13/10/2025
Sự tương thích của sáng chế “Phương pháp thi công móng bè - cọc
theo tỷ lệ chịu lực cho trước giữa bè và cọc” với TCVN 10304:2025 – Thiết kế móng cọc
1. Mở đầu
Móng bè - cọc có thể hiểu là một loại móng của công trình xây dựng được làm bằng cọc thép hoặc bê tông cốt thép... chôn vào đất nền, phía trên đầu cọc được liên kết bằng vật liệu chịu lực (gọi là hệ đài cọc, băng hoặc bè sau đây gọi chung là bè) sao cho phần bè này cũng tựa trên đất nền. Mục đích là để cho phần bè và phần cọc cùng chịu lực và tổng của hai thành phần lực này đúng bằng tổng tải trọng công trình. Như vậy đây là loại móng hỗn hợp từ sự kết hợp giữa hai loại móng rất phổ biến từ trước đến nay đó là móng bè và móng cọc. Móng bè – cọc hỗn hợp phát huy được các ưu điểm của loại móng này đồng thời hạn chế được nhược điểm của loại móng kia, mang lại hiệu quả kinh tế. Việc Tiêu chuẩn TCVN 10304:2025 – Thiết kế móng cọc cho phép tính toán móng bè – cọc hỗn hợp là một tiến bộ trong ứng dụng khoa học công nghệ vào lĩnh vực xây dựng [1]. Sáng chế “Phương pháp thi công móng bè - cọc theo tỷ lệ chịu lực cho trước giữa bè và cọc” (được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền sáng chế) [2] đã góp phần giải quyết yêu cầu về mô hình tính toán được quy định trong Tiêu chuẩn.
2. Vấn đề được Sáng chế giải quyết
2.1 Giới thiệu
Hiện nay trên thế giới bằng nhiều phương pháp khác nhau, người ta đã tính toán được tỷ lệ chịu lực giữa cọc và bè trong quá trình làm việc của nó để đưa ra một giải pháp thiết kế phù hợp [3,4,5,6,7]. Cho dù phương pháp tính khác nhau nhưng kết quả tỷ lệ chịu lực giữa bè và cọc (hay tỷ lệ giữa phần chịu lực của bè và tổng tải trọng công trình) là một tỷ số cố định đối với một công trình cụ thể. Mặc dù có cùng độ lún nhưng độ cứng của hệ cọc lớn vượt trội so với đất nền vì vậy đối với công trình được thiết kế và thi công theo thứ tự từ thấp đến cao (cọc, bè móng, phần thân, mái) và hệ số an toàn của cọc lớn hơn 1,2 theo tiêu chuẩn Việt Nam [1], phần chịu lực của đất nền chỉ chiếm một phần nhỏ. Trung bình tỷ lệ phần chịu lực của đất nền so với tổng tải trọng công trình nằm trong khoảng 10 – 40% [3,4,5,6,7], tỷ lệ này tăng dần khi khả năng chịu lực của đất nền càng tăng, độ lún công trình và chiều sâu chôn móng tăng lên. Đối với công trình sử dụng móng bè - cọc khả năng chịu lực của bè tương đối lớn (vì bề rộng móng lớn), việc chỉ khai thác phần nhỏ khả năng chịu lực này của bè và đất nền là một sự lãng phí. Tuy nhiên nếu khai thác hết khả năng chịu lực của đất nền độ lún công trình có thể sẽ vượt quá tiêu chuẩn cho phép, vì vậy tùy theo địa chất từng công trình nên thiết kế bè móng chủ động chịu một lượng tải trọng công trình (sao cho độ lún tổng thể công trình vẫn nằm trong giới hạn cho phép), phần tải trọng còn lại hệ cọc sẽ chịu. Điều này có thể thực hiện được trong trường hợp thiết kế và thi công móng cọc theo phương pháp cho cọc tham gia chịu lực sau, tức là thi công (gia tải) công trình đến giá trị tải trọng (hoặc độ lún) cho trước, sau đó mới cho cọc tham gia chịu lực (cọc ép sau, …) trước khi tiếp tục thi công hết tải trọng công trình. Về tổng thể quá trình được kiểm soát dựa trên hai phương án, thứ nhất là cọc được thi công trước tham gia chịu lực cùng một lần với bè móng, phương án này cho tỷ lệ chịu lực của nền tối đa khoảng 10-40%; thứ hai cọc tham gia chịu lực sau, phương án này cho phép tăng tỷ lệ chịu lực của nền cao hơn và có thể đạt 100% (tức là không có cọc), tuy nhiên tỷ lệ này bị khống chế bởi độ lún cho phép của công trình.
2.2 Vấn đề cơ bản được giải quyết
Vấn đề cơ bản được giải quyết ở đây là tính phản lực nền tác động vào bè móng, đây là tải trọng quan trọng tác động ngược vào đáy bè móng. Đối với công trình bất kỳ có sử dụng móng cọc, phản lực này tồn tại khách quan tác động vào đáy bè hoặc đài cọc. Đây là một loại tải trọng nguy hiểm đặc biệt đối với đáy tầng hầm nhà cao tầng có sử dụng móng cọc. Cách tiếp cận của phương pháp hoàn toàn tuân thủ nguyên tắc cơ học, không xuất hiện hệ số mới. Hai tương tác quan trọng làm nền tảng cho phương pháp này bao gồm các thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường của cọc và phép tính lún thực của bè lần lượt là các tương tác cọc-đất và bè-đất. Ngoài ra, hiệu ứng nhóm cọc cũng được xem xét. Sáng chế cho phép chủ động thiết kế số lượng cọc tối ưu với hệ số an toàn bất kỳ và phù hợp với địa chất từng công trình cụ thể, thậm chí cho phép phát triển tải trọng giới hạn trong cọc. Việc tính toán đơn giản, thậm chí tính toán chính xác bằng tay sự chia sẻ tải trọng giữa cọc và bè trước khi sử dụng máy tính. Sau đó mô phỏng móng bè cọc trên nền đàn hồi bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), trong đó công trình tương tác với nền thông qua hai loại liên kết đàn hồi (spring), trong đó một loại liên kết đại diện cho đất và một loại đại diện cho cọc. Liên kết đại diện cho đất được tính từ phép tính lún công trình theo Tiêu chuẩn TCVN 9393 : 2012 [8], liên kết đại diện cho cọc được tính từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường theo TCVN 9362 : 2012 [9]. Bằng phần mềm tính toán kết cấu có thể kiểm soát chênh lệch lún trên toàn bộ móng cũng như mô men uốn và lực cắt xuất hiện trong bè để thiết kế kết cấu bè móng. Sáng chế đáp ứng tất cả các yêu cầu của H.G.Poulos và cộng sự [10], bao gồm các khả năng sau: 1. xem xét tương tác cọc-bè-đất một cách hợp lý; 2. sự thay đổi về số lượng, vị trí và đặc điểm của các cọc; 3. xem xét đến cơ lý đất thực tế; 4. tính toán tải trọng mang giữa cọc và bè; 5. khả năng cho phép phát triển tải trọng tới hạn trong cọc, cả về lực nén và lực kéo, và ứng xử tải trọng-độ võng phi tuyến của móng; 6. Tính toán độ lún và chênh lệch độ lún trên toàn bộ phần móng; 7. tính toán mô men uốn và lực cắt của bè để thiết kế kết cấu bè móng; 8. khả năng được sử dụng bởi các kỹ sư thực hành mà không cần đào tạo và nỗ lực quá mức.
2.3 Ứng dụng thực tế
Sáng chế đã được ứng dụng tại một số công trình trên địa bàn Đồng Hới, tỉnh Quảng Trị. Hình 1 là công trình khách sạn REX tại 09 Bạch Đằng, phường Đồng Hới, tỉnh Quảng Trị đã ứng dụng Sáng chế trong thiết kế và thi công phần móng. Công trình có quy mô 15 tầng nổi và một tầng hầm, nằm trên vùng đất có địa chất ổn định, tải trọng phản lực đất nền tác động vào đáy tầng hầm được tính toán theo các bước của Sáng chế (chiếm 30% tổng tải trọng công trình). Kết cấu đáy tầng hầm được thiết kế vừa đủ đảm bảo chịu lực (không nứt thấm) đồng thời số cọc giảm đi đáng kể, làm hài lòng chủ đầu tư.
3. Sự tương thích của Sáng chế với TCVN 10304:2025
* Tiêu chuẩn TCVN 10304:2025 – Thiết kế móng cọc (thay thế TCVN 10304:2014) được ban hành là một tiến bộ trong ứng dụng khoa học công nghệ vào lĩnh vực xây dựng, trong đó Tiêu chuẩn quy định rõ mô hình “tính toán công trình và nền của nó cần được xét đồng thời, tức là phải xét đến sự tương tác giữa công trình và nền chịu nén”. Đây là vấn đề cơ bản được trình bày ở mục 2.2, phản lực nền vào công trình thông qua đài hoặc bè phải được tính toán vì đây là tải trọng nguy hiểm đối với bè móng. Sau đó tùy theo sự ổn định của đất nền kỹ sư thiết kế có thể giảm bớt phần chịu tải của cọc.
* Đối với móng bè - cọc hỗn hợp trong tính toán tương tác công trình và nền Tiêu chuẩn cho phép và hướng dẫn sử dụng các phần mềm địa kỹ thuật chuyên dụng. Đây là vấn đề khó khăn đối với các kỹ sư thiết kế khi sử dụng phần mềm địa kỹ thuật vì độ tin cậy khó kiểm chứng, trong khi đó Tiêu chuẩn yêu cầu phải khẳng định độ tin cậy của kết quả tính toán với những bước khá khắt khe, thậm chí phải so sánh với số liệu hiện trường (ví dụ như kết quả nén tĩnh,…) [1]. Sáng chế như giới thiệu có thể thực hiện tính toán một cách tường minh mà không dùng bất kỳ phần mềm địa kỹ thuật nào (phần mềm địa kỹ thuật khác với phần mềm tính toán kết cấu).
* Ngoài việc bè móng chịu phản lực đất nền làm giảm tải trọng lên cọc (số cọc giảm xuống), Tiêu chuẩn cho phép sử dụng giải pháp thiết kế với khoảng cách cọc thay đổi hặc không đổi trên mặt bằng đã cho phép kỹ sư thiết kế có thể triển khai cọc ra biên của công trình làm tăng khả năng chịu lực ngang (gió, động đất,…), qua đó làm giảm số lượng cọc thêm một lần nữa.
4. Kết luận
Phương pháp tính hoàn toàn tuân thủ Tiêu chuẩn TCVN 10304:2025 – Thiết kế móng cọc, và các Tiêu chuẩn liên quan [1,8,9], trong đó hai tương tác quan trọng làm cơ sở cho việc tính toán là kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc và phương pháp tính lún công trình. Trong đó có thể tiến hành quan trắc độ lún tương ứng với tải trọng được gia như một biện pháp kiểm chứng và hiệu chỉnh lý thuyết tính toán lún đưa ra ban đầu, trong giai đoạn này tải trọng được gia và độ lún tương ứng đo được là thông tin quyết định cho thời điểm đưa cọc vào chịu lực cùng với bè. Việc đưa cọc vào tham chịu lực sau có thể có hai giải pháp, thứ nhất là cọc được ép sau như giải pháp phổ biến hiện nay, thứ hai là cọc có thể được thi công trước sau đó mới cho cọc tham gia chịu lực sau. Giải pháp cọc ép sau có nhược điểm là tải trọng trên (một) cọc nhỏ vì khó thi công các cọc có kích thước lớn. Giải pháp thứ hai hoàn toàn khắc phục được nhược điểm của giải pháp thứ nhất, tuy nhiên hiện nay vẫn chưa phổ biến rộng rãi và cần có các giải pháp chi tiết khi cho cọc thi công trước tham gia chịu lực sau. Hiện nay theo Tiêu chuẩn hầu hết các công trình được thiết kế móng cọc đều phải thí nghiệm nén tĩnh một số lượng cọc nhất định để kiểm tra và điều chỉnh thiết kế trước khi thi công cọc đại trà [1]. Cùng với kết quả khảo sát địa chất, đây là những số liệu thực tế có tính quyết định đối với phương pháp tính, đem lại độ tin cậy cao khi thiết kế kết cấu móng công trình.