KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA Cọc KHOAN NHỒI CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA KHUYẾT TẬT TRONG BÊTÔNG

Những năm gần đây, trong ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp cũng như ngành Cầu đường, công nghệ thi công cọc khoan nhồi đã được phát triển hiệu quả ở nước ta. Nhờ những tính năng ưu việt của móng cọc khoan nhồi so với các loại móng cọc khác như: có khả năng chịu được tải trọng lớn, có khả năng mở rộng đường kính, chiều sâu chôn cọc và không gây ảnh hưởng chấn động đến các công trình lân cận, đảm bảo vệ sinh môi trường khi thi công nên hiện nay cọc khoan nhồi hầu như chiếm vị trí độc tôn trong xây dựng cầu và nhà cao tầng. Cọc khoan nhồi có đường kính từ 1 đến 2,5 m, chiều sâu từ 4060m, thậm chí 80100m đang là giải pháp chủ yếu để giải quyết vấn đề kỹ thuật móng sâu trong nền địa chất phức tạp, nơi mà các loại cọc đóng, cọc ống thép không thực hiện được hoặc giá thành xây dựng quá cao hơn nữa tiến độ thi công kéo dài đồng thời không đảm bảo độ chất lượng. Lần đầu tiên ngành xây dựng cầu đã ứng dụng công nghệ cọc khoan nhồi đường kính 1,4m hạ sâu 30m khi thi công cầu Việt Trì.Từ đó đến nay đã có rất nhiều công trình áp dụng công nghệ thi công cọc khoan nhồi , có thể kể ra đây như: Móng trụ neo và trụ tháp cầu Mỹ Thuận sử dụng 36 cọc khoan nhồi đường kính 2,5m dài 55100 m với khả năng chịu tải 3900 tấn; Móng mố trụ cầu Lạc Quần (Nam Định) dùng cọc đường kính 1,5m dàI 85m khả năng chịu tảI 920950 tấn; Móng mố trụ cầu Hoà Bình dùng cọc đường kính 1,5m dàI 3540m chịu tải 760800 tấn…

Nội dung đề tài:

Khảo sát khả năng chịu lực của cạo khoan nhồi

có kể đến ảnh hởng của khuyết tật trong bêtông

KS Nguyễn Thanh Quang

I Đặt vấn đề

Những năm gần đây, trong ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp cũng

nh ngành Cầu đờng, công nghệ thi công cọc khoan nhồi đã đợc phát triển hiệu

quả ở nớc ta Nhờ những tính năng u việt của móng cọc khoan nhồi so với cácloại móng cọc khác nh: có khả năng chịu đợc tải trọng lớn, có khả năng mởrộng đờng kính, chiều sâu chôn cọc và không gây ảnh hởng chấn động đếncác công trình lân cận, đảm bảo vệ sinh môi trờng khi thi công nên hiện naycọc khoan nhồi hầu nh chiếm vị trí độc tôn trong xây dựng cầu và nhà caotầng Cọc khoan nhồi có đờng kính từ 1 đến 2,5 m, chiều sâu từ 40-60m, thậmchí 80-100m đang là giải pháp chủ yếu để giải quyết vấn đề kỹ thuật móngsâu trong nền địa chất phức tạp, nơi mà các loại cọc đóng, cọc ống thép khôngthực hiện đợc hoặc giá thành xây dựng quá cao hơn nữa tiến độ thi công kéodài đồng thời không đảm bảo độ chất lợng.

Lần đầu tiên ngành xây dựng cầu đã ứng dụng công nghệ cọc khoan nhồi

đờng kính 1,4m hạ sâu 30m khi thi công cầu Việt Trì.Từ đó đến nay đã có rấtnhiều công trình áp dụng công nghệ thi công cọc khoan nhồi , có thể kể ra đâynh: Móng trụ neo và trụ tháp cầu Mỹ Thuận sử dụng 36 cọc khoan nhồi đờngkính 2,5m dài 55-100 m với khả năng chịu tải 3900 tấn; Móng mố trụ cầu LạcQuần (Nam Định) dùng cọc đờng kính 1,5m dàI 85m khả năng chịu tảI 920-

950 tấn; Móng mố trụ cầu Hoà Bình dùng cọc đờng kính 1,5m dàI 35-40mchịu tải 760-800 tấn…

Xuất phát từ những đặc điểm thi công cọc khoan nhồi là khoan tạo lỗ trớctrong nền đất ,giữ ổn định vách hố khoan bằng ống vách ,dung dịchbentonite ,sau đó tiến hành đúc cọc theo phơng pháp đổ bêtông trong dungdịch bentonite Do vậy ,trong quá trình thi công có thể xảy ra các sự cố ngoài

dự tính của đơn vị thiết kế cũng nh đơn vị thi công ,dẫn đến hậu quả là cọc bịkhuyết tật,h hỏng,giảm khả năng chịu tải Trong thực tế đã xảy ra những sự cố

ở những công trình nh : Cọc khoan nhồi đờng kính 1m dài 37m của nhà làmviệc 10 tầng TCTXD CTGT 6 bị sự cố khối lợng bêtông đổ thực tế lớn hơn rấtnhiều so với khối lợng bêtông tính toán ; ở cầu Bình Điền (TPHCM) gặp sự cố

là không hạ hết đợc chiều dàI lồng thép theo thiết kế nhng sau đó cũng khôngrút lên đợc để thổi rửa lại do hiện tợng sụp lở đất ở vách hố khoan ; Cầu MỹThuận cọc số 4 trụ tháp bờ bắc gặp sự cố bêtông bị phân tầng ở độ sâu –80m ,giữa 2 lớp bêtông là lớp đất sét mùn khoan lẫn bentonite ,nguyên nhân là

do khi thi công gặp ma bão nên sự đổ bêtông không liên tục…

Nói chung , những sự cố gặp phảI khi thi công cọc khoan nhồi rất nhiều vàphức tạp Tuy nhiên ,trong khuôn khổ đề tài này chúng tôI chỉ đề cập đến 3dạng khuyết tật thờng gặp ,đó là:

1, Khuyết tật ở mũi cọc, nguyên nhân là do thổi rửa không kĩ nên

bùn khoan lắng đọng ở đáy hố khoan

2, Khuyết tật ở thân cọc do bị tắc ồng khi bôm bêtông tạo thành 1 lớp

bêtông có lẫn bentonite

3, Khuyết tật ở thân cọc do sự cố sập thành vách hố khoan

Chúng ta sẽ xem xét khả năng làm việc của cọc có kể đến những khuyết tậtnày,trên cơ sở đố có thể đánh giá mức độ h hỏng và đề xuất những giảI phápkhắc phục

II Những sự cố thờng gặp khi thi công cọc khoan nhồi

1.Sự cố lồng thép bị trồi khi đang đổ bêtông

-Trờng hợp 2:Do ống đổ bêtông bị mắc vào lồng thép nên khi nhồi bêtông sẽkéo cả lồng thép lên.

b.Biện pháp xử lý:

Khi phát hiện lồng thép bị trồi lên trong khi đang đổ bêtông thì cần thiết phảIdừng ngay việc đổ bêtông lại,xác định chính xác nguyên nhân gây nên việctrồi lồng thép để đề ra biện pháp xử lý thích hợp

-Trờng hợp 1:Tiến hành hàn lại thép chông trồi lồng thép vào đỉnh ốngvách,cắt bớt ống đổ bêtông chỉ để ống ngập vào bêtông khoảng 2m,sau đó tiếptục tiến hành đổ bêtông bình thờng

-Trờng hợp 2:Xoay ống đổ bêtông cho đến khi không bị mắc vào lồngthép,hàn lại thép chỗng trồi và tiếp tục đổ bêtông

2.Sự cố thành vách bị sạt trong khi khoan:

Khi đang khoan mà thấy hiện tợng khoan không xuống (độ sâu không đổi) màtrong gầu khoan vẫn có mùn khoan có địa chất không nguyên dạng,không

đồng nhất thì xảy ra hiện tợng sập vách hố khoan

Kh quan sát thấy hố khoan ổn định,không thấy có hiện tợng sạt vách thìtiến hành khoan tiếp,trong khi khoan luôn luôn kiểm soát chặt chẽ chất lợngdung dịch khoan cũng nh cao độ dung dịc khoan trong hố khoan

+Nếu sau khi áp dụng các biện pháp trên mà thành vách hố khoan vẫn không

ổn định thì phải tiến hành lấp hố khoan lại bằng hỗn hợp ximăng đất và tiếnhành khoan lại sau cùng

-Do bêtông có độ sụt quá nhỏ,bêtông bị phân tầng trong quá trình vận chuyển

từ nhà máy đến công trờng,bêtông có lẫn các phần tử đá quá lớn, gây tắc ống.b.Biện pháp xử lý:

-Kiểm soát chặt chẽ các quá trình thi công,thiết bị thi công,chất lợng của vậtliệu bêtông cọc để giảm đến mức tối thiểu các nguyên nhân nêu trên

-Khi xảy ra hiên tợng tắc ống,tiến hành dùng cần cẩu lên xuống tời thậtnhanh,tạo ra áp lực quán tính lớn trong phần bêtông đang bị tắc trong ống đổbêtông.Nếu áp dụng biện pháp nêu trên mà vẫn không thông đợc bêtông trongống thì phảI kéo ống đổ bêtông lên,tiến hành thông ống,sau đó hạ ống đổ sát

bề mặt bêtông,cắt cầu lại và đổ bêtông tiếp.Sau khi đã đẩy hết dung dịch trongống đổ bêtông ra ngoài thì tiến hành nối thêm ống đổ và hạ sâu vào trong lòngbêtông có chất lợng,tiếp tục đổ bêtông bình thờng.Bêtông cọc này đợc đổ cao

hơn so với các cọc khác để đảm bảo rằng phần bêtông xấu đã đợc đẩy toàn bộlên cao độ cắt cọc.

III Định lợng khuyết tật bằng thực nghiệm trên mô hình cọc khoan nhồi

Trong quá trình thực hiện đề tàI, nhóm chúng tôI đợc tham gia thí nghiệm

đúc và siêu âm mô hình cọc khoan nhồi có bố trí khuyết tật ,một phần trongluận văn Thạc sĩ của kỹ s Nguyễn Thanh Quang do PGS.TS Hoàng Nh Tầnghớng dẫn.Thí nghiệm đợc thực hiện tại phòng thí nghiệm và kiểm định côngtrình LAS-XD125

mẫu cọc tn số 2

phần bt khuyết tật chiếm 15%

diện tích tiết diện

phần bt khuyết tật chiếm 40% diện tích tiết diện

phần bt khuyết tật chiếm 40%

diện tích tiết diện

phần bt khuyết tật chiếm 70% diện tích tiết diện

phần bt khuyết tật chiếm 40%

diện tích tiết diện

phần bt khuyết tật chiếm 100% diện tích tiết diện

3.Định lợng khuyết tật từ kết quả siêu âm

Trong quá trình đúc cọc mẫu, ta tiến hành đúc 4 tổ mẫu 15 X 15X 15ứng với mỗi cọc

Sau 28 ngày, tiến hành thí nghiệm siêu âm và nén các mẫu này để đánhgiá mối tơng quan giữa vận tốc siêu âm và cờng độ vật liệu.Kết quả thu

đợc ghi theo các bảng dới đây :

mS m/s m/s Mpa mS m/s m/s Mpa mS m/s m/s Mpa

Quan he van toc sieu am va cuong do

T

L

V 

Trong đó:

V- Vận tốc truyền xung siêu âm, m/s;

L - Khoảng cách giữa tâm hai đầu đo, L = 0,15m;

T - Thời gian truyền xung siêu âm qua chiều dài L, giây

iv tính toán xác định khả năng chịu lực của cọc khoan nhồi có kể đến một số dạng khuyết tật

đIển hình

Theo TCXD 195-1997 ,thì sức chịu tảI của cọc khoan nhồi đợc tínhtoán theo 2 hớng : khả năng chịu tảI của vật liệu và khả năng chịu tảI của

đất nền.Hai hớng này ít nhiều độc lập với nhau Do vậy khi thiết kế thờng

đặt chiều sâu chôn cọc sao cho hai sức chịu tảI này tơng đơng nhau

1.Sức chịu tảI theo vật liệu :

+Wp : Hiệu số giữa trọng lợng cọc và trọng lợng của

trụ đất nền do cọc thay thế

+ Ntb : Chỉ số xuyên tiêu chuẩn trung bình của đất

trong khoảng 1d dới mũi cọc và 4d dới mũi cọc ,nếu N

> 50 lấy N=50

+ Ni : Giá trị trung bình của chỉ số xuyên tiêu chuẩn trong mỗi lớp đất

+ Li : Chiều dàI phần thân cọc nằm trong lớp đất thứ i

+ Ap : Diện tích mũi cọc

+  : lấy bằng 0,15 với lớp đất rời

lấy bằng 0,43 với lớp đất dính

Những công thức này đợc áp dụng khi mà cọc đợc thi công một cáchhoàn hảo,tuy nhiên trong thực tế việc thi công cọc khoan nhồi thờng xảy ranhững khuyết tật mà trong tiêu chuẩn cha đề cập đến.Do đó cần xem xét ,đánhgiá lại sức chịu tả của cọc khoan nhồi có kể đến những khuyết tật trong nó Theo TCVN ta nhân thấy tiêu chuẩn mới chỉ đa ra cách tích toán thiết kếcọc khoan nhồi chứ không đề cập đên khẳ năng làm việc của cọc trong trờnghợp cọc có khuyết tật.

Nhng trong thực tế việc thi công cọc khoan nhồi phụ thuộc rất nhiều vào

điều kiện đất nền cũng nh công tác thi công nên việc xẩy ra các sai lầm trongquá trình thi công cọc dẫn đến việc trong cọc có các khuyết tật rất thờngxuyên xảy ra trong thực tế

Trong những lúc nh vậy thì nhin chung nhà thiết kế không tính toán lại khảnăng chiu tải của cọc mà chỉ thông qua tỷ lệ h hỏng của cọc để đa ra quyết

định là có sử dụng tiếp cọc hay tiến hành thay thế

Khi thi công cọc khoan nhồi thờng xảy ra trờng hợp cọc bị khuyết tậtphần mũi cọc ,tuỳ theo mức độ h hỏng mà giảm nhiều hay ít sức chịu tảIcủa cọc, dẫn đến việc phảI thay thế hay có biện pháp gia cố.

Bằng phơng pháp siêu âm , xác định đợc chiều cao vùng bêtông phần

đầu cọc có lẫn mùn khoan làm giảm mác thiết kế là h

Bằng phơng pháp khoan lõi lấy mẫu ta xác định đợc bêtông ở mũi cọc

có môđun đàn hồi E’ và cờng độ Ru’ nhỏ hơn so với thiết kế

Khi tính toán ,nếu bỏ qua sức chống mũi cọc Qap = 0 và sức kháng bêncủa đoạn khuyết tật thì sức chịu tảI của cọc chỉ do sức kháng bên chịu :

-Nếu Qas<Ntk , tức là khi đã huy động hết sức kháng bên thì bắt đàu tính

đến sự làm việc của mũi cọc bị khuyết tật

Tải trọng truyền xuống đến phần mũi cọc bị khuyết tật :

.

'.





A : tiết diện mũi cọc

Ep : môđun đàn hồi của VL trong vùng bêtông khuyết tật

Tuỳ theo yêu cầu của thiết kế mà ngời ta quyết định có xử lý khuyếttật hay không

ap

E A

L Q

Q

d

).

(

   

d - đờng kính cọc,m

 - Hệ số phụ thuộc vào quy luật phân bố ma sát ở cấp tảI trọng thiết kế

EP - Môdun đàn hồi của vật liệu cọc,T/m2

-Nếu Q’VL<N’ phảI có biện pháp gia cố hợp lý hoặc phảI thay thế bằngcọc mới

2 Khuyết tật ở thân cọc loai 1

tảI của cọc

độ sâu và chiều cao vùng bị khuyết tật :

y - vị trí khuyết tật

x - chiều rộng lớn nhất vùng khuyết tật

h - chiều cao vùng khuyết tật

Ta tính toán đoạn cọc này nh một cấu kiện chịu nén lệch tâm với tiếtdiện là hình viên phân và mác bêtông vẫn đảm bao nh thiết kế

Lực tính toán tại đoạn cọc khuyết tật là :

- §Æc trng cña tiÕt diÖn :

2

3

2

2y R y dy R R x S

-NÕu max<RU th× cäc vÉn cã thÓ lµm viÖc b×nh thêng

-NÕu max>RU th× cäc bÞ ph¸ ho¹i

Trong trêng hîp nµy ta cã thÓ tÝnh l¹i søc chÞu t¶i cña

cäc:

as

Q I

x e R e A

0.4

0.6

0.8

1 1.2

M



x

y D x

-Nếu Qas >Ntk thì cọc vẫn đủ khả năng chịu tải và coi nh không kể đến

sự làm việc của phần dới

Tuy nhiên trờng hợp này chỉ thờng xảy ra khi vùng khuyết tật nằm khásâu phía mũi cọc

-Nếu Qas < Ntk thì bắt đầu kể đến sự làm việc của vùng khuyết tậtnày

Lực tính toán tại phần cọc này là:

5 4 3 2 1

d

N'

N tk

A E

h N

ap

E A

L Q Q

d

).

(

   

d - đờng kính cọc,m

 - Hệ số phụ thuộc vào quy luật phân bố ma sát ở cấp tải trọng thiết kế

EP - Môdun đàn hồi của vật liệu cọc,T/m2

-Nếu Q’VL<N’ phải có biện pháp gia cố hợp lý hoặc phảI thay thếbằng cọc mới

Nh vậy tuỳ vào khả năng chịu tải còn lại của cọc hay độ biến dạngcho phép theo yêu cầu của thiết kế mà có thể sử dụng tiếp hay thay thếcọc

V.Kiến nghị giải pháp xử lý

1.Xử lý mũi cọc bị khuyết tật

Tuỳ theo mức độ và vị trí không đồng nhất của bê tông mà có các

ph-ơng pháp thích hợp Các phph-ơng pháp chỉ ra sau đây chỉ áp dụng cho cọc

Trong trờng hợp cọc đã có sẵn các ống siêu âm đặt dọc trong thân cọc thì

có thể tận dụng luôn những ống siêu âm đó để bơm vữa sửa chữa châncọc Bơm vữa áp lực cao qua các ống siêu âm xuống tận chân cọc, phần

bê tông không đồng nhất ở chân cọc sẽ đợc gia cố

Việc tận dụng này có u điểm là thao tác nhanh, không mất thời giankhoan cọc cũng nh không làm ảnh hởng tới thân cọc, đảm bảo vữa đợcbơm xuống đến tận chân cọc

Các thí nghiệm nh khoan lõi, thử tĩnh đã đợc tiến hành để kiểm chứngcho phơng pháp này, mẫu khoan lõi lấy lên đợc đem đi nén Kết quả chothấy cờng độ nén mẫu khoan lõi tơng đơng thậm chí còn lớn hơn cờng độ

bê tông cọc (290kg/cm2) Điều này cho thấy phơng pháp bơm vữa áp lựcqua ống siêu âm hoàn toàn có thể áp dụng để gia cố cho phần chân cọc bịhỏng với mức độ h hỏng không lớn lắm (Chiều cao vùng bê tông không

đồng nhất nhỏ hơn 1m)

Thùng trộn vữa Van mở

ống sonic Cọc khoan nhồi

Mơ từng van

ống bơm vữa để làm sạch

2 Bơm vữa áp lực

- Đối với trờng hợp chân cọc có chất lợng bê tông không tốt với chiều

cao phần bê tông không đồng nhất lớn hơn 1m có thể áp dụng phơngpháp phun vữa xuống tận độ sâu chân cọc để gia cố đất nền xung quanhcọc

Đối với phơng pháp gia cố đất nền này có thể áp dụng phơng pháp phunvữa tạo cột (Column Jet Grouting) Đây là phơng pháp sử dụng máy phunvữa qua các lỗ khoan bên cạnh thân cọc, phun vữa vào nền đất xungquanh chân cọc để gia cố nền đất Điều đó đồng thời với việc nâng cao độnền đất chịu lực lên, chân cọc sẽ đợc chống vào nền vữa vừa phun vàonày Đáy khối vữa dự định gia cố sẽ thấp hơn chân cọc thực tế 0,5m

Đỉnh khối vữa dự định gia cố sẽ cao hơn đỉnh của phần bê tông không

đồng nhất từ 1,0~2,0m.- Phơng pháp 3: Phơng pháp thay thể hoàn toàncọc mới, thi công thêm cọc khoan nhồi ở bên cạnh, mở rộng đài cọc Ph-

ơng pháp này dành cho các cọc hỏng ở chân cọc với chiều cao của vùng

bê tông không đồng nhất lớn hơn 5m

2.Xử lý khuyết tật ở thân cọc

khuyết tật 1.Khuyết tật ở mũi cọc

đất Chiềusâu

đáylớp(m)

Chiềudàylớp

n tiêuchuẩ

n N

Sứckhángbên

Dính 0.4

2.20883

33.5736

42.5 4.5

Dính 0.4

37.5497

Dính 0.4

42.4088

46.8269

Theo TCXD 195-1997 ,khi không xảy ra khuyết tật thì :

- Sức chịu tải của cọc theo đất nền:

N'

N tk

Bằng phơng pháp siêu âm , xác định đợc phần đầu cọc mà bêtông có lẫnmùn khoan làm giảm mác thiết kế có chiều cao h =2m

Dựa vào kết quả siêu âm,đánh giá mác bêtông còn lại của vùngkhuyết tật theo biểu đồ quan hệ giữa vận tốc siêu âm và cờng độ ở trên Giả sử xác định đợc R’u = 150 T/m2

Khi bỏ qua sức chống mũi cọc Qap = 0 và sức kháng bên của đoạnkhuyết tật

Thì sức chịu tảI của cọc chỉ do sức kháng bên chịu :

Ta tÝnh to¸n ®o¹n cäc nµy nh mét cÊu kiÖn chÞu nÐn lÖch t©m.

Lùc tÝnh to¸n t¹i ®o¹n cäc khuyÕt tËt lµ :

6 , 0 75 , 0 ( ) 180

) 75 , 0

6 , 0 75 , 0 cos(

1 (

75 , 0 14

( 16

1

2 sin 2

1

2

2 / 2

2 2

R dy

y R y

R

R x

0,126m4

      ( 0 , 75  0 , 24  0 , 6 ) 

125 , 0

24 , 0 398 1

, 1

398 ) (

.

I

e N A

N

0 T/m2

Cäc sÏ bÞ ph¸ ho¹i ta tÝnh l¹i søc chÞu t¶I cña cäc theo vËt liÖu

Søc chÞu t¶i mµ cäc cã thÓ chÞu lµ:

T Q

I

e R e A

125 , 0

) 24 , 0 75 , 0 ( 24 , 0 1 1

1 /[

600 ]

) (

1 /[

M

x

y D x

5 4

3 2 1

N'

Ntk

    T/m2 > R’u => cọc không đủ khả năng làm việc Khi đó sức chịu tải của cọc giảm đi chỉ còn N*