Tản mạn về “cọc” xi măng – đất ở Việt Nam

8

Tên “cọc xi măng – đất” được sử dụng chủ yếu do hình dáng giống như một cây cọc, tuy nhiên tên gọi chính thức của nó là gọi là trụ xi măng (cement column), tên của TCVN 9403:2012 là “Gia cố đất nền yếu – Phương pháp trụ đất xi măng”. Nó được gọi như vậy trước hết là cường độ của nó là nhỏ hơn nhiều lần so với cọc bê tông, đồng thời khi thiết kế nền được gia cố bằng trụ xi măng người ta coi nó là một nền tương đương và nó được sử dụng cho công trình có dạng chịu tải diện rộng. Sau này cũng có một số tài liệu của đưa một phương pháp tính như cho cọc thông thường. Tuy nhiên tôi thấy không thuyết phục lắm vì đường kính của trụ là lớn vì vậy ma sát bên rất lớn nên khi cường độ cọc làm điều kiện chịu tải thì tải trọng không thể truyền xuống sâu, vì vậy sử dụng khái niệm này cũng phải đặt nằm trong một giới hạn của chiều sâu nhất định. Ý tưởng đưa vôi bột (quick lime) vào trộn với đất được ông Kjeld Paus phát kiến lần đầu tiên tại Thụy Điển vào năm 1967. Ông là một kỹ sư đường có nhiều năm kinh nghiệm, và thường dùng vôi để gia cố đất gần mặt đường. Phương pháp gia cố nông này cho đến nay vẫn được dung rộng rãi.
Sau khi đất nước Việt Nam thống nhất, Thụy Điển là nước phương Tây ít ỏi giúp đỡ Việt Nam trong công cuộc tái thiết đất nước. Năm 1979, trong chương trình viện trợ của SIDA, SAREC của Thụy Điển, Viện IBST (lúc bấy giờ là Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng, nay là Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng) may mắn được lựa chọn hợp tác với Viện Địa kỹ thật Thụy Điển (SGI). Hai công nghệ gia cố nền đất yếu do Thụy Điển phát minh được lựa chọn để chuyển giao cho Việt Nam: trụ đất vôi (lime column) và băng nhựa thoát nước (vertical band drain). Năm 1980, 2 thiết bị thi công trụ đất vôi và băng nhựa thoát nước được nhập vào Việt Nam. Cùng với đó 2 giáo sư Thụy Điển hàng đầu, Bengt Broms, chuyên gia về phương pháp trụ đất vôi, và Sven Hansbo, cha đẻ của phương pháp băng nhựa thoát nước, đã lần lượt trực tiếp sang Việt Nam vào năm 1979 và 1980 để trình bày về các công nghệ này. Bài giảng của các giáo sư cũng là tài liệu lý thuyết ban đầu cho Việt Nam. Trụ xi măng đất đã được đưa vào Việt Nam như vậy. Tuy nhiên ban đầu nó được gọi là trụ vôi-đất. Tôi cũng là một trong những người đầu tiên được tiếp nhận công nghệ này. Đây là một phương pháp được phát triển dùng vôi để tạo trụ vôi-đất, gia cố nền đất yếu. Khi đưa sang Việt Nam, xi măng rất hiếm mà vôi sống dạng cục có thể dễ dàng tìm thấy ở Miền Bắc Việt Nam, nên ban đầu, những người trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã cho rằng nó là phương pháp kinh tế với việc sử dụng vật liệu địa phương mà không hiểu rằng nó là loại vật liệu rất khó bảo quản trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Thiết bị thi công được chuyển sang Việt Nam là của hãng Linden Alimax, máy LPS-3, xem Hình 1. Thiết bị này có thể tạo được trụ có đường kính là 50 cm và chiều sâu là 10 m. Tốc độ thi công khoảng 150 m/ngày. Chương trình nghiên cứu được thực hiện ở IBST và dự kiến sau khi hoàn thành sẽ chuyển giao công nghệ cho Công ty Thi công Cơ giới Bộ Xây dựng (nay là LICOGI) quản lý.
Chương trình nghiên cứu, do cố TS. Nguyễn Trấp trưởng Phòng Cơ học đất-Nền móng, IBST chủ trì, gồm:
• Kỹ sư máy xây dựng Lại Xuân Dũng cùng với anh Hồng và Ảnh là hai công nhân của LICOGI phụ trách việc vận hành thiết bị;
• Kỹ sư hóa si-li-cát Nguyễn Mạnh Đẩu, phụ trách công việc thí nghiệm sử dụng chất kết dính là vôi bột chưa tôi dùng cho gia cố;
• Kỹ sư Nguyễn Anh Dũng, là tôi, phụ trách công tác tính toán lý thuyết cho việc áp dụng cho công trình.
Thiết bị đã chuyển sang Việt Nam từ năm 1980, tuy nhiên đến năm 1982 mới được đưa về IBST ở trạng thái “tan nát” do được nghỉ mát lâu dài ở cảng Hải Phòng, mà sau đó để khôi phục nó, phía SGI phải đưa sang một thợ máy để xem xét vận hành.

Hình 1. Máy thi công trụ đất vôi Linden-Alimax LPS-3 do Thụy Điển viện trợ cho Việt Nam

Để có thể thi công thực nghiệm phải đòi hỏi một khối lượng lớn vôi chưa tôi dạng bột mịn. Lúc này tại Việt Nam chỉ có các lò sản xuất vôi thủ công, để tìm được doanh nghiệp có thể cung cấp được theo yêu cầu là một vấn đề khó khăn. Sau khi tìm được cơ sở cung cấp, thì một vấn đề lớn hơn đã xuất hiện mà điều này đã đưa Việt Nam trở thành nước tiên phong sử dụng xi măng thay thế cho vôi, đó là khả năng bảo quản vôi bột trong quá trình lưu kho cũng như thi công do điều kiện khí hậu có độ ẩm cao ở Việt Nam, đồng thời cũng do hoàn cảnh nghèo nàn của chúng ta. IBST đã thông báo cho SGI về quyết định của mình về việc sử dụng xi măng thay thế cho vôi mà đã chịu sự chỉ trích của SGI. Và sau quyết định này các nghiên cứu dùng xi măng trộn đất được tiến hành tuy nhiên việc xác định chất lượng của vật liệu trụ gia cố là dựa hoàn toàn vào kết quả thí nghiệm trong phòng và không hề có thí nghiệm hiện trường. Sau này trong một hội nghị quốc tế về gia cố trộn sâu được tổ chức tại Thụy Điển (International Conference on Dry Mix Methods for Deep Soil Stabilization, Stockholm, 1999), trong bài giảng keynote của mình “Equipment for deep soil mixing with the dry method”, TS. Håkan Bredenberg, chủ tịch hội nghị, đã nhấn mạnh rằng: “Kinh nghiệm từ Việt Nam chỉ ra rằng trộn vôi với xi măng có thể làm tăng tính hiệu quả (gia cố đất)”. Nguyên văn tiếng Anh trong bài là: “Experiences from Vietnam demonstrated that mixing the lime with cement could improve the effectiveness” (Hình 2). Mặc dù điều này không đúng hoàn toàn vì nghiên cứu của chúng tôi chỉ dùng xi măng làm chất kết dính không có vôi. Tuy nhiên cứ có cụm từ “kinh nghiệm từ Việt Nam” là thấy tự hào rồi.

Hình 2. Trích dẫn bài giảng của TS Bredenberg tại Stockholm, năm 1999.
Hình 3. TS. Bredenberg thăm hiện trường tại Việt Nam,
năm 1981

Sau này tôi được nghe TS. Phùng Đức Long, người đã đã làm việc ở IBST trong khoảng thời gian từ 1975 – 1988, kế lại rằng năm 1999, khi anh đang làm việc tại công ty nền móng Stablator AB, thuộc tập đoàn hàng đầu thế giới SKANSKA, anh được tham gia chuẩn bị hội nghị nói trên cùng TS. Bredenberg, chủ tịch hội nghị. Trong một cuộc thảo luận với TS Bredenberg, anh đã khơi lại kỷ niệm áp dụng cọc đất vôi-xi măng tại Việt Nam từ những năm 80 và cho rằng chính Việt Nam đi tiên phong trong việc dùng xi măng thay cho vôi để làm trụ gia cố đất yếu. Anh Long cũng lục lại các kết quả nghiên cứu của kỹ sư Nguyễn Mạnh Đẩu từng viết trong đợt làm việc 4 tháng tại SGI năm 1982. Các tài liệu này đến nay vẫn còn lưu trữ tại thư viên SGI-Line nổi tiếng, và ai cũng có thể đọc hay đặt mua qua mạng (Hình 4). Trong Hình 4, bên trái là 6 tài liệu mà anh Đẩu và các đồng nghiệp viết trong chương trình hợp tác SGI-IBST, trong khoảng tời gian từ 1982 đến 1999. Còn bên phải chính là report “Some results from laboratory investigation on soil-lime mixture” do anh Đẩu viết năm 1982, tài liệu chứng minh luận cứ của anh Long. Thật may, TS. Bredenberg cũng là người từng tham gia chương trình hợp tác SGI-IBST và đã nhiều lần sang Việt Nam (Hình 3). Ông hiểu điều này và ông đã nhấn mạnh trong bài giảng keynote của ông.

Hình 4. Các tài liệu nghiên cứu về trụ xi măng đất do IBST thực hiện được lưu trữ tại Viện SGI.

Sau khi hoàn thành chương trình nghiên cứu với một số loại đất của đồng bằng Bắc bộ, thiết bi được chuyển giao cho LICOGI. Lúc này Phòng Cơ học Đất – Nền Móng của IBST đóng vai trò kiếm việc (vì cả nước chỉ có duy nhất một IBST và 1 phòng Cơ học đất và Nền móng biết thiết kế) và thuê lại LICOGI thi công. Công trình cuối cùng thực hiện bằng thiết bị thi công kể trên, vào năm 1990, là Nhà máy giết mổ gia súc An Hải – Hải Phòng mà tôi là tác giả thiết kế, lúc này tôi vừa trở về sau luận văn Phó tiến sĩ. Thiết kế chỉ dựa bản vẽ mặt bằng công trình tải trọng cột và báo cáo kết quả khảo sát của 1 hố khoan, không có thí nghiệm trong phòng xác định hàm lượng xi măng, không có thí nghiệm kiểm tra tại hiện trường cũng không có giám sát. Từ khi bắt đầu đến khi thi công tôi cũng không xuất hiện tại công trình, tất cả phó mặc cho một thợ máy của LICOGI có nghĩa là chất lượng thế nào thì không ai biết. Công trình có khoảng 3000 m dài trụ xi măng đất được thi công nhanh chóng trong 10 ngày và hoạt động bình thường sau đó, khoảng 5 năm tôi có liên hệ thì được biết công trình vẫn được sử dụng. Không rõ hiện nay còn tồn tại không. Bây giờ nhắc tới điều này làm tôi nhớ lại một lần tham gia Hội đồng của đề tài nghiên cứu về trụ xi măng đất, khi thấy chiều sâu của trụ là lớn khoảng 20 m, tôi có đặt câu hỏi làm sao để kiểm soát chất lượng thi công theo chiều dài. Một câu trả lời thú vị đã được đưa ra đó là: ”… chất lượng được khẳng đình bằng lương tâm của chúng tôi …”. Tuy nhiên tôi lại thấy nó đã đúng cho công trình tôi thực hiện ở Hải Phòng cách đó khoảng hơn 20 năm. Sau công trình này, phương pháp gia trụ xi măng đất cũng như thiết bị thi công đã đi vào quyên lãng.
Vào năm 2000, phương pháp trụ xi măng-đất đã quay trở lại Việt Nam cùng Công ty Hercules, thuộc tập đoàn NCC (Thụy Điển). Thiết bị của họ lúc này đã có hai thùng chứa riêng biệt trên xe cho vôi và xi măng. Tuy nhiên khi sang Việt Nam đã sử dụng hoàn toàn xi măng.
Câu chuyện là thế này: vào những năm 90, thế kỷ trước, tôi hay được Tổng công ty Xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) tham khảo ý kiến về lĩnh vực nền móng. Giai đoạn này hệ thống các bồn chứa xăng dầu được xây dựng nhiều. Hai phương pháp móng thông dụng dùng cho loại kết cấu này là phương pháp cọc bê tông cốt thép và phương pháp gia cố nông bằng cọc tre (ở miền Bắc) và cọc tràm (ở đồng bằng sông Cửu Long). Năm 1999, Petrolimex đã yêu cầu tôi tìm một giải pháp nằm giữa hai phương án nêu trên và tôi đã nghĩ ngay đến phương pháp trụ xi măng – đất. May mắn lúc này tôi làm ở Công ty liên doanh Kỹ thuật Nền móng Công trình (ABV-COFEC). Công ty do cố TS Nguyễn Trường Tiến và ông Bertil Nord, người Thụy Điển thành lập, mà ông Bertil Nord đang là giám đốc. Tôi đã đề cập vấn đề này với ông và đề nghị ông liên hệ với phía Thụy Điển tìm một công ty để đưa công nghệ này quay lại Việt nam đồng thời cũng là một cơ hội phát triển thị trường ở Việt Nam trong giai đoạn có nhiều dự án của nước ngoài. Công ty Hercules đã cử người sang tìm hiểu và quyết định dùng Petrolimex là bàn đạp để phát triển thị trường ở Việt Nam. Một thiết bị thi công được đưa sang cùng với hai thợ máy và một kỹ sư hiện trường người Thụy Điển, Tony Forsberg. Tôi đã giới thiệu anh Lại Xuân Dũng tổ chức một nhóm tham gia làm cho Hercules, còn tôi thuộc Công ty COFEC đóng vai trò thiết kế. Máy của Hercules có khả năng thi công trụ có đường kính 60 cm và chiều sâu là 20 m vói tốc độ thi công là 500 m dài/ngày.
Công trình thi công đầu tiên là móng cho 6 bồn chứa 3,000 m3 tại khu Công nghiệp Trà Nóc, TP. Cần Thơ, thuộc Petrolimex Miền Tây. Mỗi móng khoảng 3,000 m dài trụ xi măng đất với hàm lượng xi măng là 35kg/m dài trụ. Công tác thi công hoàn thành nhanh chóng mà kỹ sư giám sát công trình chỉ đến để mắc võng ngủ do không có gì để kiểm tra. Trong khi trước đây khi phương án cũ là đệm cát 3 m ở trên và bên dưới là cừ tràm. Quá trình thi công là cực kỳ gian khổ. Trước hết là đào hố móng sâu 3 m với đường kính khoảng 30 m, sau đó tiến hành đóng cừ tràm. Để thi công máy bơm nước hoạt động liên tục, thời gian thi công một móng khoảng 6 tháng mà kỹ sư giám sát phải ngâm mình trong nước dùng chân để đếm số cừ tràm dưới đáy hố đào. Bằng phương pháp thi công này, thời gian thi công thực tế khoảng 2 tháng. Ngày hoàn thành giống như một ngày hội của Petrolimex mà lãnh đạo của họ đã hết lời ca ngợi những kết quả đã đạt được, tất nhiên chúng tôi đã rất tự hào về đóng góp của mình. Để đánh giá chất lượng, một thí nghiệm chất tải toàn phần đã được thực hiện cho móng đầu tiên (Hình 2). Thời gian chất tải là 1.5 tháng. Trong thí nghiệm này, tôi đã áp dụng phương pháp quan trắc lún thông qua một ống nước đặt dưới đáy khối gia cố và thông qua sự thay đổi của chiều cao cột nước trong ống để quan trắc độ lún. Có lẽ đây là thí nghiệm đầu tiên loại này được làm ở Việt Nam mà sau này trong hoạt động nghề nghiệp của tôi, 5 thí nghiệm nữa đã được thực hiện với quy mô lớn hơn nhiều. Sau công trình này, Công ty Hercules tiếp tục thi công móng của 4 bồn chứa lớn 10,000 m3 tại Tổng kho xăng dầu Nhà Bè, TP Hồ Chí Minh.
Một kỷ niệm khó quên đối với tôi, đó là khi thi công móng bồn dầu ở kho C Tổng kho Xăng dầu Nhà Bè là khu vực có nền đất rất yếu. Khi thi công bồn đầu tiên, mới được khoảng ¼ diện tích thì ông Hakan (thợ vận hành người Thụy Điển) thông báo với tôi là đất rất yếu so với các công trình khác. Tôi đã quyết định cho dừng thi công và thực hiện thí nghiệm chất tải toàn phần cho phần đã thi công, đồng thời lấy mẫu đất chuyển về SGI (Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển) để đánh giá. Phải nói rằng đây là một quyết định rất khó khan, tới mức vợ tôi ở Hà Nội phải làm lễ trên chùa để Phật phù hộ cho tôi. Sau khoảng 20 ngày chất tải, độ lún ghi đo được khoảng 80 cm là vượt quá so với dự tính lý thuyết. Tôi đề nghị Petrolimex cho thay đổi sang phương án móng cọc bê tông cốt thép, tuy nhiên không được chấp thuận với lý do phương án kỹ thuật đã được phê duyệt. Không có đường lui, tôi và ông Bertil Nord đã bàn với chủ đầu tư trực tiếp là Petrolimex Sài gòn, vẫn dùng trụ xi măng đất để gia cố và sau đó dùng cát san lấp của công trình để chất tải với tải trọng chất tải bằng với tải trọng công trình làm giảm độ lún sau đó mới làm các bước tiếp theo. Có nghĩa là chỉ số kinh tế của công trình không thay đổi nhiều, tuy nhiên thời gian thi công sẽ bị kéo dài do quá trình chất tải chờ lún. Trong Hình 6 là khối chất tải đã thực hiện, chiều cao của nó là 7.5 m và đường kính là 35 m, nhìn vừa đau lòng và cũng thấy rất vĩ đại mà đến nỗi ông Bertil Nord đã nói với tôi là: “Chúng ta nên tự hào, vì tuy phương án là thất bại, nhưng chúng ta lại đã thực hiện được một thí nghiệm chất tải toàn phần lớn nhất thế giới”. Một số quan trắc cũng được áp dụng đó là đo lún bằng bàn đo lún, quan trắc lún và sự thay đổi của áp lực nước theo độ sâu. Thời gian chờ lún là 2 tháng. Độ lún ở tâm bồn khoảng 1.2 m và ở biên là khoảng 60 cm.

Hình 5. Thí nghiệm chất tải toàn phần
Hình 6. Chất tải giảm lún tại Nhà Bè. TP HCM

Và sau đó, khi dựng xong bồn chứa, bồn được thực hiện thí nghiệm chất tải bằng nước để kiểm tra độ kín khít, công tác quan trắc lún cũng được tiến hành. Nước được bơm đầy là lớn hơn tải làm việc của công trình do khối lượng thể tích của xăng dầu là nhỏ hơn nước. Thời gian thí nghiệm khoảng 1 tháng và độ lún quan trắc được tăng thêm khoảng 20 cm nữa theo chu vi bồn.
Thiết bị của Hercules còn tham gia vào một số công trình khác và sau đó cũng rút khỏi Việt Nam. Anh Lại Xuân Dũng và tôi cũng tiếp tục công nghệ này với các thiết bị nhập từ Trung Quốc.
Từ thực tiễn thiết kế và thi công, chúng tôi đã nhận thấy nhiều bất cập trong việc quản lý chất lượng và những yêu cầu khó kiểm soát ví dụ như độ ẩm của khí nén thổi xi măng phải nhỏ hơn 20%. Đồng thời khí nén liên tục được thổi vào đất ngay cả khi không có xi măng để ngăn nước làm ướt lòng cần khoan bơm xi măng. Quan sát thực tế sau khoảng 2 tuần kết thúc thi công bọt khí vẫn tiếp tục thoát ra. Áp lực khí này ở trong nền gây ra áp lực nước dư và xuất hiện hiện tượng cố kết dẫn đến độ lún phụ cho công trình. Anh Lại Xuân Dũng và tôi đã từng bàn luận về kết hợp giữa phương pháp này và phương pháp hút chân không có thể đem lại hiệu quả hơn. Tuy nhiên vẫn mới chỉ là ý tưởng. Có lẽ cũng vì thất bại ở công trình tại Nhà Bè, mà khó thuyết phục được việc mở rộng áp dụng. Thiết bị của anh Lại Xuân Dũng đã được chuyển đổi sang làm theo phương pháp ướt (phun vữa xi măng). Như vậy công nghệ CDM theo phương pháp khô đã rút lui cho các phương pháp ướt hay bơm phụ (jet-grouting). Cho đến nay phương pháp gia cố sâu bằng xi măng chủ yếu là phương pháp ướt hay jet-grouting.
Trụ xi măng đất thi công bằng phương pháp ướt đầu tiên được sử dụng ở Việt Nam vào năm 2004. Nó mang tên Tenocolumn và do Tenox Kyusyu Corp. thi công được áp dụng cho một công trình trình dân dụng 16 tầng ở TP. Nha Trang- Khánh Hòa và tác giả thiết kế là KS. Đào Triệu Kim Cương, nay là giám đốc của Telico, một công ty chuyên về trụ xi măng đất phương pháp ướt. Tenox Kyusyu Corp. là một công ty của Nhật Bản sử dụng trụ xi măng đất cho công trình dân dụng vì vậy để áp dụng cũng là khó khăn. Phương pháp ướt khối lượng lớn đầu tiên là tại công trình Nhiệt điện Ô Môn 1 (tháng 2/2006) mà đơn vị thi công là công ty Fudo Tetra (Nhật Bản), tại đây máy thi công có công suất lớn có thể thi công liền 2-3 trụ, cho phép làm tường chống trượt ổn định mái dốc. Sau đó phương pháp này được phát triển mạnh cho các công trình cảng, nhiệt điện nơi có nền đất yếu. Vào tháng 2/2006, tại cảng Lạch Huyện – Cát Hải – Hải Phòng, để bảo vệ bãi cảng chứa container, khối xi măng đất dày 50 m dọc theo bờ biển được thi công bằng phương pháp này.
Phương pháp jet-grouting, được TS Nguyễn Quốc Dũng (Viện Thủy công) thai nghén phục vụ chống thấm cho các công trình cống thủy lợi. Từ năm 2002 thiết bị được nhập về và làm thử cho đến năm 2004 áp dụng cho một công trình chống thấm tại Diễn Châu – Nghệ An, thiết bị sử dụng là loại chỉ phun vữa xi măng tuy nhiên nó là phù hợp cho các công trình trong ngành thủy lợi. Đến nay tại Việt Nam, lĩnh vực này chủ yếu do các công ty Việt Nam chiếm lĩnh, có thể kể ra các công ty nền móng Fecon và Telico. Các công ty này đã có khả năng thi công được các trụ có đường kính đến 3.0 m với công nghệ phun 3 pha.
Là một người đã được chứng kiến nhiều sự kiện của ngành Địa kỹ thuật, thông qua bài viết này tôi muốn cung cấp của các bạn trẻ một số ký ức về phương pháp gia cố sâu, mà chắc chắn phương pháp này sẽ ngày càng được phát triển ở Việt Nam.

 

Nguyễn Anh Dũng

Phó chủ tịch Hội Cơ Học Đất và Địa Kỹ Thuật Công Trình Việt Nam.

E-mail: areniscas50@gmail.com