YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA DUNG DỊCH BENTONITE

3.4 YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA CÁC VẬT LIỆU LÀM CỌC

3.4.3 YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA DUNG DỊCH BENTONITE

§ Các Tính Chất Kỹ Thuật Của Dung Dịch Bentonite

Dung dịch bentonite là một loại vật liệu rất thường gặp trong quá trình thi công cọc khoan nhồi. Ngoại trừ cọc nhồi được thi công trong các tầng đất tốt với chiều sâu không lớn hoặc do những yêu cầu đặc biệt quá trình thi công sử dụng ống chống vách bằng thép để chống sạt lỡ trên suốt chiều dài hố khoan thì có thể không cần dùng dung dịch bentonite, còn thì tất cả các trường hợp khác người ta thường dùng dung dịch bentonite để giữ ổn định

thành vách hố khoan. So với các phương pháp khác việc sử dụng dung dịch bùn khoan để giữ ổn định vách hố khoan cho hiệu quả kinh tế cao hơn hẳn;

đương nhiên tác dụng giữ ổn định thành vách không cao bằng nhưng vẫn có thể đảm bảo nếu điều chỉnh các chỉ tiêu kỹ thuật một cách hợp lý tương ứng với tính chất của các tầng đất mà cọc đi qua.

Dung dịch bùn khoan được sử dụng như là một loại vật liệu không thể thiếu đối với 2 phương pháp thi công cọc nhồi phổ biến hiện nay là: phương pháp khoan đất và phương pháp khoan phản tuần hoàn. Đối với cả 2 phương pháp trên dung dịch bentonite đều có tác dụng quan trọng là giữ ổn định vách hố khoan, đối với phương pháp khoan phản tuần hoàn thì ngoài tác dụng giữ thành vách hố khoan dung dịch bentonite còn có tác dụng vận chuyển đất, cát dưới hố khoan trong quá trình khoan lỗ ra bên ngoài.

Như ta đã biết, điều kiện địa chất của khu vực đồng bằng sông Cửu Long khá phức tạp, các tầng đất yếu (đất bùn) có bề dày khá lớn, các tầng đất tốt thường nằm ở độ sâu lớn, ngoài ra cũng có nơi các tầng đất cát và đất bùn xen kẽ nhau phía trên độ sâu của các tầng đất cứng. Do đó việc giữ ổn định thành vách hố khoan trong các trường hợp này là khá phức tạp, đặc biệt là khi nước ngầm trong đất ở chế độ chảy có áp. Việc giữ ổn định bằng ống vách thép trong các trường hợp này là rất khó khăn và tốn kém vì các tầng đất này thường nằm ở độ sâu khá lớn. Việc hạ ống vách xuống các tầng đất tốt và rút ống vách lên cũng không dễ để thực hiện. Từ đó có thể thấy rằng việc sử dụng dung dịch bentonite trong việc giữ ổn định thành vách hố khoan đối với tình hình địa chất đồng bằng sông Cửu Long là khá hợp lý, vấn đề là phải nghiên cứu, đưa ra các loại bùn khoan khác nhau phù hợp với từng điều kiện cụ thể của các loại đất nền khác nhau.

v Các đặc điểm của dung dịch bentonite:

1. Thành phần:

Dung dịch bentonite gồm có 3 thành phần: khoáng chất sét, các chất phụ gia và nước.

Trong đó:

- Khoáng chất sét: bao gồm 3 loại: Kaolinite, Montmorillonite (đây là khoáng chất rất quan trọng đối với dung dịch bentonite, nó có tính chất trương nở mạnh khi gặp nước), Illite.

Bảng 3-2: Các thành phần khoáng của dung dịch bentonite Khoáng chất sét Chiều dày hạt

(A0)

Toồng dieọn tớch mặt ngoài (m2/g)

Hoạt tính mặt ngoài (kg/cm2) Montmorillonite

Al2O3.4SiO2.nH2O

10-50 ~800 1.5-7.2

Illite Al2O3.SiO2.H2O

50-100 80 0.9

Kaolinite Al2O3.2SiO2.2H2O

100-1000 10 0.4

- Các chất phụ gia: các chất phụ gia trong dung dịch bentonite có các tác dụng sau: điều chỉnh quá trình đông tụ, hấp phụ, quá trình kết tủa , làm tăng độ nhớt, độ linh động, cũng như làm tăng dung trọng của dung dịch bentonite.

- Nước: thường dùng nước sạch (nước sinh hoạt), có độ pH=7-9, có tác dụng điều chỉnh dung trọng, độ nhớt của dung dịch bentonite.

Mối liên hệ giữa nồng độ dung dịch bentonite và dung trọng của dung dịch được cho trong bảng sau:

Bảng 3-3: Mối quan hệ giữa nồng độ dung dịch bentonite và dung trọng của nó Nồng độ dung

dòch bentonite (%)

6 7 8 9 10 11 12 13 14

Dung trọng dung dòch (g/cm3)

1.035 1.04 0

1.045 1.050 1.05 5

1.060 1.06 5

1.070 1.07 5

2. Tính huyền phù: do phản ứng vật lý giữa các hạt khoáng sét mang điện tích cùng dấu đẩy nhau trong môi trường nước. Nhờ tính chất này mà các hạt đất trong hố khoan sẽ lơ lửng, giảm hiện tượng lắng đọng bùn ở đáy hố khoan.

3. Độ nhớt: là khoảng thời gian cần thiết để 1 lượng dung dịch (khoảng 500-700 cc) chảy qua hết phễu đo độ nhớt. Độ nhớt này đặc trưng cho tính chất keo của dung dịch bentonite. Tính chất này có tác dụng liên kết các hạt đất rời rạc ở xung quanh thành vách hố khoan để tạo thành các lớp màng (lớp áo sét) chống sạt lỡ thành vách.

4. Tính xúc biến: là khả năng đông kết nhanh khi để yên và hòa tan nhanh khi có tác động cơ học của dung dịch bùn khoan bentonite.

Tính chất này cũng có tác dụng tích cực giúp giữ ổn định thành vách hố khoan trong quá trình thi công.

5. Lượng mất nước: là tính chất đặc trưng cho tính háo nước và phân hóa nước của dung dịch bentonite khi tiếp xúc với đất đá.

Bentonite có hoạt tính bề mặt càng lớn thì tính mất nước càng nhỏ.

Tính chất này cũng có tác dụng hình thành lớp áo sét xung quanh thành vách hố khoan.

6. Độ pH: tốt nhất là trong khoảng 7-9. Độ pH < 7 thì khả năng đông tụ của dung dịch xảy ra. pH > 11 tính nhớt và tính mất nước sẽ tăng leân.

§ Các Yêu Cầu Đặc Tính Kỹ Thuật Của Dung Dịch Bentonite

Từ các tính chất trên, người ta đưa ra các yêu cầu về các đặc tính kỹ thuật của dung dịch bentonite như sau:

Bảng 3-4: Các chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu của dung dịch bentonite (theo TCXD 206:1998)

Đặc tính Giới hạn kiểm soát Phương pháp kiểm tra 1. Khối lượng riêng (g/cm3) 1.05 - 1.15 Tỷ trọng kế dịch sét hoặc

boâmeâ keá.

2. Độ nhớt (s) 18 – 45 Phương pháp phễu 500/500 cc.

3. Hàm lượng cát (%) < 6

4. Tỷ lệ chất keo (%) > 95 Phương pháp đong cốc.

5. Lượng mất nước (ml) < 30 ml/30 phút Dụng cụ đo lượng nước mất.

6. Độ dày của lớp áo sét (mm) 1-3 mm/30 phút Dụng cụ đo lượng nước mất.

7. Lực cắt tĩnh (mg/cm2) 1 phút: 20 – 30 10 phuùt: 50 – 100

Lực kế cắt tĩnh.

8. Tớnh oồn ủũnh (g/cm2) < 0.03

9. Trị số pH 7-9 Giấy thử pH

Ngoài ra, tùy thuộc vào tình hình điều kiện địa chất – thủy văn của khu vực đất nền, phương pháp thi công cũng như các điều kiện sử dụng dung dịch mà các đặc tính kỹ thuậr của dung dịch bentonite có thể được điều chỉnh theo các bảng sau:

Bảng 3-5: Các chỉ tiêu kỹ thuật của dung dịch bentonite theo phương pháp khoan và điều kiện địa tầng (theo kinh nghiệm của nước ngoài)

Các chỉ tiêu kỹ thuật của dung dịch bentonite Phửụng

pháp khoan

ẹũa taàng

Khối lượng rieâng (g/cm3)

Độ nhớt (s)

Hàm lượng cát (%)

Tyỷ leọ chaát keo

(%)

Lượng maát nước (ml/30 min)

Độ pH

Tuần Đất sét 1.05 – 1.20 16 – 22 < 8 – 4 > 90 – 95 < 25 8 – 10

hoàn thuận, khoan dập.

Đất cát Đất sạn Cuội đá

daêm

1.2 – 1.45 19 – 28 < 8 – 4 > 90 – 95 < 15 8 – 10

Đất sét 1.1 – 1.2 18 – 24 < 4 > 95 < 30 8 – 11 Khoan

đẩy, khoan ngoạm.

Đất cát

Sỏi sạn 1.2 – 1.4 22 – 30 < 4 > 95 < 20 8 – 11 Đất sét 1.02 – 1.06 16 – 20 < 4 > 95 < 20 8 – 11 Đất cát 1.0 – 1.1 19 – 28 < 4 > 95 < 20 8 – 11 Khoan

tuaàn hoàn nghòch.

Đất sạn 1.1 – 1.15 20 – 25 < 4 > 95 < 20 8 – 11

Bảng 3-6: Bảng trị số độ nhớt thích hợp của dung dịch bentonite tùy thuộc vào tính chất đất.

Chất đất Độ nhớt thích hợp S (500/500 cc) Bùn tích lẫn cát 20 – 23 Trị số cát N < 10 > 45 Trị số cát 10 < N < 20 25 – 45

Trị số cát N > 20 23 – 25 Cát sỏi lẫn sét tạp 25 – 35

Cát sỏi > 45

ỉ Lưu ý: Trong cỏc trường hợp sau đõy giỏ trị độ nhớt sẽ lớn hơn giỏ trị được cho trong bảng 3-4 :

- Khi tồn tại tầng đất cát liên tục.

- Khi có nhiều nước ngầm trong nền đất.

- Khi cọc nhồi có đường kính lớn (1.3m trở lên).

Bảng 3-7: Bảng trị số độ nhớt thích hợp của dung dịch bentonite tùy thuộc phương pháp khoan và điều kiện đất nền.

Biện pháp Tỡnh hỡnh ủũa

chaát coâng trình

Phửụng pháp sử duùng dung

dòch

Tầng đất Độ nhớt thích hợp S (500/500cc)

Khi độ nhớt quá thaáp

Khi độ nhớt quá cao Phửụng

pháp tuần hoàn

Buứn tớch lẫn cát, cát

cuội sỏi

23 – 27 28 – 35 37 – 45 Nước

ngaàm

ớt Phửụng pháp tĩnh

Buứn tớch lẫn cát, đá,

sỏi

4 – 28 32 – 40 45 – 55

Trộn thêm 1 – 2% seùt betonite

hoặc 0.05 – 0.1% CMC

Thông thường thì trộn thêm 0.05 – 0.1% chất giảm

nước, trộn vào đất sét thấy độ nhớt tăng thêm thì cho nước

theâm Phửụng

pháp tuần hoàn

Buứn tớch lẫn cát, cát

cuội sỏi

23 – 35 33 – 40 55 – 65 Khi

ủieàu kieọn coâng trình raát bình

thường Nước ngaàm

nhieàu Phửụng pháp tĩnh

Buứn tớch lẫn cát, cát

cuội sỏi

23 – 35 37 – 45 70 – 80

Trộn thêm 1%

seùt bentonite đồng thời trộn theâm 0.1 – 0.2%

CMC, sau đó thí nghiệm ngay để xác nhận độ nhớt

Trộn thêm 0.1 – 0.2% chất giảm nước, thêm nước

seõ khoâng thích hợp nữa

ỉ Trong đoự: CMC là một loại bột do quỏ trỡnh xử lý hoỏ học chất thải của cụng nghiệp giấy mà có. Bao gồm carboxy methyl và cellulose và một số chất khác có gốc Na và Mg … dùng để khống chế biến chất của dung dịch và cải thiện dung dịch đã biến chất.

Bảng 3-8: Độ nhớt thích hợp của dung dịch vữa sét phụ thuộc vào loại địa tầng và điều kiện dòng chảy trong đất

Độ nhớt đo phễu 500/500cc giây (hoặc 946/1500cc giây) Loại địa tầng

Không có nước ngầm Có nước ngầm Seùt

Bùn cát, sét pha cát Cát lẫn bùn

Cát hạt mịn đến thô Cát và sỏi sạn

21-25 (29-35) 23-27 (32-37) 25-32 (34-40) 30-35 (39-43)

28-35 (38-43) 33-38 (41-46) 36-43 (44-50)

§ Tác Dụng Giữ Ổn Định Thành Vách Hố Khoan Của Dung Dịch Bentonite

Dung dịch bentonite có khả năng giữ ổn định thành vách trong quá trình khoan là do nó là một dung dịch huyền phù có dung trọng lớn hơn dung trọng của nước, từ đó nó tạo ra một áp lực lên thành vách hố khoan để chống lại áp lực gây sạt lỡ (do áp lực thủy tĩnh của nước ngầm và áp lực chủ động của đất).

Ngoài ra, các hạt sét trong dung dịch bùn khoan dưới áp lực thủy tĩnh của nó sẽ thẩm thấu vào các lỗ rổng của các hạt đất (hoặc cát) ở lớp ngoài của thành vách hố khoan để tạo thành một lớp màng mỏng, còn gọi là lớp áo sét. Lớp áo sét này có thể chịu được một lực cắt lớn hơn nhiều so với thành vách tự nhiên, từ đó làm tăng độ bền của vách hố khoan trước những áp lực gây sạt lỡ.

Tuy nhiên, lớp áo sét này cũng làm giảm ma sát ở thành vách hố khoan, điều này gây bất lợi cho quá trình chịu lực của cọc khoan nhồi vì thành phần ma sát thân cọc giảm, từ đó làm giảm khả năng mang tải của cọc.

Hình 3-4: Sơ đồ sự hình thành lớp áo sét bảo vệ thành vách hố khoan.

v Tính toán dung trọng dung dịch bentonite cần thiết để giữ ổn định thành vách hố khoan

Hình 3-5: Sơ đồ tính toán dung trọng dung dịch bentonite cần thiết Từ hình vẽ, ta thấy điều kiện cân bằng ổn định thành vách hố khoan là tổng áp lực đẩy thành phải nhỏ hơn hoặc bằng tổng áp lực giữ thành:

S áp lực đẩy ≤ S áp lực giữ Trong đó:

MNN

σZ

z z’’

z’

' '

Sz

γ γwz'

- Tổng áp lực đẩy bao gồm: áp lực đẩy ngang (áp lực chủ động) của đất σX và áp lực thủy tĩnh của mực nước ngầm trong đất γW .z’

- Tổng áp lực giữ bao gồm: áp lực thủy tĩnh của dung dịch bentonite γS.z’’ và lực kháng cấu trúc của lớp áo sét và đất nền τS

Trong đó:

z k

ka Z a

X = ×σ = ×γ×

σ

σX : áp lực đất theo phương ngang.

σZ: áp lực đất theo phương thẳng đứng.

γ: dung trọng đất nền.

z: chiều sâu điểm đang xét tính từ mặt đất.

ka: hệ số áp lực theo phương ngang, ) 45 2

2( −ϕ

= o

a tg

k

ϕ: góc ma sát trong của đất nền.

' ' c tg

dn z

S =γ × × ϕ+

τ

τS: lực kháng cắt của lớp áo sét.

γdn: dung trọng đẩy nổi của đất nền, γdn =γ−1 c’: lực dính của lớp áo sét.

ϕ': góc ma sát trong của lớp áo sét.

Ngoài ra

γW: dung trọng của nước, lấy bằng 1.

z’: chiều sâu của điểm đang xét tính từ cao độ mực nước ngầm, laáy z’ = z’’ – 1 = z - 1

γS: dung trọng của dung dịch bentonite.

z’’: chiều sâu của điểm đang xét tính từ cao độ mực dung dịch bentonite trong hoá khoan, laáy z’’ = z

Xét một điểm bất kỳ trên thành vách hố khoan, ta có điều kiện cân bằng áp lực:

S áp lực đẩy = S áp lực giữ

S S

W

X γ z γ z τ

σ + × = × +

⇒ ' ''

' ' )

1

(z z z tg c

z

ka× × + W − = S× + dn× × +

⇒ γ γ γ γ ϕ

' ' )

1 ( )

1

(z z z tg c

z

ka× × + − = S × + − × × +

⇒ γ γ γ ϕ

Chia heát 2 veá cho z:

z tg c

ka z S '

' ) 1 1 (

1− = + − × +

+

×

⇒ γ γ γ ϕ

Vì giá trị 1≈0

z , nên bỏ qua.

z tg c

ka S '

' ) 1 (

1= + − × +

+

×

⇒ γ γ γ ϕ

z tg c ka

S

' ' ) 1 (

1− − × −

+

×

=

⇒γ γ γ ϕ

Gom vế phải về một tích của γ ta có:

( ) 



 





− ×

− + +

=

⇒ z

tg c tg k

a

S ϕ γ

γ γ ϕ

γ '

' ' 1



 





− ×



 



 − −

+ +

=

⇒ z

tg c

tg tg o

S ϕ ϕ γ

γ γ ϕ

γ '

' 2)

45 ' (

1 2

Đặt

γ ϕ'

0 1 tg

A = + ; ) '

45 2

2(

0 ϕ ϕ

tg tg

B = o − − ;

z C c

= × γ

0 '

Ta có: γS =γ×(A0+B0 +C0)

Với A0, B0, C0 đã được xác định phụ thuộc vào γ,z,ϕ,c',ϕ'. Các giá trị ϕ

γ,z, dễ dàng được xác định. c',ϕ' được xác định như sau:

ü Xác định ϕ':

- Đối với cát: ϕ'=ϕ−3o +3D, trong đó D: độ chặt của cát.

- Đối với sét: ϕ'=ϕ

ü Xác định c’:

- Đối với cát:

2 ' c'S cu

c = + ; thông thường cs’ = 2.cu do đó: c’ = 1.5xcu - Đối với sét: c'=α.cu.rd

α: hệ số chiết giảm của lực dính, có thể lấy bằng 0.55 cu : lực dính không thoát nước của đất nền.

rd: hệ số chiết giảm phụ thuộc vào chiều sâu hạ cọc, xác định như sau:

Khi h < 20m : rd = 1

20m < h < 40m : rd = 0.75 40m < h < 60m : rd = 0.6 60m < h < 80m : rd = 0.5 80m < h < 100m : rd = 0.5

Đ Cỏc Yếu Tố Aỷnh Hưởng Đến Khả Năng Oồn Định Thành Vỏch Hố Khoan Và Phần Đáy Mở Rộng

Khả năng ổn định thành vách hố khoan phụ thuộc rất lớn vào các yếu tố sau:

- Tính chất, trạng thái của các lớp đất xung quanh thành vách hố khoan.

Các lớp cát có xu hướng gây sạt lỡ lớn hơn các lớp sét.

Bảng 3-9: Quan hệ giữa các loại đất và xu hướng sụt lỡ thành vách (không có dòng thủy động)

Loại địa tầng Xu hướng sụt lỡ thành vách

Đất sét Không sụt lỡ

Bùn Thường không sụt lỡ

Bùn cát Đôi khi sụt lỡ

Cát mịn Tương đối dễ sụt lỡ

Cát thô Dễ sụt lỡ

Cát pha sỏi sạn Nhạy sụt lỡ

Sỏi sạn Rất nhạy sụt lỡ

- Sự tồn tại của dòng thủy động trong đất.: khi nước ngầm trong đất chảy có áp thì khả năng sụt lỡ lớn hơn khi nước ngầm ở trạng thái tĩnh.

Bảng 3-10: Quan hệ giữa các loại đất và xu hướng sụt lỡ thành vách (có dòng thủy động)

Loại địa tầng Xu hướng sụt lỡ thành vách

Bùn Đôi khi sụt lỡ

Bùn cát Tương đối dễ sụt lỡ

Cát mịn Dễ sụt lỡ

Cát thô Nhạy sụt lỡ

Cát pha sỏi sạn Rất nhạy sụt lỡ

- Phương pháp thi công: phương pháp thi công có sử dụng ống chống vách sẽ có tác dụng giữ ổn định thành vách lớn hơn phương pháp sử dụng các dung dịch bùn khoan.

- Phương pháp khoan đất: phương pháp đào giữ vai trò quan trọng giữ ổn định thành vách, khi dùng gầu ngoặm thì khả năng gây sạt lỡ nhiều hơn do gầu thường xuyên di chuyển lên xuống trong hố khoan gây nên sự va chạm với vách hố khoan. Phương pháp đào vận chuyển đất bằng phương pháp tuần hoàn ngược rất khó gây sạt lỡ vì dùng hệ thống này, gần như không có sự va chạm hoặc va chạm với đất, nó thường được tiếp xúc với dung dịch vữa sét lỏng. Ngoài ra, vì trong phương pháp này dung dịch có khả năng điều chế với độ nhớt đạt giá trị thấp nhất, đồng thời với việc duy trì màng thấm bảo vệ thành vách hố khoan một cách hợp lý.