Cọc Xi Măng đất

Ở Việt Nam hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công cọc xi măng đất là công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay Jet-grouting) – là công nghệ của Nhật Bản. Mỗi công nghệ sẽ có thiết bị và dây chuyền thi công phù hợp khác nhau. S-LINK xin giới thiệu đến độc giả công nghệ thi công cọc xi măng – đất để làm rõ hơn về vấn đề này.

Cọc xi măng đất bản chất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên. Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được bơm phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt).

Công nghệ thi công cọc xi măng – đất với kết quả là tạo ra cột đất gia cố từ vữa xi măng phụt ra hòa trộn với bản thân đất nền. Nhờ có xi măng bơm phun ra với áp suất cao, các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xới tơi ra và hòa trộn với xi măng, sau khi đông cứng tạo thành một khối đồng nhất gọi là Cọc xi măng đất (soilcrete). Cọc xi măng – đất hình thành sẽ đóng vai trò ổn định nền và gia cường độ cho nền. Cường độ chịu nén của xi măng đất từ dao động khoảng 20 ÷ 250 kg/ cm2, tuỳ thuộc vào loại, hàm lượng xi măng và tỷ lệ đất còn lại trong khối xi măng đất và loại đất nền.

Cọc xi măng đất được thi công tạo thành theo phương pháp khoan trộn sâu. Dùng máy khoan và các thiết bị chuyên dụng khoan vào đất nền với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế. Đất trong quá trình khoan không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà chỉ bị phá vỡ liên kết, kết cấu và được các cánh mũi khoan nghiền tơi, trộn đều với chất kết dính xi măng (đôi khi có thêm phu gia và cát).

Quá trình trộn đều bởi phun (hoặc bơm) chất kết dính với đất trong lỗ khoan, tùy theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên. Để tránh lãng phí xi măng, hạn chế xi măng thoát ra khỏi mặt đất gây ô nhiễm môi trường, khi rút mũi khoan lên cách độ cao mặt đất từ 0,5 ÷ 1,5m thì sẽ dừng phun chất kết dính nhưng đoạn cọc trên này vẫn được phun đầy đủ chất kết dính là nhờ chất kết dính có trong đường ống tiếp tục được phun (hoặc bơm) vào hố khoan. Khi kết thúc mũi khoan rút lên khỏi hố khoan, trong hố khoan còn lại đất nền đã được trộn đều với chất kết dính và hỗn hợp đó dần dần đông cứng tạo thành cọc xi măng đất.

Thiết bị máy phương pháp xử lý bằng cọc xi măng đất khá đơn giản bao gồm một máy khoan với hệ thống lưỡi có đường kính thay đổi (tùy theo đường kính cọc được thiết kế ) và hệ thống silô chứa xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực lên tới 12kg/cm2.

1. Công nghệ trộn ướt

Công nghệ trộn ướt  (khoan phụt vữa cao áp) là một quá trình bê tông hóa đất. Nhờ có tia nước và tia vữa phun ra với áp suất cao ( 200 ÷ 400 atm) và tốc độ lớn ≥ 100 m/s, các phần tử đất nền xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và hòa trộn với vữa phụt đông cứng tạo ra một khối đồng nhất “xi măng – đất”. Nguyên lý công nghệ theo 3 cách sau:

Công nghệ đơn pha: Tia vữa xi măng phun ra với vận tốc ≥ 100 m/s vừa cắt đất đồng thời vừa trộn vữa với đất tạo ra hỗn hợp xi măng đất đồng đều. Cọc xi măng đất đồng nhất có độ cứng cao và hạn chế đất trào ngược lên

  Giao hai tia phun áp lực cao.

Công nghệ hai pha: Hỗn hợp vữa xi măng được bơm ở áp suất cao, tốc độ lớn và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun; cho phép vữa xâm nhập sâu hơn vào trong lòng đất và tạo ra cọc xi măng đất đường kính lớn hơn. Tuy vậy tia khí làm giảm độ cứng cọc xi măng đất và đất dễ bị trào ngược lên.

Công nghệ ba pha: Quá trình phụt có cả vữa, không khí và nước; Vữa xi măng được bơm qua một vòi riêng biệt nằm dưới vòi khí và vòi nước để lấp đầy khoảng trống của khí. Công nghệ này là phương pháp thay thế đất hoàn toàn. Đất bị trào ngược lên mặt đất sẽ được thu gom xử lý vận chuyển đi.

Sơ đồ công nghệ trộn ướt.

Theo công nghệ trộn ướt có thể thi công  theo 6 bước sau:

Bước 1: Đinh vị máy khoan vào đúng vị trí khoan cọc bằng máy toàn đạc điện tử.

Bước 2: Bắt đầu khoan vào đất, quá trình mũi khoan sẽ đi xuống đến độ sâu theo thiết kế.

Bước 3: Bắt đầu bơm vữa theo quy định và trộn đều trong khi mũi khoan đang đi xuống, tốc độ mũi khoan đi xuống : 0,5m÷0,7m/phút.

Thi công cọc xi măng đất bằng công nghệ trộn ướt.

Bước 4: Tiếp tục hành trình khoan đi xuống, bơm vữa và trộn đều, đảm bảo lưu lượng vữa theo đúng thiết kế.

Bước 5: Khi đến độ sâu mũi cọc, dừng khoan và dừng bơm vữa và tiền hành quay mũi ngược lại và rút cần khoan lên, quá trình rút lên kết hợp trộn đều 1 lần và nén chặt vữa trong lòng cọc, nhờ cấu tạo mũi khoan. Tốc độ rút cần khoan lên trung bình: 0,8m÷1,2m/phút.

Bước 6: Sau khi mũi khoan được rút lên khỏi miệng hố khoan, 01 cây cọc vữa được hoàn thành. Thực hiện công tác dọn dẹp phần phôi vữa rơi vãi ở hố khoan, chuyển máy sang vị trị cọc mới.

2. Công nghệ trộn khô

Sơ đồ công nghệ trộn khô

Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với xi măng khô (có hoặc không có chất phụ gia) bơm theo trục khoan để tạo thành một trụ – cọc đất xi măng. Ngoài xi măng, các loại bột khô và các thành phần kích thước hạt nhỏ hơn 5mm cũng có thể được sử dụng. Chủng loại và chất lượng của hỗn hợp được sử dụng là độc lập với các tính chất của nền đất yếu cũng như yêu cầu cơ học của đất được xử lý. Theo từng loại đất mà thiết kế hàm lượng xi măng phù hợp. Thiết bị máy có hệ thống tự động cân chỉnh độ thẳng đứng cần khoan cũng như cung cấp các số liệu chính xác và liên tục về chiều sâu , tốc độ rút cần và tốc độ xoay cần khoan.

Quy trình thi công theo công nghệ trộn khô có thể theo 5 bước sau:

Bước 1: Đinh vị máy khoan vào đúng vị trí kho- an cọc bằng máy toàn đạc điện tử.

Bước 2: Bắt đầu khoan, mũi khoan đi xuống độ sâu theo thiết kế đồng thời phá tơi đất.

Bước 3: Bắt đầu phun xi măng và trộn đều vào đất trong khi mũi khoan đang đi lên.

Bước 4: Hành trình khoan xoay bơm và trộn đều xi măng vào đất lưu lượng đúng thiết kế.

Bước 5: Kết thúc thi công cọc xi măng đất theo đúng độ sâu theo thiết kế.

Các kiểu bố trí cọc xi măng đất tùy theo mục đích sử dụng để tính toán phù hợp theo các mô hình khác nhau: trụ đơn, mảng, khối, tường, tổ hợp; Một số cách bố trí như hình vẽ sau:

Bố trí trụ trộn khô: 1- Dải; 2 – Nhóm ( 3 – Lưới tam giác, 4 – Lưới vuông)

Bố trí trụ trùng nhau theo khối

Bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất: 1- Kiểu tường, 2- Kiểu kẻ ô, 3- Kiểu khối, 4- Kiểu diện

Bố trí trụ trộn ướt trên biển:1- Kiểu khối, 2 – Kiểu tường, 3- Kiểu kẻ ô, 4 – Kiểu cột, 5- Cột tiếp xúc, 6- Tường tiếp xúc, 7- Kẻ ô tiếp xúc, 8- Khối tiếp xúc.

Bố trí trụ trộn ướt trùng nhau và thứ tự thi công

3. Thiết kế thi công cọc xi măng – đất. Thiết kế gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng cần tuân theo quy trình sau:

– Khảo sát địa chất công trình, thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng thích hợp trong phòng thí nghiệm;

– Thiết kế sơ bộ  nền  gia  cố  theo  điều kiện tải trọng tác dụng của kết cấu bên trên (căn cứ vào kết quả thí nghiệm mẫu trong phòng và kinh nghiệm tích lũy);

– Thi công trụ thử bằng thiết bị dự kiến sử dụng;

– Tiến hành các thí nghiệm kiểm tra ( xuyên cánh, xuyên tĩnh, nén tĩnh, lấy mẫu…); – So sánh với các kết quả thí nghiệm trong phòng, đánh giá lại các chỉ tiêu cần thiết;

– Điều chỉnh thiết kế ( hàm lượng chất gia cố, chiều dài hoặc khoảng cách giữa các trụ);

– Thi công đại trà theo công nghệ đã đạt yêu cầu và tiến hành kiểm tra chất lượng phục vụ nghiệm thu.

Tuy cùng một tỷ lệ pha trộn nhưng luôn có sự khác nhau giữa mẫu chế trong phòng thí nghiệm và thực tế thi công bằng các thiết bị ngoài hiện trường, cho nên việc thi công trụ thử, tìm hiệu quả gia cố tối ưu là quy định bắt buộc. Trụ thử phải thi công ngoài công trình để có thể tiến hành thí nghiệm kiểm tra. Số lượng trụ thử do tư vấn thiết kế quyết định, nhưng không ít hơn 2 trụ cho mỗi loại thiết bị và công nghệ. Quyết định thi công đại trà chỉ có thể đưa ra sau khi đã thi công và thí nghiệm trụ thử đạt yêu cầu.

Vật liệu dùng trong thi công vào đất gồm một số hoặc toàn bộ các thành phần sau: chất kết dính (xi măng, vữa xi măng), phụ gia, nước, chất độn (cát,…) và cốt thép.

Tất cả các vật liệu và sản phẩm dùng chế tạo cọc xi măng đất phải tuân theo các tiêu chuẩn liên quan hiện hành, và các quy định môi trường. Nguồn cung cấp vật liệu phải rõ xuất xứ; Vật liệu và sản phẩm phải đúng yêu cầu thiết kế.

Mô tả phản ứng hóa học giữa đất, xi măng, phụ gia và nước

Thiết kế biện pháp thi công cần làm sáng tỏ các vấn đề sau:

– Mục tiêu và phạm vi của công tác trộn sâu;

– Mô tả đất nền theo tiêu chuẩn khảo sát;

– Hình dáng của trụ;

– Phương pháp trộn sâu;

– Thiết bị trộn : hình dáng/ kích thước/cấu trúc của cần xoay, vị trí lỗ xuất xi măng, hình dáng và chiều dài của đầu trộn;

– Hành trình làm việc ( khoan xuống và rút lên, trộn và trình tự thi công);

– Các thông số : chủng loại và thành phần xi măng, hàm lượng xi măng, tỷ lệ nước/xi măng, phụ gia…;

– Phòng ngừa lún và đẩy trồi;

– Tổ chức hiện trường;

– Máy móc và thiết bị;

– Quản lý đất thải;

– Quy trình quản lý chất lượng;

– Quy trình xử lý khi có sự cố dừng thi công;

– Khả năng sửa đổi các thông số trộn trong khi thi công;

– Các phương pháp thí nghiệm kiểm chứng;

– Hồ sơ thi công (nhật ký, bản vẽ, biểu ghi chép)

– Đánh giá nguy cơ tác động đến môi trường và an toàn.

Xử lý nền đất yếu bằng cọc xi măng – đất có khả năng ứng dụng rất rộng rãi không chỉ trong ngành xây dựng mà còn trong các lĩnh vực giao thông và thủy lợi. Trong xây dựng, dùng cọc xi măng đất thay thế các loại móng cọc truyền thống; gia cố móng nông; làm tường vây hố móng; tường ngăn nước; gia cố đường hầm; tường neo; gia cố nền các bồn chứa và tòa tháp; gia cố vùng đất yếu xung quanh đường hầm. Trong thủy lợi, công nghệ này được ứng dụng để làm tường hào chống thấm cho đê, đập, chống thấm mang, đáy cống; gia cố nền móng công trình; tăng ổn định tường chắn, chống trượt mái đất; làm tường kè, tường chắn sóng… Trong giao thông, công nghệ xi măng đất được ứng dụng để gia cố nền đường; mố cầu dẫn. Ngoài ra, công nghệ này còn được ứng dụng trong lĩnh vực môi trường để ngăn vùng đất bị ô nhiễm. Đặc biệt, với đường kính khoan nhỏ (40-90mm) mà vẫn có thể tạo được diện xử lý rộng nằm dưới móng hiện trạng mà không ảnh hưởng tới kết cấu công trình, công nghệ này có lợi thế lớn trong việc sửa chữa, gia cố nền của các công trình xây dựng nhà ở đang gặp vấn đề lún hoặc sạt, trượt.

Ngoài ứng dụng gia cố nền đất yếu, các ứng dụng chính của cọc xi măng đất có thể kể đến xử lý lún nghiêng, tường chống thấm, tường vách hố móng, nền đường, vỏ bảo vệ công trình ngầm, ứng dụng cọc xi măng đất để xử lý các hư hỏng của cống dưới đê (thấm qua nền, mang cống), v.v. Trong các ứng dụng này, một hàng cọc bê tông đất nằm liên tiếp nhau, thậm chí đan xen nhau tạo thành một bức tường có tác dụng chống thấm tốt và có thể chịu lực xô ngang. Ứng dụng cọc xi măng đất để xử lý các hư hỏng của công trình do nền đất yếu gây ra cũng rất phù hợp và hiệu quả.

Nhờ sự gọn nhẹ của dây chuyền thiết bị, việc thi công có thể tiến hành trong địa hình chật hẹp (diện thi công nhỏ), không ảnh hưởng đến các công trình lân cận chiều cao hạn chế (tối thiểu 3m) nên công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cọc xi măng đất rất hiệu quả và phù hợp với điều kiện nước ta trong triển vọng phát triển ngành xây dựng vững mạnh toàn diện.

(Theo tạp chí KHKT Xi măng)