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

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 41 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. 1. GIỚI THIỆU CHUNG* Jet Grouting thường được áp dụng để tăng cường độ và giảm thấm cho nhiều công trình xây dựng như gia cường nền đất yếu, tăng sức chịu tải móng, và làm tường chống thấm bằng cách tạo ra các cọc đất trộn xi măng có đường kính và chiều sâu thiết kế được bố trí theo một cách nhất định tùy theo mục đích ứng dụng [26, 14]. Các cọc đất xi măng hay soilcrete được tạo ra bằng các tia cao áp (20-60 MPa) vữa, hay nước, hay khí làm nhiệm vụ cắt xói đất và trộn với vữa xi măng thay cho cánh trộn kim loại [25]. Vì vậy, Jet Grouting có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, không phá huỷ lớp mặt, không gây chấn động, và có thể thi công trong * 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, Email: hhh24081981@yahoo.com.vn không gian chật hẹp. Jet grouting thích hợp cho đất dính có cường độ chịu cắt không thoát nước Su nhỏ hơn 30 kN/m² [23]. Theo [19] cho rằng Su bằng 40 kPa và giới hạn chảy, WL = 40% là giới hạn cho mọi loại Jet Grouting. Theo [8], cọc soilcrete không thể bố trí hiệu quả trong đất bụi sét có NSPT từ 6 ÷ 7 và Su từ 48 ÷ 52 kN/m², ngay cả với hệ thống Phun ba. Phù hợp với quan sát [1]: giới hạn áp dụng Jet Grouting là Su từ 50 ÷ 60 kPa. Nhiều tác giả xác định phạm vi sử dụng Jet Grouting theo chỉ số NSPT: (i) Phun đơn sử dụng không hiệu quả ở đất rời có chỉ số NSPT > 20 và đất dính có NSPT > 5 theo đánh giá [19]. Giới hạn theo [11], [23] thì thấp hơn ở đất cát: NSPT < 15, và đất dính NSPT < 5 ÷ 10; (ii) Phun đôi với đất dính có chỉ số NSPT ≤ 5 và đất hạt rời có NSPT ≤ 50 theo [23]. Theo [19], Jet Grouting Phun đôi thường không dùng cho đất dính có NSPT > 20; và (iii) Phun ba theo [23] với đất dính có chỉ số NSPT ≤ 5, đất rời NSPT ≤ 50. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 42 Kích thước (đường kính và chiều sâu), hình dạng (độ tròn và đồng đều), và chất lượng (cường độ, độ cứng, và hệ số thấm) bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như 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 và số lượng vòi phun, và tỷ lệ nước : xi măng), loại đất, trạng thái và đặc trưng cơ-lý-hoá của đất xung quanh cọc soilcrete [25]. Chất lượng sản phẩm soilcrete tạo ra từ Jet Grouting thường được tập trung vào đường kính, độ đồng đều, và cường độ [25]. Hiện nay, hai cách xác định đường kính soilcrete là đào lộ đầu cọc để đo trực tiếp sau khi thi công hay dự kiến đường kính bằng các thông số đầu vào và các công thức lý thuyết. Một số tác giả xây dựng phương pháp xác định đường kính cọc bằng cách phân tích cấu tạo tia phụt và tương tác giữa tia phụt và đất nguyên dạng [8, 17]. Đặc trưng cấu tạo và năng lượng của tia phụt đã được làm rõ qua nhiều nghiên cứu nhưng cơ chế cắt xói còn chưa được hiểu đầy đủ, phân tích chủ yếu còn dựa trên nhiều giả thiết [8, 17]. Quan sát trực tiếp cho thấy trục của cọc soilcrete có thể lệch đáng kể từ vị trí được bố trí [11]. Hơn nữa, soilcrete hình thành không đồng nhất và phần đất tự nhiên không được xử lý có thể tồn tại trong cọc, đặc biệt với đất hạt mịn [20]. Bài báo này tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp xác định đường kính soilcrete tin cậy. 2. CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SOILCRETE Chất lượng sản phẩm Jet Grouting gồm: (i) kích thước cọc Soilcrete được đánh giá qua thông số về hình dạng và độ đồng đều; và (ii) tính chất Soilcrete liên quan đến nhiều thông số phức tạp hơn là cường độ, mô đun biến dạng, và hệ số thấm [8]. Ngoài ra chất lượng Soilcrete còn được đánh giá theo những thông số phù hợp với mục đích ứng dụng: (a) mô đun biến dạng nếu để giảm độ lún; (b) cường độ trong ổn định và chống trượt; và (c) tính thấm khi cần khống chế nước trong đất hoặc chất ô nhiễm [2]. 3. YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC (ĐƯỜNG KÍNH) SOILCRETE 3.1. Cơ chế làm việc tia phụt áp lực cao Ba yếu tố ảnh hưởng hiệu quả Jet Grouting gồm: (a) cấu tạo tia phụt; (b) năng lượng phụt; (c) cơ chế cắt xói [8]. Quá trình cắt xói làm đất xung quanh bị phá huỷ hoàn toàn một phần tia phụt vẫn thấm vào lỗ rỗng và một phần thay thế đất do dòng bùn chảy lên mặt đất qua khoảng trống giữa thành lỗ khoan và cần phụt. Phần trào ngược (vữa và đất) tăng khi cỡ hạt giảm từ 0% ÷ 80% [15, 17]. Đất dễ thấm như sỏi thô dòng trào ngược thường không đáng kể vì hầu hết dòng vữa phụt có thể thấm dễ dàng vào lỗ rỗng theo phương bán kính mà không làm xáo trộn. Nền được cải thiện chủ yếu theo cơ chế phụt vữa thấm nhập [12]. Khi cỡ hạt mịn hơn (cát hay sét), khe rỗng các hạt nhỏ hơn, tính thấm giảm đáng kể. Tia phụt có xu hướng phản xạ và phá vỡ cấu trúc đất nên nền được cải thiện theo cơ chế cắt xói và trộn đất [8, 17]. Nhiều tác giả giả định trong nền cát tia phụt thấm vào sau bề mặt một khoảng cách hạn chế, làm tăng đáng kể áp lực lỗ rỗng, do đó giảm lực tiếp xúc giữa các hạt. Hạt dễ dàng bị dời khỏi vị trí ban đầu do tác động tia chất lỏng [17]. Trong nền sét, khe rỗng rất nhỏ nên tia phụt không thể thấm vào, tia phụt được xem như một khối cứng xuyên vào đất dưới tải trọng tỷ lệ thuận với động lượng, gây ra ứng suất. Đất bị cắt xói khi ứng suất cắt vượt cường độ chịu cắt đất. Sự phá hoại theo cơ chế cắt không thoát nước nên khả năng chịu cắt xói nền liên quan chủ yếu Su, [8, 17]. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 43 3.2. Các đặc trưng và trạng thái đất nền Đặc trưng đất nền ảnh hưởng đến cơ chế cắt xói gồm: (i) thành phần hạt; (ii) độ chặt tương đối (NSPT), và (iii) cường độ cắt nhanh không thoát nước Su [11]. Theo Keller Group, Jet Grouting có thể xử lý cho hầu hết các loại đất từ đất yếu, đất rời, đất sét trừ sỏi cuội hạt lớn. Jet grouting còn có thể gia cố cho các vị trí có cấu tạo địa chất thay đổi và cả đất lẫn hữu cơ (Keller Group). Đường kính cọc soilcrete giảm khi cỡ hạt giảm [11, 21]. Đất hạt rời có lỗ rỗng lớn hơn, lực dính nhỏ hơn nên lực tiếp xúc giữa các hạt giảm nhiều hơn, kết cấu dễ bị phá hủy [8, 12]. Theo [1], phụt vữa trong đất cát sẽ tạo đường kính cọc lớn, do đất cát sẽ cần ít năng lượng hơn do tính rời rạc, ngoài ra lượng vữa dư dễ trồi lên mặt do tính lưu động cao của vữa. Khả năng cắt xói giảm đáng kể ngay cả khi đất có lực dính nhỏ [1]. [8] cho thấy lực dính đất càng tăng, đường kính càng giảm nếu không thay đổi áp lực và vận tốc cần phụt. [18] chỉ ra rằng giảm 25% đường kính cọc khi xuyên qua từ đất rời sang đất rất chặt, tất cả các thông số khác là như nhau. Ảnh hưởng Su đến kích thước cọc, khi áp lực phụt còn nhỏ, khoảng cách cắt được không đáng kể (dưới 5 mm). Đến khi áp lực lớn hơn cường độ, qu (gấp 2 lần Su) thì khoảng cách cắt tăng nhanh theo áp lực [12]. Nguyên nhân do áp lực tia phụt đủ lớn mới làm đất bị phá hoại theo cơ chế cắt không thoát nước. Theo [8] (từ nguồn Welsh et al. 1986) với Su > 41 kPa, đường kính Soilcrete < 1,5 m. Đường kính cọc lớn nhất đạt được trong đất cấp phối rời rạc. Tuy nhiên, cấp phối ít có ảnh hưởng khi hệ số đồng nhất (Cu = D60/D10) cao [8]. Theo [8] (từ nguồn Miki 1985), đường kính cọc không chịu ảnh hưởng bởi sự phân bố cỡ hạt khi Cu > 10. Theo [8] (từ nguồn Welsh et al. 1986) khi Cu > 8, cấp phối có ảnh hưởng nhỏ đối với khả năng tia phụt xuyên phá cát hoặc bụi. Theo [18], quan hệ giữa đường kính soilcrete và giá trị NSPT với Phun ba tạo nên cọc có đướng kính lớn gấp 3 lần đường kính cọc thi công bởi Phun đơn nếu không xét đến loại đất và độ chặt đất. Chỉ số NSPT thể hiện rõ độ chặt của đất rời hơn sự phân bố cỡ hạt. NSPT còn thể hiện cường độ đất nên có quan hệ với đường kính cọc không chỉ ở đất rời mà còn ở đất dính. Tuy nhiên, ảnh hưởng NSPT không lớn bằng Su. Đường kính cọc giảm không nhiều khi NSPT tăng từ 4 ÷ 35 nhưng thay đổi rõ rệt khi từ lớp đất rời sang lớp đất dính [20]. Thực tế bán kính thực cọc giảm so với lý thuyết bởi ảnh hưởng độ ẩm do bùn dư gây ra [5]. Điều này đặc biệt đúng ở đất dính vì loại đất này phải mất năng lượng đáng kể để phá cấu trúc đất và áp lực tối thiểu phải dùng 40 MPa chỉ để xói đất có sức chống cắt bằng 0.04 MPa [5] nguồn Coomber (1985). Sự thay đổi đường kính cọc ít khi vượt quá 10% ngoại trừ trong đất hạt thô [5]. Áp lực phun cần xem xét đến loại và độ chặt đất, có như vậy sẽ đạt được kết quả tối ưu, áp lực thông thường vào khoảng 20 ÷ 60 MPa, tổn thất do ma sát giữa bơm và đầu phun có thể vào khoảng 5 ÷ 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) và khối lượng vữa phụt ra lớn (120 ÷ 150 lít/phút) trong đất cát với áp lực thấp (7,0 MPa). [1] đề nghị rằng đối với các loại đất lẫn sỏi sạn thường dễ xử lý. Tuy nhiên, các loại cỡ hạt cấp phối không tốt với tính thấm cao có thể làm mất mát lượng vữa do quá trình thấm vữa ra vùng nền xung quanh, vì vậy làm giảm đường kính và làm thay đổi đặc tính. Nền chứa nhiều hạt cuội sỏi (trên 50%), sản phẩm có hình dạng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 44 bất thường hơn, khối Soilcrete không đặc chắc do vữa bị thấm [16]. 3.3. Ảnh hưởng hệ thống thiết bị Quá trình cắt xói đất thực chất là quá trình động năng 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 quả vòi), (iv) tốc độ quay và nâng hạ cần phun, (v) lớp đệm khí, (vi) độ nhớt vữa (độ nhớt càng thấp thì tia vữa càng dễ phân tán). Tia phun phân tán thì dù năng lượng cao cũng không tạo ra cọc kích thước lớn hơn [10]. Trong đó, áp lực, lưu lượng, và vận tốc phun được nhiều tác giả xem là những nhân tố quan trọng nhất [5]. 3.3.1. Ảnh hưởng áp lực phun Xói đất với áp lực cao khoảng cách xói sẽ tăng tối đa khi áp lực phun vượt quá cường độ nén nở hông đất [12]. Quan hệ giữa khoảng cách xói và áp lực phun: (1) với cát khi áp lực phun 0 ÷ 100 kPa thì khoảng cách xói tăng chậm, nhưng khi tăng áp lực lên trên 100 kPa thì khoảng cách xói tăng nhanh; (2) với đất sét với cấp áp lực 0 ÷ 180 kPa thì khoảng cách xói tăng rất chậm và nhỏ hơn so với cát, nhưng khi tăng áp lực này lên trên 180 kPa thì khoảng cách xói bắt đầu tăng nhanh hơn. Nguyên nhân được cho là cường độ nén có nở hông đất sét cao hơn. Phun vữa bên dưới mực nước ngầm, sự tiêu hao năng lượng tia nước là vấn đề cần xem xét [7]. [7] đã chứng minh rằng việc bổ sung đệm khí sẽ làm gia tăng hiệu quả cắt tia nước. Với khí màn che bên ngoài, tia vữa có thể gia tăng khoảng cách xói tia nước lên 5 lần so phụt trong nước (Hình 1). Ngoài ra, đệm khí còn đẩy hỗn hợp bùn dư lên phía trên bề mặt giảm giúp áp suất môi trường xung quanh tia phun [12]. Hình 1: Quan hệ khoảng cách phun và áp lực vữa [24] (từ nguồn Miki và Nakanishi 1984) Áp lực có ảnh hưởng lớn vì quan hệ chặt chẽ với vận tốc tia phun quyết định động năng tia phụt. Nếu áp lực không đủ lớn, tia phụt sẽ không đạt được vận tốc thích hợp để cắt xói đất [10]. Áp lực miệng vòi phụ thuộc chủ yếu vào áp suất máy bơm. Độ mất mát do ma sát từ bơm đến vòi có thể 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 45 lớn có thể giảm an toàn. Theo [8], áp suất bơm ít khi cao hơn 50 MPa. 3.3.2. Ảnh hưởng lưu lượng phun Động năng tia phun không chỉ phụ thuộc vào vận tốc hay áp lực phun mà còn phụ thuộc vào khối lượng riêng chất phun. Động lượng tia phn (tích vận tốc & khối lượng riêng tia phun) có ảnh hưởng đối với kích thước cọc. Thông số quan trọng nhất ảnh hưởng hình thành Soilcrete là động lượng tia phụt [10]. Tăng kích thước cọc theo hướng tăng khối lượng riêng vữa phun bằng cách mở rộng kích thước lỗ phun (tăng lưu lượng) hoặc kéo dài thời gian phun. Biện pháp đầu tiên an toàn hơn dùng áp suất bơm lớn [7]. Tuy nhiên, với cùng một thể tích đất cắt xói được, biện pháp tăng khối lượng riêng vữa tạo ra lượng vữa trào ngược nhiều hơn và tốn nhiều thời gian thi công hơn [10, 12]. Hai cách để nâng cao động lượng tia phun: (1) tăng vận tốc bằng cách tăng áp lực phun và (2) tăng khối lượng bằng cách tăng lưu lượng phun [7]. [7] cho rằng tăng lưu lương phun làm tăng khả năng cắt và an toàn hơn vì tránh được những nguy hiểm khi làm việc với áp lực lớn. [10] cũng cho rằng phương pháp gia tăng lưu lượng phun sẽ hiệu quả hơn, nhưng nhược điểm là lãng phí và cần xử lý khối lượng lớn bùn trao ngược. 3.3.3. Ảnh hưởng tốc độ xoay và rút cần Theo [5] (từ nguồn Kauschinger & Welsh 1989), tốc độ xoay thanh cần từ 4 ÷ 6 vòng để đủ trộn đất với vữa và số lặp lớn hơn 5 ít làm tăng đường kính cọc (Hình 2). Mối quan hệ giữa tốc độ rút cần, thể tích đất xử lý, và áp lực phun thể hiện trên Hình 3. Tốc độ quay và rút cần chậm làm tăng năng lượng xói lên một đơn vị thể tích và khoảng cách xói sẽ tăng lên. Vận tốc rút cần càng giảm, thời gian phụt càng tăng, lượng vữa bơm vào đất và lượng đất được thay thế càng nhiều, hỗn hợp vữa – đất cũng được trộn nhiều hơn, cường độ sản phẩm tăng [8]. Thời gian phụt tăng làm tăng lượng vữa trào ngược, tăng lãng phí vật liệu, và công tác xử lý bùn thải [10]. Hình 2. Tốc độ xoay và chu kỳ lặp ảnh hưởng đường kính xói [12] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 46 Hình 3. Quan hệ tốc độ rút cần và thể tích đất xử lý [24] từ nguồn ASCE (1987) Vận tốc quay cần được phối hợp với tốc độ rút cần để tia phụt có thời gian tác dụng phù hợp lên đất [16]. Cỡ hạt càng giảm hay lực dính càng tăng, vận tốc quay cần càng giảm [10]. Tuy nhiên, do một phần tia phụt phản xạ khi gặp đất. Tia phụt quay chậm đến một mức nào đó có thể bị giảm hiệu quả cắt xói do sự phản xạ trên [16]. Nếu tốc độ rút cần và quay cần không phối hợp hợp lý, tốc độ rút cần nhanh có thể tạo ra cọc ‘xoắn ốc”, không phù hợp với những tổ hợp cọc Soilcrete giao nhau [10] nguồn Coomber (1985). Tuy nhiên, một số trường hợp, khi cần khoan phụt quay đều, khoảng cách cắt xói được ở các hướng có thể chênh lệch lớn do lớp đất không đồng nhất hoặc có chướng ngại vật che tia phụt [12]. Theo [8], vận tốc rút cần từ: 15 ÷ 100 cm/phút với Phun đơn, 10 ÷ 30 cm/phút với Phun đôi, 6 ÷ 15 cm/phút với Phun ba. Vận tốc quay cần thông thường từ: 5 ÷ 15 vòng/phút với Phun đơn, 4 ÷ 8 vòng/phút với Phun đôi và Phun ba. Việc nâng đầu phun có thể liên tục hoặc tiến hành theo từng nấc [12], [8]. 3.3.4. Ảnh hưởng tỉ lệ nước : xi măng Tỉ lệ w:c lựa chọn sao cho đạt được yêu cầu về cường độ và 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 được xác định bởi lượng xi măng và một phần đất còn lại trong Soilcrete, tính chống thấm Soilcrete ngăn không cho nước thấm vào bằng cách lựa chọn loại vữa phù hợp, có thể bổ sung thêm bentonite. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 47 Tỉ lệ w:c thường dùng giá trị vào khoảng 0,6 ÷ 1,2 (thường lấy 1) và dựa trên cấp phối hạt đất, tính thấm đất, độ ẩm đất, khối lượng trung bình vữa trong 1 m³ đất [5]. Đối với đất có tính thấm thấp, trường hợp này nước trong vữa thoát ra kém, nên soilcrete có cường độ thấp hơn trong đất rời, còn các thông số khác thì không đổi [5]. Trong trường hợp cho mục đích chống thấm, vật liệu Soilcrete không cần cường độ cao đặc biệt đất rời, khi đó việc bổ sung Bentonite (hơn 5% trong lượng đất) là cần thiết [5]. [5] (từ nguồn Coomber 1985) cho rằng có thể dùng tro bay với tỷ lệ xi măng : tro bay = 1:1 ÷ 1:10 có lọc tránh hiện tượng tắc nghẽn trong thiết bị và đầu phun. 3.3.5. Ảnh hưởng kích thước và số lượng vòi phun Nhiều nghiên cứu về thiết kế cấu tạo vòi phun để nâng cao khả năng cắt đất tia vữa/nước [24]. Số lượng và đường kính vòi phun ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng phụt ra, tỉ lệ đất bị cắt, và lượng vữa phụt vào trong nền [14]. Số lượng vòi phun có thay đổi từ 1 ÷ 4 vòi và đường kính vòi phun thường khoảng 1 ÷ 5 mm [14]. Lưu lượng cao sẽ cần một bơm công suất lớn để duy trì áp lực cao [16]. Vòi phun đường kính lớn sẽ làm cho việc sử dụng bơm công suất lớn. Tuy nhiên, với cùng một giá trị lưu lượng, việc gia tăng số lượng vòi sẽ làm giảm khả năng cắt đất do mất mát năng lượng nhiều hơn. [5] (từ nguồn Kauschinger & Welsh 1989) vòi phun có đường kính 2,0 mm với vận tốc phun 250 m/s tạo ra lưu lượng khoảng 75 lít/phút và có năng lượng 100 sức ngựa. 3.4. Ảnh hưởng áp suất môi trường xung quanh tia phun Động năng tia phụt không chỉ phụ thuộc thiết bị mà còn phụ thuộc vào áp suất môi trường lỏng xung quanh vòi phun. Áp suất môi trường lỏng càng lớn vận tốc tia phun càng giảm động năng cắt xói càng nhỏ [12, 18]. Khi tia phun cắt xói đất, một phần tia phun phá huỷ đất và một phần có xu hướng làm tăng áp lực môi trường lỏng xung quanh. Việc duy trì dòng bùn trào ngược qua khoảng hở giữa thành cần và lỗ xuang quanh giúp giảm áp suất môi trường lỏng [4, 8, 11, 23]. Nếu khoảng trống giữa thành lỗ khoan và cần phun quá nhỏ hoặc bị tắt, lượng vữa phun vào nền dưới áp lực cao sẽ làm tăng áp lực hỗn hợp vữa - đất quanh vòi phun [10]. Tia phun không đạt được vận tốc cao để cắt xói và trộn đất hiệu quả. Năng lượng máy bơm bị hao phí vào việc nén ép đất làm nền chuyển vị. Cọc soilcrete không đạt được hình dạng và chất lượng vật liệu như mong muốn [5, 6]. Chuyển vị đất do áp lực hỗn hợp lỏng khi dòng vữa trào ngược bị tắt có thể vượt quá giới hạn và gây ra vết nứt trong nền (hiện tượng Hydro-fracturing) [4, 5]. Khi xảy ra hiện tượng nứt nền, vữa chảy từ thành lỗ khoan vào khe nứt tạo ra sản phẩm cuối cùng không như kỳ vọng. Đồng thời, chuyển vị nền khi xảy ra hiện tượng Hydro-Fractureing có thể làm hư hỏng kết cấu công trình xung quanh [10]. Độ nâng nền sét mềm có thể hơn 1 m [5]. Để đảm bảo chất lượng soilcrete và hạn chế biến dạng nền, một trong những yêu cầu cơ bản Jet Grouting cần phải duy trì dòng vữa trào ngược liên tục trong suốt quá trình cắt xói [15]. Lỗ khoan có thể bị tắt nghẽn do đất rời rạc khiến thành lỗ khoan không ổn định. Tuy nhiên, với đất dính như sét dẻo thường chỉ vỡ thành từng tảng hoặc cục đất mà không dễ bị cắt xói thành những hạt nhỏ. Dòng bùn thải thường chỉ có thể mang theo các hạt lớn hơn cỡ hạt cát mịn (0,25 mm) lên mặt đất. Hậu quả các tảng hoặc cục đất dính thường chỉ lên đến lưng chừng lỗ khoan và có thể gây tắt nghẽn [4]. 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH CỌC SOILCRETE Đường kính cọc soilcrete không chỉ liên quan đến phương pháp phun vữa mà còn phụ thuộc lớn vào rất nhiều nhân tố như: loại đất, đặc trưng và trạng thái đất, mực nước ngầm, lượng xi măng, và năng lượng dùng làm cọc [24]. Vì vậy, việc xác định đường kính Jet Grouting ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 48 chính xác là vấn đề hết sức phức tạp. Nhiều nghiên cứu trong việc xác định đường kính soilcrete khi dùng phương pháp thi công Jet Grouting dựa vào các quan hệ sau: 4.1. Khi điều kiện đất nền thay đổi thì bán kính soilcrete thay đổi theo, dựa vào đo đạc tỏa nhiệt và phân tích tỏa nhiệt bởi các sensor đặt tại các vị trí trong cọc, [3] đề nghị xác định: (a) bán kính soilcrete và (b) lượng xi măng trong soilcrete ảnh hưởng đến đặc trưng vật liệu. 4.2. Với tốc độ rút vt, thể tích đất V, khả năng xói theo thời gian dV/dt = (πD²/4).vt, đường kính cọc soilcrete có thể xác định theo công thức, 1 tD v và phù hợp [1]. 4.3. Trong việc xác định đường kính cọc sau khi thi công bằng Jet Grouting, [15] đưa ra công thức xác định đường kính soilcretedựa trên mối quan hệ cân bằng khối lượng công thức (1): 4 c t c t WD H   (1) trong đó: H: chiều cao của cọc; ctW : trong lượng tích lũy tính toán từ sự cân bằng giữa đo đạt trọng lượng tại hiện trường, trọng lượng phun và đất bị trào ngược, c c c c c t cement water soil airW W W W W    ; c t : trọng lượng đơn vị của cọc. ccementW , c waterW , c soilW , c airW : trọng lương xi măng, nước, đất, khí trong cột tương ứng. 4.4. Theo [9] dùng Phun đôi Jet Grouting giảm nguy hại địa kỹ thuật, công thức tính năng lượng phun đôi theo (2). Cọc đường kính 1,5 m, cách nhau 1,2 m, vữa /m cọc 1070 lít hoặc 667 kg xi măng. Năng lượng cụ thể 373 MJ/m tạo ra cọc đường kính trung bình 1,5 m. ( ³ / ) * ( ) ( / ) g g t Q m phut P MPa E V phut m  (2) trong đó: Pg: áp lực vữa (MPa), Qg lưu lượng vữa (m³/giờ). 4.5. Theo [6], Jet Grouting dùng Phun ba phù hợp nhất để cải thiện đất sét nhằm: (1) thiết lập thông số Jet Grouting theo năng lượng phun trong đất cần xử lý; và (2) thiết lập thông số Jet grouting tương lai với đất tương tự. Đường kính 1,6 m với khoảng chồng lên nhau 0,25 m. Pw = 400 ÷ 405 bar; Qw = 130 ÷ 150 lít/phút; Rs = 5 ÷ 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 được tính theo công thức (3). . . [ / ]w w g gj t P Q P Q E MJ m V   (3) trong đó: Pw, Pg: tương ứng áp lực nước và vữa (MPa). Qw, Qg tương ứng là lưu lượng nước và vữa (m³/giờ). Năng lượng tối thiểu 75 MJ/m tạo nên cọc 1,6 m với Nspt = 2 ÷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 khi tia vữa của Jet Grouting đạt đến khoảng cách đặt sensors cho việc tìm kiếm mối quan hệ giữa năng lượng và khả năng xói. Ghi lại thời gian làm xói mòn đất của tia vữa để đạt được một điểm cố định để đánh giá các đặc tính làm xói mòn trong đất dùng các cảm biến rung. Quan hệ của khoảng cách và thời gian xói được đưa ra theo công thức (4). 2.21 1.72 1.8931.2. . .T L P Q  (4) trong đó: T: thời gian phun (giây); L: khoảng cách từ vòi đến điểm đo đạt (cm); P: áp lực của vòi phun nước (MPa); Q: lưu lượng vòi nước (lít/phút). 4.7. [11] đưa ra quan hệ đường kính cọc, năng lượng xử lý và thông số đất đơn giản (kích thước hạt, NSPT, Su) là thực nghiệm đưa ra thông tin cho thiết kế, nhưng không đề cặp đặc tính cơ học. Đề nghị năng lượng nên xét tại vòi phun, En, vì có thể kể đến mất mát năng lượng và tại vòi phun và liên quan chiều dài cọc, L, và có thuận lợi là liên quan tỉ trọng vữa và đường kính vòi phun theo công thức (5). 3 2 2 4 8. . . . . g n Q E M d     (5) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 49 trong đó: M: số lượng vòi phun, d: đường kính vòi,  : mức độ nâng cần, m: lượng vữa phun, n : vận tốc vữa tại vòi phun, g : tỉ trọng vữa, Q: lưu lượng vữa. 4.8. [14] đưa ra mô hình để xác định khoảng cách xói của tia, cho rằng khả năng xói của tia đạt đến giới hạn tại vị trí áp lực tia cân bằng sức kháng đất theo công thức (6). Điều kiện kiểm soát phá hoại đất, do đó khả năng xói tia phụ thuộc tỉ trọng vữa hoặc tỉ trọng môi trường xung quanh. Việc lựa chọn áp lực phun phụ thuộc chủ yếu vào loại địa chất ở hiện trường. ( ) 6.25.j i s n bu l P P d q   (6) trong đó: dn: đường kính vòi phun; lj: khoảng cách xói của tia; Pi: áp lực trong vòi phun; Ps: áp lực thủy tĩnh tác dụng lên đầu ra vòi phun, Pi -Ps: sự khác nhau về áp lực tại vòi; qbu: khả năng chịu cắt của đất. 4.9. Công thức xác định khoảng cách xói của tia theo [24], bán kính cọc được xác định theo loại đất, áp lực phun, lưu lượng phun,số lần lặp, và vận tốc quay vòi phun theo công thức (7): ( . . . )K P Q NL V     (7) trong đó: L: bán kính cọc (m); K: hệ số cho từng loại đất, đối với đất cát lấy bằng 31,5; P: áp lực phun (MPa); Q: lưu lượng phun (m3/phút); N: số lần lặp ở chiều sâu thiết kế; V: vận tốc quay của vòi phun (m/s) = [d × π ×V (rpm)]/60; d: đường kính cần; D: đường kính bên ngoài của 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 tại khoảng cách thâm nhập tạo ra trong đất, đường kính có thể dự báo từ khoảng cách thâm nhập theo: (a) lý thuyết dòng chuyển động hỗn loạn, và (b) lý thuyết xói đất. Nếu xem đường kính cần khoan, D0, khi đó bán kính cọc soilcrete, Rj, được xác định theo công thức (8 và 9) [22]. 0 0 0 4. 2 2 . . /j L u atm D D QR x M d q p        (8)  /b (9) trong đó: xL: khoảng cách thâm nhập, Q: lưu lượng vữa, M: số lượng vòi phun, b: thông số đất dựa trên kết quả đo đạt, b khác nhau 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, hoặc dính), cường độ, năng lượng hệ thống Jet grouting, hoạt động vòi phun, theo [13], đường kính trung bình Da được xác định theo công thức (10a và 10b) tương ứng cho đất hạt mịn và đất rời.                 5.0 . 10*5.7 . '* cn refa qEDD (10a)                 10 . 10*5.7 . '* SPTn refa NEDD (10b) Công thức 10a và10b, Dref, có ý nghĩa vật lý để tìm ra được đường kính với Jet Grouting tùy theo α bằng 1 hoặc 6 tương ứng cho phun đơn hoặc Phun đôi và Phun ba, E’n = 10 MJ/m và qc = 0,5 MPa hoặc NSPT = 10 phụ thuộc loại đất. trong đó: đường kính tham chiếu, Dref, phụ thuộc đặc tính đất, cùng với 2 số mũ β và δ, đã được hiệu chuẩn trên dữ liệu thí nghiệm. Động năng cụ thể tại vòi E’n tỉ lệ xi/nước theo trọng lượng w bằng 1 (Λ*ref ~= 7,5) và năng lượng cụ thể tại vòi phun E’n,ref = 10 MJ/m. Sức kháng đất xác định bởi NSPT và qc tương ứng cho đất rời và đất dính. Giá trị tham chiếu cho NSPT,ref = 10) và qc,ref = 0,5 MPa. 5. THẢO LUẬN Việc đưa ra công thức xác định đường kính soilcrete cần phải phản ảnh đầy đủ toàn bộ quá trình hình tạo thành cọc trong đất nền gồm 4 bước: (1) đầu tiên là phân loại đất (rời, dính) mà xác định cường độ (Nspt và Su); (2) cơ chế cắt xói khác nhau theo loại đất nền (sét, cát, sỏi); (3) dựa vào đường kính yêu cầu thiết kế sẽ chọn hệ thống Jet Grouting thích hợp theo cơ chế xói và năng lượng yêu cầu; và (4) chọn thông số ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 50 vận hành tương ứng với hệ thống và đường kính yêu cầu. Vì vậy, việc chọn được công thức xác định đường kính phải phản ảnh được toàn bộ 4 bước trên thì công việc ứng dụng Jet Grouting sẽ có được kết quả tối ưu. Tổng hợp các công thức xác định đường kính Soilcrete của Jet grouting có thể tổng hợp về mức độ thỏa mãn toàn bộ các yêu cầu hình thành cọc theo Bảng 1. Theo kết quả thống kê trong bảng thì chỉ Công thức 11 hợp lý nhất và đáp ứng toàn bộ yêu cầu của việc dự báo đường kính soilcrete của Jet Grouting. Bảng 1. Các công thức xác định đường kính Soilcrete tạo ra bởi Jet Grouting TT Theo loại đất (rời: NSPT, dính Su) Cơ chế xói (rời hoặc dính) Hệ thống- Năng lượng (vữa, nước, khí) Thông số vận hành (tùy theo hệ thống) Khác 1 Sensor tỏa nhiệt xi 2 Vận tốc rút 3 Trọng lượng xi, nước, đất, và khí 4 Năng lượng Phun đôi Ap lực, lưu lượng, vận tốc nâng 5 Năng lượng Phun đôi Ap lực, lưu lượng, vận tốc nâng 6 Ap lực, lưu lượng, thời gian phun Sensor đo đao động 7 Năng lượng Đầy đủ thông số vận hành 8 Khả năng chịu cắt của đất (không phân loại) Áp lực phun, Áp lực môi trường 9 Đầy đủ thông số vận hành 10 Xem xét loại đất, cường độ qu Lưu lượng, số vòi 11 Rời: NSPT, dính Su Cơ chế khác khau, Dref khác nhau Năng lượng khác nhau, xét tại vòi Thông số vận hành qui thành năng lượng Độ nhớt vữa theo Λ* ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 51 6. KÊT LUẬN Jet Grouting là công nghệ gia cố xử lý nền nhiều ưu điểm như cũng tồn tại khó khăn trong dự báo đường kính cọc Jet Grotunig. Đường kính trung bình Jet Grouting thay đổi theo đặc tính cơ học của đất và thông số vận hành Jet Grouting (hệ thống Phun, thành phần chất phun, năng lượng cụ thể tại vòi). 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. Vì vậy, công thức 11 hợp lý nhất trong việc xác định đường kính soilcrete của Jet Grouting và phản ảnh được toàn bộ các tính chất liên quan trong việc ứng dụng Jet Grouting đến thời điểm hiện tại. 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 và Công nghệ. Gia cố nền 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. [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 4th 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. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 52 [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 reinforcement of port structure”, 14th Pan-Am CGS Geotechnical Conference, Toronto, 2011, 8 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 Hoàng Hùng. Công 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