CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG CỌC KHOANNHỒI 1.1 Giới thiệu về khoan cọc nhồi Công nghệ khoan cọc nhồi bê tông cốt thép được ứng dụng rộng rãi để xử lý nềnmóng trên nền đất
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI
Giới thiệu về khoan cọc nhồi
Công nghệ khoan cọc nhồi bê tông cốt thép được ứng dụng rộng rãi để xử lý nền móng trên nền đất yếu cho các công trình dân dụng và công nghiệp, là một trong những giải pháp móng được áp dụng trong xây dựng nhà cao tầng trên thế giới.
1.1.1 Khái niệm về cọc nhồi
- Cọc nhồi là một loại móng sâu được thi công bằng cách đổ bê tông tươi vào một hố (lỗ) khoan trước đó So với các loại cọc khác, cọc nhồi có một lịch sử tương đối mới Năm 1908 đến 1920, các lỗ khoan cọc nhồi cỡ nhỏ (đường kính 0,3m dài 6-12 m) được thi công bằng các máy khoan lỗ chạy bằng hơi nước, thậm chí bằng ngựa Cuối những thập kỉ 40 và đầu thập kỉ 50, công nghệ khoan cọc nhồi đã khá phát triển, người ta đã có thể làm cọc mở rộng đáy, và khoan phá đá, cũng như đã biết cách sử dụng dung dịch bentonite để giữ thành hồ khoan
Hình 1.1 Cọc nhồi đơn giản
+ Cọc nhồi đơn giản (cọc trụ): Tiết diện cọc hình trụ và không thay đổi trên khắp chiều dài cọc
Hình 1.2 Cọc nhồi mở rộng đáy
+ Cọc nhồi mở rộng đáy: Cọc có hình trụ khoan bình thường nhưng khi gần đến đáy thì dùng gầu đặc biệt để mở rộng đáy hố khoan, cũng có thể sử dụng một lượng nhỏ thuốc nổ để mở rộng đáy.
+ Cọc barret: Đây là một loại cọc nhồi để thi công móng có hình chữ nhật, chữ
L, chữ I, chữ H, thực chất là những bức tường sâu trong đất bằng bê tông cốt thép Rất ưu việt khi xây dựng nhà có nhiều tầng hầm và vừa là tường cừ chống sập lở xung quanh nhà vừa chống nước cho các tầng hầm.
1.1.2 Phạm vi áp dụng của cọc nhồi
- Thích hợp với các loại nền đất đá, kể cả vùng có hang casto
- Sử dụng cho các công trình cầu lớn, tải trọng lớn, địa chất nền móng là đất yếu hoặc có địa tầng thay đổi phức tạp.
1.1.3 Các loại máy thi công cọc khoan nhồi
1.1.3.1 Máy khoan cọc nhồi kiểu mũi khoan cánh xoắn (guồng xoắn)
Hình 1.4 Máy khoan cọc nhồi kiểu mũi khoan cánh xoắn
- Khi khoan vào trong đất các lưỡi khoan làm việc giống như các mũi khoan gỗ hay thép, đẩy đất lên qua cánh xoắn Cũng có các loại máy khoan guồng xoắn nhiều mũi khoan, lồng cánh xoắn vào nhau và xếp thành hàng (3 mũi), dùng để khoan tạo thành cọc Barrette và tường vây (tường vây tạo bằng các thiết bị này có dạng một loạt mặt cắt hình tròn trồng lấn và nốt tiếp nhau) Các loại máy này thường dùng để khoan tại những nơi đất cứng và địa hình phức tạp.
1.1.3.2 Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay (thùng đào)
Hình 1.5 Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay
- Khi làm việc, thùng được xoay tròn theo cần khoan, cắt đất, nhồi đầy vào thùng đào Sau đó, đất trong thùng đào được đưa lên cùng với thùng đào nhờ việc rút cần khoan lên Máy khoan cọc nhồi kiểu thùng đào bao gồm hệ thống cần (trục) khoan và đầu mũi khoan (gầu khoan) Toàn bộ hệ thống này được lắp ráp vào cần trục bánh xích nặng khoảng 30-80 tấn, chủ yếu sử dụng động cơ thủy lực
1.1.3.3 Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu mở rộng chân đáy
Hình 1.6 Cọc mở rộng chân đáy
- Cọc khoan nhồi mở rộng đáy là cọc khoan nhồi có đường kính đáy cọc được mở rộng hơn đường kính thân cọc Sức mang tải của cọc này sẽ tăng lên do tăng sức mang tải dưới mũi cọc.
- Những năm gần đay đã có thiết bị khoan có thể được khoan với đường kính tới6m, xuống chiều sâu 80m với khả năng mở rộng đáy với đường kính tới 10m Sức chịu tải của các cọc này có thể lên tới từ 1000 tấn đến 2000 tấn đối với cọc thẳng và từ 3000 tấn đến 4000 tấn đối với cọc mở rộng đáy.
1.1.3.5 Máy khoan cọc nhồi kiểu tuần hoàn
Hình 1.7 Máy khoan cọc nhồi kiểu tuần hoàn Đây là loại máy được sử dụng rộng rãi Việc tách đất hố đào ra khỏi nền đất và việc lấy đất từ hố đào lên bằng thiết bị khoan (thông thường là gầu) Trong quá trình khoan, dung dịch Bentonite được cấp thường xuyên, nó có vai trò giúp cho quá trình khoan dễ dàng và giữ vững thành hố khoan Dung dịch Bentonite được luân chuyển thành vòng tuần hoàn.
1.1.3.7 Máy khoan cọc nhồi bằng ống dao động
Hình 1.8 Máy khoan cọc nhồi bằng ống dao động
- Nguyên tắc hoạt động: ống vách với chân cắt được kẹp chặt và dao động bởi các xilanh thủy lực với momen xoắn từ 1660-8350KNm, lực ép từ 1530-7250KN Nhờ đó, các ống vách được nối tiếp với nhau bởi các liên kết khớp đặc biệt sẽ khoan dẫn đến độ sâu cần thiết (chỉ có thể tới 75m) Lực ép và momen có thể thay đổi trong quá trình khoan, đất được lấy ra khỏi lỗ bằng gầu ngoạm đặc biệt, khi gặp đá cứng thì dùng búa rơi để phá đá trước khi gầu ngoạm đất đá ra ngoài.
- Loại máy này phù hợp thi công ở những nơi có địa chất phức tạp, không cần khảo sát địa chất và dung dịch giữ thành
Nguyên lý hoạt động chung
Máy khoan cọc nhồi hoạt động nhờ vào ống dao động Khi chân cắt và ống vách được dao động, kẹp chặt bởi các xilanh thủy lực với mômen xoắn từ 1660 đến 8350KNm, lực ép từ 1530 đến 7250 KN, thì các ống vách được nối liền với nhau sẽ khoan dần đến độ sâu mà đơn vị thi công yêu cầu Trong quá trình khoan, người điều khiển có thể hoàn toàn thay đổi, điều chỉnh hoặc giữ nguyên lực ép và mômen nếu muốn Đồng thời trong quá trình này, đất đá sẽ được ra khỏi lỗ khoan bằng các gầu ngoạm rơi đặc
C B biệt Khi gặp đá cứng, thiết bị có thể dùng búa rơi để phá đá trước khi gầu ngoặm đất đá ra ngoài.
Công nghệ thi công khoan cọc nhồi chung
Trình tự công nghệ này được mô tả như sau (hình 1.9): a) Khoan tạo lỗ và mở rộng chân cọc (nếu yêu cầu). b) Đổ bêtông bịt đáy hoặc bằng ống rút thẳng đứng hoặc bằng “vòi voi”. c) Đặt lồng thép phần trên cọc Chú ý bảo đảm lớp bêtông bảo vệ cốt thép không vượt quá những trị số quy định. d) Đúc nốt phần cọc còn lại hoàn toàn trên khô sau khi hút nước.
Hình 1.9: Công nghệ đúc khô cọc khoan nhồi a.Khoan lỗ; b.Đỗ bê tông bịt đáy; c.Đặt lồng thép và đỗ bê tông cọc;1.Cần khoan; 2.Đầu khoan; 3.Ống rót bêtông; 4.Cột thép cọc; A.Vùng đất dính; B Bê tông bịt đáy; C Bêtông cọc
Công nghệ này thường sử dụng trong trường hợp trên suốt chiều sâu khoan cọc là đất dính, sát chặt.
1.3.2 Công nghệ khoan cọc nhồi có ống vách
- Ống vách thường được sử dụng khi thi công những cọc nằm kề sát với công trình có sẵn hoặc do những điều kiện địa chất đặc biệt Cọc khoan nhồi dùng ống vách thép rất thuận lợi cho thi công vì không phải lo việc sập thành hố khoan, công trình ít bị bẩn vì không phải sử dụng dung dịch Bentonite, chất lượng cọc rất cao Nhược điểm của phương pháp này là máy thi công lớn, cồng kềnh, khi máy làm việc thì gây rung, tiếng ồn lớn và rất khó thi công đối với những cọc có độ dài lớn hơn 30m.
Trỡnh tự cụng nghệ được mụ tả dưới đõy (hỡnh1.10), bao gồm cỏc bước: a) Khoan tạo lỗ trong lớp đất dính b) Thêm vữa sét vào lỗ khi đã khoan đến lớp đất rời, thấm nướ c. c) Hạ ống vách khi đã qua hết lớp đất rời. d) Lấy hết vữa sét và làm khô lỗ khoan. e) Tiếp tục khoan cho tới độ sâu thiết kế trong lớp đất “khô”. f) Mở rộng chân bằng cách xén gá lắp tại đầu khoan. g) Đỗ bêtông và đồng thời kéo ống vách ra khỏi lỗ khoan.
Hình 1.10 Công nghệ khoan dùng ống vách
1 Đầu khoan: 2 Vữa sét : 3 Ống vách: 4 Thiết bị mở rộng chân cọc: 5 Cột thép cọc; A- Đất dính; B- Đất rời; C- Cọc đúc hoàn chỉnh.
12 3 4 5 6 7 Ống vách thường sử dụng trong trường hợp thi công nơi có nước mặt hoặc lỗ khoan cọc xuyên qua các tầng đất sét nhão cát sỏi cuội có cấu trúc rời rạc.
- Sau khi định vị vị trí tim cọc, tiến hành khoan với tốc độ chậm đến chiều sâu bằng chiều dài ống vách Dừng khoan và hạ ống vách, chiều dài ống vách được xác định căn cứ vào tài liệu khảo sát địa chất Ống vách phải được hạ với chiều sâu tối thiểu qua các lớp đất yếu bên trên Trong quá trình thi công từng cọc, phụ thuộc vào đặc điểm địa chất các lớp đất phía trên có thể hạ thêm ống vách nếu gặp phải địa chất yếu.
1.3.3 Công nghệ thi công khoan cọc nhồi trong dung dịch hoặc vữa sét
- Việc khoan đất được thực hiện bởi các phương tiện cơ giới(Máy khoan, gầu goạm) dưới sự bảo vệ của dung dịch khoan, tiết diện khoan hình tròn (cọc) hoặc hình dạng bất kỳ (baret) Đường kính của cọc (chiều rộng trong các baret) là các kích thước của dụng cụ khoan.
- Lỗ khoan được nhồi đầy bê tông có độ linh động cao, bằng cách dùng hệ thống đổ bê tông Việc đổ bê tông được thực hiện với 1 hệ ống kỹ thuật rút ống.
Trình tự công nghệ gồm có các bước được trình bày trên hình 1.11, bao gồm.
- Khoan qua lớp đất dính
- Thêm vữa sét khi gặp lớp đất dễ sạt lở hoặc có nước ngầm
- Đặt lồng thép vào hố khoan vẫn đầy vữa sét
- Đỗ b êtông dưới nước bằng ống rút thẳng đứng cho tới khi bê tông thay chỗ và dồn hết vữa sét ra ngoài bể chứa.
Hình 1.11 Công nghệ dùng vữa sét
1 Định tâm lỗ; 2 Ống vách tâm; 3 Khoan trong đất; 4 Phá đá cứng; 5 Đặt cột thép; 6 Đổ bêtông ; 7 Cọc hoàn chỉnh.
Công nghệ này có thể sử dụng để thay thế ống vách trong mọi tình huống địa chất Trường hợp dùng ống vách nhưng không có khả năng cản được triệt để nước ngầm chảy vào lỗ khoan, chẳng hạn ở bãi sông, dùng vữa sét thường đạt hiệu quả tốt.
- Đối với phương pháp thi công sử dụng dung dịch giư thành không có ống vách đối khi sinh ra hiện tượng lở thành làm giảm chất lượng thân cọc, thậm chí có khi phải làm lại dẫn đến kéo dài thời gian thi công Song thông thường, chỉ cần làm tốt việc quản lý đung dịch giữ thành là đã có thể phòng ngừa được bị sạt lở
1.3.4 Công nghệ phun áp lực cao để tạo cọc
- Cọc khoan được phun nhồi áp lực cao là một cọc có đường kính lớn hơn 250 mm Lỗ khoan được đặt các cốt thép và 1 hệ thống phun gồm một hoặc nhiều ống có măng sét (TAM) Khi cốt thép là 1 ống kim loại, ống này có thể làm nhiệm vụ ống có măng sét Trong một vài trường hợp, nhất là đối với các cọc dùng cho công trình ở biển (ngoài khơi), ống kim loại có thể được trang bị một dãy liên tiếp các van đặc biệt, độc lập hoặc các bệ đặc biệt cho phép sự phun
1.3.4.2 Yêu cầu về cấu tạo cọc
- Nhà thầu phải đảm bảo cho sự hoạt động tốt của hệ thống phun bằng cách thử nghiệm trên đầu cọc đầu tiên của công trình.
- Các chỗ ghép nối thường được làm bằng hàn, phải có thể chịu được cả lực kéo Đối với các đường kính bé, các chỗ ghép nối có thể làm bằng các ống lồng ren.
Dung dịch bentonite (bùn khoan)
1.4.1 Tính chất dung dịch bentonite
Bentonite thực chất là một dạng đất sét mà khi trộn với nước sẽ tạo ra một dung dịch Thixotropic có tác dụng giữ ổn định bề mặt đất trong vài tuần lễ.
Khi hố đào đã đổ đầy dung dịch bentonite, áp lực cao hơn áp lực nước ngầm sẽ tạo ra xu hướng là bentonite thấm vào lớp đất vách hố khoan Thế nhưng, nhờ có các hạt đất sét có trong dung dịch mà sự kết khối tạo nên tức thì khiến cho áp lực bentonite và áp lực nước cách ly nhau Áp lực bentonite tạo ra một lực ổn định trên vách hố khoan.
Trong đất sét, độ dày của lớp kết khối rất thấp, nhưng trong lớp đất không kết dính, nó có thể cao hơn 1-2mm và có tác dụng như một lớp màng không thấm.
Lớp màng này ngăn không cho nước chảy vào hố khoan và ngăn ngừa sự trộn lẫn trên bề mặt chung giữa nước và bentonite Đồng thời nó cũng ngăn không cho bentonite tiêu tán vào lòng đất.
Khi dòng nước bị cản lại, sự ổn định của vách hố đào được tạo ra chủ yếu bởi hiệu ứng vòm, góc ma sát trong và một phần bởi áp lực thủy tĩnh của dung dịch.
Bentonite sẽ được dùng là dùng cho cọc nhồi, tường vây, cọc barrette của úc (loại Trugel 100,Bentonite-API) do Việt Nam sản xuất, tỷ lệ pha trộn đối với điều kiện đất thông thường là từ 20-50 kg bentonite khô cho một khối dung dịch Tỷ lệ này thay đổi tuỳ theo địa chất và dung dịch sẽ được thêm sôda và phụ gia CMC sao cho các thông số của dung dịch trước lúc sử dụng phải đảm bảo các đặc tính sau:
Tỷ trọng: 1.05 1.15 g/cm 3 Độ nhớt: 18 45 giây
Lượng mất nước: