Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Nghiên cứu phương pháp xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi theo lý thuyết độ tin cậy; Chương 3: Phân tích đặc trưng thống kê của các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện cường độ đất nền trong điều kiện khu vực Tp.HCM; Chương 4: Nghiên cứu đề xuất hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu theo điều kiện đất nền cho đất hỗn hợp loại dính và rời ở khu vực Tp. CỌC KHOAN NHỒI VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ HẠ TẦNG 1. Khái niệm chung, đặc điểm kết cấu và công nghệ đặc trưng Cọc khoan nhồi của móng mố, trụ cầu hay gọi tắt là cọc khoan nhồi (CKN, Drilled Shafts, Bored Piles): Là một bộ phận của móng mố, trụ cầu; được thi công bằng cách đổ bê tông trong lỗ khoan sẵn có hoặc không có cốt thép với đường kính đến 5m, chiều dài đến trên 100m và sức chịu tải đến trên 3.
Cọc khoan nhồi tiếp nhận các tải trọng (hiệu ứng tải trọng, Q) từ bệ móng rồi truyền xuống đất nền xung quanh và mũi cọc [1], [21], [76]. Cọc khoan nhồi có thể là cọc có tiết diện hình trụ không đổi trong suốt chiều dài cọc, loại cọc này được gọi là cọc khoan nhồi đơn giản; hay có hình trụ khoan bình thường nhưng khi gần đến đáy thì dùng gầu đặc biệt để mở rộng đáy hố khoan (Hình 1.1), cũng có thể sử dụng một lượng nhỏ thuốc nổ để mở rộng đáy; ngoài mở rộng đáy còn mở rộng nhiều đợt ở thân cọc để tăng sức chịu tải của cọc [1], [21], [76]. - Sức kháng bên đơn vị - Hiệu ứng tải 1. Định vị tim cọc 9.
Lắp đặt lồng cố thép 2. Bắt đầu khoan tạo lỗ định vị 7. Khoản mở rộng đáy lỗ khoan 10. Lắp đặt ống đỗ bê tông tươi 8.
Thổi rửa, vệ sinh và kiểm tra chiều sâu lỗ khoan 6. Thay đầu khoan có cánh mở rộng đáy 11. Thổi rửa vệ sinh đáy lỗ khoan llần 2 3. Hạ ống vách giữ ổn định miêng lỗ khoan 4.
Rót vữa sét-bentonite giữ ổnđịnh vách và khoan tạo lỗ 14. Thu hồi ống vách và hoàn thiện thi công cọc 13. Tiếp tục đỗ bê tông tươi và thu hồi vữa sét 5. Khoan tạo lỗ trong vữa sét đến đáy lỗ khoan 12.
Đỗ bê tông tuơi dâng lên từ đáy lỗ khoan trọng R - Sức kháng của cọc khoan nhồi Rs - Sức kháng bên -Sức kháng mũi đơn vị - Sức kháng mũi Q ≤ R = Rs+Rp Hình 1. Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi Hình 1. Mô hình làm (có mở rộng đáy cọc) việc của cọc khoan nhồi 6 Dựa vào đặc điểm môi trường khoan tạo lỗ, giữ ổn định thành lỗ khoan và đúc cọc trong nền đất, công nghệ thi công cọc khoan nhồi được phân thành bốn phương pháp: khô, ướt, có ống vách và hỗn hợp [24], [33], [76]. Chi tiết các khái niệm này như sau: - Phương pháp thi công cọc khoan nhồi khô (Dry Construction Method): Là phương pháp khoan tạo lỗ và đúc cọc trong môi trường khô.
Áp dụng cho nền đất tốt và không có nước ngầm. - Phương pháp thi công cọc khoan nhồi ướt hay còn gọi là phương pháp ướt (Wet Construction Method, Wet (slurry): bentonite, water): Khoan tạo lỗ và đúc cọc trong môi trường nước hoặc bùn khoan (slurry- bentonite) và có một đoạn ống vách ngắn tạm ở miệng lỗ khoan. Áp dụng cho nền đất dính, rời và có mực nước ngầm cao. - Phương pháp thi công CKN có ống vách (Casing Construction Method): Khoan tạo lỗ và đúc cọc hoàn toàn trong ống vách tạm (có sử dụng nước hoặc bùn khoan để chống bẹp ống vách).
Phương pháp này áp dụng cho điều kiện địa chất phức tạp (bùn lỏng, cát chảy, hang động cáctơ,…) mà phương pháp ướt khó có thể thi công tốt. - Phương pháp thi công CKN hỗn hợp (ống vách-ướt, Combined): là phương pháp hỗn hợp của 2 phương pháp thi công có ống vách và ướt. Áp dụng cho điều kiện địa chất phức tạp ở tầng trên (hoặc trên sông nước). Dựa vào đặc điểm chịu lực của cọc khoan nhồi theo điều kiện đất nền, cọc khoan nhồi được phân làm 3 loại: cọc chống, cọc ma sát và đồng thời cả ma sát và chống [1], [21], [76].
Chi tiết các khái niệm này như sau: - Cọc khoan nhồi ma sát và chống (Combination Friction and Bearing Bored Pile): Sức chịu tải hay sức kháng của cọc, R, có được từ cả hai sức kháng bên, Rs, và sức kháng mũi cọc, Rp, xem Hình 1. - Cọc khoan nhồi chống (Bearing Bored Pile, Point-Bearing Bored Pile): Cọc chỉ chống và ngàm vào tầng đá ở mũi cọc (trên tầng đá là đất bùn yếu, hữu cơ). Sức kháng của cọc (R) có được chủ yếu từ sức kháng mũi cọc (Rp) và một phần nhỏ sức kháng bên của đất đá quanh mũi cọc (Rs). - Cọc khoan nhồi ma sát (cọc khoan nhồi treo, Friction Bored Pile): Cọc xuyên qua các tầng đất chịu tải trung bình đến tốt và tầng đất ở mũi cọc 7 chịu tải kém.
Sức kháng của cọc (R) có được chủ yếu từ sức kháng bên cọc (Rs) (do lực ma sát (sức kháng bên đơn vị, qs) giữa cọc và đất nền xung quanh cọc). Ưu điểm của cọc khoan nhồi: có thể áp dụng rộng rãi với các loại đất nền như: Đất sét, đất cát, đất sỏi sạn, đất sỏi cuội, đá phong hóa, đá nguyên khối. Thích hợp với các loại kết cấu như: móng nhà cao tầng; móng cầu: cầu dầm giản đơn, cầu dầm liên tục, cầu vòm, cầu khung, cầu dây văng, dây võng, … Có thể thi công được cả chỗ nước sâu. Đường kính mặt cắt có thể đến 5m, chiều dài cọc có thể hơn 100m.
Một lợi thế lớn nhất của cọc nhồi đó là phương pháp khoan, cho phép hạn chế đến mức tối đa ảnh hưởng do rung động cũng như tiếng ồn đối với một số công trình lân cận đã được xây dựng hoặc khu dân cư đông đúc. Giá thành hạ: Tiết kiệm kinh phí xây dựng. Trong quá trình thi công vẫn có thể kiểm tra lại địa tầng, từ đó căn cứ vào địa chất thực tế mà có thể điều chỉnh chiều dài và đường kính cọc. Nhược điểm của cọc khoan nhồi: Tác nghiệp tại hiện trường nhiều, khó thi công theo phương pháp lắp ghép, công xưởng hóa; còn dùng nhiều đến lao động chân tay, chất lượng cọc phụ thuộc rất nhiều vào trình độ và kinh nghiệm của công nhân; sau khi cọc đúc xong, công tác kiểm tra đánh giá chất lượng cọc tương đối khó khăn.
Quá trình thi công còn tồn tại một số vấn đề khó xử lý như: Sụt lở thành vách, không rửa sạch lỗ khoan, mất dung dịch trong lỗ khoan, không rút được ống vách lên,… 1. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở trong và ngoài nước 1. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi trên thế giới Trong khoảng gần 20 năm qua và hiện nay, có rất nhiều công trình cầu lớn, đường cao tốc, metro,. trên thế giới đều sử dụng cọc khoan nhồi làm móng trụ cầu chính hoặc mố trụ nhịp dẫn như Cầu Millau-Pháp (2004), mỗi tháp chính sử dụng 4 cọc khoan nhồi đường kính 5,0m/7m-mở rộng đáy, chiều dài đến 15m, mũi cọc ngàm vào đá; Cầu Russky-Nga (2012), mỗi tháp chính sử dụng 120 cọc khoan nhồi đường kính 2,0m, chiều dài đến 77m, mũi cọc ngàm vào đá; Cầu SuTong-Trung Quốc (2007), mỗi tháp chính sử dụng 131 cọc khoan nhồi đường kính 2,8m, chiều dài đến 116m; Tuyến đường bộ cao tốc 2 Bangkok-Thái Lan (2000), sử dụng 8.480 cọc khoan nhồi đường kính 1,2m, chiều dài đến 60m,.
Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi trên thế giới Chiều dài Đặc điểm cọc khoan nhồi Dự án-Địa điểm/Năm STT (cao) công Ghi Chú xây dựng Số cọc Đ.Dài (m) trình Cầu Neak Loeung- 1 2,2Km 148 1,0; 1,2; 2,5 55-62 Cambuchia/2011-2015 Cầu Rama VIII-Thái 2 2,45Km 766 0,5-1,5 21-54 Lan/1999-2002 Đường cao tốc GD2 3 Bangkok-Thái 55Km 8.480 1,2 60 Lan/1990-2000 Cầu Penang 2- 4 16.4km 146 1,5; 2,0; 2,2 85-120 Malaysia/2008-2013 Cầu InChoen 2-Hàn 32/1 tháp 5 11,66Km 1,8; 2,4; 3,0 35-40 Quốc/2005-2009 chính Cầu SuTong-Trung 131/ 6 32,4Km 2,8/2,4 108-116 Quốc/2003-2007 1 tháp chính Cầu Stonecutters- Hong 7 1,6Km 108 2,0; 2,8 45-70 Kong/2004-2009 Đường sắt cao tốc Taipei 8 đến Kaohsiung-Đài 326Km 8.200 2,0 60 Loan/2000-2004 9 Cầu Oshiba-Nhật/1997 470m 56 1,0; 2,0 6,5-36 Cầu Russky-Nga/2008- 120/1 tháp 10 1,886Km 2,0 46-77 2012 chính Cầu Millau-Pháp/2001- 4/ 1 tháp 11 2,5Km 5,0/7,0 10-15 2004 chính Cầu John James 12 6,44Km 2,4 53-55 Audubon-Mỹ/2011 Cầu Benicia Martinez- 13 2.7 km 99 2,1 61 Mỹ/2007 Cầu Anthony Falls, 14 đường I-35W-Mỹ/2007- 371m 109 1,2; 2,1; 2,4 8-29 2008 Cầu Mullica-Mỹ/2008- 15 347m 24 2,4 43-55 2012 Nguồn: Internet 1. Tình hình sử dụng cọc khoan nhồi ở Việt Nam Trong hơn 20 năm qua và hiện nay, hầu như các giải pháp móng cho công trình giao thông, dân dụng và công nghiệp có quy mô lớn hoặc xây dựng trong đô thị ở Việt Nam đều sử dụng móng cọc khoan nhồi. Cụ thể như Cầu Việt trì- Vĩnh Phúc (1992), sử dụng 36 cọc khoan nhồi đường kính 1,3m, chiều dài đến 29m; Cầu Nhật Tân-Hà Nội (2014), bên cạnh sử dụng móng cọc ống thép dạng giếng cho các trụ tháp chính còn sử dụng đến 950 cọc khoan nhồi đường kính 9 1,5m, chiều dài đến 42m; Cầu Rồng-Đà Nẵng (2013), sử dụng 157 cọc khoan nhồi đường kính 1,5~2,0m, chiều dài đến 36m; Cầu Cần Thơ (2010), sử dụng 240 cọc khoan nhồi đường kính 1,2~2,5m, chiều dài đến 95m; Cầu Vàm Cống (2013-2017) sử dụng 690 cọc khoan nhồi đường kính 1,5~2,5m, chiều dài đến 116m; Tuyến Cao tốc Sài Gòn-Trung Lương (2010), sử dụng 4.898 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~2,0m, chiều dài đến 60m; Tuyến Metro số 1, Bến Thành- Suối Tiên, Tp.HCM (2012-2018), sử dụng trên 3.500 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~2,0m, chiều dài đến 78m; Cao ốc Royal City-Hà Nội (2013) sử dụng 2.815 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~1,5m, chiều dài đến 64m; Tòa nhà ESTELLA-Tp.HCM (2008), sử dụng 283 cọc khoan nhồi đường kính 1,0~1,2m, chiều dài đến 84m và còn nhiều dạ án điển hình khác như ở Bảng 1. Thống kê một số dự án điển hình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi ở Việt Nam Đặc điểm cọc khoan Chiều dài Ghi Chú Dự án-Địa điểm/Năm nhồi STT (cao) công xây dựng Đ.Dài trình Số cọc (m) (m) Cầu Việt Trì-Vĩnh 1 372,88m 36 1,3 29 Phúc/1990-1992 81 cọc có hiện tượng bê Cầu Thanh Trì-Hà 1,0;-1,5; tông không đồng nhất hoặc 2 3.339 50~57 Nội/2002-2007 2,0 thiếu bê tông ở chiều dài 1- 5m đoạn mũi cọc.
Sạt lở thành lỗ khoan, Bê Cầu Vĩnh Tuy-Hà 3 3.690 m >216 2,0 53 tông mũi cọc bị xốp ở Trụ Nội/2005-2010 25 Cầu Vĩnh Thịnh-Hà 4 Nội-Vĩnh Phúc/2011- 4.480m 662 1,5; 2,0 50 2014 Cầu Nhật Tân-Hà 5 3.