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.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.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.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.
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. 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. 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.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 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 20- 25 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.