MÓNG CỌC & ĐÀI CỨNG ? ĐÀI MỀM ?

Kinh nghiệm chia sẻ

Tóm tắt: Móng cọc là kết cấu áp dụng rất phổ biến trong các công trình xây dựng tại Việt Nam, không chỉ cho các công trình dân dụng mà hầu như là kết cấu móng chính cho các công trình giao thông, công trình cảng và đường thủy.
  Trong các công trình dân dụng, móng cọc thường được thiết kế như là kết cấu móng cọc đài cứng, chịu tải trọng trực tiếp từ cột đặt bên trên móng. Việc thừa nhận giả thiết móng cọc là kết cấu đài cứng giúp cho công tác tính toán kết cấu trở nên đơn giản mà vẫn bảo đảm tính chính xác cho công tác thiết kế, cũng như khả năng chịu lực an toàn của kết cấu. Tuy nhiên, thực tế hầu như chưa có khái niệm phân biệt rõ ràng về độ cứng của đài cọc, mà chính điều này thường dẫn đến những đánh giá mang tính chủ quan của kỹ sư thiết kế / cán bộ thẩm tra, gây ra những sai sót, hoặc lãng phí không đáng có, thậm chí là các tranh luận bất tận gây rất nhiều thiệt hại hữu hình cũng như vô hình đến chi phí thiết kế, thời gian dự án và năng suất lao động của các thành viên tham gia dự án.

  Bài viết sau đây nhằm giới thiệu cách đánh giá đài cứng mang tính chất định lượng, nhằm giúp các kỹ sư thiết kế / thẩm tra tìm được tiếng nói chung trong quá trình đồng hành cùng với dự án công trình.

Giả thiết về mô hình đài cọc đài cứng
  Dù không có định nghĩa rõ ràng về móng cọc đài cứng, nhiều tài liệu [.] vẫn thừa nhận giả thiết đài cứng khi độ cứng chống uốn của đài EJ rất lớn so với độ cứng chống uốn cọc E_cJ_c . Khi xem đài cọc là tuyệt đối cứng, việc phân tích nội lực cho móng cọc dựa trên bài toán đơn giản về cân bằng lực. Kết quả tính toán thực sự bảo đảm chính xác khi đài cọc thực sự rất cứng. Trong một số trường hợp khác, khi đài cọc không thực sự cứng đáng kể, phản lực các cọc cũng như nội lực trong đài khi phân tích bằng các phương pháp phân tích nội lực chính xác hơn, thực sự khác đáng kể so với phương pháp cân bằng lực.

  Trong ví dụ minh họa như các hình vẽ bên dưới, khi phân tích móng cọc chịu lực đứng P và momen M, tùy thuộc vào độ cứng đài cọc, kết quả phản lực đầu cọc tính được
    •  Khi đài cọc đài cứng, phản lực đầu cọc tăng dần đều theo vị trí cọc chịu momen gây thêm lực nén

                                                                   
                                                            Hình 1: Sơ đồ đài cứng: Phản lực đầu cọc tăng theo tác dụng momen

    •  Khi đài cọc đài mềm, phản lực đầu cọc lớn nhất thường tại vị trí ngay bên dưới lực đứng

                                                             Hình 2: Sơ đồ đài mềm: Phản lực đầu cọc lớn nhất tại dưới cột

  Nhận xét: Cọc bất lợi nhất tính toán:
    •  Theo sơ đồ đài cứng: Cọc bất lợi thường là cọc tại các góc móng
    •  Theo sơ đồ đài mềm: Cọc bất lợi nhất thường là cọc ngay bên dưới cột

  Sử dụng sơ đồ tính không phù hợp với kích thước móng cọc được chọn, hay nói cách khác, việc chọn chiều cao đài cọc nhỏ sẽ không thỏa mãn được các giả thiết bài toán đài cọc đài cứng sẽ làm thay đổi khả năng chịu lực của hệ cọc và của kết cấu đài cọc. Điều này có thể dẫn đến việc thiết kế kết cấu không an toàn mà các tính toán không thể phát hiện được.

Các thông số kích thước cho móng cọc đài cứng
  Trong thiết kế kết cấu móng cọc cho các công trình dân dụng, do các đặc điểm về bố trí mặt bằng công trình, móng cọc thường được thiết kế là móng cọc đài cứng, điều này là khá tương đồng khi áp dụng cho tất cả các tiêu chuẩn thiết kế các nước trên thế giới, kể cả Việt Nam.
  Các kích thước chính:
    •  Khoảng cách cọc (khoảng cách tim cọc): từ 2 ~ 3 x đường kính (hay cạnh cọc vuông)
    •  Khoảng bê tông dự phòng cạnh cọc (độ vươn của đài cọc - Thuật ngữ theo TCVN 10304), tùy theo cọc, tối thiểu 250 mm [.]
    •  Chiều cao đài cọc. Đây là kích thước quan trọng trong việc xác lập mô hình đài cứng. Kỹ sư thiết kế có thể tham khảo công thức của Reynolds [.]
           Chiều cao đài cọc nên dùng khi đài cọc là đài cứng
             + Khi D ≤ 550mm, H = 2D + 100                               (1)
             + Khi D > 550mm, H = (1/3)*(8D - 600)                    (2)
             Trong đó, D : đường kính cọc.
             Reynolds cũng khuyến cáo tính kết cấu đài nên kiểm tra với hàm lượng cốt thép phù hợp.

  Nhận xét về công thức của Reynolds:
  Ví dụ 1: khi cọc đường kính d = 400mm, chiều cao đài đề nghị H = 900 mm → khá phù hợp với thực tế thiết kế móng cọc tại Việt Nam

  Ví dụ 2: khi cọc đường kính d = 1000mm, chiều cao đài đề nghị H = (1/3)x(8x1000 – 600) = 2470 mm → Thực sự là móng chọn quá dày, không thực tế

  Ví dụ 3: khi cọc đường kính d = 1200mm, chiều cao đài đề nghị H = (1/3)x(8x1200 – 600) = 3000 mm → Thực sự là móng chọn quá dày, không thực tế.

  Công thức đề nghị chiều cao đài cứng của Reynolds rõ ràng là quá nghiêm ngặt khi để xác lập đài cứng tuyệt đối. Việc áp dụng theo công thức có thể bảo đảm tính tuyệt đối cứng của móng nhưng thực sự sẽ là lãng phí theo sự so sánh với rất nhiều công trình đã được tính toán và thiết kế tại Việt Nam.

  Trên quan niệm kết cấu, độ cứng của đài cọc còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác,
    •  Độ cứng chống uốn của cọc (như đã nêu trên)
    •  Độ cứng chống nén của cọc. Khi cọc chịu lực lớn nhưng cọc ngắn sẽ làm hạn chế việc phân phối lực đến các cọc cách xa cột. Trên khía cạnh ngược lại, cọc quá mềm (cọc rất dài) sẽ dễ dàng cho phân bố phản lực cọc theo sơ đồ phân bố cân bằng lực tuyến tính.
    •  Khoảng cách giữa các cọc. Theo các tiêu chuẩn xây dựng, cọc đài cứng thường có khoảng cách cọc 2 ~ 3 đường kính cọc. Khi khoảng cách cọc tăng thêm, đài cọc bị uốn nhiều hơn và phản lực các cọc sẽ không còn phân bố tuyến tính.
    •  Độ cứng của vật liệu bê tông đài cọc. Trong thực tế, bê tông chế tạo đài cọc thường sử dụng cấp độ bền cao hơn nhằm tiết giảm chi phí cũng như có thể giảm chiều cao đài mà vẫn bảo đảm tính chất đài cứng.
    •  Phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên móng. Khi lực đứng đủ bé hay nói cách khác, cọc thiết kế có khả năng chịu lực nhỏ (do đất yếu dày), chiều cao đài cọc có thể giảm đi nhưng mô hình đài cọc đài cứng vẫn phù hợp. Điều này thường được áp dụng cho móng cọc cho các công trình cảng & đường thủy, các công trình giao thông.

Đề xuất giải pháp xác định phân loại móng cọc đài cứng
  Trên quan điểm khoa học, kết cấu được giả thiết là cứng tuyệt đối khi biến dạng tương đối giữa các vị trí trên kết cấu rất bé. Điều này được tính toán bằng cách kiểm tra chuyển vị tương đối lớn nhất xuất hiện trong chính bộ phận kết cấu dưới tác dụng của tải trọng kiểm tra.

  Giả thiết kết cấu bê tông cốt thép được xem là cứng tuyệt đối khi
           Chuyển vị tương đối Δ/L ≤ Chuyển vị tương đối giới hạn [Δ/L] = 1/1000 = 0.001    (3)

  Trong đó, Δ là chênh lệch chuyển vị đứng giữa 2 điểm bất kỳ bất lợi xem xét
                     L là khoảng cách kiểm tra
  Trong kết cấu móng cọc, Δ được tính bằng hiệu số giữa chuyển vị lớn nhất với chuyển vị trung bình của móng tương ứng với điểm đang xem xét.

  Phương pháp thực hành:
  Theo trình tự
    •  Phân tích kết cấu móng cọc theo mô hình cọc và đài bằng các phương pháp phân tích chính xác như phần tử hữu hạn (sử dụng các phần mềm phổ biến hiện nay tại Việt Nam như SAP, Etab, Microtrans…), trong đó, cọc là các phần tử thanh, đài cọc là các phần tử bản chịu uốn.
    •  Xem kết quả và xác định điểm chuyển vị lớn nhất
    •  Xác định chuyển vị tương đối lớn nhất theo 2 phương ngang x, y của đài cọc
    •  So sánh chuyển vị tương đối với giới hạn cho phép, kết luận móng cọc đài cứng khi điều kiện đài cứng thỏa mãn.

  Kiểm tra giả thiết đài cứng:
  Kiểm tra giả thiết đài cứng bằng cách thực hiện phân tích móng cọc bằng 2 phương pháp tính độc lập:
    •  Phân tích phản lực cọc bằng phương pháp tính móng cọc đài cứng
    •  Phân tích phản lực cọc bằng phương pháp phân tích cọc bằng móng cọc đài mềm, trong đó đài cọc được mô hình bằng các phần tử bản chịu uốn
  Cdfdesign đã tiến hành phân tích với một loạt các loại móng cọc khác nhau. Kết quả phân tích thu nhận được sẽ dùng so sánh phản lực các đầu cọc trong 2 mô hình. Kết luận rút ra được là khi chọn chiều cao đài đủ lớn thỏa điều kiện chuyển vị tương đối cho phép thì phản lực đầu cọc rất giống nhau (sai số do phép tính rất bé). Đồng thời, momen tính kết cấu cho đài cũng tương tự nhau. Như vậy giả thiết móng cọc đài cứng khi chuyển vị tương đối cho phép thỏa là giả thiết phù hợp.

Các đề xuất giải pháp bổ sung
  Trong các phân tích tính toán kiểm tra của tác giả bài viết này, khi đài cọc thỏa mãn điều kiện (3) là đài cứng, chiều cao đài có giá trị thường nhỏ hơn các giá trị tính được từ công thức Reynolds. Bên cạnh đó các tính toán kết cấu (tính cốt thép, tính chọc thủng, cắt…) cho ra các giá trị hợp lý. Do vậy tác giả đánh giá rằng, điều kiện kiểm tra chuyển vị để đánh giá đài cứng là phương pháp thích hợp.

  Chuyển vị tương đối giới hạn [Δ/L] = 1/1000 cũng thực sự là giá trị khá nghiêm ngặt để bảo đảm cấu kiện cứng tuyệt đối. Trong một số tiêu chuẩn các nước, chuyển vị tương đối giới hạn cũng có thể xem xét giảm tùy theo kết cấu bên trên. Do vậy, tác giả đề xuất:
    •  Đối với các hạng mục kết cấu nhạy cảm với chuyển vị móng (kết cấu bê tông cốt thép toàn khối, kết cấu BTCT xây chèn tường gạch, tường block, tường bằng các vật liệu như kính nhưng không có biện pháp ngăn ngừa biến dạng…), đề nghị chuyển vị tương đối giới hạn [Δ/L] = 1/1000
    •  Đối với các hạng mục kết cấu ít nhạy cảm với chuyển vị móng (kết cấu khung thép 1 hay nhiều tầng, sử dụng bao nhe hoặc vách ngăn bằng các tấm tôn vách, tường nhẹ, tường tấm thạch cao…), đề nghị chuyển vị tương đối giới hạn [Δ/L] = 1/750

Lời kết:
  Trong quá trình thiết kế kết cấu, việc áp dụng lý thuyết tính toán cũng như mô hình tính kết cấu phù hợp với hạng mục kết cấu là vấn đề vô cùng quan trọng, bảo đảm sự làm việc phù hợp, an toàn cho kết cấu được thiết kế, đồng thời với chi phí tiết kiệm.
  Qua kinh nghiệm thực tế thiết kế và thẩm tra các công trình tại Việt Nam, căn cứ xét đến các điều kiện thi công, cung cấp vật liệu, chi phí công trình, cũng như việc áp dụng tuân thủ chặt chẽ Tiêu chuẩn Việt Nam trong công tác thiết kế và thi công xây dựng, tác giả đề xuất áp dụng chiều cao đài cọc H cho móng cọc đài cứng cho các công trình dân dụng tại Việt Nam

                                                                                   H=(1.8 ÷2.0)D
  Trong đó D là đường kính hay cạnh cọc.

Sự bất tiện và cách thức khắc phục
  Bài toán kết cấu móng cọc đài cứng cho các công trình dân dụng là bài toán khá đơn giản và phổ biến cho kỹ sư thiết kế Việt. Nhưng rõ ràng việc xác định phân loại móng cọc trở thành bài toán khá phức tạp và thực sự chiếm rất nhiều thời gian, công sức tính toán, ngay cả khi có các phần mềm phân tích kết cấu làm công cụ hỗ trợ. Sự bất tiện này càng được nhân lên gấp nhiều lần đối với các dự án có nhiều loại móng cọc khác nhau và nhiều trường hợp tải trọng bất lợi khác nhau.
  Để hỗ trợ tính toán kết cấu móng cọc trong các trường hợp móng cọc đài cứng, kiểm tra móng cọc đài cứng, và ngay cả khi tính toán như móng cọc đài mềm, cdfdesign đã nâng cấp phiên bản Phân tích & tính toán móng cọc nhằm phục vụ cho công tác thiết kế và thẩm tra kết cấu của các kỹ sư ngày càng thuận tiện, nhanh chóng chính xác. Với những ai quan tâm đến giả thiết móng cọc đài cứng, phần mềm cũng là công cụ kiểm tra hữu hiệu và tin cậy.

Tài liệu tham khảo

Xin trân trọng các ý kiến đóng góp.
TP HCM, ngày 07/09/2018
Th.s Ks. Lê Hoan Cường

Phần mềm liên quan: Các phần mềm tính cọc & móng cọc

Bài viết liên quan:  Tính toán Kết Cấu Móng Cọc