Thiết kế do nhóm nghiên cứu tại Đại học Nghiên cứu Bách khoa Quốc gia Perm đề xuất. Thay vì duy trì tiết diện gần như không đổi trên toàn bộ chiều dài như cọc thông thường, cấu kiện mới có phần trên nhỏ và mở rộng dần xuống dưới. Hình dáng này giúp cọc hoạt động gần giống một chiếc neo trong nền đất.
Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, thiết kế tối ưu có thể giảm khoảng 40% thể tích vật liệu mà vẫn duy trì những chỉ số chịu lực chính. Độ tin cậy của cọc trong điều kiện nền đất trương nở do đóng băng cũng được đánh giá cao hơn gần 30% so với cọc hình trụ, tùy đặc điểm địa chất.
Cọc móng thường được dùng để xuyên qua lớp đất yếu phía trên và truyền tải trọng công trình xuống tầng đất chắc hơn. Đây là giải pháp phổ biến cho nhà cao tầng, cầu, công trình công nghiệp và các khu vực có nền đất yếu, đầm lầy hoặc dễ biến dạng.
Tại vùng khí hậu lạnh, cọc còn phải đối mặt với hiện tượng đất trồi do băng giá. Nước nằm trong các lỗ rỗng của đất đóng băng, tăng thể tích và làm nền đất nở lên. Đồng thời, đất cùng băng có thể bám chặt vào bề mặt cọc, tạo lực ma sát hướng lên giống như đang kéo cấu kiện khỏi mặt đất.
Quá trình này lặp lại theo mùa. Vào mùa đông, cọc có thể bị nâng lên. Khi nhiệt độ tăng và đất tan, cọc không phải lúc nào cũng trở lại hoàn toàn vị trí ban đầu. Sau nhiều chu kỳ đóng băng và tan băng, móng có nguy cơ bị lệch, làm tường nứt, sàn nghiêng hoặc kết cấu phía trên biến dạng.
Với cọc hình trụ, thành cọc gần như thẳng đứng nên lực ma sát do đất đóng băng tác động chủ yếu theo hướng kéo lên. Thiết kế của nhóm nghiên cứu tạo thêm các bề mặt nghiêng ở phần hình nón. Khi đất đóng băng gây áp lực lên những mặt này, một phần lực được chuyển thành hướng ép xuống, chống lại xu hướng trồi lên của cọc.
Nhóm nghiên cứu ví cọc truyền thống như một chiếc đinh có thể bị kéo khỏi nền đất, trong khi cấu kiện mới hoạt động giống chiếc neo. Đất càng cố đẩy cọc lên, phần mở rộng phía dưới càng tựa vào khối đất xung quanh và tạo lực giữ lại.
Điểm mới của công trình không chỉ nằm ở hình dạng cọc mà còn ở phương pháp tính toán kích thước tối ưu. Các nhà khoa học sử dụng mô hình toán học và phương pháp nhân tử Lagrange để cân bằng giữa khả năng chịu lực, sức chống trồi và lượng vật liệu cần sử dụng.
Theo kết quả công bố, bán kính mặt trên của phần hình nón tối ưu khoảng 0,139 m, chiều cao đoạn hình nón 1,2 m. Thể tích vật liệu của mỗi cọc theo cấu hình này vào khoảng 0,642 m3.
Thiết kế được cho là có khả năng chống lực trồi tương đương loại cọc hình trụ đường kính khoảng 0,3-0,4 mét, nhưng cần ít vật liệu hơn. Một nghiên cứu trước đó của nhóm cũng xem xét cọc dài 3 mét trong nền đất sét pha cứng, dưới tải trọng tổng cộng 130 kN và các mức ứng suất mô phỏng sự trương nở của đất.
Kết quả cho thấy cọc tiết diện vuông với phần trên dạng chóp cụt cần thể tích nhỏ nhất trong số các cấu hình tròn, vuông, lục giác và bát giác được so sánh dưới cùng điều kiện. Điều này cho thấy hiệu quả không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn vào cách vật liệu được phân bố dọc thân cọc.
Mức tiết kiệm gần 40% không đến từ việc làm cọc rỗng hoặc giảm khả năng chịu lực, mà từ việc tập trung bê tông tại những vị trí cần tạo hiệu ứng neo. Với cọc hình trụ, tiết diện lớn thường được duy trì trên phần lớn chiều dài, trong khi thiết kế mới giảm vật liệu ở những khu vực không cần thiết.
Nếu một dự án sử dụng hàng trăm hoặc hàng nghìn cọc, lượng bê tông và cốt thép tiết kiệm có thể đáng kể. Khối lượng phải vận chuyển và thi công cũng có thể giảm, đặc biệt tại những vùng xa xôi ở phía bắc Nga, nơi chi phí đưa vật liệu và thiết bị đến công trường thường rất cao.
Cọc mới được định hướng cho nhà ở, công trình công nghiệp, cầu và hạ tầng giao thông tại vùng đất đóng băng theo mùa, khu vực Viễn Bắc hoặc nơi nền đất dễ trương nở. Thiết kế cũng có thể hữu ích với các dự án cần hạn chế lượng vật liệu vận chuyển đến công trường.
Theo Naked Science
