Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu chung về công tác đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng Việc xử lý nền móng cho các công trình xây dựng và giao thông đã có từ rất lâu. Theo dòng phát triển của lịch sử, quy mô các công trình và công nghệ xử lý nền móng đã có những bước tiến dài. Hiện nay, trong gia cố nền móng cho các công trình lớn, thời hạn phục vụ lâu dài người ta áp dụng các loại móng cọc.
Đây là loại móng đảm bảo khả năng xây dựng công trình trên các nền đất yếu có sức chịu tải nhỏ. Những ưu điểm cơ bản của việc áp dụng móng cọc là rút ngắn thời gian thi công, giảm bớt công tác nặng nhọc cho công nhân, giảm bớt khối lượng thép, bê tông, giảm khối lượng công tác làm đất và tăng chất lượng công trình…. Có rất nhiều phương pháp đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng. Mỗi phương pháp có tính ưu việt riêng và phù hợp với từng yêu cầu của mỗi công trình.
Các phương pháp thường sử dụng hiện nay là: khoan cọc nhồi, ép cọc tĩnh, dùng lực va đập, dùng thiết bị rung động. Phương pháp khoan cọc nhồi. Cọc nhồi được chế tạo bằng cách rót trực tiếp vậy liệu (bê tông, bê tông cốt thép, cát) vào những lỗ cọc làm sẵn trong lòng đất ngay tại mặt bằng thi công công trình. Theo phương pháp tạo lỗ cọc khoan nhồi, thi công cọc nhồi được chia thành hai loại cơ bản sau: + Tạo lỗ cọc bằng cách đóng ống kim loại, đầu dưới bịt đế cọc vào lòng đất, sau đó rót vật liệu tạo cọc vào lòng ống.
ống kim loại có thể để nguyên với vai trò là thành ống hoặc rút khỏi lòng đất trong quá trình rót vật liệu bằng thiết bị chuyên dùng, còn đế cọc nằm lại trong lòng đất. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 + Tạo lỗ cọc bằng phương pháp khoan chuyên dùng. Các thiết bị khoan rất đa dạng, như tạo lỗ bằng phương pháp cơ học, phương pháp vật lý, hay là theo cách đưa đất từ lỗ khoan lên theo dạng liên tục hay chu kỳ,… Phương pháp khoan cọc nhồi có đặc điểm sau: - Ưu điểm: + Cọc được chế tạo tại chỗ, có kích thước và chiều dài tuỳ ý, không mất công vận chuyển hay phải làm các công tác phụ khác như cưa, cắt, nối cọc… sau khi đóng cọc. + Thi công cọc nhồi trên các máy khoan tạo lỗ tránh được các lực xung kích gây ảnh hưởng xấu đến các công trình xung quanh, không gây tiếng ồn lớn.
Vì vậy trong những năm gần đây thi công cọc nhồi đã nhanh chóng xâm nhập vào các công trình trong thành phố. + Có thể thi công trên các công trường có điều kiện mà không thể thi công bằng phương pháp đóng cọc khác. - Nhược điểm: + Chi phí đầu tư máy móc thiết bị ban đầu lớn nên giá thành của nó cũng khá cao. + Khó kiểm tra chính xác chất lượng cọc sau khi thi công.
+ Gây ô nhiễm môi trường do có chất thải là dung dịch bentonít. + Phải xây dựng trạm trộn bê tông tại công trường hoặc phụ thuộc địa điểm của trạm trộn bê tông khác và công suất của trạm đó (do phụ thuộc thời gian bê tông đông cứng từ lúc trộn bê tông đến lúc đổ xong cọc),… 1. Phương pháp ép cọc tĩnh: Đây là phương pháp cơ học dùng lực ép cọc xuống lòng đất, phương pháp này chỉ đóng được các loại cọc có chiều dài ngắn hoặc đối với cọc dài, lớn thì phải dùng máy có công suất lớn. Ép cọc tĩnh có các đặc điểm sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 - Ưu điểm: + Không gây chấn động đến các công trình xung quanh, không tạo ra tiếng ồn; + Giá thành rẻ.
- Nhược điểm: Chỉ đóng được các loại cọc nhỏ có khẩu độ không dài lắm, hoặc nếu ép cọc lớn thì chi phí mua máy ban đầu rất lớn mà khối lượng thi công ít do ở nước ta chưa có nhiều công trình lớn, nên hiệu quả kinh tế khi sử dụng loại máy này thấp. Phương pháp dùng lực va đập 1. Búa Hơi Búa hơi được chia làm hai loại: Loại quả búa tác động đơn và loại quả búa tác động kép. - Búa hơi tác động đơn: áp suất của hơi nước hoặc không khí nén chỉ dùng để nâng đầu quả búa lên cao, cọc được đóng vào nền do năng lượng rơi tự do của đầu búa tác dụng trực tiếp lên cọc.
- Búa hơi tác động kép: áp suất của hơi nước hoặc không khí nén vừa dùng để nâng đầu quả búa lên cao, vừa dùng để đẩy đầu quả búa rơi nhanh xuống đầu cọc. Cả hai loại búa hơi nói trên đều tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi phải có trang thiết bị đi kèm như nồi hơi hoặc máy nén khí, ống dẫn hơi ép… 1. Búa Diezel Búa Diezel làm việc theo nguyên lý động cơ đốt trong hai kỳ: Lúc đầu bộ phận xung kích được kéo lên bằng tời, nhiên liệu được phun vào buồng nén ngay khi bộ phận xung kích được thả rơi, không khí và nhiên liệu bị nén và nóng lên biến thành một hỗn hợp ở trạng thái sương mù. Khi đủ nhiệt độ, “bụi hơi’’ nhiên liệu bị bốc cháy cùng với không khí nén sẽ gây nổ.
Áp suất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 khí cháy tác động đóng cọc xuống và phần xung kích bị nẩy lên tiếp tục một chu kỳ khác. - Ưu điểm: + Rất cơ động, dễ thi công và có thể làm việc ở những điều kiện khắc nghiệt như: ở trên sông, ở đầm lầy, ở các vùng cao mà các phương pháp khác không làm được; + Không cần trang bị các trạm cung cấp năng lượng (nồi hơi, máy ép khí, ống dẫn); + Búa dễ thao tác, cho năng suất cao; + Hệ số hiệu dụng tốt hơn búa hơi, năng lượng nổ truyền trực tiếp vào phần xung động của búa. - Nhược điểm: + Chỉ hạn chế đóng những cọc thẳng hoặc có độ xiên tối đa 3:1 đến 4:1. + Không hiệu quả khi đóng cọc trong đất yếu: Khi nổ, cọc lún xuống nhiều, thủ búa không đủ năng lượng bật lên cao, do đó buồng nén không đủ áp lực và nhiệt độ đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu cho chu kỳ sau.
Do đó phải thao tác lại từ đầu, năng xuất giảm. + Khi đóng cọc gây ra lực chấn động làm ảnh hưởng tới các công trình xung quanh, đồng thời nó còn tạo ra tiếng ồn. Do nhược điểm này mà phương pháp chỉ được áp dụng với các công trình xa khu dân cư. Phương pháp dùng lực rung động - Búa rung Nguyên tắc làm việc của búa rung là dùng năng lượng do rung động gây ra kết hợp với lực va đập của búa.
Trong quá trình đóng cọc, cọc lún do rung động với một tần suất nào đó, vì thế mà giảm được ma sát sinh ra giữa cọc và đất. Mặt khác trọng lượng bản thân giữa cọc và búa làm cọc lún sâu vào nền đất. Để truyền dao động từ quả búa xuống cọc, mũ cọc cần được liên kết với LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 cọc và quả búa vì vậy còn gọi là kẹp cọc. Để thực hiện chức năng kẹp cọc, mũ cọc thường được sử dụng hai loại truyền động cơ bản là cơ khí và thuỷ lực.
Có 2 loại búa rung: loại dùng điện (thi công với xe cẩu) và loại thuỷ lực gắn trên máy đào (excavator). Tần số rung thường trong khoảng từ 20 đến 40 Hz. Lực ly tâm do búa tạo ra có thể lên đến 4000 kN (tương đương 400 tấn).2 Sơ đồ nguyên lý máy búa rung Búa rung làm việc tại công trường Đóng cọc bằng rung động thuần tuý thì ít hiệu quả khi trở lực tại mũi cọc lớn. Các búa va – rung thì hiệu quả hơn trong những tình huống này bởi vì chúng sinh ra xung lực lớn cũng như tạo ra biên độ cao và tốc độ lớn để cọc thắng được trở lực lớn tại mũi cọc.
Khi không được cung cấp năng lượng, bộ gây rung của búa sẽ ở một vị trí trung gian. Khe hở tác động của búa là khoảng cách giữa điểm đập của bộ gây rung và cái đe khi bộ gây rung ở vị trí trung gian, hay lúc không làm việc. Có ba lựa chọn cho khe hở này: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 - Khe hở âm: Không có khe hở khi ở vị trí trung gian, một lực được đặt trên bộ gây rung khi máy không hoạt động. Trong trường hợp này chế độ làm việc của búa rung phụ thuộc đáng kể vào việc kiểm soát hệ số tốc độ phục hồi R’.
Do đó, khi độ sâu cọc, đặc điểm đất hoặc thay đổi trọng lượng cọc, các điều chỉnh hệ thống sẽ xấu đi và máy sẽ không hoạt động đúng. - Khe hở dương: Một khe hở dương là có một khoảng cách giữa điểm đập và cái đe khi ở vị trí trung gian. Nếu khoảng cách vượt quá biên độ dao động của hệ thống mà không có giới hạn một, có thể rung động không có tác động, và vì lý do này khe hở phải được giới hạn. - Khe hở bằng 0: Với khe hở bằng 0, bộ gây rung dừng ở vị trí lại trên đầu cái đe này.
Tại khe hở này, thay đổi các điều kiện của hệ thống điều khiển sẽ ít ảnh hưởng đến búa nhất. Ngoài ra, tốc lực tối đa được tạo ra bởi quả văng của bộ gây rung là lúc khe hở bằng 0. Vì sự lựa chọn lò xo cho búa rung có khe và không có khe hở là khác nhau, các phương thức cho búa rung với khe hở dương hoặc âm bị bỏ qua cho ngắn gọn. Búa va - rung được sử dụng phổ biến để đóng loại cọc bê tông.
Chúng có khả năng tạo ra các lực đóng cần thiết để khắc phục trở kháng cao. Khi búa làm việc, cọc tiếp nhận lực rung cùng với lực va đập do vậy cọc thường hạ xuống nhanh hơn. Nhờ có lực va đập nên khối lượng búa có thể giảm đi. Búa va - rung làm việc rất tốt trên nền đất pha sét.
Số lần va đập từ 400 đến 500 nhát/phút. Do hiệu quả cao, mang lại lợi ích kinh tế lớn nên ngày nay máy búa rung được sử dụng rộng rãi ở nước ta và trên thế giới. Nhược điểm của máy búa rung là lực gây rung có thể làm ảnh hưởng lớn đến các công trình ở bên cạnh trong quá trình làm việc. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung trên thế giới và ở trong nước 1.