Cọc cừ là gì? Phân loại, nguyên lý cơ học và ứng dụng

Cọc cừ (sheet pile) là loại cấu kiện kết cấu dạng tấm hoặc bản mỏng có các khớp khóa liên kết ở hai mép bên, được thi công bằng phương pháp đóng hoặc ép liên tiếp xuống nền đất để tạo thành một bức tường chắn đất và ngăn nước liên tục. Trong kỹ thuật xây dựng dân dụng, công trình ngầm đô thị, công trình thủy lợi và cảng biển, cọc cừ đóng vai trò là giải pháp kết cấu quan trọng và thông dụng để giữ ổn định thành vách hố đào sâu, bảo vệ bờ chống sạt lở xói mòn, và ngăn chặn sự thấm nhập của nước mặt cũng như nước ngầm vào khu vực thi công.

Phân loại cọc cừ theo vật liệu và dạng hình học

Dựa trên đặc tính vật liệu chế tạo và yêu cầu chịu lực của công trình, cọc cừ được chia thành các nhóm chính với những ưu thế kỹ thuật riêng biệt:

Cọc cừ thép

Cọc cừ thép là loại cọc cừ phổ biến nhất trong kỹ thuật xây dựng hiện đại nhờ cường độ chịu uốn cao, trọng lượng tương đối nhẹ và khả năng tái sử dụng nhiều lần trong các công trình tạm. Các đoạn cọc được cán nóng hoặc cán nguội với khớp nối dạng móc khóa liên động tạo thành hệ tường kín khít. Hai dạng hình học phổ biến nhất của cọc cừ thép gồm:

• Tiết diện chữ U: Điển hình là cọc cừ Larsen, có ưu điểm nhỏ gọn, dễ vận chuyển và dễ thi công đóng nhổ, tuy nhiên trục trung hòa của từng thanh cọc nằm ngoài mặt phẳng khớp nối dẫn đến sự giảm hiệu quả chịu uốn do hiện tượng trượt tại khớp liên kết khi chịu tải lớn.
• Tiết diện chữ Z: Có trục trung hòa nằm ở giữa bản bụng giúp tối ưu hóa mômen kháng uốn trên một đơn vị khối lượng thép, đạt hiệu quả kinh tế cao cho các tường chắn đất chịu tải trọng lớn.

Cọc cừ bê tông cốt thép dự ứng lực

Cọc cừ bê tông cốt thép dự ứng lực thường được đúc sẵn tại nhà máy dưới dạng ván phẳng hoặc ván lượn sóng. Nhờ ứng lực nén trước tạo ra trong bê tông, cọc có khả năng chống nứt cao, độ cứng chống uốn lớn và độ bền cao trong môi trường nước ngọt và nước mặn. Loại cọc này được ứng dụng rộng rãi làm kết cấu tường chắn vĩnh cửu trong các dự án kè bảo vệ bờ sông, bờ biển và bến cảng thủy nội địa.

Cọc cừ vật liệu tổng hợp polyme và vinyl

Cọc cừ chế tạo từ vật liệu tổng hợp polyme gia cường sợi thủy tinh hoặc nhựa poly vinyl clorua có trọng lượng rất nhẹ, kháng hóa chất và chống ăn mòn môi trường biển cao. Mặc dù môđun đàn hồi thấp hơn thép, cọc cừ composite là giải pháp bền vững cho các công trình bảo vệ bờ biển quy mô vừa và nhỏ có tuổi thọ thiết kế dài hạn mà không đòi hỏi chi phí bảo trì sơn phủ chống rỉ.

Nguyên lý cơ học đất và tương tác đất - kết cấu

Sự làm việc của tường cọc cừ là một bài toán tương tác đất - kết cấu phi tuyến phức tạp, trong đó chuyển vị của tường quyết định trạng thái ứng suất và sự phân bố áp lực đất tác dụng lên thân cừ.

Lý thuyết áp lực đất chủ động và bị động

Khi tường cọc cừ dịch chuyển ra phía trước hố đào, khối đất phía sau tường giãn nở và trượt xuống theo mặt trượt phá hoại, làm áp lực đất giảm dần từ trạng thái tĩnh về trạng thái áp lực đất chủ động. Ngược lại, phần chân cọc ngàm trong đất dưới đáy hố đào ép mạnh vào khối đất phía trước, huy động trạng thái áp lực đất bị động để cân bằng kết cấu.

Theo lý thuyết cân bằng giới hạn Rankine, áp dụng trong điều kiện đất rời đồng nhất không có lực dính ($c = 0$), bề mặt lưng tường cừ thẳng đứng và nhẵn lý tưởng ($\delta = 0$), và mặt đất nằm ngang, hệ số áp lực đất chủ động $K_a$ và hệ số áp lực đất bị động $K_p$ được xác định theo góc ma sát trong $\phi$ của đất nền:

K_a = rac{1 - \sin \phi}{1 + \sin \phi}

K_p = rac{1 + \sin \phi}{1 - \sin \phi}

Trong đó:

• $K_a$ là hệ số áp lực đất chủ động không thứ nguyên.
• $K_p$ là hệ số áp lực đất bị động không thứ nguyên.
• $\phi$ là góc ma sát trong của đất nền.

Tường cọc cừ công xôn

Tường cọc cừ công xôn hoạt động hoàn toàn dựa vào lực kháng bị động của phần đất ngàm phía dưới đáy hố đào mà không có bất kỳ điểm tựa hoặc neo giữ nào phía trên. Dưới tác dụng của tải trọng áp lực đất tam giác, chuyển vị uốn tại đỉnh tường cọc cừ công xôn tăng nhanh theo lũy thừa bậc năm của chiều cao hố đào ($\delta \propto H^5 / EI$), khiến phương pháp này chỉ phù hợp với các hố đào có chiều sâu nông và nền đất tương đối tốt.

Tường cọc cừ có neo và giằng chống

Để khống chế chuyển vị ngang và giảm mômen uốn thân cọc khi chiều sâu hố đào gia tăng, kết cấu cọc cừ được kết hợp với một hoặc nhiều tầng neo đất, neo thanh giằng hoặc hệ khung văng chống bằng thép hình:

• Lý thuyết kinh điển của Terzaghi: Đặt nền móng lý thuyết thiết kế địa kỹ thuật cho tường cọc cừ có neo, trong công trình kinh điển năm 1954, Karl Terzaghi đã phân tích cơ chế cân bằng giới hạn, phân bố áp lực đất chủ động và bị động tác dụng lên cừ ngàm tự do và cừ ngàm cố định, làm rõ ảnh hưởng của chuyển vị tường đến sự suy giảm mômen uốn.
• Lý thuyết giảm mômen uốn của Rowe: Trong nghiên cứu năm 1952, Rowe đã công bố lý thuyết giảm mômen uốn kinh điển cho tường cọc cừ có neo. Rowe chứng minh rằng do tính mềm uốn của vật liệu cừ thép, hiện tượng vòm đất được kích hoạt làm phân bố lại áp lực đất, truyền tải trọng lên điểm tựa neo và phần ngàm chân cọc, từ đó cho phép giảm đáng kể mômen uốn thiết kế thực tế so với phương pháp tính toán dầm cứng cổ điển.
• So sánh phương pháp phần tử hữu hạn và cân bằng giới hạn: Trong nghiên cứu năm 1989, Fourie và Potts đã so sánh chi tiết phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn và phương pháp cân bằng giới hạn cho tường cừ công xôn. Kết quả nghiên cứu khẳng định phương pháp phần tử hữu hạn phản ánh chân thực sự huy động ứng suất tiếp xúc phi tuyến theo từng giai đoạn thi công, giúp khắc phục sự thiếu chính xác về tâm quay và phân bố áp lực đất của các giả định giải tích đơn giản hóa.
• Mô phỏng hành vi tường cừ theo điều kiện thi công: Trong công trình năm 2010, Bilgin đã phân tích số chi tiết hành vi của tường cọc cừ có neo dưới các điều kiện thi công đào đất và đắp đất. Nghiên cứu chỉ ra rằng quy trình thi công đắp đất sinh ra áp lực đất bên hông, chuyển vị ngang đỉnh tường và lực kéo thanh neo lớn hơn rõ rệt so với điều kiện đào đất do quỹ đạo ứng suất và mức độ dịch chuyển của nền đất khác nhau.
• Đánh giá độ tin cậy và ăn mòn kết cấu: Trong nghiên cứu năm 2022, Chai và cộng sự đã phát triển khung phân tích xác suất Bayesian nhằm ước lượng tham số đất nền khó đo trực tiếp từ dữ liệu phản ứng kết cấu và đánh giá độ tin cậy kết cấu của hệ thống tường cọc cừ mô phỏng theo thời gian khai thác.

Bảng so sánh các giải pháp cọc cừ

Bảng tổng hợp dưới đây đối chiếu các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật giữa các dòng cọc cừ chủ đạo trong kỹ thuật xây dựng:

Chỉ tiêu so sánh	Cọc cừ thép	Cọc cừ bê tông dự ứng lực	Cọc cừ composite
Cường độ chịu uốn	Rất cao	Cao	Trung bình
Khả năng tái sử dụng	Rất cao (rút nhổ thi công lại)	Không tái sử dụng	Thấp
Độ bền chống ăn mòn	Cần sơn phủ bảo vệ	Bền vững trong nước	Kháng ăn mòn hóa chất cao
Mục đích sử dụng	Công trình tạm hoặc vĩnh cửu	Kết cấu vĩnh cửu lâu dài	Kết cấu vĩnh cửu ven bờ
Khả năng ngăn nước qua khớp	Rất tốt khi chèn keo chống thấm	Khá tốt với gioăng cao su khớp nối	Tốt với khớp khóa tự làm kín

Công nghệ thi công và các biện pháp hạ cọc cừ

Việc lựa chọn thiết bị thi công hạ cọc cừ phụ thuộc mật thiết vào điều kiện địa chất công trình và mức độ nhạy cảm của các công trình lân cận:

• Thi công bằng búa rung: Sử dụng động cơ lệch tâm truyền dao động tần số cao làm giảm ma sát giữa đất và thành cừ, cho phép cọc tự chìm vào đất dưới trọng lượng bản thân và lực đè. Phương pháp này có năng suất thi công cao trong nền đất cát và đất rời bão hòa nước, tuy nhiên sóng dao động lan truyền dễ gây lún nứt công trình lân cận trong khu vực đô thị đông đúc.
• Thi công bằng máy ép tĩnh thủy lực: Máy ép tĩnh sử dụng kích thủy lực ngàm chặt vào các thanh cừ đã hạ trước đó để lấy phản lực và ép tĩnh thanh cừ tiếp theo xuống đất mà không phát sinh rung chấn hay tiếng ồn lớn. Đây là giải pháp ưu tiên được khuyến nghị áp dụng khi thi công hố đào sâu sát các công trình nhà ở hiện hữu trong đô thị.
• Thi công kết hợp khoan dẫn hoặc xói nước: Khi cọc cừ cần cắm qua các tầng đất sét chặt, cát chặt hoặc lớp đất lẫn cuội sỏi, biện pháp khoan dẫn mồi hoặc phụt vữa sét xói nước áp lực cao được triển khai để phá vỡ cục bộ kết cấu đất, giảm lực cản mũi cọc và bảo vệ khớp khóa cừ không bị bung mép nối.

Ranh giới kỹ thuật và giới hạn áp dụng của cọc cừ

Mặc dù là giải pháp chắn giữ đất linh hoạt, cọc cừ có những ranh giới kỹ thuật rõ ràng cần được đánh giá nghiêm ngặt trong quá trình khảo sát thiết kế:

• Điều kiện địa tầng bất lợi: Trong địa tầng chứa cuội sỏi lớn, đá mồ côi hoặc đá gốc nông, mũi cọc cừ không thể xuyên qua được và sẽ gặp hiện tượng chối sớm. Việc cố ép cừ trong điều kiện này sẽ dẫn tới nguy cơ biến dạng mép khóa liên động, làm bung khớp nối và mất hoàn toàn khả năng chắn đất, chống thấm.
• Giới hạn chiều sâu hố đào và khống chế chuyển vị ngang: Đối với các hố đào siêu sâu trong đô thị có nhiều tầng hầm sát công trình di tích cổ hoặc nhà dân móng nông, độ cứng chống uốn của tường cọc cừ thép kết hợp giằng chống có thể không đủ để khống chế độ lún nghiêng của công trình liền kề trong giới hạn cho phép. Trong trường hợp này, các kỹ sư bắt buộc phải chuyển sang giải pháp tường vây bê tông cốt thép liên tục đổ tại chỗ với độ cứng chống uốn lớn hơn nhiều lần.
• Nguy cơ mất ổn định thủy lực đáy hố đào: Trong tầng đất cát mịn hoặc bụi bão hòa nước có chênh lệch cột nước thủy tĩnh lớn giữa bên trong và bên ngoài hố đào, nếu chiều sâu ngàm cọc cừ dưới đáy đào không đạt chiều dài an toàn, dòng thấm ngược hướng lên sẽ gây ra hiện tượng cát chảy, xói ngầm hoặc bục đáy hố đào, phá hủy toàn bộ hệ thống giữ thành vách.
• Giới hạn tải trọng của cọc composite: Cọc cừ vật liệu polyme composite có độ cứng uốn và khả năng chịu va đập hạn chế, không phù hợp cho các công trình chịu tải trọng va đập thường xuyên của tàu thuyền lớn hoặc các tuyến bờ kè chịu tải trọng xe cơ giới hạng nặng hoạt động trên mặt đỉnh kè.

Ứng dụng thực tiễn của cọc cừ trong kỹ thuật xây dựng tại Việt Nam

Với điều kiện địa chất đa dạng từ các vùng châu thổ bồi tích phù sa mềm yếu đến bờ biển kéo dài, cọc cừ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều dự án trọng điểm tại Việt Nam:

Thi công hố đào sâu tầng hầm tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh

Quá trình đô thị hóa mạnh mẽ dẫn tới nhu cầu xây dựng các tòa nhà cao tầng có nhiều tầng hầm đỗ xe và các công trình ngầm metro. Trong điều kiện mặt bằng chật hẹp giáp ranh các công trình liền kề có móng nông, tường cọc cừ thép Larsen kết hợp hệ văng chống kingpost hoặc neo đất là giải pháp hàng đầu tại các dự án nhà cao tầng và các ga ngầm tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên tại Thành phố Hồ Chí Minh cũng như tuyến Metro Nhổn - Ga Hà Nội để giữ ổn định thành hố đào, khống chế lún nứt công trình lân cận và ngăn ngừa sự sụt giảm mực nước ngầm tầng nông.

Bảo vệ bờ sông và chống sạt lở tại Đồng bằng sông Cửu Long

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (Cần Thơ, Tiền Giang, An Giang, Cà Mau) đối mặt với nguy cơ sạt lở bờ sông, bờ kênh nghiêm trọng do sự thay đổi chế độ thủy văn và hoạt động giao thông thủy. Các dự án kè bảo vệ bờ hiện đại chuyển dịch mạnh mẽ từ các phương pháp kè đá truyền thống sang sử dụng cọc cừ bê tông cốt thép dự ứng lực dạng ván SW cắm sâu qua lớp bùn sét yếu xuống tầng cát chịu lực, tạo nên tuyến tường chắn kiên cố chống xói lở chân bờ kè và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Công trình cảng biển và kè chắn sóng ven biển

Tại các cụm cảng nước sâu như cụm cảng Cái Mép - Thị Vải và cảng Lạch Huyện, tường cọc cừ thép tiết diện lớn liên kết với cọc ống thép theo mô hình tường kết hợp tạo thành kết cấu bến cảng chịu lực uốn cực lớn, tiếp nhận các tàu container trọng tải lớn và giữ ổn định bờ bãi tôn tạo phục vụ hoạt động logistics quy mô quốc tế.