KHOAN CỌC NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY 2 MỤC LỤC 3 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu xây dựng các công trình dân dụng ngày càng cao. Tuy nhiên đối với công trình cao tâng thì việc gia cố nền móng lại rất quan trọng. Có rất nhiều phương pháp gia cố nền móng khác nhau áp dụng cho từng loại công trình và từng loại địa tầng, trong đó có cọc khoan nhồi mở rộng đáy mang lại nhiêu lợi ích to lớn về mặt kinh tế cũng như thời gian thi công so với các loại cọc khác áp dụng cho cùng loại công trình và cùng loại địa tầng. Loại cọc này trên thế giới được sử dụng rất phổ biến trong khi ở Việt Nam cọc khoan nhồi mở rộng đáy và thiết bị mở rộng đáy vẫn còn mới, chỉ mới áp dụng vào xây dựng chưa lâu và chưa sản xuất chế tạo được thiết bị vận hành cọc khoan nhồi mở rộng đáy. Với đầu đề :Thiết kế thiết bị phục vụ thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy lắp trên máy khoan gầu xoay” em đã tìm hiểu được các yêu cầu để lắp thiết bị trên các dạng máy khoan hiện nay ở Việt Nam; cấu tạo các thiết bị chính; phương pháp lắp các thiết bị đó trên máy cơ sở đã chọn; và tìm hiểu quy trình công nghệ chế tạo cụm chia dầu trung tâm. Trong quá trình làm Đồ án tốt nghiệp được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy trong khoa và đặc biệt là hướng dẫn chính thầy giáo PGS.TS.Trương Quốc Thành, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn và đầy đủ khối lượng mà bộ môn đã giao. Tuy nhiên, do thời gian, trình độ có hạn chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để kiến thức khoa học kỹ thuật của em ngày càng hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2012. Sinh viên. Dương Công Sáng. 4 CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT BỊ KHOAN CỌC NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY. 1.1. TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI. 1.1.1. Khái niệm về thi công cọc khoan nhồi. 1.1.1.1. Khái niệm cọc khoan nhồi. Cọc khoan nhồi là loại cọc tiết diện tròn, được thi công tại chỗ bằng cách khoan tạo lỗ trong đất sau đó lấp đầy bằng bê tông cốt thép.Việc tạo lỗ được thực hiện bằng phương pháp khoan, đóng ống hay các phương pháp đào khác. Cọc khoan nhồi có đường kính bằng và nhỏ hơn 600mm được gọi là cọc khoan nhồi đường kính nhỏ, cọc có đường kính lớn hơn 600mm được gọi là cọc khoan nhồi đường kính lớn. a. Ưu, nhược điểm của cọc khoan nhồi: • Ưu điểm: − Rút bớt được công đoạn đúc sẵn cọc; − Có khả năng thay đổi kích thước hình học và mở rộng chân cọc; − Có thể sử dụng trong mọi loại địa tầng khác nhau; − Có thể đặt chân cọc tại bất kỳ độ sâu nào; − Tận dụng hết khả năng chịu lực theo vật liệu; − Không gây tiếng ồn và chấn động mạnh; − Cho phép trực quan kiểm tra các lớp địa tầng bằng mẫu thí nghiệm đất lấy lên từ hố đào. • Nhược điểm: − Khó kiểm soát chất lượng; − Khó có thể kéo dài chân cọc lên phía trên; − Rất dễ xảy ra các khuyết tật; − Phụ thuộc nhiều vào thời tiết; − Hiện trường thi công lầy lội; 5 − Đối với đất cát thì khó mở rộng chân cọc; b. Phân loại Dựa theo phương thức truyền tải cọc xuống nền có thể phân loại cọc khoan nhồi thành các loại sau: − Cọc tựa; − Cọc ma sát; − Cọc kết hợp. • Cọc tựa: Là loại cọc mà đầu cọc được tựa lên phần đất cứng chịu lực. Tải trọng truyền từ đầu cọc xuống nền. Trong trường hợp này người ta không tính đến ma sát giữa thân cọc với đất. Cọc tựa được chia làm 2 loại: − Cọc tựa hình trụ còn gọi là cọc thẳng; − Cọc mở rộng đáy: loại cọc này ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi vì nó có những ưu điểm lớn về khả năng chịu lực và kinh tế. • Cọc ma sát: Là loại cọc mà được thiết kế chịu tải trọng nhờ ma sát giữa thân cọc với đất, không tính đến lực cản đầu cọc. • Cọc kết hợp: Là loại cọc vừa chịu tải đầu cọc, vừa chịu lực ma sát, cọc này có kết cấu giống như hai loại trên nhưng tải trọng công trình truyền qua cả đầu cọc và ma sát thành bên. á p lực đầu cọc á p lực đầu cọc a. Cọc tựa b. Cọc mở rộng đáy với góc mở 30 b1. Đáy mở rộng dạng chuông b2. Đáy mở rộng dạng vòm Tầng đất yếu Tầng đất yếu Tầng đất cứng Tầng đất cứng 6 Tầng đất yếu Đất trung bình Đá mếm/cứng Tầng đất yếu Đất trung bình Đá mềm/cứng Vách hố thô và ráp Vách hố thô và ráp Không có áp lực đầu cọc (giả thiết) Ma sát bên Ma sát bên á p lực đầu cọc c. Cọc ma sát d. Cọc kết hợp 7 1.1.1.2. Trình tự thi công cọc khoan nhồi. Trình tự thi công cọc khoan nhồi gồm 5 công đoạn chính: − Công tác chuẩn bị; − Khoan tạo lỗ trong nền; − Chế tạo và gia công lồng thép; − Đổ bê tông đúc cọc; − Hoàn thiện. 1.1.2. Các phương pháp thi công cọc khoan nhồi. Có nhiều cách phân loại phương pháp thi công cọc khoan nhồi, có thể phân loại theo những cách sau: 1.1.2.1. Theo nguyên lý thi công: − Phương pháp thi công dùng dung dịch giữ thành hố đào; − Phương pháp thi công dùng ống vách giữ toàn bộ thành hố đào. a Phương pháp thi công dùng dung dịch giữ thành hố đào. Phương pháp của công nghệ này là dùng thiết bị tạo lỗ lấy đất lên khỏi lỗ. Đồng thời bơm vào lỗ một loại dung dịch có khả năng tạo màng giữ thành vách hố đào và có trọng lượng riêng lớn hơn nước ngầm trong đất một chút để cân bằng áp lực khi lấy đất lên. Tiếp theo làm sạch cặn lắng (bùn lắng và đất đá rời) rơi dưới đáy lỗ, đảm bảo sự tiếp xúc trực tiếp của mũi cọc bê tông sau này vào vùng đất nền chịu lực tốt, tăng sức kháng mũi cọc. Sau đó tiến hành đổ bê tông hay bê tông cốt thép bằng phương pháp đổ bê tông dưới nước, nghĩa là đổ bê tông liên tục từ dưới đáy lỗ lên, không cho bê tông mới đổ tiếp xúc trực tiếp với dung dịch giữ thành hố (ống đổ bê tông luôn nằm trong lòng khối bê tông vừa đổ, để bê tông vừa đổ không trực tiếp tiếp xúc với dung dịch), bê tông đùn dần lên chiếm chỗ của dung dịch giữ thành, đẩy dung dịch này trào ra ngoài miệng lỗ. Sau cùng, khi bê tông cọc đã ninh kết, đóng rắn và đạt một cường độ nhất định, tiến hành đào hở phần đỉnh cọc và phá hủy phần đỉnh cọc này, thông thường là 8 phần bê tông chất lượng kém do lẫn với dung dịch giữ thành khi bắt đầu đổ bê tông được đẩy dần lên đỉnh cọc trong quá trình đổ bê tông. c. Phương pháp thi công dùng ống vách giữ toàn bộ thành hố đào. Phương pháp này chỉ khác phương pháp thi công dùng dung dịch ở chỗ: tạo lỗ đến đâu thì phải hạ đồng thời hệ thống ống vách (bằng bê tông hay bằng thép), bao quanh thành hố đào đến độ sâu đó. Sau khi khoan hay đào xong hố đào, thì toàn bộ độ sâu hố đào được bao bởi ống vách (hay casing) tạo thành lớp vỏ khuôn đúc bê tông vững chắc để đúc cọc nhồi. Trong hố khoan (đào) cọc nhồi, khi lấy đất lên, có thể là có nước ngầm chiếm chỗ, mà hoàn toàn không cần có bentonite. 1.1.2.2. Theo phương pháp tạo lỗ khoan. − Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan guồng xoắn hoặc hệ guồng xoắn (tạo cọc khoan nhồi, tường vây); − Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan thùng đào (tạo cọc khoan nhồi); − Tạo lỗ cọc bằng thiết bị đào gầu tròn; − Tạo lỗ bằng thiết bị đào gầu dẹt cơ cấu thủy lực (tạo cọc barrette, tường vây); − Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn; − Tạo lỗ bằng phương pháp xói nước bơm phản tuần hoàn. Ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng 3 phương pháp khoan cọc nhồi với các loại thiết bị và quy trình như sau: − Phương pháp khoan thổi rửa (còn gọi là phương pháp khoan phản tuần hoàn); − Phương pháp khoan dùng ống vách; − Phương pháp khoan gầu trong dung dịch bentonite. 1.1.3. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy. 1.1.3.1. Đặc điểm cọc khoan nhồi mở rộng đáy. 9 Cọc có hình trụ khoan bình thường nhưng khi gần đến đáy thì dùng gầu đặc biệt để mở rộng đáy hố khoan, cũng có thể sử dụng một lượng nhỏ thuốc nổ để mở rộng đáy. Người ta cũng có thể mở rộng nhiều đợt bằng khoan hoặc thuốc nổ trên suốt chiều dài thân cọc. Hiện nay cọc khoan nhồi mở rộng đáy có thể có đường kính tới 6m, xuống chiều sâu 80m với khả năng mở rộng đáy với đường kính tới 10m. Sức chịu tải của các cọc này có thể lên tới từ 3000 tấn đến 4000 tấn so với cọc thẳng và từ 1000 tấn đến 2000 tấn. 1.1.3.2. Ưu điểm và lĩnh vực sử dụng. a Ưu điểm. − Cùng điều kiện đất nền, cọc mở rộng đáy có sức chịu tải lớn hơn khoảng 2 lần so với cọc thẳng cùng đường kính. − So với cọc thẳng cùng tải trọng thì cọc mở rộng đáy giảm được khoảng 50% khối lượng bên tong cần đổ và khoảng 50% số lượng đất cần khoan đào vận chuyển. − Rút ngắn được thời gian thi công và giảm giá thành xây dựng. − Tăng khả năng chống nhổ của cọc. d. Phạm vi áp dụng cọc khoan nhồi mở rộng đáy. Trong thực tế người ta ít khi tạo đáy mở rộng đối với những cọc có đường kính bé hơn 760mm. Cọc khoan nhồi mở rộng đát thường áp dụng cho loại đất đồng nhất với sức chịu tải tính toán từ 100 đến 500 tấn, hoặc cho đất cứng với sức chịu tải tính toán từ 500 đến 400 tấn. Một cọc khoan nhồi trong đất đồng nhất có được năng lực chịu tải nhờ tổ hợp sức tăng thành phần sức chịu tải đáy cọc. Kỹ thuật mở rộng đáy cọc khoan nhồi trong quá trình tạo lỗ thường được áp dụng cho các loại đất có khả năng tự ổn định không cần chống giữ, tốt nhất là trong đất sét dẻo đến cứng. Nhìn chung không thể tạo được phần mở rộng đáy trong đất thoát nước dạng hạt 10 nằm dưới mực nước ngầm. Ngoài ra cũng nên tránh lựa chọn làm cọc mở rộng đáy trong đất kém ổn định hay ngập nước, luôn luôn có nguy cơ sập lở phần đáy mở rộng trong quá trình tạo lỗ cũng như đổ bê tông. Những điều kiện có thể không thích hợp với cọc mở rộng đáy: − Lớp địa chất quá mềm yếu; − Đất pha cát, lẫn sỏi rời rạc; − Cuội sỏi có đường kính Φ 10÷15 hoặc lớn hơn; − Lớp chịu tải nằm nghiêng 30 0 hoặc dốc hơn; − Chịu áp lực bên dưới mực nước ngầm; − Dưới dòng nước chảy ngầm (hơn 3m/ph); − Lớp mang tải quá cứng. 1.1.3.3. Các phương pháp mở rộng đáy cọc. a Nổ mìn mở rộng đáy. Sau khi khoan tới độ sâu thiết kế, tiến hành hạ ống chống vào trong đất, làm sạch đất trong ống, rồi đặt một khối lượng nhỏ thuốc nổ vào đáy lỗ. Cho khối thuốc nổ tạo phần mở rộng cho đáy cọc, làm sạch hố và tiến hành đổ bê tông. e. Khoan mở rộng đáy. Có 2 phương pháp khoan mở rộng đáy đang được ứng dụng chủ yếu hiện nay là phương pháp khoan tuần hoàn ngược và phương pháp khoan gầu. • Mở rộng đáy hố bằng phương pháp khoan tuần hoàn ngược. Đây là phương pháp khoan được sử dụng sớm nhất vào đến nay vẫn còn sử dụng rộng rãi trong việc khoan mở rộng đáy cọc. Công đoạn khoan mở rộng đáy hố khoan cọc nhồi được tiến hành khi đã khoan hoàn tất cọc nhồi theo đường kính quy định. − Hệ thống bơm hút: đất cắt ra được bơm lên cùng với nước thùng chứa, ở thùng chứa, đất sẽ được lắng xuống đáy, còn nước sẽ được bơm trở lại hố khoan. − Hệ thống bơm khí nén: được ứng dụng trong trường hợp hố khoan quá sâu, [...]... đầy thùng chứa, các cánh cắt của gàu đóng lại, gầu được nâng lên và xả đất Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy dùng phương pháp khoan gầu: Hình 1.2: Quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy dung phương pháp khoan gầu 13 1.2 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT BỊ KHOAN CỌC NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY 1.2.1 Cấu tạo chung và NLLV của máy khoan cọc nhồi có lắp gầu mở rộng đáy 1.2.1.1 1 2 3... 12700 (mm) Chi u cao gầu H1 (mm) Chi u cao tổng cánh gầu H2 (mm) Chi u cao của bộ ổn định H3 (mm) Chi u cao vai đáy cọc mở rộng H4 3880 3180 700 520 3880 3180 700 520 ∼2260 4860 3900 700 500 (mm) Góc mở tối đa θ ( ộ) Chi u cao đầu chống H5 (mm) Chi u cao cánh gầu H6 (mm) Trọng lượng gầu (kg) 11,7 220 3180 4870 11,7 220 3400 5080 11,7 260 3880 8400 24 1.2.3 Giới thiệu về các loại máy khoan cọc nhồi hiện... khoan cọc nhồi mở rộng đáy Hình 1.3: Cấu tạo máy khoan cọc nhồi mở rộng đáy Máy cơ sở; 7 Tang cuốn tuyo thủy lực; Cáp nâng hạ cần; 8 Bàn quay; Cần dàn; 9 Gầu mở rộng đáy; Cần Kelly; 10 Xy lanh nâng hạ giá đỡ đầu Đầu khoan; khoan; Cụm kết nối trung tâm; 11 Tang cuốn sensor; 12 Giá đỡ đầu khoan 14 Hình 1.4: Cụm kết nối trung tâm và tang cuốn tuyo a Gầu mở rộng đáy Cơ cấu điều chỉnh góc mở của cánh khoan. .. 3180 (mm) Chi u cao của bộ ổn định H3 620 620 620 620 620 620 (mm) Chi u cao vai đáy cọc mở rộng 520 520 520 520 520 520 23 H4 (mm) Góc mở tối đaθ ( ộ) Chi u cao đầu chống H5 (mm) Chi u cao cánh gầu H6 (mm) Trọng lượng gầu (kg) 11,7 150 2050 2600 Đường kính gầu D1 (mm) Đường kính đáy gầu mở rộng tối đa D2 (mm) Đường kính thân cọc khoan nhồi D3 11,7 170 2190 2500 BK15 1380 2600 11,7 190 2430 2980 BK15-2... trí thùng lắng đất, hệ thống bơm và 12 hệ thống tuần hoàn cho nước quay trở lại hố khoan; Giá thành cọc khoan nhồi bằng phương pháp khoan tuần hoàn ngược đắt hơn giá thành cọc khoan nhồi bằng phương pháp khoan gầu; Đất đào khó có thể tái sử dụng vào những nơi khác • Mở rộng đáy hố bằng phương pháp khoan gầu (Nội dung chính của đồ án) Đây là phương pháp mở rộng đáy hố bằng gầu khoan Trong phương pháp... phần 20 động( phần quay) ở cụm trung tâm, tại cụm trung tâm dầu được chia thành 2 nhánh vào 2 tuyo thủy lực (cuốn vào 2 tang cuốn) nhờ cơ cấu phân phối dầu Kết cấu gầu khoan mở rộng đáy: Hình 1.9: Kết cấu gầu khoan mở rộng đáy Nguyên lý hoạt động gầu khoan mở rộng đáy: 1.Cánh gầu, 2 Răng gầu, 3 Chốt liên kết thanh đẩy với cánh gầu, 4 Thanh đẩy mở cánh gầu, 5.Khung dẫn hướng, 6.Xy lanh đóng mở cánh gầu,... kính mở đáy( tức là điều chỉnh góc mở tối đa của cánh khoan) nhờ hạn chế hành trình Sensor hành trình đo hành trình của xilanh và gửi tín hiệu về hệ thống điều khiển, qua đó ta biết được góc mở α của cánh gầu − Khi co cần xilanh lại thì cánh gầu sẽ đóng lại 22 Thông số gầu mở rộng đáy hãng Nippon Sharyo: Hình 1.11: Kích thước cơ bản của gầu khoan mở rộng đáy BK1 BK10-2 BK11 BK1 BK12-2 BK13 Bảng1.1: Thông... Hm : Chi u cao từ mặt đất đến đầu khoan của máy Hyc : Chi u cao từ mặt đất đến đầu khoan để đảm bảo lắp được thiết bị mở rộng đáy H1 : Chi u cao từ mặt đất đến đáy gầu khoan đảm bảo gầu mở rộng đáy xả được đất bình thường H2 : Chi u cao của gầu mở rộng đáy H3 : Chi u cao từ chốt liên kết gầu với cần Kelly đến đầu khoan H2 : Phụ thuộc vào từng loại gầu H1 : Chi u cao xả phụ thuộc vào đường kính đáy của... đẩy, 10 Đáy gầu, 11 Bản lề trụ liên kết cánh gầu, 12 Chốt liên kết xy lanh với gầu, 13 Chốt mở đáy 21 1 Cánh gầu, 2 Thanh đẩy, 3 Bản lề cánh gầu, 4 Xy lanh mở cánh gầu, 5 Khung dẫn hướng, 6 Bàn đẩy Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động gầu khoan mở rộng đáy − Thông qua hệ thống điều khiển, khi dầu thủy lực đẩy cần xilanh thủy lực 4 duỗi ra, bệ đẩy 6 di chuyển xuống, kết quả là cánh khoan 1 mở ra nhờ... lanh thủy lực thông qua hệ thống điều khiển điện tử với sensor giám sát góc mở của cánh khoan Dạng này có kết cấu phức tạp do phải bố trí xi lanh thủy lực và snsor trong gầu khoan Tuy nhiên nó có những ưu điểm nổi bật sau: − Lực mở cánh khoan lớn nhờ xi lanh thủy lực; − Điều chỉnh góc mở của cánh khoan dễ dàng; − Giám sát và hiển thị liên tục góc mở cánh khoan; − Chất lượng lỗ khoan mở đáy ổn định ở . thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy. 1.1.3.1. Đặc điểm cọc khoan nhồi mở rộng đáy. 9 Cọc có hình trụ khoan bình thường nhưng khi gần đến đáy thì dùng gầu đặc biệt để mở rộng đáy hố khoan, cũng. dụng rộng rãi trong việc khoan mở rộng đáy cọc. Công đoạn khoan mở rộng đáy hố khoan cọc nhồi được tiến hành khi đã khoan hoàn tất cọc nhồi theo đường kính quy định. − Hệ thống bơm hút: đất cắt. khoan nhồi mở rộng đáy dung phương pháp khoan gầu. 13 1.2. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT BỊ KHOAN CỌC NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY. 1.2.1. Cấu tạo chung và NLLV của máy khoan cọc nhồi có lắp gầu mở rộng đáy. 1.2.1.1.