Phương pháp trộn sâu xu măng áp dụng cho đất sét yếu ở châu thổ sông mekong

Hai phương pháp trộn sâu DM cải tiến đã được áp dụng để gia cố nền đất sét yếu trầm tích tại công trường một cách hiệu quả và tiết kiệm.. Kỹ thuật này đã được sử dụng rộng rãi tại Nhật B

MỤC LỤC

TÓM LƯỢC 2

1. GIỚI THIỆU 2

2. MỤC ĐÍCH THI CÔNG DM ĐỐI VỚI DỰ ÁN 3

3. KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT 4

4. TRỘN THỬ TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 6

5 NHỮNG ĐẶC TRƯNG CỦA PHƯƠNG PHÁP DM SỬ DỤNG CHO DỰ ÁN 8

6. THI CÔNG THỬ TẠI HIỆN TRƯỜNG 10

7. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 12

8. CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA CỘT ĐẤT GIA CỐ 13

9. TỔNG KẾT 13

TRÍCH DẪN 14

PHƯƠNG PHÁP TRỘN SÂU XI MĂNG ÁP DỤNG CHO ĐẤT SÉT YẾU

Ở CHÂU THỔ SÔNG MEKONG

Suzuki, K., Usui, H và Saisa,T

Tập đoàn Toa, Tokyo, Nhật Bản

Kojima, A

Tập đoàn Dịch Vụ Điện Lực Tokyo, LTD, Tokyo, Nhật Bản

Nozu, M

Tập đoàn Fudo Tetra, Tokyo, Nhật Bản

Nguyen, H T

Tư vấn kỹ thuật cảng và đường thủy, Hà Nội, Việt Nam

TÓM LƯỢC: Bài báo báo cáo về lần đầu tiên thi công trộn sâu xi măng bằng “phương pháp ướt”

được thực hiện với khối lượng lớn tại Việt Nam Công trình được đặt tại trung tâm châu thổ sông Mekong, nơi đây nền đất bị bao phủ rộng bởi đất sét yếu Hai phương pháp trộn sâu (DM) cải tiến

đã được áp dụng để gia cố nền đất sét yếu trầm tích tại công trường một cách hiệu quả và tiết kiệm Công tác thi công gia cố bắt đầu từ ngày 15 tháng 6 năm 2006 và kết thúc vào ngày 27 tháng 1 năm 2007 Phải khẳng định rằng những yêu cầu về đặc tính đất gia cố và hiệu suất của hệ thống gia

cố DM đều đã đạt được

Từ khóa: Trộn sâu, Đất sét yếu, Gia cố đất

1 GIỚI THIỆU

Phương pháp trộn sâu (DM) là một kỹ thuật hiệu quả để gia cố nền đất yếu, trong đó tính ổn định, cố kết và hóa lỏng là những vấn đề chính cần quan tâm tại công trường Kỹ thuật này đã được sử dụng rộng rãi tại Nhật Bản hàng thập kỷ qua để ổn định đất sét yếu, cát rời và tổng thể tích đất gia cố đã vượt hơn 50 triệu mét khối tính đến thời điểm năm 2004 [1]

Bài báo này mô tả ứng dụng của phương pháp DM cho dự án nhà máy nhiệt điện đang thực hiện ở ngoại ô thành phố Cần Thơ, Việt Nam Dự án được nằm tại trung tâm châu thổ sông Mekong, nơi gần như bị bao phủ hoàn toàn bởi sét trầm tích Tổng thể tích của đất gia cố bằng phương pháp DM tại dự án này xấp xỉ 270,000 m3 Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam mà phương pháp DM được sử dụng khối lượng lớn để gia cố đất yếu

Hai phương pháp DM cải tiến được sử dụng nhằm giúp cho công tác gia cố hoạt động hiệu quả và tiết kiệm Cả hai phương pháp đều được phân loại vào “phương pháp ướt”, sử dụng chất dính kết dạng vữa xi măng Phương pháp đầu tiên được sử dụng cho dự án là

Contrivance-Innovation Clay Mixing Consolidation (CI – CMC) với hai trục trộn Số lượng trục trộn trong phương pháp CI – CMC và phương pháp thông thường là như nhau Tuy nhiên, phương pháp CI – CMC kết hợp với một số kỹ thuật mới giúp cho phương pháp này có thể sử dụng lưỡi trộn lớn hơn

so với phương pháp DM thông thường Phương pháp còn lại là CDM-Land 4, phương pháp này sử dụng 4 trục trộn Số lượng trục trộn cho phép tạo cột đất gia cố có mặt cắt ngang lớn hơn so với phương pháp thông thường chỉ có hai trục trộn

Bài báo này trình bày sơ bộ về công tác gia cố đất bằng phương pháp DM trong dự án Hình

1 mô tả mặt bằng nhà máy điện Trước mặt công trình là sông Hậu, có cầu cảng bóc và dỡ hàng hóa cho nhà máy điện Phương pháp DM đã được áp dụng để gia cố đất yếu trong 5 khu vực như trong Hình 2

2 MỤC ĐÍCH THI CÔNG DM ĐỐI VỚI DỰ ÁN

Mặt cắt ngang của 5 khu vực cần gia cố, cách bố trí cột đất, cường độ thiết kế yêu cầu và tỉ

lệ gia cố quy định trong hợp đồng đều được thể hiện trên Hình 2 Thể tích đất gia cố và số lượng cột đất cũng được liệt kê cho từng mặt cắt ở Hình 2 Mục đích của việc gia cố đất ở khu vực Revetment (bờ kè) là 1) bảo vệ ven bờ 2) cung cấp điểm tựa vững chắc cho tường cọc bản Các khu vực còn lại, mục đích là 1) đạt được ổn định của mái dốc sau khi đào 2) giảm thiểu tối đa lún cho đất nền Đất ở trong khu dự kiến đào mái dốc nếu không được quy định thi công gia cố cũng

đã được thêm một lượng nhỏ vữa xi măng Mục đích của việc này là nhằm nâng cao khả năng di chuyển của máy đào và để thuận tiện cho việc vận chuyển đất đào bằng xe ben

Hình 1 Sơ đồ nhà máy điện và các khu vực sử dụng phương pháp DM

Hình 2 Mặt cắt ngang các khu vực gia cố

3 KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT

Để nghiên cứu điều kiện địa chất bên dưới dự án, 35 thí nghiệm CPTu và 5 hố khoan được chuẩn bị Toàn bộ công trình được phủ bởi một lớp đắp, ngoại trừ khu vực Discharge Open Channel (kênh xả thải mở) Lớp cát này được đắp khoảng 6 năm về trước và có bề dày trung bình 2 m

Hình 3 cho thấy điều kiện địa chất điển hình thu được từ một hố khoan trong khu vực Discharge Tunnel (ống xả) Bề mặt của nền đất tự nhiên bao phủ bởi một lớp đất sét cứng Bên dưới độ sâu 4.2 m là một lớp trầm tích đất sét yếu, đây là lớp cần gia cố DM Độ ẩm tự nhiên từ

35 đến 75% Những giá trị pH đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2976 cho thấy ở mặt trên lớp đất sét

yếu có tính acid yếu, và mặt dưới có tính kiềm nhẹ Hàm lượng chất hữu cơ được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 2976 ( trong điều kiện 440 độ C) ít hơn 5% Sức kháng mũi qT tăng khoảng 0.5 MPa, và tăng nhẹ theo độ sâu (đã được hiệu chỉnh áp lực lỗ rỗng trong quá trình xuyên)

Hình 3 Hồ sơ địa chất tiêu biểu tại công trình

Một ví dụ về xác định các lớp đất bên dưới từ dữ liệu CPTu cho khu vực Discharge Tunnel (ống xả) được trình bày trong Hình 4 Như có thể thấy trong hình, dễ dàng để nhận biết ranh giới giữa các lớp đất bằng dữ liệu CPTu Độ dày lớp đất sét yếu của các khu vực khác từ dao động 11 đến 20 m

Hình 4 Hồ sơ tầng đất khu vực Discharge Tunnel (ống xả) xác định từ dữ liệu CPTu

Sức chống cắt không thoát nước nguyên trạng suf của trầm tích đất sét yếu được khảo sát bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trường (FVT) và thí nghiệm cắt trực tiếp (DST) Thiết bị thí nghiệm sử dụng cho DST là loại của Mikasa ( Takada [2]) Sử dung bộ lấy mẫu piston tĩnh thành mỏng để đảm bảo lấy mẫu nguyên dạng Mẫu được lấy bên trong khu vực Revetment

(bờ kè) Trong thí nghiệm DST, đầu tiên,mẫu thử được cố kết vượt qua ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân trong nền đất, cho đến khi đạt được cố kết sơ cấp, sau đó, được cắt với tốc

độ biến dạng 0.25mm/phút trong điều kiện thể tích không đổi tương đương với cắt không thoát nước Quá trình này gọi là phương pháp nén lại (Jamiolkowski và cộng sự ) Kích thước mẫu cho DST có đường kính 6 cm và chiều cao là 2cm Sức chống cắt không thoát nước dùng để phân tích ổn định là 0.85suf(d) (Hazawa [4]), trong đó suf(d) là suf được xác định bởi các quá trình

đã được đề cập ở trên của DST, và 0.85 là hệ số hiệu chỉnh hiệu suất cho sức chống cắt Hình 5 trình bày dữ liệu sức chống cắt không thoát nước của đất sét yếu trầm tích thu được từ thí nghiệm FVT và DST cùng với kết quả su tính từ CPTu bằng cách lấy qT-vo chia cho NKT=12, trong đó vo ứng suất tổng do trọng lượng bản thân,NKT là hệ số mũi xuyên của thí nghiệm CPTu Giá trị sức chống cắt không thoát nước của FVT tăng khá nhanh khi xuống sâu hơn, cho thấy khu vực này có vẻ như chứa nhiều cát

Hình 5 Sức chống cắt không thoát nước của lớp đất sét yếu tại khu vực Revetment ( bờ kè)

4 TRỘN THỬ TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

Đất sét yếu được lấy mẫu để tiến hành trộn thử trong phòng thí nghiệm, từ đó có thể xác định được mối tương quan giữa hàm lượng xi măng và cường độ chịu nén Mối tương quan này

là cơ sở để quyết định hàm lượng xi măng áp dụng vào hiện trường để cột đất sau khi trộn đạt cường độ theo yêu cầu Đất sét trộn với vữa xi măng được thực hiện theo quy trình chuẩn Nhật Bản [5] Tỉ lệ nước – xi măng của vữa là 100% Tỉ lệ này được áp dụng cho toàn bộ công tác trộn trong phòng thí nghiệm và đất thực tế cần gia cố ngoài công trình

Xi măng Porland sản xuất bởi ba công ty địa phương được sử dụng cho công tác trộn Khi trộn thử trong phòng thí nghiệm, xi măng từ một công ty địa phương cho hiệu quả tốt hơn hai công ty còn lại Tuy nhiên, khi trộn thử ngoài hiện trường( sẽ được mô tả ở phần sau), không tìm được sự khác biệt đáng kể giữa xi măng được sản xuất từ các nhà máy khác nhau

Đất trộn xi măng được đổ đầy những khuôn mẫu bằng nhựa để làm mẫu thử cho thí nghiệm nén nở hông Kích thước mẫu trong thí nghiệm có đường kính 5cm và chiều cao 10cm Mẫu thí nghiệm được dưỡng hộ trong điều kiện ẩm từ 7 đến 28 ngày, ngoài ra, có thêm một số mẫu dưỡng hộ đến 91 ngày Cường độ nén của đất trộn được xác định bằng thí nghiệm nén không

nở hông (ASTM D 2166, phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho cường độ nén không nở hông của đất dính) Công tác trộn thử trong phòng thí nghiệm cho thấy sự khác biệt trong những tính chất của đất sét (độ ẩm, chỉ số dẻo, hàm lượng hạt sét thể hiện trong Hình 3) không ảnh hưởng quá nhiều đến cường độ nén của đất ổn định

Hình 6 thể hiện tỉ số của cường độ nén 7 ngày qu(7) và cường độ 91 ngày qu(91) so với cường

độ 28 ngày qu(28) Hình 6 cũng thể hiện dữ liệu thu nhận được của đất sét ở những vùng khác nhau tại Nhật Bản (dẫn giải từ Ref.[5]) Tỉ số qu(7)/qu(28) nằm trong khoảng 0.5 đến 0.7, đất sét tại công trình nằm trong cùng một khoảng tương tự như đất sét Nhật Bản, cho thấy rằng không

có sự khác biệt trong sự phát triển cường độ giữa đất sét Việt Nam và Nhật Bản Tỉ số của

qu(91)/qu(28) dao động trong khoảng 1.4 đến 2.2

Hình 6 Tỉ số q u(7) /q u(28) và q u(91 )/q u(28) của mẫu thí nghiệm trong phòng

5 NHỮNG ĐẶC TRƯNG CỦA PHƯƠNG PHÁP DM SỬ DỤNG CHO DỰ ÁN

Để thực hiện công tác gia cố đất hiệu quả và tiết kiệm, hai phương pháp DM cải tiến là phương pháp Contrivance-Innovation Clay Mixing Consolidation (CI – CMC) và phương pháp CDM-Land 4 được sử dụng Cả hai phương pháp sử dụng vữa để kết dính, chúng thuộc loại “phương pháp ướt” Phương pháp CI – CMC được sử dụng cho khu vực Discharge Open Channel (kênh xả thải mở), và CDM – Land 4 cho các khu vực còn lại Các máy móc của các phương pháp được vận chuyển đến công trình từ Nhật Bản

Máy móc cho phương pháp CI-CMC có hai trục trộn được thể hiện trong hình 7(a) Mỗi trục được trang bị với những lưỡi trộn tại ba cao độ khác nhau Vòi phun vữa được gắn vào lưỡi thấp nhất, trong đó đường kính của lưỡi là 1.6 m Ưu điểm về kỹ thuật quan trọng và lớn nhất của máy này so với những loại khác là hệ thống vòi phun vữa Ngay trước khi vữa xi măng đi qua vòi phun, khí nén được trộn với vữa Khí nén tạo ra sự phun rộng của vữa được thể hiện như hình 7(a), nhờ

đó cải thiện đáng kể hiệu quả trộn Hơn nữa, những tia vữa xi măng bắn ra chuyển động xung quanh, làm giảm sức kháng của đất chống lại sự quay của lưỡi trộn Do vậy, có thể sử dụng lưỡi to hơn và làm cột đất gia cố có mặt cắt ngang lớn hơn so với phương pháp thông thường Do không khí lưu chuyển trở lại mặt đất trong suốt quá trình trộn, nên sẽ không có không khí còn sót lại trong cột đất gia cố Một bệ cẩu bánh xích (50 – 60 tấn) như là bệ máy lắp đặt hệ thống CI-CMC Những

mô tả chi tiết của phương pháp này có thể tìm hiểu thêm ở Harada và cộng sự [6]

Máy móc cho phương pháp CDM – Land 4 có bốn trục trộn được trình bày như hình 7(b) Mỗi trục có có 4 lưỡi trộn ở bốn cao độ khác nhau trong đó đường kính của lưỡi là 1.2m Dù kỹ thuật

cơ bản của việc gia cố (như phun vữa) giống với phương pháp thông thường, nhưng phương pháp CDM – Land 4 làm tăng tiến độ thi công và giảm chi phí xây dựng Tốc độ gia cố của phương pháp này nhanh gấp gần hai lần so với máy 2 trục thông thường Phương pháp CDM – Land 4 cần

bệ máy cùng loại với bệ máy của phương pháp CI – CMC Yoshida and Kawamura [7] đã trình bày chi tiết phương pháp này

Hình 8 diễn tả kích thước cột đất gia cố của mỗi phương pháp được sử dụng cho dự án Diện tích mặt cắt ngang cho phương pháp CI – CMC (2 trục trộn) là 3.83 m2 và cho phương pháp CMC – Land 4 ( 4 trục trộn) là 4.21 m2

Diện tích của CMC – Land 4 lớn gấp 1.1 lần so với CI – CMC Hình 9 trình bày chu kỳ đặc trưng của công tác gia cố cho cả hai phương pháp trong dự án này Khi độ sâu của cột đất gia cố khoảng 16m, phương pháp CI-CMC cần 47 phút cho một chu kỳ thao tác, trong khi CDM – Land 4 cần 54 phút Thời gian yêu cầu cho 1 mét đất gia cố là 2.94 phút cho phương pháp CI-CMC và 3.25 phút cho phương pháp CDM – Land 4 Phương pháp CI-CMC

nhanh hơn CDM – Land 4 là 1.1 lần Do đó, hiệu suất (khả năng) gia cố của hai phương pháp đối với mỗi đơn vị diện tích trên mỗi phút là như nhau

Cả hai phương pháp đều bơm vữa xi măng trong quá trình khoan Lưỡi cắt quay liên tục trong suốt quá trình gia cố nền đất, từ khi bắt đầu cắm khoan cho đến khi rút cần khoan Phun vữa không được thực hiện trong quá trình xữ lý đáy và rút cần khoan Cả hai phương pháp trên đều phải điều khiển và giám sát dòng vữa xi măng cho mỗi trục trộn

Như có thể thấy trong Hình 2, một số cột đất gia cố sẽ chồng lên một phần với những cột đất lân cận Công tác thi công một cột đất mới được tiến hành khi cột đất làm trước đó bắt đầu cứng dần, đôi khi chất chậm đông được trộn với vữa xi măng làm cột đất thi công trước Bởi vì công tác gia

cố của dự án được tiến hành mỗi ngày nên không cần thiết phải quá thận trọng/chú ý đối với việc chồng lấp lên nhau của các cột đất

Hình 7 Lưỡi trộn của máy CI-CMC (a) và máy CDM – Land 4 (b)

Hình 8 Mặt cắt ngang của cột đất gia cố sử dụng cho dự án

Hình 9 Chu kỳ thao tác của CI- CMC và CMD-Land 4

6 THI CÔNG THỬ TẠI HIỆN TRƯỜNG

Vì chưa có đủ kinh nghiệm đối với công tác gia cố đất theo phương pháp DM trong các khu vực lân cận, nên cần phải thi công thử để kiểm chứng hiệu suất của hệ thống DM và cường độ nén của cột đất gia cố Đôi khi, đối tượng cần thử nghiệm tại hiện trường là số vòng quay của lưỡi và hàm lượng vữa Trong dự án này, công tác thi công thử cho cả hai phương pháp (CI-CMC và CDM – Land 4 ) được tiến hành tại khu vực Discharge Open channel (kênh xả thải mở) và Pump Pit (trạm bơm), và 11 cột đất dùng để thử nghiệm được thi công với một lượng vữa xi măng khác nhau cho một đơn vị thể tích đất Số vòng quay của lưỡi và hàm lượng vữa là cố định Thay vào đó, xi măng Porland từ hai nhà sản xuất đã được kiểm tra Thông qua các thí nghiệm hiện trường và nhờ các thiết bị máy móc thực tế có thể khẳng định rằng 1) cường độ nén 28 ngày của các cột kiểm tra đáp ứng được yêu cầu trong hợp đồng 2) không có sự khác biệt về xi măng từ hai nhà cung cấp 3) các máy móc và hệ thống nhà máy vữa làm việc như mong đợi

Để xác minh đặc tính cường độ của cột đất thử nghiệm , mẫu nguyên dạng được lấy liên tục ở đỉnh và đáy mỗi cột Đây là quy trình phổ biến nhất tại Nhật, bởi vì tính đồng nhất của đất gia cố

có thể được quan sát trực tiếp bằng mắt thường Ống lấy mẫu có chiều dài là 1.5m và có đường kính ngoài 86 mm Mẫu nguyên trạng dài 1m và có đường kính 67 mm Các mẫu được đặt trong một màng nhựa Hình 10 thể hiện hình ảnh của ống lấy mẫu và mẫu nguyên trạng được lấy

Công tác lấy mẫu được thực hiện từ 7 – 10 ngày sau khi cột đất thử nghiệm thi công để khảo sát các giá trị qu(14) và qu(28) Mẫu cũng được tiến hành lấy thêm sau đó hai tháng sau đó để xác định

qu(91)