Giáo trình Nền móng cầu đường - Chương 5 đến Chương 7

160 Chương 5 móng cọc đường kính lớn Bài 1: Giới thiệu về cọc đường kính lớn I. Vấn đề chung về cọc đường kính lớn 1. Khái quát chung Cọc đường kính lớn thường có đường kính 800 ~ 2500 mm (và còn có thể lớn hơn). Hiện nay, các cầu lớn và các nhà cao tầng đều sử dụng móng cọc là cọc đường kính lớn. 2. Ưu điểm của cọc đường kính lớn - Đối với các nền móng sử dụng cọc vuông (đường kính nhỏ) khi tải trọng tăng chỉ có thể tăng số cọc mà không có khả năng tăng kích thước và chiều dài cọc vì

pdf87 trang | Chia sẻ: huongnhu95 | Ngày: 24/08/2021 | Lượt xem: 210 | Lượt tải: 0download
Tóm tắt tài liệu Giáo trình Nền móng cầu đường - Chương 5 đến Chương 7, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
những hạn chế của thiết bị đóng cọc. Khi đó phải mở rộng bệ cọc gây lãng phí lớn về kính tế. Nếu thay bằng cọc đường kính lớn nên có thể hạ đến độ sâu lớn hơn nhiều so với cọc đường kính nhỏ, và do đó có thể đặt mũi cọc ở các tầng đất tốt hoặc tầng đá gốc nằm ở dưới sâu. - Sức chịu tải của cọc đường kính lớn thường lớn hơn rất nhiều so với cọc đường kính nhỏ, vì vậy số lượng cọc trong móng giảm đi đáng kể, có nghĩa là kích thước bệ cọc cũng có thể giảm đi và công tác thi công sẽ rút ngắn lại làm giảm thời gian thi công công trình, do đó giảm được chi phí về quản lý chung, về nhân công và chi phí kho bãi. - Cọc đường kính lớn có độ cứng tương đối lớn, nên độ cứng của hệ bệ~cọc cũng có độ cứng tốt hơn so với hệ bệ~cọc của móng cọc đường kính nhỏ, do đó móng cọc đường kính lớn có khả năng chịu lực ngang và mômen tốt hơn. - Hiện nay có nhiều công nghệ hiện đại trong thi công cọc đường kính lớn, do đó càng mở ra nhiều triển vọng phát triển móng cọc đường kính lớn. 3. Nhược điểm của móng cọc đường kính lớn  Móng cọc đường kính lớn chỉ kinh tế khi số lượng cọc trong móng nhiều, còn nếu số lượng cọc ít thì móng cọc đường kính lớn thường không có tính kinh tế.  Phải đầu tư máy móc thiết bị hiện đại, do đó giá trị đầu tư máy móc thiết bị ban đầu thường cao, nên có thể làm cho các nhà thầu gặp khó khăn về tài chính. 161  Do số lượng cọc ít và sức chịu tải của một cọc lớn, vì vậy khi thi công nếu để xảy ra vấn đề hỏng hay cọc có vấn đề về chất lượng thì sẽ rất khó khăn để xử lý móng. Do đó trong khi thi công đòi hỏi mày móc phải chuyên dụng và ở tình trạng phục vụ tốt, trình độ nhân viên kỹ thuật phải nắm vững và có chuyên môn giỏi, do đó cũng làm cho nhà thầu gặp khó khăn trong vấn đề nhân lực. II. Ưu nhược điểm của cọc ống B.t.c.t đường kính lớn Cọc ống B.T.C.T đường kính lớn đã sử dụng cho các công trình xây dựng cầu ở Việt Nam có các loại đường kính từ 800mm đến 1600mm. Nhưng hay sử dụng nhất là loại có đường kính 1000mm. Cọc ống bê tông cốt thép đường kính lớn đã được chế tại đúc nằm với đường kính từ 3m cho cầu Việt Trì - Vĩnh Phú nhưng không được sử dụng. Đường kính cọc ống còn phụ thuộc vào khả năng rung hạ của các thiết bị hiện có (≤ 1.6m). Năm 1964, cọc bê tông cốt thép Φ1550 được áp dụng ở cầu Hàm Rồng. Loại đường kính thường được áp dụng trong thời gian qua là 1000 mm, ví dụ như cầu Đò Quan, Phú Lương, Quang Trung – Cần Thơ, Trung Hà. Việc đúc cọc ống Φ1600mm có thể sử dụng phương pháp đúc ly tâm hoặc phương pháp đúc nằm tại bãi đúc gần công trường. Việc hạ cọc ống bê tông cốt thép được thực hiện bằng búa chấn động kết hợp xói hút lấy đất trong lòng cọc. Khi hạ cọc đến cao độ thiết kế thường lấp lòng cọc bằng bê tông đổ theo phương pháp ống dịch chuyển thẳng đứng. Bên cạnh phương án cọc ống B.T.C.T, giải pháp cọc ống B.T.C.T ứng suất trước cũng được các tổ chức Tư vấn thiết kế quan tâm. Giải pháp cọc ống B.T.C.T ứng suất trước Φ1000 mm đã được sử dụng cho cầu An Dương II Hải Phòng trên Quốc Lộ 5. Ưu điểm của là mômen uốn gây nứt cho phép rất lớn so với do vậy rất thích hợp với trường hợp cọc chịu tải trọng ngang lớn và dễ dàng hơn trong việc vận chuyển, cẩu lắp, khắc phục phần nào sự xâm thực của nước biển kéo dài tuổi thọ của cọc. Nhưng giải pháp này vẫn chưa được thực hiện vì chúng ta chưa tự sản xuất được cọc ống B.T.C.T ứng suất trước đường kính lớn mà phải nhập ngoại do vậy giá thành tới chân công trình quá cao. 1. Ưu điểm - So với cọc khoan nhồi, cọc ống có ưu điểm hơn là việc thi công cọc không phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết cũng như điều kiện địa chất thuỷ văn. - Cọc ống bê tông cốt thép đường kính lớn có thể rung hạ qua nhiều tầng đất mềm yếu, hạ cọc qua tầng cát chảy hoặc hạ cọc nơi có mực nước ngầm cao. Đối với các trường hợp này khi thi công bằng móng cọc khoan nhồi phải sử dụng phương pháp khoan vách xoay hoặc các phương pháp khác có ống chống để lại không rút lên sau khi thi công, gây ra tốn kém lớn. - Việc chế tạo cọc ống thường được công xưởng hóa và dễ dàng kiểm tra chất lượng trước khi rung hạ. Khi rung hạ đến cao độ thiết kế có thể yên tâm về chất lượng. 162 - Cọc ống sau khi hạ xuống đến chiều sâu thiết kế có thể đổ bê tông lấp lòng hoặc không (tuỳ thuộc và điều kiện cụ thể của công trình), vì thế cọc ống B.T.C.T đường kính lớn so với các loại cọc khác thì cọc ống là loại tiết kiệm vật liệu nhất. 2. Nhược điểm  Việc hạ cọc ống thường là phức tạp và tốn nhiều thời gian thi công so với cọc khoan nhồi. Đặc biệt khi hạ cọc qua các tầng địa chất phức tạp có lẫn đá tảng hoặc vật liệu phế thải do công tác lấy các chướng ngại vật gặp nhiều khó khăn.  Hạ cọc bằng búa chấn động nên tạo ra rung chấn ảnh hưởng vùng xung quanh nên thi công ở những công trình mà gần các công trình khác đang bị biến dạng thì sẽ gây nguy hiểm. III. Ưu nhược điểm của móng cọc khoan nhồi 1. Ưu điểm - Thời gian thi công nhanh, nếu điều kiện địa chất không có gì đặc biệt thì một ngày có thể thi công từ 1 ~ 2 cọc, do đó giảm đáng kể thời gian thi công móng. - Có thể xây dựng công trình gần những công trình kiến trúc mà trong quá trình sử dụng lây dài đã có biến dạng lớn. Phương án đóng cọc, rung hạ cọc hoặc tường vây cọc ván thép sẽ gây ra rung động làm phát triển biến dạng đối với các công trình lân cận. - Thi công trong khu dân cư, thành phốnhững nơi theo tiêu chuẩn môi trường không cho phép gây tiếng ồn lớn. - Móng công trình đặt trên bãi thải, có các loại vật liệu khác nhau không sử dụng được các giải pháp nền móng khác về mặt kỹ thuật. - Vì điều kiện đất nền hoặc tải trọng mà kích thước cọc vượt quá kích thước cọc đóng. - Thi công được trong trường hợp chiều cao thi công hạn chế như trong nhà xưởng họăc gầm cầu. - Móng công trình đặt trên nền đất đá phong hoá có thành phần và độ chặt khác nhau. - Thi công cải tạo và nâng cấp các công trình đang sử dụng. 2. Nhược điểm  Đòi hỏi dây chuyền máy móc thi công đồng bộ, giá trị đầu tư cao.  Khi thi công qua vùng có hang động Karst, nơi đá bị nứt nẻ lớn hoặc nền đất yếu phải sử dụng ống chống để lại không rút lên, sau đó đổ bê tông nên giá thành cao.  Khó kiểm tra chất lượng lỗ cọc và thân cọc sau khi đổ bê tông cũng như việc tiếp xúc giữa mũi cọc và hố móng nếu không đưa ra chương trình quản lý chất lượng tốt và thiết bị kiểm tra không đạt độ chính xác yêu cầu. 163  Lượng đất và bùn thải lớn gây ảnh hưởng đến mặt bằng khu vực thi công, gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt khi thi công trong thành phố.  Phải đặc biệt quan tâm đến điều kiện địa chất khu vực thi công, nếu không có biện pháp chống vách hợp lý có thể gây ra lún sập làm biến dạng cả vùng đất xung quanh, rất nguy hiểm cho công trình liền kề.  Đòi hỏi đội ngũ cán bộ thi công phải có trình độ cao về chuyên ngành địa kỹ thuật. Bài 2: cấu tạo móng cọc ống Đường kính lớn I. Cọc ống bê tông cốt thép 1. Thông số của cọc - Đường kính cọc D = 800 ~ 2000 mm. - Chiều dài cọc thường từ 20 ~ 50 m (có thể lớn hơn 50 ~ 70m và hơn nữa). Chiều dài một đốt cọc từ 5 ~ 10m. - Bê tông chế tạo cọc tối thiểu phải có mác #300. Chiều dày bê tông thành cọc thường từ 8 ~ 20cm. 2. Cốt thép cho cọc (1) Cốt thép dọc - Thường có đường kính từ 12 ~ 25mm (CT5), số thanh do tính toán quyết định. Cốt thép dọc được bố trí trên suốt chiều dài của cọc nhưng có thể thay đổi số lượng thanh thép. - Cốt thép dọc, nếu có số lượng ít thì trên mặt cắt ngang được bố trí một lớp đặt ở khoảng giữa phần chiều dày bê tông thành cọc. Còn nếu số lượng nhiều thì được bố trí thành 2 lớp về hai mép của bê tông thành cọc. (2) Cốt thép đai - Dùng cốt đai xoắn có đường kính từ 6 ~ 10mm. - Bước cốt đai từ 50 ~ 200mm, ở đầu đốt cọc bước cốt đai dày hơn từ 50, 75mm còn ở giữa đốt cọc bước cốt đai từ 100 ~ 200mm. 3. Mối nối giữa các đốt cọc 164 Thư ờng có mấy cách nối sau: (1) Nối bằng bulông + mặt bích - Ưu: thi công nhanh và thuận tiện. Không đòi hỏi máy móc hỗ trợ. - Nhược: tính đồng nhất giữa các đốt cọc là kém. Cần chế tạo chính xác nếu không sẽ khó lắp ráp ở hiện trường. Đồng thời phải có biện pháp chống gỉ cho bulông nối. (2) Nối bằng hàn - Ưu: thi công nhanh và đảm bảo tính an toàn cao. - Nhược: tính đồng nhất giữa các đốt cọc là kém. Chất lượng đường hàn cần phải kiểm soát. Và khi hàn do nhiệt độ cao cũng làm ảnh hưởng đến tính chất của bê tông và thép ở vùng xung quanh chỗ hàn. Đồng thời cũng phải chú ý đến việc chống gỉ cho mối nối. 4. Liên kết cọc vào bệ cọc và chân cọc vào tầng đá gốc (1) Liên kết cọc vào bệ cọc Cọc sau khi thi công, phần bê tông đầu cọc bị đập vỡ để chừa cốt thép dọc ra ngoài và được đổ cùng bê tông bệ cọc, phần cọc không bị đập vỡ ngập vào trong bệ cọc với chiều dài tối thiểu là 15 cm. Phần cốt thép dọc của cọc sau khi đập vỡ phần bê tôngóit nhất dài 20D~40D (D: đường kính cốt thép), và sẽ được bố trí cấu tạo lại đầy đủ cùng với các cốt đai của cọc như trong thiết kế kỹ thuật, rồi mới được đổ bê tông bệ cọc. (2) Liên kết chân cọc vào tầng đá gốc Khi hạ cọc đến tầng đá gốc, lấy sạch đất trong lòng cọc, dùng mũi khoan đá để khoan tạo lỗ vào trong tầng đá gốc ít nhất một chiều sâu bằng D (đường kính cọc) hoặc ít nhất là 1m. Sau đó cũng lắp dựng một lồng thép có đầy đủ cốt dọc và cốt đai (với chiều dài tối thiểu là 2D). Cuối cùng là đổ bê tông một đoạn chân cọc với chiều dài ít nhất là 2D (nếu lòng cọc không đổ bê tông lấp lòng). Ví dụ về các thông số của cọc ống D=1000mm Đối với cọc bê tông cốt thép 1000 mm thường đúc nằm tại chỗ từng đốt dài 9 m, các thông số chủ yếu như sau: Mác bê tông đúc cọc: R400 kg/cm2, cốt thép chủ: 32 Φ 22mm CT5, cốt đai xoắn Φ6mm bước 50mm ở đoạn đầu mỗi đốt, bước 100 mm ở đoạn giữa mỗi đốt. Mối nối giữa các đốt bằng 32 bu lông 22mm tại vị trí mặt bích. Chiều dày thành cọc 120 mm. Việc chế tạo cọc ống bê tông cốt thép Φ1000 mm cần chú ý đến việc chế tạo mặt bích và bảo dưỡng bê tông sau khi đúc. Độ chính xác của mặt bích quyết định độ chính xác và khả năng nối ghép giữa các đoạn cọc ống. Sau khi đúc cọc 4h có thể bảo dưỡng cọc bằng hơi nước nóng trong lòng cọc đối với việc đúc tại bãi ngoài hiện trường. Các sai số cho phép khi chế tạo mặt bích như sau: 165  Đường kính ngoài mặt bích: + 5 mm  Đường kính trong mặt bích: ± 0 mm  Cự ly tim lỗ bắt bu lông: ± 1 mm  Độ nghiên mặt bích so với đường tim cọc: 0.2 % Các sai số cho phép khi chế tạo cọc ống:  Chiều dài đốt cọc: ± 20 mm  Đường kính ngoài: + 5 mm  Chiều dày thành ống: + 10 mm – 0 mm  Chiều dày lớp phòng hộ: + 5 mm – 0 mm  Độ nghiêng của đường tim cọc: < 0.2% 166 SEC TIO N B -B SC AL E 1 :10 SEC TIO N A -A SC AL E 1 :10 A SEC TIO N A -A SC AL E 1 :20 A B B 167 Hình 88 - Cốt thép cọc ống BTCT cầu Tân Đệ (Thái bình) Bài 3 Thi công cọc ống đường kính lớn II. Công nghệ hạ cọc bê tông cốt thép đường kính lớn 1. Thiết bị và lựa chọn thiết bị Hạ cọc ống bê tông cốt thép đường kính lớn thường sử dụng búa chấn động kết hợp với việc lấy đất trong lòng cọc. Để lấy đất trong lòng cọc có thể sử dụng gầu ngoạm hoặc xói hút. Búa chấn động có bộ phận chính là quả lệch tâm. Khi thi công, do búa được gắn chặt vào đầu cọc, vì vậy khi cho búa hoạt động quả lệch tâm quay tạo ra một chuyển động dao động dọc trục, chuyển động này truyền dọc theo chân cọc làm phá vỡ kết cấu của đất xung quanh thân cọc và dưới mũi cọc làm giảm ma sát, dưới trọng lượng của búa và cọc, cọc sẽ được hạ đến chiều sâu thiết kế. Việc chọn búa để hạ cọc ống phải phù hợp với sức chịu tải của cọc. Búa phù hợp có các thông số kỹ thuật thoả mãn các đẳng thức sau: QK P nK NQ ttd 7.0 1.1505.0      (158) Trong đó: Ptt Sức chịu tải tính toán của cọc (T). Q Trọng lượng toàn bộ hệ thống chấn động gồm: cọc, búa chấn động, đầu cọc (T). Nd Công suất danh nghĩa động cơ điện của búa chấn động (kW) K Mômen của các tấm lệch tâm của búa chấn động (T.cm) n Số vòng quay của các tấm lệch tâm trong một phút. λ Hệ số phụ thuộc vào tính chất của đất. Đối với việc hạ cọc ống đường kính lớn cho các công trình cầu trong thời gian qua thường sử dụng loại búa chấn động BП170 và BY16. 2. Trình tự thi công Cọc ống bê tông cốt thép đư ờng kính 1000 mm thi công bằng búa chấn động kết hợ p vớ i xói hút đất trong lòng cọc đư ợ c thực hiện qua các bư ớ c sau:  Lắp dựng hệ thống sàn đạo, khung dẫn hướng phục vụ thi công. 168  Dùng cần nổi cẩu cọc ống (một đốt rời hoặc hai đốt đã liên kết với nhau tuỳ thuộc vào khoảng cách từ cao độ đáy sông đến đỉnh sàn thi công) và đặt vào ô dự kiện hạ cọc của khung dẫn hướng. Cọc phải đặt chính xác vào vị trí và đảm bảo độ chính xác theo phương thẳng đứng. Bằng trọng lượng bản thân cọc có thể cắm sâu vào tầng bùn phủ đến 2 m. Kẹp cọc vào khung dẫn hướng trước khi tháo móc cẩu tránh cọc tiếp tục tụt xuống. Cẩu nối đốt tiếp theo, tháo hệ thống kẹp cọc với khung dẫn hướng, hạ móc cẩu, cọc có thể tụt xuống bằng trọng lượng bản thân.  Búa chấn động BП170 hoặc tương đương được lắp tổ hợp với chụp đầu cọc trên sàn thi công, dùng cẩu nổi cẩu tổ hợp búa chấn động lên đầu cọc, liên kết giữa búa chấn động và chụp đầu cọc cũng như giữa chụp đầu cọc và mặt bích đầu cọc phải dùng rông đen vênh để chống lỏng. Nối nguồn điện 380V/50 Hz qua tủ điều khiển vào búa chấn động. Đóng điện chờ búa chấn động hoạt động khoảng 1-2 phút, dừng lại để xiết lại các bulông liên kết. Việc hạ cọc được thực hiện theo từng chu kỳ từ 5 đến 10 phút, sau đó dừng lại để kiểm tra tình trạng các liên kết. Khi mép đà giáo còn cách sàn thi công khoảng 0,5 m thì dừng lại, tháo búa chấn động đặt xuống sàn thi công để nối đoạn cọc tiếp theo.  Tiếp tục hạ cọc cho đến khi tốc độ hạ cọc giảm xuống 2 ~ 5 cm/phút thì ngừng hạ coc, tháo búa chấn động ra, lắp máy hút bùn có gắn vòi xói (Máy xói hút kết hợp) để lấy đất trong lòng cọc. Trong quá trình xói hút luôn đảm bảo lưu lượng bơm vào lòng cọc lớn hơn lưu lượng nước hút ra. Phải khống chế cao độ xói hút cao hơn cao độ chân cọc từ 0.5 ữ 2 m tuỳ thuộc vào lớp đất cọc xuyên qua trừ trường hợp lớp đất đang hạ cọc là lớp sét dẻo cứng có thể xói hút đến chân cọc. Sau đó tiếp tục lắp búa chấn động hạ cọc.  Để hạ đầu cọc xuống cao độ thiết kế sử dụng đoạn cọc dẫn bằng thép.  Làm vệ sinh trong lòng cọc, đặt lồng cốt thép (nếu có) đổ bê tông độn ruột cọc bằng phương pháp rút ống thẳng đứng, cần chú ý đến độ linh động của bê tông và chiều sâu nằm trong bê tông của ống đổ bê tông. Đối với những trường hợp cần hạ cọc ống đến tầng đá gốc vững chắc thường sử dụng một trong hai loại khoan xoay và khoan choòng. Khoan xoay có ưu điểm là trọng lượng nhỏ nhưng tốc độ khoan chậm hơn nhiều so với khoan choòng. Trong quá trình hạ cọc, nếu tốc độ hạ giảm đột ngột cần dừng lại. Việc xử lý các chướng ngại vật như các tảng đá mồ côi, các vỉa đá nghiêng được thực hiện như sau: - Làm sạch lòng cọc để lộ chướng ngại vật hoặc vỉa đá. - Đổ bê tông bịt đáy che phủ. - Dùng khoan khoan phá chướng ngại vật. - Tiếp tục hạ cọc. Bài 4: Cấu tạo cọc khoan nhồi I. cấu tạo cọc khoan nhồi đường kính lớn Một số tiêu chuẩn của Bộ GTVT và Bộ Xây Dựng dùng cho thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc khoan nhồi: 169 (1). Tiêu chuẩn kỹ thuật công trình giao thông 22TCN 272-05. (2). Tiêu chuẩn XDVN 326-2004: Cọc khoan nhồi, thi công và nghiệm thu. (3). Tiêu chuẩn TCXD 206-1998: Cọc khoan nhồi – Thi công và nghiệm thu. (4). Tiêu chuẩn 22TCN 257-2000: Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu cọc khoan nhồi. (5). Tiêu chuẩn 22TCN 272-05: Tiêu chuẩn thiết kế cầu. 1. Thông số của cọc Các cọc bê tông đúc tại chỗ có thể có mặt cắt đều đặn hoặc có thể có dạng thon trên một đoạn bất kỳ nếu đúc trong các vỏ ống thép hoặc có mở rộng ở chân nếu đúc trong các lỗ hoặc giếng khoan.  Diện tích chân cọc nhỏ nhất phải là 64 500 mm2. Diện tích mặt cắt ngang ở mũi cọc ít nhất phải là 32300 mm2. Với các đoạn kéo dài phía trên chân cọc, kích thước nhỏ nhất phải lấy theo quy định đối với cọc đúc sẵn trong Điều 5.13.4.3.  Đường kính cọc khoan thường D=800 ~ 2500mm (có thể lên tới 3000 ~ 4000 mm) và tối thiểu không được nhỏ hơn 750mm.Nếu trụ dạng thân cột thì đường kính của cột trụ ít nhất phải bằng đường kính cọc khoan. Bê tông chế tạo cọc tối thiểu phải có mác ≥ 300.  Chiều sâu chôn cọc khoan phải đủ để cung cấp các khả năng chịu tải thẳng đứng và ngang phù hợp và chuyển vị chấp nhận được. Chiều dài cọc thường từ 30 ~ 50 m (có thể đến 100m). Mũi cọc thường được đặt vào tầng đá gốc hoặc ở lớp đất tốt có chỉ số SPT thường khoảng 50. Thực tế thiết kế, nếu đặt mũi cọc tại tầng đá cứng hay sét chặt có trị số SPT khoảng N 50 thì mới tính tới thành phần sức chống mũi cọc, còn nếu không chỉ tính phần ma sát thành bên khi xác định sức chịu tải của cọc.  Trong đất sét cứng có thể sử dụng cọc mở rộng chân để tăng diện tích mũi cọc để giảm áp lực chống mũi hay để tăng sức kháng nhổ. Với các cọc ngàm vào đá yêu cầu có các ống vách xuyên qua các lớp đất bên trên, các hồ sơ thi công phải chỉ rõ rằng đường kính hốc đá khoan ít nhất phải nhỏ hơn đường kính trong của vách là 150 mm. Với các cọc ngàm vào đá không cần có các ống vách qua các lớp đất bên trên, đường kính hốc khoan có thể bằng đường kính thân cọc qua lớp đất. Việc thiết kế phải dựa vào đường kính hốc đá cụ thể. Trong đất dính cứng, có thể dùng đáy mở rộng, loe hình chuông hoặc doa ở mũi cọc để tăng thêm diện tích tựa nhằm giảm áp lực đầu cọc đơn vị hoặc để tạo thêm sức kháng chống tải trọng kéo lên. Khi đáy của hố khoan được dọn sạch và kiểm tra trước khi đổ bê tông, toàn bộ diện tích đáy có thể coi là hữu hiệu trong việc truyền tải 170 Trong thực tế, phải xét tới việc chôn cọc tới độ sâu lớn hơn để tránh các khó khăn và chi phí cho việc đào mở rộng đáy.  Tránh dùng cọc nghiêng. Khi cần tăng sức kháng đỡ theo phương ngang thì nên tăng đường kính cọc hay số lượng cọc.  Giá thành của cọc khoan nhồi dựa trên hai yếu tố: đường kính cọc và chiều sâu lỗ khoan. 2. Bê tông cho cọc khoan nhồi Bê tông cọc khoan nhồi được đổ trực tiếp tại hiện trường theo phương pháp đổ bê tông trong nước, do đó các yêu cầu về chất lượng của bê tông phải đặc biệt quan tâm. Về cấp phối bê tông: Xi măng, cát, đá, nước trước khi đưa vào sản xuất bê tông phải được kiểm tra về chất lượng theo các quy định hiện hành: Đá sử dụng kích cỡ 5~20 mm cường độ 600- 800kg/cm2. Cát có mô-đun =2.4~2.8 và dùng xi măng porland. Nước không có tạp chất và muối theo đúng quy định của quy trình chế tạo bê tông hiện hành. Phụ Gia có thể dùng loại kéo dài thời gian sơ ninh và duy trì độ lưu động. Nếu bê tông được đổ dưới nước thì phải đạt yêu cầu kỹ thuật về bê tông dưới nước. Phải thiết kế cấp phối đúng quy trình quy phạm hiện hành và bảo đảm các yêu cầu của vữa bê tông khi đổ bê tông dưới nước, như: Độ sụt: 16~18 cm; Cường độ bê tông dưới nước: theo yêu cầu của thiết kế; Thời gian duy trì độ lưu động > 40 phút, trong thời gian này độ sụt không dưới 15 cm. Cũng như việc thiết kế cấp phối bê tông khác, phải đúc mẫu và ép thử cường độ trước khi cấp bê tông. Kết quả thí nghiệm tỷ lệ phối trộn phải được duyệt mới đưa ra sử dụng. Việc thiết kế cấp phối bê tông phải đảm bảo cường độ bê tông, độ sụt (độ linh động) trước khi đổ, thời gian sơ ninh của bê tông cũng như thời gian duy trì độ sụt. Cấp phối bê tông phải nhuyễn để việc đổ bê tông được thuận tiện, tránh gây tắc ống dẫn trong khi đổ. Để đảm bảo các yêu cầu của bê tông đổ cọc khoan nhồi cần phải sử dụng phụ gia siêu dẻo có độ tin cậy cao. Các yêu cầu về thiết kế cấp phối bê tông ví dụ như:  Cường độ đến 28 ngày: Theo yêu cầu thiết kế.  Thời gian ninh kết : 4 giờ  Độ sụt : 17.5  2.5  Hàm lượng ximăng: ≥ 350 kg  Đường kính cốt liệu thô không lớn hơn 50 mm hoặc 1/3 cự ly mép cốt thép chủ, thường sử dụng đá 1 ~ 2. 3. Cốt thép cho cọc Diện tích cốt thép dọc không được nhỏ hơn 0,8% của Ag, với cốt thép xoắn không nhỏ hơn MW 25, và bước xoắn 150 mm. Cốt thép phải được kéo dài thêm 3000mm xuống phía dưới mặt phẳng mà tại đó địa chất cho lực kháng bên đầy đủ. 171 Cốt thép của cọc khoan nhồi thường được chế tạo sẵn thành từng lồng cốt thép tại hiện trường với chiều dài từ 8~12m (thường bằng chiều dài của một thanh thép là 12m). Đường kính trong lồng cốt thép phải lớn hơn đường kính ngoài vị trí mối nối của ống đổ bê tông ≥ 100 mm, sai số cho phép của lớp bê tông bảo vệ cốt thép chủ  20 mm. (1) Cốt thép chủ - Thường có đường kính từ 25 ~ 32mm (có thể còn lớn hơn, Vd cầu Kiền-Hải Phòng D=40), loại có gờ. Số thanh do tính toán quyết định. Cốt thép dọc được bố trí trên suốt chiều dài của cọc hay có thể chỉ một phần phía trên của cọc. Số lượng thanh cốt dọc có thể thay đổi, ở phần cọc phía trên gần mặt đất thường số lượng thanh gần gấp đôi đoạn cọc phía dưới. - Cự ly giữa mép cốt thép chủ phải lớn hơn 3 lần đường kính hạt cốt liệu thô của bê tông. (2) Cốt thép đai - Dùng cốt đai rời hoặc đai xoắn có đường kính từ 8 ~ 20 mm. - Bước cốt đai từ 100~200 mm, bước cốt đai thường bố trí đều nhau hoặc thay đổi (nhưng thường là bố trí đều). ở phần hai lồng cốt thép nối với nhau thì bước cốt đai dày hơn từ 50~ 75mm.  Ngoài ra trên suốt chiều dài của lồng cốt thép có thể còn sử dụng cố thép đai cứng có đường kính từ 16~25mm được bố trí phía trong cốt thép chủ với khoảng cách đều từ 1~2m . Để định vị lồng cốt thép được đúng tim cọc khi hạ và trong lúc đổ bê tông thì cần phải định vị lồng cốt thép thật chắc chắn. Thường có hai cách định vị lồng cốt thép như sau: - Dùng con kê bằng bê tông, nhưng con kê này phải được chế tạo dạng bánh xe và đường kính của con kê này bằng chiều dày của lớp bê tông bảo vệ. Hình 89 - Bánh xe làm cữ bằng chất dẻo - Dùng các đai thép, hàn các đai thép này với cốt thép chủ trên mặt bằng khoảng 0.5~1m một cái và bố trí đối xứng, còn trên chiều đứng thì cứ cách 2m lại bố trí một tầng đai này. Chiều dày uốn của đai thép bằng chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Đai thép làm bằng thép bản có chiều dày 7~10mm. - Dùng vật liệu nhựa tổng hợp làm con kê 172 Hình 90 - Làm cữ bằng thép để đảm bảo cho lớp bê tông bảo vệ  7cm. II. cấu tạo bệ cọc đường kính lớn 1. Cao độ * Cao độ mặt trên: tuỳ thuộc vào yêu cầu và mức độ của công trình mà cao độ đỉnh bệ có thể thấp hơn MNTN hay có thể cao hơn (ví dụ khi sông có tàu bè tải trọng lớn đi qua thì để tránh va chạm của tàu bè vào thân trụ nguy hiểm thì có thể để bệ nổi trên mặt nước). * Cao độ mặt dưới: tuỳ thuộc vào cao độ mặt trên, điều kiện địa chất - địa chất thuỷ văn khu vực công trình 173 Hình 91 - Cấu tạo cọc khoan nhồi móng cầu Kiền (Hải Phòng) 174 2. Sơ đồ bố trí cọc và kích thước bệ cọc Cách bố trí cọc quyết định đến kích thước bệ cọc (theo 22TCN 272-05): - Khoảng cách tối thiểu giữa tim hai hàng cọc gần nhất không nhỏ hơn 3D (D là đường kính cọc) (4D theo 48SHTO 2007). Nếu các cọc nhỏ hơn 6D thì phải qui định trình tự thi công trong hợp đồng. - Khoảng cách từ tim hàng cọc ngoài cùng đến mép móng không được nhỏ hơn D/2 +300mm. Hình 92 - Bố trí cọc trong móng theo 272-05 Do số lượng cọc đường kính lớn trong móng thường ít, nên để tăng độ cứng cho hệ thường tăng khoẳng cách tim giữa các cọc sẽ có lợi hơn, và đồng thời làm giảm hiệu ứng nhóm cọc. Cọc đường kính lớn thì thường bố trí đối xứng trên mặt bằng móng, còn trên mặt đứng do thi công nghiêng là rất khó nên cọc thường được bố trí thẳng đứng. Chiều dầy bệ cọc thường từ 3~5m và cũng phải đảm bảo các yêu cầu: - Đủ chiều dầy liên kết cọc vào bệ (ít nhất > D hay > 1.2m. theo 22TCN 18-79) - Chịu được mômen uốn. - Chống chọc thủng bệ cọc. 3. Vật liệu bệ cọc * Bê tông:M300~M400 * Cốt thép: được bố trí theo tính toán mômen bệ cọc, đường kính D=20~40mm. Thường chủ yếu là lưới cốt thép được bố trí chịu lực ở phía dưới đáy bệ. Tuy nhiên để liên kết cọc vào bệ và cốt thép thân trụ được ngàm vào bệ tốt hơn thì lưới cốt thép đỉnh bệ thường cũng có cấu tạo rất lớn. Bài 5: Thi công cọc khoan nhồi 175 I. Khái quát chung về thi công cọc khoan nhồi Việc lựa chọn phương án móng cọc khoan nhồi là dựa trên cơ sở so sánh nhiều yếu tố, dựa trên ưu khuyết điểm của từng phương án về các mặt kinh tế kỹ thuật, bao gồm các yếu tố chính như sau: - Đặc điểm của công trình - Điều kiện cụ thể của đất nền - Độ lớn của các loại tải trọng - Những yêu cầu về môi trường như tiếng ồn và rung động trong quá trình xây dựng. - ảnh hưởng đối với các công trình xây dựng lân cận và các công trình ngầm. - Khả năng thi công hiện có của các nhà thầu. - Khả năng tài chính của chủ dự án và thời gian đưa dự án vào sử dụng. Các bước trong thi công cọc khoan nhồi : 1. Khoan tạo lỗ; 2. Gia công và hạ lồng cốt thép; 3. Đổ bê tông cọc và hoàn thiện II. Công nghệ khoan tạo lỗ 1. Lựa chọn công nghệ khoan tạo lỗ Việc lựa chọn công nghệ cọc khoan nhồi chính là việc lựa chọn công nghệ khoan tạo lỗ. Các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ được trình bày ở Bảng 3.2 (Phân loại công nghệ khoan tạo lỗ). Việc lựa chọn loại hình công nghệ khoan tạo lỗ phụ thuộc vào các tiêu chí sau:  Điều kiện mặt bằng khu vực thi công: Mặt bằng thi công cụ thể là thi công trên cạn hay thi công dưới nước. Nếu là thi công dưới nước thì thi công trên sàn cứng hay đắp đảo hoặc thi công trên hệ nổi Nếu là thi công trên cạn cần phải xét đến mặt bằng khu vực thi công, hệ thống cấp thoát nước, đường thi công Tĩnh không phạm vi thi công cũng như các công trình xây dựng liền kề cũng hết sức quan trọng.  Điều kiện địa chất thuỷ văn: Cụ thể là các lớp đất đá cọc xuyên qua, cao độ mực nước ngầm, hiện tượng cát chảy...  Năng lực của máy móc thiết bị: Phạm vi thích dụng của các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ được trình bày ở Hình 93 (Phạm vi thích dụng của các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ). 176 Đối với các công trình lớn để đảm bảo tiến độ thi công có thể sử dụng nhiều loại hình công nghệ để phát huy thế mạnh của mỗi loại. Ví dụ như các trụ dưới sông cầu Đuống sử dụng máy khoan vách xoay kẹp lắc, còn các trụ trên cạn sử dụng máy khoan gầu xoay. Hình 93 - Phân loại công nghệ khoan tạo lỗ 2. Các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ (1). Khoan tạo lỗ bằng máy khoan guồng xoắn Đầu khoan guồng xoắn được lắp trên các giá cơ bản (giá búa đóng cọc). Cũng như các công nghệ khoan tạo lỗ không sử dụng vách xoay, việc giữ ổn định thành vách bằng dung dịch Bentonite hoặc dung dịch Super Mud. Đường kính guồng xoắn thường là 300mm, 450mm, 600mm và 800mm. Lõi đất khoan được đưa lên qua guồng xoắn. Tuy nhiên, với một số đất sét dẻo cần dùng thủ công để lấy đất ra khỏi guồng khoan. Việc tạo lỗ bằng máy khoan guồng xoắn thường được áp dụng cho các cọc khoan đường kính từ 300 mm đến 800 mm, chiều sâu khoan nhỏ hơn 35 m qua các tầng cát sét, cuội sỏi, đặc biệt là qua các tầng cuội sỏi kẹp. Bảng 48 - Phạm vi thích dụng của các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ Tạo lỗ bằng thủ công Tạo lỗ bằng máy móc Tạo lỗ trong ống vách Máy khoan vách xoay kiểu xoay tròn Máy khoan vách xoay kiểu kẹp lắc Máy khoan guồng xoắn Tạo lỗ không sử dụng ống vách (chỉ có vách tạm) Máy khoan gầu xoay Khoan theo nguyên lý tuần hoàn ngược 177 Điều kiện địa chất thuỷ văn Khoan vách xoay Khoan giữ vách bằng dung dịch Kiểu xoay tròn Kiểu kẹp lắc Khoan gầu xoay Khoan phản tuần hoàn Khoan guồng xoắn Đất yếu ở giữa hoặc đáy cọc xx xx x x x Lớp cát mịn ở giứa thân cọc xx xx o o o Cuội sỏi d < 100 mm xx xx x x x Cuội sỏi d > 100 mm xx xx o o x Đá tảng xx xx o o o Lớp đất chịu lực N > 50 xx xx o x x Đá phong hoá xx o o x o Đá cứng 200 MPa xx o o o o Mực nước ngầm cao xx xx o o o Lớp đá nghiêng xx x o o o Chiều sâu khoan ≥ 60 m 40 m 57 m 100 m 35 m Đường kính Φ800ữ 3000 Φ800ữ 2000 Φ800ữ 2000 Φ800ữ 4000 Φ300ữ 800 Độ thẳng đứng 1/500 1/200 1/100 1/100 1/100 Chú thích: xx: Thích hợp x : Tốt o : Không thích hợp (2). Khoan tạo lỗ bằng máy khoan gầu xoay Khác với máy khoan guồng xoắn, khoan tạo lỗ bằng máy khoan gầu xoay có thể khoan được cọc đường kính lớn hơn, sâu hơn trong các tầng cát, á sét, sét, sỏi sạn và cuội sỏi. Tốc độ khoan theo phương pháp này nhanh hơn so với tất cả các phương pháp khác, tốc độ khoan có thể đạt tới 10 ữ 15 m/h. Khoan tạo lỗ bằng máy khoan gầu xoay thường áp dụng cho cọc khoan đường kính từ 800 mm đến 2000 mm, chiều sâu cọc khoan đến 68 m trong các tầng đất có giá trị xuyên tiêu chuẩn N ≤ 50. 178 (3). Khoan tạo lỗ bằng máy khoan theo nguyên lý tuần hoàn ngược Việc khoan tạo lỗ bằng máy khoan tuần hoàn ngược á p dụng cho các móng của trụ cầu dưới sông, không thể thi công đắp đảo hay thi công trên hệ nổi mà chỉ có thể thi công trên sàn cứng. Phương pháp này có thể khoan qua các tầng đá phong hoá để đặt móng vào tầng đá gốc cho cọc có đường kính từ 800 mm đến 4000 mm, chiều sâu tới 100m. Đối với công trình mặt bằng thi công chật hẹp, tĩnh không thấp như gầm cầu (công trình nâng cấp), mống máy trong nhà xưởng có thể áp dụng việc khoan tạo lỗ bằng máy khoan tuần hoàn ngược kiểu TBH. Trong các trường hợp này có thể khoan cọc có đường kính từ 600 ữ 1500 mm, chiều sâu tới 50 m. (4). Khoan tạo lỗ bằng máy khoan vách xoay So với phương pháp khoan tạo lỗ giữ thành vách bằng dung dịch, việc khoan tạo lỗ bằng máy khoan vách xoay có những ưu điểm sau:  Không bị ô nhiểm môi trường bởi đất thải và bùn tạo ra do dung dịch khoan.  Có thể khoan qua các chướng ngại vật như đá mồ côi, nền móng bê tông, cọc thép và các tầng đá gốc nghiêng và khoan qua lớp đất yếu, cát chảy.  Độ chính xác theo phương thẳng đứng rất cao, bê tông được đổ vào trong lòng ống vách do vậy, độ tin cậy cao hơn nhiều so với các phương pháp khác. Do những ưu điểm trên, khoan tạo lỗ bằng máy khoan vách xoay thường được sử dụng cho các công trình đòi hỏi độ chính xác theo phương thẳng đứng lớn, độ tin cậy cao, các công trình có nhiều chướng ngại ngầm, qua lớp cát chảy, nơi có cao độ mực nước ngầm cao. 3. Một số thiết bị khoan tạo lỗ a). Máy khoan xoay lắc hạ ống vách Dùng thiết bị vừa xoay ống vách có chân cắt vừa ấn ống vách tiến sâu vào trong đất, đảm bảo thành vách không bị sụt lở trong quá trình trình tạo lỗ. Việc tạo lỗ được thựa hiện bằng gầu ngoạm. Một số máy khoan loại này được sử dụng ở Việt nam như: LEFFER-VRM 1500/800 HD của CHLB Đức, BAURER BV 1...i vào trong ống. - Do bulông vặn bị lỏng mà quay ngược ống dẫn lại làm cho bộ phận liên kết lệch bị rời ra rơi vào trong lỗ. - Do không kịp thời rút ống dẫn lên hoặc do bê tông đóng rắn mà không rút ống dẫn lên được. - Do lưỡi khoan bị gãy. 4. Đề phòng khung cốt thép bị trồi lên 192 Sau khi tạo lỗ, lúc đổ bê tông có khi khung cốt thép bị trồi lên – khung cốt thép đã đặt đúng vị trí, độ sâu thiết kế nhưng trong quá trình đổ bê tông hoặc rút ống lên thấy khung cốt thép lại cao hơn vị trí đã định, nguyên nhân có thể là: Bảng 52 - Sự cố về khung cốt thép bị trồi lên Nguyên nhân Cách xử lý (1) Thành trong của ống chống bị làm dính vữa hoặc đất cát, do ống bị méo mó thành trong lồi lõm không đều khi rút ống lên thì kéo cả cốt thép lên. - Trước khi tạo lỗ phải kiểm tra kỹ thành trong của ống chống ở phần đáy. Khi bị bám dính nhiều thứ thì phải cạo sạch, nếu thấy có bị biến dạng thì phải sửa lại. Khi kết thúc việc tạo lỗ có thể mở gầu ngoạm ra rồi nâng lên hạ xuống mấy lần cho gầu cạo sạch đất cát dính trong ống, làm phẳng đáy lỗ. (2) Cự ly giữa đường kính ngoài của khung cốt thép với thành trong của ống chống quá nhỏ, có khi giữa cốt đai và thành ốn bị những hòn đá kẹp vào. - Phải làm cho cự ly giữa thành ngoài của cốt đai với thành trong của ống chống to gấp 2 lần kích thứơc lớn nhất của cốt liệu thô. (3) Do bản thân khung cốt thép bị cong vênh, các chỗ buộc của khung cốt thép không chắc chắn, cốt đai rời ra và biến dạng, ống chống bị nghiêng làm cho cốt thép đè chặt vào thành ống. - Phải tăng cường độ chính xác trong khi gia công khung cốt thép, đề phòng khi vận chuyển bị biến dạng. Khi thả khung cốt thép xuống phải xác nhận trục giữa của khung cốt thép thật chính xác, không được để cho khung cốt thép tự do tụt xuống đáy lỗ, cũng không được đập mạnh trên đầu khung cốt thép. Khi đưa ống chống xuống cũng phải rất chú ý độ thẳng đứng của ống. (4) Do bê tông đã bắt đầu đóng rắn, nên có bê tông bám chặt vào thành trong của ống chống. - Khi đổ bê tông phải tránh việc dừng lại ở giữa chừng lâu quá, đồng thời không được đổ loại bê tông có tính lưu động quá thấp. Khi vận chuyển trên đoạn đường khá dài hoặc thi công trong mùa hè thì nên dùng phụ gia đông cứng chậm. (5) Có cặn lắng hoặc có hiện tượng cát ùn vào, xung quanh cốt thép bị cát lấp chặt. - Xử lý triệt để cặn lắng, xem kỹ để xác nhận không có cát ùn vào. (6) Bê tông ở chỗ miệng ống dẫn tràn ra và chảy mất. - Bê tông chảy vào ít bị li tán: cát, đá, ximăng rời nhau rơi xuống. Nếu rơi vào xung quanh cốt thép, đá và cát sẽ cùng trồi lên với cốt thép. Cần có sự đề phòng nghiêm ngặt hiện tượng này ngay khâu quản lý chất lượng bê tông. Ngoài ra, trước khi đổ bê tông, nhất định phải hơi nhấc ống chống lên một chút, để xác nhận xem khung cốt thép có bị trồi lên không. 193 5. Đề phòng khung cốt thép bị nén cong vênh - Khung cốt thép của cọc khoan nhồi bị nén vênh là do cốt đai bị tuột hoặc sau khi đã đạt đến vị trí xác định lại vẫn còn cho cốt thép xuống nữa. Trường hợp này phần lớn xảy ra khi khung cốt thép bị đập mạnh vào đầu. - Ngoài ra, khi đặt xong khung cốt thép, do lắc ống chống làm cho cốt thép bị vặn xoắn nên khi mới bắt đầu đổ bê tông cốt thép đã trồi lên. - Cũng có khi do muốn cắt đứt liên quan giữa khung cốt thép với ống chống mà đập mạnh vào đầu khung thép. - Do rút ống chống lên làm cho bê tông tụt xuống và vì lực dính mà làm cho khung cốt thép bị uốn. - Hay trong khi lắp ống dẫn xuống bị đâm vào cốt đai làm cốt thép bị nén cong vênh. 6. Đề phòng sự cố khi đổ bê tông - Trong việc sử dụng ống dẫn thì trọng yếu nhất là vấn đề giữ kín nước. Cái giữ kín nước tuy là một trong những dụng cụ tương đối đơn giản, nhưng về tính năng sử dụng hoặc về thao tác nếu không được chu đáo sẽ gây ra khuyết tật nghiêm trọng. - Trong qúa trình đổ bê tông do nhấc ống dẫn lên nhiều quá, làm cho chỗ đầu nối bị rò nước. Nếu bị nước vào trong ống dẫn thì không những làm cho bê tông bị phân ly, làm hỏng độ dẻo của bê tông mà có trường hợp còn để lại những khuyết tật nặng nề trong thân cọc. - Nếu quá trình đổ bê tông bị gián đoạn thì dễ sinh ra sự cố đứt cọc, cho nên đổ bê tông phải liên tục. Nếu để phần bê tông đổ trước đã vào giai đoạn sơ ninh thì sẽ trở ngại cho phần bê tông đổ tiếp sau chuyển động trong ống. - Khi bê tông vận chuyển đến vị trí cọc, độ sụt đã giảm, tính lưu động đã kém, năng lực thoát bê tông ở đáy ống thấy rõ là bị giảm thấp sẽ là nguyên nhân sinh ra bị tắc ống dẫn, đặc biệt trong mùa hè tương đối hanh khô, nhất thiết phải đổ hết bê trong trong 1 giờ sau khi trộn xong. - Xét về góc độ thi công, tốc độ đổ bê tông càng nhanh càng tốt. Phương pháp tương đối thông dụng là cho ngay bê tông từ xe tải theo máng dẫn trực tiếp vào trong phễu của ống dẫn. Song, nếu đổ nhanh quá bê tông trong lỗ sẽ dễ cọ sát vào thành lỗ hoặc cuốn vào một ít đất. Cho nên, tốc độ đổ thích hợp là khoảng 0.6 m3/phút là vừa. - Nếu tính dẻo của bê tông bị kém, trong ống dẫn sẽ sinh ra rò nước. Khi bê tông trong ống dẫn bị phân tầng, bê tông sẽ không thể chảy liên tục được trong ống dẫn. Trong trường hợp nghiêm trọng sẽ làm cho ống dẫn di động lên xuống. - Nếu độ dài ống dẫn cắm vào trong bê tông sâu quá (9m) thì bê tông trong phần đáy ống dẫn sẽ chảy không thông, hoặc sẽ làm cho bê tông trong phễu ở trên đầu ống 194 dẫn bị tràn ra ngoài và trực tiếp rơi vào trong lỗ, kết quả là bê tông bị rời rạc, đồng thời sẽ làm giảm rất nhiều khả năng giữ thành của dung dịch bentonite. - Lỗ cọc bị to do vỏ lớp giữ thành bị rửa trôi, hoặc do thành lỗ bị sạt lở, va đập, nước thấm, nước chảy vào trong lỗ cọc, đất mềm yếu bị nén chặt lại đều có thể là nguyên nhân sinh ra khối lượng bê tông tăng vọt. II. Các khuyết tật trong cọc khoan nhồi Như phần trên đã trình bày, các sự cố thường gặp trong khi thi công cọc khoan sẽ là những nguyên nhân chính gây nên các khuyết tật trong cọc khoan nhồi. Sau đây sẽ xem xét một số khuyết tật này. 1. Những hư hỏng ở mũi cọc Đó là hàng loạt vấn đề rất hay xảy ra. Dĩ nhiên những hư hỏng này là rất nghiêm trọng đối với cọc làm việc bằng mũi (nhất là trường hợp cọc có chân mở rộng hoặc có vỏ bọc), và có thể đưa tới giảm cường độ nội tại của cọc hoặc khả năng chịu lực do độ lún nghiêm trọng gây ra. Những hư hỏng này rất đáng quan tâm tại mũi cọc trong đất. Trường hợp 1: Mũi cọc được tạo bởi bê tông chất lượng xấu (sũng nước hoặc nhiễm bẩn bởi các lớp bùn). Về nguyên lý, gặp sự dị thường như vậy làm kém đi điều kiện ổn định của móng. Sự nguy hiểm đỡ lo ngại khi các hốc (khe) có thể được đảm bảo trong đất rất cứng (nhất là đá), trong nền mà các hạt rời rạc kết lại thành đai xung quanh cọc. Tuy nhiên tính đến đặc điểm kết cấu chủ thể gắn liền với sự xem xét mũi cọc khuyết tật phải luôn được xử lý bằng vữa phun. Sửa chữa và kiểm tra rất nghiêm ngặt hiệu quả của cọc là đòi hỏi cấp bách khi dị tật trong cọc có nguy cơ ảnh hưởng đến sự ổn định của móng dưới tác dụng của lực ngang. Trường hợp 2: Có thể kể đến hoặc sự tiếp xúc gián tiếp tại mũi cọc do nạo vét đáy lỗ khoan không cẩn thận (sự tồn tại của hỗn hợp bùn và chất lắng đọng trong bê tông và đất), hoặc có thể là sự thay đổi thành phần của đất tại vị trí khoan do áp dụng kỹ thuật khoan không thích hợp với bản chất đất. Cần đề cập đến sau đó do trượt lún xảy ra không thể chấp nhận được do kết cấu, cả đến sự mất đi sức chịu tải đủ để giảm (triệt tiêu) hoàn toàn các tính toán dự kiến về ổn định công trình. Đối với loại hư hỏng này, nghiêm trọng hơn cả dạng trước. 2. Những hư hỏng thân cọc Hư hỏng thân cọc chủ yếu là tính không liên tục của thân cọc, có thể là: - Các cục bướu do từ biến của lớp đất yếu dưới tác dụng đẩy của bê tông tươi hoặc do mặt cắt lỗ khoan nở ở ngoài (sụt lở, lỗ hổng) - Sự co thắt mặt cắt do sự đẩy ngang của đất. - Vùi trong bùn ít hoặc nhiều (nghiêm trọng tuỳ tình hình có thể tới mức vết đứt hoàn toàn thân cọc) liên tiếp nhau làm tách rời bê tông và giữ lại những lắng đọng cặn 195 - Sự rửa sạch (trôi) tính vào tác động của dòng chảy ngang hoặc sự đứt đoạn của bê tông đổ. - Khuyết tật kéo theo vốn có của sự chệch lỗ khoan. Một dãy khuyết tật: sự co thắt tiết diện, các túi bùn, kể cả cắt đứt toàn bộ thân cọc hợp thành các sai sót nghiêm trọng đối với công trình có số lượng cọc ít và chịu tải trọng nặng. Cần kể đến những khuyết tật do sử dụng bê tông không đủ khả năng. Bê tông có độ sụt quá bé, thực tế không tương thích với yêu cầu bao bọc tốt cho cốt thép. Một sự hư hỏng như vậy khó có thể phát hiện bằng các âm thanh (hoặc khoan dò lấy lõi) vì nó quan hệ tới vùng biên – chu vi cọc – nhưng lõi cọc vẫn bình thường. Cũng cần chú ý thêm rằng khuyết tật càng trở lên lớn khi đường kính cọc là khá bé. 3. Những hư hỏng ở phần phía trên đầu cọc Khi trộn bê tông, để nâng cao độ dẻo của bê tông, lượng nước sử dụng thường nhiều hơn lượng nước cần thiết của phản ứng thuỷ hoá xi măng. Thông thường thì vượt quá lượng nước thuỷ hoá xi măng từ 1.5-2.5 lần. Sau khi lỗ cọc đổ xong bê tông, phần nước thừa sẽ tách ra và nổi lên thành lớp nước xi măng nổi, đồng thời một ít hạt cốt liệu nhỏ cũng theo đó mà nổi lên, các chất này đọng lại trên bề mặt bê tông và tạo thành lớp không rắn chắc gọi là lớp cặn đọng. Nếu đổ bê tông có tỉ lệ nước xi măng cao hơn nữa, hoặc thời gian trộn bê tông tương đối ngắn thì lớp cặn đọng này lại càng dày hơn nữa. Ngoài ra, khi đổ bê tông cọc khoan nhồi, nếu ống dẫn chuyển động lên xuống nhiều quá cũng sẽ tăng thêm độ dày của lớp cặn đọng này. Trong cọc khoan nhồi, so sánh với khối lượng bê tông đã đổ, khi diện tích đầu cọc càng nhỏ thì lượng cặn đọng này càng tập trung, càng dày lên, thường tới 20 - 30 cm. * Các biện pháp áp dụng khi cọc có khuyết tật Tuỳ theo bản chất của khuyết tật, sự sữa chữa luôn luôn là trường hợp riêng biệt, cụ thể và thích hợp. Trong lần thăm dò hoặc khoan lấy lõi đã phát hiện khuyết tật, cần đánh giá độ nghiêm trọng gây nên sự nguy hiểm cho công trình. Dựa vào mức độ nghiêm trọng có 3 khả năng: - Không sửa chữa vì khi lượng chừng những hư hỏng là nhẹ và không ảnh hưởng đến sự chịu tải của móng. - Sửa chữa có sự điều hoà giữa hiệu quả kinh tế và quy định của phương thức sửa chữa. - Thay thế các cọc khuyết tật không đáp ứng được độ an toàn về tính bền vững công trình. Nói chung, đề tránh khuyết tật này thông thường khi kết thúc đổ bê tông cọc thì cao độ kết thúc thường cao hơn cao độ thiết kế từ 1~2m (tuỳ thuộc vào tính chất địa chất và nước 196 ngầm cũng như trình độ thi công của nhà thầu). Sau khi bê tong ninh kết, tiến hành đục bỏ lớp bê tông xấu đầu cọc này, sau đó mới đổ bê tông bệ cọc. Khuyết tật ở đầu cọc Hư hỏng ở đầu cọc 197 Hư hỏng ở đầu cọc Khuyết tật ở thân cọc 198 Khuyết tật ở thân cọc Khuyết tật ở thân cọc 199 Bài 7: Sức chịu tải của cọc khoan nhồi Đối với cọc ống bê tông cốt thép việc xác định sức chịu tải (sức kháng đỡ) giống như cọc đóng, dưới đây chỉ trình bày riêng cho xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi. I. Hệ số sức kháng của cọc khoan nhồi Sức chịu tải tính toán của cọc khoan theo công thức sau: Sức kháng đỡ tính toán của các cọc RR có thể tính như sau: RR =  Rn = q Rult (160) Hay RR = Rn = q pRp+ qs Rs (161) với: Rp = qp Ap (162) Rs = qs As (163) Theo 22 TCN 272-05, hệ số sức kháng cho cọc khoan được lấy như bảng 17. Theo AASHTO 2007, hệ số sức kháng cho cọc khoan được lấy như bảng 53. Bảng 17 (trích lại) - Hệ số sức kháng các TTGH cường độ cho cọc khoan chịu tải trọng dọc trục theo 22 TCN 272-05 Phương pháp/Đất/Điều kiện Hệ số sứckháng  Khả năng chịu lực tới hạn của cọc khoan đơn Sức kháng thành bên trong đất sét Phương pháp  (Reese & ONeill 1988) 0,65 Sức kháng tại mũi cọc đất sét Tổng ứng suất (Reese & ONeill 1988) 0,55 Sức kháng thành bên trong cát Touma & Reese (1974) Meyerhof (1976) Quiros & Reese (1977) Reese & Wright (1977) Reese & ONeill (1988) Xem đề cập trong Điều 10.8.3.4 200 Sức kháng tại mũi cọc trong cát Touma & Reese (1974) Meyrhof (1976) Quiros & Reese (1977) Reese & Wright (1977) Reese & ONeill (1988) Xem đề cập trong Điều 10.8.3.4 Sức kháng thành bên trong đá Carter & Kulhawy (1988) Horvath & Kenney (1979) 0,55 0,65 Sức kháng tại mũi cọc trong đá Hiệp hội địa kỹ thuật Canada (1985) Phương pháp đo áp lực (Hiệp hội địa kỹ thuật Canada, 1985) 0,50 0,50 Sức kháng thành bên và sức kháng mũi cọc Thí nghiệm tải trọng 0,80 Phá hoại khối Sét 0,65 Khả nâng chịu lực nhổ của cọc khoan đơn Sét Phương pháp  (Reese & ONeill) Cọc loe (Reese & ONeill) 0,55 0,50 Cát Touma & Reese (1974) Meyrhof (1976) Quiros & Reese (1977) Reese & Wright (1977) Reese & O’Neill (1988) Xem đề cậptrong Điều 10.8.3.7 Đá Carter & Kulhawy Horath & Kenny 0,45 0,55 Thí nghiệm tải trọng 0,80 Khả nâng chịu lực nhổ của nhóm cọc Cát Đất sét 0,55 0,55 Bảng 53 - Hệ số sức kháng các TTGH cường độ cho cọc khoan 201 chịu tải trọng dọc trục theo 48SHTO 2007 Phương pháp/Đất/Điều kiện Hệ số sứckháng  Sức kháng nén dọc trục của cọc khoan đơn, stat Sức kháng thành bên trong đất sét Phương pháp  (Reese & ONeill 1999) 0.45 Sức kháng mũi trong đất sét Tổng ứng suất (Reese & ONeill 1999) 0.40 Sức kháng thành bên trong đất cát Phương pháp  (Reese & ONeill 1999) 0.55 Sức kháng mũi trong đất cát Reese & ONeill (1999) 0.50 Sức kháng thành bên theoIGMs Reese & ONeill (1999) 0.60 Sức kháng mũi theo IGMs Reese & ONeill (1999) 0.55 Sức kháng thành bên trong đá Horvath & Kenney (1979); Reese & ONeill (1999) 0.55 Sức kháng thành bên trong đá Carter & Kulhaway (1988) 0.50 Sức kháng mũi trong đá Canadian Geotechnical Society (1985) Presuremeter Method (Canadian Geotechnical Society, 1985) Reese & ONeill (1999) 0.50 Phá hoại khối đá, b1 Đất sét 0.55 Sức kháng nhổ của cọc khoan đơn, up Đất sét Phương pháp  (Reese & ONeill 1999) 0.35 Đất cát Phương pháp  (Reese & ONeill 1999) 0.45 Đá Horvath & Kenney (1979); Carter & Kulhaway (1988) 0.40 Sức kháng nhổ của nhóm cọc,ug Đất sét và đất cát 0.45 Sức kháng đỡ ngang của cọc khoan đơn và nhóm cọc Tất cả các vật liệu 1.0 Thí nghiệm tải tọng tĩnh (nén), load Tất cả các vật liệu  0.70 202 Thí nghiệm tải tọng tĩnh (kéo), upload Tất cả các vật liệu 0.60 II. Xác định sức chịu tải danh định của cọc khoan nhồi 1. Ước tính bán thực nghiệm sức kháng của cọc khoan trong đất dính Phương pháp bán thực nghiệm có thể được dùng để ước tính sức kháng của cọc khoan trong đất dính. Cọc khoan trong đất dính phải được thiết kế bằng phương pháp tổng ứng suất và ứng suất hữu hiệu đối với các điều kiện tải trọng thoát nước và không thoát nước tương ứng. Cọc khoan trong đất rời phải được thiết kế bằng phương pháp ứng suất hữu hiệu đối với các điều kiện tải trọng thoát nước hoặc phương pháp bán thực nghiệm dựa trên các kết quả thí nghiệm hiện trường. Các hệ số sức kháng đối với sức kháng bên và sức kháng mũi cọc được quy định trong Bảng 17 hay 53. 1.1. Sức kháng của cọc khoan dùng phương pháp  Sức kháng bên đơn vị danh định (MPa) cho cọc khoan trong đất rời chịu tải dưới điều kiện tải trọng không thoát nước có thể tính như sau: qs =  Su (164) Theo AASHTO 2007 hệ số  được lấy như sau:  = 0.55 khi 5.1 a uS  (165)      5.11.055.0 a uS  khi 5.25.1  a uS  (166) Trong đó: Su = cường độ kháng cắt không thoát nước trung bình (MPa)  = hệ số dính bám (DIM) a = áp suất không khí (=0.101 MPa) Các phần sau đây của cọc khoan được minh hoạ trong Hình 95 sẽ không được tính để đóng góp vào sự phát triển của sức kháng thông qua ma sát bề mặt:  ít nhất 1500 mm trên cùng của bất kỳ cọc khoan nào,  Với cọc thẳng, chiều dài ở đáy của cọc khoan lấy bằng đường kính cọc,  Chu vi của đầu loe, nếu dùng, và 203  Khoảng cách trên đầu loe lấy bằng đường kính cọc. Các giá trị của  đối với các phần đóng góp của cọc khoan đào khô trong hố mở hoặc ống vách được cho chi tiết trong Bảng 54. Không tính 1500 mm trên đỉnh Không tính khoảng bằng đường kính cọc trên đầu loe Không tính bề mặt phần loeKhông tính đoạn bằng một đường kính cọc dưới cùng Cọc thẳng Cọc loe Hình 95 - Giải thích các phần không xem xét trong tính toán của cọc khoan (Reese và O’Neill, 1988) Bảng 54 - Giá trị của  dùng cho xác định sức kháng thành bên trong đất dính (Reese và O'Neill 1988) 1.2. Sức kháng mũi cọc Đối với cọc chịu tải trọng dọc trục trong đất dính, sức kháng đơn vị mũi cọc danh định của cọc khoan (MPa) có thể tính như sau: qp = NcSu  4 (167) ở đây: 92.016       D zNc (168) trong đó: D = đường kính cọc khoan (mm) Z = độ xuyên của cọc khoan (mm) Su = cường độ kháng cắt không thoát nước (MPa) Giá trị của Su phải được xác định từ kết quả thí nghiệm hiện trường và/ hoặc trong phòng thí nghiệm của các mẫu nguyên dạng lấy trong khoảng sâu 2.0 lần đường kính dưới mũi cọc. Nếu đất trong giới hạn 2.0 đường kính cọc có Su < 0.024 MPa, giá trị của Nc sẽ bị chiết giảm 1/3 (hay nhân với hệ số 0.67). 204 Đối với các cọc khoan trong đất sét với Su > 0.096 MPa với D > 1900 mm, và độ lún cọc không được đánh giá, giá trị của qp phải chiết giảm thành qpr như sau: qpr = qpFr (169) trong đó Fr = 0,1 b760aD0,12 760 p  (170) a = 0,0071 + 0,0021 015,0 D Z p  (171) b = 1,45 uS0,2 with 0,5 b1,5 (172) ở đây : Dp = đường kính mũi cọc (mm) 2. Ước tính sức kháng của cọc khoan trong đất rời 2.1. Tổng quát Sức kháng đỡ danh định của cọc khoan trong đất rời phải được ước tính bằng cách dùng phương pháp thích hợp được chỉ ra dưới đây hoặc các phương pháp địa phương khác được chấp nhận phù hợp với Điều 10.1. Sức kháng tính toán phải được xác định bằng cách sử dụng các kinh nghiệm sẵn có trong điều kiện tương tự. 2.2. Sức kháng thân cọc Sức kháng danh định của thân cọc khoan, qs tính theo MPa, trong cát có thể được xác định bằng cách sử dụng một trong năm phương pháp quy định trong Bảng 55. Chỉ có thể dùng các giá trị lớn hơn nếu nó được hiệu chỉnh bởi các thí nghiệm tải trọng. Sức kháng bên của cọc khoan trong cát có thể ước tính bằng cách sử dụng:  góc ma sát, f , hoặc  số nhát búa SPT, N Các ký hiệu sau sẽ áp dụng cho Bảng 55 N = số búa SPT chưa hiệu chỉnh (Búa/300mm), ’v = ứng suất hữu hiệu thẳng đứng (MPa), f = góc ma sát của cát (Độ), K = hệ số truyền tải trọng, D b = chiều sâu chôn cọc khoan trong tầng đất cát chịu lực (mm), 205  = hệ số truyền tải trọng, z = chiều sâu dưới đất (mm) Góc ma sát của cát có thể tương quan với số búa SPT hoặc là sức kháng xuyên hình nón được quy định trong Bảng 56. Bảng 55 - Tổng kết các phương pháp đánh giá sức kháng mặt bên, qs, MPa, trong đất cát Tham khảo Mô tả Touma và Reese (1974) qs= Kv tan f < 0,24MPa ở đây: K = 0,7 đối với Db  7500mm K = 0,6 đối với 7500mm < Db  12000mm K = 0,5 đối với Db > 12000mm Meyerhof (1976) qs= 0,00096N Quiros và Reese (1977) qs= 0,0025N < 0,19 MPa Reese và Wright (1977) Với N  53 thì qs= 0,0028 N Với 53 < N  100 thì qs= 0,00021 (N - 53) + 0,15 Reese và O'Neill (1988) qs=  v  0,19 MPa với 0,25    1,2 ở đây:  = 1,5 – 7,7x10-3 z Bảng 56 - Các góc ma sát của cát Độ chặt f SPT- (N) qc (MPa) Rất rời < 30o 0 - 4 <1.9 Rời 30o - 35o 4 - 10 1,9 – 3,8 Vừa 35o - 40o 10 - 30 3,8 - 11 Chặt 40o - 45o 30 - 50 11 - 19 Rất chặt > 45o > 50 > 19 206 Theo AASHTO 2007, sức kháng thành bên của cọc khoan trong đất rời theo phương pháp  được lấy như sau: 19.0'  vsq  khi 2.125.0   (173) Đối với đất cát:  Khi N60  15 :  z310*7.75.1  (174)  Khi N60  15 :  zN 360 10*7.75.1 15  (175) Trong đó : ’v = ứng suất hiệu quả thẳng đứng của đất tại điểm giữa của lớp đất (MPa)  = hệ số truyền tải trọng (DIM) z = chiều sâu nền đất, tại điểm giữa của lớp đất (mm) N60 = số nhát búa SPT trung bình (được hiệu chỉnh theo hiệu suất của búa) ở trong vùng thiết kế (nhát/300mm) Có thể sử dụng nếu được điều chỉnh bằng thí nghiệm tải trọng. Đối với cát hạt thô và sỏi cuội, phương trình 176 được sử dụng để tính  khi N6015. Nếu N60<15 thì sử dụng phương trình 175 để tính:   75.000082.00.2 z (176) khi ống vách được để lại lâu dài, sức kháng thành bên phải được điều chỉnh khi xem xét đến loại ống, chiều dài ống và cách thi công. 1.3. Sức kháng mũi cọc Sức kháng mũi cọc danh định có thể tính toán bằng cách dùng các phương pháp quy định trong Bảng 57, với các ký hiệu sau đây được sử dụng: Ncorr = số búa SPT-N đã hiệu chỉnh cho áp lực tầng phủ (búa/300mm) = N v        ' 92.1lg77.0  (177) N = số búa SPT chưa hiệu chỉnh (Búa/300mm) D = đường kính của cọc khoan (mm) Dp = đường kính mũi cọc khoan (mm) Db = chiều sâu chôn của cọc khoan trong lớp chịu lực là cát (mm) 207 ’v = ứng suất lực thẳng đứng hữu hiệu (MPa) Đối với các đường kính đáy lớn hơn 1270mm, qp phải chiết giảm như sau: p p pr qD 1270q  (178) Bảng 57 - Các phương pháp dùng để ước tính Sức kháng mũi cọc, qp, MPa của cọc khoan trong cát Tham khảo Mô tả Touma và Reese (1974) Rời - qp (MPa) = 0 Chặt vừa - qp (MPa) = k 1.5 Rất chặt - qp (MPa) = k 3.8  K = 1 đối với Dp  500 mm  K = 0.6 Dp đối với Dp 500 mm  Chỉ dùng khi Db > 10D Meyerhof (1976) qp (MPa) = p bcorr D D0.013N < 0.13 Ncorr đối với cát < 0.096 Ncorr đối với bùn không dẻo Reese và Wright (1977) qp (MPa) = 0.064 N đối với N  60 qp (MPa) = 3.8 đối với N > 60 Reese và O'Neill (1988) qp (MPa) = 0.057 N đối với N  75 qp (MPa) = 4.3 đối với N > 75 Theo AASHTO 2007, sức kháng mũi cọc khoan trong đất rời, qp tính theo MPa, theo O ’Neill và Reese (1999) lấy như sau: Khi N60  50 thì qp = 1.2N60 (179) trong đó: N60 = số nhát búa SPT trung bình (được hiệu chỉnh theo hiệu suất của búa) ở trong vùng thiết kế (nhát/300mm) 208 Giá trị của qp trong phương trình 179 có giá trị giới hạn đến 3.0MPa, giá trị lớn hơn cần phải được hiệu chỉnh qua số liệu thí nghiệm tải trọng. Khi N60 > 50 thì v v a p Nq ' ' 59.0 8.0 60          (180) trong đó: ’v = ứng suất hiệu quả thẳng đứng của đất tại cao độ mũi cọc (MPa) a = áp suất không khí (=0.101 MPa) Nếu N60 > 100 thì lấy bằng 100. Nếu mũi cọc khoan đặt trong lớp đất chịu lực phía trên lớp đất yếu chịu nén thì trong phạm vi 1.5B tính từ mặt lớp đất yếu đến mũi cọc thì phải chiết giảm sức kháng mũi cọc. Sử dụng giá trị trung bình trọng tuyến tính của sức kháng hoàn toàn là lớp đất tốt ở khoảng cách 1.5B phía trên mặt lớp đất yếu và sức kháng mũi tại mặt lớp đất yếu. 4. Sức kháng dọc trục trong đá Để xác định sức kháng dọc trục của cọc khoan ngàm trong các hốc đá, có thể bỏ qua sức kháng mặt bên từ trầm tích đất phủ nằm trên. Nếu đá bị xuống cấp, dùng các phương pháp thi công đặc biệt, đường kính hốc đá lớn hơn hoặc phải xét đến chiết giảm sức kháng hốc đá. Các hệ số sức kháng cho cọc khoan ngàm trong đá phải được lấy như quy định trong Bảng 17 hay 53. Theo AASHTO 2007 sức kháng dọc trục của cọc khoan chịu tải trọng sẽ là:  Ma sát thành bên của hốc đá,  Sức chống mũi  hay tổ hợp cả ai. Sự khác nhau về biến dạng cần thiết để huy động ma sát bên và sức chống mũi cọc phải dược xem xét khi cọc khoan được chôn ngập trong đá. Khi sức chống mũi cọc chỉ là một phần trong sức chịu tải dọc trục của cọc khi thiết kế, cần phải triết giảm sự phân bố ma sát thành bên của đá khi xét đến xảy ra mất mát ma sát do biến dạng cắt dọc theo thành cọc. a). Sức kháng thành bên của cọc khoan trong đá Đối với cọc khoan chôn trong đá, sức kháng thành bên, tính theo MPa, có thể lấy như sau (Horvath và Kenney, 1979): 209 5.05.0 '8.765.0        a c a a u aEs fqq  (181) trong đó: qu = cường độ nén dọc trục của đá (MPa) a = áp suất không khí (=0.101MPa) E = hệ số chiết giảm tính đến kẽ nứt trong đá như bảng 58 f’c = cường độ chịu nén của bê tông (MPa) Bảng 58 – Hệ số E (O ‘ Neill và Reese, 1999) i n E E E 1.0 0.5 0.3 0.1 0.05 1.0 0.8 0.7 0.55 0.45 b). Sức kháng mũi cọc: Sức kháng mũi của cọc khoan trong đá có thể lấy như sau: Nếu đá từ mũi cọc khoan xuống phía dưới đến chiều sâu 2B, nếu là nguyên vẹn hay nứt nẻ ít, và chiều sâu hốc đá lớn hơn 1.5B ( O ‘ Neill và Reese, 1999): up qq 5.2 (182) Nếu đá từ mũi cọc khoan xuống phía dưới đến chiều sâu 2B, là nứt nẻ và hướng nứt là ngẫu nhiên, thì sức kháng mũi có thể được lấy như sau:   up qssmsq   (183) trong đó: s, m = tham số khối đá bị nứt theo qui định bảng 59 qu = cường độ chịu nén không nở ngang của đá (MPa) c). Tổ hợp sức khãng mũi và thành bên 210 Phải sử dụng phương pháp thiết kế có xét đến sự kháng nhau về chuyển vị cần thiết để huy động ma sát thành bên trong đá với chuyển vị để huy động sức chống mũi cọc, ví dụ như phương pháp của O ‘ Neill và Reese (1999) để đánh giá sức kháng chịu nén dọc trục của cọc ngập trong đá. Bảng 59 – Liên hệ giữa chất lượng khối đá và hằng số vật liệu để sử dụng xác định cường độ không tuyến tính (Hoek và Brown, 198) 5. Thử tải Các thí nghiệm thử tải phải được tiến hành bằng cách dùng cọc thi công theo phương pháp, kích thước và vật liệu giống như chúng được dùng để sản suất các cọc khoan. 211 Sức kháng tính toán đối với khả năng chịu nén dọc trục, khả năng chịu lực nhổ dọc trục hoặc khả năng chịu lực ngang phải được lấy trong Bảng 17 hay 53. III. Khả năng chịu tải của nhóm cọc 1. Tổng quát Sự chiết giảm sức kháng có thể do ảnh hưởng nhóm phải được xem xét. 2. Đất dính Các quy định đối với cọc chế tạo sẵn (chương 2) về khả năng chịu tải của nhóm cọc cũng được áp dụng đối với cọc khoan nhồi. Hệ số sức kháng đối với khả năng chịu tải của nhóm cọc của trụ tương đương, hoặc sự phá hoại khối phải được lấy như được quy định trong Bảng 17 hay 53 và phải được ứng dụng khi bệ cọc có hoặc không tiếp xúc với đất. Các hệ số sức kháng cho khả năng chịu tải của nhóm cọc được tính toán bằng tổng của các khả năng của cọc khoan riêng lẻ, chúng cũng giống như các giá trị cho các khả năng của cọc khoan đơn. 3. Đất rời Không xét đến sự tiếp xúc của bệ cọc với đất, khả năng riêng rẽ của mỗi cọc khoan phải được chiết giảm bởi hệ số  cho cọc đứng riêng biệt, được lấy như sau:  0.65 đối với khoảng cách tim đến tim bằng 2.5 lần đường kính,  1.0 đối với khoảng cách tim đến tim bằng 6.0 lần đường kính, (và là 4D theo AASHTO 2007) Đối với các khoảng cách trung gian, giá trị của  được xác định bằng nội suy tuyến tính. IV. Sức kháng nhổ của cọc đơn và nhóm cọc 1. Tổng quát Sức kháng nhổ có thể được xem xét khi tải trọng hướng lên trên tác động lên các cọc khoan. Các cọc khoan chịu các lực nhổ phải được điều tra nghiên cứu về sức kháng nhổ lên đối với cường độ kết cấu của chúng, và đối với cường độ của liên kết của chúng với các cấu kiện đỡ. 2. Sức kháng nhổ của cọc khoan đơn Sức kháng nhổ của cọc khoan đơn vách thẳng có thể ước tính theo cách tương tự như để xác định sức kháng bên đối với cọc khoan chịu nén. (Điều 10.8.3.3 và 10.8.3.4). Khi xác định sức kháng nhổ của cọc khoan loe có thể bỏ qua sức kháng bên phía trên phần loe và có thể giả thiết rằng phần loe làm việc như một neo. 212 Hệ số sức kháng đối với khả năng chịu nhổ của cọc khoan phải lấy như quy định trong Bảng 17, và 53. Khả năng chống nhổ tính toán của cọc khoan loe trong đất dính, Qr, theo AASHTO-2007 có thể được xác định như sau: Rr =  Rn =  Rsbell (184) ở đây: Rsbell = qsbellAu (185) qs bel l = NuSu ; (MPa) Au =  (Dp2 D2)  4 ; (mm2) Nu = hệ số dính bám nhổ lên, Dp = đường kính của phần loe (mm) Db = chiều sâu chôn trong lớp móng (mm) D = đường kính của cọc khoan (mm) Su = cường độ kháng cắt không thoát nước lấy trung bình trên khoảng cách bằng 2 lần đường kính loe (2Dp) phía trên đáy (MPa)  = hệ số sức kháng quy định trong Bảng 17 hay 53. Nếu đất phía trên địa tầng móng là đất trương nở, Suphải lấy giá trị trung bình nhỏ hơn của 2.0Dp phía trên đáy của móng hoặc trên chiều sâu xuyên của cọc khoan trong địa tầng móng (Hình 96). Giá trị của Nu có thể giả thiết thay đổi tuyến tính từ 0.0 tại Db/Dp = 0.75 đến giá trị 0.8 tại Db/Dp = 2.5, ở đây Db là chiều sâu dưới địa tầng móng. Đỉnh của địa tầng móng phải được lấy từ đáy của vùng thay đổi độ ẩm theo mùa. 3. Sức kháng nhổ của nhóm cọc Các quy định của cọc đường kính nhỏ cũng được áp dụng cho cọc khoan nhồi. Các hệ số sức kháng đối với sức kháng nhổ của nhóm cọc khoan phải được lấy như quy định trong Bảng 17 hay 53. Hình 96 - Cọc khoan mở rộng chân Bài 8: thiết kế móng cọc đường kính lớn 213 I. kiểm toán móng cọc Đường kính lớn theo TTGH cường độ Các công thức kiểm toán lực nén dọc trục, lực nhổ dọc trục của cọc khoan đơn và nhóm cọc cũng như kiểm tra tải trọng ngang của cọc đơn và nhóm cọc giống như cọc đường kính nhỏ. (Chú ý chỉ khác trong phần xác định sức kháng) II. thiết kế móng cọc theo TTGH sử dụng 1. Chuyển vị ngang của móng cọc khoan Thiết kế móng cọc khoan về chuyển vị ngang giống như móng cọc đường kính nhỏ. Giới hạn về chuyển vị ngang của móng cọc không được vượt quá chuyển vị ngang cho phép là 38mm. 2. Lún của móng cọc khoan Lún của móng cọc khoan đơn hay của nhóm cọc khoan không được vượt quá chuyển vị cho phép. 2.1. Lún của cọc khoan đơn Lún của cọc khoan đơn phải được đánh giá về: Lún ngắn hạn ; Lún cố kết, nếu dược thi công trong đất dính ; và nén dọc trục của cọc. Đường cong độ lún-tải trọng danh định như trên Hình 97 đến 100 được dùng để giới hạn sức kháng dọc trục tính theo qui định cho trạng thái giới hạn sử dụng trong Điều 10.8.3 về chuyển vị có thể cháp nhận được. Giá trị phù hợp của độ lún danh định phải được dùng để giới hạn sức kháng mũi và sức kháng bên khi sử dụng các hình này. Lún dài hạn phải được tính như móng cọc đường kính nhỏ (Điều 10.7.2) sử dụng phương pháp móng tương đương và cộng thêm lún ngắn hạn đã được tính bằng cách sử dụng Hình 97 đến 100. Hình 97 – Độ lún – Sức kháng bên trong đất dính của cọc khoan (O ‘ Neill và Resse, 1999) Có thể sử dụng các phương pháp khác để dự tính lún cọc khoan theo O ‘ Neill và Resses (1999). 214 Hình ...ộng tính toán là att , và được tính như sau:  1.  aka mtt (4-21) Trong đó: a Cạnh của tiết diện ngang của giếng thẳng góc với mặt phẳng tác dụng của lực. km Hệ số xét đến ảnh hưởng của hình dáng tiết diện giếng (tra bảng) 229 Giả thiết giếng chìm là vật thể tuyệt đối cứng có chiều sâu tính đổi: 5 . 5.2. EI am hh ttZ    Lực ngang và mômen (Ho, Mo) tác dụng lên móng có thể đổi thành một lực ngang H tác dụng cách mặt đất một đoạn là ho H Mh oo  Dưới tác dụng của lực ngang H móng quay quanh 1 điểm O1 nào đó. Giả sử góc quay là . Một điểm trên thành giếng ở độ sâu Z sẽ có chuyển vị ngang là Z: Hình 4.9: Sơ đồ tính móng giếng chìm theo hệi tải trọng khai thác.   tgZZZ o . (4-22) Khi giếng quay thì đất ở mặt bên sinh ra ứng suất là:    tgZZZmZC oZZZ ....  (4-23) Và ở đáy giếng tại một điểm cách trọng tâm là y có chuyển vị y và ứng suất là y : tgyy .  tgyhmyC hhy ....  (4-24) (4-25) Như vậy, theo công thức (4-23) và (4-25), để tính được Z và y thì cần phải biết được các giá trị Zo và góc quay . Có thể xác định Zo và  từ 2 phương trình cân bằng:        0 0 OM Y (4-26) Hệ phương trình (4-26) có thể viết thành: H 1O h ho Z o O  ZmZ Y Z y y Z 230     tghmahZH dZZZZtgmadZaH Ztt h oZtt h ttZ .... 32 ...... 20 00            tgICtghmahZH dFytgCdZZZZtgmahH dFydZZahH hZtt F h h oZtt F y h ttZ ...... 43 ........ ...... 30 2 0 2 0 0 0         (4-27) (4-28) Từ 2 phương trình (4-27) và (4-28) giải ra đợc Z0 và tg. Cuối cùng tính được các ứng suất Z và y như sau:   y A H ZZZ hA H y Z . . .. . 0     Tổng ứng suất thẳng đứng dưới đáy móng sẽ là:    2 . . 0max 0 max min b A H F N y  (4-29) (4-30) (4-31) Trong đó: I Mômen quán tính tiết diện đáy giếng. b/2 Khoảng cách từ trục trọng tâm đến mép móng. h Z C hm . và  0 3 32..12 .36.. hh IhaA tt     - Khi chỉ có M0, không có H0 thì H=0, h0 =  ; H.h0 = M . - Trị số Z0 có thể > h, khi đó tâm quay ở dưới đáy giếng. III. kiểm toán giếng chìm theo hệ tải trọng khai thác 1. Kiểm toán theo trạng thái giới hạn 1 (tra ứng suất nền đất dưới đáy móng và thành bên) a) Kiểm tra ứng suất nền đất dưới đáy móng - Giếng chìm chịu tổ hợp lực chủ: 231 Rmax và 0min  (4-32) - Giếng chìm chịu tổ hợp lực phụ: R2.1max  (4-33) - Trường hợp chân giếng là tầng đá thì không phụ thuộc vào tổ hợp lực chủ hay phụ : R2.1max  (4-34) b) Kiểm tra ứng suất của đất ở thành bên của giếng Cần kiểm toán ứng suất của đất xung quanh thân giếng tại độ sâu Z=h/3 và Z=h.  Nếu ứng suất lớn nhất xuất hiện ở độ sâu 3 hZ  thì:  tttt tt Z ctgz   ...cos 4 .. 1211 (4-35)  Nếu ứng suất lớn nhất xuất hiện ở độ sâu 3 hZ  thì:     tttt tt Z ctg h  .3 . . cos 4 .. 211 (4-36) Trong đó: 1 Hệ số . Nếu kết cấu trên là vòm siêu tĩnh = 0.7; trường hợp khác =1. 2 Hệ số tính đến phần của mômen tải trọng tĩnh trên tổng tải trọng:       M M T1.8.02.02 MT : Mômen do tải trọng tĩnh ở đáy móng. M : Tổng mô men do tổ hợp tính toán sinh ra.  Trọng lượng thể tích của đất nền. tt Góc ma sát trong tính toán của đất từ đáy móng trở lên. ctt Lực dính tính toán của đất. 2. Kiểm toán theo trạng thái giới hạn sử dụng 232 a) Kiểm toán lún Tính lún của móng giếng chìm theo phương pháp phân tầng cộng lún (cộng lún từng lớp – chương 4 : Cơ học đất) Độ lún S và chênh lệch lún S phải đảm bảo trong giới hạn cho phép như yêu cầu cụ thể của công trình. b) Kiểm toán chuyển vị ngang đỉnh trụ: Khi 6.1. h giếng chìm coi như tuyệt đối cứng và không có chuyển vị ngang. Khi 5.2.6.1  h thì chuyển vị ngang của đỉnh trụ cần phải xét đến độ cứng có hạn của thân giếng như sau:   LtgLkZk 5.0... 0201   (4-38) Trong đó: k1; k2 Hệ số xét đến độ cứng hạn chế của giếng và thân trụ, lấy theo bảng (5-2 SGK) L0 Khoảng cách từ mặt đất đến đỉnh trụ.  Góc quay của trục tim giếng so với phương thẳng đứng.  Biến dạng đàn hồi của đỉnh trụ do coi đoạn L0 như một thanh ngàm ở mặt đất. L Chiều dài nhịp ngắn nhất gác lên trụ và đảm bảo L≥25m. 233 chương 7 nền đất yếu Bài 1 Khái quát chung về đất yếu I. Khái niệm và phân loại đất yếu 1. Khái niệm về đất yếu Nói chung khái niệm đất yếu để chỉ các loại đất có sức chống cắt nhỏ và tính biến dạng lớn đồng thời biến dạng không đều và theo thời gian. Đặc tính của đất yếu cần thiết phải được cải thiện để phục vụ các yêu cầu thực tế trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình. Đất yếu thường có độ ẩm cao và sức kháng cắt không thoát nước thấp. Đất thuộc dạng cố kết bình thường và có khả năng thoát nước thấp. Mực nước ngầm trong nền đất thường gần bề mặt, cách từ 0.5~2.5m. Một số trường hợp đất yếu có hàm lượng hữu cơ cao và có cả lớp than bùn. Đối với một vài loại đất, độ lún do sơ cấp chiếm từ 14~45% độ lún tổng cộng. Một số chỉ tiêu của đất yếu có thể tham khảo như sau:  Độ ẩm: W ≥30% đối với đất cát pha, W ≥50% đối với đất sét, W ≥100% đối với đất hữu cơ.  Chỉ số xuyên tiêu chuẩn N = 0~5.  Sức kháng cắt không thoát nước 20~40 kPa.  Góc nội ma sát  < 10o. 2. Phân loại đất yếu Những phân loại đất yếu sau đây theo tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 : ”Qui trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu” 1.1. Tuỳ theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có thể có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ. (a) Loại có nguồn gốc khoáng vật: thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu thổ; loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10~12%) nên có thể có mầu nâu đen, xám đen và có mùi. Đối với loại này được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên có:  Độ ẩm gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy (WL).  Hệ số rỗng : sét e ≥1.5, sét pha e ≥1.0. 234  Cường độ lực dính (c) theo kết quả cắt nhanh không thoát nước (sơ đồ UU): cu< 15 kN/m2, hoặc theo kết từ kết quả thí nghiệm cắt cánh ngoài hiện trường cu< 35 kN/m2.  Góc nội ma sát  = 0~10o. Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e>1.0, độ bão hoà Sr > 0.8). (b) Loại có nguồn gốc hữu cơ: thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân huỷ tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn các trầm tích khoáng vật. Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20~80%, thường có mầu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn vì lẫn các tàn dư thực vật. Các đặc trưng của loại đất này (W , e, cu, ) cũng được xác định giống như loại trên. Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ có trong chúng:  Đất nhiễm than bùn : Lượng hữu cơ có từ 20~30%.  Đất than bùn : Lượng hữu cơ có từ 30~60%.  Than bùn : Lượng hữu trên 60%. 1.2. Theo trạng thái tự nhiên có thể phân loại như sau: (a) Đất yếu loại sét hoặc sét pha phân loại theo độ sệt IL::  Nếu IL > 1 thì được gọi là bùn sét (đất yếu ở trạng thái chảy).  Nếu 0.75 < IL < 1 là đất yếu dẻo chảy. (b) Đất yếu loại đầm lầy than bùn được phân loại như sau:  Loại 1 : loại có độ sệt ổn định, thuộc loại này nếu vách đất đào thẳng đứng sâu 1m trong chúng vẫn duy trì được ổn định trong 1~2 ngày.  Loại 2: Loại có độ sệt không ổn định, loại này không đạt tiêu chuẩn loại 1 nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy.  Loại 3: Đất than bùn ở trạng thái chảy. iI. Các vấn đề đặt ra với nền đất yếu 1. Các vấn đề đặt ra với nền đất yếu Móng các công trình đặt trên nền đất yếu thường đặt ra những bài toán sau cần giải quyết: Độ lún có trị số lớn, ma sát âm tác dụng lên cọc do tính nén của nền đất. ổn định như sức chịu tải của móng, độ ổn định của nền đắp, ổn định mái dốc, á p lực đất lên tường chắn, sức chịu tải ngang trục của cọc. Thấm: cát chảy, thẩm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tác động của áp lực nước. Hoá lỏng: Đất nền bị hoá lỏng do tải trọng động của tầu hoả, ô tô và động đất. 2. Các dạng công trình đặt trên nền đất yếu Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, các vấn đề thực tế sau đây cần được quan tâm:  Xây dựng công trình giao thông, thuỷ lợi, đê điều và công trình cơ sở trên nền đất yếu. 235  Xử lý và gia cường nền đê, nền đường trên đất hiện đang khai thác và sử dụng cần có công nghệ xử lý sâu.  Xử lý trượt lở bờ sông, bờ biển và đê điều.  Lấn biển và các công trình trên biển.  Xử lý nền cho các khu công nghiệp được xây dựng ở ven sông, ven biển. iI. Khái quát về một số phương pháp xử lý nền đất yếu 1. Bệ phản áp Giải pháp này chỉ dùng khi đắp nền đường trực tiếp trên đất yếu với tác dụng tăng mức ổn định trượt trồi cho nền đường. Nếu đắp nền và đắp bệ phản áp đồng thời ở hai bên thì không cần khống chế tốc độ đắp, vì vậy có thể thi công nhanh. Nhược điểm của phương pháp này là không giảm được thời gian lún cố kết và không những không giảm được độ lún mà còn tăng thêm độ lún (do thêm tải trọng của bệ phản áp ở hai bên). Khối lượng đắp lớn và diện tích chiếm dụng phải giải phóng mặt bằng là lớn. Một số tiêu chí cho bệ phản áp:  Vật liệu đắp: là các loại đất hoặc cát thông thường, khi khó khăn có thể dùng cả đất lẫn hữu cơ.  Kích thước: - Bề rộng bệ phản áp mỗi bên nên vượt quá phạm vi cung trượt nguy hiểm ít nhất từ 1~3m. Mặt trên bệ phản áp phải tạo dốc ngang 2% ra phía ngoài. - Chiều cao bệ phản áp không quá lớn để có thể gây trượt trồi đối với chính phần đắp phản áp. Thường giả thiết chiều cao bệ phản áp bằng 1/3~1/2 chiều cao nền đắp rồi kiểm toán ổn định theo phương pháp mặt trụ tròn đối với bản thân bệ phản áp và đối với nền đắp có bệ phản áp.  Độ chặt đất đắp bệ phản áp nên đạt K ≥ 0.9. 2. Gia tải trước Phương pháp gia tải trước thường là giải pháp kinh tế nhất để xử lý nền đất yếu. Thông thường phương pháp này được kết hợp với thoát nước thẳng đứng bằng giếng cát hoặc bấc thấm. Tải trọng gia tải trước có thể bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình trong tương lai. Trong thời gian chất tải, độ lún và áp lực nước được quan trắc. Lứp đất đắp để gia tải được dỡ bỏ khi độ lún kết thúc hoặc đã đạt đến mức độ yêu cầu. Việc chất tải có thể đắp theo từng giai đoạn, sau mỗi lần chất tải tiến hành theo dõi độ lún và quan trắc tốc độ biến dạng của nền để tiếp tục chất tải hoặc có biện pháp điều chỉnh cho phù hợp với thực tế. 236 Gia tải trước là một công nghệ đơn giản, tuy vậy cần thiết phải khảo sát đất nền một cách chi tiết. Một số trường hợp do thời gian gia tải ngắn, thiếu độ quan trắc và đánh giá đầy đủ, nên sau khi xây dựng công trình, đất nền tiếp tục bị lún và công trình bị hư hỏng. 3. Cố kết động (đầm chặt lớp mặt) Cố kết động cho phép tăng cường độ và sức chịu tải và giảm độ lún của nền. Quả đầm bằng khối bê tông đúc sẵn có trọng lượng từ 10~15 tấn, được nhấc lên bằng cẩu và rơi xuống bề mặt nền từ độ cao 10~15m để đầm chặt nền. Khoảng cách giữa các hố đầm là 3x3m, 4x4m hoặc 5x5m. Độ sâu ảnh hưởng của đầm chắt cố kết động được tính bằng: 2 .HWD  (5.1) Trong đó: D: Độ sâu hữu hiệu được đầm chặt W: Trọng lượng quả đầm (tấn). H: Chiều cao rơi của quả đầm (m). Sau khi đầm chặt tại một điểm một vài lần, cát và đá được đổ đầy hố đầm. Phương pháp cố kết động để gia cố đất yếu đơn giản và kinh tế, thích hợp với hiện trường mới san lấp và đất đắp. 4. Cọc tre và cọc tràm Cọc tre và cọc tràm là công nghệ mang tính truyền thống để xử lý nền cho công trình có tải trọng nhỏ trên nền đất yếu. Cọc tre và cọc tràm có chiều dài từ 3~6m, có đường kính từ 5~10cm, được đóng để gia cường nền đất với mục đích làm tăng khả năng chịu tải và giảm độ lún. Theo kinh nghiệm, thường đóng 20~25 cọc cho 1m2. 5. Gia cường bằng cọc tiết diện nhỏ Cọc tiết diện nhỏ được hiểu là các loại cọc có đường kính từ 10~25 cm. Cọc nhỏ có thể được thi công bằng công nghệ đóng, ép, khoan phun. Cọc nhỏ là một giải pháp tốt vì mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Công nghệ cọc nhỏ cho phép giảm chi phí vật liệu, thi công đơn giản đồng thời truyền tải trọng công trình xuống lớp đất sâu hơn, giảm độ lún tổng cộng và độ lún lệch của công trình. 6. Cọc đất vôi và đất xi măng 237 Thiết bị công nghệ được dùng để chế tạo cọc đất xi măng và đất vôi. Các kết quả nghiên cứu cho thấy: - Cọc đất vôi và đất xi măng đóng vai trò thoát nước và gia cường nền. Đây là giải pháp công nghệ thích hợp để gia cố sâu nền đất yếu. - Các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng phụ thuộc vào thời gian, loại đất nền, hàm lượng nước, hàm lượng hữu cơ, thành phần hạt và hàm lượng xi măng và vôi sử dụng.. - Việc sử dụng xi măng rẻ hơn trong điều kiện Việt nam so với vôi. Tỷ lệ phần trăm thường dùng của vôi là từ 8~12% , đối với ximăng là từ 12~15% so với trọng lượng khô của đất. 7. Cọc đá và cọc cát đầm chặt Nhằm giảm độ lún và tăng cường độ đất yếu, cọc cát hoặc cọc đá đầm chặt được sử dụng. Cát được đầm chặt bằng hệ thống đầm rung và có thể sủ dụng công nghệ đầm trong ống thép. Sức chịu tải của cọc cát phụ thuộc váo áp lực bên của đất yếu tác dụng lên cọc. Theo Broms (1987) áp lực tới hạn bằng 25cu với cu = 20kPa, cọc cát D=40cm có sức chịu tải tới hạn là 60kPa. Hệ số an toàn bằng 1.5 có thể được sử dụng. 8. Giếng cát và bấc thấm Giếng cát và bấc thấm đều dùng để tăng độ cố kết cho nền đất yếu bằng việc tăng khả năng thoát nước theo chiều thẳng đứng. Tuy nhiên hai phương pháp có các công nghệ thi công khác nhau và tác động, hiệu quả xử lý cũng khác nhau. Nói chung, thi công bằng bấc thấm có tốc độ nhanh hơn thi công giếng cát nên các nhà thầu thường ưa thích hơn. hai phương pháp này sẽ được đề cập kỹ hơn trong phần sau. Bài 2 Một số biện pháp cơ học xử lý nền đất yếu 1. Biện pháp thay đất (đệm cát) 238  Khái niệm: Thay đất là đào bỏ một phần lớp đất yếu đến chiều sâu do tính toán yêu cầu và sau đó thay bằng lớp cát được đầm chặt. Như vậy phía dưới tầng đệm cát có thể vẫn là tầng đất yếu và tầng đệm cát được xem như là lớp balát dưới móng công trình. Hình 5.1 : Tầng đệm cát dưới móng công trình  Tác dụng của tầng đệm cát: Tăng sức chịu tải cho nền đất, giảm độ lún tổng cộng và giảm độ chênh lệch lún. Ngoài ra tầng đệm cát còn tăng nhanh khả năng thoát nước cố kết từ phía dưới đất yếu lên mặt đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng công trình.  Tính toán và bố trí tầng đệm cát: Thường giả thiết trước chiều dày tầng đệm cát sau đó kiểm toán lại sức chịu tải của nền đất phía dưới tầng đệm cát, nếu đạt yêu cầu là được. Công thức kiểm toán:   HooH Rhpkq  . (5-2) Trong đó: qH ứng suất do trọng lượng bản thân của đất ở độ sâu H. ko Hệ số tính ứng suất thẳng đứng của các điểm nằm dưới trọng tâm diện tích tải trọng. po áp lực đáy móng. F Ppo  (P: tải trọng tác dụng tại đáy móng; F : diện tích chịu tải của công trình).  Trọng lượng thể tích của đất yếu. h Chiều sâu đặt móng. RH Sức chịu tải tính toán của đất yếu tại độ sâu H. Bề rộng mặt tầng đệm cát phải rộng hơn đáy nền công trình mỗi bên tối thiểu là 0.5~1m. Độ chặt tầng đệm cát chỉ yêu cầu đạt K= 0.9. Cát dùng làm tầng đệm cát phải được đảm bảo các yêu cầu sau: Phải là loại cát có tỷ lệ hữu cơ ≤ 5%, cỡ hạt lớn hơn 0.25mm chiếm trên 50%, cỡ hạt nhỏ hơn 0.08mm chiếm ít hơn 5% và phải thoả mãn một trong hai điều kiện sau: h d H P Tầng đệm cát 239      3.1 6 6010 2 30 10 60   DD D D D (5-3) Trong đó: D10, D30, D60 Là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ hạt nhỏ hơn nó chiếm tương ứng là 10%, 30% hay 60%.  Thi công tầng đệm cát: Yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo phát huy hiệu quả của tầng đệm cát chính là độ chặt trong quá trình thi công. Để đảm bảo thi công đạt được độ chặt tốt nhất cho tầng đệm cát thường tiến hành thi công thành từng lớp có chiều dày mỗi lớp từ 25~50cm, không nên lớn quá 50cm. Thiết bị để đầm thường sử dụng là lu chân cừu, lu bánh lốp hay đầm rung có kết với với tưới nước khi đầm.  Ưu nhược điểm: Phương pháp đệm cát thi công đơn giản và rẻ tiền, thường á p dụng cho công trình có tải trọng nhỏ và khi lớp đất yếu nằm gần mặt. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là khối lượng đào đắp tương đối lớn sẽ có khả năng đẩy giá thành công trình tăng lên khi chiều dầy tầng đệm cát lớn. Hơn nữa khi tầng đệm cát nằm trong vùng có nước ngầm thay đổi thì trong tương lai có nguy cơ tầng đệm cát bị nước ngầm cuốn đi dẫn đến gây khả năng lún sụt cục bộ cho công trình. 2. Biện pháp cọc cát  Khái niệm: Phương pháp cọc cát là dùng một cọc gỗ hay thép đóng vào trong đất yếu sau đó nhổ cọc lên và lấp đầy cát to hoặc cát vừa vào lỗ cọc làm thành cọc cát.  Tác dụng của cọc cát: Cọc cát làm tăng độ chặt của đất vì khi đóng cọc vào trong đất, thể tích lỗ rỗng giảm đi bằng chính thể tích cọc cát đóng xuống, đồng thời cọc cát còn có tác dụng tăng độ cố kết của đất yếu do nước xung quanh cọc có thể thông qua cọc cát thoát lên phía trên.  Tính toán cọc cát: Thường chọn trước đường kính cọc cát (từ 20~60cm), sau đó tính khoảng cách cần thiết giữa các cọc cát (giá trị tham khảo khoảng cách giữa các cọc cát từ 1.5d~4d). C dd C d d C C 240 a) Bố trí hình vuông b) Bố trí hình tam giác đều Hình 5.2: Khoảng cách cọc cát được bố trí Khoảng cách giữa các cọc cát có thể tính theo công thức:          otk tk tko o tko o dc ee ed ee edc        952.0 1952.0 .32 1 . (5-4) Trong đó: c Khoảng cách giữa tim các cọc cát. d Đường kính cọc cát. eo Hệ số độ rỗng của đất yếu ở trạng thái tự nhiên. etk Hệ số độ rỗng của đất sau khi có cọc cát. o Trọng lượng thể tích của đất yếu ở trạng thái tự nhiên. tk Trọng lượng thể tích của đất sau khi có cọc cát. Như vậy hệ số rỗng đã giảm là tko eee  và tuỳ theo loại đất để quyết định etk : (1) Đất cát: Trước tiên phải quyết định độ chặt tương đối Id = 0.7~0.8, sau đó tính etk :  minmaxmax eeIee dtk  (5-5) (2) Đất sét pha: Trước tiên cũng phải quyết định trị số độ sệt IL muốn đạt tới. Từ chỉ số độ sệt IL đã định trước, tính độ ẩm:  PLLPtk WWIWW  tktk We . (5-6) (3) Đất cát pha: tính chất loại đất này ở giữa hai loại đất trên rất khó xác định giới hạn chảy và dẻo. Căn cứ vào tài liệu có thể dùng etk = 0.6~0.8 (cát nhiều thì dùng trị số nhỏ, tính dính nhiều thì dùng trị số lớn). (4) Sau khi tính được etk có thể căn cứ vào diện tích nền cần xử lý A để tính tổng diện tích mặt cắt cọc cát F (trị số A thường lấy lớn hơn diện tích đáy móng từ 10~20%) A e eeA e eF o tk o . 1 . 1 0    (5-7)  Thi công cọc cát: Thi công bằng máy chuyên dụng. Bộ phận chính của máy đóng là một ống thép rỗng, có đường kính bằng đường kính cọc cát cần đóng. Phía dưới đáy ống có một chi tiết là cái nắp, có tác dụng khi đóng ống thép cái nắp đặy lại không cho đất chui vào trong ống, còn khi rút lên cái nắp sẽ được mở ra, cát sẽ được một bộ phận phía trên nhồi vào trong ống thép và được đầm chặt bằng phương pháp đầm rung hay đầm trong ống chống. 241  Ưu nhược điểm của cọc cát: Cọc cát có ưu điểm là có độ tin cậy cao vì khi đóng cọc đến đâu thì thể tích lỗ rỗng trong nền đất giảm đi đến đó làm cho đất chặt ngay khi thi công, có thể sử dụng ngay khi lớp đất yếu nằm tương đối sâu. Ngoài ra cọc cát còn tạo khả năng thoát nước ở xung quanh cọc làm tăng độ cố kết cho nền dất. Tuy nhiên cọc cát có nhược điểm là kéo dài thới gian thi công và tạo ra chấn động trong quá trình thi công ảnh hưởng đến sự an toàn công trình lân cận. Nếu cọc cát còn thoát nước thì có khả năng dễ bị tắc đường thấm do các hạt nhỏ chui vào cọc và có thể bị ngắt đường thấm do nền đất bị biến dạng.  áp dụng: Phương pháp cọc cát được áp dụng khi nền đất yếu là loại đất rời rạc, cát pha hoặc sét pha có IL > 1. 3. Biện pháp giếng cát  Khái niệm: Khi xây dựng công trình trên nền đất dính bão hoà nước, sự cố kéo theo lún phụ thuộc vào tốc độ thoát nước, muốn cho đất chặt hơn, giảm độ lún lớn có thể dùng giếng cát để ép và thu nước xung quanh giếng cát làm cho đất chặt hơn. Phương pháp giếng cát là tạo ra nhiều rãnh để thoát nước được nhanh hơn và biện pháp này thường được kết hợp với gia tải trước. Trong quá trình cố kết nước bị ép ra làm u (u: áp lực nước lỗ rỗng) giảm. Theo tính toán có thể biết thời gian t để nền lún độ lún St. sau khi tiếp tục xây dựng công trình thì công trình sẽ bị lún một lượng là tSSS  (S: là độ lún tổng cộng). Độ lún S của công trình phải nhỏ hơn độ lún cho phép đối với từng loại công trình.  Tính toán giếng cát: Độ cố kết của nền có giếng cát được tính theo công thức của Hansbo sau đây:    hV UUU  1.11 (5-8) Trong đó: U Độ cố kết tổng. UV Độ cố kết theo phương thẳng đứng (tra bảng hay biểu đồ dựa vào yếu tố thời gian TV). t H C T tb V V .2 2 2       Vi i atb V C h ZC H là chiều sâu thoát nước cố kết theo phương thẳng đứng (thường bằng chiều sâu giếng cát H= L), nếu có một mặt thoát nước thì H=Za, nếu có hai mặt thoát nước thì H=0.5Za (Za : chiều sâu vùng chịu nén) Uh Độ cố kết theo phương thẳng ngang (tra biểu đồ dựa vào yếu tố thời gian Th) 242   n h h h h a ekC t R CT . 1. . .4 2   t Thời gian cố kết. kV Hệ số thấm theo phương đứng kh Hệ số thấm theo phương ngang L Chiều sâu giếng cát R Một nửa khoảng cách giữa hai giếng cát. a Hệ số nén lún của đất. e Hệ số rỗng của đất ở trnạg thái tự nhiên n Trọng lượng riêng của nước. Cho t một giá trị rồi tra ra UV và Uh thay vào được U từ đó tính ra St. Khi cần giảm thời gian cố kết thì giảm khoảng cách giữa các giếng cát.  Thi công: Phương pháp thi công cũng gần giống như thi công cọc cát, tuy nhiên khi cho cát vào trong ống thì cát không được đầm kỹ như phương pháp cọc cát.  Ưu nhược điểm: Ưu điểm của giếng cát là tăng nhanh khả năng thoát nước làm tăng độ cố kết của nền và làm cho nền chặt lại. Phương pháp này có thể sử dụng vật liệu cát địa phương nên đôi khi mang giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên cũng như cọc cát, khi thi công gây chấn động và kéo dài thời gian đồng thời trong quá trình thoát nước có khả năng bị tắc hay ngắt đường thấm. 4. Biện pháp bấc thấm  Khái niệm: Bấc thấm (PVDs: Prefabricated Vetical Drainages) có chiều rộng a = 100~120mm, và chiều dày b= 5~10mm, gồm hai bộ phận chính: - Lõi bấc thấm là một băng chất dẻo bằng nhựa tổng hợp Polypropylene (hay polyester), có tính dai và co giãn, chịu được lực kéo. Chức năng của lõi là tạo ra các rãnh trong đất để nước xung quanh thông qua lõi thoát nước theo chiều thẳng đứng lên phía trên hay xuống phía dưới, từ đó được thoát ra ngoài nhằm tăng độ chặt cho nền đất. Mặt cắt ngang của lõi như hình 5.3. Hình 5.: Cấu tạo mặt cắt lõi bấc thấm a b a b 243 - Vỏ bọc bằng vải địa kỹ thuật có chức năng bảo vệ phần lõi bên trong không cho các hạt vật liệu nhỏ chui vào trong làm tắc đường thấm.  Yêu cầu kỹ thuật của bấc thấm: Bấc thấm phải đạt các yêu theo TCXD 245-2000: Cường độ chịu kéo (cặp hết chiều rộng bấc thấm) > 1.6kN. Độ giãn dài (cặp hết chiều rộng bấc thấm) > 20%. Khả năng thoát nước dưới áp lực 10 kN/m2 với gradien i = 0.5 là (80~140).10-6 m3/s. Khả năng thoát nước dưới áp lực 400 kN/m2 với gradien i = 0.5 là (60~80).10-6 m3/s.  Tính toán và bố trí bấc thấm: Tính toán và bố trí bấc thấm phải xuất phát từ yêu cầu đối với mức độ cố kết cần đạt được hoặc tốc độ lún dự báo còn lại trước khi xây dựng công trình. Trường hợp chung, mức độ cố kết phải đạt được tối thiểu U=90%. Đối với đường cấp cao tốc độ lún dự báo còn lại phải < 2cm/năm. Tính toán mật độ cắm bấc thấm theo nguyên tắc thử dần với các cự li cắm bấc thấm khác nhau. Để không làm xáo động đất quá lớn, khoảng cách cắm bấc thấm tối thiểu là 1.3m, còn để đảm bảo chúng làm việc hiệu quả không nên bố trí xa quá 2.2m. Qui định về bố trí bấc thấm như sau: - Phải bố trí bấc thấm phân bố đều trên mặt bằng công trình có điều kiện địa chất công trình như nhau. - Đối với công trình dân dụng và công nghiệp, bấc thấm được bố trí ngay dưới móng công trình và ra ngoài mép công trình về mỗi phía một khoảng 0.2b (b : bề rộng công trình). - Đối với công trình đường thì phải bố trí bấc thấm đến chân taluy của nền đắp. - Bấc thấm được bố trí theo lưới vuông hoặc tam giác đều. Chiều dài cắm của bấc thấm phải bố trí hết chiều dài chịu nén cực hạn Za của nền đất dưới tác dụng của tải trọng công trình. Chiều sâu Za này kết thúc ở chỗ có z = (0.1~0.2).VZ. (z do tải trọng công trình, VZ do trọng lượng bản thân của các lớp đất, và phải xét đến các trường hợp sau: - Nếu Za < chiều dày tầng đất yếu thì bấc thấm chỉ cần cấm hết chiều dày Za. - Khi lớp đất yếu quá dầy, bề rộng công trình quá lớn (Za > 20m) thì cần chú ý đến chiều sâu hiệu quả thực sự của bấc thấm. - Trường hợp bên dưới Za có tầng cát mịn chứa nước có áp thì không csắm bấc thấm vào tầng cát mịn đó. Khoảng cách giữa các bấc thấm được tính theo công thức: Căn cứ vào thời gian cần thiết t để đạt được độ cố kết yêu cầu U% (U=90% hay U=0.9) để xác định đường kính ảnh hưởng của bấc thấm D (tính bằng m), từ đó xác định ra khoảng cách giữa các bấc thấm L:        11 1 . . .. 2 UP DDL n  (5-9) Trong đó:  = 0.5~1.0 244  Hệ số, phụ thuộc vào n=D/dW xác định theo biểu đồ. Hệ số này do người thiết kế lựa chọn bằng cách thử dần quan hệ n=D/dW sao cho có độ cố kết U tốt nhất và thời gian cố kết t ngắn nhất. dW Đường kính tương đương của bấc thấm.    badW  .2 (với a, b là kích thước của bấc thấm) n Trọng lượng riêng của nước P Tải trọng công trình hay tải trọng nén trước. U Độ cố kết tổng cộng. (được tính như công thức 5-8)    hV UUU  1.11 Xác định UV như tính giếng cát, còn Uh được tính như sau:        rSn h h FFF TU 8exp1 (5-10) Trong đó: Th Nhân tố thời gian theo phương ngang. t D CT hh .2 Bố trí bấc thấm theo sơ đồ hình vuông hay tam giác: - Với sơ đồ hình vuông D = 1.13L. - Với sơ đồ hình tam giác D = 1.05L. Ch Hệ số cố kết theo phương ngang. ở giai đoạn lập dự án khả thi trị số Ch = (2~5) CV F(n) Nhân tố xét đến ảnh hưởng của khoảng cách bố trí bấc thấm, được xác định tuỳ thuộc vào n, theo công thức:     2 2 2 2 4 13ln. 1 n n n n nF n  Fs Nhân tố xét đến ảnh hưởng của vùng đất bị xáo động xung quanh bấc thấm (làm hệ số thấm trong vùng đó giảm đi) Fr Nhân tố xét đến ảnh hưởng về sức cản của bấc thấm.  Thi công bấc thấm: Thiết bị cắm bấc thấm có các đặc trưng kỹ thuật sau: 245 - Trục tâm để lắp bấc thấm có tiết diện 60x120mm, dọc trục có vạch chia đến cm để theo dõi chiều sâu cắm bấc thấm và phải có quả dọi để thường xuyên kiểm tra độ thẳng đứng khi cắm bấc thấm vào trong đất. - Máy phải có lực đủ lớn để cắm bấc thấm đến độ sâu thiết kế. Trình tự thi công bấc thấm như sau: (1) Định vị tất cả các điểm sẽ phải cắm bấc thấm bằng máy đo đạc thông thường theo hàng dọc và hàng ngang đúng với sơ đồ thiết kế, công việc này áp dụng cho từng ca máy. (2) Đưa máy cắm bấc thấm vào đúng vị trí theo đúng hành trình đã vạch trước. Xác định vạch xuất phát trên trục tâm để tính chiều dài bấc thấm được cắm vào đất, kiểm tra độ thẳng đứng của bấc thấm. (3) Lắp bấc thấm vào trục tâm và điều khiển máy đưa đầu trục tâm đến vị trí cắm bấc thấm. (4) Gắn đầu neo vào đầu dưới của bấc thấm với chiều dài bấc thấm được gấp lại tối thiểu là 30cm và được ghim bằng ghim thép. Các đầu neo phải có kích thước phù hợp với bấc thấm (thường là bằng tôn 85x150mm dày 0.5mm). (5) Cắm trục tâm đã được lắp bấc thấm đến độ sâu thiết kế với tốc độ đều trong phạm vi 0.2~0.6m/s. sau khi cắm xong, kéo trục tâm lên (lúc này đầu neo giữ bấc thấm lại trong đất). Khi trục tâm đã được kéo lên hết, dùng kéo cắt đứt bấc thấm sao cho còn lại ít nhất 20cm đầu bấc thấm nhô lên trên lớp đệm cát và quá trình lặp lại cho vị trí khác. (6) Sau khi cắm xong thi công lớp đệm cát thoát nước ở bên trên.  Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của bấc thấm: - Chiều cao đất đắp: có ảnh hưởng đến hiệu quả của bấc thấm. Chiều cao đất đắp phải tạo nên một áp lực đủ lớn để quá trình cố kết trong đất xảy ra. Chiều cao đất đắp tối thiểu được xác định theo công thức: i P i Z   (5-11) Trong đó: i P áp lực tiền cố kết trong lớp đất thứ i. i Z ứng suất do tải trọng ngoài gây ra tại lớp đất thứ i. - Thành phần và tính chất của đất yếu: khả năng lấy nước của bấc thấm ra khỏi đất không chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của bấc thấm mà còn phụ thuộc vào thành phần và tính chất của đất yếu, đặc biệt là các chỉ tiêu về tính thấm của đất (KV. Kh), các chỉ tiêu về cường độ của đất (, c) và các tạp chất hữu cơ có trong đất. - Khoảng cách cắm bấc thấm: có ảnh hưởng đến tốc độ cố kết của đất nền, khi khoảng cách giữa các bấc thấm càng gần tốc độ cố kết của đất càng tăng lên, ngược lại nếu xa quá thì chiều dài dòng thấm tới bấc thấm sẽ lớn khi đó hiệu quả của bấc thấm là kém. - Chiều sâu cắm bấc thấm: nếu chiều sâu cắm lớn thì hiệu quả thoát nước của bấc thấm cũng giảm đi do chiều dài dòng thấm theo phương thẳng đứng là lớn. Trong trường hợp 246 nếu cấu trúc địa chất dưới nền công trình là tầng cát chứa nước có áp mà chúng ta lại cắm bấc thấm vào tầng đó thì bấc thấm chỉ lấy nước của tầng nước có áp, ngược lại nếu dưới là nền cát chứa nước không áp thì nên cắm bấc thấm vào tầng này để giảm chiều dài đường thấm.  Ưu nhược điểm của bấc thấm: Ưu điểm của phương pháp này là thi công rất nhanh, tốc độ thoát nước tốt và hiệu quả xử lý thường là có kết quả tốt do bấc thấm không bị cắt hay tắc đường thấm mà có khả năng biến dạng khi nền biến dạng. Nhược điểm của phương pháp này là đôi khi độ tin cậy thấp do trong quá trình tính toán phải phụ thuộc vào rất nhiều tham số khác nhau nên người thiết kế dễ mắc sai lầm khi đưa vào các giá trị tham số tính toán. Hơn nữa hiện tại Việt Nam vẫn phải nhập bấc thấm nên giá thành cao. Và cuối cùng cần phải xem xét đến vấn đề môi trường địa kỹ thuật sẽ bị ảnh hưởng do bấc thấm là chất nhựa tổng hợp được cắm vào trong đất sau nhiều năm có thể tác động xấu đến môi trường.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfgiao_trinh_nen_mong_cau_duong_chuong_5_den_chuong_7.pdf
Tài liệu liên quan