Luận Văn SỬ DỤNG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH Ở VIỆT NAM

Chương 1: Trình bày một cách hệ thống phương pháp PTHH và phương pháp MTĐCĐL trong phân tích kết cấu.Chương 2: Xây dựng ma trận độ cứng động lực và véc tơ tải trọng ngoài quy về nút cho các phần tử thanh.Chương 3: Phân tích kết cấu theo phương pháp ma trận độ cứng động lực. Các thí dụ số để so sánh kết quả giữa hai phương pháp PTHHMHCV và phương pháp MTĐCĐL.

đúng thời hạn.

Mục lục

Chơng 1: sử dụng móng cọc khoan nhồi trong

xây dựng công trình ở Việt nam

1.1 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trong ngành xây dựng 71.1.1 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trên thế giới 71.1.2 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở Việt Nam 8

1.2 ảnh hởng của phơng pháp thi công đến chất lợng của cọc

khoan nhồi

10

1.2.1 Một số đặc điểm của cọc khoan nhồi và phạm vi áp dụng 101.2.2 Một số phơng pháp thi công cọc khoan nhồi hiện nay 111.2.3 ảnh hởng của phơng pháp thi công đến chất lợng cọc khoan

pháp xác định khuyết tật của cọc khoan nhồi

2.1 Các dạng khuyết tật chính trong cọc khoan nhồi và ảnh hởng của chúng đến khả năng chịu lực

Chơng 3 Nghiên cứu phơng pháp thiết kế cọc

khoan nhồi và áp dụng tính toán xử lý cọc khi kể đến một số dạng khuyết tật thờng gặp

3.1 Nghiên cứu các phơng pháp thiết kế cọc khoan nhồi 523.1.1 Nhóm trạng thái giới hạn về khả năng chịu tải 523.1.2 Nhóm trạng thái giới hạn về biến dạng 54

3.2 áp dụng tính toán cho cọc khoan nhồi khi kể đến một số

khuyết tật thờng gặp trong thi công

ngày càng nhiều công trình xây dựng với quy mô lớn mọc lên trên khắp đất

n-ớc, đặc biệt là trong các đô thị và trung tâm kinh tế mới đây cũng chính làthời kỳ đạt đợc những bớc tiến quan trọng trong việc đa tiến bộ khoa học kỹthuật và công nghệ mới áp dụng vào sản xuất trong ngành xây dựng Trong số

đó, trớc hết phải kể đến là việc áp dụng rộng rãi kết cấu móng cọc khoan nhồi

Đối với những công trình nhà cao tầng, công trình cầu, công trình nhịp lớn,công trình tháp trụ v.v cọc khoan nhồi trong nhiều trờng hợp đợc coi nh ph-

ơng án duy nhất đợc chọn trong thiết kế kết cấu móng

Chúng ta đều biết, cọc khoan nhồi có những u điểm cơ bản so với các loạicọc đóng hay cọc ép là : Cho khả năng chịu lực tập trung lớn; công nghệ thicông cho phép cọc đạt đờng kính từ 0,6m đến 2m và hơn nữa; mũi cọc có thể

đa xuống độ sâu vài chục mét và tựa chống trực tiếp lên lớp sỏi cuội có c ờng

độ cao v.v Một đặc điểm không thể không kể đến là cọc khoan nhồi cho phépthi công móng một cách thuận tiện và an toàn đối với những công trình xâychen trong thành phố

Tuy nhiên, trong quá trình thi công cọc, vẫn có những sự cố xảy ra nh việctồn đọng đất mùn hay Bentonie ở mũi đáy cọc; sụt lở dất và chiếm chỗ từngphần tiết diện cọc do xập thành vách, xảy ra tắc ống bơm trong quá trình đổbêtông; cốt thép định vị bị sai lệch so với thiết kế v.v Chúng để lại hậu quả làtrong bêtông cọc khoan nhồi ttồn tại những dạng khuyết tật gây ảnh hởng vàlàm suy giảm đáng kể đối với khả năng chịu lực của bản thân cọc

Hiện tại, những khuyết tật nêu trên có thể phát hiện đợc bằng phơng phápSiêu âm Vấn đề đặt ra là khi đợc cung cấp những thông tin về khuyết tật trongcọc trên cơ sở kết quả của thí nghiệm Siêu âm, ngời thiết kế làm thế nào để cóphơng án xử lý chúng Đối với cọc có khuyết tật, lời giải có thể là : Vẫn chophép sử dụng cọc bình thờng; Cọc không thể sử dụng đợc, cần thay thế bằngcách thay thế bằng cọc khác hoặc nếu có thể, áp dụng biện pháp gia cố cọcbặng biện pháp bơm vữa bêtông vào khu vực cọc có khuyết tật… điều này rất điều này rấtquan trọng, vì nó liên quan đến những chi phí bổ sung làm tằng giá thànhcông trình, yêu cầu kéo dàI thời gian thi công móng, ảnh hởng đến tiến độ thicông chung của công trình Ngoài ra,ỉtong trờng hợp bổ sung cọc mới thay thếcọc bị khuyết tật còn kéo theo một loạt vấn đề khác phải xử lý cho phù đối vớikết cấu đài móng

Nội dung đề tài nghiên cứu chính là tìm giải pháp xử lý trong thiết kế vớiviệc kiểm tra khả năng chịu tải của cọc có kể đến một số dạng khuyết tật th-ờng gặp trong bêtông cọc đợc phát hiện bằng phơng pháp siêu âm BàI toánkiểm tra xác định sức chịu tải và độ biến dạng lún của cọc dựa trên cơ sởnhững biểu thức cơ bản nêu trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành đối với cọc

khoan nhồi ( Tên TC ) ủa Do đó, việc tìm ra các biện pháp kinh tế  kỹ thuật

để sử dụng móng cọc khoan nhồi có hiệu quả hơn là một vấn đề cần thiếtkhông những chỉ đối với các nhà nghiên cứu mà còn đối với cả các nhà thiết

kế, nhà thầu, t vấn giám sát Đối với nhà thiết kế, việc xác định lại sức chịu tảithực tế của cọc khoan nhồi sau khi có khuyết tật là rất quan trọng, điều nàyquyết định việc cọc có thể tiếp tục sử dụng, nên tiến hành sửa chữa hay loại bỏhoàn toàn, vấn đề nếu đợc giải quyết, sẽ mang lại hiệu quả không nhỏ về kinh

tế và kỹ thuật

Luận văn này trình bày

Nội dung Luận văn đợc trình bày theo bố cục sau:

- Chơng 1: Trình bày một cách hệ thống phơng pháp PTHH và phơng

pháp MTĐCĐL trong phân tích kết cấu

- Chơng 2: Xây dựng ma trận độ cứng động lực và véc tơ tải trọng ngoài

quy về nút cho các phần tử thanh

Chơng 1

Sử dụng móng cọc khoan nhồi trong xây dựng

công trình ở việt nam 1.1 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trong ngành xây dựng

1.1.1 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trên thế giới

Vào năm 1950, tại trờng MADI Matxcơva (Liên Xô cũ), theo đề nghịcủa giáo s E L Khơlepnhicop, hệ móng cọc khoan nhồi đầu tiên đã đợc thínghiệm và đa vào sử dụng trong các móng cầu có chân đế mở rộng Nhữngcọc khoan nhồi đầu tiên này có đờng kính từ 0,9  1,7 m, đạt độ sâu 40 m và

đợc gọi là cọc Khơlepnhicop

Từ khi ra đời, cọc khoan nhồi với nhiều u điểm, đặc biệt là khả năngchịu tải trọng lớn ngày càng đợc áp dụng ở nhiều công trình nh nhà cao tầng,công trình cầu, công trình nhịp lớn ( tìm ví dụ ???)

Nhằm đáp ứng cho sự phát triển cọc khoan nhồi, các loại máy khoancũng không ngừng đợc sản xuất, cải tiến nâng cao các tính năng kỹ thuật nh:máy khoan của hãng Benoto  Pháp có thể khoan cọc đờng kính 0.6  1,2 msâu 30 m (1954); tổ hợp máy khoan PS  150 (1965), PS  200 (1966) có khảnăng khoan cọc đờng kính 1,5  2 m sâu đến 50 m của hãng Salzagitter 

Đức Đến nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, hàng ngàn thiết bịkhoan cọc đợc sản xuất với các u điểm: độ cơ động cao do đợc lắp trên bánhlốp hoặc bánh xích, thiết bị nhỏ gọn giảm sự cồng kềnh cho phép khoan trongchỗ chật hẹp, nghiêng giá khoan để thi công cọc xiên, năng suất cao, hệ thốngmũi khoan có cấu tạo đặc biệt để khoan đợc trong các loại đất cứng hoặc đá

Điển hình là máy khoan do một số hãng sản xuất nổi tiếng trên thế giới nhCalveld (Anh); Bauer (Đức); Benoto (Pháp); Soilmec (ý); Hitachi, Sumitomo,Nippon, Sharyo, Kato (Nhật) v.v

Hiện nay, có cọc barrette, cọc franki, cọc ứng suất trớc nhng cọc khoannhồi vẫn là sự chọn lựa trong tơng lai.???

1.1.2 Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở Việt Nam

Trải qua 30 năm kháng chiến đấu tranh giành độc lập tự do cho tổ quốc,

đến ngày 30 tháng 4 năm 1975 đất nớc hoàn toàn thống nhất, Việt Nam bớcsang giai đoạn xây dựng và phát triển Từ 1975 đến những năm đầu thập kỷ

80, nhiều công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp đã đợc xây theo một

số kỹ thuật mới nh phơng pháp lắp ghép tấm lớn, khung bê tông cốt thép lắpghép Sau thành công của Đại hội Đảng lần thứ VI năm 1986, nớc ta chuyểnnền kinh tế từ bao cấp sang nền kinh tế thị trờng và đó cũng chính là điều kiệnthuận lợi để ngành xây dựng phát triển mạnh mẽ, nhiều dự án đầu t xây dựngcủa nớc ngoài đã vào Việt Nam và đi cùng nó là các công nghệ mới, hiện đại

Đầu thập niên 90 của thế kỷ XX, việc thiết kế, thi công cọc khoan nhồibắt đầu đợc áp dụng để xây dựng móng các công trình ở Hà Nội, một số điểmmốc đáng chú ý đó là:

- Công trình đầu tiên đợc ứng dụng cọc khoan nhồi tại Hà Nội là toà nhàTrung tâm Thơng mại Quốc tế (CIT) tại 17 Ngô Quyền Toàn bộ mónggồm 68 cọc đờng kính 1200 mm và 4 cọc đờng kính 800 mm Chiều sâucọc là 50 m kể từ mặt đất tự nhiên với tải trọng thiết kế là 540 tấn

- Sau công trình CIT, cọc khoan nhồi nhanh chóng đợc sử dụng để xây dựnghàng loạt công trình cao tầng ở Hà Nội: Công trình Hanoi Central Hotel 44

Lý Thờng Kiệt sử dụng cọc khoan nhồi đờng kính 1000 mm, chiều sâu mũicọc là 36 m, chịu tải tính toán là 300 tấn; Công trình SAS Royal HotelHanoi  Hồ Bảy Mẫu dùng cọc đờng kính 800 mm chịu tải thiết kế 185 tấn

và cọc đờng kính 1200 mm chịu tải 385 tấn, dài 42  43 m, mũi cọc chônsâu vào lớp cuội sỏi 6 m; Công trình Sakura Plaza Hotel  Đờng Lê Duẩn

có 2 cọc đờng kính 800 và 1200 mm đầu tiên đợc thi công tới độ sâu 40,2

m và mũi cọc đặt vào trong lớp cát chặt

Đến nay, rất nhiều công trình trên cả nớc đã đợc thiết kế và thi công sửdụng phơng án cọc khoan nhồi, có thể kể đến nh:

1 Trung tâm Báo chí Quốc tế  12 Lý Đạo Thành  Hà Nội

1.2 ảnh hởng của phơng pháp thi công đến chất lợng của cọc khoan nhồi

1.2.1 Một số đặc điểm của cọc khoan nhồi và phạm vi áp dụng

Cọc khoan nhồi là cọc đợc khoan tạo lỗ cọc trong nền đất, sau đó tiếnhành đổ bê tông nhồi vào trong lỗ khoan Cọc khoan nhồi có thể có tiết diệntròn hoặc chữ nhật Cọc khoan nhồi với những đặc điểm riêng của mình đã và

đang là giải pháp móng rất phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cũng nh yêu cầu kinh

tế của nhiều dự án xây dựng Đi sâu vào phân tích ta thấy cọc khoan nhồi cónhững u khuyết điểm chính nh sau:

a Ưu điểm

- Khi thi công gần những công trình đợc xây dựng từ lâu, đã xuất hiện một

số biến dạng rõ rệt do đó nếu sử dụng cọc khoan nhồi sẽ giảm đợc ảnh ởng có hại đến việc phát triển biến dạng không cho phép đối với công trìnhlân cận

h Khi thi công gần những khu vực theo tiêu chuẩn môi trờng không cho phéptiếng ồn lớn nh: bệnh viện, trờng học, nhà an dỡng, nhà nghỉ, nhà hát

- Có khả năng chịu tải lớn, sức chịu tải của cọc khoan nhồi với đờng kínhlớn và chiều sâu lớn có thể đạt đến hàng nghìn tấn

- Không gây ảnh hởng chấn động đến các công trình xung quanh, thích hợpcho việc xây chen trong đô thị, gần khu dân c, khắc phục đợc nhợc điểmcủa các loại cọc đóng khi thi công trong điều kiện này

- Có khả năng mở rộng đờng kính và chiều dài cọc đến mức tối đa, có khảnăng thi công cọc khi qua các lớp đất cứng nằm xen kẹp

- Dễ kiểm tra lại điều kiện địa chất công trình và chiều sâu tựa cọc

- Cọc khoan nhồi có thể tạo ra cọc có sức chịu tải hợp lý bằng cách thay đổichiều dài hoặc tiết diện cọc một cách linh hoạt, phù hợp với đặc điểm kếtcấu công trình, đảm bảo sự lún lệch giữa các móng nằm trong giới hạn chophép, không gây nguy hiểm cho kết cấu bên trên

- Khoan tạo lỗ nhanh nên rút ngắn tiến độ thi công nền móng công trình

- Biện pháp kiểm tra chất lợng bê tông cọc thờng phức tạp, nhiều tốn kém

- Do phơng pháp thi công khoan tạo lỗ cọc nên làm giảm ma sát bên củathân cọc so với cọc đóng và cọc ép

- Không có các chỉ tiêu định lợng để xác định sức chịu tải của cọc trong quátrình thi công nh độ chối của cọc đóng hay lực nén của cọc ép.

1.2.2 Một số phơng pháp thi công cọc khoan nhồi hiện nay

Trên thế giới có rất nhiều thiết bị và công nghệ thi công cọc khoannhồi, tuỳ theo đặc điểm cấu trúc đất nền và nớc dới đất để lựa chọn phơngpháp khoan Hiện nay có 3 phơng pháp thi công thờng đợc áp dụng là:

- Cọc khoan nhồi theo phơng pháp khoan khô

- Cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách

- Cọc khoan nhồi không dùng ống vách

1.2.2.1 Cọc khoan nhồi theo phơng pháp khoan khô

Cọc khoan nhồi sử dụng phơng pháp khoan khô thích hợp cho đất đánằm trên mực nớc ngầm, các loại đất đá này không bị bở rời và sập lở khikhoan tạo lỗ tới độ sâu thiết kế Phơng pháp này thích hợp cho cấu trúc nềnphân bố đất sét cứng đồng nhất, tại Hà Nội thì khu vực có cấu trúc nền nàyphân bố rộng ở Sóc Sơn, Đông Anh, Từ Liêm, Nghĩa Đô

Phơng pháp khoan khô đợc sử dụng sẽ dễ dàng kiểm tra đợc mức độlàm sạch đáy lỗ khoan và chất lợng đổ bê tông thành cọc Với phơng pháp nàycần đặc biệt chú ý kiểm tra độ nhạy của đất sét do khi đất sét quá cố kết, đấtdọc xung quanh lỗ khoan có thể nở ra do hút ẩm từ vữa bê tông không nhữnglàm mềm thành hố khoan mà còn làm giảm chất lợng bê tông cọc, đất sétcũng bị giảm độ bền theo thời gian

1.2.2.2 Cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách

Cọc khoan nhồi sử dụng ống vách thờng đợc sử dụng khi thi côngnhững cọc nằm kề sát với công trình có sẵn hoặc do những điều kiện địa chất

đặc biệt nh cho các công trình cầu, thi công trên sông nớc Cọc khoan nhồi códùng 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, chấtlợng cọc rất cao

Nhợc điểm của phơng pháp này là máy thi công lớn, cồng kềnh, khimáy làm việc thì gây rung và tiếng ồn lớn, rất khó thi công đối với những cọc

có độ dài trên 30m

1.2.2.3 Cọc khoan nhồi không dùng ống vách

Thi công cọc khoan nhồi không sử dụng ống vách là công nghệ khoanrất phổ biến Ưu điểm của phơng pháp này là thi công nhanh, đảm bảo vệ sinhmôi trờng và ít ảnh hởng đến các công trình xung quanh

Phơng pháp này thích hợp với loại đất sét mềm, nửa cứng nửa mềm, đấtcát mịn, cát thô hoặc có lẫn sỏi cỡ hạt từ 20-100mm

Có hai phơng pháp thi công cọc khoan nhồi không sử dụng ống vách,

đó là:

a Phơng pháp khoan thổi rửa (phản tuần hoàn)

Máy đào sử dụng guồng xoắn để phá đất, dung dịch Bentonite đợc bơmxuống hố để giữ vách hố đào Mùn khoan và dung dịch đợc máy bơm và máynén khí đẩy từ đáy hố khoan lên, đa vào bể lắng để lọc tách dung dịchBentonite tái sử dụng

Công việc đặt cốt thép và đổ bê tông tiến hành bình thờng

- u điểm: Phơng pháp có giá thiết bị rẻ, thi công đơn giản, giá thành hạ

- Nhợc điểm: Tốc độ khoan chậm, chất lợng và độ tin cậy cha cao

b Phơng pháp khoan gầu

Gầu khoan thờng có dạng thùng xoay cắt đất và đa ra ngoài Cần gầukhoan có dạng Ăng-ten, thờng là 3 đoạn truyền đợc chuyển động xoay từ máy

đào xuống gầu nhờ hệ thống rãnh

Vách hố khoan đợc giữ ổn đình nhờ dung dịch Bentonite Quá trình tạo

lỗ đợc thực hiện trong dung dịch Bentonite Trong quá trình khoan có thể thaycác gầu khác nhau để phù hợp với nền đất đào và để khắc phục các dị tật tronglòng đất

- u điểm: Thi công nhanh, việc kiểm tra chất lợng dễ dàng thuận tiện, đảmbảo vệ sinh môi trờng và ít ảnh hởng đến các công trình lân cận

- Nhợc điểm: Phải sử dụng các thiết bị chuyên dụng giá đắt, giá thành cọccao

Ngoài ra, phơng pháp này còn đòi hỏi quy trình công nghệ rất chặt chẽ,cán bộ kỹ thuật và công nhân phải thành thạo, có ý thức tổ chức kỷ luật cao

Do phơng pháp này khoan nhanh hơn và chất lợng đảm bảo hơn các

ph-ơng pháp khác, nên hiện nay các công trình lớn ở Việt Nam chủ yếu sử dụng

phơng pháp này bằng các thiết bị của Đức (Bauer), Italia (Soil-Mec) và củaNhật (Hitachi).

1.2.3 ảnh hởng của phơng pháp thi công đến chất lợng cọc khoan nhồi 1.2.3.1 Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi

Công nghệ thi công cọc khoan nhồi thờng bao gồm các công đoạn sau:

1 Công tác chuẩn bị

2 Công tác định vị tim cọc

3 Công tác hạ ống vách khoan và bơm dung dịch Bentonite

4 Tiến hành khoan và xác nhận độ sâu hố khoan

10 Rút ống vách và kiểm tra chất lợng cọc

1.2.3.2 ảnh hởng của quá trình thi công đến cọc khoan nhồi

a Công đoạn khoan tạo lỗ

Nguyên nhân gây h hỏng trong cọc chủ yếu do:

- Kỹ thuật, thiết bị khoan hoặc loại cọc ấn định kém thích hợp đối với đấtnền

- Mất dung dịch khoan bất ngờ (khi gặp hang caster hoặc thạch cao) hoặc sựtrồi lên đột ngột của đất bị sụt lở vào lỗ khoan: hai sự cố này dễ tạo thànhngoài dự kiến thiết kế

- Khi khoan tạo lỗ sử dụng loại dung dịch có thành phần không thích hợpvới điều kiện nền và công nghệ khoan hoặc không kiểm soát tốt sự biến đổithành phần dung dịch (nhất là mật độ và độ nhớt)

- Sự nghiêng lệch bấp bênh của hệ thống khoan lỗ của máy khi gặp đá mồcôi hoặc lớp đá nghiêng, điều này dẫn đến việc cọc không thẳng đứng và v-

ợt quá độ nghiêng cho phép của thiết kế

- Làm sạch mùn khoan trong lỗ cọc không tốt, đáy lỗ khoan có lớp cặn dàysinh ra sự tiếp xúc xấu với lớp đất chịu lực tại mũi cọc, làm nhiễm bẩn vàgiảm chất lợng bê tông

b Công đoạn cốt thép

Nguyên nhân gây h hỏng trong cọc chủ yếu do:

- Do hạ lồng thép chạm vào thành hố khoan làm sập thành gây khó khăn choviệc nạo vét thổi rửa

c Công đoạn đổ bê tông cọc

Nguyên nhân gây h hỏng trong cọc chủ yếu do:

- Thiết bị đổ bê tông không thích hợp hoặc tình trạng làm việc xấu

- Chỉ đạo quá trình đổ bê tông kém: sai sót trong việc nối ống đổ bê tông,

đứt đoạn đổ bê tông, do sự rút ống dẫn bê tông quá nhanh

- Sự cấp liệu không đều có thể dẫn đến trong một số trờng hợp lợng bê tôngchiếm chỗ ban đầu không đủ do đổ nhanh (nh giữa ống dẫn vữa và đaibọc)

- Sử dụng bê tông có thành phần không thích hợp, không đủ độ dẻo và dễphân tầng

d Một vài nguyên nhân khác

- Sự lu thông mạch nớc ngầm làm trôi cục bộ bê tông tơi

- Sự sắp xếp lại đất nền dẫn đến sự suy giảm ma sát thành bên hoặc khả năngchịu lực của mũi cọc.

- Thời hạn giãn cách kéo dài giữa khâu khoan tạo lỗ và đổ bê tông cọc gây

ra sự sụt lở đất ở vách lỗ khoan và lắng đọng chất cặn ở đáy lỗ khoan, đây

là sự cố thờng xảy ra khi thi công cọc khoan nhồi

- Sử dụng khoan địa chất đối với cọc có kích thớc quá bé làm bê tông không

có đủ thời gian chiếm chỗ trong đất nền (D < 60 cm)

1.3 Việc thiết kế cọc khoan nhồi ở Việt Nam

Việc dự đoán sức chịu tải của cọc luôn là một vấn đề đặc biệt quantrọng trong công tác thiết kế móng cọc Lý thuyết tính toán sức chịu tải củacọc chỉ mới bắt đầu trong những năm 30 của thế kỷ trớc, đó là lý thuyết tínhtoán cọc do Prandtl đề xuất đã đợc Caquot ứng dụng vào năm 1934 Ngời có

ảnh hởng lớn tới phơng pháp tính toán sức chịu tải của cọc lớn nhất phải kể

đến cha đẻ của ngành cơ học đất Karl Terzaghi với tác phẩm “Theoritical SoilMechanics” Hiện nay tiêu chuẩn các nớc trên thế giới về sức chịu tải của cọcvẫn dựa trên lý thuyết cơ bản này Về nguyên tắc, móng cọc khoan nhồi đợcthiết kế theo hai nhóm trạng thái giới hạn cũng nh các loại móng khác: nhómtrạng thái giới hạn về khả năng chịu tải và nhóm trạng thái giới hạn về biếndạng

a Nhóm trạng thái giới hạn về khả năng chịu tải

- Về độ bền của kết cấu cọc (sức chịu tải theo vật liệu)

- Về sức chịu tải theo đất nền: gồm 2 thành phần là sức chống ở mũi cọc và

ma sát thành của cọc với đất nền

- Về ổn định của đất nền quanh cọc khi cọc chịu tải trọng ngang

b Nhóm trạng thái giới hạn về biến dạng

- Về độ lún của nền móng cọc do tải trọng thẳng đứng gây ra

- Về chuyển vị của cọc (hớng thẳng đứng, nằm ngang và góc xoay của đầucọc) cùng với đất nền do tác dụng của tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang

và mômen

- Về hình thành và mở rộng vết nứt trong các cấu kiện bê tông cốt thép củamóng cọc

Hiện nay trong thiết kế cọc khoan nhồi ở Việt Nam đều sử dụng hai tiêuchuẩn cùng tồn tại song song, đó là TCXD 195 : 1997 Nhà cao tầng  Thiết kếcọc khoan nhồi và TCXD 205 : 1998 Móng cọc  Tiêu chuẩn thiết kế Cáccông thức tính toán dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi nêu trong hai tiêuchuẩn trên đều là những công thức kinh nghiệm của nớc ngoài, sử dụng kếtquả thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trờng cho đất dính và đất rời

để tính toán Mức độ chính xác của các công thức nêu trong tiêu chuẩn phụthuộc nhiều vào cách lựa chọn giá trị ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất và giátrị cờng độ chịu tải của đất dới mũi cọc

Tuy nhiên, khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi lại phụ thuộc rất lớnvào công nghệ thi công, khả năng làm sạch đáy cọc và đặc biệt là kết quả thực

tế của cọc sau khi thi công xong Nếu từ các số liệu thí nghiệm kiểm tra chấtlợng cọc có phát hiện ra những h hỏng, khuyết tật thì việc xác định lại sứcchịu tải thực tế của cọc là thực sự cần thiết

áp dụng những công thức đã có kết hợp với kết quả thí nghiệm chất ợng cọc khoan nhồi sau khi thi công để tìm ra sức chịu tải của cọc khi xuấthiện khuyết tật chính là mục tiêu mà đề tài đặt ra

l-1.4 Kết luận chơng 1

Chơng 1 đã trình bày tóm tắt một số đặc điểm chính của cọc khoannhồi, các phơng pháp thi công hay sử dụng và ảnh hởng của các phơng pháp

đó đối với chất lợng cọc khoan nhồi

Trình bày một số khái niệm về tính toán thiết kế cọc khoan nhồi hiệnnay ở Việt Nam

Chơng 2 Các dạng khuyết tật và các phơng pháp xác

định khuyết tật của cọc khoan nhồi

2.1 Các dạng khuyết tật chính trong cọc khoan nhồi và ảnh hởng của chúng đến khả năng chịu lực

về ổn định móng có thể đỡ ngại hơn tuy nhiên để đa đến quyết định cọc có

đảm bảo chất lợng cần xem xét cả đặc điểm của kết cấu bên trên

2.1.2 Khuyết tật ở thân cọc

Khuyết tật ở thân cọc chủ yếu là tính không liên tục của thân cọc, đó là:

- Các cục bớu (khối u) do từ biến của lớp đất yếu dới tác dụng đẩy của bêtông tơi hoặc do mặt cắt lỗ khoan nở ra ngoài (sụt lở, lỗ hổng )

- Sự co thắt mặt cắt ngang do sự đẩy ngang của đất hoặc sập thành lỗ khoan

- Xuất hiện thấu kính các nằm ngang do rút ống đổ bê tông không đúng kỹthuật

- Thân cọc bị rỗ tổ ong, mất vữa hoặc tạo thành hang trong bê tông do lợngnớc không cân bằng hoặc đổ bê tông trực tiếp vào nớc

- Thân cọc bị đứt gẫy do thiết bị thi công va phải đỉnh cọc.

- Thân cọc bị đứt đoạn do ma sát giữa bê tông và ống chống quá lớn, côngnghệ đổ bê tông và rút ống chống không thích hợp

- v.v

Khuyết tật tại thân cọc có liên quan trực tiếp đến ma sát giữa thành cọc

và đất nền, đó là một thành phần quan trọng trong sức chịu tải của cọc Nh ta

đã biết, sức chịu tải theo đất nền của cọc gồm hai thành phần đó là sức chốngtại mũi cọc và ma sát bên thân cọc Trong điều kiện thi công hiện nay, việc

đảm bảo sức chống mũi cọc là rất khó kiểm soát, ngời ta cũng đã đa ra nhữngbiện pháp khắc phục nh phụt vữa xi măng cờng độ cao hay mở rộng đáy cọcnhng giá thành khá cao ngoài ra còn có yêu cầu cao về thiết bị cũng nh trình

độ kỹ thuật Do đó, thành phần còn lại, sức chịu tải theo ma sát thành cọc có ýnghĩa lớn trong việc chịu lực của kết cấu cọc Chính vì vậy, khi có khuyết tật ởthân cọc thì việc giảm sức chịu tải đáng kể của cọc là điều không tránh khỏinhất là khi trong thân cọc xuất hiện một dãy những sự co thắt tiết diện, các túibùn hay những vết đứt đoạn bê tông

2.1.3 Khuyết tật ở đầu cọc

Ta đã biết tải trọng của công trình đợc truyền xuống cọc thông qua đàicọc bằng bê tông cốt thép, một chiều dài đoạn cọc đợc ngàm trong đài Đầucọc chính là nơi để liên kết giữa cọc và đài cọc

Khuyết tật ở đầu cọc xảy ra thờng do sự thiếu trách nhiệm hoặc sự tẩyrửa không đầy đủ bê tông tràn khi kết thúc đổ bê tông cọc, đợc thể hiện bởicác thể vùi bùn hoặc chất lắng đọng cặn bã Việc sửa chữa tơng đối dễ và biếtchắc đợc chỗ loại bỏ bằng việc cắt phần khuyết tật và thay thế bằng bê tôngkhác Với trờng hợp này, sau khi sửa chữa thì khuyết tật hầu nh không làm

ảnh hởng đến sức chịu tải của cọc

Một trờng hợp h hỏng khác ở đầu cọc đó là khi vì một lý do nào đó cốtthép tại đầu cọc rất xấu thì một h hỏng này có thể gây tổn hại đến tính vĩnhcửu của móng

2.2 Một số phơng pháp xác định khuyết tật trong cọc khoan nhồi Theo tài liệu của Quang-Viết tóm tắt 3 PP chính:

1 pp nén tĩnh – xác định sức chịu tảI – trục tiếp định l xác định sức chịu tảI – xác định sức chịu tảI – trục tiếp định l trục tiếp định l ợng

2 PP PIT– xác định sức chịu tảI – trục tiếp định l xác định sức chịu tảI - định l ợng gián tiếp

3 PP SÂ - định lợng khuyết tật bt  cung cấp thông tin cho thiết kế tính toán kiểm tra sức chiụtải

Để đánh giá chất lợng cọc, ta có thể sử dụng các phơng pháp không pháhuỷ hoặc phá huỷ Các phơng pháp không phá huỷ thờng đợc u tiên sử dụngnhằm phát hiện các khuyết tật nguy hiểm và các phơng pháp phá huỷ sử dụngsau đó để đánh giá định lợng các khuyết tật nguy hiểm đó, giúp các nhà thiết

kế đề xuất các biện pháp cứu chữa hợp lý

Với cọc khoan nhồi, các phơng pháp không phá huỷ đánh giá chất lợng

đợc chia thành hai nhóm: nhóm đánh giá chất lợng vật liệu thân cọc và nhóm

đánh giá sức chịu tải của cọc

2.2.1 Nhóm đánh giá chất lợng vật liệu thân cọc

Nhóm phơng pháp này dùng để đánh giá độ đồng nhất về chất lợng vậtliệu, phát hiện các khuyết tật (các vết nứt, các vật thể lạ, sự thay đổi tiết diệncọc ) dọc theo thân cọc Các phơng pháp thông dụng trong nhóm này là ph-

ơng pháp biến dạng nhỏ và phơng pháp siêu âm

2.2.1.1 Phơng pháp biến dạng nhỏ

Phơng pháp biến dạng nhỏ, gọi tắt là phơng pháp PIT (Pile IntergrityTest) cho các thông số về tốc độ truyền sóng ứng suất và xung lực tác dụngtrên các cấu kiện của công trình (cột, cọc đóng bê tông cốt thép, cọc bê tông

đổ tại chỗ, cọc ống thép nhồi bê tông, cọc gỗ ) Phơng pháp PIT cho phép

đánh giá tính toàn khối, kích thớc vật lý của cọc (tiết diện, chiều dài) và độ

đặc chắc của vật liệu cọc

Phơng pháp biến dạng nhỏ dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trongthanh đàn hồi tuyến tính Khi tạo một xung lực bằng cách gõ búa lên đầu cọc,sóng ứng suất xuất hiện và truyền dọc theo thân cọc xuống dới ở tốc độ lantruyền (c) – xác định sức chịu tảI – trục tiếp định l một hàm của modun đàn hồi (E) và mật độ () của vật liệu cọc(c2 = E/) Trở kháng (Z) của cọc tỷ lệ thuận với tiết diện (A) và modun đànhồi của cọc (Z = A.E/c) nên nó cũng là số đo của tiết diện và chất lợng cọc

a Thiết bị thí nghiệm không cần – xác định sức chịu tảI – trục tiếp định l chỉ nêu nguyên lý

Các thiết bị cần thiết cho phơng pháp PIT bao gồm: Thiết bị tạo xunglực; thiết bị đo; thiết bị ghi, xử lý và hiển thị số liệu

- Thiết bị tạo xung lực phải tạo ra một xung lực va chạm có độ dài nhỏ hơn 1

ms và không gây ra bất cứ h hỏng cục bộ nào cho cọc trong khi va chạm.Thiết bị thờng dùng là búa có đầu là chất dẻo rất cứng Trọng lợng búa đợcdùng tuỳ theo chiều dài và kích thớc hình học của cọc

- Thiết bị đo bao gồm thiết bị đo tốc độ và đo lực

+ Thiết bị đo tốc độ là các gia tốc kế Tín hiệu do các gia tốc kế tiếp nhận

đợc tích phân chuyển đổi thành tốc độ Các gia tốc kế phải tuyến tính

đến 200g và có tần số cộng hởng ít nhất là 30.000 Hz

+ Thiết bị đo lực phải có khả năng đo xung lực phụ thuộc thời gian Giatốc đo đợc chuyển đổi sang lực khi biết khối lợng của búa

- Thiết bị ghi, xử lý và hiển thị số liệu: Các tín hiệu đo từ các bộ cảm biến sẽ

đợc chuyển về các thiết bị ghi, xử lý và hiển thị số liệu phụ thuộc thời gian.Các thiết bị này bao gồm các cơ cấu xuất dới dạng đồ họa các dữ liệu tốc

độ, lực và lu giữ chúng dùng cho các xử lý phân tích tiếp theo Các thiết bịnày cũng có khả năng trung bình hoá các dữ liệu của nhiều lần đo lặp lạinhằm giảm thiểu hiệu ứng nhiễu và khuyếch đại cờng độ tín hiệu theo thờigian kể từ khi tác dụng xung lực nhằm thu đợc các tín hiệu bị yếu đi do tổnthất trong cọc

+ Thiết bị ghi là bộ đảo chuyển số có độ phân giải ít nhất là 12 bit dùng

để số hoá trực tiếp các tín hiệu analog

+ Thiết bị xử lý là các máy tính hoặc bộ vi xử lý có thể xử lý các dữ liệutốc độ và lực truyền đến từ các bộ cảm biến chính

+ Thiết bị hiển thị để quan sát tốc độ và lực nh một hàm thời gian với mỗilần tạo xung lực

b Nguyên lý thí nghiệm

- Dùng thiết bị tạo xung (búa) có gắn đầu đo lực gõ lên đầu cọc.

- Ghi lại các dữ liệu đo khi tác dụng xung lực

- Trung bình hóa các số liệu đo trong nhiều lần đo và có thể áp dụng các hệ

độ nguyên vẹn của các cọc đơn thẳng đứng hoặc nghiêng mà nó cũng có thể

áp dụng cho các bộ phận kết cấu dài có chức năng tơng tự nh các cọc móngmiễn là có thể tiếp nhận đợc thí nghiệm va chạm biến dạng nhỏ

Phơng pháp PIT chỉ cho phép đánh giá chất lợng cọc trong một khoảng

độ sâu nhất định phụ thuộc vào trở kháng của cọc và đất Khi đó, sóng phảnhồi từ một khoảng độ sâu nào đó tới mũi cọc là quá yếu khó thu nhận đợc rõràng cho dù đã áp dụng hệ số khuyếch đại Chiều sâu thích hợp cho thínghiệm là khoảng 20  30 lần đờng kính cọc

Do đặc tính thu nhận các phản xạ của sóng ứng suất khi gặp chỗ thay

đổi trở kháng của cọc, nếu có nhiều chỗ thay đổi xảy ra ở các vị trí khác nhautrong cọc, tín hiệu thu nhận đợc sẽ rất khó phân tích để có thể tách ra vị trí vàmức độ của từng khuyết tật Hơn nữa các vị trí thay đổi trở kháng có thể xảy

ra từ từ, nên tín hiệu phản xạ sẽ phức tạp hơn rất nhiều, khó phân tích một

cách rõ ràng về khuyết tật Vì vậy, trong thực tế phơng pháp thí nghiệm biếndạng nhỏ thờng chỉ cho kết quả tơng đối chính xác về vị trí và mức độ khuyếttật đầu tiên kể từ đầu cọc; không có khả năng hoặc rất khó đánh giá tính đồngnhất của tiết diện nằm dới các khuyết tật lớn, sự thay đổi lớn tiết diện, các mốinối cơ học

Trong nhiều trờng hợp, phơng pháp PIT khó có khả năng phân biệt cácphản xạ sóng của đất và của cọc, do đó phơng pháp này nói chung không thíchhợp cho ác thí nghiệm đối với cọc thép tiết diện H hoặc cọc ống thép khôngnhồi bê tông

Phơng pháp thí nghiệm biến dạng nhỏ không áp dụng cho các cọc đanglàm việc, đã ngàm vào đài và nối với các kết cấu bên trên Trong trờng hợpnày phải có các thiết bị thích hợp, gắn các đầu đo vào mặt bên của cọc và triệttiêu các sóng phản xạ từ đài và các kết cấu bên trên

Thí nghiệm PIT tuy không thể phát hiện đợc tất cả các khuyết tật, nhngphát hiện tin cậy các khuyết tật nguy hiểm cho phép xác định chiều dài hữuhiệu của cọc Dựa trên đặc điểm biến đổi trở kháng của cọc, một số các biệnpháp hợp lý có thể đợc đề xuất nh: phân phối lại tải trọng, áp dụng hệ số antoàn hợp lý hoặc các yêu cầu kết cấu khác

Theo TCVN 206  1998 “ Cọc khoan nhồi  Yêu cầu về chất lợng thicông”, số lợng cọc kiểm tra theo phơng pháp PIT thờng khoảng 30% tổng sốlợng cọc

2.2.1.2 Phơng pháp siêu âm

Giới thiệu tiêu chuẩn mới

Phơng pháp siêu âm (Sonic) là phơng pháp kinh điển và đợc dùng phổbiến Phơng pháp này đợc Châu Âu và Mỹ sử dụng khá phổ biến Vào năm

1997, Trờng Đại học Northwestern (Mỹ) tiến hành làm những thí nghiệm vềsiêu âm kiểm tra chất lợng cọc nhồi với cọc nhồi đợc đúc với những khuyết tật

định trớc Kết quả cho thấy phơng pháp quét siêu âm trong tiết diện ngang cọcthu đợc biểu đồ phản ánh khá chính xác và tin cậy

Phơng pháp siêu âm xác định chất lợng cọc dựa trên đặc điểm của quátrình truyền sóng siêu âm trong vật liệu Vật liệu có cấu tạo càng đặc chắc, tốc

độ lan truyền của sóng siêu âm trong chúng càng lớn Đối với bê tông đặc

chắc, tốc độ lan truyền của sóng siêu âm trong khoảng 3000  5000 m/s phụthuộc vào thành phần, cấp phối của cốt liệu.

a Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi theo phơng pháp siêu âmgồm những bộ phận chính sau:

- Một đầu đo phát sóng dao động đàn hồi (xung siêu âm) với cáp dẫn và một

bộ phận xung có tần số truyền sóng trong phạm vi 20  100 kHz

- Một đầu đo thu sóng có cáp dẫn

- Một thiết bị điều khiển các cáp đợc nối với các đầu đo cho phép tự động đochiều sâu hạ đầu đo

- Một bộ thiết bị điện tử để ghi nhận và điều chỉnh tín hiệu thu đợc

- Một hệ thống hiển thị tín hiệu

- Một hệ thống ghi nhận và biến đổi tín hiệu thành những đại lợng vật lý đo

đợc

- Cơ cấu định tâm cho 2 đầu đo khi đờng kính của đầu đo nhỏ hơn ít nhất 10

mm so với đờng kính trong ống đo

b Nguyên lý thí nghiệm

- Hai đầu dò (một phát và một thu sóng siêu âm) đợc thả song song cùng độcao suốt chiều dài cọc theo các ống đặt sẵn dọc thân cọc trớc khi đổ bêtông tạo cọc.

- Đo thời gian truyền sóng qua vật liệu cọc giữa hai đầu đo liên tục trong khithả đầu đo Tín hiệu biến thiên biên độ đợc hiển thị trên màn hình theochiều sâu thí nghiệm

- Chuyển sang tiến hành tơng tự với cặp ống siêu âm khác

- Từ kết quả tốc độ truyền sóng siêu âm qua tiết diện cọc dọc theo chiều dàicọc đợc xác định khi biết khoảng cách giữa hai đầu đo ( khoảng cách giữahai ống đã đặt sẵn), phân tích kết quả đo để đánh giá độ đồng nhất , xác

Suy giảm vận tốchay gia tăng thờigian tới

Không nhận đợctín hiệu

Do đất xâm nhập hoặc một sốkhuyết tật làm mất tín hiệu (ví dụống siêu âm không liên kết với bê

tông cọc )Nớc NC v = 1450 m/s  Nớc xâm nhập hoặc nớc đổ vào ống