CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG 1. Giới thiệu chung về ứng dụng công nghệ cọc đất gia cố xi măng. Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trền nền đất yếu cần phải có các biện pháp xử lý đất nền bên dưới móng công trình, nhất là những khu vực có tầng đất yếu khá dày như vùng Nhà Bè, Bình Chánh, Thanh Đa ở thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long.
Cọc xi măng đất -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu đặc biệt là trong điều kiện đất yếu quá dày, mực nước ngầm cao hoặc nền ngập nước và hiện trường thi công chật hẹp. Khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: Làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, sửa chữa thấm mang cống và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn.So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc xi măng đất có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đạt hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác. Lịch sử phát triển và ứng dụng công nghệ cọc đất gia cố xi măng trên thế giới. Từ rất lâu, con người đã cải tạo nền đất yếu bằng cách trộn với các chất liên kết như vôi, xi măng.
Phương pháp cọc trộn tại chỗ, gọi là “Mixed In Place Pile”, (gọi tắt là phương pháp MIP) dùng chất liên kết là vôi do nước Mỹ nghiên cứu thành công đầu tiên sau Đại chiến thế giới thứ 2 năm 1954, khi đó dùng cọc có đường kính từ 0. Nhưng cho đến 1996 cọc đất gia cố xi măng với mục đích thương mại mới được sử dụng với số lượng lớn. Sự phát triển của công nghệ trộn sâu bắt đầu từ Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 1960. Trộn khô dùng vôi hạt (vôi sống) làm chất gia cố đã được đưa vào thực tế ở Nhật vào giữa những năm 1970.
Cũng khoảng thời gian đó phương pháp trộn khô ở Thụy Điển dùng vôi bột trộn vào để cải tạo các đặc tính lún của đất sét dẻo mềm, mềm yếu. Phương pháp trộn ướt dùng vữa xi măng làm chất gia cố cũng được áp dụng trong thực tế ở Nhật từ giữa những năm 1970. HVTH: Trần Thanh Nhã –Cao học K17 Trang 7 Luận văn cao học GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hùng Năm 1967, Viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu thuộc Bộ giao thông vận tải Nhật Bản bắt đầu các thí nghiệm trong phòng sử dụng vôi cục hoặc vôi bột để xử lý đất biển bằng phương pháp trộn vôi dưới sâu. Công việc nghiên cứu bởi Okumura, Terashi và những người khác suốt những năm đầu của thập niên 70.
Năm 1974, Viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu báo cáo phương pháp trộn vôi dưới sâu đã được bắt đầu ứng dụng toàn diện tại Nhật Bản. Năm 1976, Viện nghiên cứu công chánh thuộc Bộ xây dựng Nhật Bản hợp tác với Viện nghiên cứu máy xây dựng Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu phương pháp trộn phun khô dưới sâu bằng bột xi măng, bước thử nghiệm đầu tiên hoàn thành vào cuối năm 1980. Năm 1977, Nhật Bản lần đầu tiên phương pháp trộn xi măng dưới sâu áp dụng trên thực tế. Những nước ứng dụng công nghệ DM nhiều nhất là Nhật Bản.
Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980 ~ 1996 có 2,345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 đất gia cố xi măng. Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng DM ở Nhật vào khoảng 23.6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, mặc dù ngay từ cuối những năm 1960, các kỹ sư Trung Quốc đã học hỏi phương pháp trộn vôi dưới sâu và CDM ở Nhật Bản.
Thiết bị DM dùng trên đất liền xuất hiện năm 1978 và ngay lập tức được sử dụng để xử lý nền các khu công nghiệp ở Thượng Hải. Tổng khối lượng xử lý bằng DM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. Từ năm 1987 đến 1990, công nghệ DM đã được sử dụng, tổng cộng 513,000m3 đất được gia cố, bao gồm các móng kè, móng của các tường chắn phía sau bến cập tàu. Đến năm 1992, một hợp tác giữa Nhật và Trung Quốc đã tạo ra sự thúc đẩy cho những bước đầu tiên của công nghệ CDM ở Trung Quốc, công trình hợp tác đầu tiên là cảng Yantai.
Trong dự án này 60,000m3 xử lý ngoài biển đã được thiết kế và thi công bởi chính các kỹ sư Trung Quốc. Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan. Trong năm 1967, Viện Địa chất Thụy Điển đã nghiên cứu các cột vôi theo đề xuất của Jo. Kjeld Páue sử dụng thiết bị theo thiết kế của Linden- Alimak AB (Rathmayer, 1997).
Thử nghiệm đầu tiên tại sân bay Ska Edeby với các cột vôi có đường kính 0.5m và chiều sâu tối đa 15m đã cho những kinh nghiệm mới về các cột vôi cứng hoá (Assarson, 1974). Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (cao 6m, dài 8m) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải. HVTH: Trần Thanh Nhã –Cao học K17 Trang 8 Luận văn cao học GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hùng Từ những năm 1970 và đến những năm 1980, các công trình nghiên cứu và ứng dụng tập trung chủ yếu vào việc tạo ra vật liệu gia cố, tối ưu hoá hỗn hợp ứng với các loại đất khác nhau. Năm 1993, Hiệp hội DJM ( Deep jet mixing -phun trộn khô dưới sâu) của Nhật Bản xuất bản sách hướng dẫn những thông tin mới nhất thiết kế và thi công cọc đất xi măng.
Năm 1996, hơn 5 triệu m3 cọc vôi và vôi xi măng đã được thi công tại Thụy Điển kể từ năm 1975. Vào tháng 11 năm 1999 một hội nghị quốc tế về phương pháp trộn khô được tổ chức tại Stokholm, Thụy Điển. Tại Mỹ, việc xử lý và nâng cấp các đập đất nhằm đáp ứng mục tiêu an toàn trong vận hành và ngăn ngừa hiện tượng thấm rất được quan tâm. CDM đã được ứng dụng để nâng cấp các đập đất hiện có, tạo ra các tường chống thấm.
Tại Bungari, nền đường sắt thường được xây dựng bằng sét vì khó kiếm ra đất tốt. Loại đất này là rất khó đầm nén do đó nền đường thường bị lún nghiêm trọng. Người ta đã sử dụng các cột CDM đường kính 0.5m để gia cố, kết quả sau xử lý cho thấy không có dấu hiệu lún mặc dù tốc độ tàu chạy 100 ~ 120 km/h. Tại Đông Nam Á, cọc đất – vôi hay xi măng chưa được thông dụng vì lý do chủ yếu là các máy móc thi công, chi phí khai thác vôi sống tinh khiết cao.
Xu hướng phát triển của công nghệ CDM trên Thế giới hiện nay hướng vào việc khai thác mặt mạnh của CDM. Khi mới phát minh, yêu cầu đối với CDM ban đầu chỉ là nhằm đạt được cường độ cao và chi phí thấp; nhưng gần đây do những nan giải trong xây dựng đã đặt ra những yêu cầu cao hơn về sự tin cậy và hoàn chỉnh của công nghệ. Xu thế quan trọng của công nghệ này là ở chỗ nó cho phép xử lý tại chỗ và cô lập các chất ô nhiễm trong đất, hứa hẹn cho những nghiên cứu tiếp tục. Trong lĩnh vực chống động đất, người ta đang tiếp tục nghiên cứu ứng dụng CDM nhằm ngăn chặn sự hoá lỏng đất, tìm ra những phương án có hiệu quả kinh tế, sử dụng vật liệu có sợi để chịu được uốn khi có động đất.
Ứng dụng công nghệ cọc đất gia cố xi măng ở Việt Nam. Tại Việt Nam, công nghệ cọc đất – vôi hay xi măng bắt đầu nghiên cứu vào năm 1980 với sự giúp đỡ của Viện địa Kỹ thuật Thụy Điển (SGI). Đề tài nghiên cứu được Bộ Xây dựng nghiệm thu vào năm 1985 và đã được áp dụng cho một số công trình dân dụng và công nghiệp ở Hà Nội và Hải Phòng. Công trình đầu tiên ở phía Nam do công ty Hercules kết hợp với công ty phát triển kỹ thuật xây dựng thi công là công trình Tổng kho xăng dầu Hậu Giang tại khu công nghiệp Trà Nóc, TP Cần Thơ vào đầu năm 2001 với khối lượng khoảng 50,000m dài cọc.
HVTH: Trần Thanh Nhã –Cao học K17 Trang 9 Luận văn cao học GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hùng Năm 2002, đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc đất xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất yếu ở Việt nam. Cụ thể như: Dự án Cảng Ba Ngòi (Khánh Hoà) đã sử dụng 4,000m cọc đất xi măng có đường kính 600cm thi công bằng trộn khô; Năm 2003, một Việt kiều ở Nhật đã thành lập công ty xử lý nền móng tại TP Hồ Chí Minh, ứng dụng thiết bị trộn khô để tạo cọc đất xi măng lồng ống thép. Cọc đất xi măng lồng ống thép cho phép ứng dụng cho các nhà cao tầng (đến 15 tầng) thay thế cho cọc nhồi, rẻ và thi công nhanh hơn. Năm 2004 cọc đất xi măng được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng).
Các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m. Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật bản đã sử dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà nội). Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc đất xi măng như: dự án thoát nước, khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh đi Trung Lương, dự án Đại lộ Đông Tây – Sài Gòn hay dự án cải tạo, nâng cấp đường hạ cất cánh, đường lăn và sân đỗ máy bay cảng hàng không Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu và đặc biệt ở tuyến đường Nam sông Hậu (đoạn đi qua thành phố Cần Thơ) được áp dụng để xử lý nền đường đoạn đường dẫn vào các cầu Cái Sâu, Bùng Binh, Bến Bạ. Công nghệ thi công cọc đất gia cố xi măng.