Thuyết minh ĐATN_Cọc khoan nhồi mở rộng đáy

1

Mục lục
Lời mở đầu
Chơng 1: Tổng quan về cọc khoan nhồi
1.1 Công nghệ khoan cọc nhồi
1.1.1 Các khái niệm về cọc nhồi
1.1.2 Công nghệ thi công cọc khoan nhồi
1.1.2.1 Cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách
1.1.2.2 Cọc khoan nhồi không dùng ống vách
1.1.3 Công nghệ thi công cọc nhồi mở rộng đáy
1.1.3.1 Đặc điểm của cọc khoan nhồi mở rộng đáy.
1.1.3.2 Lĩnh vực sử dụng, u nhợc điểm.
1.1.3.3 Công nghệ thi công cọc nhồi mở rộng đáy
1.1.4 Chế tạo dung dịch Bentonite (bùn khoan)
1.1.5 Chế tạo lồng cốt thép và thả vào hố khoan cho cọc khoan nhồi mở

4
6
6
6
9
9
9
10
10
12
13
17

rộng đáy

1.1.6 Đổ bê tông cọc khoan nhồi mở rộng đáy
1.1.7 Kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi mở rộng đáy
1.2 Các loại máy và thiết bị khoan cọc nhồi mở rộng đáy.

19
19
21
23

1.2.1 Thiết bị khoan cọc nhồi mở rộng đáy.
23
1.2.1.1 Các thiết bị khoan mở rộng đáy cọc bằng phơng pháp khoan
phản tuần hoàn
29
1.2.1.2 Các thiết bị khoan mở rộng đáy cọc bằng phơng pháp khoan
đất

29

1.2.2 Một số máy và thiết bị khoan cọc nhồi mở rộng đáy thờng sử dụng
ở Việt Nam hiện nay

36

1.3 Lựa chọn phơng án thiết kế - Giới thiệu máy thiết kế - Nội dung đồ
án tốt nghiệp.

41

1.3.1 Lựa chọn phơng án thiết kế.

41

1.3.2 Giới thiệu máy thiết kế

43

1.3.3 Nội dung đồ án tốt nghiệp

46

Chơng 2: Tính toán chung

46

2.1. Thông số cơ bản của máy thiết kế
2.1.1. Thông số hình học
2.1.2 Thông số trọng lợng

46
46
47


2

2.1.3 Thông số động học
2.2.Tính toán các lực tác dụng lên các cơ cấu
2.2.1 Tính toán thiết kế thiết bị khoan cọc nhồi mở rộng đáy.
2.2.1.1 Mô hình tính toán

2.2.1.2 Lập phơng trình chuyển động của một điểm bất kỳ trên lỡi cắt

47
48
48
48

2.2.1.3 Tính lực cản cắt đất
2.2.2 Tính lực nâng cần Kelly và gầu khoan.

49
51
55

2.2.3 Tính lực tác dụng lên xilanh nâng đầu khoan.

56

2.2.4 Tính lực tác dụng lên xilanh điều chỉnh cần Kelly.

57

2.2.5 Tính lực nâng cần chính Sc.

58

2.2.6 Tính momen cản sinh ra khi quay bàn quay.

59

2.2.7 Tính toán cơ cấu di chuyển.

61

2.3 Tính công suất các cơ cấu

62

2.3.1 Công suất thiết bị mở rộng đáy cọc khoan nhồi
2.3.2 Công suất nâng cần Kelly
2.3.3 Công suất cơ cấu nâng đầu khoan
2.3.4 Công suất cơ cấu điều chỉnh cần Kelly
2.3.5 Công suất cơ cấu nâng cần chính

62
64
65
65
65

2.3.6 Công suất cơ cấu quay của máy

66

Chơng 3: Tính toán thiết kế gầu khoan mở rộng đáy
3.1 Sơ đồ cấu tạo gầu khoan mở rộng đáy.
3.2 Tính toán thiết kế thanh đẩy
3.2.1
3.2.2
3.2.3

3.2.4
3.2.6
3.2.7

Phân tích lực tác dụng lên thanh đẩy và xylanh mở cánh khoan
Tính toán thiết kế xylanh mở cánh khoan
Tính toán chốt liên kết thanh đẩy và cánh khoan
Tính toán chốt liên kết thanh đẩy và giá đỡ
Tính toán chốt liên kết cần xylanh và giá đỡ
Tính toán chốt liên kết cần Kelly và gầu khoan

68
70
70
74
75
77
78
80

Chơng 4: Tính toán hệ thống thủy lực cho máy thiết
kế

83
83


3

4.1. Giới thiệu chung về thiết bị thủy lực

84

4.2. Sơ đồ hệ thống thủy lực chung của máy thiết kế

86

4.3. Thiết kế mạch thủy lực đóng mở gầu

90

4.4. Thiết kế mạch thủy lực dẫn động đầu khoan
Chơng 5: Một số quy định khi lắp dựng và sử dụng
93

máy

93

5.1 Lắp dựng máy.
5.2 Một số quy định khi sử dụng máy
Kết luận chung

93
95
96

Tài liệu tham khảo

Lời mở đầu

Xây dựng và phát triển các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp
cơ sở hạ tầng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế xã hội, nhất
là đối với các nớc đang phát triển nh nớc ta hiện nay. Với việc ứng dụng các
công nghệ mới tiên tiến thì việc sử dụng các máy và thiết bị là điều tất yếu.
Thực tế xây dựng ở các nớc tiên tiến cũng nh ở nớc ta đã chi ra rằng việc xây
dựng các nhà cao tầng không thể thiếu đợc các cần trục có chiều cao nâng,
tầm với, tải trọng nâng lớn, các máy bơm bê tông hiện đại cũng nh nhiều thiết
bị khác...
Đối với một sinh viên máy xây dựng, để học và hiểu biết tất cả các loại
máy móc thiết bị phục vụ cho quá trình xây dựng là rất khó và đòi hỏi thời
gian lớn. Do đó, trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mỗi sinh viên chỉ có thể
đi sâu vể một loại máy nhất định. Riêng bản thân em, do điều kiện thực tế và
ham muốn tìm hiểu sâu về phần thi công nền móng nên em đã chọn đề tài:


4

Thiết kế thiết bị thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy là bớc đầu cho quá
trình học tập, nghiên cứu sau này.
Đối với những công trình cao tầng thì việc gia cố nền móng rất quan
trọng, trong đó cọc khoan nhồi mở rộng đáy mang lại nhiều lợi ích to lớn về
mặt kinh tế cũng nh thời gian thi công so với cọc khoan nhồi không mở rộng
đáy, loại cọc này trên thế giới đợc sử dụng rất phổ biến, trong khi đó ở Việt
Nam cọc khoan nhồi mở rộng đáy và thiết bị mở rộng đáy cọc khoan nhồi vẫn
còn mới và cha sản xuất chế tạo đợc thiết bị này. Vì lợ ích của loại cọc khoan
nhồi mở rộng đáy này mang lại nên việc nghiên cứu và tìm hiểu về thiết bị
khoan cọc nhồi mở rộng đáy là rất cấp thiết để có thể khai thác hết khả năng
của thiết bị, làm chủ công nghệ và tiên tới chế tạo thành công thiết bị này.

Trong quá trình làm Đồ án tốt nghiệp đợc sự hớng dẫn và giúp đỡ tận

tình của thầy giáo PGS.TS.Trơng Quốc Thành , em đã hoàn thành đồ án đúng
thời hạn và đầy đủ khối lợng mà bộ môn đã giao. Em vô cùng cảm ơn sự giúp
đỡ của thầy, thầy đã bổ xung cho em một khối lợng kiến thức lớn giúp em
hiểu hơn về ngành nghề và sẽ đi sâu vào nó trong quá trình làm việc sau này.
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 15 tháng 12 năm 2011
Sinh viên

Trần Thanh Hải


5

Chơng 1: Tổng quan về cọc khoan nhồi
1.1 Công nghệ khoan cọc nhồi
1.1.1 Các khái niệm về cọc nhồi
Cọc nhồi là loại cọc đợc chế tạo tại chỗ bằng cách khoan những hố khoan
trong nền đất, sau đó trực tiếp rót vật liệu (bê tông, bê tông cốt thép hoặc cát)
vào các hố đó để tạo thành cọc. Loại cọc này khắc phục đợc nhiều nhợc điểm
các phơng pháp hạ cọc cứng vào nền đất nh chiều sâu, tiết diện cọc giới hạn,
yếu tố môi trờng...Vì vậy, khi yêu cầu đờng kính cọc, chiều sâu cọc lớn thì tốt
nhất sử dụng cọc khoan nhồi.
Kích thớc cọc khoan nhồi hiện nay cho phép từ 1,00m đến 3,00m qua
mọi địa tầng với chiều sâu từ 10m đế 120m. Công nghệ thì công cọc khoan
nhồi đờng kính lớn đã giải quyết đợc các vấn đề kỹ thuật móng sâu trong điều
kiện địa chất phức tạp.
Từ những thập kỷ 60 đến thập kỷ 80 của thế kỷ 20, các phơng pháp thiết

kế và công nghệ thi công đợc phát triển mạnh và cọc khoan nhồi đợc xem nh
là hệ thống hệ móng tin cậy nhất cho các công trình giao thông tại Mỹ, Anh


6

và một số nớc khác. Cọc khoan nhồi ngày càng phát triển và đợc sử dụng rộng
rãi ở hầu hết các nớc trên thế giới và là phơng pháp thi công móng cho hầu hết
các công trình chịu tải trọng lớn nh nhà cao tầng, móng trụ cầu...Trong quá
trình sử dụng, nhiều công nghệ thi công thích hợp đã đợc áp dụng nhằm nâng
cao sức mang tải của cọc khoan nhồi làm giảm đáng kể giá thành của móng.
Thế nhng việc thi công cọc khoan nhồi mới đợc áp dụng đại trà vào Việt Nam,
chủ yếu do các công ty liên doanh hoặc nớc ngoài đầu t, nhng lịch sử phát
triển cọc nhồi đã đợc ghi nhận khá sớm.
Trong khoảng hơn chục năm trở lại đây, cùng với sự xuất hiện của rất
nhiều công trình giao thông, thuỷ lợi, đặc biệt là nhà cao tầng và công nghiệp
cũng đòi hỏi chất lợng công trình khắt khe hơn thì việc lựa chọn đợc giải pháp
móng hợp lý rất đợc quan tâm. Giải pháp cọc nhồi thuộc loại móng công trình
khuất, có nhiều u điểm nh thi công ít ồn, ít rung động và thiết kế chọn kích thớc cọc linh hoạt phù hợp với tải trọng công trình và địa tầng xây dựng thay đổi
nên có thể thay thế móng bè, móng hộp, móng khối, móng trụ và cả móng cọc
đúc sẵn không đủ năng lợng đóng cọc tới tầng đất ở sâu. Vì vậy, móng cọc
khoan nhồi ngày càng đợc a chuộng và phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam.
Theo phơng thức truyền tải xuống nền ngời ta phân ra 3 loại cọc nhồi nh
sau (Hình 1.1):
a) Cọc tựa
Là loại cọc mà đầu cọc đợc tựa lên tầng đất cứng chịu lực. Tải trọng
truyền từ đầu cọc xuống nền. Trong trờng hợp này ngời ta không tính đến ma
sát giữa thân cọc với đất. Cọc tựa đợc 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 đợc ứng dụng

rộng rãi vì nó có những u điểm lớn về khả năng chịu lực và kinh tế.
b) Cọc ma sát


7

Là loại cọc mà đợc thiết kế chịu tải trọng nhờ ma sát giữa thân cọc với đất,
không tính đến lực cản đầu cọc.
c) Cọc kết hợp
Là loại cọc vừa chịu tải đầu cọc, vừa chịu lực ma sát, cọc này có kết cấu
giống nh hai loại trên nhng tải trọng công trình truyền qua cả đầu cọc và ma
sát thành bên.

Tầng đất
yếu

Tầng đất
yếu

Tầng đất
cứng
Tầng đất
cứng

áp lực
đầu cọc
a. Cọc tựa

áp lực
đầu cọc

b. Cọc mở rộng đáy với góc mở 30

b1. Đáy mở rộng
dạng chuông

b2. Đáy mở rộng
dạng vòm


8

Tầng đất yếu

Tầng đất yếu

Đất trung bình

Đất trung bình

Đá mềm/cứng

Đá mếm/cứng
Vách hố
thô và ráp
Không có áp lực
đầu cọc (giả thiết)

Ma sát bên

Vách hố

thô và ráp
Ma sát bên
áp lực đầu cọc

c. Cọc ma sát

d. Cọc kết hợp

Hình 1.1 Các loại cọc khoan nhồi
1.1.2 Công nghệ thi công cọc khoan nhồi
Trên thế giới có rất nhiều công nghệ và thiết bị thi công khoan nhồi nhng
có hai nguyên lí đợc sử dụng trong tất cả các phơng pháp thi công là:
- Cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách.
- Cọc khoan nhồi không dùng ống vách.
1.1.2.1 Cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách:
Loại này thờng đợc sử dụng khi thi công những cọc nằm kề sát với công
trình có sẵn hoặc do những điều kiện địa chất đặc biệt. Cọc khoan nhồi có
dùng ống vách thép rất thuận lợi cho thi công vì không phải lo việc sập thành
hố khoan, công trình ít bị bẩn vì không phải sử dụng dung dịch Bentonite, chất
lợng cọc rất cao.
Nhợc điểm của phơng pháp này là máy thi công lớn, cồng kềnh, khi máy
làm việc thì gây rung, tiếng ồn lớn và rất khó thi công đối với những cọc có độ
dài trên 30m.
1.1.2.2 Cọc khoan nhồi không dùng ống vách:


9

Đây là công nghệ khoan rất phổ biến. Ưu điểm của phơng pháp này là thi
công nhanh, đảm bảo vệ sinh môi trờng vì ít ảnh hởng đến các công trình

xung quanh.
Phơng pháp này thích hợp với loại đất sét mềm, nửa cứng nửa mềm, đất cát
mịn, cát thô hoặc lẫn sỏi có cỡ hạt từ 20-100mm.
Có 2 phơng pháp dùng cọc khoan nhồi không sử dụng ống vách:
a) Phơng pháp thổi rửa (phản tuần hoàn):
Máy đào sử dụng guồng xoắn để phá đất, dung dịch Bentonite đợc bơm
xuống hố để giữ vách hố đào. Mùn khoang và dung dịch đợc máy bơm và máy
nén khí đẩy từ hố khoan lên đa vào bể lắng để lọc tách dung dịch Bentonite tái
sử dụng.
Công việc đặt cốt thép và đổ bê tông tiến hành bình thờng.
- Ưu điểm: Phơng pháp này có giá thiết bị rẻ, thi công đơn giản, giá
thành hạ.
- Nhợc điểm: Tốc độ khoan chậm, chất lợng và độ tin cậy cha cao.
b) Phơng pháp khoan gầu:
Theo công nghệ khoan này, gầu khoan thờng có dạng thùng xoay cắt đất
và đợc đa ra ngoài. Cần gầu khoan có dạng Ăng-ten, thờng là 3 đoạn truyền đợc chuyển động xoay từ máy đào xuống gầu nhờ hệ thống rãnh.
Vách hố khoan đợc giữ ổn định nhờ dung dịch Bentonite. Quá trình tạo lỗ
đợc thực hiện trong dung dịch Bentonite. Trong quá trình khoan có thể thay
thế các gầu khác nhau để phù hợp với nền đất đào và để khắc phục các dị tật
trong lòng đất.
- Ưu điểm: Thi công nhanh, việc kiểm tra chất lợng dễ dàng thuận tiện,
đảm bảo vệ sinh môi trờng và ít làm ảnh hởng đến các công trình lân cận.
- Nhợc điểm: Phải sử dụng các thiết bị chuyên dụng giá đắt, giá thành
cọc cao.


10

Phơng pháp này đòi hỏi quy trình công nghệ rất chặt chẽ, cán bộ kỹ thuật
và công nhân phải thành thạo, có ý thức tổ chức kỷ luật cao.

Do phơng pháp này khoan nhanh hơn và chất lợng đảm bào hơn các phơng
pháp khác, nên hiện nay các công trình lớn ở Việt Nam chủ yếu sử dụng phơng pháp này bằng các thiết bị của Đức (Bauer), Italia (Soil-Mec)và của Nhật
Bản (Hitachi).
1.1.3 Công nghệ thi công cọc nhồi mở rộng đáy.
1.1.3.1 Đặc điểm của cọc khoan nhồi mở rộng đáy.
Cọc khoan nhồi mở rộng đáy là cọc khoan nhồi có đờng kính đáy cọc đợc
mở rộng hơn đờng kính thân cọc. Sức mang tải của cọc này sẽ tăng lên do tăng
sức mang tải dới mũi cọc.
Việc mở rộng đáy cọc nhồi đợc áp dụng từ cuối thế kỷ XIX ở các nớc trên
thế giới, và phát triển mạnh ở đầu thế kỷ 90 của thế kỷ XX. Năm 2002, đã có
thiết bị khoan có thể đợc khoan với đờng kính tới 6m, xuống chiều sâu 80m
với khả năng mở rộng đáy với đờng kính tới 10m. Sức chịu tải của các cọc này
có thể lên tới từ 1000 tấn đến 2000 tấn đối với cọc thẳng và từ 3000 tấn đến
4000 tấn đối với cọc mở rộng đáy.
ở Việt Nam, hiện nay ngày càng nhiều các công trình xây dựng qui mô
lớn, đòi hỏi nên móng có khả năng chịu tải lớn, theo công nghệ truyền thống
thì chúng phải tăng số lợng cọc hoặc tăng đờng kính cọc, điều này làm giá
thành thi công công trình cao, giải pháp hợp lí là mở rộng đáy cọc khoan nhồi
để nâng cao khả năng chịu tải của cọc.
Cùng với sự phát triển của KHCN và với xu thế hội nhập thì nhiều công ty,
đơn vị thi công nền móng trong nớc đã trang bị cho mình những máy móc
thiết bị hiện đại. Hiện nay, mũi khoan chuyên dùng mở rộng cọc đáy khoan
nhồi đã đợc một vài đơn vị nhập về và đa vào công nghệ khoan cọc nhồi mở
rộng đáy ứng dụng ở trong nớc. Có thể kể đến nh Công ty TNHH TONECO,
Công ty Cổ phần xây dựng nền móng JIKON.


11

Công trình đã ứng dụng công nghệ cọc khoan nhồi mở rộng đáy điển hình

nh công trình Đài truyền hình Việt Nam năm 2006 với 300 cọc khoan nhồi
mở rộng đáy, Công trình nâng cấp Bệnh viện Bạch Mai...

1.1.3.2 Lĩnh vực sử dụng, u nhợc điểm.
a) Ưu điểm nổi bật của cọc khoan nhồi mở rộng đáy:
- Cùng điều kiện đất nền, cọc mở

- So với cọc thẳng cùng tải trọng

rộng đáy có sức chịu tải lớn hơn

thì cọc mở rộng đáy giảm đợc

khoảng 2 lần so với cọc thẳng

khoảng 50% khối lợng bê tông cần

cùng đờng kính.

đổ và khoảng 50% số lợng đất cần
khoan đào vận chuyển.


12

Hình 1.2 So sánh giữa cọc trụ và cọc mở rộng đáy
- Rút ngắn đợc thời gian thi công và giảm giá thành xây dựng.
- Tăng khả năng chống nhổ của cọc.
Có trờng hợp những lớp đất cứng nằm ở độ sâu nào phía trên mũi cọc, ngời

ta thực hiện việc mở rộng thân cọc trên lớp đất ấy, nhiều trờng hợp mở

rộng 2-3 đốt trên thân cọc, với khoảng cách tối u giữa hai đốt từ 1,25ữ1,5 đờng kính đáy cọc mở rộng.
b) Phạm vi áp dụng của công nghệ cọc khoan nhồi mở rộng đáy:
Trong thực tế ngời ta ít khi tạo đáy mở rộng đối với những cọc có đờng
kính bé hơn 760mm. Cọc khoan nhồi mở rộng đáy thờng 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 4000 tấn. Một cọc khoan nhồi trong đất đồng
nhất có đợc năng lực chịu tải nhờ tổ hợp sức tăng thành phần sức chịu tải đáy
cọc.
Kỹ thuật mở rộng đáy cọ khoan nhồi trong quá trình tạo lỗ thờng đợc 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.


13

Việc tạo ra các đáy cọc mở rộng trong các loại đất không dính có chứa nớc
sẽ đòi hỏi phải sử dụng các loại máy khoan xoay chạy bằng thuỷ lực hoạt
động dới dung dịch sét Bentonite.
Nhìn chung không thể tạo đợc phần mở rộng đáy trong đất thoát nớc dạng
hạt (granular soils) nằm dới mực nớc ngầm. Ngoài ra cũng nên tránh lựa chọn
làm cọc mở rộng đáy trong đất kém ổn định hay ngập nớc, luôn luôn có nguy
cơ sập lở phần đáy mở rộng trong quá trình tạo lỗ cũng nh khi đổ bê tông cọc.
Những điều kiện có thể không thích hợp với cọc rộng đáy:
+ Lớp địa chất quá mềm yếu;
+ Đất pha cát, lẫn sỏi rời rạc;
+ Cuội sỏi có đờng kính 10ữ15mm hoặc lớn hơn;
+ Lớp chịu tải nằm nghiêng 300 hoặc dốc hơn;
+ Chịu áp lực bên dới mực nớc ngầm;

+ Dới dòng nớc chảy ngầm (hơn 3m/phút);
+ Lớp mang tải quá cứng.
1.1.3.3 Công nghệ thi công cọc nhồi mở rộng đáy
Các phơng pháp thi công mở rộng đáy cọc đợc ứng dụng trên thế giới có
thể liệt kê nh sau:

a) Đào thủ công:
Phơng pháp này đợc ứng dụng trong việc đào những hố đào khô và mực nớc ngầm ở phía dới đáy hố. ở phơng pháp đào thủ công này hố đào đợc bảo
vệ bởi các tấm chắn bằng gỗ hoặc bằng thép, đợc sử dụng cho cọc tơng đối
ngắn.
b) Nổ mìn mở rộng đáy.
c) Khoan mở rộng đáy:


14

Có hai phơng pháp khoan mở rộng đáy đang đợc ứng dụng là phơng pháp
khoan phản tuần hoàn và phơng pháp khoan đất. Đây là hai phơng pháp thi
công mở rộng đáy chủ yếu hiện nay.
* Mở rộng đáy hố bằng phơng pháp khoan phản tuần hoàn
Đây là phơng pháp khoan đợc sử dụng sớm nhất và 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 đợc tiến hành khi đã
khoan hoàn tất cọc nhồi theo đờng kính quy định.
Hệ thống bơm hút: đất cắt ra đợc bơm lên cùng với nớc thùng chứa. ở
thùng chứa, đất sẽ đợc lắng xuống đáy, còn nớc sẽ đợc bơm trở lại hố khoan.
Hệ thống bơm khí nén: đợc ứng dụng trong trờng hợp hố khoan quá sâu,
nếu sử dụng bơm hút sẽ gặp khó khăn khi vận chuyển đất lên, ngời ta dùng hệ
thống khí nén. Khí nén đợc cung cấp qua ống dẫn khí chạy song song với ống
hút. Khí nén đợc bơm vào ống hút qua vòi bơm đặt phía đáy ống khoan. Nh

vậy trọng lợng riêng của hỗn hợp khí và nớc trong ống giảm và nhỏ hơn trọng
lợng riêng của nớc bên ngoài ống khoan. Nói cách khác là ta đã tạo ra sự
chênh lệch áp suất giữa trong và ngoài ống hút. Và nh vậy, hỗn hợp đất và nớc
ở trong ống bị đẩy lên. Hỗn hợp này đợc đa vào bể chứa, ở đây đất sẽ lắng lại
trong thùng chứa còn nớc sẽ đợc bơm trở lại hố khoan.
Hiện nay đã có rất nhiều loại thiết bị khoan đợc trang bị bơm chìm đặt ở dới
đáy cùng với việc ứng dụng các lỡi cắt cải tiến, đất cắt ra đợc đẩy lên trên
thùng chứa.
Thi công mở rộng đáy cọc nhồi bằng phơng pháp khoan phản tuần hoàn đã
đợc ứng dụng rất sớm và rất phổ biếnvì nó có những u điểm nổi bật nh sau:
- Hiệu suất khoan cao, đất đợc đẩy lên cùng với nớc nên hiệu suất khoan
cao và giảm đợc thời gian thi công.
- Không gây ồn và rung động ảnh hởng đến môi trờng xung quanh.
- Không cần ống chống do sử dụng ống định hớng và bùn khoan.


15

- Có thể khoan những hố khoan có đờng kính lớn, qua tầng đất cứng khi sử
dụng những lỡi khoan đặc biệt.
- Có thể khoan móng cạnh các công trình khác, do áp suất thuỷ tĩnh không
đổi lên thành hố khoan nên không ảnh hởng đến mực nớc ngầm và giữ ổn định
cho vùng đất ngay bên cạnh.
- Có thể áp dụng cho nhiều loại đất, nhiều loại công trình lớn nhỏ khác
nhau vì thiết bị khoan đợc dễ dàng tháo lắp vào máy cơ sở.
Những hạn chế của phơng pháp này là:
- Đòi hỏi công trờng có diện tích lớn, cần phải bố trí thùng lắng đất, hệ
thống bơm và hệ thống tuần hoàn cho nớc quay trở lại hố khoan.
- Giá thành cọc khoan nhồi bằng phơng pháp khoan phản tuần hoàn đắt
hơn giá thành cọc khoan nhồi bằng phơng pháp khoan đất, điều này sẽ trình

bày ở phần tiếp theo.
- Đất đào khó có thể tái sử dụng vào những nơi khác.
* Mở rộng đáy hố bằng phơng pháp khoan đất:
Đây là phơng pháp mở rộng đáy hố bằng gàu khoan (drill bucket). Trong
phơng pháp này, quá trình cắt đất mở rộng đáy cũng tơng tự nh trong phơng
pháp khoan phản tuần hoàn, nhng ở đây, đất cắt ra rơi vào bên trong gầu và bộ
phận này đợc gọi là thùng chứa. Sau khi đầy thùng chứa, các cánh cắt của gàu
đóng lại, gàu đợc nâng lên.
Sau khi lên khỏi hố khoan, máy cơ sở (cần trục chuyên dùng) quay gàu
đến vị trí đổ đất, mở đáy gàu và đổ đất thành đống hoặc vào phơng tiện vận
chuyển. Sau đó lại đa gàu quay về vị trí hố đào, hạ gàu xuống đáy hố, mở
cánh cắt và tiếo tục chu kỳ làm việc mới.
Các bớc tiến hành thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy nh sau:


16

Hình 1.3. Các bớc thi cộng cọc khoan nhồi mở rộng đáy
1.Định tâm

8.Đo lại độ sâu hố khoan

2.Bắt đầu khoan

9.Đặt lồng thép gia cờng vào hố

3.Đặt ống xiên-chống nghiêng

khoan

4.Bơm bentonite vào hố khoan

10.Lắp ống đổ bê tông

5.Khoan đến độ sâu thiết kế

11.Thổi sách bùn trong hố khoan

6.Đa gầu khoan đặc biệt dạng quả

12,13.Đổ bê tông

chuông vào hố

14.Hoàn tất

7.Khoét rộng đáy hố khoan
1.1.4 Chế tạo dung dịch Bentonite (bùn khoan)
Dung dịch bentonite dùng để giữ cho thành hố khoan của cọc khoan
nhồi mở rộng không bị sạt lở.
a. Tính chất của dung dịch Bentonite mới (trớc khi dùng):
Bentonite bột đợc chế tạo sẵn trong các nhà máy, thờng đợc đóng thành
từng bao 50 kg. Hiện nay nớc ta vẫn phải nhập Bentonite từ nớc ngoài chủ yếu


17

là từ Đức do công ty ERBSLOH chế tạo. Tùy theo yêu cầu của kỹ thuật khoan,
tính chất địa tầng mà hòa tan từ 20 đến 50 kg bột Bentonite vào 1m3 nớc.
Dung dịch mới trớc lúc sử dụng có các đặc tính sau đây:

- Dung dịch có dung trọng trong khoảng từ 1,01 đến 1,05 (trừ trờng hợp
loại bùn sét đặc biệt có thể đến 1,15).
- Độ nhớt Marsh > 35 giây
- Độ tách nớc dới 30cm3
- Hàm lợng cát = 0
Đờng kính hạt dới 3mm
* Ghi chú:
- Dung trọng thờng đợc đo bằng cân dung trọng (cân Bariod)
- Độ nhớt Marsh đợc đo trong các phễu tiêu chuẩn có vòi lỗ chảy đờng
kính 4,75mm để 1 lít dung dịch Bentonite chảy qua. Thời gian chảy hết 1 lít
dung dịch phải lớn hơn 35 giây.
- Độ tách nớc đợc đo bởi dụng cụ lọc ép bariod dới áp lực 0,7 Mpa
trong 30 phút.
- Hàm lợng cát đợc đo bởi dụng cụ êlutriomêtre
- Đờng kính hạt đợc đo bằng dây tiêu chuẩn có đờng kính lỗ dây thích
hợp.

b. Sử dụng và xử lý dung dịch Bentonite (bùn khoan)
Quá trình thực hiện nh sau:
* Chế tạo dung dịch mới:
- Các bao Bentonite bột đợc chứa trong kho (bao) hoặc trong xylo (bột).
- Chế tạo dung dịch có thể dùng phễu trộn đơn giản hoặc dùng máy
trộn.


18

- Thờng trộn 20 đến 50 kg bột Bentonite với 1m 3 nớc (theo thiết kế),
ngoài ra tùy theo yêu cầu cụ thể mà phải cho thêm 1 số chật phụ gia mục đích
là làm cho dung dịch nặng thêm, khắc phục khả năng vón cục, tăng thêm độ

sệt hoặc giảm độ sệt bằng cách chuyển nó thành thể lỏng, chống lại sự nhiểm
bẩn của nó bới xi măng hoặc thạch cao, giảm độ PH của nó hoặc tăng thêm,
giảm tính tách nớc của nó...
- Sau đó đổ dung dịch khoan mới vào bể chứa bằng thép, bể chứa xây
gạch, bể chứa bằng cao su có khung thép hoặc bằng xylo tùy từng điều kiện cụ
thể mà lựa chọn.
c. Sử dụng dung dịch Bentonite một cách tuần hoàn:
Trong khi khoan hố phải luôn đổ đầy dung dịch trong lỗ khoan. Phải đổ
dung dịch mới, gầu khoan sâu đến đâu thì phải bổ sung ngay dung dịch cho
đầy hố. Trong khi đào nh vậy dung dịch Bentonite sẽ bị nhiểm bẩn (do đất cát)
làm giảm khả năng giữ ổn định thành hố nên phải thay thế. Để làm việc đó
phải hút bùn khoan từ hố khoan lên để đa về trạm xử lý. Có thể dùng loại bơm
chìm đặt ở dới đáy hố khoan hoặc dùng loại bơm hút có màng lọc đặt trên mặt
đất.
Dung dịch bùn khoan đợc đa về trạm xử lý, các tạp chất bị khử đi còn
lại dung dịch khoan nh mới đợc tái sử dụng.
Dung dịch sau khi xử lý phải đảm bảo các đặc tính sau đây:
- Dung trọng dới 1,2 (trừ loại dung dịch nặng đặc biệt)
- Độ nhớt nằm trong khoảng 35 đến 40 giây
- Hàm lợng cát < 5%
1.1.5 Chế tạo lồng cốt thép và thả vào hố khoan cho cọc khoan nhồi mở
rộng đáy:
Chế tạo lồng cốt thép theo đúng thiết kế.
Sai số cho phép về kich thớc hình học của lồng cốt thép nh sau:
- Cự ly giữa các cốt thép dọc:

1mm


19

2mm

- Cự ly giữa các cốt thép đai:
- Kích thớc dờng kính tiết diện:

5mm

- Độ dài tổng hợp của lồng thép:

50mm

Chiều dài của mỗi đoạn lồng cốt thép, tùy theo khả năng của cẩu mà dài
từ 6 đến 12m. Ngoài việc phải tổ hợp lồng thép nh thiết kế, tùy tình hình thực
tế nếu cần còn phải tăng cờng các thép đai chéo (có đờng kính lớn hơn cốt đai)
để gông lồng cốt thép lại cho chắc chắn không bị xộc lệch khi vận chuyển.
Khi thả từng đoạn lồng cốt thép vào hố đào phải căn chỉnh cho chính
xác, phải thẳng đứng và không đợc va chạm với thành hố khoan.
Nối các đoạn lồng thép với nhau khi thả xong từng đoạn có thể dùng
phơng pháp buộc (nếu cọc chỉ chịu nén) hoặc phơng pháp hàn điện (nếu cọc
chịu cả lực nén, uốn, và lực nhổ).
Chú ý:
- Trong trờng hợp đỉnh của lồng thép nằm dới mặt đất hoặc dới mực của
dung dịch Bentonite thỉ phải có hiệu để nhận biết vị trí của lồng thép.
- Khi thả xong từng đoạn lồng thép xuống hố khoan thì phải có các
thanh thép hình đủ khỏe để ngáng giữ vào miệng hố để nó khỏi rơi xuống hố.
1.1.6 Đổ bê tông cọc khoan nhồi mở rộng đáy:
Sau khi vét sạch đáy hố (trong dung dịch Bentonite), thổi sạch hố khoan
đào bằng phơng pháp phản tuần hoàn (thổi khí xuống, đẩy bùn đất lên, cấp bù
bentonite mới), trong khoảng thời gian không quá 3 giờ phải tiến hành đổ bê

tông. Phơng pháp đổ bê tông thờng dùng là phơng pháp vữa dâng hay còn gọi
là đổ bê tông trong nớc.
Đổ bê tông bằng phễu hoặc máng nghiêng nối với ống dẫn, ống dẫn làm
bằng kim loại, có đờng kính trong lớn hơn 4 lần đờng kính của cốt liệu và thờng 120 mm. ống dẫn đợc tổ hợp từ các ống dẫn có chiều dài từ 2 đến 3m,
đợc nối với nhau rất kín khít bằng ren nhng đồng thời tháo lắp dễ dàng.


20

Trớc khi đổ bê tông vào phễu hoặc ván nghiêng phải nút tạm (bằng vữa
xi măng cát ớt) ở đầu ống dẫn. Khi bê tông đã đầy ắp phễu, trọng lợng của bê
tông sẽ đẩy nút vữa xuống để dòng bê tông chảy liên tục xuống hố, làm nh
vậy để tránh cho bê tông bị phân tầng.
ống đổ bê tông có chiều dài đúng bằng chiều cao của cọc, trớc lúc đổ
bê tông nó chạm đáy, sau đó đợc nâng lên 15cm để dòng bê tông (sau khi bỏ
nút tạm) chảy liên tục xuống đáy hố và dâng dần lên trên.
Khi đổ bê tông từ đáy hố dâng lên dần dần, thì cũng rút ống dẫn bê tông
dần dần lên, nhng luôn phải đảm bảo cho đầu ống dẫn ngập trong bê tông tơi
một đoạn từ 2 đến 3m. Làm nh vậy để bê tông không bị phân tầng và sau khi
ninh kết thì bê tông không có khuyết tật.
Tốc độ đổ bê tông không đợc chậm quá mà cũng không đợc nhanh quá,
tốc độ hợp lý là khoảng 0,6m 3/phút. Phải tính đợc khối lợng bê tông cần thiết
đổ cho xong mỗi cọc, nh vậy có thể chủ động trong việc chuẩn bị số xe bê
tông cần thiết một cách hợp lý, đầy đủ và kịp thời. Khối lợng bê tông thực tế
phải nhiều hơn tính toán (theo kích thớc hình học của hố khoan cho cọc)
khoảng từ 5% đến 20%.
Chú ý:
- Khi đổ bê tông đến gần đỉnh cọc thì đầu ống dẫn bê tông chỉ cần ngập
trong bê tông tơi khoảng 1m.
- Nên đổ bê tông cao hơn mực đỉnh cọc lý thuyết là 5cm, khi rút ống ra

phải từ từ nhẹ nhàng tránh cho bê tông khỏi bị xáo trộn.
- Phải đảm bảo cho lớp bê tông bảo vệ cốt thép tối thiểu cũng dày 7cm.
- Khi khoan hố thi công cọc và lúc đổ bê tông cọc phải lu ý không đợc
thực hiện khi trong chiều sâu của cọc đang có dòng nớc ngầm chảy vì nó sẽ
làm sụt lở thành cọc.
1.1.7 Kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi mở rộng đáy:


21

Quy trình bảo đảm chất lợng thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy
cũng giống nh cọc khoan nhồi hình trụ bình thờng, đợc thực hiện theo tiêu
chuẩn TCXD 206:1998-Cọc khoan nhồi-Yêu cầu về chất lợng thi công. Khi bê
tông đã ninh kết xong (sau 28 ngày) thì kiểm tra bằng phơng pháp không phá
hủy.
Có nhiều phơng pháp để kiểm tra chất lợng cọc bê tông nhng phơng
pháp phổ biến nhất và bảo đảm độ tin cậy nhất là phơng pháp siêu âm truyền
qua.
Nhờ phơng pháp siêu âm truyền qua mà ngời ta phát hiện đợc nhng
khuyết tật của bê tông trong thân cọc một cách tơng đối chính xác. Phơng
pháp kiểm tra này sử dụng 2 bộ phận chủ yếu:
- Một đầu phát sang dao động đàn hồi (xung siêu âm) có tần số truyền
sóng từ 20 đến 100 kHz
- Một đầu thu sang
Đầu phát và đầu thu đợc điều khiển lên xuống đồng thời nhờ hệ thống cáp tời
điện và nằm trong 2 ống đựng đầy nớc sạch.
* Nhận xét kết quả:
Đánh giá chất lợng bê tông trong cọc khoan nhồi mở rộng đáy qua kết
quả kiểm tra bằng phơng pháp siêu âm truyền qua.
- Theo biểu đồ truyền sang: nếu biểu đồ truyền sóng đều, biến đổi ít

trong một biên độ nhỏ, chứng tỏ chất lợng bê tông đồng đều; nếu biên độ
truyền sóng biến đổi lớn và đột ngột chứng tỏ bê tông có khuyết tật.
- Căn cứ vào vận tốc truyền qua: vận tốc sóng âm truyền qua bê tông
càng nhanh, chứng tỏ bê tông càng đặc chắc và ngợc lại.
- Quan hệ giữa cờng độ bê tông và vận tốc âm.
* Số lợng cọc cần kiểm tra:
Căn cứ TCXD 206:1998 Cọc khoan nhồi-Yêu cầu về chất lợng thi
công:


22

- Số cọc cần đặt ống siêu âm là 50%
- Số cọc cần kiểm tra ngẫu nhiên là 25%.

1.2 Các loại máy và thiết bị khoan cọc nhồi mở rộng đáy.
1.2.1 Thiết bị khoan cọc nhồi mở rộng đáy.


23

Hình 1.4. Các bộ phận chính của máy khoan cọc nhồi mở rộng đáy
1.Máy cơ sở; 2.Cần giàn; 3.Khung trớc; 4.Cần khoan; 5.Bàn khoan
6.Gầu khoan(thiết bị) mở rộng đáy
* Bàn quay: Bàn quay đợc liên kết với máy cơ sở bằng khung trớc. Toàn
bộ hệ thống động lực của thiết bị làm việc đợc đặt ở đây gồm có môtơ thuỷ
lực, hộp số và hệ thống truyền động.
Bàn quay là bộ phận truyền chuyển động quay cho cần khoan. Vị trí của
bàn quay đợc định vị bằng các xilanh thuỷ lực gắn ở khung trớc.

24

Trên hình vẽ là bàn quay NIPPON SHAYO có momen quay là 10,7 T.m,
tốc độ lớn nhất là 20v/phút. Trên bàn quay t còn nhìn they hai tời cuốn các
ống dầu cho các xylanh thủy lực đóng mở gầu khoan.
* Cần khoan ( Trục kelly):
Cần khoan gồm các ống lồng nhau đợc gắn với gàu khoan, truyền chuyển
động quay từ bàn quay cho gàu khoan và đợc nâng lên hạ xuống bằng tời
chính của cần cẩu. Với máy khoan sử dụng ED6200H, cần khoan gồm 5 đoạn
ống lồng nhau, có thể khoan mở rộng đáy hố cọc nhồi ở độ sâu 62m.
* Gàu khoan (thiết bị) mở rộng đáy cọc khoan nhồi:
Gàu khoan đợc lắp vào máy cơ sở có thể là gàu khoan cọc nhồi hoặc gàu
khoan mở rộng đáy hố khoan cọc nhồi. Trên một máy cơ sở ngời ta có thể lắp
các loại gàu khoan khác nhau tuỳ theo đờng kính cọc đợc thiết kế và tuỳ theo
công suất có thể của máy cơ sở, với máy cơ sở ED6200H, có thể lắp gàu
khoan cọc với đờng kính cọc thẳng đến 3m, đờng kính mở rộng đáy đến 4,1 m
với công suất máy cơ sở 184kW. Các máy cơ sở thờng đợc thiết kế, chế tạo
bởi các công ty máy xây dựng nh SoilMc (Italy), các hãng Hitachi, Sumitomo
(Nhật Bản), Công ty Bauer (Đức), Benoto (Pháp), NIPPOP SHAYRO, LTD
(Nhật Bản)...


25

ống lồng

ống chắn bằng gỗ

Vòng thép

Đoạn tiếp theo

Đáy mở rộng
a. Phương pháp Chicago

Đáy mở rộng
b. Phương pháp Gaw

Hình 1.5 Các phơng pháp mở rộng đáy hố khoan cọc nhồi đầu tiên ở
Hoa Kỳ
Nh đã trình bày ở trên, cọc khoan nhồi mở rộng đáy đã đợc ứng dụng hơn
một thế kỷ, bắt đầu từ Hoa Kỳ và Châu Âu. Năm 1890, khi xây dựng những
toà nhà cao tầng ở Chicago, ngời ta nhận thấy muốn đáp ứng đợc những tải
trọng lớn truyền xuống nền, thì đờng kính và chiều sâu của cọc phải chịu đợc
tăng lên rất nhiều. Nhằm khắc phục những khó khăn đó và tăng khả năng chịu
tải ở đầu cọc, ngời ta đã mở rộng đáy cọc khoan nhồi. Và phơng pháp Chicago
đã ra đời năm 1892. Phơng pháp này đã đợc trình bày ở hình 1.5a, trong đó,
khi đào ngơi ta sử dụng các ống bao bằng gỗ, đợc nối bằng các vòng thép. Các
ống bao có chiều dài tối thiểu là 3.5ft (1,07m), đáy cọc hình chuông đợc đào
bằng thủ công.
Tiếp sau đó phơng pháp Gaw ra đời dựa trên cơ sở phơng pháp Chicago
(hinh 1.5b), ở đây ống bao bằng gỗ đợc thay thế bằng các ống lồng thép: ống
đầu tiên có chiều dài 6ft(1.83m), ống thứ hai nằm trong ống thứ nhất có đờng