Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số vận hành thiết bị và địa chất An Giang - Đồng Tháp đến chất lượng cọc đất ximăng bằng thiết bị nhỏ gọn

Dựa trên các thông số vận hành trong quá trình thi công và kết quả thực nghiệm hiện trường đề xuất các thông số vận hành và quy trình thi công, giám sát nhằm ứng dụng thiết bị NSV thi cô

ĐẶ T V Ấ N ĐỀ

tháng 10 năm 2013, lũ gây ngập 1.088 căn nhà, sập 1 căn, 1.700 m tỉnh lộ, 2.900 m đường giao thông nông thôn (GTNT) bị ngập, 3.188 m đường GTNT sạt lở, 292 ha lúa Thu Đông, 2 ao cá bị ngập, và 126 ha cây ăn trái tính đến ngày 14/10/2011, kinh phí gia cố lên đến 70 tỷ đồng (Cổng thông tin điện tử An Giang 15/10/2013)

Các sự cố vỡ đê và sạt lở mái dốc do đê xây dựng trên nền đất yếu Các giải pháp gia cố đê không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật nên đê kém ổn định và nguy cơ vỡ đê khi nước lũ dâng cao Ở nước ta, đê kết hợp với đường GTNT nên ngoài tác dụng của triều cường, đê còn chịu tác động của tải trọng xe Những biện pháp gia cố như cừ tràm, rọ đá hoặc đắp với mái dốc thoải kết hợp trồng cây chỉ phù hợp với chiều cao đắp nhỏ Khi chiều cao đắp đê lớn kết hợp mực nước sông cao dẫn đến mái dốc bị xói lở và trượt sâu Giải pháp khắc phục hiện nay là dùng tường chắn bêtông cốt thép (BTCT) và cọc bản BTCT nhưng các giải pháp này đòi hỏi chi phí xây dựng lớn (Lê Xuân Việt và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2011)

Nhiều kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy công nghệ cọc đất ximăng có nhiều ưu điểm phù hợp với việc gia cố đường đê, nhưng việc ứng dụng công nghệ còn gặp nhiều trở ngại do hạn chế về công nghệ Gia cố thân đê bằng tường cọc đất ximăng làm tăng tính ổn định và chống thấm, giảm nguy cơ sạt lở, hoặc vỡ đê (Kitazume and Terashi 2013, Lê Khắc Bảo et al 2014, Nguyễn Quốc Dũng và Phùng Vĩnh An 2005) Công nghệ cọc đất ximăng bằng cánh trộn kim loại ở nước ta chủ yếu ứng dụng gia cố nền móng công trình (như cầu đường, cảng biển, dân dụng, khu công nghiệp, tầng hầm v.v.) với mục đích giảm lún, giảm sạt lở, tăng ổn định hố móng, và chống thấm (Kitazume and Terashi 2013, EuroSoil Stab 2002, TCVN 9403 2012) Ứng dụng gia cố đê với mục đích chống sạt lở, chống thấm còn hạn chế do các thiết bị thi công cọc đất ximăng thường có kích thước, trọng lượng lớn so với kích thước đê bao kết hợp đường GTNT (như bề rộng mặt đê khoảng 3 m) Công nghệ thi công cọc đất ximăng theo phương pháp trộn sâu và trộn ướt của tập đoàn SomeThing - Nhật Bản (công nghệ NSV) với ưu điểm thiết bị thi công nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và linh hoạt, có thể thi công trên những đường đê có kích thước nhỏ, nhưng chưa được ứng dụng trong gia cố đê ở Việt Nam

Công nghệ NSV được ứng dụng rộng rãi trong gia cố nền móng công trình ở Nhật nhưng các báo cáo, nghiên cứu về công nghệ NSV và số liệu về chất lượng cọc đất tạo ra bởi công nghệ NSV ở Việt Nam còn hạn chế Thiết bị NSV đã triển khai thi công ở quận 2 và quận 6 thành phố Hồ Chí Minh nhưng dùng trong gia cố chống lún nền đất yếu (Kamimura và Trương Thiên Khang 2013) Thiết bị và thông số thi công (như tốc độ nâng hạ cánh trộn, tốc độ quay cánh trộn, và thời gian trộn) ảnh hưởng đến chất lượng cọc đất ximăng thi công ngoài hiện trường nên việc nghiên cứu ảnh hưởng của thông số vận hành thiết bị NSV đến chất lượng cọc đất ximăng là điều cần thiết nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của thiết bị NSV Thông số vận hành phù hợp giúp đất được trộn đều với ximăng và tạo ra cọc có chất lượng tốt với năng lượng trộn thấp nhất

(a) Vỡ đê ở Đồng Tháp (Tuổi trẻ Online 2011)

(b) Gia cố đê ở An Giang (BCH PCTT & TKCN Hồ Chí Minh 2011) Hình 0.1: Đê bao kết hợp GTNT bị phá hủy trong mùa lũ ở ĐBSCL

TÓM T Ắ T NGHIÊN C Ứ U T Ổ NG QUAN

Nghiên cứu tổng quan về công nghệ đất trộn ximăng nhằm có những kiến thức về lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ, những nghiên cứu về cơ chế hình thành cường độ và các yếu tố ảnh hưởng đến đất trộn ximăng, các loại thiết bị, công cụ trộn đã được phát minh v.v Nghiên cứu tổng quan sẽ cung cấp những hiểu biết cần thiết trong việc đưa ra giải pháp gia cố nền bằng công nghệ đất trộn ximăng hiệu quả và chọn lựa loại thiết bị phù hợp với mục đích gia cố

Nghiên cứu tổng quan về đê bao kết hợp đường giao thông nông thôn nhằm tìm hiểu và đánh giá các phương pháp gia cố đê đang sử dụng ở ĐBSCL ưu và nhược điểm của từng giải pháp Từ kết quả phân tích, so sánh các giải pháp gia cố đê, đề xuất giải pháp gia cố đê phù hợp với điều kiện ở ĐBSCL

Tổng hợp các kết quả nghiên cứu tổng quan được trình bày cụ thể trong Phụ lục A Các nội dung chính được tóm tắt như sau:

2.1 Tổng quan về công nghệ đất trộn xi măng

Công nghệ đất trộn ximăng là phương pháp cải thiện đất bằng cách trộn đất tại chỗ với ximăng Các phản ứng hóa học xảy ra giữa đất và ximăng tạo ra vật liệu đất ximăng có đặc tính kỹ thuật tốt hơn so với đất nguyên dạng Công nghệ CDM được nghiên cứu và phát triển từ năm 1950, đến nay công nghệ vẫn được phát triển và ứng dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới

Công nghệ CDM được dùng nhiều trong lĩnh vực giao thông, dân dụng, công trình cảng biển và phòng chống ô nhiễm môi trường với các mục đích:

(1) Tăng khả năng chịu lực, ổn định: tăng cường độ nền đất yếu, giảm lún, ổn định mái dốc v.v

(2) Chống thấm: tường chống thấm cho đê, đập, và ngăn nước thấm vào hầm, vách hố đào v.v

(3) Ngăn ngừa ô nhiễm môi trường: chống hóa lỏng đất nền, ngăn dòng thấm ô nhiễm v.v

Công nghệ có thể gia cố cho nhiều loại đất khác nhau như: sét dẻo, bùn sét, đất hữu cơ, đất bùn, cát chảy, đất ven biển

2.1.2 Phân loại công nghệ (1) Phân loại theo chiều sâu gia cố có hai loại: phương pháp trộn nông (SMM,

Shalow Mixing Method, chiều sâu gia cố nhỏ hơn 3 m) và phương pháp trộn sâu (DMM, Deep Mixing Method, chiều sâu gia cố 3 ÷ 40 m)

(2) Phân loại theo vật liệu trộn có hai phương pháp chính là trộn ướt (Wet Method, vữa ximăng được phun vào trong đất) và trộn khô (Dry Method, bột ximăng được phun vào trong đất)

(3) Phân loại theo phương pháp trộn gồm: phương pháp trộn cơ học (Mechanical Mixing), trộn bằng tia vữa áp lực cao (Jet Mixing), và phương pháp trộn cơ học kết hợp tia vữa áp lực cao

(4) Phân loại theo cấu tạo công cụ trộn gồm cánh trộn dạng vít xoắn, bố trí dọc theo trục trộn và cánh trộn dạng tấm, bố trí cuối trục trộn

2.1.3 Ưu điểm của công nghệ (1) Chiều sâu gia cố lớn, áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, thời gian thi công nhanh, và phù hợp cho nhiều mục đích gia cố (2) Quá trình thi công ít gây ảnh hưởng đến các công trình lân cận và môi trường

(như chấn động, chuyển vị, tiếng ồn và ô nhiễm môi trường v.v.)

(3) Hệ thống thiết bị đơn giản, có thể thi công ở nhiều điều kiện công trình khác nhau (như trên cạn, khu vực ngập nước, và trên biển)

(4) Với công trình có chiều sâu xử lý lớn và khối lượng gia cố nhiều thì công nghệ CDM có thể mang lại hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế hơn so với các phương án xử lý nền khác

2.1.4 Nhược điểm của công nghệ CDM

(1) Chi phí thi công cao so với những dự án có qui mô nhỏ (2) Phần lớn các máy có kích thước lớn và khó thi công ở không gian chật hẹp

(trừ công nghệ phụt vữa cao áp)

(3) Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều yếu tố như: điều kiện địa chất, loại và lượng chất liên kết, thiết bị và quy trình công nghệ, điều kiện bảo dưỡng và kinh nghiệm của chuyên gia v.v

(4) Công nghệ không phù hợp cho gia cố đất có độ cứng cao (SPT lớn hơn 8) hoặc có chứa đá lớn và chiều sâu xử lý lớn hơn 40 m

(5)Đối với phương pháp trộn ướt cần có biện pháp xử lý phần đất trồi dư sau khi xử lý

2.1.5 Nguyên lý hình thành cường độ đất trộn ximăng

Quá trình hình thành đất ximăng gồm bốn bước: thủy phân ximăng, phản ứng trao đổi ion, hình thành sản phẩm hydrat hóa của ximăng, và hình thành sản phẩm pozzolanic Hàm lượng nước ban đầu giảm do quá trình thủy phân ximăng và các quá trình hấp thụ tiếp theo Phản ứng trao đổi ion làm thay đổi tính chất vật lý và giảm độ dẻo ban đầu của đất, giúp đất dễ nén và đạt độ chặt cao hơn Sự hình thành các sản phẩm thủy hóa ximăng và các phản ứng pozzolanic sẽ gia tăng cường độ đất trộn ximăng Bốn quá trình này là kết quả phản ứng hóa học giữa sét, ximăng, và nước

(1) Phản ứng thủy phân là phản ứng hóa học giữa ximăng và nước Các thành phần khoáng trong ximăng phản ứng với nước trong đất tạo thành các sản phẩm thủy phân dạng keo (C-S-H) bao phủ và liên kết các hạt đất, chúng hóa cứng theo thời gian, và hình thành bộ khung vững chắc bao quanh các hạt đất

Quá trình thủy phân sản sinh ra Ca(OH) 2 , một phần Ca(OH) 2 phản ứng với các sản phẩm thủy phân khác tạo thành tinh thể, một phần sẽ làm tăng độ pH của nước lỗ rỗng và tham gia vào phản ứng pozzolanic

(2) Phản ứng pozzolanic: trong môi trường có nồng độ pH cao, silica và aluminum trong đất sét hòa tan vào nước lỗ rỗng và phản ứng với ion canxi để tạo thành một gel canxi silicat (C-S-H) và canxi aluminate (C-A-H) không tan vào trong nước Các keo này liên kết các hạt đất và cứng dần theo thời gian làm tăng cường độ đất ximăng

(3) Phản ứng trao đổi ion gây ra bởi các cation Ca ++ phân ly trong nước lỗ rỗng thay thế các ion kiềm của bề mặt điện âm của hạt đất sét làm thay đổi cấu trúc đất Các hạt đất di chuyển, sắp xếp chặt lại, và hình thành những hạt có kích thước lớn hơn, từ đó tăng cường độ và độ cứng

2.1.6 Các đặc tính kỹ thuật của đất ximăng

ĐỘ NG L Ự C NGHIÊN C Ứ U

Hàng năm, các tỉnh vùng ĐBSCL như An Giang, Đồng Tháp, v.v vẫn còn chịu nhiều thiệt hại về kinh tế và xã hội do lũ lụt, cần có biện pháp gia cố đê bao hiệu quả hơn để hạn chế nguy cơ vỡ đê Công nghệ đất trộn ximăng theo phương pháp trộn sâu có nhiều ưu điểm nổi bật phù hợp cho công tác gia cố đê như: tăng ổn định, chống thấm, thời gian thi công nhanh, nhanh chóng phát huy hiệu quả, tận dụng được vật liệu tại chỗ, v.v Tuy nhiên, đặc điểm đê bao kết hợp GTNT ở nước ta là kích thước nhỏ, xây dựng chủ yếu từ đất nạo vét từ kênh dọc tuyến, đặt trên đất yếu, không đủ mặt bằng cũng như độ ổn định để các máy thi công cọc ximăng đất đang được sử dụng phổ biến thi công

Công nghệ NSV khắc phục được hạn chế trên nhờ thiết bị nhỏ gọn, tải trọng nhẹ có thể di chuyển, và thao tác linh hoạt trên mặt đê kết hợp GTNT có bề rộng hẹp và cường độ đất nền thấp Cấu tạo cánh trộn và hệ thống thông số vận hành của công nghệ được nghiên cứu và phát triển nhằm tạo cọc có chất lượng đồng nhất với năng lượng trộn tối ưu Nghiên cứu tổng quan cho thấy chất lượng cọc đất xi măng chịu ảnh hưởng tổng hợp của địa chất và thông số vận hành Công nghệ NSV đã ứng dụng rộng rãi ở Nhật nhưng chưa ứng dụng gia cố đê ở Việt Nam do chưa có kết quả nghiên cứu thực nghiệm làm cơ sở xác định thông số vận hành phù hợp với địa chất từng vùng ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu này kỳ vọng đánh giá khả năng ứng dụng thiết bị NSV trong gia cố đê bằng cọc đất ximăng, đồng thời xác định các thông số vận hành phù hợp với địa chất An Giang – Đồng Tháp để tạo ra cọc đất ximăng có chất lượng tốt với năng lượng trộn tối ưu.

M Ụ C TIÊU NGHIÊN C Ứ U

với địa chất An Giang - Đồng Tháp nhằm tạo cọc đất ximăng có chất lượng đồng đều với năng lượng trộn tối ưu, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng thiết bị NSV trong gia cố đê Để đạt được mục tiêu đề ra, đề tài thực hiện các mục tiêu cụ thể sau:

(1) Nghiên cứu tổng quan về công nghệ đất trộn xi măng nói chung và công nghệ NSV nói riêng, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cọc đất ximăng, sơ bộ xác định các thông số vận hành dựa vào địa chất ở An Giang - Đồng Tháp

(2) Thu thập các dữ liệu và các thông số vận hành thực tế trong quá trình thi công

(3) Xác định được khả năng hình thành cọc và cường độ đạt được ứng với thông số vận hành đã sử dụng ở địa chất ở An Giang - Đồng Tháp

(4) Xác định mối quan hệ giữa các thông số vận hành thực tế và chất lượng cọc đạt được qua các lớp đất khác nhau Đề xuất thông số vận hành thiết bị NSV phù hợp với địa chất khu vực thử nghiệm ở An Giang và Đồng Tháp.

PH ƯƠ NG PHÁP NGHIÊN C Ứ U

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu tổng quan kết hợp thực nghiệm hiện trường, và phân tích kết quả thu thập được trong quá trình thi công

Nội dung chi tiết và trình tự thực hiện như sau:

(1) Nghiên cứu tổng quan về công nghệ đất trộn ximăng và công nghệ NSV, các thông số vận hành của thiết bị NSV đã thi công

(2) Thi công thử nghiệm gia cố hai đoạn đê dài 60 m (ở An Giang) và 30 m (ở Đồng Tháp) với các thông số vận hành đề xuất Các thông số vận hành và dữ liệu thi công từng cọc, qua từng lớp đất được thu thập, lưu trữ

(3) Đánh giá chất lượng cọc đã thi công (khoan lấy lõi, đánh giá sơ bộ lõi, khả năng hình thành cọc và thí nghiệm nén nở hông tự do)

(4) Dựa trên chất lượng cọc đất ximăng và các thông số vận hành thực tế; phân tích, xác định mối quan hệ giữa chất lượng cọc đất ximăng đạt được với các thông số vận hành và địa chất khu vực thử nghiệm Từ kết quả phân tích, đề xuất các thông số vận hành phù hợp với từng lớp đất và cường độ có thể đạt được.

GI Ớ I H Ạ N ĐỀ TÀI

Đề tài tập trung vào việc phân tích, đánh giá thông số vận hành thiết bị NSV và chất lượng cọc đất ximăng đạt được với địa chất tại công trình ở An Giang và Đồng Tháp Số liệu cọc đất ximăng được thu thập từ việc thi công gia cố thử nghiệm đoạn đê bằng công nghệ NSV dài 60 m (ở An Giang) và 30 m (ở Đồng Tháp) Tường cọc đất ximăng hình thành từ các cọc có đường kính 0.6 m được tạo bởi phương pháp trộn sâu – trộn ướt bằng cánh trộn kim loại Chất lượng cọc đất ximăng tạo ra từ công nghệ NSV sẽ được thu thập, phân tích, và so sánh với các thông số vận hành qua từng lớp đất.

K Ế T QU Ả NGHIÊN C Ứ U

Kết quả nghiên cứu của đề tài bao gồm:

(1) Giới thiệu cho người đọc về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị NSV

(2) Thi công gia cố hoàn thiện đoạn đường đê dài 60 m (ở An Giang) và 30 m (ở Đồng Tháp) phục vụ nhu cầu đi lại của người dân

(3) Dữ liệu về các thông số vận hành thực tế và chất lượng cọc đất ximăng khi thi công thử nghiệm công nghệ NSV để gia cố đê tại An Giang và Đồng Tháp

(4)Đề xuất các thông số vận hành thiết bị phù hợp với địa chất tại hai đoạn đê đã thi công ở An Giang - Đồng Tháp nhằm tạo ra cọc đất ximăng có chất lượng đồng nhất.

Ý NGH Ĩ A C Ủ A ĐỀ TÀI

Đề tài giúp đánh giá chất lượng cọc đất ximăng thực tế tạo ra từ công nghệ NSV với điều kiện địa chất ở An Giang và Đồng Tháp

Kết quả nghiên cứu là các thông số vận hành cọc đất ximăng theo công nghệ NSV phù hợp với địa chất An Giang - Đồng Tháp Báo cáo về mối quan hệ giữa thông số vận hành thiết bị NSV và địa chất An Giang - Đồng Tháp đến chất lượng cọc đất ximăng là dữ liệu tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu, dự án tiếp theo

Kết quả đề tài cho thấy tính khả thi của thiết bị NSV trong gia cố đê bao bằng cọc đất ximăng Công tác gia cố đê bao được bổ sung thêm biện pháp gia cố mới, giảm nguy cơ vỡ đê hàng năm ở An Giang và Đồng Tháp và đáp ứng yêu cầu kinh tế - kỹ thuật

Hai đoạn đê gia cố 60 m (ở An Giang) và 30 m (ở Đồng Tháp) đã phát huy tác dụng đảm bảo ổn định và an toàn, phục vụ nhu cầu đi lại người dân trong khu vực.

T Ổ CH Ứ C LU Ậ N V Ă N

NGUYÊN LÝ CÔNG NGH Ệ VÀ PH Ạ M VI Ứ NG D Ụ NG THI Ế T B Ị

Công nghệ đất trộn ximăng bằng cánh trộn kim loại thực hiện việc trộn cơ học bằng chuyển động xoay của các cánh trộn dạng tấm hoặc vít xoắn Đất nguyên dạng được đào, cắt, làm tơi, và trộn đều với vữa ximăng nhằm tạo ra hỗn hợp có tính đồng nhất cao (Larsson 2003, FHWA 2013, Topolnicki 2004) Công nghệ đất trộn ximăng khó kiểm soát chất lượng do chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố (loại và lượng ximăng, sự thay đổi các lớp địa chất, điều kiện trộn v.v.) nhưng không thể quan sát trực tiếp quá trình thi công (Kitazume and Terashi 2013, Bergado 1996, Huat et al 2005)

Phạm vi ứng dụng công nghệ đất trộn ximăng bằng cánh trộn cơ khí tùy thuộc vào mục đích gia cố, qui mô gia cố, và điều kiện đất nền (Kitazume and Terashi 2013, EuroSoil Stab 2002, Bergado 1996) Nội dung chi tiết về phạm vi ứng dụng công nghệ CDM được trình bày trong Nghiên cứu tổng quan (Phụ lục A)

1.2 YÊU CẦU VỀ CẤU TẠO THIẾT BỊ THI CÔNG CỌC ĐẤT XIMĂNG

Thiết bị thi công cọc đất ximăng bằng cánh trộn kim loại sử dụng các lưỡi cắt, lưỡi trộn để đào, cắt, và trộn đất Yêu cầu đối với thiết bị CDM là có thể tạo ra moment xoắn lớn, tốc độ quay cánh trộn nhanh, tốc độ xuống/lên trục trộn và lưu lượng vữa ổn định nhằm tạo ra cọc có chất lượng Cấu tạo và năng lực của thiết bị phải đảm bảo trong quá trình thi công không xảy ra sự cố liên quan đến kỹ thuật và an toàn (Topolnicki 2004, Larsson 2003, FHWA 2013).

Các thiết bị chính của công nghệ CDM gồm: trạm trộn vữa, bơm áp lực cao, máy thi công cọc đất ximăng và hệ thống kiểm tra, lưu trữ số liệu v.v (Hình 1.1)

Trạm trộn vữa gồm bồn trộn, bồn khuấy, bể chứa ximăng, nước bơm áp lực cao và buồng điều khiển là phần cố định Thiết bị tạo cọc đất ximăng gồm công cụ trộn, trục khoan và kết hợp với giàn khoan bánh xích có thể di chuyển để thi công cọc đất ximăng nên được gọi là phần di động Vữa được cung cấp đến trục trộn nhờ bơm áp lực cao và các ống dẫn (Kitazume and Terashi 2013, EuroSoil Stab 2012, FHWA 2013)

Thiết bị CDM được chia thành bốn nhóm chính tùy thuộc vào số lượng trục trộn, diện tích, chiều sâu gia cố, và cơ chế hoạt động Việc phân chia không có sự khác biệt lớn đối với công nghệ ở Nhật Bản và Mỹ, các thông số kỹ thuật chính được trình bày ở Bảng 1.1, Bảng 1.2 và Bảng 1.3 Số lượng trục trộn, hình dạng và góc xiên của cánh trộn ảnh hưởng lớn đến chất lượng cọc đất ximăng (FHWA 2013, Kitazume and Terashi 2013, từ nguồn Cement Deep Mixing Method Association 1999, Massarsch 2005)

Hình 1.1: Hệ thống thi công cọc đất ximăng điển hình của công nghệ CDM

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật cơ bản công nghệ CDM ở Nhật Bản

(Cement Deep Mixing Method Association 1999)

Phân loại Loại 10 m Loại 20 m Loại 30 m Loại 40 m

Chiều sâu gia cố tối đa 10 m 20 m 30 m 40 m

Công suất máy 45 kW x2 50-60 kW x2 75-90 kW x2 90 kW x2 Điện 250 kVA 300 kVA 400 kVA 450 kVA

Khoảng cách giữa các trục trộn 0.8, 1.0, 1.1 m 0.8, 1.0, 1.1 m 0.8, 1.0, 1.1 m 0.8, 1.0 m Đường kính cánh trộn 1.0, 1.2, 1.3 m 1.0, 1.2, 1.3 m 1.0, 1.2, 1.3 m 1.0, 1.2 m

Lưu lượng vữa 20 m 3 /hr 20 m 3 /hr 20 m 3 /hr 20 m 3 /hr

Bảng 1.2: Thiết bị điển hình và ứng dụng của bốn nhóm chính trong phương pháp trộn ướt ở Châu Âu (FHWA 2013)

Phân loại Thiết bị và cơ chế trộn Ứng dụng

Cánh trộn dọc trục trộn (Wet Rotary Shaft, WRS)

- Một hoặc nhiều trục trộn

- Cánh trộn bố trí dọc trục trộn

- Trộn cơ học và vữa được phun

- Gia cố dạng cột, tường hoặc khối

Cụm cánh trộn ở đáy trục trộn (Wet Rotary End, WRE)

- Một hoặc nhiều trục trộn

- Cánh trộn bố trí ở đáy trục trộn

- Vữa được phun và trộn cơ học với đất

- Gia cố dạng cột, tường hoặc khối

Cánh trộn kết hợp phun áp lực cao (Wet Rotary + Jet End, WJE)

- Một trục trộn (ít dùng) hoặc nhiều trục trộn

- Cánh trộn có bổ sung các lỗ phun vữa áp lực cao

- Cánh trộn bố trí ở đáy trục trộn

- Gia cố dạng cột, tường hoặc khối

Cánh trộn ngang (Wet vertical panel, WVP)

- Cánh trộn bố trí dạng cưa, cắt dọc theo trục trộn

Bảng 1.3: Công nghệ trộn ướt Châu Âu và Nhật Bản (Massarsch 2005) Thiết bị Chi tiết Trên cạn, Châu Âu Trên cạn, Nhật Bản

Số lượng trục trộn 1-3 1-4 Đường kính cánh trộn 0.4 đến 0.9 m 1.0 đến 1.6 m Chiều sâu gia cố tối đa 25 m 48 m

Vị trí vòi phun Thân trục trộn Thân trục trộn và cánh trộn Áp lực phun vữa 500 đến 1000 kPa 300 đến 600 kPa Trạm trộn

Thể tích bồn chứa 3 đến 6 m 3 3 m 3

Lưu lượng vữa 0.08 đến 0.25 m 3 /phút

1.2.1 Cấu tạo và số lượng trục trộn

Các máy thi công trên cạn thường có một hoặc hai trục trộn, đặc biệt có loại bốn đến tám trục trộn tùy thuộc vào qui mô công trình và phương pháp gia cố (Hình 1.2) (Larsson 2005, Kitazume and Terashi 2013, TCVN 9403 2012) Kết quả từ mô hình thí nghiệm và quan sát thực địa cho thấy máy nhiều trục trộn tạo ra cọc có độ đồng nhất hơn so với máy một trục Với máy từ hai trục trở lên, trục trộn thường xoay ngược chiều nhau, gây trộn tương tác giúp tăng công trộn trong khi máy trộn một trục chỉ có thể quay theo một hướng Hai trục trộn quay ngược chiều nhau giúp tăng độ ổn định cho máy, kiểm soát chính xác hơn độ thẳng đứng của trục trong quá trình xuyên xuống và có thể điều chỉnh độ lệch cọc trong quá trình thi công bằng cách thay đổi vòng quay của trục đôi Sự thẳng đứng của trục trộn giúp việc chồng nối các cọc dễ dàng, chính xác, và an toàn hơn khi xây dựng kết cấu dạng tường hoặc chồng nối các cọc xen kẻ nhau (FHWA 2013, Larson 2003, từ nguồn Nakanishi 2002, Topolnicki 2004) Máy nhiều trục có nhiều ưu điểm nhưng đòi hỏi phức tạp về cấu tạo máy thi công, hệ thống cơ khí, và kích thước máy lớn Nhược điểm này dẫn đến giảm tính linh hoạt, hạn chế về phạm vi ứng dụng, và chi phí thi công lớn hơn so với máy một trục hơn so với máy 1 trục (Topolnicki 2004, Kitazume and Terashi 2013)

Trục trộn được treo hoặc gắn cố định vào thanh cần của giàn khoan nhằm tăng áp lực khoan xuống và độ ổn định nhờ trọng lượng của giàn khoan Môtơ và hộp số được đặt ở đỉnh trục trộn sẽ tạo ra moment xoắn để xoay mỗi trục trộn, tùy vào công suất của thiết bị mà độ sâu khoan thường từ 15 ÷ 40 m Dọc trục có các thanh hoặc khung định vị giúp cho các trục song song và kiểm soát độ thẳng đứng Với máy nhiều trục, khoảng cách giữa các trục trộn được điều chỉnh để thay đổi phạm vi chồng nối giữa các cột (FHWA 2013) Khoảng cách giữa các trục trộn từ 0.8, 1.0 hoặc 1.1 m với cánh trộn có đường kính từ 1.0, 1.2, và 1.3 m nhằm tạo ra vùng chống nối giữa hai cọc Diện tích mặt cắt ngang của đất gia cố từ 1.5 đến 2.6 m 2 (Kitazume and Terashi 2013) Vị trí và độ thẳng đứng của trục trộn được theo dõi bằng các thiết bị khảo sát quang học hoặc hệ thống định vị toàn cầu (GPS) (FHWA 2013)

Trục trộn có dạng tròn, đường kính Φ 267 mm, bên trong có ống dẫn vữa Φ 50 mm, cung cấp vữa đến các cánh trộn Chiều dài trục trộn khác nhau tùy thuộc vào loại máy CDM, thường được ghép từ nhiều đoạn có chiều dài 2 ÷ 3 m Mỗi trục trộn có từ bốn đến sau cánh trộn (gồm các cánh đào bên dưới và cánh trộn bên trên) tạo cọc có đường kính từ 0.6 ÷ 1.2 m Cánh đào bố trí dưới cùng, cấu tạo gồm cánh đào có gắn các thanh kim loại cứng dạng răng lược giúp cắt và xới đất hiệu quả Các cánh trộn được bố trí ở các cao độ khác nhau với số lượng và hình dạng được thiết kế nhằm trộn đều đất với ximăng (Hình 1.3) Vữa ximăng được cung cấp đến mỗi trục trộn bằng bơm riêng, trục trộn liên kết với ống bơm vữa bằng các khớp xoay đặt trên đỉnh mỗi trục trộn (Kitazume and Terashi 2013, FHWA 2013, Topolnicki 2004)

Máy hai trục trở lên thường có “thanh giằng” để cố định khoảng các giữa các trục trộn và ngăn chặn hiện tượng “cuốn vòng xoay”, xảy ra khi đất dính bám và xoay cùng các cánh trộn dẫn đến giảm hiệu quả trộn đều đất với vữa ximăng Đối với thiết bị một trục trộn, hiện tượng này được khắc phục bởi “cánh trộn tự do”

Cánh trộn tự do có chiều dài lớn hơn đường kính danh dịnh, được đặt gần các cánh trộn cố định để ngăn chặn hiện tượng “cuốn vòng xoay” Hiện tượng “cuốn vòng xoay” giảm đáng kể khi khoảng cách giữa các trục trộn gần nhau và quay ngược chiều (Kitazume and Terashi 2013, CDIT 2002, Larsson 2002)

Hình 1.2: Thiết bị trộn sâu bằng cánh trộn kim loại điển hình (Larsson 2005, từ nguồn công ty Geo-Con Inc) a) Công cụ trộn ba trục (Công ty Raito Inc) b) Công cụ trộn (Công ty SomeThing)

Hình 1.3: Thiết bị trộn bằng cánh trộn kim loại

1.2.2 Hình dạng và yêu cầu chung của công cụ trộn Ảnh hưởng của hình dạng công cụ trộn được nghiên cứu từ những năm 1970 bởi Nhật Bản và Thụy Điển (Larsson 2005, từ nguồn Nishibayashi et al 1984, Wikstrom 1979) Hình dạng và số lượng cánh trộn được phát triển nhằm tạo ra công trộn lớn nhất do đó có rất nhiều công cụ trộn với các hình dạng khác nhau tùy vào công nghệ (Kitazume and Terashi 2013) Công cụ trộn có vai trò đào, xới, làm tơi đất và trộn đều với chất kết dính trong quá trình thi công Đối với máy thi công cọc đất ximăng bằng cánh trộn kim loại thì yêu cầu cơ bản là tạo ra cọc có đường kính xấp xỉ đường kính danh định và tính đồng nhất Nhiều nghiên cứu về các công cụ trộn khác nhau cho thấy không có hình dạng và cấu tạo nào phù hợp cho tất cả các loại đất (FHWA 2013, Topolnicki 2004, Larsson et al 2005) Tuy nhiên, một số yêu cầu cơ bản cần đáp ứng để có thể tạo ra công trộn lớn và tạo ra độ đồng nhất của hỗn hợp với năng lượng trộn thấp nhất

Công cụ trộn (gồm các cánh đào và cánh trộn) và vòi phun vữa (Hình 1.4) Số lượng và sự phân bố cánh trộn ở mỗi trục tùy vào công nghệ Các cánh trộn có thể bố trí liên tục dọc theo trục trộn hoặc bố trí thành cụm cánh trộn dưới đáy trục trộn (FHWA 2013, Kitazume and Terashi 2013) Cánh đào nằm dưới cùng của công cụ trộn, được gắn thêm các lưỡi đào dạng răng lược bằng kim loại cứng để đào và xới đất hiệu quả Cánh trộn được bố trí ở các vị trí khác nhau với các góc nghiêng phù hợp để tăng hiệu quả trộn (Larsson 2005, FHWA 2013, TCVN 9403 2012)

Hiệu quả trộn tăng khi đất được chia nhỏ theo các phương ngang, phương xiên, và phương dọc khi các cánh trộn xoay Các cánh trộn nên thiết kế nghiêng theo các hướng khác nhau dọc theo trục khoan vì một số kết quả nghiên cứu cho thấy cánh trộn xiên có thể trộn tốt hơn các cánh trộn ngang Cánh trộn xiên giúp cho việc thâm nhập vào đất ít tốn năng lượng và tạo ra lực nhào trộn (Larsson 2005,

THÔNG S Ố V Ậ N HÀNH THI Ế T B Ị THI CÔNG C Ọ C ĐẤ T

Hiệu quả việc trộn đất với vữa ximăng ngoài hiện trường được đánh giá bằng mức độ phân tán ximăng trong đất và khả năng tiếp xúc của đất với ximăng Hiệu quả trộn cao tạo cọc có tính đồng nhất và cường độ lớn Hiệu quả trộn phụ thuộc vào hình dạng công cụ trộn, năng lượng trộn (tốc độ quay cánh trộn và tốc độ nâng/hạ trục trộn), phương pháp phun vữa (khô hay ướt), năng lượng phun vữa (áp lực và lưu lượng vữa cao hoặc thấp), thời gian trộn, công suất máy và đặc điểm địa chất công trình v.v Hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất trộn là số vòng quay cánh trộn và cường độ trộn (được đánh giá dựa vào tốc độ quay cánh trộn) (Topolnicki 2004, FHWA 2013, Larsson et al 2005)

Năng lượng trộn chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ quay của lưỡi và tốc độ xuống/lên của trục trộn “Số lần trộn”, T là một chỉ số được đề xuất để đánh giá năng lượng trộn T được xác định bằng tổng số lần cánh trộn đi qua 1 m dài cọc sau khi phun vữa ximăng vào trong đất và được tính toán như sau (Kitazume and Terashi 2013, FHWA 2013, Topolnicki 2004, Larsson 2003):

1 Trường hợp phun hoàn toàn trong giai đoạn xuyên xuống và lỗ phun nằm dưới các cánh trộn: p w p w

=∑ ×⎜⎜⎝ + ⎟⎟⎠ (1.1) 2 Trường hợp phun hoàn toàn trong giai đoạn rút lên và lỗ phun nằm trên các cánh trộn: w w

3 Trường hợp phun trong hai giai đoạn xuyên xuống và rút lên, với lỗ phun bên dưới chỉ hoạt động trong quá trình xuyên xuống và lỗ phun trên chỉ hoạt động trong giai đoạn rút lên: p p w p w

=∑ ×⎜⎜⎝ × + ⎟⎟⎠ (1.3) Trong đó: T - số vòng quay cánh trộn (vòng/phút); M - tổng số lưỡi trộn; R p - tốc độ quay của cánh trộn giai đoạn xuyên xuống (vòng/phút); V p - tốc độ xuyên xuống (m/phút); V w - tốc độ rút lên (m/phút); R w - tốc độ quay của cánh trộn giai đoạn rút lên (vòng/phút); W p - lượng vữa dính kết phun trong quá trình thâm nhập (kg/m 3 ); W - tổng lượng chất dính kết (kg/m 3 );

Tổng số lưỡi trộn M là tất cả các lưỡi cắt/trộn có hiệu quả trong quá trình trộn, nó phụ thuộc vào phương pháp phun vữa và quan hệ giữa vị trí lỗ phun vữa so với các cánh trộn Nếu lỗ phun vữa nằm vị trí cao hơn cánh đào, cánh trộn, và vữa được phun ở giai đoạn xuyên xuống thì số lần trộn của các cánh này chỉ xét ở giai đoạn rút lên Điều này cho thấy nếu tốc độ rút lên của cánh trộn là không đổi thì tốc độ quay cánh trộn nhanh hơn là cần thiết để đạt số lần trộn cần thiết (Larsson 2003)

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy sự chênh lệch cường độ giữa các mẫu đất ximăng giảm khi “số lần trộn”, T lớn hơn 360 lần/m đối với phương pháp trộn ướt và thời gian trộn dài làm tăng hiệu quả trộn đất cũng như phân tán đều chất kết dính trong hỗn hợp (FHWA 2004, Topolnicki 2004, Kitazume and Terashi 2013) Dựa vào số lần trộn tối thiểu, tốc độ quay cánh trộn, tốc độ xuống/lên trục trộn được đề xuất nhằm đảm bảo đủ năng lượng trộn cần thiết (Bảng 1.4) Đối với các công cụ trộn đặc biệt, lưỡi cắt/ trộn được thiết kế xoay ngược lại như phương pháp CDM- Column 21 (Hình 1.7), cần có một hướng dẫn mới về cách thức trộn để đảm bảo chất lượng

Cường độ trộn lớn hay tốc độ quay cánh trộn nhanh sẽ cho tăng khả năng trộn đều đất với ximăng Tốc độ quay cánh trộn nhanh thì sẽ thúc đẩy sự phân tách đất hoặc tạo ra dòng chảy rối trong hỗn hợp có tính nhão lớn giúp tăng khả năng tiếp xúc giữa đất và ximăng Nếu tốc độ quay cánh trộn quá chậm thì không tạo được sự khuấy động hỗn hợp (Topolnicki 2004, Larsson 2003) Tốc độ vòng quay công cụ trộn và tốc độ xuống/lên trục trộn ảnh hưởng đến cường độ đất ximăng Các nghiên cứu cho thấy cường độ đất ximăng cao hơn khi tốc độ quay cánh trộn nhanh và tốc độ xuống/lên trục trộn chậm (FHWA 2013, Horpibulsk et al 2011) Tốc độ quay cánh trộn được phối hợp với vận tốc nâng/hạ cần để đảm bảo số vòng quay cánh trộn và thời gian thi công tối ưu (Cavey et al 2004) Một số đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn của Bắc Âu và Nhật Bản thể hiện ở Bảng 1.5

Bảng 1.4: Thông số vận hành cơ bản của thiết bị CDM (Kitazume and Terashi 2013, từ nguồn Cement Deep Mixing Method Association 1999)

Phân loại Phun vữa khi xuyên xuống

Phun vữa khi rút lên

Tốc độ xuyên xuống (m/phút) 1.0 1.0

Tốc độ rút lên (m/phút) 1.0 0.7

Tốc độ quay cánh trộn

Tổng số lần trộn (lần/m) 360 350

Bảng 1.5: Đặc điểm kỹ thuật công nghệ trộn của Châu Âu và Nhật Bản

Máy thi công Trên cạn,

Trên biển, Nhật Bản Tốc độ xuyên xuống (m/phút) 0.5 đến 1.5 1.0 1.0 Tốc độ rút lên (m/phút) 3.0 đến 5.0 0.7 đến 1.0 1.0 Tốc độ quay cánh trộn (vòng/phút) 25 đến 50 20 đến 40 20 đến 60 Số lần trộn (lần/m) Dạng vít xoắn 350 350 Lượng chất dính kết (kg/m 3 ) 80 đến 450 70 đến 300 70 đến 300 Giai đoạn phun vữa

Xuyên xuống hoặc rút lên hoặc cả hai

Xuyên xuống hoặc rút lên hoặc cả hai

Xuyên xuống hoặc rút lên hoặc cả hai

H Ệ TH Ố NG KI Ể M TRA, QU Ả N LÝ THI CÔNG 38 1.5 PH ƯƠ NG PHÁP Đ ÁNH GIÁ CH Ấ T L ƯỢ NG C Ọ C ĐẤ T XIM Ă NG39

Chất lượng cọc đất ximăng được kiểm soát chủ yếu trong quá trình thi công thông qua quy trình thi công và giám sát các thông số vận hành Quá trình trộn sâu gồm nhiều hoạt động, cơ chế xảy ra và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố (như sự thay đổi các lớp địa chất, công trộn của thiết bị) nhưng việc giám sát gặp nhiều khó khăn vì không thể quan sát trực tiếp hay biện pháp để quan sát quá trình hình thành cọc đất ximăng dưới lòng đất trong quá trình thi công Các biện pháp đánh giá chất lượng cọc sau khi thi công (như đào lộ cọc, khoan lấy lõi) tốn kém và chỉ thực hiện kiểm tra trên một số lượng nhỏ cọc đã thực hiện (TCVN 9403 2012, Kitazume and Terashi 2013) Ngoài ra, nếu cọc không đạt chất lượng thì không thể sửa chữa mà phải thi công bổ sung cọc khác Do đó, yêu cầu chính đối với hệ thống điều khiển là đảm bảo cung cấp chính xác lưu lượng ximăng gia cố và các thông số vận hành theo chiều dài cọc nhằm theo dõi liên tục trong quá trình thi công để kiểm tra và điều chỉnh kịp thời khi bị sai lệch hoặc thay đổi (Topolnicki 2004)

Cọc đất ximăng đạt chất lượng khi thiết bị được vận hành ổn định và đúng theo các thông số yêu cầu (Kitazume and Terashi 2013) Đối với một quá trình thi công điển hình của phương pháp trộn sâu thì các thông tin sau cần được ghi lại (FHWA 2013):

+ Kiểm tra trước khi thi công: vị trí tim cọc, thông số cọc, chi tiết công cụ trộn, loại công trình, độ sâu trộn, đặc tính vữa ximăng, vận hành sơ bộ thiết bị

+ Kiểm tra trong khi thi công: số vòng quay cánh trộn, tốc độ quay cánh trộn, tốc độ nâng/hạ cần, áp lực phun vữa, lưu lượng vữa (thành phần vữa, tỷ lệ nước/ximăng), môment xoắn của trục trộn, yếu tố thẳng đứng, chuyển vị theo phương dọc và ngang, cao độ đỉnh và đáy cọc, xử lý đầu cọc v.v

+ Kiểm tra sau khi thi công: thời gian bắt đầu, thời gian kết thúc, thời gian trộn, thời gian xử lý mũi cọc, tổng lượng vữa sử dụng, số vòng trộn Từ các thông tin này, năng lượng trộn và hàm lượng chất dính kết có thể được tính toán, đối chiếu với số liệu trong phòng thí nghiệm và thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc (Larsson 2005)

Hiện nay, hầu như các công nghệ CDM đều có hệ thống đo lường, kiểm soát, và điều khiển tự động Lưu lượng vữa phun vào trong đất được kiểm soát theo chiều sâu và tự động điều chỉnh áp lực phun tương ứng với các thông số vận hành để cung cấp đúng lượng vữa yêu cầu khi có sự thay đổi điều kiện đất (Larsson et al 2005, từ nguồn Zheng và Shi 1996) Các thông số vận hành (áp lực, lưu lượng vữa, tốc độ quay cánh trộn, tốc độ nâng hạ trục trộn, monent xoắn, áp lực khoan v.v.) được đo và hiển thị thành thông tin trên màn hình điều khiển để người điều khiển theo dõi, kiểm soát và có thể điều chỉnh kịp thời nhằm tránh tăng/giảm quá giới hạn cho phép khi thi công qua các lớp đất khác nhau (Cavey et al 2004, Topolnicki 2004, từ nguồn Yano et al 1996, Bredenberg 1999, Burke 2002, Hioki 2002) Điều này cũng giúp cho việc ghi nhật ký công việc hàng ngày trở nên đơn giản hơn bằng cách lưu trữ các thông số hoạt động của việc trộn đất

1.5 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC ĐẤT XIMĂNG Đánh giá chất lượng cọc đất ximăng sau khi hoàn thành là vấn đề quan trọng đối với công nghệ đất trộn ximăng (Topolnicki 2004, từ nguồn FHWA 2001, Porbaha 2002) Việc đánh giá chất lượng cọc sau khi thi công là điều cần thiết do có nhiều sự khác biệt giữa thí nghiệm trong phòng và điều kiện thực tế liên quan đến quan đến quá trình trộn, điều kiện bảo dưỡng và sự thay đổi môi trường dịa chất

Việc dự đoán chính xác cường độ và biến dạng là không thể nếu chỉ thực hiện trên các mẫu trộn trong phòng Chất lượng cọc đất ximăng hiện trường được đánh giá dựa vào kích thước, hình dạng cọc, và tính chất cơ lý đạt được Các phương pháp kiểm tra thường dùng là đào lộ đầu cọc, khoan lấy lõi lấy mẫu (Nhật Bản, Mỹ) và thí nghiệm thăm dò (Bắc Âu) Phương pháp thí nghiệm phụ thuộc vào độ chính xác, mục đích gia cố, phương thức xử lý và chi phí thí nghiệm (Topolnicki 2004, Kitazume and Terashi 2013)

Hình dạng và kích thước cọc được xác định bằng phương pháp đào lộ đầu cọc, khoan lấy lõi và siêu âm cọc (sóng âm, điện từ trường) Phương pháp đào lộ đầu cọc có thể quan sát và đo đạc trực tiếp, có độ chính xác cao nhưng chỉ kiểm tra đối với đoạn cọc gần mặt đất (chiều sâu đào thường từ 2÷ 4 m) (Larsson et al 2005)

Phương pháp khoan lấy lõi dùng kiểm tra khả năng hình thành cọc và chiều dài cọc ở những độ sâu lớn hơn Ngoài ra còn các phương pháp khác như thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT), thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm cắt cánh v.v (FHWA 2013,TCVN 9403 2012)

Cường độ và tính đồng nhất của cọc được xác định bằng thí nghiệm nén nở hông tự do (UCS), thí nghiệm xuyên tĩnh tĩnh (CPT), nén tĩnh trụ đơn, bàn nén hiện trường và thí nghiệm nén ngang thành hố khoan, v.v Nhiều phương pháp thí nghiệm kiểm tra đặc tính kỹ thuật của đất ximăng nhưng thí nghiệm UCS thường được dùng do thí nghiệm đơn giản, độ tin cậy và có chi phí thấp hơn các phương pháp khác (Kitazume and Terashi 2013, Porbaha 2000, TCVN 9403 2012).

TÓM T Ắ T CH ƯƠ NG

Công nghệ đất trộn ximăng là công nghệ gia cố nền bằng cách trộn đất với ximăng Đất nguyên dạng được trộn cơ học với vữa ximăng bằng chuyển động xoay của các cánh trộn dạng tấm hoặc vít xoắn Những đặc điểm về loại máy, công cụ trộn, và thông số vận hành thiết bị của công nghệ CDM rút ra như sau:

1 Thiết bị CDM được chia thành bốn nhóm chính tùy thuộc vào số lượng trục trộn, diện tích, chiều sâu gia cố, và cơ chế hoạt động

2 Cấu tạo công cụ trộn, số lượng trục trộn, và phương pháp thi công ảnh hưởng đến đường kính cọc, chiều dài cọc, và chất lượng cọc đất ximăng

3 Thông số vận hành thiết bị (tốc độ quay cánh trộn, tốc độ nâng/ hạ trục trộn, và lưu lượng vữa phun) ảnh hưởng đến tính đồng nhất và cường độ cọc đất ximăng

Mỗi loại đất có tính chất cơ lý khác nhau đòi hỏi thông số vận hành và năng lượng trộn khác nhau để ximăng được trộn đều với đất

4 Chất lượng cọc đất ximăng được kiểm soát chủ yếu trong quá trình thi công thông qua quy trình thi công và giám sát các thông số vận hành Các thông số vận hành (áp lực, lưu lượng vữa, tốc độ quay cánh trộn, tốc độ nâng hạ trục trộn, moment xoắn, áp lực khoan v.v.) được đo và hiển thị thành thông tin trên màn hình điều khiển

5 Chất lượng cọc đất ximăng hiện trường được đánh giá dựa vào kích thước, hình dạng cọc, và tính chất cơ lý đạt được Có nhiều phương pháp đánh giá chất lượng cọc khác nhau nhưng phương pháp đào lộ đầu cọc và thí nghiệm UCS các lõi khoan cọc đất ximăng được sử dụng phổ biến do thí nghiệm đơn giản, độ tin cậy, và chi phí thấp

CHƯƠNG 2 C Ấ U T Ạ O H Ệ TH Ố NG THI Ế T B Ị NSV

Công nghệ NSV của tập đoàn Something - Nhật Bản được sử dụng để thi công thử nghiệm là công nghệ thi công cọc đất ximăng trộn sâu và trộn ướt bằng cánh trộn kim loại với qui trình công nghệ được Trung tâm kiến trúc Nhật Bản chứng nhận số BCJ-149, cho phép tiết kiệm năng lượng trộn và hàm lượng xi măng so với các công nghệ hiện có khác (Trần Nguyễn Hoàng Hùng et al 2013, Mamimura và Trương Thiên Khang 2013) Nội dung chương 2 trình bày cấu tạo các thiết bị dùng trong công nghệ NSV Qui trình thi công, các thông số vận hành thiết bị và phương pháp kiểm soát, đánh giá chất lượng.

C Ấ U T Ạ O H Ệ TH Ố NG NSV

Hệ thống NSV gồm hai phần: cố định và di động Thiết bị thi công cọc đất ximăng di chuyển bằng bánh xích là phần di động, phần chính gồm mô tơ, trục trộn và công cụ trộn khoan tạo cọc đất ximăng Trạm trộn và máy bơm vữa là phần cố định, có chức năng cung cấp vữa ximăng đến phần di động qua các ống dẫn áp lực cao Qui trình thi công cọc đất ximăng theo công nghệ NSV gồm các bước cơ bản:

(1) Vữa ximăng được sản xuất tại trạm trộn, (2) Vữa được cung cấp đến thiết bị NSV bằng bơm cao áp, (3) Thiết bị NSV khoan trộn tạo cọc đất ximăng, thể hiện ở Hình 2.1

2.1.1 Cấu tạo phần di động

Cấu tạo chính của phần di động gồm cabin điều khiển, hệ thống thanh cần, ống thủy lực, trục trộn, ống dẫn vữa, công cụ trộn, vòi phun, và hộp số v.v tất cả được đặt trên hệ bánh xích (Hình 2.2) Giàn khoan NSV sử dụng là máy DHJ-08 do công ty Nippon Shaiyo chế tạo, có kích thước (2.5 x 2 x 8.38) m, nặng 7.8 tấn, áp lực tiếp đất 65.2 kN/m 2 và thao tác linh hoạt nên có thể di chuyển trên đê có bề rộng hẹp và sức chịu tải thấp Thiết bị có thể tạo cọc đất ximăng có đường kính 0.6m và chiều sâu gia cố tối đa 12 m Các thông số chính của thiết bị thể hiện ở Bảng 2.1

Hình 2.1: Quy trình thi công cọc đất ximăng

Hình 2.2: Thiết bị thi công cọc đất ximăng

Bảng 2.1:Thông số thiết bị thi công cọc đất ximăng GI-50CII (nguồn công ty

Kích thước máy (cao x rộng x dài) (2.5 x 2.0 x 8.38) m

Trọng lượng 7800 kg Áp lực tiếp đất 65.2 Kpa

Tổng lượng khí thải 3,318 cc

Công suất quy định 42.5/2400 kw/min-2

Số vòng quay trục đứng 40 min-1

Mô men trục xoay 8.4 KM.m

Tốc độ rút trục 0 ~ 9 m.min

Leder- swing Trái phải 5 độ

Trục trộn được lắp ghép từ nhiều đoạn dài 2 m hoặc 3 m Đường kính ngoài của trục trộn 220 mm, đường kính trong ống 16 mm Các đoạn liên kết với nhau và với công cụ trộn, khớp xoay bằng mối nối khớp và chốt Lỗ dẫn vữa có đường kính 50 mm bố trí bên trong trục trộn và công cụ trộn (Hình 2.3) Đầu trên trục trộn nối với ống dẫn vữa và đầu dưới nối với công cụ trộn

Công cụ trộn gồm các cánh đào và cánh trộn được thiết kế đặc biệt phục vụ cho mục đích khoan trộn Công cụ trộn có chiều dài 1 m, tạo cọc có đường kính danh định 0.6 m Công cụ trộn bố trí dưới cùng và liên kết với trục trộn (Hình 2.4)

+ Cánh đào đặt dưới cùng và có chức năng đào xới đất Hai cánh đào bố trí đối xứng, mỗi cánh đào có gắn 2 lưỡi đào

+ Cánh trộn gồm cánh trộn cố định và cánh trộn tự do Cánh trộn cố định có 4 cánh liên kết cứng vào trục trộn, có chức năng nhào và trộn đều ximăng với đất

Cánh trộn tự do gồm 2 cánh, không gắn cố định vào trục trộn mà có thể xoay tự do quanh trục, có chức năng cản trở không cho các khối đất dính vào trục, cánh trộn và xoay theo cánh trộn, do đó đất được cắt mịn và trộn đều với ximăng

Hình 2.3: Các đoạn cần khoan

Hình 2.4: Cấu tạo công cụ trộn

Hình 2.5: Cấu tạo chi tiết lỗ phun vữa theo phương pháp “phun đến bề mặt” của công nghệ NSV Lỗ phun vữa

+ Lỗ phun vữa có đường kính 30 mm bố trí bên trên cánh đào Một thanh chắn dài từ lỗ phun đến đầu cánh đào được gắn cố định vào cánh đào tạo thành rãnh dọc với độ dốc nhất định Chiều cao thanh chắn 200 mm vừa có tác dụng dẫn vữa đến hết chiều dài cánh trộn vừa ngăn không cho đất bịt kín lỗ phun (Hình 2.5) Với cấu tạo đặc biệt như vậy nên vữa có thể phun đều khắp đến bề mặt cọc

2.1.2 Cấu tạo phần cố định

Trạm trộn vữa ximăng và bơm áp lực cao là hai thiết bị chính của phần cố định Trạm trộn có kích thước 3 x 1.7 m (dài x rộng) gồm bồn chứa ximăng, bồn trộn, bồn khuấy, máy bơm nước, máy khí nén, bảng điều khiển v.v (Hình 2.6)

Bồn trộn có kích thước 1 m x 0.4 m (đường kính x chiều cao), dung tích 314 lít và bồn khuấy có kích thước 1.5 m x 0.6 m (đường kính x chiều cao), dung tích 1000 lít Ximăng từ phễu được cân và đổ xuống bồn trộn theo định lượng của mẻ trộn Nước được cung cấp vào bồn trộn theo tỷ lệ nước / ximăng đã cài đặt Tất cả được thực hiện tự động theo chương trình thiết lập sẵn, vữa được trộn trong thời gian 5 phút rồi đổ xuống bồn khuấy Vữa được lọc bỏ các hạt vật liệu lớn bằng lưới khi từ bồn trộn vào bồn khuấy

Bồn khuấy có các cánh khuấy chuyển động liên tục với tốc độ chậm giúp cho vữa không bị ninh kết Hệ thống điều khiển trạm bơm gồm tủ điều khiển và thiết bị điều khiển Lượng ximăng và nước cần cho một dung lượng vữa ximăng được cân đong và trộn tự động, có hai chế độ điều khiển: tự động hoặc bằng tay

Máy bơm sử dụng là loại máy bơm áp lực cao và có lưu lượng ổn định MM201 do hãng ShinMaywa chế tạo Máy bơm có áp suất tối đa 2.5 MPa và tạo ra lưu lượng 40 – 75 – 100 lít/ phút Đường kính ống bơm vào và ra là 50 mm Máy sử dụng động cơ điện nguồn ba pha 380 V, truyền động qua dây cua roa và có khối lượng 230 kg Máy đặt trên hệ bánh lăn nên di chuyển dễ dàng (Hình 2.7)

Hình 2.6: Cấu tạo trạm trộn vữa ximăng và hình ảnh thực tế (Ảnh chụp hiện trường)

Hình 2.7: Bơm áp lực cao

THÔNG S Ố V Ậ N HÀNH THI Ế T B Ị NSV

Quy trình thi công cọc đất ximăng theo phương pháp NSV đã được chứng nhận bởi Trung tâm kiến trúc Nhật Bản Mỗi cọc đất ximăng được thi công theo trình tự “chữ V” (Hình 2.8) như sau:

Bước 1: Di chuyển thiết bị đến vị trí cần tạo cọc đất ximăng

Bước 2: Các cánh đào và trộn phá vỡ và xuyên vào trong đất

Bước 3: Ở cao độ đầu cọc thiết kế, vữa ximăng bắt đầu được phun vào trong đất, các cánh đào và trộn tiếp tục khoan và trộn đều đất với ximăng

Bước 4: Quá trình đào, phun vữa và trộn tiếp tục cho đến khi đạt cao độ mũi cọc thiết kế

Bước 5, 6: Công cụ trộn nâng/ hạ trên chiều dài 1 m ở mũi cọc nhằm xử lý mũi cọc

Bước 7: Công cụ được rút lên và tiếp tục trộn đều hỗn hợp đất và ximăng

Bước 8, 9: Hoàn thành thi công

Những yêu cầu cơ bản trong quá trình thi công tạo cọc đất ximăng theo công nghệ NSV như sau:

1) Giai đoạn xuyên xuống: các cánh đào và trộn xuyên vào trong đất đến độ sâu thiết kế Tốc độ xuyên xuống và tốc độ quay cánh trộn nên duy trì ở 0.5 m/ phút và 30 vòng/ phút nhằm đào, làm tơi và trộn đều đất với ximăng Nếu gặp khó khăn trong quá trình xuyên xuống có thể điều chỉnh tốc độ xuyên xuống và tốc độ quay cánh trộn tối thiểu 240 lần/m

2) Giai đoạn rút lên: Tốc độ quay cánh trộn, tốc độ rút cần được điều chỉnh sao cho phù hợp với loại đất và khả năng của thiết bị sao cho tốc độ rút lên đều là tốt Quá trình rút lên là quá trình quan trọng để trộn đều đất với vữa ximăng, kinh nghiệm cho thấy việc đảm bảo số lần trộn lớn hơn 360 lần/m sẽ cho cọc có chất lượng tốt

3) Giai đoạn xử lý mũi cọc: Phương pháp xử lý mũi cọc thể hiện ở Hình 2.9 Ở độ sâu 1 m dưới cùng, số lần trộn cần đảm bảo lớn hơn 600 lần/m bằng cách lặp lại hành trình xuống/lên và thay đổi tốc độ thanh cần, tốc độ quay cánh trộn

Hình 2.8: Trình tự phương pháp thi công tạo cọc NSV

Hình 2.9: Phương pháp thi công cọc đất ximăng của công nghệ NSV

(Qui trình thi công công nghệ NSV)

Công nghệ NSV với những ưu điểm cải tiến trong thiết kế và qui trình thi công được kiểm soát chặt chẽ giúp cọc tạo ra có chất lượng tốt Với phương pháp thi công chữ “V” (Hình 2.9), vữa ximăng được phun hết trong giai đoạn xuyên xuống, với kỹ thuật “phun đến bề mặt cọc” và đảm bảo số lần trộn tối thiểu 600 lần/m giúp cọc có tính đồng nhất và liên tục

Quá trình thi công cọc đất ximăng được thực hiện trong một chu trình khoan xuống và rút lên giúp giảm thời gian thi công Lưu lượng vữa phun theo chiều dài cọc được cài đặt từ thông số đầu vào và áp lực phun vữa tự động điều chỉnh theo vận tốc xuống/lên nhằm phun đủ lượng vữa theo chiều dài cọc Các thông số vận hành cơ bản thể hiện ở Bảng 2.2 và số lần trộn theo chiều dài cọc được xác định theo công thức (2.1)

Số lần cánh trộn đi qua một mét cọc được tính theo công thức sau (Quy trình công nghệ NSV): p p u u p u

N: Tổng số lần trộn qua một điểm (lần/ m) n p : Số cánh trộn tính toán khi xuyên xuống (4 cánh) ωp: tốc độ quay cánh trộn khi xuyên xuống (vòng/ phút) v p : tốc độ xuyên xuống (m/ phút) n u : Số cánh trộn tính toán khi rút lên (6 cánh) ωu: tốc độ quay cánh trộn khi rút lên (vòng/ phút) v p : tốc độ rút lên (m/ phút)

Bảng 2.2: Các thông số vận hành cơ bản

Quá trình Hạng mục Giá trị Chú thích

Vận tôc xuyên xuống < 0,5 m/phút

Tốc độ quay cánh trộn khi xuyên xuống

Số vòng quay thực tế >

Lưu lượng vữa (Cài đặt tự động)

Vận tôc xuyên xuống/rút lên

< 0,4 m/phút Số vòng quay thực tế >

Tốc độ quay cánh trộn > 50 vòng/phút

Rút lên Vận tôc rút lên < 1,0 m/phút Số vòng quay thực tế >

Tốc độ quay cánh trộn khi rút lên

H Ệ TH Ố NG KI Ể M SOÁT VÀ L Ư U TR Ữ THÔNG S Ố V Ậ N HÀNH53 2.4 TÓM T Ắ T V Ề CÔNG NGH Ệ NSV

Đối với công nghệ cọc đất ximăng, quá trình thi công cọc trong đất không thể nhìn thấy nên việc kiểm soát các thông số vận hành (như độ sâu, lưu lượng vữa, tốc độ quay cánh trộn và tốc độ nâng/hạ trục trộn v.v.) là cần thiết và có ảnh hưởng lớn đến chất lượng cọc đất ximăng Hệ thống kiểm soát với chức năng hiển thị liên tục những thông số vận hành trong suốt quá trình thi công và lưu trữ các giá trị này

Hệ thống quản lý có hai bộ phận chính là thiết bị giám sát và thiết bị xử lý

Thiết bị giám sát trực tiếp đo đạc và truyền tải các tín hiệu đo được về thiết bị xử lý

Thiết bị xử lý sẽ thu nhận tín hiệu truyền từ thiết bị đo, chuyển thành các thông số vận hành và thể hiện trên màn hình điều khiển (Hình 2.10) Các thông số vận hành trong quá trình thi công như góc nghiêng trục trộn (độ), độ sâu (m), tốc độ xuống/lên trục trộn (m/phút), tốc độ quay cánh trộn (vòng/phút), lưu lượng phun vữa (l/m), vòng quay cánh trộn tích lũy mỗi mét dài (vòng/m), áp lực khoan (kN), moment xoắn (kN.m) có thể theo dõi tức thời nhờ đó người điều khiển có thể kịp thời điều chỉnh để đảm bảo yêu cầu thi công

Số liệu thi công được lưu trữ dưới dạng text và biểu đồ dưới dạng hình ảnh giúp dữ liệu có độ tin cậy cao (Hình 2.11) Toàn bộ dữ liệu thi công có thể gởi trực tiếp về máy tính trung tâm nhờ thiết bị di động cầm tay Ngoài ra, trước và trong khi thi công đều được kiểm soát chặt chẽ thông qua các bảng biểu kiểm tra hiện trường (Bảng 2.3) và nhật ký thi công Tất cả bộ phận xử lý (như màn hình, bàn điều khiển, thiết bị xử lý số liệu, và dây kết nối v.v.) được bố trí trong cabin điều khiển (Hình 2.12) a) Màn hình quản lý thi công b) Dữ liệu thi công tức thời c) Dữ liệu thi công mỗi mét

Hình 2.10: Màn hình kiểm soát và hiển thị các thông số vận hành thiết bị NSV

Hình 2.11: Dữ liệu thi công được lưu trữ dưới dạng hình ảnh

Hình 2.12: Cabin điều khiển quá trình thi công cọc đất ximăng ᷓᐲ ࿶౉࿶

Ⓧ▚ᵹ㊂ ࠻࡞ࠢ ᤨ䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭㑆

Bảng 2.3: Thông số cọc theo mỗi mét dài Độ sâu (m) Áp lực khoan (kN)

Momen xoắn (kN ࡮ ࡮㨙 ࡮ ࡮ 㨙 㨙 㨙 )

Từ 09:28:21 ngày 20/01/2014 đến 10:00:17 ngày 20/01/2014 ᷓᐲ(m) ࿶౉࿶(kN) ࿁ォᢙ(r/m) ᵹ㊂(l/m) ࠻࡞ࠢ(kN㨯m) 1 20.17 148 56 3.29 2 25.53 149 70 6.67

2.4 TÓM TẮT VỀ CÔNG NGHỆ NSV

Công nghệ NSV là công nghệ thi công cọc đất ximăng trộn sâu và trộn ướt bằng kim loại với qui trình công nghệ được Trung tâm kiến trúc Nhật Bản chứng nhận số BCJ-149 Công nghệ có các đặc điểm sau:

1 Công nghệ NSV có các thiết bị tương tự các công nghệ trộn sâu bằng cánh trộn kim loại khác như: máy khoan, công cụ trộn, trạm trộn vữa, bơm, ống dẫn, vòi phun vữa v.v

2 Máy thi công cọc đất ximăng theo công nghệ NSV có kích thước (2.5x 2x 3.38) m, nặng 7.8 tấn, áp lực tiếp đất 65.2 kN/m 2 và thao tác linh hoạt nên có thể di chuyển trên đê có bề rộng hẹp và sức chịu tải thấp Thiết bị có thể tạo ra cọc có đường kính 0.6 m và chiều sâu gia cố tối đa 12 m

3 Công nghệ NSV có hệ thống kiểm soát và lưu trữ thông số vận hành được quản lý bởi máy tính trung tâm và thiết bị di động cầm tay Các thông số vận hành (như: góc nghiêng trục trộn, độ sâu, tốc độ xuống/ lên trục trộn, tốc độ quay cánh trộn, lưu lượng phun vữa, vòng quay cánh trộn tích lũy, áp lực khoan, và moment xoắn) có thể theo dõi và điều chỉnh tức thời để đảm bảo yêu cầu thi công Số liệu được lưu trữ dưới dạng text và biểu đồ dưới dạng hình ảnh giúp dữ liệu có độ tin cậy cao

CHƯƠNG 3 THI CÔNG TH Ử NGHI Ệ M VÀ Đ ÁNH GIÁ CH Ấ T L ƯỢ NG C Ọ C ĐẤ T XIM Ă NG

Quá trình thi công cọc đất ximăng của hệ thống NSV được theo dõi và đánh giá qua việc thi công thử nghiệm gia cố hai đoạn đê tại đoạn kênh Mười Cai, xã Vĩnh Trạch, huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang (chiều dài gia cố 60 m) và đoạn kênh 2/9, xã An Hoà, huyện Tam Nông, tỉnh Đồng Tháp (chiều dài gia cố 30 m) với các thông số vận hành khác nhau

Chương 3 mô tả quá trình thi công thử nghiệm ngoài hiện trường và các thí nghiệm đánh giá chất lượng cọc đất ximăng hoàn thiện Quá trình thi công thử nghiệm được thực hiện theo quy trình công nghệ NSV nhằm thu thập dữ liệu vận hành thiết bị thực tế và đánh giá khả năng ứng dụng của thiết bị trong thực tế Quá trình thí nghiệm hiện trường và trong phòng nhằm đánh giá chất lượng cọc đất ximăng đạt được Hình dạng, kích thước và đặc trưng cơ lý được kiểm tra bằng các thí nghiệm hiện trường (đào lộ đầu cọc, khoan lấy lõi, đánh giá sơ bộ mẫu) và trong phòng (nén nở hông tự do) Kết quả kiểm tra cho thấy cường độ cọc đất ximăng tạo bởi thiết bị NSV đạt cường độ hơn 2 MPa và đường kính cọc lớn hơn 0.6 m.

V Ị TRÍ NGHIÊN C Ứ U VÀ Đ I Ề U KI Ệ N T Ự NHIÊN CÔNG TRÌNH 57 1 V ị trí nghiên c ứ u th ử nghi ệ m

Vị trí thi công thử nghiệm được chọn tại đoạn kênh Mười Cai, xã Vĩnh Trạch, huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang (chiều dài gia cố 60 m) và đoạn kênh 2/9, xã An

Hoà, huyện Tam Nông, tỉnh Đồng Tháp (chiều dài gia cố 30 m) (Hình 3.1) Hai đoạn đê mang đặc trưng của đê bao ĐBSCL là được đắp bằng đất nạo vét từ dưới kênh, mặt đê rộng 3.5 đến 4.5 m, và chiều cao đắp 2.5 đến 3 m so với mặt ruộng

Một bên đường đê là kênh dẫn nước phục vụ sinh hoạt và tưới tiêu, bên còn lại là diện tích hoa màu của người dân Đê được dùng để ngăn nước lũ, bảo vệ hoa màu và kết hợp làm đường GTNT Đê không được đầm nén nên có nhiều lổ rỗng, sự hình thành dòng thấm trong thân đê và tải trọng xe tác động là những nguyên nhân gây mất ổn định, sạt lở và vỡ đê a) Vị trí thi công thử nghiệm (Google Map) và hiện trạng đoạn đê gia cố ở An Giang b) Vị trí thi công thử nghiệm (Google Map) và hiện trạng đoạn đê gia cố ở Đồng Tháp

Hình 3.1: Vị trí thi công thử nghiệm

3.1.2 Điều kiện địa chất ở khu vực thử nghiệm Điều kiện địa chất tại khu vực nghiên cứu được xác định dựa trên các mẫu đất được lấy nguyên dạng ở hiện trường bằng cách khoan lấy mẫu dọc theo chiều sâu thân đê Năm và bốn lớp đất được khảo sát dọc theo chiều sâu hố khoan 25 m tại vị trí nghiên cứu ở An Giang và Đồng Tháp Điều kiện địa chất được trình bày chi tiết ở báo cáo địa chất (Las XD 475 2013) Kết quả thí nghiện hiện trường và trong phòng của hai vị trí nghiên cứu trong phạm vi gia cố được cho trong Bảng 3.1.

THI CÔNG TH Ử NGHI Ệ M HI Ệ N TR ƯỜ NG

Hai phương án thiết kế được đưa ra để phân tích: tường đất ximăng được tạo bằng một hàng cọc và tường đất ximăng được tạo bằng hai hàng cọc Sơ đồ bố trí cọc đất ximăng thiết kế được trình bày chi tiết ở Hình 3.2 và Hình 3.3 Thông số cọc đất ximăng thiết kế được trình bày ở Bảng 3.2 Đoạn đê ở An Giang thi công thử nghiệm có chiều dài 60 m, bao gồm hai đoạn Đoạn đầu thi công 30 m với hai hàng cọc ximăng đất, hàm lượng ximăng 250 kg/m 3 , đường kính cọc 0.6 m, chiều dài cọc 10.5 m Đoạn tiếp theo thi công 30 m còn lại với một hàng cọc ximăng đất, hàm lượng ximăng 300 kg/m 3 , đường kính cọc 0.6 m, chiều dài cọc 10.5 m Đoạn đê ở Đồng Tháp thi công thử nghiệm có chiều dài 30m, thi công tương tự như bên An Giang với 15 m đầu là hai hàng cọc và 15 m sau là một hàng cọc đất trộn xi măng Chi tiết tổ chức thi công mặt bằng và mặt cắt ngang được thể hiện phụ lục B

Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý hoá các lớp đất tại hai vị trí thử nghiệm (LAS - XD475)

STT Vị trí thi công / Tên đất

Bùn sét kẹp cát bụi (2.9 m)

3 Giới hạn dẻo, W P (%) 23.2 26.7 21.2 26.3 17.2 4 Giới hạn nhão, W L (%) 51.2 53.1 35.9 53.8 30.2

8 Cường độ nén nở hông tựdo, q u (kN/m 2 ) 73.95 29.04 151.27 33.92 77.46

Bảng 3.2: Chỉ tiêu cơ lý của cọc đất ximăng thiết kế Đường kính (m)

(a) Mặt bằng bố trí cọc đất ximăngở An Giang (b) Mặt cắt ngang bố trí cọc Hình 3.2: Phương án thiết kế cọc đất ximăng gia cốđường đê kênh Mười Cai (An Giang)

(a) Mặt bằng bố trí cọc đất ximăng (b) Mặt cắt ngang bố trí cọc đất ximăng Hình 3.3: Phương án thiết kế cọc đất ximăng gia cốđườngđê kênh 2/9 (Đồng Tháp)

Thiết bị thi công thử nghiệm là hệ thống thi công cọc đất ximăng theo phương pháp trộn sâu-trộn ướt bằng cánh trộn kim loại của Tập đoàn SomeThing – Nhật Bản (Công nghệ NSV) (Hình 3.4) Hệ thống NSV gồm máy thi công tạo cọc GI-50 CII, trạm trộn, máy bơm áp lực cao, ống dẫn vữa với qui trình công nghệ được

Trung tâm kiến trúc Nhật Bản chứng nhận số BCJ-149 Thiết bị NSV thích hợp với đất cát, đất sét, và đất bùn (Makoto và Trương Thien Khang 2013), đồng thời tiết kiệm năng lượng trộn và hàm lượng xi măng so với các công nghệ hiện có khác (Trần Nguyễn Hoàng Hùng et al 2013)

Máy thi công GI-50 CII là thiết bị tạo cọc ximăng đất hiện trường Máy có kích thước 2.5 x 2.0 x 8.38 m (dài x rộng x cao), nặng 7.8 T, áp lực tiếp đất 65.2 kpa, và thao tác linh hoạt nên hoạt động dễ dàng trên đường đê có bề rộng hẹp và sức chịu tải thấp Thiết bị tạo cọc đất ximăng với đường kính 0.6 m, chiều dài trục trộn tối đa 12.0 m và được lắp ghép bởi các đoạn có chiều dài 2.0 m Máy có moment xoắn lớn nhất 4.0 kN.m, áp lực khoan lớn nhất 29.0 kN, tốc độ nâng hạ cần 0÷9 m/phút, tốc độ quay của cánh trộn 0 ÷80 vòng/phút

Hệ thống chứa ximăng và thùng trộn vữa (Hình 3.5) gồm phễu chứa ximăng phía trên và thùng trộn vữa phía dưới Hệ thống này có nhiệm vụ tạo vữa ximăng theo tỉ lệ nước: ximăng tính toán là 0.7:1 Các quá trình tính toán lượng vữa, trộn vữa đều được cài đặt tự động

Trạm trộn vữa xi măng có kích thước (dài x rộng) 3x1.7 m (Hình 3.5a) với các bộ phận chính như: phễu cấp liệu, máy bơm nước, buồng trộn, buồng khuấy, v.v

Quá trình trộn vữa được thực hiện hoàn toàn tự động, số mẻ trộn và nước/ximăng được cài đặt từ bảng điều khiển Vữa sau khi trộn được đổ xuống bồn khấy (thể tích

1000 lít, có các cánh khuấy giúp cho vữa không bị lắng đọng) Vữa từ buồng khuấy được đưa đến đầu trên cần khoan thiết bị thi công bằng máy bơm cao áp (Hình 3.6)

Cần khoan được nối từ các đoạn ống, đầu dưới nối với mũi khoan, bên trong cần khoan có rãnh dẫn vữa đến đầu phun tại mũi khoan

Bơm áp lực cao và ống dẫn vữa chuyển vữa ximăng từ trạm trộn đến thiết bị NSV Các thông số chi tiết của các thiết bị xem Phụ lục B

Hệ thống hiển thị và lưu trữ các thông số vận hành thiết bị NSV được tập đoàn

SomeThing nghiên cứu và chế tạo Các thông số vận hành trong quá trình thi công được ghi lại như: độ sâu thi công (m), tốc độ thanh cần xuống/lên (m/phút), tốc độ quay cánh trộn (vòng/phút), số vòng trộn (vòng/m), lưu lượng vữa (lít/m) Các thông số vận hành được thể hiện trên màn hình điện tử, được kiểm soát nhờ bảng điều khiển trên cabin điều khiển và truyền dữ liệu về trung tâm lưu trữ bằng hệ thống GPS

Hình 3.4: Thiết bị thi công NSV b) Phễu chứa và bồn trộn a) Tổng thể trạm trộn c) Bồn trộn và khuấy d) Bảng điều khiển trạm trộn e) Màn hình hình điều khiển Hình 3.5: Cấu tạo hệ thống trạm trộn gồm (bồn trộn và bồn chứa vữa ximăng) a) Máy bơm áp lực cao b) Ống dẫn vữa

Hình 3.6: Thiết bị bơm vữa

Vữa ximăng có tỷ lệ nước: ximăng là 0.7:1 theo kết quả thí nghiệm trong phòng của đất An Giang và Đồng Tháp gia cố ximăng (Lê Khắc Bảo et al 2014, Mai Anh Phương et al 2014) Ximăng sử dụng là ximăng PCB40 theo TCVN 6260:2009

Nước trộn vữa được lấy trực tiếp từ dưới kênh và được lọc qua lưới nhằm loại bỏ tạp chất Kết quả thử nghiệm hoá nước có độ pH = 7.98 (An Giang) và pH = 7.8 (Đồng Tháp) và không với ăn mòn bêtông và kim loại (TCVN 3994-85)

3.2.4 Trình tự thi công 3.2.4.1 Công tác chuẩn bị

Công tác chuẩn bị mặt bằng công trường giúp cho quá trình thi công thuận lợi, đủ mặt bằng cho máy thi công cọc đất ximăng hoạt động và vẫn đảm bảo lưu thông cho người dân trong quá trình thi công Quá trình chuẩn bị gồm: san đất tạo phẳng mặt bằng, đóng cừ tràm để giữ ổn định cho mái đê khi thiết bị thi công di chuyển trên mái đê (Hình 3.7)

Vật liệu ximăng được vận chuyển, tập trung gần khu vực trạm trộn và được che phủ, bảo quản khô ráo (Hình 3.8)

3.2.4.2 Công tác định vị tim cọc

Tim cọc được định vị ngoài thực địa dựa vào bản vẽ thi công Tim cọc được xác định sơ bộ cho nhóm 5 cọc (khoảng cách 5 m), sau đó định vị chi tiết cho các cọc trong nhóm (khoảng cách 1.2 m đối với đoạn hai hàng cọc và 1 m đối với đoạn một hàng cọc) Vị trí tim cọc được đánh dấu bằng cọc tràm giúp việc thi công cọc ngoài thực địa đúng như thiết kế và thuận lợi (Hình 3.9)

Đ ÁNH GIÁ CH Ấ T L ƯỢ NG C Ọ C ĐẤ T XIM Ă NG HI Ệ N TR ƯỜ NG 75 1 Đ ào l ộ đầ u c ọ c

Chất lượng cọc thử nghiệm được đánh giá bằng cách đào lộ đầu cọc, khoan lấy lõi, và thí nghiệm nén nở hông tự do (UCS) Sau thời gian thi công 240 ngày, tiến hành các thí nghiệm để đánh giá khả năng hình thành cọc đất ximăng, tính liên tục của tường đất ximăng, và đánh giá cường độ của các mẫu đất ximăng được khoan lấy lõi ở hiện trường

3.3.1 Đào lộ đầu cọc Đào lộ đầu cọc với chiều sâu đào 1 m nhằm kiểm tra kích thước và hình dạng đầu cọc Hình 3.21 cho thấy cọc đất ximăng đường kính cọc thực tế lớn hơn đường kính danh định (0.6 m) a) Tủ điều khiển tự động b) Màn hình hiển thị và cài đặt c) Dữ liệu mẻ trộn được in ra giấy

Hình 3.17: Hệ thống quản lý vữa ximăng a) Số liệu thi công tức thời b) Số liệu thi công mỗi mét c) Màn hình điều khiển máy bơm d) Các nút điều khiển thi công bằng tay

Hình 3.18: Màn hình theo dõi và điều khiển quá trình thi công cọc đất ximăng của thiết bị NSV

Hình 3.19: Sơ đồ hệ thống quản lý dữ liệu

Hình 3.20: Đồ thị thông số thi công được lưu lại dưới dạng hình ảnh

Hình 3.21: Đào lộ đầu cọc kiểm tra kích thước và xác định vị trí khoan lấy mẫu ᷓᐲ ࿶౉࿶

Ⓧ▚ᵹ㊂ ࠻࡞ࠢ ᤨ䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭䇭㑆

3.3.2 Khoan lấy lõi lấy mẫu hiện trường

Khoan lấy lõi cọc nhằm kiểm tra tính liên tục và đồng nhất của cọc Các vị trí khoan lấy lõi gồm tại tim cọc, D/4, vị trí chồng nối giữa hai cọc và ba cọc Công tác khoan lấy lõi cọc đất ximăng được thực hiện tại 8 vị trí ở công trình thử nghiệm ở

An Giang và 6 vị trí ở công trình thử nghiệm ở Đồng Tháp (Hình 3.22) Các mẫu được đánh giá sơ bộ tại hiện trường (bóp mẫu, quan sát bằng mắt, và ngửi) (Chi tiết vị trí lấy mẫu trình bày ởPhụ lục C)

Quá trình khoan lấy lõi được thực hiện theo tiêu chuẩn 22TCN 259 - 2000

“Quy trình khoan thăm dò địa chất công trình” bằng thiết bị XY-100 (Hình 3.23)

Vị trí khoan lõi lấy mẫu được xác định sau khi kiểm tra vị trí, hình dạng, và kích thước của các cọc liên quan (Hình 3.24) Mũi khoan hai lòng (Hình 3.25) được sử dụng để khoan lấy lõi, khoan xoay với tốc độ chậm, và thổi rửa bằng dung dịch bentonite nhằm hạn chế gây hư hỏng mẫu Mẫu đất ximăng lấy lên được cho vào ống nhựa Φ 90 mm, bọc kín bằng nilong, băng keo để giữ ẩm và bảo quản mẫu (Hình 3.26) Mẫu được ghi chú số hiệu (theo vị trí cọc, độ sâu, hàm lượng ximăng gia cố, ngày thi công v.v.) và vận chuyển mẫu nguyên dạng về phòng thí nghiệm (Hình 3.27)

(a) Mặt bằng bố trí cọc đất ximăng và vị trí khoan lấy lõi ở An Giang (b) Mặt bằng bố trí cọc đất ximăng và vị trí khoan lấy lõi ởĐồng Tháp Hình 3.22: Vị trí khoan lấy lõi lấy mẫu cọc đất ximăng hiện trường

Hình 3.23: Thiết bị khoan lấy lõi lấy mẫu

Hình 3.24: Đánh dấu vị trí khoan lấy lõi

(a) Lưỡi cắt (b) Ống đựng mẫu bên trong mũi khoan

Hình 3.25: Mũi khoan 2 lòng (a) Lấy ống đựng mẫu ra khỏi mũi khoan

(b) Lấy mẫu ra khỏi ống đựng mẫu

Hình 3.26: Tháo lưỡi khoan và lấy mẫu ra khỏi ống chứa mẫu

Hình 3.27: Bảo dưỡng mẫu nguyên dạng

Thí nghiệm trong phòng gồm hai công tác gia công mẫu và thí nghiệm nén nở hông tự do (UCS) Các công việc trên đều tuân theo các tiêu chuẩn hiện hành (ASTM C42/C42M-12, ASTM D2166, ASTM D1633, và TCXD 9403:2012)

Công tác gia công mẫu

Mẫu được gia công với quy cách đường kính D = 69 mm và có tỉ số chiều dài và đường kính (L/D) từ 2 đến 2.5 Trong trường hợp L/D < 2 thì giá trịq u , được qui đổi theo tiêu chuẩn ASTM C42 Mẫu có tỉ sốH/D nhỏ hơn 1, mẫu có nhiều vết nứt, và mẫu chỉ có đất nguyên dạng không có ximăng thì không gia công Mẫu trước và sau khi gia công thể hiện ở Hình 3.28 và Hình 3.29

Thí nghiệm nén nở hông tự do (UCS)

Thí nghiệm UCS nhằm xác định cường độ nén nở hông tự do (q u ) của mẫu đất ximăng theo tiêu chuẩn ASTM D2166, ASTM D1633 và TCVN 9403:2012 Thiết bị TSZ30-2.0 (thiết bị dùng cho thí nghiệm nén 3 trục) dùng cho UCS của công ty Nanjing T-Bota Scietech Instruments & Equipment (Hình 3.30) Các mẫu dùng để nén phải có tỉ lệH/D = 2÷2.5, trong đó L là chiều dài mẫu, D là đường kính mẫu

Một số mẫu có chiều cao nhỏ hơn 2 lần đường kính khi nén UCS sẽ hiệu chỉnh theo tiêu chuẩn ASTM C42/C42M-12 Mẫu được nén với tốc độ gia tải không quá 1 mm/phút và ghi lại số đọc giá trị lực và biến dạng dọc trục cho đến khi mẫu bị phá hoại (Chi tiết xem trong Phụ lục C)

(a) Mẫu đạt yêu cầu gia công (b) Mẫu bị hư hỏng

Hình 3.28: Mở ống đựng mẫu a) Mẫu đất ximăng trước khi gia công b) Mẫu đất ximăng sau khi gia công

Hình 3.29: Mẫu đất ximăng trước và sau khi gia công a) Thiết bị nén mẫu TSZ30-2.0 b) Thí nghiệm nén mẫu c) Mẫu bị phá hoại

Hình 3.30: Máy nén nở hông tự do các mẫu đất ximăng

K Ế T QU Ả VÀ TH Ả O LU Ậ N

3.4.1 Kết quả Kết quả thi công thử nghiệm cọc đất ximăng theo công nghệ NSV là gia cố hoàn thiện hai đoạn đê bao tại đoạn kênh Mười Cai, xã Vĩnh Trạch, huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang (chiều dài gia cố 60 m) và đoạn kênh 2/9, xã An Hoà, huyện Tam Nông, tỉnh Đồng Tháp (chiều dài gia cố 30 m) Thông tin chi tiết thể hiện ở Hình 3.31 và Bảng 3.3

Kết quả thi công thử nghiệm hiện trường cho thấy công nghệ NSV với thiết bị nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, và thao tác linh hoạt phù hợp thi công trên đường đê có bề rộng hẹp Thiết bị NSV có tính năng tự động hóa cao, kết hợp điều khiển tự động - thủ công và quy trình kiểm soát chất lượng tốt nên tạo ra cọc có chất lượng liên tục và đồng nhất Chất lượng cọc tốt, cường độ cọc đất ximăng đạt được từ 0.8 đến 1.7 MPa (An Giang) và từ 0.87 đến 2.2 MPa (Đồng Tháp) đều cao hơn so với yêu cầu thiết kế (0.35 MPa)

Công nghệ NSV lần đầu được thử nghiệm gia cố đê nên còn gặp nhiều sự cố ảnh hưởng đến thời gian thi công Các sự cố xảy ra trong quá trình thi công như: ximăng vón cục làm nghẹt vòi phun phải thông vòi phun (Hinh 3.32), công cụ trộn bị kẹt trong lớp đất cứng (Hình 3.33), các hệ thống điện tử trục trặc phải điều khiển bằng tay và máy thi công bị hư hỏng trong quá trình vận hành v.v (Chi thiết trình bày trong Phụ lục C) a) Vị trí khoan lấy lõi và chiều dài cọc đất ximăng ở An Giang b) Vị trí khoan lấy lõi và chiều dài cọc đất ximăng ở Đồng Tháp

Hình 3.31: Kết quả thi công cọc đất ximăng hiện trường

Bảng 3.3: Thông số kết quả cọc đất ximăng gia cố đê đã thực hiện Địa điểm An Giang Đồng Tháp

Phương án gia cố Một hàng cọc

Hàm lượng gia cố 300 kg/m 3 250 kg/m 3 300 kg/m 3 250 kg/m 3

Số lượng cọc gia cố 60 cọc 99 cọc 28 cọc 50 cọc

Cọc thử nghiệm 1 cọc (150 kg/m 3 ) và

1 cọc (150 kg/m 3 ) và 1 cọc (200 kg/m 3 )

Thời gian thi công từ ngày 25/12/2013 đến ngày 08/02/2014 từ ngày 12/2/2014 đến ngày 06/3/2014 Ghi chú phương án bố trí cọc:

+ Phương án hai hàng cọc: các cọc được bố trí so le và tiếp xúc với nhau

+ Phương án một hàng cọc: các cọc được bố trí nối tiếp, tiếp xúc với nhau và chồng nối 0.1 m a) Ximăng bị bón cục khi trộn vữa b) Vòi phun vữa bị nghẹt c) Công cụ trộn và trục trộn bị nghẹt

Hình 3.32: Vòi phun vữa và trục trộn bị nghẹt

Hình 3.33: Đào lấy cần và mũi khoan ở độ sâu 4 m so với mặt đường đê

TÓM T Ắ T VÀ K Ế T LU Ậ N

Công trình thử nghiệm gia cố đê bằng cọc đất ximăng theo công nghệ NSV (công nghệ tạo cọc đất trộn ximăng theo phương pháp trộn sâu và trộn ướt bằng cánh trộn kim loại) tại đoạn kênh Mười Cai, xã Vĩnh Trạch, huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang (chiều dài gia cố 60 m) và đoạn kênh 2/9, xã An Hoà, huyện Tam Nông, tỉnh Đồng Tháp (chiều dài gia cố 30 m) nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của thiết bị trong gia cố đê Toàn bộ quá trình thi công và chất lượng cọc đạt được sẽ là dữ liệu để phân tích, đánh giá sự phù hợp của công nghệ NSV trong gia cố đường đê ở An Giang và Đồng Tháp cũng như của ĐBSCL

1 Thiết bị NSV phù hợp với việc thi công gia cố cọc đất ximăng trên đường đê nhờ thiết bị gọn, nhẹ và thao tác linh hoạt do đó không ảnh hưởng đến sự ổn định của mái đê

2 Công nghệ tạo ra cọc có chất lượng tốt và đáp ứng yêu cầu thiết kế Cọc có tính liên tục, đồng nhất và cường độ đạt yêu cầu thiết kế Kích thước, hình dạng cọc và các vị trí chồng nối nhằm tạo tường cọc đất ximăng sau khi thi công đúng với phương án thiết kế

3 Các sự cố xảy ra trong quá trình thi công (như nghẹt vòi phun, kẹt công cụ trộn trong đất, và hư hỏng máy móc v.v.) do hạn chế về kinh nghiệm thi công thực tế và vận hành thiết bị

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH Ả NH H ƯỞ NG C Ủ A THÔNG S Ố

V Ậ N HÀNH VÀ Đ I Ề U KI Ệ N ĐỊ A CH Ấ T AN GIANG, ĐỒ NG THÁP ĐẾ N CH Ấ T L ƯỢ NG C Ọ C ĐẤ T XIM Ă NG HI Ệ N TR ƯỜ NG

Quá trình thử nghiệm, các thông số vận hành, khả năng vận hành của thiết bị NSV, và chất lượng cọc đất ximăng hiện trường được trình bày ở Chương 3 Quá trình thử nghiệm gồm: Thi công cọc đất ximăng, khoan lấy lõi, và thí nghiệm nén nở hông tự do ở 240 ngày tuổi Kết quả nghiên cứu dựa vào số liệu thí nghiệm, phân tích với 56 mẫu đất ximăng được khoan lấy lõi tại 8 vị trí ở An Giang và 61 mẫu đất ximăng được khoan lấy lõi tại 6 vị trí ở Đồng Tháp cho thấy cọc có cường độ tương đối đều từ 1 ÷ 2 MPa và ổn định Chương 4 phân tích, đánh giá ảnh hưởng của thông số vận hành thiết bị NSV và điều kiện địa chất ở Đồng Tháp, An Giang đến chất lượng cọc đất ximăng hiện trường Kết quả nghiên cứu cho thấy cọc đất ximăng đạt cường độ và tính đồng nhất cao khi số lần trộn tối thiểu 650 lần/m, thời gian trộn 2.5 – 3.5 phút/m, tốc độ xoay cần 40-50 lần/m (xuống) và 70-80 lần/m (lên), tốc độ hạ cần < 0.5 m/phút và nâng cần < 1.2 m/phút Qua chất lượng cọc đất ximăng hình thành có thể thấy địa chất An Giang, Đồng Tháp phù hợp với công nghệ đất trộn ximăng Đất có thành phần hạt thô lớn, hàm lượng sét thấp, độ ẩm tự nhiên cao và hàm lượng hữu cơ nhỏ sẽ cho cọc có cường độ cao Độ pH trong nước tại hai vị trí thử nghiệm ảnh hưởng không rõ ràng đến chất lượng cọc đất ximăng.

Ả NH H ƯỞ NG C Ủ A Đ I Ề U KI Ệ N ĐỊ A CH Ấ T AN GIANG VÀ ĐỒ NG THÁP

Cường độ cọc đất ximăng, q u có giá trị khác nhau qua các lớp đất khác nhau ở Đồng Tháp (ĐT) và An Giang (AG) với cùng điều kiện thử nghiệm (cùng hàm lượng ximăng, năng lượng trộn và điều kiện bảo dưỡng) Cường độ, q u cọc đất ximăng ở ĐT cao hơn AG Thí nghiệm UCS các lõi cọc đất ximăng qua năm lớp đất khác nhau (hai lớp ở An Giang và ba lớp ở Đồng Tháp) cho thấy lớp sét pha (Đồng

Tháp) có q u lớn nhất, thấp hơn là lớp bùn sét (AG, ĐT) và thấp nhất là lớp sét dẻo (An Giang) dù các cọc được thi công với thiết bị, thông số vận hành và hàm lượng ximăng giống nhau (Hình 4.1) Nguyên nhân do mỗi loại đất có các tính chất cơ lý hoá riêng sẽ ảnh hưởng khác nhau đến các phản ứng hoá học giữa đất và ximăng nên sự hình thành cường độ của các lớp đất cũng khác nhau (Jacobson et al 2003, Porbaha et al 2000, Kitazume and Terashi 2013)

Hình 4.1: Ảnh hưởng loại đất đến cường độ cọc đất ximăng

4.1.2 Ảnh hưởng của sự phân bố thành phần hạt đến cường độ nén nở hông tự do, q u

Cường độ của đất ximăng bị ảnh hưởng bởi thành phần cấp phối của đất nguyên dạng Đất có tỷ lệ thành phần hạt cát càng lớn thì cường độ đất ximăng càng cao và tỷ lệ hạt sét càng lớn thì cường độ đất ximăng càng thấp (Kitazume and Terashi 2013, Kwon et al 2010)

4.1.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng sét

Với cùng điều kiện thử nghiệm, đất có hàm lượng sét lớn thì cường độ đất ximăng thấp (Cai et al 2012, Kwon et al 2010, ) Cường độ cọc đất ximăng ở An Giang thấp hơn ở Đồng Tháp do hàm lượng sét trong đất ở An Giang (52.93÷57.7%) lớn hơn đất ở Đồng Tháp (42.59÷47.27%) (Hình 4.2) Kết quả tương tự với cọc thử nghiệm ở An Giang, q u cọc đất ximăng ở lớp bùn sét (lớp 2) cao hơn lớp sét dẻo mềm (lớp 1) do hàm lượng sét lớp bùn sét (52.93%) nhỏ hơn lớp sét dẻo mềm (57.7%) (Hình 4.4, Bảng ) Diện tích bề mặt của phân tử sét lớn nên hàm lượng sét cao làm tăng diện tích bề mặt của hạt đất Do đó, đất có hàm lượng sét lớn cần năng lượng trộn và hàm lượng ximăng cao hơn nhằm trộn đều, tăng khả năng tiếp xúc giữa đất và ximăng

Kết quả thí nghiệm nén các mẫu đất ximăng ở Đồng Tháp thì cho kết quả ngược lại, dù lớp sét pha (lớp 1) có hàm lượng sét (47.27%) lớn hơn bùn sét (42.59%) nhưng q u của mẫu đất ximăng ở lớp sét pha (lớp 1) vẫn cao hơn do ảnh hưởng của thành phần hạt cát (được phân tích ở mục 4.1.2.2) a) Hàm lượng xi măng 250 kg/m 3 b) Hàm lượng xi măng 300 kg/m 3

Hình 4.2: Ảnh hưởng hàm lượng sét đến cường độ cọc đất ximăng

4.1.2.2 Ảnh hưởng hàm lượng cát Đất có hàm lượng cát lớn (đặc biệt các cỡ hạt 0.5÷2 mm) thì cường độ đất ximăng cao, nghiên cứu này phù hợp với kết quả cường độ mẫu đất ximăng tăng khi hàm lượng cát tăng dần đến 60% và sau đó giảm dần hoặc có hàm lượng hạt thô lớn (Kitazume and Terashi 2013, Cai et al 2012, Kwon et al 2010) Thí nghiệm UCS các mẫu đất ximăng ở An Giang cho thấy q u của cọc đất ximăng ở lớp bùn sét (lớp 2) cao hơn lớp sét dẻo (lớp 1) do hàm lượng cát lớp bùn sét (20.81%) lớn hơn lớp sét dẻo (13.15%) Ở Đồng Tháp, q u của cọc đất ximăng ở lớp sét pha (lớp 1) cao hơn lớp bùn sét (lớp 2) (Hình 4.3) dù hàm lượng cát lớp sét pha (16.16%) nhỏ hơn lớp bùn sét (20.38%) nguyên nhân thành phần hạt có kích thước từ 0.25÷2 mm đạt 1.62% (so với lớp bùn sét 1.27%) và hạt có kích thước từ 1÷2 mm đạt 0.09% (so với lớp bùn sét 0%), thể hiện ở Hình 4.4 và Bảng 3.1 Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu ứng xử trong phòng của đất Đồng Tháp trộn với xi măng của (Lê

Khắc Bảo et al 2014) Tỷ lệ phù hợp của hàm lượng cát sẽ giúp cho hỗn hợp đạt được độ chặt lớn nhất, hạt cát sẽ chèn lấp khoảng trống giữa các hạt cốt liệu lớn, giảm lỗ rỗng cho hỗn hợp đồng thời kết hợp với ximăng tạo thành bộ khung vững chắc cho hỗn hợp a) Hàm lượng xi măng 250 kg/m 3 b) Hàm lượng xi măng 300 kg/m 3

Hình 4.3: Ảnh hưởng của hàm lượng cát đến cường độ cọc đất ximăng

Hình 4.4: Đường cong tích lũy thành phần hạt

4.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tự nhiên Đất ximăng đạt cường độ cao khi độ ẩm tự nhiên đất nguyên dạng (W) lân cận giới hạn nhão (W L ) và chỉ số dẻo (I P ) thấp (Larsson et al 2005, Kitazume and Terashi 2013, Bergado 1996) Cường độ lớp đất bùn sét (An Giang và Đồng Tháp) cao do có độ ẩm tự nhiên (61.5÷65.6%) lớn hơn giới hạn nhão (W L , 53.1 ÷ 53.8%) và q u lớp sét pha (Đồng Tháp) cao vì trước khi thi công cọc đất ximăng được khoan làm mềm và tơi đất với nước nên độ ẩm tự nhiên thực tế của đất lớn hơn so với độ ẩm tự nhiên nguyên dạng Lớp đất sét dẻo (An Giang) có độ ẩm nhỏ hơn giới hạn nhão nên cường độ đạt được thấp (thể hiện ở Bảng 3.1 và Hình 4.5) Nguyên nhân có thể do đất ở trạng thái nhão thì lượng nước trong đất vừa đủ cho phản ứng hoá học giữa đất – ximăng, nếu độ ẩm tự nhiên trong đất nhỏ thì không đủ lượng nước để phản ứng thuỷ hoá xảy ra hoàn toàn, nếu độ ẩm quá lớn trong đất lớn thì lượng nước dư sẽ làm giảm cường độ của đất ximăng và đất ở trạng thái nhão cũng giúp việc trộn đều đất với ximăng dễ hơn (Kitazume and Terashi 2013, Horpibulsuk 2010) Ngoài ra, chỉ số dẻo cao của lớp Sét pha (An Giang) và Bùn sét (Đồng Tháp) lần lượt là 28 và 27.5 cũng làm giảm hiệu quả cải thiện a) Hàm lượng xi măng 250 kg/m 3 b) Hàm lượng xi măng 300 kg/m 3

Hình 4.5: Ảnh hưởng của độ ẩm tự nhiên đến cường độ cọc đất ximăng

Không có sự ảnh hưởng rõ ràng của độ pH đến cường độ cọc đất ximăng Hai khu vực thử nghiệm có môi trường trung tính, độ pH của đất dao động không lớn (độ pH ở An Giang từ 7.71÷7.81 và Đồng Tháp từ 7.43÷7.79) nên sự ảnh hưởng của độ pH đến các phản ứng hoá học giữa đất và ximăng không lớn, biểu đồ Hình 4.6 cho thấy cường độ không có sự thay đổi lớn ở những vị trí có độ pH khác nhau

Nước có độ pH cao thúc đẩy phản ứng pozzolanic tạo ra các sản phẩm dạng keo liên kết các hạt đất lại với nhau, nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ đất ximăng trong môi trường acid cao hơn trong môi trường kiềm, đất có độ pH < 5 thì mức độ gia tăng cường độ thấp hơn pH > 5 (Kitazume and Terashi 2013, Cai el al 2012, Jacobson et al 2003)

4.1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ Đất có hàm lượng hữu cơ cao thì cường độ đất ximăng thấp (Kitazume and Terashi 2013, Cai et al 2012) Cường độ cọc đất ximăng ở An Giang nhìn chung thấp hơn so với Đồng Tháp do hàm lượng hữu cơ đất An Giang (5.86÷6.43%) lớn hơn Đồng Tháp (4.73÷5.3%) (Hình 4.7) Trong phạm vi thử nghiệm ở An Giang, lớp Sét dẻo có cường độ thấp hơn do hàm lượng hữu cơ cao hơn so với lớp Bùn sét

Thành phần hữu cơ trong đất có chứa các chất làm chậm quá trình phản ứng như mùn và axit hữu cơ Axit hữu cơ làm giảm độ pH của nước trong đất khiến phản ứng pozzolanic xảy ra chậm Mặt khác, axit hữu cơ tác dụng với Ca(OH) 2 tạo ra chất không tan bao quanh các hạt đất cản trở sự tiếp xúc giữa hạt đất và ximăng và lượng tạp chất hữu cơ không tham gia vào phản ứng hoá học là nguyên nhân giảm cường độ (Axelsson et al 2002) a) Hàm lượng xi măng 250 kg/m 3 b) Hàm lượng xi măng 300 kg/m 3

Hình 4.6: Ảnh hưởng độ pH đến cường độ đất ximăng a) Hàm lượng xi măng 250 kg/m 3 b) Hàm lượng xi măng 300 kg/m 3

Hình 4.7: Ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ đến cường độ đất ximăng

Ả NH H ƯỞ NG C Ủ A THÔNG S Ố V Ậ N HÀNH THI Ế T B Ị NSV

4.2.1 Ảnh hưởng của tổng số lần trộn

Năng lượng trộn lớn thì cọc đất ximăng có cường độ cao khi xét cùng loại đất và hàm lượng ximăng q u ở An Giang nhìn chung thấp hơn Đồng Tháp có thể do năng lượng trộn thấp hơn (Hình 4.8) Ở Đồng Tháp, với số lần trộn từ 800 ÷ 1000 lần/m q u đạt giá trị từ 1.0 ÷ 2.5 MPa Ở An Giang, q u đạt giá trị từ 0.7 ÷ 1.7 MPa với số lần trộn từ 600 ÷ 800 lần/m (Kitazume and Terashi 2013, Larsson 2003, Larsson et al 2005)

Cường độ UCS tại vị trí chồng nối lớn hơn vị trí tim cọc do công trộn nhiều hơn Các cọc có hàm lượng, A c = 300 kg/m 3 cho thấy cường độ tại vị trí chồng nối giữa hai cọc (C2, VT2) có giá trị trung bình (1.50÷2.7) MPa cao hơn vị trí giữa cọc (C1, VT1) có giá trị trung bình (0.8÷1.7) MPa từ 1÷1.7 lần (Hình 4.9) a) Hàm lượng xi măng 250 kg/m 3 b) Hàm lượng xi măng 300 kg/m 3

Hình 4.8: Quan hệ giữa năng lượng trộn và cường độ, q u với loại đất và hàm lượng ximăng khác nhau a) Hàm lượng xi măng 250 kg/m 3 b) Hàm lượng xi măng 300 kg/m 3

Hình 4.9: Cường độ, q u tại vị trí tim cọc (C1, VT1) và vị trí mối nối giữa hai cọc

4.2.2 Ảnh hưởng của quá trình trộn

Mức độ trộn càng lớn thì cọc có tính đồng nhất và cường độ cao Mức độ trộn được đánh giá dựa trên tổng số lần cánh trộn đi qua trong 1 m cọc, T Cường độ mẫu đất ximăng tăng khi số lần trộn trong quá trình xuống và lên tăng (Hình 4.10)

Với mức độ trộn từ 650-750 lần/m cho một chu kỳ (xuống và lên), cường độ tương đối đồng đều, thay đổi từ 1.0 MPa đến 2.0 MPa với bất kể loại đất và hàm lượng ximăng Số lần trộn tăng vượt quá mức độ trộn hiệu quả thì cường độ tăng không đáng kể Kết quả cũng phù hợp với nghiên cứu của Something về thiết bị NSV (Kamimura và Trương Thiên Khang 2013, Larsson 2005)

Với số lần trộn từ 450 ÷ 550 lần/m cho mỗi chu kỳ xuống/lên sẽ tạo cọc có cường độ cao và ổn định (Hình 4.11) Sự biến thiên cường độ nhỏ của các mẫu đất ximăng ở lớp sét pha (Đồng Tháp) do công trộn trong lớp đất này lớn Trong quá trình thi công, lớp đất sét pha có cường độ cao (0.15 MPa), quá trình xuống gặp khó khăn nên lớp đất này được khoan trước nhằm làm tơi đất a) Giai đoạn xuyên xuống b) Giai đoạn rút lên

Hình 4.10: Quan hệ giữa cường độ nén và số lần trộn (Hàm lượng 250 kg/m 3 ) a) Giai đoạn xuyên xuống b) Giai đoạn rút lên

Hình 4.11: Quan hệ giữa cường độ nén và số lần trộn (Hàm lượng 300 kg/m 3 )

4.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ quay cánh trộn

Tốc độ quay cánh trộn xuống/lên lớn sẽ tăng khả năng tiếp xúc giữa đất và ximăng Tốc độ quay khi xuống từ 40÷50 vòng/m và lên từ 70÷80 vòng/m giúp trộn đều đất với xi măng (Hình 4.12 và Hình 4.13) Khi xuống, đất nguyên thổ giảm tốc độ cánh trộn nên có thể ước lượng sức kháng thực tế tại vị trí cọc Khi lên, tốc độ quay cánh tăng giúp trộn đều và rút ngắn thời gian thi công (Larsson 2004)

4.2.4 Ảnh hưởng của tốc độ thanh cần xuống/lên

Tốc độ thanh cần xuống ở khoảng 0.4÷0.6 m/phút và lên từ 1÷1.5 m/phút tạo cọc có cường độ cao (Hình 4.14 và Hình 4.15) (Kitazume and Terashi 2013, Horpibulsuk 2011) Với cùng năng lượng trộn, thanh cần xuống/lên chậm cùng với tốc độ quay cánh trộn chậm thì mức độ trộn đều của hỗn hợp thấp, kết quả này phù hợp với ảnh hưởng tốc độ quay cánh trộn đến cường độ cọc Tuy nhiên, tốc độ xuống/lên của thanh cần còn phụ thuộc vào độ cứng của đất và năng lực thiết bị trộn Tốc độ xuống 650 vòng/m sẽ tạo cọc có cường độ tương đối đều từ 1 ÷ 2 MPa và ổn định

- Tốc độ quay cánh trộn duy trì từ 40 ÷ 50 vòng/m (khi xuyên xuống) và 70 ÷ 80 vòng/m (khi rút lên) giúp tăng cường độ đồng đều cho cọc đất ximăng

- Tốc độ hạ cần < 0.5m/phút, tốc độ nâng cần < 1.2 m/phút và thời gian trộn từ2.5 ÷ 3.5 phút/m, sẽ tạo ra cọc có chất lượng và tăng hiệu quả thi công.

H ƯỚ NG NGHIÊN C Ứ U TI Ế P THEO

Một số đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo từ đề tài:

(1) Thử nghiệm thêm ở các khu vực khác nhau thuộc vùng ĐBSCL để thu thập các dữ liệu về địa chất, thông số vận hành v.v để xây dựng bộ thông số vận hành phù hợp hơn đối với công nghệ NSV ở điều kiện từng vùng

(2) Nghiên cứu phát triển công cụ trộn (cấu tạo cánh trộn, tăng đường kính, chiều sâu cọc, công suất thiết bị v.v.) phù hợp với điều kiện địa chất ở Việt Nam

(3) Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống kiểm soát và điều khiển tự động để thiết bị có thể nhận biết và điều chỉnh thông số vận hành phù hợp khi thi công qua các lớp đất khác nhau

[1] Báo Thanh niên Online “Hàng loạt đê vỡ nghiêm trọng ở An Giang.” Internet: http://www.thanhnien.com.vn 28/09/2011

[2] Báo Lao động “Đồng Tháp: Vỡ đê đầu mùa, nước lũ đe doạ 400ha lúa đầu nguồn.” Internet: http://www.laodong.com.vn 10/08/2014

[3] Cổng thông tin điện tử tỉnh An Giang “Thường xuyên tổ chức kiểm tra, gia cố đê, đập để bảo vệ sản xuất vụ Thu Đông và tuyên truyền đến hộ gia đình, quan tâm bảo vệ tính mạng trẻ em.” Internet: http://www.angiang.gov.vn

[4] Lê Xuân Việt và Trần Nguyễn Hoàng Hùng “Nghiên cứu chống sạt lở tại Km88+937 trên quốc lộ 91, Bình Mỹ, An Giang,” Tạp chí Giao Thông Vận Tải, số 6, trang 17-20, 6/2011

[5] M Kitazume and M.Terashi The Deep Mixing Method CRC Press, Balkema Book, UK, 2013, 405 pp

[6] Lê Khắc Bảo, Lê Phi Long, và Trần Nguyễn Hoàng Hùng “Ảnh hưởng của tường đất-xi măng đến dòng thấm và ổn định của đê bao chống lũ ở Đồng Tháp” Tạp chí xây dựng, số 12, trang 66-70, 12/2014

[7] Nguyễn Quốc Dũng và Phùng Vĩnh An “Công nghệ trộn sâu tạo cọc ximăng đất và khả năng ứng dụng gia cố nền đê đập”, Viện khoa học thủy lợi, 2005, 7 trang

[8] EuroSoil Stab “Development of Design and Construction Methods to Stabilise Soft Organic Soils: Design Guide Soft Soil Stabilisation”, CT97 - 0351, Project No BE 96-3177, 2002, 94 pp

[9] Kamimura Makoto và Trương Thiên Khang “Gia cố nền nhà dân dụng bằng bằng cọc ximăng đất tại TP Hồ Chí Minh - 1 Thử nghiệm”, in proceedings of 13th Conference on Science and Technology, HCMUT Vietnam, 2013, pp 1-9

[10] D.T Bergado Soft Ground Improvement in lowland and other environments

New York: ASCE Press, 1996, 435 pp

[11] S Larsson “Mixing Processes for Ground Improvement by Deep Mixing”

Stefan Larsson Report 12 This report is also published as Doctoral Thesis Royal Institute of Technology Division of Soil and Rock Mechanics TRITA-JOB PHD 1004 ISSN 1650-9501 Stockholm 2003

[12] S Larsson “State of Practice Report-Executio,monitoring and quality control”, Royal Institute of Technology, Stockhom, Sweden, Vol 2, 2005, pp 732-785

[13] Bộ Xây Dựng, “Quy trình gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng”, TCVN 9403: 2012, 2012, 42 trang

[14] M Topolnicki “In situ soil mixing,” in Ground improvement, 2 nd ed M.P

Moseley & K Kirsch, Ed New York: Spon Press, 2004, pp 331-428

[15] Lê Khắc Bảo, Lê Phi Long, Đỗ Thị Mỹ Chinh, và Trần Nguyễn Hoàng Hùng

“Nghiên cứu ứng xử của đất Đồng Tháp trộn xi măng, trộn ướt - sâu ứng dụng gia cố đê bao chống lũ ở Đồng Tháp”, Tạp chí Xây dựng, số 6, trang 77-83, 6/2014

[16] Mai Anh Phương, Nguyễn Bình Tiến, Trương Đắc Châu, và Trần Nguyễn Hoàng Hùng “Nghiên cứu ứng xử của đất ở An Giang trộn xi măng bằng công nghệ trộn ướt và trộn sâu”, Tạp chí Địa kỹ thuật, số 2, trang 34-43, 7/2014

[17] Bộ Giao Thông Vận Tải “Quy trình khoan thăm dò địa chất công trình” Tiêu Chuẩn Ngành, 22TCN 259-2000, 2000, 98 trang

[18] Bộ Giao Thông Vận Tải “Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu” Tiêu Chuẩn Ngành, 22TCN 262-2000, 2000, 136 trang

[19] Bộ Xây Dựng “Ximăng Poóc lăng hỗn hợp – Yêu cầu kỹ thuật” Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 6260:2009, 2009, 7 trang

[20] Bộ Xây Dựng “Nước trộn bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật” Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 302:2004, 2004, 7 trang

[21] Trần Nguyễn Hoàng Hùng, Hitoshi Tanaka, and Kitazume Masaki “Nghiên cứu thử nghiệm gia cố đê bao bằng công nghệ đất trộn xi măng cho tỉnh An Giang và Đồng Tháp”, Thành phố Hồ Chí Minh, 2013, 31 trang

[22] American Society for Testing and Materials, “Standard Test Method for Obtaining and Testing Drilled Cores and Sawed Beams of Concrete”, ASTM C42 – 12, 8 pp

[23] American Society for Testing and Materials “Standard test method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil” ASTM D2166-98a, 1998, 6 pp

[24] American Society for Testing and Materials “Standard Test Method for Compressive Strength of Molded soil – cement cylinders” ASTM D1633-96, 1996, 3 pp

[25] H M Kwon, A T Le, and N T Nguyen, “Influence of Soil Grading on Properties of Compressed Cement-soil”, KSCE Journal of Civil Engineering, vol 14, pp 845-853, 2010

[26] C.Q Cai, X Li, J Zhang, and Q.S Guo “Study on influence factors of cement - stabilized soil compressive strength.” Global Geology No [15], pp 130-134, 2012

[27] D.T Bergado Soft Ground Improvement in lowland and other environments

ASCE Press, New York, 1996, 435 pp

[28] Lê Khắc Bảo, Lê Phi Long, Đỗ Thị Mỹ Chinh, và Trần Nguyễn Hoàng Hùng

“Nghiên cứu ứng xử của đất Đồng Tháp trộn xi măng, trộn ướt - sâu ứng dụng gia cố đê bao chống lũ ở Đồng Tháp”, Tạp chí Xây dựng, số 6/2014, trang 77- 83, 2014

[29] S Horpibulsuk, R Rachan, A Chinkulkijniwat, Y Raksachon and A

Suddeepong “Analysis of strength development in cement-stabilized silty clay from microstructural considerations,” Construction and Building Material Vol

[30] K Axelsson, S.E Johanson, and R Andersson “Stabilization of Organic Soils by Cement and Puzzolanic Reactions - Feasibility Study”, collaborative of Swedish Deep Stabilization Research Centre and the US National Deep Mixing program, Report 3, Jun 2002, 54 pp

[31] Stefan Larsson “Mixing Processes for Ground Improvement by Deep Mixing,”

Swedish Deep Stabilization Research Centre, Report 12, 2004, 244 pp

[32] S Horpibulsuk, R Rachan, A Suddeepong, and A Chinkulkijniwat “Strength Development In Cement Admixed Bangkok Clay: Laboratory and Field Investigations,” Soils And Foundations Vol 51, pp 239-251, 4/2011

[33] Nhật ký thi công hiện trường công trình CRI 1301 trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM và tập đoàn Something

[34] M Chan, Y Kikuchi, and T Mizutani “Correlation between Unconfined Compressive Strength and Mixing Quality of Solidified Clay,” International Journal of Civil and Structural Engineering, vol 3, pp 408-417, 10/2012

[35] M E C Bruce, R R Berg, J G Collin, G M Filz, M Terashi, and D S

Yang “Federal Highway Administration Design Manual: Deep Mixing for Embankment and Foundation Support”, Publication No FHWA-HRT-13-046, 2013, pp 244

[36] B.B.K Huat, S Maail, and T.A Mohamed “Effect of Chemical Admixtures on the Engineering Properties of Tropical Peat Soils” American Journal of Applied Sciences, Vol 7, pp 1113-1120, 2005

[37] S Larsson, M Dahlstro and B Nilsson “Uniformity of lime-cement columns for deep mixing: a field study.” Ground Improvement No [1], pp 1-15, 2005

[38] K.B George and F.B Andrew “Soil mixing: A new approach to soft soil stabilization for structural support,” in Proc Foundations and ground improvement American society of Civil engineers, Virginia, 2001, pp 13-28

[39] C Joseph, F.J Lawrence, and D Jeffrey “Deep soil mixing for foundation support of a parking garage,” in Proc American society of Civil engineers, Florida, 2004, pp 18-36

[40] J R Jacobson, G M Filz, and J K Mitchell, “Factors Affecting Strength Gain in Lime-Cement Columns and Development of a Laboratory Testing Procedure,” Report No 57565 FHWA/VTRC 03-CR16, 2003, 74 pp

[41] K R Massarsch and M Topolnicki “Regional Report: European Practice of Soil Mixing Technology”, in Proc International conference on deep mixing’05, Stockholm, 2005, pp 19-46

- Họ và tên: Trương Đắc Châu - Phái: Nam - Sinh ngày: 21/5/1984 - Nơi sinh: Đà Nẵng

II ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC

- Địa chỉ thường trú: 329 Phan Châu Trinh, quận Hải Châu, Tp Đà Nẵng - Điện thoại: 0905 420 457

III QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

+ Sinh viên : Trường Đại học Giao thông vận tải Cơ sở II

+ Chuyên ngành : Xây dựng Cầu Đường

+ Trúng tuyển cao học Khóa 2012– Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM

+ Chuyên ngành : Xây Dựng đường ôtô và đường thành phố + Mã số học viên : 12010326

IV QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

- Từ tháng 06/2011 đến 06/2015: Nhân viên thiết kế Công ty TNHH Tư vấn thiết kế B.R

Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin về bản thân, quá trình đào tạo và quá trình công tác của tôi trong bản khai này là hoàn toàn chính xác

PHỤ LỤC A: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG A1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐÊ BAO Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG (ĐBSCL) 3 A1.1 Giới thiệu chung 3 A1.2 Tổng quan nguyên nhân gây sạt lở và giải pháp gia cố đê ở ĐBSCL 4 CHƯƠNG A2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐẤT TRỘN XIMĂNG 9 A2.1 Giới thiệu chung về công nghệ đất trộn ximăng 9 A2.2 Các đặc tính cơ lý của đất trộn ximăng 14 A2.3 Cơ chế hình thành cường độ đất trộn ximăng 15 A2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất đất trộn ximăng 21 A2.5 Công nghệ thi công đất trộn xi măng 37 A2.6 Tổng quan về công nghệ NSV 43 A2.7 Mối quan hệ giữa thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường 46

PHỤ LỤC B: TỔNG HỢP SỐ LIỆU THIẾT KẾ VÀ QUÁ TRÌNH THI CÔNG THỬ NGHIỆM 51