Các sự cố khi ép cọc là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Giới thiệu về quá trình ép cọc trong xây dựng

Ép cọc là một công đoạn không thể thiếu trong thi công móng sâu, đặc biệt đối với những công trình cao tầng hoặc xây dựng trên nền đất yếu. Phương pháp này sử dụng các thiết bị cơ giới chuyên dụng để đưa cọc vào đất, giúp móng có khả năng chịu lực tốt hơn, giảm thiểu lún và tăng độ bền lâu dài cho công trình.

Các loại cọc thường được sử dụng gồm cọc bê tông ly tâm dự ứng lực (PHC), cọc vuông đúc sẵn, cọc thép, và cọc cừ Larsen. Quá trình ép có thể áp dụng bằng nhiều kỹ thuật khác nhau như ép tĩnh, ép rung, hoặc ép bằng búa đóng. Mỗi phương pháp lại có ưu nhược điểm riêng, tùy thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu thiết kế của công trình.

Quá trình ép cọc cần tuân thủ nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn kỹ thuật như TCVN 9394:2012, để đảm bảo tính an toàn, chất lượng và hiệu quả thi công.

Nguyên nhân gây ra sự cố khi ép cọc

Các sự cố xảy ra trong quá trình ép cọc thường xuất phát từ sự kết hợp của nhiều nguyên nhân, bao gồm lỗi thiết kế, điều kiện địa chất không đồng đều, phương pháp thi công không phù hợp, hoặc thiết bị thi công kém chất lượng. Việc không đánh giá đầy đủ các yếu tố này có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng về kết cấu công trình.

Những nguyên nhân chính có thể được phân loại như sau:

• Lỗi thiết kế: Thiết kế chiều dài cọc không đủ, lựa chọn loại cọc không phù hợp với địa chất.
• Địa chất nền yếu hoặc thay đổi đột ngột: Lớp đất yếu xen kẹp hoặc có nước ngầm mạnh gây khó khăn trong quá trình ép.
• Thi công không đúng quy trình: Không kiểm soát lực ép, tốc độ ép, hay không theo dõi độ lún tức thời và vĩnh cửu.
• Thiết bị ép không đạt tiêu chuẩn: Máy ép thủy lực bị rò rỉ dầu, đồng hồ lực không chính xác hoặc sai lệch lớn.

Thiếu khảo sát địa chất chi tiết là nguyên nhân dễ bị bỏ qua nhất. Nhiều dự án nhỏ lẻ hoặc nhà dân không thực hiện đầy đủ công tác khảo sát dẫn đến “mù thông tin” về nền đất. Điều này khiến việc thiết kế móng và chọn loại cọc mang tính cảm tính, dễ gây ra sai sót lớn trong thi công thực tế.

Hiện tượng cọc bị nứt hoặc gãy

Đây là một trong những sự cố nguy hiểm và dễ xảy ra nhất trong thi công ép cọc. Khi cọc bị nứt hoặc gãy trong quá trình ép, khả năng chịu tải của nó bị giảm sút nghiêm trọng, thậm chí trở thành điểm yếu trong hệ móng. Nguyên nhân chính thường liên quan đến việc lực ép vượt quá khả năng chịu nén dọc trục của cọc hoặc do sai lệch trong quá trình ép gây uốn ngang.

Các dấu hiệu thường gặp khi cọc bị nứt/gãy bao gồm:

• Âm thanh bất thường trong quá trình ép.
• Hiện tượng nước hoặc bùn trào lên bất thường tại vị trí ép.
• Sự chênh lệch rõ rệt trong chiều dài cọc đã ép so với các cọc bên cạnh.

Một số nguyên nhân thường gặp gây nứt hoặc gãy cọc:

Nguyên nhân	Mô tả
Lực ép quá lớn	Vượt quá giới hạn chịu tải dọc trục của thân cọc.
Va chạm vật cứng	Cọc gặp đá, khối bê tông cũ, cọc hỏng từ công trình trước đó.
Chất lượng bê tông cọc kém	Cọc bị rỗ, nứt sẵn từ khi đúc hoặc trong quá trình vận chuyển.

Việc phát hiện kịp thời và thay thế cọc hỏng là điều bắt buộc để tránh ảnh hưởng đến toàn bộ kết cấu móng.

Cọc bị nghiêng hoặc lệch trục

Hiện tượng này xảy ra khi cọc bị lệch khỏi phương thẳng đứng hoặc lệch khỏi vị trí thiết kế. Sai lệch trục của cọc gây ra tình trạng truyền tải trọng không đồng đều, dẫn đến lún lệch và gây nứt tường, nghiêng nhà hoặc lún móng về một phía.

Các nguyên nhân phổ biến dẫn đến sự cố này gồm:

• Định vị cọc không chính xác khi bắt đầu ép.
• Bề mặt nền móng không bằng phẳng.
• Đất nền yếu không đồng đều, gây mất cân bằng phản lực khi ép.
• Thiết bị ép đặt lệch tâm hoặc nghiêng so với phương ép.

Một số dự án sử dụng camera hoặc thiết bị cảm biến GPS chuyên dụng để kiểm tra độ lệch trục theo thời gian thực. Điều này giúp kiểm soát chính xác vị trí cọc, giảm thiểu sai lệch.

Giới hạn độ lệch trục cho phép thường theo tiêu chuẩn không quá 1.5% chiều dài cọc. Ví dụ: với cọc dài 20m, độ lệch không được vượt quá 30cm. Nếu vượt quá mức này, cọc có thể phải rút lên và ép lại, gây lãng phí và kéo dài thời gian thi công.

Cọc không đạt chiều sâu thiết kế

Một trong những vấn đề thường gặp khi ép cọc là không thể đưa cọc xuống đúng độ sâu thiết kế, hay còn gọi là hiện tượng “dừng sớm”. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả truyền tải trọng xuống nền đất ổn định, gây ra hiện tượng lún cục bộ hoặc suy giảm khả năng làm việc của móng.

Nguyên nhân chính của sự cố này bao gồm:

• Gặp phải lớp đất rất cứng, lớp đá, hoặc chướng ngại vật như bê tông cũ, đầu cọc cũ.
• Thiết bị ép không đủ lực để tiếp tục đẩy cọc sâu hơn.
• Lỗi đánh giá thiết kế: thiết kế chiều sâu không phù hợp với thực tế địa chất.

Thông thường, chiều sâu thiết kế được xác định dựa trên kết quả khảo sát địa chất và thử nghiệm tải tĩnh. Tuy nhiên, tại công trường, nếu thấy lực ép tăng đột ngột nhưng chiều sâu không tăng tương ứng, cần dừng thi công để đánh giá nguyên nhân.

Dấu hiệu	Diễn giải
Lực ép tăng nhưng cọc không lún	Có thể gặp chướng ngại vật hoặc lớp đất quá cứng.
Cọc lún nhanh rồi dừng đột ngột	Gặp lớp đất chuyển tiếp có sức kháng lớn hoặc đá phong hóa.
Chiều sâu dừng dưới 90% thiết kế	Bắt buộc phải kiểm tra lại địa chất và thiết kế móng.

Giải pháp thường bao gồm điều chỉnh thiết kế chiều dài cọc, dùng biện pháp khoan dẫn đường hoặc thay thế bằng loại cọc có khả năng xuyên cao hơn như cọc khoan nhồi.

Hiện tượng sạt lở hoặc trồi đất xung quanh cọc

Khi ép cọc trong nền đất yếu hoặc bão hòa nước, đất xung quanh vị trí ép có thể bị đẩy trồi lên hoặc sạt lở cục bộ. Đây là hiện tượng thường xảy ra với đất sét mềm, đất bùn hoặc cát mịn, đặc biệt trong điều kiện mực nước ngầm cao.

Hậu quả của hiện tượng này gồm:

• Ảnh hưởng đến độ ổn định của các cọc lân cận.
• Gây nứt nền móng hoặc kết cấu đang thi công gần đó.
• Gây mất an toàn cho công nhân nếu sạt lở mạnh.

Để giảm thiểu rủi ro này, có thể áp dụng một số biện pháp như:

1. Tiến hành gia cố nền bằng phương pháp Jet Grouting hoặc bơm xi măng trước khi ép.
2. Hạ mực nước ngầm bằng hệ thống giếng hạ thủy tĩnh.
3. Không ép liên tục quá nhiều cọc trong một khu vực hẹp.

Việc giám sát hiện tượng trồi đất bằng camera và cảm biến địa kỹ thuật giúp kịp thời phát hiện bất thường và dừng ép để xử lý.

Vấn đề rung động và tiếng ồn

Các phương pháp ép cọc bằng búa rung hoặc búa đóng gây ra rung động mạnh và tiếng ồn lớn, ảnh hưởng đến các công trình lân cận và môi trường đô thị. Đây là yếu tố quan trọng thường bị bỏ qua trong thi công dân dụng hoặc khu dân cư đông đúc.

Nghiên cứu từ ResearchGate chỉ ra rằng, mức rung do ép cọc có thể gây:

• Nứt tường, bong tróc sơn tại các nhà gần công trình.
• Mất ổn định các kết cấu yếu như mái ngói, cửa gỗ, bể nước nổi.
• Ảnh hưởng tiêu cực đến thiết bị điện tử và người cao tuổi.

Giải pháp thường được sử dụng:

1. Chuyển sang ép cọc tĩnh không gây rung.
2. Sử dụng tường vây chắn rung (vibrating screen barrier).
3. Thực hiện khảo sát hiện trạng nhà dân và bồi thường thiệt hại nếu có.

Sai số về lực ép và tốc độ ép

Lực ép và tốc độ ép là hai thông số quan trọng cần kiểm soát trong thi công. Nếu lực ép quá lớn, cọc dễ bị gãy. Nếu quá nhỏ, cọc không đủ chiều sâu. Tốc độ ép nhanh làm nền đất bị xáo trộn, còn chậm quá lại gây tắc nghẽn thiết bị.

Theo ASTM D4945, lực ép phải được điều chỉnh linh hoạt theo địa tầng và loại cọc. Trong thực tế, việc sử dụng đồng hồ lực không chính xác hoặc không được hiệu chuẩn định kỳ là nguyên nhân dẫn đến nhiều sự cố.

Để kiểm soát sai số cần thực hiện:

• Hiệu chuẩn thiết bị định kỳ mỗi 6 tháng.
• Lắp cảm biến điện tử đo lực thay vì đồng hồ cơ học.
• Giám sát tự động bằng hệ thống ghi dữ liệu áp lực và hành trình ép.

Dưới đây là bảng sai số lực ép cho phép theo tiêu chuẩn thi công:

Loại cọc	Sai số lực ép cho phép	Sai số chiều sâu
Cọc bê tông đúc sẵn	±10%	±150 mm
Cọc thép H	±7%	±100 mm

Các biện pháp phòng ngừa sự cố khi ép cọc

Để đảm bảo chất lượng và an toàn trong quá trình ép cọc, cần thực hiện các biện pháp tổng thể từ khảo sát, thiết kế, cho đến giám sát thi công. Một hệ thống quản lý rủi ro bài bản sẽ giúp giảm thiểu tối đa các sự cố.

Các biện pháp cụ thể bao gồm:

• Khảo sát địa chất chi tiết, thực hiện thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) và SPT tại các vị trí đại diện.
• Thiết kế chiều dài, tiết diện, và vật liệu cọc dựa trên tính toán mô hình nền – móng.
• Chọn thiết bị ép phù hợp, có chứng chỉ hiệu chuẩn và bảo dưỡng tốt.
• Giám sát quá trình ép theo thời gian thực bằng phần mềm đo lực và độ lún.
• Thử tải tĩnh sau khi ép cọc để kiểm chứng sức chịu tải thực tế.

Bên cạnh đó, cần huấn luyện công nhân và cán bộ kỹ thuật nắm rõ quy trình, có khả năng nhận biết các sự cố sớm và xử lý kịp thời.

Kết luận

Quá trình ép cọc là công đoạn phức tạp, cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng nền móng. Các sự cố như cọc nghiêng, nứt gãy, không đủ chiều sâu hay đất trồi sạt đều có thể gây hậu quả nghiêm trọng nếu không phát hiện và xử lý kịp thời. Việc hiểu rõ nguyên nhân và áp dụng các biện pháp phòng ngừa sẽ giúp nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công công trình.

Tài liệu tham khảo

1. TCVN 9394:2012 – Cọc – Thi công và nghiệm thu. Bộ Xây Dựng Việt Nam.
2. ASTM D1143/D1143M – 07(2013): Standard Test Methods for Deep Foundations Under Static Axial Compressive Load.
3. ASTM D4945: High-Strain Dynamic Testing of Deep Foundations.
4. Chaudhuri, A., & Bhattacharya, S. (2017). Ground response during pile driving. Journal of Geotechnical Engineering.
5. Pile foundation behavior in soft ground, Procedia Engineering, Elsevier.
6. Effects of Pile Driving on Nearby Structures, ResearchGate.
7. Nguyễn Văn Hòa (2020), Giáo trình Nền và Móng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.