Công nghệ cọc cát gia cố xi măng

Cọc xi măng đất


Khoan cọc xi măng đất gia cố nền đất yếu tại Sân bay Cần Thơ
1. Giới thiệu chung

Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trền nền đất yếu cần phải
có các biện pháp xử lý đất nền bên dưới móng công trình, nhất là những
khu vực có tầng đất yếu khá dày như vùng Nhà Bè, Bình Chánh, Thanh Đa ở
thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long.[1]

Cọc xi măng đất -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là một
trong những giải pháp xử lý nền đất yếu đặc biệt là trong điều kiện đất
yếu quá dày, mực nước ngầm cao hoặc nền ngập nước và hiện trường thi
công chật hẹp. Khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: Làm tường hào
chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, sửa
chữa thấm mang cống và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái
dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu
dẫn...

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc xi măng đất có
ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu
(từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập
sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường
hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý
khác.(nếu sử dụng phương pháp cọc bê tông ép hoặc cọc khoan nhồi thì
rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày. Với 1 trường hợp đã áp dụng
với lớp đất dày 30m, thì khi sử dụng phương pháp cọc- đất xi măng tiết
kiệm cho mỗi móng xi lô khoảng 600 triệu đồng.[1]

Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng
đƣợc phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Mũi khoan đƣợc 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
đƣợc 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).

Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế - thi công – nghiệm thu cọc xi măng
đất là TCXDVN 385 : 2006 "Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất
xi măng" do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn,
Vụ Khoa học Công nghệ Xây dựng đề nghị, Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết
định số 38/2006/QĐ-BXD ngày 27 tháng 12 năm 2006. [2]

Tiêu Chuẩn của nước ngoài thì có Shanghai-Standard ground treatment code DBJ08-40-94.

Tuy nhiên trong các tài liệu tính tóan này chỉ chủ yếu đề cập đến vấn
đề lực thẳng đứng là chính mà chưa thấy đề cập đến vấn đề thiết kế khi
công trình chịu tải trọng ngang.
Về tên gọi

Về vấn đề tên gọi là "cọc" , "cột" hay la "trụ" thì hiện nay có 2 trường phái[2]:

+ Trường phái thứ 1 ở châu Á (học viện kỹ thuật Châu Á A.I.T, Trung Quốc...vv) thi gọi tên là "cọc" ximang-Đất.

+ Trường phái thứ 2 gồm các nước Mỹ, Nhật, Châu Âu...vv thì gọi là "cột" Ximang-Đất (các tài liệu dịch sang tiếng việt).

+ Riêng ở Việt Nam thi có người gọi là "cọc" Ximang- Đất, người thì gọi
là "Cột" Ximang -Đất. Có lẽ nên gọi là "Cột" thi đúng hơn bởi vì thuật
ngữ "Cọc" chỉ dùng để chỉ những loại như cọc BTCT, cọc Thép...vv có
cường độ lớn hơn rất nhiều so với "cột" ximang-Đất.
2. Các kiểu bố trí cọc xi măng đất

Tùy theo mục đích sử dụng có thể bố trí cọc theo các mô hình khác nhau.
Ví dụ: Để giảm độ lún bố trí trụ đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông.
Để làm tường chắn thường tổ chức thành dãy.


Hình A.1 - Thí dụ bố trí cọc trộn khô: 1 Dải; 2 Nhóm, 3 Lưới tam giác, 4 Lưới vuông


Hình A.2 - Thí dụ bố trí cọc trùng nhau theo khối




Hình A.5 - Thí dụ bố trí cọc trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công

3. Công nghệ thi công

Phương pháp xử lý bằng cọc đất - xi măng khá đơn giản: bao gồm một máy
khoan với hệ thống lưới có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường
kính cột được thiết kế và các xi lô chứa xi măng có gắn máy bơm nén với
áp lực lên tới 12 kg/cm2. Các máy khoan của Thuỵ Điển và Trung Quốc có
khả năng khoan sâu đạt đến 35 m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan
luôn thẳng đứng. Trong quá trình khoan lưỡi được thiết kế để trộn đầu
đất và xi măng, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều
tạo thành những cọc đất - xi măng đường kính 60 cm. Thời gian khoan cho
một bồn có đường kính 34 m từ 45 - 60 ngày.[1]

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 còn gọi
là Jet-grouting). Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ
Jet-grouting: đầu tiên là công nghệ S, tiếp theo là công nghệ T, và gần
đây là công nghệ D. + Công nghệ đơn pha S: Công nghệ đơn pha tạo ra các
cọc xi măng đất có đường kính vừa và nhỏ 0,4 - 0,8m. Công nghệ này chủ
yếu dùng để thi công nền đất đắp, cọc...

+ Công nghệ hai pha D: Công nghệ hai pha tạo ra các cọc xi măng đất có
đường kính từ 0,8 -1,2m. Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công các
tường chắn, cọc và hào chống thấm.

+ Công nghệ ba pha T: Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất mà không
xáo trộn đất. Công nghệ T sử dụng để làm các cọc, các tường ngăn chống
thấm, có thể tạo ra cột Soilcrete đường kính đến 3m.

Hiện nay ở Việt Nam, Trung tâm Công nghệ Máy xây dựng và Cơ khí thực
nghiệm thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải đã nghiên
cứu và chế tạo thành công thiết bị điều khiển và định lượng xi măng để
thi công cọc đất gia cố. Qua đó, Trung tâm đã làm chủ được việc chế tạo
hệ điều khiển, hệ định lượng và phun xi măng; tổ hợp thiết bị thi công
cọc gia cố đã được ứng dụng thành công và cho hiệu quả cao tại công
trường.[3]

So với sản phẩm cùng loại của CHLB Đức, thiết bị do Trung tâm chế tạo
có tính năng kỹ thuật tương đương nhưng giá thành chỉ bằng 30%. So với
thiết bị của Trung Quốc, thiết bị có nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn:
Do sử dựng máy cơ sở là loại búa đóng cọc di chuyển bằng bánh xích, nên
tính cơ động cao, tốc độ làm việc của thiết bị khoan lớn, năng suất gấp
1,5-2 lần. Đặc biệt, tổ hợp thiết bị được trang bị hệ thống điều khiển
hiện đại, toàn bộ các thao tác thi công cọc gia cố được tự động hóa
theo các chương trình, các số liệu về lượng xi măng sử dụng trên từng
mét cọc được hiển thị, lưu giữ và in thành bảng kết quả thi công cho
từng cọc. Đây chính là những chỉ tiêu rất quan trọng đánh giá chất
lượng của thiết bị cũng như chất lượng của cọc gia cố được thi công.

Đây là lần đầu tiên ở trong nước chế tạo được tổ hợp thiết bị thi công
cọc gia cố. Thiết bị có giá thành thấp, phù hợp với khả năng tài chính
của các đơn vị thi công. Thiết bị cũng được các nhà thầu sử dụng để thi
công tại sân bay Trà Nóc.
4. Tính toán cọc xi măng đất

Bài toán gia cố đất có 3 tiêu chuẩn cần được thỏa mãn:

1. Tiểu chuẩn cường độ: c, phi của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình.

2. Tiêu chuẩn biến dạng: Mô đun biến dạng tổng của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện lún của công trình.

3. Điều kiện thoát nước: Áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất cần được "giải phóng" càng nhanh càng tốt.
Ổn định tổng thể của các cọc đất gia cố xi măng

Có hai dạng phá hoại chính cần phải xem xét đối với trường hợp mất ổn
định tổng thể đó là: mất ổn định do trượt ngang các cọc đất gia cố; mất
ổn định khi khối cọc quay quanh mép của khối, (Public Work Research
Center, 2004).
Một số cơ chế phá hoại

Về phương pháp tính nền gia cố bằng các loại columnar systems. Khi tính
toán sức chịu tải của nền gia cố bởi cọc, 4 giả thiết phá hoại sau đây
thường được dùng để kiểm tra:

1. Trụ bị phá hoại do biến dạng nở hông (bulging deformation): Tất cả
các loại cọc mềm (highly compressible) như trụ đá, trụ cát, trụ vữa xi
măng... đều có xu hướng biến dạng nở hông dưới tác dụng của tải trọng
đứng. Biến dạng nở hông thường xảy ra ở phần đầu trụ nơi ứng suất hông
trong đất tương đối nhỏ. Khi xảy ra biến dạng hông, ứng suất hông trong
đất có thể giả thiết là đạt tới Rankine's passive limit (phá hoại bị
động). Sức chịu tải của nền tính theo sơ đồ này được tính bằng tải
trọng gây ra biến dạng nở hông cho từng trụ đơn lẻ.

2. Phá hoại của đất dưới đầu mũi mỗi trụ đơn lẻ: Nếu trụ quá ngắn (L <>

3. Phá hoại xảy ra ngay trong vùng được gia cố (mắt trượt phá hoại chạy
qua cả trụ lẫn đất): với kiểu phá hoại này các cọc đất gia cố và đất
xung quanh các cọc di chuyển theo một khối khi mất ồn định. Tính toán
sức chịu tải của nền như cho trường hợp móng nông đặt trên nền không có
trụ gia cố. Dùng các công thức tính sức chịu tải nêu trên. Tuy nhiên
cần lưu ý là tính chất cơ lý (c, phi) của nền sẽ được xem là tổng hợp
của c, phi của đất và trụ.

4. Phá hoại xảy ra tại vùng đất dưới đầu mũi trụ. Đây là dạng mất ổn
định tổng thể là cả khối cọc và đất giữa các cọc quay quanh mép của
khối cọc. Tính toán tương tự như trường hợp 3. Tải trọng tác dụng trên
bề mặt cộng với trọng lượng của khối trụ+đất sẽ được qui về thành tải
trọng tương đương đặt lên lớp đất dưới đầu mũi trụ.

Tính toán biến dạng của nền gia cố bằng trụ vật liệu rời thì phải tùy
vào độ cứng của trụ cũng như dạng liên kết đầu mũi trụ để đưa ra sơ đồ
tính phù hợp. Nếu trụ là dạng floating (không được đưa xuống tầng đất
chịu tải) thì nên tính toán lún bằng cách qui đổi trụ+đất thành nền
đồng nhất có E tương đương để tính. Nếu trụ tương đối cứng lại được đưa
xuống tầng chịu tải thì tính lún nền bằng độ lún của trụ có lẽ phù hợp
hơn. Lưu ý là trong tính toán lún nền gia cố bởi trụ, độ lún tổng không
có ý nghĩa mấy. Độ lún lệch quan trọng hơn rất nhiều. Về chuyện lún
lệch thì lại liên quan đến sự truyền tải trọng xuống trụ và đất nền như
thế nào (arching effect). [2]

Hiện nay có 3 quan điểm[2]:

- Quan điểm xem cọc xi măng đất làm việc như cọc. Sơ đồ này đòi hỏi trụ
phải có độ cứng tương đối lớn (trụ đá hoặc trụ bê tông - vibro-concrete
column) và các trụ phải được đưa xuống tầng đất chịu tải (bearing
layer). Nếu tính theo sơ đồ này thì lực từ móng chuyền xuống sẽ chủ yếu
đi vào các columns (đất nền dưới móng không chịu tải). Với trụ không
được đưa xuống tầng chịu lực, có thể dùng phương pháp tính với cọc ma
sát để tính.

- Quan điểm xem các cọc và đất làm việc đồng thời. Nền trụ+đất dưới
móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ c, phi được
nâng cao (được tính từ c, phi của đất và của vật liệu làm trụ). Công
thức qui đổi c, phi tương đương dựa trên độ cứng của trụ, đất và diện
tích đất được thay thế bởi trụ.(tính tóan như đối với nền thiên nhiên)

- Một số các nhà khoa học lại đề nghị tính tóan theo ca 2 phương thức
trên nghĩa là sức chịu tải thì tính tóan như "cọc" còn biến dạng thì
tính tóan theo nền.

Sở dĩ các quan điểm trên chưa thống nhất bởi vì bản thân vấn đề phức
tạp, những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm còn hạn chế. Có người
đề xuất cách tính toán như sau[2]:

+ Tính sức chịu tải của một cọc như cọc cứng.

+ Tính số cột cần thiết (Căn cứ lực tác dụng, khả năng chịu tải của đất móng giữa các cột).

+ Tùy thuộc tỷ lệ diện tích thay thế giữa cột va đất để tính tóan tiếp

- Nếu tỷ lệ này >20% thi coi khối đất+Cột là một khối và tính tóan như một khối móng quy ước.

- Ngược lại thì tính tóan như móng cọc.
Một số Kết quả nghiên cứu và khả năng ứng dụng tại Việt Nam.

Khi tính toán sức chịu tải của nền gia cố bởi cọc, 4 giả thiết phá hoại sau đây thường được dùng để kiểm tra:

1. Trụ bị phá hoại do biến dạng nở hông (bulging deformation): Tất cả
các loại cọc mềm (highly compressible) như trụ đá, trụ cát, trụ vữa xi
măng... đều có xu hướng biến dạng nở hông dưới tác dụng của tải trọng
đứng. Biến dạng nở hông thường xảy ra ở phần đầu trụ nơi ứng suất hông
trong đất tương đối nhỏ. Khi xảy ra biến dạng hông, ứng suất hông trong
đất có thể giả thiết là đạt tới Rankine's passive limit (phá hoại bị
động). Sức chịu tải của nền tính theo sơ đồ này được tính bằng tải
trọng gây ra biến dạng nở hông cho từng trụ đơn lẻ.

2. Phá hoại của đất dưới đầu mũi mỗi trụ đơn lẻ: Nếu trụ quá ngắn (L <>

3. Phá hoại xảy ra ngày trong vùng được gia cố (mắt trượt phá hoại chạy
qua cả trụ lẫn đất): Tính toán sức chịu tải của nền như cho trường hợp
móng nông đặt trên nền không có trụ gia cố. Dùng các công thức tính sức
chịu tải nêu trên. Tuy nhiên cần lưu ý là tính chất cơ lý (c, phi) của
nền sẽ được xem là tổng hợp của c, phi của đất và trụ.

4. Phá hoại xảy ra tại vùng đất dưới đầu mũi trụ. Tính toán tương tự
như trường hợp 3. Tải trọng tác dụng trên bề mặt cộng với trọng lượng
của khối trụ+đất sẽ được qui về thành tải trọng tương đương đặt lên lớp
đất dưới đầu mũi trụ.
5. Trình tự thi công cọc xi măng đất

Thi công cải tạo nền đất yếu bằng cọc xi măng đất có thể theo các bước sau:

- Định vị và đưa thiết bị thi công vào vị trí thiết kế;

- Khoan hạ đầu phun trộn xuống đáy khối đất cần gia cố;

- Bắt đầu quá trình khoan trộn và kéo dần đầu khoan lên đến miệng lỗ;

- Đóng tắt thiết bị thi công và chuyển sang vị trí mới.
6. Công tác thí nghiệm

Để thiết kế cọc xi măng đất ngoài những thí nghiệm khoan khảo sát hiện
trường nên có một số thí nghiệm kèm theo (xem thêm quy trình thí nghiệm
trong phòng và ngoài hiện trường của cọc xi măng đất)..
7. Thực tế ứng dụng

Nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước
vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung
trong giai đoạn 80-96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ. Riêng từ
1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6
triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự
án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3.

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối
lượng xử lý bằng cọc xi măng đất ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng
trên 1 triệu m3. Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy
Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967. Năm 1974, một đê đất thử nghiệm
(6m cao 8m dài) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm
mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả
năng chịu tải.

Việt nam (IBST) là người đầu tiên đưa chất gia cố là xi măng vào (khởi
thuỷ của phương pháp là cột vôi), điều này được khẳng định trong hội
nghị gia cố sâu tổ chức tại Stockholm 2001. Tại Việt nam, phương pháp
này được nghiên cứu từ những năm đầu của thập kỷ 80 (thế kỷ trước) với
sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển (SGI) với một thiết bị thi
công, do TS Nguyễn Trấp làm chủ trì. Đề tài được kết thúc vào năm 1986
thiết bị được chuyển giao cho LICOGI. Cũng trong giai đoạn này một đề
án tốt nghiệp về đề tài này được thực hiện ở trường Đại học Kiến trúc
Hà nội (1983).

Vào năm 2000, do yêu cầu của thực tế, phương pháp này được áp dụng trở
lại trong lĩnh vực xăng dầu, khi công trình chấp nhận một giá trị độ
lún cao hơn bình thường tuy nhiên có hiệu quả kinh tế cao. Đơn vị đưa
trở lại phương pháp này ban đầu là COFEC và nay là C&E Consultants.
Trong thời gian này song song với việc áp dụng rất nhiều thí nghiệm
hiện trường (quan trắc công trình) đã được thực hiên. Những thí nghiệm
mang tính nghiên cứu này được C&E thực hiện và quy mô của nó không
thua kém các đồng nghiệp khác. Hiện nay C&E đang thực hiện thí
nghiệm quan trắc sự thay đổi áp lực nước nước dưới đáy khối gia cố (ở
độ sâu > 20 m) tại TP. Hồ Chí Minh để xem xét lại tính thoát cố kết
của đất nền dưới đáy khối gia cố. Hai đầu đo đã được lắp đặt để tiến
hành nghiên cứu lâu dài.

Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc xi măng đất vào xây
dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh
Hòa) đã sử dụng 4000m cọc xi măng đất có đường kính 0,6m thi công bằng
trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần
Thơ. Năm 2004 cọc xi măng đất được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà
máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình
Vũ (Hải Phòng), các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu
xử lý trong khoảng 20m. Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử
dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu
Thanh Trì (Hà Nội). Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc xi măng
đất như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay
Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu ... [2]

Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ
khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản. Đề tài đã ứng dụng công
nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm
cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng XM đến tính chất
của xi măng đất,... nhằm ứng dụng cọc xi măng đất vào xử lý đất yếu,
chống thấm cho các công trình thuỷ lợi[4]. Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa
chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C
(Long An)...Tại thành phố Đà Nẵng, cọc xi măng đất được ứng dụng ở
Plazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay
cọc nhồi.

Tại Tp. Hồ Chí Minh, cọc xi măng đất được sử dụng trong dự án Đại lộ
Đông Tây, một số building như Saigon Times Square …Hiện nay, các kỹ sư
Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc xi măng đất để chống mất ổn định công
trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc –
Nam (giai đoạn 3) cũng kiến nghị chọn cọc xi măng đất xử lý đất yếu.

Có hai luận văn cao học [1 tại ĐH Kiến trúc Hà nội (2003) và 1 ở ĐH Xây
dựng HN (2004)] đã được bảo vê. Trong đó luận án của ĐH xây dựng đề cập
đến chịu tải trọng ngang cho việc gia cố hố đào.[2]
8. Nhận xét

Công nghệ trộn sâu nó chung và cọc xi măng đất đã được áp dụng khá phổ
biến trên thế giới nhưng chỉ mới được áp dụng ở Việt Nam gần đây.

Thực tế với các nền đường đắp cao trên nền đất yếu; công trình yêu cầu
thời gian thi công ngắn; độ lún còn lại nhỏ; yêu cầu đất nền cố kết
nhanh; tiết kiệm vật liệu đắp khi vật liệu này khan hiếm thì giải pháp
xử lý nền bằng cọc xi măng đất tỏ ra khá hiệu quả. Vì vậy sắp tới chúng
ta nên mạnh dạn ứng dụng công nghệ này để xử lý nền đắp trên đất yếu
nhất là các đoạn đường đầu cầu. Ngoài ra, ứng dụng cọc xi măng đất để
làm tường chắn, vách tầng hầm, chống mất ổn định mái dốc… cũng đạt được
hiệu quả cao về kinh tế - kỹ thuật.

Một khi công nghệ này trở nên phổ biến thì giá thành xây lắp sẽ giảm và
ưu điểm của phương pháp xử lý bằng cọc xi măng đất càng được nâng cao.

Công nghệ này rất hay. Anh em nhà mình có tài liệu thì post lên cho cả nhà cùng nghiên cứu nha.