng cao tầng tại các đô thị lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi công nghệ phụt vữa thành cọc: Khuyến nghị các nhà thầu và kỹ sư xây dựng áp dụng công nghệ Shaft Grouting cho các công trình có yêu cầu tải trọng lớn, đặc biệt tại các khu vực có địa chất phức tạp như Quận 2, TP. Hồ Chí Minh, nhằm tăng sức chịu tải và độ bền móng.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn thi công và tính toán cụ thể: Đề xuất các cơ quan quản lý xây dựng ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật về thiết kế, thi công và kiểm soát chất lượng cọc phụt vữa, bao gồm các hệ số điều chỉnh dựa trên loại đất và đặc tính vữa phụt, trong vòng 1-2 năm tới.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ Shaft Grouting cho kỹ sư và công nhân thi công, tập trung vào quy trình thi công, kiểm soát áp lực phụt và xử lý sự cố, nhằm đảm bảo chất lượng và an toàn thi công.

  4. Ứng dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế: Khuyến khích sử dụng phần mềm Plaxis 3D hoặc tương đương để mô phỏng và dự báo hiệu quả công nghệ phụt vữa trong giai đoạn thiết kế, giúp tối ưu hóa chi phí và thời gian thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu móng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công thức tính toán cụ thể giúp kỹ sư thiết kế móng cọc khoan nhồi có phụt vữa chính xác hơn, phù hợp với điều kiện địa chất thực tế.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Các nhà thầu có thể áp dụng quy trình thi công và biện pháp kiểm soát chất lượng được trình bày để nâng cao hiệu quả thi công, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình mô phỏng giúp chuyên gia đánh giá chính xác tác động của công nghệ phụt vữa đến tính chất đất nền và sức chịu tải cọc.

  4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn: Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy định thi công và kiểm định chất lượng cọc phụt vữa trong ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ phụt vữa thành cọc là gì?
    Công nghệ Shaft Grouting là kỹ thuật phun vữa áp lực cao vào thành cọc khoan nhồi nhằm gia cường lớp đất xung quanh, tăng ma sát và sức chịu tải của cọc. Ví dụ tại dự án Khu Phức hợp Sóng Việt, công nghệ này giúp tăng sức chịu tải cọc lên 25-30%.

  2. Hiệu quả của phụt vữa có khác nhau theo loại đất không?
    Có. Hiệu quả phụt vữa cao hơn trong đất cát so với đất sét do vữa dễ thấm sâu và lấp đầy khe hở trong đất cát, tăng ma sát thành cọc hiệu quả hơn.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá sức chịu tải cọc phụt vữa?
    Ngoài thử nghiệm nén tĩnh thực tế, mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D được sử dụng để phân tích và dự báo sức chịu tải, giúp đối chiếu và xác nhận kết quả thực nghiệm.

  4. Có tiêu chuẩn thi công cụ thể cho công nghệ phụt vữa không?
    Hiện tại chưa có tiêu chuẩn thi công cụ thể được ban hành rộng rãi tại Việt Nam, do đó nghiên cứu này đề xuất các hệ số và quy trình thi công phù hợp để làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn trong tương lai.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng trong quá trình phụt vữa?
    Kiểm soát áp lực phụt, lượng vữa bơm, và quan sát hiện tượng trào vữa là các tiêu chí chính. Áp lực phụt giới hạn khoảng 40 bar để tránh phá hủy cấu trúc đất, đồng thời theo dõi áp lực và lượng vữa giúp điều chỉnh kịp thời trong thi công.

Kết luận

  • Công nghệ phụt vữa thành cọc (Shaft Grouting) tại Quận 2, TP. Hồ Chí Minh đã chứng minh hiệu quả rõ rệt trong việc tăng sức chịu tải cọc khoan nhồi từ 25% đến 30%.
  • Hiệu quả phụt vữa cao hơn trong đất cát so với đất sét, phù hợp với đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu.
  • Mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D mô phỏng chính xác ứng xử cọc phụt vữa, hỗ trợ thiết kế và đánh giá kỹ thuật.
  • Nghiên cứu đề xuất các hệ số và quy trình thi công phù hợp làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật trong tương lai.
  • Khuyến nghị áp dụng công nghệ và phương pháp mô phỏng này rộng rãi trong các công trình xây dựng cao tầng tại các đô thị lớn.

Next steps: Triển khai đào tạo kỹ thuật thi công Shaft Grouting, hoàn thiện tiêu chuẩn thi công và mở rộng nghiên cứu ứng dụng tại các vùng địa chất khác.

Call to action: Các kỹ sư, nhà thầu và cơ quan quản lý nên phối hợp nghiên cứu và áp dụng công nghệ phụt vữa thành cọc để nâng cao chất lượng và hiệu quả công trình xây dựng.