Ứng dụng đầu tiên của phương pháp phun vữa tại Việt Nam là được thực hiện bởi Trung tâm công nghệ cao Hòa Lạc của Viện Tài nguyên nước Việt Nam vào tháng 6 năm 2004. Với các ứng dụng thành công trong một số dự án tại Việt Nam, phương pháp đã được chứng minh là có hiệu quả cao trong việc này loại dự án, trong đó cả hai khả năng chịu lực và tính thấm phải được giải quyết. Nó cũng Cho thấy phạm vi ứng dụng rộng hơn nhiều, đặc biệt là cải thiện nền móng cho việc xây dựng, đường giao thông, cầu, bến cảng và đường hầm, cấu trúc.
Trang 1Một số kết quả thí nghiệm về sức chịu tải của cọc xi măng - đất thi công bằng khoan phụt cao áp
Nguyễn Quốc Dũng*, Nguyễn Quốc Huy*,
Vũ bỏ Thao*
* Vi ện KHTL 171 Tõy Sơn - Đống Đa - Hà Nội
Tel/Fax: 8537083/5632827
The results of testing bearing capacity and other parameters of soil-cement columns was created by jet-grouting method
Abstract: While searching for technological solution to repair downgrading hydraulic structures, the
researcher team of the Vietnam Institute for Water Resources have found jet-grouting method, one the most advance ground improvement techniques The first application of jet-grouting method in Vietnam was executed by the Hoa Lac high tech Centre of the Vietnam Institute for Water Resources in June 2004 With the successful applications in some projects in Vietnam, the method proved to be highly effective in such type of projects, where both of ground bearing capacity and permeability are to be addressed It also
suggests a much wider range of applications, particularly in improvement of foundation for building, roads, bridges, harbors and tunnels, structures and so on
This paper will introduce the results of testing bearing capacity and other parameters of soil-cement columns and comparing these results with other.
Trang 21 Giới thiệu công nghệ
Khoan phụt cao áp (KPCA) là một phương
pháp xử lý nền tiên tiến được sử dụng rộng rãi
trên thế giới Được phát minh năm 1970 ở Nhật
Bản, công nghệ này đã chứng tỏ được tính ứng
dụng cao trong rất nhiều công trình ở các nước
phát triển như Nhật Bản, Anh, Mỹ, v.v
KPCA thực chất là một phương pháp tạo cọc
xi măng đất kiểu trộn ướt, để so sánh với các
phương pháp tạo cọc xi măng - đất hoặc xi măng
- vôi - đất, kiểu trộn khô đã được nghiên cứu và
sử dụng ở nước ta trong mấy năm gần đây
KPCA có nguồn gốc từ việc sử dụng tia nước
cao áp để xẻ các vỉa than Về sau, nó được đưa
vào lĩnh vực xây dựng để xử lý nền đất yếu
Thiết bị dùng trong công nghệ này gồm một máy
khoan và một máy bơm cao áp Hai thiết bị này
kết hợp lại để đưa một tia vữa có áp lực lớn vào
lòng đất để đánh nhuyễn và trộn đều hỗn hợp
vữa này với đất Quy trình thi công gồm có các
bước dưới đây (Hình 1):
1 Từ mặt đất tự nhiên, khoan xuống đến cao
trình đáy của lớp cần xử lý
2 Phụt vữa theo phương ngang với áp suất
cao (200-400 atm)
3 Trong quá trình phụt vữa, cần khoan vữa
xoay vừa rút lên dần, tạo ra cột vữa hình trụ
4 Tiến hành cho đến cao trình đỉnh của lớp
cần xử lý
Hình 1: Các bước thi công KPCA
Các ưu điểm chính của KPCA gồm có:
- Thiết bị thi công gọn nhẹ, có thể triển khai
được trên địa bàn chật hẹp, có chiều cao hạn
chế
- Đường kính khoan nhỏ (40-90mm) nhưng
vẫn có thể tạo ra được cọc xi măng đất đường
kính lớn (600-1000mm) ngầm trong lòng đất
Đây là một ưu thế có thể khai thác trong công tác
sửa chữa, gia cố nền cho công trình sẵn có
- Có thể xử lý cục bộ một tầng đất hoặc lớp xen kẹp yếu nằm ở sâu
- Có thể thi công dưới mực nước ngầm
- ứng dụng được với mọi loại đất
Các ứng dụng chính của KPCA gồm có:
- Làm móng công trình mới
- Gia cường móng sẵn có
- Tạo tường chắn, tường chống thấm
- Gia cố mái dốc
- Tạo vỏ cho đường hầm
Tài liệu khoa học về công nghệ này ở trong nước hiện nay có rất ít Trong cuốn "Sổ tay xử lý
sự cố công trình xây dựng" (Tập 1) của tác giả Trung Quốc Vương Hách, phương pháp này được gọi là phương pháp phun xoay bơm vữa Cuốn sách này cung cấp một số liệu thực tế rất
bổ ích, có thể dùng để so sánh, đối chiếu Ngoài
ra, cuốn "Hư hỏng, sửa chữa, gia cường nền móng" của Lê Văn Kiểm cũng có đề cập đến phương pháp này để gia cường nền Tuy nhiên
cả hai tài liệu nói trên cũng chỉ dừng ở mức giới thiệu sơ lược với số liệu được lấy từ các công trình được thi công ở nước ngoài
Việc đưa thiết bị và chuyển giao công nghệ vào nước ta chỉ mới được Trung tâm Công nghệ cao thuộc Viện Khoa học Thủy lợi thực hiện vào tháng 4 năm 2004, sau đó được đưa vào sử dụng trong công tác xử lý chống thấm nền và mang cống dưới đê cho một số công trình ở Nghệ An và Hà Nam được ghi nhận là rất thành công
Tuy nhiên, ứng dụng gia cố, nâng cao sức chịu tải của nền và làm móng cho công trình đến nay vẫn chưa được phát huy Để tìm hiểu khả năng ứng dụng này, một số thí nghiệm đã được Trung tâm thực hiện tại Trạm nghiên cứu tài nguyên đất - nước ven biển Đồ Sơn, Hải Phòng Bài báo này sẽ trình bày các kết quả chủ yếu thu được qua các thí nghiệm về sức chịu tải của cọc
xi măng - đất
2 Kết quả thí nghiệm 2.1 Thí nghiệm nén tĩnh hiện trường
Bãi thử cọc xi măng - đất nằm trong khuôn viên của Trạm nghiên cứu tài nguyên đất - nước ven biển Đồ Sơn, Hải Phòng Các cọc xi măng - đất được thi công bằng phương pháp KPCA có đường kính 600mm, chiều dài cọc 8m
Thí nghiệm nén tĩnh hiện trường được tiến
Trang 3hành tại 05 điểm nhằm xác định sức mang tải
của cọc và nhóm cọc trên cơ sở tiêu chuẩn
TCXD 190: 1996 (móng cọc tiết diện nhỏ) Công
tác thí nghiệm được thực hiện vào đầu tháng 10
năm 2004
Để thí nghiệm sức chịu tải của nền phức hợp,
tức là sự làm việc đồng thời của cọc và nền, ba
cọc xi măng - đất bố trí trên ba đỉnh của một tam
giác đều, khoảng cách từ tâm đến tâm cọc là
1,5m Trên cùng đổ một tấm bê tông cốt thép dày
40cm, mặt dưới của tấm bê tông tiếp xúc đồng
thời với ba đầu cọc và diện tích nền giữa các
cọc Vị trí các cọc được thể hiện trên hình 2
Hình 2: Sơ đồ bố trí cọc thí nghiệm
Hình 4: Bố trí kích nén ngang
Các cọc thí nghiệm có chiều dài xác định trước 8,0m nằm từ độ sâu -1m đến -9m chỉ phục
vụ công tác thí nghiệm xác định khả năng gia cố nền trong khu vực đất yếu Theo kết quả khoan khảo sát địa chất công trình, phía dưới lớp đất lấp (lớp 1) dày khoảng 2,2m là lớp sét pha xen kẹp cát pha màu xám đen lẫn vỏ sò, hữu cơ trạng thái chảy (lớp 2) dày khoảng 8,0m, đây là lớp đất rất yếu và độ lún lớn Sét màu xám tro trạng thái dẻo mềm (lớp 3) nằm ở dưới
Một số chỉ tiêu chủ yếu của đất nền được tóm tắt trong bảng sau:
Các cọc thí nghiệm có một số đặc điểm được trình bày ở bảng sau:
Các cọc được thí nghiệm đến phá hoại Biểu
đồ quan hệ tải trọng và độ lún tiêu biểu như ở hình 5, hình 6 và hình 7
Hình 3: Bố trí kích nén nền phức hợp
Bảng 1: Chỉ tiêu cơ lý của đất nền
Chỉ tiêu
Lớp đất
1 (Đất lấp)
2 (Sét pha-chảy)
3 (Sét xám - dẻo mềm)
- Độ sâu đáy lớp (m):
- Bề dày lớp (m):
- Khối lượng thể tích ướt ( (kN/m3)
- Độ ẩm (%)
- Hệ số rỗng (e)
- Độ sệt Is
2,0-2,4 2,0-2,4
-
-
-
-
10,0 - 10,2 7,6 - 8,0 1,82 32,23 0,953 1,26
14-15 4-5 1,86 48,12 1,150 0,54
Trang 4- Lực dính C (102.kPa)
- Góc ma sát trong ( (độ)
- Hệ số nén lún (a) (102 kPa)-1
- Sức chịu tải quy ước (Ro*) (102.kPa)
-
-
-
-
0,07 6o14' 0,125 0,534
0,17 10o0,8' 0,048 1,052
Bảng 2: Thông số cọc thí nghiệm
Thông số
Nền phức hợp (03 cọc hình tam giác)
Cọc nén dọc trục Cọc nén ngang
Tiết diện cọc
Ngày thi công
Ngày thí nghiệm
Cốt đầu cọc
Chiều dài cọc
Tải trọng thiết kế
60cm 01-02/9/2004 4/10/2004 -1,2m 8,0m 450kN
60cm 2/9/2004 6/10/2004 -1,25m 8,0m 120kN
60cm 2/9/2004 6/10/2004 -1,25m 8,0m 120kN
60cm 4/9/2004 8/10/2004 -1,3m 8,0m
35 kN
60cm 4/9/2004 8/10/2004 -1,4m 8,5m 35kN
Hình 5 Biểu đồ quan hệ tải trọng- lún:
Nền phức hợp
Hình 6 Biểu đồ quan hệ tải trọng- lún:
Cọc đơn D1
Hình 7 Biểu đồ quan hệ tải trọng- chuyển vị ngang: Cọc đơn N1
Dựa vào các biểu đồ quan hệ tải trọng - lún của cọc thí nghiệm cho phép rút ra một số nhận xét về sức chịu tải của cọc như sau:
+ Sức chịu tải tính toán của cọc thí nghiệm được tính theo công thức sau:
Ptt = Pgh/F trong đó: + Pgh là tải trọng giới hạn của cọc lấy tương ứng với tải trọng thí nghiệm khi cọc bị phá hoại
+ Ptt là sức chịu tải tính toán của cọc đơn hoặc nhóm cọc
+ F là hệ số an toàn, với cọc thí nghiệm nén tĩnh lấy F = 2,0
Việc xác định sức chịu tải cho cọc xi măng - đất chưa có tiêu chuẩn hay quy phạm, tuỳ thuộc mục đích sử dụng, độ lún cho phép của công trình cần gia cố để có thể chọn độ lún cho phù
0
10
20
30
40
50
60
70
80
T¶i träng (tÊn)
0
10
20
30
40
50
60
T¶i träng (tÊn)
0
10
20
30
40
T¶i träng (tÊn)
Trang 5hợp Theo nội dung thí nghiệm phục vụ gia cố
nền đất dưới đê, nền đường có thể khuyến nghị
lấy độ lún bằng 10% đường kính cọc Sức chịu
tải thực tế của các cọc thí nghiệm được trình bày
ở bảng 3:
Bảng 3: Sức chịu tải thực tế của cọc thí nghiệm
Số hiệu cọc Nền phức hợp (03
cọc hình tam giác)
Cọc nén dọc trục Cọc nén ngang
Sức chịu tải Pgh (tấn)
Sức mang tải tính toán
Ptt (tấn)
8,5 T 42,5 T
24 T
12 T
22 T
11 T
5 T 2,5 T
5,2 T 2,6 T
2.2 Thí nghiệm trong phòng
Các mẫu thí nghiệm được lấy bằng khoan
lấy lõi (11, 13, 15) từ các cọc xi măng - đất
được thi công trước đấy 7 ngày, đường kính
150mm Các mẫu khoan được bảo dưỡng
trong điều kiện bình thường Việc khoan lấy lõi
ở ngày tuổi sớm và đặc tính dễ gẫy, vỡ của vật
liệu thân cọc nên gây nhiều khó khăn để có thể
lấy được các mẫu với đúch kính thước tiêu
chuẩn
Các mẫu hiện trường thường không đồng
nhất trong bản thân một cây cọc Vật liệu thân
cọc có tỉ lệ hữu cơ, lẫn các trầm tích ven biển
như vỏ sò, ốc rất cao và thấy rõ tính phân tầng
dọc theo chiều dài cọc
Cường độ mẫu ở thời điển 14 ngày rất yếu,
do tốc độ phát triển cường độ của vật liệu xi
măng - đất, nên các thí nghiệm được tiến hành
ở 21, 28 và 56 ngày tuổi
Các mẫu đúc (D1, D2, D3) được chế bị từ
đất lấy ở hiện trường trộn với xi măng Đất
nguyên dạng là đất sét pha có lẫn vỏ sò được
lấy từ độ sâu 1,5m, hệ số rỗng e = 0,953; độ
ẩm 32,23%; Khối lượng thể tích tự nhiên ( =
1,82 (10 kN/m3) hệ số nén lún a1-2 = 0,125
(102 kPa)-1 Đất sau khi phơi khô, giã và qua
sàng 2mm, trộn đều với chất gia cố và nước
Chất gia cố dùng xi măng hàm lượng 100, 200,
300 kg/m3 Các mẫu đúc đường kính 150mm,
cao 300mm được bảo dưỡng trong điều kiện
bình thường trong thời gian 21, 28, 56 ngày
Kết quả thí nghiệm trên tập hợp mẫu ở các thời điểm 21, 28, 56 ngày Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 4
Trang 6Bảng 4: Quan hệ giữa cường độ nộn
và thời gian
TT Cọc Hàm lượng
Xm (Kg/m3) Rn 21 Rn 28 Rn 56
1
2
3
4
5
6
11
13
15
D1
D2
D3
100
200
300
100
200
300
1,64 2,35 7,50 5,08 13,84 14,69
3,75 3,87 13,50 6,02 15,56 17,51
4,45 4,76 17,59 6,77 16,39 19,30
Hỡnh 8: Biểu đồ phỏt triển cường độ
theo thời gian
Đối với bờ tụng mẫu 28 ngày cường độ coi như lớn nhất, nhưng đối với xi măng - đất do thành phần
xi măng và đất trong quỏ trỡnh đụng cứng sẽ hỡnh thành nhiều phản ứng húa học nờn cường độ phỏt triển chậm theo thời gian Điển hỡnh như mẫu 15 và mẫu D3, đõy là 2 mẫu cú hàm lượng xi măng cao 300 Kg/m3 Giữa mẫu KPCA thực tế và mẫu hiện trường cú sự chờnh lệch cường độ nờn khỏ lớn, nhưng độ chờnh lệch càng ngày càng giảm So sỏnh số liệu thớ nghiệm của mẫu 15 và D3 ở 21 và 56 ngày, cho sự chờnh cường độ nộn từ 78% xuống 10% Nguyờn nhõn cú thể do điều kiện tạo mẫu trong phũng và hiện trường khỏc nhau, cú sự chờnh lệch về mức độ đồng đều khi trộn xi măng vào đất và điều kiện bảo dưỡng: thời gian thi cụng khỏc nhau; ỏp lực phun và năng lượng đầm khi tạo mẫu khỏc nhau
3 Một số nhận xột và kết luận
Theo Vương Hỏch (t.225), tải trọng tới hạn thẳng đứng của cọc đơn đối với phương phỏp ống đơn (đơn pha) là 500 - 600 kN, tải trọng tới hạn ngang của cọc đơn là 30-40 kN Đõy là số liệu cú thể sử dụng được cho thiết kế nếu khụng cú điều kiện thớ nghiệm hiện trường
Tuy nhiờn, như đó trỡnh bày ở trờn, KPCA sử dụng cốt liệu sẵn cú trong đất để tạo thành vật liệu xi măng - đất cú cường độ cao hơn đất tự nhiờn Như vậy, cường độ của vật liệu mới tạo ra phụ thuộc rất nhiều vào cỏc đặc tớnh địa kỹ thuật của đất nền tự nhiờn, như thành phần hạt, độ rỗng, v.v Đồng thời, hàm lượng xi măng sử dụng trong một đơn vị thể tớch cọc cũng là một yếu tố quyết định cường độ cọc Ngoài ra, đặc điểm địa kỹ thuật vốn cú của đất nền cũng cú ảnh hưởng quan trọng đến tương tỏc cọc - đất nền và sự làm việc của cọc Do tỏc giả Vương Hỏc đó khụng cung cấp cỏc số liệu núi trờn, việc so sỏnh cú thể bất cập Tuy vậy, ta cú thể nhận xột rằng cỏc giỏ trị thớ nghiệm thấp hơn cỏc giỏ trị của Vương Hỏch khụng nhiều (10-25%)
Cỏc số liệu do Lờn Văn Kiểm (t 77-78) cung cấp lại cao hơn rất nhiều: 200 kG/cm2 đối với nền cuội sỏi, 150 kG/cm2 đối với đất cỏt và 80 kG/cm2 đối với đất bựn, sột Do tài liệu chỉ giới thiệu sơ lược nờn cỏc yếu tố địa kỹ thuật của đất nền, cụng nghệ thi cụng, hàm lượng vữa, tiờu chuẩn thớ nghiệm, v.v đều khụng rừ Vỡ vậy, rất khú cú thể so sỏnh trực tiếp với cỏc kết quả được thực hiện ở
Đồ Sơn
Bất kỳ một cụng nghệ mới cũng đũi hỏi rất nhiều đầu tư thời gian và vật chất để hoàn thiện, kiểm chứng và tiến tới phổ biến rộng rói Thớ nghiệm tại Đồ Sơn được thực hiện trong một thời gian rất ngắn và với kinh phớ hạn hẹp, do đú chắc chắn cú nhiều thiếu sút Đõy chỉ cú thể là một trong rất nhiều thớ nghiệm cần được tiếp tục thực hiện với quy mụ lớn hơn và chuyờn sõu hơn Vỡ vậy, cần phải tạo điều kiện cho cỏc đề tài nghiờn cứu với đầu tư đỳng mức về cụng nghệ này nhằm hoàn chỉnh phương phỏp tớnh toỏn, quy trỡnh thi cụng và kiểm tra, kiểm soỏt chất lượng cũng như cỏc tiờu chuẩn liờn quan, trong đú gồm cả
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
2 )
thời gian (ngày)
Biểu 4: Biểu đồ Phát triển cờng độ theo thời gian
Mẫu 11 Mẫu 13 Mẫu 15 Mẫu D1
