Chương 2: Cọc khoan nhồi- giải pháp nền móng thích hợp cho xây dựng nhà cao tầng ở Hà Nội
2.1. Các yếu tố chính để lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi
2.1.2. Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của phương pháp thi công đến chất lượng cọc khoan nhồi
- Khoan tạo lỗ nhanh nên rút ngắn tiến độ thi công nền móng công trình.
b- Nhược điểm:
- Giá thành nền móng thường cao hơn khi so sánh với các phương án móng cọc khác như cọc đóng và cọc ép.
- Công nghệ thi công đòi hỏi kỹ thuật cao để tránh các hiện tượng phân tầng khi thi công đổ bê tông thủy công.
- Biện pháp kiểm tra chất lượng bê tông cọc thường phức tạp, gây nên tốn kém trong quá trình thực thi.
- Ma sát bên thân cọc có phần giảm đi so với cọc đóng và cọc ép do công nghệ khoan tạo lỗ cọc.
- Không có các chỉ tiêu định lượng để xác định sức chịu tải của cọc trong quá trình thi công như độ chối của cọc đóng hay lực nén của cọc ép.
Trong thi công cọc khoan nhồi sử dụng phương pháp khoan xoay, phụ thuộc vào điều kiện đất nền thường áp dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp khoan thô.
- Phương pháp khoan sử dụng ống vách.
- Phương pháp khoan ướt, sử dụng dung dịch khoan.
2.1.2. Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của phương pháp thi công đến chất lượng cọc khoan nhồi.
2.1.2.1. Công tác khoan tạo lỗ cọc.
a. Công tác chuẩn bị thi công.
Công nghệ thi công cọc khoan nhồi là công nghệ phức tạp, kéo dài liên tục nên công tác chuẩn bị thi công có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng thi công cọc khoan nhồi. Trước khi thi công cọc cần tiến hành kiểm tra mọi công tác chuẩn bị để thi công cọc theo biện pháp thi công được duyệt, bao gồm các công việc sau:
- Hiểu biết rõ điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn, chiều dày, thế nằm và đặc trưng cơ lý của các lớp đất. Những thông tin này giúp kiểm tra sự
phù hợp của công nghệ khoan áp dụng và lựa chọn dung dịch khoan và chiều dài ống chống tạm.
- Tìm hiểu khả năng có các chướng ngại dưới đất để có biện pháp loại bỏ chúng. Sau khi loại bỏ chướng ngại phải tiến hành san ủi lấp và lu lèn lại đất nền, đảm bảo độ cứng bề mặt đất khu vực thi công.
- Tham khảo hồ sơ hiện trạng các công trình lân cận và công trình ngầm, đề xuất biện pháp phòng ngừa ảnh hưởng xấu đến các công trình đó.
- Kiểm tra vật liệu chính (thép, xi măng, vữa sét, phụ gia, cát, đá, nước sạch
…), chứng chỉ chất lượng của Nhà sản xuất và kết quả thí nghiệm kiểm định chất lượng vật liệu.
- Thi công lưới trắc đạc định vị các trục móng và tọa độ các cọc cần thi công.
Nhà thầu có trách nhiệm bảo quản hệ thống mốc chuẩn trong suốt quá trình thi công cọc.
- Thi công các công trình phụ trợ, đường cấp điện, cấp thoát nước, hố rửa xe, hệ thống tuần hoàn dung dịch khoan (kho chứa, trạm trộn, bể lắng, đường ống, máy bơm, máy tách cát …).
- Làm đường phục vụ thi công đủ để chịu được tải trọng của thiết bị thi công lớn nhất, lập phương án vận chuyển đất thải, tránh gây ô nhiễm môi trường.
- Tập kết vật tư kỹ thuật và thiết bị, kiểm tra tình trạng máy móc luôn trong tình trạng sẵn sàng hoạt động tốt.
- Chuẩn bị dung dịch khoan, cốt thép cọc, ống siêu âm, các thiết bị phù trợ (cần cẩu, máy bơm, máy trộn dung dịch, máy lọc cát, máy nén khí, máy hàn, tổ hợp ống đổ bê tông …) cùng các thiết bị kiểm tra chất lượng dung dịch khoan, độ sụt bê tông, khuôn lấy mẫu bê tông …
- Kiểm tra các mẫu biểu bảng, kiểm tra và nghiệm thu các công đoạn thi công.
Sau khi kiểm tra đầy đủ các công tác chuẩn bị nêu trên, tiến hành lập biên bản nghiệm thu công tác chuẩn bị trước khi thi công cọc khoan nhồi.
b. Dung dịch khoan.
Tùy theo điều kiện địa chất, nước ngầm, thiết bị khoan để chọn phương pháp giữ thành hố khoan và dung dịch khoan thích hợp. Dung dịch khoan được chọn dựa trên tính toán theo nguyên lý cân bằng áp lực ngang giữa cột dung dịch trong hố khoan và áp lực của đất nền và nước quanh thành hố khoan. Chất lượng dung dịch khoan sử dụng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng khoan tạo lỗ cọc. Khi khoan trong địa tầng dễ sụt lở, áp lực cột dung dịch phải luôn lớn hơn áp lực ngang của đất và nước ở bên ngoài. Cần quản lý chất lượng dung dịch phù hợp cho từng độ sâu của các lớp đất khác nhau và có biện pháp xử lý thích hợp để duy trì sự ổn định
thành lỗ khoan cho đến khi kết thúc việc đổ bê tông. Tuy nhiên, các nhà thầu thường không quan tâm đến sự phù hợp của dung dịch với từng loại đất mà thường dùng một dung dịch cho mọi loại đất. Vì vậy nên thường xuyên tiến hành kiểm tra chất lượng dung dich khoan (bentonite hoặc polimer) cho từng loại đất khi khoan.
Sau đây trình bày những chỉ tiêu kỹ thuật của dung dịch sét bentonite cho từng công đoạn thi công cọc khoan nhồi (TCXD 206: 1998).
+ Khi chuẩn bị dung dịch sét bentonite có những chỉ tiêu kỹ thuật sau:
- Khối lượng riêng 1.05 – 1.15 g/cm3 - Độ nhớt 18 – 45 giây
- Hàm lượng cát < 6%
- Độ PH 7 – 9
+ Trong khi khoan, tham khảo những chỉ tiêu kỹ thuật của dung dịch sét bentonite nêu trong phụ lục D – TCXD 206: 1998.
+ Trước khi đổ bê tông dung dịch sét bentonit ở gần đáy lỗ khoan phải có những chỉ tiêu kỹ thuật nhỏ hơn các giá trị sau:
- Khối lượng riêng < 1.25 g/cm3 - Độ nhớt ≤ 28 giây
- Hàm lượng cát ≤ 8%
- Độ PH 8
Hiện nay ở nước ngoài đã sử dụng rộng rãi dung dịch polimer trong thi công cọc khoan nhồi, ở nước ta cũng đã bước đầu sử dụng dung dịch này nhằm nâng cao chất lượng cọc khoan nhồi. Những ưu điểm chính khi sử dụng dung dịch polimer trong thi công cọc khoan nhồi đó là:
- Hạn chế tối thiểu vấn đề liên quan đến môi trường phát sinh khi sử dụng dung dịch bentonite.
- Thúc đẩy nhanh quá trình lắng đọng mùn khoan ở đáy hố khoan và dễ dàng làm sạch mùn khoan ở đáy hố khoan.
- Hàm lượng cát thấp, không tạo nên áo sét ở thành hố khoan.
- Thời gian giữ ổn định thành hố khoan được lâu hơn.
- Gia tăng sức kháng ma sát bên thành cọc.
Để tham khảo, những chỉ tiêu kỹ thuật của dung dịch polimer trước khi đổ bê tông được áp dụng cho cọc khoan nhồi ở Bangkok – Thái Lan [ ]:
- Khối lượng riêng 1.01 – 1.06 g/cm3 - Độ nhớt 36 – 45 giây
- Hàm lượng cát < 0.5%
- Độ PH 8 – 9
c. Công tác khoan tạo lỗ cọc.
* Thiết bị khoan.
Có nhiều thiết bị khoan tương ứng với các kiểu lấy đất đá trong lòng hố khoan như sau: choòng đập đá, gầu ngoạm, gầu xoay, thổi rửa để hút mùn khoan theo chu trình thuận, nghịch … Tùy theo đặc điểm cấu trúc đất nền và nước dưới đất để lựa chọn phương pháp khoan. Thường thì sử dụng 3 phương pháp khoan chính sau:
- Phương pháp khoan khô.
Sử dụng phương pháp khoan khô thích hợp cho đất đá nằm trên mực nước ngầm, các loại đất đá này không bị bở rời và sập lở khi khoan tạo lỗ tới độ sâu thiết kế. Trong cấu trúc nền khu vực Hà Nội phương pháp khoan khô thường thích hợp cho cấu trúc nền phân bố đất sét cứng, đồng nhất – đó là nền kiểu III, nét đặc trưng cho nền kiểu này là vắng mặt các trầm tích mềm yếu tuổi Holoxen (tầng Hải Hưng và Thái Bình). Trầm tích sét của tầng Vĩnh Phúc nằm lộ trên mặt đất, dày đến 20m.
Nền kiểu III phân bố rộng rãi ở Sóc Sơn, Đông Anh, Từ Liêm, Nghĩa Đô …
Sử dụng phương pháp khoan khô dễ dàng kiểm tra mức độ làm sạch đáy lỗ khoan và chất lượng đổ bê tông tạo thành cọc. Khi đổ bê tông trong lỗ khoan sẽ tạo ra ứng suất ngang lên mặt bên thành lỗ khoan, độ lớn của ứng suất này phụ thuộc vào độ linh động và tốc độ đổ bê tông. Nếu đổ bê tông trong lỗ khoan khô, độ ẩm từ vữa bê tông có thể xâm nhập vào đất sét thành lỗ khoan làm mềm thêm thành lỗ khoan. Vấn đề này có thể là quan trọng trong bê tông được trộn với tỷ lệ nước – xi măng cao, cần nhiều nước để thủy hóa xi măng trong mẻ bê tông đó (hiện tượng mất nước trong bê tông mới đổ) dẫn đến làm giảm chất lượng bê tông. Bất kể khi khoan tạo lỗ trong đất sét, sử dụng phương pháp khoan khô hay ướt đều cho thấy tương tác giữa đất sét và hạt xi măng hoặc sản phẩm của quá trình thủy hóa xi măng, làm gia tăng liên kết giữa bê tông và đất sét.
Cọc sau khi thi công chịu nén của tải trọng công trình làm gia tăng ứng suất trong đất nền xung quanh cọc. Gia tăng ứng suất này có thể gây nên giảm độ ẩm của đất nền xung quanh móng, kết quả là làm tăng ứng suất cắt của đất nền. Quan hệ thời gian – gia tăng sức chịu tải và độ lún sẽ cùng với gia tăng ứng suất cắt là hiện tượng bình thường xảy ra. Tuy nhiên đôi khi trong đất sét quá cố kết, đất dọc trên bề mặt xung quanh thân cọc có thể nở ra do bị ẩm từ bê tông cọc, gây nên giảm độ bền theo thời gian.
Từ những trình bày trên cho thấy để đảm bảo chất lượng cọc tạo thành, cần xem xét ảnh hưởng đến tính chất và đối xử của đất sét khi thi công cọc khoan nhồi và đặc điểm của đất xung quanh cọc không giống như đất ở hiện trường khi khảo sát. Một trong những tính chất của đất ở hiện trường khi khảo sát cần được xác định
đó là độ nhậy của đất sét (mất độ bền khi bị xáo động) và xu hướng hấp thụ nước từ dung dịch khoan hoặc từ bê tông.
- Phương pháp khoan sử dụng ống vách.
Phương pháp khoan sử dụng ống vách nhằm tránh sập lở thành lỗ khoan, nhất là đối với những công trình xây chen trong thành phố (ảnh hưởng áp lực ngang do tải trọng công trình lân cận). Phương pháp khoan này có thể sử dụng rộng rãi cho cấu trúc nền kiểu I và II ở Hà Nội. Đặc trưng cho cấu trúc nền kiểu I là sự có mặt đầy đủ các tầng trầm tích Lệ Chi, Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng và Thái Bình, phân bố rộng khắp trong khu vực nội thành Hà Nội. Đặc trưng cho cấu trúc nền kiểu II là vắng mặt trầm tích đất yếu tầng Hải Hưng, phân bố chủ yếu ở ven sông Hồng và phía nam Thành phố. Phương pháp khoan sử dụng ống vách trong tầng đất cát và đối xử của cát xung quanh chu vi thành ống vách cũng tương tự như đóng cọc. Mặt khác, khi khoan sử dụng dung dịch bentonite hoặc polimer có thể làm cát bị rời ra ở một khoảng rộng nào đó. Cát có thể có xu hướng lở ngang dọc trục lỗ khoan bởi vì khối lượng thể tích của dung dịch nhỏ hơn khối lượng thể tích của cát đang khoan.
Trong trường hợp khác, cát sẽ dịch chuyển theo phương ngang ở đáy lỗ khoan, làm giảm sức chịu tải mũi cọc so với cọc đóng. Khi đổ bê tông cọc có độ sụt cao, tác động thêm ứng suất lên thành và đáy lỗ khoan, có thể làm chặt thêm cát ở thành và đáy lỗ khoan. Khi đổ bê tông cọc có độ sụt thấp, bê tông tạo thành đống và không bị sập lở dưới tác dụng của tải trọng bản thân, dễ gây ra khuyết tật như là rỗ tổ ong hoặc tạo ra lỗ rỗng trong bê tông. Ảnh hưởng này cũng tạo nên ứng suất ngang chống lại thành lỗ khoan, có giá trị nhỏ hơn so với đổ bê tông thông thường. Sức kháng dọc thành lỗ khoan có xu hướng mở rộng phụ thuộc vào áp lực của bê tông, vì vậy bê tông có độ sụt thấp cũng có ảnh hưởng ngược lại đến sức kháng của đất nền. Tính chất của cát xung quanh cọc khoan nhồi có thể rất khác với tính chất của cát ở hiện trường khi khảo sát. Vì vậy khi khảo sát địa kỹ thuật cần phải phát hiện đến mức tốt nhất đặc tính của cát ở hiện trường, đặc biệt là độ chặt và thành phần hạt của cát. Các thông số được lựa chọn để thiết kế cọc khoan nhồi trong đất cát sẽ được điều chỉnh tùy theo cách đánh giá tốt nhất tính chất của cát tồn tại xung quanh cọc thi công. Chất lượng bê tông cọc khi thi công sử dụng ống vách thường tốt hơn so với bê tông cọc thi công sử dụng dung dịch bentonite. Tuy nhiên, để hạ được ống vách xuống độ sâu lớn cần phải có thiết bị thi công chuyên dụng có công suất lớn và giá thành ống vách đã làm tăng giá thành cọc khoan nhồi. Phương pháp khoan sử dụng ống vách thường được áp dụng cho các công trình cầu, thi công trên sông nước.
- Phương pháp khoan sử dụng dung dịch bentonite hoặc dung dịch polimer.
Phương pháp khoan sử dụng dung dịch bentonite hoặc dung dịch polimer (công nghệ ướt) thường hay được sử dụng nhất trong thi công cọc khoan nhồi trên địa bàn Hà Nội. Sau khi hạ ống chống tạm, tiến hành bơm dung dịch vào để tiếp tục khoan. Cao độ dung dịch khoan trong lỗ phải luôn giữ sao cho áp lực của dung dịch khoan luôn lớn hơn áp lực của đất và nước ngầm phía ngoài lỗ khoan, để tránh hiện tượng sập thành trước khi đổ bê tông.
Trong khi khoan cao độ dung dịch khoan luôn được duy trì cao hơn mực nước ngầm ít nhất là 1,5m và luôn phải kiểm tra chất lượng của dung dịch thông qua các thông số sau: khối lượng riêng, độ nhớt, ph, hàm lượng cát. Dung dịch khoan polimer mới được công ty Delta sử dụng trong thi công cọc khoan nhồi, cọc barrette ở một số công trình trên địa bàn Hà Nội. Trong các tiêu chuẩn hiện hành về thi công cọc khoan nhồi chưa đề cập đến những chỉ tiêu kỹ thuật của dung dịch khoan mới này, vì vậy vẫn phải tham khảo các chỉ tiêu kỹ thuật của dung dịch polimer theo tài liệu nước ngoài.
Trong công nghệ ướt thường sử dụng 2 phương pháp khoan sau: phương pháp khoan tĩnh và phương pháp khoan tuần hoàn, sự khác nhau giữa 2 phương pháp ở chỗ trong phương pháp khoan tĩnh đất đào ra được lấy lên bằng gầu khoan, còn phương pháp khoan tuần hoàn đất đào ra được hút vận chuyển lên mặt đất dưới dạng mùn khoan.
Bước đầu tiên khi sử dụng phương pháp khoan tĩnh và vận chuyển máy khoan đến đúng vị trí tâm cọc và bắt đầu khoan khô cho đến khi gặp mực nước ngầm có áp (cao độ mực nước ngầm được xác định trong khảo sát địa kỹ thuật). sau thời điểm này bắt đầu bơm dung dịch vào lỗ khoan và tiếp tục khoan. Trong quá trình khoan cao độ dung dịch khoan luôn được duy trì cao hơn mực nước ngầm.
Duy trì cao độ cột dung dịch có ý nghĩa quan trọng khi sử dụng dung dịch polimer bởi vì khối lượng riêng của dung dịch polimer gần bằng khối lượng riêng của nước.
Nếu khi khoan qua lớp đất sét, đất ở trong gầu khoan được đưa lên mặt đất với cột dung dịch khoan. Gầu khoan được thiết kế sao cho cột dung dịch chảy thông thoáng trong khi khoan, tránh tạo nên khoảng chân không dưới gầu khoan khi khoan, có thể làm sập lở thành lỗ khoan. Sau khi khoan tới độ sâu thiết kế, tiến hành làm sạch mùn khoan ở đáy lỗ khoan bằng gầu làm sạch hoặc bơm hút cặn lắng. Vấn đề làm sạch mùn khoan ở đáy cọc có ý nghĩa quan trọng đối với sức chịu tải và độ lún của cọc khoan nhồi.
Thường tiến hành 2 lần làm sạch mùn khoan ở đáy cọc. Lần 1 được tiến hành sau khi khoan xong, chờ đợi trong khoảng thời gian từ 15 đến 30 phút hoặc lâu hơn để mùn khoan lắng xuống đáy lỗ khoan, sau đó sử dụng gầu làm sạch vét hết mùn khoan lên. Tiến hành đo độ sâu lỗ khoan sau khi làm sạch lần 1. Trước khi đổ bê
tông tiến hành làm sạch đáy lỗ khoan lần 2 bằng bơm hút cặn lắng và đo độ sâu lỗ khoan để kiểm tra hiệu quả của 2 phương pháp làm sạch mùn khoan ở đáy lỗ và mới cho phép được đổ bê tông hay không.
Phương pháp khoan tuần hoàn chỉ sử dụng được vữa bentonite, còn những loại dung dịch khác không có khả năng vận chuyển hiệu quả mùn khoan. Phương pháp khoan tuần hoàn ngược hay được sử dụng nhất. Trong phương pháp khoan tuần hoàn ngược, cần khoan là một ống rỗng. Đầu trên của ống được nối với ống mềm của máy bơm chân không đặt trên mặt đất. Trong quá trình khoan, mùn khoan được bơm hút lên mặt đất, đưa về trạm lọc để tách cát, còn dung dịch khoan được làm sạch và pha trộn thêm bentonite, sau khi kiểm tra đạt các thông số kỹ thuật yêu cầu lại được bơm ngược vào lõ khoan để tái sử dụng lại. Mực dung dịch trong lỗ khoan luôn được duy trì ở mực bề mặt đất để máy bơm hoạt động có hiệu quả. Khi khoan tới độ sâu thiết kế, kiểm tra chất lượng dung dịch và chất lượng làm sạch mùn khoan ở đáy lỗ khoan. Phương pháp khoan tuần hoàn thường áp dụng không hiệu quả khi khoan trong đất sét do hay làm tắc ống và bơm, nhưng rất có hiệu quả khi khoan trong đất rời và khoan trong đá, khi đó mũi khoan cắt nghiền đất đá trước khi bơm hút mùn khoan. Phương pháp khoan tuần hoàn thường trở nên kinh tế hơn so với phương pháp khoan tĩnh khi chiều sâu hố khoan vượt quá 30m do vì tiết kiệm thời gian không phải rút gầu khoan lên và xuống. Một ví dụ điển hình về lựa chọn phương pháp khoan phụ thuộc vào đặc điểm cấu trúc nền và điều kiện nước dưới đất là công trình cầu Thanh Trì. Ban đầu sử dụng phương pháp khoan tĩnh trong tầng cát mịn tương đối dày, xảy ra hiện tượng sập lở thành lỗ khoan và mùn khoan lắng đọng nhiều ở đáy lỗ khoan nên khi kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi bằng phương pháp siêu âm cho thấy chất lượng bê tông cọc khoan nhồi ở mũi cọc rất kém. Sau này đã thay đổi phương pháp khoan, sử dụng phương pháp khoan tuần hoàn ngược kết hợp bơm hút mùn khoan lên mặt đất. Kết quả siêu âm cọc cho thấy chất lượng bê tông ở mũi cọc đều đảm bảo chất lượng.
Để đảm bảo chất lượng cọc khoan nhồi, một số công tác sau phải thường xuyên được thực hiện trong quá trình khoan: đo đạc kiểm tra tim cọc bằng máy kinh vĩ, đo đạc độ sâu các lớp đất, lấy mẫu đất mô tả các lớp đất qua mùn khoan lấy ra và ghi chép vào nhật ký khoan và hồ sơ nghiệm thu cọc. Nếu phát hiện thấy địa tầng khác so với hồ sơ khảo sát địa chất thì báo ngay cho thiết kế và chủ đầu tư để có biện pháp điều chỉnh và xử lý kịp thời.
2.1.2.2. Công tác gia công và hạ cốt thép.
Kiểm tra, nghiệm thu cốt thép được gia công theo đúng bản vẽ thiết kế.
Ngoài thép chủ và thép đai, chú ý đến thép gia cường để đảm bảo lồng thép không bị xoắn, méo. Chiều dài lớn nhất của mỗi lồng thép phụ thuộc vào khả năng cẩu lắp