Tại sao cọc làgối lò xo

(Nguồn: http://vi.ketcau.wikia.com)

Trong tính toán thông thường hiện nay, ta đang tính móng cọc đài thấp với giả thiết cọc không chịu uốn. Sở dĩ có thể chấp nhận giả thiết này vì lí do áp lực đất lên cọc và đài có khả năng cân bằng được với lực cắt Q do công trình phần thân truyền xuống. Để Q gần cân bằng nhất với áp lực đất dựa trên tính toán dựa giả thuyết tải trọng ngang do đất nền phía trên đáy móng chịu toàn bộ.

Trên thực tế cọc còn chịu uốn:

- Cọc chịu uốn trong quá trình thi công: đó là lúc cẩu lắp, vận chuyển.

- Cọc chịu uốn trong quá trình khai thác.

Trong khai thác, cọc có chịu uốn do:

- Áp lực đất và sự thay đổi áp lực đất lên thân cọc.

- Diễn biến phức tạp của đất nền làm thay đổi giá trị và phương của áp lực đất. Chịu tải ngang lớn vượt qua áp lực đất bị động.

- Độ mảnh của cọc lớn.

- Chịu tải trọng động đất. ....

Tuy nhiên nghiên cứu áp lực đất lên cọc là vấn đề vô cùng phức tạp, có nhiều nhà nghiên cứu đã và đang tập trung về vấn đề này (Ví dụ: trên thế giới có Reese, Matlock, ở Việt Nam có T.S Đào văn Tuấn - DHHH) 

Hiện nay các nước như Mỹ, Trung Quốc, Đức thường tính bài toán móng cọc chịu tải trọng ngang theo mô hình xét tương tác cọc-đất làm việc đồng thời với nhiều kiểu mô hình hóa khác nhau. Ví dụ phương pháp"m" của Trung Quốc thì giả thiết hệ số nền tăng tuyến tính theo chiều sâu để mô phỏng tương tác cọc-đất (Bảng tính móng tháp cầu treo Thuận Phước);Mỹ thì lại mô phỏng tương tác cọc-đất theo lý thuyết đường cong p-y (mô hình tương tác phi tuyến cọc-đất), các đường cong p-y này được xây dựng trên cơ sở các thông số về cọc và các chỉ tiêu đất nền thu thập được (nhiều chỉ tiêu phải thí nghiệm rất phức tạp).

Một số cách tiếp cận về mô hình hóa sự làm việc cọc chịu tải ngang

1) Phương pháp dùng nghiệm bài toán giải tích với hệ số nền biến đổi tuyến tính theo chiều sâu, còn gọi là phương pháp "m" (Theo tiêu chuẩn Trung Quốc).

2) Phương pháp dựa trên đường cong p-y (Matlock và các cộng sự, 1978): Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong thực tế thiết kế (với sự trợ giúp của phần mềm LPILE (bán rất chạy), phát triển bởi Reese và các cộng sự. ở Đại học Texas). Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tiện dụng. Nhược điểm thì cũng nhiều. Hiện nay ngoài LPILE thì còn có Florida Pier của McVey ở Đại học Florida và SIL-SHAFT ở Đại học Nevada - Reno. Cả 2 phần mềm Florida Pier và SIL-SHAFT đều được phát triển có kể đến tính phi tuyến của liên kết cọc đất. Tuy cùng dựa trên nền lý thuyết chung là dầm trên nền đàn hồi.

3) Phương pháp mô hình sử dụng FEM (full analysis) trong đó mô hình hóa toàn bộ nền.Có thể mô hình liên kết cọc đất phi tuyến thông qua interface elements. Ngoài ra có thể mô hình ứng suất hữu hiệu, áp lực nước lỗ rỗng... Tuy nhiên mô hình kiểu này phức tạp khó dùng trong thực tế.

Phần mềm ứng dụng thì có thể nói Plaxis 3D Foundation là có tương lai nhất. Tuy nhiên interface element của phần mềm này hiện nay vẫn sơ sài. Ngoài ra còn một số phần mềm khác.

So sánh giữa các cách tiếp cận

Phương pháp "m" gần giống với phương pháp hệ số nền trong tiêu chuẩn TCXD 205-98. Mô hình này có thể dùng SAP2000 hay phần mềm phần tử hữu hạn nào đó để phân tích móng cọc bằng cách mô phỏng tương tác cọc-đất bằng các gối đàn hồi winkler tuyến tính (dùng các springs); từ đó sẽ tính ra được biểu đồ mômen, lực cắt dọc theo thân cọc và tính được cốt thép trong cọc...

Theo nhiều thí nghiệm cọc chịu tải trọng ngang đã kiểm chứng là tương tác cọc- đất là phi tuyến, nên mô hình kiểu Mỹ là tiên tiến hơn. Tuy nhiên để tính theo mô hình này cần phải có các quan hệ p-y, t-x, t-θ thực nghiệm đã được xây dựng theo các số liệu thí nghiệm đất và công thức thực nghiệm tại Mỹ. Mô hình này không xét được sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên các đặc trưng của lò xo nền phải nhân với hệ số tương tác. Do vậy cọc có thể chia thành nhiều đoạn, các nút trên cọc được gán gối tựa đàn hồi. Cách tính theo các đường p-y là cách tính phi tuyến, nên phải dùng chương trình máy tính chuyên dùng. Ở Việt Nam hình như chưa có ai nghiên cứu và đưa ra các quan hệ thực nghiệm này - có lẽ là do thí nghiệm loại này quá tốn kém.

Cách đơn giản nhất và có thể chấp nhận được là dùng các gối đàn hồi tuyến tính (thay cho môi trường đất), độ cứng của gối đàn hồi xác định qua mô đun phản lực nền của đất ks, sau đó dùng chương trình FEM (eg: SAP2000) mô phỏng hệ cọc có các gối đàn hồi từ đó sẽ tính được nội lực và cốt thép trong cọc. Vấn đề quan trọng ở đây là xác định mô đun phản lực nền bằng thực nghiệm chứ không phải tra theo tên đất có phạm vi biến đổi rất lớn.

Khi phân tích một nhóm cọc làm việc đồng thời với nền lại cần phải xét đến hiệu ứng nhóm cọc nữa, cách xét hiệu ứng nhóm cũng có nhiều trường phái khác nhau. Hiện có một số phần mềm chuyên tính cọc và móng cọc theo kiểu mô hình này như FB-PIER của Viện phần mềm cầu đại học Florida-Mỹ hay LPILE của háng ENSOFT.Inc.

Cốt thép dọc theo chiều dài cọc

Cọc chịu lực đúng tâm tuy nhiên vẫn đặt thép. Thép của cọc thực chất là thép cấu tạo vì nhiều lý do trong đó có lý do an toàn. Không ai có thể khẳng định là cọc chịu tải trọng đúng tâm. (Khi thiết kế cột mặc dù sơ đồ tính toán là đúng tâm, tuy nhiên người ta vẫn đưa ra một độ lệch tâm ngẫu nhiên để tăng thêm độ an toàn).

Đối với cọc khoan nhồi ta không kiểm soát được chất lượng cọc như: chất lượng bê tông, độ đồng nhất của bê tông, độ xiên của cọc do thi công không chính xác, khiến cọc bị cho cọc bị cong, lệch tâm,... và làm việc không đúng như thiết kế và làm cọc chịu uốn.

Mặt khác cọc nhồi có sức mang tải lớn, tức là nó làm việc bằng nhiều lần cọc đóng nên nó là quan trọng hơn vì vậy cần phải an toàn hơn. Cũng như một người làm việc thay thế cho nhiều người phải được hưởng lương cao hơn, chính vì như vậy mà bê tông cọc nhồi thường được quy định có mác không nhỏ hơn 250 kg/cm2 và cường độ thiết kế không lớn hơn 0.25 lần mác bê tông.

Trong thiết kế kháng chấn, khi động đất xảy ra kéo theo sự chuyển động hỗn loạn của nền đất có thể gây cho cọc biến dạng kéo , uốn,cắt, xoắn nhất là đối với những cọc có mũi tựa vào lớp sỏi cuội có vận tốc truyền sóng cắt lớn thì nên kéo thép hết chiều dài cọc nhưng với hàm lượng giảm dần.

Khi cọc chịu tác dụng của lực ngang, nội lực chân cọc có thể tính theo phương pháp"m" độ dài cốt dọc là 4,0/α khi chiều dài cọc nhỏ hơn 4,0/α thì phải đặt thép suốt chiều dài cọc. Trong đó α là hệ số biến dạng của thân cọc. Nhưng hệ số α này lại phụ thuộc vào hệ số nền m của từng lớp đất theo hướng ngang tĩnh. Hệ số m này không có tài liệu hướng dẫn cụ thể

Một lời khuyên là khi thiết kế cọc chịu uốn, kéo, nhổ thì cần bố trí thép suốt chiều dài cọc với hàm lượng thép chủ không nhỏ hơn 0,4 đến 0,65%. (Thông thường, nhiều kỹ sư vẫn thiết kế giảm thép hoặc không đặt thép bắt đầu từ chiều sâu 1/3÷2/3 đoạn cọc là không có cơ sở).

Phương pháp sử dụng ở Việt Nam

Theo tiêu chuẩn "Nhà cao tầng - thiết kế cọc khoan nhồi 195:1997" không đề cập đến vấn đề cọc chịu tải ngang, cũng không có hướng dẫn cụ thể nào. Tiêu chuẩn móng cọc hiện tại TCXD 205-98 cũng không có (nhưng tiêu chuẩn TCVN 45-78 thì có). Hiện nay, các tài liệu ở Việt Nam chủ yếu đề cập đến phương pháp"m" để tính nội lực chân cọc .

Bài liên quan:

Hệ số nền- Phân tích cọc chịu tải trọng ngang