Nghiên cứu giải pháp khoan trộn vữa phun áp lực cao (jet grouting mixing) để ngăn chặn nước ngầm chảy thấm dưới chân tường vây khi thi công hố đào trong nền đất có tấng cát dày

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KHOAN TRỘN VỮA PHUN ÁP LỰC CAO JET GROUTING MIXING ĐỂ NGĂN CHẶN NƯỚC NGẦM CHẢY THẤM DƯỚI CHÂN TƯỜNG VÂY KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO TRONG NỀN ĐẤT CÓ TẦNG CÁT DÀ

ĐỖ KIM KHA

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KHOAN TRỘN VỮA PHUN

ÁP LỰC CAO (JET GROUTING MIXING) ĐỂ NGĂN CHẶN NƯỚC NGẦM CHẢY THẤM DƯỚI CHÂN TƯỜNG VÂY KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO TRONG NỀN ĐẤT CÓ TẦNG CÁT DÀY

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số: 60 58 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Trọng Nghĩa

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Chủ nhiệm Bộ Môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐỖ KIM KHA MSHV: 11090313

Ngày tháng năm sinh: 03/03/1987 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 60 58 60

Khóa (năm trúng tuyển): 2011

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KHOAN TRỘN VỮA PHUN ÁP LỰC CAO (JET GROUTING MIXING) ĐỂ NGĂN CHẶN NƯỚC NGẦM CHẢY THẤM DƯỚI CHÂN TƯỜNG VÂY KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO TRONG NỀN ĐẤT CÓ TẦNG CÁT DÀY

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan đề tài nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phân tích giải pháp khoan trộn vữa phun áp lực cao để ngăn chặn dòng thấm dưới chân tường vây hố đào trong khu vực địa chất có tầng cát dày ở TP Hồ Chí Minh

Kết luận và kiến nghị

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ TRỌNG NGHĨA

Tp.HCM, ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS LÊ TRỌNG NGHĨA PGS.TS VÕ PHÁN

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tác giả chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến toàn thể quý Thầy

cô trong Bộ môn Địa Cơ Nền Móng - Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

về tất cả sự truyền giảng tận tình những kiến thức, kinh nghiệm chuyên ngành thật quý giá để giúp tác giả có đủ nền tảng kiến thức để thực hiện đề tài nghiên cứu này

Tiếp theo, tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc đến

TS Lê Trọng Nghĩa, thầy đã truyền đạt kiến thức, hướng dẫn tận tâm, định hướng, khích lệ, động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu Đồng thời, tác giả cũng gửi đến PGS.TS Võ Phán và TS Đỗ Thanh Hải lòng biết ơn sâu sắc vì những nhận xét, lời góp ý, sự khích lệ ban đầu cho đề cương đề tài nghiên cứu của tác giả

Sau cùng, tác giả gửi lời biết ơn chân thành, sâu sắc đến gia đình và bạn bè

về sự quan tâm, giúp đỡ, động viên, ủng hộ tác giả trong suốt chặn đường thực hiện

đề tài nghiên cứu này

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Học viên

Đỗ Kim Kha

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong khu vực nền đất có tầng cát dày và mực nước ngầm cao, với những công trình hố đào sâu, giải pháp thi công xử lý nước ngầm trong quá trình thi công sao cho không làm ảnh hưởng đến công trình xung quanh luôn

là vấn đề khó khăn Công trình hố đào sâu tại Tp Hồ Chí Minh nằm trong khu vực địa chất có tầng cát dày đến độ sâu khoảng -45m so với mặt đất tự nhiên, mực nước ngầm ở độ sâu -2.8m bên dưới mặt đất tự nhiên, độ sâu đào lớn nhất là 14.5m, giải pháp chắn giữ hố đào là tường vây (diaphragm wall)

có chiều dày 0.6m và dài 25m, chân tường vây nằm hoàn trong lớp đất cát pha

có hệ số thấm cao Giải pháp được chọn để phân tích và đánh giá trong nghiên cứu này là áp dụng công nghệ khoan trộn vữa phun áp lực cao (Jet-grouting mixing) để xử lý toàn bộ nền đất bên dưới đáy hố đào để làm giảm hệ số thấm của nền đất nhằm ngăn chặn dòng thấm chảy vào trong hố đào

Trước tiên, bài toán mô phỏng phân tích ngược (back-analysis) bằng chương trình phần tử hữu hạn Plaxis 2D đã được tiến hành dựa vào kết quả quan trắc thực tế chuyển vị ngang tường vây công trình Trong quá trình phân tích, dòng thấm nước ngầm chảy vào trong hố đào sẽ được tính toán Kết quả phân tích ngược chuyển vị ngang của tường vây với mô hình đất Hardening- Soil (HS) cho kết quả phù hợp với kết quả quan trắc ứng với mô đun biến dạng của nền đất lấy theo chỉ số NSPT là 50ref

E = (2300÷2600)NSPT Và mối tương quan mô đun biến dạng 50ref

E = 2300NSPT và ref

ur

E = 3 50ref

E dành cho đất nền loại cát sẽ được chọn để tiến hành phân tích trong các giai đoạn sau

Tiếp theo, bài toán phân tích hố đào có xét đến sự ảnh hưởng của lớp đất Jet-grouting bên dưới đáy hố đào (Jet-grouting Slab, viết tắt là JGS) được tiến hành Mô hình Mohr - Coloumb sẽ được áp dụng để phân tích cho lớp JGS, đối với các lớp đất tự nhiên thì vẫn áp dụng mô hình Hardening - Soil

Lớp JGS sẽ được phân tích theo 3 biến cần khảo sát: hệ số thấm k, chiều dày

T, vị trí Z của lớp JGS so với mặt đáy hố đào Kết quả phân tích cho thấy với

sự xuất hiện của lớp JGS bên dưới đáy hố đào thì lớp JGS sẽ có khả năng bị mất ổn định dưới áp lực nước đầy trồi vì hệ số thấm k của lớp JGS càng nhỏ thì áp lực nước đầy trồi lên lớp JGS càng lớn và khi đó vị trí Z của lớp JGS cần phải ở một độ sâu thích hợp thì điều kiện ổn định chống áp lực nước đẩy trồi mới được thỏa mãn Bộ 3 thông số khảo sát k, T, Z có sự ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định của lớp JGS bên dưới đáy hố đào, kết quả phân tích cho thấy hệ số an toàn nhỏ nhất chống áp lực nước đẩy trồi [FSuplift] lên lớp JGS không phải là hằng số mà thay đổi phụ thuộc vào hệ số thấm k của lớp JGS Kết quả phân tích cho thấy, với giá trị k, T, Z thích hợp thì giải pháp tạo ra lớp JGS bên dưới đáy hố đào để ngăn chặn dòng thấm chảy vào trong hố đào

là hoàn toàn khả thi và có thể làm giảm lưu lượng nước ngầm chảy thấm vào trong hố đào xuống khoảng 100 lần mà lớp JGS vẫn ổn định

ABSTRACT

In geologic regions with the sandy layer thickness is very large and ground water level is high, control work of ground water is always very difficult to not influence on adjacent buildings in excavating process for deep pits A deep pit project in Ho Chi Minh City which has position in the geologic region with the sandy layer thickness is approximately 45m below natural ground level, ground water level was 2.8m below ground surface, the largest excavating depth is14.5m below ground surface A diaphragm wall 0.60 m thickness and 25m long was used

as the retaining structure, wall toe was located in sandy soils that has high permeability The jet-grouting technology was concentrated in this study to treating the soil below the bottom of the pit to reduce the permeability of soil to prevent seepage flowing into the pit

First, the back-analysis process by finite element program (Plaxis 2D) was conducted based on the actual monitoring results of horizontal displacement of diaphragm wall In the process of analysis, seepage flow of ground water into the pit shall be calculated With the Hardening-Soil model (HS) in Plaxis program, back-analysis results show that horizontal displacement of diaphragm wall was appropriated with the monitoring results when modulus of the ground was taken by 50

be analyzed with three variables parameters: the permeability k, thickness T, Z position of JGS layer from bottom of pit Analysis results show that the presence of the JGS below the bottom of the pit, it can be unstable under the uplift pressure of water by the permeability coefficient k of JGS layer was decreased and the conditions of stability against uplift pressure of ground water shall be satisfied when

the parameters Z is suitable The parameters k, T, Z has the great influence on the stability of JGS layer beneath the bottom of the excavation, analysis results show that the minimum factor of safety against uplift water pressure [FSuplift] on JGS layer is not constant, that depend on the permeability coefficient k of JGS layer Analysis results show that, with the suitable value of k, T, Z, the JGS layer underneath the bottom of the pit is completely feasible to prevent seepage flow into the pit and total seepage discharge flow into the pit can decrease about 100 times

whereas JGS layer is still stable

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là đề tài nghiên cứu thực sự của tác giả, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Trọng Nghĩa

Tất cả số liệu, kết quả tính toán, phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực Tôi cam đoan chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Học viên

Đỗ Kim Kha

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

4

1.1 Công nghệ khoan phụt vữa cao áp (Jet-grouting) ứng dụng

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng Jet-grouting vào mục đích

1.3 Ứng dụng công nghệ Jet-grouting và mục đích chống thấm cho

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

27

2.1 Tính toán dòng thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

2.2 Chức năng "Undrained" và "Drained" của chương trình Plaxis 30

2.2.1 Chức năng "Undrained" 30

2.3 Mô hình Mohr - Coloumb và mô hình Hardening Soil 33

2.4 Thông số đầu vào của đất nền công trình 41

2.5 Thông số biến dạng của cọc xi măng đất (Jet-grouting) 45 2.6 Sự ổn định của hố đào dưới áp lực nước đẩy trồi lên lớp đất nền

2.7 Giới hạn vùng nền của mô hình phân tích 50

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP KHOAN TRỘN VỮA

PHUN ÁP LỰC CAO ĐỂ NGĂN CHẶN DÒNG THẤM DƯỚI

CHÂN TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO TRONG KHU VỰC ĐỊA CHẤT

3.1.1 Tổng quan về công trình nghiên cứu 53

3.2 Phân tích hố đào công trình theo phương pháp phân tích ngược

3.2.1 Chuyển vị ngang của tường vây 61 3.2.2 Phân tích hố đào bằng chương trình Plaxis 63

3.2.2.2 Quá trình tính toán mô phỏng thi công hố đào 67

3.2.3.1 Chuyển vị ngang và dòng thấm vào hố đào 69 3.2.3.2 Độ lún nền đất công trình xung quanh 73 3.3 Phân tích sự hiệu quả của lớp Jet-grouting để chống thấm cho hố

DANH MỤC CÁC BẢNG

phun Jet-grouting (Xathakos và cộng sự, 1994) [3] 9

Bảng 3.1 Mô tả địa chất công trình 55

wall)

64

lên lớp JGS(Với hệ số thấm k = 8.64E-3 m/ngày) 79

Hình 1.10 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến hệ số thấm của nền

Hình 1.14 Sự thay đổi hệ số thấm của nền trước và sau khi xử lý

Jet-grouting cùng với sự ảnh hưởng của công nghệ phun vữa đến

Hình 1.15 Kết quả phân tích ảnh hưởng của chiều dày lớp Jet-grouting

đến lưu lượng thấm vào trong hố đào [7] 17

Hình 1.16 Hầm chui cao tốc Lubeck-Moilsling [8] 19

Hình 1.17 Mặt cắt dọc hố đào và địa chất công trình Lubeck-Moilsling

Hình 1.20 Hố đào công trình nhà máy Isseane tại độ sâu 32m và có độ

chênh lệch mực nước giữa trong và ngoài hố đào là 27m

Hình 1.21 Thi công Jet-grouting công trình đê quai thủy điện Sơn La

Hình 2.8 Các mặt chảy dẻo trong mặt phẳng (pq ) của mô hình HS 39

Hình 2.10 Đường cong biến dạng có kể đến sự kết thúc giãn nở trong thí

Hình 2.11 Quan hệ giữa Eu/ cu theo chỉ số OCR và Ip

Hình 2.12 Biểu đồ phát triển cường độ của cọc xi măng-đất Jet-grouting

trong nền cát với lượng dùng xi măng khác nhau [22] 46

Hình 2.13 Cường độ nén 1 trục của cọc xi măng đất trong nền cát với tỷ

Hình 2.14 Cường độ nén 1 trục của vữa xi măng teho hàm lượng

Hình 2.15 Mô đun biến dạng theo cường độ nén 1 trục của hỗn hợp xi

măng-đất Jet-grouting trong nền cát [24] 48

Hình 2.16 Các lực tác dụng lên lớp đất nền Jet-grouting bên dưới đáy hố

Hình 2.17 Tính toán sự ổn định của lớp nền xử lý Jet-grouting

(Stefan M.Buykx, Steven Delfgaauw, Johan W.Bosch) [27] 49

Hình 2.18 Độ lún mặt đất xung quanh và độ sâu hố đào (Peck, 1969)

Hình 3.3 Cao độ 3 tầng chống hố đào 55

14.5m)

62

Hình 3.12 Sự thay đổi mực nước ngầm xung quanh hố đào (hmax =

14.5m

73

Hình 3.15 Mô phỏng lớp JGS dưới đáy hố đào trong chương trình

Hình 3.17 Áp lực nước đẩy trồi pactive theo hệ số thấm k (T=2m ;

Hình 3.18 Ảnh hưởng của hệ số thấm k lên hệ số an toàn nhỏ nhất

chống áp lực đẩy trồi [FSuplift] (T=2m) 81

Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều dày vùng lớp JGS lên hệ số an toàn nhỏ

nhất chống áp lực đẩy trồi [FSuplift] (k=8.64E-3 m/ngày) 82

Hình 3.21 Vị trí an toàn nhỏ nhất Zmin theo hệ số thấm k (T=2m) 83

Hình 3.23 Vị trí an toàn nhỏ nhất Zmin theo chiều dày T (k =8.64E-3

Hình 3.26 Mực nước ngầm thay đổi xung quanh hố đào (k=8.64E-3

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong lĩnh vực xây dựng hiện nay, việc khai thác không gian ngầm dưới mặt đất là một trong những vấn đề cấp thiết và đi cùng với những công trình nhà cao tầng được thiết kế có nhiều tầng hầm sâu thì luôn kèm theo nhiều vấn đề khó khăn trong thi công vô cùng phức tạp

Đặc biệt trong những khu đô thị chật hẹp về không gian như TP Hồ Chí Minh thì việc chọn lựa giải pháp thi công hố đào tầng hầm sao cho không ảnh hưởng đến những công trình lân cận luôn là một vấn đề cấp thiết Hơn nữa, trong những khu vực địa chất có tầng cát dày và có mực nước ngầm cao thì quá trình thi công tầng hầm sẽ ẩn chứa nhiều mối nguy hiểm như nước ngầm chảy thấm từ bên ngoài vào bên trong hố đào gây sụp lún những công trình bên cạnh hoặc gây ra mất

ổn định hố đào dẫn đến sụp đổ hệ chống dẫn đến những hậu quả vô cùng tốn kém

về chi phí để sửa chữa và thời gian tiến độ thi công bị chậm trễ

Như vậy việc tìm ra hướng giải pháp để ngăn chặn không cho các sự cố như trên tái diễn ra cho các công trình hố đào trong tầng cát dày là vô cùng cấp thiết và

có ý nghĩa to lớn đóng góp cho lĩnh vực xây dựng công trình ngầm trong tương lai (các tầng hầm sâu, bãi đậu xe ngầm, các hầm ngầm, các đường giao thông ngầm…)

Trên thế giới hiện nay, để giảm hệ số thấm của đất nền hay ngăn chặn dòng thấm thì công nghệ Jet-grouting có nhiều ưu điểm, đặc biệt trong lĩnh vực hố đào sâu công trình thì công nghệ Jet-grouting là rất khả thi và có hiệu quả cao trong việc

giải quyết vấn đề chống thấm Do đó, đề tài: "Nghiên cứu giải pháp khoan trộn

vữa phun áp lực cao (Jet-grouting mixing) để ngăn chặn nước ngầm chảy thấm dưới chân tường vây khi thi công hố đào trong nền đất có tầng cát dày" cần

phải được tiến hành nghiên cứu

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Phân tích và đánh giá biện pháp chống chảy thấm dưới chân tường vây hố đào bằng giải pháp khoan phụt vữa cao áp (Jet-grouting bên dưới đáy hố đào) trong khu vực địa chất có tầng cát dày

Cụ thể đề tài phân tích những vấn đề sau:

1 Công nghệ Jet-grouting có khả thi cho vấn đề ngăn chặn dòng thấm dưới đáy hố đào

2 Chiều dày và hệ số thấm thích hợp của lớp Jet-grouting để chống thấm dưới đáy hố đào

3 Vị trí hợp lý cần xử lý lớp Jet-grouting so với mặt đáy hố đào

4 Phân tích và khảo sát ửng xử của hố đào khi có lớp Jet-grouting bên dưới đáy hố đào theo hệ số thấm của lớp Jet-grouting:

- Áp lực nước ngầm đẩy trồi lên lớp Jet-grouting (sự ổn định của lớp Jet-Grouting)

- Mực nước ngầm thay đổi xung quanh hố đào

- Độ lún của nền đất xung quanh hố đào

- Chuyển vị ngang của tường vây

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài chỉ tập trung phân tích, đánh giá ứng xử của hố đào sau khi có lớp grouting bên dưới đáy nhằm ngăn chặn dòng thấm từ bên ngoài vào trong hố đào

Jet-Đề tài không đi vào nghiên cứu thực nghiệm các thông số về tính thấm của nền đất cát được khoan phụt vữa Jet-grouting

Trong giai đoạn thực hiện đề tài, học viên chưa có điều kiện thi công ứng dụng vào thực tế để kiểm chứng

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mô phỏng ứng xử hố đào bằng chương trình phần tử hữu hạn (FEM) cụ thể

là chương trình Plaxis.Trình tự thực hiện bao gồm:

1 Phân tích ngược (back - analysis) để tìm mối tương quan giữa mođun biến dạng của đất nền theo chỉ số SPT dựa vào kết quả quan trắc chuyển vị thực tế của tường vây hố đào trong khu vực địa chất có tầng cát dày tại Tp HCM

2 Chọn giá trị mô đun biến dạng E thích hợp để phân tích bài toán Các vấn đề khảo sát bao gồm:

a Khảo sát chiều dày T, hệ số thấm k thích hợp của lớp Jet-grouting cần xử

lý chống thấm bên dưới đáy hố đào

b Khảo sát chiều sâu Z cần xử lý lớp Jet-grouting kể từ đáy hố đào

c Khảo sát sự ổn định của lớp Jet-grouting chống thấm bên dưới đáy hố đào

và sự ảnh hưởng của lớp Jet-grouting đến mực nước ngầm xung quanh,

độ lún của đất nền lân cận xung quanh hố đào và chuyển vị ngang tường

5 TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài cho kết quả và ứng xử của hố đào thông qua việc giảm hệ số thấm của lớp đất bên dưới đáy hố đào bằng cách tạo ra một lớp không thấm nhân tạo (tượng trưng cho một lớp sét cứng) để đưa hố đào trở về trạng thái có tường chắn cắm vào trong nền đất không thấm hoặc hệ số thấm rất nhỏ mà vẫn thỏa mãn trạng thái cân bằng ổn định

6 TÍNH THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài sẽ giúp ích cho các hố đào nằm trong khu vực có tầng cát dày có khả năng chảy thấm cao dẫn đến gây lún những công trình bên cạnh hố đào và gây mất

ổn định hố đào

Đề tài sẽ đóng góp nhiều kết quả phân tích hữu ích góp phần ngăn ngừa sự

cố như trên giúp tiến độ công trình được đảm bào quá trình thi công được dễ dàng giúp tiết kiệm chi phí vì không phải đền bù cho những công trình gặp sự cố bên cạnh

Trong tương lai đề tài sẽ là một tài liệu tham khảo quý giá và bổ ích cho các

hố đào sâu tương tự về vấn đề mô phỏng, ứng dụng công nghệ Jet-grouting để chống chảy thấm dưới đáy hố đào

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 CÔNG NGHỆ KHOAN PHỤT VỮA CAO ÁP (JET-GROUTING) ỨNG DỤNG CHỐNG THẤM CHO ĐẤT NỀN

Công nghệ Jet-grouting (khoan phụt vữa cao áp) đã được phát minh ở Nhật Bản đầu những năm 1970 Jet-grouting tạo ra cột đất gia cố từ vữa phụt và đất nền Nhờ tia nước và vữa phun ra với áp suất cao (200-400 atm), vận tốc lớn (≥ 100m/s), các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và hòa trộn với vữa phụt, sau khi đông cứng tạo thành một khối đồng nhất gọi là Soilcrete (bê tông đất) Soilrete trong đất đóng vai trò ổn định nền, chống hóa lỏng nền đất, chống thấm và cường

* Ứng dụng công nghệ Jet-grouting tại Việt Nam:

- Chống thấm cho cống dưới đê, kè, đập…

- Chống thấm, chống lún cho nền móng công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông

- Sửa chữa đáy công trình bị hư hỏng do nước ngầm

- Làm lớp đáy cứng, chống đẩy nổi cho các hố móng sâu

* Ưu điểm của công nghệ Jet-grouting:

- Phạm vi ứng dụng rộng, phù hợp với mọi loại đất

- Thi công được dưới mực nước ngầm, chiều sâu xử lý lên đến 50m [1]

- Thiết bị thi công nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế, nhiều chướng ngại vật

- Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lân cận

Đặc biệt, với những loại đất có tính thấm cao (đất cát, cát bụi ) thì công nghệ Jet-grouting rất phù hợp

Hình 1.1 Phạm vi ứng dụng công nghệ xử lý nền theo từng loại đất

(Keller,2005) [2]

Hình 1.2 Cường độ nén 1 trục không nở hông của vữa Jet-grouting (Paolo

Gazzarrini, 2009)[3]

Hiện nay, công nghệ Jet-grouting đã có 4 dạng dòng phun vữa điển hình, tùy theo điều kiện đất nền, yêu cầu chất lượng sản phẩm cột xi măng đất và yêu cầu về mức độ giảm hệ số thấm của đất nền để có thể chọn lựa một trong 4 dạng công nghệ phun sao cho phù hợp:

 Dòng phun đơn (Single Fluid Jet Grouting - Soilcrete S) - 1 pha:

Hình 1.3 Công nghệ dòng phun đơn [2]

Vữa được phun trực tiếp để cắt đất và kết hợp trộn đất tại chỗ Hệ thống phun đơn cho cọc có đường kính nhỏ nhất Phun đơn sử dụng cho đất dính ít hiệu quả hơn sử dụng cho đất rời Trong đất sỏi sạn, công nghệ Soilcrete S có thể tạo ra đường kính cọc từ 0.6m - 1.2m và trong đất cát, cát pha bụi trạng thái rời rạc thì có thể tạo ra đường kính lớn hơn

 Dòng phun đôi (Double Fluid Jet Grouting - Soilcrete D) - 2 pha:

Hình 1.4 Công nghệ dòng phun đôi [2]

Vữa và khí nén được phun trộn cùng lúc Công nghệ Soilcrete D có thể tạo ra cọc đất có đường kính hơn 1m trong đất cát chặt và chặt vừa và đường kính hơn 1.8m trong đất cát rời Thường được ứng dụng thi công tường chắn kín nước, sàn ngăn nước bên dưới hố đào Soilcrete D dùng trong đất dính hiệu quả hơn công nghệ Soilcrete S

 Dòng phun ba (Triple Fluid Jet Grouting - Soilcrete T) - 3 pha:

Hình 1.5 Công nghệ dòng phun ba [2]

Hệ thống phun ba là sự kết hợp của tia khí màn che bên ngoài tia nước để tăng hiệu quả xói đất của tia nước và ngoài ra còn có vòi phun vữa, đường kính cọc có thể đạt được hơn 1.5m Công nghệ Soilcrete T thường được ứng dụng thi công tường chắn cách nước và sàn ngăn nước dưới hố đào rất hiệu quả Công nghệ Soilcrete T hiệu quả nhất cho đất dính

 Hệ thống phun đặc biệt (Super Jet Grouting):

Hình 1.6 Công nghệ dòng phun đặc biệt [2]

Với công nghệ phun Super Jet Grouting, tia vữa và khí nén được phun đồng thời với vận tốc cao và có thể tạo ra cọc có thể lên đến 3m - 5m Công nghệ Super Jet Grouting đặc biệt hiệu quả cho việc xử lý đất nền với diện tích rộng

và khối lượng lớn

Hình 1.7 Thử nghiệm cọc Super Jet Grouting ở hiện trường (Keller)

Bảng 1.1 Các thông số điển hình ứng với từng công nghệ dòng phun Jet-grouting

(Xathakos và cộng sự, 1994) [3]

đơn

Dòng phun đôi

Trong ứng dụng Jet-grouting để chống thấm cho công trình, mức độ kín nước của kết cấu thi công bằng Jet-grouting ở hố đào nên được xác định bằng bơm kiểm tra và đo áp lực nước trước khi đào xuống thấp hơn mực nước ngầm ban đầu Tính thấm của sản phẩm có thể xác định bằng các giếng quan trắc

Hình 1.8 Công nghệ Jet-grouting ngăn dòng thấm vào trong hố đào [2]

Hình 1.9 Quy trình thi công xử lý đất nền bằng công nghệ Jet-grouting [2]

Thật vậy, trong lĩnh vực chống thấm cho công trình thì công nghệ grouting đã có những kết quả nghiên cứu có đóng góp rất quan trọng trong việc giảm hệ số thấm của những loại đất nền có tính thấm cao như cát, cát pha bụi

Jet-Jet-grouting slab

Jet-grouting slab

Tại Trung Quốc, năm 1998, các tác giả Dujianghong, Wang Jie và Chen Lanyum có đưa ra các thông số kỹ thuật và hệ số thấm của Jet grouting trong cát

ứng với từng loại công nghệ phun vữa trong bài báo "Present situation and new

methods of high pressure Jet-grouting technology in china" [4] như sau:

Bảng 1.2 Các thông số của hỗn hợp vữa xi măng đất ứng với từng loại công nghệ

phun Jet-grouting [4]

đơn

Dòng phun đôi

Năm 2010, tại Ấn Độ, tác giả Santhosh Kumar.T.G đã trình bày kết quả nghiên cứu tính chất cơ lý của loại đất nền cát rời (dung trọng tự nhiên γ = 14.5 kN/m3) vừa sau khi được xử lý bơm phụt vữa trong Luận Văn Tiến Sỹ "A study on

the engineering behaviour of grouted loose sandy soils" [5] Đặc biệt, nghiên cứu

đã cho thấy tính thấm của hỗn hợp xi măng đất chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố (thành phần hạt, thành phần cấp phối vữa phụt, công nghệ phụt vữa ) Các kết quả nghiên cứu của tác giả Santhosh Kumar.T.G với tỷ lệ Nước/(đất+xi măng) = 0.1 cho kết quả như sau:

Bảng 1.3 Hệ số thấm của cát trong nghiên cứu của Santhosh Kumar.T.G [5]

Cát mịn 0.075 ÷ 0.425 0.54x10-4Cát vừa 0.425 ÷ 2.0 1.86x10-4Cát thô 2.0 ÷ 4.75 2.69x10-4

Hình 1.10 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến hệ số thấm của nền cát [5]

Hình 1.11 Hệ số thấm của nền cát sau khi được xử lý theo thời gian [5]

Hình 1.12 Ảnh hưởng của hàm lượng Bentonite đến tính thấm của nền

Nhận xét:

Từ những nghiên cứu trên cho thấy trong lĩnh vực ứng dụng chống chảy thấm thấm cho hố đào sâu, tỷ lệ và thành phần cấp phối vật liệu được dùng trong công nghệ Jet-grouting có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả thay đổi hệ số thấm của nền đất đặc biệt là hàm lượng bentonite có ảnh hưởng rất lớn đến tính thấm của đất nền sau khi

xử lý Jet-grouting Bên cạnh đó, từng loại công nghệ dòng phun vữa (phun đơn, phun đôi, phun ba) cũng có ảnh hưởng lớn đến kết quả thay đổi hệ số thấm của nền đất cũng như chất lượng của sản phẩm sau khi xử lý, đặc biệt với công nghệ dòng phun ba để xử lý nền đất cho mục đích chống thấm sẽ có hiệu quả rất cao

1.2 TÌNH HÌNH NGIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG JET-GROUTING VÀO MỤC ĐÍCH CHỐNG THẤM CHO HỐ ĐÀO SÂU Ở NƯỚC NGOÀI

Trên thế giới hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khoan phụt vữa cao áp (Jet-grouting) để chống chảy thấm nước dưới chân tường vây vào trong

hố đào sâu đã và đang diễn ra mạnh mẽ

Tại Hàn Quốc, năm 2002, các tác giả Hong, Won-Pyon, Kim, Dong-Wook, Lee, Mun-Ku, Yea, Geu-guwen đã trình bày kết quả ngiên cứu hệ số thấm của vữa

xi măng đất sau khi ứng dụng công nghệ Jet-Grouting để chống thấm cho hố đào

sâu trong bài báo "Case Study on Ground Improvement by High Pressure Jet

Grouting" [6] Kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ Jet-grouting rất hữu hiệu cho

việc xử lý ngăn chặn dòng thấm cho công trình hố đào sâu và với công nghệ grouting thì dạng ống phun vữa ba sẽ hiệu quả hơn dạng ống phun vữa đôi trong việc xử lý chống thấm cho công trình Các khu vực đất nền trong khu vực ngiên cứu như sau:

Jet-Hình 1.13 Jet-Hình trụ hố khoan địa chất tại 3 khu vực ngiên cứu [6]

Bảng 1.4 Áp lực vữa phun và phương pháp thi công [6]

Phương pháp thi công Tường cọc xi

Bảng 1.5 Kết quả hệ số thấm của đất nền sau khi xử lý Jet-grouting [6]

Đất nền gốc

Đã xử lý Jet-grouting

Đất nền gốc

Đã xử lý Jet-grouting Bụi pha

3.18x10-4

÷ 1.75x10-4

2.57x10-4

÷ 1.34x10-4

7.03x10-5

÷ 1.11x10-5

7.34x10-6

÷ 2.67x10-6Sỏi sạn

pha cát

2.01x10-3

÷ 4.91x10-4

- 1.19x10-4

6.83x10-5

÷ 7.12x10-5

Hình 1.14 Sự thay đổi hệ số thấm của nền trước và sau khi xử lý Jet-grouting cùng

với sự ảnh hưởng của công nghệ phun vữa đến hệ số thấm của đất nền [6]

Tại Ai Cập, năm 2006, Khoa Xây Dựng - Trường đại học Ain Shams - Cairo, các tác giả Fathalla M EI-nahhas, Mohamed T.Abdel-rahman và George

M.Iskander trình bày nghiên cứu ứng dụng công nghệ Jet-grouting để xử lý cho

toàn bộ diện tích nền đất chống dòng chảy thấm nước ngầm vào trong hố đào công

trình Nhà Ga tàu điện ngầm Rod El-Farag trong bài báo "Utilization of Grouting

Techniques for Construction of Underground Structures in Urban Areas" [7] Nền

đất công trình gồm 2m đất san lấp và bên dưới là tầng đất cát pha bụi dày 34m và sâu hơn nữa là tầng đất cát lẫn sỏi sạn Hố đào sâu 20m và chiều dài tường vây cắm

sâu vào đất nền 45m Và tác giả đã sử dụng chương trình phần tử hữu hạn Plaxis để phân tích khảo sát mô hình, với chiều dày lớp đất nền cần xử lý Jet-grouting là từ 5 đến 10m với cao độ mặt dưới của lớp vữa Jet-grouting nằm tại chân tường vây Thông số nền đất đã xử lý Jet-grouting có mô đun biến dạng E = 10000 ~ 30000 MPa và hệ số thấm được lấy bằng 10-8

m/s Và kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ Jet-grouting là khả thi trong việc ứng dụng chống thấm bên dưới đáy hố đào Kết quả phân tích bằng chương trình Plaxis như sau:

Hình 1.15 Kết quả phân tích ảnh hưởng của chiều dày lớp Jet-grouting đến lưu

lượng thấm vào trong hố đào [7]

Tại Mỹ, năm 1994, Newman và cộng sự đã báo cáo kết quả ứng dụng công nghệ Jet-grouting trong việc chống chảy thấm nước vào trong hố đào tại công trình Midland Bank tại Mỹ Đất nền công trình gồm lớp đất bồi tích dày 7 m (bụi pha 10% sét) và tiếp theo là lớp đất bùn nằm trên lớp đất sỏi sạn pha sét trạng thái chặt

Và khả năng xảy ra dòng thấm gây mất ổn định hố đào do áp lực artesian và lún đất

Lưu lượng thấm (m3

/ngày/m) Jet-grouting slab

nền xung quanh công trình khi hạ nước ngầm là rất lớn và nguy hiểm Để ngăn chặn các sự cố nguy hiểm cho hố đào và công trình lân cận, giải pháp thi công được lựa chọn là ứng dụng công nghệ Jet-grouting với hệ thống phun ba (Triple Fluid System) để xử lý toàn bộ diện tích nền đất bên dưới hố đào tại độ sâu khoảng -4m

so với mặt đất tự nhiên Và đường kính cọc Jet grouting là 1.2m và chiều dày lớp xử

lý là 1.5m Và kết quả thi công thực tế cho thấy hố đào ổn định trong quá trình thi công và hệ số thấm của nền đất giảm từ 10-3

m/s xuống 6x10-8 m/s Các thông số của vữa trộn Jet-grouting được dùng cho công trình như sau:

Bảng 1.6 Thông số vữa trộn Jet-grouting tạis công trình Midland Bank

Hàm lượng xi măng 1.75 kg/lít

Tại Đức, công trình hầm chui cao tốc Lubeck-Moilsling [8] chui qua tuyến đường sắt nằm bên trên đã được thi công từ năm 1996 - 2001, đoạn hố đào dùng làm đường cao tốc có kích thước rộng 30m và vị trí sâu nhất là 10m Mực nước ngầm ở độ sâu khoảng 3m so với mặt đất tự nhiên, giải pháp chắn giữ hố đào là cừ ván thép có neo Để giải quyết vấn đề nước ngầm chảy thấm vào trong hố đào và gây bùng trồi hố đào thì đơn vị thiết kế đã chọn giải pháp khoan phụt vữa Jet-grouting tạo thành một sàn kín bên dưới đáy hố đào nhằm hạn chế dòng thấm chảy

thấm vào trong hố đào Công nghệ jet-grouting được sử dụng cho công trình là loại Super Jet-Grouting có đường kính cọc là 3.5m, chiều dày lớp Jet-grouting xử lý là 2m tại vị trí hố đào sâu nhất và chiều dày 1m cho những diện tích hố đào lân cận và chiều sâu xử lý Jet-grouting khoảng 20m so với mặt đất tự nhiên Kết quả dòng thấm nước ngầm tại công trình Lubeck-Moilsling là rất nhỏ, chỉ với lưu lượng thấm

đo được 48m3

/ngày/1500m2

Hình 1.16 Hầm chui cao tốc Lubeck-Moilsling [8]

Hình 1.17 Mặt cắt dọc hố đào và địa chất công trình Lubeck-Moilsling [8]

Hình 1.18 Mặt bằng bố trí cọc Jet-grouting dưới đáy hố đào Lubeck-Moilsling [8]

Tại Midland - Birmingham - Anh, năm 2010, công trình trạm bơm xử lý nước ngầm sinh hoạt Foxton [9] có hố đào sâu 12m, đường kính 12.5m Đất nền khu vực là loại đất rời đến cát chặt vừa pha bụi và có mực nước ngầm cách mặt đất -2m Để quá trình thi công hố đào được ổn định và công trình nhà dân xung quanh không bị ảnh hưởng thì giải pháp khoan phụt vữa cho toàn bộ đáy hố đào thành một nút không thấm để cản nước đã được ứng dụng cho công trình (Jet-grouting plug) Đường kính cọc Jet-grouting được xử lý có đường kính 1.6m và 2.8m, sử dụng công nghệ dòng phun đơn và phun đôi Và kết quả thí nghiệm thấm trên mẫu thử cọc đất Jet-grouting cho kết quả hệ số thấm k = 1x10-9 m/s

Hình 1.19 Hố đào công trình tại Midland - Birmingham (Anh - 2002) [9]

Tại tại Pháp, năm 2007, trong quá trình xây dựng nhà máy xử lý nước sinh hoạt Isséane [10], với hố đào có kích thước 400mx100m và sâu 31m nằm cạnh bờ sông La Seine thì vấn đề thi công và chống nước ngầm chảy thấm dưới chân tường vây Barrette là vô cùng phức tạp va khó khăn vì vị trí đào sâu nhất có cao độ chênh lệch so với mực nước sông La Seine là từ 25m ÷ 30m Và giải pháp được đưa ra là ứng dụng công nghệ Jet grouting để xử lý nền đất bên dưới đáy hố đào để giảm hệ

số thấm của nền đất nhằm ngăn nước ngầm chảy thấm vào trong hố đào Và kết quả thực tế thi công cho thấy hố đào ổn định và lưu lượng nước thấm vào trong hố đào trung bình chỉ khoảng 250 m3/giờ/40.000m2