Đài cọc chịu cắt theo TCVN | Căn bản thiết kế xây dựng

Đài cọc là kết cấu rất cơ bản trong thiết kế xây dựng. Bài viết này xin chia sẻ những điểm cơ bản cần làm trong quá trình tính toán chọn kích thước đài cọc, đặc biệt dành cho người mới làm công tác thiết kế.

Khi thiết kế kết cấu đài cọc, các thông số quan trọng cần lựa chọn ban đầu là chiều sâu đặt đáy đài và chiều cao đài cọc.

1. Chọn chiều sâu đáy đài

Chiều sâu đáy đài lựa chọn dựa trên nhiều yếu tố giống như khi chọn chiều sâu đáy móng khi thiết kế kết cấu móng nông. Độ sâu h kể từ mặt đất thiên nhiên tới đáy móng gọi là độ sâu đặt móng. Nếu trước khi thi công xây dựng công trình phải san đất theo quy hoạch, thì độ sâu đặt móng kể từ mặt đất quy hoạch. Nếu trước khi xây dựng công trình, theo quy hoạch phải đắp đất thì chỉ khi nào đất đắp đã đủ tuổi (3 năm đối với đất loại cát, 5 năm đối với đất loại sét) mới tính độ sâu đặt móng kể từ mặt đất quy hoạch. Nếu đất đắp chưa đủ tuổi, độ sâu chôn móng vẫn tính từ mặt đất tự nhiên. Sở dĩ như vậy, vì ở độ sâu càng lớn đất càng được nén chặt hơn, phụ tải hai bên lớn hơn, nên sức chịu tải của đất cũng lớn hơn. Trị số h lớn thì áp lực tiêu chuẩn của nền đất có trị số lớn. Vì thế, để thiên về an toàn, trong tính toán dùng trị số h nhỏ (khi san đất thì kể từ mặt đất quy hoạch, khi đắp đất thì kể từ mặt đất tự nhiên). Trong cả hai trường hợp phải hiểu rằng có san đất hay đắp đất trên một diện vô cùng rộng thì tính độ sâu đặt móng kể từ mặt đất quy hoạch mới đúng hẳn, nếu chỉ san hoặc đắp trên một phạm vi nhỏ thì tính như vậy là tính gần đúng.

Một điều kiện để kỹ sư thiết kế chọn chiều sâu đáy đài, là đảm bảo áp lực đất bị động của đất bên hông đài cọc cân bằng được với áp lực ngang truyền vào mặt đài từ chân cột. Đây là điều kiện áp dụng cho móng cọc đài thấp (cọc chỉ chịu lực dọc do móng truyền lên):

$$H_{min}=0,7tg\left(45^o-\frac{\varphi}{2}\right)\sqrt{\frac{2Q}{\gamma{b}}}$$

$H_{min}$: chiều sâu đáy đài từ mặt đất hoặc mặt tầng hầm đảm bảo điều kiện tối thiểu trên

$\varphi$: góc ma sát trong của đất trên đáy đài

$Q$: tải trọng ngang tính toán tại cốt mặt móng do chân cột truyền lên

$\gamma$: dung trọng của đất trên đáy đài (có tính đẩy nổi)

$b$: Chiều rộng dự kiến của đài vuông góc với phương chịu tải trọng ngang

2. Chọn chiều cao đài

Chiều cao đài tối thiểu cần chọn đảm bảo các điều kiện chịu cắt: trên tiết diện nghiêng và chịu đâm thủng theo các yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCVN 5574:2012.

Tính toán độ bền chịu lực cắt trên tiết diện nghiêng của đài cọc

Theo điều 6.2.3.2 của TCVN 5574:2012, công thức kiểm tra theo điều kiện này là:

$$Q\leqslant{Q}_{max}=0,3\varphi_{w1}\varphi_{b1}R_bbh_o$$

$Q_{max}$: độ bền trên tiết diện nghiêng của đài cọc

$\varphi_{w1}$: hệ số xét đến ảnh hưởng của cốt thép ngang đặt theo chiều cao đài $\varphi_{w1}=1+5\alpha\mu_w$

$\alpha=\frac{E_s}{E_b}$

$\mu_w=\frac{A_{sw}}{sb}$ tính toán dựa vào bố trí cốt thép ngang trong đài: diện tích cốt thép ngang phân bố trên 1 đơn vị chiều dài 1 phương đài $\frac{A_{sw}}{s}$

$\varphi_{b1}=1-\beta{R}_b$. Đối với bêtông thông thường $\beta=0,01$

$Q$: tổng phản lực của các cọc nằm ngoài tiết diện nghiêng gần cột nhất (đoạn C1 như hình vẽ)

Tính toán chọc thủng của cột

Theo điều 6.2.5.4 của TCVN 5574:2012, Điều kiện chống nén thủng của đài cọc do cột gây ra:

$$F\leqslant{F}_b+0,8F_{sw}$$

$F_b=\alpha{R}_{bt}u_mh_o\frac{h_o}{C}$ và lấy không lớn hơn giá trị ứng với tháp nén thủng có $C=0,4h_o$

$\alpha=1$ với bêtông thông thường

$u_m$: giá trị trung bình của chu vi đáy trên và đáy dưới tháp nén thủng hình thành khi bị nén thủng, trong phạm vi chiều cao làm việc $h_o$ của đài $u_m=\frac{1}{2}\left[2(h_c+b_c)+2(h_c+2C_1+b_c+2C_2)\right]$

$F_{sw}$: tổng toàn bộ lực cắt do cốt thép ngang cắt các mặt bên của tháp nén thủng chịu $F_{sw}=R_{sw}\sum{A_{sw}}$

$\sum{A_{sw}}$: tổng diện tích các cốt thép ngang cắt các mặt bên của tháp nén thủng

$F$: lực nén thủng, bằng tổng phản lực cọc nằm ngoài phạm vi đáy tháp nén thủng.

Tính toán chọc thủng của cọc:

Việc tính toán tương tự như tính toán chọc thủng của cột, với:

$D$: cạnh cọc vuông hoặc của hình vuông nội tiếp với cọc tròn

Trường hợp mặt tháp nén thủng nghiêng một góc $45^o$:

$$u_m=4(D+h_o)$$

Trường hợp mặt tháp nén thủng nghiêng một góc lớn hơn $45^o$:

$$u_m=\frac{1}{2}\left[4D+b_1+C_1+b_2+C_2\right]$$

$F$: phản lực của cọc đang xét gây nén thủng.

Để thuận lợi cho thực hành thiết kế xây dựng, chúng tôi đã lập một bảng tính tại đây