1.1.1 Giới thiệu
Cọc khoan guồng xoắn liên tục được ứng dụng vào năm 1988 tại Châu Âu, sau đĩ được ứng dụng phổ biến tại Mỹ, Úc, Canada,.. Cọc CFA đã được dùng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng, giao thơng. Một số yếu tố gĩp phần vào việc ứng dụng thương mại cọc CFA rộng rãi hơn trong các lĩnh vực trên như: Tốc độ thi cơng cọc CFA thi cơng nhanh, liên tục trong suốt hạng mục của dự án, đáp ứng yêu cầu về giảm thiểu tối đa tiếng ổn trong quá trình thi cơng trong các khu vực đơng dân cư.
Nguồn:The BAUER Group[1]
Hình 1.1: Ứng dụng cọc CFA trên thế giới 1.1.2 Phân loại hệ thống cọc khoan
Theo hệ thống phân loại tại Châu Âu và Bắc Mỹ thì cĩ 4 loại cọc chính đĩ là cọc khoan guồng xoắn liên tục (CFA), cọc vít ( Screw pile), cọc khoan sử dụng ống dẫn (ACIP) và cọc khoan thân vít ép đất (DD).
Trang 2
Nguồn: Prasenjit Basu Monica Prezzi [1]
Hình 1.2: Phân loại cọc CFA tại Châu Âu và Bắc Mỹ
Nguồn: Prasenjit Basu Monica Prezzi [1]
Hình 1.3: Các dạng mũi khoan của cọc Continuous flight augers - CFA
Nguồn: Prasenjit Basu Monica Prezzi [1]
Phương pháp chung thi cơng cho các loại cọc trên chính là cơng nghệ khoan liên tục trong suất chiều dài cọc. Đối với cọc CFA cũng được thi cơng với thiết bị như vậy trong đĩ cọc được khoan tới độ sâu cuối cùng của một quá trình thi cơng liên tục bằng cách dùng mũi khoan cĩ lưỡi luơn chuyển tồn thân cọc được mơ tả trong Hình 1.5
Nguồn: Geotechnical Engineering Circular (Gec) No. 8 [2]
Hình 1.5: Dàn khoan cọc CFA
Đối với dàn khoan này, khi mũi khoan đi vào lịng đất lưỡi khoan sẽ được lấp đầy bằng đất và chính lượng đất này hỗ trợ trong việc giữ ổn định thành hố (Hình 1.6-1). Quá trình rút mũi khoan ra khỏi lịng đất, vữa hoặc bê tơng thay thế đất được bơm cĩ áp lực thơng qua các đường ống rỗng bên trong mũi khoan (Hình 1.6-2). Cốt thép cọc sẽ được thi cơng ngay sau quá trình thu hồi mũi khoan và kết thúc quá trình bơm vữa (Hình 1.6-3).
Trang 4
Nguồn: Martin Larisch [3]
Hình 1.6: Sơ đồ các bước thi cơng cọc CFA
Nguồn: Martin Larisch [3]
Hình 1.7: Các bước thi cơng cọc CFA ngồi thực địa
Cọc CFA thường được thi cơng với các đường kính cọc khác nhau từ 0.3m đến 1.2 m, và chiều sâu từ 30m đến 40m. Tại Mỹ sử dụng cọc cĩ đường kính tương đối nhỏ 0.3m đến 0.6m, ở Châu Âu sử dụng cọc lớn hơn, đường kính lên đến 1.5m.
Sự khác biệt chính so với cọc khoan đĩ là khơng sử dụng ống vách hoặc bentonite để hỗ trợ trong việc ổn định thành hố khoan. Do đĩ đường kính và chiều dài cọc CFA bị hạn chế, và khả năng xuyên vào đá cứng hoặc các lớp đất quá cứng bị hạn chế. Cọc CFA là loại cọc đúc tại chỗ, do đĩ tiếng ồn và chấn động rung được
giảm thiểu tối đa so với cọc ép hoặc cọc đĩng, ngược lại chất lượng cọc sẽ kiểm sốt khĩ hơn, khả năng đồng nhất của vữa hoặc bê tơng đúc cọc.
Nguồn: Martin Larisch [3]
Hình 1.8: Các bước thi cơng cọc CFA ngồi thực địa Bảng 1.1: So sánh sự khác nhau giữa cọc khoan nhồi và cọc CFA Yếu tố Khoan nhồi Cọc guồng xoắn - CFA Cơng nghệ Phức tạp Đơn giản
Tiến độ Tương đối nhanh Thi cơng nhanh, 15-30 phút
Mặt bằng
Hạn chế khơng gian, lầy lội, dung dịch
Ảnh hưởng thời thiết
Cơ động phù hợp cho xây chen, sạch, khơng dung dịch
Khơng ảnh hưởng
Bơm vật liệu Khơng cĩ áp: bê tơng Kiểm sốt khĩ
Cĩ áp: bê tơng – vữa Kiểm sốt cảm biến
Lồng thép Hạ trước khi đổ BT Sau khi đổ BT
Mơi trường Tương đối ồn, lượng đất dư nhiều
Yên tĩnh, lượng đất hạn chế tối đa
Địa chất
Mọi loại địa chất Cĩ lựa chọn, khơng áp dụng địa chất cát hạt mịn, dưới mực nước ngầm Chiều sâu, đường kính Khơng hạn chế, đường kính lớn > 2m Khoan qua các lớp đá cứng Hạn chế chiều sâu <40m, đường kính < 1.6m
khơng khoan qua đá cứng,
Phạm vi ứng dụng
Cho mọi loại cơng trình đủ điều kiện thi cơng
Hiệu quả cơng trình nhỏ, số lượng < 25 tầng
Trang 6
1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm cọc CFA
Ưu điểm của cọc CFA:
- Đường kính cọc từ 300mm đến 800 mm, khả năng chịu lực từ 50 tấn đến 300 tấn, độ sâu cĩ thể đến 40-50m
- Hiệu suất chịu tải cao, chịu được tải trọng, lực cắt, moment cao. - Chi phí thấp,
- Tiến độ thi cơng rất nhanh chĩng, thời gian thi cơng trung bình 1 cọc cĩ chiều dài 12m chỉ mất khoảng 30 phút,
- Khơng cần dùng ống vách hay vữa bentonite ổn định thành lỗ khoan trong khi thi cơng nên ít ảnh hưởng đến mơi trường.
- Tiếng ồn và độ rung thấp, khơng gây chèn ép đất nên khơng ảnh hưởng đến các cơng trình lân cận, cĩ thể thi cơng trong khu vực đơ thị và các vùng nhạy cảm khác.
- Cĩ thể thi cơng trong điều kiện địa hình chật hẹp và nhiều điều kiện địa chất khác nhau
- Khả năng kiểm sốt chất lượng tốt bởi hệ thống giám sát và đo lường tự động.
Nhược điểm của cọc CFA:
- Chất lượng của cọc CFA phụ thuộc nhiều vào tình trạng thiết bị, năng lực, kinh nghiệm và tay nghề của nhà thầu thi cơng.
- Chiều sâu và đường kính cọc bị hạn chế.
- Hạn chế trong việc khoan hạ cọc qua các lớp đá cứng.
- Yêu cầu cao về chất lượng vữa bê tơng hoặc xi măng để bơm và hạ lồng thép dễ dàng.
1.1.4 Vấn đề đặc trưng của thiết bị thi cơng
Điều quyết định trong cơng nghệ cọc khoan trục vít CFA chính là mũi khoan. Ngay từ khi xuất hiện mũi khoan cọc đã được Massarsch. KR, Brieke. W và Tancre. E (1988)[7], Viggiani, C (1993)[8], đưa ra các mơ hình cho mũi khoan dạng này, nĩ liên quan trực tiếp đến cơng suất, tính hiệu quả, khả năng ổn định trên thành hố xung quang trong quá trình khoan.
Nếu tốc độ khoan quá nhanh sẽ ảnh hưởng đến khả năng xâm nhập vào lịng đất, lúc này khoan sẽ làm việc như thiết bị “ bơm đẩy” và đẩy đất lên bề mặt. Hoạt động này làm giảm áp lực theo phương ngang cần thiết để duy trì ổn định hố khoan. Hình 1.9a thể hiện mũi khoan được cân bằng momen xoắn và tốc độ thâm nhập, các lưỡi khoan liên tục luơn được lấp đầy và khơng bị thiếu hụt. Hình 1.9b thể hiện một mũi khoan cĩ tốc độ thâm nhập quá chậm và bị thiếu hụt lượng đất bổ sung cho các rãnh khoan dẫn tới mũi khoan làm giảm sức ép lên đất thành hố.
Trong quá trình khoan, một phần đất sẽ được di chuyển lên bề mặt đất và được loại bỏ khỏi lỗ khoan, lượng đất này chính là thể tích của thiết bị khoan chiếm chỗ sau khi thâm nhập vào đất, bao gồm thể tích ống rỗng bên trong mũi khoan dùng để bơm vữa. Kiểm sốt tốc độ khoan chính là kiểm sốt lượng đất bị loại bỏ này. Kiểm sốt tốt giúp khống chế sự nén hơng quá mức, giảm thiểu sự giãn nở hơng của đất xung quang, giảm khả năng hố bị sụt lún.
Nguồn: Geotechnical Engineering Circular (Gec) No. 8 [2]
Hình 1.9: Ảnh hưởng của tốc độ khoan đối với đất của cọc CFA
Một loạt các loại mũi khoan cĩ thể được sử dụng để khoan cọc tùy thuộc vào điều kiện địa chất gặp phải, Hình 1.10 minh họa một số các loại mũi khoan cĩ thể được sử dụng cho cọc CFA. Đối với mũi khoan cọc CFA nĩi chung cĩ kích thước nhỏ hơn so với cọc DD, các mũi khoan để khoan trong đất sét cĩ thể cĩ bước ren lớn hơn để tạo điều kiện loại bỏ mùn khoan (Hình 1.10a). Đối với địa chất là sét cứng hoặc đá mềm cấu tạo mũi khoan phải cĩ đầu cắt đơi, nĩ giúp giữ kết theo
Trang 8
chiều dọc tốt hơn so với một mặt đầu cắt duy nhất, nhưng cĩ thể bị dính kết (bố chặt ở đầu). Các răng cắt trên mũi khoan phải cĩ độ cứng lớn (Hình 1.10b). Qua các nghiên cứu việc chọn bước ren của mũi khoan rất là quan trọng, ứng với mỗi loại đất, bước ren quá rộng cĩ thể sẽ ảnh hưởng và phá hủy kết cấu đất xung quang cọc.
Nguồn: Geotechnical Engineering Circular (Gec) No. 8 [2]
Hình 1.10: các dạng mũi khoan khác nhau của cọc CFA
Hiên nay, các nghiên cứu về khối lượng đất được lấy đi và ép sang hai bên hiện vẫn chưa nhiều, một vài nghiên cứu vẫn chưa phản ánh rõ ràng cơ chế lấy đất của mũi khoan cọc vít và cọc CFA.
Nguồn: Geopractica.co.za và hellopro.co.uk [21]
Hình 1.11: Khối lượng đất trồi và lấy đi khi thi cơng cọc CFA
Với việc phát triển cơng cụ phần mềm phân tích dựa trên lý thuyết về phần tử hữ hạn –FEM, một nhĩm tác giả nghiên cứu ở Ấn Độ: Tanusree Chakraborty, Rodrigo Salgado, Prasenjit Basu, Mơnica Prezzi, (2013)[13] đã thực hiện mơ hình hĩa quá trình khoan tác động đến đất xung quanh, nghiên cứu đã chỉ rõ hơn phần nào ứng xử của mũi khoan đến chuyển vị, ứng suất, biến dạng của đất.
Nguồn: K. Rainer Massarsch [4]
Hình 1.12 Sơ đồ dịch chuyển của đất 1.2 Các bước thi cơng cọc CFA
Cọc CFA thi cơng tương tự như các loại cọc khoan khác, cọc khoan nhồi... Các bước chính: (1) Tạo lỗ khoan (2) Khả năng xâm nhập (3) Quá trình bơm vữa hoặc bê tơng, đặt cốt thép gia cường. Các thơng tin cơ bản liên quan đến các ảnh hưởng của địa chất (ví dụ: đất sét, cát, hoặc hỗn hợp...) đến khả năng thi cơng.
1.2.1 Khoan tạo lỗ
Đây là quá trình quan trọng của quy trình thi cơng cọc CFA, nĩ quyết định tốc độ cũng như giá thành cọc. Cọc được khoan liên tục bằng cách sử dụng một mũi khoan cĩ lưỡi liên tục dọc suất chiều dài cọc, vì vậy thời gian giảm tối đa trong việc tạo lỗ khoan. Trong khi khoan, đất sẽ lấp đầy trong các rãnh của lưỡi khoan, điều này làm ổn định thành hố khoan. Nếu tốc độ khoan quá nhanh sẽ ảnh hưởng đến khả năng xâm nhập vào lịng đất, lúc này khoan sẽ làm việc như thiết bị “ bơm đẩy” và đẩy đất lên bề mặt. Hoạt động này làm giảm áp lực theo phương ngang cần thiết để duy trì ổn định hố khoan. Hình 1.13a thể hiện mũi khoan được cân bằng momen
Trang 10
xoắn và tốc độ thâm nhập, các lưỡi khoan liên tục luơn được lấp đầy và khơng bị thiếu hụt. Hình 1.13b thể hiện một mũi khoan cĩ tốc độ thâm nhập quá chậm và bị thiếu hụt lượng đất bổ sung cho các rãnh khoan dẫn tới mũi khoan làm giảm sức ép lên đất thành hố.
Trong quá trình khoan, một phần đất sẽ được di chuyển lên bề mặt đất và được loại bỏ khỏi lỗ khoan, lượng đất này chính là thể tích của thiết bị khoan chiếm chỗ sau khi thâm nhập vào đất, bao gồm thể tích ống rỗng bên trong mũi khoan dùng để bơm vữa. Kiểm sốt tốc độ khoan chính là kiểm sốt lượng đất bị loại bỏ này. Kiểm sốt tốt giúp khống chế sự nén hơng quá mức, giảm thiểu sự giãn nở hơng của đất xung quang, giảm khả năng hố bị sụt lún.
Nguồn: Geotechnical Engineering Circular (Gec) No. 8 [2]
Hình 1.13: Ảnh hưởng của tốc độ khoan đối với đất của cọc CFA
Một giải pháp cân bằng đúng lượng đất bỏ đi và tốc độ thâm nhập là dùng thiết bị khoan làm đất bị ép qua bên hơng trong quá trình khoan, trong kỹ thuật thi cơng này các loại cọc thường được mơ tả là cọc khoan ép đất (Drilled Displacement – DD piles). Cọc DD bao gồm một ống đường kính lớn bên trong mũi khoan, các ren trên thân cĩ đường kính thay đổi, một số chỗ sẽ phình hoặc bĩ lại tạo cho nĩ cĩ xu hướng ép đất sang hai bên khi thâm nhập xuống đất (Hình 1.14). Ưu điểm của hệ thống khoan này là ép đất, đất xung quanh cọc cĩ xu hướng chặt lại và
gia tăng áp lực hơng tại bề mặt tiếp xúc giữa cọc và đất. Do vậy, đất được cải tạo và gia tăng sức chịu tải của cọc trên một đơn vị chiều dài nhất định. Nhược điểm chính của cọc DD là nhu cầu về momen xoắn và lực ép lớn từ giàn khoan, chính điều này hạn chế chiều sâu thi cơng của cọc và khả năng ứng dụng trong địa chất cứng.
Nguồn: Geotechnical Engineering Circular (Gec) No. 8 [2]
Hình 1.14: Mũi khoan dịch chuyển đất
Đối với một số địa chất để kiểm sốt tốc độ thâm nhập cũng như dự đốn khả năng hoặc cơng suất của dàn khoan. Cần tiến hành khoan thử, kết quả này khả quan và thành cơng thì mới áp dụng khoan đại trà.
1.2.2 Bơm vữa hoặc bê tơng
Bê tơng hoặc vữa thường được lấy từ một nhà máy trộn sẵn và chuyển đến cơng trưởng bằng bồn. Đối với hầu hết thi cơng cọc CFA, bê tơng hoặc vữa được bơm áp lực từ đỉnh xuống thơng qua các đầu mũi khoan, áp lực phun ra tại các lỗ ở cuối mũi khoan. Cọc CFA tại Hoa Kỳ hiện nay được thi cơng sử dụng phổ biến là vữa xi măng-cát, trong khi cọc CFA ở châu Âu được sử dụng bê tơng cốt liệu nhỏ. Nhìn chung, kỹ thuật và thiết bị sử dụng tại Hoa Kỳ và Châu Âu là tương tự. Các thuật ngữ "vữa" và "bê tơng" sẽ được sử dụng tương đương nhau trong phần này.
Khi giai đoạn khoan kết thúc và mũi khoan đạt chiều sâu yêu cầu, giai đoạn bơm vữa sẽ bắt đầu ngay lập tức. Vữa hoặc bê tơng sẽ được bơm cĩ áp thơng qua
Trang 12
một hệ thống trên đầu giàn khoan với một đường ống dẫn ở trung tâm mũi khoan. Hình1.15 cho thấy lỗ bơm vữa tại đầu mũi khoan, Vữa được vận chuyển và bơm thơng qua xe bồn như Hình 1.16
Nguồn: Geotechnical Engineering Circular (Gec) No. 8 [2]
Hình 1.15 – 1.16: Lỗ bơm vữa và thiết bị bơm vữa
1.2.2.1 Trình tự chung về bơm vữa
- Sau khi đạt được chiều sâu thiết kế, mũi khoan sẽ được nâng lên một đoạn ngắn (từ 0.15-0.3 m) và vữa được bơm cĩ áp lực lớn để làm sạch đường ống. Sau đĩ mũi khoan sẽ được xoắn xuống độ sâu ban đầu để tạo ra một bầu nhỏ đặc chắc gia tăng khả năng chịu lực tại mũi.
- Vữa sẽ được bơm liên tục dưới áp lực từ 2 Mpa trở lên, giá trị này được đo tại đỉnh của mũi khoan, mũi khoan cũng được nhấc lên liên tục song với bơm vữa. Đất sẽ được lấy ra tại mặt đất, tránh hiện tượng đất bị nâng lên quá cao gây mất an tồn.
- Sau khi khoan và bơm vữa hồn tất, tất cả đất trên bề mặt hố khoan sẽ được dọn sạch, tránh đất rơi trên đầu cọc hoặc các chất bẩn khác.
1.2.3 Quá trình bơm vữa
- Điều cần thiết và chú ý nhất là vữa được bơm ngay khi mũi khoan đạt độ sâu yêu cầu, nếu cĩ bất kỳ trục trặc của thiết bị khoan (gián đoạn trong quá trình bơm vữa...) ảnh hưởng đến tiến trình bơm vữa, sẽ làm kẹt các mũi khoan và rất khĩ lấy mũi khoan lên. Để tránh tình trạng mũi khoan bị “treo”, cĩ thể duy trì một tốc độ quay chậm cho mũi khoan trong khi chờ vữa đem đếm, tốc
độ quay này nếu khơng cĩ sự thâm nhập vào đất sẽ dẫn đến tình trạng đất bị phá hoại và thiếu hụt đất, mất ổn định như đã đề cập bên trên và nên tránh. Cách tốt nhất để tránh tình trạng trên là trước khi bơm vữa, nên tính tốn dự trữ đủ khối lượng vữa cho cọc tại cơng trình để hồn thành cọc một cách liên tục.
- Sau khi đạt đến độ sâu chơn cọc, tiến hành nhấc mũi khoan lên khoảng 150mm và bơm vữa cĩ áp lực để loạt bỏ đầu bít lỗ khoan vữa tại đầu mũi khoan, hoạt động này được gọi là thổi rửa. Nếu chiều cao nâng mũi khoan lên đến khoảng 300mm ( khoảng cách giới hạn là 150mm trước khi thổi đầu bít) là một bất lợi. Bởi vì khi nâng q cao đất sẽ bị ép lại tại đầu mũi khoan, khi bơm vữa đất sẽ trộn lẫn vào vữa dẫn đến chất lượng vữa tại đầu cọc sẽ giảm. Trước khi bắt đầu rút, mũi khoan được tái xâm nhập đến độ sâu ban