Cơ sở lý thuyết để xét đến ảnh hưởng của dung dịch tới thi công cọc khoan nhồi dựa vào 2 thành phần chính là áp lực ngang của đất và ma sát thành đơn vị. Trên cơ sở kết quả có được từ các nguồn khác nhau như tính tốn giải tích, thí nghiệm thực tế tại hiện trường, ta so sánh kết quả có được để phân tích đánh giá ảnh hưởng của dung dịch khoan đến cọc khoan nhồi trong thời gian thi công cũng như về vấn đề thiết kể của cọc khoan nhồi, cụ thể ở đây là sức chịu tải của cọc.
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH TÁC DỤNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN BENTONITE VÀ POLYMER TRONG THI CÔNG
CỌC KHOAN NHỒI NHẰM CHỌN LỰA HỢP LÝ DUNG DỊCH THEO ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH 3.1. DỮ LIỆU SỬ DỤNG ĐỂ PHÂN TÍCH TÁC DỤNG DUNG DỊCH KHOAN
TRONG THI CƠNG CỌC KHOAN NHỒI
3.1.1. Cơng trình Techtronic Tools Item – Gói thầu thi cơng cọc
Địa điểm dự án: Lô 1-14,5 khu Công Nghệ Cao, Thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
Cấu tạo địa chất của dự án được tổng hợp theo hồ sơ khảo sát được tóm tắt như sau:
Mực nước ngầm ngay tại cao độ mặt đất tự nhiên.
Lớp F: Cát pha, màu xám nâu, rời. Lớp này là cát san lấp có bề dày 1,5 m; trọng lượng riêng18,5 kN/m3.
Lớp 1: Lớp hữu cơ đàn hồi, màu xám đen, trạng thái mềm, bề dày trung bình lớp đất 2,5 m; trọng lượng riêng14,5 kN/m3; góc ma sát trong 2o04’lực dính c
12 kN/m2.
Lớp 2A: Sét, màu xám trắng, xám vàng, trạng thái dẻo cứng, bề dày trung bình lớp đất 2 m; trọng lượng riêng19,2 kN/m3; góc ma sát trong 14o41’lực dính c
30,5 kN/m2.
Lớp 2: Sét pha lẫn sỏi sạn laterit, màu nâu đỏ màu xám xanh, trạng thái cứng tới rất cứng, bề dày trung bình lớp đất 4,5 m;trọng lượng riêng19,5 kN/m3; góc ma sát trong 16o45’lực dính c 37,4 kN/m2.
Lớp 4A: Sét dẻo – Sét thịt xen với lớp cát mỏng, màu xám nâu, trạng thái từ dẻo mềm tới dẻo cứng, bề dày trung bình lớp đất 5,5 m;trọng lượng riêng18,1 kN/m3; góc ma sát trong 9o49’lực dính c 19,3 kN/m2.
Lớp 4C: Cát pha sét xen kẹp một lớp sét mỏng, màu xám xanh, xám vàng, bề
dày trung bình lớp đất 9,5 m;trọng lượng riêng19,8 kN/m3; góc ma sát trong
22o37’lực dính c 13 kN/m2.
Lớp 5: Cát pha, màu xám vàng, xám nâu, chặt vừa tới chặt, bề dày trung bình lớp đất 9 m; trọng lượng riêng20,1 kN/m3; góc ma sát trong 31o46’, lực dính c
5,1 kN/m2.
Lớp L5: Cát pha sét – Sét lẫn cát, màu xám vàng, dẻo cứng,bề dày trung bình lớp đất 2 mtrọng lượng riêng19,3 kN/m3; góc ma sát trong 16o1’lực dính c
18,7 kN/m2.
Lớp 5: Cát pha màu xám vàng, xám nâu, chặt vừa tới chặt, bề dày trung bình lớp
đất 9 mtrọng lượng riêng20,1 kN/m3; góc ma sát trong 31o46’lực dính c
5,1 kN/m2.
Lớp 6: Sét thịt – Cát pha sét lẫn đá phong hóa màu xám xanh, vàng nâu - sét, từ cứng tới rất cứng/từ chặt vừa tới rất chặt, bề dày trung bình lớp đất 5,5m,trọng lượng riêng19,7 kN/m3; góc ma sát trong 20o24lực dính c 38,8 kN/m2.
Lớp 7: Đá bột kết màu xám xanh, nâu xám, phong hóa từ rất kém tới kém, bề dày lớp đất > 4 m.
Cơng trình sử dụng cọc khoan nhồi đường kính 800 mm, chiều sâu từ 33 m đến 39 m. Khu vực này địa chất phức tạp với các loại đất như cát rời, cát pha khiến cho việc lựa chọn dung dịch trong khi thi cơng để đảm bảo an tồn, chất lượng và tiến độ được cân nhắc cẩn thận. Dung dịch được sử dụng tại dự án bao gồm cả polymer và bentonite. Q trình thi cơng cọc thử sử dụng nhiều loại cấp phối của 2 dung dịch này sẽ được trình bày sau đây.
Polymer được sử dụng tại dự án là polymer A2718 dạng bột trắng, đóng bao, mỗi bao 25 kg với yêu cầu kỹ thuật được cho tại bảng 1.2. Dung dịch khoan được trộn thêm Soda để đảm bảo tính kiềm cho dung dịch khi sử dụng.
Bentonite được sử dụng tại dự án là Bentonite Ấn Độ dạng bột, có tính kiềm, khả năng trương nở nhanh, độ nhớt cao.
Bảng 3-1: Thông tin cọc thử dự án TTI
Tên cọc TP2C-01 TP2A-02 TP2B-03
Loại cọc Cọc khoan nhồi Cọc khoan nhồi Cọc khoan nhồi
Đường kính cọc, mm 800 800 800
Chiều dài cọc, m 33,5 33,5 33,5
Sức chịu tải thiết kế
của cọc, T 240 240 240
Tải trọng thí nghiệm, T Tải trọng thiết kế x 200% = 480
Tải trọng thiết kế x 200% = 480
Tải trọng thiết kế x 200% = 480
3.1.2. Cơng trình Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp
Địa điểm dự án: Số 1 Ngô Mây, đường Nguyễn Văn Cừ, thành phố Quy Nhơn, tỉnh Bình Định
Cấu tạo địa chất của khu vực lấy theo Hố khoan 1 (HK1) như sau: Lớp 1: Lớp phủ, đất, đá, cát, sạn, xà bần… dày 1 m.
Lớp 2: Cát thô vừa, màu vạng nhạt, trạng thái chặt vừa – chặt, bề dày 11,5 m. Lớp 3: Sét pha, màu xám xanh, trạng thái dẻo chảy, bề dày 2,5 m.
Lớp 7: Sét pha lẫn sạn, màu xám vàng, xám xanh, trạng thái nửa cứng, bề dày 3,8 m. Lớp 9: Cát thô, màu xám vàng, xám xanh, trạng thái chặt, bề dày 7,9 m.
Lớp 10: Sét, màu xám xanh, đơi chỗ lẫn vỏ sị, ốc, trạng thái cứng, bề dày 12 m. Lớp 11: Cát thô, màu xám xanh, trạng thái chặt, bề dày 12 m.
Lớp 13: Sét pha lẫn dăm sạn, màu đỏ nâu, nửa cứng, bề dày 5,7 m.
Lớp 14: Sét lẫn dăm sạn, màu đỏ nâu, nửa cứng, cuối lớp gặp lớp cuội (RQD=40%), bề dày 8,3 m.
Lớp 15: Sét pha lẫn dăm sạn, màu xám xanh, xám vàng, nửa cứng, bề dày 3,5 m. Hình trụ hố khoan được thể hiện tại hình 3.2.
Hình 3-2: Hình trụ hố khoan đặc trưng ở dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp
Dự án sử dụng cọc khoan nhồi có đường kính từ 1200 đến 1500 mm, chiều sâu 69,9 m. Dung dịch được dùng khi thi công là dung dịch Bentonite.
Bảng 3-2: Thông tin cọc thử dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn Cao cấp
Tên cọc TP1
Đường kính cọc, mm 1200
Chiều dài cọc, m 69,9
Sức chịu tải thiết kế của cọc, T 1300
Tải trọng thí nghiệm, T Tải trọng thiết kế x 200% = 2600
3.1.3. Cơng trình Khu dân cư Hồng Nam, Lơ F – Akari Hoàng Nam.
Dự án Khu dân cư Hồng Nam, Lơ F – Akari Hồng Nam gọi tắt là dự án Akari tọa lạc tại Phường An Lạc, Quận Bình Tân, Thành phố Hồ Chí Minh
Cấu tạo địa chất của khu vực lấy theo Hố khoan BH07 như sau: Lớp 1: Đất san lấp, bề dày 3,4m.
Lớp 2: Sét, trạng thái dẻo chảy màu xám xanh, xám đem, bề dày trung bình 23,1 m. Lớp 3: Sét, trạng thái dẻo xen kẹp các lớp cát mỏng, màu xám xanh, xám đen, bề dày trung bình 8,9 m.
Lớp 6: Cát pha, màu vàng, xám trắng, nâu đỏ phớt hồng, bề dày trung bình 31 m. Lớp 7: Sét, trạng thái dẻo cứng, màu nâu đỏ, xám vàng, xám trắng, bề dày trung bình 18,6 m.
Mực nước ngầm -1m so với mặt đất.
Dự án sử dụng cọc khoan nhồi có đường kính từ 800 đến 1200mm, chiều sâu 46 đến 73 m. Dung dịch được dùng khi thi công là dung dịch polymer.
Bảng 3-3: Thông tin cọc thử dự án Akari
Tên cọc TP-A-2
Loại cọc Cọc khoan nhồi
Đường kính cọc, mm 1200
Chiều dài cọc, m 73
Sức chịu tải thiết kế của cọc, T 1529,6
3.2. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN LÊN KHẢ NĂNG GIỮ ỔN ĐỊNH THÀNH VÁCH GIỮ ỔN ĐỊNH THÀNH VÁCH
Để đánh giá khả năng giữ ổn định thành vách hố khoan khi thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch, 2 cơ sở để phân tích tính ổn định thành vách bao gồm:
- Cấp phối dung dịch được sử dụng.
- Giá trị áp lực ngang của đất và dung dịch lên thành hố khoan. 3.2.1. So sánh cấp phối sử dụng
Để so sánh việc sử dụng cấp phối dung dịch ảnh hưởng đến thi công cọc khoan nhồi như thế nào, xem xét việc sử dụng cấp phối từng loại dung dịch trong q trình thi cơng cọc khoan nhồi tại dự án “Cơng trình Techtronic Tools Item – Gói thầu thi cơng cọc”. Trong trường hợp này, việc tính tốn đánh giá và phân tích chủ yếu trong giai đoạn thi cơng khoan, đào. Trong q trình khoan cọc, dung dịch được sử dụng để giữ ổn định thành hố đào khi mực nước dung dịch được giữ ngang mặt đất tự nhiên.
Với cấu tạo địa chất gồm nhiều lớp đất có bề dày nhỏ, cùng với lớp cát pha sét 4C dày 9,5 m, lớp cát pha bùn 5 dày 18 m, xen giữa lớp 5 – cát pha bùn là lớp thấu kính L5 dày 2 m với cấu tạo là cát pha sét. Các lớp cát có bề dày lớn và có độ chặt từ vừa tới chặt cũng dễ gây ra tình trạng sạt thành hố khoan.
Dự án lựa chọn các cấp phối trong q trình thi cơng cọc thử để quyết định dung dịch sử dụng trong q trình thi cơng cọc đại trà. Ba cấp phối được sử dụng là :
Dung dịch Polymer (P1)
Dung dịch Bentonite (B1)
Dung dịch Polymer trộn Bentonite (PB)
Sử dụng các loại cấp phối dung dịch cho ra được kết quả tương đối khác nhau trong giai đoạn thi công cọc thử. Việc này tạo cơ sở cho việc lựa chọn dung dịch thi công cọc đại trà nhằm tạo ra hiệu quả tốt nhất trong q trình thi cơng.
Cọc thử sử dụng dung dịch khoan polymer (P1) có tên TP2C-01, đường kính D800, chiều sâu 33,5 m. Dung dịch Polymer ban đầu được lựa chọn với cấp phối P1 (1 kg Polymer + 5 kg Soda)/1 m3 nước trộn đều và được sục bằng máy nén khí đưa ra được kết quả dưới bảng 3-4:
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả thí nghiệm Yêu cầu kỹ thuật
1 Khối lượng riêng g/cm3 1,01 1,01÷1,05
2 Độ nhớt (Phễu 1500/946ml)
giây 56 40÷85
3 Độ pH - 9,0 8÷12
Dung dịch polymer trộn đều, đưa xuống thành hố khoan, q trình thi cơng cọc thử hạn chế polymer hồi về bể lắng nên polymer trong quá trình thi cơng cọc thử hầu như là polymer có tính chất cơ lý ban đầu. Tuy nhiên với cấp phối trên, khi thi công thành xảy ra hiện tượng sạt thành hố khoan, bằng chứng với kết quả thí nghiệm Koden hố khoan (hình 3.3) và hiện trạng lắng mùn khoan dưới đáy hố khoan với bề dày lớn (2,8m) sau khi khoan và sau khi hạ lồng (2,3m). Việc này xảy ra ảnh hưởng lớn đến chất lượng cọc cũng như khó khăn trong q trình thi cơng. Thứ nhất, nó ảnh hưởng đến việc hạ lồng thép khi thi công, khiến cho việc thổi rửa hố khoan tốn thời gian nhiều hơn. Thứ hai, về chất lượng cọc, nó khiến cho sức chịu tải mũi cọc bị yếu đi nguyên nhân là hình thành một lớp mùn nhỏ tại chân cọc, lớp mùn này ở trạng thái rời khi bị lắng xuống đất, tạo nên hiện tượng “ngón chân mềm” theo thuật ngữ chun mơn của một số bài báo khoa học đã nói trước đây.
Hình 3-3: Kết quả Koden khi sử dụng dung dịch Polymer (P1) dự án TTI
Cọc thử sử dụng dung dịch khoan bentonite (B1) có tên TP2A-02, đường kính D800, chiều sâu 33,5 m. Dung dịch Bentonite được sử dụng thi công cọc thử với cấp phối 40 kg Bentonite/1m3 nước. Đối với Bentonie không cần trộn thêm Soda vì bản thân Bentonite trộn trong nước đã tạo tính kiềm cho dung dịch khoan.
Bảng 3-5: Kết quả cấp phối bentonite trước khi thi cơng cọc thử TP2A-02
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả thí nghiệm Yêu cầu kỹ thuật
1 Khối lượng riêng g/cm3 1,05 1,05÷1,15
2 Độ nhớt (Phễu 1500/946ml)
giây 32 18÷45
Dung dịch Bentonite được trộn bằng máy đảo Bentonite, sau khi trộn đều, chờ 2 tiếng để có thể sử dụng. Phần Bentonite hồi về được lọc cát thơng qua máy sàng cát sau đó được trữ trong các silo dung dịch và tái sử dụng cho lần tiếp theo. Đối với cọc sử dụng dung dịch Bentonite cho kết quả Koden tốt, không bị sạt và chỉ lắng nhẹ sau quá trình hạ lồng thép (kết quả đo độ lắng sau hạ lồng thép là 0,4 m).
Hình 3-4: Kết quả Koden khi sử dụng dung dịch Bentonite (B1) dự án TTI
Cọc thử sử dụng dung dịch khoan polymer trộn bentonite (PD) có tên TP2B-03, đường kính D800, chiều sâu 33,5 m. Với việc sử dụng dung dịch Polymer cho kết quả không tốt, dung dịch Bentonite cho kết quả tốt tuy nhiên công tác thi công tốn khá nhiều công đoạn và thời gian. Việc sử dụng dung dịch trộn theo tỷ lệ của 2 loại trên đã được suy nghĩ và thực hiện. Cấp phối sử dụng được dùng cho lần đầu tiên theo kinh
nghiệm là (1kg Polymer + 5kg Soda + 5kg Bentonite)/1m3 nước. Dung dịch được trộn đều bằng máy nén khí và đưa và sử dụng.
Bảng 3-6: Kết quả cấp phối polymer trộn bentonite trước khi thi công cọc thử TP2B- 03
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả thí nghiệm Yêu cầu kỹ thuật
1 Khối lượng riêng g/cm3 1,01 1,01÷1,05
2 Độ nhớt (Phễu 1500/946ml)
giây 58 40÷85
3 Độ pH - 9 8÷12
Kết quả thu được từ hiện trường, cấp phối trên được trộn lần đầu cho kết quả tốt khi kết quả Koden cũng như độ lắng đạt được sau khi khoan cải thiện đáng kể.
Dựa trên các kết quả thu được từ thí nghiệm koden xác định hình dạng hố khoan, có thể giải thích và đưa ra được các nhận xét như sau:
Với địa chất có lớp cát với bề dày lớn, việc sử dụng Bentonite cho hiệu quả tốt hơn so với dung dịch Polymer. Bên cạnh đó, Bentonite với thành phần là phụ gia của dung dịch cũng mang lại hiệu quả tốt. Việc này có thể được giải thích bằng cơ chế hoạt động của dung dịch Bentonite, các hạt montmorillonite len lỏi vào trong tầng cát rời, trương nở và giữ vững thành dung dịch.
Việc sử dụng Bentonite tốn nhiều công đoạn cho việc sàng lọc và tái sử dụng dung dịch. Thời gian thi công cũng nhiều hơn so với sử dụng dụng dịch Polymer. Do đó, việc sử dụng dung dịch Polymer với phụ gia là Bentonite cũng có thể được xem xét khi thi cơng trong tầng đất cát với mục đích đơn giản hóa việc thi công và giảm thời gian thi công.
Kết quả Koden ở các Hình 3-3, 3-4, 3-5 cho phép đánh giá chất lượng thành hố khoan trong q trình thi cơng cọc khoan nhồi. Có thể thấy rằng khi sử dụng Polymer, độ ổn định của thành hố khoan giảm đáng kể. Ở khu vực có các lớp đất mềm yếu, thành hố khoan khó giữ được độ phẳng mà có thể bị sạt lở (ở độ sâu xấp xỉ 5 m và 15 m trong các lớp dẻo mềm-mềm). Khả năng ổn định của thành hố khoan được cái thiện đáng kể khi sử dụng dung dịch Bentonite (Hình 3-4). Như đã tổng hợp và trình bày, việc sử dụng Polymer cho phép rút ngắn thời gian thi cơng nên có thể mang lại hiệu quả về mặt chi phí. Tuy nhiên, nếu khả năng giữ ổn định thành vách hố khoan nói riêng và mức độ an tồn trong thi cơng cọc khoan nhồi nói chung khơng được đảm bảo thì việc sử dụng dung dịch polymer này không được cho phép.
Dung dịch Polymer trộn Bentonite được đề xuất thử nghiệm để phân tích, đánh giá khả năng sử dụng cho dự án này. Kết quả ở Hình 3-5 cho thấy việc thử