5.2 thiết bị khoan mở rộng chân cọc khoan nhồi Dây chuyền công nghệ đúc cọc chỗ loại đờng kính lớn gồm công đoạn chính: Tạo lỗ đất đá, công đoạn phức tạp đòi hỏi giới hoá toàn Chế tạo hạ lồng thép Đổ bêtông đúc cọc Để đảm bảo chất luợng hiệu kinh tế, điều cốt yếu phải chọn đợc tổ máy khoan đồng chuyên dụng, phù hợp với điều kiện địa chất, thủy văn cụ thể nơi xây dựng yêu cầu kỹ thuật công trình 2.1-Thiết bị khoan lỗ: Tùy theo điều kiện địa chất, thủy văn yêu cầu kỹ thuật (đờng kính, độ sâu, ), nhà chế tạo sản xuất tổ hợp máy khoan có tính phù hợp, đảm bảo suất hiệu cao Mặc dù có nhiều loại khác nhau, nhng vào nguyên tắc hoạt động nói chung thiết bị khoan tạo lỗ chuyên dụng cho cọc nhồi nhóm lại kiểu chủ yếu sau: 2.1.1-Máy khoan dùng ống vách (all casing): Đầu khoan hoạt động theo nguyên tắc gàu ngoạm nhng có khối lợng nặng, bảo đảm suất phá bốc đất đá cao Hàm gàu ngoạm có bịt hợp kim rắn, khoan tạo lỗ loại đất đá (trừ đá rắn) Trờng hợp lực cản lớn, thờng dùng kết hợp với máy chấn động chất tải thêm trọng lợng, để có suất cao Nếu đất đá cứng rắn dùng đầu khoan choòng khoan xoay với mũi khoan có nhiều loại cấu tạo khác nhau: kiểu lỡi trổ, kiểu bánh mũi dao cứng Cùng với máy khoan công nghệ này, ống vách đợc sử dụng suốt toàn chiều sâu cọc Nếu dùng tạm thời để khoan lấy đất đá, sau rút lên đồng thời với đổ bêtông đúc cọc, đoạn ống vách đợc liên kết bulông đầu chìm tiện tháo lắp; ngợc lại dùng liên kết hàn Hình 5.14: Gàu ngoạm kiểu búa ống vách Gàu ngoạm Kích Hình 5.15: Tổ hợp khoan Benoto EDF-55 1.ống vách 2.Gàu ngoạm 3.Kích thuỷ lực 4.Đai choòng 2.1.2-Máy khoan vận hành ngợc (Reverse Circulation Drill): Các đầu khoan máy vận hành ngợc có nhiều loại khác tùy theo đất đá Các hoạt động đào đất, hút nớc mùn khoan, bổ sung dung dịch khoan, theo nguyên tắc tuần hoàn theo kiểu PS hãng Salzgitter Loại có mômen quay thờng nhỏ loại máy khoan xoay thuộc nhóm Nhiều loại vừa khoan đợc đất, vừa khoan đợc đá cứng Tuy nhiên, việc lựa chọn đầu khoan nên vào cờng độ chịu nén đất đá Hình 5.16: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động thiết bị PS-150 Salzgitter 1.Mũi khoan 2.Bể lắng 3.Cơ cấu điều khiển 4.ống dẫn mùn khoan 5.Bơm xả 6.Làm lạnh 7.Bơm 8.Thùng chứa Hình 5.17: Máy vận hành ngợc Đối với đất nh bùn, sét, sét, cát, cát loại, cát lẫn sỏi, có trị số xuyên tiêu chuẩn N < 50 chọn loại mũi khoan trừ đầu khoan bánh dễ tắc nghẽn Đối với đất cứng đá mềm nên chọn mũi khoan chuyên dụng tơng ứng, đầu khoan có 3, cánh có cứng không phù hợp Khoan bánh thích dụng với nham thạch, tùy theo cách xếp đặt mũi dao khoan đá cứng đá mềm Trục khoan ống thép rỗng có đờng kính 100-300mm để dung khoan vận hành ngợc trở bể chứa sau sàng lọc lại cho xuống lỗ khoan Hiện nay, phơng pháp khoan vận hành ngợc có xu hớng phát triển ứng dụng phổ biến Các loại khoan nhồi đờng kính cực lớn từ 4m dùng loại đầu khoan phơng pháp vận hành ngợc 2.1.3-Máy khoan đất (Earth Drill): Đầu máy khoan theo nguyên tắc chân vít gàu xoay hiệu để khoan lỗ cho cọc đờng kính lớn đất đá yếu: Đối với đất dính dùng đầu khoan guồng xoắn, hình 5.18, đất sau xén đợc chuyển liên tục Hình 5.18: Máy khoan đất guồng xoắn Trờng hợp đất dẻo ngậm nớc dùng đầu khoan kiểu gàu để đất cánh xén cắt đợc gạt vào gàu đến đầy đợc kéo lên đổ Kết hợp với chống vách vữa sét, gàu khoan xoay khắc phục khó khăn khoan đất yếu đất xốp rời mà không cần dùng ống vách Do không dùng ống vách nhiều trờng hợp không dùng vữa sét, nên thông dụng điều kiện địa chất khác nhau, kể đất có rễ cây, đá tảng, đá mồ côi, Chỉ đất có khả sạt lỡ vào lỗ khoan chống tạm đoạn ống vách, hạ ống vách cách dùng ống kelly khoá đáy vào đầu ống vách để vặn ép ống vách xuống đất Hình 5.19: Máy khoan đất 1.Côngson 2.Cần trục 3.Cần trục phụ 4.Rôto 5.Cần ống lồng 6.Đầu khoan 7.Gàu ngoạm 8.Đầu choòng 9.Đầu khoan xoắn 10.Cơ cấu mở rộng chân cọc Hình 5.20: Máy khoan đất 2.2-Mở rộng chân cọc: Cọc khoan nhồi mở rộng chân có khả hạ giá thành chiều sâu khoan cọc giảm bớt đợc bêtông cọc Tuy nhiên cần so sánh thời gian thi công mở rộng chân cọc với thời gian khoan tiếp để tăng chiều dài cọc đảm bảo cọc thẳng sức chịu tải tơng đơng, từ rút kết luận phơng án mang hiệu kinh tế Đối với cọc nhỏ (< 76cm) thờng không mở rộng chân cọc Trong loại đất rời, đất sét có lẫn thấu kính cát bùn nhão việc mở rộng chân gặp khó khăn nhiều không giải đợc Công nghệ khoan mở rộng chân cọc, thờng dùng đầu khoan có gá lắp thêm cánh xén đóng mở cụp xoè xoay quanh cần khoan ống kelly Có loại chính: Hình 5.21: Loại xén đất hình nón cụt hình chỏm cầu 1.ống kelly 2.ống vách 3.Cánh xén 4.Hớng mở Hình 5.22: Các đầu khoan mở rộng Loại xén đất hình nón cụt: gồm cánh xén nới khớp đỉnh đầu khoan, có u điểm giữ ổn định đợc mái xén rút cần khoan cánh tự động cụp vào gàu khoan; đóng mở kích dầu, điều khiển mặt đất Loại xén đất hình chỏm cầu: gồm cánh xén nối khớp đáy gàu có u điểm tạo đợc chân mở rộng đờng kính lớn đáy cánh xén luôn hoạt động đáy cọc nhng vòm mái kếm ổn định cánh xén dễ bị kẹt lỗ kéo gàu khoan Khi dùng máy khoan mở rộng chân cọc đất ổn định thiết phải dùng đến dung dịch vữa sét phải giữ cho cột nớc lỗ khoan cao mực nớc ngầm khoảng 2m 2.3-Các thiết bị vật liệu phụ trợ: 2.3.1-ống vách: ống vách thờng đợc dùng nh thiết bị phụ trợ quan trọng để giải nhiều trờng hợp khó khăn, nhiệm vụ chủ yếu là: chống giữ cho vách khoan đợc ổn định, bảo vệ cho mặt đất xung quanh vị trí lỗ khoan khỏi lún sụt tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều công đoạn thi công khác nhau: đào đất, hút nớc, vệ sinh lỗ khoan, đúc cọc, ống vách thờng đợc hạ cách đóng, rung vừa nén vừa xoay đợc rút dần trình đổ bêtông cọc Hình 5.23: Rung hạ ống vách Hình 5.24: Xoay hạ ống vách ống vách phải đạt đợc yêu cầu sau đây: Đủ cờng độ độ ổn định đỉnh chân ống, không bị méo móp Hình dạng phải tròn thật thẳng để tránh va chạm với đầu khoan Thành ống phải kín khít (không có lỗ khe dò) để chắn bùn cát lọt vào Đờng kính ống vách phải lớn đờng kính đầu khoan từ 4-15cm tuỳ theo công nghệ, đờng kính độ sâu hạ cọc Mặt ống phải nhẵn phẳng, ma sát tạo điều kiện thuận lợi hạ nh rút ống đợc dễ dàng Độ dài ống vách tùy theo điều kiện thuỷ văn, địa chất, độ sâu khoan cọc thiết bị công nghệ sử dụng Cấu tạo ống thép: Khi đờng kính 1m = 9-16mm > 1m lấy =16-25mm ống đợc chế tạo thành đoạn từ 3-4m đến 8m, trờng hợp cần thiết chế tạo chiều dài cọc Cao độ miệng ống vách thoả mãn điều kiện sau, hình 5.25: Khi dùng nớc, miệng ống vách cao MNN nớc mặt 2m để bơm nớc bổ sung, giữ cố định mức cao bên 2m Còn dùng vữa sét cao trình miệng ống thấp Khi MNN sâu 2m so với mặt đất, miệng ống cao trình mặt đất a c MNN 2m 2m 2m b MNN MNN h Hình 5.25: Cao độ miệng ống vách a.Mực nớc ngầm nông b.Có nớc mặt c.Nớc ngầm sâu 1-Đất rời 0.5h MNN 2-Đất dính Hình 5.26: Cao trình đáy ống có công trình xung quanh Cao trình đáy ống tuỳ thuộc địa điểm thi công điều kiện địa chất, hình 5.26: Khi cọc bên cạnh công trình xây dựng, cần ý không để xảy tợng sạt lở dới lỗ khoan làm đất lún sụt, khoan đến đâu chống vách đến cọc sát công trình nên để lại ống vách không rút lên; trờng hợp đặt chân ống vách cao chân cọc phải có biện pháp xử lý Nếu dới tầng đất dính, chân ống vách kết thúc tầng Khi tầng không thấm sâu đặt chân ống lớp không nhỏ 1.5 lần độ sâu từ mặt đất đến MNN Tùy theo điều kiện địa chất công trình, kích thớc ống vách, chiều sâu hạ để tính toán chọn thiết bị hạ ống vách cho phù hợp Thiết bị hạ ống vách thờng có dạng sau: Sử dụng thiết bị xylanh thủy lực kèm theo máy khoan để xoay lắc ống vách hạ nhổ ống vách lên Hạ kích thủy lực ép xuống Sử dụng búa rung đóng ống vách xuống kết hợp với việc lấy đất bên lòng ống vách máy khoan, gàu ngoạm hút bùn 2.3.2-Vữa sét (Bùn khoan): Ngoài giải pháp dùng ống vách, để giữ ổn định lỗ khoan chống sập lở, công nghệ khoan nhồi thờng dùng vữa sét có tỷ trọng cao: dung dịch bentonite, dung dịch vữa sét có hạt mịn, hoạt tính xúc biến cao, tỷ trọng lớn nớc Nói chung, công nghệ cọc khoan nhồi vữa sét có tác dụng sau: Hình 5.27: Bao chứa Bentonite Giữ cho vách khoan đợc ổn định, không bị sạt lở vữa sét có tính xúc biến cao chui vào kẽ hạt rời tạo thành màng liên kết dày 2-4mm bọc quanh vách lỗ khoan có tỷ trọng lớn nên tạo áp lực ngang đủ đảm bảo điều kiện cân học cho phần tử vách Là dịch thể có tỷ trọng cao trạng thái sệt, lực đẩy làm cho mạt khoan cát đá không lắng chìm đợc dới đáy hố khoan nên lấy đợc dễ dàng không vớng mạt khoan đáy lỗ nên đẩy nhanh tốc độ khoan khoan choòng Khi mở rộng chân cọc thiết phải dùng vữa sét dung dịch khoan Dung dịch vữa sét cọc khoan nhồi phải đảm bảo tiêu sau: Tỷ trọng phải lớn để tạo áp lực tác dụng lên vách lỗ khoan giữ ổn định thành vách nên dung dịch bentonite có tỷ trọng 1.05-1.25kg/cm3, dung dịch khác 1.15-1.35kg/cm3 Chỉ tiêu đợc đo tỷ trọng kế trờng Để chống lắng đọng mạt khoan, dung dịch có độ nhớt Marsh từ 1-20s đến 30-36s, đặc điểm biểu thị tính linh động dung dịch Chỉ tiêu đợc xác định côn Marsh đo thời gian chảy 500cm3 dung dịch qua phểu chuẩn Độ pH nớc cao hay thấp có khả ảnh hởng chất lợng dung dịch gây phản ứng hoá học Độ pH cho phép từ 7-9.5 Vùng nớc lợ nớc mặn dung dịch bị phân huỷ nên phải xử lý trớc sử dụng Độ phân tầng lớn gây kết tủa học (tách nớc) Độ phân tầng ngày đêm không lớn 4-8%; đặc trng cho tính ổn định cấu trúc dung dịch Chỉ tiêu đợc đo trọng lợng nớc mặt dung dịch ống nghiệm sau ngày đêm Độ thất thoát nớc biểu thị khả ổn định hàm lợng nớc tiếp xúc với đất đá Trị số thất thoát cho phép khoảng 10-25cm3 sau 30phút, lớn thay đổi chất lợng dung dịch tạo lớp vỏ dày bọc xung quanh lỗ khoan 4mm Chỉ tiêu đo hiệu tỷ trọng nửa cột dung dịch phía phía dới 1ống đặc biệt có mở khoá ngày đêm ứng suất cắt tĩnh đặc trng độ bền cấu trúc tính xúc biến dung dịch, trị số khoảng 15-40mg/cm2 Hàm lợng cát dung dịch phải < 8% theo trọng lợng độ lắng cát phải 5% Hàm hợng đợc xác định lọc rửa dung dịch thí nghiệm Chú ý: Càng khoan sâu vữa sét giảm mật độ hạt sét xâm nhập vào lỗ rỗng để tạo vách nên phải bổ sung điều chỉnh tỷ lệ thành phần vữa sét lỗ khoan Nếu mực dung dịch tụt đột ngột phải dừng khoan để tìm nguyên nhân có biện pháp xử lý kịp thời Bơm vữa sét vào lỗ khoan thờng dùng loại máy bơm chuyên dụng, áp suất tới 49MPa, bơm đến khối lợng vữa sét 1403lít/phút