CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BƠM HÚT CHÂN KHÔNG 1.1 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHỔ BIẾN : - Các phương pháp gia cố nền đất yếu đã được ứng dụng từ hàng ngàn năm trước bằng những phương pháp thô sơ như là dùng đầm tay nện đất hay đóng cọc tre ép đất nền chặt hơn. Tuy nhiên việc nghiên cứu một cách khoa học, và có hệ thống chỉ bắt đầu từ thế kỷ trước, sau khi các cơ sở lý luận cơ bản của môn cơ học đất được hoàn thiện. Trải qua gần một thế kỷ nghiên cứu và phát triển, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều phương pháp hiệu quả để cố kết đất yếu. Về cơ bản, các phương pháp đó được chia thành bảy nhóm như sau : + Phương pháp thay nền; + Phương pháp cơ học; + Phương pháp hóa học; + Phương pháp Nhiệt học; + Phương pháp Sinh học; + Phương pháp thủy lực học; - Kết luận : Về nguyên tắc hoạt động của phương pháp BHCK kết hợp gia tải trước có thể xếp phương pháp xử lý nền đất yếu này vào nhóm phương pháp thủy lực học.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BƠM HÚT CHÂN KHÔNG : 1.1 Lược sử phát triển : - Công nghệ BHCK xử lý nền đất yếu lần đầu tiên được giới thiệu là vào năm 1952 bởi tiến sĩ W.
Sau đó bài toán cố kết hút chân không được nghiên cứu lại bởi giáo sư Cognon với một số nguyên tắc lý thuyết cơ bản mới. Đến những năm 70, phương pháp BHCK được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là ở Nga và Nhật. Vào thời điểm bấy giờ phương pháp BHCK được bổ sung một lớp tường chống thấm bao quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh, đồng thời gia tăng áp lực nén đứng của dòng thấm. Tuy nhiên cách bố trí này sớm bộc lộ khuyết điểm là khá tốn kém.
- Năm 1989 hãng xây dựng Menard (Pháp) dựa trên nghiên cứu và phát minh của giáo sư J. Cognon lần đầu tiên áp dụng phương pháp cố kết MVC (Menard Vacuum Consolidation) trên diện tích 390 m2 của một trường huấn luyện phi công ở Ambes, Pháp. Việc bố trí tường chống thấm không còn nữa mà thay vào đó là lớp gia tải bằng đất và sự chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất chân không dưới màng kín khí bao phủ bề mặt diện tích xử lý. Từ sau đó phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.
TRANG 11 THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH CHÂN KHÔNG ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN MÁY BƠM LỚP ĐẤT MÀN KÍN CHÂN KHÔNG NỀN ĐẮP KHÍ THOÁT NƯỚC ỐNG DẪN KHÔNG KHÍ ỐNG THOÁT NƯỚC NGANG ỐNG TRUYỀN CHÂN KHÔNG TƯỜNG BIÊN THOÁT NƯỚC Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC [4] Bảng 1.1 : Một số công trình ứng dụng phương pháp MVC giai đoạn 1989 – 2001 Tên công Loại công trình Đơn vị tư PHẠM VI NĂM Nước trình vấn (m2) Kho hàng sân IGB – Dr 2001 Hamburg Dức 238000 bay Maybaum Đường vào nhà máy điện 2001 Bang Bo Thái Lan Seatac 30000 Nhà máy xử lý 1999 Jangyoo STP Hàn Quốc KECC 70000 nước thải 1999 Quebec Canada Cầu QDOT 1000 Đức Steinfield & 1997 Wismar Cảng 15000 Part 1996 Khimae PS Hàn Quốc Trạm bơm KECC 20000 Đường vòng CETE Fort 1996 RN1 Pháp 6150 de France 1995 Kuching Malaysia Cầu tàu ACER 12000 Nhà máy xử lý 1995 Khimae SPT Hàn Quốc KECC 83580 nước thải Đường cao tốc SCETAU 1994 A837 phase 2 Pháp 10000 ROUTE - Từ năm 1997 đến năm 2004, công ty xây dựng Cofra (Hà Lan) nghiên cứu cải tiến phương pháp hút chân công theo hướng giản hóa, bỏ đi lớp màng bảo vệ thi công phức tạp và dễ bị hư hại, tuy nhiên phải đắp thêm gia tải để bù cho sự chênh lệch áp suất khí quyển bị gỡ bỏ. Hướng cải tiến mới này đã cho ra đời ba phương pháp bố trí mới, TRANG 12 nhanh chóng được chấp nhận và thi công tại nhiều công trình lớn trên thế giới.2 : Sơ đồ nguyên lý phương pháp Beaudrain – S [4] Bảng 1.2 : Một số công trình ứng dụng phương pháp Beaudrain – S [4] PHẠM VI NĂM Tên công trình Nước (m2) 2008 Baanhoek Sliedrecht Hà Lan 4500 2008 Waddinxveen Hà Lan 2000 Quay wall IHC, 2008 Hà Lan 2500 Krimpen a/d IJssel Randeburgseweg, 2007 Hà Lan 4500 Reeuwijk 2006 Bremerhaven Đức 62000 2005 Suvarnabhumi airport Thái Lan 400000 2005 Parking Ikea Delft Hà Lan 3700 2005 Ter Aar Hà Lan 1800 Railway Betuwelijn 2004 Hà Lan 4400 Gorinchem - Về bản chất, tính hiệu quả của các phương pháp MVC, Beaudrain, Beaudrain – S và các biện pháp thi công khác của hút chân không có thể coi là tương đương nhau. Sự khác nhau tập trung chủ yếu vào thiết bị thi công, cách bố trí và thời gian cố kết.2 Giới thiệu nguyên lý một số phương pháp thi công bơm hút chân không : - Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty xây dựng triển khai hút chân không, mỗi một công ty lại có những cải tiến riêng, có những thiết bị riêng để phù hợp với các công trình xây dựng mà công ty đó thực hiện, chính vì vậy mà hiện nay có rất nhiều biện pháp thi công hút chân không. Tuy nhiên các phương pháp này đều dùng gia tải để hỗ trợ quá trình rút nước khỏi nền để giảm hệ số rỗng.
Về bản chất có thể phân thành hai loại chính là thi công có màng kín khí và không có màng kín khí. TRANG 13 Phương pháp thi công có màng kín khí - Màng kín khí thông thường là màng địa kỹ thuật (geo-membrane) bao kín toàn bộ khu vực thi công. Trong quá trình bơm hút, mực nước ngầm hạ xuống và không khí cũng được rút ra, tạo một vùng áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển trong lớp đất gia tải nằm dưới màng, từ đó hình thành một gia tải phụ do sự chênh lệch về áp suất không khí ở trên và dưới màng kín khí (Hình 1. Gia tải phụ này có thể đạt tới 0,4 atm.
Quá trình bơm hút thông thường kéo dài khoảng 3÷7 tháng. - Khi thi công phương pháp MVC cần lưu ý các yêu cầu kỹ thuật sau : Duy trì hệ thống thoát nước hoạt động có hiệu quả nằm dưới màng chống thấm để thoát nước và khí trong suốt quá trình bơm hút, không để tắc hoặc hở. Giữ cho vùng đất dưới màng kín khí không bão hòa nước. Giữ ổn định áp suất chân không dưới màng – không ít hơn -0,3 atm.
Giữ kín khí trên toàn bộ diện tích màng phủ, đặc biệt đoạn nối máy bơm và màng. Neo giữ và kín khí toàn bộ hệ thống tại biên khu vực xử lý (hào bentonite). Hạn chế dòng thấm của nước ngầm đi vào khu vực xử lý. - Nhìn chung, phương pháp MVC có ưu điểm là có thể giảm khối lượng gia tải, tuy nhiên thi công phức tạp, phải có hào vây để dém màng kín khí nên gây khó khăn cho việc thi công cuốn chiếu trên các công trình có chiều dài lớn.3 : Sơ đồ bơm hút chân không sử dụng màng kín khí theo phương pháp SPD Phương pháp thi công không có màng kín khí - Nguyên tắc của nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí dựa trên “cải tiến lùi”, đem nguyên tắc MVC đơn giản hóa, bỏ đi màng kín khí, cũng là bỏ đi sự trợ giúp của áp suất khí quyển.
Thay vào đó, nhóm phương pháp này yêu cầu đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp sự thiếu hụt về áp lực gia tải. Lớp gia tải có thể cao thêm tới 2m, TRANG 14 tuy nhiên không phải thi công hào vây và màng kín khí. Quá trình bơm hút thông thường kéo dài 3÷7 tháng. - Nhìn chung nhóm phương pháp này thi công đơn giản, nhưng khối lượng gia tải lại tương đối lớn.
- Kết luận : Để gia tăng hiệu quả BHCK trên diện rộng, cả hai nhóm phương pháp đều có thể áp dụng biện pháp cải tiến như nối ống kín trực tiếp với bấc. Cải tiến này giúp áp suất chân không đạt tới độ sâu lớn hơn, tăng lưu lượng nước bơm hút được.3 Ứng dụng của công nghệ bơm hút chân không trong công trình giao thông : Điều kiện sử dụng công nghệ BHCK xử lý đất yếu ở Việt Nam : - Ở Việt Nam, với sự phát triển mạnh của nền kinh tế đất nước, nhu cầu xây dựng các công trình ở khu vực đồng bằng ven biển là rất lớn. Công nghệ BHCK xử lý nền đất yếu đã được ứng dụng trong xây dựng một số công trình công nghiệp, dân dụng và giao thông trong thời gian gần đây. Cả hai loại công nghệ BHCK đều đã được sử dụng.
Hai đơn vị hàng đầu về thi công theo công nghệ này là: Công ty FECON: Sử dụng công nghệ hút chân không có màng kín khí, có sự hợp tác với các đơn vị của Trung Quốc, đang từng bước nâng cao năng lực thiết bị và con người để có thể thi công độc lập ở Việt Nam. Công ty TEINCO: Sử dụng công nghệ hút chân không không có màng kín khí (phương pháp Beaudrain-S), có sự phối hợp với công ty Cofra (Hà Lan). Công nghệ này đòi hỏi hệ thống thiết bị tương đối hiện đại và đắt tiền, nhưng các công ty đều có thể trang bị được nếu có công trình để áp dụng, kiểu như đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây. Đặc điểm áp dụng phương pháp BHCK cho công trình giao thông : - Do đặc tính của các công trình giao thông ở Việt Nam cần phải được đưa vào khai thác sớm để đảm bảo giải quyết tình trạng giao thông cấp bách trong khu vực, Vì vây, đối với các tuyến đường xây dựng trên nền đất yếu đòi hỏi thời gian chờ cố kết khá lâu gây nhiều khó khăn trong vấn đề giải quyết tình trạng giao thông ở khu vực huyện Nhà Bè nói riêng và khu vực TP.
Các phương án xử lý nền đất yếu tiết kiệm chi phí và rút ngắn thời gian cố kết cũng đặc biệt được chú trọng trong giai đoạn triển khai dự án ban đầu. Lợi ích của phương pháp BHCK : - Cơ chế hoạt động của phương pháp BHCK không cần vật liệu gia tải trước “vật liệu gia tải trước thông thường cát đắp” nên hạn chế chi phí vật liệu. Đặc biệt trong tình trạng thiếu cát hiện nay của các công trình xây dựng. - Ngoài ra, vì sử dụng BHCK tạo áp lực rút nước ra khỏi nền đất yếu.
giúp rút ngắn thời gian chờ lún so với phương pháp chất truyền thống. giảm thời gian thi công công trình. - Tuy nhiên, Phương pháp này vẫn còn một số khuyết điểm : Rất khó làm kín khí. Có giới hạn về độ sâu gia cố.