Hiệu ứng nhóm cọc tiết kiệm bao nhiêu tiền? | Thiết kế nhà cao tầng

Đáng nhẽ bài này không được viết. Nhưng khá ngạc nhiên là thường xuyên vấp phải trong thực tế thiết kế móng cọc. Gây tranh cãi nảy lửa giữa Tư vấn thiết kế, chủ đầu tư, thẩm tra, thẩm định, nghiệm thu 😔.

Tình huống điển hình

Tải trọng chân cột lên móng 450T. Sức chịu tải tính toán của 1 cọc là 100T. Thiết kế bố trí 4 cọc. Thẩm tra bảo thiếu, phải 5 cọc cơ.

Lý lẽ của thẩm tra: 450T/4 = 112,5T > 100T. Suy ra, cọc bị vượt quá sức chịu tải của nó, không đạt. Nghe có vẻ hợp lý bùi lỗ tai quá còn gì.

Ấy khoan… 😵

Trong tình huống tranh cãi, ai đủ thẩm quyền phán xử? Phải lôi Tiêu chuẩn ra làm trọng tài. Tiêu chuẩn hiện có hiệu lực là TCVN 10304:2014 “Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế”.

📚Từ điển

✒️Sức chịu tải của cọc:

Lực lên cọc tối đa có thể chịu được.

Tiêu chuẩn 10304 thì định nghĩa khó hiểu hơn, nhưng đỡ gây hiểu lầm, trong mục 3.11:

Sức chịu tải của cọc (Bearing resistance of a single pile):

Sức kháng cực hạn của nền đối với cọc đơn theo điều kiện giới hạn sự phát triển quá mức của biến dạng trượt trong nền.

Theo tiêu chuẩn cũ TCXDVN 205:1998, Sức chịu tải cọc gồm: sức chịu tải cực hạn $Q_u$ (u-Ultimate), sức chịu tải cho phép $Q_a$ (a-Allowable):

✒️Sức chịu tải cực hạn : 

là giá trị sức chịu tải lớn nhất của cọc trước thời điểm xảy ra phá hoại, xác định bằng tính toán hoặc thí nghiệm.

✒️Sức chịu tải cho phép : 

là giá trị tải trọng mà cọc có khả năng mang được, xác định bằng cách chia sức chịu tải cực hạn cho hệ số an toàn quy định.

Như vậy khái niệm Sức chịu tải cọc, theo tiêu chuẩn mới, tương đương Sức chịu tải cho phép của cọc đơn theo tiêu chuẩn cũ.

Tại sao tranh cãi?

Do thói quen từ tiêu chuẩn cũ 205. Trong đó có nói đến hiệu ứng nhóm cọc ở mục 3.9.3, 3.9.5 nhưng không nói cụ thể con số bao nhiêu. Do đó cứ lấy hết theo sức chịu tải cho phép của cọc đơn.

✒️Hiệu ứng nhóm cọc:

Do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên độ lún của nhóm cũng như Sức chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn.

Giải thích: Các cọc xung quanh góp phần làm chặt đất. Làm cho đất xung quanh cọc chịu được tải trọng lớn hơn so với khi cọc đứng một mình. Số lượng cọc càng nhiều, khả năng chịu được có xu hướng tăng lên.

Hiệu ứng nhóm cọc sẽ giảm dần khi khoảng cách giữa các cọc tăng lên. Tiêu chuẩn không nói rõ khoảng cách cọc bao nhiêu thì Hiệu ứng nhóm bị bỏ qua. Theo một số Giáo trình, con số là 6d. (d là đường kính cọc). Tất nhiên vì tiết kiệm 💰, thiết kế luôn bố trí khoảng cách cọc nhỏ nhất có thể để giảm thiểu kích thước đài. Do đó Hiệu ứng nhóm luôn phát huy.

Gì cũng có 2 mặt, bất lợi của Hiệu ứng nhóm cọc là làm tăng độ lún.


Theo tiêu chuẩn mới 10304, Sức chịu tải cho phép của cọc xác định theo công thức:

$$Q_a=\frac{\gamma_o}{\gamma_n}\frac{R_{c,k}}{\gamma_k}$$

Từ một giá trị của $R_{c,u}$ ($R_{c,k}$), sẽ ra mấy giá trị của $Q_a$ tuỳ theo các trường hợp của $\gamma_o,\gamma_n,\gamma_k$ lấy theo mục 7.1.11.

Số cọc trong móng	$\gamma_o$	$\gamma_k$	Hệ số nhóm cọc
1 (cọc đơn)	1	1,75	1,0
2 - 5	1,15	1,75	1,150
6 - 10	1,15	1,65	1,220
11 - 20	1,15	1,55	1,298
> 20	1,15	1,4	1,438

Trong bảng trên, hệ số nhóm cọc phụ thuộc vào $\gamma_o/\gamma_k$ của từng trường hợp. Do $\gamma_n$ là như nhau. Lấy trường hợp móng chỉ có 1 cọc làm mốc (hệ số bằng 1). Các móng nhiều cọc hơn, hệ số này cho thấy sức chịu tải của cọc trong nhóm tăng lên bao nhiêu lần.

Bảng trên mô tả trường hợp phổ biến nhất, đáy đài nằm trên đất yếu (mục 7.1.11.b). Vì đất yếu mới phải dùng móng cọc. Trường hợp ít gặp hơn, đáy đài nằm trên đất tốt, hoặc cọc chống chịu nén (mục 7.1.11.a). Khi đó $\gamma_k$ không đổi, chỉ $\gamma_o$ khác, dẫn tới hệ số nhóm cọc là 1,15 cho nhóm nhiều hơn 1 cọc.

Trường hợp xác định sức chịu tải cọc từ thí nghiệm nén tĩnh, các hệ số $\gamma$ khác nhe. Dùng các giá trị trong ngoặc () của mục 7.1.11.

Tóm lại tiêu chuẩn mới 10304 đã lượng hoá được Hiệu ứng nhóm cọc.


Một trường hợp nữa cho phép cọc chịu được tải trọng lớn hơn sức chịu tải tính toán là khi móng chịu tải gió. Tải lên cọc được vượt 20% (theo chú thích 2 của mục 7.1.11 tiêu chuẩn). Lưu ý điều này không áp dụng cho tổ hợp động đất. Khi đó khéo còn bị giảm đi so với trường hợp chỉ chịu tải trọng đứng (trọng lượng bản thân và tải trọng sử dụng). Xem TCVN 9386:2012 quyển 2 mục 5.4.1.2 (6). Hệ số thường là 0,9 (giảm 10%).

Ảnh hưởng túi tiền💰

Câu trả lời cho ví dụ gây tranh cãi trên: lấy tiêu chuẩn 10304 làm trọng tài. Áp dụng hệ số nhóm cọc cho đài 4 cọc là 1,15. Nghĩa là mỗi cọc trong móng 4 cọc chịu được tải trọng 115T so với chỉ 100T khi trong móng 1 cọc. Vậy 4 cọc này chịu được 4x115= 460T > 450T, gánh được tải trọng lên móng.

Tiền: cọc ép ly tâm đường kính D400 sâu 30m. Giá thị trường 550.000đ/m chiều sâu. Đã bao gồm tiền cọc, công ép. Giảm 1 cọc tiết kiệm được 30x550.000đ = 16.500.000đ. Nhà có 100 móng như vậy. Lý lẽ nghe bùi tai của thẩm tra tốn kém cho chủ đầu tư 1,65 tỷ 💰💰💰 Chưa kể tiền cho mỗi móng to lên nếu làm 5 cọc. Cái giá phải trả cho cảm xúc yêu mến nhiều khi không hề rẻ 🥰

Tuy vậy động đến phạm trù cảm xúc, ông Tư vấn thiết kế chớ có cãi gân cổ. Thuyết phục 1 trái tim thiên lệch nhiều khi là bất khả thi. Khi đó kỹ năng mềm lên ngôi, nhưng không phải chủ đề của bài này😉

Chú ý cho người thiết kế

• Ghi rõ là sức chịu tải của cọc Đơn. Cẩn thận hơn liệt kê thành bảng sức chịu tải cọc ứng với móng 1 cọc, 2-5 cọc, 6-10 cọc… Việc này đúng ra là không cần thiết, như tiêu chuẩn mới đã định nghĩa về Sức chịu tải cọc ở trên. Nhưng thôi, để tránh tranh cãi.

• Sức chịu tải theo vật liệu của cọc (bê tông cốt thép) phải lớn hơn tải trọng sau khi nhân các hệ số nhóm cọc và hệ số 1,2 cho phép tăng lên khi chịu tải gió. Trong ví dụ trên 1 cọc khi chịu gió có thể lên tới 1,2x1,15x100T = 138 tấn.