LA-Pile: Lún cọc đơn – phần tử hữu hạn so với công thức 7.4.2, và quy định R_k tại lún 4 cm cho cọc dài trên 40 m
Cọc khoan nhồi D1000 dài 22 m dưới tải tiêu chuẩn 3 659 kN: công thức 7.4.2 cho 15,7 mm, mô hình phần tử hữu hạn cho 21,4 mm. Bài giải thích hai cách tính, vì sao FEM lớn hơn, cách đọc đường cong tải – lún và quy định mới của TCVN 10304:2025 cho cọc và barrette dài trên 40 m.
Các bài trong Module Địa kỹ thuật
Mục lục bài viết
Lún cọc đơn là kiểm tra trạng thái giới hạn nhóm 2 (công thức 4: s ≤ s_u). TCVN 10304:2025 cho công thức giải tích ở mục 7.4.2; LA-Pile tính thêm bằng mô hình phần tử hữu hạn để có cả đường cong tải – lún. Hai cách cho kết quả khác nhau, và hiểu vì sao giúp đọc đúng kết quả.
1. Công thức 7.4.2#
Với cọc đơn không mở rộng mũi:
s = β·N / (G₁·l)
trong đó N là tải đứng tiêu chuẩn, l chiều dài cọc, G₁ mô đun cắt trung bình của các lớp đất dọc thân, β hệ số phụ thuộc tỉ số G₁/G₂ (G₂ của đất dưới mũi), tỉ số l/d và độ cứng tương đối của cọc EA/(G₁·l²).
Công thức dựa trên lời giải đàn hồi của cọc trong bán không gian: đất làm việc tuyến tính, không có trượt giữa cọc và đất.
2. Mô hình phần tử hữu hạn#
| Thành phần | Mô hình |
|---|---|
| Thân cọc | Phần tử thanh EA |
| Ma sát | Lò xo đàn – dẻo tại các nút: k_s = 2π·G/ζ, ζ = ln(r_m/r₀), r_m = 2,5·L·(1 − ν) (Randolph – Wroth); giới hạn bằng ma sát cực hạn γ_R,f·f_i·u |
| Mũi | Lò xo k_b = 4·G_b·r_b/(1 − ν_b); giới hạn γ_R,R·q_b·A |
| Tải | Tăng dần đến phá hoại |
Khác biệt cốt lõi: lò xo ma sát chảy dẻo khi đạt giới hạn, nên khi tải đủ lớn để ma sát ở nhiều đoạn thân đạt giới hạn, độ cứng của cọc giảm và lún tăng nhanh hơn tuyến tính.
3. Ví dụ: cọc D1000 dài 22 m tại Từ Hoa#
Cọc khoan nhồi D1000 dưới bentonite, đầu −12,0, mũi −34,0, trong cát hạt thô chặt vừa (E_oed = 20 MPa) và cát sạn sỏi chặt (E_oed = 36 MPa). Tải tiêu chuẩn N_tc = 3 400 + 259 (trọng lượng cọc) = 3 659 kN.
| Đại lượng | Giá trị |
|---|---|
| Công thức 7.4.2 | β = 0,606; G₁ = 6,4 MPa; G₂ = 10,4 MPa → s = 0,606 × 3 659 / (6 400 × 22) = 15,7 mm |
| Phần tử hữu hạn | s = 21,4 mm, tải xuống mũi 17,9 % |
| Giới hạn | s_u = 100 mm (Phụ lục E, Bảng E.1) |
Lực dọc giảm từ 3 659 kN ở đầu cọc xuống khoảng 18 % ở mũi: phần lớn tải được ma sát thân gánh, đúng với tỉ lệ "tải xuống mũi 17,9 %" ở bảng trên. Chuyển vị đầu cọc lớn hơn chuyển vị mũi một lượng bằng co ngắn đàn hồi của thân cọc.
4. Vì sao phần tử hữu hạn lớn hơn#
Ở tải tiêu chuẩn, biểu đồ τ(z) cho thấy ma sát huy động đã gần bằng giới hạn trên gần hết chiều dài thân. Phần tải vượt quá khả năng ma sát phải truyền xuống mũi, và mũi cần chuyển vị lớn hơn nhiều để huy động sức kháng. Công thức đàn hồi 7.4.2 không mô tả được trạng thái ma sát đã đạt giới hạn này nên cho lún nhỏ hơn.
Tỉ số hai kết quả là chỉ báo hữu ích:
| s_FEM / s_7.4.2 | Ý nghĩa |
|---|---|
| Gần 1 | Cọc làm việc trong miền đàn hồi, ma sát còn dư nhiều |
| 1,2 – 1,5 | Ma sát đã huy động gần hết trên nhiều đoạn, mũi bắt đầu gánh phần đáng kể (ví dụ: 1,36) |
| > 2 | Tải đã gần sức chịu tải giới hạn; xem lại sức chịu tải |
5. Đọc đường cong tải – lún#
| Điểm trên đường cong | Tải (kN) | Lún (mm) |
|---|---|---|
| Tải tiêu chuẩn N_tc | 3 659 | 21,4 |
| Sức chịu tải thiết kế R_d | 4 519 | ≈ 48 |
| Sức chịu tải đặc trưng R_k | 6 327 | > 100 |
Đường cong gấp khúc rõ ở khoảng 3 500 – 3 800 kN: đây là lúc ma sát toàn thân đạt giới hạn. Sau điểm gấp, mỗi 1 000 kN tải thêm gây khoảng 30 mm lún vì chỉ còn mũi gánh. Thiết kế có tải làm việc trước điểm gấp cho lún nhỏ và ổn định; tải làm việc vượt điểm gấp nghĩa là cọc đang dựa vào mũi, cần đảm bảo chất lượng vệ sinh đáy lỗ khoan.
6. Cọc dài trên 40 m: R_k tại lún 4 cm#
TCVN 10304:2025 (7.2.2.5, 7.2.3.6) quy định: cọc và barrette dài hơn 40 m, R_k xác định bằng phương pháp số (biểu đồ lún – tải), lấy bằng tải tương ứng với độ lún 4 cm.
Lý do: với cọc rất dài, chuyển vị cần để huy động sức kháng mũi rất lớn so với chuyển vị đầu cọc cho phép, và các bảng tra (xây dựng cho độ sâu đến 35–40 m) không còn phù hợp. Đường cong tải – lún của LA-Pile đáp ứng trực tiếp yêu cầu này: đọc tải tại s = 40 mm trên đường cong.
Với cọc ví dụ (22 m, chưa thuộc diện áp dụng), tải tại lún 4 cm khoảng 4 250 kN (nội suy trên đường cong), nhỏ hơn R_k = 6 327 kN theo bảng tra nhiều: tiêu chí lún 4 cm thận trọng hơn đáng kể so với tiêu chí phá hoại.
7. Lưu ý#
- Lún cọc đơn chưa phải lún móng: nhóm cọc lún lớn hơn cọc đơn do ảnh hưởng tương hỗ, cần tính theo móng khối quy ước (7.4.4).
- Mô đun G lấy từ E_oed hoặc E của khảo sát qua G = E/(2(1 + ν)); kết quả lún nhạy với G của lớp mũi.
- Đường cong FEM dùng các giới hạn ma sát và mũi của bảng tra; nếu có thử tĩnh, nên hiệu chỉnh G và giới hạn để đường cong khớp số đo.