Giáo trình các phương pháp thi công xây dựng - Tác giả Ngô Văn Quỳ biên soạn (NXB Xây dựng 2011)

Tài liệu Các phương pháp thi công xây dựng của Ngô Văn Quỳ trình bày giải pháp xử lý nền đất yếu, chống thấm phần ngầm, thi công móng cọc và kết cấu thân.

• Tác giả: Ngô Văn Quỳ
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Các phương pháp thi công xây dựng
• Loại tài liệu: Sách chuyên khảo
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về các phương pháp thi công xây dựng

Cuốn sách 'Các phương pháp thi công xây dựng' của tác giả Ngô Văn Quỳ do Nhà xuất bản Xây dựng ấn hành năm 2011 là tài liệu chuyên đề quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng. Sách không đi sâu vào từng dạng công trình cụ thể. Thay vào đó, sách tập trung vào các phương pháp thi công chủ yếu áp dụng cho những bộ phận kết cấu có nhiều giải pháp thi công khác nhau. Nội dung được chia thành ba phần chính. Phần một trình bày phương pháp gia cường nền đất yếu và chống thấm phần ngầm. Phần hai tập trung vào thi công móng cọc trong xây dựng. Phần ba nghiên cứu các phương pháp đổ toàn khối, lắp ghép và hỗn hợp trong thi công kết cấu chịu lực. Tài liệu được sử dụng làm nội dung bổ túc kiến thức kỹ thuật thi công trong chương trình Cao học tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội. Đây là tài liệu tổng hợp khoa học thi công xây dựng toàn diện, phù hợp cho các nhà thi công và chuyên gia quan tâm đến lĩnh vực này. Phần lớn tư liệu tham khảo được tổng hợp từ các nguồn nước ngoài, đảm bảo tính cập nhật và khoa học.

1.1. Lịch sử hình thành và phát triển kỹ thuật thi công

Lịch sử xây dựng thế giới cho thấy một kết luận quan trọng: trong xây dựng không có phát minh trội hẳn, tất cả là kết quả của quá trình lao động lâu dài qua nhiều thời đại. Hàng nghìn năm qua, nhân loại liên tục phát minh, sáng chế và cải tiến vật liệu, kết cấu cùng các phương pháp xây dựng. Mỗi giai đoạn lịch sử để lại dấu ấn rõ nét trong kỹ thuật xây dựng. Từ các công trình thủ công đơn giản đến các hệ thống kết cấu hiện đại, kỹ thuật thi công luôn gắn liền với sự phát triển của khoa học và công nghệ. Sự tích lũy tri thức qua các thế hệ tạo nên nền tảng vững chắc cho ngành xây dựng ngày nay.

1.2. Phạm vi và đối tượng của tài liệu chuyên đề

Tài liệu hướng đến các nhà thi công chuyên nghiệp và những người quan tâm đến khoa học thi công xây dựng. Sách không giới thiệu cách thi công từng bộ phận riêng biệt của một ngôi nhà. Thay vào đó, sách tập trung vào những bộ phận kết cấu có nhiều giải pháp thi công chính để người đọc có thể lựa chọn phương án phù hợp. Các giáo trình kỹ thuật thi công chuyên sâu đã có sẵn từ nhiều tác giả trong và ngoài trường đại học, cao đẳng, trung cấp. Vì vậy tài liệu này đóng vai trò bổ sung, tổng hợp và nâng cao kiến thức cho người học ở bậc cao học và các chuyên gia trong nghề.

II. Phân tích các vấn đề nền đất yếu trong thi công xây dựng

Nền đất yếu là thách thức lớn nhất trong thi công xây dựng tại nhiều vùng địa lý ở Việt Nam và thế giới. Đất yếu bão hòa nước gây ra lún không đồng đều, làm giảm khả năng chịu tải và ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ công trình. Việc xử lý nền đất yếu đòi hỏi sự lựa chọn phương pháp kỹ thuật phù hợp với từng điều kiện địa chất cụ thể. Quá trình cố kết của đất yếu bão hòa nước diễn ra chậm nếu không có biện pháp can thiệp. Nước thoát ra từ các lỗ rỗng trong đất quyết định tốc độ cố kết. Lớp đất bão hòa nước càng dày thì quá trình thoát nước tự nhiên càng mất nhiều thời gian. Điều này gây khó khăn cho tiến độ thi công và làm tăng chi phí dự án. Các công trình hạ tầng như đường quốc lộ, cầu, cảng và các công trình dân dụng đều phải đối mặt với vấn đề này. Tại Việt Nam, nhiều tuyến đường trọng yếu như Quốc lộ 18, Quốc lộ 5 đều cần xử lý nền đất yếu trước khi thi công. Kinh nghiệm thực tế từ các dự án trong nước và quốc tế là nguồn tư liệu quý để hoàn thiện kỹ thuật xử lý nền.

2.1. Đặc điểm và nguyên nhân gây ra sự cố nền đất yếu

Nền đất yếu thường có hàm lượng nước cao, độ rỗng lớn và khả năng chịu tải thấp. Khi chịu tải trọng công trình, đất yếu có xu hướng lún lớn và không đồng đều. Nguyên nhân chủ yếu là do cấu trúc hạt mịn của đất sét và bùn tích tụ lâu ngày trong điều kiện ngập nước. Tại các vùng đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng và các vùng ven biển Việt Nam, lớp đất yếu thường phân bố rộng và có chiều dày đáng kể. Việc nhận biết sớm và đánh giá chính xác tính chất cơ lý của nền đất là bước quan trọng đầu tiên trước khi chọn phương pháp xử lý phù hợp.

2.2. Tác động của nền đất yếu đến kết cấu công trình

Nền đất yếu không được xử lý đúng cách dẫn đến lún lệch, nứt tường và thậm chí sụp đổ công trình. Độ lún tức thời và lún cố kết theo thời gian là hai vấn đề kỹ thuật cần tính toán kỹ lưỡng. Các công trình trên nền đất yếu thường phải chịu lún không đều theo chiều ngang và chiều đứng. Điều này gây biến dạng kết cấu, ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và độ bền lâu dài. Các công trình cầu đường, nhà cao tầng và công trình công nghiệp đặc biệt nhạy cảm với vấn đề lún nền. Kiểm soát lún là mục tiêu quan trọng nhất trong thiết kế nền móng trên đất yếu.

III. Giải pháp và phương pháp thi công gia cường nền đất yếu

Nhiều phương pháp kỹ thuật đã được phát triển và ứng dụng thực tế để xử lý nền đất yếu trong xây dựng. Mỗi phương pháp có nguyên lý, phạm vi áp dụng và hiệu quả khác nhau tùy theo điều kiện địa chất cụ thể. Phương pháp giếng cát thoát nước thẳng đứng là một trong những giải pháp phổ biến và hiệu quả nhất. Giải pháp này kết hợp với gia tải trước để đẩy nhanh quá trình cố kết đất yếu bão hòa nước. Bên cạnh đó, vải địa kỹ thuật ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm về giá thành và thi công. Phương pháp cọc cát, bấc thấm, đệm cát và cột đất xi măng cũng là những giải pháp được áp dụng phổ biến. Tại Việt Nam, từ năm 1995 đến nay, nhiều công trình hạ tầng quan trọng đã áp dụng thành công các giải pháp này. Các dự án nâng cấp Quốc lộ 5, Quốc lộ 51, đường cao tốc Láng - Hòa Lạc và đường Hồ Chí Minh là những minh chứng điển hình. Sự kết hợp giữa lý thuyết khoa học và kinh nghiệm thực tế tạo ra hiệu quả xử lý nền tối ưu.

3.1. Phương pháp giếng cát thoát nước thẳng đứng

Phương pháp giếng cát thoát nước thẳng đứng sử dụng cọc cát có đường kính 40-50cm được đóng vào nền đất yếu bão hòa nước đến độ sâu thiết kế. Các cọc cát hoạt động như đường ống thoát nước ngắn nhất, đẩy nhanh quá trình cố kết nền đất. Phương pháp này luôn đi kèm với gia tải trước bằng đất đắp hoặc tải trọng ngoài chất lên bề mặt cần gia cố. Lớp đất bão hòa nước càng dày thì hiệu quả của phương pháp giếng cát càng rõ rệt, đặc biệt trong kiểm soát độ lún tức thời. Kinh nghiệm thi công tại Quốc lộ 18 và nhiều dự án quốc tế tại Philippines, Singapore cho thấy hiệu quả vượt trội của phương pháp này.

3.2. Ứng dụng vải địa kỹ thuật trong gia cố nền đất yếu

Vải địa kỹ thuật ngày càng được dùng phổ biến nhờ giá thành thấp, thi công đơn giản và không cần thiết bị chuyên dụng. Vải có nhiều tính năng đa dạng như tiêu lọc nước, ngăn cách, chống xói mòn, ổn định mái dốc và hạ mực nước ngầm. Tại Việt Nam, Công ty Công trình Giao thông 2 Hà Nội lần đầu sử dụng vải địa kỹ thuật năm 1995 trong gia cố nền đường. Sau đó vải địa kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi trong các dự án đê biển, đê sông và đập hồ chứa nước. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp trong một số điều kiện địa chất nhất định và có những hạn chế về chiều sâu gia cố.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn trong thi công xây dựng hiện đại

Cuốn sách 'Các phương pháp thi công xây dựng' của Ngô Văn Quỳ là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho giới chuyên môn xây dựng Việt Nam. Sách tổng hợp các kiến thức từ nhiều nguồn tài liệu nước ngoài, được biên soạn có hệ thống và áp dụng vào điều kiện thực tế trong nước. Các phương pháp thi công được trình bày theo nguyên lý khoa học, kết hợp với ví dụ thực tế từ các công trình điển hình. Điều này giúp người đọc hiểu rõ cơ sở lý thuyết và biết cách áp dụng phù hợp. Trong bối cảnh xây dựng hạ tầng phát triển mạnh, việc lựa chọn phương pháp thi công đúng đắn có ý nghĩa quyết định đến chất lượng, tiến độ và chi phí công trình. Kiến thức từ cuốn sách giúp kỹ sư và nhà thầu xây dựng đưa ra quyết định kỹ thuật chính xác hơn. Đây là nền tảng để nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành xây dựng Việt Nam trong giai đoạn hội nhập quốc tế. Sự cập nhật liên tục từ kinh nghiệm trong nước và quốc tế giúp hoàn thiện các phương pháp thi công ngày càng hiệu quả hơn.

4.1. Giá trị học thuật và thực tiễn của tài liệu

Tài liệu được sử dụng trong chương trình Cao học tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, khẳng định giá trị học thuật cao. Nội dung mang tính tổng hợp toàn diện về khoa học thi công xây dựng, bao gồm cả lý thuyết và thực hành. Các ký hiệu công thức được giữ nguyên theo nguyên bản ngoại văn để tiện tra cứu và đối chiếu. Chỉ trong trường hợp đặc biệt mới có hiệu chỉnh với chú thích chi tiết. Đây là nguyên tắc biên soạn nghiêm túc, đảm bảo tính chính xác và tôn trọng các tác giả gốc. Nhờ đó tài liệu phù hợp làm tài liệu tham khảo cho cả nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật trong thực tế thi công.

4.2. Xu hướng phát triển phương pháp thi công xây dựng

Ngành xây dựng không ngừng phát triển các phương pháp thi công tiên tiến nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và tiến độ. Xu hướng sử dụng vật liệu mới, công nghệ tiên tiến và thiết bị thi công hiện đại ngày càng phổ biến. Kinh nghiệm quốc tế từ các công trình lớn tại châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ được đúc kết và chuyển giao vào thực tiễn xây dựng Việt Nam. Sự hội nhập này đòi hỏi đội ngũ kỹ sư phải không ngừng cập nhật kiến thức mới. Cuốn sách của Ngô Văn Quỳ chính là bước khởi đầu quan trọng trong quá trình hệ thống hóa và nâng cao kiến thức chuyên môn về thi công xây dựng tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I GIA CƯỜNG NỂN ĐẤT YÊU Đất yếu là một khái niệm tương đối, nó phụ thuộc vào trạng thái vật h cua đất cung như tương quan giừa khả nàng chịu lực cùa đất với tải trọng mà móng cổng trình truyền xuống. Đất yếu bao gồm các loại sau đây: - Các loại đất cát pha bụi - Các loại đất sét yếu bão hòa nước - Các loại cát chảy - Các loại bùn nước ngọt, bùn biển và than bùn. Các đặc tính cơ lí của đất yếu: - Modyn biến dạng béE0 < 50 kG/crrr - Độ sệt lớn I| > 1 - Độ rỗng lớn en > 1 - Khả năng chịu lực kém Rlc < 1 kG/crrr Đất yếu hầu như bão hòa nước, độ bền thấp, khả năne; co ép lớn, trị số sức kháng cắt không đáng kể. Hậu quả của nền đất yếu đối với công trình là: 15 Độ lún lớn.

Nhiều khả nàng lún lệch. Thời gian lún kéo dài. Khối đất đắp, mái dốc hố đào và công trình xây dựng kém Ổn đìịnh. Nhằm giảm bớt các sự cố địa chất tự nhiên đối với công t.rìnhi xây dựng người ta đã nghiên cứu nhiều biện pháp khác nhau để cải tạo» nền đất yếu như: 1.

Phương pháp cọc cát để làm chặt đất. Các phương pháp tiêu nước thẳng đứng: - Phương pháp cọc cát đối với nền đất yếu bão hào nước; - Phương pháp bấc thấm. Phương pháp gia cố dưới sâu bằng công nghệ trộn đất với ximỉảng. Phương pháp gia cường để ổn định cơ học khối đất đắp.

Các phương pháp này qua thử nghiệin đã có tác dụng làm tăng; sức chịu tải của đất, giảm độ iún và lún lệch, rút ngắn thời gian thi côtng, tăng tuổi thọ cho công trình và giảm chi phí xây dựng. PHƯƠNG PHÁP CỌC CÁT LÀM CHẶT ĐẤT 1. Tổng quan Phương pháp cọc cát làm chặt đất được đề cập đến từ nãim ]1936 trong Hội nghị Quốc tế về Cơ học đất và Thiết kế nền móng ở M ỹ wà từ đó về sau phương pháp này ngày càng được nghiên cứu sâu thêm V'à áp dụng rộng rãi. Thực tế đã cho thấy rằng trong nhiều phương pháp gia cố nềm đất yếu bão hòa nước nén lún mạnh thì phương pháp cọc cát làm chặ t đấtt kết hợp với cọc cát thoát nước thẳng đứng và chất tải tạm thời trên chúnig là phương pháp đơn giản nhất và cho hiệu quả cao nhất cả về thời giam và giá thành.

Phương pháp cọc cát làm chặt đất thường được dùng để làm ổn (định các đê chắn sóng, móng cầu, sân bay hoặc móng các bể chixa lớn. 16 ơ Nhật nhiểu công trình lớn đã được gia cô nến bằng cọc cát làm chặt đất như: sân bay Quốc tê Kansai, Cảng biển Kôbe, Nhà máy nhiệt điện Matsura và đặc biệt gia cường nển cho cả một hòn đảo để chứa chất thai ớ Vịnh Tokyo. Chi tính riêng của một công ty ở Nhật bản trước năm 1996 đã gia cố nền đất yếu trên đất liền tới 6 triệu mét và dưới biển tới 20 triệu mét cọc cát làm chặt đất đạt độ tin cậy cao. Tại Singapore cũng một công ty Nhật đang thi công cọc cát làm chặt đất để cải tạo nền đất bùn thành bãi chứa côngtennơ.

ớ Việt Nam cũng đã có một sô' công trình áp dụng kĩ thuật cọc cát làm chặt đất để gia cường nền đất yếu ở một sô' nơi chẳng hạn: - Gia cố cầu dẫn cho cầu Bính - Hải Phòng và cầu Non Nước - Ninh Bình. - Gia cố nền cho Nhà máy chế biến rác thái thành phô Nam Đinh. - Gia cố nền cho bãi chứa hàng của Nhà máy Xi măng Hải Phòng. - Ó Hà Nội phương pháp này cũng (iược áp dụng để gia cường nền móng cho một số nhà có số tầng không cao lắm như Trung tâm quan trắc và phân tích môi trường, nhà ở 5 tầng của Tổng Công ty xuất nhập khẩu Nông sán ihực phẩm ở Thành Công, nhà 3 tầng Cơ quan của Bộ Công an đường Lê Trọng Tấn.

Nguyên lý tính toán đỏi vứi cọc cát làm chặt đát đẽ’ gia cường nền đát yếu Nguyên tắc chung của phương pháp này là tạo ra các cọc cát có đường kính lớn và được đầm chặt trong nển đất yếu cần được gia cố. Tìiy thuộc vào từng loại đất khác nhau cần được gia cố mà nguyên lí của cọc cát làm chặt đất có thể khác nhau: - Đối với nền đất cát yếu bão hòa nước phương pháp này sẽ làm chăt nển cát. - Đôi với nền đất sét yếu bão hòa nước nó có tác dụng tương đương như giếng thấm, ngoài ra nó còn có lác dụng làm tăng cường độ chịu tải của đất nền bằnc cách tăng mật độ cúa cọc cát. 17 Người ta đánh giá chất lượng nền đất gia cường bằng "ti số (dièn tích thay thế as” Trong đó: As - Diện tích tiết diện ngang của cọc cát; A - Diện tích vùng đất được gia cường bằng cọc cát.

"Tỉ số diện tích thay thế as" còn có thể được tính chính xác lớn dựa vào độ rỗng của đất: a v s ( l + e 0) - ( l + e , ) _ e 0 - e , V (l + e0) 1+ eo Trong đó: as - Tỉ số diện tích thay thế; VQ- Thế tích ban đầu của đất; Vs - Thể tích của cọc cát; e0 - Hệ số rỗng ban đầu của đất; e, - Hệ số rỗng của đất sau khi được cải tạo. Thiết bị thi côniỊ cọc cát. 18 Nói chung độ bền của đất gia cường bằng cọc cát thường được đánh giá băng trị số xuyên tiêu chuẩn N. Vì vậy việc thiết kế phương pháp cái tạo đất cát yếu bão hòa nước báng cọc cát thực chất là làm sao tìm được một "tỉ số diện tích thav thế a," (hích hợp so với đất ban đầu dựa trên hệ số xuyên tiêu chuẩn N.

Nói một cách khác ý đồ của phương pháp này là sử dụng cọc cát để đưa hệ số rỗng cúa đất từ e0 xuống e, (e, « e„) (Trị số xuyên tiêu chuẩn N là một hàm số của hệ số rỗng e của đất do đó nêu biết hệ số rỗng của đất tra biểu đồ quan hệ ta sẽ dễ dàng biết được N của loại đất đó). Cóng nghệ thi công của phương pháp làm chạt nền đất yếu bàng cọc cát a. Phưong pháp nén chặt băng rụng động Phương pháp này được sử dụng để nâng cao độ chặt của đất rời, loại đât không dính như cát mịn, cát hạt trung hoặc cát hạt thô. Nguyên lí làm việc là nhờ một bộ phận rung động chìm trong đất, do trọng lượng bản thân của bộ phận rung động cộng với sự hỗ trợ của nước và lực rung làm cho bộ phận này càng ngày càng ãn sâu vào nền đất, khi đạt đến độ sâu 19 thiết kế thì bộ phận rung động này từ từ được rút lên, lỗ rỗng tạo ra được lấp đầy bằng cát và được lèn chặt.

Quá trình nén chặt hằniỊ rung dộiìíỊ (theo Baumơnn và Bauer. Quá trìnli thay thê do nmq dộììiị (theo Baitmaim và Bauer, 1974) 20 b. Phương pháp thay thế đất bằng rung động Phương pháp này dùng để cải tạo các loại đất dính có hơn 18% trọng lượng hạt lọt qua mắt sàng tiêu chuẩn 200 u s thường là đất cát hạt bụi và đất sét. Thiết bị sử dụng trong phương pháp này cũng là các thiết bị tượng tự như trong phương pháp nén chặt bằng rung động nhưng với sự trợ giúp của các tia nước áp lực cao hoặc khí nén và có thể thực hiện bằng quy trình khô hoặc quy trình ẩm.

Bộ phận Hình 1. - Trong quy trình ẩm lỗ được tạo thành trong đất có đường kính khá lớn và được lấp đầy từng phần bằng cát hat to. - Quy trình khô đòi hỏi đất phải có độ bền chống cắt tương đối lán (> 40 kN/m2) và mực nước ngầm phải tương đối sâu. Sự khác nhau giữa hai quy trình này chỉ là phun hay không phun nước trong quá trình tạo lỗ.

Phương pháp rung động kết họp vói đóng Phương pháp này áp dụng để gia cố nền đất mềm, như đất sét chẳng hạn và có mực nước ngầm cao. Cọc được sử dụng theo phương pháp này thường là cọc cát được lèn chặt. 21 Người ta đóng ống bao đến chiều sâu thiết kế hoặc cũng cc thê dùng búa rung theo chiểu thẳng đứng đặt lên đầu ống bao. Cát đưọc đố vào ống từng đợt vừa rung vừa kéo ống lên từng nấc một.

quá trình như vậy được lặp đi lặp lại cho đến khi cọc cát được hoàn thành. Cấu tạo ông bao được thể hiện chi tiết trong chương I phần 2 của cuốn sách này ờrnuc các loại cọc trong xây dưng Khoan tao lô Oò cai vat Oàn, í lẻp luc. òny unoit lỏkhoan '9t liẻi 1Ổcát vao *a<dán* Ọ Bu;- I CO □ ■ • II 1 LV 1; í;:- V4 í- 1 1 ỉỉ h ị:; ậ 'iì\ ¥ i Ệ i © Đổ đầy cát © Rút ống © Đầm búa rơi © Cọc đâ và đầm tự do tạó xong Hình L6. Pììươnqpháp khoan tạo lỗ.

Phươĩig pháp khoan tạo lỗ Theo phương pháp này cọc được thi công bằng cách đầm nện cát trong các lỗ khoan trước theo từng đợt bằng các quả đầm bê tông hoặc kim loại có trọng lượng từ 150-200 kg cho rơi tự do từ độ cao từ 1,0 đến 2,Om. 22 So với phương pháp nén chặt băng rung động thì phương pháp khoan tạo lỗ có giá thành thấp hon, dễ thi công và không đòi hỏi các loại thiết bị phức tạp tốn kém thậm chí có thể sử dụng khoan tay do vậy rất thích hợp đối với các nước đang phát triển Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là đối với một số loại đất nhụy cám với rung động thì kết cấu có thê’ bị phá hoại và sự tái tạo lại đất sau khi đầm nện có bị han chê II. PHUƠNG PHÁP GIẾNG CÁT THOÁT NUỚC THANG đ ú n g 1. Tổng quan Phương pháp giếng cát thoát nước thẳng đứng do Daniel E.Moran tlé Kiiất vào nãm 1925 và được cấp bằng sáng chế vào năm 1926.

Ông cũng là người đầu tiên kiến nghị áp dụng phương pháp này n ong công tác ốn định nền đường đối với đường dẫn của cầu Oakalan San [■rancisko (1934) cầu Proter (1936). Từ đó giếng cát ngày càng được áp (luiií! rông rãi nhầm đắy nhanh quá trình cố kết của nền đất.