Ứng dụng công nghệ phun vữa xi măng áp lực thấp để thi công móng cọc, xử lý nền đất yếu và một số công tác nền móng liên quan

Thổi rửa đáy cọc                                            Tác giả: KSCC. Nguyễn Lý Trọng – Hội KHKT Xây dựng TP. HCM

Trong ngành xây dựng, áp dụng cọc vữa để thi công nền móng thực chất là công tác trộn sâu (Deep mixing) đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước từ những năm 70.

Hiện có các công nghệ có thể được áp dụng:

• Trộn vữa xi măng với đất trong lỗ thân cọc (đã khoan theo kích thước D_(mm) và L_(m) thiết kế). Bằng phương pháp trộn cơ khí (Mechanical grouting) với thiết bị thi công đồng bộ của Nhật Bản, Trung Quốc hoặc Hàn Quốc…sản xuất.
  Tên sản phẩm thường gọi là (cột, trụ) đất – xi măng.
  Các doanh nghiệp xây dựng thường nhắc đến là Công ty Hữu Lộc (với các doanh nghiệp thành viên là Công ty CP Đầu tư và Xây dựng Nền Móng Phú Sĩ, Công ty Tenox KyuSyu Việt Nam…).
• Phun vữa xi măng qua lỗ khoan đã khoan vào nền đất cần xử lý với áp lực kiểu phun tia (Jet grouting) bằng thiết bị đồng bộ nhập ngoại hoặc tự chế, cải tiến trong nước.
  Tên gọi các sản phẩm khi khoan phun tùy áp lực phun vữa:
  + Với thiết bị có áp lực cao (P = 20 ÷ 40 Mpa): cọc khoan phun cao áp
  + Với thiết bị có áp lực thấp (P = 3 – 5 Mpa): cọc khoan phun áp lực thấp (cọc Jet pile).

Các doanh nghiệp xây dựng đang hoạt động thường được nhắc đến ở TP. Hồ Chí Minh là:

• Công ty Công nghệ Nền Móng Tiên Tiến (từ năm 2005): Khoan phun cao áp
• Công ty Xây dựng Kỹ thuật Hạ tầng Tiên Tiến AIT (từ năm 2006): Khoan phun áp lực thấp.

Tiêu chuẩn kỹ thuật đã ban hành và công bố hiện có:

• TCVN 385-2006, nay là TCVN 9403-2012: Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng do Bộ Xây dựng ban hành.
• TCCS 05-2010/VKHTLVN: Hướng dẫn sử dụng phương pháp Jet grouting tạo cọc đất xi măng để gia cố đất yếu, chống thấm nền và thân công trình đất do Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam công bố.
• TCVGT 5-2004: Quy trình thi công và nghiệm thu cọc đất gia cố vôi – xi măng do Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải ban hành.

Bài viết này chỉ nêu những ứng dụng công nghệ phun vữa xi măng bằng thiết bị khoan và máy bơm vữa có áp lực thấp trong công tác xử lý nền móng các công trình xây dựng.

1. Khái niệm, phạm vi áp dụng:

1.1. Năm 2008, cố GS.TS. Nguyễn Trường Tiến, Chủ tịch Hội Cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình (VSSMGE) đã có bài viết giới thiệu và kiến nghị sử dụng công nghệ cọc bơm phun áp lực thấp (Technology for construction of jet grouting pile with low pressure) này khi làm việc và khảo nghiệm với cọc đường kính D ≤ 400mm do Công ty Xây dựng Kỹ thuật Hạ tầng Tiên Tiến (Công ty AIT) thi công tại TP. Hồ Chí Minh.
Trong những năm qua, công nghệ này đã được áp dụng có hiệu quả trong xây dựng nền móng ở một số tỉnh phía Nam và TP. Hồ Chí Minh. Khắc phục được những nhược điểm của công nghệ cọc đóng – ép và cọc nhồi BTCT khi kích thước cọc yêu cầu tương đương 300 ÷ 400 mm (đường kính D), cụ thể:

• Không phải sử dụng thiết bị thi công lớn, vận hành khó khăn ở địa hình nhỏ, hẹp; hạn chế bởi những công trình hiện hữu kề bên đang sử dụng…(tránh gây tiếng động, ồn; rung động gây mất ổn định công trình liền kề; thải nước và bùn đất như với cọc nhồi ra xung quanh).
• Có thể áp dụng làm cọc chịu tải trong công trình, tác dụng lên vùng đất nền yếu, dễ lún sụp, trượt lở gặp khó khăn khi đưa thiết bị lớn và nặng lên mặt bằng thi công.
• Do sử dụng thiết bị nhỏ (kích thước nhỏ, chiều cao dàn khoan H < 3m và trọng lượng nhẹ) nên đáp ứng dễ dàng, yêu cầu xử lý trong nhà, xưởng đang sử dụng, khai thác để nâng tầng (nhà ở), nâng cấp (kho, xưởng, bãi…) cải tạo móng, nền…khi có yêu cầu.

• Thi công vách chống thấm hoặc vách tầng ngầm (thay vách dùng cọc nhồi loại D = 300 ÷ 400mm) có yêu cầu chống nước ngầm.

• Thi công cọc chèn cho hàng cọc nhồi (hoặc cọc đóng, ép) có khe hở 10 ÷ 20cm.
• Thi công gia cường ổn định mặt đất, bờ sông… để tránh sạt lở do mức nước lên xuống hoặc va đập của sóng nước do tàu, thuyền máy di chuyển trên sông.
• Công nghệ cọc vữa áp lực thấp có thể áp dụng để phun vữa xi măng vào nền đất (qua hệ ống đóng theo một lưới cân đối trên mặt bằng) để gia tăng cường độ chỉu tải cho nền.

Phương án sử dụng công nghệ cọc vữa phun xi măng áp lực thấp (thổi rửa đấy cọc) là công nghệ chủ đầu tư nên hướng tới để lựa chọn khi có yêu cầu:

• Giảm giá thành tổng thể công tác nền móng.
• Giảm chiều dài (L) cọc.
• Không đặt cốt thép suốt chiều dài cọc (chỉ đặt thép ở đoạn cọc có yêu cầu chịu tải trọng ngang và liên kết với kết cấu tiếp giáp bên trên).

1.2. Về thực chất, cọc tạo thành từ bơm phun xi măng áp lực thấp (thổi rửa đáy cọc) là loại cọc tiết diện nhỏ để chịu tải trọng tác động của công trình, với:

• Đường kính trung bình: D = 200 ÷ 400mm (Cọc có thể mở rộng tiết diện đường kính cọc ra 300 ÷ 600mm tại những vị trí có yêu cầu trên thân cọc và đầu cọc do điều chỉnh áp lực khi phun vữa).
• Chiều dài cọc ngắn: L thường dưới 20m.
• Thân cọc (đoạn đầu cọc) có thể đặt lồng thép (với thép chịu lực ϕ12 ÷ 14 và đai xoắn) hoặc lõi thép bằng thép ống, thép hình.
• Mác vữa thân cọc có thể đạt 200 kg/cm² với cấp phối vữa XM : C (xi măng : cát) hoặc XM : C : đá mi.

Do đó, sức chịu tải cọc chủ yếu do lực ma sát giữa thành ngoài cọc và nền đất. Có thể sử dụng cọc vữa làm:

• Cọc móng chịu tải trọng từ công trình xuống nền.
• Cọc neo chịu lực nhổ (đẩy) tách công trình khỏi nền.
• Cọc chèn khe hở giữa các cọc tường vây hố đào.

1.3. Với công nghệ phụt vữa xi măng áp lực thấp (thổi rửa đáy cọc), có thể phụt vữa qua hệ thống ống đóng với chiều sâu 1 ÷ 3m tùy yêu cầu của thiết kế để trực tiếp phụt vữa vào nền đất, gia cường sức chịu tải của nền, có thể tăng 1,6 ÷ 2 lần so với khi chưa xử lý.

• Cấu tạo ống thép để phụt vữa: đường kính D60 (mm). Dọc thân ống có đục lỗ 3 ÷ 5mm với 3 lỗ trên 1 tiết diện, các tiết diện có đục lỗ so le và cách nhau 5cm.
• Trên mặt bằng, ống được bố trí theo mạng lưới vuông, khoảng cách hàng a x b = (1,5 x 1,75).r (với r : bán kính gia cố được ra xung quanh 1 ống khoan). Kinh nghiệm thường chọn a x b là 1 x 1,2 đến 1,2 x 1,5m với nền đất yếu.
• Cấp phối vữa phun gia cường nền có thể thêm phụ gia hóa dẻo và cát tùy cấu tạo địa chất của nền. Tỷ lệ N : XM thường chọn 5 : 1 đến 1 : 1 với lượng xi măng khoảng 65 ÷ 75 kg/mét dài ống.

1.4. Cọc vữa theo công nghệ phun vữa xi măng áp lực thấp (thổi rửa đáy cọc) có thể thực hiện nhiệm vụ của cọc nhồi đường kính D 300 ÷ 400mm để làm vách tầng ngầm, ở điều kiện địa chất nền cho phép.

• Dãy cọc vừa khoan phun liên tiếp theo tuyến chu vi tầng ngầm, chồng lên nhau khoảng 50mm.
• Kích thước cọc D 300 ÷ 400mm, L tới 20m.
• Thân cọc có đặt lồng thép với chiều dài 4 ÷ 6m để tham gia chịu tải trọng và liên kết với đài cọc và sàn tầng ngầm  phía trên.
• Cấp phối vữa chọn như cọc chịu tải, có lượng xi măng cao để chống thấm.

2. Thiết bị và công nghệ thi công phun vữa áp lực thấp (thổi rửa đáy cọc).

2.1. Dây chuyền thiết bị thi công đồng bộ gồm:

a. Thiết bị khoan mini kết hợp phun vữa (kích thước tháp khoan tối đa 3 ÷ 4m).

• Nhập ngoại hoặc tự chế (cải tiến từ máy đào, máy cẩu nhỏ… của Nhật, Hàn Quốc).
• Các thông số kỹ thuật chủ yếu:
  + Đường kính khoan: D 200 ÷ 500mm.
  + Khoan sâu: 4 ÷ 20m.
  + Số vòng xoay: 40 ÷ 50 vòng/phút.
  + Công suất máy: N = 20 ÷ 40 HP.
• Cánh và mũi khoan được cải tiến để đảm bảo phun vữa và trộn đều vữa, đưa từ cần khoan ra.
• Nên khống chế tốc độ khoan (thường 0,5m/phút) và tốc độ hút cần (kết hợp phun vữa – thường 1m/phút).

b. Máy nén khí: Để hỗ trợ khoan và phụt vữa (phương pháp trộn khô).

Thông số kỹ thuật chủ yếu:

• Áp lực khí nén bảo đảm: P = 10 kg/cm²
• Công suất máy: N = 10 HP

c. Máy bơm phun vữa xi măng: Thường dùng loại bơm chân không đồng bộ với ống dẫn vữa vào ống phun vữa (cần khoan hoặc ống đóng phụt vữa) hoặc dùng máy bơm vữa trục vis.

Các thông số kỹ thuật thường chọn:

• Áp lực máy bơm: 8 ÷ 10 Mpa. Công suất bơm: 10 – 15 m³/h.
• Khoảng cách tác dụng (bơm xa): 50 ÷ 200m.
• Đường ống chịu áp cơ bản miệng hút 76 ÷ 100mm. Miệng xả 51 ÷ 60mm.
• Động cơ điện 3 pha: khoảng 10 HP.

d. Các máy phụ trợ khác:

• Máy trộn vữa bê tông cốt liệu nhỏ V = 80 ÷ 120 lít (vận hành bằng động cơ điện hoặc diesel) để trộn vữa XM : C (hoặc thêm đá mi). Tùy khối lượng thi công có thể bố trí trạm vữa bê tông mini tại hiện trường.
• Máy gia công cốt thép (cắt, uốn, hàn…) với ϕ ≤ 14.
• Máy thủy bình: Để định vị khoan phun…

2.2. Công nghệ phun xi măng áp lực thấp tạo cọc vữa xi măng (thổi rửa đáy cọc).

Các bước tiến hành cụ thể:

• Định vị cọc trên mặt bằng theo thiết kế bố trí cọc.
• Đưa thiết bị chủ yếu vào vị trí (thiết bị khoan). Nếu mặt bằng chật hẹp có thể bố trí các thiết bị phụ trợ khác từ ngoài xa (các máy trộn vữa, bơm phun vữa xi măng).
• Khoan lỗ thân cọc theo D_(mm), L_(m) thiết kế. Đường kính cọc D_(mm) có thể mở rộng từng đoạn ở thân và mũi cọc.
• Vữa xi măng được trộn và kiểm tra theo cấp phối thiết kế, chuyển tới máy phun vữa. Từ máy bơm phun, vữa xi măng được bơm đẩy tới ống khoan (hoặc ống đóng) qua hệ thống ống có áp và phun đều ra xung quanh qua van xả cấu tạo ở đầu mũi khoan.
• Vữa được phun ra trong quá trình rút cần khoan lên được cánh khoan trộn đều, đông kết thành thân cọc (áp lực khoan khi khoan trộn và rút cổ lên thường bằng 1,5 lần áp lực khi khoan xuống tạo ra thân cọc, nói khác đi tức độ khoan rút ống lên (m/phút) thường bằng 1,5 ÷ 2 lần tốc độ hậ ống khoan).
• Việc đặt lồng thép vào đoạn đầu thân cọc có thể tiến hành khi đã bơm phun xong hoặc trong quá trình bơm phun tùy kích thước lồng thép và hệ thống cánh – mũi khoan.
• Thi công phần đầu cọc theo yêu cầu liên kết và chuyển máy.

3. Thiết kế cọc phun vữa xi măng áp lực thấp (thổi rửa đáy cọc).

Thiết kế cọc vữa xi măng áp lực thấp tương tự như đối với cọc thông thường về sức chịu tải, lún, xử lý chống thấm…

3.1. Về khảo sát thiết kế phương án.

Gồm:

• Khảo sát về địa hình, hiện trạng công trình lân cận ảnh hưởng và liên quan đến dự án.
• Khảo sát địa chất công trình và địa chất thủy văn cho dự án:
  + Xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và các chỉ tiêu về cường độ (qua các thí nghiệm CPT, SPT, PMT… )
  + Diễn biến mức nước ngầm; sự xâm thực của nước dưới đất…

3.2. Thiết kế sức chịu tải của cọc:

Tổng quát sức chịu tải của cọc theo đất nền Q.

Q = Q_p + Q_s
Trong đó:

Q_p: Sức chịu tải ở mũi cọc. Q_p = A_p.q_p

A_p: Diện tích mũi cọc.

q_p: Sức chịu tải đơn vị ở mũi cọc.

Q_s: Sức chịu tải do ma sát giữa thân cọc và các lớp nền. Q_s = uΣl_i.q_si

u: Chu vi cọc.

l_i: Chiều dài lớp đất i.

q_si: Sức chịu tải đơn vị ở lớp đất i.

Cách tính chi tiết, có thể tham khảo phụ lục A, TCVN 205-1998 để chọn q_p, q_s và m (hệ số điều kiện làm việc).

Sức chịu tải cho phép của cọc theo đất nền [Q] (tính theo trạng thái giới hạn):

[Q] = Q/F_s

Về F_s: Hệ số an toàn, thường lấy bằng 1,5 với Q_s, bằng 3 với Q_p.

Nói chung F_s ≥ 2 khi sửa chữa nền móng và độ tin cậy của khảo sát địa chất công trình thấp.

Sức chịu tải theo tính toán vẫn ở mức dự toán. Tùy mức độ quan trọng của công trình, nên xác định Q và [Q] qua thử cọc bằng phương pháp nén tĩnh (theo TCVN 9393-2013, phụ lục EE2 và tiêu chuẩn cơ sở TCCS 01-2011/SL).

Trường hợp muốn kiểm tra độ bền của vật liệu làm cọc. Có thể tham khảo tiêu chuẩn DBJ-08-40-94 (Thượng Hải, Trung Quốc) để xác định gần đúng độ bền khi thân cọc chỉ có vữa xi măng.

3.3. Tính toán, kiểm tra cọc vữa theo điều kiện biến dạng của nền.

Kiểm tra độ lún của nền gia cố S gồm:

S = S₁ + S₂

S₁: Độ lún bản thân khối cọc gia cố.

S₂: Độ lún khối đất nền dưới móng cọc.

Tính toán cụ thể, có thể tham khảo qua các quy chuẩn:

• TCXDVN 385-2006: Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng (phụ lục B và C) nay là TCVN 9403-2012.
• TCXDVN 45-1978: Tiêu chuẩn thiết kế Nền nhà và công trình (phụ lục 3).

Cũng có thể giải bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn trên cơ sở ứng dụng phần mềm Etabs.

3.4. Về cấp phối vữa xi măng  trong công nghệ phun áp lực thấp.

Tùy theo yêu cầu sử dụng trong công tác nền móng (cọc chịu tải, cọc chèn hay gia cố nền…) để lựa  chọn cấp phối trên cơ sở:

• Kinh nghiệm đã sử dụng ở công trình tương tự có hiệu quả tốt.
• Thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ có thể dùng với thành phần cốt liệu trơ (cát, đá mi…) loại và lượng.
• Thí nghiệm trộn thử trong phòng thí nghiệm về cấp phối chọn để kiểm tra với 1 đến 2 phương án.

Cấp phối thường được chọn theo:

• Xi măng: Dùng PC-40. Tùy loại đất nền phải xử lý và độ ẩm đất nền khi xử lý để chọn tỷ lệ xi măng theo thể tích đất nền. Khi lượng hạt bụi, sét tăng thì lượng xi măng tăng. Xi măng tăng thì độ chống thấm tăng. Nên dùng tỷ lệ N : XM thấp, nhất là khi thành phần hạt bụi sét nhiều trong nền phải xử lý.
• Có thể dùng phụ gia siêu dẻo khoảng 1% (không quá 3 – 5%). Để tăng độ lưu động khi phun vữa và tăng độ chống thấm cho hỗn hợp.
• Tỷ lệ N : XM với cọc chịu tải khoảng 0,5 : 1 đến 0,6 : 1. Các trường hợp khác 1 : 1 đến 1,2 : 1.

3.5. Về kiểm tra chất lượng thi công:

Việc kiểm tra chất lượng thi công và nghiệm thu phải lập kỹ thuật về các nội dung.

+ Vật liệu sử dụng, kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường.

+ Thiết bị thi công: Chứng chỉ kiểm tra cho phép sử dụng.

+ Công nhân: Có chứng chỉ hành nghề và huấn luyện an toàn.

+ Các thí nghiệm hiện trường trước khi thi công đại trà (nếu có).

+ Nghiệm thu chất lượng cọc:

• Đào lộ đầu cọc.
• Khoan lấy mẫu thân cọc.
• Thử nén cọc hiện trường.
• Trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn:
  + TCVN 9393-2012: Cọc, phương pháp thí nghiệm hiện trường.
  + TCVN 9361-2012: Công tác nền móng, thi công và nghiệm thu.
  + TCVN 9403-2012: Gia cố nền đất yếu bằng trụ xi măng.
  + Và một số chỉ dẫn kỹ thuật do chủ đầu tư và tư vấn, nhà thầu thi công đã thống nhất ở một số dự án tương tự.

4. Kết luận và kiến nghị

Công nghệ cọc vữa thi công bằng phun vữa xi măng áp lực thấp (thổi rửa đáy cọc) là một công nghệ mới, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và hạ giá thành của loại cọc mini (tiết diện nhỏ, D < 400mm) so với các loại cọc nhồi, cọc BTCT đóng hoặc ép trong công tác nền móng với nhiều loại địa chất nền (đặc biệt là nền đất yếu) tại:

• Công trình xây dựng dân dụng: Xây mới hoặc cải tạo nâng cấp nhà ở, chung cư, văn phòng, công trình công cộng…
• Công trình xây dựng công nghiệp: Xây mới hoặc xử lý, nâng cấp kho, bãi, nhà xưởng…
• Công trình xây dựng giao thông và thủy lợi: Nền đường, mố cầu, gia cố chống trượt lở mái đất, kè bờ… chống thấm nền.

Với những ưu điểm vượt trội như ở phần 1 của bài viết. Hội KHKT Xây dựng TP. Hồ Chí Minh nên khuyến khích và hỗ trợ các chuyên gia có kinh nghiệm và doanh nghiệp có liên quan sớm công bố tiêu chuẩn cơ sở về cọc vữa xi măng phun với áp lực thấp. Tạo pháp lý cần thiết cho ứng dụng công nghệ có hiệu quả này.

Tài liệu tham khảo:

1) Các tiêu chuẩn liên quan trong nước đã ban hành và công bố:

• TCXDVN 385-2006 nay là TCVN 9403-2012.
• TCVGT 5-2004/VKHCNGTVT.
• TCCS 05-2010/VKHTLVN.
• TCXD 205.
• TCVN 9361-2012.

2) Các tiêu chuẩn nước ngoài:

• DBJ-08-40-94.
• DIN-EN-12716.

3) Quy định kỹ thuật thi công, kiểm tra, nghiệm thu cọc đất xi măng (Cảng Hàng không Cần Thơ) tháng 5/2005 của công ty ADDC – Tổng Công ty Bay Dịch vụ Việt Nam.

4) Tài liệu bài viết của cố GS.TS. Nguyễn Trường Tiến (Chủ tịch VSSMGE) về cọc phun vữa xi măng áp lực thấp năm 2008.

5) Tài liệu giới thiệu cọc vữa của Tập đoàn Xây dựng Nền Móng Hữu Lộc (TP. HCM) năm 2012.

6) Hướng dẫn thiết kế thi công cọc đất xi măng theo công nghệ phun tia (JG) – Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật tháng 5/2014 – PGS.TS. Nguyễn Quốc Dũng, NHK.

7) Hồ sơ kỹ thuật các công trình ứng dụng cọc vữa xi măng phun với áp lực thấp (2006-2014) của công ty AIT tại TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam.

                                                                                                                                       Nguồn: Người Xây dựng