Công nghệ ngăn cầu bị lún
(practical.engineering)- Cầu cần chừa không gian trống bên dưới để sông, đường sắt hoặc đường bộ đi qua, nên tải trọng phía trên tập trung vào trụ cầu và mố cầu, đồng thời cần móng sâu đủ khả năng chịu được ngay cả trên nền đất yếu ở sông ngòi và ngoài biển
- Móng cọc dùng các cấu kiện dài được đóng hoặc khoan vào nền đất để chịu tải trọng thẳng đứng nhờ sức chịu mũi cọc khi chạm tới lớp đất cứng và ma sát thành bên với đất xung quanh
- Cọc đóng hoạt động như một dạng kiểm chứng tải trọng ngay trong quá trình lắp đặt, nhưng đi kèm các hạn chế như tiếng ồn và rung động, trồi nền, lệch hướng, và khó xuyên qua các lớp địa chất cứng
- Drilled shaft là loại cọc đổ tại chỗ được thi công bằng cách đào lỗ rồi đặt cốt thép và đổ bê tông; dưới nước, người ta dùng casing và tremie để ngăn lỗ sập và tránh bê tông bị pha loãng
- Các trường hợp lún của Millennium Tower và trụ cầu trên tuyến Tampa Lee Roy Selmon Expressway năm 2004 cho thấy ngay cả móng sâu cũng có thể thất bại, và độ phức tạp của địa kỹ thuật có thể dẫn tới vấn đề về chi phí và tiến độ
Vì sao tải trọng của cầu tập trung xuống nền đất
- Cốt lõi của cây cầu không chỉ là “bắc qua” một thứ gì đó, mà là tạo ra khoảng trống bên dưới để sông, đường sắt hoặc đường bộ đi qua
- Với đường bộ thông thường, lực truyền trực tiếp xuống nền đất, nhưng với cầu, lực tác dụng lên nhịp sẽ dồn về trụ cầu hoặc mố cầu ở hai đầu
- Phần kết cấu dưới được thiết kế rất chắc chắn, nhưng vị trí lắp đặt thực tế nhiều khi lại không thuận lợi để chịu tải
- Sông và biển thường có nhiều đất mềm, nhão, không thể nâng đỡ tốt các tải trọng lớn
- Nhiều móng cầu được lắp đặt dưới nước
- Khi nền đất phải chịu tải vượt quá khả năng, sẽ xảy ra phá hoại sức chịu tải, khiến móng bị lún xuống trong đất
- Từ đó dẫn tới việc sử dụng rộng rãi cọc móng, một cấu kiện kết cấu khai thác chính ý tưởng tiếp tục truyền tải xuống sâu hơn
Vật liệu và nguyên lý lắp đặt của cọc đóng
- Cọc là cấu kiện kết cấu dạng cột dài được đóng hoặc khoan vào trong đất
- Tập 1 của tài liệu
Design and Construction of Driven Pile Foundationscủa Federal Highway Administration dài hơn 500 trang, và phải sau 11 trang ký hiệu cùng 2 trang từ viết tắt mới tới phần mở đầu, cho thấy mức độ phức tạp của ngành kỹ thuật này - Lịch sử của cọc đóng có từ trước cả thời kỳ được ghi chép, và ý tưởng cơ bản là đóng một thanh dài xuống đất
-
Đặc tính theo vật liệu cọc
- Cọc gỗ
- Giá rẻ, chịu lực đóng tốt và dễ lắp đặt
- Có thể bị mục, bị giới hạn chiều dài do kích thước thân gỗ, và độ bền thấp hơn các vật liệu thay thế
- Cọc bê tông
- Có thể chế tạo với nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, được dùng rộng rãi cho móng sâu
- Để chịu được lực cần thiết khi đóng xuống đất, chúng phải đủ lớn; một số cọc bê tông có bề rộng từ 30 inch hoặc hơn 75 cm
- Cọc thép
- Có thể làm thon hơn bê tông
- Các dạng chính là pipe pile và H-pile
- Cọc gỗ
-
Vì sao phải đóng bằng búa
- Muốn ép cọc xuống sâu thì cần một phản lực có cùng độ lớn
- Thay vì dùng các khối nặng khổng lồ hoặc kết cấu cực chắc được neo vào nền đất, người ta thường dùng búa
- Thế năng của một khối lượng tương đối nhỏ rơi từ trên cao chuyển thành động năng, và lực dừng chuyển động rơi đó được truyền vào cọc
- Nhiều pile driver tạo ra lực cần thiết bằng búa lớn hoặc đầu rung
Cách cọc chịu tải
- Mục tiêu chính của móng là không dịch chuyển khi nhận tải trọng
- Với tải trọng thẳng đứng, cọc chủ yếu chống lại theo hai cách lớn
-
Sức chịu mũi và ma sát thành bên
- Sức chịu mũi cọc là cơ chế mà đầu cọc, tức toe, chạm tới một lớp đất cứng hoặc đá nền để chịu được tải lớn hơn
- Địa chất thực tế phức tạp hơn nhiều so với khái niệm đơn giản là “bedrock”, và không phải lúc nào cũng có lớp đất đủ cứng ở độ sâu hợp lý
- Ma sát thành bên hay shaft resistance là cơ chế trong đó đất xung quanh bị nén chặt và đặc hơn trong quá trình đóng cọc, từ đó tạo ma sát với thành cọc
- Cọc càng xuống sâu thì sức kháng ma sát càng lớn
-
Bản thân quá trình lắp đặt cũng là một dạng kiểm chứng
- Khi dùng cùng một búa rơi từ cùng một độ cao để đóng cọc lặp đi lặp lại, ban đầu cọc đi xuống một khoảng nhất định, rồi dần dần mức dịch chuyển sau mỗi nhát búa giảm đi
- Điểm mà cọc gần như không còn dịch chuyển nữa về mặt kỹ thuật được gọi là refusal
- Nếu vẽ biểu đồ số nhát đóng theo chiều sâu, có thể thấy sức kháng tải trọng thẳng đứng tăng lên khi cọc đi sâu hơn
- Câu “A Driven Pile is a Tested Pile” của Pile Driving Contractors Association thể hiện đặc tính rằng cọc đóng có thể được xác nhận là chịu được một mức lực nhất định ngay trong quá trình lắp đặt
- Nếu chưa thấy đủ sức kháng, trong nhiều trường hợp có thể đóng sâu hơn để đạt được mức kháng mong muốn
Tải trọng ngang và giới hạn của cọc đóng
- Kết cấu không chỉ chịu lực ép xuống dưới
- Công trình xây dựng chịu tải trọng ngang do gió, còn cầu có thể chịu tải ngang do dòng chảy, băng trôi hoặc va chạm tàu thuyền
- Lực nổi do lũ hoặc gió mạnh có thể tạo ra tải trọng nhổ ngược với trọng lực
- Trạng thái đất xung quanh cầu có thể khác nhau giữa ngay sau thi công và sau vài đợt lũ
- Kỹ sư phải dự đoán xói lở cục bộ có xét tới cả biến đổi lòng sông tự nhiên lẫn biến đổi do chính cây cầu gây ra
- Móng phải được thiết kế để vẫn giữ cường độ trong điều kiện nền đất đã thay đổi về lâu dài
- Tải trọng ở trụ cầu được truyền và phân phối xuống cọc qua pile cap
- Khi dự kiến có tải trọng ngang lớn, người ta dùng battered pile, tức các cọc được đóng nghiêng
- Cọc nghiêng tận dụng ma sát thành bên tốt hơn để tăng cường độ móng trước tải trọng ngang
-
Các hạn chế của cọc đóng
- Thi công cọc đóng tạo ra nhiều tiếng ồn và rung động, nên khó được chấp nhận ở khu đô thị đông đúc
- Rung động trong quá trình thi công có thể ảnh hưởng tới hạ tầng xung quanh
- Trong nhiều trường hợp, cọc phải được thiết kế để chịu các lực trong lúc thi công còn lớn hơn nhiều so với tải trọng của công trình hoàn thiện
- Cọc không dễ xuyên qua các lớp địa chất cứng, sỏi hoặc đá lớn
- Không thể quan sát trực tiếp đường đi dưới đất nên cọc có thể bị lệch khỏi hướng thiết kế
- Vì cọc được ép vào mà không lấy đất ra nên có thể gây trồi nền
Drilled shaft và thi công bê tông dưới nước
- Drilled shaft được thi công bằng cách khoan một lỗ sâu, đặt cốt thép rồi đổ đầy bằng bê tông
- Sổ tay
Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methodscủa FHWA dài 747 trang - Với nền đất yếu hoặc điều kiện ẩm ướt, người ta dùng casing để ngăn thành lỗ bị sập
- Casing thường được lắp đặt đi xuống theo auger trong lúc đào
- Dù casing có nhô lên trên mặt nước, nước vẫn có thể rò vào từ đáy
- Tỷ lệ nước-xi măng của bê tông rất quan trọng với cường độ và tính năng, nên nếu đổ tự do dưới nước thì bê tông sẽ trộn với nước và bị pha loãng
- Tremie là ống dẫn xuống tận đáy lỗ; nếu giữ đầu ống nằm dưới bề mặt bê tông thì bê tông sẽ không trộn lẫn với nước
- Bê tông có khối lượng riêng lớn hơn nước nên sẽ dâng từ đáy lỗ lên và đẩy nước lên phía trên
-
Cách dùng casing và pile cap
- Trong lắp đặt dưới nước, casing thường được giữ lại tại chỗ
- Tận dụng casing có thể giúp giảm độ phức tạp thi công bằng cách đặt pile cap trong nước hoặc trên mặt nước, thay vì phải làm cofferdam lớn để làm khô khu vực làm việc
- Kiểu high rise pile cap này được dùng nhiều cho tua-bin gió ngoài khơi
- Tùy tình huống, sau khi bê tông được đổ đầy có thể rút casing ra để tiết kiệm chi phí cho các ống thép khổng lồ
- Áp lực của bê tông tác dụng lên thành lỗ có thể giúp ngăn đất sụp vào
- Drilled shaft có thể được làm lớn hơn rất nhiều so với cọc đóng, nên đôi khi không cần nhiều cọc và pile cap
- Tua-bin gió, biển báo cao tốc và các kết cấu tương tự có thể được dựng trên mono-pile foundation là một drilled shaft đơn
- Reaming, tức mở rộng đáy drilled shaft, có thể tăng diện tích bề mặt của toe để giảm xu hướng lún và cũng hỗ trợ chống tải nhổ
Nhiều loại móng sâu khác và các trường hợp thất bại
- Hệ móng sâu không chỉ giới hạn ở cọc đóng và drilled shaft
- Continuous flight auger pile dùng hollow-stem auger để thực hiện gần như trong một bước cả đào đất lẫn đổ bê tông, rồi sau đó đặt cốt thép vào bê tông còn ướt
- Stone column hoặc tên thương mại Geopier là phương pháp lấp lỗ bằng cốt liệu đầm chặt thay vì bê tông khi chỉ cần xét tới tải trọng nén
- Helical pile hay screw pile được xoay vào nền đất thay vì đóng bằng búa để giảm rung động và xáo trộn
- Micropile gần với một drilled shaft cỡ nhỏ dùng khi bị hạn chế tiếp cận hoặc gặp ràng buộc về địa chất
- Sheet pile là loại cọc được đóng để tạo tường hoặc rào chắn hơn là làm móng
-
Ngay cả móng sâu cũng có thể thất bại
- Cọc thường mạnh hơn móng nông rất nhiều, nhưng vẫn có thể hỏng
- Millennium Tower ở San Francisco là ví dụ một tòa nhà cao tầng trên móng cọc đã bị lún và nghiêng xuống trong nền đất
- Phần lớn có vẻ đã được khắc phục, nhưng công trình này vẫn thỉnh thoảng xuất hiện trên tin tức
- Năm 2004, trụ cầu trên tuyến Lee Roy Selmon Expressway tại Tampa, Florida đã lún hơn 11 feet, tức hơn 3 m, trong quá trình thi công do địa chất phức tạp
- Chi phí khắc phục là 90 triệu USD, và dự án bị chậm hoàn thành 1 năm
- Trong các thiết kế giao phó tải trọng lớn cho nền đất, khoa học và kỹ thuật địa kỹ thuật giữ vai trò rất lớn
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Tôi đặc biệt thích khẩu hiệu của Pile Driving Contractors Association: “A Driven Pile is a Tested Pile”
Lập luận là ngay khoảnh khắc một cọc được đóng xuống, nó đã được kiểm chứng là có thể chịu một lực nhất định; nếu lực kháng chưa đủ thì thường chỉ cần đóng sâu hơn cho đến khi đạt đủ lực kháng
Hóa lỏng đất là một hiện tượng kỳ lạ, trông giống Silly Putty: chạm chậm thì mềm, nhưng tác động nhanh thì cứng lại
Không rõ là cứ đóng tiếp trong một thời gian rất dài, hay cụ thể là bao lâu
Cùng một hình dạng thép được gọi vừa là I-beam vừa là H-pile là vì hình dạng thực tế của chúng khác nhau
Dầm chữ I có mục đích dồn khối lượng vào cánh dầm để chống uốn nên bản bụng mảnh hơn, còn cọc H thường có bản bụng dày gần bằng cánh vì tải trọng dọc trục và khả năng thi công
Trong các tiết diện tiêu chuẩn, dầm chữ I được chia thành tiết diện W (wide flange) và S, còn dầm chữ H được gọi là tiết diện HP
Trong thi công móng, chúng đôi khi được chỉ định thay thế cho nhau, nhưng với kết cấu trên mặt đất, người ta thường chọn các tiết diện hiệu quả hơn như W hoặc S thay vì HP
Tôi không cố hỏi cho rõ hay sửa họ, vì làm vậy chắc sẽ biến mình thành một người khá phiền phức
Hình tham khảo: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)
Ý tưởng “nếu cứ tăng tải để nó lún sâu hơn thì sao?” trông giống kỹ thuật công trình cơ bản mà cha của Herbert dùng trên vùng đầm lầy trong Monty Python and the Holy Grail
https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA
Ai cũng bảo xây lâu đài trên đầm lầy là điên rồ, nhưng ta vẫn xây cho họ thấy, và lâu đài đó chìm xuống đầm lầy
Lâu đài thứ hai cũng chìm; lâu đài thứ ba thì cháy, đổ sập rồi chìm xuống đầm lầy, nhưng lâu đài thứ tư đã trụ lại
Vậy nên lời thoại là: thứ con sẽ thừa kế là lâu đài vững chắc nhất trên các hòn đảo này
“Cái gì cơ, mấy cái rèm à?”
Đá nền đặt trong ngoặc kép là một khái niệm đơn giản, nhưng địa chất thực tế phức tạp hơn nhiều
Đá nền luôn tồn tại, nhưng ở một số nơi, để chạm tới nó thì cọc phải thật sự rất dài
Ví dụ, các lớp trầm tích sỏi ở phía nam Munich được cho là sâu tới 100m (330ft) và nông dần về phía bắc
https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain
Chính sự dịch chuyển của đá đó là lý do họ xây cầu cạn để thay thế con đường cũ; do xói mòn sườn dốc, họ phải dời đường ngày càng cao hơn và thêm nhiều khúc cua tay áo vào đoạn Zig Zag khét tiếng
Đá rơi cũng khiến con đường trở nên nguy hiểm, và họ đã cố chạm tới đá nền nhưng nó bị chôn quá sâu
https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...
Một số cây cầu không bị chìm. Vì chúng nổi
https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge
Lacey V. Murrow Memorial Bridge, Homer M. Hadley Memorial Bridge, và Evergreen Point Floating Bridge, cây cầu phao dài nhất thế giới
https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Homer_M._Hadley_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Evergreen_Point_Floating_Bridg...
Tức là sau khi trả hết chi phí dự án, họ ngừng thu tiền của mọi người
Ở Chicago kế hoạch ban đầu cũng là như vậy
Với một ý tưởng đổi mới thì tiến độ như vậy là khá nhanh
Tham khảo: https://www.youtube.com/watch?v=gm0YQ3vuyyY
Phim tài liệu Brooklyn Bridge của Ken Burns về việc xây dựng cầu Brooklyn thật sự rất thú vị, vì đề cập đến các kỹ thuật kỹ thuật và những bài toán khó mang tính đổi mới vào cuối thế kỷ 19
Phim cũng ngắn, khoảng 1 giờ, nên tôi rất khuyến nghị
https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/
https://www.amazon.com/Great-Bridge-Story-Building-Brooklyn/...
Công ty thi công cọc Giken của Nhật có những video kỹ thuật rất hay, giới thiệu công nghệ thi công cọc không gây tiếng ồn và các trường hợp ứng dụng độc đáo
Có cả các ví dụ như chặn dòng dung nham hoặc xây bãi giữ xe đạp ngầm trong đô thị
https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos
Hôm nay mới biết “Piledriver” không phải do WWE phát minh
Một số cây cầu được cố ý thiết kế để bị ngập/chìm, còn một số thì chìm do thiết kế sai
https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
Tác giả là Grady Hillhouse
Video: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
Blog: https://practical.engineering/blog/
Feed: https://practical.engineering/blog?format=rss