THIẾT BỊ KHOAN VÀ MỞ RỘNG CHÂN CỌC KHOAN NHỒI

5.2 thiết bị khoan và mở rộng chân cọc khoan nhồi Dây chuyền công nghệ đúc cọc tại chỗ loại đường kính lớn gồm 3 công đoạn chính: • Tạo lỗ trong nền đất đá, đây là công đoạn phức tạp v

5.2 thiết bị khoan và mở rộng chân cọc khoan nhồi

Dây chuyền công nghệ đúc cọc tại chỗ loại đường kính lớn gồm 3 công đoạn chính:

• Tạo lỗ trong nền đất đá, đây là công đoạn phức tạp và đòi hỏi cơ giới hoá toàn bộ

• Chế tạo và hạ lồng thép

• Đổ bêtông đúc cọc

Để đảm bảo chất luợng và hiệu quả kinh tế, điều cốt yếu là phải chọn được tổ máy khoan

đồng bộ và chuyên dụng, phù hợp với điều kiện địa chất, thủy văn cụ thể nơi xây dựng và yêu cầu kỹ thuật của công trình

2.1-Thiết bị khoan lỗ:

Tùy theo điều kiện địa chất, thủy văn và yêu cầu kỹ thuật (đường kính, độ sâu, ), các nhà chế tạo đã sản xuất những tổ hợp máy khoan có tính năng phù hợp, đảm bảo năng suất và hiệu quả cao Mặc dù có nhiều loại khác nhau, nhưng căn cứ vào nguyên tắc hoạt động nói chung thiết bị khoan tạo lỗ chuyên dụng cho cọc nhồi có thể nhóm lại trong 3 kiểu chủ yếu sau:

2.1.1-Máy khoan dùng ống vách (all casing):

Đầu khoan hoạt động theo nguyên tắc gàu ngoạm nhưng có khối lượng rất nặng, bảo đảm năng suất phá và bốc đất đá cao Hàm gàu ngoạm có răng bịt hợp kim rắn, có thể khoan tạo lỗ trong mọi loại đất đá (trừ đá rắn)

Trường hợp lực cản lớn, thường dùng kết hợp với máy chấn động hoặc chất tải thêm trọng lượng, để có năng suất cao Nếu đất đá cứng rắn có thể dùng đầu khoan choòng hoặc khoan xoay với mũi khoan có nhiều loại cấu tạo khác nhau: kiểu lưỡi trổ, kiểu bánh răng hoặc mũi dao cứng

Cùng với máy khoan trong công nghệ này, ống vách được sử dụng suốt toàn bộ chiều sâu cọc Nếu chỉ dùng tạm thời để khoan và lấy đất đá, sau đó rút lên dần dần đồng thời với đổ bêtông đúc cọc, các đoạn ống vách được liên kết bằng bulông đầu chìm tiện tháo lắp; ngược lại có thể dùng liên kết hàn

Hình 5.14: Gàu ngoạm kiểu búa

Hình 5.15: Tổ hợp khoan Benoto EDF-55

1.ống vách 2.Gàu ngoạm 3.Kích thuỷ lực 4.Đai choòng

2.1.2-Máy khoan vận hành ngược (Reverse Circulation Drill):

Các đầu khoan trong máy vận hành ngược cũng có nhiều loại khác nhau tùy theo

đất đá Các hoạt động đào đất, hút nước và mùn khoan, bổ sung dung dịch khoan, theo nguyên tắc tuần hoàn theo kiểu PS của hãng Salzgitter Loại này có mômen quay thường nhỏ hơn những loại máy khoan xoay thuộc nhóm trên Nhiều loại vừa khoan được trong

đất, vừa khoan được trong đá cứng Tuy nhiên, việc lựa chọn đầu khoan nên căn cứ vào cường độ chịu nén của đất đá

Hình 5.16: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của thiết bị PS-150 Salzgitter

1.Mũi khoan 2.Bể lắng 3.Cơ cấu điều khiển 4.ống dẫn mùn khoan

5.Bơm xả 6.Làm lạnh 7.Bơm 8.Thùng chứa

Hình 5.17: Máy vận hành ngược

Đối với đất như bùn, sét, á sét, á cát, cát các loại, cát lẫn sỏi, có trị số xuyên tiêu chuẩn N < 50 có thể chọn các loại mũi khoan trừ đầu khoan bánh răng vì dễ tắc nghẽn

Đối với đất cứng và đá mềm nên chọn các mũi khoan chuyên dụng tương ứng, đầu khoan

có 3, 4 cánh có răng cứng cũng không phù hợp

Khoan bánh răng chỉ thích dụng với nham thạch, tùy theo cách xếp đặt mũi dao có thể khoan đá cứng hoặc đá mềm

Trục khoan là những ống thép rỗng có đường kính trong 100-300mm để dung khoan vận hành ngược trở về bể chứa và sau khi sàng lọc lại cho xuống lỗ khoan

Hiện nay, phương pháp khoan vận hành ngược có xu hướng phát triển và ứng dụng phổ biến Các loại khoan nhồi đường kính cực lớn từ ≥ 4m đều dùng loại đầu khoan phương pháp vận hành ngược

2.1.3-Máy khoan đất (Earth Drill):

Đầu máy khoan theo nguyên tắc chân vít hoặc gàu xoay rất hiệu quả để khoan lỗ cho những cọc đường kính lớn trên nền đất và đá yếu:

• Đối với đất dính dùng đầu khoan guồng xoắn, hình 5.18, đất sau khi xén được

chuyển liên tục ra ngoài

Hình 5.18: Máy khoan đất guồng xoắn

• Trường hợp đất dẻo và ngậm nước dùng đầu khoan kiểu gàu để đất do cánh xén cắt

và được gạt vào gàu đến khi đầy được kéo lên đổ ra ngoài

Kết hợp với chống vách bằng vữa sét, gàu khoan xoay có thể khắc phục những khó khăn nếu khoan trong nền đất yếu và cả đất xốp rời mà không cần dùng ống vách

Do không dùng ống vách và nhiều trường hợp không dùng cả vữa sét, nên rất thông dụng trong các điều kiện địa chất khác nhau, kể cả đất có rễ cây, đá tảng, đá mồ côi, Chỉ khi nào đất có khả năng sạt lỡ vào lỗ khoan mới chống tạm bằng 1 đoạn ống vách, hạ ống vách bằng cách dùng ống kelly khoá đáy vào đầu ống vách để vặn và ép ống vách xuống đất

Hình 5.19: Máy khoan đất

1.Côngson 2.Cần trục chính 3.Cần trục phụ 4.Rôto 5.Cần ống lồng 6.Đầu khoan

7.Gàu ngoạm 8.Đầu choòng 9.Đầu khoan xoắn 10.Cơ cấu mở rộng chân cọc

Hình 5.20: Máy khoan đất

2.2-Mở rộng chân cọc:

Cọc khoan nhồi mở rộng chân có khả năng hạ giá thành do chiều sâu khoan cọc giảm và bớt được bêtông cọc Tuy nhiên cần so sánh thời gian thi công mở rộng chân cọc với thời gian khoan tiếp để tăng chiều dài cọc đảm bảo cọc vẫn thẳng và sức chịu tải tương đương, từ đó mới rút ra kết luận phương án nào sẽ mang hiệu quả kinh tế Đối với cọc nhỏ (< 76cm) thường không mở rộng chân cọc

Trong các loại đất rời, đất sét có lẫn thấu kính cát hoặc bùn nhão thì việc mở rộng chân gặp khó khăn và nhiều khi không giải quyết được

Công nghệ khoan mở rộng chân cọc, thường dùng các đầu khoan có gá lắp thêm cánh xén đóng mở cụp xoè và xoay quanh cần khoan hoặc ống kelly Có 2 loại chính:

Hình 5.21: Loại xén đất hình nón cụt và hình chỏm cầu

Hình 5.22: Các đầu khoan mở rộng

• Loại xén đất hình nón cụt: gồm những cánh xén nới khớp ở đỉnh đầu khoan, có ưu

điểm giữ ổn định được mái xén và khi rút cần khoan cánh tự động cụp vào gàu khoan; cũng có thể đóng mở bằng kích dầu, điều khiển trên mặt đất

• Loại xén đất hình chỏm cầu: gồm những cánh xén nối khớp ở đáy gàu có ưu điểm tạo được những chân mở rộng đường kính lớn hơn và đáy sạch sẽ hơn bởi cánh xén luôn luôn hoạt động ở đáy cọc nhưng vòm mái kếm ổn định và cánh xén dễ bị kẹt trong lỗ khi kéo gàu khoan ra ngoài

Khi dùng máy khoan mở rộng chân cọc trong đất kém ổn định nhất thiết phải dùng

đến dung dịch vữa sét hoặc phải giữ cho cột nước trong lỗ khoan luôn cao hơn mực nước ngầm khoảng 2m

2.3-Các thiết bị và vật liệu phụ trợ:

2.3.1-ống vách:

ống vách thường được dùng như 1 thiết bị phụ trợ quan trọng để giải quyết nhiều trường hợp khó khăn, nhiệm vụ chủ yếu là: chống giữ cho vách khoan được ổn định, bảo

vệ cho mặt đất xung quanh vị trí lỗ khoan khỏi lún sụt và tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều công đoạn thi công khác nhau: đào đất, hút nước, vệ sinh lỗ khoan, đúc cọc,

ống vách thường được hạ bằng cách đóng, rung hoặc vừa nén vừa xoay và được rút dần trong quá trình đổ bêtông cọc

Hình 5.23: Rung hạ ống vách

Hình 5.24: Xoay hạ ống vách

ống vách phải đạt được những yêu cầu sau đây:

• Đủ cường độ và độ ổn định nhất là đỉnh và chân ống, không bị méo móp

• Hình dạng phải tròn đều và thật thẳng để tránh va chạm với đầu khoan

• Thành ống phải kín khít (không có lỗ hoặc khe dò) để chắn bùn cát lọt vào

• Đường kính trong ống vách phải lớn hơn đường kính ngoài đầu khoan từ 4-15cm tuỳ theo công nghệ, đường kính và độ sâu hạ cọc

• Mặt trong và ngoài ống phải nhẵn phẳng, ít ma sát tạo điều kiện thuận lợi khi hạ cũng như khi rút ống được dễ dàng

• Độ dài ống vách tùy theo điều kiện thuỷ văn, địa chất, độ sâu khoan cọc và thiết bị công nghệ sử dụng

Cấu tạo ống thép:

• Khi đường kính Φ ≤ 1m thì δ = 9-16mm và khi Φ > 1m lấy δ =16-25mm

• ống được chế tạo thành từng đoạn từ 3-4m đến 8m, trong trường hợp cần thiết có thể chế tạo cả chiều dài cọc

Khi dùng nước, miệng ống vách cao hơn MNN hoặc nước mặt ≥ 2m để có thể bơm nước bổ sung, giữ cố định ở mức cao hơn bên ngoài 2m Còn dùng vữa sét cao trình miệng ống có thể thấp hơn

Khi MNN ở sâu quá 2m so với mặt đất, miệng ống cũng ở cao trình mặt đất

MNN

Hình 5.25: Cao độ miệng ống vách

a.Mực nước ngầm nông b.Có nước mặt c.Nước ngầm sâu

2-Đất dính

1-Đất rời

MNN

Hình 5.26: Cao trình đáy ống khi có công trình xung quanh

• Cao trình đáy ống tuỳ thuộc địa điểm thi công và điều kiện địa chất, hình 5.26:

Khi cọc bên cạnh những công trình đã xây dựng, cần chú ý không để xảy ra hiện tượng sạt lở dưới lỗ khoan làm đất lún sụt, khoan đến đâu chống vách

đến đó và khi cọc sát công trình nên để lại ống vách không rút lên; trường hợp

đặt chân ống vách cao hơn chân cọc phải có biện pháp xử lý

Nếu dưới cùng là tầng đất dính, chân ống vách có thể kết thúc tại đó ở trong tầng đó Khi tầng không thấm ở quá sâu cũng có thể đặt chân ống tại lớp trên

ít nhất không nhỏ hơn 1.5 lần độ sâu từ mặt đất đến MNN

Tùy theo điều kiện địa chất công trình, kích thước ống vách, chiều sâu hạ để tính toán và chọn thiết bị hạ ống vách cho phù hợp Thiết bị hạ ống vách thường có những dạng sau:

• Sử dụng thiết bị xylanh thủy lực kèm theo máy khoan để xoay lắc ống vách hạ hoặc nhổ ống vách lên

• Hạ bằng kích thủy lực ép xuống

• Sử dụng búa rung đóng ống vách xuống kết hợp với việc lấy đất bên trong lòng ống vách bằng máy khoan, gàu ngoạm hoặc hút bùn

2.3.2-Vữa sét (Bùn khoan):

Ngoài giải pháp dùng ống vách, để giữ ổn định lỗ khoan chống sập lở, trong công nghệ khoan nhồi thường dùng vữa sét có tỷ trọng cao: dung dịch bentonite, 1 dung dịch vữa sét có hạt rất mịn, hoạt tính và các xúc biến cao, tỷ trọng lớn hơn nước

Nói chung, trong công nghệ cọc khoan nhồi vữa sét có các tác dụng chính sau:

Hình 5.27: Bao chứa Bentonite

• Giữ cho vách khoan được ổn định, không bị sạt lở là vì vữa sét có tính xúc biến cao chui vào kẽ giữa các hạt rời tạo thành màng liên kết dày 2-4mm bọc quanh vách lỗ khoan và nó có tỷ trọng lớn nên tạo ra áp lực ngang đủ đảm bảo điều kiện cân bằng cơ học cho phần tử vách

• Là dịch thể có tỷ trọng cao và ở trạng thái sệt, lực đẩy nổi làm cho mạt khoan và cát đá không lắng chìm được dưới đáy hố khoan nên lấy được dễ dàng và do không vướng mạt khoan ở đáy lỗ nên đẩy nhanh tốc độ khoan nhất là khoan choòng Khi

mở rộng chân cọc nhất thiết phải dùng vữa sét hoặc dung dịch khoan

Dung dịch vữa sét trong cọc khoan nhồi phải đảm bảo các chỉ tiêu sau:

• Tỷ trọng phải lớn để tạo ra áp lực tác dụng lên vách lỗ khoan giữ ổn định thành vách nên dung dịch bentonite có tỷ trọng 1.05-1.25kg/cm3, các dung dịch khác 1.15-1.35kg/cm3 Chỉ tiêu này được đo bằng tỷ trọng kế ở hiện trường

• Để chống sự lắng đọng của mạt khoan, dung dịch có độ nhớt Marsh từ 1-20s đến 30-36s, đây là 1 đặc điểm biểu thị tính linh động của dung dịch Chỉ tiêu này được xác định bằng côn Marsh hoặc đo bằng thời gian chảy của 500cm3 dung dịch qua phểu chuẩn

• Độ pH của nước cao hay thấp đều có khả năng ảnh hưởng chất lượng dung dịch vì gây ra phản ứng hoá học Độ pH cho phép từ 7-9.5 Vùng nước lợ và nước mặn dung dịch sẽ bị phân huỷ nên phải xử lý trước khi sử dụng

• Độ phân tầng lớn sẽ gây ra kết tủa cơ học (tách nước) Độ phân tầng 1 ngày đêm không lớn hơn 4-8%; đây là 1 đặc trưng cho tính ổn định cấu trúc của dung dịch Chỉ tiêu này được đo bằng trọng lượng nước trên mặt dung dịch trong ống nghiệm sau 1 ngày đêm

• Độ thất thoát nước biểu thị khả năng ổn định hàm lượng nước khi tiếp xúc với đất

đá Trị số thất thoát cho phép khoảng 10-25cm3 sau 30phút, nếu lớn hơn sẽ thay

đổi chất lượng dung dịch và tạo ra lớp vỏ dày bọc xung quanh lỗ khoan quá 4mm Chỉ tiêu này đo bằng hiệu tỷ trọng của 2 nửa cột dung dịch ở phía trên và phía dưới

• ứng suất cắt tĩnh là đặc trưng độ bền cấu trúc và tính xúc biến của dung dịch, trị số này khoảng 15-40mg/cm2

• Hàm lượng cát trong dung dịch phải < 8% theo trọng lượng và độ lắng cát phải ≤ 5% Hàm hượng này được xác định bởi sự lọc rửa dung dịch thí nghiệm

Chú ý:

• Càng khoan sâu vữa sét càng giảm mật độ vì các hạt sét đã xâm nhập vào những lỗ rỗng để tạo vách nên phải bổ sung và điều chỉnh tỷ lệ thành phần vữa sét trong lỗ khoan

• Nếu mực dung dịch tụt đột ngột phải dừng khoan để tìm nguyên nhân và có biện pháp xử lý kịp thời

Bơm vữa sét vào lỗ khoan thường dùng các loại máy bơm chuyên dụng, áp suất có thể tới 49MPa, bơm đến 1 khối lượng vữa sét 1403lít/phút