Chương 5 Thi công cọc

Tài liệu “ Thi công chuyên môn” được biên soạn với mục đích đáp ứng nhu cầu về tài liệu cho môn kỹ thuật thi công các công trình xây dựng, và phục vụ cho công tác dạy và học tập của giáo viên

Chương 5

THI CÔNG CỌC 5.1 Các loại cọc

5.1.1 Cọc tre

Cọc tre được nén ép làm chặt đất và một phần nào đó truyền áp lực của công trình xuống nền đất phía dưới nên trong thực tế không coi cọc tre là cọc mà chỉ coi là một giải pháp gia cố nền Cọc tre được sử dụng ở những vùng đất luôn ẩm ướt, không được sử dụng ở những vùng đất khô hoặc khi khô, khi ướt

Cọc tre được sử dụng có chiều dài từ 3÷ 4m; tre phải thẳng, dày mình, có đường kính từ 6 ÷ 10cm và phải là tre tươi

Để cọc tre đóng không bị vỡ đầu người ta cưa phẳng cách mấu khoảng 50mm, đầu dưới vót nhọn

5.1.2 Cọc gỗ

Được sử dụng ở những nơi luôn luôn có nước Gỗ làm cọc tốt nhất là gỗ dẻ, muồng, thông, tràm… Gỗ làm cọc là gỗ còn tươi, có độ ẩm W≥23%, dài 8÷12m, đường kính 12÷20cm Cọc được róc hết vỏ, đầu cọc được cưa phẳng và đóng đai thép rộng 40÷70mm, dày 10÷12mm Mũi vót nhọn 3÷4 cạnh để dễ đóng

5.1.3 Cọc thép

Gồm hai loại là cọc thép định hình và cọc ống thép 5.1.3.1 Cọc thép định hình

Cọc cừ thép là dạng cọc thép được áp dụng rộng rãi trong công trình bến tường cừ, công trình bảo vệ bờ, đê chắn sóng, làm đê quai, khi thi công các công trình thuỷ công Nó có ưu điểm là sức chịu tải lớn, độ cứng lớn, đảm bảo ổn định và đảm bảo độ sâu Tuy nhiên nó có nhược điểm là dễ bị ăn mòn

Cọc thép được chế tạo từ các loại thép hình như thép C, I, thép góc có ưu điểm là chế tạo nhanh, khả năng chịu lực lớn, mômen kháng uốn lớn, chiều dài theo ý muốn 5.1.3.2 Cọc ống thép

Cọc ống thép có nhiều loại đường kính và chiều dài khác nhau Nó được sử dụng rộng rãi trong các công trình biển (dàn khoan) Ưu điểm của nó là có khả năng đàn hồi lớn, tạo được khung lớn

5.1.4 Cọc cát

Được sử dụng để gia cố nền tức là làm tăng độ chặt của đất nền và một phần nào đó truyền tải trọng của công trình xuống nền đất tốt phía dưới Việc thi công cọc cát bằng phương pháp dùng các ống bao bằng thép để đóng vào trong đất tạo lỗ, sau đó cho cát vào trong lòng ống vừa đầm chặt cát vừa từ từ rút ống lên Trường hợp nền đất sét thì không cần dùng ống bao mà dùng luôn ống đặc để đóng tạo lỗ, sau đó rút lên rồi tuồn cát vào Ưu điểm của phương pháp này là thay nền đất yếu bằng nền đất chặt hơn, tạo ra đường thấm nước cho nước thấm từ dưới lên

5.1.5 Cọc bêtông cốt thép

5.1.5.1 Cọc bêtông cốt thép đúc sẵn

Cọc vuông 20x20÷ 45x45(cm): Đây là loại cọc được sử dụng rộng rãi nhất trong các công trình xây dựng, chiều dài cọc và cạnh cọc phải đảm bảo một tỷ lệ nhất định để không bị quá mảnh dễ gây nứt gãy cọc trong quá trình cẩu và vận chuyển Mũi cọc được vót đều 4 cạnh, đầu cọc được gia cường 6 tấm lưới thép φ6 Nếu cọc có chiều dài lớn thì phải chia làm nhiều đoạn Việc bố trí móc cẩu để cẩu cọc dựa vào cơ sở mômen âm và dương là gần như bằng nhau Tuỳ thuộc vào giá trị mômen lớn nhất xuất hiện trong cọc mà ta có thể bố trí 1, 2 hoặc 3 móc cẩu

Cọc ống bêtông cốt thép: Là cọc có tiết diện rỗng, tròn Loại cọc này có ưu điểm là tiết kiệm cốt thép, trọng lượng nhẹ, khả năng chịu lực tốt Hiện nay cọc ống bêtông cốt thép ứng suất trước đã bắt đầu được sử dụng phổ biến ở Việt Nam

5.2 Tính toán bãi đúc cọc bêtông cốt thép

Hình 5.1 Đúc cọc bêtông cốt thép

5.2.1 Yêu cầu của bãi đúc

Tương tự như yêu cầu của bãi đúc khối xếp bêtông như đủ diện tích, kích thước, kết cấu mặt bãi

5.2.2 Tính toán diện tích bãi đúc

Ở những công trường lớn, số lượng cọc nhiều phải xây dựng bãi đúc cọc Diện tích bãi đúc cọc được tính theo công thức:

1 mbblNk

Trong đó: _

N Số lượng đoạn cọc đúc trong một ngày;

b Chiều rộng của cọc; _

Trong đó: _n Số tầng cọc;

- Búa hơi đơn động: áp dụng nguyên lý thuỷ lực, ngày nay ít sử dụng - Búa hơi song động: ít sử dụng

- Búa Diezel: trình bày trong phần sau - Búa rung:

- Nén cọc: Nén tĩnh bằng các khối bêtông lớn nhờ trọng lượng bản thân của các khối bêtông

Để đóng được cọc người ta phải dùng một bộ thiết bị bao gồm quả búa, giá búa, thiết bị đặt giá (xe xích, phao) và các thiết bị phụ trợ khác (mũ cọc, máy đo đạc)

5.3.2.2 Nguyên lý hoạt động

Dùng tời 8 kéo pittông 3 lên cao đến một độ cao nhất định rồi thả tự do Do ở đáy pittông được khoét lõm ôm khít lấy đầu bầu dầu nên khi pittông rơi tự do thì không khí bị nén chặt lại rất nhanh sinh ra nhiệt lượng lớn đồng thời khi van số 6 bơm dầu vào buồng đốt gặp nhiệt độ cao sẽ gây cháy Do buồng đốt kín nên sẽ tạo ra một áp lực lớn đẩy ngược pittông lên phía trên đồng thời sinh ra một phản lực tác dụng vào thanh ngang khác truyền qua cọc để nén cọc xuống phía dưới Xilanh lên cao rồi lại rơi tự do xuống để lạp lại chu kỳ như trên

Khi đóng cọc ở vùng đất yếu, cọc xuống nhanh nhưng hiệu quả của búa kém, nhiên liệu không cháy hết tạo ra áp suất nhỏ, pittông không thể lên được độ cao cần thiết nên búa không nổ được

5.3.3 Giá búa

Hình 5.4 Giá búa đóng cọc

Phao; 2 Máy phát điện; 3 Cabin công tác; 4 Tời điều khiển búa; 5 Tăng đơ; 6 Giá búa; 7 Quả búa; 8 Cọc; 9 Hệ thống tời - cáp – neo

Hình 5.5 Đóng cọc bằng búa đóng cọc đặt trên xà lan

Giá búa có nhiệm vụ treo cọc và dẫn hướng cho búa và cọc trong quá trình đóng cọc cho đúng với vị trí và độ xiên như thiết kế

Giá búa có hai loại là giá búa trên cạn và giá búa dưới nước

- Giá búa trên cạn: Dùng để đóng cọc ở trên cạn Giá di chuyển theo đường ray hoặc trên xe bánh xích Cũng có thể dùng giá búa trên cạn để đóng cọc ở dưới nước nhưng khi đó phải dùng hệ sàn đạo đóng trêm mặt nước cho giá búa di chuyển Giá búa này được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng cầu đường, nhà cửa

- Giá búa trên phao (tàu đóng cọc): Giá búa này được đặt trên xà lan và được di chuyển bằng hệ thống tời – cáp – neo

5.4 Công tác đóng cọc

5.4.1 Di chuyển giá búa

5.4.1.1 Di chuyển giá búa trên cạn

Giá búa có chiều cao lớn, khi di chuyển dễ bị mất ổn định Do vậy khi di chuyển nó thường được di chuyển trên ray hoặc bánh xích Nếu di chuyển trên bánh xích thì tính cơ động cao nhưng khi đó phải đảm bảo được đường di chuyển cho phương tiện Nếu giá búa đặt trên ray thì nền đường phải được lu lèn chặt, lắp đặt hệ thống ray - tà vẹt sao cho độ chênh lệch của đỉnh ray không quá 2cm để đảm bảo ổn định trong quá trình đóng cọc Để tăng tốc độ đóng cọc, người ta phải lắp đặt nhiều ray tương ứng với các hàng cọc Giá búa di chuyển từ hàng ray này sang hàng ray khác là nhờ đường nối hoặc kích nâng giá, quay bánh xe di chuyển sang đường mới

Hình 5.6 Di chuyển giá búa trên cạn

5.4.1.2 Di chuyển giá búa dưới nước

Tàu đóng cọc có từ 4÷ 6 neo, vừa có nhiệm vụ giữ tàu ổn định trong quá trình đóng, vừa có nhiệm vụ di chuyển tàu từ vị trí cọc này sang vị trí cọc khác

Chú ý: Dù giá búa trên cạn hay dưới nước thì trong quá trình đóng và di chuyển

phải đảm bảo sao cho trọng tâm của búa nằm đúng tim cọc còn hướng của thanh dẫn trùng với hướng thiết kế của cọc

5.4.2 Sơ đồ di chuyển của giá búa và trình tự đóng cọc

- Sơ đồ chữ chi hàng ngang:

Hình 5.9 Sơ đồ chữ chi hàng ngang

Chú ý: Sơ đồ chữ chi hàng ngang khi đóng cọc xiên phải chú ý

- Sơ đồ bậc thang: Sơ đồ này có ưu điểm là tận dụng được mực nước đóng cọc, đẩy nhanh được tiến độ thi công, số lần làm neo là ít nhất

5.4.2.2 Cẩu và vận chuyển cọc vào giá búa

* Cẩu và vận chuyển cọc vào giá búa trên cạn:

Cọc được vận chuyển đến vị trí của giá búa bằng xe goòng hoặc xe chuyên dùng sao cho cọc được nằm trước giá búa và được giá búa chia thành hai phần bằng nhau

Quá trình cẩu và áp dựng cọc vào giá được chia thành 3 giai đoạn như sau:

Hình 5.12 Quá trình cẩu và dựng cọc vào giá búa

- Giai đoạn 1: Đưa cọc đến trước giá búa sao cho giá nằm chính giữa cọc Buộc liên kết 2 dây cáp của giá vào vị trí móc cẩu rồi nâng đều hai dây để cọc nằm ngang đến một cao độ nhất định sao cho khi cọc nằm thẳng đứng mà mũi cọc không chạm đất

- Giai đoạn 2: Vừa kéo dây a, vừa thả dây b để cho cọc dần dần vào vị trí thẳng đứng

- Giai đoạn 3: Dùng đòn bẩy điều chỉnh và áp cọc vào thanh dẫn giá búa Dùng hai đai ôm cọc để liên kết cọc với giá búa (hai đai ôm cọc này có thể trượt theo cọc trong quá trình đóng)

Trường hợp giá búa chỉ có một dây cẩu thì cần kết hợp với một cần trục để đỡ và áp dựng cọc

* Cẩu và vận chuyển cọc bằng giá búa dưới nước:

Cọc được vận chuyển đến vị trí xây dựng bằng xà lan ở giai đoạn 1 phải đưa xà lan chở cọc đến trước giá búa sao cho giá búa chia cọc thành 2 phần bằng nhau (phương của xà lan vuông góc với phương tàu đóng cọc) Các giai đoạn còn lại tương tự như cẩu cọc vào giá búa ở trên cạn

Hình 5.13 Đóng cọc xiên bằng búa đặt trên xà lan

Hình 5.14 Định vị cọc xiên

Đối với cọc xiên thì tia ngắm thứ nhất nhìn vào mặt nghiêng của cọc thì dây đứng của màng dây chữ thập phải trùng với đường tim của mặt cọc; tia thứ 2 nhìn vào mặt đứng phải đảm bảo sao cho giao điểm của màng dây chữ thập phải trượt dọc trên đường tim của mặt cọc

Để đảm bảo cọc đóng được đúng theo độ xiên thiết kế người ta phải dùng thước tam giác vuông có hai cạnh góc vuông theo tỷ lệ độ xiên của cọc Khi áp cạnh huyền vào mặt xiên của cọc mà dây dọi trùng với cạnh đứng của góc vuông là được Để điều chỉnh vị trí cọc xiên ta làm như sau:

- Tia ngắm của máy kinh vĩ nhìn vào mặt nghiêng của cọc phải đảm bảo sao cho dây đứng của màng chữ thập phải trùng với đường tim của mặt cọc

- Tia ngắm nhìn vào mặt đứng của cọc phải được lùi lại một đoạn x= tgh α, trong đó h là cao độ của tia ngắm hay cao độ thiết kế của đầu cọc sau khi đóng và α là góc nghiêng của cọc

Sau khi điều chỉnh cọc vào đúng vị trí thì bắt đầu nhả tời giữ cọc để thả cọc xuống Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cọc, cọc sẽ tự lún Nếu đất quá yếu thì phải nhả tời từ từ để tránh lệch vị trí Khi cọc hết lún thì phải nhả tời treo búa để áp búa lên đầu cọc Dưới trọng lượng của búa thì cọc sẽ tiếp tục lún Khi cọc hết lún thì mới nổ búa để đóng Chú ý trong quá trình này vẫn phải điều chỉnh vị trí của cọc

Quá trình đóng cọc phải sử dụng mũ đệm đầu cọc Trường hợp yêu cầu đóng cọc ngập vào trong nước (trong thi công triền tàu) thì ta phải dùng cọc dẫn

Trong đó:

_l Chiều dài cọc (m); _h Chiều cao của búa (m);

_b Chiều cao nâng búa (m);

_c Chiều cao thiết bị treo búa (ròng rọc, móc cẩu, dây cáp) (m)

Sau khi xác định được Httthì căn cứ vào lý lịch của thiết bị để lựa chọn búa có Hsd

cho hợp lý Trường hợp mà giá trị Htt>Hsd ta có thể sử dụng phương pháp sau để xử lý: Trường hợp cọc quá dài thì chia cọc thành những đoạn ngắn hơn;

Nếu Htt>Hsd ít ta có thể đào một hố sâu 1÷ 1,5m tại vị trí đóng cọc;

Có thể bỏ búa ra khỏi giá, treo cọc lên giá để cho cọc tự lún vào trong đất nhờ trọng lượng bản thân rồi mới lắp búa lên để đóng cọc tiếp Trường hợp này hãn hữu mới áp dụng, khi ta cần đóng ít cọc, tiết kiệm tiền thuê máy

- Giá búa dưới nước:

Hình 5.17 Chiều cao giá búa dưới nước

Công thức tính toán tương tự như đối với giá búa trên cạn Trường hợp mà

H >Hsd, khi đó ta có thể lợi dụng mực nước thay đổi để đóng cọc và gọi mực nước phù hợp với công tác đóng cọc là mực nước đóng cọc Mực nước đó được tính toán như sau:

(5.4) Trong đó:

_a Chiều cao mạn khô của phao;

CT§¸y_ Cao trình mặt đất ở đáy khu nước đóng cọc;

Đồng thời mực nước đó phải đảm bảo điều kiện làm việc của tàu theo công thức sau:

Ví dụ: Chiều cao hộp tôn là 40cm ⇒ 2 hộp tôn cao 80cm Vậy chọn chiều dài thép L là 70cm

Khi hàn nối cọc ở dưới nước phải chú ý đến sự dao động của mực nước để tính toán vị trí hàn nối, thời gian hàn nối cho hợp lý

5.5 Các hiện tượng vật lý xảy ra khi đóng cọc

5.5.1 Hiện tượng trồi đất

Hình 5.19 Khu vực đất bị ảnh hưởng xung quanh thân cọc trong quá trình đóng cọc

Khi đóng cọc trong đất, xung quanh thân cọc sẽ bị ảnh hưởng và chia thành 4 khu vực như sau:

- Vùng 1: Có chiều dày từ 2 ÷ 3cm xung quanh thân cọc, trong vùng này đất bị phá hoại hoàn toàn;

- Vùng 2: Cách mặt cọc từ (1,5 ÷ 3).d, trong vùng này đất bị ảnh hưởng nghiêm trọng và bị trồi lên phía trên;

- Vùng 3: Đất bị phá hoại nhưng ít nghiêm trọng hơn;

- Vùng 4: Nằm ngoài phạm vi 5d cách mặt cọc, trong vùng này đất chỉ bị ảnh hưởng

Hiện tượng đất bị trồi lên phía trên là do bị cọc chiếm thể tích Thực nghiệm cho thấy với đất sét và đất dính, hiện tượng trồi đất có thể kéo dài tới 10 ngày, độ cao trồi đất có thể lên tới 0,8m Đối với đất á sét, hiện tượng này kéo dài 5÷ 8 ngày, độ cao trồi đất từ 0,3÷ 0,5m Với đất cát, hiện tượng này ít hơn Điều này được chú ý khi tính toán bước cọc

Nghiên cứu hiện tương trồi đất khi để áp dụng cho các quá trình xây dựng như sau: - Chọn các bước cọc cho hợp lý;

- Chờ hết thời gian trồi của đất rồi mới xây dựng các công trình bên trên; - Chọn sơ đồ đóng cọc cho hợp lý

5.5.2 Thời gian nghỉ của cọc

Trong công tác đóng cọc người ta căn cứ vào độ chối của cọc để xác định khả năng chịu lực của nó Giá trị độ chối của cọc được tính toán theo công thức sau:

e= hoặc

Trong đó:

_S Độ lún của đợt đóng cuối cùng; _

n Số nhát búa đóng trong đợt cuối cùng; _

e Độ chối (cm); _

n Hệ số, n=150(T/m2) với cọc BTCT 500

n (T/m2) với cọc thép; _

F Diện tích tiết diện cọc; _

Q Trọng lượng bộ phận xung kích của búa; _

H Chiều cao rơi của bộ phận xung kích; _

q Trọng lượng của cọc (T); _

q Trọng lượng của mũ cọc, đệm cọc; _

P Tải trọng giới hạn của cọc

Khi đóng cọc lần thứ nhất, giả sử ta được độ chối của cọc là e1 Sau đó cho cọc nghỉ một thời gian ta đóng lại, khi đó cọc có độ chối là e2,e2 ≠ Sở dĩ có hiện tượng e1trên là do sau thời gian nghỉ, đất được cố kết lại làm thay đổi khả năng chịu lực của nó Giá trị e2 ≠ nhiều hay ít phụ thuộc vào điều kiện địa chất Với cuội, đá chặt thì sự khác e1nhau này là rất ít nhưng với đất sét thìe2 < , với các loại đất còn lại e1 e2 > Giá trị e1 e2là độ chối thực của đất Theo quy định thì thời gian cho cọc nghỉ là 6 ngày

* Công thức 1: Nêu lên liên hệ giữa năng lượng xung kích của búa với khả năng

chịu tải của cọc

W Năng lượng xung kích của búa, được tra theo tính năng kỹ thuật trong lý lịch của búa;

P Sức chịu tải của cọc (T)

* Công thức 2: Nêu lên mối quan hệ giữa năng lượng xung kích của búa với trọng

lượng cọc có xét đến hệ số thích dụng của búa

Trong đó: _

k Hệ số thích dụng của búa, được lấy theo bảng sau đây:

Bảng 5.1 Bảng tra hệ số thích dụng của búa Loại cọc

5.7 Thử sức chịu tải của cọc 5.8 Văn bản nghiệm thu đóng cọc

Văn bản phải có các nội dung sau:

- Nêu đặc điểm của cọc: loại cọc, kích thước, nếu là cọc bêtông phải có ngày đúc và ngày đóng

- Nêu đặc điểm của búa: loại búa, năng lượng xung kích - Kết quả đóng: tọa độ thiết kế, tọa độ thực tế

Những người có trách nhiệm ký: kỹ thuật, giám sát, người đọc máy kinh vĩ (máy 1, máy 2)

5.9 Đóng cọc ván thép

Yêu cầu đối với các cọc ván thép là các cọc phải khít với nhau, các khoá của cọc phải liên kết với nhau và khớp theo hình dạng thiết kế của công trình Muốn vậy khi đóng cọc phải có một hệ khung định vị phù hợp với tuyến cọc của công trình

Hình 5.20 Biện pháp đóng cọc ván thép

1 Cọc đỡ; 2 Thanh đỡ; 3 Thanh nẹp; 4 Cọc ván thép

Cọc ván thép đóng xuống đất phải đảm bảo độ chính xác theo phương thẳng đứng của trục cọc đồng thời phải đảm bảo cao độ thiết kế của đầu cọc Khi thi công đóng cọc, tuỳ theo yêu cầu của thiết kế về vị trí, hướng và cao độ đầu cọc mà thiết kế khung định vị cho phù hợp

Cọc định vị quyết định độ chính xác của hàng cọc, cho nên khi thi công khung định vị cần phải điều chỉnh đo đạc hết sức cẩn thận và được thực hiện như sau:

- Trước hết đóng 4 cọc đỡ số 1 (thường dùng thép C) đảm bảo độ chắc chắn cho khung định vị đồng thời có thể nhổ lên dễ dàng trong quá trình di chuyển

- Liên kết thanh đỡ số 2 vào cọc số 1 Cao độ của thanh đỡ vừa phải đảm bảo -dễ dàng liên kết với thanh số 1, vừa phải cho phép đóng được cọc đến cao độ thiết kế Nhiều khi để đảm bảo độ thẳng đứng của cọc theo cả hai phương, người ta dùng 2 tầng thanh nẹp số 3

- Lắp đặt thanh nẹp dọc số 3 chính xác theo tuyến của cọc được liên kết chắc chắn với thanh số 2 để đảm bảo không bị biến dạng, chuyển vị trong quá trình đóng cọc Độ chính xác của thanh số 3 sẽ quyết định độ chính xác của tuyến cọc Khi đóng cọc, nếu có hiện tượng bị xoè rẻ quạt thì có thể xử lý như sau:

Nếu sai số <2% thì cho phép vừa dùng tời kéo, vừa đóng để điều chỉnh lại độ xiên Chế tạo cọc nêm bằng cách dùng hai nửa cọc hàn lại với nhau (theo chiều dọc), một bên có khoá ăn theo độ xiên của cọc đã đóng còn khoá bên kia thì thẳng đứng