Phương pháp gia cố nền đất cát bằng công nghệ sinh học

Gia cố nền là một trong những nhiệm vụ chính quan trọng trong xây dựng công trình. Hiện nay có nhiều biên pháp gia cố nền khác nhau, phù hợp cho từng loại điều kiện địa chất công trình khác nhau, ví dụ như gia tải trước, giếng cố kết, khoan phụt, phương pháp trộn vôi, phương pháp dùng cọc khoan nhồi. Bài viết Phương pháp gia cố nền đất cát bằng công nghệ sinh học đưa ra đánh giá tổng quan về các kết quả chính đã đạt được của các nhóm nghiên cứu trên thế giới trong hướng đi này.

PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT CÁT BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Phạm Phú Vinh

Trường Đại học Thủy lợi, email: phamphuvinh@tlu.edu.vn

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Gia cố nền là một trong những nhiệm vụ

chính quan trọng trong xây dựng công trình

Hiện nay có nhiều biên pháp gia cố nền khác

nhau, phù hợp cho từng loại điều kiện địa

chất công trình khác nhau, ví dụ như gia tải

trước, giếng cố kết, khoan phụt, phương pháp

trộn vôi, phương pháp dùng cọc khoan nhồi

Bên cạnh các phương pháp gia cố nền phổ

biến này, hiện nay đã có một xu hướng mới

là mô phỏng các quá trình tạo vôi hóa nhờ vi

khuẩn trong tự nhiên để gia cố nền Có nhiều

nhóm vi khuẩn khác nhau có thể làm được

việc này với nguyên lý chung là tạo carbon

vô cơ từ quá trình trao đổi chất của chúng,

quá trình này đồng thời tang độ kiềm của môi

trường trong đất, từ đó khi có ion canxi trong

nước ngầm thì sẽ kết tủa CaCO3 với gốc

carbon vô cơ Hướng nghiên cứu này hiện

nay đã đạt được một số thành tựu đáng kể

trên thế giới, từng bước được nghiên cứu cụ

thể hóa để có thể áp dụng được vào thực tế

sản xuất Bài bào này sẽ đưa ra đánh giá tổng

quan về các kết quả chính đã đạt được của

các nhóm nghiên cứu trên thế giới trong

hướng đi này

2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG

PHÁP GIA CỐ NỀN DÙNG VI KHUẨN

Sử dụng vi khuẩn để tạo vôi hóa trong đất,

MICP, đã thu hút được nhiều sự quan tâm và

đầu tư nghiên cứu của nhiều nhóm nghiên

cứu khác nhau trên thế giới trong thời gian

gần đây Có nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau

có thể làm được việc này, bao gồm các nhóm

vi khuẩn có khả năng quang hợp, nhóm vi khuẩn khử ni-tơ, nhóm vi khuẩn thủy phân ure, nhóm vi khuẩn cố định đạm, nhóm vi khuẩn khử sul-phat, và nhóm vi khuẩn oxy hóa methane (Zhu et al., 2016) Nguyên lý chung của phương pháp này là lợi dụng quá trính trao đổi chất của vi khuẩn, tạo ra gốc carbonate và tăng độ kiềm của môi trường, sau đó cung câp ion canxi dưới dạng một muối hòa tan để tạo kết tủa canxi c arbonate CaCO3 Các kết tủa CaCO3 sẽ bám vào các hạt cát, có tác dụng kết dính các hạt cát rời lại với nhau, từ đó gia tang cường độ cho nền cát của công trình Hiện nay các nghiên cứu tập trung vào nhóm vi khuẩn thủy phân ure và nhóm vi khuẩn khử ni-tơ và đã đạt được các kết quả đáng kể

3 PHƯƠNG PHÁP TẠO KẾT TỦA ĐÁ VÔI (MICP) DÙNG VI KHUẨN THỦY PHÂN URE

Đối với nhóm vi khuẩn thủy phân ure, phương pháp này đã được nghiên cứu thí nghiệm trong phòng thành công Các kết quả đạt được đều cho thấy c ường độ của đất loại cát được tang lên nhiều lần, cát rời được vôi hóa thành khối cứng với cường độ lên tới vài MPa Thí nghiệm hiện trường thử nghiệm công nghệ MICP với vi khuẩn thủy phân ure

đã được tiến hành với mục đích gia cố lớp trầm tích cuội sỏi để có thể khoan đặt đường ống mà không cần phải đào mở đường dẫn (van Paassen, 2011) Ban đầu phương pháp được thử nghiệm cho một thùng cuội sỏi 3m3,

và ống khoan dẫn được khoan thành công qua lớp cuội sỏi dày, sau khi rút ống khoan

dẫn ra thì hố khoan vẫn giữ được sự ổn định

theo yêu cầu (Hình 1a) Tại hiện trường

phương pháp này đã được thi công thành

công, đường ống được khoan dẫn xuyên qua

tầng cuội sỏi theo thiết kề (Hình 1b)

Hình 1 Thí nghiệm hiện trường

dùng phương pháp MICP với

vi khuẩn thủy phân ure

Hiện nay phương pháp MICP dùng vi

khuẩn thủy phân ure được nghiên cứu không

chỉ cho mục đích cải tạo nền cát mà còn c ho

nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm các ứng

dụng như kiểm soát xói, khống c hế bụi c ông

trường, quản lý thấm trong nền, khống c hế

hiện tượng cát chảy với tính khả thi cao

(Dejong et al., 2013) Mặc dù vậy, phương

pháp này có một số hạn chế nên chưa được

đưa vào ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản

xuất Hạn chế chính của phương pháp là việc

nuôi tách vi khuẩn thủy phân ure khá phức

tạp và tốn kém, bên cạnh đó phương pháp

này để lại lượng lớn ammonium chloride

NH4Cl trong đất cân phải được được xử lý

4 PHƯƠNG PHÁP TẠO KẾT TỦA ĐÁ VÔI KẾT HỢP GIẢM ĐỘ BÃO HÒA CỦA ĐẤT (MIDP) DÙNG VI KHUẨN KHỬ NI-TƠ

Đối với nhóm vi khuẩn khử ni-tơ, bên cạnh tác dụng tạo vôi hóa để tang cường độ của đất, gốc ni-trat được khử thành khí ni-tơ

N2 và làm xuất hiện pha khí trong đất, do đó đất bão hòa hoàn toàn sẽ trở thành đất không bão hòa Với tính chất này, phương pháp MIDP sử dụng vi khuẩn khử ni-tơ ngoài việc

có thể làm tang cường độ đất nhờ vào kết quả vôi hóa, có thể đồng thời khống chế hiện tượng cát chảy nhờ vào pha khí mới sinh ra Một nền cát bão hòa hoàn toàn, chỉ c ần giảm

độ bão hòa nước từ 100% xuống 95% là đã giảm được đáng kể nguy c ơ mất ổn định do hiện tượng cát chảy Bên cạnh đó, khi gốc ni-trat được khử hoàn toàn thành N2 thì phản ứng không để lại các chất dư có hại c ho môi trường Đây là ưu điểm của phương pháp MIDP so với phương pháp MICP dùng vi khuẩn thủy phân ure

Hình 2 Mức độ suy giảm độ bão hòa nước

và độ thấm thủy lực qua các lần xử lý (Hình lấy từ (Pham et al., 2018b)

Thí nghiệm trong phòng trên cát rời dùng phương pháp MIDP với vi khuẩn khử ni-tơ cho thấy chỉ cần qua 1 lần xử lý trong vài ngày, độ bão hòa của đất cát đã được giảm từ 100% xuống trong khoảng 80% - 85% tương ứng với hàm lượng pha khí chiếm 15% - 20% thể tích lỗ rỗng (Pham et al., 2018a) Thí nghiệm xử lý mẫu nhiều lần cho thấy một phần pha khí này có thể tồn tại rất ổn định trong mẫu (Hình 2) Kết hợp tác dụng của

Mức độ thay đổi độ bão hòa nước

(a)

(b)

pha khí và sự phát triển của vi khuẩn tạo nên

các màng biofilm đã làm suy giảm đáng kể

độ thấm thủy lực của mẫu cát Cũng trong thí

nghiệm trên, hàm lượng CaCO3 tạo ra trong

mẫu được xác định ở mức trung bình khoảng

0.54% Dựa vào tốc độ suy giảm độ bão hòa

nước, tốc độ vôi hóa được xác định là 0.26 %

khối lượng/ngày, hiệu quả gần bằng với

phương pháp MICP

Kết quả này cho thấy phương pháp này

hoàn toàn khả thi cho ứng dụng kiểm soát

hiện tượng cát chảy giữ ổn định công trình

trên nền cát Thí nghiệm với tải trong động

trên bàn rung bởi He et al (2013) đã xác nhận

điều này Để có thể kiểm soát được pha khí

tạo ra bởi phương pháp MIDP, các yếu tố

trạng thái của mẫu đất, cụ thể ở đây là điều

kiện áp suất, bên cạnh đó là nhiệt độ, cùng với

thông số kĩ thuật của phương pháp là lượng

muối ni-trat dùng để tạo ra khí N2 là các thông

số quyết định cần phải được xét đến

5 KẾT LUẬN

Các nghiên cứu và các kết quả đã đạt được

cho thấy các phương pháp cải tạo nền cát

dùng vi khuẩn c ó thể cho kết quả khả quan

Phương pháp MIDP dùng vi khuẩn khử ni-tơ

có thể làm thay đổi ứng xử cơ học – thủy lực

của mẫu đất Phương pháp này đồng thời tạo

vôi hóa và sản sinh ra pha khí trong mẫu nên

có thể trở thành một phương phá gia cố nền

cát hiệu quả Các thông số kĩ thuật của

phương pháp, bao gồm hàm lượng muối dùng

để nuôi vi khuẩn và số lần xử lý cũng như

các thông số trạng thái của mẫu, bao gồm giá

trị áp lực nước lỗ rỗng và nhiệt độ, cần phải

được xem xét nghiên cứu toàn diện để có thể

hoàn thiện phương pháp và ứng dụng vào

thực tế sản xuất

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dejong, J T., Soga, K., Kavazanjian, E., Burns, S., Van Paassen, L A., Qabany, A A., Aydilek, A., Bang, S S., Burbank, M., Caslake, L F., Chen, C Y., Cheng, X., Chu, J., Jefferis, S., Kuo, M., Laloui, L., Larrahondo, J., Manning, D a C., Martinez, B., Montoya, B M., Nelson, D C., Palomino, A., Renforth, P., Santamarina, J C., Seagren, E A., Tanyu, B., Tsesarsky, M & Weaver, T 2013 Biogeochemical process and geotechnical applications: progress, opportunities and

challenges Geotechnique, 63(4)

[2] Pham, V P., Van Der Star, W R L & Van Paassen, A L 2018a Quantifying the desaturation effect of biogenic gas

formation in sandy soil UNSAT2018 The

Unsaturated Soils Hong Kong

[3] Pham, V P., Van Paassen, L A., Van Der Star, W R L & Heimovaara, T J 2018b Evaluating Strategies to Improve Proces s Efficiency of Denitrification-Based MICP

144(8),doi:10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001909

[4] Van Paassen, L A 2011 Bio-mediated ground improvement: From laboratory

experiment to pilot applications Geo-Frontiers 2011: Advances in Geotechnical Engineering Dallas, Texas, United States:

American Society of Civil Engineers [5] Zhu, T & Dittrich, M 2016 Carbonate Precipitation through Microbial Activities

in Natural Environment, and Their Potential

in Biotechnology: A Review Frontiers in Bioengineering and Biotechnology,

4(10.3389/fbioe.2016.00004