CHƯƠNG 3: CÁC BIỆN PHÁP KĨ THUẬT NÂNG CAO ỔN ðỊNH CÔNG TRÌNH KHI ðÀO HẦM QUA VÙNG ðẤT PHAY PHÁ VÒ NHÀU
3.4. Giải phỏp gia cố gương ủào bằng bơm ộp vữa
3.4.3. Các phương pháp bơm ép gia cường
Nội dung của phương pháp là phun vào cát hai dung d ( Na2.nSiO2) ( chất này còn g
này gọi là keo Oxyt Silic có công th cỏt ( ủất) gắn chặt lại v
ủạt ủộ bền nộn từ 50-100kG/cm Phản ứng xảy ra khi bơm dung d Na2O.nH2O + mH2) + CaCl
Phương pháp trên còn g có hệ số thấm từ 2-80m/ng pháp bơm một dung dị
0,01/ng - ủờm) thỡ phải dựng phương phỏp h b. Phương phỏp ủiện th
Bản chất của phương pháp này là cho ngu cực cắm vào khối cát c
bơm vào còn cực âm là các Phụt dung dịch ủ
trỡnh ủiện thấm (quỏ trỡnh di chuy cát yếu nhờ quá trình
vào cỏt ủể gia cường ủư
Hình 3.7. Gia c
3.4.3. Các phương pháp bơm ép gia cường
ng ủể gia cường ( húa học) hay Silicat húa a phương pháp là phun vào cát hai dung d t này còn gọi là thủy tinh lỏng) và Clorua Canxi CaCl i là keo Oxyt Silic có công thức hóa học là (nSiO2(m-1)H
i với nhau rất bền vững và giảm hệ số thấm. Khi gia cư 100kG/cm2.
y ra khi bơm dung dịch trờn vào cỏt ủược thể hiện cụng th ) + CaCl2 → nSiO2. ( m-1)H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl g pháp trên còn gọi là phương pháp hai dung dịch, áp d
80m/ng- ủờm. Với hệ số thấm từ 0,5-5m/ng - ủờm th ịch Na2O.nSiO2. Với trường hợp hệ số thấ
i dựng phương phỏp hỗn hợp ủiện thấm + Silicat húa.
n thấm + Silicat húa ( ủiện húa)
a phương phỏp này là cho nguồn ủiện một chiề i cỏt cần gia cường. Tại ống ủiện dương ngư c õm là cỏc ống thu nước bơm ủi.
ch ủồng thời với việc ủúng mạnh ủiện. Dư m (quá trình di chuyển nước từ cực dương sang c quỏ trỡnh ủiện húa ở cỏc cực) và của ỏp lực phun dung d
ng ủược thể hiện ở hỡnh 3.7 sau:
Hỡnh 3.7. Gia cường cỏt bằng ủiện thấm + Slicat húa cat hóa
a phương pháp là phun vào cát hai dung dịch Silicat Natrri ng) và Clorua Canxi CaCl2. Hợp chất
1)H2O) là cho các hạt m. Khi gia cường cát n công thức sau:
+ 2NaCl
ch, áp dụng với hai loại cát ủờm thỡ dựng phương ấm qua nhỏ (nhỏ hơn m + Silicat hóa.
ều chạy qua cỏc ủiện n dương người ta ủưa dung dịch ới tác dụng của quá c dương sang cực âm và tự cố kết phun dung dịch dễ dàng ủi
m + Slicat hóa
Nhược ủiểm căn bản của phương phỏp Silicat húa cỏt là ủộ bền khụng cao.
Trong trường hợp sử dụng phương phỏp ủiện thấm + silicat húa thỡ ủộ bền cú tăng khoảng 10-15%. Tuy nhiờn trong vài trường hợp ủộ bền của cỏt gia cường phải ủược nõng cao gấp nhiều lần. Trong ủiều kiện này tốt nhất và hiệu quả nhất là dựng nhựa hóa ( keo hóa) bằng các hợp chất hóa học khác.
c. Phương pháp gia cường bằng hóa chất (nhựa tổng hợp)
Dung dịch húa học cú ủộ linh hoạt và xõm nhập cao trong ủất ủỏ núi chung và cỏt núi riờng. Ngoài ra cũn cú hàng loạt cỏc ưu ủiểm sau:
+ Cú ủộ bỏm dớnh với cỏc hạt gia cố cao + ðộ bền cơ học của khối gia cường lớn
+ Thời gian ủúng rắn dung dịch cú thể ủiều chỉnh ủược nhờ cỏc phụ gia thích hợp.
+ ðất ủỏ gia cường cú khả năng chống thấm nước và thấm khớ cao.
Cựng với sự phỏt triển của cụng nghiệp húa chất nhiều dung dịch ủược ủưa ra vừa rẻ hơn vừa cú ủặc tớnh gia cường ủất ủỏ húa chống lại ủộc hại. Người ta ủưa ra hàng loạt chất húa học và phương phỏp kốm theo ủể ủỏnh gia cường ủất ủỏ rời kộm ổn ủịnh. Một vài chất thường sử dụng trong phương phỏp như sau: Cao su tổng hợp với theremoplastic; cao su Poliester với Catalyst therefor; Polyisocyanate free non - Shriak Synthetic resin ....
Ở cỏc nước phương tõy ( Mỹ, Anh, Phỏp, Canada) ủó dựng dung dịch AM -9, ở Nhật dùng Xumixxoil, ở ðức dùng Poliuretan.
Ở Liờn Xụ cũ, cỏc nhà khoa học ủó ủưa ra cỏc loại dung dịch húa chất ủể gia cường trờn cơ sở của cỏc loại chất dẻo sau ủõy: Urephoraldehyd, Melamin - Urephormaldehyd, Phur foorol, Axeton ...
Trong cỏc dung dịch trờn người ta thường cho thờm cỏc phụ gia ủụng cứng trờn cơ sở các axit, muối clo ... Tùy thuộc vào tỷ lệ giữa các thành phần: nước, chất dẻo, chất ủụng cứng mà ủặc ủiểm ủộ bền, thời gian ủụng cứng, ủộ nhớt và ủộ dớnh kết của dung dịch khác nhau. Thông thường cần phải tiến hành thí nghiệm lựa chọn thành phần tối ưu của dung dịch dựng ủể gia cường loại ủất ủỏ cụ thể ủú. ðể làm việc này
cần cú cỏc phõn tớch khoỏng chất, thành phần thạc học và cỏc ủặc ủiểm khỏc của ủối tượng cần gia cố: hệ số thấm, ủộ hạt, ủộ phong húa, tớnh chất của nước ...
Ở Việt Nam nhờ ủó cú cỏc chất dẻo nờn ủó bước ủầu cú những ý tưởng dựng húa chất gia cố than, ủỏ yếu bằng dung dịch Ure - Phormaldehyd. Kết quả thớ nghiệm trong phũng chỉ rừ, ủộ bền của than hay ủỏ yếu ủược gia cường bằng dung dịch Ure - Phormaldehyd tỷ lệ 1:1 cú thể ủạt 20kG/cm2.
ðể gia cường ủất ủỏ bằng dung dịch húa chất cần phải cú trang bị một số cỏc thiết bị chuyờn dựng sau: cỏc bỡnh chứa húa chất, bỡnh ủo thể tớch, hai bỡnh khuấy trộn dung dịch, từ 1 ủến 2 mỏy bơm dung dịch, dõy mềm dẫn dung dịch tới vũi phun, cỏc vũi phun ủặt trong ủối tượng cần gia cố .. Mỏy bơm dung dịch húa chất thường dùng là loại bơm pitong có năng suất bơm 10-30 lít/ phút với áp suất 150kG/cm2.
Phương phỏp gia cường bằng dung dịch húa học ủó ủược ỏp dụng rộng rói ở nhiều nước do khả năng ỏp dụng theo ủiều kiện ủịa chất - ủịa chất thủy văn rất linh hoạt. Trong mọi ủiều kiện khi phương phỏp gia cường kộm hiệu quả thỡ phương phỏp húa chất lại ủem lại kết quả tốt. Tuy nhiờn trong ủiều kiện ở nước ta, húa chất cũn ủắt, cỏc thiết bị chuyờn dựng chưa ủược phỏt triển ủỳng mức do ủú mà cũn ớt ủược dựng.
d. Phương pháp gia cường bằng vữa xi măng ( xi măng - sét, dung dịch sét, Bitium)
Phương pháp sét hóa: phương pháp sét hóa có tác dụng tương tự như phương phỏp xi măng húa nhưng ở mức ủộ thấp hơn. Phương phỏp sột húa ủược thực hiện bằng dung dịch sét làm từ hỗn hợp sét với hàm lượng cát nhỏ hơn 5%. ðể tăng tốc lắng ủộng của dung dịch sột, người ta cú thể cho thờm vào dung dịch một số chất ủiện phõn như Clorua Canxi (CaCL2) hoặc thủy tinh lỏng (Na2nSiO2) với hàm lượng hạn chế. So với xi măng, sột tớnh linh hoạt hơn, vỡ vậy ủể cú ủược ủộ bền gia cường do sột lấp ủầy khe nứt và lỗ rỗng ủất ủỏ thỡ cần phải bơm dung dịch sột với áp lực cao hơn.
Phương pháp Bitum hóa: khác với phương pháp trên, mối liên hệ giữa Bitum và thành khe nứt tạo nờn chỉ bằng lực ma sỏt. ðể lấp ủầy cỏc khe nứt và khoảng
trống của ủất ủỏ bằng Bitum húa, người ta tiến hành bơm dung dịch Bitum núng chảy vào khối ủỏ cần gia cường cho cỏc lỗ khoan. Dưới ỏp suất Bitum ủược phõn bố qua cỏc khe nứt, ủẩy nước trong khối ủất ủỏ ra ngoài, sau ủú Bitum ủược nguội ủi và ủụng lại. Phương phỏp Bitum húa chỉ cú thể ỏp dụng với cỏc loại ủỏ cú khe nứt với kắch thước lơn hớn 0.2-1mm và hệ số thẩm thấu lớn hơn 60 m3/ngày. đêm. Tiến hành gia cường bằng phương pháp Bitum hóa không thuận tiền bởi phải dùng các thiết bị rất cồng kềnh ủể ủun núng chảy Bitum.
Phương phỏp xi măng húa cho ủộ bền cao cho mối liờn kết của vữa xi măng với thành khe nứt. Dưới ỏp lực bơm, dung dịch vữa xi măng ủược tràn vào cỏc khe nứt hay cỏc lỗ rỗng của ủất ủỏ theo dũng chảy dạng xoỏy. Tốc ủộ dũng chảy giảm dần theo chiều sõu phõn bố của lỗ khoan và dần dần ủược ủụng cứng lại tạo thành mối liờn kết cỏc thành phần thạch học cú ủộ bền cao do tỏc ủộng húa học cỏc thành phần xi măng trong phản ứng ủụng kết. Phương phỏp xi măng húa cú nhược ủiểm sau: trong quỏ trỡnh ủụng cứng trong khe nứt và lỗ rỗng của ủất ủỏ cú hiện tượng co ngút thể tớch theo thời gian. Do ủú khụng ủiểu khiển ủược ủộ thấm nước, nếu trong môi trường nước mỏ mang tính chất linh hoạt có hại với xi măng thì khả năng thấm nước của khu vực gia cường không những có khả năng giảm mà còn tăng lên. Xi măng húa khụng thể ỏp dụng cho cỏc loại ủất ủỏ cú hệ số thấm nhỏ hơn 10-1 cm/s hoặc trong ủiều kiện cỏc khe nứt cú chiều rộng nhở hơn 0.1 mm. Bởi vỡ, lỳc ủú kớch thước của các hạt xi măng lớn hơn kích thước của khe nứt sẽ không cho dung dịch xi măng ủi qua. Xi măng húa khụng thể ỏp dụng trong cỏc trường hợp cú nhiều nước và ủặc biệt là cỏc khu vực nước cú ỏp vỡ khả năng ủụng cứng của xi măng và tớnh ổn ủịnh của vữa. Phương phỏp gia cường bằng vữa xi măng (xi măng sột, dung dịch sột, Bitum) ủược thể hiện hỡnh sau 3.8 sau ủõy:
• Phương pháp bơm ép t Phương phỏp này, lỗ khoan ủư ủến 3 ngày cho xi măng ủụng c sâu hơn, cứ tiếp tục như v ủược sử dụng phổ biến ủ
Ưu ủiểm : phương phỏp này cho ch chất lượng gia cố lớn.
Nhược ủiểm: tốc ủộ thi cụng ch
• Phương pháp bơm ép t Lỗ khoan ủược khoan ủ khoan 5-7 một sau ủú ti tam pôn lê một khoảng 5 chiều sâu thiết kế.
Ưu ủiểm: thi cụng nhanh, giỏ thành th Nhược ủiểm: dễ x
ủỏ thành lỗ khoan khụng t
Hỡnh 3.8 Sơ ủồ bơm ộp vữa xi măng Phương pháp bơm ép từ trên xuống
khoan ủược khoan sõu từ 4-6 một ủể bơm ộp l n 3 ngày cho xi măng ủụng cứng lỗ khoan lại ủược khoan tiế
c như vậy cho ủến hết chiều sõu thiết kế. Phương phỏp này hi n ủể xử lý nước ngầm trong thi cụng giếng ủ
m : phương pháp này cho chất lượng cao thích hợp cho côn thi công chậm, năng suất thấp.
Phương pháp bơm ép từ dưới lên
c khoan ủến chiều sõu thiết kế rồi ủặt tam – pụn ở
7 một sau ủú tiến hành bơm ộp lớp cuối cựng. Sau khi bơm ộp xong, kộo ng 5-7 một ủể bơm ộp lớn tiếp theo, cứ như v
m: thi công nhanh, giá thành thấp.
xảy sự cố tràn vữa xi măng ở vị trớ tam pon khi ủi khoan không tốt, dễ xảy ra sự cố khi tháo tam pon.
bơm ép lớp trên. Sau 2 ếp và bơm ép ở mức . Phương pháp này hiện
ng ủứng.
p cho cụng trỡnh ủũi hỏi về
ở ủộ sõu cỏch ủỏy lỗ . Sau khi bơm ép xong, kéo như vậy cho ủến hết
trớ tam pon khi ủiều kiện biến
Hình 3.9 Tam – Pôn dùng cho bơm ép vữa xi măng Phương pháp bơm ép một lần
Lỗ khoan ủược khoan ủến chiều sõu thiết kế rồi ủặt thiết bị bơm ộp, bơm ộp toàn bộ lỗ khoan. Phương phỏp này chỉ ủược ỏp dụng cho lỗ khoan khụng sõu, khe nứt nhỏ, áp lực phun ≤ 1.5 at. Chất lượng phun của phương pháp này không cao.
Thi cụng theo phương phỏp này nhanh, ủơn giản
Hỡnh 3.10 Sơ ủồ bơm ộp vữa một lần e. Tính toán gia cố
Xỏc ủịnh số lỗ khoan bơm ộp vữa
Số lỗ khoan bơm ộp vữa ủược xỏc ủịnh theo cụng thức sau:
2
Trong ủú:
N : số lỗ khoan bơm ép vữa, lỗ D: chiều rộng ủường
A: khoảng cách giữa biên lò và lỗ khoan bơm ép vữa lấy A = 0.5m L: khoảng cách giữa các lỗ khoan phun vữa, L = 2.0 m
Xỏc ủịnh gúc nghiờng của lỗ khoan bơm ộp vữa
Trong ủú:
a: Lỗ khoan ở gúc kộp của ủường trục thẳng ủứng và bờn trờn ủường kớnh
S: vị trớ lỗ khoan cuối tại khoảng cỏch bờn trờn ủường kớnh lớn hơn ủường kính trong vỏ chống:
S = E +m,m (3.15) E: chiều dày vỏ chống;
M: vị trớ lỗ khoan cuối cựng tại khoảng cỏch phớa bờn ủường kớnh lớn hơn bỏn kớnh ủào, lấy bằng m = 2.0 m
A: khoách chác lỗ khoan phun vữa và biên lò A = 0.5m H: chiều cao phun vữa
Xỏc ủịnh bỏn kớnh gia cường
Bỏn kớnh tối ưu của phần ủất ủỏ ủược gia cố trong khối ủỏ phay phỏ, vũ nàu, tính theo công thức sau:
Trong ủú:
à: ủộ nhớt ủộng học của nước và cửa vữa gia cường, kg/m2. K: hệ số thấm của ủất ủỏ vựng gia cố.
T: thời gian chuyển ủộng của ủất ủỏ trờn khoảng R.
H: áp lực nước thủy tinh R: bán kính lỗ thanh
M: hệ số ủộ rỗng vựng ủất ủỏ cần gia cố.
β : hệ số kể ủến mức ủộ nhồi ủầy của vữa.
xỏc ủịnh khoảng cỏch mỗi chu kỳ bơm ộp vữa
theo giỏ trị của R nhận ủược ta xỏc ủịnh khoảng cỏch tối ưu giữa cỏc hàng lỗ khoan theo chiều dài trục lò theo công thức sau:
Xỏc ủịnh chiều dày vựng gia cường trước gương
Chiều dày lớp gia cường xỏc ủịnh theo cụng thức thớ nghiệm sau:
C = B.M.m Trong ủú :
B: chiều rộng ủường lũ m M: hệ số thực nghiệm, m = 1,5.
Xỏc ủịnh khối lượng vữa bơm ộp cho một lỗ khoan
Theo tính toán của Viện than Bắc Kinh, lượng vữa bơm ép vào lỗ khoan khi bơm ộp giếng ủứng ủược tớnh theo cụng thức sau:
Xỏc ủịnh khối lượng vữa bơm ộp cho một vũng bơm ộp ðược xỏc ủịnh theo cụng thức sau:
Q = n.V
Trong ủú:
N: số lỗ khoan trên vòng
V: khối lượng vữa bơm ép cho một lỗ khoan Xỏc ủịnh ỏp lực bơm ộp
Áp lực phụt vữa xi măng cho phộp cú quan hệ ủến nhiều yếu tố: chiều sõu lỗ phụt, tớnh chất của nham thạch, tớnh chất của vựng ủất ủỏ, chiều rộng và chiều sõu khe nứt, nồng ủộc của vữa…
Áp lực kiểm tra phun xi măng thường ủược lấy bằng 0.7 lần ỏp lực kết thỳc, áp lực phụt vữa trong trường hợp có nhiều nước ngầm phụ thuộc vào áp lực nước.
Bình thường áp lực bơm vữa gấp 2 – 2.5 lần áp suất thủy tĩnh. Tính toán áp lực bơm ép cho một lỗ khoan qua công thức sau
Áp lực bơm cho một lỗ khoan ủược xỏc ủịnh bằng cụng thức sau:
Bảng 3.3: ứng suất nộn, cỏt cho phộp của một số loại ủỏ
TT LOẠI ðÁ Bền nén tức
thời
Bền nén cho
phép Cắt
1 Granite 1000 – 2000 200 – 400 20 – 40
2 Cát kết cứng 1000 – 1500 - 30
3 Vật liệu trung bình 600 – 1000 120 – 200 12 – 20
4 ðất và ủỏ xốp 400 – 600 80 – 120 8 – 12
5 Bột cát 300 – 600 60 – 120 6 – 12
6 Bột sét 300 – 500 60 – 100 6 – 10
7 Bột 200 – 400 40 – 80 4 – 8
Chọn vật liệu và nồng ủộ của vữa lỳc bắt ủầu bơm ộp và cuối thời gian bơm ộp Thành phần vữa ủể xi măng húa gia cố cú liờn quan ủến mức ủộ nứt nẻ của khối ủịa tầng và kớch thước của khe nứt cần xi măng húa. Trong cỏc cụng trỡnh kỹ thuật kiến nghị với trị số rỗng của các khe nứt khác nhau, người ta sử dụng vữa xi măng với tỷ lệ N:X từ 0,5 – 1. Trong thực tế thường sử dụng các thành phần vữa sau ủõy:
ðối với khe nứt nhỏ và trung bình là 1 : 0 : 2; 1 : 0 : 4 ðối với khe nứt lớn 1 : 1 : 2; 1: 1 : 1,5 (X:C:N)
Khi xi măng húa gia cố thỡ khoan ủến chiều sõu thiết kế. Trước khi xi măng húa miệng lỗ ủược lắp ủặt tam pụn ủảm bảo kớn trong suốt quỏ trỡnh ộp vữa. Giếng nghiờn ủược xi măng húa gia cố theo sơ ủồ phõn ủoạn vữa ủược ủưa vào tận ủấy lỗ khoan qua ống ép vữa và trực tiếp vào khe nứt nhiều hơn khi cùng một áp lực xi măng húa. ðiều kiện cần thiết của việc ỏp dụng sơ ủồ phõn ủoạn là vữa chuyển ủộng trong khụng gian ống với tốc ủộ cao ủảm bảo ủưa theo tất cả cỏc hạt cứng cú kớch thước lớn của vữa ở trạng thỏi ủẩy nổi. Sơ ủồ phõn ủoạn là sơ ủồ tụng hợp cho phộp tiến hành cụng tỏc xi măng húa một cỏch chất lượng với cỏc mật ủộ khỏc nhau. Với xi măng dựng ủể phụt thường phải ủạt cỏc yờu cầu sau ủõy:
-Với một ỏp lực nhất ủịnh mới cú thể chảy lấp kớn cỏc khe nứt một cỏch ủều ủặn
-Sau khi vữa ủó ủụng cứng trong khe nứt nú phải ủạt yờu cầu về cường ủộ chống thấm bền vững và liền khối
Trong một ủoạn phụt vữa khụng ủược dựng nhiều loại xi măng khỏc nhau ủể ủảm bảo tớnh chất ủồng ủều của vữa.
Nồng ủộ của vữa tức là tỉ lệ của vữa và xi măng phụ thuộc vào lượng mất nước ủơn vị của cỏc lỗ khoan
Khi lượng mất lượng ủơn vị q> 1 lớt/phỳt, ủể tiết kiệm xi măng cú thể trộn thêm cát.
Trong công tác phụt vữa tỉ lệ N/X không nên chọn loãng quá, tuy nhiên ở những nơi cú khe nứt nhỏ vẫn phải dựng vữa loóng, vỡ vữa ủặc khụng thể chảy ủầy cỏc khe nứt nhỏ. Bởi vậy tỉ lệ nước/ xi măng chủ yếu căn cứ vào kích thước của khe nứt.
•Xỏc ủịnh thành phần và tỉ lệ cỏc phụ gia
Khi phụt ở những nơi ăn vữa lớn ủể tiết kiệm xi măng cú thể trộn thờm cỏc phụ gia trơ nhu cỏt, bột ủỏ và ủất sột.Tuy nhiờn, khi trộn phải ủảm bảo cỏc ủiều kiện sau:
-Vật liệu trơ trộn thờm vào vữa khụng ủược tan trong nước, khụng cú ảnh hưởng ủến sự ninh kết của xi măng ( hoặc làm cho xi măng khụng ninh kết kộo dài thời gian ninh kết của xi măng), không làm cho xi măng bị phân li với nước và lắng ủọng xuống ủỏy.
-Vật liệu trơ trộn thờm phải nghiền nhỏ ủường kớnh lớn nhất của cỏc hạt phải nhỏ hơn 1/3 ủộ mở của khe nứt nhỏ nhất của nham thạch hay bờ tụng.
ðất sột trộn thờm phải ủược hũa với nước thành hồ rồi mới ủổ vào vữa xi măng
Lượng cỏt trộn vào vữa phải ủược xỏc ủịnh qua thớ nghiệm khi phụt vữa xi măng ở chỗ khe nứt lớn hơn 10mm. Lượng cỏt cho vào lỳc ủầu khụng ủược quỏ 10% trọng lượng xi măng và ủường kớnh hạt phải nhỏ hơn 0,5mm. Nếu trong 20 phỳt ủầu mà lượng “ăn” vữa khụng giảm thỡ cú thể tăng dần tỷ lệ cỏt lờn, nhưng khụng quỏ ẵ và ủường kớnh hạt cỏt cũng cú thể tăng lờn nhưng khụng ủược quỏ 1mm.