Cọc đóng cho móng cầu: cọc bê tông, cọc ống thép và khi nào chọn thay cọc khoan nhồi

Cọc đóng cho móng cầu là cọc chế tạo sẵn, gồm cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông, cọc ống bê tông dự ứng lực và cọc ống thép, được hạ xuống đất bằng búa đóng hoặc búa rung cho tới khi đạt chiều sâu và độ chối theo thiết kế. Chúng hợp với cầu nhỏ và trung bình, móng mố trên cạn, bến cảng, trụ ở nước sâu cần thi công nhanh; còn khi tải rất lớn hoặc phải xuyên qua lớp cứng dày, cọc khoan nhồi thường được chọn.

Trước khi máy khoan cọc nhồi phổ biến, phần lớn cầu ở Việt Nam đứng trên cọc đóng, và hiện nay chúng vẫn rất thông dụng ở cầu nông thôn, cầu vượt kênh rạch, cầu cảng. Bài này giải thích các loại cọc, cách hạ, ý nghĩa của độ chối và những tình huống khiến người thiết kế nghiêng về cọc đóng hay về cọc khoan nhồi.

Ba loại cọc đóng thường gặp ở công trình cầu

Mỗi loại cọc có cách chế tạo, cách nối và cách hỏng khác nhau. Bảng dưới tóm tắt ở mức nguyên lý, kích thước thực tế theo hồ sơ thiết kế:

Cọc gỗ, cọc tre vẫn thấy ở một số công trình rất nhỏ hoặc gia cố nền, nhưng không dùng cho móng cầu chịu tải xe theo tiêu chuẩn hiện hành. Cầu dân sinh dựng trên cọc tre là một trong những nguyên nhân làm cầu xuống cấp nhanh.

Búa đóng cọc: búa diesel, búa thuỷ lực và búa rung

Búa đóng cọc làm việc theo một nguyên lý: một quả nặng rơi hoặc được đẩy xuống đập vào mũ cọc, năng lượng va chạm truyền theo thân cọc dưới dạng sóng ứng suất, đẩy mũi cọc xuyên vào đất từng chút. Búa diesel hoạt động như một động cơ một xi lanh, mỗi lần nổ vừa đẩy quả búa lên vừa đập xuống; nó mạnh, rẻ, nhưng ồn, khói và rung lớn. Búa thuỷ lực nâng quả búa bằng dầu thuỷ lực rồi thả, điều chỉnh được chiều cao rơi nên kiểm soát năng lượng tốt hơn, ít khói, êm hơn.

Búa rung thì khác hẳn: nó kẹp chặt đầu cọc và rung với tần số cao, làm đất quanh thân cọc tạm thời mất ma sát, cọc tụt xuống nhờ trọng lượng của chính nó và búa. Búa rung rất hợp với cọc ống thép, cọc ván trong đất cát, sét mềm, và nhổ cọc lên cũng bằng chính nó. Nhưng búa rung không cho biết sức chịu tải của cọc qua độ chối, nên với cọc vĩnh viễn, đoạn cuối thường phải đóng bằng búa va đập.

Giữa búa và đầu cọc có mũ cọc và đệm đầu cọc bằng gỗ, cao su hoặc vật liệu tổng hợp để phân bố lực, tránh vỡ đầu. Chọn búa quá nhẹ thì cọc không xuống, đóng mãi làm mỏi bê tông; búa quá nặng hoặc chiều cao rơi lớn thì vỡ đầu cọc, nứt thân cọc. Vì vậy biện pháp đóng cọc chỉ định loại búa, năng lượng và đệm, thường có đóng thử vài cọc trước khi làm đại trà.

Độ chối là gì và vì sao người đóng cọc đếm từng nhát búa

Độ chối là độ lún của cọc sau một nhát búa, hoặc sau một loạt nhát búa quy định, ở giai đoạn cuối khi cọc đã gần tới chiều sâu thiết kế. Cọc càng khó xuống, nghĩa là đất ở mũi và quanh thân càng chống lại mạnh, độ chối càng nhỏ. Từ độ chối, năng lượng búa và đặc điểm cọc, có các công thức kinh nghiệm để ước sức chịu tải của cọc ngay tại hiện trường, đó là lý do người ta ghi chép từng loạt nhát búa vào nhật ký đóng cọc.

Trong hồ sơ thiết kế thường có hai điều kiện dừng: cọc đạt cao độ mũi thiết kế và độ chối đạt giá trị yêu cầu. Nếu cọc đã tới cao độ mà độ chối còn lớn, nghĩa là đất yếu hơn dự kiến, có thể phải đóng sâu thêm hoặc nối thêm đoạn cọc theo chỉ dẫn của thiết kế. Nếu cọc chưa tới cao độ mà đã chối, có thể gặp lớp cứng hoặc vật cản; đóng cố có thể vỡ cọc, nên phải dừng để kỹ sư đánh giá.

Có một hiện tượng làm người mới bối rối: trong đất sét, cọc vừa đóng xong có vẻ yếu, nhưng nghỉ vài ngày rồi đóng lại thì chối hơn hẳn, do đất quanh cọc hồi phục cường độ. Ngược lại, trong một số loại cát chặt hoặc đá phong hoá, độ chối có thể giảm sau khi nghỉ. Vì vậy nhiều dự án quy định đóng kiểm tra lại sau một thời gian nghỉ. Việc thử động cọc bằng thiết bị đo sóng ứng suất và thử tĩnh là khâu kiểm tra của tư vấn, ở đây chỉ cần biết rằng độ chối là chỉ số đầu tiên chứ không phải duy nhất.

Đóng cọc cho trụ cầu ở dưới nước và cọc xiên

Với trụ cầu trên sông, cọc đóng có những đặc điểm riêng mà công trình trên cạn không có:

• Đóng trên xà lan hoặc từ sàn đạo: búa treo trên cẩu đặt ở xà lan, cọc được thả qua khung dẫn hướng. Xà lan phải neo chắc, vì chỉ một chút dịch chuyển cũng làm cọc lệch tim.
• Cọc dài, nhiều đoạn: cọc phải đi qua chiều sâu nước cộng chiều dày lớp bùn mới tới đất tốt, nên thường nối nhiều đoạn. Mỗi mối nối hàn được làm trên cao, trong gió, cần thợ hàn có chứng chỉ và kiểm tra mối hàn.
• Cọc xiên: nhiều trụ và mố dùng một phần cọc đóng nghiêng để chịu lực ngang do dòng chảy, va tàu, áp lực đất sau mố. Đóng cọc xiên đòi hỏi giá búa nghiêng được và khó giữ đúng góc hơn cọc đứng.
• Đoạn cọc tự do trong nước: phần cọc từ đáy sông tới bệ chịu uốn và có thể bị xói làm dài thêm. Thiết kế sẽ tính tới chiều sâu xói, thi công phải bảo đảm cao độ mũi cọc đúng như yêu cầu.
• Bệ cao: ở cầu cảng và một số trụ, bệ đặt trên đầu cọc cao hơn mặt nước, không cần vòng vây. Ván khuôn bệ được treo trên đầu cọc, đổ bê tông như trên cạn.

Đóng cọc gần khu dân cư còn phải tính tới rung và tiếng ồn: rung có thể làm nứt nhà cũ xung quanh, nên nhiều nơi chuyển sang ép cọc hoặc khoan nhồi, hoặc khảo sát hiện trạng nhà dân trước khi thi công.

Cọc đóng hay cọc khoan nhồi: những yếu tố khiến thiết kế chọn bên này hay bên kia

Không có loại cọc nào tốt hơn tuyệt đối. Thiết kế cân nhắc nhiều yếu tố cùng lúc, bảng dưới nêu xu hướng chung:

Cọc ép, tức cọc chế tạo sẵn được ấn xuống bằng kích thuỷ lực thay vì đóng, cũng được dùng ở mố cầu gần nhà dân hoặc cầu nhỏ trong đô thị. Nó êm nhưng lực ép bị giới hạn bởi đối trọng và thiết bị, nên ít dùng cho trụ chịu tải lớn.

An toàn khi đóng cọc

Đóng cọc là công việc có nhiều vật nặng chuyển động trên cao. Những điểm người mới vào nghề phải ghi nhớ:

• Không đứng dưới búa, dưới cọc đang được cẩu dựng lên giá; luôn đứng ngoài tầm đổ của cọc và giá búa.
• Kiểm tra cáp cẩu, chốt búa, bu lông mũ cọc trước mỗi ca. Búa diesel có thể văng mảnh vỡ đầu cọc và dầu nóng.
• Khi cọc đột ngột tụt sâu, gọi là cọc tụt, búa có thể rơi theo, giá búa bị giật. Người điều khiển phải giảm năng lượng ngay khi thấy cọc xuống bất thường.
• Đeo nút tai hoặc chụp tai suốt thời gian đóng; tiếng búa diesel đủ lớn để gây tổn thương thính lực nếu tiếp xúc lâu.
• Trên xà lan, ngoài áo phao và lan can, phải kiểm tra cân bằng xà lan khi cẩu cọc nặng ra mép.
• Hàn nối cọc: có tấm chắn tia lửa, bình chữa cháy, người hàn đeo mặt nạ; không hàn khi trời mưa giông.

Những quy định cụ thể về khoảng cách an toàn, kiểm định thiết bị nâng và chứng chỉ người vận hành theo quy định hiện hành về an toàn lao động và thiết bị có yêu cầu nghiêm ngặt. Chỉ huy trưởng công trường là người chịu trách nhiệm bố trí và kiểm tra.

Nối cọc, cắt đầu cọc và liên kết cọc với bệ

Cọc dài phải nối từ nhiều đoạn. Cọc bê tông đúc sẵn thường có hộp thép hoặc mặt bích ở hai đầu, được hàn nối khi đoạn dưới đã đóng tới gần mặt đất; cọc ống thép nối bằng hàn vòng theo quy trình hàn được duyệt. Mối nối phải thẳng trục, mối hàn đủ chiều dài và chiều cao, được kiểm tra trước khi đóng tiếp. Một mối nối lệch làm cọc gãy gập khi đóng sâu, hoặc tạo điểm yếu khi chịu lực ngang.

Khi đóng xong, đầu cọc thường cao hơn cao độ đáy bệ vì phải chừa đoạn để búa đập và vì độ chối đạt sớm hơn dự kiến. Đầu cọc bê tông được đập bỏ phần thừa, giữ lại cốt thép chờ để neo vào bệ; cọc ống thép được cắt bằng mỏ cắt rồi hàn thêm thép neo hoặc đổ bê tông lõi. Đập đầu cọc không được dùng búa phá lớn đánh mạnh vào thân cọc, vì có thể làm nứt phần bê tông nằm dưới cao độ cắt.

Chiều dài đoạn cọc ngàm vào bệ và cốt thép neo được thiết kế để truyền lực từ bệ xuống cọc. Trước khi đổ bệ, người thi công kiểm tra lại cao độ đầu cọc, độ lệch tâm từng cọc so với thiết kế; cọc lệch quá giới hạn cho phép phải báo thiết kế để kiểm tra lại bệ, có khi phải bổ sung cốt thép hoặc mở rộng bệ.

Câu hỏi thường gặp

Cọc đóng có rẻ hơn cọc khoan nhồi không?

Thường rẻ hơn với tải nhỏ và trung bình vì chế tạo hàng loạt, thi công nhanh. Khi tải lớn phải dùng rất nhiều cọc đóng, bệ to ra, thì cọc khoan nhồi đường kính lớn có thể kinh tế hơn. So sánh chi phí phải làm trên cùng một tải trọng và địa chất cụ thể.

Vì sao đầu cọc bê tông hay bị vỡ khi đóng?

Nguyên nhân thường là búa quá nặng hoặc chiều cao rơi lớn, đệm đầu cọc mỏng hoặc đã mục, búa đặt lệch tâm, hoặc bê tông đầu cọc chưa đủ cường độ khi đóng. Đóng cọc gặp vật cản mà vẫn cố cũng làm vỡ đầu và nứt thân.

Cọc ống thép dưới nước có bị gỉ không?

Có, nhất là ở vùng mực nước lên xuống và vùng nước mặn, lợ. Thiết kế thường tính thêm chiều dày dự phòng ăn mòn, sơn phủ, bọc bảo vệ hoặc chống ăn mòn điện hoá cho đoạn cọc này. Việc kiểm tra định kỳ trong quá trình khai thác cũng cần thiết.

Cọc đã đóng tới cao độ thiết kế mà chưa đạt độ chối thì làm gì?

Dừng và báo tư vấn thiết kế. Thông thường có thể chờ một thời gian rồi đóng kiểm tra lại, nối thêm đoạn cọc để đóng sâu hơn hoặc bổ sung cọc. Đơn vị thi công không tự ý cắt cọc hay chấp nhận cọc khi chưa có ý kiến thiết kế.

Cầu nông thôn nhỏ có nên dùng cọc đóng không?

Cọc bê tông cốt thép đóng là lựa chọn phổ biến cho cầu nông thôn nhịp nhỏ vì thiết bị đơn giản, chất lượng cọc kiểm soát được. Điều quan trọng là có khảo sát địa chất tối thiểu và thiết kế phù hợp tải xe, thay vì đóng theo kinh nghiệm hay dùng cọc tre.

Đóng cọc gần nhà dân cần làm gì trước?

Nên khảo sát và ghi lại hiện trạng các nhà xung quanh bằng ảnh, biên bản có xác nhận, bố trí đo rung khi thi công và thông báo trước lịch đóng cọc. Nếu nhà quá gần hoặc yếu, thiết kế có thể chuyển sang cọc ép hoặc cọc khoan nhồi.