Đường kính cọc soilcrete tạo ra bởi Jet Grouting: Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp xác định

Việc đưa ra công thức xác định đường kính phải phản ảnh đầy đủ toàn bộ quá trình hình tạo thành cọc trong đất nền gồm: (1) phân loại đất (rời, dính tương ứng NSPT và Su; (2) cơ chế cắt xói theo đất nền (sét, cát, và sỏi); (3) chọn hệ thống Jet Grouting thích hợp theo cơ chế xói và năng lượng yêu cầu; và (4) chọn thông số vận hành tương ứng với hệ thống.

ĐƯỜNG KÍNH CỌC SOILCRETE TẠO RA BỞI JET GROUTING: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG* HÀ HOAN HỶ ** Diameters of soilcrete columns created by Jet Grouting: affected factors and determination methods Abstract: Jet Grouting is a ground improvement and reinforcement technology and has contributed to solve difficult problems in Geotechnical Engineering for construction, but remains uncertainty in prediction of soilcrete column diameters Diameters of soilcrete columns created by Jet Grouting are influenced by several factors and the existing Equations have not included all factors The paper investigated factors affecting soilcrete diameters and examined an appropriate Equation computing soilcrete diameters The result indicates that the Equations (10a) and (10 b) can relevantly analyze soilcrete diameters Keywords: Jet Grouting, soilcrete, deep mixing method, soilcrete diameters, soft ground improvement GIỚI THIỆU CHUNG* Jet Grouting thường áp dụng để tăng cường độ giảm thấm cho nhiều cơng trình xây dựng gia cường đất yếu, tăng sức chịu tải móng, làm tường chống thấm cách tạo cọc đất trộn xi măng có đường kính chiều sâu thiết kế bố trí theo cách định tùy theo mục đích ứng dụng [26, 14] Các cọc đất xi măng hay soilcrete tạo tia cao áp (20-60 MPa) vữa, hay nước, hay khí làm nhiệm vụ cắt xói đất trộn với vữa xi măng thay cho cánh trộn kim loại [25] Vì vậy, Jet Grouting có nhiều ưu điểm gọn nhẹ, không phá huỷ lớp mặt, không gây chấn động, thi cơng * Giảng viên, Khoa Kỹ thuật Xây dựng (KTXD), Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG TP HCM (HCMUT), Email: tnhhung@hcmut.edu.vn ** Nghiên cứu sinh, KTXD, HCMUT, khơng gian chật hẹp Jet grouting thích hợp cho đất dính có cường độ chịu cắt khơng nước Su nhỏ 30 kN/m² [23] Theo [19] cho Su 40 kPa giới hạn chảy, WL = 40% giới hạn cho loại Jet Grouting Theo [8], cọc soilcrete khơng thể bố trí hiệu đất bụi sét có NSPT từ ÷ Su từ 48 ÷ 52 kN/m², với hệ thống Phun ba Phù hợp với quan sát [1]: giới hạn áp dụng Jet Grouting Su từ 50 ÷ 60 kPa Nhiều tác giả xác định phạm vi sử dụng Jet Grouting theo số NSPT: (i) Phun đơn sử dụng khơng hiệu đất rời có số NSPT > 20 đất dính có NSPT > theo đánh giá [19] Giới hạn theo [11], [23] thấp đất cát: NSPT < 15, đất dính NSPT < ÷ 10; (ii) Phun đơi với đất dính có số NSPT ≤ đất hạt rời có NSPT ≤ 50 theo [23] Theo [19], Jet Grouting Phun đôi thường không dùng cho đất dính có NSPT > 20; (iii) Phun ba theo [23] với đất dính có số NSPT ≤ 5, đất rời NSPT ≤ 50 Email: hhh24081981@yahoo.com.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 41 Kích thước (đường kính chiều sâu), hình dạng (độ tròn đồng đều), chất lượng (cường độ, độ cứng, hệ số thấm) bị ảnh hưởng nhiều yếu tố thông số vận hành thiết bị Jet Grouting (áp lực vữa, lưu lượng vữa, áp lực nước, lưu lượng nước, áp lực khí, lưu lượng khí, tốc độ nâng hạ cần, tốc độ xoay cần, số lần lặp lại, kích thước số lượng vòi phun, tỷ lệ nước : xi măng), loại đất, trạng thái đặc trưng cơ-lý-hoá đất xung quanh cọc soilcrete [25] Chất lượng sản phẩm soilcrete tạo từ Jet Grouting thường tập trung vào đường kính, độ đồng đều, cường độ [25] Hiện nay, hai cách xác định đường kính soilcrete đào lộ đầu cọc để đo trực tiếp sau thi công hay dự kiến đường kính thơng số đầu vào công thức lý thuyết Một số tác giả xây dựng phương pháp xác định đường kính cọc cách phân tích cấu tạo tia tương tác tia đất nguyên dạng [8, 17] Đặc trưng cấu tạo lượng tia làm rõ qua nhiều nghiên cứu chế cắt xói chưa hiểu đầy đủ, phân tích chủ yếu dựa nhiều giả thiết [8, 17] Quan sát trực tiếp cho thấy trục cọc soilcrete lệch đáng kể từ vị trí bố trí [11] Hơn nữa, soilcrete hình thành khơng đồng phần đất tự nhiên không xử lý tồn cọc, đặc biệt với đất hạt mịn [20] Bài báo tập trung nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng phương pháp xác định đường kính soilcrete tin cậy CÁC THƠNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SOILCRETE Chất lượng sản phẩm Jet Grouting gồm: (i) kích thước cọc Soilcrete đánh giá qua thơng số hình dạng độ đồng đều; (ii) tính chất Soilcrete liên quan đến nhiều thơng số phức tạp cường độ, mô đun biến dạng, hệ số thấm [8] Ngoài chất lượng Soilcrete 42 đánh giá theo thơng số phù hợp với mục đích ứng dụng: (a) mơ đun biến dạng để giảm độ lún; (b) cường độ ổn định chống trượt; (c) tính thấm cần khống chế nước đất chất ô nhiễm [2] YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC (ĐƯỜNG KÍNH) SOILCRETE 3.1 Cơ chế làm việc tia áp lực cao Ba yếu tố ảnh hưởng hiệu Jet Grouting gồm: (a) cấu tạo tia phụt; (b) lượng phụt; (c) chế cắt xói [8] Q trình cắt xói làm đất xung quanh bị phá huỷ hoàn toàn phần tia thấm vào lỗ rỗng phần thay đất dòng bùn chảy lên mặt đất qua khoảng trống thành lỗ khoan cần Phần trào ngược (vữa đất) tăng cỡ hạt giảm từ 0% ÷ 80% [15, 17] Đất dễ thấm sỏi thơ dòng trào ngược thường khơng đáng kể hầu hết dòng vữa thấm dễ dàng vào lỗ rỗng theo phương bán kính mà không làm xáo trộn Nền cải thiện chủ yếu theo chế vữa thấm nhập [12] Khi cỡ hạt mịn (cát hay sét), khe rỗng hạt nhỏ hơn, tính thấm giảm đáng kể Tia có xu hướng phản xạ phá vỡ cấu trúc đất nên cải thiện theo chế cắt xói trộn đất [8, 17] Nhiều tác giả giả định cát tia thấm vào sau bề mặt khoảng cách hạn chế, làm tăng đáng kể áp lực lỗ rỗng, giảm lực tiếp xúc hạt Hạt dễ dàng bị dời khỏi vị trí ban đầu tác động tia chất lỏng [17] Trong sét, khe rỗng nhỏ nên tia thấm vào, tia xem khối cứng xuyên vào đất tải trọng tỷ lệ thuận với động lượng, gây ứng suất Đất bị cắt xói ứng suất cắt vượt cường độ chịu cắt đất Sự phá hoại theo chế cắt khơng nước nên khả chịu cắt xói liên quan chủ yếu Su, [8, 17] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 3.2 Các đặc trưng trạng thái đất Đặc trưng đất ảnh hưởng đến chế cắt xói gồm: (i) thành phần hạt; (ii) độ chặt tương đối (NSPT), (iii) cường độ cắt nhanh khơng nước Su [11] Theo Keller Group, Jet Grouting xử lý cho hầu hết loại đất từ đất yếu, đất rời, đất sét trừ sỏi cuội hạt lớn Jet grouting gia cố cho vị trí có cấu tạo địa chất thay đổi đất lẫn hữu (Keller Group) Đường kính cọc soilcrete giảm cỡ hạt giảm [11, 21] Đất hạt rời có lỗ rỗng lớn hơn, lực dính nhỏ nên lực tiếp xúc hạt giảm nhiều hơn, kết cấu dễ bị phá hủy [8, 12] Theo [1], vữa đất cát tạo đường kính cọc lớn, đất cát cần lượng tính rời rạc, lượng vữa dư dễ trồi lên mặt tính lưu động cao vữa Khả cắt xói giảm đáng kể đất có lực dính nhỏ [1] [8] cho thấy lực dính đất tăng, đường kính giảm khơng thay đổi áp lực vận tốc cần [18] giảm 25% đường kính cọc xuyên qua từ đất rời sang đất chặt, tất thông số khác Ảnh hưởng Su đến kích thước cọc, áp lực nhỏ, khoảng cách cắt không đáng kể (dưới mm) Đến áp lực lớn cường độ, qu (gấp lần Su) khoảng cách cắt tăng nhanh theo áp lực [12] Nguyên nhân áp lực tia đủ lớn làm đất bị phá hoại theo chế cắt khơng nước Theo [8] (từ nguồn Welsh et al 1986) với Su > 41 kPa, đường kính Soilcrete < 1,5 m Đường kính cọc lớn đạt đất cấp phối rời rạc Tuy nhiên, cấp phối có ảnh hưởng hệ số đồng (Cu = D60/D10) cao [8] Theo [8] (từ nguồn Miki 1985), đường kính cọc khơng chịu ảnh hưởng phân bố cỡ hạt Cu > 10 Theo [8] (từ nguồn Welsh ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 et al 1986) Cu > 8, cấp phối có ảnh hưởng nhỏ khả tia xuyên phá cát bụi Theo [18], quan hệ đường kính soilcrete giá trị NSPT với Phun ba tạo nên cọc có đướng kính lớn gấp lần đường kính cọc thi cơng Phun đơn không xét đến loại đất độ chặt đất Chỉ số NSPT thể rõ độ chặt đất rời phân bố cỡ hạt NSPT thể cường độ đất nên có quan hệ với đường kính cọc khơng đất rời mà đất dính Tuy nhiên, ảnh hưởng NSPT khơng lớn Su Đường kính cọc giảm khơng nhiều NSPT tăng từ ÷ 35 thay đổi rõ rệt từ lớp đất rời sang lớp đất dính [20] Thực tế bán kính thực cọc giảm so với lý thuyết ảnh hưởng độ ẩm bùn dư gây [5] Điều đặc biệt đất dính loại đất phải lượng đáng kể để phá cấu trúc đất áp lực tối thiểu phải dùng 40 MPa để xói đất có sức chống cắt 0.04 MPa [5] nguồn Coomber (1985) Sự thay đổi đường kính cọc vượt 10% ngoại trừ đất hạt thô [5] Áp lực phun cần xem xét đến loại độ chặt đất, có đạt kết tối ưu, áp lực thơng thường vào khoảng 20 ÷ 60 MPa, tổn thất ma sát bơm đầu phun vào khoảng ÷ 10% áp lực bơm [5] Trong thí nghiệm [5] (từ nguồn Broid et al 1981) với đường kính cọc lớn (từ 5,0 ÷ 7,0 m) khối lượng vữa lớn (120 ÷ 150 lít/phút) đất cát với áp lực thấp (7,0 MPa) [1] đề nghị loại đất lẫn sỏi sạn thường dễ xử lý Tuy nhiên, loại cỡ hạt cấp phối khơng tốt với tính thấm cao làm mát lượng vữa trình thấm vữa vùng xung quanh, làm giảm đường kính làm thay đổi đặc tính Nền chứa nhiều hạt cuội sỏi (trên 50%), sản phẩm có hình dạng 43 bất thường hơn, khối Soilcrete không đặc vữa bị thấm [16] 3.3 Ảnh hưởng hệ thống thiết bị Q trình cắt xói đất thực chất trình động tia vận tốc cao tác dụng vào đất, phá vỡ cấu trúc đất Năng lượng cắt xói đất phụ thuộc: (i) Vận tốc tia phun, (ii) Áp lực phun, (iii) khối lượng riêng chất phun (vữa hay nước), lưu lượng (số lượng, kích cỡ, hiệu vòi), (iv) tốc độ quay nâng hạ cần phun, (v) lớp đệm khí, (vi) độ nhớt vữa (độ nhớt thấp tia vữa dễ phân tán) Tia phun phân tán dù lượng cao khơng tạo cọc kích thước lớn [10] Trong đó, áp lực, lưu lượng, vận tốc phun nhiều tác giả xem nhân tố quan trọng [5] 3.3.1 Ảnh hưởng áp lực phun Xói đất với áp lực cao khoảng cách xói tăng tối đa áp lực phun vượt cường độ nén nở hông đất [12] Quan hệ khoảng cách xói áp lực phun: (1) với cát áp lực phun ÷ 100 kPa khoảng cách xói tăng chậm, tăng áp lực lên 100 kPa khoảng cách xói tăng nhanh; (2) với đất sét với cấp áp lực ÷ 180 kPa khoảng cách xói tăng chậm nhỏ so với cát, tăng áp lực lên 180 kPa khoảng cách xói bắt đầu tăng nhanh Nguyên nhân cho cường độ nén có nở hơng đất sét cao Phun vữa bên mực nước ngầm, tiêu hao lượng tia nước vấn đề cần xem xét [7] [7] chứng minh việc bổ sung đệm khí làm gia tăng hiệu cắt tia nước Với khí che bên ngồi, tia vữa gia tăng khoảng cách xói tia nước lên lần so nước (Hình 1) Ngồi ra, đệm khí đẩy hỗn hợp bùn dư lên phía bề mặt giảm giúp áp suất mơi trường xung quanh tia phun [12] Hình 1: Quan hệ khoảng cách phun áp lực vữa [24] (từ nguồn Miki Nakanishi 1984) Áp lực có ảnh hưởng lớn quan hệ chặt chẽ với vận tốc tia phun định động tia Nếu áp lực không đủ lớn, tia không đạt vận tốc thích hợp để cắt xói đất 44 [10] Áp lực miệng vòi phụ thuộc chủ yếu vào áp suất máy bơm Độ mát ma sát từ bơm đến vòi từ 5% ÷ 20% áp lực bơm [5, 11] Áp lực miệng vòi lớn phải dùng bơm có áp lực ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 lớn giảm an tồn Theo [8], áp suất bơm cao 50 MPa 3.3.2 Ảnh hưởng lưu lượng phun Động tia phun không phụ thuộc vào vận tốc hay áp lực phun mà phụ thuộc vào khối lượng riêng chất phun Động lượng tia phn (tích vận tốc & khối lượng riêng tia phun) có ảnh hưởng kích thước cọc Thơng số quan trọng ảnh hưởng hình thành Soilcrete động lượng tia [10] Tăng kích thước cọc theo hướng tăng khối lượng riêng vữa phun cách mở rộng kích thước lỗ phun (tăng lưu lượng) kéo dài thời gian phun Biện pháp an toàn dùng áp suất bơm lớn [7] Tuy nhiên, với thể tích đất cắt xói được, biện pháp tăng khối lượng riêng vữa tạo lượng vữa trào ngược nhiều tốn nhiều thời gian thi công [10, 12] Hai cách để nâng cao động lượng tia phun: (1) tăng vận tốc cách tăng áp lực phun (2) tăng khối lượng cách tăng lưu lượng phun [7] [7] cho tăng lưu lương phun làm tăng khả cắt an toàn tránh nguy hiểm làm việc với áp lực lớn [10] cho phương pháp gia tăng lưu lượng phun hiệu hơn, nhược điểm lãng phí cần xử lý khối lượng lớn bùn trao ngược 3.3.3 Ảnh hưởng tốc độ xoay rút cần Theo [5] (từ nguồn Kauschinger & Welsh 1989), tốc độ xoay cần từ ÷ vòng để đủ trộn đất với vữa số lặp lớn làm tăng đường kính cọc (Hình 2) Mối quan hệ tốc độ rút cần, thể tích đất xử lý, áp lực phun thể Hình Tốc độ quay rút cần chậm làm tăng lượng xói lên đơn vị thể tích khoảng cách xói tăng lên Vận tốc rút cần giảm, thời gian tăng, lượng vữa bơm vào đất lượng đất thay nhiều, hỗn hợp vữa – đất trộn nhiều hơn, cường độ sản phẩm tăng [8] Thời gian tăng làm tăng lượng vữa trào ngược, tăng lãng phí vật liệu, cơng tác xử lý bùn thải [10] Hình Tốc độ xoay chu kỳ lặp ảnh hưởng đường kính xói [12] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 45 Hình Quan hệ tốc độ rút cần thể tích đất xử lý [24] từ nguồn ASCE (1987) Vận tốc quay cần phối hợp với tốc độ rút cần để tia có thời gian tác dụng phù hợp lên đất [16] Cỡ hạt giảm hay lực dính tăng, vận tốc quay cần giảm [10] Tuy nhiên, phần tia phản xạ gặp đất Tia quay chậm đến mức bị giảm hiệu cắt xói phản xạ [16] Nếu tốc độ rút cần quay cần không phối hợp hợp lý, tốc độ rút cần nhanh tạo cọc ‘xoắn ốc”, không phù hợp với tổ hợp cọc Soilcrete giao [10] nguồn Coomber (1985) Tuy nhiên, số trường hợp, cần khoan quay đều, khoảng cách cắt xói hướng chênh lệch lớn lớp đất không đồng có chướng ngại vật che tia [12] 46 Theo [8], vận tốc rút cần từ: 15 ÷ 100 cm/phút với Phun đơn, 10 ÷ 30 cm/phút với Phun đơi, ÷ 15 cm/phút với Phun ba Vận tốc quay cần thơng thường từ: ÷ 15 vòng/phút với Phun đơn, ÷ vòng/phút với Phun đơi Phun ba Việc nâng đầu phun liên tục tiến hành theo nấc [12], [8] 3.3.4 Ảnh hưởng tỉ lệ nước : xi măng Tỉ lệ w:c lựa chọn cho đạt yêu cầu cường độ tính thấm [5] Việc lựa chọn vật liệu vữa nhằm tạo sản phẩm chất lượng cao với chi phí thấp Cường độ chịu nén Soilcrete xác định lượng xi măng phần đất lại Soilcrete, tính chống thấm Soilcrete ngăn khơng cho nước thấm vào cách lựa chọn loại vữa phù hợp, bổ sung thêm bentonite ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 Tỉ lệ w:c thường dùng giá trị vào khoảng 0,6 ÷ 1,2 (thường lấy 1) dựa cấp phối hạt đất, tính thấm đất, độ ẩm đất, khối lượng trung bình vữa m³ đất [5] Đối với đất có tính thấm thấp, trường hợp nước vữa kém, nên soilcrete có cường độ thấp đất rời, thơng số khác khơng đổi [5] Trong trường hợp cho mục đích chống thấm, vật liệu Soilcrete không cần cường độ cao đặc biệt đất rời, việc bổ sung Bentonite (hơn 5% lượng đất) cần thiết [5] [5] (từ nguồn Coomber 1985) cho dùng tro bay với tỷ lệ xi măng : tro bay = 1:1 ÷ 1:10 có lọc tránh tượng tắc nghẽn thiết bị đầu phun 3.3.5 Ảnh hưởng kích thước số lượng vòi phun Nhiều nghiên cứu thiết kế cấu tạo vòi phun để nâng cao khả cắt đất tia vữa/nước [24] Số lượng đường kính vòi phun ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng ra, tỉ lệ đất bị cắt, lượng vữa vào [14] Số lượng vòi phun có thay đổi từ ÷ vòi đường kính vòi phun thường khoảng ÷ mm [14] Lưu lượng cao cần bơm công suất lớn để trì áp lực cao [16] Vòi phun đường kính lớn làm cho việc sử dụng bơm công suất lớn Tuy nhiên, với giá trị lưu lượng, việc gia tăng số lượng vòi làm giảm khả cắt đất mát lượng nhiều [5] (từ nguồn Kauschinger & Welsh 1989) vòi phun có đường kính 2,0 mm với vận tốc phun 250 m/s tạo lưu lượng khoảng 75 lít/phút có lượng 100 sức ngựa 3.4 Ảnh hưởng áp suất môi trường xung quanh tia phun Động tia không phụ thuộc thiết bị mà phụ thuộc vào áp suất mơi trường lỏng xung quanh vòi phun Áp suất môi trường lỏng lớn vận tốc tia phun giảm động cắt xói nhỏ [12, 18] Khi tia phun cắt xói đất, phần tia phun phá huỷ đất phần có xu hướng làm tăng áp lực môi trường ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 lỏng xung quanh Việc trì dòng bùn trào ngược qua khoảng hở thành cần lỗ xuang quanh giúp giảm áp suất môi trường lỏng [4, 8, 11, 23] Nếu khoảng trống thành lỗ khoan cần phun nhỏ bị tắt, lượng vữa phun vào áp lực cao làm tăng áp lực hỗn hợp vữa - đất quanh vòi phun [10] Tia phun khơng đạt vận tốc cao để cắt xói trộn đất hiệu Năng lượng máy bơm bị hao phí vào việc nén ép đất làm chuyển vị Cọc soilcrete khơng đạt hình dạng chất lượng vật liệu mong muốn [5, 6] Chuyển vị đất áp lực hỗn hợp lỏng dòng vữa trào ngược bị tắt vượt giới hạn gây vết nứt (hiện tượng Hydro-fracturing) [4, 5] Khi xảy tượng nứt nền, vữa chảy từ thành lỗ khoan vào khe nứt tạo sản phẩm cuối không kỳ vọng Đồng thời, chuyển vị xảy tượng Hydro-Fractureing làm hư hỏng kết cấu cơng trình xung quanh [10] Độ nâng sét mềm m [5] Để đảm bảo chất lượng soilcrete hạn chế biến dạng nền, yêu cầu Jet Grouting cần phải trì dòng vữa trào ngược liên tục suốt q trình cắt xói [15] Lỗ khoan bị tắt nghẽn đất rời rạc khiến thành lỗ khoan không ổn định Tuy nhiên, với đất dính sét dẻo thường vỡ thành tảng cục đất mà khơng dễ bị cắt xói thành hạt nhỏ Dòng bùn thải thường mang theo hạt lớn cỡ hạt cát mịn (0,25 mm) lên mặt đất Hậu tảng cục đất dính thường lên đến lưng chừng lỗ khoan gây tắt nghẽn [4] CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH CỌC SOILCRETE Đường kính cọc soilcrete khơng liên quan đến phương pháp phun vữa mà phụ thuộc lớn vào nhiều nhân tố như: loại đất, đặc trưng trạng thái đất, mực nước ngầm, lượng xi măng, lượng dùng làm cọc [24] Vì vậy, việc xác định đường kính Jet Grouting 47 xác vấn đề phức tạp Nhiều nghiên cứu việc xác định đường kính soilcrete dùng phương pháp thi cơng Jet Grouting dựa vào quan hệ sau: 4.1 Khi điều kiện đất thay đổi bán kính soilcrete thay đổi theo, dựa vào đo đạc tỏa nhiệt phân tích tỏa nhiệt sensor đặt vị trí cọc, [3] đề nghị xác định: (a) bán kính soilcrete (b) lượng xi măng soilcrete ảnh hưởng đến đặc trưng vật liệu 4.2 Với tốc độ rút vt, thể tích đất V, khả xói theo thời gian dV/dt = (πD²/4).vt, đường kính cọc soilcrete xác định theo công thức, D  vt phù hợp [1] 4.3 Trong việc xác định đường kính cọc sau thi cơng Jet Grouting, [15] đưa cơng thức xác định đường kính soilcretedựa mối quan hệ cân khối lượng công thức (1): D Wt c (1)  H c t đó: H: chiều cao cọc; Wt c : lượng tích lũy tính tốn từ cân đo đạt trọng lượng trường, trọng lượng phun đất bị trào ngược, c c c c c c Wt  Wcement  Wwater  Wsoil  Wair ;  t : trọng c c c lượng đơn vị cọc Wcement , Wwater , Wsoil , Wairc : trọng lương xi măng, nước, đất, khí cột tương ứng 4.4 Theo [9] dùng Phun đôi Jet Grouting giảm nguy hại địa kỹ thuật, cơng thức tính lượng phun đơi theo (2) Cọc đường kính 1,5 m, cách 1,2 m, vữa /m cọc 1070 lít 667 kg xi măng Năng lượng cụ thể 373 MJ/m tạo cọc đường kính trung bình 1,5 m Qg (m ³ / phut ) * Pg ( MPa ) (2) E Vt ( phut / m) đó: Pg: áp lực vữa (MPa), Qg lưu lượng vữa (m³/giờ) 4.5 Theo [6], Jet Grouting dùng Phun ba phù hợp để cải thiện đất sét nhằm: (1) thiết lập 48 thông số Jet Grouting theo lượng phun đất cần xử lý; (2) thiết lập thông số Jet grouting tương lai với đất tương tự Đường kính 1,6 m với khoảng chồng lên 0,25 m Pw = 400 ÷ 405 bar; Qw = 130 ÷ 150 lít/phút; Rs = ÷ 10 vòng/phút; tốc độ nâng, vt = 10 ÷ 12 phút/m; Pg = 130 ÷ 150 bar; Qg = 100÷ 120 lít/phút; c/w = 1/1 Năng lượng phun vữa Ej tính theo cơng thức (3) Pw Qw  Pg Qg (3) Ej  [ MJ / m] Vt đó: Pw, Pg: tương ứng áp lực nước vữa (MPa) Qw, Qg tương ứng lưu lượng nước vữa (m³/giờ) Năng lượng tối thiểu 75 MJ/m tạo nên cọc 1,6 m với Nspt = ÷10, sét biển dùng Phun ba Cường độ 600 kPa, độ cứng 150 MPa Etk = 8N (MPa) 4.6 Theo [20] ghi lại thời gian dao động tia vữa Jet Grouting đạt đến khoảng cách đặt sensors cho việc tìm kiếm mối quan hệ lượng khả xói Ghi lại thời gian làm xói mòn đất tia vữa để đạt điểm cố định để đánh giá đặc tính làm xói mòn đất dùng cảm biến rung Quan hệ khoảng cách thời gian xói đưa theo công thức (4) T  31.2.L2.21 P 1.72 Q 1.89 (4) đó: T: thời gian phun (giây); L: khoảng cách từ vòi đến điểm đo đạt (cm); P: áp lực vòi phun nước (MPa); Q: lưu lượng vòi nước (lít/phút) 4.7 [11] đưa quan hệ đường kính cọc, lượng xử lý thơng số đất đơn giản (kích thước hạt, NSPT, Su) thực nghiệm đưa thông tin cho thiết kế, không đề cặp đặc tính học Đề nghị lượng nên xét vòi phun, En, kể đến mát lượng vòi phun liên quan chiều dài cọc, L, có thuận lợi liên quan tỉ trọng vữa đường kính vòi phun theo công thức (5) 8. g Q En  2 (5)  M d  ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 đó: M: số lượng vòi phun, d: đường kính vòi,  : mức độ nâng cần, m: lượng vữa phun, n : vận tốc vữa vòi phun,  g : tỉ trọng vữa, Q: lưu lượng vữa 4.8 [14] đưa mơ hình để xác định khoảng cách xói tia, cho khả xói tia đạt đến giới hạn vị trí áp lực tia cân sức kháng đất theo công thức (6) Điều kiện kiểm soát phá hoại đất, khả xói tia phụ thuộc tỉ trọng vữa tỉ trọng môi trường xung quanh Việc lựa chọn áp lực phun phụ thuộc chủ yếu vào loại địa chất trường lj ( Pi  Ps ) (6)  6.25 dn qbu đó: dn: đường kính vòi phun; lj: khoảng cách xói tia; Pi: áp lực vòi phun; Ps: áp lực thủy tĩnh tác dụng lên đầu vòi phun, Pi -Ps: khác áp lực vòi; qbu: khả chịu cắt đất 4.9 Công thức xác định khoảng cách xói tia theo [24], bán kính cọc xác định theo loại đất, áp lực phun, lưu lượng phun,số lần lặp, vận tốc quay vòi phun theo cơng thức (7): ( K P Q  N  ) L (7) V đó: L: bán kính cọc (m); K: hệ số cho loại đất, đất cát lấy 31,5; P: áp lực phun (MPa); Q: lưu lượng phun (m3/phút); N: số lần lặp chiều sâu thiết kế; V: vận tốc quay vòi phun (m/s) = [d × π ×V (rpm)]/60; d: đường kính cần; D: đường kính bên ngồi đầu phun (m); α = 1,003, β = 1,186, γ = 0,135, δ = 0,198 4.10 Theo [22] việc phun vữa với vận tốc cao phun xói đất, tồn khoảng cách thâm nhập tạo đất, đường kính dự báo từ khoảng cách thâm nhập theo: (a) lý thuyết dòng chuyển động hỗn loạn, (b) lý thuyết xói đất Nếu xem đường kính cần khoan, D0, bán kính cọc soilcrete, Rj, xác định theo cơng thức (8 9) [22] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 D0 D  4.Q  xL   (8) 2  M. d0 qu / patm (9) b   / đó: xL: khoảng cách thâm nhập, Q: lưu lượng vữa, M: số lượng vòi phun, b: thông số đất dựa kết đo đạt, b khác cho nhiều loại đất, sét: b = 1,2 ÷ 2; bùn sét: b = 0,75-1,4; cát b = 0,25-0,75 4.11 Xác định đường kính có xem xét đến loại đất (rời, dính), cường độ, lượng hệ thống Jet grouting, hoạt động vòi phun, theo [13], đường kính trung bình Da xác định theo cơng thức (10a 10b) tương ứng cho đất hạt mịn đất rời Rj     * E n'   q c    D a  D ref    7.5 *10   0.5    (10a)    * E n'   N SPT    (10b) D a  Dref    7.5 *10   10  Cơng thức 10a và10b, Dref, có ý nghĩa vật lý để tìm đường kính với Jet Grouting tùy theo α tương ứng cho phun đơn Phun đôi Phun ba, E’n = 10 MJ/m qc = 0,5 MPa NSPT = 10 phụ thuộc loại đất đó: đường kính tham chiếu, Dref, phụ thuộc đặc tính đất, với số mũ β δ, hiệu chuẩn liệu thí nghiệm Động cụ thể vòi E’n tỉ lệ xi/nước theo trọng lượng w (Λ*ref ~= 7,5) lượng cụ thể vòi phun E’n,ref = 10 MJ/m Sức kháng đất xác định NSPT qc tương ứng cho đất rời đất dính Giá trị tham chiếu cho NSPT,ref = 10) qc,ref = 0,5 MPa THẢO LUẬN Việc đưa cơng thức xác định đường kính soilcrete cần phải phản ảnh đầy đủ tồn q trình hình tạo thành cọc đất gồm bước: (1) phân loại đất (rời, dính) mà xác định cường độ (Nspt Su); (2) chế cắt xói khác theo loại đất (sét, cát, sỏi); (3) dựa vào đường kính yêu cầu thiết kế chọn hệ thống Jet Grouting thích hợp theo chế xói lượng yêu cầu; (4) chọn thông số 49 vận hành tương ứng với hệ thống đường kính u cầu Vì vậy, việc chọn cơng thức xác định đường kính phải phản ảnh tồn bước cơng việc ứng dụng Jet Grouting có kết tối ưu Tổng hợp cơng thức xác định đường kính Soilcrete Jet grouting tổng hợp mức độ thỏa mãn tồn yêu cầu hình thành cọc theo Bảng Theo kết thống kê bảng Cơng thức 11 hợp lý đáp ứng toàn yêu cầu việc dự báo đường kính soilcrete Jet Grouting Bảng Các công thức xác định đường kính Soilcrete tạo Jet Grouting TT Theo loại đất Cơ chế xói (rời: NSPT, dính Su) (rời dính) Hệ thốngNăng lượng Thơng số vận hành (vữa, nước, khí) (tùy theo hệ thống) Khác Sensor tỏa nhiệt xi Vận tốc rút Trọng lượng xi, nước, đất, khí Năng lượng Phun đơi Năng lượng Phun đôi Năng lượng Khả chịu cắt đất (không phân loại) 10 11 50 Xem xét loại đất, cường độ qu Rời: NSPT, dính Su Ap lực, lưu lượng, vận tốc nâng Ap lực, lưu lượng, vận tốc nâng Ap lực, lưu lượng, thời gian phun Đầy đủ thông số vận hành Áp lực phun, Sensor đo đao động Áp lực môi trường Đầy đủ thơng số vận hành Lưu lượng, số vòi Cơ chế khác khau, Dref khác Năng lượng khác nhau, xét vòi Thơng số vận hành qui thành lượng Độ nhớt vữa theo Λ* ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 KÊT LUẬN Jet Grouting công nghệ gia cố xử lý nhiều ưu điểm tồn khó khăn dự báo đường kính cọc Jet Grotunig Đường kính trung bình Jet Grouting thay đổi theo đặc tính học đất thơng số vận hành Jet Grouting (hệ thống Phun, thành phần chất phun, lượng cụ thể vòi) Việc đưa cơng thức xác định đường kính phải phản ảnh đầy đủ tồn q trình hình tạo thành cọc đất gồm: (1) phân loại đất (rời, dính tương ứng NSPT Su; (2) chế cắt xói theo đất (sét, cát, sỏi); (3) chọn hệ thống Jet Grouting thích hợp theo chế xói lượng yêu cầu; (4) chọn thông số vận hành tương ứng với hệ thống Vì vậy, cơng thức 11 hợp lý việc xác định đường kính soilcrete Jet Grouting phản ảnh toàn tính chất liên quan việc ứng dụng Jet Grouting đến thời điểm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.L Bell “Jet grouting,” Ground Improvement, M.P Mosely ed., Glassgow: Chapman and Hall, pp.149-174, 1993 [2] Bộ Khoa học Công nghệ Gia cố đất yếu – Phương pháp trụ đất xi măng Hà Nội: TCVN 9403: 2012, 2012, 42 trang [3] C Brandstatter, R Lackkner, and H.A Mang “In situ temperature measurements provide new insight into the performance of jet grouting,” Ground Improvement, Vol 9, No 4, pp 163-167, 2015 [4] G.T Brill, G.K Burke, and A.R Ringen “A ten year perspective of Jet Grouting: advancements in applications and technology”, in Proceedings of Third International Conference of American Society of Civil Engineers, New Orleans, 2003, pp 218-235 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 [5] D.A Bruce “Jet Grouting,” Ground Control and Improvement, edited by P.P Xanthakos, L.W Abramson, and D.A Bruce, NY: John Willey & Sons, 1994, pp 580-683 [6] J.O Carroll, R Flanagan, N Loganathan, and D Ratty “A correlation between Energy input and Quality for Jet grouting in marine Clay”, Tunnelling and Underground Space Technology, 2003 [7] R.F.Y Choi “Review of the Jet Grouting method”, Bachelor thesis, University of Southern Queensland, Australia, 161 pp, 2005 [8] E.H Chu Turbulent fluid jet excavation in cohesive soil with particular application to Jet Grouting Ph.D thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2005, 457 p [9] M Chuaqui, F Hu, N Gurpersaud, and D Lees “A case Study: Two-fluid jet grouting for Tunneling application – Soil Stabilization and permeability reduction,” in Proceedings of the th international conference on Grouting and Deep Mixing, 2005, 12 pp [10] C.S Covil and A.E Skinner “Jet grouting—a review of some of the operating parameters that form the basis of the jet grouting process,” Grouting in the Ground, edited by A L Bell, London: Thomas Telford, 1994, pp 605–629 [11] P Croce and A Flora “Analysis of single-fluid jet grouting,” Géotechnique, Vol 50(6), 2000, pp 739-748 [12] R Essler and H Yoshida Jet Grouting in Ground improvement M.P Moseley and K Kirsch Ed., NY: Spon Press, 2004, pp 160-196 [13] A Flora, G Modoni, S Lirer, and P Croce “The diameter of single, double and triple fluid jet grouting columns: prediction method and field trial results,” Geotechnique, Vol 63, No 11, 2013, pp 934-945 51 [14] C.E Ho Turbulent Fluid Jet Excavation in Cohesive Soil with Particular Application to Jet Grouting Ph.D dissertation, Massachusetts Institute of Technology, June 2005, 457 p [15] J.L Kauschinger, E.B Perry, and R Hankour “Jet grouting: state of the practice,” In Grouting, Soil Improvement and Geosynthetics, Geotechnical Special Publication, 30(1), ASCE, 1992, pp 169-181 [16] P Lurnadi “Ground improvement by means of Jet Grouting,” Proceedings of the ICE-Ground improvement, Vol 1, 1997, pp 65-85 [17] G Modoni, P Croce, and L Mongiovi “Theoretical modelling of Jet Grouting,” Géotechnique, Vol 56, No 5, 2006, pp 335-347 [18] G Miki and W Nakanishi “Technical progress of the jet grouting method and its newest type,” Proc Int Conf on Insitu Soil and Rock Reinforcement, Paris, 1984, pp 195-200 [19] R.C.D Oliveira “Evaluating the performance of Jet Grouting for th reinforcement of port structure”, 14 Pan-Am CGS Geotechnical Conference, Toronto, 2011, pp [20] M Shibazaki, M Yokoo, and H Yoshida “Development Oversized Jet Grouting,” American Society of Civil Engineers, 2002, pp 294-302 [21] T.D Stark, P J Axtell, R.J Lewis, J.C Dillon, W.B Empson, J.E Topi, and F.C Walberg “Soil Inclusion in Jet grout columns,” Deep Found Inst J., Vol 3, No 1, 2009, pp 44-55 [22] Z.F Wang, S.L Shen, & J Yang “Estimation of the Diameter of Jet-Grouted Columns Based on Turbulent Kinematic Flow Theory,” In Grouting and Deep Mixing, 2012, pp 2044-2051 [23] J Woodward An introduction to geotechnical processes London: Spon Press, 2005, 432 pp [24] P.P Xanthakos, L.W Abramson, and D.A Bruce “Jet Grouting,” in Ground Control and Improvement, NJ: John Willey & Sons, 1994, pp 580-683 [25] Trần Nguyễn Hồng Hùng Cơng nghệ Xói trộn vữa cao áp (Jet Grouting) TP HCM: Đại học Quốc gia TP HCM, 2016, 368 trang Người phản biện: PGS.TS ĐẶNG HỮU DIỆP 52 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 ... khoan gây tắt nghẽn [4] CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH CỌC SOILCRETE Đường kính cọc soilcrete không liên quan đến phương pháp phun vữa mà phụ thuộc lớn vào nhiều nhân tố như: loại đất, đặc... trung nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng phương pháp xác định đường kính soilcrete tin cậy CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SOILCRETE Chất lượng sản phẩm Jet Grouting gồm: (i) kích thước cọc Soilcrete đánh... dùng làm cọc [24] Vì vậy, việc xác định đường kính Jet Grouting 47 xác vấn đề phức tạp Nhiều nghiên cứu việc xác định đường kính soilcrete dùng phương pháp thi công Jet Grouting dựa vào quan