CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU MÓNG CỌC ỐNG THÉP DẠNG GIẾNG TRONG CÔNG TRÌNH CẦU VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM. Khái quát chung về kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. Trong vòng vài năm trở lại đây, có rất nhiều dự án cầu lớn được xây dựng ở Việt Nam. Cùng với sự phát triển của công nghệ thiết kế cũng như thi công cầu, một loạt các dự án cầu lớn được triển khai như cầu khung, cầu dầm liên tục nhiều nhịp, cầu vòm, cầu dây văng, cầu treo dây võng… Các dự án cầu lớn chủ yếu được xây dựng ở những vùng nước sâu, rộng, yêu cầu thông thương lớn, vượt nhịp lớn.
Những cầu nhịp lớn đòi hỏi cần phải có kết cấu móng mố trụ phù hợp. Tuy nhiên điều kiện địa chất ở Việt Nam tương đối phức tạp, đặc biệt là ở vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng và sông Cửu Long. Đó cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến những khó khăn trong thiết kế và thi công kết cấu móng, mố trụ cầu lớn. Nếu sử dụng các kết cấu móng cầu truyền thống như móng cọc BTCT đúc sẵn, móng cọc khoan nhồi, móng giếng chìm thì khối lượng cho kết cấu phần dưới là rất lớn, các công trình phụ tạm phục vụ thi công và điều kiện thi công phức tạp và tốn kém.
Hiệp hội cọc ống thép Nhật Bản đã tiến hành nghiên cứu đề ra những loại móng có quy mô lớn thích hợp với các điều kiện như trên, đó là kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. Kết cấu móng này có độ tin cậy tương đối cao. Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng cấu tạo bằng các ống thép tròn có độ bền chống rỉ cao, đường kính từ 0,8m đến 1,5m, hạ xuống đến tầng nền đất chịu lực. Mỗi cọc đều có những bộ phận liên kết khoá để gắn chặt các cọc đơn với nhau thành một hệ kết cấu móng vòng vây khép kín có dạng hình tròn, elip, chữ nhật, chữ nhật vát cạnh, hình ô van.
Sau khi vét đất trong lòng hố móng, tiến hành đổ bê tông bịt đáy và thi công liên kết ngàm cứng các cọc vào xung quanh bệ móng, cuối cùng đổ bê tông bệ trụ và thân trụ. Vòng vây cọc ống thép khép kín đó vừa có tác dụng ngăn nước trong suốt quá trình thi công, vừa là hệ móng cọc để truyền tải trọng từ kết cấu bên trên xuống đất nền sau này, do đó sau khi thi công xong thân trụ người ta tiến hành cắt bỏ phần cọc ống thép phía trên bệ có tác dụng làm vòng vây.1) LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hình 1.1: Cấu tạo móng cọc ống thép dạng giếng. Ưu điểm chính của loại kết cấu móng này là độ cứng của cọc cũng như của hệ móng cọc lớn do các cọc liên kết chặt chẽ với nhau và ngàm cứng vào bệ trụ; mũi cọc có thể hạ xuống tầng địa chất tốt ở sâu trong lòng đất dễ dàng; công tác thi công cọc cũng như hàn nối cọc, cắt cọc rất thuận tiện tại công trường. Vì giếng cọc liên kết ngàm xung quanh bệ trụ nên có thể giảm được tiết diện bệ một cách đáng kể so với loại kết cấu móng khác.
Đồng thời giếng cọc chính là vòng vây thi công trong nước, tạo diện thi công có độ an toàn cao và giảm bớt chi phí phục vụ thi công. Ngoài ra kết cấu móng này còn có khả năng kháng lại tác dụng của lực động đất khá tốt. Lịch sử phát triển của công nghệ móng cọc ống thép dạng giếng. Cọc ống thép sử dụng trong móng cọc ống thép dạng giếng được nghiên cứu bởi các nhà sản xuất thép ở Nhật Bản.
Ban đầu nó được sử dụng ở trong các kết cấu tường chắn, khi đó người ta đã dùng thép hình là thép góc để làm tai nối cọc, nhưng do tính ngăn nước của tai nối này không tốt mà sau đó người ta đã thiết kế các ống thép tròn làm tai nối cọc. Phạm vi sử dụng của cọc ống thép ngày càng mở rộng, sự phát triển của công nghệ làm sạch trong lòng ống tai nối và công nghệ thi công vữa cường độ cao trong lòng ống tai nối đến nay đã được nâng cao rất nhiều. [15] - Năm 1930: Ứng dụng cọc hộp trong móng trụ cầu của công ty BaineBail-Tây Đức. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - Năm 1964: Bắt đầu phát triển móng cọc ống thép dạng giếng.
- Năm 1966: Áp dụng cọc hộp vào Nhật Bản (cầu Kinjo Ohashi). - Năm 1967: Áp dụng trong móng lò cao loại lớn. - Năm 1972: Thành lập “Phương pháp thiết kế và thi công móng cọc ván thép” của Hiệp hội nghiên cứu móng cọc ván thép. - Khoảng năm 1973: Phát minh ra phương pháp thi công móng cọc ống thép dạng giếng kiêm vòng vây thi công tạm thời.
- Khoảng năm 1981: Phát minh ra phương pháp cắt cọc ống ván thép trong nước. - Năm 1981: Đưa ra phương pháp thiết kế thi công móng cọc ống thép dạng giếng (Bản thảo) - Đường sắt Nhật Bản (nay là JR). - Năm 1984: Phương pháp thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng và giải thích của Hiệp hội đường bộ Nhật Bản. - Năm 1986: Phát minh ra phương pháp liên kết bệ cọc bằng thanh thép xiên vào.
- Năm 1989: Phát minh ra phương pháp liên kết bệ cọc bằng kiểu đinh thép. - Năm 1990: Khi cải biên Quy trình thiết kế cầu đường bộ của Hiệp hội đường bộ Nhật Bản đã đưa chương Móng cọc ống thép dạng giếng vào quy trình. - Năm 1996: Phương pháp tính sức chịu tải theo phương ngang của móng cọc ống thép dạng giếng chịu động đất trong Quy trình thiết kế cầu đường bộ của Nhật Bản. - Năm 1997: Hướng dẫn thiết kế thi công móng cọc ống thép dạng giếng của Hiệp hội cầu đường bộ Nhât Bản.
Hiện nay ở Việt Nam, cọc ống thép đã và đang được áp dụng trong các dự án xây dựng cầu lớn như móng cọc ống thép nhồi bê tông ở cầu Bính, vòng vây ngăn nước bằng cọc ván ống thép phục vụ thi công các trụ ở cầu Thanh Trì, kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng cho các trụ tháp đang thi công ở cầu Nhật Tân… Với ưu điểm nổi trội của nó, tương lai cọc ống thép cũng như loại móng cọc ống thép dạng giếng này có thể được áp dụng rộng rãi hơn và dần dần thay thế cho những kết cấu móng truyền thống như móng giếng chìm, móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, móng cọc khoan nhồi, đặc biệt khi thi công trong vùng nước sâu. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1. Cấu tạo kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. Khái quát chung về cấu tạo móng cọc ống thép dạng giếng.
Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng được cấu tạo bởi các ống thép đường kính từ 0,8m đến 1,5m liên kết với nhau bằng hai tai nối ở hai bên cọc (khoá nối chống cắt) (Hình 1. Móng này được đóng xuống nền đất theo các hình tròn, chữ nhật, hình elip và hình ô van khép kín. Sau khi hạ các cọc xuống tầng chịu lực, phần tai nối được xói hút sạch và nhồi vữa vào bên trong. Vữa nhồi tai nối vừa có tác dụng liên kết các cọc đơn với nhau tốt hơn, làm tăng cường khả năng kháng cắt của cả giếng cọc, vừa ngăn nước xâm nhập vào giếng cọc trong quá trình thi công trụ cầu.2: Cấu tạo chi tiết cọc ống thép.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Phần đầu cọc được liên kết ngàm xung quanh bệ trụ bằng các tấm thép hoặc các thanh thép đường kính lớn chôn sâu vào trong lòng bệ có tác dụng liên kết chống cắt, chống mô men. Phần đầu cọc trong phạm vi liên kết với bệ được vét hết đất và đổ bê tông lấp kín. Trong một số trường hợp người ta có thể bơm bê tông phạm vi mũi cọc để tăng cường sức chịu tải cho mũi cọc. Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng có sức chịu tải theo phương thẳng đứng và khả năng kháng theo phương ngang tương đối lớn.
Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng vừa có tác dụng liên kết cứng với bệ trụ tạo thành hệ cọc chịu lực để truyền tải trọng bên trên xuống nền đất vừa có tác dụng làm vòng vây ngăn nước trong suốt quá trình thi công trụ. Do đó sau khi thi công xong phải cắt bỏ phần cọc ống thép phía trên bệ để thanh thải lòng sông. Thông thường tất cả các cọc đều được đóng xuống tầng chịu lực (Hình 1. Trong một vài trường hợp, một số cọc được đóng xuống tầng chịu lực, một số cọc được đóng xuống tầng tương đối tốt ở giữa (Hình 1.
Nếu toàn bộ cọc ống thép trong móng đều đóng xuyên qua lớp đất ở giữa đến tầng chịu lực, do sức kháng của nền đất quá lớn có thể sẽ làm hỏng cọc ống thép, làm hỏng mối nối và liên kết ống tai nối hoặc cọc không đóng xuống được do độ chối quá lớn. Khi đó kết cấu móng sẽ không còn đảm bảo điều kiện cấu tạo và hình dạng như thiết kế, chức năng làm việc của móng sẽ không còn được như tính toán. a, Toàn bộ cọc hạ xuống tầng chịu lực b, Một phần cọc hạ xuống tầng chịu lực Hình 1.3: Vị trí mũi cọc ống thép trong lòng đất. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.
Các kiểu móng cọc ống thép dạng giếng. Móng cọc ống thép kiêm làm vòng vây tạm thi công. Là phương pháp tận dụng giếng cọc làm luôn tường vòng vây ngăn nước khi thi công. Khi đóng cọc ống thép, đầu cọc phải vượt trên mực nước thi công để đảm bảo làm vòng vây ngăn nước.
Sau khi đổ bê tông thân trụ tiến hành cắt bỏ phần cọc thép nhô lên khỏi bệ để tránh cản trở dòng chảy. Thông thường phải sử dụng máy cắt và áp dụng biện pháp cắt cọc trong nước.4 a) Ưu điểm của phương pháp này là thời gian thi công ngắn hơn so với kiểu phải dùng vòng vây tạm và diện tích thi công cũng nhỏ hơn, diện tích chắn dòng giảm. Kiểu kết cấu móng cọc này được áp dụng rất phổ biến khi thi công trên vùng nước sâu và rộng, hiện nay đang được ứng dụng trong thi công trụ cầu Nhật Tân tại Việt Nam. Móng cọc ống thép dạng giếng kiểu cọc thật.
Là phương pháp xây dựng bệ móng trên hệ móng cọc ống thép sau khi đã thi công giếng cọc đến cao độ trên mực nước thi công. Khi đó cọc được ngàm vào trong bệ như kết cấu cọc thông thường. Kiểu này được áp dụng cho khu vực trên sông nước hay cảng biển không hạn chế mặt cắt lưu lượng và tĩnh không cho tàu thuyền qua lại. Móng cọc ống thép kiểu vòng vây.