Phương pháp tăng độ chặt của nền bằng biện pháp tiêu nước thẳng đứng Để tiêu nước theo phương thẳng đứng, thường dùng các phương pháp sau: a Cọc cát, sỏi: Khi móng công trình lớn, lớp n
Trang 1CHƯƠNG 6: MÁY VÀ THIẾT BỊ GIA CỐ NỀN MÓNG
1 Những vấn đề chung
1.1 Mục đích, ý nghĩa của việc gia cố nền móng
Hầu hết các công trình nhân tạo đều truyền tải trọng bản thân và hoạt tải qua nền móng xuống đất Tùy theo tính chất công trình, tải trọng truyền xuống nền có thể lớn hay nhỏ dưới các trạng thái lực phân bố đa dạng khác nhau
Đa số trường hợp, nền công trình đều phải gia cố, một mặt do tải trọng công trình trên nó truyền xuống bao giờ cũng lớn và càng ngày càng lớn vì vậy việc gia cố nền để tạo móng công trình
là việc tất yếu Chi phí cho việc gia cố nền móng trong giá thành xây dựng công trình chiếm một tỉ
15-30%
1.2 Các phương pháp gia cố nền chủ yếu
Ngày nay các phương pháp gia cố nền móng khá phong phú và đa dạng, ngoài các biện pháp kết cấu tầng dưới của công trình để chống lún như: Móng bè, móng chân vịt… khe lún, giằng tường, giằng móng… cũng như các biện pháp gián tiếp như đắp khối (tường) phản áp (đối trọng), tường chắn… còn dùng những biện pháp đặc hữu như gia nhiệt nền, trộn vôi, xi măng, điện - hóa, silicat hóa… trên mặt hoặc sâu trong nền để cải thiện cơ tính của nền Trên thực tế các phương pháp gia cố nền sau đây được sử dụng rộng rãi hơn cả
1.2.1 Phương pháp cải tạo sự phân bố ứng suất trên nền
a) Đệm cát: Dùng khi lớp nền yếu có chiều sâu ≤ 3m bão hòa nước, ta có thể gạt bỏ lớp đất yếu dưới chân móng và thay thế bằng lớp cát
b) Đệm đá sỏi: Cũng như với đệm cát, sức chịu truyền lực của đệm đá sỏi lớn hơn nhiều so với cát nên ta có thể coi nó như một bộ phận của móng
c) Đệm đất: Với các công trình xây dựng trên nền đắp và mức nước ngầm ở dưới sâu thì dùng đệm đất (vật liệu rẻ hơn)
1.2.2 Phương pháp tăng độ chặt của nền bằng biện pháp tiêu nước thẳng đứng
Để tiêu nước theo phương thẳng đứng, thường dùng các phương pháp sau:
a) Cọc cát, sỏi: Khi móng công trình lớn, lớp nền yếu có chiều dày ≥ 3m, ta có thể cải tạo bằng cọc cát sỏi Cọc cát, sỏi làm cho độ ẩm, độ rỗng của nền giảm đi, cọc cát có tác dụng như là một giếng tiêu nước thẳng đứng, làm cho mô đun biến dạng, tính kháng nén, kháng cắt của nền tăng lên…và cọc làm việc đồng thời với nền
Ưu việt của cọc cát, sỏi: Kinh phí xây dựng có thể giảm 40% so với cọc bê tông, giảm 20% so với dùng đệm cát
Trang 2b) Bấc thấm: Khác với cọc cát, sỏi; bấc thấm không tham gia vào quá trình chịu lực truyền tải của công trình xuống nền, nó chỉ có chức năng tiêu nước thẳng đứng cho nền, làm cho cơ tính của đất nền được nâng cao do tăng cường tốc độ cố kết của nó, kết quả là sự chịu tải của đất nền được cải thiện
Ngày nay, người ta còn áp dụng phương pháp tiêu nước theo phương ngang cho các công trình có mặt bằng rộng và có điều kiện áp dụng
1.2.3 Phương pháp gia cố nền bằng cọc cứng
Móng cọc là một kết cấu quen thuộc trong xây dựng, làm nhiệm vụ truyền tải công trình xuống sâu trong nền đất có lớp (tầng) chịu lực tốt, khắc phục được biến dạng lún không đồng đều, chịu được tải trọng ngang, giảm khối lượng đào đắp, rút ngắn thời gian thi công do công nghiệp hóa chế tạo cọc và thiết bị thi công
Cọc và thiết bị đóng (hạ, đúc tại chỗ) rất đa dạng: cọc tre, gỗ, bê tông đặc, ống rỗng thép, ván thép…cọc nhồi các kiểu, trụ thẳng, nở hông (Franki), nở đáy…cọc xoắn
1.3 Phân loại thiết bị thi công cọc cứng
1.3.1 Sơ đồ phân loại
Hình 6.1 Sơ đồ phân loại thiết bị thi công cọc cứng
Trang 3Loại búa Phạm vi sử dụng Ưu điểm Nhược điểm
Búa rơi
Để đóng các loại cọc có
hcọc = 6 ÷12m với khối
lượng nhỏ Mặt bằng thi
công rộng
Gbúa =0,25 ÷ 1,5 tấn
Cấu tạo đơn giản, dễ bảo quản, dễ sửa chữa, dễ thay đổi độ cao nâng búa
Giá thành hạ
Năng suất thấp
Ns =1 nhát/ph - tời tay
4 ÷ 5 nhát/ph - tời máy
Dễ làm hỏng đầu cọc
Búa thủy
lực
Đóng các cọc BTCT, cọc
8 ÷12m
Đóng cọc trên nhiều loại nền, kể cả nền yếu
Không gây ô nhiễm môi trường
Chi phí đầu tư máy cao Việc sửa chữa khó khăn
Búa hơi
Đóng cọc bê tông, BTCT
nặng, khối lượng đóng cọc
lớn; địa bàn thi công chật
hẹp
Gbúa =1,2 ÷ 9 tấn,
Hef.búa = 0,7 + 1,6 m
N =200 ÷ 500 nhát /ph Ít phá vỡ đầu cọc Có thể đóng cọc không cần giá búa, dễ điều khiển áp lực đóng cọc tự động
Trọng lượng hiệu dụng nhỏ:
Cần có thiết bị trung gian cồng kềnh (máy nén, nồi hơi)
dễ hỏng ống dẫn hơi, độ an toàn thấp
Búa
Diezel
Đóng cọc gỗ, thép, bê tông
cốt thép và ván cừ (h
≤8m); thích hợp với đất
thịt
Gbúa = 0,14 ÷15 tấn
Trọng lượng tổng các thiết bị nhỏ; Không cần một số thiết bị trung gian (máy nén khí, nồi hơi, động cơ điện)
Tốn 50 ÷ 60% công suất để nén không khí trong xi lanh Cần có nhiên liệu dầu diezel Năng suất thấp hơn búa hơi
Ns =50÷80 nhát/ph
Búa
rung
động
Đóng các loại cọc ván cừ
với khối lượng lớn, hiệu
quả cao đất rời, cát, cát
pha và đất bão hòa nước
Năng suất cao hơn các
3÷4 lần
Giá thành hạ 2÷2,5 lần
Không làm vỡ đầu cọc
Cần phải có nguồn điện
Chú ý: Chọn búa phải dựa trên cơ sở
- Phạm vi sử dụng của búa, ưu nhược điểm và điều kiện trang thiết bị
- Đặc điểm địa hình thi công, khối lượng công việc và đặc điểm cọc
- Đặc điểm địa chất của nền
Trang 41.4 Khái niệm cọc
Cọc các loại có thể được đóng (bằng búa), hạ (bằng búa rung, vòi xói), đúc tạo chỗ (khoan nhồi, vòi xói), vặn (cọc xoắn) hoặc kết hợp đóng, đầm (hạ) cọc ống rồi đổ bê tông…Vì vậy, thuật ngữ “hạ cọc” ở đây có nghĩa rộng bao quát
Phương tiện đóng cọc phổ biến là búa diezel, búa rung, ngoài ra còn có búa rơi tự do, búa hơi nước và búa thủy lực Lực xung kích tác dụng lên đầu cọc là tác nhân cơ bản để hạ cọc
1.4.1 Hạ cọc bằng rung động
Những trường hợp không thể dùng búa xung kích để đóng cọc như: trọng lượng cọc quá lớn
so với búa, hoặc nền cát…người ta có thể hạ cọc bằng búa rung các loại (rung nối cứng, nối mềm,
va rung)
Búa rung tác động nhờ lực ly tâm tạo ra bằng khối lệch tâm quay Lực ly tâm ở đây còn được gọi là lực kích động P
1.4.2 Đúc cọc tại chỗ bằng khoan nhồi
Khoan nhồi dùng để tạo cọc (đúc cọc) tại chỗ Công nghệ khoan nhồi gồm 2 bước cơ bản: Tạo lỗ khoan bằng máy khoan chuyên dụng và đúc cọc bê tông sau khi tạo lỗ Nó được phép tạo ra các móng cọc chịu lực rất lớn xây dựng các công trình cầu, các tòa nhà cao tầng, các công trình thủy lợi và thủy điện
Để tạo lỗ khoan, người ta áp dụng các loại hình công nghệ:
- Công nghệ đúc khô
- Công nghệ dùng ống vách
- Công nghệ dùng dung dịch khoan
Việc áp dụng loại hình công nghệ nào cho hợp lý phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm địa chất, thiết bị khoan và trình độ vận hành thiết bị
Trang 52 BÚA ĐÓNG CỌC DIEZEL
2.1 Công dụng và phân loại
*) Công dụng: Búa Diesel dùng để đóng các cọc bê tông cốt thép, ống thép, cọc gỗ và thường chỉ
đóng trên nền thông thường (không phải nền yếu hoặc nền cứng) Búa loại này dùng dầu diesel và hoạt động như một động cơ diesel, gây ồn lớn và chấn động mạnh nên chỉ thích hợp với việc xây dựng các công trình xa nơi dân cư, xa cách công trình xây dựng đã có
Búa diesel là loại búa có nhiều ưu điểm nổi bật như kết cấu gọn nhẹ, cơ động, mang tính độc lập cao không phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên ngoài Tuy nhiên nó còn có những nhược điểm sau:
- Công thực tế đóng cọc nhỏ vì phải cần khoảng 50 ÷ 60% động năng dùng vào việc nén khí cho búa nổ, còn lại 40 ÷ 50% là dùng cho việc đóng cọc
- Tốc độ đóng cọc chậm (50 ÷ 60 lần/ph), hiệu quả đóng cọc thấp, khi cần đóng về mùa đông búa khó nổ
- Sử dụng nhiên liệu đắt tiền
- Khi đóng cọc trên nền đất yếu ít có hiệu quả
- Khi lực đóng cọc lớn dễ gây vỡ đầu cọc và ảnh hưởng đến các công trình xung quanh
*) Phân loại:
- Theo nguyên tắc cấu tạo quả búa:
+ Búa diezel cột dẫn (xylanh rơi)
+ Búa diezel ống dẫn (piston rơi)
- Theo trọng lượng quả búa:
+ Loại nhỏ: Q = 0,6 - 1,2 -1,8T
+ Loại vừa: Q = 2,5 - 3,5 - 4,5T
+ Loại lớn: Q = 5,5 - 6,5 - 10T
- Theo cấu tạo của giá búa
+ Giá búa chuyên dùng
+ Giá búa không chuyên dùng
2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
2.2.1 Búa diezel kiểu ống dẫn
*) Cấu tạo:
Trang 6Hình 6.2 Sơ đồ cấu tạo búa diezel kiểu ống dẫn
*) Nguyên lý làm việc:
Để búa làm việc người ta tiến hành nâng búa lên nhờ cáp và con rùa (1) Búa được kéo lên làm hở cửa (7), không khí tràn vào xylanh Búa được kéo lên tới điểm cao nhất con rùa (1) sẽ tự động nhả
ra, khi đó búa rơi tự do Khi rơi gần tới cửa (7) búa sẽ tác động vào cần gạt của bơm nhiên liệu (4), nhiên liệu được bơm vào trong xylanh Búa tiếp tục rơi sẽ đóng cửa (7) lại, nhiên liệu và không khí trong xylanh bị nén tới nhiệt độ và áp suất cao Khi piston va chạm với đe va đập (5) hỗn hợp nhiên liệu trong xylanh bốc cháy sinh ra áp lực lớn đóng cọc xuống nền, đồng thời cũng đẩy piston búa (9) lên Piston qua cửa (7) khí thải sẽ thoát ra ngoài, khi piston lên hết đà nó lại rơi xuống và tiếp tục một chu trình mới Để quả búa ngừng làm việc người ta sẽ thôi cấp nhiên liệu bằng cách kéo tay đòn ngừng cấp nhiên liệu
2.2.2 Búa diezel kiểu cột dẫn
*) Cấu tạo:
1- Con rùa 2- Thùng chứa dầu 3- Cần điều khiển bơm 4- Bơm dầu
5- Đe va đập 6- Chụp đầu cọc 7- Của nạp và xả không khí 8- Xéc măng
9- Quả búa (Piston búa) 10- Thân búa (Xylanh búa) 11- Khoang chứa dầu bôi trơn 12- Nút dầu bôi trơn
13- Đường dẫn dầu bôi trơn
9
1
2
3 4
5
6 7 8
10 11 12 13
Trang 7Hình 6.3 Sơ đồ cấu tạo búa diezel kiểu cột dẫn
*) Nguyên lý làm việc:
Xylanh búa (1) được tời nâng búa nâng lên qua móc treo (13) móc vào chốt (12) Đến hết hành trình thì móc (13) nhả ra, xylanh búa (1) rơi tự do theo cột dẫn hướng (3) chụp vào piston búa (5) cố định trên bệ búa (11) tạo thành buồng kín trong chứa không khí bị nén Ở cuối hành trình rơi, do tác động của chốt điều khiển (2), bơm dầu (7) hoạt động phun nhiên liệu với áp lực lớn vào buồng kín,
ở đây nhiên liệu gặp không khí nén có nhiệt độ cao tự bốc cháy một phần năng lượng đóng cọc xuống nền, một phần đẩy xylanh búa (1) lên Khi xylanh lên hết hành trình, nó lại rơi tự do và chu
kỳ mới lại bắt đầu Búa sẽ ngừng hoạt động khi ngừng cấp nhiên liệu cho bơm
3 BÚA RUNG
3.1 Công dụng và phân loại
*) Công dụng:
17 16
15 14
13
12
11 10
9
8
7 6 5 4 3 2 1
1- Quả búa (xylanh búa) 2- Chốt điều khiển 3- Cột dẫn
4- Xéc măng 5- Piston búa 6- Cần bơm 7- Bơm dầu 8- Ống dẫn dầu 9- Cọc
10- Chụp đầu cọc 11- Bệ búa 12- Chốt treo 13- Móc treo xylanh 14- Xà ngang 15- Cáp kéo 16- Đòn giật 17- Xà đỡ
Trang 8Búa rung được sử dụng phổ biến trong thi công đóng cọc, đặc biệt chúng làm việc rất có hiệu quả trên nền cát tơi, xốp hay ở những địa hình chật hẹp Búa rung có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dễ dịch chuyển đầu búa, làm việc chắc chắn, cọc không bị vỡ Tuy nhiên, trong quá trình làm việc lực đóng cọc ảnh hưởng tới các công trình xung quanh và phải có nguồn điện (thủy lực) cung cấp
Khi làm việc, búa rung treo trên đầu cọc liên tục truyền dao động có tần số, biên độ theo phương thẳng đứng và truyền xuống cọc cùng khối đất bám theo cọc, nhờ đó làm giảm lực ma sát của nền tác dụng lên cọc Dưới tác dụng của trọng lượng cọc và trọng lượng búa rung cùng với lực dao động thẳng đứng thắng lực cản xung quanh cọc và lực cản đầu cọc làm cọc chìm sâu vào nền, nhờ đó mà năng suất đóng cọc cao hơn 4 ÷ 6 lần so với búa diesel
Với nguyên lý tác động như trên, búa rung có thể đóng được gần như tất cả các loại nền với các loại cọc: ván thép, cọc ống thép, cọc ống bê tông cốt thép và ống rỗng để tạo cọc cát (trên nền yếu) mà búa diezel không thể làm được Ngoài việc đóng - dìm cọc, búa rung còn có thể dùng để nhổ cọc ván thép, cọc ống thép
*) Phân loại:
- Theo nguyên lý làm việc của búa người ta chia thành:
+ Búa rung thuần túy (búa rung): chỉ tạo ra lực rung thuần tuý truyền xuống đầu cọc
• Búa rung nối cứng: thường ở búa có tần số làm việc thấp 300-500 lần/phút và được dùng để đóng các cọc lớn như cọc BTCT, cọc ống
• Búa rung nối mềm: thường ở búa có tần số làm việc cao 700-1500 lần/phút và được dùng để đóng các cọc nhỏ như cọc gỗ, cọc ván thép, cọc thép hình
+ Búa va rung (búa xung kích): tận dụng phần rung động tạo ra lực đập tập trung truyền qua
đế va đập lên đầu búa, lực đóng cọc chủ yếu là lực xung kích
- Theo công suất của búa:
+ Loại nhỏ: lực rung động < 10T, công suất động cơ < 30 kW
+ Loại trung bình: lực rung động 10÷45T, công suất động cơ 45÷110 kW
+ Loại lớn: lực rung động >110T, công suất động cơ gần 400 kW
- Theo tần số rung động của búa:
+ Búa rung tần số thấp 600 ÷ 800 lần/phút;
+ Búa rung tần số trung bình < 1400 lần/phút;
+ Búa rung tần số cao đến 3000 lần/phút
Trang 9*) Cấu tạo:
Hình 6.4 Sơ đồ cấu tạo các loại búa rung 1- Động cơ; 2- Bộ truyền đai; 3- Bộ gây rung; 4- Mũ cọc;
5- Bánh lệch tâm; 6- Giảm chấn; 7- Đầu búa; 8- Đe
*) Nguyên lý làm việc:
- Búa rung nối cứng (0.a): Khi động cơ (1) quay thông qua bộ truyền (2) làm các bánh lệch tâm (5) quay Khi bánh lệch tâm (5) quay sẽ tạo ra lực rung động truyền xuống cọc, nhờ đó mà cọc được đóng xuống nền Vì bộ gây rung lắp trực tiếp với động cơ nên làm ảnh hưởng tới tuổi thọ của động
cơ
- Búa rung nối mềm (0.b): nguyên lý hoạt động giống như búa rung nối cứng, tuy nhiên động cơ được nối với bộ gây rung qua một hệ thống lò xo giảm chấn (5) nên động cơ ít bị ảnh hưởng của bộ gây rung, làm tăng tuổi thọ của động cơ
- Búa va rung (búa xung kích) (0.c): Bộ gây rung (3) bao gồm động cơ (1), bộ truyền đai (2) và các khối lệch tâm (5) hoạt động tạo ra lực rung động tác động vào cọc, đồng thời nhờ hệ thống lò xo giảm chấn (6) tạo ra lực va đập giữa đầu búa (7) và đe (8) để truyền lực xuống đầu cọc đóng cọc xuống nền
4 BÚA THỦY LỰC
*) Đặc điểm:
- Búa đóng cọc bằng phương pháp thủy lực làm việc dưới tác dụng của áp suất chất lỏng công tác
có trị số lớn từ 100÷160 kg/cm2
- Nó có thể đóng các loại cọc bêtông cốt thép, cọc ván thép, trên nhiều loại nền
*) Phân loại: người ta chia búa thủy lực làm 2 loại:
+ Loại đơn động: chất lỏng công tác chỉ làm nhiệm vụ nâng búa lên cao, còn quá trình búa đi xuống
là rơi tự do
+ Loại song động: chất lỏng công tác vừa làm nhiệm vụ nâng búa lên cao, lại vừa đẩy búa rơi có gia tốc
1
2
3
4
5
6 1
2
3
4
5 6
8
6
7
2 3
4
5
Trang 10*) Sơ đồ cấu tạo:
Hình 6.5 Sơ đồ cấu tạo búa thủy lực 1- Xylanh thủy lực; 2- Khớp nối chống sốc; 3- Bộ truyền; 4- Khối van; 5- Quả búa; 6- Đe búa
*) Nguyên lý làm việc của búa:
Loại búa này bao gồm một quả búa được dẫn động bằng hai nguồn cung cấp bên ngoài Quả búa được nâng lên bởi áp suất của dầu thủy lực tới độ cao định sẵn và rơi tự do xuống va đập vào đe búa Trọng lượng và chiều cao rơi của quả búa có thể được điều chỉnh đề phù hợp với mặt cắt của cọc và điều kiện nền
5 THIẾT BỊ XỬ LÝ NỀN YẾU BẰNG BẤC THẤM
5.1 Khái niệm về bấc thấm
5.1.1 Bấc thấm (cọc bản nhựa)
- Là một băng có lõi bằng vật liệu polipropilen, có tiết diện hình răng bánh xe hoặc hình đáy ống kim, bên ngoài được bọc áo lọc cũng bằng vải polipropilen không dệt
- Xử lý nền bằng bấc thấm là phương pháp nhân tạo cải tạo đất bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng để xử lý nền đất yếu và được dùng thay thế cọc cát
5.2 Máy ép cọc bấc thấm
*) Công dụng
- Máy ép bấc thấm (MEBT) còn có tên gọi là máy cắm “cọc” bấc thấm, “cọc” ở đây là một kết cấu được dìm sâu vào nền đất theo phương đứng Thực chất của công nghệ này là xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm thay cho việc gia cố nền yếu bằng cọc cát vốn được hạ bằng búa rung qua ống thép;
- Nhiệm vụ của bấc thấm ở đây là hút nước từ trong nền yếu rồi đưa nước lên mặt đất theo nguyên tắc thẩm thấu qua bấc Với số lượng bấc thấm khá lớn trên 1 đơn vị diện tích nền thì sau khi “thấm nước”, nền yếu sẽ được tăng cường độ chịu lực do lượng nước trong nền đất đã giảm đi đáng kể
- Bấc thấm dùng trong công nghệ này là loại đặc biệt, chúng có tiết diện giới hạn là Bxb=100x4 và kết cấu dạng màng xốp có tính chất hút nước rất nhanh Bấc thấm được cuộn thành
lô tròn có thể treo trên một trục ngang
1
2
3
4
5
6 a) Trường hợp nâng búa lên b) Trường hợp búa rơi tự do