Giớithiệuchungvềcọckhoannhồi
Giớithiệu chung
Cọc khoan nhồi là một giải pháp cho các công trình chịu tải trọng lớn. Cọckhoan nhồi được áp dụng rộng rãi vào các loại hình công trình như nhà cao tầng,công trình cầu, hầm và các công trình cảng biển Công nghệ thi công cọc khoannhồi đòi hỏi nhà thầu phải có đủ năng lực và kinh nghiệm về nhân lực, thiết bị,quy trình thi công và các ứng xử khi xảy ra các sự cố trong quá trình thic ô n g cọckhoannhồi. Đường kính cọc khoan nhồi thường D= 800÷2500mm (có thểlên tới3000÷4000 mm) và tối thiểu không được nhỏ hơn 750mm, chiều dài cọc thườngtừ30÷50m(cóthểđến100m).
Bê tông cọc khoan nhồi được đổ trực tiếp tại hiện trường theo phương phápđổ bê tông trong nước, do đó các yêu cầu về chấtl ư ợ n g c ủ a b ê t ô n g p h ả i đ ặ c biệt quantâm.
Về cấp phối bê tông: Xi măng, cát, đá, nước trước khi đưa vào sản xuất bêtông phải được kiểm tra về chất lượng theo các quy định hiện hành: Đá sử dụngkích cỡ5 ~ 2 0 m m c ư ờ n g đ ộ 6 0 0 - 8 0 0 k g / c m 2 Cát có mô- đun =2.4~2.8 và dùngxi măng portland Nước không có tạp chất và muối theo đúng quy định của quytrình chế tạo bê tông hiện hành Phụ gia có thể dùng loại kéo dài thời gian sơninh vàduytrìđộlưuđộng.
Nếu bê tông được đổ dưới nước thì phải đạt yêu cầu kỹ thuật về bê tôngdưới nước Phải thiết kế cấp phối đúng quy trình quy phạm hiện hành và bảođảm các yêu cầu của vữa bê tông khi đổ bê tông dưới nước, như: Độ sụt: 16~18cm; Cường độ bê tông dưới nước: theo yêu cầu của thiết kế; Thời gian duy trì độlưuđộng>40 phút,trongthờigian nàyđộsụt khôngdưới15 cm.
Cũng như việc thiết kế cấp phối bê tông khác, phải đúc mẫu và ép thửcườngđộtrướckhicấpbêtông.Kếtquảthínghiệmtỷlệphốitrộnphảiđư ợc duyệtmới đưa ra sử dụng.Việct h i ế t k ế c ấ p p h ố i b ê t ô n g p h ả i đ ả m b ả o c ư ờ n g độ bê tông, độ sụt (độl i n h đ ộ n g ) t r ư ớ c k h i đ ổ , t h ờ i g i a n s ơ n i n h c ủ a b ê t ô n g cũng như thời gian duy trì độ sụt Cấp phối bê tông phải nhuyễn để việc đổ bêtông được thuận tiện, tránh gây tắc ống dẫn trong khi đổ Để đảm bảo các yêucầu của bê tông đổ cọc khoan nhồi cần phải sử dụng phụ gia siêu dẻo có độ tincậycao.Vídụyêucầu vềthiết kếcấp phối bêtông nhưsau:
Cường độ đến 28 ngày:Theo yêu cầu thiết kế.Thời gianninhkết:4 g i ờ Độsụt: 17.52.5
Hàmlượng ximăng:≥350kg Đườngkínhcốtl i ệ u thôkhôngl ớ n h ơ n 50m m hoặc1/3cựl y m é p c ố t t hép chủ,thườngsửdụngđá1~2.
Thicôngcọc khoan nhồi
- Các bước trong thi công cọc khoan nhồi : 1.Khoan tạo lỗ; 2 Gia công vàhạ lồng cốt thép;3.Đổbêtông cọcvàhoàn thiện
Việclựa chọn công nghệ cọc khoan nhồi chính là việcl ự a c h ọ n c ô n g n g h ệ khoan tạo lỗ Các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ được trình bày ở Bảng
TẠO LỖ BẰNG MÁY MÓC
TẠO LỖ BẰNG THỦ CÔNG
TẠO LỖ KHÔNG SỬ DỤNG ỐNG VÁCH
MÁY KHOAN VÁCH XOAY KIỂU KẸP LẮC MÁY KHOAN VÁCH XOAY KIỂU XOAY TRÕN
TẠO LỖ TRONG ỐNG VÁCH
KHOAN THEO NGUYÊN LÝ TUẦN HOÀN NGƯỢC
MÁY KHOAN GẦU XOAY MÁY KHOAN GUỒNG XOẮN Điều kiện mặt bằng khu vực thi công: Mặt bằng thi công cụ thể là thi côngtrên cạn hay thi công dưới nước Nếu là thi công dưới nước thì thi côngtrên sàn cứng hay đắp đảo hoặc thi công trên hệ nổi… Nếu là thi công trêncạn cần phải xét đến mặt bằng khu vực thi công, hệ thống cấp thoát nước,đường thi công… Tĩnh không phạm vi thi công cũng như các công trìnhxâydựngliềnkềcũng hếtsứcquantrọng. Điều kiện địa chất thuỷ văn: Cụ thể là các lớp đất đá cọc xuyên qua, caođộmựcnướcngầm,hiệntượng cát chảy
Năng lực của máy móc thiết bị: Phạm vi thích dụng của các loại hình côngnghệ khoan tạo lỗ được trình bày ở Hình 1-2 (Phạm vi thích dụng của cácloại hìnhcôngnghệkhoantạolỗ). Đối với các công trình lớn để đảm bảo tiến độ thi công có thể sử dụng nhiều loạihình công nghệ để phát huy thế mạnh của mỗi loại Ví dụ như các trụ dưới sôngcầu Đuống sử dụng máy khoan vách xoay kẹp lắc, còn các trụ trên cạn sử dụngmáykhoangầuxoay.
Hnh1-2Phânloạicôngnghệkhoantạolỗ ảng1-1 : Phạmvithíchdụngcủacácloạihnhcôngnghệkhoantạolỗ Điềukiệnđịachấtthuỷvănrticle
Khoa nguồng xoắn Đấtyếuở giữahoặcđáycọc xx xx x x x
Lớp cátmịn ởgiứathâncọc xx xx o o o
Cuộisỏid>100mm xx xx o o x Đátảng xx xx o o o
Lớp đất chịu lựcN>50 xx xx o x x Đáphonghoá xx o o x o Đácứng200MPa xx o o o o
Chiều sâu khoan ≥60m 40m 57m 100m 35m Đường kính Φ800÷ 3000 Φ800÷ 2000 Φ800÷ 2000 Φ800÷ 4000 Φ300÷ 800 Độthẳngđứng 1/500 1/200 1/100 1/100 1/100
Chú thích :x x : Thíchhợp x:Tốt o:Khôngthíchhợp
TổngkếtđịachấtcủakhuvựcmiềnTrungđặctrƣngcủalớpđáphonghóanứtnẻ 9 1.3 ĐịnhnghĩavàđặcđiểmcủalớpđấttrunggianIGM
Để tổng kết địa chất khu vực miền trung, nghiên cứu sinh đã tiến hành khảosát,thuthậpsốliệu,tài liệuchoĐàNẵng,Quảng TrịvàQuảngBình.
Thông thường đá được phân loại theo bảng 1-2 dựa vào cường độ của nó.Khi xét đến mức độ phong hóa của đá tại khu vực Đà Nẵng có thể dựa vào cáctiêuchíRQDnhưbảng 1-3[11]. ảng1-2:PhânloạiđátheocườngđộtheoAttewell&Farmer1976[34]
2 Yếu 20~40 Đá schist,các đátrầmtíchliênkếtkém
3 Trungbình 40~80 Cácđátrầmtíchnénchặtvà1vàiloạiđámac mahạt thôkémđặc
4 Rắn 80~160 Cácđámacmanénchặtvàmộtvàiloạiđábiếnc hấtvàcát kết hạtmịn
5 Rấtrắn 160~320 Đáquartzite,đá macma hạt mịnđặc
Hnh1-3:Mộtsốmẫuđáphiếnsét ảng 1-3: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầutạiĐàNẵng[11]
Cầuvượtđườngsắt Đácát,bộtkết - 8-15% 1,4-6,2m Đávôi - 20-30% 2,8-4,4m ảng 1-5: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầutạiQuảngTrị[12].
CầuLai Phước Đá cát - bộtkết
Từ số liệu thu thập được thông qua kết quả khảo sát địa chất của các côngtrình cầu thực tế ở khu vực miền Trungtheo bảng 1-3 đến bảng 1-5 đưa ra đượckết luận như sau: Địa chất khu vực miềnT r u n g v à t ỉ n h Q u ả n g T r ị c ó c ấ u t ạ o tầng phủ tương đối mỏng chiều dày từ 1-5,0m tiếp đến tầng đá phong hóan ứ t nẻ có chiều dày tương đối từ 4-25m có thể đại diện cho toàn bộ tầng địa chất ởkhu vực này trước khi đi qua tầng địa chất đá phong hóa vừa với chiều dày chưaxácđịnh.CăncứvàotiêuchuẩncầuđườngbộhiệnhànhTCVN11823-
[5]“ Phụ lục B trang 140-141” có thể kết luận: Tầng đá phong hóa nứt nẻ đạidiện cho khu vực Miền Trung và Quảng Trị thuộc tầng IGM loại III là đá phiếnsétrắnchắccócườngđộnén1trụckhôngnởhôngqutrongkhoảng,4,7≤qu≤23,9.aPM
1.3 Định nghĩa và đặc điểm của lớp địa chất trung gian giữa đất và đá(IGM)
Lớp đá phong hóa nứt nẻ khi tính toán thiết kế khá khó khăn do các tiêuchuẩnvàquyđịnhcủanướctavềvấnđềnàycònít.Trênthếgiớingườitađưara định nghĩa Intermediate geomaterials (IGMs) – lớp địa chất trung gian giữađất và đá (IGMs) [23,29-31,42] Vì vậy, cần áp dụng các nguyên tắc đồng thờicả cơ học đất và cơ học đá cho lớp đất IGM cả về tính chất và phương pháp thiếtkế Việcphân tíchvàthiếtkế cọc trong các lớpđấtIGM phải baogồmm ộ t thành phần địa chất (tập trung vào quá trình thành tạo) và một thành phần địa kỹthuật (tậptrungvàophầncôngtrình) [5].
Do sự thay đổi của chúng, hành vi của IGMs là không thể đoán trước được.Do đặc tính thay đổi của IGM dẫn đến có nhiều định nghĩa khác nhau, tất cả đềudựa trên độ bền vật liệu Thí nghiệm trong phòng phổ biến nhất được sử dụng đểxác định đất IGM là thí nghiệm nén 1 trục (uniaxial).Ngoài ra thí nghiệm phổbiến nhất như thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), cũng đã được sử dụng để địnhnghĩaIGM.
Bảng 1-6 tóm tắt các định nghĩa về IGM từ nhiều nguồn bằng cách sử dụngcườngđộnén nởnganghoặcgiátrịN–SPT. ảng1-6:Địnhnghĩaloạiđấttrunggiantheocác tácgiả[13,42]
Cường độ nén nở hông >
5MPa Mayne vàHarriss(1993) Đấtdính GiátrịSPT,N>50búa
Cát có ngưồngốc từ đá trầmtích
Cườngđộnénnởhôngtrongtrạng thái bão hoà 0.5-20MPa Đối với việc địnhnghĩavề IGM bằng cách sử dụng phương phápx u y ê n tiêu chuẩn SPT thì có sự thống nhất cao khi coi giá trị SPT, N
>50 búa Tuynhiên, không có sự đồng thuận nào về giới hạn dựa trên cường độ nén nở hông.Giới hạn dưới của giá trị này nằm trong khoảng từ 0,5 đến 5MPa,với giới hạntrêntừ5đến 25MPa.Cácđịnhnghĩađượccông bốrộng rãilàdấuhiệu cho thấy sựthayđổicủacác đặctínhkỹthuậtđịa kỹthuậtIGM.
Như vậy về nguyên tắc có thể coi loại đá phong hoá nứt nẻ là loại đấtIGM.Từ đó có thể áp dụng các công thức để tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồikhi đặtvàotầng đáphonghoánứt nẻnày.
Tổngq ua n mộtsốphươngp há p tínhtoánsứcchịutảicủacọck ho an nhồi trongnềnđáphonghóanứtnẻtạiViệtnam
Tínhsứckhángtheonềnvàbiếndạngcủacọckhoannhồitrong tầngphong hóanứtnẻ theotiêuchuẩn cầu đườngbộTCVN11823-10:2017[5]
Sức khángthànhbên Đối với cọc khoan nhồi ngàm trong đá sét (sa thạch, đá sét, bột kếtv.v…) một số tác giả đã xây dựng phương pháp thiết kế trên cơ sở mô hìnhhóa tính toán, thử tải, các thí nghiệm trong phòng và tại hiện trường để xácđịnh sức kháng nén của đá mềm phiến sét, vì loại đá này khó lấy mẫu và thínghiệm theo các phương pháp thông thường O’Neill [42] đã dùng thuật ngữ“vật liệu địa chất trung gian giữa đá và đất - IGM” để chỉ các loại đá này chomục đích thiết kế cọc khoan nhồi Thiết kế tương tự phương pháp - α Sứckháng masátđơn vịthành bênđượcxácđịnhnhưsau: f SN =αφ.qαφ.q u (1-1)
Trongđó: qu: cường độ kháng nén của đá nguyên dạng
(kPa)φ:hệ sốđiềuchỉnhxétđến mức độcó khe nối α:hệsốthựcnghiệmlấytheohình1-4
Biểu đồ được áp dụng với các điều kiện ghi trên hình vẽ 1-4, trong đóEm= mô đun đàn hồi của khối đá,ζnlàáp lực gâyrabởibê tông tại thờiđiểm đổ bê tông cọc, ζplà áp suất của khí quyển có đơn vị cùng với đơn vịcủa ζnvà wtlà chuyển vị thẳng đứng cần thiết (25mm) để huy động toàn bộsứckhángthànhbên.
Trên hình vẽ1-4 thể hiện biểu đồ với giá trị gócma sát của mặt tiếpgiáp bằng φrc= 30 độ Nếu giá trị góc ma sát thay đổi thì điều chỉnh giá trịthôngsốαvớiđượctínhtheobiểuthức:
Hnh1-4:Hệ số αvớiloạiđịachấttrunggiangiữađấtvàđáIGM[30] Để tìm giá trịα trên biểu đồ, cần xác định áp lực gây ra bởi bê tônglỏng tại điểm giữa của lớp địa tầng thứ i, ζn Nếu bê tông có γcđộ sụt 17,5cmhoặclớnhơnvàbêtôngđượcđổvàohốkhoanvớitốcđộ1,2mtrongm ộtgiờ hoặc nhanh hơn Nếu ở chiều sâu zi*phía dưới bề mặt đá 1,2m có thể xácđịnht h e o c ô n g t h ứ c 1 -
Trong công thức 1-1, ϕ là hệ số hiệu ứng khe nối để xét đến việc có cáckhe nối rỗng hoặc bị chèn mùn đất của khối đá Các giá trị này không dùngcho đá có giá trị RQD nhỏ hơn 20% Với điều kiện địa chất này cần tiếnhànhthửtảiđểxácđịnhsứckhángthành bên.
Trong công thức 1-1 thì qu,ilà giá trị qutrong lớp thứ i Giá trị nàythường lấy bằng giátrị trung bìnhnénmột trục cácmẫu đá nguyên dạnghìnhlăngtrụcóđườngkính5cmhoặclớnhơn.
Sự tồn tại của loại địa chất yếuhơn giữa các vật liệu nguyên dạng cóthể lấy mẫu cũng được xem xét qua hệ số ϕ Loại đá sét yếu có thể đánh giátheocáchsửdụngtươngquangiữas ứ c khángnén,qu,vớichỉsốNxuyê n tiêu chuẩn Đồng thời Abu-Hejleh [20] đã xây dựng tương quan giữa chỉ sốN xuyên tiêu chuẩn với sức kháng ma sát thành bên Các lớp đá mềm có thểđược phân loại trên cơ sở thạch học, giá trị SPT và cường độ kháng nén nhưsau:
• LoạiI:đásét giốngđất;giá trịN 75
- Tính toán theotiêu chuẩn mới TCVN 11823: 10-2017
Mộtsốhướngdẫntínhtoántheocáctiêuchuẩnnướcngoàivàmộtsốnghiên cứukhác
- TheoHandbookofGeotechnicalInvestigationandDesignTable Đối với các loại đá phong hóa nặng không lấy được mẫu nguyên trạng,việc phân loại và ước tính sức chịu tải của đá được lấy theo giá trị SPT ngoạisuy do thiết bị đóng SPT không thểxuyên thêm trước khi đạt giá trị cầnkhảosát:
> 5 MPaTheophânloạitrongBảng3-2ởtrên,giátrịSPTngoạisuycóthểđạt đến 600 Đối với các trường hợp có SPT lớn hơn là đá lấy được mẫu nguyêntrạng để thí nghiệm nén Ngược lại, khi SPT < 60 thì có thể xem lớp đáphong hóa đó là đất Sức chịu tải thành bên của cọc được tính toán từ chỉ sốRQDcủađánhưsau:
Cường độ sứckhángthànhb êncựcđại Đấtđá cóRQD 200mm
Hệ số an toàn đối với công trình vĩnh cửu nằm trong khoảng từ 2,3 ~ 4 tùymứcđộkiểmsoát.
- Theo tiêuchuẩnNhật BảnJRA[8] Đối với đá mềm phong hóa thường rất khó để lấy mẫu và ước tính cường độkháng cắt Trong trường hợp này, có thể sử dụng tương quan giữa giá trị N hiệuchỉnh vàcáctínhchấtvậtliệucủađágốc.
R a làsứcchịutảidọctrụcchophépcủacọc(kN)vànl àhệsốantoànđối vớicọcchốngbằng 3vàcọcmasátbằng4tươngứngvớitổhợptải trọng dàihạn.
làthôngsốh i ệ u chỉnhhệsố antoànphụthuộcv à o phươngphápư ớ c tí nhsứcchịutảicựchạncủacọc(kN).
(kPa) (3-6) qul àcườngđộkhángnén1trục(kPa) clàlựcdínhcủa lớpđấtdướimũicọc(kPa)
Sứckhángbênlớnnhấtcủacọc nhồi fi 0hoặcfi10N150(kPa) (3-
7)Trongđó:clàlựcdínhcủalớpđất(kPa)và N là sốbúa SPTcủalớpđất.
10.8.3.5 dựa theo phương pháp của O’Neill and Reese (1999)
Trongđó: s,ml à cácthamsốvềđộnứtnẻcủacácloạiđá(Bảng3-5) qul à sứckhángnénđơntrụccủađá(kPa),q u2Su
Trong thiết kế, trước tiên phải xác định được lỗ khoan vào trong đá phonghóa có thành nhẵn hay nhám, vì tính nhám của thành lỗ khoan ảnh hưởng rất lớnđến sức kháng thành bên của cọc Công thức xác định sức kháng bên cho trườnghợp thànhnhẵnnhưsau: q si ..q ui (kPa)
Bảng 3-5: Quan hệ giữa chất lượng chung và hằng số vật liệu sử dụng trong xácđịnh cườngđộphituyếncủa đá
Loại đá: Đá phong hóa ra sét – đábùn, đábộtkết,đáphiếnsétvàđáphiến (từ bình thường đến phonghóa)
ChấtlượngđáRất kémĐáphonghóamạnh,khoả ng cáchkhe nứt< 0.05mvớinhiều lỗtrênbềmặt,đáphonghóarahạtmị n. m s
20 0.05 0.05 qui= là giá trị thiết kế trong lớp thứ i, thông thường nó là giá trị trungbìnhcủathínghiệmnénmộttrụctrên cáclõiđánguyên vẹn. Đối với một số trường hợp, không thể lấy mẫu phù hợp cho phòng thínghiệm, Cavusogle et al (2004) đã phát triển mối tương quan giữa quvới thínghiệmC P T đ ư ợ c á p d ụ n g c h o đ á p h i ế n s é t t h ư ờ n g g ặ p t r o n g k h u v ự c
Dallasvàvùnglãnhthổkháccủa bangTexasvàOklahoma(Mỹ). Đối với đá phiến sét yếu của vùng Denver (Mỹ) và các khu vực khácthường gặp ở bang Colarado cũng có thể được đánh giá bằng phương pháptrên.TươngquangiữasứckhángnéndọctrụcvàchỉsốSPTvàhoặccũn gcó thể tính toánsứckháng thành bên trực tiếp từ chỉ số SPT như đã đượcđưarabởiAbu-Hejlehetal.(2003)[20]. q u 11.52N (kPa) (3-10)
Phương pháp CSB đã được áp dụng bởi các kỹ sư địa kỹ thuật cho cảhai loại đá phong hóa yếu, có và không có tính dính kể cả đá tốt Sức khángđơn vịđượcxácđịnhchỉdựavào duy nhấtchỉsốSPT.
Việc xác định giá trị N (SPT) thích hợp cho các mục đích thiết kế khácnhau được dựa trên sự đồng dạng của lớp phủ bề mặt, loại kết cấu và kinhnghiệm của người kỹ sư N thường được lấy giá trị trung bình của lớp địachất xem xét, giá trị trung bình thấp nhất của tất cả các lỗ khoan, hoặc thậmchícóthểgiátrịNthấpnhấtthu đượctrongmộtlớp.
Khi có sự thay đổi rõ ràng số búa SPT dọc theo chiều dài cọc (ví dụ: sốbúa SPT tăng lên theo chiều sâu), thì sức kháng cho phép thành bên cũngthay đổi dọc theo chiều dài cọc Với việc thiếu thông tin các yếu tố địa chấtphù hợp thì hệ số an toàn được cho vào trong phương pháp thiết kế CSB, hệsố an toàn bằng 3 thường được giả định và được đề nghị sử dụng cho sứckhángcựchạnmũivàthànhbên.
- TheohaibáocáocủaCDOT[20] Đốivớiđáphiến sétphonghóa(LoaiI:Sétk ếtcóN