Đường kính cọc soilcrete tạo ra bởi Jet Grouting: Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp xác định

Việc đưa ra công thức xác định đường kính phải phản ảnh đầy đủ toàn bộ quá trình hình tạo thành cọc trong đất nền gồm: (1) phân loại đất (rời, dính tương ứng NSPT và Su; (2) cơ chế cắt xói theo đất nền (sét, cát, và sỏi); (3) chọn hệ thống Jet Grouting thích hợp theo cơ chế xói và năng lượng yêu cầu; và (4) chọn thông số vận hành tương ứng với hệ thống.

ĐƯỜNG KÍNH CỌC SOILCRETE TẠO RA BỞI JET GROUTING: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG *

HÀ HOAN HỶ **

Diameters of soilcrete columns created by Jet Grouting: affected factors and determination methods

Abstract: Jet Grouting is a ground improvement and reinforcement

technology and has contributed to solve difficult problems in Geotechnical Engineering for construction, but remains uncertainty in prediction of soilcrete column diameters Diameters of soilcrete columns created by Jet Grouting are influenced by several factors and the existing Equations have not included all factors The paper investigated factors affecting soilcrete diameters and examined an appropriate Equation computing soilcrete diameters The result indicates that the Equations (10a) and (10 b) can relevantly analyze soilcrete diameters

Keywords: Jet Grouting, soilcrete, deep mixing method, soilcrete

diameters, soft ground improvement

1 GIỚI THIỆU CHUNG *

Jet Grouting thường được áp dụng để tăng

cường độ và giảm thấm cho nhiều công trình

xây dựng như gia cường nền đất yếu, tăng sức

chịu tải móng, và làm tường chống thấm bằng

cách tạo ra các cọc đất trộn xi măng có đường

kính và chiều sâu thiết kế được bố trí theo một

cách nhất định tùy theo mục đích ứng dụng

[26, 14] Các cọc đất xi măng hay soilcrete

được tạo ra bằng các tia cao áp (20-60 MPa)

vữa, hay nước, hay khí làm nhiệm vụ cắt xói

đất và trộn với vữa xi măng thay cho cánh trộn

kim loại [25] Vì vậy, Jet Grouting có nhiều ưu

điểm như gọn nhẹ, không phá huỷ lớp mặt,

không gây chấn động, và có thể thi công trong

*

Giảng viên, Khoa Kỹ thuật Xây dựng (KTXD),

Trường Đại học Bách Khoa -

ĐHQG TP HCM (HCMUT),

Email: tnhhung@hcmut.edu.vn

**

Nghiên cứu sinh, KTXD, HCMUT,

Email: hhh24081981@yahoo.com.vn

không gian chật hẹp Jet grouting thích hợp cho đất dính có cường độ chịu cắt không thoát

nước Su nhỏ hơn 30 kN/m² [23] Theo [19] cho

rằng Su bằng 40 kPa và giới hạn chảy, WL = 40% là giới hạn cho mọi loại Jet Grouting Theo [8], cọc soilcrete không thể bố trí hiệu

quả trong đất bụi sét có NSPT từ 6 ÷ 7 và Su từ

48 ÷ 52 kN/m², ngay cả với hệ thống Phun ba Phù hợp với quan sát [1]: giới hạn áp dụng Jet

Grouting là Su từ 50 ÷ 60 kPa Nhiều tác giả xác định phạm vi sử dụng Jet Grouting theo chỉ

số NSPT: (i) Phun đơn sử dụng không hiệu quả

ở đất rời có chỉ số NSPT > 20 và đất dính có

NSPT > 5 theo đánh giá [19] Giới hạn theo [11],

[23] thì thấp hơn ở đất cát: NSPT < 15, và đất

dính NSPT < 5 ÷ 10; (ii) Phun đôi với đất dính

có chỉ số NSPT ≤ 5 và đất hạt rời có NSPT ≤ 50 theo [23] Theo [19], Jet Grouting Phun đôi

thường không dùng cho đất dính có NSPT > 20;

và (iii) Phun ba theo [23] với đất dính có chỉ số

NSPT ≤ 5, đất rời NSPT ≤ 50

Kích thước (đường kính và chiều sâu), hình

dạng (độ tròn và đồng đều), và chất lượng

(cường độ, độ cứng, và hệ số thấm) bị ảnh

hưởng bởi nhiều yếu tố như thông số vận hành

thiết bị Jet Grouting (áp lực vữa, lưu lượng vữa,

áp lực nước, lưu lượng nước, áp lực khí, lưu

lượng khí, tốc độ nâng hạ cần, tốc độ xoay cần,

số lần lặp lại, kích thước và số lượng vòi phun,

và tỷ lệ nước : xi măng), loại đất, trạng thái và

đặc trưng cơ-lý-hoá của đất xung quanh cọc

soilcrete [25] Chất lượng sản phẩm soilcrete tạo

ra từ Jet Grouting thường được tập trung vào

đường kính, độ đồng đều, và cường độ [25]

Hiện nay, hai cách xác định đường kính

soilcrete là đào lộ đầu cọc để đo trực tiếp sau

khi thi công hay dự kiến đường kính bằng các

thông số đầu vào và các công thức lý thuyết

Một số tác giả xây dựng phương pháp xác định

đường kính cọc bằng cách phân tích cấu tạo tia

phụt và tương tác giữa tia phụt và đất nguyên

dạng [8, 17] Đặc trưng cấu tạo và năng lượng

của tia phụt đã được làm rõ qua nhiều nghiên

cứu nhưng cơ chế cắt xói còn chưa được hiểu

đầy đủ, phân tích chủ yếu còn dựa trên nhiều giả

thiết [8, 17] Quan sát trực tiếp cho thấy trục của

cọc soilcrete có thể lệch đáng kể từ vị trí được

bố trí [11] Hơn nữa, soilcrete hình thành không

đồng nhất và phần đất tự nhiên không được xử

lý có thể tồn tại trong cọc, đặc biệt với đất hạt

mịn [20] Bài báo này tập trung nghiên cứu các

yếu tố ảnh hưởng và phương pháp xác định

đường kính soilcrete tin cậy

2 CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT

LƯỢNG SOILCRETE

Chất lượng sản phẩm Jet Grouting gồm: (i)

kích thước cọc Soilcrete được đánh giá qua

thông số về hình dạng và độ đồng đều; và (ii)

tính chất Soilcrete liên quan đến nhiều thông số

phức tạp hơn là cường độ, mô đun biến dạng, và

hệ số thấm [8] Ngoài ra chất lượng Soilcrete

còn được đánh giá theo những thông số phù hợp với mục đích ứng dụng: (a) mô đun biến dạng nếu để giảm độ lún; (b) cường độ trong ổn định

và chống trượt; và (c) tính thấm khi cần khống chế nước trong đất hoặc chất ô nhiễm [2]

3 YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC (ĐƯỜNG KÍNH) SOILCRETE

3.1 Cơ chế làm việc tia phụt áp lực cao

Ba yếu tố ảnh hưởng hiệu quả Jet Grouting gồm: (a) cấu tạo tia phụt; (b) năng lượng phụt; (c) cơ chế cắt xói [8] Quá trình cắt xói làm đất xung quanh bị phá huỷ hoàn toàn một phần tia phụt vẫn thấm vào lỗ rỗng và một phần thay thế đất do dòng bùn chảy lên mặt đất qua khoảng trống giữa thành lỗ khoan và cần phụt Phần trào ngược (vữa và đất) tăng khi cỡ hạt giảm từ 0% ÷ 80% [15, 17] Đất dễ thấm như sỏi thô dòng trào ngược thường không đáng kể vì hầu hết dòng vữa phụt có thể thấm dễ dàng vào lỗ rỗng theo phương bán kính mà không làm xáo trộn Nền được cải thiện chủ yếu theo cơ chế phụt vữa thấm nhập [12]

Khi cỡ hạt mịn hơn (cát hay sét), khe rỗng các hạt nhỏ hơn, tính thấm giảm đáng kể Tia phụt có xu hướng phản xạ và phá vỡ cấu trúc đất nên nền được cải thiện theo cơ chế cắt xói

và trộn đất [8, 17] Nhiều tác giả giả định trong nền cát tia phụt thấm vào sau bề mặt một khoảng cách hạn chế, làm tăng đáng kể áp lực lỗ rỗng, do đó giảm lực tiếp xúc giữa các hạt Hạt

dễ dàng bị dời khỏi vị trí ban đầu do tác động tia chất lỏng [17]

Trong nền sét, khe rỗng rất nhỏ nên tia phụt không thể thấm vào, tia phụt được xem như một khối cứng xuyên vào đất dưới tải trọng tỷ lệ thuận với động lượng, gây ra ứng suất Đất bị cắt xói khi ứng suất cắt vượt cường độ chịu cắt đất Sự phá hoại theo cơ chế cắt không thoát nước nên khả năng chịu cắt xói nền liên quan

chủ yếu S u, [8, 17]

3.2 Các đặc trưng và trạng thái đất nền

Đặc trưng đất nền ảnh hưởng đến cơ chế cắt

xói gồm: (i) thành phần hạt; (ii) độ chặt tương

đối (N SPT), và (iii) cường độ cắt nhanh không

thoát nước S u [11] Theo Keller Group, Jet

Grouting có thể xử lý cho hầu hết các loại đất

từ đất yếu, đất rời, đất sét trừ sỏi cuội hạt lớn

Jet grouting còn có thể gia cố cho các vị trí có

cấu tạo địa chất thay đổi và cả đất lẫn hữu cơ

(Keller Group)

Đường kính cọc soilcrete giảm khi cỡ hạt

giảm [11, 21] Đất hạt rời có lỗ rỗng lớn hơn,

lực dính nhỏ hơn nên lực tiếp xúc giữa các hạt

giảm nhiều hơn, kết cấu dễ bị phá hủy [8, 12]

Theo [1], phụt vữa trong đất cát sẽ tạo đường

kính cọc lớn, do đất cát sẽ cần ít năng lượng

hơn do tính rời rạc, ngoài ra lượng vữa dư dễ

trồi lên mặt do tính lưu động cao của vữa Khả

năng cắt xói giảm đáng kể ngay cả khi đất có

lực dính nhỏ [1] [8] cho thấy lực dính đất càng

tăng, đường kính càng giảm nếu không thay

đổi áp lực và vận tốc cần phụt [18] chỉ ra rằng

giảm 25% đường kính cọc khi xuyên qua từ đất

rời sang đất rất chặt, tất cả các thông số khác là

như nhau

Ảnh hưởng Su đến kích thước cọc, khi áp lực

phụt còn nhỏ, khoảng cách cắt được không đáng

kể (dưới 5 mm) Đến khi áp lực lớn hơn cường

độ, q u (gấp 2 lần S u) thì khoảng cách cắt tăng

nhanh theo áp lực [12] Nguyên nhân do áp lực

tia phụt đủ lớn mới làm đất bị phá hoại theo cơ

chế cắt không thoát nước Theo [8] (từ nguồn

Welsh et al 1986) với S u > 41 kPa, đường kính

Soilcrete < 1,5 m

Đường kính cọc lớn nhất đạt được trong đất

cấp phối rời rạc Tuy nhiên, cấp phối ít có ảnh

hưởng khi hệ số đồng nhất (C u = D60/D10) cao

[8] Theo [8] (từ nguồn Miki 1985), đường

kính cọc không chịu ảnh hưởng bởi sự phân bố

cỡ hạt khi C u > 10 Theo [8] (từ nguồn Welsh

et al 1986) khi C u > 8, cấp phối có ảnh hưởng nhỏ đối với khả năng tia phụt xuyên phá cát hoặc bụi

Theo [18], quan hệ giữa đường kính soilcrete

và giá trị N SPT với Phun ba tạo nên cọc có đướng kính lớn gấp 3 lần đường kính cọc thi công bởi Phun đơn nếu không xét đến loại đất và độ chặt

đất Chỉ số N SPT thể hiện rõ độ chặt của đất rời

hơn sự phân bố cỡ hạt N SPT còn thể hiện cường

độ đất nên có quan hệ với đường kính cọc không chỉ ở đất rời mà còn ở đất dính Tuy

nhiên, ảnh hưởng NSPT không lớn bằng S u

Đường kính cọc giảm không nhiều khi N SPT tăng

từ 4 ÷ 35 nhưng thay đổi rõ rệt khi từ lớp đất rời sang lớp đất dính [20]

Thực tế bán kính thực cọc giảm so với lý thuyết bởi ảnh hưởng độ ẩm do bùn dư gây ra [5] Điều này đặc biệt đúng ở đất dính vì loại đất này phải mất năng lượng đáng kể để phá cấu trúc đất và áp lực tối thiểu phải dùng 40 MPa chỉ để xói đất có sức chống cắt bằng 0.04 MPa

[5] nguồn Coomber (1985) Sự thay đổi đường

kính cọc ít khi vượt quá 10% ngoại trừ trong đất hạt thô [5]

Áp lực phun cần xem xét đến loại và độ chặt đất, có như vậy sẽ đạt được kết quả tối ưu, áp lực thông thường vào khoảng 20 ÷ 60 MPa, tổn thất do ma sát giữa bơm và đầu phun có thể vào khoảng 5 ÷ 10% áp lực bơm [5] Trong thí

nghiệm [5] (từ nguồn Broid et al 1981) với

đường kính cọc lớn (từ 5,0 ÷ 7,0 m) và khối lượng vữa phụt ra lớn (120 ÷ 150 lít/phút) trong đất cát với áp lực thấp (7,0 MPa)

[1] đề nghị rằng đối với các loại đất lẫn sỏi

sạn thường dễ xử lý Tuy nhiên, các loại cỡ hạt cấp phối không tốt với tính thấm cao có thể làm mất mát lượng vữa do quá trình thấm vữa ra vùng nền xung quanh, vì vậy làm giảm đường kính và làm thay đổi đặc tính Nền chứa nhiều hạt cuội sỏi (trên 50%), sản phẩm có hình dạng

bất thường hơn, khối Soilcrete không đặc chắc

do vữa bị thấm [16]

3.3 Ảnh hưởng hệ thống thiết bị

Quá trình cắt xói đất thực chất là quá trình

động năng tia vận tốc cao tác dụng vào đất, phá

vỡ cấu trúc đất Năng lượng cắt xói đất phụ

thuộc: (i) Vận tốc tia phun, (ii) Áp lực phun,

(iii) khối lượng riêng chất phun (vữa hay nước),

lưu lượng (số lượng, kích cỡ, hiệu quả vòi), (iv)

tốc độ quay và nâng hạ cần phun, (v) lớp đệm

khí, (vi) độ nhớt vữa (độ nhớt càng thấp thì tia

vữa càng dễ phân tán) Tia phun phân tán thì dù

năng lượng cao cũng không tạo ra cọc kích

thước lớn hơn [10] Trong đó, áp lực, lưu lượng,

và vận tốc phun được nhiều tác giả xem là

những nhân tố quan trọng nhất [5]

3.3.1 Ảnh hưởng áp lực phun

Xói đất với áp lực cao khoảng cách xói sẽ

tăng tối đa khi áp lực phun vượt quá cường độ

nén nở hông đất [12] Quan hệ giữa khoảng cách xói và áp lực phun: (1) với cát khi áp lực phun 0 ÷ 100 kPa thì khoảng cách xói tăng chậm, nhưng khi tăng áp lực lên trên 100 kPa thì khoảng cách xói tăng nhanh; (2) với đất sét với cấp áp lực 0 ÷ 180 kPa thì khoảng cách xói tăng rất chậm và nhỏ hơn so với cát, nhưng khi tăng áp lực này lên trên 180 kPa thì khoảng cách xói bắt đầu tăng nhanh hơn Nguyên nhân được

cho là cường độ nén có nở hông đất sét cao hơn

Phun vữa bên dưới mực nước ngầm, sự tiêu hao năng lượng tia nước là vấn đề cần xem xét [7] [7] đã chứng minh rằng việc bổ sung đệm khí sẽ làm gia tăng hiệu quả cắt tia nước Với khí màn che bên ngoài, tia vữa có thể gia tăng khoảng cách xói tia nước lên 5 lần so phụt trong nước (Hình 1) Ngoài ra, đệm khí còn đẩy hỗn hợp bùn dư lên phía trên bề mặt giảm giúp áp suất môi trường xung quanh tia phun [12]

Hình 1: Quan hệ khoảng cách phun và áp lực vữa [24] (từ nguồn Miki và Nakanishi 1984)

Áp lực có ảnh hưởng lớn vì quan hệ chặt chẽ

với vận tốc tia phun quyết định động năng tia

phụt Nếu áp lực không đủ lớn, tia phụt sẽ

không đạt được vận tốc thích hợp để cắt xói đất

[10] 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% ÷ 20% áp lực bơm [5, 11]

Áp lực miệng vòi lớn phải dùng bơm có áp lực

lớn có thể giảm an toàn Theo [8], áp suất bơm

ít khi cao hơn 50 MPa

3.3.2 Ảnh hưởng lưu lượng phun

Động năng tia phun không chỉ phụ thuộc vào

vận tốc hay áp lực phun mà còn phụ thuộc vào

khối lượng riêng chất phun Động lượng tia phn

(tích vận tốc & khối lượng riêng tia phun) có

ảnh hưởng đối với kích thước cọc Thông số

quan trọng nhất ảnh hưởng hình thành Soilcrete

là động lượng tia phụt [10] Tăng kích thước cọc

theo hướng tăng khối lượng riêng vữa phun

bằng cách mở rộng kích thước lỗ phun (tăng lưu

lượng) hoặc kéo dài thời gian phun Biện pháp

đầu tiên an toàn hơn dùng áp suất bơm lớn [7]

Tuy nhiên, với cùng một thể tích đất cắt xói

được, biện pháp tăng khối lượng riêng vữa tạo

ra lượng vữa trào ngược nhiều hơn và tốn nhiều

thời gian thi công hơn [10, 12]

Hai cách để nâng cao động lượng tia phun:

(1) tăng vận tốc bằng cách tăng áp lực phun và

(2) tăng khối lượng bằng cách tăng lưu lượng

phun [7] [7] cho rằng tăng lưu lương phun làm

tăng khả năng cắt và an toàn hơn vì tránh được những nguy hiểm khi làm việc với áp lực lớn

[10] cũng cho rằng phương pháp gia tăng lưu

lượng phun sẽ hiệu quả hơn, nhưng nhược điểm là lãng phí và cần xử lý khối lượng lớn bùn trao ngược

3.3.3 Ảnh hưởng tốc độ xoay và rút cần

Theo [5] (từ nguồn Kauschinger & Welsh 1989), tốc độ xoay thanh cần từ 4 ÷ 6 vòng để

đủ trộn đất với vữa và số lặp lớn hơn 5 ít làm tăng đường kính cọc (Hình 2) Mối quan hệ giữa tốc độ rút cần, thể tích đất xử lý, và áp lực phun thể hiện trên Hình 3 Tốc độ quay và rút cần chậm làm tăng năng lượng xói lên một đơn vị thể tích và khoảng cách xói sẽ tăng lên Vận tốc rút cần càng giảm, thời gian phụt càng tăng, lượng vữa bơm vào đất và lượng đất được thay thế càng nhiều, hỗn hợp vữa – đất cũng được trộn nhiều hơn, cường độ sản phẩm tăng [8] Thời gian phụt tăng làm tăng lượng vữa trào ngược, tăng lãng phí vật liệu, và công tác xử lý bùn thải [10]

Hình 2 Tốc độ xoay và chu kỳ lặp ảnh hưởng đường kính xói [12]

Hình 3 Quan hệ tốc độ rút cần và thể tích đất xử lý [24] từ nguồn ASCE (1987)

Vận tốc quay cần được phối hợp với tốc

độ rút cần để tia phụt có thời gian tác dụng

phù hợp lên đất [16] Cỡ hạt càng giảm hay

lực dính càng tăng, vận tốc quay cần càng

giảm [10] Tuy nhiên, do một phần tia phụt

phản xạ khi gặp đất Tia phụt quay chậm đến

một mức nào đó có thể bị giảm hiệu quả cắt

xói do sự phản xạ trên [16] Nếu tốc độ rút

cần và quay cần không phối hợp hợp lý, tốc

độ rút cần nhanh có thể tạo ra cọc ‘xoắn ốc”,

không phù hợp với những tổ hợp cọc

Soilcrete giao nhau [10] nguồn Coomber

(1985) Tuy nhiên, một số trường hợp, khi

cần khoan phụt quay đều, khoảng cách cắt

xói được ở các hướng có thể chênh lệch lớn

do lớp đất không đồng nhất hoặc có chướng

ngại vật che tia phụt [12]

Theo [8], vận tốc rút cần từ: 15 ÷ 100 cm/phút với Phun đơn, 10 ÷ 30 cm/phút với Phun đôi, 6 ÷ 15 cm/phút với Phun ba Vận tốc quay cần thông thường từ: 5 ÷ 15 vòng/phút với Phun đơn, 4 ÷ 8 vòng/phút với Phun đôi và Phun ba Việc nâng đầu phun có thể liên tục hoặc tiến hành theo từng nấc [12], [8]

3.3.4 Ảnh hưởng tỉ lệ nước : xi măng

Tỉ lệ w:c lựa chọn sao cho đạt được yêu cầu

về cường độ và tính thấm [5] Việc lựa chọn vật liệu vữa nhằm tạo sản phẩm chất lượng cao với chi phí thấp Cường độ chịu nén Soilcrete được xác định bởi lượng xi măng và một phần đất còn lại trong Soilcrete, tính chống thấm Soilcrete ngăn không cho nước thấm vào bằng cách lựa chọn loại vữa phù hợp, có thể bổ sung thêm bentonite

Tỉ lệ w:c thường dùng giá trị vào khoảng 0,6

÷ 1,2 (thường lấy 1) và dựa trên cấp phối hạt

đất, tính thấm đất, độ ẩm đất, khối lượng trung

bình vữa trong 1 m³ đất [5] Đối với đất có tính

thấm thấp, trường hợp này nước trong vữa thoát

ra kém, nên soilcrete có cường độ thấp hơn

trong đất rời, còn các thông số khác thì không

đổi [5] Trong trường hợp cho mục đích chống

thấm, vật liệu Soilcrete không cần cường độ cao

đặc biệt đất rời, khi đó việc bổ sung Bentonite

(hơn 5% trong lượng đất) là cần thiết [5] [5] (từ

nguồn Coomber 1985) cho rằng có thể dùng tro

bay với tỷ lệ xi măng : tro bay = 1:1 ÷ 1:10 có

lọc tránh hiện tượng tắc nghẽn trong thiết bị và

đầu phun

3.3.5 Ảnh hưởng kích thước và số lượng

vòi phun

Nhiều nghiên cứu về thiết kế cấu tạo vòi

phun để nâng cao khả năng cắt đất tia vữa/nước

[24] Số lượng và đường kính vòi phun ảnh

hưởng trực tiếp đến lưu lượng phụt ra, tỉ lệ đất

bị cắt, và lượng vữa phụt vào trong nền [14] Số

lượng vòi phun có thay đổi từ 1 ÷ 4 vòi và

đường kính vòi phun thường khoảng 1 ÷ 5 mm

[14] Lưu lượng cao sẽ cần một bơm công suất

lớn để duy trì áp lực cao [16] Vòi phun đường

kính lớn sẽ làm cho việc sử dụng bơm công suất

lớn Tuy nhiên, với cùng một giá trị lưu lượng,

việc gia tăng số lượng vòi sẽ làm giảm khả năng

cắt đất do mất mát năng lượng nhiều hơn [5]

(từ nguồn Kauschinger & Welsh 1989) vòi phun

có đường kính 2,0 mm với vận tốc phun 250

m/s tạo ra lưu lượng khoảng 75 lít/phút và có

năng lượng 100 sức ngựa

3.4 Ảnh hưởng áp suất môi trường xung

quanh tia phun

Động năng tia phụt không chỉ phụ thuộc thiết

bị mà còn phụ thuộc vào áp suất môi trường

lỏng xung quanh vòi phun Áp suất môi trường

lỏng càng lớn vận tốc tia phun càng giảm động

năng cắt xói càng nhỏ [12, 18] Khi tia phun cắt

xói đất, một phần tia phun phá huỷ đất và một

phần có xu hướng làm tăng áp lực môi trường

lỏng xung quanh Việc duy trì dòng bùn trào ngược qua khoảng hở giữa thành cần và lỗ xuang quanh giúp giảm áp suất môi trường lỏng [4, 8, 11, 23] Nếu khoảng trống giữa thành lỗ khoan và cần phun quá nhỏ hoặc bị tắt, lượng vữa phun vào nền dưới áp lực cao sẽ làm tăng

áp lực hỗn hợp vữa - đất quanh vòi phun [10] Tia phun không đạt được vận tốc cao để cắt xói

và trộn đất hiệu quả Năng lượng máy bơm bị hao phí vào việc nén ép đất làm nền chuyển vị Cọc soilcrete không đạt được hình dạng và chất lượng vật liệu như mong muốn [5, 6]

Chuyển vị đất do áp lực hỗn hợp lỏng khi dòng vữa trào ngược bị tắt có thể vượt quá giới hạn và gây ra vết nứt trong nền (hiện tượng Hydro-fracturing) [4, 5] Khi xảy ra hiện tượng nứt nền, vữa chảy từ thành lỗ khoan vào khe nứt tạo ra sản phẩm cuối cùng không như kỳ vọng Đồng thời, chuyển vị nền khi xảy ra hiện tượng Hydro-Fractureing có thể làm hư hỏng kết cấu công trình xung quanh [10] Độ nâng nền sét mềm có thể hơn 1 m [5]

Để đảm bảo chất lượng soilcrete và hạn chế biến dạng nền, một trong những yêu cầu cơ bản Jet Grouting cần phải duy trì dòng vữa trào ngược liên tục trong suốt quá trình cắt xói [15]

Lỗ khoan có thể bị tắt nghẽn do đất rời rạc khiến thành lỗ khoan không ổn định Tuy nhiên, với đất dính như sét dẻo thường chỉ vỡ thành từng tảng hoặc cục đất mà không dễ bị cắt xói thành những hạt nhỏ Dòng bùn thải thường chỉ

có thể mang theo các hạt lớn hơn cỡ hạt cát mịn (0,25 mm) lên mặt đất Hậu quả các tảng hoặc cục đất dính thường chỉ lên đến lưng chừng lỗ khoan và có thể gây tắt nghẽn [4]

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH CỌC SOILCRETE

Đường kính cọc soilcrete không chỉ liên quan đến phương pháp phun vữa mà còn phụ thuộc lớn vào rất nhiều nhân tố như: loại đất, đặc trưng và trạng thái đất, mực nước ngầm, lượng

xi măng, và năng lượng dùng làm cọc [24] Vì vậy, việc xác định đường kính Jet Grouting

chính xác là vấn đề hết sức phức tạp Nhiều

nghiên cứu trong việc xác định đường kính

soilcrete khi dùng phương pháp thi công Jet

Grouting dựa vào các quan hệ sau:

4.1 Khi điều kiện đất nền thay đổi thì bán

kính soilcrete thay đổi theo, dựa vào đo đạc

tỏa nhiệt và phân tích tỏa nhiệt bởi các sensor

đặt tại các vị trí trong cọc, [3] đề nghị xác

định: (a) bán kính soilcrete và (b) lượng xi

măng trong soilcrete ảnh hưởng đến đặc trưng

vật liệu

4.2 Với tốc độ rút v t , thể tích đất V, khả năng

xói theo thời gian dV/dt = (πD²/4).v t, đường kính

cọc soilcrete có thể xác định theo công thức,

1 t

D v và phù hợp [1]

4.3 Trong việc xác định đường kính cọc sau

khi thi công bằng Jet Grouting, [15] đưa ra công

thức xác định đường kính soilcretedựa trên mối

quan hệ cân bằng khối lượng công thức (1):

4

c t c t

W

D

H

trong đó: H: chiều cao của cọc; W t c: trong

lượng tích lũy tính toán từ sự cân bằng giữa đo

đạt trọng lượng tại hiện trường, trọng lượng

phun và đất bị trào ngược,

t

 : trọng

lượng đơn vị của cọc c

cement

water

soil

air

trọng lương xi măng, nước, đất, khí trong cột

tương ứng

4.4 Theo [9] dùng Phun đôi Jet Grouting

giảm nguy hại địa kỹ thuật, công thức tính năng

lượng phun đôi theo (2) Cọc đường kính 1,5 m,

cách nhau 1,2 m, vữa /m cọc 1070 lít hoặc 667

kg xi măng Năng lượng cụ thể 373 MJ/m tạo ra

cọc đường kính trung bình 1,5 m

( ³ / ) * ( )

( / )

t

E

V phut m

trong đó: Pg: áp lực vữa (MPa), Qg lưu lượng

vữa (m³/giờ)

4.5 Theo [6], Jet Grouting dùng Phun ba phù

hợp nhất để cải thiện đất sét nhằm: (1) thiết lập

thông số Jet Grouting theo năng lượng phun trong đất cần xử lý; và (2) thiết lập thông số Jet grouting tương lai với đất tương tự Đường kính

1,6 m với khoảng chồng lên nhau 0,25 m P w =

400 ÷ 405 bar; Q w = 130 ÷ 150 lít/phút; R s = 5 ÷

10 vòng/phút; tốc độ nâng, v t = 10 ÷ 12 phút/m;

Pg = 130 ÷ 150 bar; Q g = 100÷ 120 lít/phút; c/w

= 1/1 Năng lượng phun vữa E j được tính theo

công thức (3)

[ / ]

j

t

V



trong đó: P w, Pg: tương ứng áp lực nước và

vữa (MPa) Q w , Q g tương ứng là lưu lượng nước

và vữa (m³/giờ) Năng lượng tối thiểu 75 MJ/m

tạo nên cọc 1,6 m với N spt = 2 ÷10, sét biển

dùng Phun ba Cường độ 600 kPa, độ cứng 150

MPa E tk = 8N (MPa)

4.6 Theo [20] ghi lại thời gian dao động khi

tia vữa của Jet Grouting đạt đến khoảng cách đặt sensors cho việc tìm kiếm mối quan hệ giữa năng lượng và khả năng xói Ghi lại thời gian làm xói mòn đất của tia vữa để đạt được một điểm cố định để đánh giá các đặc tính làm xói mòn trong đất dùng các cảm biến rung Quan hệ của khoảng cách và thời gian xói được đưa ra theo công thức (4)

31.2

trong đó: T: thời gian phun (giây); L: khoảng cách từ vòi đến điểm đo đạt (cm); P: áp lực của vòi phun nước (MPa); Q: lưu lượng vòi nước

(lít/phút)

4.7 [11] đưa ra quan hệ đường kính cọc,

năng lượng xử lý và thông số đất đơn giản (kích

thước hạt, N SPT , S u) là thực nghiệm đưa ra thông tin cho thiết kế, nhưng không đề cặp đặc tính cơ học Đề nghị năng lượng nên xét tại vòi phun,

En, vì có thể kể đến mất mát năng lượng và tại

vòi phun và liên quan chiều dài cọc, L, và có

thuận lợi là liên quan tỉ trọng vữa và đường kính vòi phun theo công thức (5)

3

8

g n

Q E

M d



 (5)

trong đó: M: số lượng vòi phun, d: đường

kính vòi,  : mức độ nâng cần, m: lượng vữa

phun,  : vận tốc vữa tại vòi phun, n  : tỉ trọng g

vữa, Q: lưu lượng vữa

4.8 [14] đưa ra mô hình để xác định khoảng

cách xói của tia, cho rằng khả năng xói của tia

đạt đến giới hạn tại vị trí áp lực tia cân bằng sức

kháng đất theo công thức (6) Điều kiện kiểm

soát phá hoại đất, do đó khả năng xói tia phụ

thuộc tỉ trọng vữa hoặc tỉ trọng môi trường xung

quanh Việc lựa chọn áp lực phun phụ thuộc chủ

yếu vào loại địa chất ở hiện trường

6.25



trong đó: d n : đường kính vòi phun; l j: khoảng

cách xói của tia; P i : áp lực trong vòi phun; P s:

áp lực thủy tĩnh tác dụng lên đầu ra vòi phun, P i

-P s : sự khác nhau về áp lực tại vòi; q bu: khả

năng chịu cắt của đất

4.9 Công thức xác định khoảng cách xói

của tia theo [24], bán kính cọc được xác định

theo loại đất, áp lực phun, lưu lượng phun,số

lần lặp, và vận tốc quay vòi phun theo công

thức (7):

( K P Q N )

L

V



 (7)

trong đó: L: bán kính cọc (m); K: hệ số cho

từng loại đất, đối với đất cát lấy bằng 31,5; P:

áp lực phun (MPa); Q: lưu lượng phun

(m3/phút); N: số lần lặp ở chiều sâu thiết kế; V:

vận tốc quay của vòi phun (m/s) = [d × π ×V

(rpm)]/60; d: đường kính cần; D: đường kính

bên ngoài của đầu phun (m); α = 1,003, β =

1,186, γ = 0,135, δ = 0,198

4.10 Theo [22] việc phun vữa với vận tốc

cao phun xói đất, tồn tại khoảng cách thâm nhập

tạo ra trong đất, đường kính có thể dự báo từ

khoảng cách thâm nhập theo: (a) lý thuyết dòng

chuyển động hỗn loạn, và (b) lý thuyết xói đất

Nếu xem đường kính cần khoan, D 0, khi đó bán

kính cọc soilcrete, R j, được xác định theo công

thức (8 và 9) [22]

0

4



    (8)



 /



trong đó: x L : khoảng cách thâm nhập, Q: lưu lượng vữa, M: số lượng vòi phun, b: thông số đất dựa trên kết quả đo đạt, b khác nhau cho nhiều loại đất, sét: b = 1,2 ÷ 2; bùn sét: b = 0,75-1,4; cát b = 0,25-0,75

4.11 Xác định đường kính có xem xét đến

loại đất (rời, hoặc dính), cường độ, năng lượng

hệ thống Jet grouting, hoạt động vòi phun, theo

[13], đường kính trung bình Da được xác định theo công thức (10a và 10b) tương ứng cho đất hạt mịn và đất rời































5 0

10

* 5 7

* '

c n

ref a

q E

D

D (10a)































10

10

* 5 7

* n' SPT

ref a

N E

D

D (10b)

Công thức 10a và10b, Dref, có ý nghĩa vật lý

để tìm ra được đường kính với Jet Grouting tùy theo α bằng 1 hoặc 6 tương ứng cho phun đơn

hoặc Phun đôi và Phun ba, E’ n = 10 MJ/m và qc

= 0,5 MPa hoặc NSPT = 10 phụ thuộc loại đất

trong đó: đường kính tham chiếu, Dref, phụ

thuộc đặc tính đất, cùng với 2 số mũ β và δ, đã

được hiệu chuẩn trên dữ liệu thí nghiệm Động

năng cụ thể tại vòi E’ n tỉ lệ xi/nước theo trọng

lượng w bằng 1 (Λ* ref ~= 7,5) và năng lượng cụ

thể tại vòi phun E’ n,ref = 10 MJ/m Sức kháng

đất xác định bởi N SPT và qc tương ứng cho đất

rời và đất dính Giá trị tham chiếu cho N SPT,ref =

10) và q c,ref = 0,5 MPa

5 THẢO LUẬN

Việc đưa ra công thức xác định đường kính soilcrete cần phải phản ảnh đầy đủ toàn bộ quá trình hình tạo thành cọc trong đất nền gồm 4 bước: (1) đầu tiên là phân loại đất (rời, dính) mà

xác định cường độ (Nspt và Su); (2) cơ chế cắt xói khác nhau theo loại đất nền (sét, cát, sỏi); (3) dựa vào đường kính yêu cầu thiết kế sẽ chọn

hệ thống Jet Grouting thích hợp theo cơ chế xói

và năng lượng yêu cầu; và (4) chọn thông số

vận hành tương ứng với hệ thống và đường kính

yêu cầu Vì vậy, việc chọn được công thức xác

định đường kính phải phản ảnh được toàn bộ 4

bước trên thì công việc ứng dụng Jet Grouting

sẽ có được kết quả tối ưu Tổng hợp các công

thức xác định đường kính Soilcrete của Jet

grouting có thể tổng hợp về mức độ thỏa mãn toàn bộ các yêu cầu hình thành cọc theo Bảng 1 Theo kết quả thống kê trong bảng thì chỉ Công thức 11 hợp lý nhất và đáp ứng toàn bộ yêu cầu của việc dự báo đường kính soilcrete của Jet Grouting

Bảng 1 Các công thức xác định đường kính Soilcrete tạo ra bởi Jet Grouting

TT

Theo loại đất

(rời: N SPT, dính

Su)

Cơ chế xói (rời hoặc dính)

Hệ thống-Năng lượng (vữa, nước, khí)

Thông số vận hành (tùy theo hệ thống)

Khác

nhiệt xi

xi, nước, đất,

và khí

Phun đôi

Ap lực, lưu lượng, vận tốc nâng

Phun đôi

Ap lực, lưu lượng, vận tốc nâng

lượng, thời gian phun

Sensor đo đao động

7 Năng lượng Đầy đủ thông số

vận hành

8 Khả năng chịu cắt

của đất (không

phân loại)

Áp lực phun, Áp lực môi

trường

vận hành

10 Xem xét loại đất,

cường độ qu

Lưu lượng, số vòi

11 Rời: N SPT , dính S u Cơ chế khác

khau, D ref khác

nhau

Năng lượng khác nhau, xét tại vòi

Thông số vận hành qui thành năng lượng

Độ nhớt vữa

theo Λ*