Ứng dụng công nghệ xử lý nền mới TBM vào Việt Nam

ứNG DụNG CÔNG NGHệ Xử Lý NềN MớI TBM VàO VIệT NAM Phan Hồng Quân* Application TBM -a new method for soft soil improvement in Vietnam Abstracrt: Top-Base-Method (TBM) is one of relatively new method invented in Japan 1-1980 for improvement of soft soil and has been introduced in Korea since 1990 and rapidly broadened. TBM is to locate tope -shape concrete blocks (called as top-block) on/within a thin graveled mat laid over very soft soil to reduce consolidation settlement and increase the bearing capacity of foundation. With Korean technology, TBM is environment friendly method with advantages of no noise, no vibration and waste products is recycled for reuse. TBM application is high effectiveness in case the structure is not very heavy burdening on the soft ground without supporting piles. The method was successfully applied in Vietnam by TBS Vietnam, for the first time it has created a new choice to supersede pile foundation and the operation cost is lower in some suitable case (about 50-60%) and shorter in operating time without adding any special equipment. 1. Giới thiệu chung Top-Base Method (TBM) là một phương pháp xử lý nền đất yếu mới được phát minh tại Nhật bản vào những năm 80 của thế kỷ trước. Hàng ngàn công trình xây dựng tại Nhật áp dụng phương pháp này không những đã làm tăng sức chịu tải của nền mà còn giảm đáng kể độ lún của công trình, cả độ lún đàn hồi lẫn độ lún cố kết. Phương pháp mới đặc biệt có hiệu quả đối với việc giảm chấn và ngăn ngừa hiệu ứng hóa lõng của đất khi dao động. Các công trình xây dựng trên nền TBM đã qua được các trận động đất khủng khiếp tại Chiba năm 1987 và Kobe năm 1995 mà hầu như không bị hư hại gì. Nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được tiến hành để lý giải hiệu quả của phương pháp và đã được công bố trên các tạp chí Địa kỹ thuật của Nhật bản cũng như tại các hội thảo quốc tế về xử lý nền. * Trường đại học Xây dựng Số 55 Đường Giải phóng, Hà Nội DĐ: 0983481960 Email: quanph@nuc.edu.vn Đầu những năm 1990, công nghệ này được nghiên cứu ứng dụng tại Hàn quốc và đã có nhiều phát minh cải tiến quan trọng kể từ đó, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ thi công. Các cải tiến về công nghệ của Hàn quốc đã làm cho TBM trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn trong thi công, thân thiện với môi trường. Giá thành xây dựng đã giảm một cách thuyết phục. Hàng ngàn công trình xây dụng ở Hàn quốc áp dụng công nghệ mới này hàng năm. Riêng năm 2007 đã có hơn 8 triệu khối bê tông top-block được sử dụng tương đương với 2 triệu m2 đất nền được gia cố. Công nghệ TBM được giới thiệu lần đầu tiên ở Việt Nam trong buổi trao đổi giữa Giáo sư Kim Hak-Moon của Trường Đại học Dankook, Seoul cùng Công ty Banseok với Bộ môn Cơ học đất – Nền móng Trường Đại học Xây dựng năm 2007. Cũng trong năm này, Ông Đỗ Đức Thắng, Giám đốc Công ty Kết cấu và Công nghệ mới Việt Nam (NST Việt Nam) đã tham quan công nghệ này tại Hàn Quốc và hình thành ý định áp dụng công nghệ mới ở Việt Nam. Năm 2008, lần đầu tiên TBM được nghiên cứu tại Trường Đại học Xây dựng trên qui mô mô hình trong phòng thí nghiệm Cơ học đất. Tháng 08/2008, Công ty TBS Việt Nam liên doanh giữa Hàn quốc với Việt Nam ra đời nhằm thúc đẩy áp dụng công nghệ mới vào Việt nam. Lần đầu tiên công nghệ mới TBM được áp dụng xử lý nền tại công trình 110 Mai Hắc Đế Hà nội vào tháng 8 năm 2008 như là một thử nghiệm và ngay sau đó được ứng dụng tại khu đô thị mới PG của Hải phòng dưới danh nghĩa chính thức của Công ty Liên doanh TBS Việt nam. 2. Nội dung phương pháp TBM và công nghệ thi công Hình 1. Một lớp TB và bố trí mặt bằng lớp TB Phương pháp TBM sử dụng các khối bê tông có dạng con quay (từ đây chúng tôi sử dụng thuật ngữ top-block cho tiện) sắp xếp liên tục trên nền đất tạo ra một tầng đệm (gọi là lớp Top-base – lớp TB) giữa móng công trình với nền đất thực sự. Lỗ rỗng giữa các khối bê tông được chèn lấp bằng vật liệu rời đầm chặt. Mặt cắt ngang một lớp TB như trên Hình 1. Nền có thể được gia cố bằng một hoặc hai lớp TB (hiện chưa có báo cáo nào nói đến việc sử dụng nhiều hơn 2 lớp TB). 2.1 TBM với công nghệ thi công của Nhật Bản Trong công nghệ Nhật bản, các khối top-block bê tông được đúc sẵn trong nhà máy, vận chuyển ra công trường và sắp xếp tại các vị trí thiết kế sau đó đá dăm được chèn lấp vào khe hở giữa các khối và được đầm chặt bằng đầm dùi tạo ra lớp TB bằng phẳng tại cao trình yêu cầu. Móng công trình có thể thi công trên mặt phẳng đó theo hai cách: a) đổ một lớp bê tông tạo mặt phẳng dày chừng 100mm trên mặt lớp TB tương tự lớp bê tông lót móng sau đó thi công như các công trình thông dụng khác; b) thi công trực tiếp móng công trình lên nền TB. Thông thường, phương án a) được lựa chọn. Các bước thi công cơ bản theo công nghệ Nhật bản được lược ra sau đây: - Chuẩn bị mặt bằng nền đất ban đầu: nền đất ban đầu được là phẳng tại cao trình thiết kế. Nếu đất nền ban đầu quá yếu có thể đổ một lớp đá dăm mỏng trước (việc này có thể gây ra một vài khó khăn cho thi công sắp đặt các top-block sau này nhưng thuận lợi cho việc đi lại, di chuyển thiết bị). - Rải lưới thép định vị (thép lớp dưới) theo vị trí thiết kế xử lý nền - Đưa top-block đúc sẵn vào vị trí và ấn ngập xuống nền đến hết phần cọc, cân chỉnh khối bê tông thẳng đứng tạo ra lớp TB. - Đổ đá dăm chèn và dùng đầm dùi rung làm chặt vật liệu chèn - Rải lưới thép liên kết lên mặt nền - Rải lớp bê tông mặt 2.2 TBM với công nghệ thi công Hàn Quốc Sau nhiều năm nghiên cứu cải tiến, các nhà nghiên cứu Hàn quốc đã đề xuất được công nghệ mới sử dụng bê tông đổ tại chỗ thay thế bê tông đúc sẵn. Khuôn cho các khối bê tông đồng thời cũng là một phần của nó (không sử dụng lại) được chế tạo từ nhựa tái chế thân thiện với môi trường. Công nghệ mới này đã giảm được chi phí vận chuyển các khối bê tông, giảm khối lượng hao hụt do gãy vỡ trong vận chuyển và lắp đặt, không yêu cầu thiết bị thi công đặc chủng và đặc biệt tránh được tai nạn lao động. Các bước thi công cơ bản theo công nghệ Hàn quốc được lược ra dưới đây: - Chuẩn bị mặt bằng nền đất ban đầu: nền đất ban đầu được là phẳng tại cao trình thiết kế. - Các phễu nhựa (khuôn đúc bê tông) được liên kết với nhau thành từng mảng theo kích thước yêu cầu của thiết kế. - Sắp xếp các mảng phễu nhựa vào đúng vị trí thiết kế - Đổ bê tông tươi vào các phễu, đầm chặt bê tông bằng đầm dùi hoặc thủ công - Sau khi bê tông trong phễu đã ninh kết, đổ đá dăm chèn giữa khe hở của các khối-phễu và đầm chặt: một lớp TB hình thành. - Rải lưới thép liên kết ở trên mặt lớp TB. 3. ứng dụng TBM theo công nghệ Hàn Quốc vào Việt Nam So với công nghệ Nhật Bản, công nghệ Hàn Quốc có ưu điểm vượt trội: - Không cần thiết bị thi công phức tạp: nếu qui mô công trình lớn, sử dụng bê tông thương phẩm thì cần có xe vận chuyển chuyên dụng và máy bơm bê tông; nếu công trình qui mô nhỏ hoặc những nơi không có thiết bị có thể thi công hoàn toàn thủ công; - Tránh được vận chuyển khối lớn do đó giảm hao hụt và tránh được tai nạn lao động; - Thời gian thi công ngắn; - Tận dụng được sản phẩm từ chất thải; - Giá thành phần móng giảm rất đáng kể, đặc biệt là những công trình có qui mô tải trọng không quá lớn mà trước đó phải sử dụng móng cọc Chính vì những lẽ đó, Công ty Liên doanh TBS Việt nam lựa chọn công nghệ Hàn Quốc. 3.1 Kết quả nghiên cứu ban đầu của Trường Đại học Xây dựng Tại Trường Đại học Xây dựng, mô hình nền thu nhỏ được xây dựng và đã tiến hành thí nghiệm nén bàn nén kích thước 40 x 40 (cm) đến phá hoại sau khi xử lý bằng TBM. Nền được mô hình bằng thùng đất sét kích thước mặt bằng 3 x 3 (m); cao 1.4m. Top-block đường kính 20cm, cao 20 cm trong đó phần cọc dài 10cm. Kết quả thí nghiệm được công bố tháng 5/2008 cho thấy sức chịu tải của nền chung đã tăng lên rất khả quan. Đất mô hình có các đặc trưng cơ – lý cơ bản sau: - Trọng lượng riêng gw = 18.9 kN/m3 - Độ ẩm W = 42.5% - Giới hạn chảy Wch = 46.1% - Giới hạn dẻo Wd = 28.2% - Sức kháng cắt không thoát nước (xác định từ thí nghiệm cắt cánh) cu = 12 kN/m2. Bàn nén vuông kích thước 40 x 40 (cm) Sức chịu tải dự tính theo công thức Terzaghi pult = 0.876 cu.Nc = 0.876 x 12 x 5.70 = 60 kN/m2 Kết quả thí nghiệm nền có lớp top-base (trên nền top-base) : pult = 130 kN/m2. Hình 2. Quan hệ tải trọng - độ lún (từ thí nghiệm mô hình) 3.2 TBM áp dụng lần đầu tiên vào thực tế xây dựng tại Việt Nam. ảnh dưới đây mô tả các bước cơ bản thực hiện TBM đầu tiên tại Việt nam ở 110 Mai Hắc Đế, Hà Nội tháng 8 năm 2008. Công trình có qui mô 4 tầng lầu và 01 tầng hầm sâu 2m được sử dụng làm bể bơi. Thiết kế ban đầu sử dụng móng cọc ép đến độ sâu 20m. Thời gian thực hiện việc xử lý nền là 04 ngày trong đó có 01 ngày chờ bê tông đủ ninh kết trước khi chèn đá dăm. Tại công trình 110 Mai Hắc Đế, Hà nội các thí nghiệm nén bản nén hiện trường trước và sau khi xử lý nền được thực hiện. Kết quả tại một vị trí cho trên hình dưới đây cho thấy sức chịu tải của nền đã tăng lên rất đáng kể đồng thời độ lún cũng giảm tương ứng. 1. Chuẩn bị phễu nhựa (khuôn cho top-block) 2. Sắp đặt phễu lên mặt đất đã chuẩn bị 3. Đổ bê tông tạo top-block bê tông 4. Nền Top-Base đã hoàn chỉnh. Hình 3. Kết quả thí nghiệm No. 01-110 MHĐ 4. Kết luận Các nghiên cứu từ Nhật bản và Hàn quốc đều kết luận sức chịu tải của nền có thể tăng lên đến 200%, độ lún giảm còn 15 đến 30% so với nền không xử lý. Kết quả bước đầu tại Việt nam thuyết phục rằng các kết luận trên là đáng tin cậy. Phương pháp TBM có thể áp dụng cho các công trình, hạng mục công trình có tải trọng thực tế không lớn lắm để thay thế cho giải pháp móng cọc bê tông trên các khu vực có lớp đất bề mặt rất yếu với chiều dày lớn. Các công trình dạng nói trên bao gồm nhà ở thấp tầng (dưới 5 tầng); không gian đỗ ô tô ngầm dưới, giữa các tòa nhà cao tầng; nền đất yếu dưới nền đắp cao; móng tường chắn trên đất yếu ...Việc nghiên cứu, đặc biệt là nghiên cứu xác lập phạm vi ứng dụng hiệu quả là rất quan trọng và cần được thực hiện sớm. Tài liệu tham khảo 1. Lê Luân et all. Nghiên cứu thực nghiệm mô hình nền Top-Base. Hội nghị Khoa học và Công nghệ sinh viên Đại học Xây dựng, 2008. 2. Arai. K. et all. Interpretation of concrete top base foundation behaviour on soft ground by coupled stress flow finite element analysis. 6th international conference in numerical methods in Geomechanics, Balkoma, Rotterdam, 1988. 3. TBS Banseok Seoul. In-place Top Base Method, Seoul, Korea 2008. 4. Japanese Material Institute. Handbook of Ground Improvement Methods , Chapter 9: TOP-BASE METHOD, 1991. Người phản biện: TS. Nguyễn Đình Tiến