Khoan phụt vữa cao áp (Jet Grouting) là công nghệ kết hợp nguyên lý phụt vữa và nguyên lý trộn đất sâu với vữa xi măng. Quá trình Jet Grouting cải thiện đất bằng cách dùng tia phụt vận tốc cao xới tơi đất hoặc đá yếu, thay thế một phần và trộn tại chỗ đất đá vụn còn lại với chất kết dính (thường là vữa xi măng) tạo thành cột hoặc bản đất - xi măng (Soilcrete). Hiện nay, phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam vì thiết bị này khá mới mẻ và giá thành còn cao so với mặt bằng chung.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 41 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ JET GROUTING PHUN ĐƠN TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾUỞ VIỆT NAM THE APPLICATION OFJET GROUTINGTECHNOLOGYTOIMPROVE SOFT SOIL IN VIET NAM 1,2 ThS Nguyễn Anh Tuấn1, Bùi Nhật Kin2 Khoa Cơng trình Giao thơng, ĐH GTVT Tp.HCM, Việt Nam Tóm tắt: Khoan vữa cao áp (Jet Grouting) công nghệ kết hợp nguyên lý vữa nguyên lý trộn đất sâu với vữa xi măng Quá trình Jet Grouting cải thiện đất cách dùng tia vận tốc cao xới tơi đất đá yếu, thay phần trộn chỗ đất đá vụn lại với chất kết dính (thường vữa xi măng) tạo thành cột đất - xi măng (Soilcrete) Hiện nay, phương pháp chưa áp dụng rộng rãi Việt Nam thiết bị mẻ giá thành cao so với mặt chung Vì vậy, giải pháp đưa việc tìm hiểu, nghiên cứu việc áp dụng công nghệ Jet Grouting phun đơn xử lý đất yếu với ưu điểm: thiết bị đơn giản, vận hành dễ; thích hợp với thi công chống thấm đứng, áp dụng cho loại đất rời Từ khóa: Jet Grouting, Soilcrete, đất - xi măng Abstract:Jet Grouting is the technology combines the principle of grout mixing and deep soil with cement mortar Jet Grouting process improves soil using high velocity thrust rays soil erosion soil or weak rock, to replace a part and the topical ground rock mixed with the binder (usually cement mortar) form the column or a soil-cement (Soilcrete) Currently, this approach has not been widely applied in Vietnam because the device is still pretty new, and the price is still high compared to another one So, the solution is to study and to research the application of Jet Grouting technology in a single injection for treatment of soft soil with the advantages such as: simpleequipment, easy operation; suitable for vertical waterproofing, applied for the type of sand Keywords: Jet Grouting, Soilcrete, cement deep mixing Giới thiệu Sự ổn định đất lưng vững chãi cho tất cơng trình xây dựng Nhiều vấn đề liên quan đến đất yếu nghiêng đổ, sụt, trượt không đủ cường độ; lún nhiều, lún không có tính biến dạng lớn, v.v…Ngun nhân chưa giải hiệu toán đất yếu Đã có nhiều biện pháp đưa dùng vật liệu nhẹ, thay đổi thiết kế, thay đổi tính chất lý đất v.v… Tuy nhiên, biện pháp chưa thật hiệu Các cố xảy Do vậy, cần phải tìm kiếm phương pháp để cải thiện vấn đề Phương pháp trộn sâu tạo cọc xi măng đất phương pháp cải thiện nước ta Phương pháp có ưu điểm: thời gian thi cơng nhanh, ứng dụng cho nhiều mục đích (chống đỡ, giảm lún, chống thấm, v.v.), độ tin cậy cao, tận dụng vật liệu chỗ, ảnh hưởng đến mơi trường Nhiều cơng trình điển hình như: Đại lộ Đông Tây, Đường liên cảng Cái Mép - Thị Vải, Đường Vành Đai Tân Sơn Nhất - Bình Lợi,… Tuy nhiên, phương pháp Jet Grouting sử dụng hạn chế Việt Nam Có hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc Thứ chưa có tiêu chuẩn làm sở hai giá thành thiết bị cao Vì vậy, vấn đề đặt chủ động cơng nghệ hạ giá thành sản phẩm nhằm giải toán đất yếu Nội dung báo nghiên cứu việc ứng dụng công nghệ Jet Grouting phun đơn xử lý đất yếu Việt Nam Nội dung 2.1 Tổng quan công nghệ Jet Grouting Khoan vữa cao áp (Jet Grouting) công nghệ kết hợp nguyên lý vữa nguyên lý trộn đất sâu với vữa xi măng Quá trình Jet Grouting cải thiện đất cách 42 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 dùng tia vận tốc cao làm tơi đất đá yếu, thay phần trộn chỗ đất đá vụn lại với chất kết dính (thường vữa xi măng) tạo thành cột đất - xi măng (Soilcrete) Jet Grouting sử dụng với nhiều mục đích khác có ưu điểm bật, đặc biệt khả thi công điều kiện chật hẹp, độ sâu khác mà không phá vỡ kết cấu bên trên, xử lý hầu hết loại đất trừ đá cuội hạt lớn Vì vậy, Jet Grouting có tiềm ứng dụng lớn nước ta, đặc biệt thành phố lớn với điều kiện thi cơng chật hẹp.Tuy nhiên chi phí nhập thiết bị Jet Grouting cao nên làm hạn chế ứng dụng công nghệ Việt Nam so với công nghệ trộn sâu cánh học (CDM) 2.2 Yêu cầu công nghệ Jet Grouting phun đơn Jet Grouting dùng tia áp lực cao (thường từ 20 đến 60 MPa) với vận tốc lớn, lưu lượng ổn định, di chuyển quay theo phương hướng, vận tốc dự kiến để cắt xói trộn đất Cấu tạo vật liệu thiết bị phải phù hợp để trình làm việc với dòng chất lỏng áp lực cao an tồn, cố Trong phương pháp Jet Grouting, dạng phun đơn đơn giản vì: dùng tia vữa để vừa cắt vừa trộn đất; thiết bị khơng cần máy nén khí, máy bơm nước riêng; chuỗi cần dạng phun đơn vận chuyển vữa Do đó, q trình nghiên cứu lắp ghép hệ thống thiết bị Jet Grouting dạng phun đơn Các thiết bị hệ thống Jet Grouting phun đơn gồm: trạm trộn vữa, bơm áp lực cao, giàn Jet Grouting (thường kết hợp chung giàn khoan), hệ thống theo dõi số liệu Với trạm trộn vữa, máy bơm thường cố định để tiết kiệm thời gian, giảm chi phí bố trí, lắp đặt nên gọi phần cố định Giàn khoan giàn Jet Grouting di động để bố trí cột soilcrete nên gọi phần di động Phần di động phần cố định cung cấp vật liệu qua ống dẫn áp lực lớn Thiết bị khoan tạo lỗ khoan có kích thước đủ lớn ổn định, thông suốt Nguyên nhân lỗ khoan vừa đường tiếp cận cho đầu phun vừa đường dẫn hỗn hợp vữa - đất trào ngược lên bề mặt, giúp hạ áp lực môi trường xung quanh tia Hai biện pháp khoan thường dùng công nghệ Jet Grouting khoan xoay khoan dộng xoay Khoan dộng xoay thường dùng đất hạt thô chứa sỏi cuội, đá hộc, cần có giàn khoan lớn để tạo lực va đập mạnh Ở đất yếu khơng lẫn đá, phương pháp khoan xoay có hiệu cần giàn khoan kích thước nhỏ Thơng thường, đầu Jet Grouting có kết hợp mũi khoan nên giàn Jet Grouting thường giàn khoan Giàn Jet Grouting phải quay tịnh tiến cần vận tốc thiết kế Thanh cần ống dẫn phải có cấu tạo vật liệu phù hợp để làm việc an toàn áp lực cao Hình dạng kích thước vòi nghiên cứu nhiều tác giả để nâng cao hiệu cắt xói tia vữa Một đầu phun thường có từ đến bốn vòi phụt, bố trí đối xứng Thanh cần gồm nhiều phân đoạn để thi công không gian chật hẹp nên dùng số đoạn Còn phần cố định phải cung cấp vữa liên tục với áp lực ổn định Áp lực bơm thường từ 20 đến 60MPa Máy bơm thường máy bơm piston piston chìm ba xy lanh Hình 1:Sơ đồ hệ thống Jet Grouting phun đơn(TCCS 05:2010/ VKHTLVN) Hình 2:Các thiết bị thiết bị Jet Grouting phun đơn lắp ghép TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 2.3 Phạm vi sử dụng công nghệ Jet Grouting phun đơn Phạm vi sử dụng phương pháp Jet Grouting xác định theo cường độ chống cắt khơng nước (Su) số xun tiêu chuẩn SPT Dạng Jet Grouting phun đơn áp dụng nền: Đất dính có Su nhỏ 40 kPa, số SPT nhỏ 5; Đất hạt rời có số SPT nhỏ 15 2.4 Lựa chọn thông số vận hành thiết bị Jet Grouting phun đơn Q trình cắt xói đất Jet Grouting thực chất vấn đề lượng: Động tia vận tốc cao phá vỡ cấu trúc đất Do đó, đường kính cột phụ thuộc vào thơng số vận hành ảnh hưởng đến động tia phụt: Áp lực bơm, kích cỡ, số lượng vòi, tỷ lệ nước/xi măng vữa, tốc độ chuyển động cần Áp lực vữa nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước cột Áp lực, vận tốc miệng vòi lưu lượng vữa có quan hệ với Áp lực vữa cần cao, lượng cắt xói tia lớn, đường kính cột lớn Cơng thức sau xây dựng sở định luật Bernoulli: v2 m Q mA2 p1 p2 2( p1 p1 ) m 2g m p1 p2 (1-1) d 2g ( p1 p1 ) (1-2) Trong đó: m: Hệ số ảnh hưởng vòi, 0.92 theo Essler & Yoshida (2004); v2 : Vận tốc tia miệng vòi [m/s]; p1- áp suất cần [N/m2]; p2: Áp suất môi trường lỏng quanh vòi [N/m2]; : Khối lượng riêng vật liệu [kg/m3] ; trọng lượng riêng vật liệu [N/m3]; Q : Lưu lượng tia [m3/s]; A2: Diện tích mặt cắt lỗ [m2]; d : Đường kính lỗ [m]; 43 g: Gia tốc trọng trường [m/s2] Áp lực miệng vòi phụ thuộc chủ yếu vào áp suất máy bơm Độ mát ma sát từ bơm đến vòi từ đến 20% áp lực bơm Ảnh hưởng áp lực, lưu lượng, vận tốc chuyển động cần kích thước cột nhiều tác giả xem xét tổng hợp qua quan hệ đường kính D cột đất – xi măng lượng xử lý đơn vị chiều dài lỗ khoan xác định theo công thức: P.Q Ep P.Q.t (1-3) Trong đó: P: Áp suất cần phụt; Q: Lưu lượng tia phụt; v: Vận tốc nâng/hạ cần; t: Thời gian đơn vị chiều dài thành lỗ khoan 2.5 Yêu cầu theo dõi trình vận hành thiết bị Thông số vận hành phải theo dõi liên tục suốt trình thi công để điều chỉnh kịp thời thay đổi khác giá trị dự kiến Việc cần thực vận hành thiết bị ổn định theo thông số dự kiến Bởi biện pháp chủ yếu để đảm bảo chất lượng thi công Jet Grouting Các thông số vận hành chủ yếu hệ thống Jet Grouting phun đơn: Áp lực vữa cần; Số lượng kích cỡ vòi (lưu lượng vữa phụ thuộc vào áp lực vữa, số lượng kích cỡ vòi); Thành phần vữa, tỷ lệ nước/xi măng; Vận tốc quay cần khoan; Tốc độ rút cần khoan; Số lượng, kích cỡ vòi thành phần vữa thay đổi khơng đáng kể dễ kiểm sốt q trình vận hành Những thơng số lại (áp lực, lưu lượng vữa, vận tốc chuyển động cần phụt) tăng giảm vượt giới hạn cho phép nên cần có biện pháp kiểm sốt chặt chẽ 2.6 u cầu trì dòng bùn thải 44 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 trào ngược Việc trì dòng bùn thải trào ngược lên mặt đất giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm Jet Grouting Đặc trưng phương pháp Jet Grouting thường có dòng bùn thải gồm vữa, nước, đất, v.v Lượng bùn trào ngược từ đến 80% lượng vữa Dòng bùn thải giúp hạ áp suất môi trường lỏng bao quanh vòi (p2trong cơng thức 2) giúp tia đạt vận tốc cao, lượng cắt xói lớn Tia không đạt vận tốc lớn khoảng trống thành lỗ khoan cần nhỏ bị tắt Lượng vữa vào làm tăng áp lực hỗn hợp vữa – đất làm đất quanh lỗ khoan chuyển vị Khi chuyển vị vượt giới hạn, xuất vết nứt (hiện tượng Hydro-fracturing) Vữa áp lực cao di chuyển vào khe nứt, tạo thành sản phẩm có hình dạng bất định mà dạng cột kỳ vọng Chuyển vị làm hư hại cơng trình xung quanh 2.7 Phương pháp đánh giá cọc đất xi măng tạo thành Hai quan tâm sản phẩm Jet Grouting là: Kích thước phần tử đạt tính chất vật liệu Phương pháp thường dùng để xác định hình dạng kích thước đào lộ cột để đo trực tiếp đường kính Đây biện pháp có hiệu dùng với đoạn cột gần mặt đất Với độ sâu lớn, thường dùng phương pháp khoan lấy lõi để kiểm tra kích thước cọc Nhiều biện pháp định vị địa phát triển phương pháp điện trở, điện từ, siêu âm, đa, dụng cụ cánh mở v.v hiệu độ tin cậy chưa cao Ở cơng nghệ trộn sâu nói chung cơng nghệ Jet Grouting nói riêng, thí nghiệm nén nở hông tự thường sử dụng để xác định cường độ độ cứng đất - xi măng Nguyên nhân thí nghiệm đơn giản, dễ thực chi phí thấp phương pháp khác Hình dạng, kích thước cột, cường độ độ cứng cọc xi măng đất thay đổi theo nhiều yếu tố Bảng thể giá trị đường kính cọc xi măng đất Jet Grouting phun đơn tổng hợp số tác giả Ở điều kiện máy móc thơng số vận hành, đường kính cột lớp đất rời thường lớn Bảng 2, bảng thể khác biệt giá trị thống kê tác giả khác dù loại đất dạng Jet Grouting Để thiên an toàn, cường độ thiết kế tiêu chuẩn với tỷ lệ xi măng/nước 1/1 JJGA xác định giá trị thấp cường độ 97 – 99% số mẫu xem xét (3 MPa đất cát, MPa đất sét) Khó xác định hàm lượng xi măng vật liệu Jet Grouting khơng xác định xác thể tích phần tử tỷ lệ đất lại Tỷ lệ thay đất xác định gần khoảng 30 - 60% thường khoảng 40% Tỷ lệ mô đun/cường độ thường tăng theo cường độ, có giá trị 300 – 1000 Bảng trình bày tỷ lệ mơ đun/cường độ theo số tác giả Bảng 1: Tổng hợp giá trị đường kính cột Jet Grouting phun đơn Thơng số Đường kính cọc Đất rời Đất dính Đơn vị m m m Kauschinger & Welsh (1989, theo Bruce 1994) Keller Group Burke (2004) 0.6-1.2 0.5 - 0.4 - 0.8 0.6-1.2 0.4-0.9 Bảng 2: Tổng hợp tỷ lệ mô đun biến dạng E50 cường độ qu soilcrete nhóm đất khác (Oliveira 2011) Loại đất Mọi loại đất Cát hạt mịn đến vừa Bùn Sét bụi Sỏi sạn lẫn cát E50/ qu 100 360 600 700 900 Nguồn JJGA (1995) Lurnadi et al (1986) Paoli et al (1989) Novatecna (1994) Lurnadi et al (1986) TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 45 Bảng 3: Tổng hợp giá trị cường độ qu (MPa) soilcrete tạo Jet Grouting Loại đất Sỏi Cát Bụi Sét JJGA Keller (theo Essler & Group Yoshida 2004) ≤ 25 ≥3 ≤ 10 ≥1 ≤5 Nguồn Bell Miki Shibazaki (1993 – theoCroce (1985 – theoCroce (1991 – theoCroce & & Flora 2000) & Flora 2000) Flora 2000) đến >30 đến >25 – 10 < 30 – 18 0.5 –