Tài liệu Ghiên cứu xử lý nền cống dưới đê vùng ven biển cửa sông hồng bằng giải pháp móng cọc

LỜI CẢM ƠN  Sau một thời gian thu thập tài liệu và nghiên cứu, đến nay luận văn "Nghiên cứu xử lý nền cống dưới đê vùng ven biển của sông Hồng bằng giải pháp móng cọc" đã hoàn thành và đáp ứng những yêu cầu đề ra. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Phòng đào tạo Đại học và Sau Đại học trường đại học Thủy Lợi; Cơ sở 2 trường Đại học Thủy Lợi; Khoa Công trình trường Đại học Thủy Lợi; các thầy cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã dạy dỗ, chỉ bảo và khích lệ động viên mọi mặt. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS. Bùi Văn Trường và GS.TS Trịnh Minh Thụ Trường Đại học Thủy Lợi đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong thời gian làm luận văn. Mặc dù tác giả đã hết sức cố gắng thu thập tài liệu, nghiên cứu và phân tích nhưng do trình độ và thời gian có hạn nên trong luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại còn hạn chế, tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp quý báu và trao đổi chân thành. Tác giả cũng mong muốn những vấn đề còn tồn tại chưa nghiên cứu sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn. Xin chân thành cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh , ngày 27 tháng 04 năm 2015 Tác giả luận văn Trần Nhật Vũ BẢN CAM ĐOAN Tôi là Trần Nhật Vũ, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Tác giả Trần Nhật Vũ MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ......................................................................... 2 3. Nội dung nghiên cứu của đề tài ........................................................................ 2 4. Các phương pháp nghiên cứu. .......................................................................... 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÓNG CỌC TRONG CÔNG TÁC XỬ LÝ NỀN .............................................. 3 1.1 Quá trình phát triển móng cọc ........................................................................ 3 1.2 Khái niệm chung về móng cọc ....................................................................... 6 1.3 Phân loại móng cọc ......................................................................................... 7 1.4 Đặc điểm, điều kiện làm việc, phạm vi áp dụng và thi công các loại cọc ...... 8 1.4.1 Cọc tre................................................................................................ 8 1.4.2 Cọc tràm ............................................................................................ 9 1.4.3 Cọc gỗ ................................................................................................ 10 1.4.4 Cọc thép ............................................................................................. 11 1.4.4.1 Cọc ống thép........................................................................... 12 1.4.4.2 Cọc thép chữ H ....................................................................... 13 1.4.4.3 Cọc xoắn (cọc vít) .................................................................. 14 1.4.5 Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ............................................................. 15 1.4.5.1 Cọc ứng suất trước ................................................................. 16 1.4.5.2 Cọc khoan nhồi....................................................................... 21 1.4.5.3 Cọc barret ............................................................................... 23 1.4.6 Cọc xi măng-đất................................................................................. 24 1.4.7 Cọc cát ............................................................................................... 28 1.5 Một số ưu điểm của móng cọc ...................................................................... 30 1.6 Một số tồn tại trong thiết kế và thi công móng cọc ...................................... 31 1.7 Kết luận chương 1 ......................................................................................... 32 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN CỐNG DƯỚI ĐÊ VÙNG VEN BIỂN CỬA SÔNG HỒNG BẰNG GIẢI PHÁP MÓNG CỌC ............................................... 33 2.1 Đặc điểm nền đất vùng ven biển cửa sông Hồng ......................................... 33 2.1.1 Khái quát điều kiện tự nhiên vùng ven biển cửa sông Hồng............. 33 2.1.2 Địa chất nền đất vùng ven biển cửa sông Hồng ................................ 34 2.2 Cơ sở và nguyên tắc phân loại đất yếu ......................................................... 42 2.3 Giải pháp móng cọc xử lý nền đất yếu vùng ven biển cửa sông Hồng ........ 44 2.4 Phương pháp tính toán, thiết kế, thi công các loại móng cọc ....................... 46 2.4.1 Yêu cầu kỹ thuật và tính toán xử lý nền bằng cọc tre ....................... 46 2.4.2 Thiết kế, thi công xử lý nền bằng cọc cát .......................................... 47 2.4.3 Tính toán, thiết kế, thi công cọc xi măng đất .................................... 56 2.4.3.1 Công nghệ trộn ướt Jet-Grouting ........................................... 56 2.4.3.2 Công nghệ trộn khô Dry Jet Mixing ...................................... 60 2.4.3.3 Thiết kế cọc xi măng đất ........................................................ 61 2.4.3.4 Phương pháp thi công............................................................. 65 2.4.4 Tính toán thiết kế, thi công xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép (BTCT) .............................................................................................................. 66 2.4.4.1 Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn thông thường ........................... 67 2.4.4.2 Cọc BTCT ứng suất trước ...................................................... 70 2.4.4.3 Thiết kế thi công cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ...................... 71 2.6 Kết luận chương 2 ......................................................................................... 75 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÓNG CỌC XỬ LÝ NỀN CỐNG TRÀ LINH 2 ĐÊ BIỂN 7 TỈNH THÁI BÌNH ......................................................................... 76 3.1 Giới thiệu tổng quan về công trình ............................................................... 76 3.2 Tính toán xử lý nền cống .............................................................................. 78 3.2.1 Các số liệu đầu vào cho tính toán ...................................................... 78 3.2.1.1 Điều kiện địa chất................................................................... 78 3.2.1.2 Tải trọng công trình ................................................................ 80 3.2.1.3 Tính toán ứng suất đáy móng ................................................. 80 3.2.2 Giải pháp móng cọc xử lý nền công trình ......................................... 83 3.2.3 Tính toán móng cọc xi măng đất xử lý nền ....................................... 83 3.2.3.1 Cơ sở tính toán cọc Xi măng đất ............................................ 83 3.2.3.2 Tính chất cơ lý cọc Xi măng - đất (XMĐ) ............................. 85 3.2.3.3 Tính chất cơ lý của nền tương đương..................................... 86 3.2.3.4 Tính toán số lượng cọc XMĐ và bố trí cọc trong móng ........ 86 3.2.3.5 Tính toán ứng suất biến dạng phương án cọc xi măng đất .... 87 3.2.4 Tính toán móng cọc BTCT xử lý nền ................................................ 92 3.2.4.1 Tính toán móng cọc bê tông cốt thép ..................................... 92 3.2.4.2 Tính toán kiểm tra bằng phần mềm Plaxis ............................. 102 3.2.5 So sánh lựa chọn phương án .............................................................. 112 3.3 Kết luận chương 3 ......................................................................................... 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 113 1. Những kết quả đạt được của luận văn............................................................... 113 2. Một số tồn tại của luận văn ............................................................................... 114 3. Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp ................................................................. 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 115 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng so sánh cọc bê tông vuông truyền thống và cọc ly tâm ứng suất trước .............................................................................................................. 16 Bảng 2.1: Các tính chất vật lý cơ học của các lớp đất dính chủ yếu .................... 40 Bảng 2.2: Tính chất vật lý cơ học các lớp đất rời chủ yếu ................................... 41 Bảng 2.3: Các giải pháp móng cọc xử nền cống dưới đê ven biển cửa sông Hồng .............................................................................................................. 45 Bảng 2.4: Độ sai lệch cho phép về kích thước cọc ............................................... 69 Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất nền ............................................................... 79 Bảng 3.2. Các trường hợp tính toán ...................................................................... 80 Bảng 3.3: Tổng hợp lực tác dụng lên bảy đáy – vừa thi công xong ..................... 81 Bảng 3.4: Lực tác dụng lên bản đáy – TH giữ ngọt.............................................. 81 Bảng 3.5: Lực tác dụng lên bản đáy – TH ngăn mặn ........................................... 82 Bảng 3.6: Ứng suất đáy móng trong các trường hợp ............................................ 83 Bảng 3.7: Tính chất cơ lý của cọc xi măng đất ..................................................... 85 Bảng 3.8: Tính toán các chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương ............................... 87 Bảng 3.9: Tính toán chiều sâu chịu lún ................................................................ 100 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Những thiết bị đóng cọc trong lịch sử .................................................. 4 Hình 1.2: Chức năng của cọc ................................................................................ 7 Hình 1.3: Chi tiết cọc gỗ và một số cách nối cọc thông dụng .............................. 11 Hình 1.4: Kết cấu trụ cầu có hệ móng cọc ống thép dạng giếng hình ô van ........ 13 Hình 1.5: Một số loại cọc xoắn ............................................................................. 14 Hình 1.6: Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ................................................................ 19 Hình 1.7: Cọc bê tông cốt thép ứng suất trước ..................................................... 20 Hình1.8: Mặt bằng thi công cọc khoan nhồi ......................................................... 22 Hình 1.9: Quá trình thi công cọc khoan nhồi ........................................................ 23 Hình 1.10: Một số kết cấu và ứng dụng của cọc XMĐ để xử lý nền đất yếu ....... 25 Hình 2.1: Vùng ven biển cửa sông Hồng (tỉnh Thái Bình)................................... 34 Hình 2.2: Sơ đồ địa chất khu ven biển huyện Thái Thụy ..................................... 36 Hình 2.3: Sơ đồ địa chất khu vực cửa sông ven biển huyện Tiền Hải................. 37 Hình 2.4: Mặt bằng nền đất được nén chặt ........................................................... 49 Hình 2.5: Sơ đồ bố trí cọc cát ............................................................................... 49 Hình 2.6: Sơ đồ tính lún nền đất ........................................................................... 52 Hình 2.7: Quá trình thi công cọc cát ..................................................................... 53 Hình 2.8: Thiết bị đóng cọc cát bằng chấn động .................................................. 54 Hình 2.9: Thi công cọc cát .................................................................................... 55 Hình 2.10: Các công nghệ thi công Jet-Grouting ................................................. 57 Hình 2.11: Sơ đồ dây chuyền thiết bị khoan phụt vữa cao áp (Jet-grouting) ....... 57 Hình 2.12: Thiết bị chế tạo cọc ............................................................................. 58 Hình 2.13: Thiết bị trộn vữa và phát điện ............................................................. 58 Hình 2.14: Sơ đồ thi công cọc ximăng đất dùng phương pháp Jet grouting ........ 59 Hình 2.15: Mẫu cọc XMĐ theo phương pháp Jet Grouting, dự án Ô Môn – Xà No .............................................................................................................. 60 Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý trộn khô .................................................................... 61 Hình 2.17: Quy trình thiết kế lặp, gồm thí nghiệm trong phòng, thiết kế chức năng, thử hiện trường và thiết kế công nghệ ......................................................................... 62 Hình 2.18: Bố trí cọc xi măng đất ......................................................................... 63 Hình 2.19: Cách bố trí cọc trộn ướt trên mặt đất .................................................. 63 Hình 2.20: Cách bố trí cọc trộn ướt trên biển ....................................................... 64 Hình 2.21: Sơ đồ khoan phụt có nút bịt ................................................................ 65 Hình 2.22: Máy phụt xi măng công nghệ Jet-Grouting ở dự án Ô Môn – Xà No .............................................................................................................. 66 Hình 2.23: Biểu đồ moment trong cọc khi cẩu lắp, vận chuyển sắp xếp trong bãi .............................................................................................................. 70 Hình 2.24: Biểu đồ moment trong cọc khi cẩu lắp ............................................... 70 Hình 3.1: Cống Trà Linh I (phía biển) .................................................................. 76 Hình 3.2: Cống Trà Linh I (phía đồng) ................................................................. 76 Hình 3.3: Cống Trà Linh II (phía đồng) ............................................................... 77 Hình 3.4: Sơ đồ mặt cắt địa chất tuyến Cống Trà Linh ........................................ 79 Hình 3.5: Sơ đồ tính toán theo phương pháp mặt trượt trụ tròn cọc Xi măng đất 84 Hình 3.6: Bố trí cọc Xi măng đất .......................................................................... 87 Hình 3.7: Mô hình bài toán trong Plasix ............................................................... 89 Hình 3.8: Mô hình bài toán trong giai đoạn 1 ....................................................... 89 Hình 3.9: Mô hình bài toán trong giai đoạn 2 ....................................................... 90 Hình 3.10: Lựa chọn các điểm tính toán ứng suất ................................................ 90 Hình 3.11: Chuyển vị đứng của nền khi thi công xong giai đoạn 1 ..................... 91 Hình 3.12: Chuyển vị thẳng đứng trong nền sau giai đoạn 2 .............................. 91 Hình 3.13: Sơ đồ bố trí cọc BTCT đúc sẵn ............................................................ 94 Hình 3.14 : Sơ đồ tính toán móng cọc .................................................................. 96 Hình 3.15: Sơ đồ phân bố ứng suất bản thân và gây lún ...................................... 101 Hình 3.16: Mô hình bài toán ................................................................................. 103 Hình 3.17: Chia lưới phần tử ................................................................................ 103 Hình 3.18: Điều kiện ban đầu áp lực nước lỗ rỗng ............................................... 104 Hình 3.19: Điều kiện ban đầu về ứng suất ............................................................ 104 Hình 3.20: Lập bước tính toán: gồm 2 giai đoạn .................................................. 105 Hình 3.21: Giai đoạn 1 1 – Hạ cọc và thi công bản đáy ....................................... 105 Hình 3.22: Giai đoạn 2 - Xây trụ pin giữa, gán tải (khi hoàn thành công trình) .. 106 Hình 3.23: Lựa chọn điểm vẽ chuyển vị - ứng suất .............................................. 106 Hình 3.24: Lưới chuyển vị .................................................................................... 107 Hình 3.25: Chuyển vị theo phương đứng ............................................................. 107 Hình 3.26: Biểu đồ momen bản đáy cống ............................................................ 108 Hình 3.27: Biểu đồ lực cắt bản đáy cống .............................................................. 108 Hình 3.28: Biểu đồ chuyển vị đứng của bản đáy ................................................. 108 Hình 3.29: Lưới chuyển vị .................................................................................... 109 Hình 3.30: Chuyển vị theo phương đứng ............................................................. 109 Hình 3.31: Trị số ứng suất hiệu quả trung bình lớn nhất ...................................... 110 Hình 3.32: Biểu đồ chuyển vị đứng bản đáy cống................................................ 110 Hình 3.33: Biểu đồ momen bản đáy cống ............................................................ 111 Hình 3.34: Biểu đồ lực cắt bản đáy cống .............................................................. 111 Hình 3.35: Biểu đồ chuyển vị tại các điểm A,B,C,D............................................ 111 Trường Đại Học Thủy lợi Luận văn Thạc Sĩ MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nước Việt Nam về địa lý có 3260 km bờ biển, gồm 89 cửa sông trải dài dọc theo 29 tỉnh thành và các thành phố lớn. Đặc trưng của vùng cửa sông ven biển là có được sự đa dạng về các khu hệ sinh thái có ảnh hưởng lớn tới hệ thống tài nguyên ven bờ, với chức năng quan trọng như vậy sẽ sản sinh ra những sản phẩm có giá trị sử dụng cho con người. Đối với vùng cửa sông ven biển, việc thiết kế, thi công các công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông, dân dụng và công nghiệp còn gặp rất nhiều khó khăn, cần phải giải quyết rất nhiều vấn đề khác nhau như: Loại hình kết cấu, sử dụng vật liệu, biện pháp và công nghệ thi công…và các vấn đề xử lý nền của các công trình, đặc biệt là nền của các công trình thủy lợi. Vùng cửa sông ven biển là nơi được hình thành chịu sự chi phối bởi chế độ thủy văn của sông và hải văn của biển, nên cấu trúc đất nền nơi đây thường rất phức tạp bao gồm các lớp đất yếu. Điều này cho thấy việc xử lý nền móng để xây dựng cơ sở hạ tầng bên trên rất phức tạp và không theo một giải pháp nhất định nào. Việc chọn lựa phương án xử lý nền có vai trò rất quan trọng, trước tiên nó ảnh hưởng tới chất lượng, sự an toàn của công trình gây tốn kém trong xây dựng và về lâu dài nó ảnh hưởng đến cuộc sống sinh hoạt của người dân, nền kinh tế của quốc gia. Để lựa chọn một phương án xử lý nền đúng đắn đối với môi trường địa chất phức tạp, biến đổi thường xuyên nơi vùng cửa sông ven biển thì ngoài việc cần nắm bắt được sự thay đổi của cấu trúc nền, các phương án giải quyết, còn cần phải áp dụng phù hợp các phương án. Với mỗi biện pháp xử lý nền khác nhau đều có ưu và nhược điểm khác nhau, trong đó móng cọc là giải pháp được dùng phổ biến cho các công trình. Tuy nhiên, việc lựa chọn loại móng nền, chiều sâu, quy mô xử lý là vấn đề cần được nghiên cứu tính toán phù hợp với điều kiện địa chất ở nơi xây dựng công trình. Do vậy, nghiên cứu các phương pháp xử lý nền bằng móng cọc và đề xuất giải pháp cụ thể phù hợp với điều kiện địa chất vùng cửa sông ven biển là vấn đề cần Học viên: Trần Nhật Vũ 1 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ thiết, có ý nghĩa thực tiễn và khoa học. Cụ thể trong đề tài này là vùng ven biển cửa sông Hồng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Tìm hiểu về các phương pháp xử lý nền bằng móng cọc, đưa ra các giải pháp móng cọc và phương pháp tính toán xử lý nền cống dưới đê vùng ven biền cửa sông Hồng. 3. Nội dung nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu cấu trúc địa chất, các phương pháp xử lý nền cống dưới đê vùng ven biển cửa sông Hồng bằng giải pháp móng cọc. 4. Các phương pháp nghiên cứu. - Thu thập, tổng hợp phân tích những tài liệu thực tế của các công trình liên quan chi tiêu cơ lý của công trình, hình dạng kích thước của công trình, điều kiện kỹ thuật, tiêu chuẩn đánh giá an toàn công trình, địa chất nền, tài liệu về thủy văn… - Phương pháp tính toán lý thuyết xử lý nền cống - Phương pháp mô hình số để mô hình hóa nền công trình, xử lý và tính toán ổn định công trình Học viên: Trần Nhật Vũ 2 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÓNG CỌC TRONG CÔNG TÁC XỬ LÝ NỀN 1.1 Quá trình phát triển móng cọc Toàn bộ lịch sử nhân loại được phát triển từ vị trí của nền tảng kỹ thuật, trong đó địa kỹ thuật luôn luôn được quan tâm và một số vấn đề về địa kỹ thuật lại rất quan trọng như việc xây dựng trên cọc. Khi con người tiền sử xuất hiện từ các hang động, họ đã bắt đầu xây dựng những nơi ở riêng cho mình. Vào thời kỳ cuối thời kỳ đồ đá, những loại cọc đầu tiên được làm theo dạng cây cừ được sử dụng sớm nhất, con người định cư tại những thung lũng ven sông trên những tầng đất yếu, sình lầy hoặc trên những nơi dễ bị ngập lụt để sử dụng nguồn nước và săn bắt. Họ dựng những nơi trú ẩn trên nền cọc gỗ và gia cố chắc chắn xung quanh những cọc gỗ đó bằng đá, ngày nay nhiều di tích được bảo tồn ở Đông Âu điển hình như trong Rừng đen nước Đức, Vollhynia, và Ba Lan. Vào thời kỳ đồ đá hiện đại, xây dựng trên cọc cây cũng được sử dụng ở những sông, hồ rất lớn. Cấu trúc này cũng thuận lợi trong khía cạnh phòng thủ trong đánh trận, hơn 400 khu định cư sử dụng cây cừ ở Thụy Sĩ, miền nam nước Đức, và Bắc Ý là những di tích quen thuộc hay có thể hồi tưởng về pháo đài kiên cố xung quanh Novgorod Kremlin bên bờ sông Volkhov. Trong quá trình xây dựng, gỗ được sử dụng để củng cố các tầng đất yếu và để đóng cọc. Để đạt được khối lượng và thành quả như vậy thì sự chuẩn bị kỹ thuật và việc tổ chức đóng cọc phải đạt mức độ cao đối với con người thời đó. Ngày nay, người ta biết những thông tin về kỹ thuật nền móng cổ đại do sự giới thiệu của Vitruvia, và những mô tả chi tiết xây dựng cầu được sưu tập bởi Caesar. Vitruvia viết rằng có thể đạt được những nền móng vững chắc bằng cách sử dụng những cọc gỗ sồi được chuẩn bị một cách đặc biệt hoặc là những cọc hình thành từ gỗ trăn precalcined và gỗ ô liu hay mô tả những thiết bị dùng đóng ép cọc đơn giản nhất, các chuyển động của trục kéo và con vật cũng được sử dụng. Ceasar mô tả việc xây dựng các cây cầu bằng gỗ, đoạn qua sông rộng cho quân đội La Mã Học viên: Trần Nhật Vũ 3 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ khi đó cọc gỗ được sử dụng tạo thành trụ cầu có thể được xem như một tài liệu tham khảo cổ điển về cọc. Hình 1.1: Những thiết bị đóng cọc trong lịch sử Học viên: Trần Nhật Vũ 4 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ Ngoài ra, một số di tích cần được chú ý như: nền móng dưới nhà thờ Notre Dame de Strasbourg ở Pháp là một điều quan tâm. Nhà thờ được xây dựng năm 1015, trên nền tảng nền móng trên các cọc gỗ bởi các nhà xây dựng thời La Mã cổ đại từ lâu đã nổi tiếng là một trong những thành tựu cao quý nhất của kiến trúc phương Tây. Khai quật trong lâu đài Baunard ở London (1974-1976) đã chỉ cho thấy các bức tường chịu lực cơ bản cũng nằm yên trên những cọc được đóng vào thế kỷ thứ 4 bởi các nhà xây dựng La Mã. Và một bước tiến vượt bậc trong việc ngành kỹ thuật móng cọc khi năm 1740, Christoffoer Polhem người Thụy Điển, một nhà khoa học về vật lý và cơ khí học đã phát minh ra dụng cụ không khác mấy thiết bị đóng cọc mà ngày nay sử dụng. Kế đến là phát minh của James Hall Nasmyth, một kỹ sư và nhà sáng chế người Scotland đã phát minh ra búa hơi năm 1839 để nâng cao lực đóng khi bị than phiền từ một kỹ sư công ty đóng tàu năm 1938 rằng những thiết bị búa đóng lớn nhất vẫn không đủ lực đóng để rèn trục mái chèo, sau đó được ông cải tiến thêm thành máy đóng cọc vào năm 1843. Từ đó, thúc đẩy việc phát triển cọc chịu tải lớn hơn, bền hơn chủ yếu dựa vào vật liệu làm cọc. Đầu tiên là cọc thép được ra đời vào khoảng năm 1800, sau đó đến năm 1824 Joseph Aspdin đã phát minh ra xi măng Portland, vật liệu không thể thiếu khi tạo thành bê tông, tiếp đến năm 1897 A.Raymond lần đầu tiên tìm ra hệ thống cọc được trộn bằng hỗn hợp bê tông mang tính kinh tế hơn so với cọc thép, và đến năm 1903 R.J.Beale phát triển thành phương pháp cọc bê tông nhồi trong ống thép, đến những năm 1960 đến nay với máy móc công nghệ thi công phát triển cho ra đời cọc vôi, cọc xi măng đất, cọc cát, và cọc kiểu kết hợp với nhau để tạo thành cọc phù hợp nhất với những loại nền đất nhất định. Có lẽ, không có khu vực nào trên trái đất không sử dụng cọc, thời gian đã khẳng định độ tin cậy, tuổi thọ của các nền móng từ thời cổ đại trong nhiều vùng đất rất khác nhau của Châu Âu, Châu Á và Châu Phi. Điều này cho thấy móng cọc có tầm ảnh hưởng rất quan trọng trong việc nâng cao sức chịu tải của nền đất và vốn dĩ là một biện pháp không thể thiếu đối với bất cứ công trình xây dựng có quy mô tương đối lớn nào trở lên. Cho đến ngày nay, công nghệ rất tiên tiến nhưng vẫn Học viên: Trần Nhật Vũ 5 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ chưa thể áp dụng một biện pháp cải thiện nền nào khác ngoài cọc đối với những công trình lớn như nhà cao tầng, công trình thủy lợi, cầu đường,…Vì vậy, móng cọc vẫn đang là một đề tài rất được quan tâm cho đến ngày nay như về công nghệ làm cọc, vật liệu làm cọc, công nghệ thi công cọc, biện pháp thi công cọc, chiều dài cọc cần thiết, phương án rút ngắn cọc vẫn đảm bảo an toàn kỹ thuật… 1.2 Khái niệm chung về móng cọc Móng cọc thuộc loại móng sâu, nó bao gồm một cọc hoặc nhiều cọc liên kết với nhau bằng một đài cọc có chức năng chung nhất là truyền tải trọng xuống tầng đất, đá sâu ở những nơi mà tầng đất nông không đủ khả năng chịu lực nhằm những mục đích thông dụng sau: - Truyền tải trọng công trình xuyên qua nước hoặc lớp đất yếu xuống lớp đất tốt ở sâu bên dưới bằng mũi cọc. Cọc làm việc như vậy được gọi là cọc chống hoặc cọc chịu mũi. - Truyền tải trọng công trình qua các lớp đất chịu lực xung quanh cọc bằng sự ma sát giữa cọc và đất. Cọc làm việc như vậy gọi là cọc ma sát hoặc cọc treo. - Dùng để lèn chặt đất cải tạo nền tăng khả năng chịu tải của đất. - Truyền tải trọng công trình qua khỏi độ sâu bị xói lở. - Neo công trình để chịu lực đẩy nổi hoặc moment lật. - Cọc được hạ nghiêng một góc so với phương thẳng đứng được gọi là cọc xiên chịu tải trọng ngang, tải trọng nghiêng lớn hoặc làm hệ thống neo. - Làm hệ thống neo chịu tải trọng ngang từ áp lực đất tác dụng lên tường cừ. - Làm hệ thống chống va đập cho các bến cảng. - Chịu tải trọng động khi có động đất hoặc cọc dưới các móng máy. Cấu tạo móng cọc gồm: Một cọc hoặc nhiều cọc được đóng, ép hay thi công đổ tại chỗ đến các tầng đất, đá đủ khả năng chịu tải. Đài cọc dùng để liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng của công trình lên các cọc phía dưới đài. Học viên: Trần Nhật Vũ 6 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ Hình 1.2: Chức năng của cọc. 1.3 Phân loại móng cọc Có thể phân loại cọc theo nhiều cách khác nhau nhưng chung quy dựa vào 5 căn cứ sau: 1. Vật liệu làm cọc: Căn cứ vào vật liệu chính để làm cọc như: cọc gỗ, cọc tre, cọc bê tông, cọc thép, cọc cát, cọc kết hợp giữa bê tông với cốt thép hay cọc xi măng đất… Học viên: Trần Nhật Vũ 7 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ 2. Phương pháp chế tạo cọc: Có thể xác định các loại cọc nếu chúng được chế tạo sẵn hay đúc tại chỗ. Cọc gỗ và cọc thép luôn được gia công trước, còn cọc bê tông có thể được đúc sẵn hoặc đúc tại chỗ. 3. Mức độ làm dịch chuyển đất khi hạ cọc: Có thể phân thành 4 loại sau a/ Cọc dịch gây chuyển vị lớn: như cọc ép, cọc rung, cọc đóng. b/ Cọc gây chuyển vĩ nhỏ: như cọc thép tiết diện chữ I, cọc ống hở đáy, cọc vít. c/ Cọc gần như không gây chuyển vị: như cọc khoan nhồi, cọc khoan dẫn. d/ Cọc kết hợp gồm hai trong ba loại trên: - Cọc vừa gây chuyển vị nhỏ và chuyển vị lớn: như cọc có phần bên dưới là cọc thép nối với phần bên trên là cọc bê tông. - Cọc vừa gây chuyển vị nhỏ và có phần không gây chuyển vị: như cọc có phần dưới là cọc hở đáy phần trên là bê tông cốt thép. 4. Phương pháp hạ cọc: Có thể chia thành cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi, cọc khoan dẫn, cọc rung và cọc kết hợp cả đóng và khoan. 5. Phương pháp truyền tải trọng từ cọc vào đất có thể chia thành: cọc chống hay cọc chịu mũi, cọc ma sát, cọc chống và cọc ma sát phối hợp, cọc chịu tải trọng ngang. 1.4 Đặc điểm, điều kiện làm việc và phạm vi áp dụng các loại cọc Hiện nay, có rất nhiều loại cọc để xử lý nền đất yếu phổ biến như cọc tre, cọc tràm, cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông cốt thép, cọc xi măng đất, cọc cát. Mỗi một giải pháp móng cọc đều có những ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng nhất định. 1.4.1 Cọc tre Việc sử dụng một số loại tre làm cọc cải thiện chất lượng nền móng đã được ứng dụng khá lâu đời. Ngày nay tre vẫn rất được ưa chuộng trong việc sử dụng làm cọc cải thiện khả năng chịu tải của nền để nâng cao độ chặt của đất và giảm hệ số rỗng của nền nâng cao sức chịu tải của nền ở những công trình có tải trọng không lớn và những công trình quy mô nhỏ. Tre dùng làm cọc là loại tre tươi, già, tre đực, dạng lóng thẳng, chọn đoạn có đường kính từ 70-100mm, dài 1,5-4m, chặt vát ở mũi cọc. Thông thường đóng 2025 cọc/m2. Cọc tre để sử dụng được lâu bền cần phải đóng dưới mực nước ngầm. Nếu trong nền đất khô, tre sẽ mau bị phá hủy. Nếu trong môi trường thích hợp cọc tre có thể Học viên: Trần Nhật Vũ 8 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ sử dụng được trong 50-60 năm. Nếu cọc tre làm việc trong vùng đất khô ướt thất thường thì cọc rất nhanh bị mục nát. Cọc tre là cọc được sử dụng phổ biến ở Việt Nam, dùng cho những công trình quy mô tải trọng nhỏ thấp tầng. Cọc tre được sử dụng để nâng cao độ chặt của đất, giảm hệ số rỗng nâng cao sức chịu tải của đất nền cho những công trình có tải trọng truyền xuống không lớn hoặc để gia cố cừ kè vách hố đào. 1.4.2 Cọc tràm Cọc cừ tràm được người Pháp sử dụng cách đây trên 100 năm ở miền Nam, ví dụ nhà hát TP.HCM, chung cư Thanh Đa-Quận Bình Thạnh-TP.HCM (xây dựng vào khoảng năm 1968-1972) đều dùng cừ tràm. Một thời gian rất dài khi mà cọc bê tông cốt thép chưa được sử dụng rộng rãi, hay những căn hộ ở TP.HCM nói riêng và miền Tây Nam Bộ nói chung thường dùng cừ tràm như một giải pháp gia cố móng khi xây trên nền đất yếu cho đến tận ngày nay, điều này minh chứng cho kinh nghiệm cuả những người đi trước trong việc sử dụng cừ tràm như một giải pháp hiệu quả giai cố nền móng cho những công trình thấp tầng tải trọng nhỏ. Cọc tràm giống như một số loại cọc gỗ khác dùng thích hợp và có hiệu quả để xử lý nền đất yếu dưới các công trình dân dụng và công nghiệp cũng như các công trình khác với quy mô vừa và nhỏ khi ứng suất trung bình dưới đế móng không vượt quá 0,8 kG/cm. Các loại đất yếu dùng thích hợp cho cọc tràm và móng cọc tràm có thể bao gồm các loại cát nhỏ, cát bụi ở trạng thái rời bão hòa nước, các loại đất dính (cát pha sét, sét pha cát và sét) ở trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy và chảy, các loại đất bùn, đất than bùn, và than bùn. Cọc tràm chỉ được dùng trong trường hợp móng cọc đài thấp và chủ yếu chịu tải trọng thẳng đứng là chính, không thích hợp đối với móng cọc đài cao khi có tải trọng ngang tác dụng. Cọc tràm không nên dùng ở những nơi xảy ra hiện tượng động đất và xuất hiện các dạng đất hoàng thổ có tính lún ướt. Các yêu cầu chung đối với công tác khảo sát khi thiết kế các công trình trên móng cọc tràm cũng giống như các loại cọc khác, được quy định trong tiêu chuẩn 20TCN 160 : 87 cũng như trong tiêu chuẩn 20TCN 21 : 86 của bộ xây dựng. Phương pháp hạ cọc cũng giống cọc tre và những loại cọc gỗ khác có thể đóng thủ công hoặc đóng bằng máy. Học viên: Trần Nhật Vũ 9 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ 1.4.3 Cọc gỗ Cọc gỗ là loại cọc đã phát triển từ lâu đời mà cả thế giới đã và đang sử dụng để chịu tải trọng công trình. Một số loại cọc gỗ được sử dụng tùy vào khả năng ứng suất, chiều dài cọc và khả năng cung cấp. Tại Việt Nam, ngoài tre và tràm được sử dụng phổ biến thì bên cạnh đó cây giẻ, thông, muồng, keo, bạch đàn… cũng được sử dụng làm cọc do có chiều dài lớn hơn và khả năng chịu lực tốt hơn. Những loại cọc này được sử dụng ở những vùng có tầng đất yếu dày hay có tầm ảnh hưởng tương đối quan trọng như cải thiện nền cầu đường, nền cống,… Trên thế giới, người ta đã sử dụng cọc gỗ từ rất sớm và cho đến nay cọc gỗ vẫn đang được các nước sử dụng đặc biệt là những vùng nguồn cung cấp cây cối làm cọc tốt chẳng hạn như cây thông vàng ở vùng Nam Mỹ và ở bờ biển Tây Douglas Fir có thể tạo những cây cọc dài trên 20m đến 37m. Cọc gỗ thích hợp nhất là cọc ma sát sử dụng ở những nơi đất có dạng hạt, thông thường chúng được sử dụng như cọc ma sát trong các lớp cát, bùn và đất sét có độ chặt thấp. Không thể đóng cọc vào lớp đất có cường độ cao như những lớp sỏi sét cứng hoặc đá vì chúng có thể bị hỏng trong lúc ép cọc. Ngoài ra, để đảm bảo sự làm việc ổn định của cọc thì chỉ lấy sức chịu tải của cọc dưới 30 tấn theo Peck, Hanson và Thornburu 1974. Cọc nằm trong tầng đất bão hòa nước hoặc tầng đất luôn đảm bảo độ ẩm tốt cho cọc thì cọc sẽ bền vững rất lâu dài. Tuy nhiên, nên tránh sử dụng cho những công trình ven biển vì khi đó cọc gỗ dễ bị các vi sinh vật tấn công và tuổi thọ của cọc chỉ còn vài ba tháng. Hạn chế tối đa việc nối cọc, trong trường hợp cọc chỉ chịu nén không chịu kéo, chịu uốn và lực cắt thì có những cách đơn giản để nối cọc như dùng ống thép, miếng thép với bu lông để liên kết hoặc có thể dùng lõi thép và vòng đai bọc ngoài cọc gỗ. Còn nếu cọc chịu kéo, chịu uốn và lực cắt thì trước đây người ta thường dùng cách ốp gỗ kết hợp với những thanh sắt và bu lông để liên kết nhưng rất tốn công. Ngày nay đối với trường hợp này người ta sẽ dùng biện pháp móng cọc khác thuận tiện hơn. Cọc gỗ khác có thể đóng thủ công hoặc đóng bằng máy. Những cọc với chiều dài lớn thì phải đóng, ép bằng máy để đạt hiệu quả kỹ thuật hơn. Có thể khoan dẫn để việc đóng ép cọc dễ dàng và chính xác hơn. Học viên: Trần Nhật Vũ 10 Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc Sĩ Hình 1.3: Chi tiết cọc gỗ và một số cách nối cọc thông dụng 1.4.4 Cọc thép Trên thế giới, móng cọc thép là một loại móng đã được giới thiệu sử dụng khoảng những năm 1800 để có thể đáp ứng các điều kiện địa chất phức tạp, độ tin Học viên: Trần Nhật Vũ 11