1. Đặt vấn đề
Trong các công trình cầu và đường dẫn đầu cầu ở nước ta vẫn còn tồn tại hiện tượng nền đường dẫn đầu cầu thường xuyên bị lún, nứt,sụt trượt. Phần từ nón chân khay hay bị lún sụt, dịch chuyển phải gia cố trong suốt quá trình khai thác sử dụng. Các công trình cầu vừa và nhỏ sử dụng cọcđóng có xu hướng chọn số lượng cọc ở mố cầu nhiều do cọc bê tông cốt thép thường chịu lực ngang và mômen kém. Ngoài ra, các công trình cầu và đường qua vùng địa chất yếu rất tốn kém trong việc xử lý nền đất, nhưng hiệu quả chỉ ở mức độ vừa phải.
Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng một loại coc ván thế hệ mới là cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực, và từ năm 2000 trở lại đâyđã xuất hiện ở Việt Nam với nhiều ưu điểm vượt trội so với cọc ván thép như khảnăng chịu lực cao, tuổi thọ cao, giá thành thấp
hơn...đã được ứng dụng là làm bến cảng, kênh mương dẫn nước, đê chắn , đập chắn. Chính những ưu điểm đó của cọc ván bê tôngcốt thép dự ứng lực rất phù hợp với điều kiện chịu lực của cọc mố cầu. Khả năngcủa cọc ván vừa có tác dụng chịu lực đứng, vừa như một tường chắn chịu áp lựcngang có thể khắc phục những hiện tượng lún sụt của nền đường như đã nêu ởtrên, nhất là những công trình đường đắp cao trên đất yếu. Vì vậy việc nghiêncứu ứng dụng cọc ván bê tông cốt thép trong công trình cầu và đường dẫn đầu cầulà vấn đề cần phải được xem xét.
2. Nghiên cứu khả năng ứng dụng cọc ván bê tông cốt thép trong xây dựng mố cầu và đườngđầu cầu.
Cọc ván bê tông cốt thép là loại tiết diện bản hở sau khi thi công sẽ tạo thành tường kín, các cọc liên kết ngàm với nhau dạng khớp.Mặt khác, cọc ván có tiết diện dạng bản, chữ U, W nên chu vi cọc ván lớn hơn so với chu vi cọc vuông có cùng diệntích, dẫn đến sức chịu tải do ma sát của cọc tăng. Trong phạm vi ứng dụng củacọc ván, sử dụng làm cọc chịu lực trong móng mố cầu sẽ phát huy nhiều ưu điểmhơn so với trụ cầu. Vì vậy trong phần này chỉ đề cập đến ứng dụng cho phần mố.
Cọc ván bê tông cốt thép thường có khả năng chịu uốn nhỏ hơn so với loại dự ứng lực nên có thể áp dụng được với các cầu có chiều cao mố thấp hoặc chiều sâu cọc không lớn (vì chiều dài cọc thường <12).Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực do khả năng chịu lực lớn nên sẽ giảm được số lượng cọc so với loại cọc bê tông cốt thép thường, ngoài ra còn giảm giá thành khi không phải xây kè phía trước hoặc giảm các chi phí duy tu sửa chữa Cọc ván bêtông cốt thép dự ứng lực có thể được áp dụng vào hầu hết các công trình vừa vànhỏ với các loại đất khác nhau, chiều sâu đóng cọc có thể đạt 40m.
2.1. Các loại cọc ván.
Trên thực tế có rất nhiều loại cọc ván khác nhau: bằng gỗ, thép, bê tông liên kết ngàm thép, cọc ván bê tông cốt thép thường và dự ứng lực. Ngoài ra còn có loại cọc ván bằng nhựa hoặc composite. Tiết diện cọc cũngđa dạng: chữ nhật, chữ K, hoặc có dạng sóng hình lòng máng...Cọc bằng bê tôngcốt thép dùng trong móng mố cầu là phù hợp nhất nên chúng ta chỉ quan tâm tớiván cọc bê tông cốt thép. Ngoài ra, cọc ván được sủ dụng trong móng mố và tườngchắn, vừa là cọc chịu nén, vừa chịu uốn lớn nên chúng ta chỉ nghiên cứu sử dụngloại cọc có dạng sóng chữ U hay chữ W có độ cứng cả hai phương cùng lớn.
2.2. Cấu tạo chi tiết cọc ván dự ứng lực dạng sóng.
Ở Việt Namhiện nay thường dùng loại coc ván bê tông cốt thép dự ứng lực có chiều rộng100cm, chiều dày 12cm áp dụng cho cọc có chiều cao tiết diện 35 đến 60cm, chiềudày
16cm áp dụng cho cọc có chiều cao 75cm trở lên. Vớicọc ván bê tông cốt thép thường thì việc bố trí cốt thép chủ tương tự như cọcvuông, nghĩa là chịu được tải trọng khai thác và thi công, cốt thép chủ có thểtừ D16...D32, cốt đai D6...D12(a=10-20cm). Hình dạng giống như cọc dự ứng lực.Cọc ván dự ứng lực có cốt thép đai được bố trí với khoảng cách thưa hơn(a=40-50cm), cốt chủ thường là cốt thép dự ứng lực loại tao cáp 12.7mm, số lượng tao cáp tuỳ theo chiều dài cọc loại cọc.
2.3 Ưu điểm và nhược điểm của cọc ván bê tông cốt thépdự ứng lực.
2.3.1. Ưu điểm.
- Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực tận dụng đượchết khả năng làm việc chịu nén của bê tông và chịu kép của thép, tiết diện chịulực ma sát tăng từ 1.5 ÷ 3 lần so với loại cọc vuông có cùng tiết diện ngang(khả năng chịu tải của cọc tính theo đất nền tăng).
Ví dụ: với cọc Larsel W400 có S = 1598cm2tương đương với diện tích một cọc vuông 40x40cm.
Có: Pms = n*U*l*fi với U là chu vi của tiếtdiện cọc.
+ Tiết diện chịu tải theo ma sát của cọc vuông có chuvi là: U1=4*0.4 = 1.6m
+ Tiết diện chịu tải theo ma sát của cọc W400 có chuvi là: U2= 3.15m.
→ Như vậy khả năng chịu tải theo ma sát sẽ tăng lênlà: a=U2/U1 = 1.97 lần.
-Khả năng chịu lực tăng: mô men chống uốn, xoắn caohơn cọc vuông bê tông thường, do đó chịu được mômen lớn hơn.
- Sử dụng vật liệu cường độ cao(bê tông, cốt thép) nêntiết kiệm vật liệu. Cường độ chịu lực cao nên khi thi công ít bị vỡ đầu cọc,mối nối. Tuổi thọ cao.
- Có thể ứng dụng trong nhiều điều kiện địa chất khácnhau.
- Chế tạo trong công xưởng nên kiểm soát được chấtlượng cọc, thi công nhanh, mỹ quan đẹp khi sử dụng ở kết cấu nổi trên mặt đất.
- Chế tạo được cọc dài hơn (có thể đến 24m/cọc) nênhạn chế mối nối.
- Sau khi thi công sẽ tạo thành 1 bức tường bê tôngkín nên khả năng chống xói cao, hạn chế nở hông của đất đắp bên trong.
- Kết cấu sau khi thi công xong đảm bảo độ kín, khít.Với bề rộng cọc lớn sẽ phát huy tác dụng chắn các loại vật liệu, ngăn nước. Phùhợp với các công trình có chênh lệch áp lực trước và sa khi đóng cọc như ở mốcầu và đường dẫn.
2.3.2. Nhược điểm:
- Công nghệ chế tạo phức tạp hơn cọc đóng thôngthường.
- Thi công đòi hỏi độ chính xác cao, thiết bị thi cônghiện đại hơn (búa rung, búa thuỷ lực, máy cắt nước áp lực...)
- Giá thành cao hơn cọc đóng truyền thống có cùng tiếtdiện.
- Ma sát âm (nếu có) tác dụng lên cọc tăng gây bất lợikhi dùng cọc ván chịu lực như cọc ma sát trong vùng đất yếu.
- Khó thi công theo đường cong có bán kính nhỏ, chitiết nối phức tạp làm hạn chế độ sâu hạ cọc (thường <40m).
3. So sánh sơ bộ khả năng chịu lực của cọc bê tông cốt thép thường và cọc dự ứng lực.
Dưới đây là một số bảng tính so sánh các đặc trưnghình học, khả năng chịu tải của 2 loại cọc vuông và cọc ván bê tông cốt thép códiện tích tiết diện ngang và chiều dài tương tự để có thể thấy rõ những ưu điểmcủa cọc ván.
Nhận xét: Từ những bảng biểu so sánh được lập dưới đây giữa cọcván và cọc vuông bê tông cốt thép ta thấy:
- Cùng diện tích tiết diện ngang, cọc ván có chu vitiết diện lớn gấp khoảng 2 lần.
- Mô men quán tính của cọc ván lớn hơn từ 1.3 (3 lầnso với cọc vuông cùng diện tích). Đặc biệt đối với cọc có tiết diện lớn.
- Trường hợp cọc có cùng chiều cao tiết diện, diệntích tiết diện cọc ván nhỏ hơn 1 (1.5 lần), mô men quán tính xấp xỉ nhau nhưngchu vi tiết diện cọc ván vẫn lớn hơn từ 1.6 đến hơn 2 lần.
- Ngoài các tính toán như đã lập thành bảng, các tínhtoán so sánh về tác dụng hạn chế lún do không nở hông khi sử dụng cọc ván bêtông cốt thép dự ứng lực cho thấy: đối với trường hợp cho phép nở hông, phân tốkhông những biến dạng (lún) theo phương z mà còn biến dạng do giảm thể tíchtheo 2 phương x và y, tổng cộng lớn hơn 2.5 lần so với biến dạng không nở hông.
4 Kết luận.Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực đã từng được ápdụng rộng rãi ở Việt Nam và nước ngoài trong thi công bờ kè, bến cảng, đê đập,kênh mương...Nhưng việc sử dụng loại cọc này vào xây dựng các công trình giaothông như cầu và đường đầu cầu ở nước ta vẫn chưa được thử nghiệm. Nguyên nhâncó thể là nhà thiết kế không mạnh dạn áp dụng kết cấu mới để tính toán và khóso sánh lựa chọn với các phương án cọc truyền thống. Ngoài ra cũng còn nhiềuvấn đề về chế tạo, phương pháp thi công cần giải quyết, vì trong nhiều trườnghợp đòi hỏi phải có máy chuyên dụng (thiết bị đặc chủng) làm giá thành cao.Với những ưu điểm đã được phân tích ở trên của cọc vánbê tông cốt thép dự ứng lực , việc nghiên cứu ứng dụng vào công trình cầu vàđường dẫn đầu cầu rất cần được đầu tư. Cần có những thiết kế so sánh cụ thể vềkhả năng chịu lực, tính kinh tế cũng như các biện pháp thi công. Với các côngtrình đường dẫn đầu cầu đắp trên đất yếu, kết hợp xử lý đất yếu và sử dụng cọcván dạng tường vừa là cọc chịu lực, vừa là tường chắn để hạn chế nở hông cho mốvà chịu lực cho đường đầu cầu sẽ đem lại hiệu quả kinh tế hơn và triệt để hơnso với một số biện pháp xử lý đất yếu đơn thuần khác.
(Nguồn: Tạp chí Cầu đường Việt Nam, số 2/2007)