Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất cho các công trình giao thông xây dựng

Bài viết khám phá đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường về thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất, ứng dụng trong công trình giao thông xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Ngân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Ngân
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa học và công nghệ
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất cho các công trình giao thông xây dựng
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp trường
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất

Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất cho công trình giao thông tập trung vào việc phát triển các giải pháp kỹ thuật hiệu quả để gia cố nền đất yếu. Cọc xi măng đất là một công nghệ tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trong các dự án xây dựng đường, sân bay, và cảng biển. Nghiên cứu này nhằm mục đích tối ưu hóa hệ thống thiết bị thi công, đảm bảo chất lượng và hiệu quả kinh tế. Các công nghệ thi công như trộn khô và trộn ướt được phân tích kỹ lưỡng để phù hợp với điều kiện địa chất tại Việt Nam.

1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới

Trên thế giới, công nghệ cọc xi măng đất đã được áp dụng từ những năm 1960, đặc biệt tại Nhật Bản và các nước Bắc Âu. Các thiết bị thi công hiện đại được phát triển để đáp ứng nhu cầu gia cố nền đất yếu trong các dự án lớn. Công nghệ Deep Mixing Method (DMM) đã chứng minh hiệu quả trong việc xử lý nền đất yếu, với khối lượng thi công lên đến hàng triệu mét khối. Các hệ thống thiết bị tự động hóa cao giúp kiểm soát chất lượng và tăng năng suất thi công.

1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam

Tại Việt Nam, cọc xi măng đất được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1980, với sự hỗ trợ của các chuyên gia quốc tế. Các dự án tiêu biểu như cảng Ba Ngòi, nhà máy điện Nhơn Trạch, và đường băng sân bay Cần Thơ đã sử dụng công nghệ này. Tuy nhiên, việc ứng dụng vẫn còn hạn chế do thiếu thiết bị thi công hiện đại và nghiên cứu chuyên sâu. Nghiên cứu này nhằm khắc phục những hạn chế đó, đề xuất các giải pháp thiết kế hệ thống phù hợp với điều kiện địa chất và kinh tế của Việt Nam.

II. Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất

Gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất là một phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng chịu tải của nền móng. Các công trình giao thông thường xây dựng trên nền đất yếu, do đó việc gia cố là cần thiết để đảm bảo độ bền và ổn định. Cọc xi măng đất được tạo thành bằng cách trộn đất nguyên trạng với xi măng, tạo ra một cấu trúc vững chắc. Các phương pháp gia cố như trộn khô và trộn ướt được áp dụng tùy thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật của dự án.

2.1. Mục đích và ý nghĩa của việc gia cố nền móng

Gia cố nền móng bằng cọc xi măng đất nhằm tăng cường khả năng chịu tải và giảm độ lún của nền đất. Đối với các công trình giao thông, việc gia cố nền móng là yếu tố quyết định đến tuổi thọ và độ bền của công trình. Chi phí gia cố chiếm từ 15% đến 50% tổng chi phí dự án, do đó việc lựa chọn phương pháp gia cố phù hợp là rất quan trọng. Cọc xi măng đất không chỉ cải thiện cơ tính của nền đất mà còn giúp giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

2.2. Các phương pháp gia cố nền móng chủ yếu

Các phương pháp gia cố nền móng bao gồm đệm cát, đệm đá sỏi, và cọc cứng. Trong đó, cọc xi măng đất là phương pháp hiệu quả nhất đối với nền đất yếu. Phương pháp này sử dụng thiết bị thi công chuyên dụng để khoan và trộn đất với xi măng, tạo ra các cọc có khả năng chịu tải cao. Các công nghệ thi công như trộn khô và trộn ướt được áp dụng tùy thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật của dự án.

III. Thiết kế và tính toán thiết bị thi công cọc xi măng đất

Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất tập trung vào việc xác định các thông số kỹ thuật và tính toán kết cấu của thiết bị. Các thiết bị thi công được thiết kế để đáp ứng yêu cầu về độ sâu, đường kính, và chất lượng của cọc. Các thông số kết cấu như lực khoan, tốc độ quay, và áp lực phun được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả thi công. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp cải tiến hệ thống thiết bị để phù hợp với điều kiện địa chất tại Việt Nam.

3.1. Các dạng thiết bị thi công và tính toán lựa chọn

Các thiết bị thi công cọc xi măng đất bao gồm máy khoan, cần khoan, và hệ thống phun trộn. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp dựa trên các yếu tố như độ sâu khoan, đường kính cọc, và điều kiện địa chất. Các thông số kết cấu như lực khoan, tốc độ quay, và áp lực phun được tính toán để đảm bảo hiệu quả thi công. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp cải tiến hệ thống thiết bị để phù hợp với điều kiện địa chất tại Việt Nam.

3.2. Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu thiết bị

Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu thiết bị thi công bao gồm các phương pháp ứng suất cho phép, trạng thái giới hạn, và độ bền mỏi. Các thông số kết cấu như lực khoan, tốc độ quay, và áp lực phun được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả thi công. Nghiên cứu cũng sử dụng phần mềm tính toán để mô hình hóa các bài toán kết cấu, giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống thiết bị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất bắt đầu áp dụng ở nước ta vào những năm đầu thế kỷ 21, đến nay đã đượcc sử dụng tương đối rộng rãi. Công nghệ này đạt hiệu quả cao khi áp dụng cho các công trình có tải trọng phân bố đều như đường, bến cảng, sân bay, kho chứa dầu…Các tập đoàn xây dựng nước ngoài như: Hercules của Thụy Điển, Sumitomo Construction của Nhật đã đưa thiết bị vào thi công tại Việt Nam. Với nhu cầu phát triển nhanh chóng về xây dựng các công trình như hiện nay, nhiều công ty xây dựng trong nước đã nhập máy khoan phun của Trung Quốc để thi công do giá thành tương đối thấp.

Tuy nhiên, qua sử dụng các máy này có nhiều nhược điểm, trong đó nhược điểm lớn nhất là điều khiển bằng tay nên khả năng kiểm soát chất lượng rất khó khăn, phụ thuộc rất nhiều vào trình độ công nhân. Nhu cầu sử dụng cho các dự án thi công đường, sân bay trong tương lai sẽ rất lớn Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới: Nước ứng dụng công nghệ DMM ( Deep Mix Method) nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80-96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ. Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng DMM 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, tổng khối lượng xử lý bằng DMM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967. Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (6m cao 8m dài) 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.

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam: Tại Việt nam, thi công cọc xi măng đất được nghiên cứu từ những năm đầu của thập kỷ 80 với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển (SGI) với một thiết bị thi công, do TS Nguyễn Trấp làm chủ trì. Đề tài được kết thúc vào năm 1986 thiết bị được chuyển giao cho LICOGI. Một số đề án nghiên cứu khác đã được thực hiện ở các trường Đại học Kiến trúc Hà nội (1983, 2003), ĐH Xây dựng HN (2004). Tuy nhiên việc ứng dụng mới chỉ dừng ở phạm vi hẹp, mang tính chất thử nghiệm.

Vào năm 2000, do yêu cầu của thực tế, phương pháp này được áp dụng trở lại để thi công các công trình trong lĩnh vực xăng dầu, khi công trình chấp nhận một giá trị độ lún cao hơn bình thường thì đạt được hiệu quả kinh tế khá cao. Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc XMĐ vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc XMĐ có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ. Năm 2004 cọc XMĐ 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 XMĐ như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, Gia cố nền móng kho khí hoá lỏng Cần thơ, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu…. Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản. Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng XM đến tính chất của XMĐ,. nhằm ứng dụng cọc XMĐ vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi.

Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An). Tại thành phố Đà Nẵng, Nha trang và nhất là thành phố Hồ Chí Minh cọc XMĐ được ứng dụng ở cho công trình dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi. Đơn vị đưa trở lại phương pháp này ban đầu là COFEC và nay là C&E Consultants. Trong thời gian này song song với việc áp dụng trong thực tế, rất nhiều thí nghiệm hiện trường (quan trắc công trình) cũng đã được thực hiên.

Những thí nghiệm mang tính nghiên cứu này được C&E thực hiện với các mức độ khác nhau. C&E cũng đã thí nghiệm quan trắc sự thay đổi áp lực của nước dưới đáy khối gia cố (ở độ sâu > 20 m) tại Tp. Hồ Chí Minh để xem xét lại tính thoát cố kết của đất nền dưới đáy khối gia cố hai đầu đo đã được lắp đặt để tiến hành nghiên cứu. Hồ Chí Minh, cọc xi măng đất được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, Toà nhà Saigon Times Square… Hiện nay, các kỹ sư Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc xi măng đất để chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – Nam (giai đoạn 3) cũng kiến nghị chọn cọc xi măng đất xử lý đất yếu.

Tại Quảng Ninh, công trình nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đã áp dụng công nghệ phun trộn ướt, dù địa chất công trình tại đây khá phức tạp, thường gặp đá mồ côi ở tầng địa chất, sâu cách cao độ mặt đất khoảng 11 ÷ 12m. Tại Hà nội, hầm đường bộ Kim Liên được xây dựng trong khu vực có nền địa chất yếu, nhất là khu vực phía đuờng Đào Duy Anh, chính vì vậy nền đất dưới hầm đã được cải tạo bằng phương pháp cột đất gia cố xi măng với chiều dày khoảng từ 1,5 ÷ 6m. Việc gia cố đất tại đáy hầm nói trên bằng cột đất gia cố xi măng không nhằm gia cố nền đất mà chỉ nhằm chống trượt, trồi khi đào xuống độ sâu lớn (trên 10m). Người ta không gia cố tại tất cả các vị trí đào mà căn cứ theo điều kiện địa chất từng khu vực, có nơi gia cố, có nơi không.

Quan trắc sau đó cho thấy việc gia cố ít nhiều có cải thiện đến độ lún của các đốt hầm. Đường Láng (Hòa Lạc) nối Thủ đô Hà Nội với khu công nghệ cao Hoà Lạc, đi qua nhiều sông ngòi, có nhiều giao cắt với đường bộ, đường sắt, dọc theo con đường này có nhiều hạng mục công trình trong quá trình thi công đã dùng cọc xi măng đất để xử lý nền đất yếu, chống lún chống trượt đất cho mái dốc, ổn định đất nền đường. Tại Việt Nam hiện cũng đã áp dụng cả hai công nghệ thi công: trộn khô (Dry Jet Mixing) và trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet – grouting). Số liệu về một số công trình sử dụng cọc xi măng đất xem bảng sau: Bảng 2.

Các công trình ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt Nam. Đường kính Tổng mét dài Công nghệ Stt Tên công trình cọc (m) đã thi công (m) trộn Đường vào sân đỗ cảng hàng 1 0,6 32.000 Trộn ướt không Cần Thơ Nhà máy điện Nhơn Trạch I 2 0,6 15.000 Trộn khô Đồng Nai Đường nối cầu Thủ Thiêm với 3 0,6 100.000 Trộn khô đại lộ Đông Tây Hầm chui đường sắt vành đai 4 0,6 150.000 Trộn khô đường Láng Hoà Lạc km 7+358 5 Đường băng sân bay Cần Thơ 0,6 300.000 Trộn ướt Việt Nam hiện tại cũng đã ban hành tiêu chuẩn thiết kế, thi công, nghiệm thu cọc xi măng đất là TCXDVN 385 năm 2006 "Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng" do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng biên soạn, Vụ Khoa học Công nghệ Xây dựng đề nghị, Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết định số 38/2006/QĐ- BXD ngày 27 tháng 12 năm 2006. Về thiết bị, Trung tâm Công nghệ Máy xây dựng và Cơ khí thực nghiệm thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải đã bước đầu nghiên cứu và chế tạo thiết bị điều khiển và định lượng xi măng để thi công cọc đất gia cố, thiết bị có giá thành thấp và một số ưu điểm. Qua khảo sát tổng quan, có thể thấy rằng trên thế giới, công nghệ cọc xi măng đất là một trong những công nghệ xử lý nền yếu tiên tiến, hiệu quả, tiết kiệm và đã có từ lâu.

Ở nước ta công nghệ này đã từng bước được ứng dụng và ngày được dùng nhiều do tính ưu việt về nhiều mặt của nó.Tuy nhiên các nghiên cứu về công nghệ này ở nước ta mới chỉ ở bước khởi đầu và thiên về ứng dụng thiết bị có sẵn hoặc cải tiến một vài bộ phận trong tổ hợp sẵn có. Các nghiên cứu sâu hơn về lý thuyết và thực nghiệm cũng chỉ dành cho các nghiên cứu về sức chịu tải của cọc và cải tiến các thiết bị cho phù hợp trên nền thực nghiệm. Về bản chất khoa học của quá trình khuấy trộn đất nền thiên nhiên với chất kết dính, các giả thuyết khoa học cùng các tính toán lý thuyết của quá trình hình thành cọc, các nghiên cứu về quá trình cung cấp ximăng (phương pháp khô) và vữa xi măng (phương pháp ướt) cũng như các nghiên cứu và thử nghiệm nhằm xác định kết cấu và các thông số cơ bản của bộ công tác khi trộn tạo coc trong điều kiện cụ thể Việt Nam vẫn chưa được tác giả nào làm rõ. Chương II.

PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 2.1 Mục đích và ý nghĩa việc gia cố nền móng: Tải trọng từ các công trình được đặt lên nền móng rồi truyền xuống nền đất, nền móng càng tốt thì công trình càng ổn định. Các công trình hiện đại thì có quy mô và chất lượng cao nên tải trọng truyền xuống cũng cao. Các công trình ở Việt Nam, nhất là các công trình giao thông tập trung ở vùng đồng bằng nên nền đất tương đối yếu vì vậy muốn sử dụng lâu dài thì phải gia cố nền móng cho tốt.