LA-Pile: Cọc chịu tải ngang – hệ số nền K·z, bề rộng quy ước b_p, đầu ngàm và đầu tự do, khi đất quanh cọc chảy dẻo
Cọc khoan nhồi D1000 chịu H = 100 kN: đầu ngàm trong đài chuyển vị 1,3 mm, đầu tự do 3,5 mm. Tăng H lên 600 kN, chuyển vị đầu tự do tăng 22 lần vì đất gần mặt đã chảy dẻo. Bài giải thích Phụ lục A TCVN 10304:2025, mô hình dầm trên lò xo đàn – dẻo trong LA-Pile và cách đọc biểu đồ u, M, Q.
Các bài trong Module Địa kỹ thuật
Mục lục bài viết
Tải ngang lên cọc đến từ gió, động đất, áp lực đất không cân bằng, lực hãm. Với cọc dài, sức chịu tải ngang gần như không phụ thuộc chiều dài cọc mà phụ thuộc vài mét đất trên cùng và độ cứng chống uốn của cọc.
1. Mô hình#
LA-Pile mô hình cọc là dầm Euler – Bernoulli (phần tử Hermite, bước ≤ 0,25 m) trên các lò xo ngang:
| Đại lượng | Công thức (Phụ lục A, TCVN 10304:2025) |
|---|---|
| Hệ số nền | c_z = K·z / γ_cz; bản 2025 γ_cz = 1; K tra Bảng A.1 theo loại đất |
| Bề rộng quy ước | b_p = d + 1 khi d ≥ 0,8 m; b_p = 1,5d + 0,5 khi d < 0,8 m |
| Lò xo trên 1 m dài | k = c_z·b_p |
| Áp lực giới hạn | σ_gh = η₁·η₂·4/cosφ·(σ′_v·tanφ + ξ·c) |
Khi bật phi tuyến, lò xo chảy dẻo khi áp lực đạt σ_gh·b_p. Đầu cọc ngàm trong đài thì góc xoay bằng 0; đầu tự do nhận H và M.
Ngoài K·z có thể chọn hệ số nền theo Vesic, k = 0,65·(E_s·d⁴/EI)^(1/12)·E_s/(1 − ν²), hoặc bảng k_h theo độ sâu nhập tay.
Kiểm chứng: với nền đàn hồi đồng nhất, lời giải phần tử hữu hạn trùng nghiệm Hetényi cho dầm bán vô hạn: đầu tự do (u₀ = 2Hβ/k, M_max = 0,3224H/β) sai < 0,2 %; đầu ngàm xoay (u₀ = Hβ/k, M₀ = H/2β) sai < 0,1 %.
2. Ví dụ: cọc D1000 tại Từ Hoa#
Cọc khoan nhồi D1000, B30, 18Φ25; đầu −12,0 m (đáy hố đào 3 tầng hầm) trong cát hạt thô chặt vừa φ = 32°. b_p = 1,0 + 1 = 2,0 m.
Tải làm việc H = 100 kN#
| Đầu cọc | u đầu cọc | θ | M lớn nhất | Vị trí M_max | σ_z / σ_gh lớn nhất |
|---|---|---|---|---|---|
| Ngàm trong đài | 1,33 mm | 0 | −263,5 kNm | Tại đầu cọc (−12,0) | 0,30 |
| Tự do | 3,50 mm | 0,00082 rad | 219,7 kNm | −15,7 m (sâu 3,7 m) | 0,52 |
- Đầu ngàm: chuyển vị nhỏ hơn 2,6 lần, nhưng mô men lớn nhất nằm ngay tại đầu cọc (mô men âm, căng thớ phía đối diện). Liên kết cọc – đài phải chịu được mô men này: thép chờ đầu cọc neo đủ vào đài.
- Đầu tự do: mô men lớn nhất nằm sâu 3,7 m dưới đầu cọc, mô men đầu cọc bằng 0.
Tăng dần tải ngang#
| H (kN) | Ngàm: u (mm) | Ngàm: M_max (kNm) | Tự do: u (mm) | Tự do: M_max (kNm) |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 1,33 | 264 | 3,50 | 220 |
| 300 | 4,07 | 800 | 16,9 | 913 |
| 600 | 12,5 | 1 944 | 76,4 | 2 584 |
| 900 | 29,7 | 3 456 | 200,8 | 4 746 |
Ở biểu đồ σ_z, đường áp lực ngang thực (đỏ) trùng với đường giới hạn σ_gh (nét đứt) suốt khoảng 8 m dưới đầu cọc: đất đoạn này đã chảy dẻo, không nhận thêm tải. Lực ngang vì thế phải truyền xuống sâu hơn, kéo vị trí M_max xuống −18,4 m và làm chuyển vị tăng nhanh hơn nhiều so với tải.
Với đầu tự do, tăng tải 6 lần (100 → 600 kN) làm chuyển vị tăng 22 lần (3,5 → 76 mm); mô men lớn nhất di chuyển xuống sâu dần (từ −15,7 xuống −18,4 m). Lý do: đất ở vài mét trên cùng đã đạt áp lực giới hạn σ_gh (σ_z/σ_gh = 0,95 ở các cấp tải lớn), không nhận thêm tải, cọc phải dựa vào đất sâu hơn. Mô hình đàn hồi tuyến tính không thấy được hiện tượng này và đánh giá thấp chuyển vị ở tải lớn.
3. Kiểm tra theo Phụ lục A#
| Kiểm tra | Nội dung | Ví dụ, H = 100 kN, đầu ngàm |
|---|---|---|
| Chuyển vị đầu cọc | u ≤ u_gh (theo yêu cầu kết cấu bên trên) | 1,33 mm |
| Áp lực ngang lên đất (A.8) | σ_z ≤ σ_gh tại độ sâu đặc trưng z = 0,85/α_ε | z = 2,13 m: σ_z = 9,7 ≤ 32,3 kPa |
| Nén – uốn tiết diện | (N, η·M) trong biểu đồ tương tác (TCVN 5574:2018) | 18,3 % |
| Lực cắt | Q ≤ min(Q_b + Q_sw; 0,3·R_b·b·h₀) | 100 ≤ 561 kN |
4. Những lưu ý thực hành#
- Đất trên cùng quyết định. Với cọc đầu dưới đáy hố đào sâu, lớp đất ngay dưới đáy hố đã bị giảm ứng suất (dỡ tải) nên σ′_v và σ_gh nhỏ; cần dùng cao độ mặt đất hiện trạng sau đào để tính.
- Liên kết đầu cọc. Ngàm hoàn toàn đòi hỏi cọc ngàm vào đài đủ sâu và thép chờ neo đủ. Nếu không chắc chắn, tính cả hai trường hợp ngàm và tự do, lấy bao.
- Nhóm cọc. Cọc trong nhóm có hệ số nền nhỏ hơn cọc đơn do vùng ảnh hưởng chồng nhau; bản 2025 nhân thêm hệ số α_i theo Bảng A.2 cho các hàng cọc.
- Tải lặp. Tải ngang lặp (gió, sóng) làm suy giảm độ cứng đất gần mặt; với công trình chịu tải lặp, nên giảm hệ số nền.