Ứng dụng công nghệ jet grouting phun đơn trong xử lý nền đất yếu ở Việt Nam

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 41 ỨNG 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 Tuấn1, Bùi Nhật Kin2 1,2Khoa 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.vNguyên 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 42 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 dùng 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 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 43 2.3. 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 p p p p v m m g       (1-1) 21 1 1 1 2 2( ) ( ) 2 4 p p p p Q mA m d g        (1-2) Trong đó: m: Hệ số ảnh hưởng của vòi, bằng 0.92 theo Essler & Yoshida (2004); v2 : Vận tốc tia phụt tại miệng vòi [m/s]; p1- 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]; A2: 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 E P Q t    (1-3) 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 44 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 trào 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) Đường kính cọc m 0.6-1.2 Đất rời m 0.5 - 1 0.6-1.2 Đất dính m 0.4 - 0.8 0.4-0.9 Bảng 2: Tổng hợp tỷ lệ mô đun biến dạng E50 và cường độ qu của soilcrete ở các nhóm đất khác nhau (Oliveira 2011) Loại đất E50/ qu 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) TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 45 Bảng 3: Tổng hợp giá trị cường độ qu (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 ≥ 1 ≤ 5 4 – 18 Sét 0.5 – 8 < 5 < 10 Bảng 4: Tổng hợp giá trị cường độ qu (MPa) của soilcrete tạo ra bằng Jet Grouting Phun đơn Loại đất Nguồn Kauschinger & Welsh (1989, theo Bruce 1994) Langbehn (1986, theo Bruce 1994) Sỏi 10 – 17 Cát 10 - 30 7 – 14 Sét 1.5 - 10 4 – 7 Đất hữu cơ 0.4 – 4 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 E50 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: 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