MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CỌC ỐNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG THỰC TẾ ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM SOME PROBLEMS IN APPLYING OF PRESTRESSED REINFORCED CONCRETE PIPE PILE IN VIETNAM ThS Lâm Văn Phong ThS Trần Khanh Hùng* Bộ môn Cảng – Công Trình Biển, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia TPHCM 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, TPHCM, Việt Nam Email: lamvanphong@hcmut.edu.vn *Phòng Công trình, Công ty CP Tư vấn thiết kế Cảng – Kỹ thuật biển (PORTCOAST) 92 Nam kỳ khởi nghĩa, Quận 1, TPHCM, Việt Nam Email: hung.tk@portcoast.com.vn BẢN TÓM TẮT Đã từ lâu, nước ta nói chung đồng sông Cửu Long nói riêng, với đặc điểm địa tầng có lớp đất yếu mặt dày, cọc BTCT ứng dụng rộng rãi kết cấu móng đa số công trình xây dựng, từ dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, giao thông hạ tầng kỹ thuật Trong ngành cảng nói riêng, cọc ống BTCT ƯST dần thay cho loại cọc vuông đặc không ƯST truyền thống ưu điểm vượt trội (trong nước tiên tiến điều diễn từ thập kỷ trước!) Tuy nhiên thực tế thi công cọc ống BTCT ƯST diễn nước ta gặp phải số bất ổn, làm cho kết cấu công trình làm việc không mong muốn người thiết kế, tình trạng cọc bị gãy, nứt dọc, vỡ đầu, lệch mặt bằng, liên kết không tốt với kết cấu bên Tuy phần lớn tượng gặp loại cọc vuông đặc truyền thống nguyên nhân dẫn đến tượng có khác Báo cáo đề cập chi tiết đến vấn đề trên, sâu vào phân tích nguyên nhân, từ đề xuất biện pháp phòng tránh ABSTRACT For a long time, in Vietnam and especially at Cuu Long River Delta, the region has rather thick weak soil layer on top, the reinforced concrete piles are used very popular in foundation of almost structures, such as factories, buildings, hydraulic structures, bridges, port and habour, and also other infrastructure Today, in port structure, the reinforced concrete piles are being changed by the prestressed reinforced concrete pipe piles (this kind of pile has been applied in developed countries for many years) However, in Vietnam, the construction of this kind of pile encounter some troubles causing not good status of structure, for example, broken pile, crack along pile, wrong in location i.e Almost troubles as mentioned above occurred on the rectangular solid piles too, but with this kind of pile, there are the other causes This paper will present those matters detailed, analyse the causes and propose some prevention methods NHỮNG SỰ CỐ THƯỜNG GẶP 1.1 Cọc bị nứt, gãy cẩu chuyển Trên thực tế, số Đơn vị thi công cho công nhân dùng móc cẩu móc trực tiếp đầu cọc để cẩu chuyển (hình 1a,b) mà không tính toán kiểm tra nghĩ cọc ống BTCT ƯST có độ cứng lớn, cọc bị tổn hại Ở số công trình xảy tượng gãy cọc cẩu cách này, vừa gây tổn thất lớn vật tư, vừa gây nguy hiểm cho thiết bị (cần cẩu, xà lan) người bên Nhiều trường hợp cọc bị nứt cách cẩu chuyển Tư vấn giám sát quan tâm phát hiện; tổn hại không lớn ảnh hưởng đến tuổi thọ cọc, tuổi thọ cấu kiện công trình cảng thường nhân tố định đến tuổi thọ công trình Hiện tượng gặp phổ biến, sau cọc đóng sâu vào nền, mức độ vỡ từ nhẹ (chỉ bị vỡ phần BT đầu cọc - hình 3a) đến nặng (toàn đầu cọc vỡ nát, chí bung vòng thép đầu cọc - hình 3b) 1.4 Cọc bị nghiêng lệch mức cho phép trình đóng cọc Trường hợp thường xảy cọc tổ hợp từ nhiều phân đoạn trình đóng, giai đoạn cuối trình đóng cọc lệch nhiều, tọa độ đầu cọc mặt độ nghiêng trục cọc 1.5 Kết cấu bên bị dịch chuyển nhiều mặt phẳng ngang chịu tải trọng ngang Hình 1a,b – Cẩu chuyển cọc ống cách móc vào đầu 1.2 Cọc bị nứt dọc theo thân Trong trình đóng cọc, cọc có mũi hở, thân cọc chìm nước, thấy có tượng cọc bị nứt dọc theo thân cọc, nước bên trào theo khe nứt búa nện vào đầu cọc (hình 2a,b) Sau thi công xong kết cấu bên cọc, công trình chịu lực ngang (chẳng hạn lực neo tàu, lực va tàu,…) kết cấu bên bị dịch chuyển mặt phẳng ngang lớn nhiều so với tính toán hồ sơ thiết kế, trường hợp tải trọng ngang tác động tuần hoàn (chẳng hạn tác động sóng) gây tượng rung lắc kết cấu bên PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN 2.1 Cọc bị nứt, gãy cẩu chuyển Hình a,b – Vết nứt dọc (nhìn bên bên lòng cọc) Thông thường cọc ống BTCT ƯST không đặt trước móc cẩu nhô khỏi cọc mà đánh dấu điểm cẩu thân cọc sơn nhà máy chế tạo Theo qui định, việc cẩu cọc ống phải dùng vòng cẩu quàng qua thân cọc điểm cẩu để nâng chuyển cọc, sau nâng chuyển xong tháo vòng cẩu (hình 5a,b) 1.3 Cọc bị vỡ đầu trình đóng cọc Hình 5a,b – Vòng cáp cẩu cọc ống Hình 3a,b – Cọc bị vỡ đầu sau đóng Việc lắp tháo vòng cẩu thời gian nên dẫn đến tình trạng Đơn vị thi công không tuân thủ nghiêm túc qui trình Một số tính toán sau với cọc chế tạo sẵn nhà máy cho thấy việc cẩu cọc đầu nói chung không cho phép phân đoạn có chiều dài lớn (xem bảng 1) Bảng So sánh giá trị mô men cọc cẩu đầu với mô men uốn nứt mô men uốn gãy cọc D 300 400 500 600 700 800 1000 1200 d L 60 18 q 113 Mcẩu 6.9 Mnứt Mgãy KQ 2.0 - 60 13 113 3.6 2,4-3,9 3,7-7,9 80 20 201 15.1 4,6-5,6 - 65 15 171 7.2 5,4-8,8 8,1-17,7 100 22 314 28.5 9,9-10,8 - 80 15 264 11.1 10,3-16,7 15,5-33,4 110 22 423 38.4 13,5-14,4 - 25,0-26,9 - 90 15 360 15.2 16,7-28,5 120 22 547 49.6 100 15 471 120 30 641 110 15 596 140 30 946 130 15 888 150 30 1237 150 15 1237 38.0 19.9 26,5-44,1 108.2 65,0 25.1 39,2-63,8 159.6 120,0 37.5 73,6-117,7 208.7 - 39,7-88,3 - 58,9-127,5 - 110,4-235,4 - ? 52.2 117,7-196,2 176,6-392,4 Ghi chú: Trong nhóm đường kính cọc, giá trị dòng tham khảo bảng Thông số kỹ thuật sản phẩm Công ty CP bê tông 620 Châu Thới (từ D≥800 lấy theo thông số Công ty CP Đầu tư Phan Vũ); giá trị dòng tham khảo tiêu chuẩn Nhật JIS A 5373:2004 “Precast prestressed concrete products” D – đường kính cọc (mm) d – chiều dày thành cọc (mm) L – chiều dài lớn đoạn cọc chế tạo thực tế khuyến cáo tiêu chuẩn (m) q – trọng lượng md cọc (kG/m) Mcẩu = k.q.L2/8000 (Tm) – mô men lớn đoạn cọc cẩu đầu k – hệ số động cẩu cọc (k = 1,5) Mnứt – Mô men uốn nứt cọc theo thiết kế (Tm) Mgãy – Mô men uốn gãy cọc theo thiết kế (Tm) KQ =? – chưa có số liệu để so sánh kết luận KQ =0 – việc cẩu đầu cọc không gây nứt cọc (=> không gây gãy cọc => cho phép) KQ =1 – việc cẩu đầu cọc gây nứt cọc chưa gây gãy cọc (=> không cho phép) KQ =2 – việc cẩu đầu cọc gây nứt cọc chưa có số liệu để kết luận có gây gãy cọc không Việc cẩu đầu cọc gây gãy cọc (=> tuyệt đối không cho phép) không gặp trường hợp so sánh với số liệu tiêu chuẩn L bị khống chế không lớn (L≤15m) Lưu ý không loại trừ trường hợp cọc bị nứt, gãy chất lượng cọc không đạt (bê tông bị rỗ xốp bên trong, lồng thép bị lệch khỏi vị trí thiết kế nhiều trình quay ly tâm,…), khuyết tật gần phát kiểm tra mắt (hình 5) Hình – Lồng thép bị lệch nhiều so với thiết kế 2.2 Cọc bị nứt dọc theo thân trình đóng cọc Hiện tượng thường gặp cọc có mũi hở, thân cọc chìm nước trình thi công nước rò rỉ vào lòng cọc mối nối không đủ kín Trong 22TCN 289-02 “Qui trình kỹ thuật thi công nghiệm thu công trình bến cảng” – điều 7.6.9 có đề cập đến tượng xuất vết nứt dọc thân cọc cho tác động áp lực thủy động lòng cọc hạ cọc nước đất yếu Trường hợp cho thấy cốt đai xoắn cấu tạo cọc không đủ khả chịu tác động áp lực thủy động lòng cọc 2.3 Cọc bị vỡ đầu trình đóng cọc Vỡ đầu cọc đóng tượng phổ biến cọc ống BTCT ƯST mà tất loại cọc BTCT, nhiên qua phân tích từ thực tế cấu tạo cọc giải pháp thi công hạ cọc, nhận thấy cọc ống BTCT ƯST có số đặc điểm riêng nên dễ bị vỡ đầu hơn, bê tông cốt thép chúng có cường độ cao so với cọc BTCT thông thường nhiều: Bề dày không lớn so với đường kính ngoài, đường kính cọc lớn kết cấu cọc thuộc loại mỏng (tham khảo bảng 1) Đường kính lớn ma sát hông sức kháng mũi lớn, dẫn đến sức chịu tải cọc theo đất lớn, muốn đóng cọc phải dùng búa có lượng xung kích (E) lớn, nhiều Đơn vị thi công thay trang bị búa có trọng lượng (Q) lớn, chiều cao rơi búa (H) thấp để giảm động va đập lên đầu cọc, lại chọn cách tận dụng búa có Q nhỏ H lớn (vẫn đảm bảo thỏa điều kiện E), làm cho phần đầu cọc chịu thêm ứng suất phát sinh va đập, tổng ứng suất thường vượt ứng suất giới hạn vật liệu cọc gây vỡ đầu cọc Mặt khác diện tích tiết diện ngang cọc ống giảm nhiều (do chiều dày thành nhỏ) lý làm cho ứng suất cọc tăng nhiều so với loại cọc đặc Đầu cọc cấu tạo đặc biệt để chịu ứng suất phát sinh va đập búa vòng thép quanh miệng cọc Tuy nhiên vòng thép có chiều cao (theo phương trục cọc) không lớn (khoảng 150-200mm) so với phạm vi ảnh hưởng lực xung kích nên hiệu không cao Mặt khác thiếu chi tiết neo để liên kết vòng thép vào phần BT cọc (hình 6a,b) nên nhiều trường hợp vòng thép bị tách khỏi phần BT trình thi công khai thác Hình 6a,b – Vòng thép đầu cọc chưa có chi tiết liên kết vào bê tông đầu cọc Cấu tạo mũi cọc điển hình nhà sản xuất cọc ống chưa thật hợp lý làm loại mũi (hình 7a,b), không thấy khuyến cáo nên dùng cho trường hợp nào, dễ dẫn đến việc Đơn vị thiết kế nghĩ mũi cọc thích hợp cho trường hợp địa chất Theo TCXD 205:1998 “Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế” – điều 3.3.3 loại mũi nên dùng đất sét đồng Thực tế cho thấy mũi cọc loại làm cho việc đóng cọc khó khăn mũi loại nhọn nhiều đầu cọc dễ bị lệch khỏi phương hạ cọc (đây nguyên nhân dễ dẫn đến lệch cọc sau đóng đến độ sâu thiết kế - đề cập mục 2.4), cọc khó xuống độ chối nhỏ, Đơn vị thi công thay chọn búa khác lớn lại chọn giải pháp tăng tối đa chiều cao rơi búa, dễ gây vỡ đầu cọc Hình 7a,b – Thiết kế điển hình chi tiết mũi cọc loại nhà sản xuất thực tế chế tạo 2.4 Cọc bị nghiêng lệch mức cho phép trình đóng cọc Những nguyên nhân chủ quan gây nghiêng lệch cọc đúc cọc mũi cọc bị lệch, trục cọc bị cong, mặt phẳng đầu cọc không vuông góc trục cọc,… gặp phổ biến cọc đúc công trường gặp cọc ống BTCT ƯST đúc nhà máy điều kiện chuẩn Trừ việc đóng cọc mái đất nghiêng nguyên nhân khách quan gây nghiêng lệch loại cọc (phải chấp nhận) thực tế cọc ống BTCT ƯST bị nghiêng lệch chủ yếu dùng mũi cọc loại (như nêu khoản - mục 2.3) công tác nối cọc thực không chuẩn (nối cọc giá búa dễ gây lệch trục nối mặt bằng), phân đoạn cọc ngắn cọc có nhiều mối nối, khả lệch khỏi trục cọc nhiều 2.5 Kết cấu bên bị dịch chuyển nhiều mặt phẳng ngang chịu tải trọng ngang Nguyên nhân mối liên kết đầu cọc kết cấu bên không đảm bảo nút cứng giả thiết sơ đồ tính Trong thực tế, hồ sơ thiết kế lấy theo chi tiết nối điển hình nhà sản xuất cọc (hình 8a,b) mà tính toán kiểm tra phân tích tính hợp lý Hình - Thiết kế điển hình chi tiết nối nhà sản xuất cọc thực tế thi công Việc đặt lồng thép nối (cường độ thường) vào lòng cọc ống làm cho ứng suất kéo vành cọc ống (chính xác lồng thép cường độ cao thành cọc ống) dịch chuyển vào phía tâm cọc Đường kính cọc nhỏ lồng thép nối thu nhỏ trục cọc, mối liên kết cấu kiện thiên liên kết khớp liên kết ngàm cứng, nghĩa cọc kết cấu bên dễ bị xoay tương chịu tác động lực ngang, dẫn đến tượng kết cấu bên bị dịch chuyển mặt phẳng ngang lớn nhiều so với tính toán hồ sơ thiết kế KIẾN NGHỊ BIỆN PHÁP PHÒNG TRÁNH 3.1 Cọc bị nứt, gãy cẩu chuyển Sự cố hoàn toàn phòng tránh cách dễ dàng, chủ yếu đòi hỏi tuân thủ qui trình nghiêm túc Trong giai đoạn thiết kế, người thiết kế cần thể rõ qui định việc cẩu chuyển, cẩu dựng kê xếp cọc Các qui định cần xuất phát từ tính toán cụ thể cho trường hợp làm việc, kích cỡ cọc Những nhóm cọc có độ cứng đủ lớn, cho phép cẩu đầu mút (hoặc nhóm cọc không cho phép cẩu đầu mút) nên ghi rõ, giúp Nhà sản xuất, Đơn vị thi công Giám sát biết để thực đúng, đảm bảo an toàn lao động Trong giai đoạn thi công, chỗ thiết kế chưa qui định chưa thể rõ phải yêu cầu thiết kế làm rõ, không nên tự thực theo ý chủ quan mình, cẩn thận tiến hành tính toán kiểm tra lại (việc tính toán đơn giản, thực tay!) Tư vấn giám sát cần đặc biệt quan tâm đến yếu tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng công trình an toàn lao động, cần thiết yêu cầu thí nghiệm dò tìm khuyết tật tiểm ẩn bên cọc trình nghiệm thu cọc (phương án tốt kiểm tra trình chế tạo cọc để ngăn ngừa từ đầu yếu tố gây khuyết tật cho cọc) 3.2 Cọc bị nứt dọc theo thân trình đóng cọc Theo 22TCN 289-02 – điều 7.6.9 có nêu “Để giảm áp lực thủy động bên cọc ống cần hút nước khỏi lòng cọc bơm sâu phương pháp khác Cho phép sử dụng phương pháp giảm áp lực thủy động cách truyền khí nén vào phần cột nước lòng cọc ống, có áp lực 0,6 đến 0,8MPa Theo chúng tôi, thực biện pháp khó khăn đóng cọc Chúng kiến nghị giải pháp sau: Thay mũi cọc hở mũi cọc kín để nước vào lòng cọc trình đóng cọc (giải pháp phải can thiệp vào thiết kế, cần tính toán kiểm tra lại chiều dài cọc thiết kế sức chịu tải cọc theo đất nền), đồng thời kiểm tra độ kín nước mối nối cọc Trong trường hợp sử dụng mũi cọc hở, theo kinh nghiệm nên bố trí lỗ thân cọc với đường kính tối thiểu 30mm để giảm áp lực thủy dộng lòng cọc đồng thời bố trí máy bơm hút nước lòng cọc đóng hạ cọc Bên cạnh lưu ý biện pháp thi công chất lượng vật liệu chế tạo cọc thành phần bê tông, đường kính sợi thép căng, số lượng sợi thép căng, lực căng, v.v, quy trình dưỡng hộ cọc cần phải quan tâm kiểm soát Sau dựng cọc xuống (nhưng chưa đóng) tiến hành lấp đầy lòng cọc (bằng vật liệu thích hợp) để không cho nước chiếm chỗ Giải pháp phù hợp với điều 7.4.8 7.4.9 22TCN 289-02 Tăng khả chịu lực cốt đai (tăng đường kính cốt đai tăng dày bước đai,…) 3.3 Cọc bị vỡ đầu trình đóng cọc Từ nguyên nhân phân tích mục 2.3, ta thấy cần thực việc sau: Chỉ nên dùng búa xung kích để hạ cọc cho cọc không mảnh (đường kính cọc lớn độ mảnh thành cọc lớn) Trường hợp dùng búa chọn loại có lượng lớn tốt, ưu tiên loại búa có trọng lượng búa lớn, chiều cao rơi nhỏ Cấu tạo lại đầu cọc cho hợp lý việc chịu tải xung kích, đảm bảo bê tông thép (thép cốt, thép hình) thành khối thống nhất, khó bị tách rời (như thêm râu thép neo vành thép vào bê tông, thêm lưới thép gia cường mặt phẳng tiết diện ngang cọc) Sử dụng đệm đầu cọc thích hợp (không cứng không mềm) Cấu tạo mũi cọc loại nhọn thay cho loại (hình 9) cấu tạo mũ cọc không cần phải cắt bỏ có biện pháp bảo vệ vành thép đầu cọc tránh tác động ăn mòn môi trường Một số công trình có cấu tạo mũ cọc chưa thỏa điều kiện (2) dư lồng thép bên (hình 10) Hình 10 – Mũ cọc cấu tạo chưa đạt độ cao ôm đầu cọc dư lồng thép bên lòng cọc Hình – Mũi cọc ống loại nhọn 3.4 Cọc bị nghiêng lệch mức cho phép trình đóng cọc Để hạn chế tình trạng nguyên nhân nêu mục 2.4 cần lưu ý: Khi chọn cấu tạo mũi cọc không lý đặc biệt nên dùng mũi cọc loại nhọn, mặt kỹ thuật nhọn tốt (nhưng mặt kinh tế ngược lại!) Chiều dài phân đoạn cọc chọn lớn tốt điều kiện sản xuất, vận chuyển, cẩu lắp khả thi công cho phép Điều giúp rút ngắn thời gian hạ cọc, tăng độ tin cậy khả chịu lực theo vật liệu cọc 3.5 Kết cấu bên bị dịch chuyển nhiều mặt phẳng ngang chịu tải trọng ngang Để không xảy tình trạng cần cấu tạo liên kết đầu cọc kết cấu bên hợp lý để đảm bảo làm việc liên kết nút cứng Chúng kiến nghị dùng lồng thép (cường độ thường) bao xung quanh mặt cọc, chiều dài lồng thép ngàm vào kết cấu bên lấy chiều dài neo thép theo qui định vào kết cấu bê tông, chiều cao lồng thép ôm quanh đầu cọc lấy cần đảm bảo hai điều kiện: (1)-diện tích tiếp xúc khối bê tông bao quanh đầu cọc (tạm gọi mũ cọc) đủ lớn để không bị kéo trượt chịu tải thiết kế (2)lồng thép thỏa điều kiện neo mũ cọc Nếu KẾT LUẬN Cọc ống BTCT ƯST ngày sử dụng rộng rãi nhiều loại công trình, ứng dụng nhiều có lẽ công trình cảng Việc hiểu rõ nguyên nhân gây nên tượng bất lợi (nếu không muốn gọi cố!) liên quan đến cấu kiện cọc, giúp phòng tránh cách hiệu tượng Các biện pháp phòng tránh mà đề xuất số nhiều giải pháp mà người sáng tạo, xuất phát từ nghiên cứu lý thuyết từ thực tiễn thi công, kết hợp hai TÀI LIỆU THAM KHẢO TCXD 205:1998 – Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế, VN, (1998) 22TCN 289-02 – Qui trình kỹ thuật thi công nghiệm thu công trình bến cảng, VN, (2002) Japanese Industrial Standard - JIS A 5373:2004 - Precast prestressed concrete products, Japan, (2005), pp 110 ICP Piles Brochure, Malaysia, (2006) Thông số kỹ thuật sản phẩm Công ty CP bê tông 620 Châu Thới, VN, (2007), trang Thông số kỹ thuật sản phẩm Công ty CP Đầu tư Phan Vũ, VN, (2009)