Cọc đất xi măng Jet Grouting tại Hải Phòng

Đề tài nghiên cứu ứng dụng cọc đất xi măng kết hợp công nghệ Jet Grouting tại Hải Phòng xuất phát từ nhu cầu phát triển ngành xây dựng trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Việc tiếp cận và ứng dụng các công nghệ tiên tiến là chiến lược quốc gia nhằm nâng cao chất lượng công trình và hiệu quả kinh tế. Cọc đất xi măng sử dụng công nghệ Jet Grouting được lựa chọn vì những ưu điểm vượt trội: giá thành rẻ hơn các công nghệ khác do giảm thiểu vật liệu, tận dụng được nguồn nguyên liệu tại chỗ, và thiết bị thi công không quá phức tạp. Thành công trong việc ứng dụng công nghệ này sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn. Tuy nhiên, tại Hải Phòng, việc ứng dụng công nghệ Jet Grouting để gia cố nền bằng cọc đất xi măng còn hạn chế do chưa có đủ nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết, phương pháp tính toán, cũng như chưa có đánh giá chi tiết về giá thành máy móc và chất lượng thi công. Do đó, luận văn tập trung vào việc nghiên cứu giải pháp hợp lý để ứng dụng công nghệ này cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp quy mô vừa và nhỏ ở Hải Phòng, tối đa 5 tầng.

Công nghệ Jet Grouting là kỹ thuật gia cố nền bằng cách sử dụng tia nước/vữa/khí áp lực cao để cắt đất, sau đó trộn vữa với đất tạo thành hỗn hợp soilcrete có cường độ cao hơn và hệ số thấm thấp hơn. Đây là phương pháp linh hoạt, ứng dụng rộng rãi trong nhiều mục đích như gia cường móng, làm tường chống thấm, giảm chuyển vị cho hố đào hay hầm. Các hình dạng soilcrete khác nhau (cột, bản, tường màng) có thể được tạo ra bằng cách điều chỉnh tốc độ xoay, tốc độ nâng cần, và cách bố trí lỗ khoan. Mặc dù có nhiều ưu điểm, Jet Grouting đòi hỏi kỹ thuật cao trong thiết kế và thi công. Sai sót trong thiết kế hoặc sự cố trong thi công có thể dẫn đến sản phẩm soilcrete không đạt chất lượng. Chi phí thi công Jet Grouting tương đối cao và phụ thuộc vào độ phức tạp của công trình, loại địa chất, và chiều sâu xử lý. Quá trình phụt vữa phải liên tục, nếu tắc nghẽn có thể gây đẩy trồi và sụp đổ. Khối lượng đất bùn trào lên cần được kiểm soát tốt. Công nghệ này đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, với sự tham gia của các công ty hàng đầu như Layne Christensen (Mỹ), Bauer (Đức), Keller (Anh), và Frankipile (Úc). Ở Việt Nam, công nghệ này được ứng dụng trong thủy lợi với những thành công nhất định (nguồn Nguyễn Quốc Dũng 2011), nhưng vẫn còn tương đối mới mẻ, đặc biệt là trong xây dựng dân dụng và công nghiệp.

Luận văn khảo sát khả năng áp dụng cọc đất xi măng với công nghệ Jet Grouting tại Hải Phòng. Cọc đất xi măng là giải pháp hợp lý cho xử lý nền móng tại các khu vực có địa chất phức tạp, diện tích thi công hạn chế, yêu cầu ít chấn động và tiếng ồn. Phương pháp này cho phép thi công nhanh, phù hợp với nhiều loại đất, đảm bảo độ bền và an toàn môi trường. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn mới ở Việt Nam nói chung và Hải Phòng nói riêng, đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn về giải pháp tổ chức thi công. Luận văn đánh giá khả thi của việc sử dụng cọc đất xi măng cho các công trình xây dựng (công trình dân dụng, công nghiệp có số tầng <=5) tại Hải Phòng. Nhằm đảm bảo phạm vi nghiên cứu, luận văn tập trung vào cơ sở lý luận và khả năng ứng dụng tại Hải Phòng, chưa đề cập toàn diện các vấn đề thiết kế, thi công chi tiết. Kết quả nghiên cứu sẽ được dùng để đề xuất giải pháp hợp lý cho thiết kế và thi công cọc đất xi măng theo công nghệ Jet-Grouting cho một công trình cụ thể.

Thành phố Hải Phòng có điều kiện địa chất công trình khá phức tạp. Địa tầng đa phần là nhiều lớp, và hầu hết diện tích thành phố đều có mặt lớp đất yếu. Các loại đất phân bố trên địa bàn Hải Phòng rất đa dạng về tuổi và nguồn gốc, dẫn đến cấu trúc nền đất phức tạp. Do đặc điểm địa chất này, việc lựa chọn phương pháp gia cố nền móng công trình cần được xem xét kỹ lưỡng. Các phương pháp gia cố nền sâu như bấc thấm, giếng cát, cọc cát, trụ đá, và cọc đất xi măng được đánh giá là thích hợp cho điều kiện địa chất này. Trong số các phương pháp trên, xử lý nền bằng cọc đất xi măng được xem là giải pháp tối ưu, giúp rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm chi phí.

Để nghiên cứu hiệu quả, luận văn chia khu vực nghiên cứu thành 12 khu chính. Trong đó, các khu vực có nền đất yếu được tập trung phân tích. Khu II-D-1,2,3, có địa hình đồng bằng cao, địa tầng chủ yếu là sét, sét pha, cát pha, được loại trừ khỏi phạm vi nghiên cứu do điều kiện địa chất tốt, không cần biện pháp xử lý nền. Khu II-D-4,8, là vùng đồng bằng tích tụ sông – biển, bãi triều cao, có lớp đất yếu (bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha) dày từ 1,8 – 27m, sức chịu tải qui ước R0 = 0,15 – 0,44kG/cm². Khu vực này được phân loại là nền đất yếu dạng I. Khu II-D-5,6,7, là vùng bãi bồi cao, bãi bồi thấp ven sông, địa tầng chủ yếu là đất lộ ra trên mặt dày > 2m, trên là bùn, sét, sét pha, dưới là cát pha; được phân loại là nền đất yếu dạng II. Khu II-D-9, là khu vực bãi triều thấp, không có dân cư và hoạt động xây dựng, nên được loại trừ khỏi phạm vi nghiên cứu. Kết luận, luận văn tập trung vào việc nghiên cứu xử lý nền đất yếu dạng I và II ở Hải Phòng, để tìm ra giải pháp tối ưu cho việc sử dụng cọc đất xi măng.

Công nghệ khoan phụt vữa cao áp (KPVCA) hay Jet Grouting là một kỹ thuật gia cố nền đất bằng cách sử dụng tia nước, vữa hoặc khí nén có áp lực cao. Tia chất lỏng/khí này sẽ cắt và xới đất, sau đó vữa xi măng được phun vào để trộn với đất đã xới, tạo thành một khối soilcrete đồng nhất. Khối soilcrete này có cường độ và khả năng chống thấm cao hơn so với đất tự nhiên. Công nghệ này cho phép tạo ra các cấu trúc soilcrete với nhiều hình dạng khác nhau, từ cột, bản đến các cấu trúc phức tạp hơn như tường chống thấm, móng băng, tùy thuộc vào tốc độ xoay, tốc độ nâng cần khoan, và cách bố trí các lỗ khoan. Theo Choi (2005), hình dạng cột vữa là phổ biến nhất, được tạo ra bằng cách vừa xoay vừa nâng cần khoan trong quá trình phun vữa. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật cao trong thiết kế và thi công, sai sót có thể dẫn đến sản phẩm soilcrete không đạt chất lượng (Essler & ...).

Hiệu quả của công nghệ Jet Grouting phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Áp lực phun là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến khoảng cách xói đất. Áp lực phun dao động từ 1 đến 60 MPa cho các loại đất bùn, cát, và có thể trên 200 MPa cho đá (Essler & Yoshida 2004). Tốc độ quay và nâng cần khoan cũng ảnh hưởng đến hình dạng và chất lượng của cột soilcrete. Chất lượng soilcrete còn phụ thuộc vào loại xi măng và tỷ lệ nước-xi măng (w:c). Độ nhớt của vữa nên thấp để đảm bảo tính đồng nhất của sản phẩm, tỷ số w:c thường nhỏ hơn 1 (Bruce et al. 1987). Với đất rời, cần nhiều nước để thoát nước, còn với đất dính thì ngược lại. Cường độ soilcrete phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số w:c, trong đất sét khoảng 0.5 – 3.0 MPa, đất cát và đất rời từ 5 đến 20 MPa (Bruce et al. 1987). Tính đồng nhất của đất nền cũng ảnh hưởng đến chất lượng soilcrete. Trộn không đều có thể dẫn đến cường độ cao ở lõi nhưng thấp ở chu vi cọc. Việc lựa chọn thiết bị cũng rất quan trọng, phải đảm bảo phù hợp với cấp phối vữa để quá trình phun vữa được liên tục, tránh tắc nghẽn gây đẩy trồi và sụp đổ.

Công nghệ Jet Grouting được phát minh tại Nhật Bản, sau đó được các công ty của Ý, Đức và nhiều nước khác ứng dụng. Các công ty xử lý nền móng hàng đầu thế giới như Layne Christensen (Mỹ), Bauer (Đức), Keller (Anh), và Frankipile (Úc) đều sử dụng công nghệ này. Sau hơn ba mươi năm phát triển, công nghệ này đã được thừa nhận rộng rãi và được đưa vào tiêu chuẩn ở nhiều nước phát triển. Tại Trung Quốc, nghiên cứu về Jet Grouting bắt đầu từ năm 1970, và đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình lớn, với tổng khối lượng xử lý lên đến hơn 1 triệu m³. Ở Việt Nam, công nghệ này đã được áp dụng thành công trong ngành thủy lợi (Nguyễn Quốc Dũng 2011), ví dụ như chống thấm cho các công trình thủy lợi tại nhiều tỉnh thành. Tuy nhiên, Jet Grouting vẫn còn mới ở Việt Nam, đặc biệt trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, đòi hỏi sự đầu tư nghiên cứu và phát triển hơn nữa.

Kiểm tra chất lượng cọc đất xi măng là khâu quan trọng để đảm bảo chất lượng công trình. Phương pháp phổ biến nhất là khoan lấy mẫu để xác định cường độ cọc. Việc khoan lấy mẫu thường được tiến hành sau khi cọc đã ninh kết đủ thời gian, ít nhất 14 ngày, thường là 28 ngày. Trong trường hợp đặc biệt, có thể đào lấy nguyên một đoạn cọc để mang về phòng thí nghiệm kiểm tra. Mẫu dùng cho thí nghiệm cơ học phải được bảo quản trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm được kiểm soát chặt chẽ. Chỉ tiêu cơ học chính được xác định qua thí nghiệm nén nở hông (qu) ở tuổi 90 ngày (trừ khi có quy định khác trong thiết kế). Kết quả thí nghiệm cung cấp đường cong nén lún qu ~ Ɛ và các thông số cần thiết cho tính toán ứng suất-biến dạng trong nền (qu, γ, φ, C, E). Ngoài thí nghiệm nén nở hông, thí nghiệm kéo và cắt mẫu có thể được yêu cầu trong các trường hợp đặc biệt. Thí nghiệm chất tải cần được tiến hành khi kết cấu Jet Grouting làm việc như móng cọc. Số lượng mẫu thí nghiệm cần thiết được quy định trong thiết kế, thường là 4 mẫu cho mỗi 1000 m³ thể tích kết cấu.

Thí nghiệm biến dạng nhỏ được tiến hành sau 28 ngày thi công cọc. Phương pháp này dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong thanh đàn hồi, đánh giá sự thay đổi kháng trở cơ học của cọc theo độ sâu bằng phần mềm PITSTOP. Thí nghiệm nén tĩnh được tiến hành cùng thời điểm với thí nghiệm biến dạng nhỏ. Cọc thí nghiệm được làm lộ ra, đầu cọc được làm phẳng và trát vữa M150. Hệ thống giá đỡ, kích thủy lực và đồng hồ đo được lắp đặt để tiến hành nén tải bằng cách đặt tải lên hệ dầm chính. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự khác biệt về cường độ giữa mẫu trong phòng và mẫu hiện trường, thường có sự chênh lệch lớn (54.2% và 91.1%). Để khắc phục sai số này, tiêu chuẩn thiết kế quy định cường độ cọc thiết kế bằng ½ cường độ cọc từ mẫu thí nghiệm trong phòng (q uTK = ½ q uTN).

Cường độ vật liệu cọc đất xi măng (XMĐ) tăng theo thời gian, nhưng tốc độ tăng khác nhau tùy thuộc vào vùng đất. Ở vùng đất yếu Hải Phòng, Hải Dương (đồng bằng sông Hồng), cường độ tăng nhanh trong 14 ngày đầu, sau đó chậm lại. Vùng đất yếu Quảng Bình, Huế (đồng bằng ven biển Miền Trung) có tốc độ phát triển cường độ chậm hơn, nhưng vẫn tiếp tục tăng sau 56 ngày. Hàm lượng xi măng cũng ảnh hưởng đến cường độ nén qu của XMĐ. Khu vực Hải Phòng, Hải Dương có mức độ gia tăng lớn nhất, cường độ đạt > 20 kg/cm². Vật liệu XMĐ không hoàn toàn đồng nhất, cường độ phân tán dọc theo chiều dài cọc, phụ thuộc vào điều kiện địa chất và kinh nghiệm thi công. Khi cọc XMĐ đi qua các địa tầng khác nhau, đặc tính độ cứng cũng thay đổi. Đây là yếu tố cần lưu ý khi quyết định cường độ cọc XMĐ thiết kế.

Luận văn kết luận rằng cọc đất xi măng thi công bằng công nghệ Jet-Grouting là một giải pháp hiệu quả và kinh tế cho việc xử lý nền đất yếu, đặc biệt phù hợp với các công trình dân dụng và công nghiệp quy mô vừa và nhỏ (<=5 tầng) tại Hải Phòng. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là giá thành thấp hơn so với các phương pháp khác như cọc bê tông cốt thép đúc sẵn hay cọc khoan nhồi, thân thiện với môi trường do tận dụng vật liệu tại chỗ, ít gây chấn động và tiếng ồn, phù hợp với điều kiện thi công hạn chế. Tuy nhiên, công nghệ này còn khá mới mẻ tại Việt Nam nói chung và Hải Phòng nói riêng, việc thi công tương đối phức tạp, đòi hỏi sự giám sát chặt chẽ ở tất cả các khâu, từ chuẩn bị vật liệu, thiết bị, giám sát thi công đến thí nghiệm và nghiệm thu chất lượng. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự chênh lệch cường độ giữa mẫu trong phòng thí nghiệm và mẫu thực tế, cần được lưu ý trong thiết kế và thi công. Nghiên cứu của tác giả Phùng Vĩnh An tại huyện Kiến Thụy, Hải Phòng (khu vực II-D-8) cung cấp dữ liệu tham khảo hữu ích.

Để tối ưu hóa việc ứng dụng công nghệ Jet Grouting trong xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng tại Hải Phòng, luận văn đưa ra một số kiến nghị. Cần có thêm các nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết và thực tiễn để hoàn thiện phương pháp tính toán và tối ưu hóa quy trình thi công. Việc kiểm soát chất lượng cần được thực hiện nghiêm ngặt ở tất cả các giai đoạn, từ giám sát kỹ thuật, chất lượng vật liệu, thiết bị, đến việc thực hiện các thí nghiệm và nghiệm thu chặt chẽ tại hiện trường. Cần có sự đầu tư nghiên cứu về các thông số kỹ thuật và kinh nghiệm thi công để đảm bảo chất lượng cọc, đặc biệt là tính đồng nhất của vật liệu XMĐ. Việc nghiên cứu so sánh chi phí giữa các phương pháp gia cố nền khác nhau cũng cần được thực hiện để lựa chọn phương án tối ưu về kinh tế. Cuối cùng, việc chia sẻ kinh nghiệm và kết quả nghiên cứu giữa các chuyên gia và các công trình là cần thiết để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ Jet-Grouting tại Hải Phòng và các vùng có điều kiện địa chất tương tự.