Luận văn Nghiên cứu phương pháp tính toán, ứng dụng cọc siêu nhỏ trong điều kiện xây chen tại TP. Hồ Chí Minh (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phương pháp tính toán, ứng dụng cọc siêu nhỏ trong điều kiện xây chen tại TP. Hồ Chí Minh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG XUÂN TÂN NGHIÊN CỨU PHUONG PHÁP TÍNH TOÁN, ỨNG DỤNG CỌC SIÊU NHỎ TRONG ÐIỀU KIỆN XÂY CHEN TẠI TP. HỒ CHÍ MINH NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP : 60.58.02.08 S K C0 0 5 0 4 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG XUÂN TÂN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, ỨNG DỤNG CỌC SIÊU NHỎ TRONG ĐIỀU KIỆN XÂY CHEN TẠI TP. HỒ CHÍ MINH NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD & CN MÃ SỐ: 60580208 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG XUÂN TÂN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, ỨNG DỤNG CỌC SIÊU NHỎ TRONG ĐIỀU KIỆN XÂY CHEN TẠI TP. HỒ CHÍ MINH NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD & CN MÃ SỐ: 60580208 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN SĨ HÙNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
4. PHẦN MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây tốc độ phát triển công nghiệp và đô thị hóa ngày càng nhanh, nhiều hệ thống giao thông, khu công nghiệp, khu đô thị phát triển mạnh đòi hỏi phải có nhiều giải pháp xử lý, gia cố nền móng đảm bảo hiệu quả ổn định cho công trình xây dựng. Việc lựa chọn giải pháp móng hợp lý trong điều kiện phức tạp cả về địa chất và thi công là vấn đề được đặc biệt quan tâm. Để gia cố và xây dựng móng công trình có quy mô vừa và nhỏ trong điều kiện đất nền yếu hay điều kiện thi công khó khăn chật hẹp, người ta thường sử dụng các loại móng cọc khác nhau. Một trong số các loại cọc đã được sử dụng khá hiệu quả khi xây dựng các công trình quy mô nhỏ trong điều kiện địa chất phức tạp là cọc siêu nhỏ (micropiles). Đây là loại cọc có đường kính tiết diện dưới 300 mm đối với cọc nhồi và dưới 150 mm đối với cọc đóng [22]. Trên thế giới, cọc siêu nhỏ đã được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng mới và gia cố các công trình. Cọc siêu nhỏ được sử dụng rộng rãi tại nhiều nước Châu Âu, Mỹ v.v. từ những năm 50 của thế kỷ XX. Tại Việt Nam nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, cọc siêu nhỏ cũng đã được sử dụng trong các công trình xây dựng vừa và nhỏ nhưng chủ yếu dưới dạng cọc chế tạo sẵn thi công bằng phương pháp đóng, ép; còn loại cọc đổ tại chỗ thi công bằng phương pháp khoan nhồi đến nay hầu như chưa được sử dụng do chúng ta chưa có một chỉ dẫn kỹ thuật chuyên biệt nào để làm căn cứ áp dụng trong tính toán thiết kế và thi công loại cọc này. Trong điều kiện này, việc nghiên cứu phương pháp tính toán ứng dụng cọc siêu nhỏ trong điều kiện xây chen tại thành phố Hồ Chí Minh là cấp thiết. Các nghiên cứu này bước đầu có thể cung cấp cơ sở cho việc xây dựng phương pháp tính toán và thiết kế cọc siêu nhỏ trong điều kiện xây chen tại thành phố Hồ Chí Minh. Giải quyết vấn đề trên đây sẽ giúp hoàn thiện thêm lý thuyết tính toán móng 1
5. cọc tại thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời tăng thêm sự lựa chọn cho người thiết kế về các giải pháp móng khi thiết kế các công trình xây dựng. Xuất phát từ yêu cầu trên, việc nghiên cứu phương pháp tính toán ứng dụng cọc siêu nhỏ vào điều kiện xây chen tại thành phố Hồ Chí Minh để xử lý, gia cố nền móng các công trình xây dựng là rất cần thiết. II. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp tính toán cọc siêu nhỏ khi xây dựng, xử lý, gia cố các công trình trên nền đất yếu hoặc trong các điều kiện thi công khó khăn. Trên cơ sở đó đưa ra những kiến nghị về phương pháp tính toán ứng dụng cọc siêu nhỏ phù hợp với điều kiện xây chen tại thành phố Hồ Chí Minh. III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các công trình xây dựng; bảo vệ bờ kè ở trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu là phương pháp tính toán, ứng dụng cọc siêu nhỏ đổ tại chỗ để đáp ứng yêu cầu ổn định của các công trình xây dựng và bảo vệ bờ kè tại thành phố Hồ Chí Minh. IV. Nội dung nghiên cứu Thu thập và phân tích tiêu chuẩn nước ngoài về sử dụng cọc siêu nhỏ trong xây dựng các công trình, so sánh với TCVN 10304:2014. Phương pháp tính toán cọc siêu nhỏ dưới tác dụng của tải trọng đứng và tải trọng ngang. Áp dụng tính toán cọc siêu nhỏ cho kết cấu móng của công trình dân dụng và công nghiệp, công trình kè đất, ổn định hố đào sâu. V. Hướng kết quả nghiên cứu Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo, nghiên cứu và áp dụng cho việc lựa chọn giải pháp nền móng khi xử lý, gia cố 2
6. và xây dựng công trình, và nếu được hoàn thiện thêm, sẽ là cơ sở khoa học để kiến nghị sử dụng rộng rãi cọc siêu nhỏ trong thực tiễn xây dựng các công trình ở thành phố Hồ Chí Minh. VI. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Tại Việt Nam, cọc siêu nhỏ hầu như chưa được nghiên cứu và sử dụng do chúng ta chưa có một chỉ dẫn kỹ thuật chuyên biệt nào để làm căn cứ áp dụng trong tính toán thiết kế và thi công loại cọc này, trừ các cọc đúc sẵn có kích thước và tiết diện bé hơn 150x150 mm, cọc khoan nhồi đường kính bé (<= 600 mm) sử dụng ở một số tỉnh phía nam. Để thiết kế móng cọc, hiện nay chúng ta đang áp dụng TCVN 10304:2014. Cọc siêu nhỏ được hình thành tại Italia năm 1950, và đặc biệt phát triển kể từ giữa những năm 1980. Cọc siêu nhỏ đã được sử dụng chủ yếu làm nền tảng để chống lại tải trọng tĩnh và động đất, ổn định của sườn các cấu trúc giao thông vận tải. Năm 1993, Cục quản lý đường cao tốc liên bang Mỹ (FHWA(1)) tài trợ một dự án để xem xét việc sử dụng cọc siêu nhỏ. Các nhóm nghiên cứu cho dự án này bao gồm các nhà thầu, tư vấn, học giả và chủ đầu tư. Các tài liệu được đưa ra từ dự án này, có tựa đề Khoan và bơm vữa Micropiles (FHWA, 1997) đã cung cấp, phân tích chi tiết các nghiên cứu có sẵn và kết quả phát triển, phòng thí nghiệm, thử nghiệm lĩnh vực dữ liệu, phương pháp thiết kế, xây dựng. Là một phần của nghiên cứu này, những hạn chế và thiếu sót trong FHWA được đánh giá và nghiên cứu thêm. Sau đó, FHWA đã cho ra đời cuốn tiêu chuẩn Thiết kế và xây dựng, Hướng dẫn thực hiện (FHWA, 2000). Cuốn này gồm có 10 chương, 156 mục, 376 trang. Hiện nay các nước phát triển trên thế giới như Châu Âu và Mỹ vẫn đang phát triển mạnh công nghệ cọc siêu nhỏ dựa vào tiêu chuẩn của FHWA. 3
7. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CỌC SIÊU NHỎ Tóm tắt: Trong phần này tác giả trình bày tổng quan về các loại móng cọc đang sử dụng phổ biến hiện nay, cũng như trình bày cụ thể về cấu tạo và biện pháp thi công cọc siêu nhỏ. 1.1. Tổng quan về móng cọc 1.1.1. Định nghĩa và phân loại Móng cọc là loại móng dùng trong xây dựng công trình trên nền đất yếu với nguyên lý cơ bản là sử dụng các cọc để truyền tải trọng từ công trình xuống các lớp đất chịu lực nằm phía dưới hoặc cải thiện tính chất cơ lý của lớp đất yếu dưới đế móng. Các loại cọc hiện nay khá đa dạng về mặt vật liệu, kích thước và biện pháp thi công. Mỗi loại cọc đều có những ưu điểm, nhược điểm và phạm vi áp dụng khác nhau. + Theo vật liệu làm cọc người ta chia ra: Cọc gỗ, cọc tre, cọc bê tông, cọc bê tông cốt thép, cọc thép . . .[5] + Theo phương thức làm việc cọc được phân ra: - Cọc chống: Là cọc có sức chịu tải chủ yếu do lực chống của đất, đá tại mũi cọc [10] - Cọc ma sát: Là cọc có sức chịu tải chủ yếu do ma sát của đất và cọc tại mặt bên cọc [10] - Cọc hỗn hợp: Là cọc có sức chịu tải kết hợp của hai loại trên [10] + Theo phương thức hạ cọc được phân ra: - Cọc đóng: Là cọc chế tạo sẵn, được đóng xuống đất bằng búa máy hoặc hạ xuống đất bằng máy rung [5]. 4
8. - Cọc ép: Là cọc chế tạo sẵn, được hạ xuống đất bằng thiết bị ép thủy lực [5]. - Cọc nhồi: Là cọc được đổ tại chỗ trong các hố khoan hoặc hố tạo bằng cách đóng ống thiết bị [5]. 1. Cọc đóng: Bao gồm cọc gỗ, cọc BTCT đúc sẵn, cọc thép, Cọc gỗ: Thường được dùng trong những công trình nhỏ hoặc công trình tạm với những ưu điểm là trọng lượng bản thân nhỏ, vận chuyển, cẩu lắp, hạ cọc dễ dàng, công nghệ chế tạo đơn giản, nhanh chóng. Tuy nhiên nó có một số nhược điểm là sức chịu tải không lớn, bị hạn chế về chiều dài và kích thước mặt cắt ngang, khả năng chống xâm thực môi trường kém. Cọc bê tông cốt thép (BTCT) đúc sẵn: Là loại cọc được sử dụng phổ biến nhất vì những ưu điểm nổi bật như: Sức chịu tải tương đối lớn, đa dạng về chiều dài và kích thước mặt cắt ngang, khả năng chống xâm thực rất tốt. Tuy nhiên cọc BTCT vẫn có nhược điểm lớn là trọng lượng bản thân lớn gây khó khăn cho việc vận chuyển và hạ cọc. Tiết diện ngang cọc BTCT chủ yếu có dạng vuông, tròn, chữ I, Nhưng loại được dùng phổ biến hơn cả là loại tiết diện hình vuông. Kích thước phổ biến của loại này là 250x250, 300x300, 350x350, 400x400 mm. Cọc BTCT không hạn chế về chiều dài nhưng do điều kiện vận chuyển và chiều dài giá búa nên thông thường chiều dài hợp lý của cọc BTCT là khoảng 12-20 m. Trong trường hợp cần chiều dài lớn hơn thì phải nối cọc. Cọc thép: Thường được dùng trong những công trình yêu cầu khả năng chịu lực rất lớn. Các ưu điểm chính của cọc thép là khả năng chịu tải rất lớn (chịu lực ngang rất tốt); Công tác vận chuyển và hạ cọc dễ dàng do cọc thanh mảnh; Không hạn chế về chiều dài và mặt cắt ngang, đặc biệt khả năng thay đổi chiều dài cọc rất linh hoạt. Bên cạnh đó cọc thép cũng có những nhược điểm khiến cho việc sử dụng chúng không phổ biến là giá thành cọc rất cao, khả năng chống xâm thực môi trường kém. 2. Cọc ép: Trong nhóm giải pháp này, cọc ép BTCT là loại cọc được sử dụng phổ biến nhất tại Việt Nam khi xây chen công trình trên nền đất yếu. Theo công nghệ 5
9. này cọc được hạ vào nền đất nhờ lực ép từ vài chục tấn và có thể tới 100 tấn, tùy theo kích thước tiết diện và điều kiện đất nền. Sức chịu tải của cọc khá lớn, có thể đạt tới 50-60 tấn song phổ biến nhất là ở mức 10-20 tấn đối với cọc có tiết diện 200x200 mm và 30-45 tấn đối với cọc có tiết diện 250x250 mm. Để tăng khả năng chịu lực, cọc ép BTCT thường được thiết kế chống vào các tầng đất chịu lực. Độ tin cậy của giải pháp cọc ép cao do sức chịu tải của cọc có thể được đánh giá thông qua giá trị lực ép trong quá trình thi công. Tuy nhiên cọc ép cũng có một số nhược điểm sau: - Năng suất thi công tương đối thấp, thiết bị thi công cồng kềnh nên gặp nhiều hạn chế khi thi công trên mặt bằng chật hẹp. - Sử dụng cọc ép tại các khu vực có chiều dày lớp đất yếu lớn thì có hiệu quả kinh tế thấp do chiều dài cọc tương đối lớn, số lượng mối nối nhiều nên chi phí cho mỗi đơn vị tải trọng khá cao. 3. Cọc nhồi: Cọc nhồi trong những năm gần đây đã được áp dụng nhiều trong xây dựng nhà cao tầng, cầu lớn và nhà công nghiệp có tải trọng lớn. So với cọc chế tạo sẵn, việc thi công cọc nhồi có nhiều phức tạp hơn, do đó phương pháp và cách giám sát, kiểm tra chất lượng phải làm hết sức chu đáo, tỷ mỷ với những thiết bị kiểm tra hiện đại. Trong quá trình sử dụng, nhiều công nghệ thi công thích hợp đã được áp dụng nhằm nâng cao sức chịu tải của cọc nhồi và làm giảm đáng kể giá thành của móng. Có thể kể ra đây các bước phát triển sau: + Cọc khoan nhồi: Là cọc nhồi mà lỗ cọc được thi công bằng các phương pháp khoan khác nhau như khoan gầu, khoan rửa ngược, + Cọc khoan nhồi mở rộng đáy: Là cọc khoan nhồi có đường kính đáy cọc được mở rộng lớn hơn đường kính thân cọc. Sức chịu tải của cọc này sẽ tăng hơn chừng 5-10% do tăng sức chịu tải đằng mũi. + Cọc barret: Là cọc nhồi nhưng có tiết diện không tròn, với các hình dạng khác nhau như chữ nhật, chữ thập, chữ I, chữ H, và được tạo lỗ bằng gầu ngoạm. 6
10. + Cọc khoan nhồi có xói rửa và bơm vữa xi măng gia cường đáy: Là cọc khoan nhồi có áp dụng công nghệ rửa sạch đáy (bằng cách xói nước áp lực cao) và bơm vữa xi măng gia cường đáy (cũng với áp lực cao). Đây là bước phát triển gần đây nhất trong công nghệ thi công cọc nhồi nhằm làm tăng đột biến sức chịu tải của cọc nhồi (có thể tới 200-300%), cho phép sử dụng tối đa độ bền của vật liệu bê tông cọc. Hiện nay, theo kích thước đường kính cọc người ta gọi cọc lớn khi đường kính cọc lớn hơn 760 mm, cọc nhỏ khi đường kính cọc từ 300 đến 760 mm, còn cọc có đường kính nhỏ hơn 300 mm thì chưa có tên gọi, vì vậy trong luận văn này tác giả đề xuất gọi là cọc siêu nhỏ (micropiles). 1.1.2. Dự báo sức chịu tải của cọc Theo tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10304: 2014 - Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế. Để dự báo sức chịu tải của cọc người ta có thể dùng các phương pháp sau: - Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (theo SNiP 2.20.03.85) - Theo chỉ tiêu cường độ của đất nền - Theo kết quả các thí nghiệm xuyên - Theo công thức động - Theo kết quả nén tĩnh cọc tại hiện trường Ngoài ra, sức chịu tải của cọc còn được tính toán theo tiêu chuẩn nước ngoài FHWA(1) - SA - 97 – 070 [22] (Lý thuyết tính toán và ứng dụng của tiêu chuẩn được trình bày cụ thể ở chương II & chương III) 1.1.3. Dự báo độ lún của móng cọc Theo tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10304:2014 - Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế. Để dự báo độ lún của móng cọc người ta có thể dùng các phương pháp sau: - Dựa trên quan hệ ứng suất, biến dạng theo lý thuyết bán không gian biến dạng - Phương pháp móng khối quy ước 7
11. - Theo lý thuyết bài toán phẳng - Phương pháp lớp biến dạng tuyến tính 1.2. Tổng quan về cọc siêu nhỏ (micropiles) 1.2.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của cọc siêu nhỏ Cọc siêu nhỏ là dạng cọc đường kính nhỏ (đường kính thường nhỏ hơn 300 mm) được thi công khoan và đổ vữa, đồng thời được gia cố đặc trưng [22]. Cọc siêu nhỏ được thi công bằng cách khoan một lỗ khoan, đặt cốt thép vào và đổ vữa vào hố khoan như minh họa trong hình 1.1. Hình 1.1: Trình tự thi công cọc siêu nhỏ [22] Hình 1.2: Cọc siêu nhỏ đã được thi công 8
12. Cọc siêu nhỏ có thể chịu được tải trọng dọc trục và tải trọng ngang, nó có thể được xem là cọc thay thế cho các cọc truyền thống hoặc như là một thành phần trong nền đất hỗn hợp tùy thuộc vào thiết kế được ứng dụng. Cọc siêu nhỏ được thi công bằng nhiều phương pháp, ít gây ảnh hưởng đối với các kết cấu xung quanh, đối với đất và môi trường. Loại cọc này có thể được thi công trong điều kiện môi trường hạn chế ra vào và trong tất cả các loại đất cũng như tất cả các điều kiện địa chất [22]. Do quy trình thi công ít gây ra rung chấn, độ ồn tối thiểu và có thể được ứng dụng với các điều kiện thông khoảng thấp, nên cọc siêu nhỏ thường được sử dụng để xử lý, gia cố móng các kết cấu hiện có. Thiết bị khoan chuyên dụng thường được sử dụng để lắp dựng thi công cọc siêu nhỏ trong các công trình tầng hầm, móng hiện có [22]. Khái niệm về cọc siêu nhỏ được hình thành tại Italia vào đầu những năm 1950, để đáp ứng nhu cầu về các kỹ thuật cải tiến khi xây móng các tòa nhà và công trình tưởng niệm lịch sử mà đã bị hư hỏng qua thời gian dài, đặc biệt là trong Chiến tranh thế giới lần II. Một hệ thống chống đỡ vững chắc được yêu cầu để đỡ các tải trọng kết cấu với độ chuyển vị tối thiểu và để thi công trong điều kiện hạn chế ra vào với sự tác động thấp nhất đối với kết cấu hiện tại. Một nhà thầu chuyên nghiệp ở Italia là nhà thầu Fondedile, mà Dr. Fernando Lizzi là giám đốc kỹ thuật, đã phát triển cọc palo rudice, hay còn gọi là cọc siêu nhỏ để ứng dụng vào xây móng. Cọc palo rudice là loại cọc có đường kính nhỏ, được khoan, đổ bê tông tại chỗ, ít vữa và cốt thép [22]. Việc sử dụng cọc siêu nhỏ được triển khai tại Italia trong suốt những năm 1950. Nhà thầu Fondedile đã giới thiệu công nghệ này tại Anh vào năm 1962 trong quá trình thi công móng của một số công trình lịch sử, và đến năm 1965, công nghệ này cũng được áp dụng tại Đức trong kế hoạch giao thông ngầm tại các đô thị [22]. Ban đầu, đa số các ứng dụng của cọc siêu nhỏ là được sử dụng vào việc xây móng kết cấu tại các môi trường đô thị. Bắt đầu từ năm 1957, có thêm nhiều các 9
13. nhu cầu kỹ thuật bắt nguồn từ việc giới thiệu hệ thống cọc siêu nhỏ dạng mắt lưới. Các hệ thống này bao gồm nhiều loại cọc siêu nhỏ dạng thẳng đứng và dạng nghiêng kết hợp với mạng lưới ba chiều, tạo ra một kết cấu phức hợp hạn chế chuyển vị ngang. Mạng lưới cọc siêu nhỏ dạng mắt lưới được ứng dụng vào quá trình làm ổn định độ dốc, gia cố tường bờ, kè, bảo vệ các kết cấu chôn ngầm, và các móng đỡ kết cấu [22]. Nhà thầu Fondedile đã giới thiệu cách sử dụng cọc siêu nhỏ tại Bắc Mỹ vào năm 1973 thông qua một số ứng dụng trong thi công xây móng tại các khu vực ở New York và Boston. Hiện nay, chi phí xây dựng và nhu cầu kỹ thuật tại các nước trên thế giới là tương đối giống nhau và do đó tiếp tục thúc đẩy sự phát triển nhu cầu sử dụng cọc siêu nhỏ. 1.2.2 Ưu, nhược điểm của cọc siêu nhỏ * Ưu điểm: - Sử dụng tốt trong điều kiện chật hẹp, cũng như điều kiện mặt bằng rộng rãi. - Chịu được tải trọng lớn đến 400 tấn. - Hàm lượng cốt thép từ 3% - 8% do đó có thể chịu được tải trọng ngang tốt hơn cọc bê tông thông thường. - Có thể thi công trong mọi loại đất nền với các tầng địa chất khác nhau. - Có thể gia cường móng theo nhiều cách khác nhau. * Nhược điểm: - Năng suất thi công thấp, công nghệ thi công phức tạp và khó kiểm soát chất lượng thân cọc. - Độ tin cậy thấp do khó đánh giá sức chịu tải của cọc thông qua các số liệu thi công hiện trường. 1.2.3. Phạm vi áp dụng của cọc siêu nhỏ Gia cường móng công trình cũ, làm móng mới, chịu tải trọng ngang. 10
14. Ổn định mái dốc, gia cố tường bờ, kè đất. Gia tăng sức chịu tải của nền, giảm độ lún của nền. Ổn định kết cấu công trình. 1.2.4. Phân loại cọc siêu nhỏ Cọc siêu nhỏ được phân loại dựa trên hai tiêu chí: Phương pháp thiết kế và phương pháp đổ bê tông [22] 1. Phân loại theo phương pháp thiết kế + Loại 1: Là các cọc được chất tải trực tiếp và tại những nơi mà cốt thép cọc chịu được đa số các tải trọng áp dụng (hình 1.3). Có thể được sử dụng để thay thế nhiều loại cọc truyền thống để truyền tải trọng kết cấu sang một địa tầng ổn định hoặc có đủ khả năng chịu tải hơn, sâu hơn, phù hợp hơn. Các cọc này được thiết kế hoạt động đơn lẻ, mặc dù có thể thi công thành các nhóm cọc. Phương pháp bố trí các cọc loại 1 được mô tả trong hình 1.5. Hình 1.3: Cọc siêu nhỏ loại 1- Cọc chịu tải trực tiếp [22] 11
15. + Loại 2: Các chi tiết cọc siêu nhỏ loại 2 giới hạn và gia cố bên trong lớp đất, tạo thành một khối đất được gia cố mà có thể chịu được tải trọng ứng dụng (hình 1.4). Đó gọi là mạng cọc dạng lưới. Tải trọng kết cấu được ứng dụng với toàn bộ khối đất gia cố, như đối với các cọc đơn. Mạng lưới điển hình của cọc siêu nhỏ dạng mắt lưới loại 2 được minh họa trong hình 1.6. Hình 1.4: Cọc siêu nhỏ loại 2- Mạng cọc dạng lưới với khối đất gia cố được chất tải hoặc được kết hợp [22] Hình 1.5: Bố trí cọc siêu nhỏ loại 1 [22] 12
16. Hình 1.6: Bố trí cọc siêu nhỏ loại 2 [22] 2. Phân loại theo phương pháp đổ bê tông Phương pháp đổ vữa cọc có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu tải của liên kết vữa/đất. Khả năng chịu tải của liên kết vữa/đất thay đổi trực tiếp với phương pháp đổ vữa. Phần thứ hai của phân loại cọc siêu nhỏ bao gồm cách đặt tên theo chữ cái (từ A đến D), chủ yếu dựa trên phương pháp thay thế và tạo ra áp lực trong quá trình sử dụng vữa để thi công cọc. Việc sử dụng ống vách và cốt thép đã xác định rõ các phương pháp phân loại cọc siêu nhỏ. Phương pháp phân loại được thể hiện bằng sơ đồ trong hình 1.7. + Loại A: Loại A thể hiện là loại vữa chỉ được đổ trong cột nước trọng lực. Hố khoan cọc có thể được khoét rộng bên dưới để tăng khả năng chịu kéo. Hình 1.7: Phân loại cọc dựa trên phương pháp đổ bê tông [22] 13
17. + Loại B: Loại B thể hiện là vữa xi măng thuần túy được đổ vào hố khoan dưới áp lực khi rút ống vách tạm thời bằng thép lên. Áp lực phun vữa nằm trong khoảng từ 0,5 đến 1 MPa, và được giới hạn để tránh phun nước dưới áp lực cao đối với nền đất xung quanh hoặc gây ra việc đổ quá nhiều vữa, và để giữ làm kín xung quanh ống vách trong quá trình rút ống vách lên, tại những vị trí cụ thể. + Loại C: Loại C thể hiện quá trình đổ vữa gồm hai bước: 1) Đổ vữa xi măng thuần túy dưới cột nước trọng lực như đối với loại A và 2) Trước khi lớp vữa đầu tiên đông cứng (sau khoảng 15-25 phút), tiến hành đổ cùng một loại vữa đó thêm lần nữa bằng ống lồng đổ vữa mà không cần dùng đến thiết bị nén vữa (tại giao diện vùng liên kết) ở mức áp suất thấp nhất là 1 MPa. Loại cọc này chỉ được sử dụng tại Pháp và được gọi là IGU (Injection Globale et Unitaire). + Loại D: Loại D thể hiện quá trình đổ vữa gồm hai bước như đối với loại C, trong đó có điều chỉnh bước 2 khác chút. Vữa xi măng thuần túy được đổ dưới cột nước trọng lực như đối với loại A và C và có thể được tạo áp như loại B. Sau khi lớp vữa đầu tiên đông cứng, tiến hành đổ thêm vữa thông qua ống lồng đổ vữa với áp lực trong khoảng 2-8 MPa. Có thể sử dụng thiết bị nén vữa bên trong ống lồng để các lớp vữa được xử lý qua lại một vài lần, nếu có yêu cầu. Loại cọc này được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Pháp được gọi là IRS (Injection RepCtitiveet Selective). 1.2.5. Kỹ thuật xây dựng và vật liệu Việc xây dựng móng cọc siêu nhỏ liên quan đến sự thành công của các quy trình, trong đó công tác khoan, đặt cốt thép và đổ vữa là quan trọng nhất. Nói chung, thiết bị khoan, đổ vữa và các kỹ thuật được sử dụng đối với việc xây dựng móng cọc siêu nhỏ là tương tự như các kỹ thuật được sử dụng để lắp đặt cọc đóng vào đất, neo tiếp đất và hố để đổ vữa. 1. Các thiết bị khoan Thiết bị khoan chủ yếu được sử dụng là khoan thủy lực (điện hoặc diezen) cho phép thi công tiện dụng trên địa hình dốc hoặc khó khăn về mặt bằng. Cỡ của 14
18. khoan có thể là rất khác nhau như trong hình 1.8, với các khoan cỡ lớn hơn cho phép việc sử dụng các phần dài của cần khoan và đổ bê tông ở các điều kiện độ cao trên không, và khoan nhỏ cho phép làm việc ở các độ cao thấp hơn và khó tới hơn. Trụ khoan có thể được lắp dựng trên một khung, cho phép làm việc trong một khu vực trên không thấp và tiếp cận hạn chế như là xây dựng các tầng hầm. Một khung khoan được dựng, có thể được nối với vòi phun dài tới máy chạy điện thủy lực tách rời. Điều này cho phép đặt thiết bị điện bên ngoài khu vực làm việc, giảm các yêu cầu về diện tích, tiếng ồn trong khu vực làm việc và các vấn đề về xả chất thải. Hình 1.8: Một số thiết bị khoan thủy lực [22] 2. Các kỹ thuật khoan 15
19. Trên thế giới hiện nay về cơ bản có sáu phương pháp khoan được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng kỹ thuật địa chất (cọc có đường kính nhỏ hơn 300 mm, độ sâu nhỏ hơn 60 m) [22]. Sau đây là giới thiệu tóm tắt về sáu phương pháp này, được thể hiện như hình 1.9. + Phun rửa bên ngoài bằng ống đơn (rửa hố khoan): Bằng phương pháp này, mũi của ống chống khoan được lắp vừa với một mũi khoan hoặc một vòng mở, và ống chống được nâng lên nền bằng xoay đầu khoan. Nước xối được bơm liên tục qua ống chống, rửa sạch những vết còn lại ra khỏi vòng. Hình 1.9: Các phương pháp khoan (Bruce, 1988) [22] + Xoay hai chiều: Với kỹ thuật xoay hai chiều, cần khoan với mũi khoan phù hợp được đặt bên trong ống chống khoan. Nó được gắn liền với cùng một đầu xoay như ống chống, cho phép dây ống chống và khoan kết hợp được xoay và tiến lên liên tục. Dung dịch xối, thông thường là nước được bơm qua một đầu xuống thông qua cần khoan ở giữa từ các cổng phun của đầu khoan. + Khoan đôi kiểu va đập (đồng tâm): Các hệ thống khoan đôi kiểu va đập là một sự phát triển của các phương pháp xoay hai chiều khi mà các thanh khoan và ống chống va đập liên tục, xoay và tiến về phía trước. Sự va đập được cung cấp do một đầu khoan va đập xoay chiều xoay từ bên trên. 16
20. + Khoan đôi kiểu va đập (lệch tâm): Ban đầu được xem như là một hệ thống khoan lệch tâm, phương pháp này liên quan đến việc sử dụng khoan kiểu va đập kết hợp với một đầu khoan mở rộng lệch tâm. Đầu khoan lệch tâm cắt phía dưới ống chống khoan, sau đó có thể được đẩy vào hố khoan ngoại cỡ với năng lượng xoay ít hay nhiều. + Đầu mũi khoan đôi: Với phương pháp đầu mũi khoan đôi, sự phát triển một kỹ thuật xoay hai chiều tiêu chuẩn, các cán ống chống được xoay bằng các đầu mũi khoan riêng biệt dựng phía trên mũi khoan khác của cùng một giá trượt. Những đầu mũi khoan này cung cấp lực xoắn mạnh nhưng có nhược điểm là tốc độ quay chậm. Đặc điểm của xoay hai chiều là cải thiện độ thẳng của hố móng đáng kể, tăng cường khả năng xuyên, thậm chí thi công trong các điều kiện đất nền khó nhất. + Mũi khoan cán nông: Mũi khoan cán nông là hệ thống mũi khoan nhẹ liên tục với lõi nông, tương tự như những mũi khoan được sử dụng trong khoan móng cọc hoặc đối với khảo sát nền móng. Những cọc này được lắp ráp bởi các đầu khoan xoay. Khi khoan xuống, lõi nông sát với nắp của mũi khoan. Khi hố móng đã được khoan tới độ sâu, nắp bị bong ra hoặc bị nổ bởi áp suất đổ vữa, cho phép hố móng được hình thành khi rút mũi khoan lên. Mũi khoan như vậy được sử dụng chủ yếu để khoan những vật liệu kết dính hoặc các loại đá rất mềm. 3. Đổ vữa Các hoạt động đổ vữa có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của cọc siêu nhỏ và tạo nên sự phân loại cơ bản cốt lõi nhất cho các loại cọc siêu nhỏ. Các chi tiết của mỗi dạng thao tác đổ vữa trên thế giới là khác nhau, phụ thuộc vào xuất xứ của việc thực hiện và chất lượng của các nguồn nguyên liệu địa phương. Tuy nhiên, như đã quan sát chung có thể ghi nhận rằng: - Việc đổ vữa được thiết kế để cung cấp độ bền và ổn định cao, nhưng cũng phải bơm được. Như được chỉ ra trong hình 1.10, điều này nói đến các tỷ lệ nước /xi măng cơ bản trong phạm vi từ 0,4 tới 0,5 theo trọng lượng đổ vữa của cọc siêu nhỏ. 17
21. - Vữa được tạo ra bằng nước có thể uống được, để giảm bớt nguy hiểm do cốt thép bị ăn mòn. - Loại xi măng phù hợp được sử dụng phụ thuộc vào điều kiện công trình, qui mô công việc và sự sẵn có nguyên liệu ở địa phương. - Thiết kế lực nén từ 28-35 MPa có thể đạt được một mức phù hợp khi tạo hỗn hợp xi măng đạt yêu cầu thiết kế. Hình 1.10: Ảnh hưởng của thành phần nước lên độ bền nén của vữa và tính chất của dòng chảy (Barley và Woodward, 1992) [22] 4. Cốt thép Số lượng cốt thép đặt trong cọc siêu nhỏ được quyết định bởi tải trọng đỡ và độ cứng được yêu cầu với giới hạn của sự chuyển vị đàn hồi. Cốt thép có thể được bao gồm với thanh cốt thép đơn, một nhóm thanh cốt thép đơn, một đường ống chống bằng thép hoặc thép có cấu trúc tròn [22]. + Các thanh cốt thép: Tiêu chuẩn cốt thép (bảng 1.1), phù hợp với tiêu chuẩn ASTM(2) A615/ AASHTO(3) M3l và ASTM A706, với độ bền hiệu suất là 420 MPa và 520 MPa điển hình được sử dụng. Thanh có đường kính từ 25-63 mm. Thanh đơn được sử dụng là điển hình, nhưng một nhóm thanh cũng có thể được sử dụng. Đối với một nhóm các thanh đơn lẻ có thể được tách rời bằng việc sử dụng các 18
22. S K L 0 0 2 1 5 4