9. Cấu trúc của luận văn
1.3. Quy trình thiết kế, thi công cọc đất xi măng bằng công nghệ Jet Grouting
So với một số phương pháp xử lý nền truyền thống (bê tông ép, cọc khoan nhồi) công nghệ cọc đất xi măng có ưu điểm nổi bật là khả năng xử lý sâu (đến 50m), tiết kiệm thời gian thi công đến 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ, thích hợp với các loại nền đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, đem lại hiệu quả kinh tế cao so với phương pháp cọc bê tông và cọc khoan nhồi.
Phương pháp Jet Grouting là công nghệ trộn sâu bằng tia vữa có áp lực cao.
Trước tiên, đưa cần khoan đến đáy cọc dự kiến thì dừng lại và bắt đầu bơm vữa xi măng phụt thành tia ở đầu mũi khoan, vừa bơm vừa xoay cần và rút lên. Tia nước và vữa phun ra với áp suất cao (200 ÷ 400atm), vận tốc ≥100m/s làm cho các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra, hòa trộn với vữa phụt, sau đó đông cứng tạo thành cọc đất xi măng.
1.3.1. Quy trình thiết kế
Theo tiêu chuẩn TCCS 05:2010/VKHTLVN, trình tự các bước như sau:
Hình 1.7. Tóm tắt sơ đồ trình tự thiết kế cọc đất xi măng để xử lý nền đất yếu Không đạt Đạt
Xác định các điều kiện thiết kế 1. Cơ sở dữ liệu về nền đất:
- Mặt cắt địa chất công trình và mặt bằng - Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý
2. Yêu cầu kỹ thuật công trình:
- Sơ đồ móng và tải trọng
- Yêu cầu về sức chịu tải, độ lún - Các yêu cầu khác.
Giả thiết các thông số xử lý:
- Tỷ lệ diện tích gia cố - Cường độ cọc
- Đường kính cọc, chiều sâu Tính toán kiểm tra:
- Cường độ cọc - Lún
- Ổn định tổng thể
Kết thúc
1.3.2. Công nghệ thi công bằng công nghệ Jet Grouting 1.3.2.1. Giới thiệu công nghệ
Mục đích của trộn sâu là cải thiện các đặc trưng của đất, như tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún, bằng cách trộn đất nền với xi măng (vữa xi măng) để chúng tương tác với đất. Sự đổi mới tốt hơn nhờ trao đổi i-on tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các hạt đất và lấp các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học. Trộn sâu phân loại theo chất kết dính (xi măng, vôi, thạch cao, tro bay…) và phương pháp trộn (khô/ướt, quay/phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt).
Công nghệ trộn sâu bắt đầu được phát triển tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 60 của Thế kỉ XX. Phun khô dùng vôi bột chưa tôi được dùng ở Nhật Bản từ những năm 70. Khoảng thời gian đó, trụ đất vôi cũng được dùng ở Thụy Điển. Trộn ướt dùng vữa xi măng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 70. Gần đây hỗn hợp xi măng, vôi với thạch cao, tro bay, xỉ cũng đã được giới thiệu. Thiết bị trộn đã được cải tiến. Công nghệ trộn sâu đã được áp dụng tại nhiều nước còn để giải quyết các vấn đề môi trường như khoanh vùng cô lập để ngăn chặn và xử lý các vùng đất bị ô nhiễm.
Gần đây, công nghệ trộn tổ hợp được phát triển kết hợp trộn với phun tia, máy trộn bề mặt. Sơ đồ phân loại thiết bị và công nghệ trộn sâu cho trong hình 1.9.
Các ứng dụng khác nhau của trộn sâu cho công việc tạm thời hoặc lâu dài;
hoặc trên cạn hoặc dưới biển được giới thiệu trong hình 1.10. Các ứng dụng chủ yếu là giảm độ lún, tăng ổn định và chống đỡ sạt lở vách hố đào.
Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công trộn khô và trộn ướt của các nước Bắc Âu và Nhật Bản.
Các ứng dụng chính của công nghệ trộn sâu xem hình 1.8.
1.3.2.2. Sơ đồ công nghệ
Hình 1.8. Các ứng dụng của công nghệ trộn
Hình 1.9. Sơ đồ công nghệ Jet - Grouting
1.3.2.3. Nguyên lý tạo ra cọc đất xi măng
Cọc đất xi măng được tạo ra bằng 3 cách sau:
a. Công nghệ đơn pha (công nghệ S)
Vữa phụt ra với vận tốc 100 m/s, đầu khoan vừa cắt đất vừa trộn vữa với đất một cách đồng thời, tạo ra một cọc đất – xi măng đồng đều với độ cứng cao và hạn chế đất trào ngược lên (Hình 1.10a).
Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa. Các lỗ phun có thể được bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, và có độ lệch góc đều nhau.
Công nghệ đơn pha dùng cho các cột đất có đường kính vừa và nhỏ (0,5-0,8 m).
b. Công nghệ hai pha (Công nghệ D)
Đây là hệ thống phụt vữa kết hợp vữa với không khí. Hỗn hợp vữa đất-xi măng được bơm ở áp suất cao, tốc độ 100 m/s và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun. Vòng khí nén sẽ làm giảm ma sát và cho phép vữa xâm nhập sâu vào trong đất, do vậy tạo ra cột đất – xi măng có đường kính lớn. Tuy nhiên, dòng khí lại làm giảm độ cứng của cột đất so với phương pháp phụt đơn tia và đất bị trào ngược nhiều hơn (Hình 1.10b).
Cấu tạo đầu khoan gồm có một hoặc nhiều lỗ phun (bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, có độ lệch góc đều nhau) để phun vữa và khí. Khe phun khí nằm bao quanh lỗ phun vữa.
Công nghệ hai pha tạo ra các cọc có đường kính lớn hơn công nghệ một pha, có thể đạt tới 1,2-1,5 m.
c. Công nghệ ba pha (Công nghệ T)
Quá trình phụt có cả vữa, không khí và nước. Không giống phụt đơn pha và phụt hai pha, nước được bơm dưới áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước để đẩy khí ra khỏi cột đất gia cố. Vữa được bơm qua một vòi riêng biệt nằm dưới vòi khí và vòi nước để lấp đầy khoảng trống của khí. Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất hoàn tòan. Đất bị thay thế sẽ trào ngược lên mặt đất và đuợc thu gom, xử lý (Hình 1.10c).
Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ đúp để phun nước và khí đồng thời và một hoặc nhiều lỗ đơn nằm thấp hơn để phun vữa. Nói chung, mỗi cặp lỗ phun khí - nước và vữa đều nằm đối xứng nhau qua tâm trục của đầu khoan. Các cặp lỗ được bố trí lệch góc đều nhau.
Cọc xi măng đất tạo ra bằng công nghệ này có thể đạt đường kính lớn tới 3m.
1.3.2.4. Ưu nhược điểm của công nghệ Jet Grouting a. Ưu điểm
Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp với mọi loại đất từ bùn, sét đến sỏi cuội.
- Có thể xử lý đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến lớp đất tốt;
- Thi công được trong điều kiện ngập nước;
- Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lân cận;
- Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, không có yếu tố rủi ro cao. Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ. Tốc độ thi công cọc rất nhanh;
- Rất sạch sẽ và giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường;
- Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế;
- Khả năng xử lý sâu (có thể đến 50m), hiệu quả ở độ sâu 15 ÷ 30m;
Hình 1.10. Công nghệ Jet Grouting
a. Công nghệ S; b. Công nghệ D; c. Công nghệ T
a b c
- Địa chất nền là cát rất phù hợp với công nghệ gia cố xi măng, độ tin cậy cao.
Công nghệ cọc đất xi măng đã được áp dụng khá phổ biến trên thế giới, tại Việt Nam đã triển khai từ năm 2004 cho đến nay.
Thực tế với các nền đường đắp cao trên nền đất yếu, công trình yêu cầu thời gian thi công ngắn, độ lún còn lại nhỏ, yêu cầu đất nền cố kết nhanh, tiết kiệm vật liệu đắp khi vật liệu này khan hiếm thì giải pháp xử lý nền bằng cọc đất xi măng tỏ ra khá hiệu quả.
b. Nhược điểm
- Thiết bị thi công hoạt động ở chế độ áp lực cao, đòi hỏi công nghệ thiết bị phức tạp, đặc biệt là bơm cao áp;
- Cường độ vật liệu, khả năng chịu tải và khả năng kháng uốn nhỏ nên thích hợp với các công trình chịu tải nhỏ, lực ngang nhỏ;
- Có thể gây ra trương nở nền và gây ra các chuyển vị quá giới hạn trong lòng đất. Áp lực siêu cao còn có khả năng gây nên rạn nứt nền đất lân cận và tia vữa có thể lọt vào các công trình ngầm sẵn như hố ga, tầng hầm lân cận;
- Đối với nền đất chứa nhiều túi bùn hoặc rác hữu cơ thì axit humic trong đất có thể làm chậm hoặc phá hoại quá trình ninh kết của hỗn hợp đất xi măng.
1.3.2.5. Các thiết bị chính dùng trong công nghệ Jet Grouting
- Thiết bị máy khoan: Máy khoan SI-15S II sản xuất tại Nhật, đường kính cần khoan 60.5 mm, chiều sâu phụt tối đá 45 m;
- Máy bơm vữa: SG-75 III sản xuất tại Nhật, áp lực bơm lớn nhất 400 atm, lưu lượng lớn nhất 120 l/phút, sản xuất tại Nhật;
- Máy trộn vữa: YGM-4, sản xuất tại Nhật, khả năng trộn lớn nhất 400 l/phút, sản xuất tại Nhật;
- Máy phát điện 175 KVA.
Ngoài ra, các thiết bị chính nêu trên còn có những thiết bị khác như: máy bơm nước, cẩu, máy nâng chuyển, ô tô vận chuyển, máy toàn đạc điện tử,...
Hệ thống thiết bị trộn và bơm cho các sơ đồ công nghệ khác nhau, gồm có:
- Đối với hệ đơn pha: thùng chứa xi măng và các vật liệu khác, thiết bị trộn khô, thùng khuấy, bơm vữa cao áp;
- Đối với hệ hai pha (khí): giống như trên và có thêm một máy nén khí.
- Đối với hệ ba pha: giống như hệ hai pha và có thêm một máy bơm nước cao áp.
Đường dẫn khoan phụt vữa cao áp:
- Đối với hệ đơn pha: Một đường ống chịu áp lực cao dẫn vữa đến đầu phun.
- Đối với hệ hai pha: Hai đường ống riêng biệt dẫn hai dung dịch (khí và vữa, hoặc nước và vữa) đến đầu phun.
- Đối với hệ ba pha, ba đường ống riêng dẫn nước áp lực cao, khí nén vỡ vữa đến đầu phun.
1.3.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng của đất nền đến kết quả gia cố đất bằng công nghệ Jet Grouting
- Cấp phối hạt;
- Giới hạn Atterbug;
- Thành phần hạt sét;
- Thành phần hữu cơ, muối;
- Nồng độ dung dịch nước lỗ hổng, thành phần hóa học của nước.
1.3.2.7. Các thông số kỹ thuật trong khoan phụt vữa bằng công nghệ Jet Grouting Các thông số cần xác định trong công tác khoan phụt là đường kính cột đất gia cố; tốc độ thi công; tính chất cơ lý của cột đất mới tạo ra; hiệu quả kinh tế. Mỗi thông số ứng với một loại đất ở một vị trí nhất định xác định được qua tính toán.
Tuy nhiên, cần phải tiến hành các thử nghiệm tại chỗ nhằm tìm được các thông số thích hợp. Có thể tham khảo Bảng 1.2 dưới đây:
Bảng 1.2. Các thông số kỹ thuật thông dụng trong khoan phụt vữa cao áp
Kiểu khoan phụt 1 pha 2 pha 3 pha
Thông số Đơn vị Min Max Min Max Min Max
Áp suất tia vữa MPa 20 60 30 60 3 7
Lưu lượng vữa l/phút 40 120 70 150 70 150
Áp suất tia khí MPa 0.6 1.2 0.6 1.2
Lưu lượng khí l/phút 2000 600 2000 6000
Áp suất tia nước MPa 20 50
Lưu lượng nước l/phút 70 150
Đường kính lỗ phụt vữa mm 1.5 3 1.5 3 4 8
Đường kính lỗ phụt nước mm 1.5 3
Đường kính lỗ phụt khí mm 1 2 1 2
Tốc độ vòng quay v/phút 10 25 5 10 5 10
Tốc độ rút cần cm/phút 10 50 7 30 5 30
Cần chú ý đến các thống số cơ bản của vữa phải phù hợp với bơm. Trong trường hợp hỗn hợp chỉ là nước và xi măng, tỉ lệ này sẽ ảnh hưởng đến khả năng bơm cũng như cường độ cột đất gia cố. Tỉ lệ nước/xi măng càng cao thì càng dễ bơm nhưng cường độ đạt được lại thấp.
Khi chọn cấp phối vữa cần quan tấm đến các yếu tố: điều kiện tự nhiên của đất; cấp phối hạt; khả năng thấm và hàm lượng nước.
- Trong vùng đất có tính thấm lớn, nước trong vữa có thể thoát ra khỏi vùng xử lý, tỉ lệ nước/xi măng cần chọn tăng lên.
- Với đất dính, độ thấm nước nhỏ thì chọn tỉ lệ nước/xi măng nhỏ để đạt cường độ cao hơn.
- Với đất có độ thấm cao, mà yêu cầu về cường độ không cao lắm, có thể pha thêm Bentonite vào vữa để giảm mất nước.
- Tỉ lệ nước/xi măng thông thường chọn từ 0.8 đến 1,5.
- Chọn áp suất phun (thông thường từ 40 đến 50 atm), lý tưởng nhất là xác định bằng kinh nghiệm kết hợp với thí nghiệm hiện trường. Thông số này đồng thời cũng là hàm số giữa năng lực của bơm áp lực cao và điều kiện thực tế của đất.
Áp suất bơm vữa càng cao, năng lực của tia phụt ra càng lớn và kết quả là hiệu quả phá đất càng cao. Áp suất càng cao đường kính cột đất càng lớn. Đường kính cột đất còn phụ thuộc vào thời gian bơm, tức là thời gian giữ cần khoan cố định tại một chỗ để bơm và lượng vữa bơm ra tại vị trí đó.
- Chọn kích thước và số lỗ phù hợp với cần khoan từ biểu đồ “áp suất – lưu lượng” để xác định vữa bơm.
- Tốc độ rút cần khoan lên thông thường 3 đến 8 cm/phút) và tính toán thời gian cần thiết để bơm một lượng vữa cần thiết cho mỗi đoạn.
- Tốc độ quay của cần khoan khi rút lên, ít nhất là 1 đến 2 vòng cho mỗi đoạn.
1.3.2.8. Các bước thi công
Quy trình thi công xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng thi công theo công nghệ Jet Grouting được thực hiện theo sơ đồ sau đây:
Bước 1: Máy khoan tạo lỗ xuống tới cao trình thiết kế.
Bước 2: Tiến hành phụt vữa. Vữa được bơm từ máy bơm cao áp qua hệ thống đường ống áp lực đến máy khoan và phụt vữa theo phương ngang tại đầu cần khoan. Trong suốt quá trình phụt vữa, cần khoan luôn xoay và rút lên. Vữa phụt vừa phá vỡ kết cấu vừa trộn với đất xung quanh cần khoan tạo thành cọc đất xi măng.
Hình 1.11. Sơ đồ thi công cọc đất xi măng theo công nghệ Jet Grouting
1.3.2.9. Biện pháp thi công
- Thực hiện công tác chuẩn bị mặt bằng;
- Định vị chính xác các cọc thiết kế bằng máy toàn đạc điện tử và được đánh dấu;
- Di chuyển máy khoan tới vị trí đã được đánh dấu;
- Vữa được dẫn từ máy trộn vữa qua máy bơm bằng đường ống đến máy khoan;
- Dòng trào ngược được đào rãnh dẫn ra khỏi phạm vi thi công, tạo mặt bằng khô ráo;
Lượng xi măng theo định mức thiết kế phải được phụt đều theo chiều dài cọc.
Sai số khối lượng vật liệu sử dụng cho mỗi mét cọc không được quá ±3%. Sai số khối lượng và vật liệu sử dụng trên tổng chiều dài cọc không được quá ±2%.
1.3.2.10. Xử lý sự cố trong quá trình thi công
Trong khi thi công cọc, nếu gặp sự cố thì phải tạm ngừng phụt vữa, nên đưa đầu phụt xuống điểm tạm dừng khoan khoảng 0,5m, chờ đến khi khắc phục xong thì tiếp tục bơm và phụt cho đến khi hoàn thành.
Nếu thời gian tạm dừng thi công cọc vượt quá 24 tiếng đồng hồ thì phải làm lại toàn bộ cọc đó.