Ứng dụng công nghệ phụt vữa thành trong việc gia tăng sức chịu tải cọc khoan nhồi

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ PHỤT VỮA THÀNH TRONG VIỆC
GIA TĂNG SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI
PGS. TS. Võ Phán, KS. Hà Vĩnh Phúc
Trường Đại học Bách Khoa –TP. HCM
TĨM TẮT
Việc gia tăng sức chịu tải thành bên của cọc thơng qua cơng tác phun vữa áp lực
cao vào vùng đất xung quanh cọc làm thay đổi các chỉ tiêu cơ lý một cách đáng
kể. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính chất của đất sau khi phun vữa còn nhiều hạn
chế dẫn đến việc tính tốn và mơ phỏng còn thiếu tính chính xác. Đề tài nghiên
cứu thêm sự thay đối tính chất cơ lý của đất sau phụt vữa, sử dụng các kết quả thí
nghiệm tải cọc khoan nhồi bằng hộp Ocell có được tại khu vực Tp. Hồ Chí Minh
kết hợp với phần mềm Plaxis để so sánh, đánh giá sự cải thiện sức kháng hơng
đơn vị của cọc có phụt vữa, đồng thời đưa ra các hệ số cải thiện thực tế cho vài
loại đất.

ABSTRACT
Improving bored pile capacity by high pressure grouting injection into
surrounding soil changes soil properties significantly. However, the study about
soil properties after grout injection still have a lot of limitation. This report
researches the changing physical properties of soil after grouting, uses the data
from the Ocell load test for bored pile in Ho Chi Minh city and result from Plaxis
2D to evaluate, analyze and compare the enhancement between grouting and nongrouting bored pile to get the enhancement factor for several typical types of soil.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Do xu hướng ngày càng xuất hiện các cơng trình cao tầng, các cơng trình có tải
trọng lớn dẫn đến việc thiết kế nền móng u cầu các cọc có sức chịu tải lớn hơn. Trong
một chừng mực nào đó thì đường kính của cọc có giới hạn và đi kèm các rủi ro cao khi
phát triển cọc có đường kính lớn. Các cơng nghệ tăng sức chịu tải đất nền của cọc theo
đất nền đã được ứng dụng, trong đó cơng nghệ phụt vữa thành cọc trong những năm gần

đây đã chứng minh sự cải thiện đáng kể sức chịu tải theo đất nền của cọc dẫn đến giảm
đáng kể số lượng và đường kính cọc, đồng thời rút ngắn thời gian thi cơng cũng như
giảm thiểu chi phí thi cơng nền móng một cách đáng kể. Do đó cần có các nghiên cứu
cụ thể về cọc có phụt vữa thành để ứng dụng rộng rãi hơn trong thiết kế và thi cơng cọc
khoan nhồi cũng như cọc barrette trong tương lai.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Sử dụng các cơng thức lý thuyết có sẵn.
Sử dụng các kết quả thực nghiệm có được để đánh giá sự thay đổi tính chất của
đất sau khi phụt vữa.
406

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Sử dụng phương pháp mơ phỏng bằng phần mềm Plaxis kết hợp các kết quả thí
nghiệm thử tải để đánh giá sự cải thiện sức chịu tải của đất sau khi phụt vữa.
3. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHỤT VỮA
Các ống phụt vữa được lắp theo chu vi của cọc từ cao độ mặt đất cho đến đáy
của vùng được phụt vữa. Trong vùng phụt vữa, các van “Manchettes” được gia cơng
trên các ống phụt vữa. Một đầu phụt vữa có gắn các van chặn bên trên và bên dưới vị trí
van “Manchettes” sẽ được đưa vào ống phụt vữa, vì vậy có thể cơ lập từng van
“Manchettes” riêng biệt và tiến hành bơm vữa một cách có kiểm sốt thơng qua các van
“Manchettes” ra bề mặt ngồi của cọc.
Cấp phối đề xuất như sau:
• 100 kg xi măng
• 50 lít nước
• 1 lít phụ gia Sikament
Bảng 1. Số lượng ống phụt vữa và đường kính cọc

Đường kính cọc (mm)
1.000
1.200
1.350
1.800
2.000
2.500

Số lượng ống phụt vữa
4
4
5
6
7
8

Khoảng cách lý thuyết (m)
0,79
0,94
0,85
0,94
0,90
0,98

3.1. Quy trình phun vữa áp lực cao
3.1.1. Thơng các van “Manchettes”
Khi ống phun vữa được hạ và đổ bê tơng cùng với cọc nhồi, cần thiết phải làm
thơng vùng bê tơng giữa ống phụt vữa và thành cọc trước khi bê tơng đạt được cường
độ q cứng. Trong thực tế, cơng tác thơng các van “Manchettes” hiệu quả nhất khoảng
12h sau khi bê tơng đạt cường độ.

3.1.2. Cơng tác phụt vữa
Sau một khoảng thời gian xác định trước sau cơng tác thơng van “Manchettes”,
cơng tác phụt vữa có thể tiến hành. Các nắp tạm sẽ được mở và kiểm tra lại chiều sâu
của ống phụt vữa. Một lượng vữa u cầu sẽ được bơm qua van “Manchettes” và đến bề
mặt tiếp xúc của cọc và đất. Các packer sẽ được xả căng và di chuyển đến vị trí phụt
vữa kế tiếp.
Lượng vữa u cầu được bơm khoảng 35 lít/m2 của bề mặt cọc. Cơng tác phụt
vữa sẽ được dừng khi mà lượng vữa u cầu đạt được hoặc đạt áp lực tối đa là 60 bars.
3.2. Hiệu quả ổn định sau phụt vữa
Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sức chịu tải của cọc sau khi phụt vữa
khơng hề suy giảm theo thời gian.
VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

407


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Hình 1. Quan hệ tải trọng và chuyển vị
đầu cọc cho cọc có phụt vữa trong đất
sét ở giai đoạn gia tải ban đầu và
gia tải lại [4]

Hình 2. Quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu
cọc cho cọc có phụt vữa trong đất cát ở giai
đoạn gia tải ban đầu và gia tải lại [4]

3.3. Cơ chế của việc gia tăng khả năng chịu tải của cọc có phụt vữa
Cơ chế gia tăng sức chịu tải của cọc bằng phương pháp phụt vữa đã được tổng
qt theo Stocker và Troughton & Stocker như sau:

- Bê tơng ở chu vi của cọc bị nứt và đẩy ra vào vùng đất xung quanh tạo thành
cơ chế giằng vào đất, lấp đầy các khoảng trống ở vùng đất xung quanh.
- Việc gia tăng áp lực thành bên do việc gia tăng mật độ của đất vào vùng đất
tương tác xung quanh đã bị mềm trong q trình thi cơng.
- Trong đất dạng hạt, việc xi măng hóa các phân tử đất trong vùng tương tác có
thể xảy ra do việc thâm nhập của vữa vào trong các lỗ rỗng của đất.
- Việc phun vữa tạo ra màng nữa cứng xung quanh thành cọc với các điểm tập
trung tại khu vực gần lỗ phun vữa, tuy nhiên đường di chuyển của vữa có thể nhất một
khi vữa đã ra đến bề mặt của cọc là theo đường có sức kháng thấp nhất, đó chính là theo
đi thẳng lên theo bề mặt ngồi của cọc lên đến mặt đất.
- Áp suất của việc bơm vữa làm gia tăng ứng suất theo phương ngang và sức
kháng cắt của đất xung quanh thành cọc. Bên cạnh đó, việc gia tăng sức kháng cắt của
đất, mơ đun kháng cắt cũng gia tăng theo. Dẫn đến khi có lực tác dụng, biến dạng trượt
của đất sẽ nhỏ hơn. Vì vậy, trong trường hợp cọc đạt đến tải trọng giới hạn, ứng suất cắt
dọc thành cọc được phun vữa sẽ rất lớn. Trong phạm vi bán kính ảnh hưởng, ứng suất
cắt của cọc có phun vữa lớn hơn nhiều so với cọc thơng thường đỗ tại chỗ, nhưng biến
dạng trượt lại nhỏ hơn do mơ đun kháng cắt lớn hơn tại cùng bán kính. Do đó, hệ số ảnh
hưởng nhóm cọc có thể được giảm lại.

408

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC ĐỔ TẠI CHỖ
ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN VỮA THÀNH CỌC
4.1. Phương pháp tính sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền
Vùng đất sau khi phun vữa có các tính chất vẫn tn theo mơ hình MohrColumb. Cơng thức tính kháng đơn vị dọc thân cọc vẫn có thể áp dụng các cơng thức

tính sức kháng đơn vị thơng thường
(1)
Đối với cọc có phụt vữa, cường độ của đất được phụt vữa tùy thuộc vào tính chất
của vữa được sử dụng (hàm lượng nước/ xi măng, loại xi măng…) nhưng cũng còn tùy
thuộc vào các yếu tố khác. Trong đó phải kể đến như loại đất, độ chặt, thành phần cỡ
hạt... Đất càng rỗng, vữa càng dễ xâm nhập, sự cải thiện càng tăng.
Các thí nghiệm cho thấy, đất sau khi phụt vữa, lực dính cải thiện đáng kể, tuy
nhiên đối góc ma sát khơng thay đổi nhiều. Sự cải thiện góc ma sát chỉ xuất hiện đối với
đất sét pha hoặc cát hạt lớn. Cần tiến hành các thí nghiệm cho từng loại đất cụ thể để
xác định chính xác lực dính và góc ma sát sau phụt vữa.
1. C=0,0 kN/m2, φ= 390
Av.R.D. = 73%
2. C=172 kN/m2, φ= 400
Av.R.D. = 59%

Hình 3. Thí nghiệm nén 3 trục cho mẫu đất cát phụt vữa và khơng phụt vữa [8]
4.2. Phương pháp tính sức chịu tải theo thực nghiệm
4.2.1. Đối với đất sét
Sức kháng hơng được tính như sau:
fi=α x Cu

(2)

Trong đó
Cu= 5N (N: Chỉ số SPT);
Hệ số dính α=0.5, ứng với cọc thơng thường;
α=1, ứng với cọc phụt vữa.
4.2.2. Đối với đất cát
fi= β σ’v (Phương pháp β- Bruland -1973);
VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

(3)
409


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

β=Ks. tan
Giá trị của hệ số áp lực đất Ks dựa trên loại đất, lịch sử ứng suất của đất và
phương pháp thi cơng cọc. Đối với những cọc bình thường, giá trị sức kháng thành vào
khoảng 120 KN/m2. Đối với những cọc có phụt vữa thành cọc, giá trị sức kháng thành
vào khoảng 260 KN/m2.
Các kết quả thực nghiệm khác cũng cho thấy sức kháng hơng của cọc được phun
vữa cao gấp 2 đến 3 lần so với cọc khơng phụt vữa. Đặc biệt ở vùng cát hạt lớn có lẫn
sỏi, giá trị sức kháng hơng tăng đáng kể, có thể đạt đến hơn 400 KN/m2.
5. SO SÁNH, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THỬ TẢI GIỮA CỌC CĨ
PHỤT VỮA THÀNH VÀ CỌC BÌNH THƯỜNG TẠI KHU VỰC TP. HỒ CHÍ
MINH
Tại khu vực quận 7, Tp Hồ Chí Minh, nhà thầu Bauer đã thi cơng CTN-C3
(D2000-84.5m- có phụt vữa thành cọc - Chiều dài đoạn phụt vữa là 20.0 từ mũi cọc đi
lên) và cọc thí nghiệm CTN-C1 (D2000-80m-khơng phụt vữa). Kết quả so sánh sức
kháng hơng trung bình đo được giữa cọc phụt vữa CTN-C3 (-77,85 m đến -64,35 m) và
khơng phụt vữa CTN-C1 (-77,30 m đến -64,35 m) được thể hiện trong bảng dưới
Bảng 2. So sánh sức khánh hơng trung bình đo được giữa CTN-C1 và CTN-C3
CTN-C1 (Khơng phụt CTN-C3 (Có phụt vữa)
vữa)
Vùng xét

Địa
chất

Sức
Kháng
hơng
đơn vị

Sức
kháng hơng
đơn vị TB

Sức
kháng
hơng
đơn vị

Sức
kháng hơng
đơn vị TB

257 KN/m2

Hộp Ocell đến thiết bị đo dạng lớp 4

Thiết bị đo biến dạng lớp 4 đến lớp 3 Cát 204 KN/m2
262 KN/m2
chặt
217 KN/m2
2
2 147 KN/m
2

Thiết bị đo biến dạng lớp 3 đến lớp 2
84,7 KN/m
144 KN/m
Thiết bị đo biến dạng lớp 2 đến lớp 1

138 KN/m2

- Giá trị sức hơng được tối đa gia tăng rõ rệt ở cọc có phun vữa phụt thành, so
sánh giữa 2 cọc ở cùng độ sâu, cùng loại đất ta nhận thấy giá trị này lớn hơn khoảng
tăng 47% (~ 1,47 lần) và còn có thể phát triển lớn hơn vì sức kháng hơng Cọc C1 đã đạt
đến giá trị tối đa trong khi cọc C3 còn tiếp tục tăng lên nếu tiếp tục gia tải.
5.1. Mơ phỏng bằng phần mềm Plaxis và so sánh với kết quả thí nghiệm có được
Tiến hành mơ phỏng cọc C1 khơng phụt vữa so sánh với kết quả thí nghiệm hiện
trường cho độ lún và sức chịu tải tương đương, tiếp tục mơ phỏng cọc C*3 có cùng
đường kính, độ sâu và khơng phụt vữa và so sánh với kết quả của cọc C3 có phụt vữa ta
có kết quả sau:

410

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Bảng 3. Tổng hợp ứng suất dọc thân cọc giữa cọc có phụt vữa C3 và cọc khơng phụt
vữa mơ hình C*3
Cấp tải Giá trị Ứng suất tiếp bên trên hộp Ocell
Ứng suất tiếp bên dưới hộp Ocell
tải (Đoạn khơng phụt vữa cọc C3 và (Đoạn phụt vữa cọc C3 và khơng phụt
(MN)

C*3)
vữa C*3)
∼0,5WL  9,88
∼1WL  22,6
∼1,5WL  32,16
∼2WL  41,7
∼2,5WL  53,34
Max  
62,7

Cọc C*3 Cọc C3 % thay đổi
-27%
14,30
10,5
30,93
25,6
-17%
-15%
43,45
36,8
-11%
54,78
48,8
67,07
62,36
-7%
71,85
73,4
2%

Cọc C*3
37,13
72,60

Cọc C3
54,6
106,8

98,46
128,88
169,89
201,22

147,0
186,2
233,1
268,1

% thay đổi
47%
47%
49%
44%
37%
33%

Nhận xét: Trong cùng 1 cọc có đoạn phụt vữa và đoạn còn lại khơng phụt vữa
thì sức kháng hơng đơn vị của cọc C3 ở vùng phụt vữa được huy động nhanh hơn so với
đoạn khơng phụt vữa ở giai đoạn đầu của việc gia tải, điều này làm tăng tính an tồn
cho vùng khơng phụt vữa (Sức kháng đơn vị nhỏ hơn cọc thơng thường khi chịu cùng 1

cấp tải), khi tải tăng dần và hiệu quả của đoạn phụt vữa giảm đi thì sức kháng hơng đơn
vị của phần khơng có phụt vữa tăng dần giống cọc bình thường

Hình 4. Sự thay đổi sức kháng hơng giữa đoạn có phụt vữa và khơng phụt vữa
Bảng 4. Tổng hợp độ lún của cọc C3 & C*3 trong các trường hợp
Độ lún (mm)

Cấp tải

Tải trọng
(KN)

Khơng phụt vữa (C*3)

Có phụt vữa (C3)

% thay đổi

~1WL
~2,5WL
Max test

22.600
53.340
62.700

23,05
52
64

16,9
39.4
46

-27%
-24%
-28%

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

411


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Độ lún của cọc cũng cải thiện đáng kể đối với cọc có phụt vữa.
5.2. Kết quả thí nghiệm ở cơng trình Springlight City
Phân tích sự huy động sức kháng hơng đơn vị của cọc TP1- D2000-89m (khơng
phụt vữa và TP2-D2200- 93m (Có phụt vữa thành).

Hình 5. Sức kháng hơng đơn vị dọc thành cọc bên trên và bên dưới hộp Ocell- Ocell – cọc
TP1 được nén đến tải trọng 66,8 MN

Hình 6. Sức kháng hơng đơn vị dọc thành cọc bên trên và bên dưới hộp Ocell- Ocell – cọc
TP2 được nén đến tải trọng 107,2 MN
Nhận thấy ở cọc TP1, sức kháng hơng được huy động nhỏ hơn nhiều so với cọc
phụt vữa TP2 và đã đến giá trị phá hoại.
Bảng 5. So sánh sức kháng hơng đơn vị đo được ở giá trị nén lớn nhất của chu kỳ 1
Vùng xét
TP1

Thiết bị đo 1 đến 3
(-14,25 đến -32,58)
Thiết bị đo 3 đến 8
(-32,58 đến -57,77)
Thiết bị đo 8 đến 11
(-57,77 đến -83 m)

412

TP2
Thiết bị đo 1 đến 3
(-14,25 đến -31,72)
Thiết bị đo 3 đến 9
(-31,72 đến -61,24)
Thiết bị đo 9 đến 12
(-61,24 đến -82,87)

Loại đất

Sức kháng hơng TB
(KN/m2)
TP1
TP2

Hệ số

Cát mịn,
Sét pha cát
Sét &
Cát hạt mịn,

104,40

122,21 17%

Cát lẫn sỏi

140,96

504,39 258%

3,59

4,99

39%

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Từ kết quả thí nghiệm, nhận thấy hầu hết các vùng đất đều cải thiện sức kháng
hơng một cách đáng kể ở địa chất cát pha sét hoặc sét pha cát. Sự cải thiện còn có thể
tăng lên nếu tiếp tục gia tải cọc TP2. Ở phần mũi cọc ứng với địa chất cát lẫn sỏi, độ
rỗng lớn dẫn đến sức cải thiện đạt đến trên 200%.
6. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
6.1. Kết luận
• Cơng nghệ phụt vữa thành cọc đã được chứng minh qua những thí nghiệm trên
thế giới và tại Việt Nam mang lại những cải thiện đáng kể trong việc gia tăng sức chịu

tải cọc, giảm chiều sâu và rủi ro trong thi cơng cọc, sức kháng hơng được gia tăng từ
50% (1,5 lần) đối với địa chất cát pha, sét pha đến 200% (3 lần) đối với địa chất cát pha
sỏi. Các nghiên cứu đánh giá khác trên thế giới cho thấy hàm lượng cát u cầu tối thiểu
để việc phụt vữa thành phát huy tác dụng tối thiểu lớn hơn 10%.
• Độ lún của cọc giảm đi trên cùng cấp tải và ngược lại sức chịu tải của cọc tăng
lên nếu xét trên cùng 1 độ lún (Độ lún giảm khoảng 30% (1,3 lần), sức chịu tải cọc cũng
tăng lên xấp xỉ 27% (1,37 lần) tương tứng với chiều dài phụt vữa khoảng 25% tổng
chiều dài cọc trong địa chất đất cát pha sét ở cơng trình The Everich 2- Quận 7).
6.2. Kiến nghị
• Việc áp dụng phụt vữa thành cọc phải được tiến hành trên quy trình sát sao và
chặt chẽ để có thể đảm bảo các khâu được thực hiện đúng quy trình và đảm bảo về mặt
chất lượng, phát hiện các trường hợp bị nghẹt van phụt vữa hoặc kẹt packer để có biện
pháp phun bù ở các vị trí lân cận nhằm đảm bảo khả năng chịu tải của cọc.
• Thiết kế cọc với sự giả định về sự tăng cường sức chịu tải hơng sau khi phụt
vữa phải được kiểm chứng bằng việc thi cơng cọc thử để đảm bảo tính chính xác cho
từng loại đất và khu vực.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Châu Ngọc Ẩn: Nền móng, NXB Đại học quốc gia, 2011
2. Nguyễn Hữu Đẩu, Phan Hiệp: Phương pháp Obsterberg đánh giá sức chịu tải của cọc khoan
nhồi, Nhà xuất bản xây dựng 2004.
3. TCXD 10304: 2014 Móng cọc, tiêu chuẩn thiết kế.
4. B.D Little Child, G.D PlumBridge, M.W Fee, Ove Arup& Partner International: Shaft
Grouted pile in Sand and clay in Bangkok.
5. K.K.S Ho, K.S Li: Geotechnical Engineering: Meeting Society's Needs ,Volume 1.
6. Miller M., Potts V., Skinner H.: Improvingthe capacity of bored piles by shaft grouting.
7. Santhosh Kumar: A study on the engineering behavior of grouted loose sandy soils.
8. Reuben H. Karol:Chemical Grouting And Soil Stabilization, Revised And Expanded.

Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ
VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

413