Khoan phụt vữa cao áp (Jet Grouting) là công nghệ kết hợp nguyên lý phụt vữa và nguyên lý trộn đất sâu với vữa xi măng. Quá trình Jet Grouting cải thiện đất bằng cách dùng tia phụt vận tốc cao xới tơi đất hoặc đá yếu, thay thế một phần và trộn tại chỗ đất đá vụn còn lại với chất kết dính (thường là vữa xi măng) tạo thành cột hoặc bản đất - xi măng (Soilcrete). Hiện nay, phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam vì thiết bị này khá mới mẻ và giá thành còn cao so với mặt bằng chung.
Trang 1ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ JET GROUTING PHUN ĐƠN TRONG
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾUỞ VIỆT NAM THE APPLICATION OFJET GROUTINGTECHNOLOGYTOIMPROVE SOFT SOIL IN VIET
NAM
ThS Nguyễn Anh Tuấn 1 , Bùi Nhật Kin 2
1,2 Khoa Công trình Giao thông, ĐH GTVT Tp.HCM, Việt Nam
Tóm tắt: Khoan phụt vữa cao áp (Jet Grouting) là công nghệ kết hợp nguyên lý phụt vữa và
nguyên lý trộn đất sâu với vữa xi măng Quá trình Jet Grouting cải thiện đất bằng cách dùng tia phụt vận tốc cao xới tơi đất hoặc đá yếu, thay thế một phần và trộn tại chỗ đất đá vụn còn lại với chất kết dính (thường là vữa xi măng) tạo thành cột hoặc bản đất - xi măng (Soilcrete) Hiện nay, phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam vì thiết bị này khá mới mẻ và giá thành còn cao so với mặt bằng chung Vì vậy, giải pháp đưa ra là việc tìm hiểu, nghiên cứu việc áp dụng công nghệ Jet Grouting phun đơn trong xử lý nền đất yếu với các ưu điểm: thiết bị đơn giản, vận hành dễ; thích hợp với thi công chống thấm đứng, áp dụng cho các loại đất rời
Từ khóa: Jet Grouting, Soilcrete, đất - xi măng
Abstract:Jet Grouting is the technology combines the principle of grout mixing and deep soil with
cement mortar Jet Grouting process improves soil using high velocity thrust rays soil erosion soil or weak rock, to replace a part and the topical ground rock mixed with the binder (usually cement mortar) form the column or a soil-cement (Soilcrete) Currently, this approach has not been widely applied in Vietnam because the device is still pretty new, and the price is still high compared to another one So, the solution is to study and to research the application of Jet Grouting technology in
a single injection for treatment of soft soil with the advantages such as: simpleequipment, easy operation; suitable for vertical waterproofing, applied for the type of sand
Keywords: Jet Grouting, Soilcrete, cement deep mixing
1 Giới thiệu
Sự ổn định của nền đất là tấm lưng vững
chãi cho tất cả các công trình xây dựng
Nhiều vấn đề liên quan đến đất yếu như
nghiêng đổ, sụt, trượt do nền không đủ cường
độ; lún nhiều, lún không đều do nền có tính
biến dạng lớn, v.v…Nguyên nhân là do
chúng ta vẫn chưa giải quyết hiệu quả bài
toán đất yếu Đã có nhiều biện pháp được
đưa ra như dùng vật liệu nhẹ, thay đổi thiết
kế, thay đổi tính chất cơ lý của nền đất v.v…
Tuy nhiên, các biện pháp chưa thật sự hiệu
quả Các sự cố vẫn xảy ra Do vậy, cần phải
tìm kiếm những phương pháp mới để cải
thiện vấn đề này
Phương pháp trộn sâu tạo cọc xi măng
đất là phương pháp cải thiện nền mới ở nước
ta Phương pháp này có các ưu điểm: thời
gian thi công nhanh, ứng dụng được cho
nhiều mục đích (chống đỡ, giảm lún, chống
thấm, v.v.), độ tin cậy cao, tận dụng vật liệu
tại chỗ, ít ảnh hưởng đến môi trường Nhiều
công trình điển hình như: Đại lộ Đông Tây, Đường liên cảng Cái Mép - Thị Vải, Đường Vành Đai Tân Sơn Nhất - Bình Lợi,…
Tuy nhiên, phương pháp Jet Grouting vẫn còn được sử dụng hạn chế ở Việt Nam
Có hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc này Thứ nhất là chúng ta vẫn chưa có một
bộ tiêu chuẩn làm cơ sở và hai là giá thành thiết bị vẫn còn khá cao Vì vậy, vấn đề đặt
ra ở đây làm sao có thể chủ động được về công nghệ và hạ giá thành sản phẩm nhằm giải quyết bài toán nền đất yếu Nội dung bài báo này nghiên cứu việc ứng dụng công nghệ Jet Grouting phun đơn trong xử lý nền đất yếu ở Việt Nam
2 Nội dung 2.1 Tổng quan về công nghệ Jet Grouting
Khoan phụt vữa cao áp (Jet Grouting) là công nghệ kết hợp nguyên lý phụt vữa và nguyên lý trộn đất sâu với vữa xi măng Quá trình Jet Grouting cải thiện đất bằng cách
Trang 2dùng tia phụt vận tốc cao làm tơi đất hoặc đá
yếu, thay thế một phần và trộn tại chỗ đất đá
vụn còn lại với chất kết dính (thường là vữa
xi măng) tạo thành cột hoặc bản đất - xi
măng (Soilcrete) Jet Grouting được sử dụng
với nhiều mục đích khác nhau và có những
ưu điểm nổi bật, đặc biệt là khả năng thi công
trong điều kiện chật hẹp, ở độ sâu khác nhau
mà không phá vỡ kết cấu bên trên, xử lý hầu
hết các loại đất trừ đá cuội hạt lớn Vì vậy,
Jet Grouting rất có tiềm năng ứng dụng lớn ở
nước ta, đặc biệt là ở các thành phố lớn với
điều kiện thi công chật hẹp.Tuy nhiên do chi
phí nhập khẩu thiết bị Jet Grouting còn cao
nên làm hạn chế ứng dụng công nghệ này ở
Việt Nam so với công nghệ trộn sâu bằng
cánh cơ học (CDM)
2.2 Yêu cầu về công nghệ Jet
Grouting phun đơn
Jet Grouting dùng tia phụt áp lực cao
(thường từ 20 đến 60 MPa) với vận tốc lớn,
lưu lượng ổn định, di chuyển và quay theo
phương hướng, vận tốc dự kiến để cắt xói và
trộn đất Cấu tạo và vật liệu của thiết bị phải
phù hợp để quá trình làm việc với dòng chất
lỏng áp lực cao an toàn, ít sự cố
Trong các phương pháp Jet Grouting,
dạng phun đơn là đơn giản nhất vì: chỉ dùng
tia vữa để vừa cắt vừa trộn đất; bộ thiết bị
không cần máy nén khí, máy bơm nước
riêng; chuỗi cần phụt dạng phun đơn chỉ vận
chuyển vữa Do đó, quá trình nghiên cứu lắp
ghép hệ thống thiết bị Jet Grouting có thể bắt
đầu từ dạng phun đơn Các thiết bị chính của
hệ thống Jet Grouting phun đơn gồm: trạm
trộn vữa, bơm áp lực cao, giàn phụt Jet
Grouting (thường kết hợp chung giàn khoan),
hệ thống theo dõi số liệu
Với trạm trộn vữa, máy bơm thường
được cố định để tiết kiệm thời gian, giảm chi
phí bố trí, lắp đặt nên được gọi là phần cố
định Giàn khoan và giàn phụt Jet Grouting
có thể di động để bố trí cột soilcrete nên
được gọi là phần di động Phần di động được
phần cố định cung cấp vật liệu qua các ống
dẫn áp lực lớn
Thiết bị khoan là tạo ra lỗ khoan có kích
thước đủ lớn và ổn định, thông suốt Nguyên
nhân do lỗ khoan vừa là đường tiếp cận cho
đầu phun vừa là đường dẫn hỗn hợp vữa - đất trào ngược lên bề mặt, giúp hạ áp lực môi trường xung quanh tia phụt Hai biện pháp khoan thường dùng trong công nghệ Jet Grouting là khoan xoay và khoan dộng xoay Khoan dộng xoay thường dùng ở đất hạt thô hoặc chứa sỏi cuội, đá hộc, cần có giàn khoan lớn để tạo lực va đập mạnh Ở đất yếu không lẫn đá, phương pháp khoan xoay có hiệu quả hơn do chỉ cần giàn khoan kích thước nhỏ Thông thường, đầu phụt Jet Grouting có kết hợp mũi khoan nên giàn phụt Jet Grouting thường cũng là giàn khoan Giàn phụt Jet Grouting là phải quay và tịnh tiến cần phụt ở vận tốc thiết kế Thanh cần cũng như ống dẫn phải có cấu tạo và vật liệu phù hợp để làm việc an toàn dưới áp lực cao Hình dạng và kích thước vòi phụt đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả để nâng cao hiệu quả cắt xói của tia vữa Một đầu phun thường có từ một đến bốn vòi phụt, được bố trí đối xứng nhau Thanh cần có thể gồm nhiều phân đoạn để thi công trong không gian chật hẹp nhưng nên dùng số đoạn
ít nhất có thể
Còn phần cố định là phải cung cấp vữa liên tục với áp lực ổn định Áp lực bơm thường từ 20 đến 60MPa Máy bơm thường
là máy bơm piston hoặc piston chìm ba xy lanh
Hình 1:Sơ đồ hệ thống Jet Grouting phun đơn(TCCS
05:2010/ VKHTLVN)
Hình 2:Các thiết bị chính của bộ thiết bị Jet
Grouting phun đơn lắp ghép
Trang 32.3 Phạm vi sử dụng công nghệ Jet
Grouting phun đơn
Phạm vi sử dụng của phương pháp Jet
Grouting được xác định theo cường độ chống
cắt không thoát nước (Su) và chỉ số xuyên
tiêu chuẩn SPT Dạng Jet Grouting phun đơn
được áp dụng ở nền:
Đất dính có Su nhỏ hơn 40 kPa, chỉ số SPT
nhỏ hơn 5;
Đất hạt rời có chỉ số SPT nhỏ hơn 15
2.4 Lựa chọn thông số vận hành bộ
thiết bị Jet Grouting phun đơn
Quá trình cắt xói đất Jet Grouting thực
chất là vấn đề năng lượng: Động năng của tia
phụt vận tốc cao phá vỡ cấu trúc đất Do đó,
đường kính cột phụ thuộc vào những thông
số vận hành ảnh hưởng đến động năng tia
phụt: Áp lực bơm, kích cỡ, số lượng vòi, tỷ lệ
nước/xi măng của vữa, và tốc độ chuyển
động cần phụt
Áp lực vữa phụt là một trong những
nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến kích
thước cột Áp lực, vận tốc ở miệng vòi và lưu
lượng của vữa có quan hệ với nhau Áp lực
vữa trong cần càng cao, năng lượng cắt xói
của tia phụt càng lớn, đường kính cột càng
lớn Công thức sau xây dựng trên cơ sở định
luật Bernoulli:
1 2 1 2
2
2
2
2
2
2 4
Trong đó:
m: Hệ số ảnh hưởng của vòi, bằng 0.92
theo Essler & Yoshida (2004);
v 2 : Vận tốc tia phụt tại miệng vòi [m/s];
p 1- áp suất trong cần phụt [N/m2];
p2: Áp suất môi trường lỏng quanh vòi
[N/m2];
: Khối lượng riêng vật liệu [kg/m3] ;
trọng lượng riêng vật liệu [N/m3];
Q : Lưu lượng tia phụt [m3/s];
A 2: Diện tích mặt cắt lỗ phụt [m2];
d : Đường kính lỗ phụt [m];
g: Gia tốc trọng trường [m/s2]
Áp lực miệng vòi phụ thuộc chủ yếu vào
áp suất máy bơm Độ mất mát do ma sát từ bơm đến vòi có thể từ 5 đến 20% áp lực bơm
Ảnh hưởng của áp lực, lưu lượng, và vận tốc chuyển động cần đối với kích thước cột được nhiều tác giả xem xét tổng hợp qua
quan hệ giữa đường kính D của cột đất – xi
măng và năng lượng xử lý trên một đơn vị chiều dài lỗ khoan xác định theo công thức:
p
P Q
Trong đó:
P: Áp suất trong cần phụt;
Q: Lưu lượng tia phụt;
v: Vận tốc nâng/hạ cần;
t: Thời gian phụt trên một đơn vị chiều dài thành lỗ khoan
2.5 Yêu cầu theo dõi quá trình vận hành của thiết bị
Thông số vận hành phải được theo dõi liên tục trong suốt quá trình thi công để điều chỉnh kịp thời khi thay đổi khác giá trị dự kiến Việc đầu tiên cần thực hiện là vận hành thiết bị ổn định theo thông số dự kiến Bởi đây là một trong những biện pháp chủ yếu để đảm bảo chất lượng trong thi công Jet Grouting hiện nay
Các thông số vận hành chủ yếu của một
hệ thống Jet Grouting phun đơn:
Áp lực vữa trong cần;
Số lượng và kích cỡ vòi (lưu lượng vữa phụ thuộc vào áp lực vữa, số lượng và kích cỡ vòi);
Thành phần vữa, tỷ lệ nước/xi măng;
Vận tốc quay của cần khoan;
Tốc độ rút cần khoan;
Số lượng, kích cỡ vòi và thành phần vữa thay đổi không đáng kể hoặc dễ kiểm soát trong quá trình vận hành Những thông số còn lại (áp lực, lưu lượng vữa, vận tốc chuyển động của cần phụt) có thể tăng hoặc giảm vượt quá giới hạn cho phép nên cần có biện pháp kiểm soát chặt chẽ
2.6 Yêu cầu duy trì dòng bùn thải
Trang 4trào ngược
Việc duy trì dòng bùn thải trào ngược
lên mặt đất giúp đảm bảo chất lượng sản
phẩm Jet Grouting Đặc trưng của phương
pháp Jet Grouting là thường có dòng bùn thải
gồm vữa, nước, đất, v.v Lượng bùn trào
ngược từ 0 đến 80% lượng vữa phụt Dòng
bùn thải giúp hạ áp suất môi trường lỏng bao
quanh vòi (p2trong công thức 1 và 2) giúp tia
phụt đạt được vận tốc cao, năng lượng cắt xói
lớn
Tia phụt không đạt được vận tốc lớn khi
khoảng trống giữa thành lỗ khoan và cần
phụt quá nhỏ hoặc bị tắt Lượng vữa phụt vào
nền sẽ làm tăng áp lực hỗn hợp vữa – đất và
làm nền đất quanh lỗ khoan chuyển vị Khi
chuyển vị vượt quá giới hạn, nền xuất hiện
vết nứt (hiện tượng Hydro-fracturing) Vữa
dưới áp lực cao sẽ di chuyển vào khe nứt, tạo
thành sản phẩm có hình dạng bất định mà
không phải dạng cột như kỳ vọng Chuyển vị
nền có thể làm hư hại công trình xung quanh
2.7 Phương pháp đánh giá cọc đất xi
măng tạo thành
Hai quan tâm chính đối với sản phẩm Jet
Grouting là: Kích thước phần tử đạt được và
tính chất vật liệu Phương pháp thường dùng
nhất để xác định hình dạng kích thước là đào
lộ cột để đo trực tiếp đường kính Đây là một
biện pháp có hiệu quả nhưng chỉ dùng được
với đoạn cột gần mặt đất Với độ sâu lớn,
thường dùng phương pháp khoan lấy lõi để
kiểm tra kích thước cọc Nhiều biện pháp
định vị địa cơ đang được phát triển như các
phương pháp điện trở, điện từ, siêu âm, ra đa,
dụng cụ cánh mở v.v nhưng hiệu quả và độ
tin cậy còn chưa cao
Ở các công nghệ trộn sâu nói chung và công nghệ Jet Grouting nói riêng, thí nghiệm nén nở hông tự do thường được sử dụng nhất
để xác định cường độ và độ cứng của đất - xi măng Nguyên nhân do thí nghiệm đơn giản,
dễ thực hiện và chi phí thấp hơn các phương pháp khác
Hình dạng, kích thước cột, cường độ và
độ cứng của cọc xi măng đất thay đổi theo nhiều yếu tố
Bảng 1 thể hiện giá trị đường kính cọc xi măng đất Jet Grouting phun đơn tổng hợp bởi một số tác giả Ở cùng điều kiện máy móc và thông số vận hành, đường kính cột trong lớp đất rời thường lớn hơn
Bảng 2, bảng 3 thể hiện sự khác biệt giữa giá trị thống kê bởi những tác giả khác nhau dù trong cùng loại đất và dạng Jet Grouting Để thiên về an toàn, cường độ thiết
kế tiêu chuẩn với tỷ lệ xi măng/nước 1/1 của JJGA được xác định là giá trị thấp hơn cường
độ của 97 – 99% số mẫu được xem xét (3 MPa ở đất cát, 1 MPa ở đất sét)
Khó xác định được hàm lượng xi măng trong vật liệu Jet Grouting vì không xác định được chính xác thể tích phần tử và tỷ lệ đất còn lại Tỷ lệ thay đất chỉ có thể xác định gần đúng trong khoảng 30 - 60% và thường khoảng 40%
Tỷ lệ mô đun/cường độ thường tăng theo cường độ, có giá trị 300 – 1000 Bảng 4 trình bày tỷ lệ mô đun/cường độ theo một số tác giả
Bảng 1: Tổng hợp giá trị đường kính cột Jet Grouting phun đơn
Thông số Đơn vị Kauschinger & Welsh
(1989, theo Bruce 1994)
Keller Group Burke
(2004)
Bảng 2: Tổng hợp tỷ lệ mô đun biến dạng E 50 và cường độ q u của soilcrete
ở các nhóm đất khác nhau (Oliveira 2011)
Loại đất E 50 / q u Nguồn Mọi loại đất 100 JJGA (1995) Cát hạt mịn đến vừa 360 Lurnadi et al (1986) Bùn 600 Paoli et al (1989) Sét bụi 700 Novatecna (1994) Sỏi sạn lẫn cát 900 Lurnadi et al (1986)
Trang 5Bảng 3: Tổng hợp giá trị cường độ q u (MPa) của soilcrete tạo ra bằng Jet Grouting
Loại
đất
Nguồn JJGA
(theo Essler &
Yoshida 2004)
Keller Group
Bell (1993 – theoCroce
& Flora 2000)
Miki (1985 – theoCroce
& Flora 2000)
Shibazaki (1991 – theoCroce & Flora 2000)
Sỏi
≥ 3 ≤ 25 5 đến >30
Cát ≤ 10 5 đến >25 5 – 10 < 30
Bụi
Bảng 4: Tổng hợp giá trị cường độ q u (MPa) của soilcrete tạo ra bằng Jet Grouting Phun đơn
Loại đất
Nguồn Kauschinger & Welsh (1989, theo Bruce 1994)
Langbehn (1986, theo Bruce 1994)
3 Kết luận
Trong các phương pháp Jet Grouting,
dạng Phun đơn là đơn giản nhất (Phun đơn,
Phun đôi, Phun ba) vì: Chỉ dùng tia vữa để
vừa cắt vừa trộn đất; bộ thiết bị không cần
máy nén khí, máy bơm nước riêng; chuỗi cần
phụt Phun đơn chỉ vận chuyển vữa Tuy
nhiên, để áp dụng rộng rãi trong điều kiện địa
chất Việt Nam nói chung và Thành phố Hồ
Chí Minh nói riêng thì cần giảm chi phí thiết
bị bằng cách sử dụng hệ thống lắp ghép từ
các thiết bị nhập khẩu cũ và thiết bị sẵn có có
tính năng tương tự
Về chất lượng cọc xi măng đất được tạo
ra bởi công nghệ Jet Grouting Phun đơn,
cường độ qu có thể hơn 4 MPa ở lớp cát xốp,
hơn 1 MPa ở lớp đất dính Mô đun biến dạng
E 50 bằng 30 đến 100 cường độ nén nở hông
tự do qu
Trong công nghệ Jet Grouting, khó dự
đoán và kiểm soát được hàm lượng xi măng
tại nơi thi công nên việc dự đoán cường độ
đất - xi măng hiện trường từ mẫu chế tạo
trong phòng khó khăn hơn phương pháp
CDM
Vả lại dòng bùn thải trào ngược bị tắt
nghẽn, chất lượng cọc bị ảnh hưởng xấu, có
thể không hình thành cột
Tài liệu tham khảo
[1] Adsero, M.E (2008), Effect of Jet Grouting
on the lateral resistance of soil, “Luận văn
Thạc sĩ”, Đại học Brigham Young, United States
[2] ASCE Jet Grouting Task Force (AJGTF
2009), Jet Grouting Guideline, Geo-Institute
of ASCE: Grouting Committee, 29 pp [3] Bilfinger Berger Group, “Jet Grouting”, internet:
http://www.civil.bilfinger.com/C125713000 5050D5/vwContentByKey/N276DL83645G PEREN/$FILE/Jet%20Grouting.pdf, 8 pp [4] Brill, G.T., Burke, G.K and Ringen, A.R
(2003), “A ten year perspective of Jet
Grouting: advancements in applications and technology”, in Proceedings of Third
International Conference of American Society of Civil Engineers, New Orleans, pp 218-235
[5] Lý Hữu Thắng và Trần Nguyễn Hoàng
Hùng, Đánh giá bước đầu về áp dụng công
nghệ Jet Grouting trong điều kiện Việt Nam,
5 trang
[6] Lê Thọ Thanh (2013), Phân tích đánh giá
chất lượng đất-xi măng (soilcrete) tạo ra từ công nghệ khoan phụt vữa cao áp Jet Grouting ở Tp.HCM, “Luận văn Thạc sĩ”,
ĐH Bách khoa TPHCM, 124 trang [7] Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (2010),
TCCS 05:2010/VKHTLVN “Hướng dẫn sử dụng phương pháp Jet-grouting tạo cọc xi măng đất để xử lý đất yếu, chống thấm nền
và thân công trình bằng đất”, Tiêu chuẩn cơ
sở
Ngày nhận bài: 01/02/2016 Ngày chấp nhận đăng: 15/02/1016 Phản biện: TS Nguyễn Kế Tường