Hướng dẫn quy trình thi công và nghiệm thu cọc xỉ thép để gia cố nền đất yếu bằng công nghệ cọc cát đầm chặt

Phụ lục A3
Hà Nội, ngày 5.11.2012

HƯỚNG DẪN QUY TRÌNH THI CÔNG VÀ NGHIỆM THU CỌC XỈ THÉP
ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CÔNG NGHỆ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT
1.

Mở đầu

Căn cứ và quy trình & Công nghệ thi công cọc cát đầm chặt được ứng dụng tại Nhật Bản,
Hàn Quốc, các nước phát triển, ASEAN và Việt Nam để thi công cọc xỉ thép. Công nghệ thi
công cọc cát đầm chặt (Sand Compaction Pile, SCP) cho phép thi công cọc cát với mục tiêu
thay thế đất. Đường kính cọc là ống thép 400mm, sau khi thi công xong đạt đường kính
700mm. Sức chịu tải của cọc tăng lên từ 4 đến 5 lần so với đất yếu. Giá thành thi công cọc
cát đầm chặt là 130.000VNĐ/m (không kể vật liệu). Hướng dẫn quy trình thi công và ..... cọc
xỉ thép được thừa hưởng các kinh nghiệm thi công cọc cát đầm chặt của Nhật, Hàn Quốc,
Việt Nam, Mỹ và các nước khác.
2.

Quy trình thi công cọc xỉ thép
Chuẩn bị công trường
Xác định các mốc thi công
Căn chỉnh độ thẳng đứng của thiết bị
Đặt ống vách trên mặt đất
(độsâu: 0; cao độ cát: 0 )
Nạp cát vào ống theo thiết kế

Rút ống vách lên kèm theo thổi khí nén

Nhồi ống xuống 2/3 chiều cao rút lên

Lặp lại bước 6 -7 cho đến khi xong cọc

Di chuyển qua vị trí mới


Hình 2.1 Quy trình thi công cọc xỉ thép
① Setting the casing at working point
Đặt ống vách vào vị trí làm việc
Keep casing bottom at ground level and set depth gauge at ‘0’
Giữ mũi đáy của ống vách tại cao độ mặt đất và đặt đồng hồ đo độ sâu về 0
Keep sand level plumb at ground level and set sand level gauge at ‘0’
Giữ quả tạ đo cát tại cao độ mặt đất và đặt đồng hồ báo mức cát trong ống về 0
② Put casing into ground by hammer
Đóng ống vách xuống đất bằng búa rung
Hit with check current gauge and depth gauge
Kiểm tra họat động của các đồng hồ am pe và đồng hồ đo độ sâu
③ While casing going down into the soil, wind up the sand level plumb
Trong khi ống vách đang được đóng xuống thì cuốn thu quả tạ đo mặt cát trong ống lên
trên
④ Put sand into skip bucket using pay loader
Nạp cát vào gàu tải trượt bằng xe xúc lật
Put sand into casing by moving skip bucket to top of hopper
Kéo gàu trượt lên trên đỉnh phễu và xả cát từ gàu vào trong ống vách qua phễu
⑤ Keep sand level gauge in working
Giữ cho hệ thống đo mặt cát trong ống luôn trong trạng thái đo
⑥ Start casing put up 3 M
Bắt đầu rút ống vách lên 3 m
Must check sand level indicator going down when casing going up
Phải đảm bảo cao độ mặt cát trong ống giảm khi ống vách đi lên

⑦ Put casing down 2M in ground (with checking depth level gauge)
Đóng ống vách đi xuống 2 m ( kiểm tra bằng đồng hồ đo độ sâu)
⑧ Stop casing out when sand level gauge indicate 1.5M
Dừng rút ống vách lên khi cao độ cát trong ống còn 1,5 m
⑨ Put sand inside with sand level plumb winding up
Nạp thêm cát vào trong ống vách khi đã rút quả tạ đo mặt cát lên
⑩ Keep sand level gauge down again
Đưa hệ thống đo mặt cát họat động trở lại
⑪ Take out of casing with check sand level indicator (standard 3M)
Rút ống vách lên đồng thời kiểm tra chỉ thị của đồng hồ đo mặt cát (tiêu chuẩn là 3m)
⑫ Repeat step 7.8 and 9
Lặp lại các bư ớc 7,8 và 9
Over 3M of casing depth: 3M put out and 2M put in again
Khi độ sâu ống vách sâu hơn 3 m thi chiều cao rút lên chỉ là 3 m và chiều sâu đóng
xuống là 2m
Below 3M of casing depth: 1.5M put out and 1M put in again
Khi độ sâu ống vá ch còn nhỏ hơn 3 m thi chiều cao rút lên chỉ là 1,5 m và chiều sâu đóng
xuống là 1m
⑬When depth gauge indicate 1M from ground level, stop air jet.
Khi đồng hồ đo độ sâu báo còn 1m tính từ mặt đất, tắt khí nén
Put out casing slowly and stop the hammer
Rút ống vách lên chậm và tắt búa rung
Put out casing till full separation from ground
Rút ống vách lên hẳn cao hơn mặt đất một khỏang
Wait till full out of sand in casing
Chờ cho cát trong ống chảy hết ra ngòai


3. Thiết bị ghi in biểu đồ thi công (Recording equipment)

Hình 3.1 Thiết bị ghi biểu đồ thi công
4. Thiết bị thi công cọc xỉ thép :
- Máy đóng cọc có dàn trượt ( có thể là máy PD7, D408,DH408, DH508 hoặc cần cẩu
bánh xích có dàn trượt)
- Búa rung đóng cọc
- Máy nén khí + hệ thống khí nén
- Máy phát điện
- Máy xúc lật bánh lốp
- Hệ thống cấp liệu
- Ống vách Ø400mm
- Hệ thống đo độ sâu mũi ống vách trong đất
- Hệ thống đo lượng cát trong ống
- Hệ thống đo cường độ dòng điện ( đối với búa rung chạy điện) hoặc đo áp lực dầu t hủy
lực( đối với búa rung thủy lực)
- Hệ thống đo áp suất khí nén
- Hệ thống kiểm soát, hiển thị và ghi lại và in ra chính xác, cụ thể các thông số tại mọi thời
điểm trong quá trình thi công


5. Kiểm soát chất lượng thi công cọc xỉ thép
5.1.Các thông số kiểm tra chất lượng
Chất lượng thi công cọc cát dựa trên việc kiểm soát các thông số như sau:
- Độ sâu điểm mũi ống vách
- Cao độ mặt cát trong ống vách
- Áp lực của hệ thống khí nén (hỗ trợ cho việc đẩy cát ra khỏi ống và tránh tắc cát trong
ống)
- Cường độ dòng điệ n của búa rung (b úa điện) hoặc áp lực thủy lực ( búa thủy lực) – Động
lực chính đẩy cát ra khỏi ống và đầm nén.
- Hệ thống thiết bị đ o đạc được gắn vào các bộ phận và được nối với máy tính sẽ hiển thi,

ghi lại tất cả các dữ liệu liên quan: th ời gian, độ sâ u mũi ống vách, cao độ mặt cát trong
ống vách, áp lực khí nén, cường độ dòng điện của búa rung (búa điện) hoặc áp lực thủy
lực dòng dầu (búa thủy lực)...Trên cơ sở các dữ liệu trên cho ta biểu đồ theo thời gian các
dữ liệu cho từng cọc cụ thể.
-Trong quá trình thi công cọc S.C.P cần theo dõi lượng cát được đẩy ra khỏi ống trong mỗi
chu kỳ đầm nén, so với sự dịch chuyển đi lên của mũi ống ; từ đó mới có thể phát hiện
kịp thời các trường hợp nghẻn cát để xử lý kíp thời (tăng lực rung, tăng áp suất khí nén).
- Trong quá trình thi công, máy in cũng sẽ đồng thời in kế t quả do máy thi công thực hiện
trong mọi thời điểm thi công; như vậy khi mỗi cọc cát đầm nén đã hoàn thành, nhà thầu
sẽ có ngay biên bản thi công của cọc vừa thi công xong để trình số liệu đo đạc được
trong đó có thời gian bắt đầu, thời gian kết thúc.

Hiển thị quá trình vận hành ( kiểm soát chất lượng )
Để đảm bảo chất lượng và kích thước của cọc cát đầm nén, vấn đề rất quan trọng là đảm
bảo duy trì các điều kiện đã được thiết kế trong quá trình t hi công bằng cách kiểm sóat chất
lượng của vật liệu cát, cao độ của ống vách và cao độ mặt cát, v.v… Các thông số này
được hiển thị và đưa đến người vận hành để thi công chính xác cọc cát.
Thiết bị đo độ sâu (GL) hiển thị độ sâu mũi ống vách và thiết bị đ o mức cát (SL) hiển thị
mức cát trong ống vách là các yếu tố hòan tòan cấn thiết. Thiết bị GL nối với tang trống
tròn xoay báo mức di chuyển của ống vách. Sự dịch chuyển xoay được chuyển đổi để báo
vị trí độ sâu của ống vách. Thiết bị SL đo mức cát trong ố ng vách thông qua quả tạ. Các
thông số trên được đo và ghi lại thường xuyên đảm bảo sự vận hành chính xác.

5.2.Kiểm soát chất lượng


5.2.1. Những yếu tố hiển thị kiểm soát chất lượng.
Các yếu tố kiểm sóat chất lượng được tổng hợp trong bảng 5.1 của cọc cát đầm nén.

Bảng 5.1. Các yếu tố xem xét và Kiểm tra cho kiểm soát chất lượng

Thời điểm
Trước

khi

Các kiểm tra chất lượng
thi - Các đặc tính của vật liệu cát
- Xác định máy móc thiết bị

công

Các kiểm tra
- Đo độ hạt và thành phần cát
- Siêu âm đo độ sâu đáy biển

- Chuẩn lại các đồng hồ đo
- Cao độ độ sâu đáy biển

Trong

khi

thi - Độ dài của cọc cát, thể tích - Kiểm sóat chất lượng trong khi thi

công

và độ liên tục của cọc cát
- Vị trí của cọc cát

công

- Lấy chuẩn từ 2 thiết bị đo, lấy

- Cao độ của cọc cát

chuẩn từ 1 dụng cụ đo và 1thiết bị

- Các đặc tính của vật liệu

quang, lấy chuẩn tự động bằng 3
thiết bị quang, và lấy tự động bằng
hệ thống có GPS
- Đo thủy triều, độ sâu đáy biển
- Đo độ hạt và thành phần cát

Sau khi thi công

- Kiểm tra cường độ và độ lien

- Thí nghiệm SPT

tục của cọc cát

-Siêu âm độ sâu đáy biển

- Độ sâu của đáy biển
-Dung tích phần đất trồi
Bên cạnh các yếu tố đã được liệt kê ở bảng 5 .1. Độ thẳng đứng của cọc cát và sự xáo trộn của
đất nền cũng được đo trong một số trường hợp. Khi thi công dướ i nước mức thủy triều và độ
sâu đáy biển được đo đạc.
Sau khi thi công: Một lọat thí nghiệm kiểm tra SPT được thực hiện để kiểm Những yếu tố

kiểm tra đó được thống kê vào các nhóm trước khi thi công, trong khi thi công và sau khi thi
công.
Trước khi thi công: thành phần hạt của vật liệu được kiểm tra để xác định các đặc tính của
vật liệu cát đảm bảo phù hợp với phương pháp cọc cát đầm nén. Khi áp dụng cọc đầm nén
cho đất nền là cát thì phải kiểm tra thành phần độ mịn của đất nền vì thành phần này ảnh
hưởn g đếntác động xử lý nền như đã được mô tả ở chương 3. Ngòai ra thiết bị máy móc phải


được kiểm tra và tất cả các đồng hồ đo phải được chỉnh, chuẩn. Khi thi công ở dưới nước độ
sâu của đáy biển được đo bằng siêu âm.
Trong quá trình thi công: vị trí của mỗi cọc cát được định vị chính xác và ghi lại.Điều
quan trọng là đảm bảo trong quá trình thực tế thi công các thông số thiết kế được đảm bão
bằng các thiết bị hiển thị và kiểm sóat độ dài cọc cát, khối lượng cát được nhồi vào trong đất
nền và độ liên tục của cọc cát; tất cả các thông số trên đảm bảo cho chất lượng và kích thước
tra cường độ và độ liên tục của cọc cát. Trong trường hợp cường độ cắt bị giảm và giả thiết
bù đã được tính trong thiết kế thì cường độ cắt của đất nền sét và mức độ trồi của cao độ mặt
nền sẽ được đo đạ c.
Hình 5.1 tổng hợp các yếu tố được hiển thị và kiểm tra trong quá trình thi công. Liên quan
đến chất lượng của cọc cát, dung tích cát và quá trình đầm nén được kiểm sóat bằng quá trình
hiển thị và kiểm tra độ sâu, cao độ mặt cát và đồng hồ cao độ. Vị trí và độ dài cọc cát được
kiểm tra bằng thiết bị đo hoặc GPS, và bằng đo độ sâu và đo lực.
Quality
Chất lượng

Compacted
sand pile
Cọc cát đầm
nén

Volume of sand

Khối lượng cát

Check volume of sand per m3 of
improved ground
Kiểm tra khối lượng cát cho từng m 3
đất nền xử lý

Compacting
Đầm nén

Check level of casing pipe
Kiểm tra cao độ ống vách

(1)
Sand level gauge
Đo mức cát

(2)

Level gauge
Đo cao độ

Construction Results
Kết quả thi công

Surface
Bề mặt

Sand pile position
Vị trí cọc cát

Check position of each sand pile
Kiểm tra vị trí của từng cọc cát

Sand pile depth
Độ sâu cọc cát

Check depth of each sand pile
Kiểm tra độ sâu của từng cọc cát

Full depth
Độ sâu

Check the sand pile contact
the stiff layer
Kiểm tra cọc tiếp xúc với
lớp đất cứng

(3)

Optical range finder
GPS (Transit)
Thiết bị đo quang học
GPS

(4)
Depth gauge- Đo độ sâu

Depth
Độ sâu

Hình 5.1. Các yếu tố kiểm tra
(Items of improvement monitoring)

Load gauge - Đo lực
(5)


Hình 5.2 Kiểm tra chất lượng thi công cọc xỉ thép
(Quality control in manufacturing compacted sand pile)

5.2.2. Kiểm soát tiết diện cọc cát trong đất nền
Một trong những điều quan trọng nhất của qui trình thi công là đưa một lượng cát theo thiết
kế vào trong đất nền và nhồi lượng cát đó tới mức đã thiết kế. Quá trình kiểm sóat chất
lượng liên quan đến vấn đề được g iải thích chi tiết như hình (5.2 ); minh họa cho cọc cát
trong quá trình thi công bằng phương pháp đầm rung đứng. Và sự minh họa này cũng áp
dụng cho các phương pháp khác.
Khối lượng cát trong ống được xác định bằng đo mức của ống vách và cát, CLGo và SLGo,
được tính tóan theo phương trình (5.1) Thể tích cát trong ống thường thấp hơn (độ chặt của
cát trong ống cao hơn) so với trước khi nạp vào ống. Hệ số nén thể tích của cát trong ống
trước và sau khi nạp rung lèn chặt được thể h iện qua hệ số Rv1 được tính toán theo phương
trình (5.2). Hệ số thay đổi thể tích tỉ lệ nghịch với độ chặt của cát trước và sau khi nạp rung
trong ống vách. Độ lớn của hệ số thay đổi thể tích Rv1, thườ ng dao động quanh khoảng 1,3
tùy theo từng trường hợp.
Khi ống vách được rút lên tới cao trình CLG1, kkhối lượng cát được chui ra khỏi đáy ống
vách vào trong đất nền được tính theo phương trình (5 .3). Vào lúc này cao độ cát trong ống
đo được là SLG1. Theo thường lệ cao độ cát trong ống trước khi rút lên SLGo không tương
đương với SLG1, tổng của cao độ SL2 và l1, vì độ chênh lệch của đường kính trong và
đường kính ngòai của ống vách. Trong ống vách cát đã được lèn chặt và trong quá trình ra
khỏi ống vách chui vào trong đất, giả định độ chặt của cát là không đổi. Khi ống vách được

đóng xuống tới cao độ CLG2, lượng cát tr ong đất bị nhồi ra thành tiết diện As. Thông qua
thong số Rv2 là hệ số thay đổi thể tích khi đầm nén , được tính theo phương trình (5 .4), tiết
diện của cọc cát sau đầm nén As được d ễ dàng tính theo phương trình (5 .5). Hệ số Rv2,
thường đạt 1,0 -1,3 tùy theo từng trường hợp.


W sand = γ sand in casing pipe . Aic . (CLGo – SLGo)

(5.1)

cát trong ống vách

cát

‗ V sand before filling – cát trước khi nạp

Rv1

V sand after filling – cát sau khi nạp
‗ γ sand before filling – cát trước khi nạp

(5.2)

γ sand after filling – cát sau khi nạp

W sand = γ sand in casing pipe . Aic. {( CLGo – SLGo)-(CLG1-SLG1) }
cát trong ống vách

Cát

= γ sand in casing pipe . Aic . {SL1- SL2 }
cát trong ống vách
= γ sand in ground٠ Aos . ℓ1

(5.3)

cát trong đất nền

Rv2

‗ V sand after feeding – cát sau khi nhả vào trong đất
V sand after compaction – cát sau khi đầm nén
‗ γ sand after feeding – cát sau khi nhả vào trong đất

(5.4)

γ sand after compaction – cát sau khi đầm nén

As ‗

1 ٠A ic ٠ {( CLGo – SLGo)-(CLG1-SLG1) }
Rv2

(CLGo -CLG2)

(5.5)

Trong đó:
Aic

: đường kính trong của ống vách

Aoc

: đường kính ngòai của ống vách

As

: tiết diện của cọc cát sau khi đầm nén

CLGo : cao độ của ống vách trước khi rút lên (m)
CLG1 : cao độ của ống sau khi rút lên(m)
CLG2 : cao độ của ống vách sau khi nhồi xuống(m)
Rv1

: hệ số lèn chặt của cát trong ống sau và trước khi rung ( thường khỏang 1,3)

Rv2

: hệ số lèn chặt của cát trước và sau khi nhồi tại hi ện trường ( thường 1,0 đến 1,3)

SL1

: chiều cao cột cát trong ống vách trước khi rút lên(m)


SL2

: chiều cao cốt cát trong ống sau khi rút lên (m)

SLGo : mức cát trong ống vách trước khi rút lên(m)
SLG1 : mức cát trong ống vách sau khi rút lên (m)
SLG2 : Mức cát trong ống vách sau khi đầm nén nhồi (m)

Khi thi công cọc cát tại hiện trường, cao độ của ống vách CLG và cao độ của cát trong ống
vách SLG thường xuyên được đo và hiển thị trước m ặt người vận hành máy. Hình (5.3 ) giới
thiệu một bảng ghi điển hình của quá trình thi công cọc. Trong hình cao độ cát trong ống
vách dao động từ 0 đến 6,6 m, điều đó có nghĩa cát được cấp vào ống vách nhiều lần trong
quá trình đóng cọc. Mũi Ống vách được đóng xuống độ sâu 32m một lần và ống vách được
rút lên, đóng xuống nhiều lần tới độ sâu 20m và như vậy cọc đầm nén được thực thi trong
nền đất. Tòan bộ thời gian thực hiện 1 cọc là 28 phút.
5.2.3. Xử lý đáy

Để tăng tính ổn định cho nền đất và giảm lún nền, mũi cọc cát thư ờng được đặt vào lớp đất
cứng (xử lý cứng nền). Độ sâu của lớp đất cứng thường thay đổi và nhiều trường hợp không
đúng với số liệu thiết kế ban đầu.Vì vậy cần xác định độ sâu của từng cọc trên cơ sở xác định
độ cứng của lớp đất cứng của đáy cọc trong quá trình thi công. Trong quá trình thi công sự
thay đổi tốc độ đi xuống của ống vách là một trong những chỉ số then chốt để xác định ống
vách đã chạm đến lớp đất cứng hay chưa. Cần xác định chuẩn giữa quan hệ tốc độ đi xuống
của ống vách và độ cứng của đất.

6.

Nghiệm thu chất lượng cọc xỉ thép sau thi công

6.1. Kiểm tra cao độ đầu cọc. Bổ xung vật liệu xỉ thép đầm chặt nếu chưa đến cao độ thiết
kế.
6.2. Kiểm tra đường kính cọc xỉ thép.
6.3. Kiểm tra khoảng cách giữa tâm các cọc xỉ thép.
6.4. Kiểm tra chiều dài thi công cọc xỉ thép bằng

6.4.1. Khoan lấy mẫu
6.4.2. Sử dụng xuyên động tiêu chuẩ n
6.5. Kiểm tra chất lượng đầm chặt bằng xuyên động PANDA 2
6.6. Kiểm tra độ đầm chặt của cọc ở bề mặt cọc bằng bàn nén động.
6.6.1. Xác định mô đun đàn hồi của cọc.


6.6.2. Xác định mô đun đàn hồi của đất nền xung quanh cọc, giữa các cọc
6.6.3. Xác định mô đun đàn hồi của đất nền tự nhi ên
6.6.4. Xác định hệ số nền (hệ số winkler) của cọc (đến độ sâu 60cm)
6.7. Kiểm tra sức chịu tải của cọc bằng thí nghiệm nén tĩnh

7.

Dự tính sức chịu tải của cọc

7.1. Sức chịu tải của cọc do vật liệu
Cường độ vật liệu cọc xỉ thép được thí nghiệm ở trong phòng bằng thí nghiệ m nén một trục
hoặc thí nghiệm nén mẫu xi măng (sử dụng bê tông hạt mịn hoặc hạt thô kết hợp hạt mịn).
Áp dụng các công thức tính sức chịu tải của cọc tương tự như với cọc khoan nhồi.
Sức chịu tải của cọc xỉ thép = Diện tích cọc (D=700mm) x Cường độ nén mộ t trục của vật
liệu cọc
7.2. Sức chịu tải của cọc xỉ thép theo đất nền
7.2.1. Xác định sức kháng cắt không thoát nước của đất sét yếu hay sức kháng xuyên
của đất cát bằng thí nghiệm cắt cánh, xuyên tĩnh, xuyên động tiêu chuẩn. Kết
hợp với các thí nghiệm trong phòng.
7.2.2. Sức chịu tải của cọc được xác định tương tự như đối với cọc khoan nhồi. Phụ
thuộc vào chiều dài cọc, đường kính cọc.
Qt = Qs + Qp
Trong đó :

Qt = Sức chịu tải tới hạn của cọc
Qs = Sức chịu tải do ma sát bên
Qs = CsLsδs
Cs = Chu vi cọc (0.7m x π )
Ls = Chiều dài cọc trong lớp đất tương ứng
δs = Ma sát đơn vị của đất nền với cọc xỉ thép
Qp = Sức chịu tải mũi cọc
Qp = Apθp
Ap = Diện tích mũi cọc
θp = Sức chịu tải đơn vị ở mũi cọc
7.2.3. Hệ số an toàn : Sử dụng hệ số an toàn

Q  

Qs Q p

2
3

[Q] = Sức chịu tải cho phép


hoặc

8.

Q  

Qt
2

Độ lún của nhóm cọc

Độ lún của nhóm cọc được dự tính tương tự :
a)Tương tự như cọc bê tông cốt thép
b)Tương tự như cọc đất xi măng
c)Tương tự như cọc cát đầm chặt

9.

Kết luận và kiến nghị

9.1. Quy trình kỹ thuật thi công, kiểm soát chất l ượng, dự tính sức chịu tải cọc và độ lún
nền tiêu chuẩn được lập theo các kinh nghiệm, kết quả nghiên cứu và tiêu chuẩn của một
số nước.
9.2. Quy trình kỹ thuật thi công và kiểm soát chất lượng cọc xỉ thép được thực hiện tương
tự như đối với cọc cát đầm chặt.
9.3. Quy trình trên được sử dụng để thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc xỉ thép thực
nghiệm.
9.4. Quy trình trên cần quy định rõ về cấp phối, thành phần hạt và năng lượng đầm chặt đối
với xỉ thép.
9.5. Quy trình trên cần có thêm các biểu theo dõi thi công, kiểm tra chất lượng và nghiệm
thu.