Ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà Nội

LVTS26 Ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà Nội Đăng ngày 23072011 01:22:00 PM 442 Lượt xem 672 lượt tải Giá : 0 VND Ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà Nội Hãng sản xuất : Unknown

Trường Đại học xây dựng

-*** -Bùi hồng cường

ứng dụng công nghệ cọc

franki trong điều kiện đất nền

hà nội

Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công

nghiệp Mã số : Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học: PGS Lê kiều

Hà Nội - 2006

Xin chân thành cảm ơn thầy: PGS Lê Kiều, các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ, các thầy, cô trong khoa Đào tạo sau đại học Trường

Đại học Xây dựng - Hà Nội, các đồng nghiệp, bạn bè và người thân

đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này !

Hà nội, ngày tháng năm 2006.

Bùi Hồng Cường

Học viên: Bùi Hồng Cường

Chương Mở đầu

Móng cọc là một trong những loại móng được áp dụng rộng rãi nhất Nó đã cómột lịch sử phát triển rất lâu đời Cùng với những tiến bộ về khoa học kỹ thuật nóichung, móng cọc ngày càng được cải tiến và hoàn thiện

Ngày nay, đi liền với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, sự pháttriển của kỹ thuật thi công cọc làm sản sinh không ngừng các loại cọc mới, điềunày càng mở ra cho việc thiết kế móng cọc nhà cao tầng, từ đó chúng ta có thể lựachọn các loại cọc có tính năng kỹ thuật cao, lợi ích kinh tế cao

Hiện nay, ở nước ta, đang áp dụng một biện pháp cải thiện khả năng chịu tải củacọc khoan nhồi, đó là phương pháp thổi rửa đáy và bơm vữa áp lực cao (Bottomcleaning and grouting of pile), mở rộng đáy nhằm tăng cường khả năng chịu tảicủa cọc đồng thời có thể áp dụng cho việc xử lý các sự cố, khuyết tật cọc khoannhồi, cọc barrette

Ngoài biện pháp mở rộng đáy bằng phương pháp phun phụt vữa áp lực cao trên,còn có các biện pháp mở rộng đáy khác áp dụng cho các dạng cọc khác nhau Mộttrong những dạng cọc được mở rộng đáy đặc trưng là dạng cọc Franki

Cọc Franki đã được biết đến và sử dụng rộng rãi trên thế giới Dạng cọc này đã

được phát triển vào những năm chuyển giao của thế kỷ bởi kỹ sư Frankignoul,người Bỉ Đây là một dạng cọc thi công đổ tại chổ, mở rộng đáy Phương pháp thicông cọc là phương pháp cọc đóng, do vậy nó có thể xuyên qua lớp đất cứng, đạttới độ sâu lớn Nhờ công nghệ nén vách bê tông khô, đất xung quanh đáy cọc đượccải thiện và do đó khả năng chịu tải ban đầu của đất cũng được tăng lên đáng kể

Đặc trưng của cọc Franki là mở rộng đáy Được thi công đóng trong trục ống, dovậy, cọc đảm bảo khả năng chịu tải của vật liệu, bao gồm cường độ của đất và khảnăng chịu tải của cọc được tăng lên nhiều so với các cọc tương tự có cùng kíchthước và độ sâu thiết kế

Hiện nay, Thành phố Hà nội đang được quy hoạch và mở rộng, thành phố hiện

đang được ví như một công trường xây dựng rộng lớn, các nhà cao tầng, chung cư,

Học viên: Bùi Hồng Cường

áp dụng công nghệ thi công cọc mới nói chung và cọc Franki nói riêng trong điềukiện đất nền Hà nội là hợp lý, góp phần mở rộng các phương án lựa chọn kết cấumóng cho các công trình, tuỳ theo từng địa điểm, quy mô và yêu cầu sử dụng

Hình 1: Cọc Franki được mở rộng đáy

I 1 2 Lịch sử phát triển cọc Franki:

I 1 2 1 Trên thế giới:

Cọc Franki đã được biết đến và sử dụng rộng rãi trên thế giới Dạng cọc này đã

được phát triển vào những năm chuyển giao của thế kỷ bởi kỹ sư Frankignoul,người Bỉ Tại Bắc Mỹ, hệ thống cọc Franki được biết đến như là loại cọc phun ápsuất đáy cọc

Kể từ đó đến nay, Cọc Franki ngày càng được phát triển mạnh mẽ và áp dụngrộng rãi trên thế giới Tại các nước phát triển như Mỹ, Canada, Anh, Pháp,

Australian…cọc Franki được sử dụng tại nhiều các dự án lớn và ngày càng pháttriển, đa dạng các loại cọc, thích hợp cho nhiều loại công trình với các quy mô, đặc

điểm và địa điểm xây dựng khác nhau Công nghệ máy xây dựng ở các nước pháttriển đã sản xuất ra nhiều loại búa đóng cọc và các thiết bị khác, áp dụng cho côngnghệ thi công móng, cho phép các nhà xây dựng mở rộng công nghệ thi côngmóng cho những dự án có quy mô rộng lớn

Khu vực Đông Nam á, tại nước Indonesia, FT Frankipile Indonesia đượcthành lập vào ngày 8/11/1973 Vào năm 1975, với thiết bị chỉ là 1 bộ thiết bịFranki, một thiết bị khoan và 2 búa Diesel, FT Frankipile Indonesia đã thành côngtrong 7 dự án, với tổng số các loại cọc thi công là 2400 cọc, tổng chiều dài thi côngcọc lên tới 39.000m Trong những năm tiếp theo, Frankipiles càng trở nên thôngdụng và được sử dụng tại ngày càng nhiều thành phố không chỉ ở Jakarta mà xuyênsuốt Indonesia như thành phố Medan, Batam, Bandung, Semarang, Yogyakarta,Surabaya, Balikpapan, Manado, Denpasar, và các thành phố khác

Từ đó đến nay, FT Frankipile Indonesia đã ngày càng phát triển, ứng dụngthêm nhiều loại cọc mới, đáp ứng nhiều hơn các dự án khác nhau Theo bản tổngkết tháng 3 năm 2002, FT Frankipile Indonesia đã hoàn thành được 3474 dự án, thicông được 460.000 cọc, tổng chiều dài thi công cọc là 6.755.250m

I 1 2 2 Trong nước:

Hiện nay, Cọc Franki chưa được áp dụng phổ biến tại Việt Nam, đầu thập kỉ 70mới bắt đầu dùng cọc nhồi đường kính 40 - 60cm kiểu Franki, không mở rộng

đáy, với trọng lượng búa 2-4 tấn ở nhà máy đóng tàu Hạ Long và hệ thống cầu trên

đường Xuân Mai - Sơn Tây Gần đây, có một số công trình áp dụng một phần ứngdụng mở rộng đáy cọc khoan nhồi (VD: Công trình Trung tâm thương mại EVERFORTUNE - 83B Lý Thường Kiệt và Công trình Cao ốc văn phòng, căn hộ cao cấpA2 Ngọc Khánh - Số 1 Phạm Huy Thông - Hà Nội) và hiện nay tại TCXD205:1998 “ Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế ” có đưa ra hệ số tính toán cho cọc

được mở rộng đáy bằng phương pháp nổ mìn và phương pháp đổ bê tông dướinước

Các tiêu chuẩn, biện pháp thi công, máy móc thiết bị chuyên dụng để thi côngcọc Franki hiện nay ở nước ta chưa được áp dụng cho các công trình xây dựng ởnước ta.

I 1 3 Các vấn đề cần nghiên cứu về cọc Franki:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế cọc Franki

- Biện pháp thi công cọc Franki

I 1 4 Phạm vi –mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu công nghệ thi công cọc Franki, áp dụng cọc Franki trong điềukiện đất nền Hà nội

I 1 5 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp thống kê kết hợp với phương pháp nghiên cứu lý thuyết

I 2 Điều kiện áp dụng công nghệ cọc franki:

I 2 1 Sơ lược về khả năng chịu lực của cọc Franki điển hình:

Tải trọng nén dọc trục của cọc thường trong phạm vi từ 8 đến 10 Mpa ứng suấtnén dọc trục có thể tăng lên 16 Mpa khi được sử dụng cho những cọc sâu, nơi mà

có thành phần lực ma sát là đáng kể và những cọc được đóng trên nền địa tầng khátốt Lực nén của cọc được trình bày trong bảng sau:

trọng thiết kế với độ lún nhỏ Ví dụ: Công trình Khu liên hợp nhà ga hàng khôngCalgary, cọc dài 17ft (tương ứng 5m), đường kính cọc 50cm, mũi cọc được đặt trênnền đất sét cát cuội, lẫn bùn Cọc được thiết kế với tải trọng làm việc là 350 kips(1560 kN) Khi tải trọng thí nghiệm lên đến 944 kips (4200 kN), tổng độ lún củacọc được ghi lại là 0.59 in (14.7mm).

Dự án Outlook Manor tại Toronto, Canada, cọc dài 45 ft (14m), đường kính cọc

16 in (40cm), mở rộng đáy, mũi cọc tựa trên nền đất cát chặt, được thiết kế với tảitrọng làm việc là 300 kips (1335 kN) Khi thí nghiệm với tải trọng 600 kips (2670kN) tương ứng với 2 lần tải trọng làm việc, tổng độ lún của cọc ghi lại là 0.585 in(14.6mm)

Dự án Câu lạc bộ Vịnh Brickwell, Miami, Florida, cọc dài 27.5 ft (8.4m),

đường kính cọc là 175/8in (440mm), mũi cọc tựa trên nền đất cát rời, lẫn đá vôi.Cọc được thiết kế với tải trọng làm việc 300 kips (1335 kN) Khi thí nghiệm với tảitrọng 600 kips (2670 kN) tương ứng với 2 lần tải trọng làm việc, tổng độ lún củacọc ghi lại là 0.64 in (16mm)

Những thống kê trên cho thấy rằng cọc mở rộng đáy là một dạng cọc có khảnăng chịu lực cao, độ lún của cọc nhỏ

I 2 2 Ưu điểm của cọc Franki:

- Đây là một dạng cọc có phạm vi ứng dụng rộng

- Cọc được thi công trong ống, do vậy các vấn đề về nước ngầm và sụp thành

hố là không đáng ngại

- Với công nghệ đóng mở rộng đáy được thi công tại đáy cọc, do vậy về độ ồn

và độ rung ở mức độ nhỏ Cọc Franki có độ ồn nhỏ nhất trong các loại cọc đóng thicông tại chỗ, do vậy nó thích hợp với những nơi mà tiếng ồn là một vấn đề môitrường quan tâm Độ rung của nền khi thi công cọc thường xuyên được ghi nhận và

nó luôn ở dưới mức độ tiêu chuẩn cho phép

- Việc mở rộng đáy cọc làm tăng khả năng chịu tải của cọc và của đất nền Dovậy nó đem lại lợi ích kinh tế cao hơn so với các cọc khác tương ứng có cùng kíchthước và chiều sâu hạ cọc

- Do thi công bằng phương pháp đóng ống, do vậy nó có thể xuyên qua lớp đấtcứng, đạt tới độ sâu theo yêu cầu và có thể thi công tại mọi điều kiện đất nền (cóthể đạt tới độ sâu >60m trong điều kiện thuận lợi).

- Cọc Franki có thể thi công theo phương ngang, cọc neo, có thể mở rộng đáycọc tuỳ theo yêu cầu chịu lực đối với các tải trọng đặc biệt như: tải trọng động đất,tải neo vách

- Cọc Franki có thể tổ hợp với các cấu kiện chế tạo trước (cọc Franki tổ hợp)hoặc các cọc khác mở rộng đáy (VB pile hoặc cọc Franki khoan )

I 2 3 Hạn chế của công nghệ cọc Franki:

- Giá cả thiết bị đắt

- Khi thi công có độ rung của nền

Tuy nhiên, qua nghiên cứu về độ rung của nền đất khi thi công cọc đổ tại chỗ,

mở rộng đáy của Mark B.Jaksa, Micheal C.Griffith (Khoa kỹ thuật xây dựng vàmôi trường - Đại học Adelaide – Mỹ) và Roger W.Grounds (Đề tài Khoa học địachất – ĐH Adelaide) đã thống kê được bảng số liệu về độ rung của nền đất khi thicông cọc mở rộng đáy đổ tại chỗ (cọc Franki) và cho kết luận rằng tại khoảng cách15m tính từ tâm cọc, giá trị điểm vận tốc hạt cự đại cao nhất đo được nhỏ hơnngưỡng cho phép mà gây phá hoại công trình đã bị xuống cấp nghiêm trọng, có thểnhìn thấy bằng mắt thường Như vậy cho ta thấy thi công cọc Franki có độ rungnền nhỏ và độ ồn nhỏ

I 3 Báo cáo nghiên cứu độ rung của nền khi thi công cọc Franki:

I 3 1 Sơ lược nội dung bản báo cáo:

Mức độ rung của nền khi thi công cọc có mức độ liên quan lớn đến quá trìnhrút ống của cọc đóng Bản báo cáo này hiện tại đo mức độ rung của nền khi thicông cọc đổ tại chỗ, mở rộng đáy Dữ liệu đã được ghi lại bởi gia tốc kế đo giá trịgia tốc tại 3 hướng trực giao và tại khoảng cách khác nhau từ tâm cọc đóng Giá trịgia tốc được chuyển đổi sang giá trị điểm vận tốc hạt, hệ đo lường chấp nhận rộngrãi về mức phá hoại nền do rung nền Điểm vận tốc hạt được so sánh với giá trị lớnnhất khuyến cáo và các thông số đã được đưa ra bởi các bản báo cáo khác và mứcnhận thức của con người về độ rung của nền Giá trị vận tốc điểm hạt cực đại là

8.8mm/s được ghi lại khi thi công mở rộng đáy, tại khoảng cách là 3.5m tính từtâm cọc Các dữ liệu ghi lại được này đã khuyến cáo rằng cọc thi công đổ tại chỗ,

mở rộng đáy có thể được áp dụng thành công tại các môi trường thành phố Giá trị

đo được này tuy nhiên, là lĩnh vực đặc biệt và khi ứng dụng cần chú ý tới các điềukiện đất nền khác nhau

I 3 2 Kết quả đo rung, so sánh với tiêu chuẩn cho phép:

I 3 2 1 Đo mức độ rung của nền đất:

Như đã nói ở trên, mục đích của bản báo cáo là ghi nhận, thảo luận và so sánhlượng đo được mức độ rung của nền khi thi công cọc đổ tại chỗ, mở rộng đáy cọc.Người ta quy định tiêu chuẩn chấp nhận chung về giá trị phá hoại do rung của nền

đất và mức độ cảm nhận về rung của con người là Điểm vận tốc hạt cực đại “peak particle velocity” (Wiss 1981, Tchepak 1986, Tiêu chuẩn Australia 1993) Độ

rung của nền thường được đo tại 3 phương trực giao, thường được hiểu theo nghĩa

là gia tốc theo phương đứng, phương truyền và phương dọc Điểm vận tốc hạt cực

đại là giá trị vector tổng của 3 giá trị thành phần trên (Tiêu chuẩn Australia 1993,Amick và Gendreau 2000)

Một vài quốc gia và một số các tổ chức quốc tế đã đưa ra khuyến cáo về điểmvận tốc hạt cực đại cho một số loại công trình khác nhau Amick và Gendreau(2000) đã tổng hợp lại theo bảng thống kê (Bảng 1) Trong đó, Wiss (1981) đã ghi

lại rằng, khi mức độ phá hoại công trình là quan trọng, thì đó là tỷ lệ về tiêu chuẩn

an toàn được đặt trước mức độ phàn nàn, lo lắng của con người

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn mức độ rung gây phá hoại công trình đặc trưng

Biểu đồ 1.1: Mối liên hệ giữa mức độ rung của công trình và khoảng cách

(Wiss 1981)

I 3 2 2 Vùng nghiên cứu, đặc điểm địa chất:

Thông số về độ rung nền khi thi công cọc đổ tại chỗ, mở rộng đáy được ghi lại

từ quá trình thi công dự án Công trình Học viện Y khoa, Toà nhà Công viên Khoahọc thú y, Dự án Đường Frome, Adelaide Địa điểm xây dựng được đặt trong vùng

đất phù sa Torrens, nơi bao gồm cát, bụi phù sa trầm tích bồi đắp trên 1km khuthung lũng bị bồi đắp bởi dòng sông cổ Torrens (Selby và Lindsay 1982) Tiếnhành khoan khảo sát bởi Đề tài khoa học địa chất (2000) nhận thấy 2 dạng thànhphần chính trên chiều sâu khoan 14,5m Bao gồm:

- Lớp 1: Phía trên lớp đất phù sa, bao gồm các lớp đất sau: lớp sét lẫn cát yếu,sét bùn và cát Chiều sâu lớp xấp xỉ đạt khoảng 10,5m

- Lớp 2: Phía dưới lớp đất phù sa, bao gồm cát sỏi với một vài lớp xen kẹp Thínghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) cho biết trạng thái đất từ chặt cho tới rất chặt trongcùng 1 vị trí Chiều sâu lớp chưa xác định được với mũi khoan sâu 14,5m

Tại vùng này, Phù sa Tertiary của sự hình thành điểm trắng và Cát vùng NamMaslin thường nằm dưới lớp phù sa Torrens (Selby và Lindsay 1982) Mức nướcngầm được điều tra đạt xấp xỉ ở độ sâu 4,5m dưới bề mặt nền đất

Quá trình thi công cọc đổ tại chỗ, mở rộng đáy cọc được đóng cho tới khi ống

đạt tới lớp cát cuội (lớp 2) Cọc được mở rộng đáy tại lớp này Thiết bị đóng cọcdùng búa 3.5 tấn, với 10m rơi và dài 10,8m, đường kính ống là 500mm

Độ rung của nền đã được đo theo phương thẳng đứng, phương truyền vàphương dọc bởi 3 gia tốc kế được lắp đặt trên một nền tấm cứng và được đặt trên

bề mặt nền Thông số đạt được tại một ví dụ, tần số 1kHz và 2 cực 11Hz, bộ lọctruyền thấp được sử dụng để lọc những tần số tiếng ồn cao, đặc biệt là tiếng ồngiao thông

Klopp và Griffith (1993) đã ghi lại tổng hợp những đặc trưng động về một vàicấu kiện được đúc không gia cố, những cấu kiện mà ảnh hưởng nhất bởi độ rungcủa nền do quá trình thi công cọc gây nên Phần lớn các cấu kiện thử nghiệm cótần số tự nhiên đặc trưng trong phạm vi từ tần số từ 3 đến 7Hz Đặt khoảng bộ lọc

là 11Hz, và được đưa vào vị trí thích hợp Tuy nhiên, có thể độ rung tần số cao(trong phạm vi từ 10 đến 50Hz) có thể là nguyên nhân gây phá hoại, nếu quá trình

ghi nằm đủ trong biên độ Quá trình đo lường độ rung của nền được thu lại tạikhoảng cách ngang từ 3.5, 7, 15 và 30m tính từ tâm cọc đóng Tại mỗi khoảngcách đo lường, độ rung được đo suốt quá trình thi công cọc cho đến khi hoàn thànhcọc, từ khi đóng cọc cho tới khi thi công mở rộng đáy cọc.

I 3 2 3 Phân tích, kết quả và thảo luận:

Vận tốc hạt đã được tính toán bởi quá trình tập hợp giá trị đo lường gia tốc tạinhững thời điểm quan trọng Các thông số đặc trưng về vận tốc điểm hạt cực đại

được đưa ra từ biểu đồ 1.2 đến biểu đồ 1.5 như sau:

Biểu đồ 1.2: Ghi nhận vận tốc điểm hạt cực đại đặc trưng - phương đứng (đã lọc)

Biểu đồ 1.3: Ghi nhận vận tốc điểm hạt cực đại đặc trưng-phương truyền (đã lọc)

Biểu đồ 1.4: Ghi nhận vận tốc điểm hạt cực đại đặc trưng-phương ngang (đã lọc)

Biểu đồ 1.5: Tổng hợp ghi nhận vận tốc điểm hạt cực đại (đã lọc)

Những kết quả đo lường hoàn thành về độ rung của nền, trong giới hạn của vậntốc hạt cực đại đối với chiều sâu đáy ống đóng cọc và khoảng cách phía sau tính từtâm cọc, được biểu thị từ biểu đồ 1.6 đến biểu đồ 1.7

Như các biểu đồ trên cho thấy giá trị đo lường điểm vận tốc hạt cực đại lớn nhất

là 8.8mm/s và được tổ hợp từ sự hình thành đáy mở rộng từ phía sau khoảng cách3.5m tính từ chu vi của ống Trong trường hợp này, Biểu đồ 1.6 và 1.7 thể hiện

điểm vận tốc hạt cực đại lớn nhất giảm dần theo khoảng cách và như đã mong đợi,tại mỗi điểm khoảng cách, giá trị lớn nhất đo được được tổ hợp với quá trình mởrộng đáy

Biểu đồ 1.6:Vận tốc điểm hạt max đối với chiều sâu hạ đáy ống và khoảng cách

Biểu đồ 1.7: Mặt cắt dọc phương ngang của phổ vận tốc hạt cực đại

So sánh với giá trị lớn nhất là 8.8mm/s với giá trị lớn nhất đã khuyến cáo (thểhiện ở bảng 1.1), cho thấy rằng quá trình đóng cọc mở rộng đáy chỉ ảnh hưởng tớinhững công trình rất nhạy cảm như các công trình lịch sử, các di tích cổ hay cáccông trình đã bị phá hoại hoặc đã cũ nát Trong khi phần lớn các giá trị đo được

đều trên ngưỡng chấp nhận là 0.3mm/s (Wiss 1981), chỉ 3 phép đo, ghi lại ởkhoảng cách 3.5m, và được cho là “ gây khó chịu”

Attewell và Farmer (1973) đã quan sát và ghi nhận lại rằng quá trình đóng cọcbao gồm cả những sóng nén phát sinh và truyền từ khu vực chân cọc và khu vực

mở rộng chân cọc Trong trường hợp này, những sóng cắt dọc phát sinh từ lực masát thân cọc quanh một bề mặt hình nón Hình 1.8 thể hiện sự thay đổi của chuyển

động hạt với thời gian cho những thông số thể hiện trong hình 1.2 đến hình 1.5.Hình 1.8 cho thấy hiển nhiên rằng sự chuyển động phần lớn là chuyển động dọc,như sự mong đợi về cọc đóng ma sát (Kim và Lee 2000) Như kết quả trên, nguồnrung có thể xem như là một điểm nguồn phát sinh tạo sóng và khoảng cách truyền

có thể xấp xỉ giá trị khoảng cách ngang (Kim và Lee 2000)

Biểu đồ 1.8:Tổ hợp vị trí điểm hạt khi thi công cọc đóng mở rộng đáy (cọc Franki)

Biểu đồ 1.9: So sánh mức đo vận tốc điểm hạt cực đại

Biểu đồ 1.9 bổ sung cho Biểu đồ 1.6 từ thang Wiss (hình 1.1) Trong trườnghợp này, Biểu đồ 1.9 bao gồm phía trên giới hạn bao của một số lượng lớn các giátrị đo lường độ rung của nền, liên quan tới cọc đóng, và được ghi lại bởi Tchepak(1986) Nó có thể được thể hiện từ biểu đồ này rằng tất cả những giá trị đo lường làtrong những vùng lân cận, nhưng vẽ biểu đồ dưới, cả mối liên hệ về mối liên hệcọc của Wiss, tốt hơn giới hạn bao trên của Tchepark

I 3 2 4 Kết luận:

Bản báo cáo này đã ghi nhận được giá trị đo lường về độ rung khi thi công cọc

đổ tại chỗ, mở rộng đáy Thông số được ghi lại sử dụng gia tốc kế chính đo giá trịgia tốc trên 3 phương trực giao, và tại các khoảng cách biến thiên tính từ tâm cọc.Giá trị đo vận tốc hạt tối đa lớn nhất này là tương đồng với các thông số đã đượcbáo cáo bởi các đề tài khác và điểm vận tốc hạt tối đa lớn nhất là 8.8mm/s được tổhợp lại với sự phát triển của đáy mở rộng, tại một khoảng cách 3.5m tính từ cọc

Điểm vận tốc hạt cực đại này có thể gây ra phá hoại tới các công trình lịch sử vàcác di tích cổ, hay các công trình đã bị phá hoại hoặc trong tình trạng cũ nát Như

đã mong đợi, giá trị đo độ rung của nền giảm khi tăng khoảng cách tính từ cọc Tại

khoảng cách 15m, giá trị điểm vận tốc hạt đỉnh được ghi lại thấp hơn giá trịngưỡng mà có thể là nguyên nhân phá hoại tới công trình đã bị xuống cấp nghiêmtrọng Thông số ghi lại ở đây gợi ý rằng, cọc thi công tại chỗ, mở rộng đáy có thể

được áp dụng thành công tại môi trường thành phố Giá trị đo lường này, tuy nhiên,

là những số liệu hiện trường và khi sử dụng cần chú ý tại những dạng đất nền khácnhau

I 4 Kết luận chương:

Từ những vấn đề đã được nêu ở trên cho thấy mỗi loại cọc đều có những ưunhược điểm riêng của nó Việc áp dụng loại cọc nào tuỳ thuộc vào quy mô, đặc

điểm và vị trí xây dựng của công trình

Cùng với thực tế xây dựng tại Hà nội, ta thấy rằng cọc Franki là loại cọchoàn toàn có thể áp dụng tại Hà nội nói riêng và ở nước ta nói chung Việc nghiêncứu và áp dụng công nghệ cọc Franki cho các công trình xây dựng theo điều kiện

đất nền Hà nội nói riêng và ở nước ta nói chung là hợp lý và cần thiết

Chương iI: cơ sở khoa học áp dụng cọc franki

II 1 Nguyên lý tính toán sức chịu tải của cọc Franki

II 1 1 Sơ lược về sự làm việc của cọc dưới nền đất:

Như ta đã biết, tải trọng công trình được truyền xuống nền đất thông qua một bộphận gọi là móng Móng là bộ phận kết cấu dưới chân cột khung hoặc tường, tiếpnhận tải trọng từ trên xuống và truyền tải xuống nền

Nền là bộ phận cuối cùng của công trình, tiếp nhận tải trọng công trình truyềnqua móng Hình dạng và kích thước của nền phụ thuộc vào loại đất làm nền, phụthuộc vào loại móng và công trình bên trên

Móng cọc là dạng móng sâu, trong đó cọc là bộ phận chính có tác dụng truyềntải trọng từ công trình lên tầng đất dưới mũi cọc (sức kháng đầu cọc) và các lớp đấtxung quanh cọc (sức kháng bên của cọc) Đài cọc là bộ phận liên kết các cọc thànhmột khối Dựa theo cách truyền tải của cọc ta có thể phân ra dạng cọc chống, dạngcọc ma sát và dạng cọc chống + ma sát, dựa theo trạng thái chịu lực của cọc có thểphân ra dạng cọc nén, cọc kéo và cọc uốn

Cọc chống là dạng cọc mà mũi cọc tựa trên nền đất cứng, rắn chắc Toàn bộ tảitrọng của công trình truyền thẳng vào mũi cọc và truyền xuống lớp đất này Dạngcọc này được gọi là cọc chống

Cọc ma sát là dạng cọc mà toàn bộ tải trọng của công trình truyền xuống cọcthông qua sức kháng bên (gồm ma sát bên và lực dính), là phản lực giữa đất xungquanh cọc với phần xung quanh cọc Dạng cọc này gọi là cọc ma sát

Móng cọc thường được thiết kế cho cọc làm việc bao gồm cả sức kháng đầu cọc

và sức kháng ma sát thân cọc Như vậy ta thấy rằng khi tăng cường khả năng chịulực chống hay lực ma sát của cọc thì sẽ làm tăng sức chịu tải của cọc, giảm số cọc

bố trí trong đài cọc và kinh tế hơn khi thi công móng

Hình 2.1: Dạng cọc chống Hình 2.2: Dạng cọc ma sát

Về sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc thông qua việc nghiên cứu về trạngthái ứng suất trong đất do cọc đơn và nhóm cọc gây ra cho thấy rằng các cọc cànggần nhau thì ứng suất z tại điểm trên trục cọc do cả nhóm cọc gây ra sẽ lớn hơnrất nhiều so với ứng suất do mỗi cọc gây ra Vì vậy độ lún của nhóm cọc lớn hơn

độ lún của cọc đơn Ngược lại, nếu khoảng cách cọc đạt tới một trị số nhất địnhnào đó thì thực tế có thể coi như sự làm việc của cọc đơn và của nhóm cọc khôngkhác nhau Quy phạm hiện hành quy định với móng cọc, khoảng cách giữa cáctrục cọc khoảng từ 2,5D đến 6D (D: đường kính cọc), với cọc được mở rộng đáy,khoảng cách yêu cầu là 1,5Dmr (Dmr: đường kính mở rộng cọc) hoặc là không nhỏhơn Dmr+1m (với cọc đường kính mở rộng >2m)

II 1 2 Cơ sở lý thuyết tính toán cọc Franki:

Như ta đã biết, khi thiết kế móng cọc, việc xác định sức chịu tải của cọc có ýnghĩa quan trọng nhất Cọc trong móng có thể bị phá hoại do bản thân cường độvật liệu hoặc do đất nền bị phá hoại Do đó, khi thiết kế cần thiết phải xác định haigiá trị về sức chịu tải của cọc theo cường độ vật liệu làm cọc và tính theo cường độ

đất nền So sánh hai giá trị trên, lựa chọn giá trị min dùng để tính toán và thiết kếnền móng

Với cọc nhồi chịu nén, sức chịu tải của vật liệu làm cọc được tính theo côngthức sau:

)

(m1m2 R bt F1 R ct F ct

đất tốt

đất yếu

Trong đó Rbt- cường độ tính toán của bê tông khi nén mẫu hình trụ;

Fbt - diện tích tiết diện ngang phần bê tông;

Rct- cường độ tính toán của cốt thép;

Fct - diện tích tiết diện ngang cốt thép;

: Hệ số uốn dọc của cọc;

m1: Hệ số điều kiện làm việc, đối với cọc được đổ bê tông bằng ống dung dịchchuyển thẳng đứng trémie thì m1= 0.85

m2: Hệ số điều kiện làm việc khi kể đến phương pháp thi công

Sau đây ta sẽ giới thiệu một số phương pháp tính toán giá trị sức chịu tải của cọctính theo cường độ đất nền:

II 1 2 1 Tính toán cọc Franki thi công mở rộng đáy bằng búa đóng

Như đã nói ở phần trên, sức chịu tải của cọc bao gồm 2 thành phần: Sức kháng

đầu mũi cọc và sức kháng ma sát bên của cọc

* Xác định sức kháng mũi cọc cho phép théo công thức tính toán theo Nordlund, 1982:

Sức kháng mũi cọc cho phép, (Qp)all được định tính từ công thức kinh nghiệmnhư sau:

K

V N H W

all p

3 / 2





Trong đó:

W: Trọng lượng búa dùng để thi công mở rộng đáy cọc (lb)

H: Chiều cao rơi của búa trong quá trình thi công tạo đáy cọc (ft)

Nb: Số lượng nhát búa của lượng năng lượng WxH cần thiết để đầm nén lượng bêtông tạo đáy

II.2 Giá trị này đã được ghi lại thông qua sự phân tích giá trị nén tĩnh của 10 cọc

đã thi công mở đáy và các thông số thi công cọc (Sharma, 1988)

Bảng 2.1: Bảng giá trị hệ số không thứ nguyên K (Nordlund, 1982)

(Trường hợp cọc bê tông đầm nén đặc chắc)

chất hoặc cả hai

Bảng 2.2: Bảng giá trị hệ số K/N cho một vài loại đất (Sharma, 1988)

Các loại đất khác 1 600/N nhưng không nhỏ hơn 18 cho

trường hợp cọc bê tông được đầm nénchặt

2 1800/N nhưng không nhỏ hơn 50 chotrường hợp cọc bê tông có khuôn bọc -dạng túi

Cát bùn rất mịn 2,5N cho cọc khoan trước và nén chặt.Cát bùn mịn 3N cho cọc bê tông có khuôn bọc - dạng

- Trường hợp 1: Loại đất không cố kết

 ’ vl : ứng suất thẳng đứng hiệu quả tại một điểm dọc theo chiều dài cọc;

Giá trị này được khuyến cáo rằng chỉ tăng dần tới độ sâu đặc trưng (=20B), vượt

ra ngoài phạm vi đó, khuyến cáo giá trị  ’ vl = const.

B: chiều rộng cọc;

p: chu vi cọc;

K s : hệ số áp lực đất, xác định theo bảng II.3

 được lấy bằng 2/3  khi thiết kế.

Giá trị sức kháng ma sát bên của cọc có thể tính toán theo chỉ tiêu cơ lý đất nền

(theo SNIP-2.02.03.85), theo kết quả xuyên tĩnh (CPT) hoặc theo kết quả xuyên

tiêu chuẩn(SPT) (trình bày ở phần sau).

Tải trọng cho phép của cọc (Qc)alllà giá trị tổng của 2 giá trị tổng sức kháng mũicọc (Qp)allvà tổng giá trị sức kháng ma sát bên (Qf)all

* Tính toán độ chối của ống dẫn theo sức chịu tải thiết kế đối với nền đất gồm các lớp đất rời, thấm nước ở chiều sâu bằng 1,5 chiều dài cọc theo biểu thức của Eitelvein (Hà Lan):

).(

.2

Q P K N

h P e



Trong đó:

e- độ chối tiêu chuẩn (lượng lún của ống dẫn dưới một nhát búa rơi ở độ cao1m);

P- trọng lượng của búa (t);

h - chiều cao rơi búa (cm);

N - Sức chịu tải cho phép của cọc (t);

Qu: Sức chịu tải cho phép tính toán theo đất nền

Qtc – Sức chịu tải tiêu chuẩn tính toán theo đất nền

m – hệ số điều kiện làm việc Trong điều kiện tựa lên đất sét có độ no nướcG<0,85 lấy m=0,8, trong các trường hợp còn lại lấy m=1;

α1– hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi cọc Lấy α1=1 trong mọi trườnghợp, lấy α1=0,9 với trường hợp cọc mở rộng đáy bằng phương pháp đổ bê tôngdưới nước;

Ri– cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc, T/m2;

F – diện tích mũi cọc đã được mở rộng đáy, lấy bằng diện tích tiết diện ngangcủa phần mở rộng tại chỗ có đường kính lớn nhất của cọc, m2;

α2– hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên của cọc, phụ thuộc vào phươngpháp tạo lỗ khoan, lấy theo bảng II.5;

τi– ma sát bên của lớp đất i ở mặt bên của thân cọc, T/m2, lấy theo bảng II.6;

u – chu vi tiết diện cọc, m;

Chú thích: Ma sát do lớp cát ở mặt bên của cọc có mở rộng đáy được tính trong khoảng từ mức san bằng đến độ sâu tương ứng với chỗ giao nhau của thân cọc với mặt hình nón tưởng tượng có đường sinh tựa lên ranh giới mở rộng dưới một góc

φ I /2 so với trục cọc, trong đó φ I là trị tính toán trung bình (theo từng lớp) của góc

ma sát trong phạm vi hình nón nói trên Các giá trị tính toán γ, φ và c của đất nền xác định theo yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình, lúc này sử dụng hệ số an toàn bằng 1,1 cho φ I và 1,5 cho c I Đối với đất sét, cho phép kể đến

ma sát bên trên toàn bộ chiều dài thân cọc.

Bảng II.5 Trị số α 2 hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên của cọc

TT Loại cọc và phương pháp thi công cọc Hệ số điều kiện làm việc của đất

o K

γ'i – giá trị tính toán của trọng lượng thể tích đất, T/m3, ở phía dưới mũi cọc,khi đất bão hoà có kể đến sức đẩy nổi của đất;

γi – giá trị tính toán trung bình (theo các lớp) của trọng lượng thể tích đất,T/m3, nằm phía trên mũi cọc, khi đất bão hoà có kể đến sức đẩy nổi của đất;

Bảng II.7: Bảng tra hệ số  , A o

k , B o k

Kí hiệu các hệ số Các hệ số, Ao , Bo và khi các trị tính toán của góc ma sát

trong của đất 1độ

Bảng II.8: Bảng tra giá trị R i ( T/m 2 )

-Nhận xét:

Phương pháp tính này phụ thuộc rất nhiều vào cách xác định các chỉ tiêu của lớp

đất, điều này rất khó đối với lớp đất sâu vì hoặc rất khó lấy mẫu đất nguyên dạng,hoặc là phải suy diễn gián tiếp qua các chỉ tiêu, đặc biệt là đối với điều kiện địachất Hà nội thường đặt mũi cọc vào lớp sỏi cuội, phân bố ở độ sâu khoảng 40m

* Sức chịu tải theo kết quả xuyên tĩnh (CPT)

Đây là dạng công thức thực nghiệm, xác định sức chịu tải của cọc thông quanhững kết quả tương quan giữa sức chịu tải của cọc với một số chỉ tiêu cơ học của

đất xác định bằng các thí nghiệm hiện trường

Sức chịu tải của cọc được dự tính trên cơ sở sức chống xuyên qc của đất đối vớimột đầu xuyên tiêu chuẩn (đường kính đáy mũi côn 35,7mm và góc nhọn mũi côn

P

Q FS

Q

Trong đó:

Qa – sức chịu tải cho phép tính toán của cọc;

Qu– sức chịu tải tiêu chuẩn tính toán của cọc;

QP – sức kháng mũi cọc tiêu chuẩn tính toán của cọc;

Qs- sức kháng ma sát bên cọc tiêu chuẩn tính toán của cọc;

Với: Kc– hệ số, phụ thuộc vào lớp đất dưới cọc, lấy theo bảng II.9;

qc– sức kháng mũi xuyên của lớp đất ở mũi cọc, T/m2;

Thường lấy qclà giá trị xuyên trung bình, lấy trong khoảng 3 lần đường kính cọcphía trên và phía dưới mũi cọc;

F – diện tích ngang của mũi cọc (đã được mở rộng) m2;

1

Với: u- chu vi tiết diện cọc;

li – chiều dài của cọc trong lớp đất i;

qci– sức kháng mũi cọc xuyên của lớp đất thứ i;

αi – hệ số, lấy theo bảng II.9

* Sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

Cũng như phương pháp tính sức chịu tải của cọc thông qua kết quả xuyên tĩnh,

đây là một dạng công thức thực nghiệm Theo phương pháp này, sức chịu tải của

đất nền được xác định trên cơ sở kết quả thí nghiệm hiện trường SPT

- Công thức Meyerhof cho đất rời:

] [

F – diện tích tiết diện của mũi cọc (đã được mở rộng);

U – chu vi tiết diện cọc;

L – chiều dài cọc trong đất rời;

Ns

tb– chỉ số SPT trung bình của lớp đất rời dọc theo thân cọc;

K1– hệ số, lấy bằng 400 với cọc đóng và 120 cho cọc khoan nhồi;

K2– hệ số lấy bằng 2,0 đối với cọc đóng và 1,0 đối với cọc khoan nhồi;

FS - hệ số an toàn, lấy bằng 2.5-3.0;

- Công thức phổ biến tại Nhật Bản:

P . P ( 0 , 3 s. c . s) 3

NP - chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc;

NS- chỉ số SPT của đất xung quanh cọc;

Lc- chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát (m);

Ls- chiều dài đoạn cọc nằm trong đất sét (m);

Bảng II 9: Bảng tra hệ số  i và K c

Loại đất

Sứcchống ởmũi qc(***)(kPa)

Hệ số Kc

Hệ số Giá trị cực đại qc(kPa)

Cọcnhồi

Cọc

đóng

Thànhbêtông

Thànhốngthép

Thànhbêtông

Thànhốngthép

Thànhbêtông

Thànhốngthép

Thànhbêtông

Thànhốngthép

(80)35

rất chặt >10000 0.4 150

300(200) 150

300(200)

(150)120

(120)80

II 2 Điều kiện vật liệu, trang bị máy móc thi công cọc Franki

II 2 1 Vật liệu thi công cọc Franki:

xi măng Thường người ta cho 3,5 gallons nước trên 1 bao xi măng là đủ (1gallons

UK nước bằng 4,5461 lít nước) Tuy nhiên nên kiểm tra qua những phép thử tại

phòng thí nghiệm Với thân cọc Franki, độ sụt bê tông thường lấy khoảng từ 15

-20 cm

Vật liệu thép dùng cho cọc Franki như các cọc thông thường khác

II 2 2 Máy móc thi công cọc Franki:

Thiết bị hạ cọc bao gồm dàn búa và búa Hình giới thiệu các bộ phận củamột dàn búa hạ cọc điển hình Bộ phận dẫn hướng thoả mãn hai mục đích: giữ cọc

đúng vị trí và duy trì cọc và búa trên trục thẳng Yêu cầu bộ phận dẫn này phải đủcứng để đảm bảo cọc được giữ chặt tại vị trí và trên trục thẳng với búa Thôngthường, bộ phận dẫn hướng được lắp với đầu cần trục tại đỉnh và với thanh giữ ở

đáy Trong hình bộ phận dẫn hướng là một khung ngang nối đáy của các thanhdẫn với thanh dàn Thanh giữ có thể được gắn cố định theo chiều dài hoặc có thểlồng vào nhau, vì vậy nó có khả năng điều chỉnh bán kính hoạt động dàn đóng cọc

Điều này cho phép đóng liên tục trong phạm vi rộng các cọc trong và ngoài

Việc thi công cọc xiên ở trong dùng dầm vòng là một bộ phận có hình thẳnghoặc cong gắn vào điểm cuối của thanh dẫn Dầm vòng được đặt vuông góc vớitrục dọc của cả thanh dẫn hướng và thanh giữ Trong hình thể hiện đáy của bộphận dẫn hướng gắn chặt với dầm vòng, điều này cho phép đáy của bộ dẫn hướngchuyển động theo hướng bên, cho phép cọc được đóng xiên theo hướng bất kỳ.Nguồn năng lượng cho búa hoạt động dùng nồi hơi hoặc máy nén khí Côngsuất nồi hơi thông thường được đo bằng mã lực

Búa sử dụng để đóng cọc có thể sử dụng búa rơi tự do, búa đơn động (hơi nướchoặc khí), búa song động (hơi nước hoặc khí), búa vi sai (khí, hơi hoặc thuỷ lực),búa điêzen (đơn hoặc song động) và búa rung

Trong các yêu cầu kỹ thuật thi công đóng cọc, các loại búa đóng và hệ sốtruyền năng lượng là quyết định chính Đây cũng là một trọng những tham sốquyết định khả năng chịu lực của cọc trong khi đóng Để hiểu rõ năng lượng thựctruyền cho cọc, điều phải chú ý là việc chọn búa phù hợp tới mức nào khi đóng cọc

và quan trọng là biết được năng lượng bị mất trong toàn bộ hệ thống đóng cọc Tỷ

lệ giữa năng lượng thực truyền cho cọc (được đo bằng khối lượng búa và vận tốccuối cùng của búa tại lúc va đập) và năng lượng tính theo lý thuyết (ghi trên

catalogue máy) được gọi là hiệu suất của búa Với dạng búa hơi thì hiệu suất củacác loại búa hơi được bảo dưỡng tốt cũng chỉ phát và truyền năng lượng đạt khoảng70%, với búa điêzen thì hiệu suất này có thể dưới 50% nếu như bảo dưỡng kém và

cỡ 90% nếu búa được bảo dưỡng tốt

Giá búa máy tạo lỗ thi công cọc Franki bao gồm các bộ phận chính sau: độngcơ điêzen, tời ba trục dây, tay với và bộ phận di chuyển

Cơ cấu hoạt động như sau:

điều khiển tay với xoay đi xoay lại so với bộ phận di chuyển

Tời gồm 3 trục cuộn dây cáp : Để nâng đầu búa, để di chuyển xô đựng vữa bêtông và để rút ống dẫn Tại trục của cuộn dây cáp rút ống dẫn người ta lắp mộtkabextan để di chuyển giá búa trên đường ray và làm một số công tác phụ khác.Mỗi trục cuộn dây cáp có khớp móc và hãm riêng, trục tời để nâng đầu búa cókhớp hình băng ở phía trong Trục tời dùng để nâng các vật nặng được gắn mộtkhớp nhiều đĩa, còn trục tời dùng để rút ống dẫn có khớp hình băng ở phía ngoài.Tất cả các bộ phận hãm đều có cấu tạo hình băng Khớp và bộ phận hãm đều điềukhiển bằng thủy lực và hoạt động đồng bộ

Tay với quay được 600 sang bên trái hoặc bên phải so với bộ phận di chuyển.Giữa các khung của tay với và của bộ phận di chuyển có bộ phận quay liên kếtkhớp, kiểu bánh răng.

Bộ phận quay do một người điều

tời có thể chạy trên đường ray cong

Trong chốt khuỷu thẳng đứng của

khung người ta lắp một hàng khuyên cáp

cho phép giữ giá búa không phụ thuộc vào

phương của đường ray so với tay với

Trong thời gian tạo cọc, lắp và tháo hoặc

trong thời gian đặt đường ray theo phương yêu cầu, tay với được giữ bằng 4 kíchvít

Tay với để điều khiển ống dẫn làm bằng ống thép cán Tay với này được gắnvào phần trước của khung nhờ một khớp khuyên cho phép tay với nghiêng về phíatrước 150 so với trục thẳng đứng Tại phần trên người ta giữ tay với bằng hai thanhchống kiểu ống lồng Các thanh chống này được co ngắn lại nhờ các bộ phận xoắn.Trên đỉnh tay với có gắn các khuyên cáp để nối với các trục tời Hai dây cáp từtrục tời dùng để rút ống dẫn đi vòng qua palăng kép di động nối với ống dẫn để vào

hệ thống gồm 12 nhánh dây cáp Dây cáp nâng đầu búa được truyền qua một cáikhuyên gắn trên trụ hãm Dây cáp nâng vật nặng được truyền qua một hệ thống haikhuyên gắn với một xà ngang đặc biệt

Thiết bị KPF được trang bị đầu búa để hạ ống dẫn đường kính 508mm, đượctrang bị ống dẫn, các bộ phận chở bê tông và các bộ phận chất tải mở bằng tay sảnxuất theo các đơn đặt hàng riêng

Bảng II.10: Đặc trưng kỹ thuật thiết bị KPF điển hình

Số vòng quay của động cơ trong 1 phút 1500

Số nhát đập của đầu búa trong 1 phút 10

Đường kính ngoài của ống dẫn (mm) 508

Bảng II.11: Các số liệu cơ bản của thiết bị KPF

Loại thiết

bị

Côngsuất

động cơ

(mã

lực)

Đườngkính cơ

bản củaống dẫn(mm)

Chiềudàiốngdẫn(m)

Trọnglượng

đầubúa(T)

Sốnhát

đậptrong

1 phút

Lựcrútốngdẫn(T)

Trọnglượng 1mdài ống(kg)

Đường kính

đầu búa(mm)

Trọnglượng đầubúa (T)

Chiều caonâng búa(m)

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa

học kỹ thuật đã phát minh ra nhiều loại búa

cho năng lượng xung kích lớn, tốc độ thi

công nhanh, cho phép thi công cọc Franki với

đường kính lớn, chiều sâu hạ cọc tăng và tăng

cường khả năng chịu lực của cọc

Sau đây là một số hình ảnh về thiết bị búa

đóng đáy của hãng APE

* Tính toán lựa chọn búa đóng cọc:

- Để chọn búa đóng cọc đầu tiên xác định năng lượng xung kích của búa Nănglượng xung kích của búa phải thoả mãn điều kiện sau:

P

Trong đó:

m k

P



Với: P0– Sức chịu tải tính toán của cọc theo đất nền, (kG);

K – Hệ số đồng nhất của đất (thường lấy bằng 0.7-0.8);

M – hệ số điều kiện làm việc, phụ thuộc số lượng cọc, cấu tạo bệ móng, m thườnglấy bằng 1

E - năng lượng xung kích của búa, đã biết ở tính năng kỹ thuật của búa, (kGm);

- Kiểm tra hệ số thích dụng K của búa theo công thức: