đồ án tốt nghiệp máy khoan cọc nhồi

Tính toán thiết kế hệ dẫn động cần khoan của máy khoan cọc xi măng đất, tổng quan công nghệ thi công, phân tích lựa chọn phương án thiết kế chế tạo thiết bị, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cần khoan của máy khoan cọc xi măng đất, tổng quan công nghệ thi công, phân tích lựa chọn phương án thiết kế chế tạo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Khái quát chung về nền đất yếu

Nền đất yếu phân bố rộng ở đồng bằng Bắc bộ, đồng bằng sông Cửu long.Khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu, nhất là các công trình lớn, tải trọngnặng thì buộc phải xử lý nền để tăng sức chịu tải, giảm độ lún và chênh lệch độlún cho công trình

Theo định nghĩa [1] đất yếu là những loại đát có khả năng chịu lực thấp hầunhư hoàn toàn bão hòa nước, có hệ số độ rống lớn, hệ số nén lún lớn, mô đunbiến dạng bé, trị số sức chống cắt không đáng kể Một số chỉ tiêu để nhận biết đấtyếu như sau:

+ Dựa vào chỉ tiêu vật lý, đất được gọi là yếu khi :

- Dung trọng : γw ≤ 1,7 T/m3

- Hệ số rỗng : e ≥ 1

- Độ bão hòa : G ≥ 0,8

+ Dựa vào các chỉ tiêu cơ học :

- Mô dun biến dạng : E0 ≤ 50 kG/cm2

- Hệ số nén : a ≥ 0,01 cm2/kG

- Góc ma sát trong : ϕ≤ 100

- Lực dính (đối với đất dính): c ≤ 0,1 kG/cm2.Đất yếu có thể là đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn và đất hữu có, đấtthải Đất yếu được tạo thành ở lục địa (tàn tích, sườn tích, lũ tích, lở tích, do gió, dolầy, do con người), ở vùng vịnh (cửa sông, tam giác châu, vịnh viển) hoặc ở biển(khu vực nước nông, sâu không quá 200m, thềm lục địa, sâu 200-300m, biển sâu,trên 3000m) Chiều dày lớp đất yếu thay đổi, có thể từ một vài mét đến 35-40m

1.2 Các loại nền đất yếu thường gặp

Trong thực tế xây dựng, chúng ta thường gặp những loại đất yếu sau đây :đất sét yếu; đất cát yếu; bùn; than bùn và đất than bùn và đất đắp

* Liên kết cấu trúc và sức chống cắt của đất sét

Trong tự nhiên, đất loại sét luơn tồn tại 3 dạng liên kết cấu trúc, đĩ là : dạngchảy, dạng dẻo và dạng cứng (hình 1.1) Người ta chia thành hai loại :

- Liên kết mềm : lực liên kết chủ yếu là lực liên kết phân tử, từ tính Liên kếtnày mềm dẻo và cĩ thể hồi phục sau khi bị phá hoại (liên kết thuận nghịch)

- Liên kết cứng : lực liên kết chủ yếu là liên kết ion, đồng hĩa trị Liên kết nàycứng, giịn, khơng hồi phục được khi bị phá hoại bằng cơ học (liên kết thuận nghịch)

NƯỚ C TỰ DO HẠT ĐẤ T

LK DẠNG CHẢ Y LK DẠNG DẺ O

Bảng 1.1 Cơ cấu thành phần của lực dính đất loại sét

Cấu trúc của đất Độ sệt B Mức độ thể hiện của các thành phần lực dính

Cát được coi là yếu khi cỡ hạt thuộc loại nhỏ, mịn trở xuống, đồng thời cókết cấu rời rạc, ở trạng thái bão hòa nước, có thể bị nén chặt và hóa lỏng đáng kể,

chứa nhiều di tích hữu cơ và chất lẫn sét Những loại cát đó khi chịu tác dụngrung hoặc chấn động thì trở thành trạng thái lỏng nhớt, gọi là cát chảy.

Đặc điểm quan trọng nhất của cát là bị nén chặt nhanh, có độ thấm nước rấtlớn Khi cát gồm những hạt nhỏ, nhiều hữu cơ và bão hòa nước thì chúng trởthành cát chảy, hiện tượng này đôi khi rất nguy hiểm cho công trình và cho côngtác thi công

Cần lưu ý 2 hiện tượng nguy hiểm đối với cát yếu:Biến loãng, Cát chảy

c) Bùn, than bùn và đất than bùn.

Bùn là những trầm tích hiện đại, được thành tạo chủ yếu do kết quả tích lũycác vật liệu phân tán mịn bằng cơ học hoặc hoá học ở đáy biển, đáy hồ, bãi lầy…Bùn chỉ liên quan với các chỗ chứa nước, là các trầm tích mới lắng đọng, nonước và rất yếu về mặt chịu lực

Theo thành phần hạt, bùn có thể là cát pha sét, sét pha cát, sét và cũng có thể

là cát, nhưng chỉ là cát nhỏ trở xuống

Độ bền của bùn rất bé, vì vậy việc phân tích sức chống cắt (SCC) thành lực

ma sát và lực dính là không hợp lý SCC của bùn phụ thuộc vào tốc độ phát triểnbiến dạng Góc ma sát có thể xấp xỉ bằng không Chỉ khi bùn mất nước, mới cóthể cho góc ma sát

Việc xây dựng các công trình trên bùn chỉ có thể thực hiện sau khi đã tiếnhành các biện pháp xử lý nền

Than bùn là đất có nguồn gốc hữu cơ, thành tạo do kết quả phân hủy các ditích hữu cơ, chủ yếu là thực vật, tại các bãi lầy và những nơi bị hóa lầy Đất loạinày chứa các hỗn hợp vật liệu sét và cát

Trong điều kiện thế nằm thiên nhiên, than bùn có độ ẩm cao 85 – 95% hoặccao hơn tùy theo thành phần khoáng vật, mức độ phân hủy, mức độ thoát nước…Than bùn là loại đất bị nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất Hệ số nénlún có thể đạt từ 3-8, thậm chí 10 kG/cm2 Không thể thí nghiệm nén than bùn vớimẫu có chiều cao thông thường là 15-20cm, mà phải từ 40-50cm

Khi xây dựng ở những vùng đất than bùn, cần áp dụng các biện pháp : làmđai cốt thép, khe lún, cắt nhà thành từng đoạn cứng riêng rẽ, làm nền cọc, đàohoặc thay một phần than bùn.

d) Đất đắp

Loại đất này được tạo nên do tác động của con người Đặc điểm của đất đắp

là phân bố đứt đoạn và có thành phần không thuần nhất

Theo thành phần có thể chia thành 4 loại sau :

Đất gồm hỗn hợp các chất thải của sản xuất công nghiệp và xây dựng

Đất hỗn hợp các chất thải của sản xuất và rác thải sinh hoạt

Đất của các nền đắp trên cạn và khu đắp dưới nước (để tạo bãi)

Đất thải bên trong và bên ngoài các mỏ khoáng sản

Nhìn chung, các loại đất đắp hầu hết đều phải có biện pháp xử lý trước khixây dựng

1.3 Các đặc điểm khác của đất sét yếu

* Gradien ban đầu

Đất sét có đặc tính thẩm thấu khác thường: chỉ cho nước thấm qua khigradien cột nước vượt quá một trị số nhất định nào đó Trị số đó gọi là gradienban đầu Gradien ban đầu là độ chênh lệch tối thiểu nào đó của áp lực cột nước,

mà thấp hơn nó tốc độ thấm giảm xuống nhiều, rất bé và có thể coi như khôngthấm nước

- Biến dạng dư, chỉ gồm biến dạng cấu trúc

Biến dạng của đất sét yếu là do sự phá hoại các mối liên kết cấu trúc và biếndạng các màng hấp phụ của nước liên kết gây nên Các loại biến dạng chủ yếucủa đất sét yếu là biến dạng cấu trúc và biến dạng cấu trúc hấp phụ

* Tính chất lưu biến

Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt Chúng có tính dão (từ biến) và có

khả năng thay đổi độ bền khi tải trọng tác dụng lâu dài Khả năng này gọi là tínhchất lưu biến

Hiện tượng dão trong đất sét yếu liên quan đến sự ép thoát nước tự do khi nénchặt Do vậy hiện tượng này liên quan với sự thay đổi mật độ kết cấu của đất dokết quả chuyển dịch, các hạt và các khối lên nhau, cũng như những thay đổi trong

sự định hướng của các hạt và các khối đó với phương tác dụng của tải trọng

1.4 Sự phân vùng đất yêu trên lãnh thổ Việt Nam

Cũng như ở khu vực Đông Nam Á, các vùng đất mềm yếu ở Việt Nam chủyếu là những tầng trầm tích mới được thành tạo trong kỷ thứ tư

Theo kết quả nghiên cứu địa chất và địa lý, tầng trầm tích này chủ yếu là trầmtích tam giác châu, thường gặp ở các miền đồng bằng, trong đó hai đồng bằng lớnnhất là đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng Nam Bộ

Căn cứ vào nguồn gốc và điều kiện hình thành các đồng bằng, đổng thời dựa vàotài liệu thăm dò địa chất công trình, sơ bộ có thể nhận xét về đặc điểm chung củacác tầng đất mềm yếu ở Việt Nam như sau:

- Đồng bằng Bắc Bộ chủ yếu là loại trầm tích tam giác châu cũ và tam giácchâu mới của hai sông lớn là sông Hồng, sông Thái Bình và các chi lưu củachúng Miền đồng bằng này có diện tích rất rộng (khoảng 15000 km2) và ít đổinúi sót Vùng phù sa sông Hồng chiếm diện tích rộng nhất trong miền này

Theo tài liệu địa chất kiến tạo Việt Nam thì đồng bằng Bắc Bộ được hình thànhtrên một miền võng rộng lớn, đầu tiên chịu chế độ biển, rồi đến chế độ vững hồ

và trên đó là trầm tích kỷ thứ tư

Xét về mặt địa hình, địa mạo thì đây là miền đồng bằng thuộc loại hình bồi

tụ Do các điều kiện địa chất, địa hình như vậy nên chiều dày tầng trầm tích kỷthứ tư này rất dày, từ vài mét đến hơn 100m

Hình 1 2 Phân bố các vùng đất yếu của Việt Nam

a- Đồng bằng bắc bộ; b- Đồng bằng nam bộ

- Đổng bằng Thanh - Nghệ Tĩnh:

Có những khu vực bồi tụ, mài mòn xen ke nhau So với đồng bằng Bắc Bộ, tầngtrầm tích kỷ thứ tư ở đây không dày lắm Các trầm tính ở đây cũng rất đa dạng:

có trầm tích bồi tụ tam giác châu, có loại trầm tích bồi tụ ven biển

- Đồng bằng ven biển Trung Bộ:

Là đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình Trầm tích kỷ thứ tư ở đây thườngthấy ở vùng thung lũng các sông và thường là loại phù sa bồi tích Vùng duyênhải thuộc loại trầm tích phát triển trên các đầm phá cạn dần, bồi tích trong điềukiện lắng đọng tĩnh.

- Đồng bằng Nam Bộ:

Có thể chia thành ba khu vực dựa vào chiều dày lớp đất yếu:

a) Khu vực có lớp đất yếu dày 1÷30 m, bao gồm các vùng ven thành phố HồChí Minh, thượng nguồn các sông Vàm cỏ Tây, Vàm cỏ Đông, phía tây ĐổngTháp Mười, rìa quanh vùng Bảy Núi cho tới vùng ven biển Hà Tiên, Rạch Giá,rìa Đông Bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hoà

b) Khu vực có lớp đất yếu dày 5÷30m phân bố kế cận khu vực a) và chiếmđại bộ phận đồng bằng và khu trung tâm Đồng Tháp Mưòi

c) Khu vực có lớp đất yếu dày 15÷ 300m chủ yếu thuộc lãnh thổ các tỉnh VĩnhLong, Trà Vinh, Bến Tre tới vùng Duyên Hải, Tiền Giang, Cần Thơ, Sóc Trăng.Nguồn gốc của các tầng đất yếu đều là loại trầm tích châu thổ (sông, bãi bồí,tam giác châu), trầm tích bờ, vũng vịnh và đều thuộc vào trầm tích kỷ thứ tư

1.5 Các phương pháp xử lý nền đất yếu

Với các đặc điểm của đất yếu như trên, muốn đặt móng xây dựng công trìnhtrên nền đất này thì phải có các biện pháp kỹ thuật để cải tạo tính năng xây dựngcủa nó Nền đất sau khi xử lý gọi là nền nhân tạo

Việc xử lý khi xây dựng công trình trên nền đất yếu phụ thuộc vào nhiều điềukiện như: Đặc điểm công trình, đặc điểm của nền đất.v.v Với từng điều kiện cụ thể

mà cần có các giải pháp khác nhau Dưới đây là một số giải pháp xử lý nền đất yếu:

a) Phương pháp xử lý nền bằng đệm cát

Lớp đệm cát sử dụng hiệu quả cho các lớp đất yếu ở trạng thái bão hoà nước(sét nhão, sét pha nhão, cát pha, bùn, than bùn…) và chiều dày các lớp đất yếunhỏ hơn 3m

Biện pháp tiến hành: Đào bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu (trường hợplớp đất yếu có chiều dày bé) và thay vào đó bằng cát hạt trung, hạt thô đầm chặt Việc thay thế lớp đất yếu bằng tầng đệm cát có những tác dụng chủ yếu sau: Lớp đệm cát thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới đáy móng, đệm cátđóng vai trò như một lớp chịu tải, tiếp thu tải trọng công trình và truyền tải trọng

đó các lớp đất yếu bên dưới

Giảm được độ lún và chênh lệch lún của công trình vì có sự phân bộ lại ứngsuất do tải trọng ngoài gây ra trong nền đất dưới tầng đệm cát Giảm được chiềusâu chôn móng nên giảm được khối lượng vật liệu làm móng Giảm được áp lựccông trình truyền xuống đến trị số mà nền đất yếu có thể tiếp nhận được

Làm tăng khả năng ổn định của công trình, kể cả khi có tải trọng ngang tácdụng, vì cát được nén chặt làm tăng lực ma sát và sức chống trượt Tăng nhanhquá trình cố kết của đất nền, do vậy làm tăng nhanh khả năng chịu tải của nền vàtăng nhanh thời gian ổn định về lún cho công trình

Về mặt thi công đơn giản, không đòi hỏi thiết bị phức tạp nên được sử dụngtương đối rộng rãi

Phạm vi áp dụng tốt nhất khi lớp đất yếu có chiều dày bé hơn 3m Khôngnên sử dụng phương pháp này khi nền đất có mực nước ngầm cao và nước có áp

vì sẽ tốn kém về việc hạ mực nước ngầm và đệm cát sẽ kém ổn định

b) Phương pháp đầm chặt lớp đất mặt (cố kết đóng)

Khi gặp trường hợp nền đất yếu nhưng có độ ẩm nhỏ (G < 0,7) thì có thể sửdụng phương pháp đầm chặt lớp đất mặt để làm cường độ chống cắt của đất vàlàm giảm tính nén lún

Lớp đất mặt sau khi được đầm chặt sẽ có tác dụng như một tầng đệm đất,không những có ưu điểm như phương pháp đệm cát mà cón có ưu điểm là tậndụng được nền đất thiên nhiên để đặt móng, giảm được khối lượng đào đắp

Để đầm chặt lớp đất mặt, người ta có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau,thường hay dùng nhất là phương pháp đầm xung kích: Theo phương pháp này

quả đầm trọng lượng 1-4 tấn (có khi 5-7 tấn) và đường kính không nhỏ hơn 1m.

Để hiệu quả tốt khi chọn quả đầm nên đảm bảo áp lực tĩnh do quả đầm gây rakhông nhỏ hơn 0,2kg/ cm2 với loại đất sét và 0,15kg/cm2 với đất loại cát

Cố kết đóng cho phép tăng cường độ và sức chịu tải và giảm độ lún củanền Công nghệ được dùng để gia cố nền đất yếu ở Hà Nội, Hải Phòng và TP.HCM Quả đấm bằng khối bê tông đúc sẵn có trọng lượng từ 10 - 15 tấn đượcnhấc lên bằng cẩu và rơi xuống bề mặt từ độ cao 10-15m để đầm chặt nền.Khoảng cách giữa các hố đầm là 3x3, 4x4 hoặc 5x5m Độ sâu ảnh hưởng củađầm chặt cố kết động được tính bằng:

H - Chiều cao rơi quả đấm, m

Sau khi đầm chặt tại một điểm một vài lần cát và đá được đổ đầy hố đầm.Phương phá cố kết động để gia cố nền đất yếu đơn giản và kinh tế, thích hợp vớihiện tượng mới san lấp và đất đắp cần thiết kiểm tra hiệu quả công tác đầm chặttrước và sau khi đầm bằng các thiết bị xuyên hoặc nén ngang trong hố khoan

c) Bệ phản áp

Bệ phản áp thường được dùng để tăng độ ổn định của khối đất đắp của nềnđường hoặc nền đê trên nền đất yếu Phương pháp đơn giản song có giới hạn làphát sinh độ lún phụ của bệ phản áp và diện tích chiếm đất để xây dựng bệ phản

áp Chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp được thiết kế từ các chỉ tiêu về sứckháng cắt của đất yếu, chiều dày, chiều sâu lớp đất yếu và trọng lượng của bệ phản

áp Bệ phản áp cũng được sử dụng để bảo vệ đê điều, chống mạch sủi và cát sủi

d) Phương pháp gia tải nén trước

Trong một số trường hợp phương pháp chất tải trước không dùng giếngthoát nước thẳng đứng vẫn thành công nếu điều kiện thời gian và đất nền cho

phép Tải trọng gia tải trước có thể bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình trongtương lai Trong thời gian chất tải độ lún và áp lực nước được quan trắc Lớp đấtđắp để gia tải được dỡ khi độ lún kết thúc hoặc đã cơ bản xảy ra Phương phápnày có thể sử dụng để xử lý khi gặp nền đất yếu như than bùn, bùn sét và sét phadẻo nhão, cát pha bão hoà nước Dùng phương pháp này có các ưu điểm sau: Tăng nhanh sức chịu tải của nền đất;

Tăng nhanh thời gian cố kết, tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian Các biện pháp thực hiện:

Chất tải trọng (cát, sỏi, gạch, đá…) bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình

dự kiến thiết kế trên nền đất yếu, để chọn nền chịu tải trước và lún trước khi xâydựng công trình

Dùng giếng cát hoặc bấc thấm để thoát nước ra khỏi lỗ rỗng, tăng nhanh quátrình cố kết của đất nền, tăng nhanh tốc độ lún theo thời gian

Tuỳ yêu cầu cụ thể của công trình, điều kiện địa chất công trình, địa chấtthuỷ văn của nơi xây dựng mà dùng biện pháp xử lý thích hợp, có thể dùng đơn

lẻ hoặc kết hợp cả hai biện pháp trên

Phương pháp gia tải trước thường là giải pháp công nghệ kinh tế nhất để xử

lý nền đất yếu Gia tải trước là công nghệ đơn giản, tuy vậy cần thiết phải khảosát đất nền một cách chi tiết Một số lớp đất mỏng, xen kẹp khó xác định bằngcác phương pháp thông thường Nên sử dụng thiết bị xuyên tĩnh có đo áp lựcnước lỗ rỗng đồng thời khoan lấy mẫu liên tục Trong một số trường hợp do thờigian gia tải ngắn, thiếu độ quan trắc và đánh giá đầy đủ, nên sau khi xây dựngcông trình, đất nền tiếp tục bị lún và công trình bị hư hỏng

Phương pháp gia tải trước được dùng để xử lý nền móng của Rạp xiếc Trungương (Hà Nội, Viện nhi Thuỵ Điển (Hà Nội), Trường Đại học Hàng Hải (HảiPhòng) và một loạt công trình tại phía Nam

e) Gia tải trước với thoát nước thẳng đứng

Trong rất nhiều trường hợp, thời gian gia tải trước cần thiết được rút ngắn đểxây dựng công trình, vì vậy tốc độ cố kết của nền được tăng do sử dụng cọc cáthoặc bằng thoát nước Cọc cát được đóng bằng công nghệ rung ống chống đểchiếm đất, sau đó cát được làm đầy ống và rung để đầm chặt Cọc cát có đườngkính 30-40cm Có thể được thi công đến 6-9m Giải pháp cọc cát đã được ápdụng để xử lý nền móng một số công trình ở TP Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, HảiPhòng, Hà Nội

Bản nhựa được dùng để xử lý nền đất yếu của Việt Nam từ thập kỷ 1980.Thiết bị và công nghệ của Thuỵ Điển được sử dụng để thi công bản nhựa Côngnghệ cho phép tăng cường độ đất nền và giảm thời gian cố kết

Tại ven sông Sài Gòn đã xây dựng một bể chứa với các kích thước hình học

và tải trọng đường kính 43m, chiều cao 15m, tải trọng 20.000tấn Nền công trình

là đất yếu có chiều dày lớn được xử lý nền bằng bản nhựa thoát nước thẳng đứngkết hợp với gia tải bằng hút chân không Độ lún được tính xấp xỉ 1,0m Kết quả

độ lún thực tế sau 2 lần gia tải là 3,26m(lần đầu độ lún bằng 2,4m và lần sau độlún bằng 0,86m), ở đây có sự sai khác giữa kết quả đo và dự tính Sự khác nhau

có thể do quá trình tính toán chưa kể đến biến dạng ngang của nền và điều kiệncông trình đặt ven sông

Trong công nghệ xử lý nền bằng gia tải trước với thoát nước thẳng đứng rấtcần thiết đặt hệ quan trắc lún

lỗ rỗng của đất yếu, làm giảm độ rỗng, độ ẩm, tăng dung trọng Kết quả là làmtăng nhanh quá trình cố kết của nền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đấtđạt độ lún quy định trong thời gian cho phép Phương pháp bấc thấm có thể sử

dụng độc lập, nhưng trong trường hợp cần tăng nhanh tốc độ cố kết, người ta cóthể sử dụng kết hợp đồng thời biện pháp xử lý bằng bấc thấm với gia tải tạm thời,tức là đắp cao thêm nền đường so với chiều dày thiết kế 2- 3m trong vài tháng rồi

sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm mà nền đường đạt được độ lún cuối cùngnhư trường hợp nền đắp không gia tải Bấc thấm được cấu tạo gồm 2 phần: Lõichất dẽo (hay bìa cứng) được bao ngoài bằng vật liệu tổng hợp (thường là vải địa

kỹ thuật Polypropylene hay Polyesie không dệt…) Bấc thấm có các tính chất vật

lý đặc trưng sau:

Cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài vàolõi chất dẻo Lõi chất dẻo chính là đường tập trung nước và dẫn chúng thoát rangoài khỏi nền đất yếu bão hòa nước

Lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài là Polypropylene và Polyesie không dệt hayvật liệu giấy tổng hợp, có chức năng ngăn cách giữa lõi chất dẽo và đất xungquanh, đồng thời là bộ phận lọc, hạn chế cát hạt mịn chui vào làm tắc thiết bị Lõichất dẽo có 2 chức năng: Vừa đỡ lớp bao bọc ngoài, và tạo đường cho nước thấmdọc chúng ngay cả khi áp lực ngang xung quanh lớn Nếu so sánh hệ số thấmnước giữa bấc thấm PVD với đất sét bão hòa nước cho thấy rằng, bấc thấm PVD

có hệ số thấm (K = 1 x 10-4m/s) lớn hơn nhiều lần so với hệ số thấm nước củađất sét ( k = 10 x 10-5m/ngày đêm) Do đó, các thiết bị PVD dưới tải trọng néntức thời đủ lớn có thể ép nước trong lỗ rỗng của đất thoát tự do ra ngoài

g) Gia cường nền đất yếu bằng cọc tiết diện nhỏ

Cọc tiết diện nhỏ được hiểu là các loại cọc có đường kính hoặc cạnh từ 10đến 25cm Cọc nhỏ có thể được thi công bằng công nghệ đóng, ép, khoan phun.Cọc nhỏ được dùng để gia cố nền móng cho các công trình nhà, đường sá, đấtđắp và các dạng kết cấu khác Cọc nhỏ là một giải pháp tốt để xử lý nền đất yếu

vì mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật Công nghệ cọc nhỏ cho phép giảm chiphí vật liệu, thi công đơn giản, đồng thời truyền tải trọng công trình xuống cáclớp đất yếu hơn, giảm độ lún tổng cộng và độ lún lệch của công trình

h) Cọc tre và cọc tràm

Cọc tre và cọc tràm là giải pháp công nghệ mang tính truyền thống để xử lýnền cho công trình có tải trọng nhỏ trên nền đất yếu Cọc tràm và tre có chiều dài từ

3 - 6m được đóng để gia cường nền đất với mục đích làm tăng khả năng chịu tải vàgiảm độ lún Theo kinh nghiệm, thường 25 cọc tre hoặc cọc tràm được đóng cho1m2 Tuy vậy nên dự tính sức chịu tải và độ lún của móng cọc tre hoặc cọc tràmbằng các phương pháp tính toán theo thông lệ Việc sử dụng cọc tràm trong điềukiện đất nền và tải trọng không hợp lý đòi hỏi phải chống lún bằng cọc tiết diện nhỏ

h) Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát

Nhằm giảm độ lún và tăng cường độ đất yếu, cọc cát hoặc cọc đã đầm chặtđược sử dụng Cát và đá được đầm bằng hệ thống đầm rung và có thể sử dụng côngnghệ đầm trong ống chống Đã sử dụng công nghệ cọc cát và cọc đá để xây dựngmột số công trình tại Tp, Hồ Chí Minh, Hà Nội, Hải Phòng và Vũng Tàu Sức chịutải của cọc cát phụ thuộc vào áp lực bên của đất yếu tác dụng lên cọc Theo Broms(1987) áp lực tới hạn bằng 25 Cu với Cu = 20kPa, cọc cát Ф 40cm có sức chịu tảitới hạn là 60KN Hệ số an toàn bằng 1,5 có thể được sử dụng Khác với các loại cọccứng khác (bê tông, bê tông cốt thép, cọc gỗ, cọc cừ tràm, cọc tre ) là một bộ phậncủa kết cấu móng, làm nhiệm vụ tiếp nhận và truyền tải trọng xuống đất nền, mạnglưới cọc cát làm nhiệm vụ gia cố nền đất yếu nên còn gọi là nền cọc cát Việc sửdụng cọc cát để gia cố nền có những ưu điểm nổi bật sau: Cọc cát làm nhiệm vụ nhưgiếng cát, giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình cố kết và độlún ổn định diễn ra nhanh hơn; Nền đất được ép chặt do ống thép tạo lỗ, sau đó lènchặt đất vào lỗ làm cho đất được nén chặt thêm, nước trong đất bị ép thoát vào cọccát, do vậy làm tăng khả năng chịu lực cho nền đất sau khi xử lý; Cọc cát thi côngđơn giản, vật liệu rẻ tiền (cát) nên giá thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệukhác Cọc cát thường được dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày > 3m

i) Phương pháp xử lý nền bằng cọc vôi và cọc xi măng đất

Cọc vôi thường được dùng để xử lý, nén chặt các lớp đất yếu như: Than bùn,bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão Việc sử dụng cọc vôi có những tác dụng sau:

Sau khi cọc vôi được đầm chặt, đường kính cọc vôi sẽ tăng lên 20% làm chođất xung quanh nén chặt lại

Khi vôi được tôi trong lỗ khoan thì nó toả ra một nhiệt lượng lớn làm chonước lỗ rỗng bốc hơi làm giảm độ ẩm và tăng nhanh quá trình nén chặt

Sau khi xử lý bằng cọc vôi nền đất được cải thiện đáng kể: Độ ẩm của đấtgiảm 5-8%; Lực dính tăng lên khoảng 1,5-3 lần

Việc chế tạo cọc xi măng đất cũng giống như đối với cọc đất - vôi, ở đâyxilô chứa ximăng và phun vào đất với tỷ lệ định trước Lưu ý sàng ximăng trướckhi đổ vào xilô để đảm bảo ximăng không bị vón cục và các hạt ximăng có kíchthước đều < 0,2mm, để không bị tắc ống phun Hàm lượng ximăng có thể từ 7-15% và kết quả cho thấy gia cố đất bằng ximăng tốt hơn vôi và đất bùn gốc cátthì hiệu quả cao hơn đất bùn gốc sét

Qua kết quả thí nghiệm xuyên cho thấy sức kháng xuyên của đất nền tănglên từ 4-5 lần so với khi chưa gia cố Ở nước ta đã sử dụng loại cọc đất-ximăngnày để xử lý gia cố một số công trình và hiện nay triển vọng sử dụng loại cọc đất-ximăng này để gia cố nền là rất tốt

Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và áp dụng hiện trường cho thấy:

- Cọc đất vôi và đất xi măng đóng vai trò thoát nước và gia cường nền Đây

là giải pháp công nghệ thích hợp để gia cố sâu nền đất yếu

- Các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng phụ thuộc vào thời gian, loại đất nền,hàm lượng hữu cơ, thành phần hạt và hàm lượng xi măng và vôi sử dụng

- Việc sử dụng xi măng rẻ hơn trong điều kiện Việt Nam so với vôi Tỷ lệphần trăm thường dùng là 8 – 12% và tỷ lệ phẩn trăm của xi măng là 12 – 15%trọng lượng khô của đất

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

2.1 TỔNG QUAN VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT

Cọc xi măng đất (hay còn gọi là cột xi măng đất, trụ xi măng đất) - (Deepsoil mixing columns, soil mixing pile) Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đấtnguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoanphun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đấtcần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên Trong quá trình dịch chuyểnlên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khôhoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

Hình 2 1 Phân loại chung các thiết bị trộn cọc xi măng đất (CDM)

Cọc xi măng đất là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu Cọc ximăng đất được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho cáccông trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…như: làm tường hàochống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống và đáy cống, gia cố đất xung

quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nềnđường, mố cầu dẫn Phương pháp thi công cọc xi măng đất là một trong nhữngphương pháp cho hiệu quả gia cố nền móng cao và thi công nhanh chóng.

Nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nướcvùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chungtrong giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 bê tông đất Riêng

từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu

m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện nayhàng năm thi công khoảng 2 triệu m3

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử

lý bằng cọc xi măng đất ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3 Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắtđầu từ năm 1967 Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (6m cao 8m dài) đã đượcxây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả củahình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải

Tại Việt nam, phương pháp này được nghiên cứu từ những năm đầu của thập

kỷ 80 (thế kỷ trước) với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển (SGI) vớimột thiết bị thi công, do TS Nguyễn Trấp làm chủ trì Đề tài được kết thúc vàonăm 1986 thiết bị được chuyển giao cho LICOGI Cũng trong giai đoạn này một

đề án tốt nghiệp về đề tài này được thực hiện ở trường Đại học Kiến trúc Hà nội(1983) Có hai luận văn cao học: 1 tại ĐH Kiến trúc Hà nội (2003) và 1 ở ĐHXây dựng HN (2004) đã được bảo vệ Trong đó luận án của ĐH xây dựng đề cậpđến chịu tải trọng ngang cho việc gia cố hố đào

Vào năm 2000, do yêu cầu của thực tế, phương pháp này được áp dụng trởlại trong lĩnh vực xăng dầu, khi công trình chấp nhận một giá trị độ lún cao hơnbình thường tuy nhiên có hiệu quả kinh tế cao Đơn vị đưa trở lại phương phápnày ban đầu là COFEC và nay là C&E Consultants Trong thời gian này songsong với việc áp dụng rất nhiều thí nghiệm hiện trường (quan trắc công trình) đãđược thực hiên Những thí nghiệm mang tính nghiên cứu này được C&E thực

hiện và quy mô của nó không thua kém các đồng nghiệp khác Hiện nay C&Eđang thực hiện thí nghiệm quan trắc sự thay đổi áp lực nước nước dưới đáy khốigia cố (ở độ sâu > 20 m) tại TP Hồ Chí Minh để xem xét lại tính thoát cố kết củađất nền dưới đáy khối gia cố Hai đầu đo đã được lắp đặt để tiến hành nghiên cứulâu dài.

Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc xi măng đất vào xâydựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa)

đã sử dụng 4000m cọc xi măng đất có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô;

xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ Năm 2004cọc xi măng đất được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện VụBản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), các

dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m.Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet - grouting để sửa chữakhuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội) Năm 2005, một số dự áncũng đã áp dụng cọc xi măng đất như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - HảiPhòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu

Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệkhoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản Đề tài đã ứng dụng công nghệ vàthiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năngchịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng XM đến tính chất của xi măng đất, nhằm ứng dụng cọc xi măng đất vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các côngtrình thuỷ lợi Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (NghệAn), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An)

Tại thành phố Đà Nẵng, cọc xi măng đất được ứng dụng ở Plazza VĩnhTrung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi

Tại Tp Hồ Chí Minh, cọc xi măng đất được sử dụng trong dự án Đại lộĐông Tây, quảng trường Saigon Times… Hiện nay, các kỹ sư Orbitec đang đềxuất sử dụng cọc xi măng đất để chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt –

khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – Nam (giai đoạn 3) cũng kiếnnghị chọn cọc xi măng đất xử lý đất yếu.

Tại Quảng Ninh, công trình nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đã áp dụngcông nghệ phun ướt, địa chất công trình phức tạp gặp đá mồ côi ở tầng địa chấtcách cao độ mạt đất 11 - 12m, đất đồi cứng khó khoan tiến độ công trình đòi hỏigấp, lúc cao điểm lên đến 6 máy khoan

Tại Hà nội, Hầm đường bộ Kim Liên được xây dựng trong khu vực địa chấtyếu, nhất là khu vực phía đường Đào Duy Anh, chính vì vậy nền đất dưới hầm đãđược cải tạo bằng phương pháp cột đất gia cố xi măng với chiều dày khoảng 1.5-6m Việc gia cố đất tại đáy bằng phương pháp cột đất gia cố xi măng không nhằmgia cố nền đất mà chỉ với mục đích chống trượt trồi khi đào xuống độ sâu lớn(trên 10m) và cũng không phải gia cố tại tất cả các vị trí đào mà căn cứ theo điềukiện địa chất từng khu vực, có nơi gia cố, có nơi không Việc gia cố ít nhiều cóảnh hưởng đến độ lún của các đốt hầm Đường Láng Hòa Lạc nối Thủ đô Hà Nộivới khu công nghệ cao Hào Lạc đi qua nhiều sông ngòi và có nhiều gia cắt vớiđường bộ, đường sắt, dọc theo con đường này có nhiều hạng mục công trìnhtrong quá trình thi công đã dùng cọc xi măng đất để xử lý nền đất yếu, chống lúnchống trượt đất cho mái dốc, ổn định đất đường hầm

Tại Hải Phòng, công trình mở rộng sân bay cát bi cũng sử dụng công nghệthi công cọc xi măng đất để gia cố nền sân bay Với tổng khối lượng cọc xi măngđất 1,8 triệu m dài

Ngoài ra, ứng dụng cọc xi măng đất để làm tường chắn, vách tầng hầm,chống mất ổn định mái dốc… cũng đạt được hiệu quả cao về kinh tế - kỹ thuật.Một vài ưu điểm của phương pháp thi công cọc xi măng đất:

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc xi măng đất có ưuđiểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thôcho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặcđiều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh

tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác.(nếu sử dụng phương pháp cọc bê tông

ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày Với 1 trườnghợp đã áp dụng với lớp đất dày 30m, thì khi sử dụng phương pháp cọc- đất ximăng tiết kiệm cho mỗi móng xi lô khoảng 600 triệu đồng

Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, không có yếu tố rủi rocao Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt

đủ cường độ Tốc độ thi công cọc rất nhanh

Hiệu quả kinh tế cao Giá thành hạ hơn nhiều so với phương án cọc đóng,đặc biệt trong tình hình giá vật liệu leo thang như hiện nay

Rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở cáckhu vực nền đất yếu như bãi bồi, ven sông, ven biển

Thi công được trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập nước

Địa chất nền là cát rất phù hợp với công nghệ gia cố xi măng, độ tin cậy cao

2.2 ĐẶC ĐIỂM THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

Cọc xi măng đất được thi công tạo thành theo phương pháp khoan trộn sâu.Dùng máy khoan và các thiết bị chuyên dùng (cần khoan, mũi khoan…) khoanvào đất với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế Đất trong quá trìnhkhoan không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà bị phá vỡ kết cấu, được các cánh mũikhoan nghiền tơi, trộn đều với chất kết dính (chất kết dính thông thường là ximăng, vôi hoặc thạch cao… đôi khi có thêm chất phụ gia và cát).Phương pháp xử

lý bằng cọc đất - xi măng khá đơn giản: bao gồm một máy khoan với hệ thống

lưới có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường kính cột được thiết kế và các xi

lô chứa xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực lên tới 12 kg/cm2 Các máykhoan của Thuỵ Điển và Trung Quốc có khả năng khoan sâu đạt đến 35 m và tựđộng điều chỉnh định vị cần khoan luôn thẳng đứng Trong quá trình khoan lưỡiđược thiết kế để trộn đầu đất và xi măng, xi măng khô được phun định lượng liêntục và trộn đều tạo thành những cọc đất - xi măng đường kính 60 cm Thời giankhoan cho một bồn có đường kính 34 m từ 45 - 60 ngày

Quá trình phun (hoặc bơm) chất kết dính để trộn với đất trong hố khoan, tuỳtheo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũikhoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên Để tránh lãng phí xi măng, hạnchế xi măng thoát ra khỏi mặt đất gây ô nhiễm môi trường thông thường khi rút mũikhoan lên cách độ cao mặt đất từ 0,5m đến 1,5m người ta dừng phun chất kết dính,nhưng đoạn cọc 0,5m đến 1,5m này vẫn được phun đầy đủ chất kết dính là nhờ chấtkết dính có trong đường ống tiếp tục được phun (hoặc bơm) vào hố khoan

Khi mũi khoan được rút lên khỏi hố khoan, trong hố khoan còn lại đất đãđược trộn đều với chất kết dính dần dần đông cứng tạo thành cọc xi măng đất

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

Hiện nay trên thế giới có hai công nghệ được áp dụng phổ biến là công nghệcủa Châu Âu và công nghệ của Nhật Bản

Ở Việt Nam phổ biến hai công nghệ thi công cọc xi măng đất là: Công nghệtrộn khô (Dry Jet Mixing) và Công nghệ trộn ướt (wet mixing)

- Trộn khô là quá trình phun trộn xi măng khô với đất có hoặc không có chất phụ gia

- Trộn ướt là quá trình bơm trộn vữa xi măng với đất có hoặc không có chất phụ gia.Mỗi phương pháp trộn (khô hoặc ướt) có thiết bị giây chuyền thi công kỹthuật, thi công phun (bơm) trộn khác nhau

2.3.1 Phương pháp trộn khô (Dry Jet Mixing)

Phương pháp trộn khô (Dry jet mixing) là phương pháp trộn sâu dạng khô,dùng không khí để dẫn xi măng bột vào đất (độ ẩm của đất cần phải không nhỏ

hơn 20%), bột xi măng sẽ được nhào trộn với đất bởi các cánh trộn Hỗn hợp đất

xi măng sau khi được nhào trộn sẽ khô và tạo thành cọc xi măng đất

- Bột xi măng được phụt sâu vào trong đất thông qua ống nén khí Bột nàyđược trộn một cách cơ học nhờ thiết bị quay

- Trong phương pháp này không cho thêm nước vào trong đất, do đó hiệuquả cải tạo đất sẽ cao hơn phương pháp trộn ướt

Hình 2 2 Sơ đồ công nghệ trộn khô

2.3.2 Phương pháp thi công trộn ướt

Công nghệ trộn ướt ở Việt Nam hiện nay có hai loại chính đó là trộn ướtkiểu cơ khí (mechanical grouting) và trộn ướt kiểu tia phun cao áp (Jet-grouting)

a) Phương pháp trộn cơ khí (Mechanical grouting)

Phương pháp trộn khiểu cơ khí sử dụng cọc cánh trộn kết hợp với phun tiavữa Mũi khoan được khoan sâu xuống làm tơi đất đến khi đạt độ sâu lớp đất cầngia cố thì xoay ngược lại và rút mũi khoan Trong quá trình rút mũi khoan ximăng được phun vào nền đất bằng thiết bị bơm áp lực

Hình 2 3 Sơ đồ công nghệ trộn ướt

b) Phương pháp trộn tia cao áp (Jet-grouting)

Phương pháp trộn ướt kiểu tia cao áp (Jet – grouting) là phương pháp trộnsâu dạng ướt, vữa xi măng được phun vào đất nhờ áp lực lớn từ một vòi xoay.Phương pháp Jet – grouting được phát minh tại Nhật Bản năm 1970 Sau đó cáccông ty của Ý, Đức đã mua lại phát minh trên và đến nay nhiều công ty xử lý nềnmóng hàng đầu thế giới đều xử dụng công nghệ này như công tyLayneChristensen (Mỹ), Bauer (Đức), Keller (Anh), Frankipile (Úc)…Trải quahơn 40 năm hoàn thiện và phát triển, đến nay công nghệ này đã được thừa nhậnrộng khắp, được kiểm nghiệm và đưa vào tiêu chuẩn ở các nước phát triển trênthế giới

Hình 2 4 Sơ đồ công nghệ Jet – grouting

Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet-grouting: đầu tiên làcông nghệ S, tiếp theo là công nghệ T và gần đây là công nghệ D.

* Công nghệ đơn pha (Công nghệ S)

Vữa phụt ra với vận tốc 100m/s, vừa cắt đất vừa trộn vữa với đất một cáchđồng thời, tạo ra một cột đất-xi măng đồng đều với độ cứng cao và hạn chế đấttrào ngược lên

Hình 2 5 Công nghệ jet-grouting đơn pha

Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa Các lỗ phun có thểđược bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, và cả độ lệch góc đều nhau Công nghệđơn pha dùng cho các cột đất có đường kính vừa và nhỏ (0,5÷0,8 m)

* Công nghệ hai pha (Công nghệ D)

Đây là hệ thống phụt vữa kết hợp vữa với không khí Hỗn hợp vữa ximăng được bơm ở áp suất cao, tốc độ 100m/s và được trợ giúp bởi một tia khínén bao bọc quanh vòi phun Vòng khí nén sẽ làm giảm ma sát và cho phép vữaxâm nhập sâu vào trong đất, do vậy tạo ra cột đất-ximăng có đường kính lớn Tuynhiên, dòng khí lại làm giảm độ cứng của cột đất so với phương pháp phụt đơntia và đất bị tràongược nhiều hơn

đất-Hình 2 6 Công nghệ jet-grouting hai pha

Cấu tạo đầu khoan gồm có một hoặc nhiều lỗ phun (bố trí ngang hàng hoặclệch hàng, có độ lệch góc đều nhau) để phun vữa và khí Khe phun khí nằm baoquanh lỗ phun vữa Công nghệ hai pha tạo ra các cọc có đường kính lớn hơn côngnghệ một pha, có thể đạt tới 1,2÷1,5 m

* Công nghệ ba pha (Công nghệ T)

Quá trình phụt có cả vữa, không khí và nước Không giống phụt đơn pha vàphụt hai pha, nước được bơm dưới áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xungquanh vòi nước Điều đó đuổi khí ra khỏi cột đất gia cố Vữa được bơm qua mộtvòi riêng biệt nằm dưới vòi khí và vòi nước để lấp đầy khoảng trống của khí.Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất hoàn toàn Đất bị thay thế sẽ tràongượclên mặt đất và được thu gom, xử lý

Hình 2 7 Công nghệ jet-grouting ba pha

Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ đúp để phun nước và khí đồngthời và một hoặc nhiều lỗ đơn nằm thấp hơn để phun vữa Nói chung mối cặp lỗphun khí- nước và vữa đều nằm đối xứng nhau qua tâm trục của đầu khoan Cáccặp lỗ được bố trí lệch góc đều nhau CXMĐ tạo ra bằng công nghệ này có thểđạt đường kính lớn tới 3m

Chương 3

TỔ HỢP MÁY KHOAN CỌC XI MĂNG ĐẤT

VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG 3.1 MÁY KHOAN CỌC XI MĂNG ĐẤT

Máy khoan cọc xi măng đất gồm có hai nhóm là nhóm máy khoan cọc ximăng đất theo công nghệ trộn khô và nhóm máy khoan cọc xi măng đất theocông nghệ trộn ướt

3.1.1 Máy khoan cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt

Theo công nghệ trộn ướt tổ hợp máy khoan cọc xi măng đất bao gồm: Máy

cơ sở, thiết bị khoan trộn, thiết bị trộn vữa xi măng, thiết bị bơm vữa xi măng, hệđịnh lượng và điều chỉnh lưu lượng vữa xi măng phun và hệ điều chỉnh cùng cácthiết bị phụ trợ khác

Hình 3 1 Sơ đồ dây chuyền thiết bị phương pháp trộn ướt

1- Trạm trộn vữa xi măng; 2- Máy phát điện; 3- Máy cơ sở; 4- Đường ống dẫn vữa xi măng; Cần dẫn hướng (leader); 6- Đầu dẫn động trục khoan trộn; 7- Trục trộn;8- Các cánh trộn; 9-

5-Cánh tĩnh; 10- Lỗ phun vữa

Bảng 3.1 Thông số máy khoan theo phương pháp trộn ướt

30m 50-60kWx2 300kVA (electric)

40m 75-90kWx2 400kVA (electric)

50m 90kWx2 450kVA (electric) Dụng cụ trộn

+ Số lượng trục

+ K/c trục

+ D cánh trộn

2 0.8; 1; 1.1m 1; 1.2; 1.3m

2 0.8; 1; 1.1m 1; 1.2; 1.3m

2 0.8; 1; 1.1m 1; 1.2; 1.3m

2 0.8; 1; 1.1m 1; 1.2m Loại đất:

+ Sét

+ Cát

N<4 (max N=8) N<6 (max N=15)

N<4 (max N=8) N<6 (max N=15)

N<4 (max N=8) N<6 (max N=15)

N<4 (max N=8) N<6 (max N=15) Thùng trộn chất kết

3.1.2 Máy khoan cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khô

Theo công nghệ trộn khô tổ hợp thiết bị thi công cũng gần giống tổ hợp thiết

bị thi công theo công nghệ trộn ướt chỉ khác ở phương pháp đưa xi măng vào nềnđất Phương pháp đưa xi măng vào nền đất của công nghệ này là sử dụng dòngkhí nén có áp suất cao

Hình 3 2 Sơ đồ thi công trộn khô

1- Trạm trộn vữa; 2- Si lô xi măng; 3- Máy cơ sở; 4- Cần dẫn hướng (leader); 5- Đầu dẫn

động trục khoan trộn; 6- Trục trộn; 7- Lỗ phun xi măng; 8- Cánh trộn

Bảng 3.2 Thông số máy khoan theo phương pháp trộn khô hãng Kobelco

90kWx2 (điện)

110kWx2 (điện) Dụng cụ trộn

2 0.8; 1; 1.2; 1.5m 1m

2 0.8; 1; 1.2; 1.5m 1m

Loại đất:

+ Đất sét

+ Cát

N<3 (max, N=6) N<10 (max, N=18)

N<3 (max, N=6) N<10 (max, N=18)

N<3 (max, N=6) N<10 (max, N=23)

N<3 (max, N=6) N<10 (max, N=32) Tốc độ phun chất kết

Hình 3 3 Máy cơ sở máy khoan cọc xi măng đất

Máy cơ sở có thể sử dụng là máy đóng cọc bánh xích, máy xúc bánh xích hoặccần trục bánh xích Việc sử dụng các máy cơ sở có sẵn sẽ giúp cho các nhà thầu giảmkinh phí đầu tư và làm chủ tiến độ thi công.

3.1.4 Thiết bị khoan trộn

a) Đối với phương pháp trộn ướt

Máy khoan theo phương pháp trộn ướt có thể sử dụng từ một cho tới bốncần khoan được treo dọc theo cần dẫn hướng của máy cơ sở Ở hai đầu của cầnkhoan được lắp với giá và trượt dọc theo cần dẫn hướng Cần khoan được cẫnđộng quay bằng động cơ lắp trên đầu cần khoan hoặc ở thân cần khoan (tùy loạimáy) Vữa xi măng được cung cấp cho cần khoan qua khớp xoay ở đầu cầnkhoan (đối với máy có nhiều trục thì vữa cung cấp cho mỗi trục là độc lập nhau).Đối với máy có nhiều cần khoan, khoảng cách giữa các cần khoan có thể thay đổiđược trong quá trình thi công, ví dụ đối với máy khoan của hãng Kobelco hai trụctrộn thì khoảng cách trục có thể thay đổi được trong khoảng 0.8, 1, 1.1m vàđường kính cánh trộn là 1, 1.2, 1.3m Khoảng cách trục có thể thay đổi được chophép thi công các cọc đất ghép chồng lên nhau một phần do vậy diện tích mặt cắtngang của cọc thay đổi từ 1.5 đến 2.6m2

Hình 3 4 Cánh trộn thông thường của phương pháp trộn ướt

Đối với máy hai hai nhiều cần khoan thường có tấm giằng để giữ khoảngcách cho hai trục (hình 3.4) Tấm này cũng có chức năng tăng khả năng trộn ngănngừa "hiện tượng cuốn xoay" đó là hiện tượng đất dính và quay cùng với cánh trộn

mà không trộn chất kết dính với đất Đối với máy một trục, một cánh trộn tự do cóđường kính dài hơn khoảng 100mm được kính của cánh trộn được lắp khi cần thiết

và gần với cánh trộn để ngăn ngừa "hiện tượng cuốn xoay" (hình 3.5)

Bảng 3.4 Thông số làm việc khi thi công theo phương pháp trộn ướt

Loại Phun khi thâm nhập Phun khi rút trục trộn Trục trộn

+ Tốc độ thâm nhập 1(m/ph) 1(m/ph)

20 40

Số vòng quay cánh trộn (n/m) 360 350

b) Đối với phương pháp trộn khô

Máy khoan trộn khô cũng có thể có một trục hoặc nhiều trục trộn và đượctreo dọc theo cần dẫn hướng của máy cơ sở Cần khoan được liên kết với cần dẫnhướng của máy cơ sở tại hai vị trí: một ở đầu trục trộn và hộp giảm tốc được gắn

ở cuối cần dẫn hướng Động cơ dẫn động công suất lớn và hộp giảm tốc được bốtrí ở cuối cần dẫn hướng do đó máy khoan trộn khô ổn đinh tốt hơn Chất kếtdính (xi măng) được cấp cho mỗi cần khoan một cách độc lập bởi các bộ cấp liệuđộc lập Chất kết dính được cấp cho trục trộn thông qua khớp xoay ở đầu trụctrộn giống như ở máy thi công theo phương pháp trộn ướt

Đối với máy có hai hai nhiều trục trộn, khoảng cách giữa các trục trộn cóthể thay đổi được trong một khoảng nhất định Ví dụ đối với máy hai trục trộncủa hãng Kobelco, khoảng cách trục được điều chỉnh thay đổi ở các giá trị 0.8; 1;1.2; 1.5m để thay đổi cách bố trí của hàng cọc Khi khoảng cách trục nhỏ hơnđường kính của mỗi cánh trộn, các cọc xi măng đất sau khi thi công sẽ chồng lênnhau một phần Khi khoảng cách giữa các trục bằng đường kính của các cánhtrộn, hai cọc tiếp xúc với nhau và khi khoảng cách này lớn hơn đường kính cánhtrộn thì kết cấu hàng cọc tương tự như thi công cọc đơn Diện tích mặt cắt ngangcủa cọc đơn nằm trong khoảng từ 0.8 đến 1.5m2

Hình 3 6 Trục trộn của máy khoan trộn khô

a- Loại hai trục trộn; b- Loại một trục trộn

Đối với máy trộn cọc kép, dụng cụ trộn được bố trí thêm một tấm giằng đểgiữ khoảng cách giữa hai trục trộn Mặt khác, các tấm này cũng có tác dụng là đểtăng hiệu quả trộn và ngăn chặn "hiện tượng cuốn xoay" Các trục trục này trongquá trình thi công sẽ quay ngược chiều nhau nhằm tăng khả năng trộn và tăng sự

ổn định cho máy Đối với máy một trục trộn, để ngăn ngừa "hiện tượng cuốnxoay" người ta lắp thêm một cánh trộn tự do có đường kính lớn hơn khoảng100mm so với đường kính cánh trộn và gần với cánh trộn cố định

Hình 3 7 Trục trộn và cánh trộn của máy khoan trộn khô

Khi sử dụng trục trộn có tiết diện hình vuông khoảng 200x200mm thì việcbơm khí vào trong đất có thể thoát qua lỗ ở bốn mặt của trục trong quá trình quay(hình 3.7) Trong lòng trục được bố trí một ống dẫn đường kính 50mm để dẫn chấtkết dính và khí nén bơm vào trong lòng đất Các cánh trộn được bố trí chéo nhau

và vuông góc với nhau Để giảm lực cản trong quá trình thâm nhập, người ta lắpmột đầu khoan hình nón vào đầu trục Đường kính của cánh trộn thường là 1m.Cánh trộn trên có dạng hình chữ C và cánh trộn dưới có dạng hình chữ L Ở mộtvài đầu khoan được lắp cả hai loại cánh.Hai lỗ phun chất kết dính được lắp trêntrục gần với cánh trộn, phía sau cánh trộn theo hướng xoay để tránh hiện tượng bịtắc (Hình 3.8) Lỗ phun ở trên chỉ phun chất kết dính khi rút cọc và lỗ phun phíadưới phun chất kết dính trong quá trình thâm nhập của trục trộn vào đất

1-2(m/ph) 0.7(m/ph)

1-2(m/ph) 0.9(m/ph)

1-2(m/ph) 0.9(m/ph) Tốc độ quay cánh trộn

+ Thâm nhập (vg/ph)

+ Rút (vg/ph)

24 48

24 48

32 64

32 64

3.1.5 Trạm trộn

a) Thi công theo phương pháp trộn ướt

Trạm trộn vữa của máy thi công theo phương pháp trộn ướt bao gồm: Một xi

lô dung tích lớn nhất 300kN được dùng để chữa chất kết dính (hình 3.9) Vữathường được sản xuất khoảng 1m3 trong thùng trộn dung tích 2 đến 3.5m3 Tỉ lệnước/chất kết dính của vữa thường nằm trong khoảng 60 đến 100% Vữa sản xuấtđược cung cấp cho từng trục trên máy thi công bởi các bơm độc lập với tổng lưulượng từ 100 đến 350 L/phút Vữa được cung cấp tới máy bởi sự hỗ trợ của bơmvới áp lực khoảng 2.5MN/m2 Áp suất bơm được điều khiển để đảm bảo lưulượng vữa được cố định trong suốt quá trình thi công

Hình 3 9 Xi lô chất kết dính và khối bơm

b) Thi công theo phươg pháp trộn khô

Trạm trộn của máy thi công theo phương pháp trộn khô bao gồm: một xilôchứa chất kết dính (xi măng), máy cấp liệu, máy nén khí được lắp đặt ở một vịtrí để cung cấp chất kết dính cho máy khoan trộn khô Xi lô chứa chất kết dínhthường có tải trọng khoảng 300kN, bình khí nén được sử dụng để trữ khí nén với

áp suất lớn nhất 700kN/m2, thể tích 2m3, nó có thể cung cấp một lượng khíkhoảng 4m3 khí ở áp suất 450kN/m2 trong phút Chất kết dính được đưa vào dòngkhí nén ở thiết bị cấp liệu qua bánh cấp liệu, ở đó tỉ lệ chất kết dính được thêmvào dòng khí và được điều khiển bởi tốc độ quay của bánh cấp liệu Dòng khímang theo chất kết dính được cung cấp qua khớp xoay ở đầu trục trộn và đưa tới

các cánh trộn để phun vào trong đất Đối với máy hai trục, các trục trộn đượccung cấp chất kết dính một cách độc lập bởi hai máy cấp liệu riêng biệt Tỉ lệ cấpliệu được điều chỉnh trong khoảng từ 25-120kg/phút cho mỗi trục Toàn bộ thông

số của quá trình cấp liệu được điều khiển tự động và được ghi dữ liệu liên tụctheo thời gian thực

Hình 3 10 Trạm cấp liệu cho máy trộn khô

3.1.6 Khối điều khiển

a) Đối với phương pháp trộn ướt

Khối điều khiển thường được bố trí trong phòng điều khiển, nhưng trongmột vài trường hợp bố trí trực tiếp trên máy thi công theo phương pháp trộn ướt ở

đó điều kiện chất kết dính, hàm lượng các chất, tốc độ quay của cánh trộn, tốc độthâm nhập và rút trục trộn được hiển thị, điều khiển và in ra liên tục (hình 1.19)

Với trường hợp này khối điều khiển được đặt trong phòng điều khiển (hình3.11a) người vận hành trên máy thi công chịu trách nhiệm điều khiển hình dạngvật lý, độ thẳng đứng, tốc độ dịch chuyển thẳng đứng và sự phát triển về chiềusâu của trục, dữ liệu hợp lý được phản hồi tới cabin để hiển thị Người vận hànhtrạm trộn chịu trách nhiệm cho quá trình trộn khác bao gồm tốc độ quay cánhtrộn và lượng chất kết dính Trong hầu hết các trường hợp dữ liệu này đã đượcthiết lập trong quá trình thiết kế và máy tính điều khiển Người vận hành trạm

trộn và người điều khiển máy phải giữ liên lạc với nhau bằng thiết bị không dây

và điều chỉnh quá trình thi công để mở rộng sự điều chỉnh khi cần thiết

Hình 3 11 Khối điều khiển

a- Khối điều khiển trong phòng điều khiển; b- Khối điều khiển trên máy thi công

Trong trường hợp khối điều khiển lắp ngay trên máy (hình 3.11b) người vậnhành máy chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các thông số đã nêu ra ở trên

b) Đối với phương pháp trộn khô

Một phòng điều khiển được lắp đặt ở gần máy cấp liệu, tất cả các số liệutrong quá trình thi công được hiển thị, điều khiển và ghi dữ liệu liên tục Dữ liệucủa phương pháp trộn khô bao gồm: áp suất khí nén, tốc độ dòng khí, lượng chấtkết dính, tốc độ quay của trục trộn, chiều sâu của cánh trộn, tốc độ khoan và tốc

độ rút trục trộn, công suất tiêu thụ

Hình 3 12 Khối điều khiển của phương pháp trộn khô

Người điều khiển trên máy chịu trách nhiệm điều khiển kiểu bố trí hình họccủa máy, độ thẳng đứng, tốc độ dẫn tiến trục trộn và chiều sâu của trục trộn Dữliệu thu thập được gửi tới màn hình điều khiển trên cabin

Người vận hành trạm trộn chịu trách nhiệm quá trình trộn khác bao gồm: tốc

độ quay của cánh trộn và lượng chất kết dính Tất cả các thông số này đều được lậptrình sẵn trong quá trình thiết kế và được điều khiển tự động bằng máy tính

Người vận hành trạm trộn và người vận hành máy phải luôn luôn trao đổivới nhau thông qua thiết bị không dây để kịp thời điều chỉnh các thông sô trongquá trình vận hành khi cần thiết

3.2 QUI TRÌNH THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

3.2.1 Qui trình thi công của phương pháp trộn khô

+ Chuẩn bị mặt bằng làm việc

Việc chuẩn bị được tiến hành theo chỉ dẫn trong những điều kiện cụ thể,bao gồm: lối vào cho trạm trộn và máy thi công, độ bằng phẳng của mặt bằng thicông, các chướng ngại ở bên dưới nền đất và địa điểm thi công Trạm trộn chấtkết dính thường yêu cầu tổng diện tích từ 150 đến 200 m2 Trước khi vận hànhthực tế, cần chuẩn bị điều kiện thi công để đảm bảo thi thi công được thuận lợi vàtránh các ảnh hưởng từ môi trường Phủ một lớp cát dày khoảng 0.5-1m để làmmặt bằng thi công, sử dụng các tấm thép kích thước 1.5x4m đặt lên trên lớp các

để đặt máy thi công

+ Kiểm tra thử trước khi thi công

Nên tiến hành kiểm tra thử trước trước khi tiến hành thi công ở gần khu vực thicông, để đảm bảo khi thi công được thuận lợi Khi kiểm tra, thiết bị hiển thị lượngchất kết dính, tốc độ vòng quay của cánh trộn, tốc độ thâm nhập và tốc độ rút của trụctrộn được hiệu chuẩn Trong trường hợp cọc xi măng đất cần tiếp xúc với lớp đấtcứng, thì cần tiến hành đo sự thay đổi công suất điện hoặc thủy lực của động cơ dẫnđộng trục trộn và tốc độ thâm nhập của trục trộn ở lớp cứng, sự thay đổi này giúp chongười vận hành nhận biết được khi nào cánh trộn chạm tới lớp đất cứng Trong quá

trình thử sẽ không bơm chất kết dính vào nền đất và nên tiến hành ở vùng lân cận lỗkhoan có sẵn để so sánh với sự phân tầng đất ở khu vực đã biết.

Đối với những khu vực chưa thi công trước đó cần tiến hành trộn thử vàxác định các đặc tính của cọc xem có đáp ứng được yêu cầu thiết kế hay không

+ Công trường thi công

Máy khoan trộn khô thường thi công cọc theo hàng cọc vì vậy khi thi côngthì cần dẫn hướng và dụng cụ trộn luôn vuông góc với hướng chuyển động của xe

cơ sở như trên hình 1.13 Do đó các tấm thép đặt trên cát có thể dễ dàng dichuyển trong suốt quá trình thi công

Hình 3 13 Máy khoan trộn khô khi thi công

Sau khi cố định máy ở vị trí thích hợp, tiến hành điều khiển quay cần khoan vàdẫn tiến cho cần khoan thâm nhập vào trong nền đất Có hai qui trình cơ bản phụthuộc vào thứ tự của quá trình phun chất kết dính được thể hiện trên hình 3.14

Hình 3 14 Quá trình cơ bản của phương pháp trộn sâu

a- phun chất kết dính trong quá trình thâm nhập của trục trộn