Ground Improvement by Deep Vibro Technique In Vietnam
Giới thiệu
Xử lý nền đất yếu thường là một trong những công tác phải làm trong xây dựng nói chung và những dự án công nghiệp và hạ tầng nói riêng. Việc lựa chọn phương pháp xử lý nền đất yếu thì tùy từng loại hình dự án, yêu cầu kỹ thuật cũng như dự toán kinh phí cho phép và tiến độ mong muốn để quyết định. Một trong những yếu tố kỹ thuật cần quan tâm tới lựa chọn phương pháp xử lý là tải trọng công trình, tiêu chí lún cho phép cùng với hệ số ổn yêu cầu của công trình. Thông thường ở Việt Nam các phương pháp xử lý truyền thống như PVD kết hợp gia tải trước hoặc/và bơm hút chân không được người kỹ sư nghĩ tới đầu tiên nếu công trình có yêu cầu xử lý nền đất yếu. Tuy nhiên, phương pháp này thường có những giới hạn áp dụng nhất định như tải trọng thường nhỏ, cần thời gian chờ lún cố kết dài và phụ thuộc khá nhiều vào nguồn vật liệu cát lấp và gia tải. Những năm gần đây, các công nghệ mới trong xử lý nền đất yếu đã được áp dụng, trong đó có thể kể tới các công nghệ như Trộn xi măng đất, Bơm vữa áp lực hay công nghệ Đầm rung sâu, để giải quyết bài toán địa kỹ thuật trong xử lý nền đất yếu nhằm khắc phục những hạn chế của phương pháp truyền thống.
Trong bài này, tác giả xin giới thiệu về công nghệ Đầm rung sâu (Deep Vibro Technique) trong địa kỹ thuật nền móng công trình cũng những công trình tiêu biểu đã thực hiện trong khoảng hơn 1 thập kỷ vừa quá tại Việt Nam.
Đầm rung sâu là công nghệ được phát minh từ những năm 1930s bởi Johann Keller ở Cộng hòa liên bang Đức, công nghệ này áp dụng năng lượng rung động (dynamic energy) từ thiết bị Đầm rung sâu (Deep Vibrator) vào xử lý nền đất yếu. Tùy theo loại đất nền cần xử lý mà có những cách xử lý khác nhau. Trong đó, đối với nền cát rời thì có thể đầm chặt bằng công nghệ đầm rung sâu – thường gọi là Vibro-Compaction hay Đầm cát, hoặc đối với nền đất sét yếu thì công nghệ đầm rung có thể thi công tạo cọc vật liệu rời trong nền sét yếu – Thường gọi là Vibro Stone Column hay Cọc đá đầm rung sâu.
Kỹ thuật đầm cát – Vibro Compaction (VC)
Kỹ thuật đầm cát (VC) là một kỹ thuật cải thiện đất giúp tăng mật độ của cát hoặc các loại đất rời. Kỹ thuật này khá hiệu quả với đất rời có lượng tinh thể thấp hơn 10%. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật đầm này là các hạt của đất cát được sắp xếp lại thành một cấu trúc dày hơn thông qua áp dụng kỹ thuật rung động. Điều này được minh họa trong Hình 1.
Quá trình đầm cát bao gồm việc sử dụng đầm rung sâu với lực ly tâm từ 30 đến 70 tấn kết hợp với phun nước áp lực. Sự kết hợp giữa lực rung và nước áp lực cao gây ra hiện tượng lỏng hoá của đất xung quanh đầm rung, giúp quá trình xuyên xuống dễ dàng hơn. Khi đạt đến độ sâu yêu cầu, áp suất nước được giảm và đầm rung giữ tại độ sâu xử lý trong 1 khoảng thời gian định trước rồi được kéo lên theo các bước nâng định trước để nén chặt nền cát, quá trình này lặp lại để đầm chặt nền từ đáy lên đến bề mặt. Thông qua chuyển động rung ngang của đầm rung, đất xung quanh đầm rung sẽ trải qua sự rung lớn để ép các hạt đất sắp xếp lại thành một cấu trúc dày hơn. Quá trình này được minh họa trong Hình 2
Các lợi ích địa kỹ thuật sau đây có thể đạt được với đầm cát
• Cải thiện độ chặt của lớp đất nền để giảm độ lún
• Cải thiện góc nội ma sát của lớp đất nền để tăng khả năng chịu tải.
• Đầm chặt nền cát rời để giảm thiểu nguy cơ hóa lỏng.
CỌC ĐÁ ĐẦM RUNG – Vibro Stone Column (VSC)
Cọc đá đầm rung (VSC) là kỹ thuật cải tạo đất nhằm gia cố nền đất bằng cách chèn một cột vật liệu rời được đầm chặt vào đất nền và cung cấp đường thoát nước để đẩy nhanh quá trình cố kết của đất nền xung quanh.
Công nghệ này sử dụng thiết bị đầm rung sâu (deep vibrator) để thi công tạo ra các cọc đá được nén chặt với đường kính và độ sâu yêu cầu cũng như làm đặc lớp đất xung quanh (ví dụ: đất dạng hạt) ở giữa các cột. Thiết bị đầm rung sâu thường có lực ly tâm từ 13 đến 16 tấn được áp dụng trong công nghệ này.
Sử dụng cọc đá đầm rung có thể đạt được những lợi ích địa kỹ thuật sau:
- Cải thiện độ cứng của lớp đất nền để giảm độ lún
- Cải thiện cường độ kháng cắt của lớp đất nền để tăng khả năng chịu tải
- Nén đất dạng hạt rời để giảm thiểu khả năng hóa lỏng
- Đẩy nhanh quá trình thoát nước và cố kết của nền đất yếu.
Quá trình thi công bao gồm việc đưa máy vào vị trí, nạp vật liệu (đá) và nén chặt bằng máy rung. Kết quả tạo ra nền đất hỗn hợp gồm cọc đá và đất nền nhằm cải thiện khả năng chịu tải và các đặc tính nén lún. Quá trình thi công được minh họa trong Hình 3
Một số công trình tiêu biểu ở Việt Nam
Dự án lọc hóa dầu Nghi Sơn, Thanh Hóa
Tại dự án Nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn, các bồn chứa dầu bằng thép có đường kính lên tới 89m và cao 20m đã được áp dụng công nghệ Cọc đá đầm rung trong gia cố nền móng thay cho phương án móng cọc truyền thống. Nhà máy đã được đưa vào vận hành năm 2017. Mô hình xử lý nền cho bồn dầu lớn nhất có đường kính 89m được thể hiện trong Hình 4 và đất nền hiện hữu được mô tả trong Bảng 1.
Giải pháp thiết kế gia cố nền với Cọc đá đầm rung được áp dụng cho 12 bồn dầu có đường kính lớn. Các thông số và tải trọng thiết kế của các bồn được tóm tắt trong Bảng 2.
Yêu cầu về biến dạng của bồn dầu theo Tiêu chuẩn của ngành dầu khí được áp dụng trong dự án thể hiện trong Bảng 3.
Mặt bằng bố trí VSC cho bồn dầu đường kính 89m điển hình được minh họa trong Hình 5
Thử nghiệm nước tĩnh (hydrotest) để kiểm soát chất lượng cho cả phần móng và thân bồn được thực hiện bằng cách đổ đầy nước vào bồn và theo tiêu chuẩn API 650. Thử nghiệm này có thể kiểm tra sự làm việc của bồn chất lỏng qua việc đo độ lún của cạnh bồn. Hình 6 thể hiện so sánh giữa độ lún theo tính toán thiết kế với độ lún xác định qua thử nghiệm nước tĩnh.
Kết quả cho thấy, độ lún mép bồn đo được thấp hơn so với tính toán thiết kế, được thể hiện trong Hình 6. Xu hướng của đường cong độ lún giữa tính toán thiết kế và quan trắc là hoàn toàn giống nhau. Độ lún theo tính toán thiết kế lớn hơn độ lún trong thử nghiệm nước tĩnh có thể do chiều cao của nước thử khoảng 18,53m, tương đương với 182kPa, trong khi tải trọng sử dụng trong tính toán thiết kế là 200 kPa, điều này đã được trình bày trong bài báo (Selvaganesh và cộng sự, 2017).
Bãi chế tạo PTSC, Dự án Biển Đông 1, Vũng Tàu
Việc mở rộng một xưởng chế tạo dầu khí tại thành phố Vũng Tàu, miền nam Việt Nam đòi hỏi mặt bãi rộng và đủ sức chịu tải để phục vụ cho một máy cẩu dịch vụ hạng nặng với tải trọng hoạt động lên đến 500kPa tác động lên nền bãi. Hình 7 cho thấy máy cẩu hạng nặng đang làm việc trên mặt đất đã được xử lý.
Điều kiện đất tại khu vực nền điển hình là lớp sỏi sạn và cát mịn dày từ 1,3 đến 2,4m; tiếp đến là lớp sét rất mềm có bề dày thay đổi từ 8 đến 12m, bên dưới lớp sét rất mềm này là lớp sét pha trạng thái cứng. Lớp dưới cùng là cát rất chặt với sỏi, được thể hiện trong Bảng 4.
Các tiêu chí thực hiện được thông qua cho dự án này được trình bày trong Bảng 5.
Cọc đá đầm rung (VSC) được áp dụng trong dự án này. Cọc đá dài được thiết kế để giảm độ lún và tăng khả năng chịu tải trong khi cọc đá ngắn được thiết kế để tăng cường khả năng chịu tải. Mặt cắt ngang điển hình của sơ đồ xử lý như Hình 8
Thử nghiệm chịu tải trên tấm thép dải lớn (bàn nén) với kích thước tương tự như bánh xich máy cẩu (1,5m X 11,5m) được nén đến 600kPa (1.2 lần tải làm việc lớn nhất). Để tải trọng tác dụng lên bàn nén đồng đều hơn, bàn nén được gia cố bằng dầm thép và tải trọng được tác dụng bằng 4 kích. Độ lún đo được trong quá trình thử tải tĩnh ở 500kPa là ~59mm và ở 600kPa là ~98mm. Kết quả được thể hiện trong Hình 9.
Kho chứa quặng – Khu liên hợp gang thép Hòa Pháp, Dung Quất, Quảng Ngãi
Khu liên hợp nhà máy gang thép Hòa Phát Dung Quất đã được xây dựng vào năm 2017 và hoàn thành vào giữa năm 2019 tại tỉnh Quảng Ngãi, Việt Nam. Là một phần của khu liên hợp, bãi chứa nguyên liệu rộng 20ha với mái che bằng thép đã được xây dựng. Bãi tập kết nguyên liệu bao gồm bãi tập kết than, bãi trộn quặng sắt và bãi tập kết sắt viên với chiều cao tối đa của kho hàng là 14m. Mặt cắt điển hình của bãi chứa được thể hiện trong Hình 10. Bãi đã hoàn thiện được thể hiện trong Hình 11.
Điều kiện nền đất trong bãi chứa bao gồm cát rời /cát bột dày từ 12 m – 18 m với thí nghiệm CPT giá trị qc = 5,0 – 18 MPa và tiếp theo là đất sét mềm dày 2,0 – 6,0 m với giá trị qc = 0,4 – 0,8 MPa. Vùng cát rất chặt được xác định ở một số vị trí cục bộ. Mặt cắt lớp đất nền điển hình dự án này được thể hiện trong Hình 12.
Bãi kho được thiết kế để chứa quặng sắt và sắt viên cao 14m có trọng lượng đơn vị là 24kN/m3. Độ lún tối đa cho phép của bãi chứa là 400mm.
Biện pháp xử lý nền được áp dụng cho dự án này là kết hợp đầm chặt cát ở lớp cát trên mặt và cọc đá đầm rung ở lớp đất sét mềm. Mặt cắt ngang điển hình thể hiện sơ đồ xử lý được thể hiện trong Hình 13.
Thí nghiệm nén nền vùng rộng 6m X 12m đã được thực hiện để kiểm tra biến dạng nền sau xử lý. Áp lực tối đa trong thí nghiệm là 160 kPa hoặc khoảng 4.400 tấn tải trọng được chọn trong thí nghiệm, cùng với sử dụng những tấm thép làm bàn nén. Để không làm cong bàn nén thì những tấm thép được gia cường thêm bằng cách sử dụng dầm chữ I bằng thép. Thiết bị quan trắc được lắp đặt trong thí nghiệm gồm: Đo chuyển vị ngang sâu (inclinometer), cảm biến áp suất đất (load pressure cell) và lún mặt (gauges) . Bố trí thí nghiệm thử tải tĩnh được thể hiện trong Hình 14.
So sánh độ lún dự đoán bằng phương pháp Priebe và độ lún theo dõi trong thí nghiệm tải tĩnh cho kết quả được hiển thị trong Hình 15. Kết quả đo chuyển vị ngang thể hiện trong Hình 16.
Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng độ lún tính toán lớn hơn so với độ lún trong thí nghiệm. Sự khác biệt là khoảng 20%. Biến dạng ngang trong quan trắc inclinometer nằm trong khoảng 1 – 3mm. Tỷ lệ giữa độ lún và chuyển động ngang là khoảng 7. Kết luận rằng, công tác xử lý nền đã đạt mục tiêu kiểm soát độ lún và biến dạng của nền và kết cấu móng. Thực tế vận hành kho chứa từ 2019 tới nay cho thấy rằng nền bãi kho chứa quặng được xử lý bằng công nghệ đầm rung làm việc ổn định và đảm bảo tốt các tiêu chí ban đầu về biến dạng và ổn định nền và kết cấu móng.
Công Ty TNHH Nền Móng KELLER Việt Nam. E-mail: nghia.cao @keller.com.vn
Tài liệu tham khảo
Priebe, H.J. (1995). The design of vibro replacement. Proc. Of Ground Engineering, December, pp. 31-37
Le, H.Q., Yee, Y.W, Tran, N.M., Leong, C.F., Shen, R.F., (2013). Application of vibro stone columns for a fabrication yard in Vietnam, 18th Southeast Asian Geotechnical Conference & Inaugural AGSSEA Conference, January, Singapore.
Selvaraju, S., He, Z.W., Leong, K.W., (2017). Vibro replacement stone columns for large steel storage tanks in Vietnam. Proc. Of the 19th Intern. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Sept, Seoul, Korea, pp 2651-2654.
