Chương 2: Cọc khoan nhồi- giải pháp nền móng thích hợp cho xây dựng nhà cao tầng ở Hà Nội
3.2. Quy trình thi công cọc khoan nhồi áp dụng công nghệ thổi rửa và bơm
3.2.4. Công tác thổi rửa và bơm phun vữa xi măng ở đáy cọc
a) Giới thiệu thiết bị thi công
Các máy móc thiết bị chính phục vụ công tác khoan thổi rửa và bơm gia cường vữa xi măng ở đáy cọc gồm có: máy khoan, máy khí nén, máy trộn vữa, máy bơm, ống dẫn và một số van khóa chịu áp lực. Sau đây là một số đặc điểm của thiết bị đó:
Máy trộn có độ phân tán cao (High-shear mixer): Thiết bị này được dùng để tạo ra hợp chất vữa phun trong đó các hạt được tách khỏi nhau. Việc trộn vữa thường được tiến hành trong một buồng ở bên dưới trống trộn trong đó các phụ liệu được đổ vào. Buồng trộn chứa một tuabin, vận hành theo cơ chế đảo ngược với tốc độ rất cao (1200 ÷ 2000 vòng/phút), thao tác đó làm chia tách và làm ẩm các hạt như trong máy trộn Colcrete, hoặc một rôto có cánh sâu, chúc xuống, tạo ra sự chảy rối lớn như trong máy trộn kiểu Hany. Các máy trộn có độ phân tán cao phổ biến khác là loại Bachy và Cemix. Hình 3.1 và 3.2 mô tả các loại máy trộn có độ phân tán cao khác nhau.
Hình 3.1 : Máy trộn kiểu Colcrete Hình 3.2 : Máy trộn kiểu Cernix
Dựa vào kinh nghiệm chúng ta có thể nhận thấy sự khác biệt lớn giữa thao tác trộn ở các loại máy trộn có độ phân tán cao khác nhau. Đặc biệt khi hàm lượng bentonit trong vữa trộn lớn hơn 4% (so với nước), sự khác biệt trong chất lượng trộn càng trở nên rõ rệt. Trong một số dự án có cơ hội so sánh các loại máy trộn có độ phân tán cao khác nhau. Bằng cách thực hiện các qui trình trộn có chứa cùng chất phụ liệu và được đưa vào theo trình tự tương tự, hòa trộn trong một khoảng thời gian xác định, sự khác biệt căn bản trong độ nhớt “biểu kiến” (phễu nhớt), độ dính kết và sức cản lọc áp suất. Nói cách khác, thao tác làm ẩm ở một số máy trộn không hiệu quả như ở các máy trộn khác. Các máy trộn kiểu Colcrete có tính ưu việt hơn hẳn so với bất kỳ loại máy nào khác đã được thử nghiệm. Độ nhớt và độ kết dính của vữa phun được trộn với các máy trộn kiểu Colcrete luôn lớn hơn vữa phun được trộn ở các máy khác, chứng tỏ việc làm ẩm các hạt tốt hơn.
Thời gian trộn lý tưởng phụ thuộc vào các loại máy trộn và kiểu công thức. Cần đưa chất bentonit vào hỗn hợp trộn đầu tiên và thủy hóa ít nhất 30 giây, trước khi đưa các máy lọc trơ và bán trơ vào. Xi măng là phụ liệu cuối cùng được đưa vào hỗn hợp.
Nếu sự thay đổi độ nhớt là cần thiết để kiểm soát sự vận hành nhanh nên đưa các chất này vào thùng chứa.
Thùng chứa: Đây không phải là một thiết bị quá quan trọng trong quá trình phun vữa. Chỉ cần một máy trộn có cánh vận tốc nhỏ để ngăn ngừa sự keo tụ của các hỗn hợp trộn có độ kết dính cao. Nên đặt thùng chứa ở nơi nhân viên kiểm soát chất lượng và thợ vận hành có thể dễ dàng kiểm tra vữa phun.
Máy đo lưu lượng: Nên lắp máy đo lưu lượng (máy đo kiểu xung hay kiểu có từ tính) lên ống tiếp liệu chính tới các hố vữa phun khác nhau. Máy đo cần phải đặt ở nơi nhân viên kiểm soát chất lượng và tổ trộn vữa có thể nhìn thấy dễ dàng.
Máy ghi X-Y: Máy ghi này luôn hoạt động và cung cấp những bản in về lưu lượng và áp suất với chức năng làm thời gian cho việc giám sát theo thời gian thực hiện các thao tác phun vữa. Biểu đồ sẽ nhanh chóng thông báo kỹ sư phụ trách phun vữa có kinh nghiệm về phương thức phun vữa và tính phù hợp của công thức
phun vữa tại giai đoạn đặc biệt của thao tác này. Nguồn dữ liệu cho phép chủ đầu tư có thể tính toán tỷ lệ giảm trong giá trị biểu kiến Lugeon và đối chiếu tỷ lệ này với tỷ lệ mong muốn, diễn tả sự thay đổi trong công thức cho các mẻ trộn tiếp theo. Một số máy ghi được sản xuất tại Mỹ rẻ hơn so với những loại máy do Craclis hay Hany sản xuất nhưng lại cho cùng một nguồn dữ liệu (nếu không nói là nhiều hơn), như các loại máy của Châu Âu.
Các ống mềm chứa vữa phun: Đường kính lý tưởng của các ống mềm là khoảng 25mm. Trước khi phun vữa các ống này cần được kiểm tra xem có bị ùn vữa phun hay không. Một thao tác rất hiệu quả là thỉnh thoảng bơm một chút dung dịch 5% axit photphoric đậm đặc vào các ống mềm này. Các khớp nối nhanh cho phép dễ dàng kết nối với các cần của vòng bít hay các ống chứa vữa phun.
Các máy đo và bộ phận bảo vệ máy đo: Các máy đo phải phù hợp với phạm vi áp suất mà tại đó thao tác phun vữa sẽ được thực hiện. Các bộ phận bảo vệ máy đo được sử dụng để ngăn cản vữa phun chảy vào màng chắn của máy đo. Dầu mỡ thỉnh thoảng phải bổ sung để cung cấp các bản đọc chính xác. Các máy đo phải đặt ngay bên cạnh các bộ chuyển đổi áp lực dẫn đến máy ghi X-Y.
Các máy bơm vữa phun: Nên sử dụng các máy bơm có vít dạng xoắn để đạt hiệu quả cao nhất (các máy bơm mohno). Khu vực có chứa vữa phun được dịch chuyển bởi rôto thép qua buồng stato cao su. Loại máy bơm này cho công suất áp suất cố định và lưu lượng có thể điều chỉnh dễ dàng. Các máy bơm có vít xoắn là những máy được sử dụng nhiều nhất trong việc phun vữa với áp suất thấp (lên tới 15Mpa) và trong các ứng dụng kỹ thuật xây dựng.
Các máy bơm có pittong song công tác dụng kép (hình 3.3) có tác dụng tạo ra độ xung cao hơn và do đó công suất kém liên tục hơn nhưng lại thích hợp cho rất nhiều ứng dụng. Nguyên lý hoạt động của những máy bơm này như sau: một pittong di chuyển theo một hướng nhất định đẩy vữa phun ra khỏi buồng xilanh;
vữa phun được đưa vào sau buồng xilanh, sẵn sàng cho hành trình đẩy ra. Trong khi đó một pittong khác di chuyển theo một hướng khác và cũng thực hiện những thao tác tương tự.
Các máy bơm có pittong tác dụng kép, ba xilanh còn thích hợp hơn so với loại máy bơm song công và cho công suất liên tục hơn. Đặc biệt trong những mỏ sâu, nơi thường cần áp suất cao để khắc phục áp suất ở tầng chứa nước, các máy bơm có ba xilanh hoạt động rất hiệu quả.
Các máy bơm pittong trượt đã được sử dụng hàng thập kỷ nay, đặc biệt trong ngành công nghiệp khai thác mỏ. Máy bơm Clivio tác dụng đơn đã từng rất phổ biến và được các nhà thầu phun vữa hàng đầu sử dụng rộng rãi ở Pháp nhưng chúng lại tạo ra tác dụng có độ xung mạnh. Các máy bơm tác dụng kép tạo ra dòng vữa gần như liên tục và đang được ưa chuộng.
Hình 3.3 : Máy bơm vữa
Các thiết bị xác định các cấp phối: Nên sử dụng một thiết bị đo nước để đưa một lượng nước chính xác vào máy trộn. Đối với các chất lỏng trong hỗn hợp trộn (các chất khử nước và các chất khử keo tụ): có thể sử dụng các cốc đo đủ lớn để chứa một loạt các chất hóa lỏng cần thiết trong các công thức khác nhau. Các cốc hay thùng được sử dụng nên chia độ và có màu khác nhau chia cho các chất phụ gia khác. Cần phải xác định trọng lượng riêng của mỗi chất phụ gia trước khi phun vữa, và thiết lập một bảng chỉ rõ thể tích của các chất phụ gia cho mỗi công thức. Nên đưa vào một số thùng cho mỗi phối liệu để giúp tổ trộn vữa có thể chuẩn bị liều lượng theo yêu cầu cho mỗi chất phụ gia một cách liên tục. Một nhà thầu phun vữa được tổ chức tốt sẽ không gặp khó khăn trong việc sản xuất liên tục các công thức theo yêu cầu (thay đổi từ 5 đến 8 lần cho mỗi hố phun vữa). Tuy nhiên, chủ đầu tư nên thiết kế các công thức sao cho những công thức này có thể chứa một con số chính xác các “đơn vị” cho mỗi chất phụ gia và số lượng chính xác bao xi măng.
b) Kiểm tra chất lượng và thử nghiệm vữa trước khi bơm.
Kiểm tra độ nhớt biểu kiến: Phễu nhớt vẫn là thiết bị được sử dụng nhiều nhất tại hiện trường để thu được những thông tin quí giá về các đặc tính lưu lượng vữa phun của một công thức vữa phun đặc biệt. Chỉ có một loại phễu nhớt được sử dụng để tránh nhầm lẫn về dữ liệu được đưa ra tại các nước khác nhau trên thế giới.
Độ nhớt được coi là thời gian đổ dồn của 1 lít chất lỏng thử nghiệm từ một cái phễu nhớt đích thực được đổ đầy tới tận màng lọc. Nước có độ nhớt là 28s. Cần lưu ý rằng phễu nhớt phải được rửa sạch sau mọi cuộc thử nghiệm.
Độ nhớt phản ánh các đặc tính lưu biến học kết hợp với sự tổn hao ma sát do sự gồ ghề bề mặt vòi máng. Vì vậy, thuật ngữ độ nhớt biểu kiến thích hợp để miêu tả các đặc tính của vữa phun được xác định bởi thiết bị này.
Tỷ trọng của vữa phun: Độ cân bằng bùn Baroid (thông số kỹ thuật API 13A) đem đến một phương pháp đánh giá trọng lượng riêng của một công thức vữa phun riêng một cách nhanh chóng và thực tiễn. Cần kiểm tra mọi hỗn hợp trộn để xem liệu mọi phối liệu có được đưa vào với liều lượng thích hợp hay chưa. Trọng lượng riêng có thể giúp ta tính toán được công suất của mỗi mẻ trộn và hỗ trợ trong
việc thanh toán số lượng. Nhân viên kiểm tra chất lượng cần phải rửa sạch máy cân bằng sau mỗi lần trộn.
Sức chịu đựng quá trình lọc áp suất: Mỗi công thức cần phải trải qua một cuộc thử nghiệm lọc áp suất. Cuộc thử nghiệm này cung cấp những thông tin quí giá nhất về những gì thật sự diễn ra khi vữa phun chịu áp suất trong khi chảy qua môi trường xốp. Sức chịu đựng tốt quá trình lọc áp suất là điều cần có để đạt được độ xuyên thấm như ý. Các cuộc thử nghiệm sức chịu đựng quá trình lọc áp suất cần được tiến hành đối với mỗi công thức, trước khi thực hiện chương trình phun vữa và được lặp lại thường xuyên trong suốt quá trình thực hiện chương trình này.
Thực chất, việc thử nghiệm lọc áp suất bao gồm bơm đầy vào một máy lọc API tiêu chuẩn và phải chịu áp suất khí là 100psi (0,7Mpa) được tạo ra bởi khí CO2. Thể tích nước bị vắt với thời gian được giám sát cho tới khi tất cả nước đã bị vắt hết.
Sức chịu đựng lọc áp suất không nên có được bằng cách đánh đổi độ kết dính tăng cường (trừ khi trong những điều kiện cụ thể). Chỉ cần các hợp chất polyme và các chất phụ giá có sẵn để có được độ chịu lọc áp suất mà không cần tăng cường độ kết dính hay độ nhớt biểu kiến của hỗn hợp trộn. Loại thông tin này rất cần cho việc thiết kế và thay đổi các công thức nhằm đáp ứng các mục tiêu cụ thể.
Sự chảy ban đầu của vữa phun (sự chảy trọng lực): Đặc biệt đối với những ứng dụng ở nhiệt độ thấp, cần phải tiến hành các cuộc thử nghiệm sự chảy ban đầu (Kim vical-ASTM C191) ở những điều kiện và nhiệt độ tương tự với những gì mà vữa phun phải chịu. Đối với những ứng dụng thường xuyên thì loại này cũng rất hữu ích.
Độ bền nén có nở hông: Nên đúc các khối vữa phun theo các công thức khác nhau vào những thời điểm nhất định trong suốt quá trình phun vữa. Đặc biệt các khối nhựa có thể thải hồi mang tính thực tiễn và không tốn kém. Các khối thử nghiệm cần được đập vỡ vào những thời điểm thích hợp, có thể là 07 ngày hay 56, thậm chí 128 ngày cũng được. Các công thức có chứa một lượng tro bay đáng kể lưu hóa rất chậm.
Các khối này cũng cần phải được chuẩn bị với hồ bột lấy từ thiết bị lọc áp suất. Hồ bột này sẽ phải được ép vào khuôn, nhưng sự khác biệt trong độ bền nén có nở hông với vữa phun sẽ ngày càng rõ rệt hơn.
Sau khi đổ bê tông ít nhất là 7 ngày thì có thể tiến hành siêu âm kiểm tra chất l−ợng bê tông cọc, có thể tận dụng các ống bơm vữa để kết hợp làm thí nghiệm siêu
âm. Sau khi có kết quả thí nghiệm siêu âm có thể tiến hành khoan thủng đáy các ống thép để tiến hành thổi rửa đáy, việc khoan thủng đáy phải khoan tới đất ở đáy cọc
đảm bảo có thể xói rửa đáy và làm sạch mùn khoan ở đáy cọc. Có thể kết hợp lấy mẫu đất ở đáy cọc để kiểm tra mức độ sạch tại đáy trước khi thổi rửa.
Công tác thổi rửa đ−ợc tiến hành theo 2 chu trình sau:
• Chu trình 1: Xói rửa n−ớc áp lực cao
Khi các ống thép đã được khoan thủng đáy thì tiến hành đưa đầu xói nước xuống đáy cọc, bơm nước áp lực cao xuống đáy cọc, với áp lực khoảng 200 atm tia nước sẽ phá vỡ phần bê tông bẩn và bùn đất dưới đáy cọc.
• Chu trình 2: Xói rửa bằng khí nén, bơm n−ớc áp lực thấp
Việc xói rửa tiến hành với 2 ống đối diện nhau có thể tiến hành bơm nước áp lực thấp vào một ống và dùng khí nén áp lực cao vào ống đối diện sau đó lại đổi lại.
Cần phải xoay đều theo vòng tròn đầu xói nước để đảm bảo làm sạch xung quanh
đáy cọc. Khi thấy nước đi lên không còn màu đen của bùn cát và khi đo chiều sâu của cọc khẳng định việc thổi rửa đã làm sạch đáy cọc thì tiến hành bơm vữa xi m¨ng.
* Công tác bơm vữa xi măng đáy cọc
Thành phần vữa gồm xi măng, n−ớc, bentonite và phụ gia hoá dẻo. Dùng bentonite để cho vữa tăng độ linh động nhưng sẽ làm giảm cường độ của vữa nên không đ−ợc v−ợt quá hàm l−ợng cho phép.
Trộn vữa bằng máy trộn có tốc độ vòng quay lớn, mỗi mẻ trộn tuỳ thuộc vào dung tích thùng trộn nh−ng không nên quá lớn, th−ờng không quá 500 lít. Cấp phối của vữa th−ờng là 100 kg xi măng PC400, 60 lít n−ớc, 1,6 kg bentonite và phụ gia hoá dẻo. Tr−ớc khi đ−a vữa vào thùng bơm cần phải kiểm tra các thông số kỹ thuật của vữa nh− sau:
- Độ nhớt từ 50 đến 70 giây (đo bằng côn tiêu chuẩn 1 lít)
- Tỷ trọng: 1,6 – 1,75
- Cường độ mẫu thí nghiệm trên khuôn tiêu chuẩn 7x7x7 cm phải đạt 250 – 270 daN/cm2 (lấy ít nhất 6 mẫu cho 1 cọc).
Quá trình bơm đ−ợc thực hiện qua các chu trình sau:
o Chu tr×nh 1:
Luồn ống mềm chịu áp xuống đáy cọc theo các ống thép đặt sẵn, bơm vữa không áp xuống đáy ống theo nguyên tắc dâng để đẩy nước ra khỏi ống. Bơm
đầy các ống để có thể kiểm soát đ−ợc l−ợng vữa sẽ bơm xuống đáy cọc. Sau khi các ống thép đã đầy vữa thì tiến hành lắp van vào và lần l−ợt bơm vữa áp lực cao xuống các ống để đẩy vữa xuống đáy cọc. Trong quá trình bơm vữa cho ống này có thể sẽ thấy vữa đẩy lên ở ống đối diện hoặc ống siêu âm. Khi chắc chắn vữa đã tràn qua đáy cọc để lên ống đối diện thì khoá chặt các ống lại và tiếp tục bơm và giữ áp lực khoảng 60atm trong khoảng 5 phút, công việc tiến hành lần l−ợt từng ống một. Nếu nh− l−ợng vữa bơm quá lớn nh−ng không tăng đ−ợc áp lực bơm thì có khả năng đáy cọc bị rỗng quá nhiều, khi
đó phải chuyển sang chu trình 2.
o Chu tr×nh 2:
Tr−ớc khi sang chu trình 2 dùng n−ớc bơm vào các ống thép, ép vữa xuống
đáy cọc, quá trình này cũng làm lần l−ợt từng ống. Sau đó thì dừng công tác bơm vữa, đợi khoảng 4 tiếng sau mới lại tiếp tục tiến hành bơm vữa chu trình 2 giống nh− chu trình 1. Nếu vẫn không đạt đ−ợc áp lực 60atm cho quá trình bơm vữa hoặc không thể giữ áp đ−ợc quá 5 phút thì lại phải dừng bơm, đợi sau 4 tiếng sau tiếp tục bơm chu trình 3.
Hình 3.4: Quy trình thi công thổi rửa và bơm vữa xi măng đáy cọc khoan nhồi
Bước 1: Thi công cọc khoan nhồi có đặt sẵn ống thép Bước 2: Khoan thủng đáy cọc theo ống đặt sẵn
Bước 3: Dùng nước áp lực cao thổi sạch mùn khoan đáy cọc Bước 4: Bơm vữa xi măng xuống đáy cọc
B−ớc 5: Bịt một đầu ống, tiếp tục bơm và giữ áp.
Một số điều kiện kỹ thuật cần thoả m∙n của ph−ơng pháp xử lý mũi cọc:
Như vậy, để có thể ứng dụng phương pháp thiết kế cọc khoan nhồi có sử dụng công nghệ thổi rửa bơm phun vữa xi măng ở đáy cọc, một số điều kiện kỹ thuật sau đây phải đ−ợc thoả mãn:
1 – Cọc khoan nhồi phải được đặt vào tầng cuội sỏi ít nhất là một lần đường kính cọc và không ít hơn 1 mét.
2 – Khi áp dụng ph−ơng pháp thiết kế này, quá trình thi công tạo lỗ nên sử dụng dung dịch polimer để giữ thành hố khoan.
3 – Cốt thép trong cọc khoan nhôi cần phải đặt xuống tận đáy, tuy nhiên hàm l−ợng cốt thép có thể giảm dần theo chiều sâu nh−ng không nhỏ hơn 0,4% tại đáy cọc.
4 – Khi thổi rửa đáy cọc phải đảm bảo áp lực thổi rửa không nhỏ hơn 180 atm và phải có quy trình kiểm tra độ sạch của đáy cọc trước khi bơm phun vữa xi măng.
5 – Vữa bơm xuống đáy cọc phải đảm bảo theo quy định, áp lực bơm không nhỏ hơn 50 atm và phải duy trì không để tụt áp trong thời gian không nhỏ hơn 5 phút. L−ợng vữa hữu ích (vữa nằm ở đáy cọc) không nhỏ hơn thể tích của 1 mét dài