MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và khu Đồng bằng sông Cửu Long nói chung đa phần là đất yếu với chiều dày lớn. Do vậy, việc sử dụng cọc trong thi công các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp hay cầu đường rất phổ biến. Đặc biệt, với những công trình có tải trọng lớn, cọc khoan nhồi bê tông cốt thép là một trong những phương pháp hiệu quả, được sử dụng rộng rãi để đảm bảo khả năng chịu tải của nền móng công trình. Hiện nay, ước tính hàng năm có khoảng 50 ÷ 70 nghìn mét dài cọc khoan nhồi có đường kính 0,8 ÷ 2,5 m được thực hiện, với chi phí khoảng 1300 ÷ 1400 tỷ đồng.
Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép thường được thiết kế mang tải trọng lớn nên sử dụng chúng trong xây dựng luôn là vấn đề được quan tâm đặc biệt. Việc thiết kế và thi công cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đòi hỏi nhiều kỹ thuật và tính toán phức tạp. Từ việc chọn chiều dài cọc, đường kính cọc, cốt thép thân cọc trong tính toán đến thiết bị, năng lực của đơn vị thi công Một trong số đó, việc lựa chọn dung dịch khoan cũng được lựa chọn một cách kỹ lưỡng nhằm mục đích hiệu quả nhất trong thi công. Dung dịch khoan trong cọc khoan nhồi ảnh hưởng lớn đến thi công, từ việc giữ thành hố khoan, giảm ma sát cho gàu khoan đến việc tăng tải trọng cho cọc cũng được nghiên cứu kỹ lưỡng trong từng điều kiện địa chất khác nhau.
Do đó, việc phân tích, đánh giá tác dụng của dung dịch khoan trong thi công cọc khoan nhồi nhằm chọn lựa hợp lý dung dịch là việc hết sức cần thiết. Hai dung dịch khoan được sử dụng phổ biến hiện nay cho cọc khoan nhồi là Bentonite và Polymer (thuật ngữ dung dịch khoan để chỉ hai loại dung dịch khoan phổ biến này). Chúng có những ảnh hưởng khác nhau đến thi công cọc khoan nhồi. Luận văn phân tích tác dụng của dung dịch khoan Bentonite và Polymer trong thi công cọc khoan nhồi nhằm chọn lựa hợp lý dung dịch theo điều kiện địa chất công trình.
Luận văn nghiên cứu tác dụng của hai dung dịch khoan trong thi công cọc khoan nhồi theo cấu tạo địa chất. Trên cơ sở đó lựa chọn dung dịch khoan phù hợp nhằm đưa lại hiệu quả tốt nhất trong thi công cọc khoan nhồi. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2 Đề tài được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm với các phương pháp: tính toán theo giải tích, phân tích và so sánh dữ liệu thí nghiệm hiện trường. Phương pháp tính toán theo giải tích: Tính toán áp lực ngang và đánh giá ổn định của hố khoan trên cơ sở lý thuyết đàn hồi.
Phương pháp phân tích và so sánh dữ liệu thí nghiệm hiện trường: Nghiên cứu công trình cụ thể phụ thuộc vào các kết quả thí nghiệm Koden kiểm tra độ thẳng đứng hố khoan, thí nghiệm nén tĩnh, thí nghiệm đo độ biến dạng cọc và thí nghiệm đo độ giãn cọc đạt được sau quá trình thi công cọc thử để đánh giá sức chịu tải cọc. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép được thiết kế với tải trọng lớn và được sử dụng phổ biến hiện nay nên việc nghiên cứu, cải tiến để tăng sức chịu tải hay rút ngắn thời gian thi công, nâng cao hiểu quả công việc có ý nghĩa rất lớn. Bentonite và polymer được dùng phổ biến nhất hiện nay trong cọc khoan nhồi bê tông cốt thép và có những tác dụng khác nhau cũng như quy cách thi công khác nhau. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng cọc khoan nhồi sử dụng polymer có sức chịu tải cao hơn hay rút ngắn thời gian thi công hơn so với sử dụng bentonite.
Tuy nhiên, việc sử dụng polymer chỉ ra cọc được tăng sức chịu tải chỉ mới ở giai đoạn nghiên cứu và bentonite cũng có nhiều ưu thế trong từng điều kiện địa chất khác nhau. Do đó, việc chọn dung dịch khoan khi thi công cọc khoan nhồi là quan trọng và giúp giảm thiểu rủi ro thi công, giảm thời gian thi công. TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu áp dụng cho thiết kế và thi công cọc khoan nhồi. Với những nơi có cấu tạo địa chất phức tạp, việc lựa chọn dung dịch khoan đóng vai trò quan trọng.
Dung dịch khoan được lựa chọn là bentonite, polymer hay phối hợp cả hai theo một tỉ lệ nhất định để phù hợp với cấu tạo địa chất. Việc này ảnh hưởng đến tiến độ, an toàn, chất lượng khi thi công cọc khoan nhồi, hay cả vấn đề hiệu quả kinh tế cũng được xem xét trên phương diện quản lý xây dựng. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn cũng như đề tài được nêu ra, vẫn còn nhiều thiếu sót chưa được nghiên cứu như : 3 Luận văn chưa đi sâu và tìm hiểu về thành phần hóa học của các loại dung dịch dùng trong thi công cọc khoan nhồi. Luận văn chưa tìm hiểu được thêm các loại dung dịch khác có thể được sử dụng trong thi công cọc khoan nhồi.
Luận văn không xét đến dòng chảy của dung dịch len vào trong đất trong trường hợp xảy ra sự cố thất thoát dung dịch khoan. Luận văn chưa đánh giá được tác động môi trường của dung dịch khoan. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ VAI TRÒ CỦA DUNG DỊCH KHOAN LÊN THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI 1. GIỚI THIỆU VỀ DUNG DỊCH KHOAN Trong thi công cọc khoan nhồi thì việc sử dụng dung dịch hỗ trợ khoan là một điều không thể thiếu.
Nhiệm vụ của dung dịch giống như thay thế phần đất được đào ra. Dung dịch có khả năng tạo màng keo (tỉ lệ keo >95%) phủ lên bề mặt thành hố khoan nên có tác dụng cách nước giữa thành hố khoan và đất xung quanh đồng thời giữ ổn định thành hố khoan. Ngoài ra, dung dịch còn làm giảm ma sát giữa gàu khoan và đất khiến cho việc thi công trở nên dễ dàng và tránh hư hại các thiết bị thi công. Hai dung dịch được dụng phổ biến hiện nay là Bentonite và Polymer.
Tùy theo điều kiện địa chất, thuỷ văn, nước ngầm, thiết bị khoan để chọn phương pháp giữ thành hố khoan và dung dịch khoan thích hợp. Trước đây, dung dịch bentonite được sử dụng phổ biến. Ngày nay, dung dịch polymer cũng được đưa vào sử dụng trong thi công cọc khoan nhồi bê tông cốt thép trong nhiều trường hợp. Cũng có nhiều công trình sử dụng hỗn hợp 2 loại dung dịch trên cho phần thi công hồ khoan, ví dụ như công trình cầu Cần Thơ ở hạng mục cọc khoan nhồi cũng sử dụng hỗn hợp 2 loại dung dịch trên theo một tỷ lệ nhất định.
Nhờ việc có tỉ trọng thấp hơn tỉ trọng của bê tông (tỉ trọng của dung dịch từ 1,05 đến 1,15) do đó khi đổ bê tông thì dung dịch được đẩy nổi lên trên. Dung dịch có độ nhớt cao kết hợp với màng keo có thể ngăn được nước từ các khe ngầm. Dung dịch sau khi thi công sẽ được thu hồi, sàng lọc và pha trộn đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý để sử dụng cho lần thi công sau. Trong khi thi công hố khoan cũng cần phải lưu ý đến mực dung dịch được giữ trong thành hố khoan.
Cao độ của dung dịch khoan được tính theo nguyên lý cân bằng áp lực ngang giữa cột dung dịch trong hố khoan và áp lực của đất nền và nước quanh vách hố khoan. Khi khoan trong địa tầng dễ sụt lở, áp lực cột dung dịch phải luôn lớn hơn áp lực ngang của đất và nước bên ngoài. Khi mực nước ngầm lên cao (lên đến mặt đất) cho phép tăng tỉ trọng dung dịch bằng các chất có tỷ trọng cao như barit, cát magnetic,… 5 1. Giới thiệu về bentonite trong thi công cọc khoan nhồi Dung dịch bentonite đã được sử dụng phổ biến trong thi công cọc khoan nhồi cũng như thi công các hố đào sâu từ trước đến nay.
Bentonite là loại sét khoáng có tính trương nở và có độ nhớt cao chủ yếu được hình thành bởi sét montmorillonite. Đặc trưng của bentonite là sự len lỏi các hạt sét vào lỗ rỗng của đất xung quanh, trương nở lấp kín lỗ rỗng, hình thành lớp màng bùn bảo vệ bề mặt vách hố khoan tạo nên tính ổn định cho thành hố. Hiệu quả của việc sử dụng phương pháp bentonite là việc ngăn ngừa sự lắng mùn qua thời gian của đáy hố công trình. Bentonite khi sử dụng trong hố khoan phải đảm bảo cao trình dung dịch lớn hơn cao trình mực nước ngầm nhằm tạo áp lực cho dung dịch bentonite ngấm vào thành xung quanh hố khoan cũng như tạo áp lực cân bằng thành hố khoan.
Bentonite tập kết tại dự án ở dạng bột và được bảo quản trong điều kiện khô ráo sau đó được trộn bằng máy trộn tốc độ vòng quay cao, chứa trong các silo và chờ trương nở từ 5-6 tiếng mới được đưa vào sử dụng trong thi công cọc khoan nhồi. Dung dịch sau khi thi công có thể tái sử dụng bằng cách thu hồi về, sàng lọc cát và trộn thêm một lượng bentonite bột nhất định để đảm bảo được chất lượng. Chỉ tiêu cơ lý của Bentonite trong thi công cọc khoan nhồi được thể hiện ở bảng dưới đây. Bảng 1-1: Chỉ tiêu cơ lý của dung dịch bentonite Tên chỉ tiêu Chỉ tiêu tính năng Phương pháp kiểm tra 1.Khối lượng riêng Từ 1,05 g/cm3 đến 1,15 Tỷ trọng kế hoặc Bomê kế g/cm3 2.Độ nhớt Từ 18 s đến 4 5s Phễu 500/700 cm3 3.Hàm lượng cát <6% Đong cốc 4.Tỷ lệ chất keo > 95 % Đong cốc 5.Lượng mất nước 30 mL/30min Dụng cụ đo lượng mất nước 6.Độ dày áo sét Từ 1 mm đến 3 mm sau 30 Dụng cụ đo lượng mất nước 6 min 7.Lực cắt tĩnh 1 min: từ 20 mg/cm2 đến 30 Lực kế cắt tĩnh mg/cm2 10 min: từ 50 mg/cm2 đến 100 mg/cm2 8.Tính ổn định < 0,03 g/cm2 9.Độ pH 7 đến 9 Giấy thử pH Hình 1-1: Kiểm tra dung dịch khoan bằng thí nghiệm Việc kiểm tra, nghiệm thu dung trọng, độ nhớt, hàm lượng cát và độ pH phải được kiểm tra cho từng cọc.
Trước khi đổ bê tông nếu kiểm tra mẫu dung dịch tại độ 7 sâu khoảng 0,5 m từ đáy lên có khối lượng riêng vượt quá 1,25 g/cm³, hàm lượng cát lớn hơn 8%, độ nhớt quá 45 s thì phải có biện pháp thổi rửa đáy lỗ khoan để đảm bảo chất lượng cọc. Quy trình thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch Bentonite được thể hiện trong hình 1.