LA-Pile: Cọc đơn làm việc thế nào – ma sát thân, sức kháng mũi và đường cong tải – lún
Sức chịu tải cọc là kết quả của quá trình truyền tải từ thân xuống mũi, không phải một con số tra bảng. Bài này giải thích công thức TCVN 10304:2025, mô hình phần tử hữu hạn lò xo đàn – dẻo, và đọc kết quả cọc khoan nhồi D1000 dài 22 m: R_k = 6 329 kN, lún 21,5 mm, chỉ 17,5 % tải xuống mũi.
Các bài trong Module Địa kỹ thuật
Mục lục bài viết
Khi đặt tải N lên đầu cọc, tải không đi thẳng xuống mũi. Một phần truyền sang đất qua ma sát thân dọc theo chiều dài cọc, phần còn lại xuống mũi cọc. Hai thành phần này huy động ở những chuyển vị rất khác nhau. Hiểu điều đó giúp đọc đúng kết quả sức chịu tải và lún.
1. Hai thành phần sức kháng theo TCVN 10304:2025#
Với cọc khoan nhồi, sức chịu tải đặc trưng theo đất nền (công thức 13 của TCVN 10304:2025):
R_k = γ_c·( γ_R,R·q_b·A + γ_R,f·u·Σ f_i·h_i )
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Ghi chú |
|---|---|---|
| q_b, A | Cường độ sức kháng của đất dưới mũi, diện tích mũi | Mũi trong cát: công thức (14) với các hệ số α (Bảng 7); mũi trong đất dính: Bảng 8 |
| f_i, h_i | Cường độ ma sát của lớp i trên thân, chiều dày lớp i (chia lớp ≤ 2 m) | Bảng 3, theo độ sâu và độ sệt I_L |
| u | Chu vi tiết diện cọc | |
| γ_c | Hệ số điều kiện làm việc của cọc | 1,0; riêng mũi tựa sét có S_r < 0,85 và hoàng thổ lấy 0,8 |
| γ_R,R | Hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi | 1,0 (trừ cọc mở rộng mũi) |
| γ_R,f | Hệ số điều kiện làm việc của đất trên thân (Bảng 6) | Khoan khô, ống vách, CFA: 0,7 (sét 0,6); dưới nước hoặc bentonite: 0,6; barrette: 0,6 |
Với cọc đóng, ép, công thức (9) có cùng dạng, q_b lấy theo Bảng 2 và hệ số γ_R,R, γ_R,f theo phương pháp hạ cọc (Bảng 4).
Ngoài bảng tra theo chỉ tiêu cơ lý, LA-Pile tính song song theo SPT (Phụ lục D, Bảng D.1): R_k = q_b·A_b + u·Σ(f_c,i·l_c,i + f_s,i·l_s,i). Với cọc khoan nhồi đổ bê tông tại chỗ (hàng "cọc nhồi" của Bảng D.1): q_b = 120·N̄ ≤ 7 500 kPa trong đất rời, 6·c_u trong đất dính; f_s = 3,3·N ≤ 165 kPa; f_c = c_u ≤ 100 kPa (khi không có thí nghiệm, c_u = 6,25·N). N̄ là N trung bình trong đoạn từ 1d dưới mũi đến 1d trên mũi. Hai kết quả hiển thị cạnh nhau, người dùng chọn lấy giá trị nhỏ nhất, theo bảng tra hoặc theo SPT.
Từ R_k đến điều kiện kiểm tra#
γ_n·N_d ≤ R_d = R_k / γ_k (công thức 2; bản 2025 bỏ hệ số γ₀ của bản 2014)
| γ_k | Khi xác định R_k bằng |
|---|---|
| 1,20 | Thử tĩnh |
| 1,25 | Xuyên tĩnh CPT, hoặc thử động có xét biến dạng đàn hồi |
| 1,40 | Bảng tra của tiêu chuẩn (kể cả thử động không xét biến dạng đàn hồi) |
| 1,50 | SPT; phần mềm mô hình số |
γ_n = 1,0 / 1,15 / 1,20 cho cấp hậu quả C1 / C2 / C3. Bản 2025 không còn giảm γ_k theo số cọc với cọc chịu nén thông thường (bảng γ_k theo số cọc chỉ còn dùng cho cọc chịu kéo và một số công trình thủy lợi).
Vì γ_k khác nhau, so sánh hai phương pháp phải so R_d, không so R_k: ở ví dụ mục 4, R_k theo SPT (8 987 kN) lớn hơn bảng tra (6 327 kN) 42 %, nhưng sau khi chia γ_k, R_d theo SPT = 8 987/1,5 = 5 992 kN chỉ lớn hơn R_d theo bảng tra = 6 327/1,4 = 4 519 kN là 33 %. Chi tiết: LA-Pile: Sức chịu tải theo SPT và theo bảng tra.
2. Vì sao ma sát huy động trước#
Theo kinh nghiệm thử tải cọc được tổng kết trong các tài liệu địa kỹ thuật:
- Ma sát thân đạt giới hạn khi cọc dịch chuyển tương đối với đất khoảng 5–10 mm, gần như không phụ thuộc đường kính.
- Sức kháng mũi cần chuyển vị lớn hơn nhiều, cỡ 5–10 % đường kính với cọc khoan nhồi: 50–100 mm với cọc D1000.
Ở tải làm việc, phần lớn tải do ma sát gánh và cọc lún ít. Khi tải tăng, ma sát lần lượt đạt giới hạn từ trên xuống, mũi gánh phần tăng thêm, và đường cong tải – lún cong dần. Cọc khoan nhồi đường kính lớn mũi trong cát sỏi có thể có R_k rất lớn trên giấy, nhưng phải lún đáng kể mới huy động hết sức kháng mũi.
3. Mô hình phần tử hữu hạn trong LA-Pile#
Tải dọc trục#
Cọc được chia thành chuỗi phần tử thanh EA, mỗi nút nối với đất bằng lò xo:
- Lò xo ma sát đàn – dẻo: độ cứng ban đầu theo Randolph–Wroth, k_s = 2π·G/ζ trên 1 m dài cọc, với ζ = ln(r_m/r₀) và bán kính ảnh hưởng r_m = 2,5·L·(1 − ν); hoặc theo Winkler–Pasternak. Sức kháng giới hạn bằng γ_R,f·f_i·u của lớp đất tại nút.
- Lò xo mũi: độ cứng theo lời giải tấm tròn cứng trên bán không gian đàn hồi, k_b = 4·G_b·r_b/(1 − ν_b), giới hạn bằng γ_R,R·q_b·A.
- Tải tăng dần theo bước; mỗi bước giải lại hệ phi tuyến cho đến khi các lò xo dẻo cân bằng.
Kết quả: đường cong tải – lún N – w; biểu đồ lực dọc N(z), ma sát huy động τ(z) và chuyển vị w(z) dọc thân; tỉ lệ tải xuống mũi; so sánh với công thức lún giải tích 7.4.2 của tiêu chuẩn. Đường cong tải – lún còn có ý nghĩa theo chính tiêu chuẩn: với cọc dài hơn 40 m, TCVN 10304:2025 yêu cầu xác định R_k bằng phương pháp số, lấy tải ứng với độ lún 4 cm.
Tải ngang#
Cọc là dầm Euler – Bernoulli (phần tử Hermite) trên nền Winkler. Hệ số nền tăng tuyến tính theo độ sâu c_z = K·z (Phụ lục A, Bảng A.1; bản 2025 γ_cz = 1), lò xo trên 1 m dài bằng c_z·b_p với bề rộng quy ước b_p = d + 1 khi d ≥ 0,8 m. Có thể chọn Vesic hoặc bảng k_h thay cho K·z. Lò xo ngang cũng là đàn – dẻo, giới hạn bởi áp lực ngang cho phép σ_gh, để mô tả vùng đất gần mặt đất bị chảy dẻo.
4. Ví dụ: cọc khoan nhồi D1000, địa chất Từ Hoa (Hà Nội)#
Ví dụ có sẵn trong bộ cài, làm từng bước trong Chương 16 của hướng dẫn. Tải là giả định minh họa.
| Hạng mục | Giá trị |
|---|---|
| Địa chất | Đáy hố đào 3 tầng hầm −12,0 m. Lớp 3 cát hạt thô chặt vừa φ = 32°, N = 18, E_oed = 20 MPa. Lớp 4 cát sạn sỏi chặt, đỉnh −30,8 m, φ = 36°, N = 43, E_oed = 36 MPa. Mực nước −1,1 m |
| Cọc | Khoan nhồi D1000 dưới bentonite, đầu −12,0, mũi −34,0 (L = 22 m), B30, 18Φ25 |
| Tải một cọc | Tính toán N = 4 000 kN, H = 100 kN; tiêu chuẩn N = 3 400 kN |
Sức chịu tải#
| Phương pháp | R_b mũi (kN) | R_s thân (kN) | R_k (kN) |
|---|---|---|---|
| Bảng tra (chỉ tiêu cơ lý) | 3 270 | 3 059 | 6 329 |
| SPT (Phụ lục D) | 4 053 | 4 935 | 8 987 |
R_d = R_k/γ_k = 6 329 / 1,40 = 4 521 kN; [N] = R_d/γ_n = 4 521 / 1,15 = 3 931 kN (cấp hậu quả C2); N_d = 4 000 + 1,1 × 259 = 4 285 kN (cộng trọng lượng bản thân cọc 259 kN nhân hệ số tin cậy tải trọng 1,1) → γ_n·N_d / R_d = 4 285 / 3 931 = 109 %, không đạt.
Hai cách xử lý được tính trực tiếp trong phần mềm:
- Tăng đường kính lên D1200: [N] = 5 218 kN so với N_d = 4 411 kN (84,5 %).
- Thử tĩnh hiện trường để dùng γ_k = 1,2: [N] = 4 586 kN (93,4 %).
Đường cong tải – lún#
| Kết quả tại tải tiêu chuẩn N_tc = 3 400 + 259 = 3 659 kN | Giá trị |
|---|---|
| Lún đầu cọc | 21,5 mm |
| Lún mũi cọc | 19,6 mm (thân cọc co ngắn 1,9 mm) |
| Tải xuống mũi | 17,5 % |
| Lún theo công thức 7.4.2 của tiêu chuẩn | 15,7 mm |
Cách đọc biểu đồ:
- N(z) giảm gần tuyến tính từ 3 659 kN ở đầu cọc: ma sát gánh đều dọc thân.
- τ(z) (xanh) trùng đường giới hạn (đỏ) gần hết chiều dài: ma sát thân đã huy động gần hết ở tải làm việc. Đây là điều kiện bình thường với cọc nhồi trong cát.
- Đoạn gấp trên đường cong tải – lún là lúc ma sát đạt giới hạn; sau đó độ dốc lớn hơn vì chỉ còn mũi gánh thêm tải.
- Tại R_c,d = 4 521 kN, lún đã khoảng 48 mm. Nếu muốn khai thác hết R_k = 6 329 kN, lún sẽ vượt 100 mm.
Tổng hợp kiểm tra#
| Kiểm tra | Mức sử dụng |
|---|---|
| Sức chịu tải nén theo đất nền | 109,0 % – không đạt |
| Sức chịu tải vật liệu (nén đúng tâm) | 39,4 % |
| Nén – uốn tiết diện (biểu đồ tương tác N–M, TCVN 5574:2018) | 18,3 % |
| Lực cắt | 17,8 % |
| Lún cọc đơn (FEM) | 21,5 % |
| Chuyển vị ngang đầu cọc | 11,3 % |
| Áp lực ngang σ_z ≤ σ_gh | 30,0 % |
5. Kiểm chứng lõi tính#
| Bài kiểm tra | Kết quả |
|---|---|
| Tải ngang, đầu tự do, dầm bán vô hạn trên nền đàn hồi (Hetényi: u₀ = 2Hβ/k, M_max = 0,3224H/β) | Sai < 0,2 % |
| Tải ngang, đầu ngàm xoay (u₀ = Hβ/k, M₀ = H/2β) | Sai < 0,1 % |
| Tải dọc: tổng giới hạn các lò xo = R_c,u; cân bằng lực dọc | Đạt |
| Tiết diện: điểm nén đúng tâm và kéo đúng tâm của biểu đồ N–M | Sai < 1 % |
| Tra bảng và nội suy Bảng 2, 3, 7 | Đạt |