Tổng quan nghiên cứu

Jet Grouting là công nghệ gia cố nền móng sử dụng tia vữa áp lực cao để tạo ra các cột soilcrete có khả năng chịu lực và ổn định cao, được ứng dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia như Mỹ, châu Âu và Nhật Bản. Tại Việt Nam, Jet Grouting đã được thử nghiệm và áp dụng trong các công trình giao thông trọng điểm như cầu Tám Bang và cầu Vàm Đình thuộc tỉnh Đồng Tháp nhằm khắc phục hiện tượng lún lệch nền móng. Tuy nhiên, việc xác định chính xác hàm lượng xi măng (cement content, ký hiệu Ac) trong các cột soilcrete thi công thực tế vẫn còn nhiều thách thức do phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đường kính cột, thể tích vữa phun, thể tích đất bị thay thế và tỷ lệ thay thế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định hàm lượng xi măng trong các cột soilcrete thi công bằng công nghệ Jet Grouting tại hai vị trí thí điểm gần cầu Tám Bang và cầu Vàm Đình, tỉnh Đồng Tháp. Nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2018 đến tháng 8/2019, tập trung vào việc thu thập mẫu soilcrete thực tế và mẫu soilcrete chế tạo trong phòng thí nghiệm để tiến hành các thí nghiệm nén không giới hạn (UCS) nhằm xác định mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng xi măng.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu chính xác về hàm lượng xi măng trong soilcrete thực tế, từ đó giúp tối ưu hóa thiết kế, nâng cao chất lượng công trình và tránh lãng phí vật liệu. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc ứng dụng Jet Grouting trong gia cố nền móng giao thông tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết Jet Grouting: Công nghệ sử dụng tia vữa áp lực cao (20-60 MPa) kết hợp khoan xoay để tạo ra các cột soilcrete có đường kính và hình dạng không cố định, phụ thuộc vào áp lực phun, tốc độ xoay và lưu lượng vữa. Jet Grouting gồm ba công nghệ chính: phun ba, SuperJet và X-HW, trong đó phun ba được sử dụng phổ biến nhất.

  • Khái niệm soilcrete: Là hỗn hợp đất và vữa xi măng được tạo thành sau quá trình phản ứng hóa học, bao gồm phản ứng thủy hóa, phản ứng ion và phản ứng puzzolanic. Soilcrete có cường độ nén không giới hạn (qu) dao động từ 0.2 đến 14 MPa tùy loại đất và hàm lượng xi măng.

  • Mối quan hệ giữa cường độ nén (qu), mô đun đàn hồi (E50) và biến dạng phá hoại (İf): Các thông số này được xác định qua thí nghiệm UCS và phản ánh tính chất cơ học của soilcrete. Mối quan hệ E50/qu dao động trong khoảng 54-313 lần đối với soilcrete thực tế và 104-263 lần đối với mẫu phòng thí nghiệm.

  • Công thức tính hàm lượng xi măng (Ac): Dựa trên khối lượng xi măng, thể tích soilcrete và thể tích vữa phun, hàm lượng xi măng được xác định theo các công thức chuẩn quốc tế và điều chỉnh phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập mẫu soilcrete thực tế từ hai cột Jet Grouting gần cầu Tám Bang và cầu Vàm Đình, Đồng Tháp. Mẫu đất lấy từ hiện trường được sử dụng để chế tạo soilcrete trong phòng thí nghiệm với các hàm lượng xi măng từ 300 đến 900 kg/m³.

  • Phương pháp phân tích: Thực hiện thí nghiệm nén không giới hạn (UCS) trên mẫu soilcrete thực tế và mẫu phòng thí nghiệm cùng thời gian dưỡng hộ để xác định cường độ nén qu, mô đun đàn hồi E50 và biến dạng phá hoại İf. Sử dụng phương pháp hồi quy để thiết lập mối quan hệ giữa qu và Ac.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Tháng 8/2018: Bắt đầu thu thập mẫu và thiết kế thí nghiệm.
    • Tháng 9/2018 - 3/2019: Thực hiện thí nghiệm tại hiện trường và phòng thí nghiệm.
    • Tháng 4/2019 - 7/2019: Phân tích dữ liệu, xây dựng mô hình và so sánh kết quả.
    • Tháng 8/2019: Hoàn thiện luận văn và bảo vệ.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lấy mẫu lõi soilcrete từ các cột Jet Grouting có chiều dài 7-12 m, đường kính trung bình khoảng 0.5 m. Mẫu phòng thí nghiệm được chế tạo từ đất lấy tại hiện trường với các tỷ lệ xi măng khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến tính chất cơ học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đường kính trung bình các cột soilcrete thực tế: Kết quả khoan lõi và đo đạc tại hiện trường cho thấy đường kính trung bình của các cột soilcrete là khoảng 0.5 m, phù hợp với thiết kế và các nghiên cứu quốc tế.

  2. Cường độ nén không giới hạn (qu) của soilcrete thực tế: Soilcrete thi công bằng Jet Grouting có qu dao động từ 0.2 MPa đến 1.2 MPa, với mô đun đàn hồi E50 đạt từ 54 đến 313 lần qu, biến dạng phá hoại İf dưới 2%. So sánh với mẫu phòng thí nghiệm, soilcrete trong phòng có qu từ 0.3 MPa đến 1.6 MPa, E50 từ 104 đến 263 lần qu, và İf dưới 1.5%.

  3. Mối quan hệ giữa qu và hàm lượng xi măng Ac: Phương trình hồi quy qu = 1.9843 Ac được thiết lập với độ tin cậy 91%, cho phép xác định hàm lượng xi măng trong các cột soilcrete thực tế. Tại cột soilcrete gần cầu Tám Bang, Ac được xác định trong khoảng 325-494 kg/m³.

  4. Khác biệt tại khu vực gần cầu Vàm Đình: Soilcrete chế tạo trong phòng thí nghiệm từ đất lấy tại khu vực này không cho thấy sự tăng qu tương ứng với tăng Ac, cho thấy ảnh hưởng của đặc tính đất nền và quy trình thi công đến tính chất cơ học của soilcrete.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên có thể giải thích như sau: Đường kính cột soilcrete phụ thuộc vào áp lực phun vữa, tốc độ xoay khoan và lưu lượng bùn thải, do đó có sự biến động nhất định giữa các vị trí thi công. Cường độ nén qu và mô đun đàn hồi E50 phản ánh chất lượng và độ đồng nhất của soilcrete, chịu ảnh hưởng bởi hàm lượng xi măng và đặc tính đất nền.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả qu và E50 của soilcrete tại Việt Nam tương đối phù hợp, tuy nhiên sự khác biệt tại khu vực cầu Vàm Đình cho thấy cần nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của loại đất và quy trình thi công. Việc thiết lập mối quan hệ qu - Ac với độ tin cậy cao giúp tối ưu hóa thiết kế và kiểm soát chất lượng thi công Jet Grouting.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối quan hệ giữa qu và Ac, bảng thống kê đường kính cột và các thông số cơ học, giúp minh họa rõ ràng sự biến đổi và so sánh giữa mẫu thực tế và mẫu phòng thí nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường kiểm soát áp lực phun và tốc độ xoay khoan nhằm duy trì đường kính cột soilcrete ổn định khoảng 0.5 m, giúp đảm bảo chất lượng và đồng nhất của cột. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công, trong vòng 6 tháng tới.

  2. Áp dụng phương pháp thí nghiệm nén không giới hạn (UCS) định kỳ để kiểm tra cường độ soilcrete tại hiện trường, từ đó điều chỉnh hàm lượng xi măng phù hợp, nâng cao độ tin cậy của công trình. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị tư vấn giám sát, thực hiện hàng quý.

  3. Nghiên cứu bổ sung về ảnh hưởng đặc tính đất nền và quy trình thi công tại các khu vực có đặc điểm đất khác biệt như gần cầu Vàm Đình để điều chỉnh công nghệ Jet Grouting phù hợp, tránh hiện tượng không tăng cường qu khi tăng Ac. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và trường đại học, trong vòng 1 năm.

  4. Xây dựng quy trình chuẩn hóa tính toán hàm lượng xi măng dựa trên mối quan hệ qu - Ac đã thiết lập, áp dụng rộng rãi cho các công trình sử dụng Jet Grouting tại Việt Nam nhằm tối ưu hóa chi phí và nâng cao hiệu quả gia cố. Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng và các cơ quan quản lý kỹ thuật, trong vòng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà thầu thi công công trình giao thông: Nắm bắt kỹ thuật Jet Grouting và cách xác định hàm lượng xi măng để kiểm soát chất lượng thi công, giảm thiểu rủi ro và chi phí vật liệu.

  2. Chuyên gia tư vấn và giám sát xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá chất lượng soilcrete tại hiện trường, từ đó đưa ra các khuyến nghị kỹ thuật chính xác và kịp thời.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo phương pháp thí nghiệm, mô hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn về công nghệ Jet Grouting và vật liệu soilcrete.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và hạ tầng giao thông: Áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình thi công và kiểm định chất lượng công trình sử dụng Jet Grouting.

Câu hỏi thường gặp

  1. Jet Grouting là gì và ứng dụng ra sao?
    Jet Grouting là công nghệ gia cố nền móng bằng cách phun vữa xi măng áp lực cao kết hợp khoan xoay để tạo cột soilcrete. Ứng dụng chủ yếu trong xử lý lún lệch, tăng cường nền móng cho cầu đường và công trình ngầm.

  2. Hàm lượng xi măng (Ac) trong soilcrete được xác định như thế nào?
    Ac được tính dựa trên khối lượng xi măng, thể tích soilcrete và thể tích vữa phun, kết hợp với thí nghiệm nén không giới hạn để xác định mối quan hệ giữa qu và Ac, từ đó suy ra hàm lượng xi măng thực tế.

  3. Tại sao đường kính cột soilcrete không cố định?
    Đường kính cột phụ thuộc vào áp lực phun, lưu lượng vữa, tốc độ xoay khoan và đặc tính đất nền, do đó có sự biến động giữa các vị trí thi công và thời điểm thi công.

  4. Sự khác biệt giữa soilcrete thực tế và mẫu phòng thí nghiệm là gì?
    Soilcrete thực tế chịu ảnh hưởng của điều kiện thi công, đất nền và môi trường, trong khi mẫu phòng thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ về thành phần và điều kiện dưỡng hộ, dẫn đến sự khác biệt về cường độ và mô đun đàn hồi.

  5. Làm thế nào để tối ưu hóa hàm lượng xi măng trong Jet Grouting?
    Dựa trên mối quan hệ qu - Ac đã thiết lập, kết hợp với kiểm tra chất lượng thực tế và điều chỉnh quy trình thi công để đảm bảo đủ cường độ mà không gây lãng phí vật liệu.

Kết luận

  • Đường kính trung bình các cột soilcrete thi công bằng Jet Grouting tại Đồng Tháp khoảng 0.5 m, phù hợp với thiết kế và tiêu chuẩn quốc tế.
  • Soilcrete thực tế có cường độ nén qu dao động từ 0.2 đến 1.2 MPa, mô đun đàn hồi E50 từ 54 đến 313 lần qu, biến dạng phá hoại dưới 2%.
  • Mối quan hệ qu = 1.9843 Ac với độ tin cậy 91% cho phép xác định hàm lượng xi măng trong soilcrete thực tế, giúp tối ưu hóa thiết kế và thi công.
  • Khu vực gần cầu Vàm Đình có đặc điểm đất nền và quy trình thi công ảnh hưởng đến tính chất soilcrete, cần nghiên cứu thêm để điều chỉnh công nghệ phù hợp.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng Jet Grouting trong gia cố nền móng giao thông tại Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả công trình.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào các dự án thực tế, triển khai các đề xuất khuyến nghị và tiếp tục nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng đặc tính đất và quy trình thi công Jet Grouting.