1.4.1 Khái niệm :
Cọc khoan nhồi mở rộng đáy cũng là một dạng cọc khoan nhồi nhưng phần đáy cọc được mở rộng theo những dạng khác nhau như dạng hình vòm, hình chuông, hình tháp … nhằm làm tăng diện tích tiết diện dưới đáy cọc qua đó gia tăng sức chống mũi của cọc.
HÌnh 1.8 : Hình dạng mở rộng đáy cọc khoan nhồi (a) Dạng vòm (b,c) Dạng chuông
-17 -
Cọc khoan nhồi mở rộng đáy thường sử dụng cho các công trình xây dựng trong đất yếu vì khi đó thành phần ma sát thân cọc không đáng kể, việc gia tăng phản lực mũi cọc sẽ làm gia tăng đáng kể khả năng mang tải của cọc đồng thời giảm thiểu khả năng ảnh hưởng của ma sát âm.
Cọc khoan nhồi mở rộng đáy cũng rất thích hợp cho các công trình nhà cao tầng, có tải trọng lớn và mômen lớn do việc mở rộng đáy cọc có thể làm gia tăng đáng kể khả năng chống lật, chống nhổ của nền móng công trình.
Ngoài ra việc sử dụng cọc khoan nhồi mở rộng đáy có thể làm giảm chi phí xây dựng vì có thể giảm tiết diện thân cọc và chiều dài cọc mà vẫn đảm bảo khả năng mang tải thiết kế của cọc.
1.4.2 Quá trình hình thành và phát triển phương pháp cọc khoan nhồi mở rộng đáy trên thế giới :
Cọc khoan nhồi mở rộng đáy đã được ứng dụng hơn một thế kỷ nay, bắt đầu từ Hoa Kỳ và Châu Âu.
Năm 1890, khi xây dựng những tòa nhà cao tầng ở Chicago, người ta nhận thấy muốn đáp ứng được những tải trọng lớn truyền xuống nền thì đường kính và chiều sâu chôn cọc phải tăng lên . Nhằm khắc phục được những khó khăn đó và tăng khả năng chịu tải mũi cọc người ta nghĩ ra biện pháp mở rộng mũi cọc khoan nhồi .
Năm 1892, phương pháp Chicago ra đời, thi công bằng thủ công dùng biện pháp chống vách bằng các ống bao bằng gỗ và được nối với nhau bằng các vòng thép . Các ống bao có chiều dài tối thiểu là 3,5 ft ( 1,07m ), đáy cọc dạng hình chuông và được đào bằng thủ công .
Tiếp sau đó phương pháp Gaw ra đời dựa trên cơ sở phương pháp Chicago, ở đây ống bao bằng gỗ được thay thế bằng các ống lồng bằng thép:
ống đầu tiên có chiều dài 6 ft ( 1,83m ); ống thứ hai nằm trong ống thứ nhất có đường kính nhỏ hơn 2 inches ( 5,1cm ). Các ống được nối liên tục vào nhau và đáy mở rộng được đào bằng thủ công .
Năm 1930, ở Nhật, hãng Kira Deep Company đã phát triển “Phương pháp móng sâu Kida” mà nguyên lý làm việc của nó vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Trong phương pháp này, khi đào hố người ta sử dụng các ống thép để chống sụp và các ống này được nối với nhau bằng các vòng thép. Hố cọc và phần mở rộng đáy đều được đào bằng thủ công. Đường kính các vòng thép từ 1,4 ÷ 5m có thể đào tới độ sâu khoảng 10 ÷ 20m
Đến năm 1955, công ty nền móng Shimizu đã có những cải tiến trong phương pháp này như : ống chống được đưa vào bằng thiết bị thủy lực, hố cọc được đào bằng mày. Đáy hố cọc được đào mở rộng bằng thủ công, trước khi đào đáy hố mở rộng người ta tiến hành bơm hút hết nước. Phương pháp này đánh dấu một tiến bộ mới trong công nghệ thi công móng cọc nhồi ở Nhật là lần đầu tiên hố cọc khoan nhồi được đào bằng các thiết bị cơ giới .
Năm 1971, công ty máy xây dựng Hokushin đã ứng dụng phương pháp dùng ống bao trên toàn bộ độ sâu của hố khoan (all casing), cọc được đào bằng máy còn đáy cọc vẫn phải đào bằng thủ công sau khi bơm hết nước .
Năm 1966, ở London, trong hội nghị Quốc tế về các phương pháp đóng cọc, có hai thiết bị khoan mở rộng đáy cọc được giới thiệu đó là thiết bị mở rộng từ dưới lên (down-open), cơ cấu làm việc an toàn và thiết bị khoan mở từ trên xuống (up-open) với năng suất cao hơn .
Năm 1972, Tchevotaliov đã giới thiệu phương pháp mở rộng đáy cọc trong xây dựng dân dụng, ông đưa ra ý kiến là mở rộng đáy cọc rất hiệu quả trong điều kiện đất hoàng thổ như đất hoàng thổ ở vùng Mississipi .
-19 -
Trong năm 1972 việc mở rộng đáy cọc đã được thực hiện ở trên đất cát chặt hạt trung ở Đức. Thiết bị thi công sử dụng 2 loại thiết bị trên với công suất lớn và gàu được điều khiển bằng thủy lực. Tuy nhiên kết quả của việc thi công này không có báo cáo rõ ràng .
Tóm lại có thể coi việc ứng dụng thiết bị và kỹ thuệt thi công mở rộng đáy cọc khoan nhồi được chia thành 3 giai đoạn phát triển sau :
- Giai đoạn 1: thi công cọc và mở rộng mũi cọc bằng thủ công . - Giai đoạn 2: thi công cọc bằng mày, mở rộng mũi bằng thủ công - Giai đoạn 3: thi công và mở rộng mũi cọc bằng máy
Tuy có lịch sử phát triển khá sớm nhưng việc nghiên cứu tính toán và ứng dụng cọc khoan nhồi mở rộng đáy còn dè dặt . Dần dần cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo, thiết bị khoan mở rộng đáy cọc ngày càng hoàn thiện hơn nhiều loại máy có công suất rất lớn kèm theo các qui trình quản lý kỹ thuật rất chặt chẽ ra đời nên công tác thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy đã được cơ giới hóa một cách khá hoàn chỉnh. Điều này khiến cho giải pháp cọc khoan nhồi mở rộng đáy ngày càng được sử dụng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ cho đến ngày nay.
1.4.3 Các nghiên cứu trên thế giới về cọc khoan nhồi mở rộng đáy :
Có nhiều nghiên cứu trên Thế Giới liên quan đến cọc khoan nhồi mở rộng đáy và thiết bị thi công, nhưng các nhà nghiên cứu lưu tâm đến nhiều nhất là áp lực lên nền, sự ổn định của hố khoan, chất lượng cọc, cải tiến các thông số thiết bị và làm việc, xây dựng các phương pháp tính toán mới đạt lợi ích kinh teá hôn .
- COOKE,R.W và WHITAKER (1961) : đã làm các thí nghiệm trên mô hình cọc có đáy mở rộng với mục đích chứng minh khả năng tính ưu việt của loại cọc này.
- D.MOHAN (1969) : thiết kế và xây dựng quy trình công nghệ thi công CKN mở rộng nhiều tầng, đề cập đến ứng xử của cọc mở rộng 2 tầng trở lên sau đó so sánh khả năng chịu tải giữa cọc thẳng và cọc mở rộng nhiều tầng. Từ các kết luận đó rút ra khả năng kinh tế của cọc mở rộng đáy và mở rộng nhiều tầng đối với móng nặng và móng nhẹ .
- CAI DEZHUANG(1972): thiết kế một loại cọc mở rộng đáy với thân cọc được thi công nhiều phần nhô ra như các nút bám vào đất, phân bố xung quanh thân cọc. Tác giả đã đưa ra các kết luận : khả năng chịu lực của cọc tăng lên ít nhất gấp 3 lần, nếu cùng một khả năng chịu tải thì tiết kiệm vật liệu làm cọc 30% thậm chí nhiều hơn, độ lún nhỏ hơn so với cọc bình thường, chịu lực nhổ lớn, và chịu động đất tốt. Tác giả tìm ra được khoảng cách hợp lý giữa các đoạn mở rộng và số phần nhô ra tốt nhất trên mỗi đoạn .
- SLIWINSKI Z.J (1979) : tác giả nghiên cứu những điều kiện ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cọc khoan nhồi mở rộng đáy. Tác giả cho rằng khả năng chịu tải của cọc rất nhạy cảm với các thông số làm việc của thiết bị và thi công, những điều kiện mà lực mũi cọc có thể bị ảnh hưởng xấu do quá trình đào, do công nghệ thi công.
- SLIWINSKI Z.J và MICE, FLEMING : nghiên cứu những hư hỏng thực tế hay gặp khi thi công cọc khoan nhồi. Hầu hết các hư hỏng chỉ được phát hiện sau khi cọc đã được hoàn thành nên vấn đề khắc phục không thực hiện được. Các tác giả cũng đã đưa ra các biện pháp trong việc sử dụng
-21 -
thiết bị, ứng dụng các phương pháp đo mới để kiểm tra phòng ngừa và khác phục các hư hỏng của cọc .
- KIYOSHI YAMASHITA và FUKUHARA (1991): đã đo và phân tích vùng đất bị ảnh hưởng và yếu đi xung quanh hố khoan cọc nhồi. Phương pháp sử dụng là so sánh tỉ lệ giữa lực cản cắt đặc trưng trước và sau khi đào . Các thí nghiệm làm với cọc có đường kính 1m, 2m, 4m và dài 10m, 20m, 40m tới tầng cát chịu lực và phân tích ứng dụng FEM trong đàn dẻo . - TOMIO TAMANO (1991) : trình bày ứng xử cơ học của đất và áp suất của nước tác động lên tường chắn trong trường hợp đất yếu. Mối quan hệ giữa đất, áp suất của nước và tường chắn .
- H.MULLER – KIRCHENBAUER : nêu ra các phương pháp số dùng để nghiên cứu ổn định tường chắn trong bùn khoan thường dựa vào 2 điều kiện ổn định. Thứ nhất : khối đất bên thành chắn không bị trượt xuống.
Thứ hai : điều kiện để cho các hạt đất hay từng khối đất không rơi xuống . - N.MORGENTERN và AMIR – TAHMASSEB : áp suất thủy tĩnh, hiệu ứng vòm và lực thẩm thấu điện là những thành phần chủ yếu trong việc tính toán ổn định thành hố khoan khi thi công trong dung dịch bùn khoan đối đất không dính .
- TS. NGUYỄN THỊ HỒNG : đưa ra mối quan hệ tương hỗ có tính quy luật giữa dạng và thông số cấu tạo của thiết bị khoan mở rộng đáy hố khoan cọc nhồi với môi trường xung quanh hố. Đáy hố khoan dạng hình chuông cho hiệu ứng vòm tốt nhất khi thiết bị làm việc so với các loại đáy dạng vòm khác. Góc mở rộng đáy càng nhỏ thì độ ổn định của thành hố khoan khi thiết bị làm việc càng tốt. Với tất cả các góc mở rộng đáy α, vận tốc trượt của khối đất được ghi nhận nhanh nhất đối với đáy dạng vòm
lớn, sau đó đến dạng vòm nhỏ và cuối cùng là đáy dạng chuông. Dựa vào chuyển vị đo được, tính toán các thành phần biến dạng, biến dạng trượt thay đổi và chia làm 2 phần : 1 phần nằm ngay sát cánh quay, 1 phần nằm phía trên, biến dạng ở vùng sát cánh quay lớn hơn rất nhiều so với vùng phía treân.
1.4.4 Các ưu, khuyết điểm cơ bản của cọc khoan nhồi mở rộng đáy so với cọc khoan nhồi không mở rộng đáy:
*ệu ủieồm :
- Với cùng điều kiện đất nền, cọc khoan nhồi mở rộng đáy có sức chịu tải lớn hơn từ 1,5 ÷ 2 lần sức chịu tải của cọc khoan nhồi thẳng có cùng đường kính thân cọc .
- So với cọc khoan nhồi không mở rộng đáy có cùng tải trọng thì lượng bêtông cần đổ và khối lượng đất đào giảm được 50% .
- Rút ngắn được thời gian thi công và giá thành xây dựng .
- Tăng khả năng chống nhỏ của cọc và giảm ảnh hưởng của ma sát âm xung quanh cọc .
* Khuyeỏt ủieồm :
- Vấn đề thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy là một vấn đề rất phức tạp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố kỹ thuật như máy thi công, kỹ thuật thi công, trình độ công nhân, việc kiểm tra quản lý chất lượng cọc đòi hỏi phải chính xác... Trong đó vấn đề máy thi công đang là vấn đề cấp thiết nhất vì hiện nay các công ty ở Việt Nam hầu như chưa có được những máy thi công và công nghệ thi công loại cọc khoan nhồi mở rộng đáy .
-23 -
1.4.5 Một số hình ảnh về thiết bị thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy :
Hình 1.12: Thiết bị khoan mở rộng đáy cọc khoan nhồi bằng phương pháp khoan đất (phương pháp OMR/B - Nhật).
Hình 1.9-1.10: Thiết bị khoan mở rộng đáy cọc khoan nhồi bằng phương pháp khoan phản tuần hoàn (Nhật).