KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Cọc CFA và tiềm năng ứng dụng tại Tp.HCM và các tỉnh thành lân cận
Cọc khoan guồng xoắn liên tục CFA (Continuous Flight Auger) được ứng dụng vào năm 1988 tại Châu Âu, sau đó được ứng dụng phổ biến tại Mỹ, Úc, Canada,… Nhờ các ưu điểm như: tốc độ thi công thi công nhanh, chất lượng tốt, đáp ứng nhiều yêu cầu về môi trường như tiếng ồn, rung động, thu gom và xử lý đất thải, đơn giản hóa quá trình thi công và làm giảm chi phí, nên cọc CFA đã được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng, giao thông. Ở Việt nam, việc ứng dụng CFA còn nhiều hạn chế do còn mới lạ, chưa có nhiều các nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt về đặc trưng công nghệ có khả năng ảnh hưởng đến sự hiệu quả của cọc về mặt chất lượng cũng như chi phí. Nhằm từng bước đưa CFA sử dụng rộng rãi tại Việt nam, bài báo này nghiên cứu chọn lựa một vài lý thuyết có tính khả thi, tiến hành tính toán, thực nghiệm chế tạo lưỡi khoan, chế tạo cọc qua đó đúc kết kiến thức, kinh nghiệm cho việc áp dụng và phát triển công nghệ này.

CỌC CFA VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG TẠI TP.HCM VÀ

CÁC TỈNH THÀNH LÂN CẬN

CONTINUOUS FLIGHT AUGER PILES AND ITS APPLICATION POTENTIAL  AT HO CHI MINH CITY AND SURROUNDING AREAS

TS. PHAN TRƯỜNG SƠN

Giảng viên Khoa XD - Trường Cao đẳng Xây dựng 2 –Tp.HCM

NGUYỄN VĂN DƯƠNG

Học viên Cao học

 

Tóm tắt

Cọc khoan guồng xoắn liên tục CFA (Continuous Flight Auger) được ứng dụng vào năm 1988 tại Châu Âu, sau đó được ứng dụng phổ biến tại Mỹ, Úc, Canada,… Nhờ các ưu điểm như: tốc độ thi công thi công nhanh, chất lượng tốt, đáp ứng nhiều yêu cầu về môi trường như tiếng ồn, rung động, thu gom và xử lý đất thải, đơn giản hóa quá trình thi công và làm giảm chi phí, nên cọc CFA đã được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng, giao thông. Ở Việt nam, việc ứng dụng CFA còn nhiều hạn chế do còn mới lạ, chưa có nhiều các nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt về đặc trưng công nghệ có khả năng ảnh hưởng đến sự hiệu quả của cọc về mặt chất lượng cũng như chi phí. Nhằm từng bước đưa CFA sử dụng rộng rãi tại Việt nam, bài báo này nghiên cứu chọn lựa một vài lý thuyết có tính khả thi, tiến hành tính toán, thực nghiệm chế tạo lưỡi khoan, chế tạo cọc qua đó đúc kết kiến thức, kinh nghiệm cho việc áp dụng và phát triển công nghệ này.

 

Từ khóa: cọc khoan guồng xoắn liên tục CFA, mũi khoan, bước lưỡi khoan.

 

Abstract

Continuous Flight Auger piles (CFA) was applied in 1988 in Europe, then has been widespead in the US, Australia, Canada … Thanks to these advantages as speed of installation, good quality, meet many environmental requirements as low noise, no impact socks; easy for collecting wasted soils, shorten the construction process and reducing the expenses, so CFA has been used more and more in civil engineering and transport construction. Because of many novelties, its applications has many limits in Vietnam. There is lacking of research and learning by experiments, especially in studying technological characteristics which has affects the CFA in the both side qualities and expenses. To bring CFA widely use in Vietnam, this paper studies selectively several theories which is feasibility, then performs calculations and makes experiments with the auger and some piles. Thereby, some knowledge, experiences are summarized for the application and development of this technology.

Key words: continuous Flight Auger piles, CFA, auger, pitch

  1. Đặt vấn đề

Cọc khoan guồng xoắn liên tục CFA (Continuous Flight Auger) được ứng dụng vào năm 1988 tại Châu Âu, sau đó được ứng dụng phổ biến tại Mỹ, Úc, Canada,… Cọc CFA được dùng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng, giao thông nhờ các ưu điểm như: tốc độ thi công thi công nhanh, chất lượng phù hợp, đáp ứng nhiều yêu cầu về môi trường như tiếng ồn, rung động, thu gom và xử lý đất thải, đơn giản hóa quá trình thi công và làm giảm chi phí. Tuy nhiên, ở Việt nam, khả năng ứng dụng còn nhiều hạn chế do còn mới lạ, chưa có nhiều các nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt ở các đặc trưng công nghệ có khả năng ảnh hưởng đến sự hiệu quả của cọc về mặt chất lượng cũng như chi phí.

  1. Cọc khoan guồng xoắn liên tục CFA

Theo hệ thống phân loại tại Châu Âu và Bắc Mỹ thì CFA là một trong bốn loại cọc chính: CFA, cọc vít ( screw pile), cọc khoan sử dụng ống dẫn (ACIP) và cọc khoan thân vít ép đất (DD). Phương pháp chung thi công cho các loại cọc này là công nghệ khoan liên tục có cấu tạo lưỡi trên suốt chiều dài thân cọc.

 

Nguồn: Geotechnical Engineering Circular (Gec) No. 8 [1]

Hình 1: Dàn khoan cọc CFA

    1. Nguyên lý hoạt động

Khi hoạt động, mũi khoan cắt đất và di chuyển xuống dưới sâu. Trong quá trình này, hầu hết lượng đất nằm yên trong hố khoan và giữ ổn định thành hố (Hình 2-1). Quá trình rút mũi khoan ra khỏi lòng đất được tiến hành đồng thời với việc bơm vữa (có áp) vào hố thông qua các đường ống rỗng bên trong mũi khoan (Hình 2-2). Cốt thép cọc sẽ được đưa vào hố ngay sau quá trình thu hồi mũi khoan và kết thúc quá trình bơm vữa (Hình 2-3).

Nguồn: Martin Larisch [2]

Hình 2: Sơ đồ các bước thi công cọc CFA

 

So với cọc khoan nhồi, CFA có công nghệ đơn giản hơn, thời gian thi công khoảng 15 đến 30 phút, ít ồn. Khả năng cơ động cao, phù hợp với công trình xây chen trong đô thị có số tầng nhỏ hơn 25. Do không dùng dung dịch bentonite nên bề mặt công trình gọn gàng, sạch sẽ, lượng đất thừa được hạn chế tối đa. Về phương diện địa chất, CFA không áp dụng cho lớp cát mịn ở dưới mực nước ngầm và không khoan qua đá cứng.

Điều quyết định trong công nghệ cọc CFA chính là mũi khoan có dạng trục vít. Ngay từ khi xuất hiện, mũi khoan cọc đã được Massarsch. KR, Brieke. W và Tancre. E (1988)[4], Viggiani, C (1993)[3], đưa ra các mô hình cho mũi khoan dạng này. Hình dạng của nó liên quan trực tiếp đến công suất, khả năng ổn định trên thành hố xung quanh trong quá trình khoan và chất lượng cọc. Nếu tốc độ khoan quá nhanh, lưỡi khoan sẽ làm việc như thiết bị “ bơm đẩy” và đẩy đất lên bề mặt. Hoạt động này làm giảm áp lực theo phương ngang cần thiết để duy trì ổn định hố khoan và làm giảm chất lượng cọc. Ngược lại, nếu tốc độ khoan quá chậm, áp lực ngang được phóng thích, hiệu suất khoan cọc giảm, làm tiêu tốn năng lượng và gia tăng chi phí. Kiểm soát tốt tốc độ khoan giúp khống chế sự đẩy trồi đất, sự nén hông quá mức, giảm thiểu sự giãn nở hông của đất xung quanh, giảm khả năng hố bị sụt lún.

Một yếu tố quan trọng khác cũng ảnh hưởng đến chất lượng cọc, đó chính là bước ren. Đặc biệt với mỗi loại đất có độ cứng khác nhau, cần có bước ren phù hợp, bước ren quá rộng có thể sẽ ảnh hưởng và phá hủy kết cấu đất xung quanh cọc. Đây là một trong các yếu tố làm cho công nghệ CFA hạn chế phạm vi ứng dụng.

Trong phạm vi bài báo này, hai yếu tố quan trọng là hình dạng (bước lưỡi khoan) và vận tốc sẽ được đề cập, tính toán và thử nghiệm hầu mang đến một giải pháp khả thi, hiệu quả tạo tiền đề cho việc áp dụng rộng rãi CFA ở một số vùng tại thành phố Hồ Chí Minh. Để tìm hiểu, phân tích chọn lựa giải pháp cho 2 yếu tố trên, cần biết cơ chế làm việc của mũi khoan trục vít.

    1. Bước lưỡi khoan

Mũi khoan (cần khoan) bao gồm một tấm thép được xoắn liên tục theo hình xoắn ốc từ đầu mũi khoan quanh trục một ống trụ chính. Các răng cắt hoặc lưỡi cắt được tại các mép của tấm thép lượn này, cho phép mũi khoan có thể xâm nhập vào đất. Mũi khoan xâm nhập vào lòng đất do sự kết hợp của hai lực tác động bên ngoài gồm momen xoắn và lực ép xuống. (Hình 3)

 

Q = lực ép do dàn khoan

M = momen xoắn theo chiều lưỡi khoan

P = lực kháng của đất

N = trọng lượng mũi khoan

z = chiều dài cần khoan / chiều sâu khoan

τ = ma sát giữa đất xung quanh và đất trong lưỡi khoan

l = chiều dài bước lưỡi khoan

d = đường kính ngoài mũi

d0 = đường kính ống trung tâm

Nguồn: Viggiani 1993 [3]

Hình 3: Các lực tác động lên mũi khoan trong quá trình thi công

Với hoạt động cắt tại đỉnh mũi khoan, Thornburn, Greenwood và Fleming (1993) cho rằng, đất tại mũi khoan bị nới lỏng và được cắt bằng cách thắng được các lực liên kết và sức kháng bị động của các hạt đất. Đất chặt bị cắt có xu hướng nở ra,  trong khi đất mềm sẽ bị nén lại trong quá trình xâm nhập và đề nghị 10 -15% khối lượng cát bị nén lại cho đất mềm, cát có độ chặt thấp. Đối với đất cát dưới mực nước ngầm, các tác giả trên đã chỉ ra rằng các gradient thủy lực trong đất xung quanh có xu hướng làm mất ổn định vách hố do sự chảy và cân bằng áp lực nội tại. Trong cát khô, quá trình cắt cũng sẽ làm mất ổn định thành hố nên điều kiện tốt để ổn định thành hố là cát ẩm bình thường.

Trong quá trình vận chuyển đất, đất có xu hướng lấp đầy trên lưỡi khoan. Khi này, cơ chế vận chuyển và ổn định thành hố xảy ra khi các rãnh trên thân khoan được đầy đất. Sức kháng cắt của đất trong lưỡi khoan phát sinh do tiếp xúc giữa đất đang di chuyển trên lưỡi khoan và đất trên thành hố khoan.

Khả năng vận chuyển đất bên trong các lưỡi khoan là một cơ chế phức tạp, nó phụ thuộc vào tốc độ quay, đặc điểm của đất, hệ số ma sát giữa đất và lưỡi khoan. Việc xác định chính xác hiện vẫn chưa có lời giải phù hợp với thực tế.

Nguồn: Slatter 2000 [5]

Hình 4: Bề mặt gây tác động đến quá trình vận chuyển đất

Khi bước ren của lưỡi khoan được tăng lên, các vùng tiếp xúc giữa thành hố và đất bên trong lưỡi cũng được tăng lên, làm tăng thêm lực hỗ trợ cho vận chuyển đất. Việc giảm bước ren của lưỡi khoan sẽ làm tăng các lực ngăn khả năng vận chuyển đất.

Trong quá trình lưỡi đi vào trong đất, thể tích chiếm chỗ của trục, lưỡi khoan cũng tạo ra sự ép đất. Trên cơ sở cân bằng khối lượng,  Slatter (2000) đã tổng kết và cho nhận xét nếu một mũi khoan có thể tích sử dụng lớn hơn thể trích đất vận chuyển, đất bị ép sang hai bên hoặc được di chuyển lên mặt đất. Ngược lại, mũi khoan có thể tích nhỏ hơn thể tích đất vận chuyển, thành hố khoan có nguy cơ mất ổn định cao. Nếu thể tích của mũi khoan bằng thể tích đất vận chuyển, đất được vận chuyển và không bị ép lên thành hố khoan. Khi đó các lưỡi khoan hỗ trợ ổn định thành hố và ngăn sự mất ổn định.

Việc đưa về mô hình để thuận tiện trong tính toán và phân tích đã được nhiều tác giả thực hiện như Metcalf (1965), Massarsch, Brieke và Tancre (1988); Van Weele (1988), Thornburn, Greenwood và Fleming (1993); Viggiani (1993); Fleming (1995); Slatter (2000); Bustamante (2003).

Tuy còn nhiều điểm khác biệt như phương làm việc, và không xét tới hoạt động xâm nhập, ép vật liệu … nhưng có rất nhiều điểm tương đồng giữa mũi vít Archimedean và mũi khoan cọc CFA như trục có đường kính liên tục, các bước ren giữa các lưỡi không đổi và có đường kính là hằng số; cơ chế cũng là vận chuyển vật liệu, nên nguyên lý vít Archimedean thường được sử dụng làm cơ sở cho các tác giả lập luận và mô hình.

L: Khoảng cách lưỡi

d0 : Đường kính trục khoan

d: Đường kính ngoài

Nguồn: Slatter 2000 [5]

Hình 5: Cấu tạo của mũi vít Archimedean

    1. Tốc độ khoan

Với giả thiết bỏ qua thể tích của lưỡi khoan và ma sát giữa vật liệu vận chuyển và khoan, nguyên lý vít Archimedean xác định vận tốc vận chuyển vật liệu theo hướng xoay của mũi khoan ứng với bước ren với tốc độ vòng quay n:  .                                                (1)

Dựa trên nguyên tắc Archimedean, Massarsch, Brieke and Tancre (1988) [7] đã thực hiện một phương pháp dự đoán khả năng vận chuyển đất và ép đất với các đặc tính riêng của mũi khoan CFA.  Các tác giả cho rằng hạn chế của nguyên lý Archimedean đó là sự chiếm chỗ của mũi khoan trong vật liệu do trục khoan gây nên và cho rằng để hiện tượng đất xung quanh thành hố không bị nở ra khi thi công cọc CFA, thì nên thi công cọc với một vận tốc:  (2 )

Cũng dựa trên nguyên tắc vít Archimedean, Viggiani (1993) [8] với giả thiết không có ma sát giữa đất bên trong lưỡi khoan với bề mặt khoan, giữa khoan và thành hố, đã tính chính xác thể tích đất bị giảm lấy ra từ hố khoan ứng với tốc độ xâm nhập gia tăng Vr và vận tốc tối thiểu để đất xung quanh không nở ra Va, min:

                                              (3)

                                                   (4)

          Có thể thấy, từ công thức này, điều thứ nhất là mũi khoan có thể được thi công tại một vận tốc tối thiểu: , tương tự công thức do Massarsch, Brieke và Tancre’s (1988) đề nghị; điều thứ hai: tỷ số đường kính (do/d) cũng ảnh hưởng đến tốc độ xâm nhập vào đất của mũi khoan. Tỷ số (do/d) càng lớn, giá trị tốc độ xâm nhập tối thiểu cho mũi khoan càng thấp do khả năng ép đất của trục khoan; điều thứ ba: Viggiani (1993) chưa xem đề cập đến ma sát giữa đất trong lưỡi khoan và bản thân mũi khoan, ma sát giữa đất và thành hố khoan trong quá trình khoan.

  1. Thực nghiệm

Từ các thông tin nêu trên, có thể thấy, tuy Viggiani (1993) chưa đề cập đến ma sát giữa lưỡi khoan và đất, giữa đất trên lưỡi khoan và đất ở thành hố nhưng có thể thấy tính bao trùm nguyên tắc của Massarsch, Brieke and Tancre (1988), dựa trên căn bản của nguyên tắc vít Archimedean và đặc biệt là từ thực tiễn cả hai yếu tố này chưa cho thấy rõ sự ảnh hưởng của chúng đến sự ổn định của vách hố khoan. Vì vậy, mô hình này được lựa chọn để tính toán trục – lưỡi khoan và vận tốc xâm nhập của khoan vào đất.

Bên cạnh các thông số kết cấu của ngành cơ khí, các thông số sau đây cần chọn lựa để phù hợp khả năng thực nghiệm cho kết quả mang được tính định hướng và giai đoạn của nghiên cứu:

Hình 6: Cấu tạo mũi khoan điển hình cho cọc CFA

Thông số

Yếu tố ảnh hưởng, phụ thuộc

Đường kính ngoài mũi khoan (D):200mm

đường kính cọc thi công D=200mm.

Đường kính ống bơm (d):42mm

để bơm được dung dịch vữa thì đường kính đề xuất tối thiểu là 20-60mm.

Chiều dài bước lưỡi khoan (l):120mm

sự ảnh hưởng của bước ren - đường kính trục khoan được khảo sát trong đồ thị hình 7.

Bảng 1: Lựa chọn các thông số chế tạo lưỡi khoan

 

Theo lý thuyết của Viggiani cho thông số về bước lưỡi khoan, đường kính trục khoan, và vận tốc thi công được biểu diễn bởi quan hệ như sau:

Hình 7: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ vận tốc – bước lưỡi khoan

Đồ thị cho thấy, đường kính trục khoan ảnh hưởng không nhiều đến vận tốc khoan và yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là bước lưỡi khoan. Với kích thước đường kính đã chọn thì bước lưỡi khoan đề nghị trong khoảng 100-150mm và vận tốc trong khoảng từ 4.34m/phút đến 6.5m/phút.

STT

Nội dung

Kích thước

Đơn vị

1

Chiều dài mũi khoan (L)

4000

mm

2

Đường kính ngoài (D)

200

mm

3

Đường kính trục khoan (d)

42

mm

4

Đường kính lỗ phun vữa (d0)

38

mm

STT

Nội dung

Thông số

Đơn vị

5

Chiều dày trục khoan (t2)

3

mm

6

Chiều dày lưỡi khoan (t1)

5

mm

7

Bước lưỡi khoan (l)

120

mm

8

Bước lưỡi khoan (S)

80

mm

Bảng 2: Thông số mũi khoan được chọn và thực hiện

Hình 8: Hoàn thiện mũi khoan

Hiện trường thực nghiệm được tổ chức tại dự án Khu tái định cư ở Phường Long Bình, Quận 9. TP. Hồ Chí Minh có các thông số địa chất như sau:

 

Nguồn: Hồ sơ khảo sát [6]

Hình 9: Hình trụ hố khoan khảo sát HK15

 

TT

Tính chất vật lý

ký hiệu

Đơn vị

Lớp đất (HK15)

1

(CL)

2

(CH)

3

Đất, đá

1

Dung trọng bão hòa

 

19.7

18

19

2

Dung trọng tự nhiên

15.6

13

15.1

3

 Hệ số rỗng

 e0

 -

7.2

1.07

0.87

4

 Độ ẩm tự nhiên

%

26.2

38.1

25.9

5

Góc ma sát trong

độ

6,38

17.36

23’39

6

Lực dính

C

1.24

3.9

5.0

7

Hệ số nén lún

a100-200

(x10-2)

0.41

0.4

0.25

8

Mô đun biến dạng

E100-200

2256

3658

3658

Nguồn: Hồ sơ khảo sát [6]

Bảng 3: Các đặc trưng cơ lý của các lớp đất ứng với các lớp đất tại HK15

Sau khi hoàn thành trục – lưỡi khoan, công ty chuyên ngành thi công tiến hành thực hiện hai cọc CFA có kích thước D = 200mm, dài 4000mm và một cọc khoan nhồi có cùng kích thước. Trong quá trình này các số liệu thời gian, vận tốc khoan, lượng đất đẩy trồi được ghi chú cẩn thận. Sau khi bê tông cọc đạt cường độ, công ty chuyên ngành kiểm định thực hiện nén tĩnh để kiểm tra khả năng chịu tải của các cọc phục vụ so sánh.

Sơ đồ thực nghiệm cọc CFA và cọc nhồi đối chứng

Hình 10: Chiều sâu khoan cọc

 

  1. Kết quả
    1. Về thời gian thi công cọc: được tổng hợp từ các công đoạn:

 

Công đoạn

Thời gian (s)

CFA 1

CFA 2

Khoan nhồi

Thâm nhập 4000mm

54

57

53

Rút mũi 4000mm

177

105

13

Hạ lồng thép

300

330

-

Vệ sinh đầu cọc

-

-

900

Hạ lồng thép

-

-

300

Lắp đặt ống dẫn và đổ bê tông thủ công

-

-

1800

Tổng cộng

531

492

3066

Bảng 4: Tổng hợp thời gian thi công cho các cọc

Từ số liệu ghi chép và được tổng hợp trong Bảng 5.1 cho thấy thời gian thi công cọc CFA 1 chỉ mất 531 giây = 8,85 phút và cọc CFA 2 là 492 giây = 8,2 phút và cọc bê tông 3066 giây = 51,1 phút.

Thực nghiệm cho thấy tiến độ thi công của cọc CFA là rất nhanh so với cọc bê tông nhồi thông thường. Đây chính là một ưu điểm nổi bật để lựa chọn công nghệ thi công cọc CFA cho các công trình thực tiễn.

Việc duy trì tốc độ theo Viggiani để hạn chế đất đẩy trồi và bảo đảm sự ổn định của thành hố trong điều kiện thực nghiệm là khó khăn. Điều này phụ thuộc vào độ sắc bén của mũi khoan cũng như công suất dư của máy.

 

 

Chiều sâu (m)

Va (m/p)

CFA 1

CFA 2

Khoan nhồi

Viggiani

0.3

5.00

5.36

5.77

5.16

0.8

4.50

4.50

4.50

5.16

1.3

5.33

6.00

6.00

5.16

1.65

5.20

5.57

6.00

5.16

2.15

4.95

5.21

5.50

5.16

2.65

4.96

5.61

5.86

5.16

3

4.97

5.30

5.68

5.16

3.5

4.74

4.74

5.14

5.16

4

4.57

4.47

4.77

5.16

Bảng 5: Tổng hợp vận tốc tính toán và thực tế cho các cọc

 

    1. Về mối quan hệ vận tốc thâm nhập và đất đẩy trồi:

Lượng đất đẩy trồi ứng với vận tốc được tính toán theo Viggiani và đo đạc tại hiện trường cho thấy kết quả khá phù hợp. Trường hợp tốc độ khoan tăng mà tốc độ xâm nhập giảm, đất có xu hướng đẩy trồi nhiều hơn.

Hình 11: Đồ thị mô tả đất trồi trên bề mặt

 

 

Tính toán

Thực nghiệm

n.l

Va tb

Dt

Vr

h

r

R

V chóp

V trụ

V đất

(m/p)

(m/p)

(s)

(m3)

(m)

(m)

(m)

(m3)

(m3)

(m3)

CFA 1

5.4

4.44

54

0.026

0.145

0.15

0.35

0.030

0.005

0.025

CFA 2

5.4

4.21

57

0.034

0.14

0.2

0.4

0.041

0.004

0.037

Bảng 6:  so sánh đất trồi tính toán và thực nghiệm

    1. Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc trên cơ sở:
  • Mô hình và tính toán bằng phần mềm Plaxis phỏng theo quá trình thử tải tĩnh tại hiện trường trên cơ sở hồ sơ địa chất và các đặc trưng vật liệu, khả năng chịu tải của cọc được.
  • Kết quả thử tĩnh tại hiện trường cho hai cọc CFA và cọc nhồi.

Kết quả được tổng hợp trong các  bảng sau:

 

 

Tải trọng

Tải trọng

Thời gian

Chuyển vị đầu cọc (mm)

TN (%)

TN (kN)

giữ tải (min)

CFA 1

CFA 2

Cọc nhồi

Plaxis

Pgh = 47kN

 

0%

0

0

0

0

0

0

Gia tải

20%

9.4

15

3.75

4.95

8.4

2.1

40%

18.8

15

5.5

7.1

13.3

4.17

60%

28.2

15

9.1

13.85

17

6.76

80%

37.6

15

11.95

23.95

19.15

10.26

100%

47

10

17.65

27.9

22.1

23.92

120%

56.4

30

27.7

34.12

30.55

51.1

Giảm tải

100%

47

10

25.95

32.51

29.65

48.99

60%

28.2

10

21.45

30.73

28.65

44.74

20%

9.4

10

21.45

27.84

27.1

37.98

0%

0

20

21.45

27.65

27.1

38.2

Bảng 7: Bảng tổng hợp quan hệ Tải trọng – Chuyển vị theo thực nghiệm và mô phỏng

Biểu diễn trên đồ thị quan hệ lực nén – chuyển vị nhằm xác định sức chịu tải qua đường cong gia tải là 37.6kN: sức chịu tải theo độ lún cho phép [s] là 44.32kN, giá trị này nhỏ hơn giá trị tính toán sức chịu tải cực hạn là 5.5% (Pgh = 46.94kN)

 

Hình 12: quan hệ tải trọng – chuyển vị cọc CFA 1

Hình 13: quan hệ tải trọng – chuyển vị cọc CFA 2

Hình 14: quan hệ tải trọng – chuyển vị cọc nhồi

Hình 15: quan hệ tải trọng – chuyển vị trong Plaxis

 

Hình 16: Mối quan hệ lực nén -  chuyển vị của 3 cọc

Nhìn chung, cọc CFA thể hiện được đặc tính chịu tải. Khi so với cọc nhồi, khả năng này có phần nhỉnh hơn. Điều này dễ thấy do vách hố được bảo quản tốt hơn, ít sạt lở và ma sát tốt hơn. Cũng thấy được sự chênh lệch giữa hai cọc CFA vì sức kháng của cọc phụ thuộc còn vào các  yếu tố cụ thể như: hình dạng cọc, bề mặt của cọc và đặc biệt là kỹ năng thi công.

            Từ độ lún cho phép [S]=20mm, sức chịu tải giới hạn được suy từ đồ thị như sau:

 

Loại cọc

Sức chịu tải giới hạn

Pgh (kN)

Độ lún đầu cọc

[S] (mm)

CFA 1

49.0

20

CFA 2

34.0

20

Khoan nhồi

41.0

20

Plaxis

44.5

20

Bảng 8: Xác định sức chịu tải giới hạn theo độ lún cho phép

 

  1. Kết luận và kiến nghị
    1. Kết luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy, nếu tích lũy được kinh nghiệm thiết kế, thi công lưỡi khoan, vận tốc xâm nhập và kỹ năng thi công cọc CFA thì đây là một giải pháp móng hiệu quả, đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế. Mặc dù, thực nghiệm chưa đủ nhiều để xác định rõ điều này nhưng đã định được xu hướng tiềm năng. Đó là khả năng chịu tải của CFA 1 lớn xấp xỉ 20% khả năng chịu tải của cọc nhồi, là thời gian thi công nhanh chóng và bảo đảm vệ sinh môi trường. Sự chênh lệch sức chịu tải giữa CFA 2 và CFA 1 cho thấy còn rất nhiều điều cần nghiên cứu thêm như sự lựa chọn tối ưu bước lưỡi khoan, tốc độ khoan, tốc độ rút mũi, áp lực bơm vữa và đặc biệt là phù hợp địa chất và sự thay đổi địa tầng …

3.2. Kiến nghị

Với tiềm năng ở nhiều mặt của cọc CFA, việc nghiên cứu để đem lại giải pháp hiệu quả cho công trình ở thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và các tỉnh thành nói chung còn cần nhiều nghiên cứu. Đặc biệt, cần nhiều thực nghiệm hơn để làm rõ mối quan hệ địa chất thủy văn – tốc độ khoan, bước lưỡi khoan và tính ổn định của thành hố. Hiệp hội nghề Xây dựng cần có định hướng nghiên cứu sâu, xây dựng tiêu chuẩn quy phạm tạo điều kiện để đưa công nghệ CFA vào thực tiễn.

Xin chân thành cảm ơn.

Tài liệu tham khảo

[1]       Geotechnical Engineering Circular No.8 (2007), “Design and Construction of Continuous Flight Auger (CFA) Piles”. FHWA- Federal Highway Administration, Washington, D.C.

[2]        Seminar introduction to continuous flight Auger  (CFA) piling, Martin Larisch 21/08/2013.

[3]        Viggiani, C (1993), ‘Further experiences with auger piles in Naples area’, Proceedings of the 2nd International Geotechnical Seminar on Deep Foundations on Bored and Auger Piles, Ghent, Belgium, 1–4 June 1993.

[4]        Massarsch. KR, Brieke. W and Tancre. E (1988), ‘Displacement screw auger piles with compacted base’, Proceedings of the 1st International Geotechnical Seminar on Deep Foundations on Augered and Bored Piles Ghent, 7–10 June 1988.

[5]        Martin Larisch (2014), “Behaviour of stiff, fine-grained soil during the installation of screw auger displacement piles”, Thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy at The University of Queensland, Geotechnical Engineering Centre.

[6]        Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9393:2012 “ Cọc – phương pháp thí nghiệm bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục”.

[7]        Plaxis 2D, “Tutorial Manual” , 2015.

[8]        Bauer Spezialtiefbau GmbH, brochure 05/2012.

[9]        Van Impe, WF (1988), ‘Consideration on the continuous flight auger pile design’, Proceedings of the 1st International Geotechnical Seminar on Deep Foundations on Augered and Bored Piles, Ghent, 7–10 June 1988.

[10]       Reese, L. C., and O’Neill M. W. (1988). “Continuous Flight Auger: Construction Procedures and Design Methods” FHWA-HI-88-042, Federal Highway Administration, Washington, D.C.

[11]       O’Neill, M. W, Tan. F, (1999)  “Axial Performance of Continuous Flight Auger Piles for bearing,” Final report to the Texas Department of  Transportation, Report No. 7-3940-2, August.

[12]       Vipulanandan, C., Kim, M.G., and O’Neill, M.W.(2004). “Axial Performance of Continuous Flight Auger Piles for Bearing”, Project Report No. 5-3940-2, Texas Department of Transportation.

[13]       AS2159-2009 , “Piling—Design and installation”, Standards Australia 2009, Sydney.

[14]       Tanusree Chakraborty, Rodrigo Salgado, Prasenjit Basu, Mônica Prezzi, (2013), “Shaft Resistance of Drilled Shafts in Clay”, Journal Of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering©Asce / April 2013.