Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ các công trình cao tầng tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh, việc nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công móng cọc trở thành yêu cầu cấp thiết. Dự án tòa nhà Eximbank với chiều cao khoảng 163m, diện tích xây dựng 3518m² tại Quận 1, TP. Hồ Chí Minh, sử dụng móng cọc Barrette với tải trọng tĩnh lên đến 15MN, đã đặt ra nhu cầu nghiên cứu sâu về công nghệ phụt vữa thân cọc nhằm gia tăng sức kháng đơn vị của cọc. Công nghệ phụt vữa thành cọc được áp dụng rộng rãi nhằm cải thiện ma sát thành cọc, từ đó tăng khả năng chịu tải của móng, tiết kiệm chi phí và thời gian thi công.

Nghiên cứu tập trung phân tích hiệu quả của đoạn cọc phụt vữa và không phụt vữa dựa trên kết quả thí nghiệm tải tĩnh hai chiều bằng phương pháp Osterberg Cell (O-cell) thực hiện tại công trình Eximbank. Thí nghiệm được tiến hành trên cọc Barrette có mặt cắt ngang hình chữ nhật 2800x800 mm, khoan sâu 85m, với lớp đất đặc trưng gồm đất sét mềm, cát chặt xen lẫn sỏi và sạn, đất sét chặt và tầng cát chặt đến rất chặt. Kết quả thí nghiệm cho thấy sức kháng đơn vị của đoạn cọc phụt vữa đạt khoảng 396 kPa, cao hơn 84% so với đoạn cọc không phụt vữa (215 kPa). Nghiên cứu còn sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn qua phần mềm Plaxis 2D để so sánh và đánh giá tính hợp lý của kết quả thí nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá sự gia tăng sức kháng đơn vị của cọc Barrette phụt vữa trong điều kiện đất cát tại TP. Hồ Chí Minh, đồng thời ứng dụng phương pháp tính toán phần tử hữu hạn kết hợp với kết quả thực nghiệm để đề xuất giải pháp thiết kế móng cọc hiệu quả hơn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích đoạn cọc phụt và không phụt vữa trong dự án Eximbank, với dữ liệu thí nghiệm thực tế và mô phỏng số học trong khoảng thời gian từ năm 2013 đến 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Thí nghiệm Osterberg Cell (O-cell): Phương pháp thử tải tĩnh hai chiều, sử dụng hộp tải trọng đặt trong thân cọc để đo sức kháng thành và sức kháng mũi cọc độc lập. Nguyên lý cân bằng lực cho phép xác định tải trọng giới hạn của cọc dựa trên chuyển vị và ứng suất đo được qua các cảm biến biến dạng. Phương pháp này giúp phân tích chi tiết tương tác giữa cọc và đất nền, đặc biệt trong điều kiện đất cát và đất sét.

  2. Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) với phần mềm Plaxis 2D: Ứng dụng mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Hardening Soil để mô phỏng ứng xử cơ học của đất và cọc dưới tải trọng. Mô hình Mohr-Coulomb giả định đất là vật liệu đàn hồi lý tưởng với mặt dẻo phá hoại, trong khi mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn tính phi tuyến và biến dạng đàn hồi dẻo của đất. Các khái niệm chính bao gồm sức kháng đơn vị dọc thân cọc, ma sát thành cọc, ứng suất cắt đất nền, và chuyển vị cọc.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: sức kháng đơn vị (kPa), ma sát thành cọc, tải trọng giới hạn, chuyển vị cọc (mm), mô hình Mohr-Coulomb, mô hình Hardening Soil, và phương pháp thử tải tĩnh Osterberg Cell.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả thí nghiệm tải tĩnh O-cell trên cọc Barrette tại dự án Eximbank, Quận 1, TP. Hồ Chí Minh, thực hiện tháng 9 năm 2013. Cọc có mặt cắt 2800x800 mm, khoan sâu 85m, với đoạn phụt vữa dài 21m từ mũi cọc trở lên. Các cảm biến biến dạng được lắp đặt tại nhiều cao độ để đo ứng suất và chuyển vị trong quá trình thử tải.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích số liệu thí nghiệm: Đánh giá sức kháng đơn vị của đoạn cọc phụt và không phụt vữa dựa trên dữ liệu biến dạng và tải trọng thu được từ O-cell.

  • Mô phỏng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D phiên bản 8.5 để mô phỏng bài toán tương tự, áp dụng mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil. Cỡ mẫu mô phỏng tương ứng với kích thước cọc và đặc tính đất thực tế. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ chiều sâu cọc với các lớp đất đặc trưng, nhằm so sánh kết quả mô phỏng với thí nghiệm thực tế.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và tổng hợp tài liệu từ năm 2013 đến 2017, tiến hành thí nghiệm và mô phỏng trong năm 2013-2015, phân tích và hoàn thiện luận văn năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Sức kháng đơn vị đoạn cọc phụt vữa cao hơn đáng kể: Kết quả thí nghiệm O-cell cho thấy sức kháng đơn vị của đoạn cọc phụt vữa đạt khoảng 396 kPa, trong khi đoạn cọc không phụt vữa chỉ đạt 215 kPa, tức là tăng 84%. Mô phỏng FEM cũng cho kết quả tương tự với sức kháng đơn vị lần lượt là 225 kPa và 132 kPa, tăng khoảng 1.5 lần.

  2. Sự gia tăng sức kháng đơn vị theo độ sâu: Cả thí nghiệm và mô phỏng đều cho thấy sức kháng đơn vị tăng theo độ sâu, đặc biệt rõ rệt ở đoạn cọc phụt vữa. Đoạn cọc phụt vữa duy trì sức kháng cao hơn đáng kể so với đoạn không phụt vữa trong toàn bộ chiều dài phụt.

  3. Tính hợp lý của mô hình FEM: So sánh đường cong tải trọng - chuyển vị từ thí nghiệm và mô phỏng cho thấy mô hình phần tử hữu hạn với mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil phản ánh khá chính xác hành vi thực tế của cọc, đặc biệt trong việc dự báo sức kháng đơn vị và chuyển vị cọc.

  4. Ảnh hưởng của công nghệ phụt vữa: Việc phụt vữa tạo ra lớp vữa bao bọc và bó chặt xung quanh thân cọc, làm tăng chu vi và diện tích tiếp xúc giữa cọc và đất, từ đó gia tăng ma sát thành cọc và sức chịu tải tổng thể. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng đều khẳng định hiệu quả rõ rệt của công nghệ này trong điều kiện đất cát tại TP. Hồ Chí Minh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng sức kháng đơn vị là do lớp vữa phụt tạo ra lớp tiếp xúc mới, cải thiện ma sát thành cọc và giảm hiện tượng xói mòn đất xung quanh thân cọc. So với các nghiên cứu trước đây trên đất sét và đất rời, kết quả này phù hợp với xu hướng gia tăng sức kháng khi áp dụng công nghệ phụt vữa áp lực cao.

Việc mô phỏng FEM cho thấy mô hình Hardening Soil có ưu điểm trong việc mô phỏng chính xác hơn các biến dạng phi tuyến của đất so với mô hình Mohr-Coulomb truyền thống. Biểu đồ tải trọng - chuyển vị từ mô phỏng và thí nghiệm có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong, giúp trực quan hóa sự khác biệt giữa đoạn cọc phụt và không phụt.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ sở khoa học cho việc áp dụng công nghệ phụt vữa trong thiết kế móng cọc Barrette, đồng thời cung cấp dữ liệu tham khảo cho các công trình tương tự tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long và TP. Hồ Chí Minh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi công nghệ phụt vữa thân cọc trong thiết kế móng: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu là tăng sức chịu tải của cọc lên ít nhất 80% so với cọc không phụt, trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các công ty xây dựng và tư vấn thiết kế.

  2. Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng và tối ưu thiết kế: Khuyến nghị "ứng dụng" phần mềm Plaxis 2D kết hợp mô hình Hardening Soil để dự báo chính xác sức kháng cọc, giảm thiểu rủi ro thiết kế, trong vòng 6 tháng đến 1 năm, chủ thể là các kỹ sư địa kỹ thuật và nhà nghiên cứu.

  3. Nâng cao chất lượng vật liệu vữa và quy trình phụt: Đề xuất "cải tiến" thành phần và hàm lượng vữa phù hợp với từng loại đất cụ thể nhằm tối ưu hiệu quả gia tăng ma sát thành, trong vòng 1 năm, chủ thể là nhà thầu thi công và nhà cung cấp vật liệu.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công: Khuyến nghị "phát triển" tiêu chuẩn thiết kế và thi công phụt vữa thân cọc dựa trên kết quả nghiên cứu và thực tiễn, nhằm đảm bảo tính đồng nhất và an toàn công trình, trong vòng 2 năm, chủ thể là cơ quan quản lý xây dựng và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế móng cọc: Nhận được kiến thức chuyên sâu về công nghệ phụt vữa và phương pháp tính toán sức kháng cọc, giúp tối ưu thiết kế móng cho các công trình cao tầng.

  2. Nhà thầu thi công cọc khoan nhồi và Barrette: Áp dụng quy trình thi công phụt vữa hiệu quả, nâng cao chất lượng công trình và giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên địa kỹ thuật: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình mô phỏng để phát triển nghiên cứu sâu hơn về tương tác cọc - đất và công nghệ phụt vữa.

  4. Cơ quan quản lý và lập tiêu chuẩn xây dựng: Tham khảo để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết kế và thi công móng cọc phụt vữa, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ phụt vữa thân cọc là gì và có tác dụng gì?
    Công nghệ phụt vữa thân cọc là phương pháp bơm vữa áp lực cao vào bề mặt tiếp xúc giữa thân cọc và đất nền nhằm tăng ma sát thành cọc. Ví dụ tại dự án Eximbank, sức kháng đơn vị của đoạn cọc phụt vữa tăng 84% so với đoạn không phụt.

  2. Phương pháp thử tải Osterberg Cell có ưu điểm gì?
    Phương pháp này cho phép đo riêng biệt sức kháng thành và sức kháng mũi cọc, giúp xác định tải trọng giới hạn chính xác hơn so với thử tải tĩnh truyền thống. Kết quả thí nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp.

  3. Mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 2D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis 2D mô phỏng ứng xử cơ học của đất và cọc dưới tải trọng, sử dụng mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil để dự báo sức kháng đơn vị và chuyển vị cọc, giúp so sánh và xác nhận kết quả thí nghiệm thực tế.

  4. Hiệu quả của phụt vữa thân cọc phụ thuộc vào yếu tố nào?
    Hiệu quả phụ thuộc vào thành phần và hàm lượng vữa, áp lực phụt, đặc tính đất nền và kỹ thuật thi công. Nghiên cứu cho thấy áp lực phụt vữa trong khoảng 25-55 bar là phù hợp để tăng sức kháng thành cọc.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các khu vực khác không?
    Kết quả nghiên cứu chủ yếu áp dụng cho đất cát tại TP. Hồ Chí Minh và khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên, với điều chỉnh phù hợp về đặc tính đất và quy trình thi công, công nghệ phụt vữa có thể được áp dụng rộng rãi hơn.

Kết luận

  • Sức kháng đơn vị của đoạn cọc phụt vữa tăng trung bình 84% so với đoạn không phụt vữa, theo kết quả thí nghiệm O-cell tại dự án Eximbank, Quận 1, TP. Hồ Chí Minh.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis 2D phản ánh chính xác hành vi thực tế của cọc, hỗ trợ đánh giá và thiết kế móng hiệu quả.
  • Công nghệ phụt vữa thân cọc tạo lớp vữa bao bọc, gia tăng ma sát thành cọc, giảm chi phí và thời gian thi công.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc áp dụng công nghệ phụt vữa trong thiết kế móng cọc Barrette tại các công trình cao tầng.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ, nâng cao quy trình thi công, phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và mở rộng nghiên cứu trong tương lai nhằm tối ưu hóa hiệu quả và độ bền công trình.

Hành động tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công thực tế, đồng thời phát triển các nghiên cứu bổ sung về vật liệu vữa và ảnh hưởng của các yếu tố thi công nhằm nâng cao hiệu quả công nghệ phụt vữa thân cọc.