Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2 Kế hoạch và quy trình nghiên cứu
Kế hoạch thực hiện nghiên cứu được chia thành hai 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 tác giả tìm lý thuyết như trình bày tại chương 1, chương 2; giai đoạn 2 là cơng tác chuẩn bị thực nghiệm được trình bày trong chương 3, trong giai đoạn này nĩi rõ tính thực tiễn, lựa chọn và giới hạn phạm vi thực tế khi thực nghiệm cho phù hợp với thời gian và khả năng tài chính. Các thơng số kỹ thuật chế tạo mũi khoan phù hợp cho điều kiện địa chất, tính khả thi của thiết bị khoan đáp ứng các yêu cầu đặt ra trong mục tiêu và phạm vi nghiên cứu; giai đoạn 3 (chương 4) là các quy trình thực nghiệm tại hiện trường, bắt đầu từ quá trình thi cơng đến nghi nhận kết quả thực tế, giai đoạn này thể hiện tất cả các nội dung trong các giai đoạn trước, và đây cũng là mục đích và kết quả cuối cùng trong đề tài mà tác giả nghiên cứu. Cuối cùng, là các đáng giá, kết luận và đề xuất phát triển hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Lưu đồ trong Hình 3.1 gĩi gọn kế hoạch cũng như quy trình thực hiện của đề tài.
Trang 42
Trong khuơn khổ giới hạn thời gian và phạm vi nghiên cứu, tác giả thu thập các số liệu địa chất của khu vực thành phố Hồ Chí Minh thơng qua các báo cáo khảo sát địa chất của một số dự án và các cơng trình nằm trải dài trên các quận. Do quá trình thu thập báo cáo khảo sát, vì tính bản quyền nên một số quận tác giả vẫn chưa thu thập được. Khi đánh giá sơ bộ địa chất, tác giả lựa chọn các dự án và cơng trình cĩ số liệu thí nghiệm đầy đủ và cĩ độ tin cậy cao để đưa vào nghiên cứu. Tác giả sử dụng phần mềm chuyên dùng vẽ bình đồ, địa chất Surfer V10.7, để vẽ bản đồ phân bố hố khoan, các thơng tin địa chất trên mặt bằng.
Hình 3.2: Lưu đồ thiết lật bản đồ địa chất trên phần mềm Surfer
Trong thời gian tìm kiếm số liệu, tác giả đã thu thập số liệu địa chất của dự án lớn và nhỏ với 120 hố khoan thuộc các quận - huyện trên địa bàn thành phố Hồ
Trang 44
Chí Minh (Danh sách dự án tham khảo phần phụ lục). Một khĩ khăn lớn trong cơng tác tìm kiếm số liệu địa chất nêu trên là cĩ một số Cơng ty vì tính bảo mật thơng tin và bản quyền đã hạn chế trong việc chia sẻ thơng tin, báo cáo khảo sát của cơng ty.
Dựa vào các hồ sơ tìm được, tác giả đã nghiên cứu phân tích các hồ sơ địa chất dự trên các thơng tin địa chất phù hợp cho cọc CFA được trình bày khái quát trong Mục 2.5. Nghiên cứu này cũng cĩ một số điều kiện phân tích như sau:
- Chiều sâu khảo sát: Chiều sâu tầng địa chất trong mỗi hố khoan khảo sát
được giới hạn ở mức 15m đến 20m.
- Tiêu chí đánh giá: Tiêu chí dùng để đánh tính hả thi của cọc CFA gồm: Loại
đất trong chiều sâu khảo sát; Trạng thái và Module đàn hồi của đất.
- Thang điểm cho các tiêu chí: Trong phạm vi chiều sâu nghiên cứu, nếu vị trí
khảo sát chỉ cĩ 1 lớp đất thì số điểm được tính như trong Bảng 3.1. Đối với trường hợp vị trí khảo sát cĩ từ 2 lớp đất trở lên, từng lớp đất sẽ được đáng giá theo thang điểm Bảng 3.1, sau đĩ được tính tốn mức điểm đại diện cho lớp đất theo cơng thức đề xuất như sau:
* i i i h X X h Trong đĩ:
X : Số điểm trung bình đại diện cho vị trí khảo sát
i
X : Số điểm lớp đất thứ i
i
h: Bề dày của lớp đất thứ i
Bảng 3.1: Đề xuất tiêu chí đánh giá địa chất cho tính khả thi của cọc CFA
Loại đất Tiêu chí Đặc điểm Thang điểm
Đất dính Sét cứng, rắn 1 Trạng thái đất Mềm – dẻo Module đàn hồi (kN/m2) 1500-2500 Sét cứng 2 Trạng thái đất Nửa cứng – cứng Module đàn hồi (kN/m2) 1200-2200
Đất dính
Sét pha cát
3
Trạng thái đất Dẻo trung bình – dẻo
cứng
Module đàn hồi (kN/m2) 800-1500
Sét
4
Trạng thái đất Dẻo trung bình – dẻo
cứng Module đàn hồi (kN/m2) 550-800 Sét 5 Trạng thái đất Mềm – dẻo Module đàn hồi (kN/m2) 150-550 Đất rời Cát 1
Trạng thái đất Rời – rất rời
Module đàn hồi (kN/m2) 1100-2500 Cát 2 Trạng thái đất Chặt trung bình Module đàn hồi (kN/m2) 1700-2800 Cát sỏi Rời – chặt 1 Trạng thái đất 3200-5500 Module đàn hồi (kN/m2) Cát pha sét – lẫn đất bột Chặt – rất chặt 3 Trạng thái đất Module đàn hồi (kN/m2) 1200-1700
3.4 Địa chất khu vực địa chất thực nghiệm
Khu vực tiến hành thực nghiệm thuộc dự án Khu tái định cư nằm tại Phường Long Bình, Quận 9. TP. Hồ Chí Minh, dự án cĩ diện tích 30ha, hiện nay đã xây dựng được một số hạng mục.
Điều kiện địa chất cơng trình
Khu vực khảo sát cĩ diện tích lớn, được chia làm 4 khu vực: Khu vực 1 nằm phía Tây; khu vực 2 gần trung tâm, phía Bắc; khu vực 3 gần trung tâm, phía Nam; khu vực 4 nằm phía Đơng. Với các điều kiện giao thơng và thuận lợi
Trang 46
cho việc thi cơng thực nghiệm, khu vực 1 đã được lựa chọn để tiến hành thực nghiệm.
Hình 3.3: Sơ đồ vị trí thực nghiệm và hố khoan khảo sát
Địa chất khu vực đã được cơng ty Xây Dựng và Tư Vấn Đầu Tư Sài Gịn
Tân Kiến Tạo khảo sát vào năm 2004 với 42 hố khoan với độ sâu từ 10m đến 22m. Tổng cộng 618m khoan. Số lượng mẫu thu được là 323 mẫu đất đá. Mẫu được lấy là mẫu thành mỏng được bảo quản bằng parafin và băng dính để giữ được độ nguyên dạng của mẫu. Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT được tiến hành theo tiêu chuẩn TCXD 226:1999 với tổng số mẫu thí nghiệm là 287 mẫu. Các thí nghiệm trong phịng bao gồm: - Độ ẩm tự nhiên- TCVN-4196-95 - Dung trọng tự nhiên-TCVN-4202-95 - Tỷ trọng-TCVN-4195-95 - Giới hạn chảy -TCVN-4197-95 - Giới hạn dẻo -TCVN-4297-95 - Phân tích hạt-TCVN-4198-95 - Lực dính kết và gĩc ma sát trong TCVN-4199-95 - Thí nghiệm nén lún TCVN-4200-95
Bảng 3.2: Mơ tả địa chất khu vực 1 Tên lớp Mơ tả Trạng thái/ độ chặt Dày (m) Độ sâu (m) 0 Đất đắp vàng, xám trắng, nâu đỏ 0.2 0-0.2 1 Sét dẻo thấp, xám vàng Nửa cứng 6.1 0.2-6.3
2 Sét dẻo cao lẫn nhiều hữu cơ, xám
nhạt, xám đen Nhão – dẻo nhão 4.2 6.3-10.5
3 Sét dẻo thấp, xám xanh, xám tro Dẻo mềm 1.5 10.5-12.0
4 Cát bụi, xám tro Chặt >1.5 >12.0
5 Sét tàn tích lẫn với đá phong hĩa,
xám xanh, nâu vàng Cứng 2 10
Nguồn: Hồ sơ khảo sát [19]
Nguồn: Hồ sơ khảo sát [19]
Trang 48
Khu vực làm thí nghiệm tại khu vực căn tin và bãi để xe của khu tập thể. Khu vực này cĩ lớp đất yếu (SPT ≤ 5) kéo dài từ 0 -13m. Sau đĩ SPT tăng rất nhanh, kết thúc lỗ khoan ở độ sâu 10-15m SPT cĩ thể lên đến hơn 40 búa. Hố khoan HK15 là hố khoan nằm ngay tại vị trí thí nghiệm CFA diễn ra. Số búa SPT ở độ sâu 0,7m và 3,1m là 4 búa tới độ sâu 5,1m là 5 búa. Sau đĩ thí nghiệm SPT cĩ số búa tăng nhanh và kết thúc lỗ khoan ở độ sâu 10,8m với số SPT là 55 búa.
Theo các tiêu chí như trình bày tại Mục 2.5 thì địa chất của khu vực này chủ yếu là sét và sét pha, trạng thái từ nhão đến cứng đậy là địa chất rất phù hợp cho cọc CFA, với địa chất này, cọc CFA khi thi cơng sẽ ổn định trong đất sét, khả năng ổn định thành hố khoan rất cao. Chiều sâu dự kiến thực hiện là 4m, mũi khoan sẽ được thi cơng qua lớp đất 1. Mực nước ngầm của khu vực tương đối sâu, mực nước tĩnh nằm tại độ sâu 2.5m, đây là điều khá thuận lợi cho việc thi cơng. Các kết quả phân tích chi tiết được trình bày trong Chương 4 của tài liệu này.
Bảng 3.3: Các đặc trưng cơ lý của các lớp đất ứng với các lớp đất tại HK15
STT Tính chất vật lý ký hiệu Đơn vị Lớp đất (HK15) 1 (CL) 2 (CH) 3 Đất, đá
1 Dung trọng bão hịa sat kN m/ 3 19.7 18 19 2 Dung trọng tự nhiên unsat 3
/ kN m 15.6 13 15.1 3 Hệ số rỗng e0 - 7.2 1.07 0.87 4 Độ ẩm tự nhiên W % 26.2 38.1 25.9 5 Gĩc ma sát trong độ 6,38 17.36 23’39 6 Lực dính C 2 / kN m 1.24 3.9 5.0 7 Hệ số nén lún a100-200 2 / m kN (x10-2) 0.41 0.4 0.25
8 Mơ đun biến dạng E100-200 kN m/ 2 2256 3658 3658 Nguồn: Hồ sơ khảo sát [19]
Lựa chọn các thơng số cho cọc thực nghiệm.
Để lựa chọn kích thước cọc sao cho phù hợp cần căn cứ nhiều yếu tố như: Tính khả thi, kích thước thơng dụng cọc hiện nay, điều kiện địa chất, thiết bị thi cơng, khả năng tài chính, nhân sự..., các yếu tố này tương quan nhau như Hình 3.5
Hình 3.5: Mối tương quan các yếu tố thơng số cọc
Một thực tế hiện nay trên thi trường cho thấy, các cơng trình xây dựng dân dụng nhỏ như nhà phố, mĩng nhà xưởng... dùng cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ cĩ đường kính từ nhỏ nhất từ 200mm đến 350mm, đường kính này cũng khả thi cơng cho các cơng trình xây chen, gia cố sửa chữa nền mĩng cọc tiết diện nhỏ, trong nghiên cứu này sẽ chọn cọc cĩ đường kính là 250mm
Chiều sâu chơn cọc là yếu tố rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của cọc, phụ thuộc vào địa chất của các lớp đất cọc đi qua, căn cứ bảng mơ tả địa chất như trên lớp đất 2 là sét dẻo lẫn hữu cơ dự kiến với đường kính 250mm cọc thi cơng khả thi trong lớp đất này. Để tải trọng của cọc tương đối thực tế, chiều sâu qua tham khảo tài liệu về tính tốn sức chịu tải cọc, chiều sâu cọc tối thiểu từ 3.0m đến 5.0m. Chiều sâu cọc chọn là 4.0m trong nghiên cứu của đề tài này.
Trang 50
Hình 3.6: Chiều sâu khoan cọc
Thiết bị khoan và giá thành thực nghiệm
Yếu tố quan trọng nhất của nghiên cứu này phụ thuộc rất lớn vào thiết bị khoan (dàn khoan cọc) đây chính là khĩ khăn và thách thức lớn nhất của đề tài này, chi phối bởi giá thành và tính khả thi của đề tài. Trong tất cả các nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường vấn đề kinh tế được đặt lên hàng đầu. Trên thị trường hiện nay, dàn khoan cọc rất phổ biến trong thi cơng cọc khoan nhồi đường kính nhỏ, và thuê một dàn khoan với giá thành thị trường hiện nay là khá cao.
Tác giả xem xét và tính tốn sơ bộ kinh phí cho cơng tác chính trong thực nghiệm như sau:
Thơng tin thực nghiệm:
Tổng thời gian thực nghiệm: 1 tháng Thời gian khoan cọc: 4 ngày
Số lượng cọc khoan: 4 Đường kính cọc: 0.25m Chiều sâu khoan cọc: 4m
tính lượng
1
Thuê thiết bị khoan (Cơng ty Cổ Phần Thiết Bị Nền Mĩng 911)
ca 5 22.000.000 110.000.000
2 Thuê bơm áp lực ca 5 2.500.000 12.500.000
3 Chế tạo mũi khoan cái 6 6.000.000 36.000.000
4 Vữa bơm cọc m3 1 1.500.000 1.500.000 5 Cốt thép cho cọc kg 75 18.000 1.350.000 6 Thí nghiệm nén tĩnh ( Cơng ty kiểm định nền mĩng Sài Gịn) cọc 4 9.000.000 36.000.000
7 Nhân cơng cơng 30 300.000 9.000.000
8 Chi phí khác ( vật tư phụ,
sửa chữa...) 5% 10.317.500
Tổng cộng 216.667.500
Theo số liệu Bảng 3.4 kinh phí thực hiện là tương đối nhiều so với mức tài chính mà đề tài dự kiến. Trong khi đĩ, nghiên cứu phải thực hiện trong một thời gian dài và kinh phí là thấp nhất. Chính khĩ khăn này dẫn đến việc phải tìm hướng đi mới trong việc thực nghiệm cọc CFA.
Ý tưởng tìm kiếm dàn khoan nhỏ gọn cĩ giá thành thấp và sử dụng trong khảo sát địa chất được đưa ra. Với sự giúp đỡ của Phịng thí nghiệm Trường Đại học Mở TP. Hồ Chí Minh, dàn khoan khảo sát thủy lực XY-1 được sử dụng cho ý tưởng tìm kiếm trên.
Dàn khoan XY-1 được lựa chọn với các ưu điểm sau: Dàn khoan chuyên dùng cho việc khảo sát cĩ hệ thống bơm dung dịch bằng thủy lực và được kiểm sốt bằng đồng hồ áp lực, tốc độ quay, lực ép dọc trục, khả năng cơ động. Tuy nhiên cũng cĩ rất nhiều khuyết điểm trong việc chuyển đổi từ mũi khoan khảo sát thơng thường sang mũi khoan cọc CFA như sau: đường kính thân khoan của 2 mũi khoan là khác nhau, lý trình hạn chế cho một chu trình khoan và rất nhiều yếu tố sẽ trình
Trang 52
bày trong các phần dưới, các bộ phận chính của một máy khoan địa chất thủy lực được mơ tả trong Hình 3.8
nhiên, hệ thống bơm thủy lực này cĩ áp lực khơng được lớn và ít ổn định.
Bảng 3.5: Thơng số chính của dàn khoan XY-1
STT Nội dung Thơng số Đơn vị
1 Tốc độ quay trục chính cấp 1:45; cấp 2:150
cấp 3:500; cấp 4:1000 v/ph
2 Hành trình khoan 700 mm
3 Lực nén lớn nhất 15 kN
4 Lực nâng lớn nhất 11 kN
5 Lưu lượng bơm vữa max 0.095 m3/ph
6 Áp lực lớn nhất 1.2 Mpa
7 Áp lực làm việc 0.6-1.0 Mpa
3.5.1 Nghiên cứu thiết kế gia cơng mũi khoan
Mũi khoan và thiết bị thi cơng được trình bày khá rõ trong tài liệu Geotechnical Engineering Circular No.8 (2007) [2]. Các nghiên cứu về mũi khoan cọc CFA dựa trên báo cáo của Reese, L. C., and O’Neill M. W cho biết với mỗi loại địa chất khác nhau, sẽ cĩ các loại mũi khoan khác nhau để khoan cọc nĩ phụ thuộc vào tầng địa chất khi mũi khoan xuyên qua. Hình 3.8 minh họa một số các loại mũi khoan sử dụng cho cọc CFA. Các mũi khoan để khoan trong đất sét cĩ bước ren lớn hơn để tạo điều kiện loại bỏ mùn khoan Việc chọn bước ren của mũi khoan rất là quan trọng, bước ren quá rộng cĩ thể sẽ ảnh hưởng và phá hủy kết cấu đất xung quang cọc. Các thơng số cần lựa chọn cho mũi khoan được xác định trong Hình 3.9
Nguồn: Geotechnical Engineering Circular (Gec) No. 8 [2]
Trang 54
Các thơng số cần lựa chọn cho mũi khoan.
Hình 3.9: Cấu tạo mũi khoan điển hình cho cọc CFA
Thơng số Yếu tố ảnh hưởng, phụ thuộc
Đường kính ngồi mũi khoan (D):200mm
Đường kính cọc thi cơng D=200mm.
Đường kính ống bơm (d):42mm
Cốt liệu chế tạo cọc, thể tích đất, vận tốc thi cơng cọc, Trong nghiên cứu đề tài, vữa (cát – xi măng – phụ gia hĩa dẻo) được sử dụng để chế tạo cọc, để bơm được dung dịch vữa này thì đường kính đề xuất tối thiểu là 20-60mm,
Chiều dày lưỡi khoan (t1):5mm Đảm bảo độ cứng trong khi khoan, tránh cho lưỡi
khoan bị mĩp, méo, biến dạng.
Chiều dày ống bơm (t2):3mm Chiều dày phụ thuộc vào ống được bán trên thị trường, đảm bảo áp lực bơm, độ cứng.
Chiều dài bước lưỡi khoan (l):120mm
Theo các phân tích mục 2.1.3 về quá trình vận chuyển đất và nguyên tắc vít Archimedean, việc lựa chọn bước ren rất quan trọng, nĩ quyết định tốc độ khoan của mũi, ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ thi cơng cọc khảo sát sự ảnh hưởng của bước ren, đường kính trục khoan được khảo sát trong đồ thị hình 3.10
đường kính trục khoan, và vận tốc thi cơng được biểu diễn bởi quan hệ như sau:
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ vận tốc – bước ren
Qua đồ thị thấy được, đường kính trục khoan ảnh hưởng khơng nhiều đến vận tốc khoan và yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là bước ren. Nếu chọn vận tốc thi cơng