CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG 1.1 Giới thiệu trụ đất xi măng Trụ đất xi măng (Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là công nghệ xử lý nền đất yếu bằng phường pháp trộn sâu. Được phát minh đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1954, nhưng chúng chỉ thực sự phát triển ở Nhật Bản và Thụy Điển, sau đó việc ứng dụng đã lan rộng ra các quốc gia khác ở châu Âu, châu Á; Trụ đất xi măng là hỗn hợp giữ đất nguyên trạng nơi cần gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên. Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt).
Khoan xuống Đổi chiều quay Trụ đất xi măng Hoàn thiện móng đến độ sâu thiết mũi khoan, vừa đã được gia cố công trình kế lên vừa phun trộn xi măng-đất Hình 1.1 Thi công trụ đất xi măng -4- 1.2 Mô hình bố trí trụ đất xi măng [1] Tùy theo mục đích sử dụng một số mô hình thi công thể hiện trên các hình. Để giảm độ lún bố trí trụ đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông. Để làm tường chắn thường tổ chức thành dãy.2 Thí dụ bố trí trụ trộn khô: a) Dải; b) Nhóm, c) Lưới tam giác, d) Lưới vuông Hình 1.3 Thí dụ bố trí trụ trùng nhau theo khối a b c d Hình 1.4 - Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất: a) Kiểu tường, b) Kiểu khối, c) Kiểu diện, d) Kiểu kẻ ô -5- Hình 1.5 Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên biển:1 Kiểu khối , 2 Kiểu tường, 3 Kiểu kẻ ô, 4 Kiểu cột, 5 Cột tiếp xúc, 6 Tường tiếp xúc, 7 Kẻ ô tiếp xúc, 8 Khối tiếp xúc Hình 1.6 Thí dụ bố trí trụ trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công 1.3 Các công nghệ thi công trụ đất xi măng Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công trụ đất xi măng là: Công nghệ trộn khô (Dry Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing). Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với vữa xi măng bơm theo trục khoan.
Công nghệ trộn ướt (hay còn gọi là Jet-grouting): Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực. Khi thi công, trước hết dùng máy -6- khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + XM) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất. Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực. sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt.
Sau khi vữa cứng lại sẽ thành trụ đất xi măng.7 Trộn khô Hình 1.4 Ứng dụng công nghệ trụ đất xi măng Gia cố nền đất yếu phục vụ cho các công trình giao thông, đường dẫn vào cầu, các bãi cong tenner, nhà kho; Chống thấm cho các công trình thủy lợi, ổn định mái taluy, ổn định kè chống sạt lỡ; Làm nền móng vững chắc cho các công trình nhà cao tầng, ổn định thành hố đào sâu; Ở Việt Nam, việc nghiên cứu gia cố đất trộn sâu được bắt đầu từ những năm đầu thập kỷ 80 tại viện Khoa học Công nghệ Xây dựng với thiết bị thi công của viện Địa kỹ thuật Thủy Điển SGI. Đến nay, các nghiên cứu về phương pháp trộn sâu đã tương đối hoàn chỉnh. TCVN 9403:2012 thay thế TCXDVN 385:2006 "Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng" do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố. Tiêu chuẩn này quy định những yêu cầu kỹ thuật về khảo sát - thí nghiệm, thiết kế, thi công và nghiệm thu trụ đất -7- xi măng dùng để xử lý - gia cố nền đất yếu trong xây dựng nhà và công trình có tải trọng nhẹ, khối đắp, cũng như trong ổn định mái dốc.
Nhiều đề tài nghiên cứu đã bắt đầu được triển khai. Năm 2001, Công ty Hacules kết hợp với Công ty Phát triển Kỹ thuật Xây dựng thi công cột xi măng đất làm nền móng cho bể chứa xăng đầu tại khu công nghiệp Trà Nóc – Cần Thơ với khối lượng 50. Năm 2002, một số dự án bắt đầu ứng dụng trụ đất xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất yếu của Việt Nam. Cụ thể là Dự án cảng Ba Ngòi – Khánh Hòa đã sử dụng 4000 m trụ đất xi măng có đường kính D 60 thi công bằng công nghệ này.
Năm 2004, trụ đất xi măng được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản – Hà Nam. Xử lý nền 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 nhỏ hơn 20 m. Các nghiên cứu về khả năng chống thấm cho công trình Thủy lợi được bắt đầu vào năm 2004 trong khuôn khổ Đề tài cấp nhà nước về cống dưới đê thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình.
Mục tiêu là xử lý chống thấm cho các cống dưới đê. Công trình xử lý chống thấm đầu tiên là cống D 10 – Hà Nam, sau đó lần lượt là cống Trại – Nghệ An. Trong năm 2005, lần đầu tiên Viện đã kết hợp với LICOGI 13 sử dụng cả công nghệ trộn kiểu tia (Jet – Grouting) với chất kết dính dạng vữa kết hợp với công nghệ trộn kiểu cơ khí (Mechanic) với chất kết dính dạng bột để thi công chống thấm cho 1 đoạn đê quai của thủy điện Sơn La. Từ đó đến nay, nhiều ứng dụng về chống thấm cho các công trình Thủy lợi đã được thực hiện như công trình cống sông Cui – Long An, công trình đập Đá Bạc – Hà Tĩnh, công trình đập Khuôn Cát – Lạng Sơn, đập Nà Zanh – Cao Bằng, đập Hao Hao – Thanh Hóa….
Năm 2008, nhận thấy tiềm năng ứng dụng và yêu cầu bức bách trong sản xuất. Bộ Nông Nghiệp & PTNT đã cho triển khai đề tài “Nghiên cứu ứng dụng giải pháp xử lý nền móng công trình Thủy lợi trên đất yếu đồng bằng sông Cửu Long bằng cột xi măng đất khoan trộn sâu”. Mục tiêu của đề tài là ứng dụng giải pháp xử lý nền đất yếu bằng công nghệ trộn sâu, có giá thành hợp lý, công trình thử nghiệm là -8- cần chứng minh được là giảm ít nhất 30% giá thành so với các loại công nghệ xử lý nền hiện nay, giảm được thời gian thi công 50%.9 Các ứng dụng của trộn sâu ( Terashi, 1997)[1]: 1 Đường bộ, 2 ổn định/lún, 3 Mố cầu, 4 Thành hố đào, 5 Giảm ảnh hưởng từ các công trình lân cận, 6 Chống nâng đáy hố đào, 7 Chống chuyển dịch ngang của móng cọc, 8 Đê biển, 9 Ngăn nước 1.5 Các yếu tố của đất ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng 1.1 Hàm lượng hữu cơ Hàm lượng hữu cơ trong đất cao làm ngăn cản quá trình hydrat hóa của xi măng, giảm cường độ chịu nén. Lượng sét mịn trong đất tỉ lệ thuận với hàm lượng xi măng cần sử dụng.2 Thành phần khoáng Trong điều kiện đất nền như nhau thì loại đất nào có hoạt tính pozzolan cao hơn thì cho cường độ lớn hơn.
Hilt và Davidson (1960) cho rằng các loại đất sét monmorilonit và kaolinit là những hoạt chất pozzolan có hiệu quả so với các loại đất sét chứa khoáng illite, chlorite hoặc vermiculite. Wissa và những người khác (1965) cũng giải thích rằng số lượng xi măng thứ cấp sinh ra trong phản ứng -9- pozzolan giữa hạt sét và vôi tôi phụ thuộc vào số lượng và thành phần khoáng của sét cũng như silica và alumina có trong đất.3 Độ PH của đất Những phản ứng pozzolan lâu dài sẽ thuận lợi khi độ PH lớn vì phản ứng sẽ được thúc đẩy nhanh nhờ độ hòa tan của silicate và aluminate trong hạt sét gia tăng.4 Tỉ lệ xi măng/đất Việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của hỗn hợp vật liệu xi măng đất và giá thành công trình. Cường độ kháng nén (qu) là một chỉ tiêu để tính toán sức chịu tải của cọc, theo [2] Thí nghiệm trong phòng với các tỷ lệ trộn xi măng với đất dính khác nhau cho kết quả như bảng sau: Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm trong phòng xác định cường độ kháng nén của hỗn hợp vật liệu xi măng đất theo [2] Tỷ lệ xi măng với đất, 6 7 9 12 17 aw (%) Cường độ kháng nén 28 ngày, 6,02 6,18 9,13 15,56 17,51 qu28 ngày (kG/cm2) Cường độ kháng nén 90 ngày, 8,13 8,35 12,33 21,01 23,65 qu90 ngày (kG/cm2) Cường độ của xi măng-đất tăng lên theo tỉ số tăng lượng xi măng trộn vào (bảng 1.2) trong thực tế, tỷ lệ xi măng với đất thường chọn 7% ÷ 15%, trong các trường hợp thông thường thì không nên nhỏ hơn 12%.10 Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng với đất và cường độ của xi măng-đất -10- Tỷ lệ xi măng với đất (as) được tính theo % khối lượng xi măng so với khối lượng đất khô. Để chọn tỷ lệ pha trộn các hỗn hợp gia cố theo phương pháp thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu xi măng đất.
Để giảm bớt số mẫu và thời gian thí nghiệm chúng tôi giới thiệu một số kinh nghiệm để độc giả tham khảo. Theo thống kê, tỷ lệ xi măng với đất thích hợp thay đổi theo từng loại đất và có giá trị biến đổi trong phạm vi nhất định. Trong xi măng-đất thường dùng xi măng silicát phổ thông hoặc xi măng xỉ quặng. Lượng xi măng trộn vào là 7% ÷ 15% trọng lượng khô của đất cần gia cố hoặc lượng xi măng từ 180 ÷ 250 kg/m3 đất gia cố.
Thông thường, khi hàm lượng hạt sét trong đất yếu tăng thì lượng xi măng yêu cầu cũng tăng (Bell, 1993). Theo nghiên cứu của Lan Wang [3], lượng xi măng thay đổi trong phạm vi từ 4% đến 16% trọng lượng khô của đất cần gia cố. Qua nghiên cứu so sánh, Shiells và các cộng sự (2003) kết luận: thông thường phương pháp trộn ướt sử dụng tỷ lệ xi măng với đất cao hơn so với phương pháp trộn khô.