1. Lời mở đầuCông nghệ cọc ván thép là công nghệ mang tính truyền thống được áp dụng rộng rãi trên 100năm trong các công trình cảng, công trình sông, công trình tường chắn đất và các công trình nền móng.Từ năm 1940 đến những năm 50, ở nước ngoài, thành quả nghiên cứu thực tế và lý thuyết của Terzaghi hay Rowe về cơ bản đã được xác lập trong thời kỳ này về lý thuyết. Ở Nhật Bản cũng vậy, trải qua một thời gian dài trưởng thành từ năm 1950 đến những năm 70, công nghệ cọc ván thép đã phát triển vượt bậc cả về chất lượng và số lượng. Gần đây nó cũng được áp dụng trong việc giảm tiếng ồn, giảm rung lắc và cũng được áp dụng trong các công trình ở các thành phố. Cọc ván thép ở Nhật Bản, trải qua hơn 70 năm, đến nay Nhật Bản trở thành nước có sản lượng cọc ván thép rất lớn trên thế giới, nó được xuất khẩu sang các nước khác nhiều hơn là ở Nhật Bản. Trong bài này tác giả sẽ trình bày về sự biến đổi về mặt vật liệu và thi công cuả công nghệ ván cọc thép ở Nhật Bản cũng như các công nghệ sử dụng cọc ván thép.
2. Sự biến đổi vật liệu cọc ván thép.
2.1. Lịch sử của việc sản xuất cọc ván thép.
Công nghệ cọc ván thép ở Nhật Bản được bắt đầu từ việc sử dụng cọc ván thép trong các công trình tường chắn đất của toà nhà Misui năm 1930. Sau đó để khôi phục sau hoả hoạn trong trận động đất Kanto năm 1923, một số lượng lớn cọc ván thép từ các nước trên thế giới đã được nhập vào để khôi phục các công trình cảng, sông một cách nhanh chóng, mở ra một thời kỳ mới của công nghệ cọc ván thép. Nhân dịp này từ sau năm 1925, hàng năm có từ 3 đến 4 vạn tấn cọc ván thép được nhập vào. Khối lượng cọc ván thép nhập vào tiếp tục tăng nhanh đến năm thứ 5 năm SHOWA nhưng đến năm 1931 do ảnh hưởng của tình trạng suy thoái kinh tế lớn mà khối lượng cọc ván thép nhập vào giảm đi mạnh mẽ.
Mặt khác với sự hỗ trợ của chính sách ngăn chặn việc nhập khẩu do sự suy thoái của nền kinh tế và việc cải thiện trao đổi thu chi, từ năm 1929 công ty thép Yahata của Chính phủ đã thành công trong việc quốc sản hoá cọc ván thép và năm 1931 lần đầu tiên cán và bán ra được 2500tấn cọc ván thép hệ Lakawana, từ đó trở đi việc nhập khẩu cọc ván thép gần như là không có.
Hiện nay, hình dạng cọc ván thép được sản xuất ra là hình chữ U hay hình đường thẳng, ngoài ra nó còn có dạng hình chữ H.
Tường dạng tổ hợp cọc ván thép + cọc thép hình HLịch sử của cọc ván thép ở Nhật Bản:
1931: Bắt đầu sản xuất cọc ván thép hình chữ U (dạng Lakawana)”Kiểu SPII”
1955: Bắt đầu sản xuất cọc ván thép hình đường thẳng “SP-F”
1959: Bắt đầu sản xuất cọc ván thép hình chữ z “Z-45”
1960: Bắt đầu sản xuất cọc ván thép hình chữ U (dạng Laruzen) “SP…”
1967: Thành lập Tiêu chuẩn JIS: JIS A5528: 1967
1987: Ngừng sản xuất cọc ván hình chữ U dạng Lakawana
1997: Ngừng sản xuất cọc ván thép hình chữ Z.
1997: Bắt đầu sản xuất cọc ván thép cỡ lớn hình chữ U với chiều rộng có hiệu là 600mm
2000: Sửa đổi lại Tiêu chuẩn JIS thành tiêu chuẩn “JIS A5523:2000. Cọc ván thép cán nóng dùng cho hàn”
2.2. Vật liệu cọc ván thép gần đây:
(1)Cọc ván thép hình chữ H
Cọc ván thép hình chữ H là dạng tường có độ cứng cao hình chữ H được tổ hợp hàn từ cọc ván thép hình đường thẳng và bản thép hay thép hình CT và thép.Dạng kết cấu không phải là dạng cán nguyên hình như thép hình chữ H mà là dạng tổ hợp hàn. Nhờ có đặc tính hình dạng mặt cắt, cọc ván thép hình chữ H có ưu điểm lớn là phát huy được hiệu quả độ cứng chống uốn cao với yếu tố quan trọng của dạng tường.
Quan hệ giữa chiều dày tường của cọc ván thép hình chữ H và mô men quán tính thứ cấp của mặt cắt. So với dạng tường hàng cột đất, nó có khả năng đảm bảo tính năng mặt cắt đồng đều với chiều dày tường mỏng.
(2) Tiêu chuẩn của cọc ván thépĐối với cọc ván thép, đến năm 1967 mới thành lập Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS A5528, quy định thành phần hoá học, tính chất cơ lý, kích thước. Khi đó trong Tiêu chuẩn cũng bao gồm cả cọc ván thép. Sau đó năm 1963, Tiêu chuẩn của cọc ống thép được tách ra thành Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS A5528.
Năm 1993 với trận động đất pử Kushiro, do sự phá hoại mặt cắt ở phần mối hàn của cọc ván thép, qua sự hợp tác của Chính phủ, các nhà sản xuất và các trường đại học, việc điều tra, nghiên cứu, phát triển cọc ván thép có mối hàn đã được thực hiện. Kết quả là năm 2000 Tiêu chuẩn cọc ván thép có tính hàng cao đã được quy định trong Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản “JIS A5528 Cọc ván thép cán nóng cho mối hàn”.
Do đó cùng với việc cải tiến hành dạng, sự tăng cao về chất lượng mà vật liệu cọc ván thép từng bước được nâng cao.
3. Sự biến đổi của công nghệ cọc ván thép.
3.1. Công nghệ đóng rung bằng búa rung.
(1) Khái quát và những cải tiến của búa rung.Năm 1960, búa rung đã được nhập vào từ Liên Xô cũ, năm 1965 sau khi quốc sản hoá, búa rung của Nhật Bản đã đáp ứng được với nhu cầu của thời đại nhờ tính tiện lợi có thể kiêm đóng xuống và nhổ lên,vừa được phổ cập nhanh chóng vừa được sử dụng mang tính đa năng. Búa rung vừa giảm tiếng ồn vừa sử dụng mô tơ điện. Gần đây nhờ có “giảm biên độ dao động xuất hiện do sử dụng mô tơ đầu“ hay “có bộ điều khiển khi dừng lại và khởi động không mômen”, do loại bỏ được tiếng ồn và dao động đột xuất do cộng hưởng của cần cầu và nền đất xuất hiện khi khởi động và dừng lại, công tác thi công giảm độ rung và tiếng ồn đã được thực hiện.
(2) Cấu tạo của búa rung và nguyên lý đóng cọc.Búa rung được cấu tạo tìư các bộ phận:
Thiết bị giảm chấn;
Máy tạo xung (thiết bị làm xuất hiện dao động)
Máy kẹp cọc (thiết bị liên kết cứng giữa cọc và máy tạo xung, truyền lực dao động vào cọc);
Thiết bị điều khiển (thiết bị điều khiển điện hay dầu).
Khi tác dụng lực dao động vào nền đất xung quanh cọc ván thép bằng búa rung, sự kết hợp giưũa các hạt đất cấu tạo nên đất nhất thời giảm xuống rõ rệt. Đối với đất cát, do hiện tượng lưu động mà sức kháng của đất mất đi hẳn, đối với đất sét (đất dính hay đất sét), bằng lực dao động kết cấu khung của đất nên cọc thép có khả năng đóng xuống nhờ lực cắt. Đất khi tác dụng lực dao động bằng tốc độ nào đó, liên kết giữa các hạt đất yếu đi, sức kháng của đất nhất thời giảm đi rõ rệt. Đối với đất cát, do hiện tượng lưu động mà sức kháng của đất mất đi hẳn, đối với đất sét (đất dính hay đất sét), bằng lực dao động kết cấu khung của đất nên cọc ván thép có khả năng đóng xuống nhờ lực cắt. Đất khi tác dụng lực dao động bằng tốc độ nào đó, liên kết giữa các hạt đất yếu đi, sức kháng của đất nhất thời nhở đi. Độ lớn này có được hiệu quả khi tần số dao động >50Hz đối với đất cát, >50Hz đối với đất sét. Nguyên lý đóng cọc ván thép bằng búa rung là cho lực dao động cưỡng bức có được nhờ máy tạo xung tác dụng vào cọc ván thép bằng búa rung là cho lực dao động cưỡng bức có được nhờ máy tạo xung tác dụng vào cọc, bằng việc lợi dụng hiện tượng nói trên, tuỳ thuộc vào loại đất mà làm giảm lực ma sát xung quanh cọc ván thép và lực kháng đầu cọc xuống từ tĩnh sang động. Để cọc ván thép được xuống, các điều kiện sau cần phải được thoả mãn:
P0 > Tv
( W+Wp) >Rv
(3) Phân loại các phương pháp.Phương pháp đóng cọc sử dụng búa rung được chia làm 2 loại: Phương pháp búa rung không sử dụng công nghệ hỗ trợ và phương pháp búa rung sử dụng cắt bằng tia nước phun cao áp.
Phương pháp sử dụng phun có thể đáp ứng cho tất cả các nền đất không liên quan đến sự khoẻ yếu của nền đất thi công, so với các phương pháp khác nó còn có đặc tính thi công nhanh chóng.
Đặc biệt nó có khả năng thi công nổi trội là đóng đến nền đá có giá trị tính đổi: N=200-500 hay nền cứng như có trộn lẫn đá đường kính 200mm.
Ngoài ra khi đóng cọc ván thép, khi đối tượng bị ảnh hưởng bởi độ rung và tiếng ồn cần có biện pháp đối phó, sử dụng phương pháp này nhờ nước phun vào sẽ có hiệu quả giảm độ rung và tiếng ồn là đáng kể.
Phương pháp búa rung được áp dụng cho nền đất có giá trị N nhỏ hơn 50. Người ta sử dụng loại máy búa rung áp lực dầu với máy móc cần thiết là cần cẩu và búa rung (nhóm thiết bị tiêu chuẩn của búa rung), do đó đây là phương pháp sử dụng đa năng với máy móc sẵn có.
3.2. Phương pháp xuyên nén bằng máy nén.Ở Nhật Bản hầu hết máy móc xây dựng đều được chế tạo dựa vào công nghệ của nước ngoài. Trong lĩnh vực máy đóng cọc cũng vậy trải qua việc nhập khẩu rồi theo con đường quốc sản hoá và tính năng hoá những nguyên lý hoạt động cho dao động hay đập không thay đổi, từ những năm 1960. ô nhiễm xây dựng đã biến thành vấn đề nghiêm trọng của xã hội.
Năm 1975, ưu tiên xử lý ô nhiễm được cho là yêu cầu của xã hội, bằng nguyên lý hoạt động độc lập không gây ô nhiễm (nguyên lý nén ép), máy nén kéo nhổ cọc kiểu áp lực dầu đã được ra đời. Từ khi phát minh ra nguyên lý cơ bản đến khi chế tạo nên sản phẩm, tất cả đều được thực hiện ở Nhật Bản và là máy xây dựng quốc sản đơn giản đã được sử dụng.
(1)Nguyên lý nén ép.Đối với việc đưa cọc ván thép xuống lóng đất mà không gây rung động hay tiếng ồn, cần phải có cơ cấu kháng lại tải trọng tĩnh lớn do sức kháng xuyên và phản lực tác dụng của nó. Do đó máy nén ép có nguyên lý cơ bản là kẹp lấy một số cọc ván thép đã được đóng vào trong lòng đất làm phản lực, xuyên cọc ván thép tiếp theo vào trong lòng đất bằng tải trọng tĩnh nhờ áp lực dầu.
(2) Các phương pháp nén ép.Máy nén ép yêu cầu phản lực lên cọc ván thép đã được thi công trước, có khả năng kẹp lấy cọc ván thép trong khi thi công, vừa tự chạy vừa tiến hành công tác liên tục. Phát triển nguyên lý này, phương pháp hệ thống GPR có thể hoàn thành toàn bộ quá trình cần thiết trên cọc đã thi công ở kết cấu tường liên tục (từ năm 1982). Nhờ có việc tiến hành vận chuyển, treo và ép cọc ván thép bằng toàn bộ đầu cọc nên có thể cực tiểu hoá phạm vi ảnh hưởng của công trình chỉ trong chiều rộng máy thi công trên cọc ván thép. Do đó, tại các khu vực đất xung quanh là nước, đất nghiêng, đất không bằng phẳng hay đất bị hạn chế, không cần cầu tạm hay đường công vụ, không gây ảnh hưởng tới môi trường xung quanh hay trầm tích sông, có thể chỉ tiếnhành thi công kết cấu thể tường với mục đích ban đầu một cách hợp lý.
Đối với việc xây dựng cầu dầm hay tăng cường chống động đất trụ cầu có phần dưới bị hạn chế không gian mạnh, máy rung tịnh không chuyên dụng chiếm không gian cực thấp (từ năm 1085) có khả năng thi công không cản trở giao thông. Từ quan điểm lưu thông và chống hoả hoạn trở thành công nghệ thi công mang tính thời kỳ không thể thiếu được đối với việc tái sinh thành phố.
(3) Thi công trên nền đá cứngĐối với nền có giá trị N lớn nhất từ 25-50, đặc biệt là nền đất cát hay thi công cọc dài, người ta sử dụng phương pháp phun nước. Hệ thống phun eco máy nén ép chuyên dụng nối liên tục ở động tác ép nén điều tiết tự động lượng phun ra, do đó có thể hạn chế tối thiểu được ảnh hưởng của nền đất đồng thời hạn chế tối thiểu tài nguyên.
Đối với nền đất cứng có giá trị N vượt quá 50 như đá dăm, đá cuội hay đá tảng dựa vào máy rung phá sử dụng lý thuyết không có lõi (từ năm 1997) phương pháp dọn sạch nền đất cứng có thể thích hợp. Bằng máy nén ép và thiết bị điều khiển nhất thể, đào nền thẳng xuống dưới mũi cọc, điều khiển sự xuất hiện bầu áp lực nén và kéo nhổ mũi khoan ngay tức thời, đồng thời xuyên cọc vào trong lòng đât sao cho lấp đầy lỗ đó. Đường kính đào hạn chế nhỏ nên lượng đất thải ra ít vừa giảm thiểu được ảnh hưởng tới môi trường vừa giảm được ảnh hưởng sức kháng xuyên. Tuỳ thuộc vào phương pháp dọn sạch nền đất cứng mà áp lực nén cọc ván thép lên nền đá được phân loại cho đá cứng loại I, loại II, loại trung như đá dăm, đá cuội hay đá tảng.
(4) Phương pháp quản lý thi công.Bằng nguyên lý nén, nhờ có sự tác dụng tải trọng tĩnh lên đầu cọc ứng lực kháng xuyên nên từng cọc trở thành cọc thí nghiệm chất tải. Do đó máy nén ép phân tích các loại số liệu đo được tự động bằng chương trình chuyên dụng (hệ thống quản lý nén ép, từ năm 2002), nhờ việc nắm được tình trạng xuyên trong lòng đất hay sức chịu tải của từng cọc ván thép tại thời gian thực hiện nên có thể tiến hành quản lý chất lượng sản phẩm một cách chính thức.
3.3 Phương pháp nén ép sử dụng mũi khoanPhương pháp nén ép sử dụng mũi khoan đất là phương pháp không cần máy chuyên dụng, nói chung được cấu thành từ máy đóng cọc kiểu 3 điểm, mũi khoan đất và dễ dàng tháo lắp, nó có các đặc điểm sau:
Có thể thi công giảm độ rung và tiếng ồn
Phạm vi áp dụng rộng rãi cho mọi loại đất.
Tiến hành công tác thi công nén ép không sử dụng khoan tuỳ từng trường hợp ứng với điều kiện địa chất và điều kiện thi công.
Có thể tiêm vữa từ mũi xoắn hoá cứng nền đất.
4. Giới thiệu các loại công nghệ sử dụng cọc ván thép.
4.1. Cảng, sông
Phương pháp tường chắn cọc ván thép kiểu tự đứng.
Tường chắn cọc ván thép kiểu tự đứng là kết cấu chống đỡ các tải trọng như áp lực đất và áp lực nước. So với tường chắn cọc ván thép kiểu dây neo thì thi công đơn giản hơn, thời gian thi công ngắn hơn và do có khả năng thi công ở những nơi có đất đắp phía sau hẹp nên được sử dụng rộng rãi ở những tường kè đường có nước nông nghiệp hay tường kè sông.
Phương pháp tường chắn cọc ván thép kiểu dây neo:Tường chắn cọc ván thép kiểu dây neo là kết cấu chống đỡ tải trọng của áp lực đất và áp lực nước tuỳ theo sức kháng ngang của phần xiên vào và sức kháng ngang của cọc neo phía sau được liên kết vào bằng dây neo. Do đó thường được lựa chọn cho các tường kè lớn hay các kè bảo vệ nền đất tương đối yếu.
Phương pháp tường chắn cọc ván thép kiểu tổ ong:
Đóng các cọc ván thép hình đường thẳng theo hình tròn, nhồi đá dăm hay cát vào trong lòng tạo thành một hình tổ ong cọc ván thép hình thẳng đứng thành một thể liên tục, vỏ thép mỏng và chất nhồi bên trong tạo thành một thể thống nhất, là kết cấu kháng lại ngoại lực. Sử dụng cọc ván thép hình đường thẳng có trọng lượng riêng ở vỏ thép nhẹ hơn so với cọc ván thép hình chữ U, tác dụng cường độ kéo của nó lớn nhất nên là kết cấu cần ít thép, mang tính kinh tế.
Tường cách nước thẳng đứng dành cho những nơi xử lý chất thải ở mặt biển:
Đối với những trường hợp sử dụng cọc ván thép ở tường cách nước thẳng đứng ở những nơi xử lý chất thải, nói chung thường dùng phương pháp xử lý cách nước bôi chất ngăn nước có tính trương nở vào tai nối của cọc ván thép. Để đảm bảo tính cách nước của kết cấu vĩnh cửu, chất ngăn nước có tính vĩnh cửu sử dụng nhựa polyurethan có tính trương nở. Nhựa polyurethan của chất trương nở khi hấp thụ nước sẽ trương nở từ 5 đến 10 lần, hình thành chất nhựa hoá cứng có tính trương nở và ngăn nước cho khe hở của tai nối nhờ áp lực nhựa.
Biện pháp đối với rò rỉ nước nền của đê sông:
Do mực nước ở sông dâng cao hơn khi có mưa lớn, nước nền rò rỉ xuất hiện trong đê, chân đê
bị sụp lở dẫn đến bị phá hoại. Biện pháp đối phó với việc rò rỉ nước nền của đê sông như thế này là phương pháp đóng cọc ván thép sử dụng ngăn nước cho chân đê phía trong. Sự xác nhận hiệu quả sau khi phân tích dòng thẩm thấu.
Biện pháp đối với hoá lỏng
(1)Biện pháp đối với hoá lỏng của kết cấu đắp đất.Đối với kết cấu đắp đất của đê điều trên sông, trường hợp nền đất bị hoá lỏng khi có động đất, sức chịu tải giảm đ làm cho sự chống đỡ tải trọng đất đắp bị mất đi, xuất hiện các hiện tượng biến đổi như “trượt”, “sụt”, “lở”. Do đó nhờ có việc đóng cọc ván thép trong nền đất cơ bản mà ngăn ngừa được sự biến dạng của đất đắp nhờ độ cứng chống uốn của cọc ván thép, có thể giảm được hư hỏng nền đắp.
(2). Biện pháp đối với hoá lỏng của kết cấu trong lòng đất.Đối với kết cấu trong lòng đất như rãnh đôi khi có động đất nền đất xung qanh bị hoá lỏng, do nước bùn hoá lỏng nên có lực đẩy nổi tác dụng vào kết cấu, đồng thời lực kháng bị giảm xuống, lực đẩy tăng lên, xuất hiện hiện tượng biến dạng. Do đó nhờ có việc bố trí các cọc ván thép xung quanh kết cấu trong lòng đất mà phòng chống được tấn công của đất cát đã bị hoá lỏng xung quanh kết cấu, có thể ngăn ngùa được sự phá hoại do đẩy nổi.
4.3 Các áp dụng mới.
(1) Tường chắn cho đườngTường chắn cọc ván thép kiểu tự đứng là tường chắn kiểu chống áp lực đất bên hông chỉ nhờ sức kháng ngang của đất phần cọc xiên vào và độ cứng chống uốn của tường. Đặc điểm của phương pháp này là:
1. Chiều dày tường mỏng, diện tích chiếm dụng hẹp nên có thể tiết kiệm được đất chiếm dụng.
2. Không cần có đất đắp tạm thời và có thể xây dựng tường kiêm luôn là kết cấu ngăn đất tạm cho thi công;
3. Không cần phải cải tạo nền đất khi là đất yếu;
4. Có khả năng tạo cảnh quan điều hoà cho môi trường xung quanh nhờ có sơn phủ và các tấm panel trang trí.
(2)Biện pháp chống lún đất đắp
Khi tiến hành đắp đất đường bộ trên nền đất yếu, hiện tượng lún nén bằng trọng lượng đất đắp xuất hiện kéo theo nền đất xung quanh cũng lún theo.
Nhờ có việc bố trí tường cọc ván thép giữa phần đất đắp và kết cấu liền kề mà có thể ngăn được ảnh hưởng của hiện tượng lún kéo theo. Đặc điểm của phương pháp này là:
1. Có thể tăng nhanh tốc độ thi công nên có thể rút ngắn thời hạn thi công;
2. Có khả năng thi công giảm độ rung và tiếng ồn ở nơi chật hẹp gần kề với kết cấu đã thi công rồi;
3. Không sợ ô nhiễm nước ngầm đối với biện pháp cải tạo nền đất bằng xi măng.
Một ví dụ về quan trắc lượng lún của nền đất sau khi đóng cọc ván thép giảm lún. Lượng lún của lớp dưới phía trong lề trải qua 7 năm đóng cọc ván thép chỉ lún 2cm, nó đã phát huy được hiệu quả mong muốn khá tốt.
5. Kết luận:Trên đây là một số giải pháp mới nhất và những thay đổi về vật liệu, thi công, kỹ thuật sử dụng ở Nhật Bản đối với công nghệ cọc ván thép. Đối với nhu cầu xã hội gần đây như” giảm thiểu giá thành”, “môi trường”, công nghệ cọc ván thép đã từng bước năng cao, so với giai đoạn cán cọc ván thép trước những năm 1970 thì có thể nói rằng nó được phát triển vượt bậc. Trong tương lai với nhu cầu mang tính xã hội và sử dụng mới, những phát minh về kỹ thuật vật liệu, thi công và sử dụng sẽ còn phát triển hơn nữa.
Nguồn: Tài liệu Hội thảo KH về ứng dụng kết cấu thép trong xây dựng công trình ở Việt Nam, 11/2006
