Kết cấu hệ móng cọc ống bê tông cường độ cao (PHC) liên kết lắp ghép với hệ dầm bản rỗng đúc sẵn “Hollow-core Slab” áp dụng đối với nền đường cao tốc và cầu cạn là một hệ kết cấu mới, có ưu điểm thi công nhanh, quản lý được chất lượng tại nhà máy và công xưởng khi đúc cấu kiện, thân thiện với môi trường. 1. Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế, thi công và nghiệm thu
Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế, thi công và nghiệm thu Kết cấu hệ móng cọc ống bê tông cường độ cao (PHC) và hệ cọc ống bê tông cốt thép (PRC) được liên kết lắp ghép với hệ dầm bản rỗng đúc sẵn “Hollow-core Slab” áp dụng đối với đường cao tốc và cầu cạn, hiện nay chưa được sử dụng đại trà tại Việt Nam.
Lý do: Bộ GTVT, nay là (Bộ Xây dựng) chưa ban hành Tiêu chuẩn kỹ thuật về hướng dẫn thiết kế, thi công và nghiệm thu đối với hệ kết cấu lắp ghép giữa móng cọc ống bê tông cường độ cao với dầm bản rỗng đúc sẵn “Hollow-core Slab”, vì vậy khả năng được chấp thuận để áp dụng đại trà rất khó khăn.
Trung Quốc, tháng 12/2021: mới ban hành và áp dụng Tiêu chuẩn kỹ thuật trên trong công tác Thiết kế và thi công kết cấu sàn trên hệ móng cọc áp dụng cho đường ô tô. Tuy nhiên Tiêu chuẩn DB34/T4056-2021 của tỉnh An Huy - Trung Quốc, là tiêu chuẩn địa phương chưa phải tiêu chuẩn Quốc gia. Do đó nếu áp dụng vào điều kiện Việt Nam chỉ có tính tham khảo.
Để có cơ sở áp dụng đại trà hệ kết cấu lắp ghép giữa móng cọc ống bê tông cường độ cao liên kết với hệ dầm bản rỗng đúc sẵn “Hollow-core Slab” áp dụng cho công trình giao thông cầu và đường bộ, cần thiết phải biên soạn và công bố Tiêu chuẩn kỹ thuật Quốc gia hoặc Tiêu chuẩn cơ sở để có cơ sở hướng dẫn cụ thể đối với công tác Thiết kế, Thi công lắp ghép các cấu kiện, mối nối lắp ghép đối với hệ cọc và sàn bê tông cốt thép nêu trên.
2. Phạm vi áp dụng và tuổi thọ của kết cấu
Phạm vi áp dụng: Kết cấu hệ cọc ống bê tông cường độ cao được lắp ghép liên kết với dầm bản rỗng đúc sẵn có ưu điểm thi công nhanh, quản lý được chất lượng tại nhà máy và công xưởng khi đúc cấu kiện, thân thiện với môi trường.
Lợi thế của hệ dầm bản rỗng, ứng suất trước đúc sẵn trong nhà máy là việc sử dụng vật liệu hiệu quả hơn so với phương pháp bê tông đúc tại chỗ, quy trình sản xuất cho phép tiết kiệm lượng bê tông đáng kể. Đồng thời bố trí cốt thép và bê tông cường độ cao ứng suất trước cũng cho phép giảm lượng thép tiêu thụ. Dầm bản rỗng sẽ giảm đáng kể trọng lượng thành phần so với các thành phần của hệ dầm đặc.
Trong ngành Xây dựng hiện nay, các đặc tính quan trọng là hiệu quả về năng lượng và chi phí, cũng như đảm bảo công nghệ bền vững. Các thành phần bê tông ứng suất trước đáp ứng tất cả các tiêu chí và do đó đóng góp đáng kể khi mục tiêu xây dựng cần hướng đến thân thiện với môi trường trong tương lai.
Bằng công nghệ tạo hình trượt, hiện nay hệ dầm bản rỗng đúc sẵn ứng suất trước có thể được trang bị các gờ cắt ở các cạnh bên để tăng khả năng kháng chuyển vị về động đất và địa chấn.
Các nhà máy sản xuất đối với công nghệ bê tông đúc sẵn trong nhà máy sẽ cung cấp môi trường làm việc an toàn, lành mạnh trong nhiệt độ làm việc thuận lợi.
Đồng thời loại hình sản xuất cấu kiện đúc sẵn dựa trên các quy trình công nghệ được giám sát chặt chẽ. Do đó, các nguồn ô nhiễm tiềm ẩn do tiếng ồn, bụi và các chất nguy hại có thể được loại bỏ và khắc phục. Ngoài ra, việc sản xuất các sản phẩm bê tông ứng suất trước giúp tiết kiệm đáng kể lượng nhân sự cần huy động.
Tuy nhiên kết cấu này cũng có những hạn chế về phạm vi áp dụng, đặc biệt tại những khu vực yêu cầu kiến trúc cảnh quan (khi áp dụng do sàn bê tông thông thường có chiều dài nhịp L<13m; nên sẽ phát sinh nhiều cọc “tạo thành hệ rừng cọc ống” phía dưới,), ngoài ra những khu vực địa hình có chiều cao kết cấu lớn (hay chiều cao thân trụ lớn) sẽ xuất hiện bất lợi về độ mảnh của kết cấu. Do đó cần phải tính toán và điều chỉnh lại kích thước thân trụ khi gặp chiều cao lớn.
Tuổi thọ thiết kế: Nếu tham khảo tiêu chuẩn Trung Quốc (Tiêu chuẩn DB34/T4056-2021) thì kết cấu này được đánh giá có tuổi thọ thiết kế là 50 năm, do đó nếu sử dụng để thay thế cầu cạn thì không đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt Nam hiện nay theo TCVN 11823-2017 -Mục 3.5 “Design Life” là 100 năm.
Vì vậy hệ liên kết trên không thể thay thế cầu với tuổi thọ yêu cầu là 100 năm (theo tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam). Muốn đáp ứng được tiêu chuẩn Việt Nam cần phải điều chỉnh lại một số thiết kế tại các vị trí liên kết giữa cọc với thân trụ và giữa thân trụ với hệ dầm.
3. Hệ liên kết giữa cọc ống với dầm bản rỗng
Mối nối hay liên kết: là bộ phận quan trọng trong kết cấu lắp ghép. Nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình kết cấu để kiểm toán độc lập: kết quả cho thấy một số liên kết và khả năng chịu tải trọng va xô của thân trụ là không đảm bảo điều kiện chịu lực và cần phải bổ sung thêm các điều chỉnh chi tiết.
Nếu sử dụng liên kết ngàm cứng giữa thân trụ và xà mũ lắp ghép (như hình dưới) theo Tiêu chuẩn DB34/T4056-2021 của tỉnh An Huy - Trung Quốc, thì cần phải bổ sung chi tiết về chỉ dẫn hoặc tiêu chuẩn riêng về hệ liên kết này.
Kết quả phân tích kết cấu: Đối với chiều cao trụ H<4,0m khi bố trí cọc PHC đường kính D500 đảm bảo điều kiện chịu lực và tải trọng va xô.
Trong trường hợp tăng chiều cao trụ trên 4,0m cần bổ sung các giải pháp tăng đường kính cọc PHC và bổ sung hệ liên kết để đảm bảo chịu lực va xô.
4. Triển khai thi công
Thực tế hiện nay hệ kết cấu lắp ghép dầm cầu đã được sử dụng tại một số dự án của Việt Nam; nhưng phần lớn đều do Nhà thầu nước ngoài hướng dẫn trong công tác thi công và lắp ghép tại hiện trường mới đảm bảo chất lượng và hạn chế sự cố; Vì vậy hệ kết cấu lắp ghép giữa ống cọc bê tông cường độ cao với hệ dầm bản rỗng nêu trên, cũng là một hệ thi công mới, thách thức đối với Nhà thầu trong nước; nếu không có chỉ dẫn kỹ thuật cụ thể và thực tiễn triển khai sẽ khó khăn cho Nhà thầu trong nước khi thi công, nghiệm thu và bảo trì.
Việc kiểm soát về chất lượng kết cấu lắp ghép đòi hỏi độ chính xác cao và yêu cầu sai số cho phép nhỏ hơn so với kết cấu đúc tại chỗ, dẫn đến khó khăn và thách thức cho Nhà thầu thi công trong nước nếu thực hiện thi công đại trà mà chưa có các hướng dẫn cụ thể.
5. Thực tiễn áp dụng
Qua phân tích cho thấy, đặc điểm của hệ cọc ống nêu trên sẽ áp dụng hiệu quả trong khu vực đất mềm yếu và tại các khu vực khan hiếm vật liệu cát, đất đắp nền đường. Đồng thời hệ kết cấu sẽ phát huy được độ ổn định, khi bố trí chiều cao trụ thấp (để hạn chế độ mảnh của thân trụ) và đáp ứng việc thi công nhanh, thân thiện với môi trường.
Do đó tại Việt Nam: đoạn cầu cạn theo công nghệ nêu trên đã được thi công và thử nghiệm vào tháng 6/2024 tại khu phi thuế quan Xuân Cầu - Lạch Huyện, TP Hải Phòng.
Đoạn cầu cạn thử nghiệm này được xây dựng trên khu vực nền đất yếu tại cảng Lạch Huyện với chiều dài tầng 1 là 550m và tầng 2 dài 100m, bề rộng mặt cầu cạn là 10,5m.
6. Ưu điểm khi sử dụng công nghệ dầm bản rỗng trên hệ móng cọc ống
• Tăng tốc tiến độ thi công: Do sử dụng cấu kiện đúc sẵn, giảm thiểu thời gian thi công tại hiện trường.
• Kiểm soát chất lượng các cấu kiện: Bê tông cường độ cao giúp tăng tuổi thọ công trình, chịu được tải trọng lớn và điều kiện môi trường khắc nghiệt.
• Tiết kiệm chi phí: Giảm khối lượng vật liệu so với kết cấu dầm đặc truyền thống, đồng thời giảm chi phí bảo trì trong dài hạn.
• Thích ứng với điều kiện địa chất đất mềm yếu: Hệ móng cọc ống bê tông cường độ cao giúp tăng khả năng chịu lực trên nền đất mềm yếu, thích hợp cho các khu vực ven sông và đầm lầy.
7. Kết luận
Kết cấu hệ móng cọc ống bê tông cường độ cao được liên kết lắp ghép với hệ dầm bản rỗng đúc sẵn “Hollow-core Slab” có thể áp dụng trong một số điều kiện cụ thể trên các tuyến đường quốc lộ và cao tốc tại Việt Nam; Tuy nhiên đây là hệ kết cấu mới, về tính thực tiễn và để đảm bảo chất lượng trong quá trình thi công cần có thời gian để đánh giá và thử nghiệm. Mặt khác, tiêu chuẩn kỹ thuật về Thiết kế - Thi công và Nghiệm thu hiện nay chưa được ban hành, vì vậy sẽ khó khăn cho Nhà thầu trong nước khi áp dụng và triển khai đại trà.
Tóm lại, đây là hệ kết cấu mới, Trung Quốc tháng 12/2021 mới ban hành tiêu chuẩn địa phương (chưa phải tiêu chuẩn Quốc gia), nên khi áp dụng vào điều kiện cụ thể sẽ cần thời gian cho việc lập đề xuất, trình duyệt, biên soạn Tiêu chuẩn Thiết kế - Thi công và Nghiệm thu để đưa vào áp dụng đại trà tại Việt Nam.
Đồng thời để triển khai áp dụng thực tiễn tại Việt Nam, cần tiếp tục nghiên cứu và xem xét điều chỉnh một số thiết kế tại các vị trí liên kết giữa cọc với thân trụ và giữa thân trụ với hệ dầm.
* Tiêu đề do Toà soạn đặt - Mời xem fiel PDF tại đây
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. DB34/T 4056-2021: Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế và thi công kết cấu sàn trên móng cọc đường ô tô; Tiêu chuẩn địa phương tỉnh An Huy, Trung Quốc; Cục quản lý và Giám sát thị trường tỉnh An Huy ban hành ngày 28/12/2021.
[2]. TCVN 11823-2017: Tiêu chuẩn Quốc gia - Thiết kế cầu đường bộ; Bộ Khoa học và công nghệ ban hành ngày 29/12/2017.
[3]. Muhamad Fauzi Darmawan, Angga Fajar Setiawan, Iman Satyarno, Ali Awaludin (Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia in 2024): Nonlinear Simulations to evaluate the code-based response modification factor for seismic design of slab-on-pile structure. Article in ASEAN Engineering Journal in February of 2024.
[4]. Jin Xu and Lin Ma (School of Civil Engineering and Transportation, Hebei University of Technology, Tianjin, China): Study on Bearing Capacity of Prestressed Pipe Pile Foundation Under Horizontal Load; Research Article in November 2017; The Open Construction and Building Technology Journal, 2017, 11, 301-312.
