CHƯƠNG VI: MÁY GIA CỐ NỀN MÓNG

§ 6.1. KHÁI NIỆM CHUNG

Cấu tạo của nền đất thường không đồng nhất và chỉ chịu được áp lực nhỏ, vì vậy trong công tác xây dựng cầu, đường.... thường phải xử lý nền móng trước khi xây dựng. Chi phí để xử lý móng chiếm một tỷ khá lớn so với tổng thành giá trị công trình. Hiện nay để gia cố nền móng của nhiều công trình xây dựng vừa kinh tế vừa đảm bảo độ bền vững của công trình là dùng phương pháp đóng, ép và hạ cọc.

Để thi công cọc đóng người ta dùng các thiết bị hạ cọc khác nhau có tên gọi chung là máy đóng cọc. Dựa trên nguyên lý hoạt động người ta phân loại máy đóng cọc như:

MÁY ĐÓNG CỌC CÓ NHỮNG BỘ PHẬN CHÍNH SAU ĐÂY:

- Máy cơ sở: Thường dùng cần trục xích hoặc máy đào một gầu, có khi chỉ dùng toa quay lắp trên giá di chuyển bằng bánh sắt đặt trên đường ray (h.5.1).

­- Đầu búa: là một khối nặng chuyển động lên - xuống nhiều lần theo một kết cấu đặc biệt nào đó để dẫn hướng (ống dẫn hướng, thanh dẫn hướng, gò dẫn hướng...). Chu kỳ làm việc của búa có hai bán kỳ: Chuyển động chậm dần của búa từ dưới lên trên và chuyển vào động nhanh dần từ trên xuống dưới để đập vào đầu cọc, truyền năng lượng cho cọc.

- Giá búa: Là giàn không gian cấu tạo từ những thanh thép ống và thép góc, dùng để dẫn hướng cho búa, giữa cọc ở vị trí cố định trên mặt bằng trong quá trình đóng cọc và đôi khi để đặt các thiết bị phụ kiện.

- Các thiết bị phụ kiện: Gồm có các tời nâng - hạ búa, nâng - hạ cọc, đối trọng giữ cho giá búa ổn định, động cơ các hệ thống cấp khí nén, cấp diện...

Trước khi đi vào tìm hiểu các loại búa, chúng ta cần xem xét các loại giá búa - một bộ phận quan trọng của máy đóng cọc.

§ 6.2. GIÁ BÚA

Giá búa dùng để nâng, dựng và giữ cọc đúng vị trí thiết kế và đúng góc nghiêng cần thiết, gá lắp búa lên cọc, dẫn hướng cho búa trong khi đóng cọc, và di chuyển thiết bị đóng cọc trong phạm vi mặt bằng thi công.

Giá búa có những thông số chính sau đây:

- Sức nâng Q (trọng lượng tổng cộng của búa, mũ cọc và cọc)

- Độ cao giá búa H (khoảng cách theo phương thẳng đứng từ mặt đất tới trục quay của ròng rọc trên đỉnh giá búa);

- Tầm với R (khoảng cách từ tâm quay của giá búa tới trục thẳng đứng đi qua tim cọc).

- Góc nghiêng dọc a và góc nghiêng ngang b của giá búa (góc giữa trục dọc của giá búa và đường thẳng đứng đi qua điểm hạ cọc trong hai mặt phẳng đứng đi qua điểm này).

Các thông số trên và các thông số khác của giá búa đều có ghi trong hồ sơ các đặc tính kỹ thuật của giá búa.

Hình 6.1: Cấu tạo chung của máy đóng cọc đặt trên đường ray:1 - Khung dưới; 2 - Bánh sắt; 3 - Giá búa; 4,5 - Cơ cấu điều chỉnh giá búa; 6 - toa quay

I. PHÂN LOẠI GIÁ BÚA

1. Theo công dụng: Giá búa được chia làm ba nhóm:

- Giá búa:

a. Giá búa vạn năng: có thể quay tròn 3060, thay đổi được tầm với R và các góc nghiêng a và b, trên giá búa có lắp búa để đóng cọc đứng và cọc nghiêng.

b. Giá búa nửa vạn năng: có thể quay tròn 3600, thay đổi được tầm với R và các góc nghiêng a và b, nhưng trên giá búa chỉ lắp được búa đóng cọc đứng , không đóng được cọc nghiêng.

c. Giá búa đơn giản: không quay được, không thay đổi được tầm với R và các góc nghiêng a và b, chỉ lắp được búa đóng cọc đứng.

2. Theo khả năng di chuyển: Có ba loại giá búa

a. Giá búa tĩnh tại: là kiểu giá búa thô sơ nhất, đặt trên khung thép, chuyển vị trí bằng cách thủ công, chỉ dùng đóng cọc đứng.

b. Giá búa lưu động: có cơ cấu di chuyển trên ray và cơ cấu quay, thay đổi được các thông số R, a và b.

c. Giá búa tự hành: là giá búa vạn năng lắp trên giá xe chuyên dùng, di chuyển bằng bánh xích, hoặc giá búa vạn năng đặt trên máy kéo bánh xích hoặc máy xúc một gầu bánh xích.

II. GIÁ BÚA DI CHUYỂN TRÊN RAY:

Các loại giá búa lưu động sử dụng trong ngành xây dựng là giá búa vạn năng hoặc nửa vạn năng dẫn động điện hoặc điện kết hợp với hệ thống thuỷ lực, di chuyển trên đường ray chuyên dùng. Nhiều bộ phận trong giá búa lưu động trên ray cùng chủng loại với các bộ phận trong cần trục tháp, có thể lắp vẫn lẫn được.

Trên hình 6.1 trình bày cấu tạo của giá búa vạn năng. Đường ray, cơ cấu di chuyển 2, cơ cấu quay 6 và tời kéo cọc và nâng - hạ búa cùng chủng loại với các bộ phận tương tự của cần trục tháp cùng cỡ. Trên bàn quay, ngoài tời và đối trọng, có dàn thép với các thanh liên kết với nhau bằng các khớp bản lề, trên đó có các xi lanh thuỷ lực 4 và 5 (cơ cấu điều chỉnh giá búa) để điều chỉnh các thông số R, a và b của giá búa 3. Búa có thể là búa hơi, búa nổ hoặc búa rung.

Tầm với lớn nhất Rmax = 6,4m cho phép đóng được bãi cọc khá rộng trên một tuyến ray của giá búa.

Giá búa trên cơ sở cần trục đi trên đường ray trình bày ở hình 6.2. Giá búa kiểu này dùng để đóng cọc dài không quá 12m. Giá búa 2 được giữ bằng cáp treo của cần trục 1 và thanh giằng 3 có chiều dài thay đổi dễ dàng để điều chỉnh góc nghiêng b của giá búa 2 và cọc 4. Trong khi thi công giá búa tỳ vào bệ 6 trên mặt đất, búa 5 nhờ có bộ phận dẫn hướng nên có thể đóng được cọc nghiêng.

Hình 6.2: Giá búa trên cơ sở cần trục đi trên ray

Trong trường hợp cần đóng một số lượng lớn cọc tập trung người ta sử dụng loại búa kiểu cầu có năng suất cao. Các bộ phận chính của giá búa kiểu cầu gồm có:

- Giàn thép có dạng tương tự như cần trục con dê (xem chương VIII) di chuyển trên hai thanh ray đặt dọc theo bãi cọc.

- Xe đặc biệt có bộ phận nâng - kéo cọc và búa, có thể di chuyển theo giàn thép trên (theo chiều ngang bãi cọc).

Các bộ phận điều khiển chuyển động của giàn thép và xe đóng cọc được ghép vào một mạng điện chung có hệ thống điều chỉnh toạ độ của xe đóng cọc một cách tự động hoặc bán tự động theo chương trình. Điều này cho phép đóng cọc chính xác ở bất kỳ vị trí nào trên bãi cọc.

III. MÁY ĐÓNG CỌC TỰ HÀNH

Máy đóng cọc tự hành là giá búa (có búa kèm theo) lắp trên máy kéo bánh xích, máy xúc một gầy hoặc giá xe ô tô tải. Các thiết bị đóng cọc kiểu này có tính độc lập về nguồn năng lượng, độ cơ giới hoá cao trong các thao tác phụ, tương đối cơ động và linh hoạt.

1. Máy đóng cọc tự hành trên cơ sở máy kéo bánh xích

Dùng để đóng cọc dài không quá 12m và có cấu tạo như trên hình 6.3.

Hoạt động: Khung 2 cùng giá búa 5 có thể quay trong mặt phẳng đứng quanh khớp bản lề ở tai 1 về phía sau hoặc về về phía trước (như trên hình vẽ là lệch sang trái - sang phải tới 50 nhờ hai xi lanh thuỷ lực 7 (hai xi lanh 7 còn dùng để chuyển toàn bộ thiết bị công tác về tư thế lưu động trên đường - đặt giá búa 5 nằm ngang trên nóc máy kéo)). Cọc được kéo bằng dây cáp có móc, lắp dựng đúng vị trí nhờ cần 3 điều khiển bằng xi lanh thuỷ lực 6 (khi đóng cọc thì xi lanh 6 ở vị trí thẳng đứng, cần 3 và xi lanh 6 nằm gọn trong lòng giá búa).

Hình 6.3: Máy đóng cọc tự hành: a) Sơ đồ cấu tạo; b) Sơ đồ mắc cáp:1 - tai có khớp bản lề; 2 - khung đỡ giá búa; 3 - cần điều chỉnh; 4 - búa nổ; 5 - giá búa; 6,7,8 - xi lanh thuỷ lực; 9 - Máy kéo cơ sở .

Hai tổ hợp ròng rọc động cơ cấu nâng - hạ búa và nâng - hạ cọc gắn vào đầu piston của hai xi lanh thuỷ lực 8 luôn nằm ngang (khi piston dẩy dài sang phải thì cọc hoặc búa được nâng lên - xem sơ đồ luồn cáp của hai cơ cấu trên hình 6.3.b)

Ngoài chuyển động quay sang trái - sang phải tới 50 cùng khung 2, giá búa 5 còn có thể trượt lên - xuống theo các thanh nghiêng của khung 2 (nhờ xi lanh thuỷ lực không trình bày trên hình vẽ), tức là chuyển động tịnh tiến theo trục dọc của máy kéo. Các xi lanh thuỷ lực của thiết bị đóng cọc hoạt động nhờ hệ thống thuỷ lực của máy kéo cơ sở.

2. Máy đóng cọc tự hành trên cơ sở máy xúc một gầu:

Có thể đóng cọc dài tới 20m, cấu tạo như sau (h.6.4.)

Hoạt động: Bằng cách thay đổi góc nghiêng cần 3 và độ dài thanh 6 có thể điều chỉnh giá búa 2 nghiêng về 4 phía tới 50 so với đường thẳng đứng. Ngoài ra, cọc có thể xoay sang trái hoặc sang phải tới 22030’ so với giá búa nhờ bộ phận kẹp cọc được gắn với giá búa bằng khớp bản lề. Những đặc điểm trên đây của giá búa kết hợp với khả năng quay sang 3600 của máy cơ sở cho phép đóng cọc được nhiều cọc thẳng hàng trong phạm vi tầm với của giá búa (Rmax = 4 ¸ 6m) từ một vị trí đứng của máy cơ sở.

Hình 6.4: Máy đóng cọc tự hành trên cơ sở máy xúc một gầu:1 – máy xúc 01 gầu dẫn động cơ khí; 2 – giá búa; 3 – cần; 4 – cọc cần đóng; 5 – búa; 6 – thanh giằng; 7 – cáp nâng hạ búa; 8 – cáp điều khiển góc nghiêng cần 3.

IV. BÚA DIESEL (búa nổ)

            Nhược điểm chung của các loại búa hơi là cồng kềnh do cần có máy nén khí, bình chứa khí nén, các đường ống dẫn khí nén... và lực đóng cọc chủ yếu là trọng lực của búa nên búa phải to và nặng. Để khắc phục nhược điểm này, hiện nay trong ngành xây dựng sử dụng các loại búa khác gọn hơn, thao tác đơn giản hơn, trong đó có búa nổ.

Búa nổ là thành phần chính của loại máy đóng cọc mà trong đó giá búa và động cơ diesel được kết hợp với nhau thành một cụm máy thống nhất. Bản thân búa chính là một nửa của động cơ diesel (hoặc là xi lanh hoặc piston), còn nửa kia được lắp trên đầu cọc. Vào thời điểm búa rơi xuống đầu cọc  thì hai nửa động cơ tạo thành buồn đốt kín và một lượng dầu nhất định được bơm vào trong đó. Năng lượng rơi tự do của búa nén hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt tới áp suất và nhiệt độ cao gây nổ. Năng lượng nổ cùng một lúc ấn cọc xuống đất và hất tung búa lên cao. Đến một độ cao nào đó búa dừng lại rồi rơi xuống... và cứ thế toàn bộ quá trình lặp lại từ đầu và diễn ra liên tục cho tới khi người điều khiển khoá van bơm dầu lại.

Hình 6.5: Búa Diesel (búa nổ): a) loại cọc dẫn; b) loại ống dẫn

Ưu điểm nổi bất của búa nổ so với búa hơi là gọn, dễ vận chuyển, thao tác đơn giản hơn. Bên cạnh đó búa nổ cũng có một nhược điểm:

- Không nổ được khi đóng cọc ở nơi đất quá mềm (khi búa rơi xuống thì cọc tụt xuống ngay, không kịp nén nhiên liệu);

- Chỉ có 40 ¸ 50% động năng va đập được truyền xuống đầu cọc, còn 50 ¸ 60% động năng hao phí vào việc nén nhiên liệu;

- Tần số đóng cọc chậm hơn;

- Sử dụng nhiên liệu đắt tiền (dầu diesel)

Búa nổ có hai loại:

- Búa nổ cọc dẫn: có hai cọc dẫn hướng cho xilanh lên - xuống đúng vị trí của piston trên đầu cọc.

- Búa nổ ống dẫn: xilanh đặt trên đầu cọc, piston lên - xuống trong lòng xilanh.

1. Búa nổ ống dẫn:

a. Phạm vi sử dụng: dùng để đóng ống thép, cọc bêtông cốt thép loại vừa và nặng (mcọc£ 13.000kg; Lcọc £ 25m; tiết diện cọc tới 45x45cm).

a. Các thông số: Trọng lượng búa: m­XL= 500 ¸ 5.000 kg; Tỉ số nén: e = 15; áp suất trong buồng khi nổ: p = 7 ¸ 8 Mpa; hiệu suất búa: h = 0,6 ¸ 0,65; độ cao nhảy búa: Hmax = 2,8 ¸ 3,0m; tần số đóng cọc: f = 43 ¸ 55 phút-1.

b. Cấu tạo: Trên hình 6.5.b là cấu tạo của búa nổ ống dẫn. Có phần va đập là piston - đầu búa 22 trượt trong xilanh dẫn hướng 21. Phần bệ 17 nằm trong xilanh có lỗ hõm hình bán cầu. Piston 22 làm nhiệm vụ đầu búa, phía trên có bộ phận bôi trơn tự động, phía dưới có phần lồi ra hình bán cầu tương ứng với phần lõm của bệ 17. Búa được định tâm với cọc bởi đinh vấu 16. Khi khởi động, cáp 8 kéo móc 20 đưa đầu búa lên cao, sau đó thả cho piston 22 rơi tự do dọc theo xilanh; piston ép vào đòn bơm 23, mở bơm 14 làm dầu từ bình dầu 19 được bơm vào xilanh hoà trộn với không khí chảy vào phần lõm của bệ 17.

Piston tiếp tục đi xuống che kín lỗ thoát khí 18 làm không khí bị nén tới áp suất và nhiệt độ cao. Khi phần lồi của piston 22 đập vào phần lõm của bệ búa 17 thì thực hiện đóng cọc đồng thời làm cho dầu bắn tung toé dưới dạng sương mù, gặp không khí có áp suất cao và nhiệt độ cao, nó tự bốc cháy đẩy tung piston lên. Khí cháy trong xilanh được thoát ra ngoài qua lỗ 18. Khi piston hết đà quán tính thì nó rơi xuống và tiếp tục một chu kỳ làm việc mới, mỗi lần piston hết đà quán tính thì nó rơi xuống và tiếp tục một chu kỳ làm việc mới, mỗi lần piston rơi là một lần cọc được đóng sâu vào trong nền đất. Quá trình làm việc của búa diesel loại ống dẫn được thể hiện trên hình 6.6.

Hình 6.6: Quá trình làm việc của búa Diesel loại ống dẫn (loại song động):

a) nâng búa; b) thả búa; c) đập vào đe làm toé dầu & sinh công lần 1; d) nổ hất tung búa lên & sinh công lần 2

2. Búa nổ cọc dẫn:

a. Phạm vi sử dụng: dùng để đóng ống thép, cọc gỗ và cọc bê tông cốt thép loại nhẹ (mcọc £ 550kg) xuống nền đất mềm và đất trung bình.

b. Các thông số: Trọng lượng búa: m­XL= 140 ¸ 2.500 kg; Tỉ số nén: e = 15 ¸ 32; áp suất trong buồng khi nổ: p = 6 ¸ 7 Mpa; hiệu suất búa: h = 0,35 ¸ 0,40; độ cao nhảy búa: Hmax = 1 ¸ 2,6m; tần số đóng cọc: f = 50 ¸ 100 phút-1.

c. Hoạt động: (hình 6.5.a) có hai cọc dẫn hướng 4 liên kết với đáy 2 được đúc liền với piston 12. Khối đáy piston tỳ lê bệ búa 1 kẹp cọc 15. Xilanh 10 trượt theo hai cọc đồng thời làm nhiệm vụ đầu búa. Phía trên cọc là xà ngang 7 có cáp treo 8, móc khởi động 6 và đòn điều khiển móc 9. Khi thả cáp rơi xuống dọc theo hai cọc dẫn, móc 6 tự động móc vào chốt 5, sau đó nâng cả xà ngang và xilanh đến vị trí trên cùng. Giật đòn 9, chốt 5 trượt khỏi móc 6, xilanh 10 rơi tự do theo hai cọc dẫn hướng chụp vào piston 12 để đóng cọc và nén không khí trong buồng xilanh. Khi đạt tới áp suất và nhiệt độ cao, đồng thời chốt 11 đánh vào đòn 14, dấu được phun vào trong buồng xilanh dưới dạng sương mù, gặp không khí ở nhiệt độ cao và áp suất cao tự bốc cháy (nổ) sinh ra áp lực đóng cọc xuống đồng thời đẩy tung xilanh lên. Khi hết đà, xilanh (đầu búa) lại rơi xuống tiếp tục nén khí, đóng cọc, nổ,…cứ như vậy sau mỗi lần rơi xuống, cọc được đóng sâu xuống đất.

Khi dùng các loại búa va đập để đóng cọc cần phải tính chiều cao rơi phù hợp với vật liệu và tiết diện cọc:

Hmax =

trong đó:           s- cường độ của cọc, N.m2;

F- tiết diện cọc, m2;

l- chiều dài cọc, m;

E- modul biến dạng của cọc, N/m2;

Q- trọng lượng đầu búa.

Nhưng chiều cao của búa được chọn theo quan hệ: H £ Hmax.

So với loại cọc dẫn thì búa nổ ống dẫn có những ưu điểm sau:

- Kết cấu đơn giản hơn, không cần bơm cao áp phức tạp;

- Độ tin cậy cao hơn, tuổi thọ dài hơn (vì ít chi tiết hơn);

- Hiệu quả đóng cọc cao hơn (mỗi nhát búa đóng cọc được hai lần), do đó nếu trọng lượng búa và các điều kiện khác như nhau thì búa nổ ống dẫn có thể đóng được cọc nặng gấp 2¸3 lần so với loại búa nổ cọc dẫn.

- Lực đóng cọc lớn hơn (tới 150 tấn).

V. BÚA RUNG:

1. Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý làm việc của búa rung là lợi dụng rung gây rung do trục lệch tâm hay đĩa lệch tâm sinh ra để truyền vào cọc. Khi bộ phận này làm việc, cọc dao động rất nhanh theo chiều dọc cọc (tần số f = 400 ¸ 2.500 phút-1, biên độ A = 10 ¸ 35mm), truyền dao cho đất, phá huỷ mối liên kết giữa các phần tử đất làm cho lực ma sát giữa cọc và đất giảm đi nhiều lần. Kết quả là cọc tự lún đất nhanh gấp 2,5 ¸ 3 lần so với cách đóng cọc bằng búa tự nổ.

2. Phân loại:

Búa rung được chia thành ba loại sau:

- Búa rung tần số thấp (nối cứng);

- Búa rung tần số cao (nối mềm);

- Búa va rung.

3. Cấu tạo: Búa rung nối cứng (h.6.7.a) có tần số dao động thấp (f = 300 ¸ 700ph-1) và biên độ dao động (A = 20 ¸ 35mm); búa rung nối mềm - f = 1.500 ¸ 2.500ph-1 và A = 10 ¸ 14mm (h.6.7.b) và búa va rung - f = 500ph-1 (h.6.7.c).

Hình 6.7: Sơ đồ cấu tạo các loại búa rung: a) Búa rung nối cứng; b) búa rung nối mềm:  1 - động cơ điện; 2, 3 - đĩa lệch tâm với cục lệch tâm; 4 – giá kẹp cọc;  c) búa va rung: 1 – vỏ; 2 - cục lệch tâm; 3 – búa; 4 – đe; 5 – lò xo; 6 - giá kẹp cọc

4. Hoạt động: Búa rung được gắn lên đầu cọc bằng cần trục (thường là cần trục tự hành). Giá kẹp đầu trên của cọc có thể điều chỉnh khoảng cách giữa hai má bằng các bu lông dài cho vừa cỡ cọc. Khi chi điện chạy vào động cơ thì các bánh gây lực văng quay ngược chiều nhau (trục của các bánh này ăn khớp trực tiếp với nhau bằng một cặp bánh răng trụ). Lực văng xuất hiện vào hai thời điểm: khi các bánh lệch tâm cùng hướng xuống dưới. Lực văng tổng hợp sẽ lần lượt ấn cọc xuống - nhổ cọc lên - ấn cọc xuống…liên tiếp và rất nhanh (các thông số f và A của từng loại búa rung đã nêu ở trên). Khi quay theo các chiều khác nhau các đĩa lệch tâm sẽ gây ra lực rung:

F=

trong đó: G- trọng lượng khối lệch tâm, N;

g- gia tốc trọng trường (º 9,81m/s2);

w = p.n/30 - vận tốc góc trục đĩa lệch tâm, s-1; n - số vòng quay của trục lệch tâm trong một phút;

e- độ lệch tâm, m.

Loại “b” nhờ có bốn lò xo 5 nên đỡ hại động cơ hơn laọi “a”, các lò xo này làm giảm biên độ A, nhưng lại tăng tần số rung f, kết quả là hiệu quả hơn loại “a”.

Loại “c” có hiệu quả cao nhất trong ba loại búa rung. ở loại búa rung này các bánh gây văng được lắp trực tiếp trên trục của hai động cơ điện giống hệt nhau (không thể hiện trên hình vẽ), nhưng quay ngược chiều nhau (nhờ đầu dây ngược dấu nhau). Ngoài tác động rung, loại búa va rung còn sử dụng năng lượng va đập của búa 3 và 4 cứ hai lần rung thì một lần đập).

5. Phạm vi sử dụng:

- Búa rung nối cứng: dùng để đóng ống bê tông cốt thép và cọc bê tông cốt thép có tiết diện lớn và ngắn (£ 12m) xuống đất mềm và ướt;

- Búa rung nối mềm: dùng để đóng ống thép và cọc bê tông cốt thép nhỏ và dài (tới 20m) xuống đất mềm;

- Búa va rung: dùng để đóng ống thép và cọc bê tông cốt thép các loại xuống đất cứng đất dính.

6. Ưu, nhược điểm của búa rung: So với các loại búa khác (búa hơi, búa lực, búa nổ) thì búa rung có những ưu – nhược điểm chung sau đây:

* Ưu điểm:

- Năng suất cao (trung bình 3 lần búa nổ và búa hơi);

- Các thao tác đơn giản, thuận tiện hơn nhiều;

- Không hề làm hư hại cọc.

* Nhược điểm:

- Không dùng được ở những nơi đất quá cứng, quá dính;

- Động cơ điện chóng hỏng do bị rung nhiều.

VI. BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC

Hình 6.8: Sơ đồ cấu tạo búa thuỷ lực loại song động.

1 - đế búa; 2 – thân búa; 3 - đầu búa; 4 – thanh đẩy piston; 5 – khoang dưới piston; 6 – piston; 7 – van một chiều; 8 – van phân phối; 9 - khoang trên piston; I ống dẫn vào; II - ống dẫn ra

1. Khái niệm: Búa đóng cọc thuỷ lực làm việc dưới tác dụng của chất lỏng công tác có áp suất lớn từ 10 đến 16Mpa (100 – 160 kg/cm2). Việc phân bố chất lỏng trong khi làm việc được tự động hóa. Các búa thủy lực có thể đạt tới năng lượng va đập từ 3,5 – 120Kj, tần số va đập f = 50 – 170ph-1, khối lượng đầu búa 210 -7500kg. Loại búa này khi làm việc không gây ô nhiễm môi trường như búa diesel, dễ khởi động ngay cả khi làm việc trên đất mềm.

2. Phân loại: Búa đóng cọc thủy lực có hai loại là búa đơn động và búa song động. Trong loại búa đơn động chất lỏng chỉ làm nhiệm vụ nâng đầu búa lên cao sau đó để rơi tự do. Còn loại búa song động thì chất lỏng làm cả hai nhiệm vụ kể trên (nâng đầu búa lên cao và đẩy cho rơi có gia tốc), loại này có ba loại là cỡ nhỏ, vừa và cỡ lớn.

3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Sau đây ta xét đến loại thông dụng là búa song động (hình 5.8). ở hình 6.8.a đầu búa song động ở vị trí thấp, chất lỏng công tác có áp suất từ ống I chảy vào khoang 5 dưới piston, đẩy piston và cán piston mang đầu búa đi lên. Trên hình 6.8.b van phân phối làm việc tự động nhịp nhàng với piston, để khi piston và đầu búa ở vị trí trên thì chất lỏng công tác được dẫn vào khoang 9 ở trên piston, đẩy piston đi xuống, chất lỏng từ khoang 5 qua ống ra II về bình chứa.

VII. Hiệu quả đóng cọc

Hiệu quả đóng cọc phụ thuộc vào nhiều yếu tố có tính chất khác nhau, nhưng nếu chỉ xét đến các thông số của quy trình công nghệ đóng cọc thì phụ thuộc vào ba yếu tố. Chỉ khi đảm bảo thỏa mãn được cả ba yếu tố này thì quá trình đóng cọc mới diễn ra bình thường.

1. Quan hệ giữa trọng lượng búa và cọc: phải đảm bảo mbúa = (0,4 ¸ 2,0).mcọc

Búa quá nhẹ thì đóng cọc chậm, búa quá nặng sẽ làm hỏng đầu cọc, thậm chí gẫy cọc.

2. Vận tốc tức thời của búa khi đập vào đầu cọc: vbúa  £ 6m/s.

Nếu vận tốc búa quá lớn sẽ làm vỡ đầu cọc.

3. Tần số đóng cọc: f ³ 30 phút.

Nếu f quá nhỏ thì cọc đã dừng hẳn lại trước khi bị đóng nhát tiếp theo và một phần năng lượng đáng kể của nhát búa bị hao phí vào việc khắc phục sức ỳ của cọc đứng yên.

§ 6.3. MÁY KHOAN CỌC NHỒI

I. KHÁI NIỆM

Những năm gần đây ở nước ta do nhu cầu xây dựng cầu và các công trình nhà cao tầng cũng như việc xây dựng trong các đô thị tăng cao. Việc gia cố nền móng bằng các loại búa gây ô nhiễm rất nhiều trong nội thành (tiếng ồn, khói thải diesel…), năng suất và hiệu quả không cao, cũng như không đóng được những cọc lớn. Vì vậy việc sử dụng cọc nhồi trở nên phổ biến. Nguyên lý làm cọc nhồi là tạo nên những lỗ cọc trong nền đất sau đó rót trực tiếp vật liệu (bê tông, bê tông cốt thép, cát…) vào những lỗ đó tạo thành cọc.

Như vậy cọc được chế tạo tại chỗ không mất công vận chuyển cọc chế tạo sẵn ở nơi khác đến, đỡ tốn kém hơn. Ngoài ra, với cọc chế tạo sẵn đôi khi phải mất công nối hoặc cưa cắt trong và sau khi đóng cọc trên cọc nhồi mang lại hiệu quả kinh tế – kỹ thuật rõ rệt so với các phương pháp đóng cọc khác.

II. PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO:

Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ cho cọc nhồi hiện nay cũng rất đa dạng:

- Loại sử dụng ống kim loại có đường kính tới 50cm và dài tới 22m đóng vào nền đất tạo thành cọc, sau đó rót vật liệu tạo cọc. ống kim loại có thể để lại hoặc rút khỏi nền đất. Trình tự thi công được thể hiện trên hình 6.9.

- Loại làm lỗ cọc bằng các thiết bị khoan khác nhau; khoan xoắn ruột gà, khoan xoay, khoan va đập, khoan rung, khoan ấn, hút,… Các loại máy và thiết bị khoan cọc nhồi có đường kính tới hơn 2m và chiều sâu tới 200 – 300m, khi dùng nguyên lý va đập, các loại máy khoan ấn thủy lực cho phép khoan cả tầng lẫn đá có độ bền cao. Sau khi chuẩn bị xong lỗ khoan người ta thả cốt thép và đổ bê tông đúc cọc. Trên hình 6.10 là thí dụ trong những quy trình thi công khoan cọc nhồi.

Hình  6.9: Nguyên lý khoan bằng ống kim loại:

a) Trình tự thi công cọc nhồi bằng ống kim loại: I – chuẩn bị cọc; II & III đóng cọc và đế cọc vào nền đất; IV – rút ống kim loại đổ bê tông & đầm chặt; V – Cọc nhồi sau khi rút ống kim loại lên (1 – búa; ống dẫn hướng búa; 3 – ống kim loại và đế cọc). b) Cấu tạo cọc nhồi: 1 - đế cọc; 2 – bê tông; 3 – cốt thép.

1. Máy khoan cọc nhồi kiểu xoắn ruột gà:

Cấu tạo gồm máy bánh xích cơ sở 12 (h.6.11.), đỡ trụ khoan 2. Trên đầu trụ có thanh ngang đầu trụ 3, cụm dẫn động gồm động cơ thủy lực qua rotor – hộp giảm tốc làm quay cần khoan 6 và ruột gà 8 theo hướng bệ dẫn 9. Cơ cấu công tác có thể thay đổi (ruột gà, gầu ngoạm, đầu khoan kiểu rotor…) tạo ra các loại máy khoan khác nhau.

2. Máy khoan cọc nhồi ống vách kiểu dao động: (h.6.12)

Nguyên lý hoạt động của loại này như sau: ống vách với chân cắt (h.6.12.b) phía dưới được kẹp chặt và xoay dao động (± 250) bởi các xilanh thủy lực với mômen xoắn từ 1600 đến 8350 KN.m, lực ép từ 1530 đến 7250KN (loại VRM của Đức).

Nhờ đó, các ống vách (h.6.12.c) nối liên tiếp với nhau bởi các khớp nối đặc biệt sẽ khoan dần tới độ khoan sâu cần thiết (tới 75m). Lực ép thẳng đứng và mômen dao động có thể điều chỉnh hoặc giữ không đổi trong quá trình khoan. Đồng thời với quá trình khoan của ống vách, đất đá được lấy ra khỏi lỗ khoan nhờ gầu ngoạm rơi đặc biệt. Khi gặp đá cứng trên 45Mpa (có thể tới 250MPa), có thể dùng búa rơi để phá vỡ nát đá trước khi gầu ngoạm đất đá ra ngoài). Loại máy này rất phù hợp khi thi công trên nền địa chất phức tạp, có thể thi công ngay mà không cần chờ kết quả khảo sát địa chất, không cần xử lý khoan bằng bentonite tốn kém. Theo nguyên lý khoan bằng ống vách, lực khoan cắt đá đều theo phương tiếp tuyến nên răng ít bị hỏng hơn so với mũi khoan ruột gà (lực cắt thay đổi từ tâm mũi khoan ra ngoài theo phương hướng kính nên mũi khoan ruột gà dễ bị gãy khi gặp đá cứng).

Hình 6.10: Trình tự  khoan cọc nhồi:

a) khoan lỗ; b) khoet rộng đáy lỗ khoan; c) đặt giá đỡ; d) đặt ống và phễu rót bê tông; e) rót bê tông; g) rút ống, phễu rót bê tông & giá đỡ; h) hoàn thành cột

3. Máy khoan cọc nhồi kiểu quay tròn

Khác với máy khoan vách ống dao động ở chỗ vách xoay tròn 360o theo một chiều nhất định với mômen xoay từ 1850 đến 4200 K.N.m và lực ép từ 1890 đến 3750 KN (loại RDM của Đức). Loại này do xoay tròn liên tục nên có độ khoan nhanh hơn, đặc biệt khi khoan qua tầng đá độ ma sát trên ống vách nhỏ hơn đáng kể. Ngoài ra do xoay theo một chiều nên răng cắt ít bị mòn hơn (h.6.13).

4. Máy khoan tường vách: (hình 6.14)

Dùng để khoan tường vách dạng rãnh được khoan đào bằng gầu ngoạm với lực ép rất lớn. Bề dày mặt tường vách có thể khoan từ 400 ¸ 1500mm. Loại này thường sử dụng trong các trường hợp không sử dụng cọc làm nền móng để tránh choán chỗ.

Hình 6.11: Máy khoan cọc nhồi kiểu ruột gà: 1 – cáp nâng; 2 – trụ khoan; 3 – thanh ngang; 4, 5 – cụm dẫn động; 6 – cần khoan; 8 – ruột gà; 9 – bệ dẫn; 10 – bệ tỳ; 11 – thanh gá đỡ; 12 – máy cơ sở

Hình 6.12: Máy khoan ống vách kiểu dao đông: a) cụm công tác: 1 – máy cơ sở; xi lanh xoay dao động; 3 – xi lanh ấn; b) chân cắt; c) ống vách

Hình 6.13: Máy khoan cọc nhồi kiểu quay tròn: : 1 – máy cơ sở; 2 – trụ khoan; 3 - cáp nâng; 4 – thanh ngang; 5 – cần khoan; 6 – cụm dẫn động; 7 – đầu cắt

Hình 6.14: Máy khoan tường vách: 1 – máy cơ sở; 2 – cáp nâng; 3 – gầu ngoạm

§ 6.4. MÁY ÉP CỌC

I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ÉP CỌC.

            Sử dụng cọc đúc sẵn có ưu điểm là:

            + độ tin cây cao;

            + Chất lượng cọc hoàn toàn kiểm tra được rễ dàng trước khi đóng hoặc ép;

            + Sức chịu tải cao do đất xung quanh cọc bị nén chặt do đóng hoặc ép;

            + Tốc độ thi công nhanh do cọc đã được đúc sẵn.

            Nhược điểm của máy đóng cọc là trong quá trình thi công gây chấn đông ảnh hưởng đến các công trình lân cận, mặt khác còn gây tiếng ồn và khí thải làm ô nhiễm môi trường.

            Để khắc phuc những nhược điểm trên người ta sử dụng công nghệ ép cọc.

            Công nghệ ép coc là: Cọc đúc sẵn được hạ vào trong lòng đất từng đoạn một bằng kích thuỷ lực có đồng hồ đo áp lực để: Khống chế tốc độ xuyên của cọc; xác định được áp lực ép trong từng độ sâu quy định; xác định được sức chịu tải của cọc qua áp lực ép cuối cùng.

II. PHÂN LOẠI MÁY ÉP CỌC

            Dựa trên giải pháp thi công người ta chia thành 02 phương án công nghệ ép cọc:

            ép cọc trước là phương án ép cọc xong mới thi công đài cọc và móng. Đi cùng với công nghệ này là:

            + Máy ép cọc dùng đối trọng (hình 6.15 - loại này hiên nay được sử dụng rất phổ biến, ta sẽ nghiên cứu sâu ở phần sau);

            + Máy ép cọc dùng neo kiểu ruột gà (loại náy sử dụng cho các công trình dân dụng  nhỏ, khả năng chịu tải của cột ép không lớn lắm – Kích thuỷ lực tựa vào neo kiểu ruột gà được khoan bám sau vào nền đât );

            Máy ép cọc dùng neo bằng chính đài móng còn gọi là máy ép cọc sau  -  giải pháp công nghệ này là: thi công các bản móng trước với thiết kế đặc biệt có để sẵn các lỗ chờ ép cọc và neo để máy ép cọc neo vào.

Hình 6.15: Sơ đồ máy ép cọc dùng đối trọng:

1 – cọc ép; 2 – khung dẫn hướng di động; 3 - khung dẫn hướng cố định; 4 kích thuỷ lực (02 XLTL); 5 - đối trọng; 6 – ống dẫn dầu thuỷ lực; 7 –  khung chính và phụ; 8 – cần trục ô tô

III. CẤU TẠO, HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CẦN BIẾT CỦA MÁY ÉP CỌC

            1. cấu tạo chung của máy ép cọc:Máy ép cọc nói chung có cấu tạo gồm 03 cụm chính sau:

            + Giá kích gồm: khung chính; khung phụ; khung dẫn hướng cố định và di đông;

            + Kích thuỷ lực (các xi lanh thuỷ lực) có 02 loại: kích đơn (ép đỉnh cột); kích đôi (ép hai bên cột);

            + Đối trọng hoặc neo.

            2. cấu tạo máy ép cọc dùng đối trọng:

Hình 6.16: Cấu tao máy ép cọc dùng đối trọng:

Trong đó: 1 – giá dẫn hướng di động: giàn thép hàn với bốn cạnh là sắt chữ “V” lồng vào bốn cạnh của khung dẫn hướng cố đinh và di chuyển dọc theo nó. Ba mặt của khung có các thanh chống ngang để chặn đầu cột còn mặt trước để chống với mục đích đưa cột vào. 2 – thanh chặn cột; 3 – cột bê tông; 4 – khung dẫn hướng cố định: giàn thép hàn với bốn cạnh là sắt chữ “V” ôm ngoài bốn cạnh của khung dẫn hướng di động,  đế 6 của nó ghép cố định với khung phụ 7 bằng bu lông và ê cu, phần trên của đế được ghép kiểu bản lề với kích thuỷ lực; 5 – kích thuỷ lực 02 chiếc, một đầu ghép cố định với khung dẫn hướng cố định còn đầu của cần piston ghép với đế 11 của khung dẫn hướng di động; 9 – khung chính liên kết với khung phụ bằng bu lông và ê cu; 10 – các miếng kê.

3. Hoạt động của máy ép cọc dùng đối trọng:

- Nhờ khung chính và khung phụ đều có rãnh cho phép khung phụ 7 có thể di chuyển dọc theo khung chính. Trên khung phụ cũng có các rãnh cho phép đế 6 của khung dẫn hướng cố định di chuyển dọc theo nó. Với kết cấu nói trên cho phép đóng nhiều cọc khác nhau với một vị trí cố định của khung chính.

- Trên hình 6.15, dùng cần trục ô tô đưa cột bê tông vào trong lòng khung dẫn hướng di động qua mặt trước. Dùng thanh chặn ngang 2 chặn đầu cột bê tông 3 với khung dẫn hướng di động 1. Điều khiển đẩy cần của kích thuỷ lực 5, khung dẫn hướng di động 1 di chuyển xuống dưới cùng với cột bê tông đã bị chẵn trên đầu ấn sau vào lòng đất.

- Khi đã hết hành trình của piston, điều khiển rút cần lại, khung dẫn hướng di động di chuyển theo còn cột thì ở lại, khi đã rút hết cần piston, bằng phương pháp thủ công đưa thanh chặn 2 về vị trí mới của đầu cột và lặp lại các thao tác như chu kỳ đầu, cứ như vậy cọc được ép vào lòng đất.

- Khi ép hết cọc, đưa đoan cọc mới vào và tiép tục ép tới độ sâu hoặc tải trọng theo thiết kế.

4. Những thông số kỹ thuật của máy ép cọc cần phải biết:

+ Lý lịch máy;

+ Lưu lượng dầu của máy bơm thuỷ lực;

+ áp lực dầu lớn nhất của máy bơm thuỷ lực kG/cm2;

+ Diện tích đáy của piston, cm2;

+ Hành trình của piston, cm;