Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm về phương pháp bơm phụt dung dịch gia cố nền, đề xuất khả năng ứng dụng trong điều kiện địa chất Việt Nam_2

Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu các phương pháp gia cố nền bằng cách phun dung dịch đông kết vào trong đất, tập trung nghiên cứu công nghệ khoan phụt thẩm thấu vào môi trường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong Luận văn là trung thực, chƣa từng đƣợc công bố trong bất ký công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các tài liệu tham khảo, thông tin trích dẫn trong Luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc, đảm bảo sự đúng đắn, chính xác, trung thực và tuân thủ các quy định về bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ

Hải Phòng, ngày 10 tháng 9 năm 2015

Vũ Ngọc Minh

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Phạm Văn Thứ đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báu, cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các cán bộ của Viện Đào tạo sau đại học, các thầy cô khoa Công trình thủy trường Đại học Hàng Hải Việt Nam cùng các bạn đồng nghiệp đã cung cấp cho tôi những tài liệu tham khảo và chỉ dẫn cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Trân trọng cám ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BƠM PHỤT DUNG DỊCH GIA CỐ NỀN 4

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của phương pháp 4

1.2 Khái niệm, sơ đồ và nguyên lý hoạt động 6

1.3 Dung dịch đông kết (vữa phụt) 10

1.4 Một số tính toán trong thiết kế bơm phụt 21

1.5 Một số yêu cầu kỹ thuật của công tác phụt 26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 30

2.1 Đặt vấn đề và phương pháp luận nghiên cứu 31

2.2 Thiết bị thí nghiêm và vật liệu thí nghiệm 32

2.3 Quy trình thí nghiệm 43

2.4 Kết quả một thí nghiệm điển hình 48

2.5 Kết quả thí nghiệm, đánh giá tác dụng của phương pháp bơm phụt đến các chỉ tiêu của đất 51

2.6 Các chỉ tiêu cơ học 51

2.7 Kết luận 56

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NGOÀI HIỆN TRƯỜNG 57

3.1 Ứng dụng công nghệ bơm phụt gia cố nền tại một số công trình 57

3.2 Nhận xét, đánh giá kết quả thu được 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Các giới hạn Atterberg và khối lƣợng riêng của đất 38 2.2 Thông số chính của sản phẩm Meyco MP320 41

2.4 Thời gian đông kết của nanosilice tinh khiết và pha

loãng 20%

42

2.5 Tốc độ cố kết của dung dịch Nanosilice nguyên chất

với các tỷ lệ A/N khác nhau

46

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.2 Phương pháp bơm theo hướng từ dưới lên 8 1.3 Phương pháp bơm theo hướng từ trên xuống 9 1.4 Phương pháp ống Măng - xông cho nền đất rời 10 1.5

Xu hướng hình thành các mặt phẳng phá hoại : vuông góc với phương ứng suất chính bé nhất trong đất (Camberfort, 1967)

2.4 Thiết bị Bender Elements tại trường Cầu đường Pháp 35

2.6 Biểu đồ biến thiên độ ẩm theo chiều sâu, Cui, Y.J

2.7 Đường cong cấp phối hạt ở các độ sâu khác nhau, Cui,

2.8 Ảnh chụp mẫu đất tại độ sâu 2.2m ở trạng thái ban đầu 39 2.9 Ảnh chụp mẫu đất tại độ sâu 2.2m sau khi bị phá hoại 39 2.10 Ảnh chụp mẫu đất tại độ sâu 3.5m ở trạng thái ban đầu 39 2.11 Ảnh chụp mẫu đất tại độ sâu 3.5m sau khi bị phá hoại 40

2.12 Biểu đồ thời gian đông kết của nanosilice tinh khiết và

2.14 Các bước gia công và chuẩn bị mẫu thí nghiệm 44

2.15 Mẫu đất ngay sau khi gia cố 47 2.16 Biểu đồ biến thiên khối lƣợng của buồng bơm 49 2.17 Biểu đồ biến thiên khối lƣợng của buồng chứa vữa bơm 50

2.19 Biểu dồ kết quả thí nghiệm Bender Elements theo thời

2.20 Kết quả một thí nghiệm Bender Elements 53 2.21 Sự biến thiên của sóng tới theo thời gian đông kết của vữa 53 2.22 Sự biến thiên của TVs theo thời gian đông kết của vữa 54

2.23 Lực dính đơn vị của cát sau khi gia cố bằng vữa xi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Như ta đã biết, nền đất là nơi tiếp nhận toàn bộ tải trọng của công trình, nó đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo sự làm việc ổn định và bền vững của một công trình xây dựng Chính vì vậy công việc đầu tiên khi bắt đầu một dự án xây dựng là khảo sát nền đất để có những hiểu biết rõ ràng và cụ thể nhất về các tính chất vật lý, cơ học của đất nằm dưới móng công trình Từ các kết quả khảo sát này người ta mới đưa ra được các giải pháp về kết cấu cũng như xử lý cải tạo nền đất sao cho đảm bảo tối ưu nhất bài toán kính tế - kỹ thuật của mỗi công trình

Ngày này, việc ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào xây dựng đang ngày một trở nên phổ biến, đã và đang cho ra đời hàng loạt các công trình xây dựng vĩ đại trên toàn thế giới Yêu cầu bắt buộc đối với nền đất dưới đáy móng công trình luôn là đảm bảo cho sự làm việc ổn định của công trình mặc cho kích thước, khối lượng của các công trình xây dựng đang tăng lên một cách chóng mặt theo sự phát triển của công nghệ xây dựng Để đáp ứng yêu cầu

đó, ngoài các giải pháp về kết cấu, một yêu cầu bắt buộc là phải có những nghiên cứu sâu hơn nữa về nền đất để tìm ra các giải pháp xử lý, cải tạo nền đất, mới hơn, hiệu quả hơn để đáp ứng được nhu cầu xây dựng ngày một phát triển

Hiện nay, đã có rất nhiều công nghệ xử lý nền được áp dụng một cách hiệu quả ở các nước trên thế giới và bắt đầu được triển khai áp dụng tại Việt Nam Người ta có thể chia các giải pháp xử lý nền đất phổ biến hiện nay như:

- Các biện pháp cơ học: gồm các phương pháp làm chặt bằng đầm, đầm chấn động, phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc đất, cọc vôi ), phương pháp thay đất, phương pháp nén trước, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát

- Các biện pháp vật lý: các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm

- Các biện pháp hóa học: các phương pháp keo kết đất bằng xi măng, vữa xi măng, phương pháp Silicat hóa, phương pháp điện hóa

Trong các nhóm xử lý nền đất nói trên, các phương pháp cơ học ra đời từ rất sớm và cho đến nay, người ta đã xây dựng được quy trình, quy chuẩn đầy đủ để áp dụng trong thực tế Các phương pháp xử lý vật lý và hoá học ra đời muộn hơn nhưng đã bước đầu được ứng dụng tương đối rộng rãi và mang lại hiệu quả kinh tế

kỹ thuật cao Đối với các phương pháp hoá học xử lý nền đất, tại các nước trên thế giới, người ta coi đây là những phương pháp có nhiều tiềm năng và đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu chi tiết cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm Ở Việt Nam, do hạn chế về nhiều mặt đặc biệt là về khoa học kỹ thuật và công nghệ thi công nên chỉ bước đầu ứng dụng các công nghệ này trong một vài lĩnh vực mới mà các phương pháp truyền thống không giải quyết được Với những đánh giá nêu trên về các phương pháp hoá học xử lý nền đất, tác giả lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp Cao

học với tên gọi: Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm về phương pháp bơm phụt dung dịch gia cố nền, đề xuất khả năng ứng dụng trong điều kiện địa chất Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu các phương pháp gia cố nền bằng cách phun dung dịch đông kết vào trong đất, tập trung nghiên cứu công nghệ khoan phụt thẩm thấu vào môi trường đất loại sét; từ đó đánh giá hiệu quả và đề xuất phạm vi ứng dụng của phương pháp trong gia cố nền đất ở nước ta

3 Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

+ Nghiên cứu các phương pháp bơm phụt dung dịch đông kết vào trong đất đang ứng dụng trên thế giới và tại Việt Nam;

+ Nghiên cứu các loại dung dịch, phạm vi sử dụng của các loại dung dịch trong bơm phụt; một số tính toán trong công tác bơm phụt;

+ Nghiên cứu và diễn giải kết quả thí nghiệm về quá trình bơm phụt dung dịch đông kết vào trong đất loại sét;

+ Nghiên cứu, tính toán với một bài toán giả định để so sánh và đề xuất khả năng ứng dụng phương pháp bơm phụt dung dịnh đông kết gia cố nền trong điều

kiện địa chất nước ta

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp gia cố nền bằng cách phun dung dịch đông kết vào trong đất, dùng phương pháp khoan phun thẩm thấu vào môi trường đất loại sét thông qua thí nghiệm trong phòng và thực tế về bơm phụt dung dịch đông kết vào trong đất; từ đó đề xuất khả năng ứng dụng trong điều kiện địa chất ở nước ta

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

- Lấy những mẫu đất nguyên dạng ngoài hiện trường mang về phòng thí nghiệm, sau đó dùng phương pháp phun dung dịch vào đất để làm thí nghiệm Từ kết quả thí nghiệm, đánh giá những mẫu đất sau khi đã phun dung dịch

- Áp dụng phương pháp gia cố nền bằng cách phun dung dịch đông kết vào trong đất để chống thấm tại một số công trình thủy điện, thủy lợi

- Nhận xét, đánh giá kết quả thu được ngoài thực tế Đề xuất khả năng ứng dụng phương pháp thi công đại trà

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đề tài đóng góp cho khoa học trong việc hoàn thiện công nghệ gia cố nền đất bằng phương pháp phun dung dịch vào đất nền

- Đề tài sẽ là nền tảng cho phép ứng dụng vào thực tế xử lý nền đất cho các công trình xây dựng trên nền phức tạp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BƠM PHỤT

DUNG DỊCH GIA CỐ NỀN 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của phương pháp

Phương pháp bơm phụt dung dịch đông kết gia cố nền được phát minh bởi

kỹ sư người Pháp Charles Berigny, và được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1802

khi tiến hành sửa chữa nền móng cho công trình cửa cống xả tại vùng Dieppe,

cộng hòa Pháp (theo Glossop, 1961) Nền đất tại khu vực này, chủ yếu là đất rời

với tính thấm cao, đã được gia cố bằng cách bơm phụt dung dịch vữa xi măng

Porland Việc gia cố như trên đã được hoàn tất năm 1809 cho toàn bộ công trình,

và được đánh giá là thành công trong mục đích tăng cường sức chịu tải và giảm

tính thấm cho nền

Sau đó, một số thử nghiệm nhằm phát triển các thiết bị bơm phụt dung dịch cũng đã được tiến hành (theo Houlsby, 1990) Tiếp theo, người ta đã điều chỉnh

các quy trình bơm phụt dung dịch cho thích hợp với việc sửa chữa các khối xây,

và các vấn đề này đã được một kỹ sư người Pháp (Raynal) ghi lại trong một bài

báo khoa học năm 1837 Trong các năm tiếp theo, việc cải thiện thiết bị bơm phụt

đã cho phép áp dụng công nghệ này để bơm dung dịch vào các nứt vỡ có kích

thước rất nhỏ

Một trong những thành tựu của phương pháp là tác dụng lấp đầy các lỗ rỗng, hang ngầm trong đất Một kỹ sư người Pháp, Beaudemoulin đã thành công

trong việc bơm phụt dung dịch vữa vôi tôi vào các lỗ rỗng có kích thước lớn bên

dưới móng của một cây cầu trong giai đoạn 1835 đến 1836 (theo Littlejohn, 2003)

Tại nước Anh, Kinipple đã tiến hành một loạt các thí nghiệm trong giai đoạn 1856 đến 1858 nhằm chứng minh tính khả thi của phương pháp này trong

việc bịt các vết nứt và sửa chữa những hỏng hóc của các kết cấu trên biển (theo

Houlsby, 1990) Trong báo cáo của mình, Glossop (1961) đã trình bày việc sử

dụng vữa xi măng để bịt các khe nứt và lỗ rỗng trong nền đá tại hai đập thủy điện

của nước Anh trong các năm 1876 và 1877, cũng như việc bịt các khe nứt và lỗ

rỗng trong nền đá của các cầu tàu tại Malta và Alexandria trong giai đoạn từ 1882

đến 1890 Việc phát triển thiết bị thi công cũng có bước tiến mới trong giai đoạn này với việc ra đời thiết bị bơm 2 ngăn với các van bóng, tiện dụng cho việc vận hành và bảo dưỡng

Công nghệ bơm phụt dung dịch gia cố nền lần đầu tiên được áp dụng tại nước Đức tại đập Tambach từ năm 1902 đến 1905 (theo Verfel, 1989) Người ta xác định các vết nứt bằng cách bơm phẩm màu vào các lỗ khoan, và tại mỗi lỗ khoan sẽ tiến hành bơm trên 65.000 kg xi măng để bịt các vết nứt, trước khi tiến hành khoan lỗ khoan tiếp theo Trong giai đoạn đầu tiên, đã giảm được 58% hiện tượng thấm của đập, và đến khi kết thúc quá trình gia cố, hiện tượng này đã được khắc phục hoàn toàn

Cho đến nay, kỹ thuật đã có nhiều tiến bộ trong lĩnh vực vật liệu và đặc biệt

là vật liệu xây dựng Loại vữa đầu tiên được sử dụng là chất liên kết thủy lực, đặc biệt hơn là xi măng Porland (1821) Nhiệm vụ chính của nó là để bịt kín các vết nứt trong đá và để cải tạo các tính chất cơ học của đất thô

Vào đầu thế kỷ 20, nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ vật liệu hiệu suất cao, nhất là sự xuất hiện của các máy bơm phụt bằng kim loại và công nghệ bơm phụt cao áp, phương pháp này đã có những sự phát triển vượt bậc trong những năm 1920-1930 thông qua việc áp dụng trong công tác xây dựng hàng loạt các đập nước lớn trên thế giới Bằng việc sử dụng phương pháp này, người ta đã dễ dàng loại bỏ hiện tượng nước thấm qua chân đập một cách dễ dàng và rất kinh tế

Ngày nay công nghệ bơm phụt đã ứng dụng cho những loại đất ngày càng mịn hơn, nhất là cát nhờ phát triển một loại vữa mới - vữa hóa học.Vữa hóa học được tìm ra bởi Joosten năm 1926 Việc cải tiến thành phần và việc chế tạo của các loại vữa này đã mang đến những tác hại không mong muốn đối với môi trường ( ô nhiễm nước ngầm ), vì vậy ngày nay loại vữa này ít được sử dụng Trong những năm 80, một loại vữa được gọi là “ thế hệ mới “ cơ bản là xi măng hạt mịn đã thay thế hoàn toàn vữa hóa học Loại vữa làm từ xi măng ngày càng mịn này cho phép bơm phụt được vào các loại đất có độ rỗng nhỏ Những phát triển mới nhất này đã đem lại chất lượng cho việc bơm phụt, với sự xác lập các thông số khoan và bơm

phụt, công nghệ trộn dùng năng lượng cao và sự xuất hiện của công nghệ thông tin trên công trường Những nghiên cứu hệ thống cũng được thực hiện riêng cho việc bơm phụt và về ứng xử của đất được bơm phụt Các đột phá quan trọng đã được thực hiện và giờ đây bơm phụt đã bắt đầu được đưa vào các thiết kế công trình

1.2 Khái niệm, sơ đồ và nguyên lý hoạt động

1.2.1 Khái niệm về phương pháp

Theo Poupelloz (1979), phương pháp bơm phụt dung dịch đông kết là phương pháp đưa vào trong một môi trường tự nhiên (khe nứt của đá, của các loại đất) hoặc nhân tạo (các khối xây, bê tông nứt nẻ…) một dung dịch có khả năng đông kết theo thời gian Các mục đích chính của phương pháp là làm giảm tính thấm và/hoặc cải thiện các đặc trưng cơ học của môi trường Phương pháp này là một phương pháp phổ biến để xử lý nền đất có những tính chất cơ học và thủy lực ban đầu yếu, không cho phép xây dựng công trình lên đó Với việc làm thâm nhập vào trong lòng đất một loại vữa lỏng chuyển động trong các lỗ rỗng của đất, trong quá trình đông cứng, vữa sẽ chuyển đổi, gắn kết các hạt trong môi trường hạt được

xử lý tạo nên một loại vật liệu mới có các tính chất được cải thiện đáng kể như: giảm tính thấm, gia tăng cường độ của đất nền

Nhìn chung người ta có thể phân ra làm các dạng bơm phụt sau: [4]

- Bơm phụt truyền thống: sử dụng áp lực bơm để ép vữa xi măng (hoặc xi măng-sét) lấp đầy các lỗ rỗng trong các kẽ rỗng của đất đá Trong phương pháp này, các lỗ rỗng có thể là lỗ rỗng tự nhiên, hoặc lỗ rỗng được tạo ra do sự phá hoại của áp lực bơm phụt Áp dụng phương pháp này đi kèm với sự thay đổi cấu trúc của đất được xử lý

- Bơm phụt kiểu ép đất: là biện pháp sử dụng bơm áp lực cao ép vữa chiếm chỗ của đất Trong quá trình bơm, vữa sẽ lấp đầy các lỗ rỗng tự nhiên của đất, sau

đó dưới áp lực bơm thể tích khối vữa sẽ tự phát triển, dồn ép đất sang các khu vực khác và kéo theo quá trình làm chặt đất Trường hợp này, nền đất được xử lý không thuộc dạng đất đã được bơm phụt

- Bơm phụt thẩm thấu: là biện pháp ép vữa (thường là hoá chất hoặc xi

măng cực mịn) với áp lực nhỏ để vữa tự đi vào các lỗ rỗng trong đất Việc xử lý được thực hiện theo cách này sẽ không làm thay đổi cấu trúc của đất nhờ việc di chuyển của vữa chỉ xảy ra trong các lỗ rỗng của đất

- Bơm phụt cao áp (Jet Grouting) : phương pháp này dựa vào nguyên lý phá

vỡ kết cấu đất nhờ dòng nước áp lực Khi thi công, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu để gia cố (nước+xi măng) với áp lực khoảng 20 Mpa từ vòi phun xả vỡ tầng đất Với lực xung kích của dòng phun là lực li tâm, trọng lực sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỷ lệ có quy luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt Sau khi cứng lại sẽ tạo thành cột xi măng đất

Hình 1.1 Nguyên lý một số công nghệ khoan phụt Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng ta chỉ giới hạn nghiên cứu hiệu quả gia cố nền của phương pháp bơm phụt nhờ vào thẩm thấu

1.2.2 Một số phương pháp bơm phụt dung dịch phổ biến

Trong các phương pháp bơm phụt thẩm thấu, áp lực bơm và các đặc tính của dung dịch bơm phải đảm bảo sao cho kết cấu đất không bị phá vỡ Việc thực hiện công tác bơm phụt thẩm thấu có thể được tiến hành theo các cách sau

1.2.2.1 Phương pháp bơm phụt trong các môi trường nứt nẻ

a Bơm phụt trực tiếp tai đỉnh hố khoan

Phương pháp này thường được áp dụng với các khu vực gia cố có chiều dày nhỏ hơn 10m Sau khi tiến hành khoan tạo lỗ, người ta sẽ đổ đẩy lỗ khoan bằng dung dịch đông kết, trước khi tạo áp lực để dung dịch thẩm thấu vào trong nền

Bơm theo hướng từ dưới lên Theo phương pháp này, trước hết phải xác định được phạm vi nền đất cần gia cố Sau đó, người ta sẽ sử dụng các thiết bị khoan thông dụng để tạo một hố khoan tới độ sâu mong muốn

Hình 1.2 Phương pháp bơm theo hướng từ dưới lên Việc bơm phụt thẩm thấu sẽ được tiến hành theo từng lớp đất có chiều dày dao động từ 3 đến 10 m, và theo hướng từ dưới lên trên bằng cách sử dụng một nắp bịt trên để cho phép tác dụng áp lực bơm chỉ trong phạm vi lớp đất liên quan Dưới tác dụng của áp lực bơm, dung dịch sẽ thẩm thấu vào trong các lỗ rỗng của đất, thay thế nước và khí trong lỗ rỗng Sau khi hoàn thành việc gia cường cho một lớp đất, người ta rút ống và nắp bịt lên vị trí cao hơn để gia cố cho lớp đất tiếp theo

Phương pháp này khá đơn giản và có chi phí hợp lý, nhưng khó áp dụng cho nền đá quá nứt nẻ, cũng như hiệu quả gia cố thấp khi chất lượng nắp bịt không được đảm bảo

b Bơm theo hướng từ trên xuống

Trong phương pháp này, người ta sẽ tao một lỗ khoan với chiều sâu khoan

từ 3 đến 10 m Tiếp đó, cũng với việc sử dụng nắp bịt như trong phương pháp bơm

từ dưới lên trên, người ta tạo áp lực thẩm thấu lên dung dịch đông kết nhằm đưa

dung dịch này vào trong phạm vi lớp đất

Sau đó, toàn bộ ống và nắp bịt được rút lên và công tác khoan tiếp tục được tiến hành đến các lớp đất phía dưới, trước khi thực hiện công tác bơm phụt thẩm thấu cho lớp đất này Quy trình gia cố như vậy sẽ được lặp đi lặp lại cho đến hết chiều dày nền đất cần gia cố

Hình 1.3 Phương pháp bơm theo hướng từ trên xuống Việc các lớp đất phía trên đã được gia cố, đặc biệt là cải thiện tính chống thấm, sẽ làm tăng hiệu quả thẩm thấu dung dịch cho lớp đất phía dưới, khi mà dung dịch đông kết sẽ chỉ tập trung thẩm thấu vào khu vực đã dự kiến

1.2.2.2 Phương pháp bơm phụt trong nền đất rời

Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất khi bơm phụt dung dịch gia cố nền đất rời là phương pháp ống măng - xông Sơ đồ nguyên lý của phương pháp, cũng như quy trình thực hiện được trình bày dưới đây

Đầu tiên, người ta tiến hành công tác khoan tạo lỗ trong nền đất, trước khi đặt vào trong lỗ khoan một ống dẫn dung dịch Dọc theo ống này, các lỗ thoát dung dịch sẽ được bố trí theo các khoảng cách từ 0,25 đến 0,5m, và được bọc bên ngoài bởi một ống măng - xông Khoảng không gian giữa ống dẫn và vách lỗ khoan, sau đó sẽ được lấp đầy bởi một vật liệu có các đặc tính sau :

- Không quá mềm để tránh hiện tượng dung dịch có thể di chuyển ngược lên trên mặt đất dọc theo mặt ngoài ống dẫn trong quá trình bơm

- Không quá bền để dung dịch đông kết có thể phá vỡ lớp vật liệu này theo phương vuông góc với thành ống, và đi vào trong đất nền (xem hình vẽ)

Việc đổ dung dịch đông kết vào trong ống có thể được thưc hiện ngay trong quá trình khoan, hoặc sau khi hoàn thành khoan và bắt đầu quá trình bơm dung dịch kết hợp với kéo ống dẫn lên

Hình 1.4 Phương pháp ống Măng - xông cho nền đất rời

Trong giai đoạn bơm phụt, dung dịch đông kết dưới tác dụng của áp lực trong ống dẫn sẽ thoát ra ngoài tại vị trí các lỗ khoan sẵn trên thành ống Sau đó, với áp lực bơm, biến thiên từ 6 Mpa đến hàng chục Mpa, sẽ phá vỡ lớp vật liệu nói trên tại những vị trí nền đất yếu nhất và thẩm thấu vào trong đất nền

Với đặc điểm cấu tạo như mô tả trên đây, phương pháp này cho phép tối ưu hóa việc gia cố nền tại những khu vực đất yếu nhất Những khu vực đất tốt sẽ đảm bảo rằng lớp vật liệu trung gian giữa ống và vách lỗ khoan không bị phá vỡ, và do

đó dung dịch đông kết không đi vào những lớp đất này

1.3 Dung dịch đông kết (vữa phụt).[3]

1.3.1 Khái niệm

Dung dịch đông kết (hay còn gọi là vữa phụt) là một chất lưu, chủ yếu ở trạng thái lỏng và tùy từng trường hợp chứa một phần trạng thái khí phù hợp dạng

vi bọt Dù có thành phần nào, vữa cũng phải đáp ứng một số thuộc tính bản chất sau:

- Trong quá trình phụt, chúng là một chất lưu, nhưng sau một thời gian ngắn (từ vài ngày đến vài chục ngày ) chúng phải chuyển một phần lớn hoặc hoàn toàn

về trạng thái rắn kết hợp với phần tử của môi trường hoặc của chính chúng (bằng quá trình đông kết hoặc gắn kết);

- Khi ổn định ở trạng thái rắn, chúng không được gây ô nhiễm môi trường bằng tác nhân độc hại từ bản thân;

- Phải có độ bền tạm thời hoặc vĩnh cửu theo thiết kế và mục đích công trình;

- Trường hợp có độ bền tạm thời, khi bị biến chất theo thời gian và hết vai trò của mình, vữa phụt phải không là nguyên nhân gây tác hại mới cho công trình cũng như môi trường xunh quanh [2]

1.3.2 Phân loại

Theo Poupelloz (1979) các loại dung dịch đông kết, hay còn gọi là vữa phụt,

sử dụng trong phương pháp gia cố nền này, được đặc trưng bởi rất nhiều đặc tính khác nhau của chúng, bao gồm :

- Khả năng thâm nhập vào trong nền đất, phụ thuộc vào kích cỡ của các hạt đất và độ nhớt của chất lỏng (vữa);

- Thời gian đông kết, hay thời gian để vữa chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn;

- Các tính chất cơ học sau khi thâm nhập vào trong đất nền (cường độ của đất sau gia cố, cường độ của vữa sau khi đông kết, độ bám dính với đất, mức độ ổn định theo thời gian, );

- Các tính năng sử dụng (mức độ phức tạp khi thao tác, sử dụng, mức độ độc hại, tính dễ cháy )

1.3.2.1 Vữa Newtoniens và Binghamiens

Căn cứ theo quy luật ứng xử của các loại dung dịch đông kết trong môi trường đất, theo Poupelloz (1979), người ta phân loại các dung dịch này thành vữa

Newtoniens và vữa Binghamiens

f pl

nước dưới tác dụng của một lực khuấy trộn Ngay khi ngừng khuấy trộn, sự lắng

đọng của các hạt xi măng sẽ bắt đầu

Vữa này được đặc trưng bởi tỷ lệ khối lượng (xi măng/ nước), tỷ lệ này có thể biến đổi từ 0,1 tới 3,0 Đây là loại vữa có độ bền cơ học tốt cũng như độ bền

trong môi trường ăn mòn

- Vữa ổn định có nguồn gốc sét hoặc betonite: Để tăng sự ổn định của vữa

xi măng, và tăng khả năng kiểm soát được thời gian đông kết, khoảng cách thâm nhập của vữa trong đất nền, người ta có thể thêm vào dung dịch vữa một lượng sét hoặc bentonite Tỷ lệ của mỗi thành phần vữa (xi măng, sét, betonite, nước) sẽ được tính toán, lựa chọn một cách thích hợp nhằm tăng hiệu quả quá trình bơm phụt gia cường đất và cải thiện tốt nhất các tính chất cơ học của đất được gia cường

- Vữa đặc biệt: Là các keo betonite, vữa và hỗn hợp vữa trương nở

1.3.2.2 Các cách phân loại thông dụng khác

Bên cạnh việc phân loại nêu trên, người ta có thể phân chia thành các loại gồm hỗn hợp (suspension), huyền phù (emulsion) và hợp chất (solution)

- Vữa hỗn hơp : cấu thành bởi các hạt rắn cỡ nhỏ lơ lửng trong dung môi

lỏng Thuộc loại này gồm có các vữa xi măng, tức là hỗn hợp xi măng với nước; vữa đất-xi măng tạo thành từ hỗn hợp đất và xi măng với nước, và vữa Bentonite gồm hỗn hợp Bentonite trong nước.Vữa xi măng được sử dụng rộng rãi và thường

là hỗn hợp nước với xi măng theo tỷ lệ từ 10:1 đến 2:1

- Vữa huyền phù : tạo bởi các giọt keo lỏng phân tán trong dung môi nước;

huyền phù bitum thuộc vào loại vữa này Các loại vữa khác cũng luôn cần có mức

độ huyền phù nhất định để đảm bảo độ keo nhớt của dung dịch trong quá trình phụt và tính năng bơm của thiết bị

- Vữa hơp chất : gồm hợp phần các phân tử cùng loại với hai hay nhiều

phần tố; vữa hóa học như hợp chất silicat natri hay nhựa keo acrylic là ví dụ về loại vữa này Chúng thường là lỏng ở trạng thái ban đầu và có thể được bơm vào đất rồi sau khi thấm đến khu vực cần thiết trong khối đất thì định hình quánh lại và

cô đặc theo thời gian

- Có tính chất phù hợp của chất lưu về độ nhớt và độ phụt để xâm nhập hiệu quả nhất vào môi trường cần phụt;

- Giảm thiểu tối đa tác hại đến thiết bị phụt về tính mài mòn;

- Đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn về môi trường và sức khỏe cho người tiếp xúc;

- Đáp ứng các yêu cầu về tính ổn định thông số trong quá trình phụt

Để đáp ứng các tính chất này, một số chỉ tiêu chính của vữa phụt cần tính đến gồm:

- Độ phut (Groutability): thể hiện khả năng của vữa vận động đến được nơi cần phụt trong khối đất Cần phải làm sao cho vữa có được độ lỏng đủ cao và đạt được mức lơ lửng của hạt vật liệu, cần có cỡ hạt cho phép chúng đi vào được phần rỗng trong khối đất Để làm được điều đó thì cần xác định Tỷ số phụt và giá trị tối thiểu của chúng theo công thức:

- hóa học

- Độ lắng (Setting time): là thời gian cho đến lúc vữa lắng thành các khối xi măng hoặc keo riêng biệt Sự lắng tách quá sớm có thể khiến vữa phụt khó ngấm được đến nơi cần đến và lắng chậm cũng có thể gây hậu quả là vữa phụt sẽ bị rửa

trôi nếu có dòng thấm qua đất sau phụt Để khắc phục thì cần có biện pháp làm chậm hoặc thúc đẩy thời gian lắng đạt mức cần thiết Đây chính là thông số về độ tách nước và tính lắng của vữa phụt, là khả năng giữ hỗn hợp ở trạng thái lơ lửng

để tạo độ huyền phù cần thiết Ngoài ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn có tính keo dính, tính năng của thiếtt bị tạo vữa có quyết định lớn nhất đến độ lắng thông qua khả năng tạo các vi bọt khí trong dung dịch dung môi

- Độ bền (Permanence): cho thấy khả năng của vữa chống lại sự dời chuyển khỏi phần lỗ rỗng đất theo thời gian.Vữa xi măng có độ bền cao hơn vữa Bentonite vốn dễ bị rửa trôi dần bởi dòng nước thấm qua khu vực phụt Về bản chất đây chính là khả năng gắn kết (tức cường độ) của vữa chống lại hoạt động tự chảy cùng tác động rửa lũa của dòng ngầm

- Độ độc hại (Toxicity): thể hiện khả năng của vữa phụt làm nhiễm bẩn nước ngầm khi gặp phải và hậu quả có hại cho sức khỏe công nhân trong lúc phụt vữa

có tiếp xúc bằng tay Tuyệt đối không được để hóa chất độc hại có trong vữa phụt Điều này đặc biệt lưu ý khi có các phụ gia và được quyết định nhờ mức độ kín và

an toàn của thiết bị phụt kết hợp với độ bền thich hợp

- Ngoài ra, có thể liệt kê một số chỉ tiêu khác để đánh giá các đặc trưng cơ học của vữa phụt như độ ăn mòn, lưu biến, chống đóng băng v.v

Đối với các loại vữa xi măng áp dụng cho nền đá, các chỉ tiêu nêu trên có thể được kiểm soát thông qua việc bổ sung một lượng sét và các phụ gia khác với

tỷ lệ thích hợp

1.3.4 Những thông số của vữa phụt làm cơ sở cho thiết kế biện pháp

Những thông số chính của vữa phụt quyết định tương ứng đến các chỉ tiêu trên hiện được chuẩn hóa phục vụ việc đánh giá và tạo lập chất lượng vữa phụt gồm:

- Tỷ trọng vữa: tỷ trọng vữa tối ưu tùy thuộc loại vữa dao động 1,15 –

1,30T/m3 Chúng được xác định bằng tỷ trọng kế thích hợp

- Độ nhớt: Việc xác định độ nhớt động tại hiện trường có thể thực hiện bằng phễu nón dung tích 0,5 lít theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 445, quy về thời gian tự

chảy của 0,5 lít vữa Thời gian đó có thể dao động 15 - 20 giây, và tối đa có thể chấp nhận được cho vữa phụt là 25 giây Độ nhớt của nước sạch tương ứng thời gian tự chảy xấp xỉ 13 giây Nếu sử dụng phễu Marsh có lỗ 0,2 inhes đo thời gian chảy hết 1 lít vữa, các chỉ số trên tương ứng gấp đôi, loại có lỗ 0.4 inhes thì thời gian giảm còn một nửa

- Độ tách nước: là tỷ lệ phần hỗn hợp lắng tách trong điều kiện tĩnh sau thời gian từ 1-3 giờ Phương pháp đo độ tách nước được thực hiện tương đối đơn giản: người ta đổ một lượng vữa vào bình chứa bằng thủy tinh có khắc vạch chiều dài

Đo chiều cao ban đầu H của toàn bộ lượng vữa Sau thời gian lắng từ 1-3 giờ, đo chiều cao cột vật liệu vữa h lắng dưới phần nước trong Độ tách nước sẽ là tỷ số giữa chiều cao phần nước trong và chiều cao ban đầu của toàn bộ lượng vữa

Độ tách nước = (H-h)/H (1.4) Giá trị độ tách nước tối đa có thể chấp nhận được với dao động từ 3% đến 5% Ngoài ra, liên quan đến tính lắng của vữa theo thời gian, người ta có định nghĩa về Độ hụt nước (bleed), là khả năng tách nước sau 2 giờ

- Cường độ và thời gian đông kết: Sau khi được bơm phụt vào trong nền

đất, vữa sẽ đông kết dần sau ít nhất 3 ngày và cường độ tăng đạt ổn định tối đa sau khoảng 15 - 30 ngày Sau một số ngày nhất định, khối vữa được khoan lấy thỏi thí nghiệm cường độ Vữa xi măng thông thường có cường độ cao hơn vữa xi măng- bentonite và xi măng - đất,… Cường độ vữa tối thiểu sau 7 ngày là 0,25-0,4 kG/cm2 Tính lưu biến ( rheology) của vữa tạo dạng dòng chảy đặc thù trong dòng thấm phụt là do ảnh hưởng của quá trình này

Lựa chọn vữa phụt thích hợp là bước đầu tiên trong thiết kế công nghệ phụt, dựa trên cơ sở về độ đặc khối dẫn theo khả năng thấm xuyên của vữa Khả năng này phụ thuộc nhiều yếu tố, ví dụ đối với vữa xi măng, nó phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ của các thành phần vật liệu chính : nước/ xi măng (W/C)

- Độ đặc khối xi măng được tính theo công thức:

1 0



 (1.5)

Trong đó, 0 là khối lượng riêng của xi măng, w là khối lượng riêng của nước Lý thuyết và thực tế cho thấy với tỷ lệ W/C = 0.67 - 0.7 tương ứng độ đặc khối 33%, vữa có nồng độ tối ưu và có tính năng lấp kín tốt nhất

1.3.5 Các hiện tượng và lực đặc trưng của bơm phụt thẩm thấu

1.3.5.1 Hiện tượng phá vỡ kết cấu đất [1]

Phương pháp bơm phụt thẩm thấu cho phép gia cố nền nhưng không gây ra

sự phá hoại kết cấu ban đầu của đất Tuy nhiên, trong quá trình bơm phụt thẩm thấu, nếu áp lực bơm quá lớn sẽ dẫn đến việc phá vỡ kết cấu của nền đất cần gia

cố Mặt phẳng phá hoại sẽ là một vết nứt xuất hiện sau cùng do áp lực mạnh của vữa tạo ra trong quá trình bơm Người ta có thể quan sát được những vết nứt phẳng, ngang, dọc hoặc nghiêng cắt hố khoan của bơm phụt

Hình 1.5 Xu hướng hình thành các mặt phẳng phá hoại : vuông góc với phương ứng suất chính bé nhất trong đất (Camberfort, 1967)

Theo Cambefort (1967), mặt phẳng phá hoại luôn luôn vuông góc với ứng suất chính nhỏ nhất trong đất Khi hệ số áp lực ngang tĩnh KO của đất nhỏ hơn 1, mặt phá hoại sẽ xuất hiện trước hết theo phương thẳng đứng Sau đó nếu tiếp tục gia tăng áp lực trong hố khoan những mặt phá hoại theo phương ngang có thể xuất hiện Sự phá hoại kết cấu đất trong phương pháp bơm phụt thấm thấu không những làm mất hiệu quả của phương pháp, mà còn gây nguy hiểm cho các công trình xây dựng trên khu vực gia cố Do đó, việc nghiên cứu xác định giá trị áp lực bơm tối ưu cho từng loại đất là rất cần thiết.[7]

1.3.5.2 Hiện tượng lọc

Lọc (filtration) là hiện tượng mà đôi khi người ta vẫn quan sát được trong

quá trình bơm phụt sử dụng vữa hỗn hợp (suspension) Một số hạt vật liệu của vữa hỗn hợp, với kích thước tương đối lớn so với kích thước lỗ rỗng trong đất, sẽ bị giữ lại bởi hạt đất mà không thể đi qua các lỗ rỗng trong đất Quá trình này sẽ từng bước gây ra sự tắc nghẽn cục bộ và cuối cùng có thể chặn đứng quá trình bơm phụt

Hiện tượng lọc phụ thuộc chủ yếu vào cấp phối các hạt cấu tạo nên dung dịch đông kết và cấp phối của đất cần gia cố Để khắc phục hiện tượng này, việc phân tích cấp phối đất nền là điều bắt buộc, từ đó, lựa chọn vật liệu chế tạo vữa phụt một cách thích hợp

Nhìn chung, người ta có thể phân loại theo 4 quá trình lọc (Ghidaglia, 1994

et Nadji 1998), bao gồm : lọc thông thường, lọc song song với phương dòng chảy, lọc dạng bánh, và lọc ở những độ sâu lớn

- Lọc thông thường : xảy ra khi kích thước lỗ rỗng trong đất nhỏ hơn kích

thước hạt vật liệu của vữa phụt, quá trình lọc sẽ xảy ra theo phương vuông góc với dòng thấm và sự tắc nghẽn nhanh chóng được hình thành, ngăn chặn quá trình bơm phụt thẩm thấu

- Lọc song song với phương dòng chảy: các hạt vật liệu của vữa phụt sẽ bị giữ lại trên mặt phẳng song song với phương dòng chảy Để tránh hiện tượng này,

tỷ suất ứng suất cắt gây ra bởi dòng chảy phải đủ lớn để tránh hiện tượng lưu giữ này

- Lọc dạng bánh : quá trình này bao gồm hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu tiên, các hạt rắn trong dung dịch bơm phut sẽ lắng xuống một mặt phẳng xốp (vẫn cho phép nước và các dung dịch thấm qua) Giai đoạn thứ hai xảy ra khi hiện tượng lọc xảy ra ngay trên lớp vật liệu lắng đọng này, tạo ra một sản phẩm có dạng bánh

- Lọc của các hạt rất nhỏ : đây là một cơ chế được sử dụng để giải thích

hiện tượng lọc của các dung dịch được pha loãng có nồng độ dưới 0,5 g/l, được tạo thành bởi những phân tử có kích thước dưới 30 m

Hình 1.6 Các dạng lọc: (a) Lọc thông thường;

(b) Lọc song song với phương dòng chảy;

(c) Lọc dạng bánh ; (d) Lọc của các hạt rất nhỏ

Trong cơ chế lọc của các hạt rất nhỏ, Ghidaglia (1994) và Nadji (1998) đã phân loại lực tác động lên các phần tử theo hai dạng: những lực thủy động và cơ học và những lực lý hóa Từ đó, người ta tiếp tục phân loại hiện tượng lọc của các hạt rất nhỏ thành 3 loại lọc dựa vào sự suất hiện của các lực hoạt động :

- Lọc cơ học : cho những phần tử thô (   30m ) ; đối với dạng lọc này, những lực cơ học và lực thủy động là chủ yếu

- Lọc lý hóa : cho những phần tử nhỏ (  1m ) ; với dạng lọc này, những lực lý hóa là chủ yếu

- Lọc các phần tử trung bình ( 1 m    30m ) Cả hai loại lực trên đều

có tác động đến các phần tử này

1.3.5.3 Các loại lực tác dụng

a Lưc thủy động và cơ học :

Ta có thể phân biệt ra 4 dạng lực của của nhóm lực này : lực hấp dẫn, lực kéo, lực bôi trơn và lực quán tính

- Lực kéo : trong trường hợp chất lỏng Newtonien và hệ số Reynolds thấp,

lực này được diễn đạt theo biểu thức sau :

- Lực bôi trơn : là do độ bền nhớt của lớp chất lỏng khi nó trượt giữa phần

tử và mặt phẳng rắn của môi trường có lỗ rỗng và được tính toán bởi biểu thức sau:

Fv = 6 a U

h

a

1

h : khoảng cách giữa hai mặt phẳng rắn

Lực quán tính: được xác định bởi phương trình:

dt

dU a

- Lực Val der Waals: là những lực hút ở cự ly ngắn (khoảng một vài trăm Angstrốms) giữa những phần tử và mặt thoáng của môi trường có lỗ rỗng Nếu coi một phần tử như một mặt cầu và mặt thoáng giống như một mặt phẳng, ta thu được lực Val der Waals theo biểu thức :

2

.6



a H

F vdw   (1.9)

Trong đó:

a : bán kính mặt cầu

H : hệ số Hamaker, đặc trưng của các mặt phẳng ( 10-19

J cho tất cả các pha ngưng tụ )

 : khoảng cách giữa các phần tử trên bề mặt của môi trường có lỗ rỗng

- Lực tĩnh điện có thể được xem như là một đặc tính để phân biệt các dạng tương tác khác nhau ( Ghidaglia, 1994 )

+ Khi mà phần tử và phần thu (vật thể mà các phần tử sẽ bị hút lên đó) đếu mang điện, lực tĩnh điện có thể là lực hút coulomb hoặc lực đẩy

+ Nếu chỉ có phần thu hoặc phần tử mang điện, nó sẽ tự tạo ra một trường lực tĩnh điện lên những bề mặt không mang điện

+ Trong trường hợp các electoron, các phần tử mang điện nằm trong chất lỏng hấp thụ ions, và do sự cân bằng về điện, một lớp thứ 2 mang các ion trái dấu

sẽ được tạo thành Sự chênh lệch giữa điện thế của electron và của lớp liên kết bề mặt này được gọi là hiệu điện thế Zêta Hiệu điện thế này đặc trưng cho tương tác lực điện động giữa các phần tử và lớp lọc, và giữa các phần tử với nhau Hiệu điện thế Zêta phụ thuộc vào độ PH, vào lực ion của dung dịch và tính chất của các phân

T k

a U

P e

6  2

Trong đó: k : hằng số Boltzman

T : nhiệt độ

1.4 Một số tính toán trong thiết kế bơm phụt

Khi thiết kế phụt, thường phải ấn định ba giới hạn:

1) Áp lực vữa tối đa, 2) Lượng ăn vữa tối đa, 3) Cường độ phụt tối đa

Với các công nghệ phụt có yếu tố dời chuyển thay thế, việc tính toán và giám sát các cơ sở trên khá thuận lợi, riêng với phụt thấm trong đất và đá thường gặp những trở ngại cần bàn đến dưới đây

Áp lực vữa max dựa vào thiết kế áp lực cột nước dưới đập sau này, lấy 2 đến 3 lần và nếu quá lớn (trường hợp đập cao) thì kéo theo hiện tượng “nứt thủy lực” Ngoài ra, lượng vữa tối đa khó đạt giới hạn chính xác, vì đôi khi vẫn phụt trôi chảy thì phải quyết định theo các hướng:

Bán kính thấm vữa trong đất lỗ rỗng ( Maag - 1938):

3 / 1 3

3





(1.11)

Trong đó: k - hệ số thấm của đất; n - độ rỗng của đất; r - bán kính lỗ phụt;  -

độ nhớt của vữa; w - độ nhớt của nước; H - áp lực tác dụng; t - thời gian tính từ khi bắt đầu phụt

Nếu giả sử vữa thấm đều hình trụ và đường kính hố D, độ dài phụt L, có thể

áp dụng công thức gần đúng tính bán kính ăn vữa:

Độ thấm phụt tăng khi có thêm sét, phụ gia hoặc tăng nhiệt độ vữa lên

25-350C, hoặc tăng tính huyền phù bằng thùng khuấy đặc biệt

Bán kính ăn vữa khả dụng từ hố phụt trong đá nứt nẻ:

w

P b

0

.2

 - sức kháng thuỷ lực Bingham (Pa);

rw - bán kính hố khoan (m), do nhỏ nên có thể bỏ qua

vị ở độ sâu h dưới mặt đất như trong hình 1.6 (a), đường phá hủy được chỉ ra trong hình 1.6 (b)

Tại điểm A , tình trạng ứng suất hữu hiệu nằm ngang và thẳng đứng như sau:

Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng „v =  1 h (ứng suất gốc chính), và ứng với đất ở trạng thái tĩnh

Ứng suất hữu hiệu nằm ngang = „h = Ko  1h (ứng suất gốc phụ)

a/ Phụt trong cát b/ Vòng tròn Mohr (phá huỷ)

Hình 1.7 Áp lực vữa phụt lớn nhất

Vòng tròn Mohr tương ứng với các điều kiện trên thể hiện theo cung ABC trong hình 1.6 (b) Giả sử ta đưa hồ vữa vào điểm A với áp lực pg Hồ vữa gây áp lực trong lỗ rỗng của khối đất bằng với áp lực vữa Như vậy thì ứng suất trong mẫu đất tại điểm A được biểu diễn như sau:

‟v= 1h p g; ‟h=K01h  pg (1.14)

Vòng tròn Mohr tương ứng với trạng thái mới của ứng suất biểu diễn theo cung DEF trong hình 1.6(b) Cho rằng đường kính cung tròn không đổi và vòng dịch chuyển đến sát đường phá hủy

Nếu áp lực vữa tăng lên nữa,Vòng tròn Mohr sẽ dịch chuyển thêm về phía trái cho đến khi tiếp tuyến với đường phá hủy như minh họa bằng cung GHI trong hình (1.6-b) Đất bây giờ đạt đến ngưỡng phá hủy cấu trúc Cho rằng áp lực vữa được thiết kế như là áp lực phụt lớn nhất pgm Từ hình 1.6 (b) ta lưu ý rằng sin ‟= HM/OM, tức là:

P h K P

h

P h K P

1 0 1

1 0 1

1

1

K K

h

Đẳng thức trên cho phép ta tính giá trị chấp nhận được của áp lực vữa trong đất hạt thô khác nhau cho các độ sâu thay đổi Ví dụ: với‟= 30o

, Ko=0.5,

pgm= 0.25 ‟v là giá trị theo kinh nghiệm

Lưu ý rằng theo công thức này, có thể tính được sự thay đổi phù hợp của áp lực phụt theo độ sâu h, kể cả trên và dưới mực nước ngầm Điều này rất quan trọng trong thiết kế phụt thấm

1.4.2 Tính lượng tiêu thụ vữa:

Tính lượng vữa phụt đơn vị khối trong đất thấm , tức cho 1 m3

đất cần xử lý:

Vo = ks n (1.17) Trong đó : Vo - thể tích vữa cho 1m3 môi trường xử lý ( m3)

n - độ rỗng đất đá, n = e/(1+e) với e - tỷ lệ khe hở

ks - hệ số lấp kín phần rỗng của vữa, trung bình ks = 0.5-0.7 Tính tỷ trọng và tỷ khối vữa theo nồng độ và tỷ lệ dự kiến:

Tỷ trọng vữa

 / ) (1/ )

/)

Tỷ khối vữa v  g.vl (kN/m3) (1.19)

Trong đó: vl - tỷ trọng vật liệu;

mn - khôi lượng nước (kN);

mvl - khối lượng vật liệu (kN);

g - gia tốc trọng trường ~ 9.81m/s2 Tổng lượng vữa phụt : V = vo Vđ (m3) (1.20)

(Vđ - thể tích khối đất xử lý theo m3) Lượng ăn vữa đơn vị : q = V/L (m3

điều kiện dòng vữa ngừng thấm, tức điều kiện dừng phụt, tránh áp suất tăng quá

10 - 20% áp lực quy định Về bản chất, đây chính là năng lượng tối đa có thể thực hiện phụt Nói cách khác, GIN là năng lượng phụt vữa (tích phân hàm áp lực p theo lượng vữa phụt V)







V pdV E

Quan trắc dòng thấm qua khu vực xử lý trước và sau phụt cho phép tính toán

độ lấp nhét hiệu quả của công tác phụt vữa Độ lấp nhét hiệu quả của vữa xác định theo công thức đơn giản:

Độ lấp nhét hiệu quả (%) = (dòng thấm trước phụt - dòng thấm sau phụt)/dòng thấm trước phụt

1.5 Một số yêu cầu kỹ thuật của công tác phụt

1.5.1 Thiết bị và công nghệ phụt

Chế tạo và đưa vữa phụt vào đất đá là nhiệm vụ của công nghệ phụt nhằm hai mục đích:

- Vữa tạo màng chống thấm hoặc gia cường nền dưới đập và công trình, hoặc cả hai;

- Vữa đạt khả năng xâm nhập vào địa tầng phụt một cách tối ưu để có hiệu quả lớn nhất

Dây chuyền công nghệ phụt gồm các thành phần chính:

- Thiết bị tạo và điều chế vữa: thùng trộn (mixer) và thùng khuấy (agitator);

- Thiết bị bơm vữa và chất lưu hỗ trợ (nước, khí): bơm (pump) các loại;

- Thiết bị dẫn và kiểm soát, điều chỉnh chất lưu: máy công tác, cần ống dẫn, máy đo áp lực và lưu lượng chất lưu

Thùng khuấy có vai trò quyết định đến chất lượng vữa, nhưng thực tế tại Việt Nam thường xuyên bỏ qua thiết bị này Thùng khuấy tạo vận tốc đối lưu và áp lực nội tại trong vữa ở mức độ cao nhằm thiết lập tính huyền phù cần thíêt của vữa Tốc độ quay của cánh trộn ít nhất phải đạt 1000 vòng /phút, đường kính cánh không quá lớn Các bọt vi khí được tạo ra ở đây sẽ có lực bám phân tử với các hạt rắn của vật liệu phụt và tạo độ huyền phù cho dung dịch vữa

Vữa sử dụng trực tiếp chỉ từ thùng trộn sẽ có độ nhớt và tách nước không đảm bảo, làm giảm chất lượng phụt

Các thiết bị bơm vữa chịu ảnh hưởng mài mòn trực tiếp bởi các hạt rắn trong vữa Cải thiện và ổn định hoạt động của bơm vữa do độ nhớt và độ hạt của vữa quyết định Lưu lượng và áp lực được duy trì ổn định của bơm vữa quyết định đến chất lượng và kích thước phần ảnh hưởng của vữa phụt trong môi trường

Những thiết bị đồng bộ còn lại thường chiếm đến hơn 50% khối lượng và công suất công tác của dây chuyền Chúng quyết định đến tính cơ động của công nghệ phụt

1.5.2 Chọn vữa phụt

Tổng quan chung về khả năng ứng dụng của vữa phụt gồm:

- Vữa gầy (độ nhớt thấp) có khả năng xâm nhập môi trường phụt cao nhất, chứ không phải độ hạt nhỏ của vật liệu quyết định Điều này là do vữa có các vật liệu hạt nhỏ nhất như sét lại luôn có độ nhớt cao ở thể dung môi, ngoài ra môi

trường phụt thường có tính thấm lớn hơn sét nhiều lần và kích thước lỗ rỗng cần lấp cũng lớn hơn cỡ hạt vật liệu phụt thô nhất;

- Vữa hỗn hợp có ứng dụng tốt cho môi trường trầm tích và đá nứt nẻ; hướng phát triển xâm nhập của vữa trong môi trường phụt chịu ảnh hưởng của dòng chảy ngầm hoặc các điều kiện áp lực thủy tĩnh khác;

- Vữa hóa học có chất gien, tạo độ nhớt và độ bền ổn định cao nhất, ứng dụng tốt nhất cho các phẫn rỗng lớn của môi trường;

- Sử dụng vữa huyền phù cần có thiếtt kế khả năng kiểm soát tốt mức độ xâm nhập;

- Với môi trường có phần rỗng lớn, áp dụng nguyên tắc phụt vữa độ nhớt và

độ hạt cao trước, sau đó phụt lấp kín phần rỗng nhỏ còn lại bằng vữa gầy;

- Tiêu chuẩn cho dừng phụt là chỉ số xác định về áp lực và thể tích phụt (tức mức giảm thấm và lượng ăn vữa )

Tham khảo tiêu chuẩn Anh BS 8004:1986 , vữa phụt được chọn tùy thuộc môi trường và mục đích phụt như sau:

- Đất sỏi sạn có chứa hạt mịn: dùng vữa xi măng hoặc hỗn hợp xi măng-sét, cần thêm phụ gia tạo độ cố kết nhanh để hạn chế vùng thấm của vữa phụt Nếu dòng ngầm trong môi trường này là đáng kể, cần phụt hỗ trợ đồng thời vữa huyền phù bitum nhằm tạo dạng “nút chặn” kiểu cao su

- Sạn sỏi nhỏ lẫn cát thô: dùng nhiều loại vữa tùy thuộc mức độ yêu cầu chống thấm và gia cố Để chống thấm có vữa sét thêm phụ gia hóa keo, các chất gốc silic mềm hoặc polyme hữu cơ yếu Để gia cố về cường độ, sử dụng kỹ thuật phụt silicat công đoạn kép (two-shot technique), hoặc chất lỏng hay silicat công đoạn đơn (single-shot proccess)

- Cát hạt trung: sử dụng vữa hỗn hợp có tính keo Hóa chất nền là silicat, polyme hữu cơ hay xơ gỗ Độ nhớt của chúng chỉ xấp xỉ nước và để kính tế hơn thì cần kiểm soát khống chế lượng phụt phù hợp thời gian hóa keo

- Cát mịn chứa bụi: vữa cần có độ nhớt thấp và độ hạt vật liệu nhỏ phù hợp Trong đất nhiều bụi cần lưu ý dùng chế độ phụt có áp lực thay đổi nhằm dồn nén

chúng, tạo hệ thống vi nứt tạm thời và phụt vữa thấm thấp (vữa gầy);

- Sét: thường thì không cần xử lý thấm trong sét, trừ khi chúng có hệ mạch nứt do co ngót và mang tính thấm tương tự môi truờng đá nứt nẻ Trường hợp phụt gia cường trong sét yếu cũng sử dụng nguyên lý phụt ngắt áp lực như trên

- Trong băng tích: môi trường này ít gặp và nếu cần có thể sử dụng mọi phương pháp phụt phù hợp nêu trên

- Đá : phổ biến dùng vữa xi măng hoặc xi măng-sét thích hợp Quan trọng là cần rửa sạch hố phụt trước để tạo hiệu quả phụt thiết kế

- Hang động - cactơ : nên dùng vữa giá rẻ từ vật liệu địa phương hay chất thải bụi, hạt khác, đôi khi cả các vật liệu thô nếu thiết bị phụt cho phép

1.5.3 Đánh giá phụt

Các thông số quan trọng cần phân tích và thể hiện trong kết quả phụt:

- Quan hệ áp lực theo thời gian;

- Quan hệ tỷ lưu vữa theo thời gian;

- Quan hệ lượng ăn vữa theo thời gian;

- Quan hệ áp lực theo lượng ăn vữa;

- Quan hệ độ xâm nhập (bán kính phụt) theo lượng ăn vữa

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG

PHÒNG THÍ NGHIỆM

Trong lĩnh vực Địa kỹ thuật, nghiên cứu thực nghiệm giữ một vai trò rất quan trọng, cho phép người kỹ sư có thể tiếp cận với sự làm việc của nền đất trong điều kiện tự nhiên, và giảm thiểu việc sử dụng các giả thiết, giả định trong tính toán Nghiên cứu thực nghiệm có thể được chia thành 2 mảng, bao gồm nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, và nghiên cứu thực nghiệm ngoài hiện trường Các nghiên cứu thực nghiệm ngoài hiện trường, đòi hỏi chi phí đầu tư thiết

bị và chi phí thực hiện thí nghiệm cao Các kết quả thí nghiệm thu được nhiều khi không thống nhất, gây khó khăn trong việc diễn dịch kết quả và rút ra các kết luận

Các nghiên cứu thí nghiệm trong phòng có cơ sở lý thuyết vững vàng hơn,

mô phỏng nền đất trong điều kiện lý tưởng (nền đất đồng nhất, ứng suất tác dụng

có thể kiểm soát và điều chỉnh được .), các kết quả thu được dễ dàng cho việc diễn dịch và rút ra kết luận cả về mặt định tính và định lượng Tuy nhiên, người ta vẫn phải sử dụng một số giả thiết không phù hợp với đất nền trong tự nhiên, và phải nắm rõ vấn đề về hiệu ứng tỷ lệ Mặc dù vậy, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm vẫn là mối quan tâm đầu tiên của các nhà nghiên cứu, do những ưu điểm

rõ rệt của nó

Do điều kiện thiếu thốn trang thiết bị kỹ thuật, tại Việt Nam hiện nay, các nghiên cứu thực nghiệm chưa được quan tâm đúng mức, đặc biệt là các thí nghiệm trong phòng

Trong phạm vi nghiên cứu này, tác giả trình bày kết quả tham khảo tài liệu

về các nghiên cứu thực nghiệm phương pháp bơm phụt dung dịch đông kết gia cố một nền đất loại dính, được thực hiện tại phòng thí nghiệm Cơ học Đất tại trường Cầu đường Pháp Trong đó, các vấn đề dưới đây sẽ được trình bày cụ thể, có thể làm tham chiếu cho việc nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực Địa kỹ thuật tại Việt Nam :

- Phương pháp luận nghiên cứu

- Cách thức lựa chọn vật liệu và thiết bị thí nghiệm