Bảng A.2 - Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn của Bắc Âu và Nhật Bản

Bảng A.2 - Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn của Bắc Âu và Nhật Bản

1) Số lượng vòng quay cánh là tổng số nhát cắt đi qua 1 m của chuyển dịch trục trộn tính theo công thức T = M x (N_d / V_d + N_u / V_u) , trong đó T= số lượng vòng quay của cánh (n/m), M= tổng số cánh trộn, N_d = vận tốc quay của cánh trong pha xuyên xuống (vòng/ph), V_d = vận tốc xuyên xuống (m/ph), N_u = vận tốc quay của cánh trong pha rút lên (vòng/ph), V_u = vận tốc rút lên (m/ph). Nếu chỉ phun khi rút lên thì lấy N_d = 0.

A.3.3 Trộn ướt

Nguyên lý trộn ướt được mô tả trong hình A.5.

Cường độ và tính thấm phụ thuộc vào thành phần và đặc tính của đất (hàm lượng hạt mịn, hàm lượng hữu cơ, loại sét, thành phần hạt…), khối lượng và chủng loại vữa và quy trình trộn.

Có thể ngưng trộn khi vữa chưa bắt đầu đông cứng, khởi động trộn lại tại độ sâu ít nhất 0.5 m trong đất đã xử lý.

Bơm để chuyển vữa đến lỗ phun cần phải có đủ công suất (tốc độ truyền và áp lực) để truyền lượng vữa thiết kế an toàn.

A.3.3.1 Công nghệ châu Âu

Thường là khoan guồng xoắn (liên tục hoặc cục bộ, đơn/đa trục) hoặc cánh cắt phụ thuộc vào điều kiện đất nền và ứng dụng.

Khi thi công tường chắn có cốt thép, cốt thép cần đưa vào lòng trụ vừa chế tạo xong. Thiết bị rung có thể trợ giúp việc hạ cốt thép.

A.3.3.2 Công nghệ Nhật Bản

Dùng cả trên đất liền và trên biển. Trên đất liền dùng thiết bị có một, hai và bốn trục, có nhiều tầng cánh trộn để tạo độ đồng nhất cho trụ. Chỉ số quay cánh và khối lượng vữa được kiểm soát tự động. Đường kính cánh cắt từ 1.0 m đến 1.3 m, chiều sâu tối đa đến 48 m. Khi thi công trên biển thường dùng tàu lớn, trên đó lắp cả thiết bị trộn sâu, bồn chứa, trạm trộn vữa và phòng điều khiển. Các thiết bị này có thể tạo các trụ có diện tích tiết diện từ 1.5 m² đến 6.9 m², và tới độ sâu tối đa 70 m kể từ mặt nước biển.
Bảng A.3 - Công nghệ trộn ướt châu Âu và Nhật Bản

Thiết bị	Chi tiết	Châu Âu, trên cạn	Nhật Bản, trên cạn	Nhật Bản, trên biển
Đầu trộn	Số lượng trục trộn	1-3	1-4	2-8
	Đường kính (m)	0.4 - 0.9	1.0 - 1.3	1.0 - 1.6
	Chiều sâu tối đa	25 m	48 m	70 m từ mặt nước
	Vị trí lỗ phun	Cần khoan	Cần và cánh	Cần và cánh
	áp lực phun (kPa)	500  1000	300  600	300  800
Trạm trộn vữa	C«ng suÊt ( m3/ph)	0.08  0.25	0.25  1.0	0.5  2.0
	Khối lượng vữa lưu giữ (m3)	3.0  6.0	3	3-20
Bồn chứa	Thể tích tối đa		30 t	50 t  1600 t

Bảng A.4 - Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn ướt châu Âu và Nhật Bản

A3.4 Mô hình bố trí trụ

Tùy theo mục đích sử dụng một số mô hình thi công thể hiện trên các hình A.6 đến A.10. 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.6 - Thí dụ bố trí trụ trộn khô: 1 Dải; 2 Nhóm, 3 Lưới tam giác, 4 Lưới vuông

Hình A.8 - Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất:

1 Kiểu tường, 2 Kiểu kẻ ô, 3 Kiểu khối, 4 Kiểu diện

Hình A.9 - Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên biển:1 Kiểu khối , 2 Kiểu tường, 3 Kiểu kẻ ô, 4 Kiểu cột, 5 Cột tiếp xúc, 6 Tường tiếp xúc, 7 Kẻ ô tiếp xúc, 8 Khối tiếp xúc

Hình A.10 - Thí dụ bố trí trụ trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công

A.3.5 Các phương pháp tổ hợp (Hybrid method)
Có vài phương pháp dùng kỹ thuật tương tự trộn sâu. Điển hình là kết hợp trộn cơ học với thủy lực. Dưới đây mô tả phương pháp gia cố toàn khối, phun áp cao kết hợp trộn cơ học.
A.3.5.1 Gia cố toàn khối

Trong trường hợp điều kiện đất nền rất xấu ví như đất than bùn, sét hữu cơ, bùn sét yếu, cần gia cố toàn khối đến độ sâu 2-3 m, độ sâu lớn nhất đã xử lý là 5 m . Máy thi công khác cơ bản với máy trộn sâu tạo trụ. Chất kết dính được cấp đến đầu trộn trong lúc bộ trộn vừa quay đồng thời chuyển động theo phương đứng và phương ngang. Máy chủ của đầu trộn thường là máy đào. Hai công nghệ gia cố khối thể hiện ở hình A.11 và A.12.

H×nh A.11 - Ổn định khối kiểu A

1 Bồn chứa và cân, 2 Máy đào, 3 Cần trộn, 4,5 Đất xấu cần xử lý,

6 Hướng di chuyển, 7 Vải địa kỹ thuật, 8 Đất san nền, gia tải trước.

Hình A.12 - Ổn định khối kiểu B

A.3.5.2 Phun vữa lỏng kết hợp trộn cơ học
Phương pháp mới kết hợp lợi thế của trộn cơ học với phun vữa lỏng ( jet grouting). Máy có cả đầu trộn và vòi phun, có thể tạo nên các trụ đường kính lớn hơn đường kính đầu trộn. Công nghệ kiểu này và một vài kiểu khác nữa đang áp dụng tại Nhật Bản (Tanaka 2002).
A.4 Các ứng dụng chính

Thí dụ áp dụng trộn sâu cho các mục đích khác nhau xem hình A.13.

1. 
   Đường bộ, ổn định/lún
   
2. 
   Ổn định đê cao
   
3. 
   Mố cầu
   
4. 
   Thành hố đào
   
5. 
   Giảm ảnh hưởng từ các công trình lân cận
   
6. 
   Chống nâng đáy hố đào
   
7. 
   Chống chuyển dịch ngang của móng cọc
   
8. 
   Đê biển
   
9. 
   Ngăn nước
   

B.1.1 Phạm vi

Các vấn đề thiết kế nêu trong phụ lục liên quan đến quy trình triển khai dự án, lựa chọn chất kết dính, thí nghiệm trong phòng và hiện trường, bố trí trụ trên mặt bằng. Phụ lục này không gồm thiết kế địa kỹ thuật chi tiết. Các giải pháp chi tiết cần tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế nền móng và công trình ngầm liên quan.

Trộn sâu là quá trình cải thiện đất nền nên thiết kế gồm hai khía cạnh riêng biệt:

1. 
   thiết kế chức năng mô tả cách thức tương tác lẫn nhau giữa đất xử lý và đất tự nhiên để tạo nên ứng xử chung cần thiết;
   
2. 
   thiết kế công nghệ mô tả cách thức đạt được các đặc tính kỹ thuật yêu cầu của đất xử lý bằng cách chỉnh lý các thông số kiểm soát công nghệ.
   

Phạm vi áp dụng trộn sâu để giải quyết các vấn đề sau:

1. 
   giảm độ lún;
   
2. 
   tăng ổn định;
   
3. 
   chống giữ mái dốc, hố đào;
   
4. 
   ngăn chặn vùng đất ô nhiễm;
   
5. 
   xây dựng công trình phòng hộ;
   
6. 
   giảm ảnh hưởng của chấn động lên công trình.
   

B.2 Nguyên lý thiết kế

Đất xử lý trộn sâu được thiết kế sao cho công trình xây dựng đạt các yêu cầu về tính khả thi, kinh tế và lâu dài, chịu được các tác động và ảnh hưởng trong quá trình thi công và sử dụng, tức là thỏa mãn các điều kiện về trạng thái giới hạn cực hạn, và trạng thái giới hạn sử dụng.

Thiết kế thường theo phương pháp lặp, trong đó kết quả của nhiều phương pháp thí nghiệm kiểm tra là một phần quan trọng. Hình B.1 giới thiệu sơ đồ thiết kế lặp các dự án trộn sâu.

Thiết kế sơ bộ dựa trên kết quả thí nghiệm mẫu trộn trong phòng. Tương quan cường độ nén không hạn chế nở hông giữa mẫu thân trụ hiện trường và mẫu trộn trong phòng có thể chọn theo kinh nghiệm từ 0.2 đến 0.5 tùy theo loại đất và tỷ lệ trộn. Nếu kết quả thí nghiệm hiện trường không đáp ứng yêu cầu thì phải điều chỉnh thiết kế công nghệ và khi cần thiết điều chỉnh cả thiết kế chức năng.
B.3 Thí nghiệm

B3.1 Phần chung

Phương pháp thí nghiệm phải thích hợp với mục đích ứng dụng. Nếu để giảm độ lún, mô đun biến dạng là thông số cần quan tâm chính, còn trong ổn định và chống trượt thì thông số cường độ lại là chủ yếu. Để ngăn ngừa vùng ô nhiễm thì tính thấm lại được xét đến đầu tiên.

B.3.2 Thí nghiệm trong phòng

Gồm thí nghiệm các mẫu trộn trong phòng và các mẫu lấy ở các độ sâu khác nhau trong thân trụ hiện trường.

B.3.2.1 Mẫu chế tạo trong phòng

Phương pháp chế bị và thí nghiệm tham khảo phụ lục C, D. Hệ số hiệu chỉnh giữa cường độ mẫu trong phòng và hiện trường xác định qua kết quả thí nghiệm và kinh nghiệm thực tế. Thí nghiệm mẫu trộn khô thường sau khi trộn 3, 7, 14, 28 và 90 ngày. Mẫu trộn ướt thí nghiệm sau 3,7, 14 và 28 ngày.
B.3.2.2 Lấy mẫu hiện trường

Mẫu được lấy nhờ thiết bị khoan xoay. Lựa chọn kỹ thuật lấy mẫu, đường kính mẫu phụ thuộc vào loại và cường độ của đất xử lý. Số lượng mẫu phụ thuộc quy mô hoặc độ phức tạp của dự án. Ít nhất cần khoan lấy mẫu 3 hố cho một loại máy trộn. Chiều sâu khoan đến mũi trụ xử lý.

Hình B.1 - Quy trình thiết kế lặp, gồm thí nghiệm trong phòng, thiết kế chức năng, thử hiện trường và thiết kế công nghệ

Mô đun nén M_col được xác định từ thí nghiệm nén một trục không nở hông(oedometer). Để đánh giá ứng xử lún của nền xử lý dùng mô đun đàn hồi tiêu biểu hơn mô đun nén.

B.3.2.3 Lấy mẫu ướt

Dụng cụ lấy mẫu ướt dùng ở châu Âu. Mẫu được lấy khi vừa thi công xong trụ trộn ướt, thường 500m³ đất xử lý lấy 1 mẫu hoặc một ngày thi công của 1 máy lấy 1 mẫu. Đưa thiết bị xuống độ sâu cần lấy mẫu, thiết bị tự động ngoạm lấy mẫu, đưa lên mặt đất và cho vào khuôn hình trụ hoặc lập phương. Thí nghiệm mẫu sau khi bảo dưỡng trong nhiệt độ quy định. So sánh mẫu bảo dưỡng tại hiện trường và mẫu lấy ướt cho biết sự khác nhau của cường độ và tăng trưởng cường độ.

B.3.3.1 Thí nghiệm trụ thử

Để khảo sát độ đồng nhất của trụ thử các dạng xuyên hoặc khoan lấy mẫu như đã nói trong phần trên được áp dụng, đôi khi còn cắt nguyên cả trụ. Đối với một thiết bị trộn, nên thi công không ít hơn hai trụ thử với hàm lượng chất kết dính khác nhau.

Một khía cạnh quan trọng của thí nghiệm hiện trường đó là xác định các thông số kiểm soát cho thi công gồm vận tốc pha xuyên xuống, rút lên, tốc độ quay và mô men xuắn, tốc độ truyền liệu v.v.

B.3.3.2 Xác định trực tiếp đặc trưng cơ học

Thí nghiệm nén ngang thành hố khoan (pressuremeter test) cho phép xác định cường độ kháng cắt và hệ số nén của trụ. Thí nghiệm cần phải khoan trước hố trong thân trụ và lắp đặt thiết bị nén ngang thành hố khoan. Phương pháp thí nghiệm xem các chỉ dẫn hiện hành (TCXDVN 112:1984).

Thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn để xác định sức chịu tải của trụ thực hiện theo tiêu chuẩn TCXDVN 269: 2002. Kết quả thí nghiệm cho biết sức chịu tải cực hạn của trụ đơn ứng với độ lún bằng 10% đường kính trụ.

Thí nghiệm bàn nén hiện trường theo TCXDVN 80 : 2002. Kích thước bàn nén có thể mở rộng đến 2 lần đường kính trụ.

Thí nghiệm chất tải diện rộng tiến hành cùng quan trắc độ lún sâu, độ lún bề mặt, áp lực nước lỗ rỗng phản ánh khá chính xác ứng xử của nền đất xử lý nên được dùng cho các công trình có quy mô lớn. Quy trình thí nghiệm do thiết kế quy định.
B.3.3.3 Khảo sát độ đồng nhất và xác định gián tiếp các đặc trưng cơ học.

Thí nghiệm CPT, đại diện là xuyên côn thông dụng, dùng để xác định các thông số cường độ và độ liên tục của trụ. Khó khăn khi thực hiện thí nghiệm CPT là giữ độ thẳng đứng vì thế khối lượng thí nghiệm bị giới hạn.

Thí nghiệm xuyên trụ ( xem hình B.2) dùng đầu xuyên cánh cải tiến có cánh xuyên với vận tốc khoảng 20 mm/s, ghi liên tục sức kháng xuyên. Phương pháp dùng cho các trụ sâu không quá 8 m, cường độ không quá 300 kPa. Nếu dùng khoan dẫn hướng có thể thí nghiệm xuyên đến độ sâu 20 m, cường độ 600 kPa. Trong bộ thiết bị của Thụy Điển còn có xuyên cánh ngược, đầu cánh xuyên được đặt trước trong khi chế bị trụ, kể cả dây kéo. Tốc độ kéo xuyên tương tự như ấn xuyên.

Khối lượng thí nghiệm theo quy mô xây dựng tham khảo bảng B.1.

Hình B.2 Đầu xuyên cánh dùng thí nghiệm xuyên toàn trụ

B.4.1 Cường độ trong phòng và hiện trường

Điều kiện trộn và bảo dưỡng khác nhau gây nên khác nhau về cường độ. Theo kinh nghiệm Thụy Điển tỷ số giữa cường độ hiện trường và trong phòng trong khoảng 0.2 đến 0.5. Đất rời có tỷ số cao hơn, quyết định bởi độ mịn của hạt.

Kinh nghiệm Nhật Bản được tổng kết trong hình B.3 và B.4. Ký hiệu CDM (Cement Deep Mixing Method)- phương pháp trộn ướt phổ biến tại Nhật Bản, DJM ( Dry Jet Mixing Method) là kinh nghiệm trộn phun khô. Hình B.4 cho thấy khả năng đạt được hiệu quả khá cao của thiết bị Nhật Bản trong thi công các công trình biển ( tỷ số cường độ mẫu hiện trường/ trong phòng gần bằng 1)

Hình B.3 - Quan hệ cường độ hiện trường và trong phòng (trên đất liền) (Sakai, 1996)

1 Cường độ hiện trường q_uf, MPa, 2 Cường độ trong phòng q_ul

1 Cường độ kháng nén không hạn chế nở hông mẫu hiện trường, q_uf, MPa

2 Cường độ kháng nén không hạn chế nở hông mẫu trong phòng, q_ul, MPa

3 Sét

5 Bến tàu Daikoku

4 Cát

6 Sét cảng Hatskaichi

7 Sét bụi

9 Cảng Kanda

8 Cát bụi

10 Cảng Chiba 11 Cảng Kitakyushu
Hình B.4 Quan hệ cường độ đất xử lý công trình biển (CDIT, 2002)
B.5 Các phương hướng thiết kế

B.5.1 Ổn định

B.5.1.1 Cường độ kháng cắt của nền gia cố

Thường trụ xử lý được dùng để ổn định mái dốc, khối đắp hoặc tường hào. Mặt phá hoại theo mặt phẳng hoặc cung tròn, huy động sức kháng cắt của trụ và đất xung quanh trụ. Phân tích ổn định dựa theo các phương pháp hiện hành (xem BS 8006 : 1995). Nền xử lý có cường độ kháng cắt tính theo công thức:

C_tb = C_u (1- a) + a C_c (B.1)

Trong đó: C_u là sức kháng cắt của đất, tính theo phương pháp trọng số cho nền nhiều lớp;

C_c là sức kháng cắt của trụ;

a là tỷ số diện tích a = n A_c / B_s;

n là số trụ trong 1 m chiều dài khối đắp; B_s là chiều rộng khối đắp;

A_c là diện tích tiết diện trụ.

B.5.1.2 Ảnh hưởng của vị trí trụ dọc theo mặt trượt khả dĩ

Trong trường hợp dùng các trụ đơn lẻ để chống mất ổn định cần lưu tâm đến nguy cơ phá hoại uốn của trụ. Ứng xử của trụ khác nhau trong vùng chủ động, vùng chịu cắt và vùng bị động ( xem hình B.5). Trong vùng chủ động lực dọc trục của trụ sẽ góp phần làm tăng sức kháng cắt và kháng uốn trong khi đó tại vùng bị động các trụ thậm chí bị nứt do chịu kéo. Do đó các trụ trong vùng chủ động có lợi tăng điều kiện ổn định. Trong vùng cắt và bị động bố trí trụ thành tường hoặc thành khối sẽ hiệu quả hơn bố trí các trụ đơn lẻ để ngăn phá hoại trượt.

Hình B.5 Lực dọc trục của trụ trong vùng chủ động tăng sức kháng cắt và kháng uốn , trong vùng bị động trụ có thể bị nứt khi chịu kéo.

1 Vùng bị động, 2 Vùng cắt, 3 Vùng chủ động
B.5.1.3 Gối lên nhau

Trụ tăng ổn định thường được bố trí hàng đơn hoặc hàng đôi. Gối đè nhau các trụ trong hàng sẽ tăng sức kháng mô men và lật. Vùng gối nhau phải đủ để tạo thành tường liên tục. Điều quan trọng là khống chế và giám sát độ gối thẳng đứng suốt chiều dài các trụ. Khả năng chịu tải trọng ngang của tường quyết định bởi sức kháng cắt của đất xử lý ở chỗ gối nhau.

B.5.1.4 Phân cách các trụ

Phá hoại xảy ra ở vùng chịu cắt do phân cách các trụ trong hàng khi mặt trượt nằm gần đỉnh trụ và sức kháng kéo thấp trong vùng gối nhau. Dự tính sức kháng kéo của đất xử lý ở vùng gối nhau khoảng 5% đến 15% cường độ kháng nén không hạn chế nở hông ( có thể thấp hơn hoặc cao hơn tùy theo chất lượng và hiệu quả trộn sâu). Khi các trụ phân cách với nhau, sức kháng cắt của trụ trong hàng bằng sức kháng cắt của trụ đơn.

B.5.1.5 Xử lý toàn khối

Do tính chất của đất nền xử lý khác xa nền chưa xử lý, có thể xem khối xử lý được chôn trong đất để truyền tải trọng tác dụng đến lớp thích hợp (Kitazume, 1996).

Bước đầu tiên gồm phân tích ổn định công trình bên trên làm việc đồng thời với nền xử lý.

Bước thứ hai gồm phân tích ổn định của nền xử lý chịu tác động của ngoại tải: phá hoại trượt, lật, mất khả năng chịu tải.

Bước thứ ba, kiểm tra độ lún của nền.

Có thể dùng phương pháp PTHH để phân tích ứng suất và biến dạng của nền xử lý phức tạp, số liệu đầu vào chiếm vai trò quan trọng.

B.5.2.1 Độ lún toàn phần

Trụ để giảm độ lún thường được bố trí theo lưới tam giác hoặc ô vuông. Phân tích lún dựa trên quan điểm đồng biến dạng- nói cách khác, cho rằng hiệu ứng vòm phân bố lại tải trọng sao cho biến dạng thẳng đứng tại độ sâu nhất định trở thành bằng nhau trong trụ và đất quanh trụ.

Đối với nhóm trụ, độ lún trung bình sẽ được giảm bởi ứng suất cắt của đất, huy động tại bề mặt tiếp xúc theo chu vi khối với đất xung quanh. Chỉ chuyển dịch khá nhỏ ( vài mm ) đủ để huy động sức kháng cắt của đất. Ứng suất cắt gây nên độ lún lệch các trụ trong nhóm. Độ lún lệch này sẽ giảm dần theo mức độ cố kết của đất, cho nên sẽ không kể đến trong tính lún tổng. Phương pháp tính lún của giáo sư Broms. B được giới thiệu trong phụ lục C.

Trong trộn khô, có thể tính thấm của trụ cao hơn đất xung quanh, trụ có tác dụng như băng thoát nước thẳng đứng. Tuy nhiên, tốc độ lún không chỉ quyết định bởi hiệu ứng thoát nước. Khi trụ gia cố và đất sét yếu xung quanh cùng làm việc, hiện tượng nổi trội chính là sự phân bố ứng suất trong hệ thống trụ-đất theo thời gian. Ngay khi tác động, tải trọng được chịu bởi áp lực nước lỗ rỗng dư. Trụ tăng độ cứng theo thời gian, sẽ chịu dần tải trọng, giảm bớt tải trọng lên đất. Hệ quả là áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất yếu sẽ được giảm nhanh, thậm chí chưa có thấm hướng tâm. Phân bố lại ứng suất là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún. Do đó, cho dù tính thấm của trụ chỉ bằng của đất thì quá trình cố kết cũng nhanh hơn nhờ hiện diện của các trụ. Trụ đất xi măng đã làm tăng hệ số cố kết một chiều.

Trong trộn ướt, tính thấm của trụ không cao hơn nền đất xung quanh. Nhưng nhờ phân bố lại ứng suất mà quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn.

B.5.3 Tường vây

Tường vây tạo bởi các trụ gối đè nhau không cho nước rò rỉ qua tường. Quan trọng là độ đồng nhất và phòng rò rỉ. Thường dùng thêm vữa sét để tăng sức chống rò rỉ. Nếu thiết kế tường ngăn ô nhiễm phải kiểm tra phản ứng của chất nhiễm bẩn với đất xử lý, đặc biệt khi chúng có tính a xít cao.

Phụ lục C (tham khảo)