Phân tích tác dụng của dung dịch khoan bentonite và polymer trong thi công cọc khoan nhồi nhằm chọn lựa hợp lý dung dịch theo điều kiện địa chất công trình

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- HOÀNG QUỐC ĐẠT PHÂN TÍCH TÁC DỤNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN BENTONITE VÀ POLYMER TRONG THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI NHẰM CHỌN LỰA HỢP LÝ DUNG DỊCH THEO ĐIỀU KIỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HOÀNG QUỐC ĐẠT

PHÂN TÍCH TÁC DỤNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN

BENTONITE VÀ POLYMER TRONG THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI NHẰM CHỌN LỰA HỢP LÝ DUNG DỊCH

THEO ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

ANALYSING EFFECT OF BENTONITE AND POLYMER FLUIDS IN CONSTRUCTION OF BORED PILES TO CHOOSE REASONABLE FLUID ACCORDING TO GEOTECHNICAL

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Trường Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lê Trọng Nghĩa

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Võ Phán - Chủ tịch hội đồng

2 PGS.TS Lê Bá Vinh - Ủy viên hội đồng

3 TS Lê Trọng Nghĩa - Ủy viên, phản biện 1 hội đồng

4 PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn - Ủy viên, phản biện 2 hội đồng

5 TS Nguyễn Tuấn Phương - Thư ký hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 10/02/1994 Nơi sinh: Đắk Lắk

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm Mã số: 8580204

TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH TÁC DỤNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN

BENTONITE VÀ POLYMER TRONG THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI NHẰM CHỌN LỰA HỢP LÝ DUNG DỊCH THEO ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ANALYSING EFFECT OF BENTONITE AND POLYMER FLUIDS IN CONSTRUCTION OF BORED PILES TO CHOOSE REASONABLE FLUID ACCORDING TO GEOTECHNICAL CONDITIONS

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch khoan lên ổn định của thành hố khoan

Nghiên cứu tác động của dung dịch đến sức chịu tải của cọc khoan nhồi

So sánh sự khác nhau giữa 2 dung dịch khoan trên phương diện quá trình thi công và sức chịu tải nhằm đưa ra dung dịch khoan hợp lý theo điều kiện địa chất công trình

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2022

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/06/2022

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Bùi Trường Sơn

TP HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2022

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS Bùi Trường Sơn

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS Lê Bá Vinh

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Sau những năm tháng cố gắng học tập và nghiên cứu, em đã hoàn thành được luận văn thạc sĩ với đề tài “Phân tích tác dụng của dung dịch khoan Bentonite và Polymer trong thi công cọc khoan nhồi nhằm chọn lựa hợp lý dung dịch theo điều kiện địa chất công trình” Em luôn ghi nhận những sự ủng hộ, hỗ trợ cùng những đóng góp nhiệt tình của những người bên cạnh mình Nhân đây em được xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến họ

Lời đầu tiên em xin cảm ơn thầy PGS.TS Bùi Trường Sơn, người đã dìu dắt, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn Sự định hướng và chỉ bảo của thầy đã giúp em nghiên cứu, phân tích và giải quyết vấn đề một cách khoa học, đúng đắn hơn

Sự tận tình và kiến thức bao la của thầy đã giúp em hoàn thành luận văn một cách tốt nhất có thể

Tiếp theo, em xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Bộ phận sau Đại học, Phòng đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho chúng tôi được học tập, hoàn thành khóa luận một cách thuận lợi Xin cảm ơn quý thầy cô giáo tại Bộ môn Địa Cơ Nền Móng cũng như các thầy cô trong trường đã dạy

dỗ, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian qua

Em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và các đồng nghiệp Công ty cổ phần Fecon South đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong công việc cũng như học tập Đã giúp

em có thể theo học, hoàn thành chương trình học một cách tốt nhất

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến gia đình đã mang đến niềm vui và theo dõi em suốt chặng đường đời Luôn bên cạnh động viên, cổ vũ và giúp đỡ

em trong những giây phút khó khăn nhất của cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trên phương diện nghiên cứu về dung dịch trong thi công cọc khoan nhồi, luận văn nghiên cứu về đặc điểm, tính chất cơ lý của hai dung dịch phổ biến hiện nay trong thi công cọc khoan nhồi hiện nay là Bentonite và Polymer Trên cơ sở đó phân tích, đánh giá ảnh hưởng của dung dịch trong quá trình thi công, tác dụng giữ thành của dung dịch cũng như khả ảnh hưởng đến sức chịu tải của dung dịch đến cọc khoan nhồi của hai dung dịch Luận văn so sách hiệu quả của hai dung dịch được sử dụng trên hai vấn đề về thi công và sức chịu tải của cọc nhằm chọn lựa dung dịch tốt nhất theo điều kiện địa chất công trình khi thi công cọc khoan nhồi

ABSTRACT OF THESIS

In aspect of research about fluid in bored pile construction, the thesis researches

on the characteristics and mechanical properties of the two common fluids today in the construction of bored piles currently is Bentonite and Polymer On that basis analyzing and assessing the effect of the fluids during the construction process, the effect of holding the walls of the fluid as well as the ability to affect the load capacity of the bored pile with two fluids The thesis compares the effectiveness of the two fluids used

on two issues about construction progress and the bearing capacity of the pile in order

to choose the best fluids according to the geotechnical conditions of the project when constructing bored piles

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan luận văn về đề tài “Phân tích tác dụng của dung dịch khoan Bentonite và Polymer trong thi công cọc khoan nhồi nhằm chọn lựa hợp lý dung dịch theo điều kiện địa chất công trình” là công trình nghiên cứu cá nhân của em trong thời gian qua Luận văn này được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy PGS.TS Bùi Trường Sơn Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu

là do em tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng

và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này

Học viên

Hoàng Quốc Đạt

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ……….iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

ABSTRACT OF THESIS iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC ……….vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix

MỞ ĐẦU ……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ VAI TRÒ CỦA DUNG DỊCH KHOAN LÊN THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI 4

1.1 GIỚI THIỆU VỀ DUNG DỊCH KHOAN 4

1.1.1 Giới thiệu về bentonite trong thi công cọc khoan nhồi 5

1.1.2 Giới thiệu về polymer trong thi công cọc khoan nhồi 7

1.2 TÁC DỤNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI 11

1.3 NHẬN XÉT CHƯƠNG 12

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN CỌC KHOAN NHỒI 14

2.1 TÁC ĐỘNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN CHUYỂN VỊ HỐ KHOAN ……….14

2.2 TÁC ĐỘNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI 16

2.2.1 Thành phần ma sát bên đơn vị 16

2.2.2 Sức chịu tải của cọc 22

2.3 NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 29

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH TÁC DỤNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN BENTONITE VÀ POLYMER TRONG THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI NHẰM CHỌN LỰA HỢP LÝ DUNG DỊCH THEO ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ………30

3.1 DỮ LIỆU SỬ DỤNG ĐỂ PHÂN TÍCH TÁC DỤNG DUNG DỊCH KHOAN TRONG THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI 30

3.1.1 Công trình Techtronic Tools Item – Gói thầu thi công cọc 30

3.1.2 Công trình Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 33

3.1.3 Công trình Khu dân cư Hoàng Nam, Lô F – Akari Hoàng Nam 36

3.2 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN LÊN KHẢ NĂNG GIỮ ỔN ĐỊNH THÀNH VÁCH 37

3.2.1 So sánh cấp phối sử dụng 37

3.2.2 Phân tích chuyển vị thành hố khoan 43

3.3 ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO DUNG DỊCH 46

3.3.1 Cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch Bentonite 47

3.3.2 Cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch Polymer 56

3.3.3 So sánh và đánh giá kết quả thí nghiệm nén tĩnh của cọc sử dụng Bentonite và Polymer 66

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

KẾT LUẬN 73

KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Chỉ tiêu cơ lý của dung dịch bentonite 5

Bảng 1-2: Chỉ tiêu cơ lý của dung dịch polymer 9

Bảng 2-1 :Phương pháp thiết kế dựa trên kết qủa CPT 16

Bảng 2-2: Phương pháp phân tích thiết kế 17

Bảng 2-3: Hệ số K1 theo loại đất rời 23

Bảng 3-1: Thông tin cọc thử dự án TTI 33

Bảng 3-2: Thông tin cọc thử dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn Cao cấp 35

Bảng 3-3: Thông tin cọc thử dự án Akari 36

Bảng 3-4: Kết quả cấp phối polymer trước khi thi công cọc thử TP2C-01 37

Bảng 3-5: Kết quả cấp phối bentonite trước khi thi công cọc thử TP2A-02 39

Bảng 3-6: Kết quả cấp phối polymer trộn bentonite trước khi thi công cọc thử TP2B-03 41

Bảng 3-7: Giá trị áp lực ngang tại hố khoan TP2C-01 theo độ sâu 43

Bảng 3-8: Giá trị áp lực ngang tại hố khoan TP2A-02 theo độ sâu 44

Bảng 3-9: Giá trị áp lực ngang tại hố khoan TP2B-03 theo độ sâu 45

Bảng 3-10: Thống kê số lượng và vị trí đầu đo biến dạng thân cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 49

Bảng 3-11: Kết quả số đo biến dạng cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 50

Bảng 3-12: Kết quả ma sát thành đơn vị dọc theo thân cọc TP01 51

Bảng 3-13: Phân bố tải trọng theo chiều sâu cọc TP01 54

Bảng 3-14: Thống kê số lượng và vị trí đầu đo biến dạng thân cọc TP-A-2 dự án Akari 58

Bảng 3-15: Kết quả số đo biến dạng cọc TP-A-2 dự án Akari 60

Bảng 3-16: Kết quả ma sát thành đơn vị dọc theo thân cọc TP-A-2 61

Bảng 3-17: Phân bố tải trọng theo chiều sâu cọc TP-A-2 64

Bảng 3-18: So sánh địa chất dự án TMDV và KSCC và dự án Akari theo chiều sâu 66

Bảng 3-19: So sánh ma sát bên đơn vị của 2 cọc khoan nhồi ở vị trí 13 m-15 m 69

Bảng 3-20: So sánh ma sát bên đơn vị của 2 cọc khoan nhồi ở vị trí 36 m-38 m 70

Bảng 3-21: So sánh ma sát bên đơn vị của 2 cọc khoan nhồi ở vị trí 51 m-62 m 70

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Kiểm tra dung dịch khoan bằng thí nghiệm 6

Hình 1-2: Quy trình thi công cọc khi sử dụng Bentonite 7

Hình 1-3: Cấu trúc phân tử Polymer (Nguồn: internet) 8

Hình 1-4: Quy trình thi công cọc khi sử dụng Polymer 10

Hình 1-5: Cơ chế giữ ổn định hố đào của dung dịch 12

Hình 2-1: Lắp đặt sensor trong thí nghiệm biến dạng thân cọc 19

Hình 2-2: Quan hệ ma sát đơn vị và tải trọng thí nghiệm (Hình minh họa) 21

Hình 2-3: Tải trọng phân bố theo chiều sâu (Hình minh họa) 21

Hình 2-4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nén tĩnh có hệ cọc xoắn neo đối trọng 25

Hình 2-5: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị trong thí nghiệm nén tĩnh 27

Hình 2-6: Biểu đồ quan hệ chuyển vị – thời gian trong thí nghiệm nén tĩnh 27

Hình 2-7: Biểu đồ quan hệ tải trọng – thời gian trong thí nghiệm nén tĩnh 28

Hình 2-8: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị – thời gian trong thí nghiệm nén tĩnh 28

Hình 3-1: Hình trụ hố khoan đặc trưng dự án Techtronic Tools Item 32

Hình 3-2: Hình trụ hố khoan đặc trưng ở dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 35

Hình 3-3: Kết quả Koden khi sử dụng dung dịch Polymer (P1) dự án TTI 39

Hình 3-4: Kết quả Koden khi sử dụng dung dịch Bentonite (B1) dự án TTI 40

Hình 3-5: Kết quả Koden sau khoan khi sử dụng cấp phối dung dịch (PB1) dự án TTI 41

Hình 3-6: Biểu đồ áp lực ngang theo chiều sâu hố khoan TP2C-01 44

Hình 3-7: Biểu đồ áp lực ngang theo chiều sâu hố khoan TP2A-02 45

Hình 3-8: Biểu đồ áp lực ngang theo chiều sâu hố khoan TP2B-03 46

Hình 3-9: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 47

Hình 3-10: Biểu đồ quan hệ tải độ lún – thời gian cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 48

Hình 3-11: Biểu đồ quan hệ tải tải trọng – thời gian cọc TP01 dự án Thương mại dịch

vụ và Khách sạn cao cấp 48

Hình 3-12: Biểu đồ quan hệ tải tải trọng – thời gian – độ lún cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 49

Hình 3-13: Ma sát đơn vị theo cấp tải cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 52

Hình 3-14: Ma sát đơn vị theo chiều sâu cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 53

Hình 3-15: Phân bố tải trọng theo chiều sâu – Chu kỳ 1 cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 55

Hình 3-16: Phân bố tải trọng theo chiều sâu – Chu kỳ 2 cọc TP01 dự án Thương mại dịch vụ và Khách sạn cao cấp 55

Hình 3-17: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún cọc TP-A-2 dự án Akari 56

Hình 3-18: Biểu đồ quan hệ độ lún - thời gian cọc TP-A-2 dự án Akari 57

Hình 3-19: Biểu đồ quan hệ tải trọng – thời gian cọc TP-A-2 dự án Akari 57

Hình 3-20: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún - thời gian cọc TP-A-2 dự án Akari 58

Hình 3-21: Ma sát đơn vị theo cấp tải cọc TP-A-2 dự án Akari 62

Hình 3-22: Ma sát đơn vị theo chiều sâu cọc TP-A-2 dự án Akari 63

Hình 3-23: Phân bố tải trọng theo chiều sâu – Chu kỳ 1 cọc TP-A-2 dự án Akari 65

Hình 3-24: Phân bố tải trọng theo chiều sâu – Chu kỳ 2 cọc TP-A-2 dự án Akari 65

MỞ ĐẦU

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và khu Đồng bằng sông Cửu Long nói chung đa phần là đất yếu với chiều dày lớn Do vậy, việc sử dụng cọc trong thi công các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp hay cầu đường rất phổ biến Đặc biệt, với những công trình có tải trọng lớn, cọc khoan nhồi bê tông cốt thép là một trong những phương pháp hiệu quả, được sử dụng rộng rãi để đảm bảo khả năng chịu tải của nền móng công trình Hiện nay, ước tính hàng năm có khoảng 50 ÷ 70 nghìn mét dài cọc khoan nhồi có đường kính 0,8 ÷ 2,5 m được thực hiện, với chi phí khoảng

1300 ÷ 1400 tỷ đồng

Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép thường được thiết kế mang tải trọng lớn nên sử dụng chúng trong xây dựng luôn là vấn đề được quan tâm đặc biệt Việc thiết kế và thi công cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đòi hỏi nhiều kỹ thuật và tính toán phức tạp Từ việc chọn chiều dài cọc, đường kính cọc, cốt thép thân cọc trong tính toán đến thiết bị, năng lực của đơn vị thi công Một trong số đó, việc lựa chọn dung dịch khoan cũng được lựa chọn một cách kỹ lưỡng nhằm mục đích hiệu quả nhất trong thi công Dung dịch khoan trong cọc khoan nhồi ảnh hưởng lớn đến thi công, từ việc giữ thành hố khoan, giảm ma sát cho gàu khoan đến việc tăng tải trọng cho cọc cũng được nghiên cứu kỹ lưỡng trong từng điều kiện địa chất khác nhau Do đó, việc phân tích, đánh giá tác dụng của dung dịch khoan trong thi công cọc khoan nhồi nhằm chọn lựa hợp lý dung dịch là việc hết sức cần thiết Hai dung dịch khoan được sử dụng phổ biến hiện nay cho cọc khoan nhồi là Bentonite và Polymer (thuật ngữ dung dịch khoan để chỉ hai loại dung dịch khoan phổ biến này) Chúng có những ảnh hưởng khác nhau đến thi công cọc khoan nhồi Luận văn phân tích tác dụng của dung dịch khoan Bentonite và Polymer trong thi công cọc khoan nhồi nhằm chọn lựa hợp lý dung dịch theo điều kiện địa chất công trình

Luận văn nghiên cứu tác dụng của hai dung dịch khoan trong thi công cọc khoan nhồi theo cấu tạo địa chất Trên cơ sở đó lựa chọn dung dịch khoan phù hợp nhằm đưa lại hiệu quả tốt nhất trong thi công cọc khoan nhồi

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Đề tài được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm với các phương pháp: tính toán theo giải tích, phân tích và so sánh dữ liệu thí nghiệm hiện trường

Phương pháp tính toán theo giải tích: Tính toán áp lực ngang và đánh giá ổn định của hố khoan trên cơ sở lý thuyết đàn hồi

Phương pháp phân tích và so sánh dữ liệu thí nghiệm hiện trường: Nghiên cứu công trình cụ thể phụ thuộc vào các kết quả thí nghiệm Koden kiểm tra độ thẳng đứng

hố khoan, thí nghiệm nén tĩnh, thí nghiệm đo độ biến dạng cọc và thí nghiệm đo độ giãn cọc đạt được sau quá trình thi công cọc thử để đánh giá sức chịu tải cọc

Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép được thiết kế với tải trọng lớn và được sử dụng phổ biến hiện nay nên việc nghiên cứu, cải tiến để tăng sức chịu tải hay rút ngắn thời gian thi công, nâng cao hiểu quả công việc có ý nghĩa rất lớn Bentonite và polymer được dùng phổ biến nhất hiện nay trong cọc khoan nhồi bê tông cốt thép và có những tác dụng khác nhau cũng như quy cách thi công khác nhau

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng cọc khoan nhồi sử dụng polymer có sức chịu tải cao hơn hay rút ngắn thời gian thi công hơn so với sử dụng bentonite Tuy nhiên, việc sử dụng polymer chỉ ra cọc được tăng sức chịu tải chỉ mới ở giai đoạn nghiên cứu và bentonite cũng có nhiều ưu thế trong từng điều kiện địa chất khác nhau Do đó, việc chọn dung dịch khoan khi thi công cọc khoan nhồi là quan trọng và giúp giảm thiểu rủi

ro thi công, giảm thời gian thi công

TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu áp dụng cho thiết kế và thi công cọc khoan nhồi Với những nơi

có cấu tạo địa chất phức tạp, việc lựa chọn dung dịch khoan đóng vai trò quan trọng Dung dịch khoan được lựa chọn là bentonite, polymer hay phối hợp cả hai theo một tỉ

lệ nhất định để phù hợp với cấu tạo địa chất Việc này ảnh hưởng đến tiến độ, an toàn, chất lượng khi thi công cọc khoan nhồi, hay cả vấn đề hiệu quả kinh tế cũng được xem xét trên phương diện quản lý xây dựng

GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn cũng như đề tài được nêu ra, vẫn còn nhiều thiếu sót chưa được nghiên cứu như :

Luận văn chưa đi sâu và tìm hiểu về thành phần hóa học của các loại dung dịch dùng trong thi công cọc khoan nhồi

Luận văn chưa tìm hiểu được thêm các loại dung dịch khác có thể được sử dụng trong thi công cọc khoan nhồi

Luận văn không xét đến dòng chảy của dung dịch len vào trong đất trong trường hợp xảy ra sự cố thất thoát dung dịch khoan

Luận văn chưa đánh giá được tác động môi trường của dung dịch khoan

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ VAI TRÒ CỦA DUNG DỊCH KHOAN LÊN THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI

1.1 GIỚI THIỆU VỀ DUNG DỊCH KHOAN

Trong thi công cọc khoan nhồi thì việc sử dụng dung dịch hỗ trợ khoan là một điều không thể thiếu Nhiệm vụ của dung dịch giống như thay thế phần đất được đào

ra Dung dịch có khả năng tạo màng keo (tỉ lệ keo >95%) phủ lên bề mặt thành hố khoan nên có tác dụng cách nước giữa thành hố khoan và đất xung quanh đồng thời giữ ổn định thành hố khoan Ngoài ra, dung dịch còn làm giảm ma sát giữa gàu khoan

và đất khiến cho việc thi công trở nên dễ dàng và tránh hư hại các thiết bị thi công

Hai dung dịch được dụng phổ biến hiện nay là Bentonite và Polymer Tùy theo điều kiện địa chất, thuỷ văn, nước ngầm, thiết bị khoan để chọn phương pháp giữ thành hố khoan và dung dịch khoan thích hợp

Trước đây, dung dịch bentonite được sử dụng phổ biến Ngày nay, dung dịch polymer cũng được đưa vào sử dụng trong thi công cọc khoan nhồi bê tông cốt thép trong nhiều trường hợp Cũng có nhiều công trình sử dụng hỗn hợp 2 loại dung dịch trên cho phần thi công hồ khoan, ví dụ như công trình cầu Cần Thơ ở hạng mục cọc khoan nhồi cũng sử dụng hỗn hợp 2 loại dung dịch trên theo một tỷ lệ nhất định

Nhờ việc có tỉ trọng thấp hơn tỉ trọng của bê tông (tỉ trọng của dung dịch từ 1,05 đến 1,15) do đó khi đổ bê tông thì dung dịch được đẩy nổi lên trên Dung dịch có

độ nhớt cao kết hợp với màng keo có thể ngăn được nước từ các khe ngầm Dung dịch sau khi thi công sẽ được thu hồi, sàng lọc và pha trộn đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý để sử dụng cho lần thi công sau

Trong khi thi công hố khoan cũng cần phải lưu ý đến mực dung dịch được giữ trong thành hố khoan Cao độ của dung dịch khoan được tính theo nguyên lý cân bằng

áp lực ngang giữa cột dung dịch trong hố khoan và áp lực của đất nền và nước quanh vách hố khoan Khi khoan trong địa tầng dễ sụt lở, áp lực cột dung dịch phải luôn lớn hơn áp lực ngang của đất và nước bên ngoài Khi mực nước ngầm lên cao (lên đến mặt đất) cho phép tăng tỉ trọng dung dịch bằng các chất có tỷ trọng cao như barit, cát magnetic,…

1.1.1 Giới thiệu về bentonite trong thi công cọc khoan nhồi

Dung dịch bentonite đã được sử dụng phổ biến trong thi công cọc khoan nhồi cũng như thi công các hố đào sâu từ trước đến nay

Bentonite là loại sét khoáng có tính trương nở và có độ nhớt cao chủ yếu được hình thành bởi sét montmorillonite Đặc trưng của bentonite là sự len lỏi các hạt sét vào lỗ rỗng của đất xung quanh, trương nở lấp kín lỗ rỗng, hình thành lớp màng bùn bảo vệ bề mặt vách hố khoan tạo nên tính ổn định cho thành hố Hiệu quả của việc sử dụng phương pháp bentonite là việc ngăn ngừa sự lắng mùn qua thời gian của đáy hố công trình Bentonite khi sử dụng trong hố khoan phải đảm bảo cao trình dung dịch lớn hơn cao trình mực nước ngầm nhằm tạo áp lực cho dung dịch bentonite ngấm vào thành xung quanh hố khoan cũng như tạo áp lực cân bằng thành hố khoan

Bentonite tập kết tại dự án ở dạng bột và được bảo quản trong điều kiện khô ráo sau đó được trộn bằng máy trộn tốc độ vòng quay cao, chứa trong các silo và chờ trương nở từ 5-6 tiếng mới được đưa vào sử dụng trong thi công cọc khoan nhồi

Dung dịch sau khi thi công có thể tái sử dụng bằng cách thu hồi về, sàng lọc cát

và trộn thêm một lượng bentonite bột nhất định để đảm bảo được chất lượng Chỉ tiêu

cơ lý của Bentonite trong thi công cọc khoan nhồi được thể hiện ở bảng dưới đây

Bảng 1-1: Chỉ tiêu cơ lý của dung dịch bentonite

Tên chỉ tiêu Chỉ tiêu tính năng Phương pháp kiểm tra

1.Khối lượng riêng Từ 1,05 g/cm3 đến 1,15

min 7.Lực cắt tĩnh 1 min: từ 20 mg/cm2 đến 30

Hình 1-1: Kiểm tra dung dịch khoan bằng thí nghiệm

Việc kiểm tra, nghiệm thu dung trọng, độ nhớt, hàm lượng cát và độ pH phải được kiểm tra cho từng cọc Trước khi đổ bê tông nếu kiểm tra mẫu dung dịch tại độ

sâu khoảng 0,5 m từ đáy lên có khối lượng riêng vượt quá 1,25 g/cm³, hàm lượng cát lớn hơn 8%, độ nhớt quá 45 s thì phải có biện pháp thổi rửa đáy lỗ khoan để đảm bảo chất lượng cọc Quy trình thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch Bentonite được thể hiện trong hình 1.2

Trộn dung dich khoan

Kiểm tra dung dich (PH, tỉ trọng,

độ nhớt, hàm lượng cát…)

Loại

Định vị cọc Định vị máy khoan Lắp đặt casing Kiểm tra casing

Khoan cọc Kiểm tra chiều sâu và dung dich bentonite Chờ lắng

Vét lắng, thổi rửa lần 1

Hạ lồng thép Lắp ống tremie Thổi rửa đáy lần 2 Kiểm tra chiều sâu và dung dịch Bentonite

Đổ bê tông Rút Casing Lấp cát đầu cọc Phá nước (nếu có) Phụt vữa thân cọc (nếu có)

Hình 1-2: Quy trình thi công cọc khi sử dụng Bentonite

1.1.2 Giới thiệu về polymer trong thi công cọc khoan nhồi

Ban đầu, dung dịch polymer được dùng trong công tác khoan thăm dò trong ngành dầu khí Sau đó, polymer hiện nay cũng được sử dụng nhiều trong thi công cọc

khoan nhồi do nhiều đặc tính tốt trong thi công như rút ngắn được thời gian thi công, công nghệ thi công đơn giản Tuy nhiên, polymer cũng có một vài khuyết điểm trong khi sử dụng so với bentonite như tỷ trọng thấp hơn dẫn đến khả năng giữ thành hố đào

bị giảm một phần, nhất là khi thi công qua tầng đất cát trạng thái rời

Hình 1-3: Cấu trúc phân tử Polymer (Nguồn: internet)

Polymer có cấu trúc phân tử dạng sợi, lặp đi lặp lại nhiều lần những mắt xích cơ bản Polymer được sử dụng cho cọc khoan nhồi có dạng bột trắng, độ tinh khiết >90%,

độ pH từ 7-8 (có thể sử dụng thêm phụ gia Soda để tăng pH nếu cần), thời gian đánh tan <60 phút Còn ở dạng dung dịch, cũng giống như bentonite, polymer cũng có các chỉ tiêu cơ lý sau:

Bảng 1-2: Chỉ tiêu cơ lý của dung dịch polymer

Tên chỉ tiêu Chỉ tiêu tính năng Phương pháp kiểm tra

1.Khối lượng riêng Từ 1,01 g/cm3 đến 1,05 g/cm3 Tỷ trọng kế hoặc Bomê kế

Dung dịch Polymer sau khi được đánh tan và sử dụng cho hố khoan sẽ được thu hồi về, chứa trong các bể chứa, lắng cát và tái sử dụng sau khi được trộn thêm một lượng polymer thích hợp để đạt chỉ tiêu cơ lý Quy trình thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch polymer được thể hiện trong hình 1-4 Theo đó, phần thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch polymer khác với bentonite được bôi vàng để người đọc

có thể so sánh quy trình thi công của 2 dung dịch

Để duy trì tính kiềm trong dung dịch polymer ta sử dụng Soda pha lẫn với dung dịch với tỷ lệ từ 0,7 đến 1,2 kg/m3 sao cho pH đạt từ 8 đến 12 Mục đích của việc duy trì tính kiềm này là để khử tính axit trong nước ngầm, tạo môi trường trung hòa với bê tông khi đổ

Trộn dung dich khoan

Kiểm tra dung dich (PH, tỉ trọng,

độ nhớt, hàm lượng cát…)

Loại

Định vị cọc Định vị máy khoan Lắp đặt casing Kiểm tra casing

Khoan cọc Kiểm tra chiều sâu Chờ lắng

Vét lắng bằng gàu vét và kiểm tra chiều sâu

Hạ lồng thép Lắp ống tremie Kiểm tra chiêu sâu và test Polymer Thổi rửa lần 1

Đổ bê tông Rút Casing Lấp cát đầu cọc Phá nước (nếu có) Phụt vữa thân cọc (nếu có)

Đạt

Hình 1-4: Quy trình thi công cọc khi sử dụng Polymer

Đối với các hố khoan sử dụng polymer, thời gian thi công được rút ngắn được khoảng 30% do việc sử dụng polymer khiến các hố khoan không phải thổi rửa nhiều lần Nhờ đặc tính không giữ các hạt đất, cát trong dung dịch polymer khiến các hạt đất, cát được lắng nhanh hơn trong hố khoan, công việc còn lại là chờ các hạt đất được lắng lại, sử dụng gàu khoan vét sạch mùn khoan tại đáy hố khoan thì các công tác khác

sẽ được tiến hành bình thường

1.2 TÁC DỤNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN THI CÔNG CỌC KHOAN

NHỒI

 Giữ ổn định thành vách hố khoan

Công dụng quan trọng nhất của dung dịch khoan được biết đến là giữ ổn định thành vách hố đào Cơ chế để dung dịch giữ ổn định thành vách hố đào của dung dịch dựa trên nguyên lý cân bằng áp lực ngang tại vách của hố đào Cho đến nay, việc đánh giá

ổn định và biến dạng trong các bài toán công trình ngầm chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi Đặc biệt để đánh giá ứng xử tác động của dung dịch lên thành hố đào khi không có phần mềm chuyên dụng để tính toán Việc phân tích, đánh giá ổn định thành vách hố đào được dựa trên các yếu tố như áp lực ngang lên thành hố đào, chuyển

vị ngang lên thành hố đào

Cơ chế lý tính giữ ổn định thành vách hố khoan của dung dịch cũng đến từ các tác động cơ lý của dung dịch đến thành đất :

- Đối với bentonite, với thành phần chính là sét montmorillonite và có tính trương nở cao Khi được đưa xuống thành hố đào, hố khoan các hạt sét montmorillonite thẩm thấu vào bên trong lớp địa tầng cận hố đào, trương nở để ngăn chặn sự sạt lở của các hạt đất tự nhiên xung quanh thành hố đào Điều này đặc biệt quan trọng trong các lớp đất rời như cát, cát pha sét, cát pha bùn có độ chặt kém Dung dịch bentonite có tỷ trọng cao hơn so với nước và khi thi công, mực nước dung dịch luôn được giữ cao hơn so với mực nước ngầm nên tránh được việc nước ngầm xâm nhập vào hố khoan, tránh việc mất nước ngầm và xói mòn các hạt đất tại vị trí mạch nước

- Đối với polymer, với thành phần chính là các sợi polymer tổng hợp Khi được trộn thành dung dịch và đưa xuống thành hố đào, hố khoan, các sợi polymer kết lại tạo thành một lớp màng giữa dung dịch và vách hố khoan, chính lớp màng này ngăn chặn việc các hạt đất rớt vào thành hố khoan gây lắng đất cũng như sạt thành hố khoan Lớp màng polymer cùng với tỷ trọng dung dịch cao hơn nước ngăn nước ngầm chảy vào hố khoan

Hình 1-5: Cơ chế giữ ổn định hố đào của dung dịch

 Giảm ma sát mũi khoan

Dung dịch trong hố khoan luôn ở trạng thái đầy giúp cho việc ma sát của gàu khoan và mặt đất được giảm đáng kể, bảo vệ tính an toàn của gàu khoan khi thi công ở những tầng đất cứng hay đặc biệt là lớp đá

Một số dự án cho thấy việc sử dụng dung dịch polymer có khả năng rút ngắn thời gian thi công so với dung dịch bentonite từ 25-30% Nguyên nhân là do việc sử dụng

polymer khi thi công làm giảm thời gian thổi rửa hố khoan sau khi khoan Công đoạn này tốn khá nhiều thời gian khi sử dụng bentonite nhất là với những cọc có đường kính lớn do bentonite có đặc tính ngậm cát, việc thổi rửa đảm bảo độ sạch của hố khoan Đối với các cấu tạo địa chất như cát chảy, cát rời, sạn sỏi kích thước lớn hoặc các loại địa chất đặc biệt như đá vôi, hang karst Ưu tiên sử dụng bentonite với lý do: các hạt sét montmorillonite có tính trương nở của bentonite dễ dàng len lỏi vào các lỗ rỗng của lớp đất, bịt kín các lỗ rỗng, ngăn ngừa việc thất thoát dung dịch vào trong đất cũng như giữ vững thành hố khoan

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN CỌC KHOAN NHỒI

Cho đến nay, việc đánh giá ổn định và biến dạng trong việc sử dụng dung dịch để làm ổn định hố đào (hố khoan) yếu dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi, đặc biệt để đánh giá ứng xử của vật liệu khi không có điều kiện về thời gian hay không có phần mềm chuyên dụng để tính toán

Trên cơ sở lý thuyết đàn hồi, cần đánh giá 2 giá trị bị ảnh hưởng khi sử dụng dung dịch để thi công cọc khoan nhồi :

+ Chuyển vị của vách hố khoan dọc theo chiều sâu hố khoan trên cơ sở giá trị áp lực ngang của dung dịch và thành đất

+ Tải trọng sử dụng của cọc khi thi công có sử dụng dung dịch Sức chịu tải của cọc khi thi công cọc có sử dụng dung dịch chủ yếu ảnh hưởng đến sức chịu tải cực hạn do

ma sát bên tại vị trí tiếp giáp giữa hố khoan và thành đất Ma sát bên đơn vị được đánh giá thông qua các giá trị tính toán và kết quả thí nghiệm hiện trường

2.1 TÁC ĐỘNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN CHUYỂN VỊ HỐ KHOAN

a Áp lực ngang của đất tác dụng lên thành dung dịch

 Đất rời

Đối với đất rời, áp lực ngang của đất tại vị trí tính toán được tính theo công thức sau:

Ở đây  - dung trọng của đất tại vị trí tính toán

H - chiều sâu tính toán tính từ mặt đất tự nhiên

K - hệ số áp lực ngang

Có nhiều khuynh hướng rất khác nhau trong việc ước lượng giá trị hệ số áp lực ngang

Khuynh hướng 1: Xem đất nền là vật liệu đàn hồi:

Với:  - hệ số Poisson của đất, được xác định bằng các bảng tra

Khuynh hướng 2: Hệ số K chọn theo áp lực ngang của đất ở trạng thái tĩnh Ko, khi nền cố kết bình thường hệ số này được Jaky thống kê từ các thí nghiệm thực hiện trên các loại đất và đề nghị xác định theo biểu thức:

1 sin

o

K    (2.3) Trong trường hợp nền đất cố kết trước, hệ số áp lực ngang được chọn để tính toán theo Jaky có dạng:

Ở đây  - dung trọng của đất tại vị trí tính toán

H - chiều sâu tính toán tính từ mặt đất tự nhiên

c – lực dính của đất

K - hệ số áp lực ngang Hệ số áp lực ngang có thể tham khảo theo cách tính của công thức (2.2), (2.3) và (2.4)

b Vùng biến dạng dẻo của đất xung quanh thành hố khoan

Ta có vùng biến dạng dẻo r của mặt đất xung quanh hố khoan được xác định e

: góc ma sát trong của đất tại vị trí tính toán

2.2 TÁC ĐỘNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỌC

KHOAN NHỒI

2.2.1 Thành phần ma sát bên đơn vị

2.2.1.1 Một số nghiên cứu về thành phần ma sát bên của cọc

Nhìn chung, các nghiên cứu về tính toán thành phần ma sát bên đơn vị của cọc chủ yếu theo hai phương pháp:

- Phương pháp thiết kế dựa trên kết quả CPT (thí nghiệm xuyên tĩnh) theo bảng 2-1

- Phương pháp phân tích thiết kế theo bảng 2-2

Bảng 2-1 :Phương pháp thiết kế dựa trên kết qủa CPT

Schmertmann (1975) fs = K.fsc

Sét: (0,25  K  1,25) Cát: (0,25  K  1,25)

European (1979)

(DeRuiter and Beringen, 1979)

Sét: fs = .cu = 0,05..qc

 = 1 (đất sét NC),  = 0,5 (đất sét OC) Cát: fs = min (fsc, qc/300)

K = 0,5 + 9,5e-90fs (fs tính theo MPa) Eslami-Fellenius (1997)

(Phương pháp E-F)

fs = Cs.qE (qE = qt – u2)

Cs = 0,004-0,008 phụ thuộc vào loại đất Prince and Wardle (1982) fs = .fsc ( = 0,53 cho cọc đóng)

Aoki and De Alencar (1975) fs = 1.qc/Fs2 (fs  120 kPa)

1 = 1,4 – 6% phụ thuộc vào loại đất, Fs2 = 3,5

Philipponnat (1980) fs = .qc/Fs ( = 1,25 cho cọc đóng)

Fs = 50-200 phụ thuộc vào dạng đất Jardine et al (2005)

(Phương pháp ICP)

Cát: fs = ’rf tan cv Sét: fs = ’rf tan f

Bảng 2-2: Phương pháp phân tích thiết kế

Theo kết quả nghiên cứu, sự phân bố ma sát theo độ sâu được tính theo các phương pháp khác nhau Cần lưu ý rằng, các kết quả khác biệt đáng kể do phương pháp tính khác biệt chứ không phải là sự khác biệt trong tính chất của đất ở các lớp

2.2.1.2 Ma sát bên đơn vị từ thí nghiệm đo biến dạng thân cọc

Phương pháp thí nghiệm đo biến dạng cọc được áp dụng nhằm xác định các giá trị biến dạng và chuyển vị của bê tông và cốt thép dọc theo chiều dài cọc, đưa ra các số liệu liên tục về sự làm việc của cọc dưới tác dụng của lực nén dọc trục tác dụng tại đỉnh cọc Từ các số liệu trên, ta tính toán được ma sát bên đơn vị

Nguyên lý thí nghiệm của phương pháp này là sử dụng các đầu đo chuyên dụng để xác định giá trị biến dạng trong khối bê tông Đầu đo được gắn sẵn trong cọc trước khi đổ bê tông Dưới tác dụng của tải trọng dọc trục cọc và các đầu đo cùng bị biến dạng dọc theo chiều dài nhờ vào lực dính giữa bê tông và đầu đo Các đầu đo được cấu tạo để có thể xác định được các thay đổi trong bê tông và cốt thép và chuyển

về máy chủ nhờ cáp tín hiệu Dựa vào các công thức quan hệ giữa ứng suất giữa ứng suất và biến dạng có thể dễ dàng xác định được nội lực phát sinh trong cọc tại các vị trí đầu đo

Quy trình ghi số liệu của thí nghiệm đo biến dạng

- Kiểm tra nghiệm thu thiết bị, máy móc trước khi lắp đặt

- Kiểm tra vị trí lắp đặt và tín hiệu đầu đo trước khi hạ lồng thép

- Kiểm tra số đọc của đầu đo sau khi đổ bê tông 3 ngày

- Kiểm tra số đọc đầu đo trước khi thí nghiệm

- Trong quá trình gia tải và giảm tải, các số đọc biến dạng được ghi lại cho mỗi cấp tăng tải và giảm tải theo khoảng thời gian 10 phút một lần bởi bộ đọc tự động

Trình tự thí nghiệm của thí nghiệm đo biến dạng cọc bao gồm :

Lắp đặt đầu đo: Các đầu đo được cố định vào thép chủ (hình 2.1) Việc cố định cáp sẽ được thực hiện song song với công tác hạ lồng thép Vị trí và số lượng các đầu đo được xác định dựa vào chiều dài cọc Cáp phải được bó gọn gàng và phải được bảo vệ cận thận trong quá trình thi công bê tông

Hình 2-1: Lắp đặt sensor trong thí nghiệm biến dạng thân cọc

Tiến hành thí nghiệm: Thí nghiệm được tiến hành ngoài công trường cùng công tác nén tĩnh theo các bước sau:

- Kết nối thiết bị ghi số liệu với các đầu đo để sẵn trong cọc

- Kiểm tra tình trạng cáp tín hiệu và đầu đo

- Khai báo các số liệu đầu vào trước khi thí nghiệm

- Gia tải và ghi lại số liệu về biến dạng trong lúc tăng và giảm tải bằng bộ đọc tự động

Kết quả thí nghiệm được xử lý trong phòng Từ các số liệu về biến dạng thu thập tại hiện trường có thể xác định được các giá trị nội lực xuất hiện trong cọc ứng với từng cấp tải tại các vị trí đặt đầu đo Sơ bộ mô tả được phân bố ma sát bên dọc theo chiều sâu cọc dựa vào các phương trình cân bằng lực

Phương pháp tính toán:

Lực kháng dọc trục tại mỗi vị trí phân bố tải trọng được tính theo công thức:

1 , 1 i i

Với Pb : Lực tính tại vị trí đầu đo đáy cọc, A là tiết diện cọc

Trên cơ sở số liệu tính toán các vị trí dọc theo thân cọc, ta đánh giá và phân tích thành phần ma sát bên đơn vị trong sức kháng ma sát thành của cọc theo tải trọng cũng như theo chiều sâu (Hình 2-2), từ đó thể hiện tải trọng phân bố dọc theo thân cọc (Hình 2-3)

Hình 2-2: Quan hệ ma sát đơn vị và tải trọng thí nghiệm (Hình minh họa)

Hình 2-3: Tải trọng phân bố theo chiều sâu (Hình minh họa)

2.2.2 Sức chịu tải của cọc

2.2.2.1 Sức chịu tải của cọc theo tính toán

Theo “TCXD 195:1997 – Nhà cao tầng, thiết kế cọc khoan nhồi” thì sức chịu tải của cọc được dựa tính dựa trên kết quả thí nghiệm mẫu đất trong phòng hoặc từ kết quả khảo sát bằng thiết bị thí nghiệm hiện trường

Sức chịu tải của cọc bao gồm 2 thành phần : ma sát bên và sức chống dưới mũi cọc :

Trong đó :

Qu - Sức chịu tải cực hạn của cọc

Qs - Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên

Qp - Sức chịu tải cực hạn do mũi cọc

fs - Ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất

qp - Cường độ chịu tải cực hạn của đất dưới mũi cọc

As - Diện tích của mặt bên cọc

Ap - Diện tích mũi cọc

Sức chịu tải cho phép của cọc được tính theo công thức :

p s

a

Q Q

Đối với ảnh hưởng của dung dịch với sức chịu tải của cọc được nêu tại TCVN 195:1997, dung dịch ảnh hưởng đến thành phần sức chịu tải bên của cọc trong đất rời,

fs = 0,018N (kG/cm2) cho cọc trong cát không sử dụng bentonite khi khoan

fs = 0,03N + 0,1 (kG/cm2) cho cọc trong cát có sử dụng bentonite khi khoan

N - chỉ số SPT trung bình

Đối với thành phần sức chịu tải mũi có thể được tính theo công thức :

Qp = K1N (kG/cm2 ) Trong đó K1 là hệ số lấy theo bảng sau :

Bảng 2-3: Hệ số K1 theo loại đất rời

2.2.2.2 Sức chịu tải của cọc từ thí nghiệm nén tĩnh

Thí nghiệm nén tĩnh được thực hiện nhằm kiểm tra sức chịu tải của cọc Thí nghiệm này được thực hiện bằng tải trọng dọc trục sao cho cọc lún thêm vào nền đất Theo phương pháp này, tải trọng tác dụng lên đầu cọc được thực hiện bằng hệ thống

kích, bơm thủy lực và đối trọng Với những cọc có tải trọng lớn (>1000 tấn), hệ đối trọng còn có thể có thêm hệ cọc xoắn với sức chịu nhổ tùy theo yêu cầu đối trọng Thông thường, đối trọng không nhỏ hơn 120% tải trọng thí nghiệm

Tải trọng tác dụng lên đầu cọc được đo bằng đồng hồ đo áp lực lắp sẵn trong

hệ thống thủy lực Đồng hồ áp lực nên được hiệu chỉnh đồng bộ cùng với kích và hệ thống thủy lực với độ chính xác đến 5% Chuyển vị đầu cọc được đo bằng 2 đến 4 chuyển vị kế có độ chính xác đến 0,01 mm Máy thủy chuẩn dùng để đo kiểm tra dịch chuyển, chuyển vị của gối kê, dàn chất tải, hệ thống neo, dầm chuẩn gá lắp chuyển vị

kế, độ vồng của dầm chính và chuyển vị đầu cọc

Thời gian nghỉ từ khi kết thúc thi công cọc đến khi thực hiện thí nghiệm được quy định tối thiểu 21 ngày đối với cọc nhồi và 7 ngày đối với cọc đóng hoặc ép Kích phải đặt trực tiếp trên tấm đệm đầu cọc, chính tâm so với tim cọc Khi dùng nhiều kích thì phải bố trí các kích sao cho tải trọng được truyền dọc trục, chính tâm lên đầu cọc

Hệ phản lực phải lắp đặt theo nguyên tắc cân bằng, đối xứng qua trục dọc, bảo đảm truyền tải trọng dọc trục, chính tâm lên đầu cọc Khi lắp dựng xong, đầu cọc không bị nén trước khi thí nghiệm Dụng cụ kẹp đầu cọc được bắt chặt vào thân cọc, cách đầu cọc khoảng 0,5 lần đường kính hoặc chiều rộng của tiết diện cọc Các dầm chuẩn được đặt song song hai bên cọc thí nghiệm, các trụ đỡ dầm chuẩn được chôn chặt xuống đất Chuyển vị kế được lắp đối xứng hai bên đầu cọc và được gắn ổn định lên các dầm chuẩn

Hình 2-4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nén tĩnh có hệ cọc xoắn neo đối trọng

Trước khi thí nghiệm chính thức, tiến hành gia tải trước nhằm kiểm tra hoạt động của thiết bị thí nghiệm và tạo tiếp xúc tốt giữa thiết bị và đầu cọc Gia tải trước được tiến hành bằng cách tác dụng lên đầu cọc khoảng 5% tải trọng thiết kế sau đó giảm tải về 0, theo dõi hoạt động của thiết bị thí nghiệm Thời gian gia tải và thời gian giữ tải ở cấp 0 khoảng 10 phút

Thí nghiệm được thực hiện theo quy trình gia tải và giảm tải từng cấp, tính bằng phần trăm (%) của tải trọng thiết kế Cấp tải mới chỉ được tăng hoặc giảm khi chuyển vị hoặc độ phục hồi đầu cọc đạt ổn định quy ước hoặc đủ thời gian quy định

Tải trọng thí nghiệm lớn nhất do thiết kế quy định, thường được lấy bằng 250% đến 300% tải trọng thiết kế đối với cọc thăm dò và bằng 150% đến 200% tải trọng thiết kế đối với cọc thí nghiệm kiểm tra

Quy trình gia tải tiêu chuẩn được thực hiện như sau:

o Gia tải từng cấp đến tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến, mỗi cấp gia tải không lớn hơn 25% tải trọng thiết kế Cấp tải mới chỉ được tăng khi tốc chuyển vị đầu cọc đạt ổn định (không quá 0,25 mm/giờ đối với cọc chống vào đất hòn lớn, đất cát, đất sét từ dẻo đến cứng; không quá 0,1 mm/giờ đối với cọc ma sát trong đất sét dẻo mềm đến dẻo chảy) nhưng không quá 2 giờ

o Sau khi kết thúc gia tải, nếu cọc không bị phá hoại thì tiến hành giảm tải về 0, mỗi cấp giảm tải bằng hai lần cấp gia tải và thời gian giữ tải mỗi cấp là 30 phút, riêng cấp tải 0 có thể lâu hơn nhưng không quá 6 giờ

Các giá trị thời gian, tải trọng và chuyển vị đầu cọc cần phải đo đạc và ghi chép ngay sau khi tăng hoặc giảm tải và theo khoảng thời gian như quy định ở Bảng 2.2

Bảng 2.2: Thời gian theo dõi chuyển vị và ghi chép số liệu

Cấp tải trọng Thời gian theo dõi và đọc số liệu

Cấp gia tải

Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu;

Không quá 15 phút cho một lần 30 phút sau đó;

Không quá 1 giờ một lần cho 10 giờ tiếp theo;

Không quá 2 giờ một lần cho các giờ tiếp theo

Cấp gia tải lại và cấp

giảm tải

Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu;

Không quá 15 phút một lần cho 30 phút sau đó;

Không quá 1 giờ một lần cho các giờ tiếp theo

Theo dõi và xử lý một số trường hợp có thể xảy ra trong quá trình gia tải:

o Trị số cấp gia tải có thể được gia tăng ở các cấp đầu nếu xét thấy cọc chuyển

vị không đáng kể hoặc được giảm khi gia tải gần đến tải trọng phá hoại để xác định chính xác tải trọng phá hoại

o Trường hợp cọc có dấu hiệu bị phá hoại dưới cấp tải trọng lớn nhất theo dự kiến thì có thể giảm về cấp tải trọng trước đó và giữ tải như quy định

o Trường hợp ở cấp tải trọng lớn nhất theo dự kiến mà cọc chưa bị phá hoại, nếu thiết kế yêu cầu xác định tải trọng phá hoại và điều kiện gia tải cho phép thì có thể tiếp tục gia tải, mỗi cấp tải nên lấy bằng 10% tải trọng thiết kế và thời gian gia tải giữa các cấp là 5 phút để xác định tải trọng phá hoại

Tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị, chuyển vị – thời gian, tải trọng – thời gian, tải trọng – chuyển vị – thời gian của từng cấp tải để theo dõi diễn biến quá trình thí nghiệm

Hình 2-5: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị trong thí nghiệm nén tĩnh

Hình 2-6: Biểu đồ quan hệ chuyển vị – thời gian trong thí nghiệm nén tĩnh

Hình 2-7: Biểu đồ quan hệ tải trọng – thời gian trong thí nghiệm nén tĩnh

Hình 2-8: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị – thời gian trong thí nghiệm nén tĩnh