công nghệ trộn sâu tạo cọc xi măng đất khả ứng dụng để gia cố đê đập TS Nguyễn Quốc Dũng KS Phùng Vĩnh An Viện Khoa học Thuỷ lợi Tóm tắt: Công nghệ trộn sâu (DM) tạo cọc ximăng-đất (XMĐ) cách trộn xi măng với đất chỗ- dới sâu Công nghệ cọc XMĐ sử dụng rộng rãi xử lý móng công trình xây dựng Việt nam gần cọc XMĐ đợc đa vào ứng dụng số dự án giao thông, xây dựng thuỷ lợi So sánh với số giải pháp xử lý có công nghệ cọc XMĐ có u điểm khả xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với đất yếu (từ cát thô bùn yếu), thi công đợc điều kiện ngập sâu nớc điều kiện trờng chật hẹp, nhiều trờng hợp đa lại hiệu kinh tế rõ rệt so với giải pháp khác Bài báo giới thiệu công nghệ cọc XMĐ khả ứng dụng để cải tạo công trình xây dựng nói chung, đê đập nói riêng Bài báo trình bày ví dụ cụ thể tính toán xử lý cho đập Lê-chân (Hà nam) để so sánh với giải pháp khác khả thi công hiệu kinh tế Summary: Deep mixing method creates soilcrete columns by mixing cement with ground in deep Now DM is a grout treatment, improvement, and support method of global application and increasing popularity and value However DM was just applied in Vietnam recently in some projects In comparison with existing grout treatment methods, DM has advantages in following respects: deep treatment (to deep of 50m), good for many kinds of weak soils (from sand to slurry), it can be implemented in conditions of narrow spaces or submerse foundations, in many projects it proved high economical efficiencies in comparison with existing methods 1- tổng quan công nghệ trộn sâu Công nghệ trộn sâu (DM) tạo cọc ximăng-đất (XMĐ) công nghệ trộn xi măng với đất chỗ- dới sâu Cọc XMĐ sử dụng rộng rãi xử lý móng công trình xây dựng Mục đích gia cố công nghệ làm tăng cờng độ, khống chế biến dạng, giảm tính thấm đất yếu đất co ngót để vệ sinh khu nhiễm độc Nói tóm lại làm thay đổi đất, nâng cao chất lợng đất cách cứng hoá chỗ Những nớc ứng dụng công nghệ DM nhiều Nhật nớc vùng Scandinaver Theo thống kê hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung giai đoạn 80~96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ Riêng từ 1977 đến 1993, lợng đất gia cố DM Nhật vào khoảng 23.6 triệu m3 cho dự án biển đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện hàng năm thi công khoảng triệu m3 Đến 1994, hãng SMW Seiko thi công 4000 dự án toàn giới với 12.5 triệu m2 (7 triệu m3) Tạp chí Tin tức kỹ thuật (ENR) thờng xuyên thông báo thành tựu DM Nhật Bản, chẳng hạn số 1983 đăng kết ứng dụng cho công trình móng thi công nớc, số 1989 tác dụng chống động đất, số 1986 tờng chống thấm Hàng năm, hội nghị công nghệ gia cố đợc tổ chức Tokyo, hội nghị nhiều thành tựu khoan DM đợc trình bày Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu năm 1970, từ cuối năm 1960, kỹ s Trung Quốc học hỏi phơng pháp trộn vôi dới sâu CDM Nhật Thiết bị DM dùng đất liền xuất năm 1978 đợc sử dụng để xử lý khu công nghiệp Thợng Hải Tổng khối lợng xử lý DM Trung Quốc vào khoảng triệu m3 Từ năm 1987 đến 1990, công nghệ DM đợc sử dụng Cảng Thiên tân để xây dựng bến cập tàu cải tạo cho 60 khu dịch vụ Tổng cộng 513000m3 đất đợc gia cố, bao gồm móng kè, móng tờng chắn phía sau bến cập tầu Đến năm 1992, hợp tác Nhật Trung Quốc tạo thúc đẩy cho bớc công nghệ CDM Trung Quốc, công trình hợp tác cảng Yantai Trong dự án 60.000m3 xử lý biển đợc thiết kế thi công kỹ s Trung Quốc (Tang, 1996) Một số nghiên cứu khác liên quan tới DM Đông Nam nh sử dụng cột vôi đất xử lý đất hữu Trung Quốc (Ho, 1996), hố đào sâu Đài Loan (Woo, 1991) số dự án khác Singapore (Broms , 1984) Tại Châu âu, nghiên cứu ứng dụng bắt đầu Thụy Điển Phần Lan Trong năm 1967, Viện Địa chất Thụy Điển nghiên cứu cột vôi (SLC) theo đề xuất Jo Kjeld Páue sử dụng thiết bị theo thiết kế Linden- Alimak AB (Rathmayer, 1997) Thử nghiệm sân bay Ska Edeby với cột vôi có đờng kính 0.5m chiều sâu tối đa 15m cho kinh nghiệm cột vôi cứng hoá (Assarson nnk, 1974) Năm 1974, đê đất thử nghiệm (6m cao 8m dài) đợc xây dựng Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu hình dạng chiều dài cột mặt khả chịu tải (Rathmayer Liminen, 1980) Từ năm 1970 đến năm 1980, công trình nghiên cứu ứng dụng tập trung chủ yếu vào việc tạo vật liệu gia cố, tối u hoá hỗn hợp ứng với loại đất khác Broms and Boman (1977) tổng kết kinh nghiệm thu đợc từ phơng pháp SLC sách hớng dẫn công nghệ Sau số nhà nghiên cứu khác (Nieminen 1977; Viitanen, 1977; Kujala, 1982) nghiên cứu ứng dụng thạch cao, tro bay làm chất độn để vôi hoá nhanh Bài báo giới thiệu công nghệ Eggestad (1983) liên quan đến hợp chất hoá học dùng để chế tạo chất gia cố sử dụng công nghệ cọc vôi đất Có thể phân loại ứng dụng công nghệ DM nh hình 1: Công nghệ DM Nền móng cho công trình Tờng chắn đất Tờng kè Bồn chứa tháp Trồi móng Bến cập tàu Mố cầu dẫn Hố đào ứng dụng cho công trình biển Tờng chắn sóng Công trình ngầm Trợt mái ổn định bờ đắp Chống đỡ cho công trình lân cận Chống thấm Cải tạo nâng cấp đập đất ổn định bờ sông Chống hoá lỏng đất Môi trờng Ngăn cản PCB Xử lý VOC Các ứng dụng Vỏ nen Neo đất Chống chấn đất Tờng chắn Móng nhà ổn định hố móng lớn Hình 1- Tổng kết ứng dụng công nghệ DM theo A.Porbaha nnk Xu hớng phát triển công nghệ DM Thế giới hớng vào việc khai thác mặt mạnh DM Khi phát minh, yêu cầu DM ban đầu nhằm đạt đợc cờng độ cao chi phí thấp; nhng gần nan giải xây dựng đặt yêu cầu cao tin cậy hoàn chỉnh công nghệ u quan trọng công nghệ chỗ cho phép xử lý chỗ cô lập chất ô nhiễm đất, hứa hẹn cho nghiên cứu tiếp tục Trong lĩnh vực chống động đất, ngời ta tiếp tục nghiên cứu ứng dụng DM nhằm ngăn chặn hoá lỏng đất, tìm phơng án có hiệu kinh tế, sử dụng vật liệu có sợi để chịu đợc uốn có động đất Giới thiệu số dự án ứng dụng cọc XMĐ giới Sau gới thiệu số công trình tiêu biểu có liên quan đến ổn định đê đập thành công giới Còn nhiều ví dụ không trình bày khuôn khổ báo Đập đất Tại Mỹ, việc xử lý nâng cấp đập đất nhằm đáp ứng mục tiêu an toàn vận hành ngăn ngừa tợng thấm đợc quan tâm DM đợc ứng dụng để nâng cấp đập đất có, tạo tờng chống thấm Để kiểm soát dòng thấm, tờng bê tông đất đợc cắm vào đá gốc xuyên qua đập đất lớp trầm tích nh hình Tờng dày 0.6m dài 51~61m, sâu 43m Cờng độ nén vật liệu 2254 kPA, hệ số thấm 1x10-6cm/s Hàm lợng xi măng 350~550kg/m3 Tổng diện tích tờng 1733m2 Một trờng hợp khác hồ Jackson Lake, tờng chống thấm bê tông đất đợc xây dựng để chống thấm ngăn ngừa có khả hoá lỏng có động đất Còn đập Lockington, tờng bê tông đất làm nâng cao lõi chống thấm để đảm bảo yêu cầu an toàn Hình Dự án sửa chữa đập đất Mỹ (Yang Takeshima, 1994) ổn định bờ sông Tại Bungari, đờng sắt thờng đợc xây dựng sét macma khó kiếm đất tốt Loại đất khó đầm nén đờng thờng bị lún nghiêm trọng Ngời ta sử dụng cột DM đờng kính 0.25m cách 2.5m để gia cố nh hình Tại sử dụng 456 cọc dài ~ 9m với cờng độ thiết kế 0.235 Mpa, kết sau xử lý cho thấy dấu hiệu lún tốc độ tàu chạy 100 ~ 120 km/h Hình trình bày mặt cắt ngang bờ sông Kumamoto ken, đảo Kyushu, Nhật bản, Tại 5628m3 cọc xi măng đất đợc xây dựng để ngăn ngừa trợt lở bờ sông Hình Mặt cắt ngang bờ đờng sắt đợc gia cố Bungari Hình ổn định mái bờ sông Nhật (a)mặt cắt ngang; (b) mặt 3- Công nghệ thi công cọc XMĐ Hiện phổ biến hai công nghệ thi công cọc XMĐ là: Công nghệ trộn khô (Dry Mixing) Công nghệ trộn ớt (Wet Mixing) Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ sử dụng cần khoan có gắn cánh cắt đất, chúng cắt đất sau trộn đất với vữa XM bơm theo trục khoan u điểm công nghệ trộn khô: Thiết bị thi công đơn giản; Hàm lợng XM sử dụng ; quy trình kiểm soát chất lợng đơn giản công nghệ trộn ớt Nhợc điểm công nghệ trộn khô: Do cắt đất cánh cắt nên gặp hạn chế đất có lẫn rác, đất sét, cuội đá, cần xuyên qua lớp đất cứng bê tông; Không thi công đợc phần xử lý ngập nớc Chiều sâu xử lý khoảng 15 ~ 20m Công nghệ trộn ớt (hay gọi Jet-grouting): Phơng pháp dựa vào nguyên lý cắt nham thạch dòng nớc áp lực Khi thi công, trớc hết dùng máy khoan để đa ống bơm có vòi phun hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nớc + XM) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất Với lực xung kích dòng phun lực li tâm, trọng lực trộn lẫn dung dịch vữa, đợc xếp lại theo tỉ lệ có qui luật đất vữa theo khối lợng hạt Sau vữa cứng lại thành cột XMĐ u điểm công nghệ Jet-grouting: Phạm vi áp dụng rộng, cần xuyên qua lớp đất cứng bê tông làm đợc; thi công đợc nớc Phạm xi xử lý đến 50m Nhợc điểm công nghệ Jet-grouting: Hàm lợng XM sử dụng nhiều trôn khô có XM theo dòng trào ngợc; thiết bị thi công phức tạp, đòi hỏi ngời vận hành phải thành thạo; Tình hình ứng dụng công nghệ trộn sâu việt nam Công nghệ DM đợc miêu tả Xử lý cố móng công trình GS Nguyễn Bá Kế xuất năm 2000 Năm 2002, Viện KHCN Xây dựng có đề tài nghiên cứu cọc Ximăng - vôi Hiện nay, Bộ xây dựng chuẩn bị ban hành Tiêu chuẩn thiết kế cọc XMĐ Năm 2002, có số dự án bắt đầu ứng dụng cọc XMĐ vào xây dựng công trình đất yếu Việt nam Cụ thể nh: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh hoà) sử dụng 4000m cọc XMĐ có đờng kính 600cm thi công trộn khô; xử lý cho bồn chứa xăng dầu đờng kính 35m, cao 4m Cần Thơ Năm 2003, Việt kiều Nhật thành lập công ty xử lý móng TP Hồ Chí Minh, ứng dụng thiết bị trộn khô để tạo cọc XMĐ lồng ống thép Cọc XMĐ lồng ống thép cho phép ứng dụng cho nhà cao tầng (đến 15 tầng) thay cho cọc nhồi, rẻ thi công nhanh Năm 2004 cọc XMĐ đợc sử dụng để gia cố móng cho nhà máy nớc huyện Vụ Bản (Hà nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu Đình vũ (Hải phòng) Các dự án sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý khoảng 20m Tháng năm 2004, nhà thầu Nhật sử dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết tật cho cọc nhồi cầu Thanh trì (Hà nội) Năm 2005, số dự án áp dụng cọc XMĐ nh: dự án thoát nớc, khu đô thị Đồ Sơn - Hải phòng, dự án đờng cao tốc TP Hồ Chí Minh Trung Lơng, dự án cảng Bạc Liêu, Năm 2004, Viện Khoa học Thuỷ lợi tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Đề tài ứng dụng công nghệ thiết bị nghiên cứu sức chịu tải cọc đơn nhóm cọc, khả chịu lực ngang, ảnh hởng hàm lợng XM đến tính chất XMĐ, nhằm ứng dụng cọc XMĐ vào xử lý đất yếu, chống thấm cho công trình thuỷ lợi Nhóm đề tài sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ an), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long an) 5 Ví dụ thiết kế xử lý đập Lê chân, tỉnh Hà Nam Đờng Lê Chân kéo dài, đoạn qua hồ Lạt Sơn kết hợp làm đập giữ nớc phía thợng lu Chiều rộng mặt đập (kể lề) 24m, chiều cao đập H = 5m, mái m =2, đất đắp dung trọng 1,45 t/m3; tải trọng xe H30/XB80; mực nớc hồ sâu 3m; chiều dày đất yếu 20m có tiêu lý nh sau: = - 6o; c = - 10 KN/m2; = 0, 44 - 0,46; E = 450 - 650 KPa Theo thiết kế ban đầu hệ số trợt sâu Kmin = 0,712 - 0,836; lợng lún cố kết Sc = 110cm; lợng lún lại Sc = 82 cm > [40cm] không đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn 22 TCN 262- 2000 Bộ GTVT Để ổn định lún lâu dài cho khai thác sau này, nh để giữ nớc hồ chứa, quan thẩm định Cty t vấn thiết kế đờng đề xuất xử lý đất yếu cọc XMĐ Viện khoa học thuỷ lợi tham gia tính toán thiết kế Chiều sâu xử lý cọc XMĐ dài l = 10m tính từ mặt đất thiên nhiên; đờng kính cọc D = 60 cm; hàm lợng XM = 12% tơng đơng 60 kg/m dài Trong hàng cọc phía thợng lu thi công sát kết hợp làm cừ chống thấm Kết qủa tính toán ổn định Kmin = 1,292; lợng lún cố kết Sc = 87cm; lợng lún lại sau thi công xong 12 cm < [40cm] Chuyển vị thẳng đứng thân đập ứng suất thân đập Hệ số an toàn mái đập Chuyển vị cọc giai đoạn khai thác Hình - Kết qủa tính toán xử lý ổn định cọc xi măng đất 6 Kết luận kiến nghị Công nghệ trộn sâu hứa hẹn TBKT có nhiều triển vọng ứng dụng việc gia cố cải tạo móng công trình thuỷ lợi, giao thông xây dựng Đây vấn đề tơng đối mẻ, nớc ứng dụng công nghệ hàng chục năm trở lại đây, nhng có chơng trình nghiên cứu tiếp tục Chúng kiến nghị cần thiết phải tiến hành số đề tài nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nh: Xây dựng tiêu chuẩn thi công nghiệm thu; xây dựng tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu XMĐ, đặc biệt quan tâm đến thí nghiệm trờng; nghiên cứu ứng dụng cọc XMĐ nhằm giải vấn đề thực tế sản xuất đạt hiệu kinh tế kỹ thuật Tài liệu tham khảo: Báo cáo kết thí nghiệm cọc vật liệu XMĐ bãi thử cọc Đồ sơn Hải phòng đề tài Cống dới đê, năm 2004 Viện KHTL chủ trì Nguyễn Bá Kế Sự cố móng công trình; Nhà xuất Xây dựng, năm 2000 A.Porbaha at all: State of the art in deep mixing technology part II and II:- Ground improvement (1998); Báo cáo đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu cọc Ximăng- vôi - đất, Viện KHCN Xây dựng năm 2002; ... hai công nghệ thi công cọc XMĐ là: Công nghệ trộn khô (Dry Mixing) Công nghệ trộn ớt (Wet Mixing) Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ sử dụng cần khoan có gắn cánh cắt đất, chúng cắt đất. .. hợp chất hoá học dùng để chế tạo chất gia cố sử dụng công nghệ cọc vôi đất Có thể phân loại ứng dụng công nghệ DM nh hình 1: Công nghệ DM Nền móng cho công trình Tờng chắn đất Tờng kè Bồn chứa... tính toán xử lý ổn định cọc xi măng đất 6 Kết luận kiến nghị Công nghệ trộn sâu hứa hẹn TBKT có nhiều triển vọng ứng dụng việc gia cố cải tạo móng công trình thuỷ lợi, giao thông xây dựng Đây