Công nghệ phụt vữa thân cọc ở Việt Nam – Hiệu quả và quy trình thi công

Shaft grouting technique for piling in Vietnam – Effectiveness & construction process

Tóm tắt/Abstract

Hiện nay có nhiều biện pháp được áp dụng để tăng khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi, cọc barrette như thổi rửa mũi cọc, phụt vữa thân cọc, mở rộng mũi cọc bằng gàu khoan chuyên dụng,…Với địa chất đặc thù của một số khu vực ở Việt Nam, nơi lớp đá gốc và lớp cuội sỏi ở quá sâu, khả năng chịu tải của cọc phần lớn được tính dựa vào khả năng chịu tải của cọc ma sát. Khi công trình có tải trọng chân cột lớn, công nghệ phụt vữa thân cọc là biện pháp rất có hiệu quả nhằm cải thiện phương án móng về mặt kỹ thuật, giảm thiểu chi phí nhờ vào việc giảm khối lượng bê tông, thép và từ đó giảm lượng phát thải khí CO2 ra ngoài môi trường. Lần đầu tiên công nghệ phụt vữa thân cọc được áp dụng tại Việt Nam năm 2007 bởi công ty Bachy Soletanche Vietnam. Bài trong bản tin của Hội Cơ Học Đất và Địa Kỹ Thuật Công trình Việt Nam lần này sẽ tập trung trình bày về cách tính khả năng chịu tải của cọc ma sát sau khi phụt vữa thân cọc theo hệ số kinh nghiệm. Bài báo này cũng nêu tóm tắc quy trình thi công, quản lý chất lượng trong quá trình thi công của công tác phụt vữa đã được áp dụng thống nhất từ giai đoạn cọc thử đến giai đoạn cọc đại trà.
Various technologies, including toe grouting, shaft grouting, or underreaming (belling out) with dedicated belling tools, have been applied to increase the load capacity of bored piles and barrette piles. In Vietnam, where bedrock or soil layers with gravels are not identified during the soil investigation of some areas, the load capacity of piles is mainly calculated based on their bearing capacity by friction. As a result, shaft grouting has been found particularly effective in the cases of heavy column loads in terms of technical optimization, cost reduction, and carbon footprint minimization. In practice, the technology was introduced in Vietnam in 2007 by Bachy Soletanche Vietnam. The report in this newsletter from the Vietnamese Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (VSSMGE) details the calculating process for the bearing capacity of piles by friction after shaft grouting based on empirical coefficients. It also summarizes the construction process and quality control of grouting work which have been strictly adhered from test pile stage to mass pile stage.

Lịch sử phát triển công nghệ phụt vữa thân cọc

Cọc phụt vữa thân cọc đã được các tác giả đề cập rộng rãi trong nhiều bài báo. Công nghệ này lần đầu tiên được đề cập đến trong một bài báo do Gouvenot & Gabaix (1975) xuất bản, trong đó phân tích 06 cọc thử phụt vữa có đường kính 508 mm được thi công trong đất cát và đất sét. Kết quả phân tích cho thấy ma sát đơn vị của cọc phụt vữa tăng 2,5 lần so với cọc không phụt vữa. Sự gia tăng này được chứng minh bởi Stocker (1983), đã kết luận rằng việc phụt vữa tạo ra lực ma sát tăng từ 1,5 đến 3 lần so với cọc không phụt vữa được thi công trong cả đất sét và đất cát. Một sự cải thiện đáng kể khác về sức kháng ma sát đã được Lui & Cộng sự (1993) quan sát thấy sau khi phân tích ứng xử của 03 cọc thử khoan trong lớp đá granit phân hủy hoàn toàn ở Hồng Kông. Sau đó, Troughton & Stocker (1996) nhận thấy rằng sự kết hợp giữa phụt vữa mũi cọc và thân cọc tạo ra khả năng chịu tải cho cọc tăng thêm 100%. Những phát hiện này đã được chứng minh trong nghiên cứu của Littlechild & Cộng sự (1998), trong đó tác giả đã mô tả sự gia tăng gấp đôi giá trị ma sát đối với cọc có phụt vữa so với cọc không phụt vữa được thi công trong cả đất cát và đất sét ở Bangkok. Cuối cùng, theo kết quả thu được từ 05 cọc thử được thực hiện tại dự án Kowloon-Canton Railway Corporation, Hồng Kông, Plumbridge & Cộng sự (2000) đã ghi nhận rằng có thể đạt được khả năng tăng cường gấp ba lần về khả năng ma sát của móng sâu khi phụt vữa cọc.
Tại Việt Nam, tác giả Phan Văn Khánh & Phạm Quốc Dũng (2013) đã trình bày tóm tắt phương pháp thi công và các kết quả thí nghiệm cọc thi công tại Thành phố Hồ Chí Minh. Tác giả đã đề xuất hệ số tính ma sát đơn vị của cọc khoan nhồi theo kinh nghiệm sau khi phụt vữa trong đất cát và đất sét dựa theo giá trị Nspt (8.0 * Nspt) và giá trị ma sát đơn vị giới hạn cho mỗi loại đất (240 kN/m2 đối với đất sét và 300 kN/m2 đối với đất cát). Một nghiên cứu tương tự của T.D. Nguyen & Cộng sự (2019), dựa trên các kết quả thử tải trọng tĩnh thông thường và các thử nghiệm bằng kích thủy lực hai chiều trên 14 cọc khoan nhồi, cọc barrette phụt vữa và không phụt vữa có đặt thiết bị đo ma sát. Bất kể loại dung dịch giữ thành bentonite hay polymer, ma sát đơn vị của các cọc được phụt vữa xấp xỉ bằng hai lần so với ma sát đơn vị của cọc không phụt vữa.

Cơ chế làm việc giúp gia tăng sức chịu tải

Các cơ chế để gia tăng sức chịu tải của cọc bằng phương pháp phụt vữa được tóm tắt bởi Stocker (1983) và Troughton & Stocker (1994) như sau:
• Vữa từ ống phụt vữa đi ra ngoài cọc bằng cách phá vỡ lớp bê tông bảo vệ ở chu vi cọc và vữa được đẩy ra ngoài vào đất nền xung quanh và lớp vữa sẽ bao quanh thân cọc, tiếp xúc với đất.
• Gia tăng áp lực thành bên do tăng độ chặt của đất cục bộ ở xung quanh bề mặt thân cọc, trước đó đã bị làm mềm và làm rời rạc trong quá trình khoan cọc.
• Trong đất rời, các hạt đất bị xi măng hóa xung quanh thân cọc do vữa xâm nhập vào trong lỗ rỗng của đất.
• Lỗ rỗng, vết nứt, hoặc hang đất có thể được lấp đầy bởi vữa giúp cải thiện tiếp xúc giữa thân cọc và đất xung quanh.

Hiệu quả của việc áp dụng công nghệ phụt vữa (tăng ma sát)

Các cọc thí nghiệm có gắn thiết bị đo ma sát thân cọc đã được thực hiện ở nhiều công trình khác nhau để tìm hiểu tính hiệu quả của việc áp dụng công nghệ phụt vữa thân cọc, kết quả đo ma sát đơn vị thân cọc trong cả đất cát và đất sét của các cọc thử phụt vữa và không phụt vữa đến tải trọng phá hoại đã được ghi nhận trong các báo cáo kết quả thí nghiệm, được quy đổi sang hệ số tỉ lệ theo giá trị Nspt và hệ số này được thể hiện trong biểu đồ như Hình 1.

Với kết quả tổng hợp ở hình bên trên, hệ số 8.0*Nspt (đơn vị tính là kN/m2) được đề xuất để tính ma sát đơn vị cho cả đất cát và đất sét trong trường hợp áp dụng công nghệ phụt vữa và giá trị này tăng khoảng 2 lần so với giá trị ma sát đơn vị của cọc không phụt vữa.
Để không dự đoán khả năng chịu tải của cọc quá mức đối với cọc phụt vữa, các giá trị khống chế sau đây được tham khảo (có tham khảo theo các số liệu đề xuất của các tác giả như thể hiện trong Bảng 1: đối với đất cát: 300 kN/m2; đối với đất sét: 240 kN/m2.

Bảng 1: Số liệu tham khảo

Kết quả thực tế của giá trị ma sát đơn vị thân cọc của công trình phải được thí nghiệm thử tải tĩnh hiện trường theo số lượng quy định trong tiêu chuẩn hiện hành (TCVN 9393: 2012).

Quy trình phụt vữa

Để thực hiện công tác phụt vữa thân cọc barrette hoặc cọc khoan nhồi, các công tác sau đây cần phải thực hiện đầy đủ:
• Gia công và lắp đặt ống phụt vữa: Ống phụt vữa được gia công từ ống thép có đường kính 42mm hoặc 49mm, dày 1.4mm. Ống thép được khoan 2 lỗ, đường kính 4mm như Hình 2, bọc bên ngoài bởi ống cao su và dán cố định tạm thời bằng băng keo mềm tạo thành các manchette (lỗ phụt). Theo chiều dài ống thép, các manchette được bố trí cách nhau 1m. Các manchette có tác dụng như các van 1 chiều, chỉ cho phép vữa bên trong ống đi ra ngoài và không cho vữa đi ngược lại từ bên ngoài vào trong ống. Các ống phụt vữa này được lắp đặt vào bên ngoài lồng thép trong gian đoạn gia công lồng thép sao cho vị trí lỗ phụt hướng ra ngoài phía đất (Hinh 3). Số lượng ống phụt cho mỗi cọc phụ thuộc vào kính thước tiết diện ngang của cọc barrette hoặc đường kính cọc khoan nhồi.

• Phá nước: Phá nước là công tác sử dụng nước áp lực cao để phá vỡ lớp bê tông bảo vệ bên ngoài ống phụt vữa, tạo đường dẫn cho vữa đi ra ngoài đất. Trong vòng 24 giờ kể từ lúc đổ bê tông cọc xong, công tác phá nước phải được tiến hành.
• Phụt vữa: Công tác này bắt đầu sau khi hoàn thành việc đổ bê tông cọc ít nhất 05 ngày theo trình tự từ manchette dưới cùng lên manchette trên cùng của vùng phụt vữa. Khối lượng vữa phụt lý thuyết ở mỗi manchette được tính toán dựa trên thể tích là 35 lít cho mỗi mét vuông diện tích thân cọc cần phụt với áp lực phụt được giới hạn ở 4Mpa (40bars). Tất cả số liệu, bao gồm áp suất, lưu lượng, thể tích, độ sâu, thời gian phụt vữa, v.v., được ghi lại bởi hệ thống phần mềm tự động Sinus3E như mô tả trong Hình 4. Có 3 chỉ tiêu dừng bơm vữa như sau:
– Khi đạt thể tích lớn nhất.
– Khi đạt giá trị áp lực giới hạn.
– Sự trào vữa trên mặt đất được phát hiện.
Trong trường hợp sự trào vữa được phát hiện, thông thường có 2 nguyên nhân chính: Lượng vữa bơm ra quá nhiều so với khả năng hấp thụ của đất nền (trường hợp tốt) hoặc thiết bị bị hư hỏng. Trong trường hợp hư hỏng thiết bị, các công tác sau được tiến hành:
• Kiểm tra máy bơm để tìm nguyên nhân vữa trào;
• Rút thiết bị lên và vệ sinh ống.

Cường độ và cấp phối vữa phụt

Cường độ vữa phụt được quy định tối thiểu là 20 Mpa ở 28 ngày tuổi. Yêu cầu về tỷ trọng của vữa phụt là không nhỏ hơn 1.65 kg/lít và độ nhớt không lớn hơn 40 giây (đối với côn thử độ nhớt loại 1500/946 ml). Cấp phối điển hình cho 100 lít vữa phụt được thể hiện trong Bảng 2.

Bảng 2: Cấp phối vữa phụt

Các công trình điển hình đã áp dụng công nghệ phụt vữa

Bảng 3 thể hiện danh sách các công trình điển hình đã áp dụng công nghệ phụt vữa tại Việt Nam được thi công bởi công ty Bachy Soletanche Vietnam.

Kết luận

Công nghệ phụt vữa thân cọc đã được áp dụng rộng rãi cho nhiều công trình nhà cao tầng và siêu cao tầng ở Việt Nam nhằm giúp:
• Tăng sức kháng ma sát của cọc cho cả trong đất sét và đất cát lên khoảng 2 lần so với ma sát thân cọc không phụt vữa. Kết luận này phù hợp với nhiều tác giả đã nghiên cứu thể hiện trong các bài báo cáo khác nhau.
• Có thêm một giải pháp tốt cho đơn vị Tư vấn thiết kế và Chủ đầu tư so sánh và chọn lựa giải pháp tốt nhất cho công trình.

Bảng 3: Danh sách các công trình điển hình áp dụng công nghệ phụt vữa

Phạm Quốc Dũng

Công ty Bachy Soletanche Vietnam.

E-mail: [email protected]

Bùi Trương Nghĩa

Công ty Bachy Soletanche Vietnam.

E-mail: truong.nghia.bui@soletanche-bachy.com

Trong lễ kỷ niệm 40 năm thành lập Tổng hội Xây dựng Việt Nam, 2 đề tài nghiên cứu ứng dụng của Hội CHĐ & ĐKTCT VN được tặng bằng khen: 1) Nghiên cứu và vận hành công nghệ thi công hầm bằng máy TBM (xem bài trang 73), và 2) Nghiên cứu áp dụng công nghệ phụt vữa thân cọc tại Việt Nam (xem trong bài viết này.

Tài liệu tham khảo

Gouvenot, D and Gabaix, J. (1975) “A new foundation technique using piles sealed
by cement grout under high pressure”, Proceedings Offshore Technology, Otc 2310.
Stocker.M. (1983), “The influence of post-grouting on the load-bearing capacity of piles”, Eight European Conferences on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 167-170.
Troughton, V & Stocker, M. (1996) “Base and shaft grouted piles”, Proceedings of Institution of Civil Engineers, Geotechnical Engineering 119, 186-192.
Lui et al (1993) “Pressure grouted minipiles for a 12-storey residential building at the mid-levels scheduled area in Hong Kong”, Proceedings Second International Conference on Soft Soil Engineering, 419-424.
Littlechid et al (1998) “Shaft grouted piles in sand and clay in Bangkok”, Deep Foundations International Conference 1998, 171-178.
Plumbridge et al (2000) “Full-scale shaft grouted piles and barrettes in Hong Kong”, Geo-Denver 2000, 33-45.
Phan Van Khanh & Pham Quoc Dung (2013) “Analysis of load bearing capacity of shaft grouted barrettes based on experiential coefficients and its effects on piling design in Vietnam” Advances in Geotechnical Infrastructure, 18th Southeast Asian Geotechnical Conference cum Inaugural AGSSEA Conference, 865-872.
Nguyen, T.D. et al (2019) “Shaft resistance of shaft-grouted bored piles and barrettes recently constructed in Ho Chi Minh City”, Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA, 155-162.