Ta có thể mô tả công nghệ làm cọc nhồi một cách dễ hiểu như sau từ những cọc phát triển ở thuở ban đầu.
Trước tiên ta hạ ống chống vào trong đất, làm sạch đất trong ống; rồi đặt một khối lượng nhỏ thuốc nổ vào đáy lỗ sau đó, đổ bê tông xuống lỗ như hình 1a biểu thị. Đoạn tiến hành phá nổ làm cho đất ở đáy lỗ tạo nên một bầu rỗng lớn.
Như vậy bê tông lúc đó có thể tự động lấp đầy bầu rỗng để hình thành một chân cọc tương đối lớn, như hình 1d biểu thị. Bước tiếp theo là vừa rút ống lên, vừa đổ thêm bê tông xuống cho tới lúc lấp đầy hoàn toàn lỗ cọc thì thôi. Nếu ta làm cọc bê tông có cốt thép thì tốt nhất nên sử dụng phương pháp nén khí, nghĩa là chờ khi ống chống đưa xuống đất rồi và đặt xong cốt thép của cọc, ta có thể bố trí trên đỉnh cọc một loại thiết bị đặc chủng, làm cho trong quá trình đổ bê tông, luôn luôn bảo đảm duy trì một áp suất lớn nhất định trong ống như hình 1 e biểu thị. áp suất cao này không những có thể làm cho nước ngầm bị ép ra ngoài ống chống để cho các phần tử bê tông được nén chặt vào trong đất, mà còn có thể nhờ đó mà đẩy dần dần ống chống ra khỏi lỗ cọc.
Do những ưu điểm vốn có, nên đã có một thời trong xây dựng đô thị, người ta đã sử dụng phương pháp làm cọc đổ bê tông tại chỗ như trên để thi công móng nhà cửa và công trình.
Qua ví dụ trình bày ở trên đây, ta thấy một trong những biện pháp nâng cao sức chịu tải của cọc nhồi tính theo cường độ của đất nền là biện pháp mở rộng chân cọc. Việc mở rộng chân cọc có thể thực hiện được bằng nhiều phương pháp: phương pháp phá nổ như đã nói ở trên, phương pháp khoan kết hợp với sử dụng vữa đất sét dung dịch bentonit hoặc các phương pháp cơ học khác.
Trong hình 2, trình bày trình tự thi công mở rộng đáy lỗ bằng cách khoan có dùng dung dịch bentonit mà người ta thường gọi là cọc khoan nhồi. Việc thi công cọc nhồi theo phương pháp này không cần phải có ống dẫn và có thể khoan để tạo thành các cọc nhồi có đường kính từ 0,6 ~ 2,0m; sâu 6m. Do tác dụng của dung dịch bentonit mà thành hố khoan không bị sụt lở.
a. Khoan đến chiều sâu thiết kế; b. Đặt khung cốt thép; c. Đổ bê tông cọc; 1. Mũi khoan; 2. Cột chống có chân; 3. Cột khoan; 4. Cột khoan định hướng; 5. Máy bơm; 6. Phễu để đổ bê tông dưới nước; 7. Giá búa khoan.
Ngoài ra, dung dịch bentonit còn có tác dụng là giúp cho việc đưa đất đá vụn, mùn khoan lên khỏi mặt đất được dễ dàng. Khi đã khoan đến độ sâu thiết kế thì cho thiết bị cơ học xuống để mở rộng đáy lỗ tức chân cọc xem hình 2 sau đó, cho khung cốt thép vào lỗ khoan rồi đổ bê tông dưới nước.
Hình 3 trình bày sơ đồ tạo thành cọc mở rộng đáy lỗ theo nguyên tắc cơ học của M.X. Grutman Liên Xô.
Cọc Franki cũng là loại cọc có cấu tạo để mở rộng đáy lỗ. Hình 4 trình bày trình tự xây dựng cọc Franki. Cọc này được thi công bằng một ống dẫn vạn năng có đổ một khối bê tông khô cao từ 0,8~1,0m. Sau đó thả búa vào trong ống và đóng nhẹ để lèn khối bê tông sao cho ma sát của nó với thành trong của ống vượt quá cường độ của đất đối với ống bịt đầu. Lúc này khối bê tông khô có tác dụng như một cái nút và gọi là nút bê tông. Bằng cách đóng búa mạnh hơn vào nút bê tông thì ống dẫn được hạ sâu vào trong đất tới độ sâu yêu cầu. Do có khối bê tông khô mà nước ngầm không thể vào trong ống dẫn được. Khi hạ ống tới độ sâu yêu cầu rồi thì gắn chặt đầu trên của ống dẫn với giá búa và đóng búa mạnh thêm vào nút bê tông để tạo ra phần chân cọc mở rộng. Sau đó lấy búa ra rồi đặt khung cốt thép vào và vừa đổ bê tông, vừa rút ống dẫn lên và đầm bê tông bằng búa.
Thiết bị Benoto do hãng Benoto của Pháp là một dạng thiết bị có cấu tạo để mở rộng đáy lỗ kháo, hiện nay cũng được áp dụng rất rộng rãi tại nhiều nước Pháp, Đức, Nga và một số nước Âu Mỹ.
Đặc điểm nổi bật của thiết bị Benoto là việc hạ ống dẫn bằng kích thủy lực theo nguyên tắc vừa xoay đi xoay lại, vừa ấn xuống. ống được xoay đi xoay lại nhờ kích đặt theo phương nằm ngang. Lực tác động của các kích này truyền lên ống qua bộ múp xiết chặt lấy thân ống ở gần mặt đất xem hình 6. Việc ấn ống dẫn cũng được thực hiện bằng hai kích thủy lực khác đặt thẳng đứng và cũng truyền lực ép lên ống qua bộ múp đó. Do quá trình vừa xoay đi xoay lại, vừa ấn xuống như thế mà ống dẫn dần dần được hạ sâu xuống đất. Khi rút ống lên thì các kích nằm ngang vẫn làm việc như cũ; còn các kích thẳng đứng thì tạo ra các lực ngược chiều đẩy lên.
Vừa hạ ống dẫn vừa lấy đất ra bằng búa khoan kiểu gầu ngoạm Xem hình 7
Sau khi hạ ống dẫn tới độ sâu thiết kế thì tiến hành mở rộng chân cọc bằng thiết bị đặc biệt xem hình 8 rồi đổ bê tông tạo cọc giống như đối với cọc Franki.
Nhờ thiết bị Benoto, người ta có thể khoan được các lỗ khoan đường kính từ 600~1400mm với chiều sâu hơn 100m qua các lớp có độ chặt và độ ẩm bất kỳ ngoài đá ra.
Ngoài việc thi công các cọc thẳng đứng ra, thiết bị Benoto có thể dùng để thi công các cọc xiên với góc nghiêng từ 0~150 so với trục thẳng đứng.
Cọc Benoto có sức chịu tải rất lớn, có thể đạt tới từ 600~800t khi đường kính lớn hơn 1m và chiều dài cọc khoảng 40m.
Trở lại loại cọc mở rộng chân bằng phương pháp phá nổ. Loại cọc này được dùng khá phổ biến nhất là trong xây dựng cầu.
Hình 9 trình bày việc mở rộng chân cọc theo phương pháp phá nổ. Cọc ống hoặc cọc dẫn trước khi phá nổ phải đổ bê tông với sự tính toán sao cho sau khi phá nổ, lượng bê tông sẽ chiếm cả phần mở rộng chân và còn nằm cả trong cọc ở nhiều cao tối thiểu là 2m. Nếu không thực hiện được yêu cầu đó thì phần mở rộng chân cọc sẽ kém gắn chặt với thân cọc bên trên.
Kinh nghiệm cho thấy, việc dùng các loại thuốc nổ có tính năng nổ khác nhau đều tạo ra hiệu quả mở rộng gần như nhau. Tốt hơn cả là dùng loại thuốc tôlit, piroxilin và các loại amônit chịu nước.
Để tạo bầu rỗng dưới chân cọc có đường kính d Ê1,2m thì dùng lượng thuốc nổ tập trung ở giữa. Với cách làm như vậy, phần chân cọc mở rộng sẽ có tác dụng hình cầu. Đường kính phần mở rộng của chân cọc có thể xác định gần đúng theo công thức sau đây:
Trong đó:
V: Thể tích của phần bê tông chiếm trong vùng phá nổ tìm được từ hiệu số của mức bê tông trong cọc trước và sau khi phá nổ.
Khối lượng thuốc nổ đối với đất có tính năng xây dựng tốt có thể lấy theo kinh nghiệm như bảng 1 dưới đây:
II. Áp dụng móng cọc nhồi đường kính lớn mở rộng đáy ở Trung Quốc
A. Các phương pháp thi công cọc
Trong mấy thập kỷ lại đây, ở Trung Quốc bùng nổ việc xây dựng nhà cao tầng hầu như ở tất cả các thành phố lớn, nhỏ. Trong việc áp dụng móng cọc nhồi đường kính lớn mở rộng đáy, những nhà xây dựng của nước bạn đã tích lũy rất nhiều kinh nghiệm có thể giúp chúng ta tham khảo để vận dụng trong hoàn cảnh của nước ta.
Móng cọc nhồi tại hiện trường bằng bê tông cốt thép được mở rộng đáy bằng cơ giới hay bằng thủ công có đường kính lớn từ 0,8m trở lên được xem là thuộc loại hình móng đường kính lớn mở rộng đáy. Khi nhà cao tầng phát triển tới mức độ tải trọng của kết cấu bên trên lớn đến nỗi những móng cọc nhỏ thông thường không thể thỏa mãn được yêu cầu chịu lực, thì loại cọc có đường kính lớn mở rộng đáy được áp dụng khá rộng rãi. Đường kính cọc có thể vượt quá 2m, đáy được mở rộng tới 4m. Loại cọc này có sức chịu tải lên tới trên 400 tấn có thể làm theo phương án 1 cột, 1 cọc đối với nhà cao tầng. Khi tình hình địa chất của nơi xây dựng cho phép, rõ ràng đây là một dạng cọc rất có lợi để làm móng nhà đặt trên nền đá chịu lực, cũng có thể đặt trên lớp cuội cát hoặc sỏi. Nó vừa có thể tác nghiệp khô, cũng có thể tác nghiệp ướt. Chính vì vậy loại cọc này được ưa chuộng, áp dụng nhiều trong thực tiễn và hiệu quả kinh tế của nó thể hiện rất rõ ràng.
ở Trung Quốc, có ba loại phương pháp thi công hiện hành: phương pháp tạo lỗ và mở rộng đáy lỗ bằng thủ công, phương pháp tạo lỗ bằng máy và mở rộng đáy lỗ bằng thủ công và phương pháp tạo lỗ cũng như mở rộng đáy lỗ đều bằng máy.
1. Phương pháp tạo lỗ và mở rộng đáy lỗ bằng thủ công
Đây là phương pháp dùng vành bảo vệ vách để thi công có nghĩa là cứ đào sâu 1m, thì làm một vành bảo vệ vách bằng bê tông; thông thường người ta dùng ván khuôn thép di động để làm ván khuôn trong của vành, vách bê tông bảo vệ dầy 10cm. Sau khi đúc bê tông làm vành bảo vệ rồi, tiếp tục đào xuống thêm 1m nữa. Loại vành bảo vệ này được làm theo dạng chóp cụt để thuận tiện đối với việc đổ bê tông như hình 12 biểu thị. Lấy ví dụ với cọc có đường kính là 80cm thì đường kính lỗ đào phía trên là 100cm; còn ở cao trình 1m sâu thì đường kính lỗ đào là 120cm. Rồi cứ như vậy đào tiếp xuống sâu như cách biểu thị trong hình 10.
Một hình thức khác của cọc là mép ngoài là vách đứng, mép trong tạo hình thành chóp cụt. Lấy ví dụ trường hợp miệng trên của thân cọc là 80cm, đường kính của thân cọc là 125cm như hình 11 biểu thị. Sở dĩ kích thước tăng lên như vậy là nhằm mục đích đổ bê tông dễ dàng. Khi đào đất bằng thủ công mà gặp mực nước ngầm, ta phải có biện pháp hạ thấp mực nước ngầm đó.
2. Phương pháp tạo lỗ bằng máy, mở rộng đáy lỗ thủ công
Trong trường hợp công trường không có máy tạo lỗ và thiết bị cơ giới để mở rộng đáy lỗ, ta có thể dùng máy khoan có đường kính 800 trở lên để khoan tới một độ sâu nhất định, rồi mở rộng đáy lỗ bằng thủ công. Nhưng phải sử dụng vành bảo vệ bằng thép hoặc cốt thép.
3. Phương pháp tạo lỗ và mở rộng đáy lỗ đều bằng máy
Với đà phát triển của tình hình xây dựng, Trung Quốc hiện nay còn sử dụng máy khoan tự chế tạo để tạo lỗ đồng thời mở rộng cả đáy lỗ với kết cấu đơn giản, hiệu suất sử dụng cao. Thân cọc khoan nhồi thi công bằng phương pháp này có đường kính tròn.
B. Một vài dạng cọc mở rộng đáy thông dụng
Có mấy loại cọc mở rộng đáy sau đây: Hình 12, Hình 13 biểu thị loại cọc có đáy mở rộng bằng phương pháp thủ công. Thực tiễn chứng minh, đường kính cọc mở rộng đột ngột như hình 12 không tốt bằng cọc như hình 13. Khuyến nghị nên sử dụng loại cọc mở rộng đáy bằng máy với tỷ lệ kích thước.
Trung Quốc chế tạo máy khoan cọc mở rộng đáy biểu thị trong hình 14 với tỷ lệ kích thước, khi đó, góc giữa dốc nghiêng của đáy và trục thẳng đứng là 300.
C. Thiết bị thi công và công nghệ thi công
1. Cọc được đào lỗ và mở rộng đáy lỗ bằng thủ công
a. Thiết bị thi công
Thiết bị thi công cần thiết là một bộ khung giá đào lỗ, một tời điện, thùng, lồng treo lên xuống, dây an toàn định hướng dùng ở trên và dưới hố dây thừng, bản lưới thép bảo vệ thành lỗ, quạt gió bao gồm cả máy nén khí, máy hút gió chạy điện cỡ nhỏ, đèn làm việc chiếu sáng, bơm nước ngầm, ván khuôn thép di động để giữ vách lỗ, công cụ đào đất và xúc đất.
b. Công nghệ thi công
1. Làm tốt công tác phóng tuyến định vị, vị trí mỗi cọc đều đặt một cọc gỗ có đường vạch nhỏ. Vành bảo vệ vách đầu tiên nên cao hơn đáy lỗ 10cm.
2. Dựa theo tình hình địa chất cụ thể, dùng phương pháp thủ công để đào đất, đào từng đợt, giới hạn chiều sâu là 1m. Dùng tời điện để vận chuyển theo hướng thẳng đứng khối lượng đất đá bằng thùng treo ra khỏi lỗ. Đào đất sau khi đạt 1m sâu, thì có thể đặt ván khuôn thép cho đợt sau.
3. Ván khuôn đúc bê tông cốt thép giữ vách lỗ được ghép bởi 4 miếng ván khuôn thép hình cung tròn. Mỗi đợt sâu 1m chống ván khuôn đều sử dụng thanh văng chữ thập để bảo đảm kích thước mặt cắt được chính xác. Sai số thẳng đứng khống chế trong khoảng 1%; cường độ của bê tông vách bảo vệ phải đạt 100kg/cm2 mới được dỡ ván khuôn. Nếu do tiến độ công trình đòi hỏi phải thi công gấp thì có thể không dỡ ván khuôn mà cứ tiến hành đào sâu đợt sau.
4. Nếu gặp nước ngầm, có thể đào hố ga tích nước rồi dùng máy bơm chạy điện để hút nước ngầm ra. Đồng thời vẫn đào tiếp như hình 15 biểu thị. Nếu gặp tầng trên đọng nước, có thể dùng bê tông ninh kết nhanh để làm vách bảo vệ, trước tiên dùng thủy tinh nước bít một bên vách rồi chống ván khuôn xong đổ bê tông ninh kết nhanh; cũng có thể dùng ống thép cục bộ để phòng lở đất.
5. Sau khi đào được 3m sâu, phải đặt máy hút gió chạy điện cỡ nhỏ để thông gió nhằm bảo đảm an toàn cho người lao động đang tác nghiệp dưới lỗ cọc.
6. Tiến hành mở rộng đáy lỗ theo đúng yêu cầu của thiết kế. Sau khi hoàn thành, phải kiểm tra tình hình của lớp đất chịu tải xem có phù hợp với tài liệu khảo sát địa chất và yêu cầu của thiết kế hay không.
7. Ngoài ra, các công đoạn thi công khác như: hạ đặt khung cốt thép của cọc, đổ bê tông cọc… tiến hành cũng giống như phương pháp đào lỗ bằng máy, mở rộng đáy lỗ bằng thủ công mà ta sẽ trình bày ở mục tiếp theo.
2. Cọc được đào lỗ bằng máy và mở rộng đáy lỗ bằng thủ công
a. Thiết bị cơ giới
Có hai loại thiết bị thường được sử dụng: máy khoan xoắn dài và máy khoan xoắn ngắn. Máy khoan xoắn dài là máy khoan dạng K-55 do Bắc Kinh chế tạo có công suất là 55kw, mô men quay cực đại là 17640N-m, vận tốc khoan của cần khoan của máy là 29~42 vòng/phút, đường kính cần khoan có 2 loại 800mm và 1000mm kèm theo cơ cấu thải đất tự động. Ngoài những thiết bị do Trung Quốc chế tạo ra còn sử dụng máy khoan của hãng Soilmec của Italia. Trong bảng 2 dưới đây nêu lên đặc trưng kỹ thuật một số máy của hãng đó.
Ưu điểm của các loại máy của hãng Soilmec Italia:
- Có khả năng gá lắp trên cần cẩu có sức mang trung bình;
- Năng suất cao nhờ bộ quay có tính năng tốt;
- Dễ dàng chuyển đất từ gầu khoan sang xe tải;
- Dễ tìm kiếm trên thị trường phụ tùng và một số đồ gá lắp như mô tơ thủy lực và các van đóng mở.
- Nguồn năng lượng thủy lực của máy còn có thể dùng để đóng cọc và dùng cho cần cẩu.
Năng suất tạo lỗ cọc trong đất của các loại máy trên đây chủ yếu phụ thuộc vào việc tổ chức hợp lý công tác tại hiện trường cũng như trình độ thành thạo của kíp thợ vận hành máy.
Thông thường trong một ca máy, có thể khoan hoàn chỉnh một lỗ cọc có đường kính từ 800 đến 1200mm, sâu đến 40m trong điều kiện địa chất gồm các lớp sét dẻo và cát trung.
Ngoài loại máy tạo lỗ thông dụng nói trên, cũng cần chú ý đến loại máy khoan lỗ cọc nhồi trong lớp đá cứng hoặc phụ kiện gá lắp vào thiết bị chính để mở rộng mũi cọc nhằm tăng sức chịu tải của cọc.
Khi khoan vào lớp đất cứng hoặc đá với mục đích mở rộng đáy cọc nếu lớp đất đá này là lớp chịu lực ở mũi cọc, hoặc phải xuyên qua đó để đưa cọc xuống sâu hơn vào lớp đất đá chịu lực bên dưới, thường phải dùng hệ thống mũi khoan có cấu tạo đặc biệt và có đủ độ cứng cần thiết.
Nói chung có 3 kiểu đầu khoan để phá lớp đất đá cứng: khoan xoắn, khoan phá và khoan cắt.