CÔNG NGHỆ BƠM VỮA SAU XỬ LÝ ĐÁY CỌC KHOAN NHỒI Treatment of Drilled Shaft BASE by Post-Grouting Technique ThS Đỗ Hữu Trí TS Bùi Đức Chính KS Nguyễn Thái Khanh KS Nguyễn Đức Toản Tóm tắt: Hiện móng cọc khoan nhồi sử dụng giải pháp tất yếu cho cơng trình cầu độ lớn nước ta Để nâng cao sức chịu tải cọc, ngồi việc tăng độ sâu chơn cọc đường kính cọc hướng nghiên cứu quan tâm thực xử lý đáy cọc sau đổ bê tông Trong [1], tác giả giới thiệu Công nghệ mở rộng làm bơm vữa để xử lý đáy cọc khoan nhồi Trong trình bày công nghệ bơm vữa sau để xử lý đáy Công nghệ mà Viện Khoa học Công nghệ GTVT nghiên cứu thực bơm vữa áp lực xuống đáy cọc sau đổ bê tông nhằm làm chặt đất chỗ thứ vụn cịn sót lại q trình khoan Ngun lý công nghệ gia tải trước cho đất bên đáy cọc để huy động sức chịu tải đáy cọc phạm vi giới hạn lún cho phép Những kết nghiên cứu cho thấy công nghệ chủ động xử lý đáy cọc hiệu phù hợp với trình độ cơng nghệ nước Abstract: Drilled shafts foundations are used as an indispensable solution for long span bridges in Vietnam In order to increase the bearing capacity, aside from the increasing of the pile length and diameter, an interested way now is treatment of pile bases after concrete placement In [1], the authors presented the Bottom Cleaning and Grouting of Pile technique This paper introduces the Post-Grouting techniques The technique developed by ITST involves the injection of high pressure grout beneath the shaft tip which both densifies the insitu soil and compresses any debris left by the drilling process The principle of the techniques is preloading the soil below the tip to realize end bearing capacities within the service displacement limits The study results show that this is an effective pile bases treatment technique and appropriate with the domestic technologies ĐẶT VẤN ĐỀ Khả chịu lực dọc trục theo đất cọc khoan nhồi tổng sức chịu tải đáy cọc sức chịu tải thành bên cọc Thông thường, thành phần sức chịu lực đáy cọc huy động mức độ thấp Theo số nghiên cứu thực nghiệm sức chịu tải cọc thành cọc khoan nhồi đạt giá trị lớn độ lún khoảng 0,5-1% đường kính D sức chịu tải đáy cọc khoan nhồi huy động hoàn toàn đạt độ lún từ 10-15% D [3] Độ lún thường lớn nhiều so với độ lún giới hạn khai thác cho phép Nguyên nhân trình thi công đất vùng đáy cọc thường bị xáo trộn nên cần độ lún lớn để huy động sức chịu tải đáy cọc Ngoài việc để lại lượng mùn lắng dày đáy cọc góp phần dẫn đến tượng Do đó, thiết kế người ta phải giảm đáng kể sức chịu tải đáy cọc, chí bỏ qua hồn tồn đáy lỗ cọc không làm thiếu kiểm tra q trình thi cơng Đây lãng phí lớn theo nghiên cứu AASHTO [3] sức chịu tải đáy cọc cực hạn gấp đến hàng chục lần thành phần sức chịu tải thành bên Nhận thức vấn đề trên, từ năm 1960, giới có nhiều nghiên cứu nhằm huy động nhiều thành phần sức chịu tải đáy cọc việc sử dụng công nghệ bơm vữa áp lực cao xuống đáy cọc (Post-Grouting) Năm 1975, Gouvenot Gabiax công bố kết chương trình thí nghiệm việc bơm vữa sau cho cọc đường kính lớn đem lại khả chịu lực tới hạn lớn lần đất cát sét Nhờ đó, cơng nghệ bơm vữa sau trở thành trình thi công thông thường nhiều nơi giới [3] Nguyên lý công nghệ gia tải trước cho đất bên đáy cọc để huy động sức chịu tải đáy cọc phạm vi giới hạn lún cho phép Nhiều chương trình nghiên cứu tiến hành mơ hình kích thước thật nhằm hồn thiện cơng nghệ thi cơng phương pháp tính toán thiết kế loại đất Cho đến nay, công nghệ chủ động xử lý đáy cọc nâng cao sức chịu tải cọc khoan nhồi có hiệu Ở Việt Nam, cơng nghệ áp dụng cầu Mỹ Thuận năm 1998 Tuy nhiên, việc thực công nghệ Tư vấn nước đảm nhiệm thời điểm khơng tiếp cận cơng nghệ Do vấn đề đặt nhóm nghiên cứu : nắm vững quy trình công nghệ, chế tạo thiết bị phục vụ công nghệ phù hợp với điều kiện nước để chuyển giao cho đơn vị thi công NHỮNG NỘI DUNG CHÍNH CỦA CƠNG NGHỆ POST-GROUTING 2.1 Nghiên cứu lựa chọn bước công nghệ xử lý Công nghệ bao gồm bước : 2.1.1 Thi công cọc khoan nhồi ·Thi công lỗ cọc khoan nhồi theo phương pháp truyền thống; ·Trong trình lắp đặt lồng cốt thép ý cần lắp đặt hệ thống đường ống dẫn vữa cấu vữa đáy cọc; ·Đổ bê tông cọc khoan nhồi 2.1.2 Bơm vữa đáy cọc Bơm vữa áp lực cao xuống đáy cọc sau bê tông cọc phát triển cường độ đủ để chịu áp lực bơm vữa Quá trình bơm vữa sau (post-grouting) bao gồm hai cơng đoạn chính: ·Sau bê tơng cọc bảo dưỡng, tiến hành lắp thiết bị vào đầu ống bơm vữa áp lực cao ·Bơm vữa áp lực cao xuống bên đáy cọc nhằm làm chặt đất xung quanh nén chặt vụn đất để lại trình khoan cọc Quá trình bơm vữa dừng lại đạt tiêu sau đây: áp suất: Đạt đến áp lực thiết kế bơm thể tích vữa tối thiểu theo tính tốn xuống đáy cọc Giá trị áp lực thiết kế tính tốn trước cho cọc tùy trường hợp cụ thể, dựa vào khả chịu tải đất đáy cọc sức chịu tải ma sát thân cọc Độ trồi: Khả chịu áp lực vữa thiết kế mà không bị đẩy lên nhiều dấu hiệu sức chịu tải thân cọc tốt Thể tích: Thể tích vữa tối thiểu dự kiến tính thể tích đất bị chiếm chỗ cọc khoan nhồi đạt độ lún tính tốn 2.2 Kỹ thuật bơm vữa Có thể chia kỹ thuật bơm vữa tiêu chuẩn thành hai loại bản: bơm vữa thấm nhập bơm vữa đầm nén Để tăng hiệu bơm vữa, thường kết hợp hai kỹ thuật này, bơm vữa thấm nhập sau bơm vữa đầm nén 2.2.1 Bơm vữa thấm nhập Bơm vữa thấm nhập sử dụng hỗn hợp vữa lỏng có độ linh động cao bên đất, vữa di chuyển qua lỗ rỗng mà không tạo đầm nén hay làm chặt đáng kể cho đất xung quanh Theo cách huy động vùng chịu tải lớn đất cải thiện bên mũi cọc 2.2.2 Bơm vữa đầm nén Trái lại với bơm vữa thấm nhập, bơm vữa đầm nén sử dụng khối vữa kiểu xi măng điển hình, đặc, nhớt, đồng thiết kế để trì gắn kết với đất Nói chung có mặt tiếp xúc rõ ràng vật liệu đất vữa Sau bơm vữa đầm nén, đất chỗ cố kết hóa làm chặt mở rộng bầu vữa 2.2.3 Bơm vữa theo giai đoạn Trong đất rời, vữa bơm thấm nhập xa đáy cọc, đóng góp vào tăng sức chịu tải đáy Để kiểm soát tượng thường phải dùng đến kỹ thuật bơm vữa theo giai đoạn Với bơm vữa theo giai đoạn, giai đoạn bơm vữa nhằm tạo tích lũy cường độ trước tiến hành giai đoạn bơm vữa Theo cách này, đường mà vữa chảy qua giai đoạn bơm lấp lại vữa ninh kết giai đoạn bơm tiến hành Thủ tục lặp lại nhiều lần đến đất bên mũi cọc cuối chịu áp lực vữa, đạt yêu cầu huy động sức chịu tải đất 2.3 Thiết bị phục vụ công tác bơm vữa Các thiết bị phụ vụ công tác bơm vữa chia thành nhóm : thiết bị trộn, bơm vữa; cấu phun vữa lắp đặt sẵn cọc thiết bị kiểm tra 2.3.1 Các thiết bị trộn bơm vữa -Máy bơm vữa có áp lực từ 70 đến140 kg/cm2; -Máy nén khí ; -Máy bơm nước; -Máy trộn vữa dung tích tối thiểu 175 lít, có tốc độ quay thích hợp 2.3.2 Các thiết bị kiểm tra -Đồng hồ đo áp lực thể tích vữa; -Thiết bị đo để theo dõi độ trồi đỉnh cọc 2.3.3 Cơ cấu phun vữa lắp đặt sẵn cọc Cơ cấu phun vữa bao gồm ống dẫn vữa thẳng đứng cấu vữa đáy cọc -ống dẫn vữa thẳng đứng để dẫn vữa từ thiết bị bơm xuống cấu vữa đáy cọc ống thường làm vữa poltylen mật độ cao HDPE đường kính ngồi 20 mm ống polyvinylclorua PVC đường kính 25 mm (tối đa 50 mm), đủ dài gấp lần chiều dài lồng cốt thép dư thêm m cho cọc khoan nhồi; -Cơ cấu vữa đáy cọc gồm có hai loại cấu dạng ống lồng (sleeve-port) cấu dạng kích dẹt (flat-jack) -Cơ cấu dạng ống lồng có vài biến thể, chủ yếu hệ thống ống thép đơn giản đặt ngang qua đáy cọc khoan lỗ dọc theo chiều dài mặt đáy nối với ống bơm vữa đến đỉnh cọc Các ống bọc màng cao su chỗ lỗ khoan để chống làm tắc ống trình đổ bê tơng cọc (hình 1) Thiết kế cấu phun vữa kiểu ống lồng có cấu tạo đơn giản thích hợp với kỹ thuật bơm vữa theo giai đoạn Tuy nhiên, với cấu dạng ống lồng, áp lực vữa khơng tác dụng tồn tiết diện khó ước lượng phân bố vữa xuống đáy cọc Hơn nữa, cao độ đáy cọc thấp nhiều so với thiết kế ngun nhân khó phá bỏ lớp bê tông bọc quanh ống bơm vữa -Cơ cấu dạng kiểu kích dẹt thường bao gồm thép tròn gắn với ống bơm vữa dọc Bản thép bọc màng cao su khơng thấm nước phía vành thép phía (hình 2) Màng chống thấm đảm bảo áp lực vữa dàn tồn tiết diện ngăn khơng cho vữa xa Cơ cấu phức tạp phù hợp với bơm vữa nén ép 2.4 Tính sức chịu tải cọc khoan nhồi xử lý đáy theo công nghệ Post-Grouting Tính tốn thành phần sức chịu tải cọc khoan nhồi theo công thức Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-01 Với cọc khoan nhồi thi cơng theo cơng nghệ Post-Grouting, có đường kính chiều dài cho, trình tự tính tốn sức chịu tải dọc trục gồm bước sau : Bước 1:Tính toán sức chịu tải đơn vị đáy cọc trường hợp khơng bơm vữa, q(%đường kính), phải rõ độ lún giá trị huy động hồn tồn Bước 2:Với đường kính cọc cho, tính tốn sức chịu tải cực hạn thành bên, Sult, tồn chiều sâu chơn cọc Bước 3:Xác định độ lún khai thác lớn cho phép dạng tỷ lệ phần trăm đường kính cọc Bước 4:Chia sức chịu tải cực hạn thành cọc cho diện tích mặt cắt ngang cọc để xác định áp lực lớn chịu việc phun vữa (1) Bước 5:Tính số áp lực vữa phun tỷ số áp lực phun vữa lớn sức chịu tải đơn vị đáy cọc đơn vị không bơm vữa (2) Bước 6:Xác định bội số sức chịu tải đáy cọc theo số áp lực vữa phun công thức với giá trị thích hợp (m lấy tuỳ theo điều kiện đất đáy cọc, độ lún thiết kế độ lún cho phép (các thông số phải xác định qua thực nghiệm) Độ lún thiết kế lấy Bước 1, độ lún cho phép Bước3 (3) Bước 7:Xác định sức chịu tải đáy cọc đơn vị có bơm vữa tích Bội số chịu tải đáy cọc sức chịu tải đáy cọc đơn vị không bơm vữa (4) Bước 8:Xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi bơm vữa sau với sức chịu tải đơn vị đáy cọc tính Bước 2.5 Phạm vi áp dụng công nghệ Kỹ thuật áp dụng có hiệu cho đất cát rời đến chặt vừa Ngồi cịn áp dụng hiệu cho nhiều loại đất khác sét, cát, phù sa đá vôi (clay, sand, silt, limestone) Đối với cọc khoan nhồi ngàm vào tầng đá (rock-socketed shafts) đá vơi nứt nẻ, có khả áp dụng kỹ thuật KẾT LUẬN Cùng với phát triển kinh tế quốc dân, nhu cầu xây dựng cơng trình GTVT xây dựng nhà cao tầng nước ta ngày tăng Việc áp dụng công nghệ mới, có cơng nghệ xử đáy cọc khoan nhồi xu tất yếu đóng góp vào phát triển ngành công nghiệp xây dựng Công nghệ mở rộng xử lý đáy cọc khoan nhồi việc bơm vữa sau nghiên cứu áp dụng phổ biến nhiều nước giới Những kết nghiên cứu cho thấy công nghệ xứ lý đáy cọc có hiệu Yêu cầu thiết bị thi cơng đơn giản, hồn tồn chế tạo nước Quy trình thi cơng kiểm sốt chất lượng khơng q phức tạp Vấn đề cần tiếp tục phải tiến hành thực nghiệm để lượng hoá mức tăng sức chịu tải đáy cọc nhờ việc phun vữa ứng với loại đất áp lực bơm cụ thể nhằm hồn thiện phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc xử lý đáy theo công nghệ Cọc khoan nhồi bắt đầu sử dụng rộng rãi nước ta từ 15 năm gần phương pháp thi cơng móng cho hầu hết cơng trình chịu tải trọng lớn nhà cao tầng, móng trụ cầu Trong q trình sử dụng, nhiều cơng nghệ thi cơng thích hợp áp dụng nhằm nâng cao sức mang tải cọc nhồi làm giảm đáng kể giá thành móng Một số công nghệ thi công "CỌC KHOAN NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY" Công nghệ cọc khoan nhồi có đường kính đáy cọc mở rộng lớn đường kính thân cọc Sức mang tải cọc tăng lên chừng 5- 10% tăng sức mang tải mũi HÌNH 1: CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THI CÔNG Định tâm (Centering) Bắt đầu khoan (Starting drilling) Đặt ống xiên - chống nghiêng (Inserting stand pipe) Bơm bentonite vào hố khoan (Feeding bentonite) Khoan đến độ sâu thiết kế (Drilling till the specified depth) Đưa gầu khoan đặc biệt dạng chuông vào hố (Inserting belling bucket) Khoét rộng đáy hố khoan (Reaming bore hole bottom) Đo lại độ sâu lỗ khoan (Measuring depth) Đặt lồng thép gia cường vào hố khoan (Setting up ironreinforcement cage) 10 Inserting tremie tube 11 Thổi bùn hố khoan (Cleaning slime by an air-lift) 12 13 Đổ bê-tông (Concreting) 14 Hoàn tất (Completing cast-in-place concrete pile with belling bottom) HÌNH 2: HÌNH THỰC TẾ ĐẦU KHOAN HÌNH 3: CÁC BƯỚC MỞ RỘNG ĐÁY Từ trái sang phải, từ xuống Đầu khoan lấy đất theo diện tích vòng tròn trắng Cánh đầu khoan màu đỏ mở 3+4 Phần đất đáy màu trắng mở rộng Cánh đầu khoan xếp lại để rút lên HÌNH 4: CẤU TẠO CỦA ĐẦU KHOAN CÁCH MỞ CÁNH BẰNG XYLANH THUỶ LỰC (CYLINDER) Khoan mồi tạo lỗ Gia công cốt thép Hạ ống vách Hố thu hồi bentonite đổ Bê tông Lắp ống tremie + thổi rữa ống tremie Hạ lồng thép ... dẫn vữa cấu vữa đáy cọc; ·Đổ bê tông cọc khoan nhồi 2.1.2 Bơm vữa đáy cọc Bơm vữa áp lực cao xuống đáy cọc sau bê tông cọc phát triển cường độ đủ để chịu áp lực bơm vữa Quá trình bơm vữa sau. .. Việc áp dụng cơng nghệ mới, có cơng nghệ xử đáy cọc khoan nhồi xu tất yếu đóng góp vào phát triển ngành công nghiệp xây dựng Công nghệ mở rộng xử lý đáy cọc khoan nhồi việc bơm vữa sau nghiên cứu... tải đáy cọc đơn vị có bơm vữa tích Bội số chịu tải đáy cọc sức chịu tải đáy cọc đơn vị không bơm vữa (4) Bước 8:Xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi bơm vữa sau với sức chịu tải đơn vị đáy cọc