Đề tài Kiểm tra chất lượng, phát hiện khuyết tật cọc khoan nhồi - Nguyên nhân và giải pháp khắc phục

thanh có tần số trong dải siêu âm tức là khoảng từ 40 đến 60 KHz. Với tần số 60 KHz, có thể phát hiện được khuyết tật nhỏ hơn 19 mm trong bê tông bình thường với vận tốc âm khoảng 4000 m/s. Kích thước này xấp xỉ kích thước của cốt liệu to nhất trong bê tông. Nếu tần số âm lớn hơn 60 KHz, kích thước của các cốt liệu riêng lẽ trong bê tông sẽ ảnh hưởng đến kết quả, do đó người ta đã đưa ra giới hạn về tần số âm trong phương pháp này. Tần số tín hiệu cao hơn cũng có xu hướng tiêu tán nhanh hơn so với các tín hiệu có tần số thấp và do đó có thể không thể thu nhận tốt. Nếu các ống ở quá xa nhau hoặc vì một lý do nào đó bê tông truyền âm kém, hoặc nếu cốt liệu thô trong bê tông quá to thì sử dụng sóng âm (tần số bé hơn 20 KHz) sẽ cho kết quả tốt hơn sóng siêu âm. Phương pháp tia gamma (Gamma-Gamma Testing) : Cơ sở của phương pháp : Cường độ của chùm tia gamma sau khi truyền qua một lớp vật chất được xác định bằng công thức: ; Trong đó : mm- hệ số hấp thụ khối, m2/g; r - mật độ vật chất, g/cm; I0 - cường độ chùm bức xạ tới; x - chiều dày lớp vật chất; B - hệ số Build-up. Như vậy giữa cường độ bức xạ I ghi nhận được và mật độ r của vật chất có mối quan hệ đơn vị và có thể viết gọn theo công thức : ; Trong đó : K0 và K1 là các hệ số đặc trưng của thiết bị đo, xác định bằng thực nghiệm trên mẫu chuẩn mật độ. Thực hiện kiểm tra : Trong phương pháp tia gamma một nguồn phóng xạ ion được hạ xuống một ống dẫn. Như đã trình bày ở trên, ống dẫn này không nên làm bằng thép vì nó có thể ngăn cản lượng tử ánh sáng (photon) của tia gamma xuyên qua bê tông. Thiết bị chứa nguồn phóng xạ cũng có thể chứa cả bộ thu tia gamma được thể hiện trên hình dưới. Số lượng photon của tia gamma trong một đơn vị thời gian được phát ra từ hạt nhân của các phân tử tác động vào vật liệu xung quanh ống và phản xạ tới bộ thu với một mức năng lượng nhất định có liên quan tới tỷ trọng của vật liệu xung quanh ống. Nếu tỷ trọng của bê tông giảm lớn so với tỷ trọng trung bình của bê tông trong một đoạn cọc thì có thể đã có các khuyết tật trong bê tông ở độ sâu đó. ống dò Vùng phân tích Sơ đồ kiểm tra cọc bằng phương pháp tia gamma 1-Nguồn phóng xạ; 2-Đầu dò; 3-Bộ kéo cơ học; 4-Bộ đo chiều sâu; 5-Bộ điện tử; 6-Bộ giao diện; 7- Máy tính. Tuy nhiên thể tích bê tông xung quanh mà ống có thể phân tích được là khá nhỏ. Nói chung là các thiết bị không thể xác định được tỷ trọng bê tông ở những điểm cách xa thành ống hơn 100 mm. Do các ống không thể đặt ở phạm vi 200 mm so với tim cọc (và cũng không nên nếu cọc đủ nhỏ để có thể đặt được), các kỹ sư phải thay thế bằng việc xác định tỷ trọng bê tông bằng việc lấy các mẫu xung quanh chu vi lồng thép. Trên hình dưới thể hiện các kết quả phân tích của phương pháp này trên một cọc có gắn 4 ống dẫn (đường kính lồng thép là 1.22 m). Bê tông cọc được đổ trong dung dịch vữa khoan. Trên hình có thể thấy phần bê tông gần đáy cọc có tỷ trọng thấp, có thể là do trộn lẫn giữa bê tông và dung dịch vữa hoặc chất cặn lắng. Đối với cọc này thì sự giảm tỷ trọng bê tông một lượng bé như thế chưa thể khẳng định là có khuyết tật hay không. Tuy nhiên ở trên đoạn cao hơn của cọc, ta thấy được sự giảm mạnh của tỷ trọng chứng tỏ rằng đã có khuyết tật ở đó. Một kết quả điển hình Phương pháp nội soi bê tông (Concreteoscopy) : Một phương pháp tương đối mới để kiểm tra chất lượng bê tông cọc khoan nhồi là phương pháp nội soi. Theo phương pháp này người ta gắn các ống nhựa trong suốt đường kính nhỏ (12.7 mm) vào lồng cốt thép tại các khoảng đều nhau xung quanh lồng. Sử dụng các camera siêu nhỏ gắn trên một sợi cáp để quan sát bê tông xung quanh ống, cũng giống như phương pháp nội soi người. Việc thực hiện phương pháp này cũng tương tự như phương pháp dùng tia gamma. Tuy nhiên kết quả quan sát không chỉ xác định được tỷ trọng mà còn đánh giá được chất lượng của bê tông. Tất nhiên không thể xác định được chất lượng của bê tông giữa các ống nhưng lại có thể thấy được rõ ràng các vết nứt hoặc rỗ tổ ong. Các thiết bị ghi số liệu và chụp X quang khá đắt tuy nhiên việc thực hiện kiểm tra thì lại ít tốn kém. Để thực hiện kiểm tra có hiệu quả thì nên kết hợp với các phương pháp như phương pháp tia gamma hoặc phương pháp phương pháp siêu âm truyền qua. Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi : Giới thiệu chung : Việc thử tải cọc có hai mục đích chính : Đảm bảo rằng cọc được kiểm tra có khả năng chịu được lực thẳng đứng (đôi khi có thể là lực ngang) theo tải trọng thiết kế; Xác định các thông tin chi tiết về khả năng chịu lực ma sát thành bên và khả năng chịu lực của đáy cọc. Cho đến những năm 1980, chỉ có một phương pháp để thực hiện thử tải cọc khoan nhồi đó là phương pháp thử tải tĩnh truyền thống. Tuy nhiên, phương pháp này có giới hạn về khả năng tạo tải (khoảng 1500 T) và yêu cầu thời gian lắp đặt và thử tải kéo dài. Hiện nay, có hai phương pháp mới để thử tải cọc khoan nhồi đã được phát triển mà không cần đến hệ thống phản lực. Hơn nữa, các phương pháp này (phương pháp thử tải Osterberg và STATNAMIC) có khả năng tạo tải lớn (3000 đến 6000 T) và tốn ít thời gian lắp đặt thí nghiệm hơn so với phương pháp thử tĩnh truyền thống và điều đó làm cho chúng ít tốn kém hơn. Trong khi phương pháp Osterberg là một hệ thống thử tải tĩnh thì phương pháp STATNAMIC được xem là một hệ thống bán động (hay còn gọi là tĩnh động). Sự khác nhau cơ bản giữa các phương pháp thử tĩnh, STATNAMIC và thử động có thể được xem xét từ các yếu tố ứng suất, vận tốc và chuyển vị dọc theo chiều dài cọc. Đối với thí nghiệm động, đầu cọc được tạo một va chạm nhanh bằng một búa rơi hoặc búa đóng cọc. Một sóng ứng suất chạy dọc theo chiều dài cọc làm cho ứng suất ở các vị trí của cọc có sự khác biệt lớn. Trong khi một số vị trí của cọc chịu nén thì một số vị trí khác lại chịu kéo. Mô hình này thay đổi liên tục trong suốt quá trình thử tải. Mô hình tương tự cũng xẩy ra đối với vận tốc và chuyển vị dọc theo chiều dài cọc. Trong phương pháp thử tải STATNAMIC, tải trọng được tác dụng từ từ xuống cọc. ứng suất nén thay đổi dọc theo cọc và tất cả các phần của cọc đều chịu nén. Từ trên đầu cọc xuống dưới, sức kháng thành bên của cọc làm giảm ứng suất nén. Tất cả các điểm dọc theo chiều dài cọc dịch chuyển hầu như cúng một vận tốc, và chuyển vị cũng thay đổi dần dần dọc theo cọc. Trong phương pháp thử tải tĩnh, tải trọng được tác dụng lên cọc theo các bước liên tục. Mỗi bước được duy trì trong khoảng thời gian từ hàng phút đến hàng giờ. Dưới đây giới thiệu một số phương pháp thử tải cọc khoan nhồi đã được sử dụng phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam. Phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống : Giới thiệu chung : Phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống là phương pháp trực tiếp xác định sức chịu tải của cọc, thực chất là xem xét ứng xử của cọc (độ lún) trong điều kiện cọc làm việc như thực tế dưới tải trọng công trình. Phương pháp này sử dụng hệ thống cọc neo hoặc dùng các vật nặng chất phía trên đỉnh cọc là đối trọng để gia tải nén cọc. Trong thí nghiệm này, cọc được gia tải theo từng cấp đến tải trọng thường bằng 1,5-2,0 tải trọng thiết kế. Cấp tải sau được tác dụng khi độ lún ở cấp tải trước đã ổn định. Dựa trên quan hệ tải trọng-độ lún, sức chịu tải của cọc được xác định với một hệ số an toàn xác định bởi thiết kế. Cho đến nay thì phương pháp này vẫn được coi là phương pháp có độ chính xác cao nhất. ở Việt Nam phương pháp này đã trở nên quen thuộc và được sử dụng khá phổ biến. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử tải tĩnh được thể hiện như trên hình dưới. Tải trọng thí nghiệm được cung cấp bởi các kích thuỷ lực. Các kích thuỷ lực này được bố trí trên cọc thí nghiệm và ở dưới dầm ngang. Khi kích hoạt động truyền tải trọng nén xuống cọc thử đồng thời truyền tải trọng lên dầm ngang tạo một lực nhổ lên các cọc phản lực. Khi thực hiện thí nghiệm ứng suất được truyền từ cọc phản lực xuống đất đá, các ứng suất này có thể gây ảnh hưởng đến sự làm việc của cọc thí nghiệm. Vì thế cọc phản lực nên đặt đủ xa cọc thử để giảm thiểu ảnh hưởng này. Theo Tiêu chuẩn Mỹ ASTM D-1143 thì khoảng cách tối thiểu giữa cọc phản lực và cọc thử là khoảng 5 lần đường kính cọc thử . Khi đó yêu cầu dầm ngang phải đủ dài và khoẻ để chịu được phản lực thí nghiệm. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử tải tĩnh Một phương pháp khác để tạo phản lực lên cọc thí nghiệm là dùng hệ neo cường độ cao (high-strength anchors). Góc nghiêng và chiều dài của neo phải được tính toán sao cho vùng truyền lực của các neo là đủ xa cọc thí nghiệm. Quy trình thí nghiệm : Công tác thử tải tĩnh được tiến hành theo TCXD 269-2002, 20 TCN 88-82 hoặc theo các Tiêu chuẩn riêng do tư vấn thiết kế quy định. Hầu hết các Tiêu chuẩn đều đề cập đến hai phương pháp nén tĩnh chủ yếu : Phương pháp thí nghiệm tải trọng không đổi (Maintained Load, ML) : Cho phép đánh giá đồng thời khả năng chịu tải của cọc và độ lún của cọc theo thời gian. Đúng như tên gọi của nó, phương pháp này thường kéo dài đến nhiều ngày. Phương pháp thí nghiệm tốc độ dịch chuyển không đổi (Constant Rate of Penetration, CRP) : Phương pháp này chỉ nhằm mục đích duy nhất là xác định khả năng chịu tải tới hạn của cọc. Thí nghiệm nén tĩnh theo phương pháp này được thực hiện rất nhanh, thường chỉ khoảng 3-5 giờ. Nhìn chung, Tiêu chuẩn thí nghiệm của các nước cũng không có nhiều khác biệt. Trên bảng trình bày so sánh phương pháp gia tải của các Tiêu chuẩn ASTM D1143-81 (Mỹ), CP 2004 (Anh), 20 TCN 88-82 . Ngoài hai phương pháp kể trên thì các tiêu chuẩn còn đề cập đến một số phương pháp gia tải khác có thể ứng dụng trong thực tế như là : Phương pháp thí nghiệm nhanh với tải trọng không đổi : Cọc được gia tải với các cấp bằng 10-15% Qa và thời gian giữ tải bằng 2,5-15 phút. Phương pháp này chỉ giới hạn thời gian gia tải ở mỗi cấp, không đặt ra yêu cầu về độ lớn ổn định quy ước. Theo một số tác giả thì dựa vào kinh nghiệm thực tế cho thấy khi cọc tựa vào các lớp sét cứng hoặc cát chặt, sự khác biệt giữa phương pháp thử nhanh và phương pháp thử chậm là không đáng kể. Phương pháp thí nghiệm "cân bằng” (Equilibrium Test or Incrementant Equilibrium Test) : Đây là một biến thể của phương pháp ML, cho phép giảm thời gian thí nghiệm. Độ lớn cấp tăng tải bằng khoảng 15-25% Qa và được giữ ổn định trong 5-15 phút, sau đó cho dù tải có giảm đi do cọc bị lún thì cũng không tăng trở lại. Với phương pháp này cọc nhanh chóng đạt tới trạng thái ổn định giữa lực nén và chuyển vị ở cấp tải trọng thấp hơn một chút so với tải trọng đã đạt được ngay trước đó. Một số thí nghiệm thực tế đã cho thấy kết quả nén tĩnh thu được theo phương pháp này tương đương với kết quả thu được với phương pháp gia tải chậm. Bảng: So sánh các phương pháp thí nghiệm Phương pháp nén chậm với tải trọng không đổi Chỉ tiêu so sánh ASTM D 1143-81 CP 2004 20 TCN 88-82 Tải trọng nén tối đa, Qmax 200% Qa* 150% - 200% Qa 150% Qa Độ lớn cấp tăng tải 25% Qa 25% Qa 10% Qa Tốc độ lún ổn định quy ước 0,25 mm/h 0,10 mm/h 0,10 mm/h Cấp tải trọng đặc biệt và 200% Qa và 100%, 150% Qa Không quy định thời gian giữ tải của cấp đó 12h Ê t Ê 24h t ³ 6 h Độ lớn cấp hạ tải 50% Qa 25% Qa 25% Qa Phương pháp tốc độ dịch chuyển không đổi Chỉ tiêu so sánh ASTM D 1143-81 CP 2004 20 TCN 88-82 Tốc độ dịch chuyển - 0,25-1,25 mm/ph cho cọc trong đất sét - 0,75-2,5 mm/ph cho cọc trong đất rời Không quy định cụ thể Quy định về dừng thí nghiệm - Đạt tải trọng giới hạn đã định trước. - Chuyển dịch tăng khi lực không tăng hoặc giảm - Chuyển dịch đạt 15% D - Đạt tải trọng giới hạn đã định trước. - Chuyển dịch tăng khi lực không tăng hoặc giảm trong khoảng 10 mm - Chuyển dịch đạt 10% D Chuyển dịch tăng khi lực không tăng Dưới đây trình bày nội dung cơ bản của phương pháp thử tải tĩnh theo 2 Tiêu chuẩn Việt Nam đang được sử dụng : Theo Tiêu chuẩn 20 TCN 88-82 phương pháp thí nghiệm hiện trường : Việc gia tải phải được tiến hành đồng đều, tránh các xung lực, phải theo từng cấp, trị số của các cấp tải tải trọng theo các chu trình thí nghiệm nhưng không lớn hơn 1/10 tải trọng lớn nhất tác dụng lên cọc đã ghi trong phương pháp thí nghiệm. Khi ở chân cọc chống vào đất hòn lớn, cát có lẫn cuội sỏi ở trạng thái chặt, cũng như đất sét ở trạng thái cứng thì đối với 3 cấp tải trọng đầu, cho phép lấy bằng 1/5 giá trị cao nhất của tải trọng tác dụng lên cọc; Với mỗi cấp tải trọng, ghi lại số đọc ở các thiết bị đo; ghi số liệu đầu tiên ngay sau khi đặt tải, 4 số ghi liên tiếp cứ 15 phút một lần, 2 số ghi sau đó cứ 30 phút một lần và sau đó là 1 giờ một lần cho đến khi chuyển vị (độ lún) đã tắt (gọi là độ lún quy ước); Tốc độ lún (chuyển vị) được coi là ổn định quy ước như sau : Không quá 0,1 mm sau 1 giờ quan sát cuối cùng nếu chân cọc thí nghiệm đã đặt lên đất cát hoặc đất sét cứng đến dẻo; Không quá 0,1 mm sau 2 giờ quan sát cuối cùng nếu chân cọc thí nghiệm đã đặt lên đất sét dẻo mềm đến chảy; Đối với cọc cho các móng cầu thì không quá 0,1 mm sau 30 phút cuối cùng khi cọc tựa lên đất hòn lớn, đất cát, đất sét ở trạng thái cứng, hay sau 1 giờ cuối cùng khi chân cọc tựa lên đất sét ở trạng thái nửa cứng và gần cứng. Cần phải tăng tải trọng thí nghiệm cho tới khi độ lún không nhỏ hơn 40 cm trừ trường hợp ở chân cọc tựa vào đất hòn lớn, cát chặt, cũng như sét ở trạng thái cứng, các trường hợp này tải trọng phải được tăng như chương trình thí nghiệm đã nêu nhưng không nhỏ hơn 1,5 lần giá trị tải trọng tác dụng lên cọc; Tiến hành dỡ tải sau khi đạt tải trọng lớn nhất. Dỡ tải từng cấp, mỗi cấp lớn gấp đôi cấp gia tải; Tiến hành quan trắc chuyển vị đàn hồi của cọc với mỗi cấp tải trọng trong vòng 15 phút; Sau khi dỡ tải hoàn toàn đến không, cần quan trắc chuyển vị đàn hồi trong vòng 30 phút trong trường hợp đất ở dưới chân cọc là cát, 1 giờ trong trường hợp đất ở dưới chân cọc là sét, cứ 15 phút ghi 1 lần; Thời điểm dừng thí nghiệm và xác định tải trọng giới hạn, Qgh,được quy định như sau : Nếu ứng với cấp tải nào đó mà độ lún D tăng liên tục (nhưng D vẫn nhỏ hơn 20 mm) thì dừng thử và lấy cấp tải trọng đó là cấp tải trọng tới hạn cho tất cả các loại công trình; Đối với công trình cầu, nếu tổng độ lún D > 40 mm mà số gia độ lún ứng với một cấp tải trọng nào bằng hoặc lớn hơn 5 lần số gia độ lún của cấp tải trọng trước đó, hoặc độ lún không tắt trong một ngày đêm thì dừng thử và lấy cấp tải trọng trước đó làm tải trọng tới hạn; Đối với các công trình còn lại, tải trọng giới hạn Qgh của cọc khoan nhồi bằng cấp tải trọng mà dưới tác dụng của cấp tải trọng ấy có độ lún D, xác định theo công thức : ; Trong đó : Sgh - độ lún giới hạn cho phép đối với công trình; x - hệ số chuyển đổi kể đến sự khác nhau giữa thời gian tác dụng của tải trọng khi thí nghiệm và của tải trọng thực tế, lấy x = 0,2; Nếu độ lún D > 40 mm thì Qgh nên lấy bằng cấp tải trọng ứng với D = 40 mm; Tải trọng cho phép Qa được xác định như sau : ; Trong đó : m - hệ số điều kiện làm việc, khi thử tải chịu nén lấy m = 1; FS - hệ số an toàn đối với đất, được lấy như sau : số cọc thử 6 cọc thì Qgh và FS xác định bằng cách xử lý các kết quả thí nghiệm bằng phương pháp thống kê. Theo Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXD 196:1997 : Tiêu chuẩn này dựa theo BS 8004:1986 [13], ASTM D1143-81 [27] và kinh nghiệm thực tế. Phương pháp thí nghiệm được trình bày chi tiết trên Bảng 4.8. Thời điểm dừng thí nghiệm được quy định như sau : Cọc bị phá hỏng do vật liệu và kích thước cọc không đảm bảo; Độ lún lớn nhất của cọc tại cấp tải trọng bằng 2,0 lần tải trọng thiết kế sau 24 giờ lớn hơn 2% đường kính cọc; Độ lún lớn hơn 80 mm. Tải trọng cho phép được lựa chọn với trị nhỏ nhất theo các điều kiện sau: Bằng 40% tải trọng mà ở đó độ lún tăng liên tục; Bằng 40% tải trọng gây ra độ lún, D, bằng 2% đường kính cọc; Bằng 40% tải trọng giới hạn xác định theo phương pháp tiếp tuyến trên biểu đồ quan hệ tải trọng-độ lún. Trình tự thực hiện : Gia công đầu cọc và đặt hệ kích. Cắt tẩy đầu cọc đến phần bê tông đặc chắc, tạo phẳng bề mặt. Lắp đặt hệ kích và căn chỉnh. Gia cố nền và lắp đặt giàn tải trọng. Lắp đặt dầm chính, dầm phụ. Lắp đặt đối trọng. Lắp đặt hệ đồng hồ đo chuyển vị. Lắp đặt máy trắc đạc (nếu có yêu cầu). Lắp đặt hệ bơm, đồng hồ thủy lực. Gia tải theo phương pháp và ghi chép số liệu hiện trường. Bảng: Phương pháp thí nghiệm theo TCXD 196 : 1997 TT Tải trọng (% tải trọng thiết kế) Thời gian gia tải A Gia tải bước 1 : 1 25 Đến khi tốc độ lún nhỏ hơn 0,25 mm trong 1 giờ 2 50 Như trên 3 75 Như trên 4 100 Như trên hoặc 24 giờ 5 50 Khi tốc độ hồi phục nhỏ hơn 0,25 mm trong 1 giờ 6 25 Khi tốc độ hồi phục nhỏ hơn 0,25 mm trong 1 giờ 7 0 Như trên cho đến lúc không đổi B Gia tải bước 2 : 8 25 Đến khi tốc độ lún nhỏ hơn 0,25 mm trong 1 giờ 9 50 Như trên 10 75 Như trên 11 100 Như trên 12 125 Như trên 13 150 Như trên 14 175 Như trên 15 200 Như trên hoặc trong 24 giờ 16 175 Khi tốc độ hồi phục nhỏ hơn 0,25 mm trong 1 giờ 17 150 Như trên 18 125 Như trên 19 50 Như trên 20 0 Như trên hoặc trong 6 giờ Báo cáo kết quả thí nghiệm : Báo cáo kết quả thí nghiệm thử tải tĩnh bao gồm các nội dung sau : Tên, vị trí công trình. Chủ đầu tư, tư vấn thiết kế/giám sát, nhà thầu thi công, đơn vị thí nghiệm. Hồ sơ cọc thí nghiệm. Biểu đồ quan hệ tải trọng-độ lún. Biểu đồ quan hệ tải trọng-độ lún và thời gian. Các nhận xét trong đó có đưa ra tải trọng giới hạn. Quá trình chất tải và biểu đồ kết quả thí nghiệm Ưu nhược điểm, phạm vi áp dụng : Phương pháp thử tải tĩnh truyền thống là phương pháp được sử dụng rất phổ biến. Cho đến nay thì phương pháp này vẫn được coi là phương pháp chính xác nhất để xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi. Tuy nhiên không phải lúc nào cũng có thể thử tải tĩnh theo công nghệ truyền thống được vì các lý do sau đây : Chi phí cho thí nghiệm lớn, đặc biệt đối với các cọc không phải ở trên mặt đất tự nhiên; Tốn thời gian cho công tác chuẩn bị và thí nghiệm nên ảnh hưởng đến thời gian xây dựng; Khả năng tạo tải trọng thử thấp, tối đa là khoảng 1000 T; Các công trình phụ trợ như dầm và neo phản lực là những kết cấu lớn, không phù hợp với các công trình có mặt bằng thi công chật hẹp. Ngoài ra, kết quả từ phương pháp thử tải tĩnh truyền thống có hạn chế là không thể hiện rõ được thành phần sức kháng thành bên và sức kháng mũi cọc mà chỉ có giá trị tổng cộng của hai thành phần đó. Do đó, đối với các cọc có tải trọng nhỏ và mặt bằng đủ rộng, nơi không có nước mặt thì phương pháp này tỏ ra thích hợp. Còn trong các trường hợp khác để thử tải cọc khoan nhồi phải sử dụng các phương pháp trình bày ở các phần sau. Phương pháp thử động biến dạng lớn PDA : Giới thiệu chung : Phương pháp thử biến dạng lớn là phương pháp thử tải trọng động xác định sức chịu tải của cọc dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong thanh đàn hồi. Năng lượng tạo xung phải đủ lớn để gây dịch chuyển của cọc dưới mỗi nhát búa không nhỏ hơn 3 mm, đủ để huy động toàn bộ sức kháng của đất nền. Biểu diễn vật lý của công thức động cơ bản Trước đây, để xác định sức chịu tải thực tế của hệ cọc-đất, ngoài phương pháp thử tải tĩnh người ta còn hay sử dụng phương pháp thử động đơn giản và cho biết ngay kết quả tại hiện trường. Mô hình chung cho tất cả các công thức động đơn giản như trên hình. Ta có phương trình cân bằng : hay ; Trong đó : W - trọng lượng quả búa; h - chiều dài cọc; s - độ lún của cọc; R - sức kháng không đổi của đất. Đây một công thức quá đơn giản dựa trên một mô hình không xét đến các hệ số về điều kiện búa, đệm, vật liệu cọc và đất nền khác nhau. Người ta đã cố gắng đưa ra các công thức thực nghiệm có đưa các hệ số nói trên vào để phù hợp với thực tế hơn. Tuy nhiên đối với các công trình quy mô lớn và có điều kiện đất nền phức tạp thì phương pháp thử động truyền thống này không đáp ứng được các yêu cầu về an toàn và kinh tế. Giữa những năm 60, Viện công nghệ Case đã phát triển và xây dựng phần mềm CAPWAP với mô hình búa cọc đất liên tục và được áp dụng khá rộng rãi gọi là “Phương pháp thử động biến dạng lớn”. Nguyên lý của phương pháp : Về cơ sở khoa học, nguyên lý của phương pháp thử động biến dạng lớn và thiết bị phân tích động cọc PDA dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong bài toán va chạm của cọc, các đặc trưng động theo Smith và dựa vào các thành tựu của kỹ thuật điện tử và tin học hiện đại, vv... Phương trình truyền sóng : Trong phương pháp này giả thiết là cọc đàn hồi đồng nhất; đất nền làm việc dẻo lý tưởng. Từ các kết qủa của lý thuyết phương trình truyền sóng ta có thể xác định được sức kháng tổng cộng của đất khi đóng cọc như sau : Trong đó : R - sức kháng tổng cộng của đất; F - lực đo được tại đầu cọc; v - vận tốc đo được tại đầu cọc; M - trọng lượng cọc; L - chiều dài cọc; C -tốc độ truyền sóng ứng suất trong cọc; t1 - thời điểm va chạm toàn phần (lực va chạm cực đại); t1 - thời điểm sóng ứng suất đi hết 1 chu kỳ từ đầu cọc đến mũi cọc và phản xạ trở lại. Phương pháp Case : Xét theo bản chất vật lý ta có : R = Rs + Rd Trong đó : R - sức kháng tổng cộng của đất; Rs- sức chịu tải tĩnh, là giá trị người thiết kế quan tâm và thu được khi thử tải tĩnh, phụ thuộc vào chuyển vị; Rd - sức chịu tải động, do việc đóng cọc, sức cản động phụ thuộc vào tốc độ; Quy trình thí nghiệm : Phương pháp thử động biến dạng lớn được thực hiện theo quy trình ASTM D4945-00 [12] hoặc theo các Tiêu chuẩn riêng do Tư vấn thiết kế quy định. Thực hiện thử tải và phân tích kết quả : Các thiết bị : Thiết bị tạo lực va chạm (búa nặng gây được dịch chuyển cọc); Thiết bị đo (lực, gia tốc, chuyển vị); Thiết bị ghi, biến đổi và trình diễn số liệu. Sơ đồ nguyên lý thử tải theo phương pháp PDA được thể hiện trên hình. Sơ đồ nguyên lý thử động PDA 1. Búa; 2. Cọc; 3. Đầu đo gia tốc; 3A. Máy đo gia tốc; 4. Đầu đo ứng suất; 4A. Máy đo ứng suất; 5. Thiết bị phân tích (máy tính+phần mềm); 6. Máy in kết quả. Các bước tiến hành thí nghiệm : Bắt chặt 2 cặp đầu đo gia tốc và biến dạng vào thân cọc đối xứng qua tim cọc, cách đỉnh cọc tối thiểu 2 lần đường kính cọc. Vào máy các thông số, kiểm tra tín hiệu các đầu đo. Bắt lại đầu đo nếu cần thiết. Dùng búa đóng cọc đóng lên đầu cọc 5 nhát. Kiểm tra chất lượng tín hiệu ghi được của từng nhát búa, nếu tín hiệu không được tốt cho đóng lại. Tắt máy chuyển sang cọc khác. Các đầu đo gia tốc và ứng suất được gắn chặt vào cọc, các tín hiệu từ đầu đo được truyền từ cọc như năng lượng lớn nhất của búa, ứng suất kéo lớn nhất của cọc, sức chịu tải Case-Goble, hệ số độ nguyên vẹn... được quan sát trong quá trình thí nghiệm trên máy tính phân tích và hiển thị. Các số liệu hiện trường được phân tích bằng chương trình CAPWAP (hoặc Case) nhằm xác định sức chịu tải tổng cộng của cọc, sức chống ma sát của đất ở mặt bên và ở mũi cọc cùng một số thông tin khác về công nghệ đóng và chất lượng cọc. Kết quả phân tích bằng phần mềm CAPWAP Nhờ phần mềm CAPWAP có thể in hoặc biểu thị ra được các kết quả dưới đây : Sức chịu tải của cọc đơn : Sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa, từng cao độ ngập đất của cọc; Ma sát thành bên; sức kháng của mũi cọc; ứng suất trong cọc : ứng suất nén lớn nhất, ứng suất kéo lớn nhất; ứng suất nén tại mũi cọc; Sự hoạt động của búa : Năng lượng truyền lớn nhất của búa lên đầu cọc (hiệu quả đóng cọc); Lực tác dụng lớn nhất lên đầu cọc; độ lệch giữa búa và cọc; Tổng số nhát búa; số nhát búa trong một phút; Chiều cao rơi búa hoặc độ nảy của phần va đập; Hệ số hoàn chỉnh b của mặt cắt thân cọc. Như vậy, phương pháp này ngoài việc xác định được sức chịu tải của cọc còn có thể phán đoán mức độ khuyết tật (có tính định tính) của cọc theo hệ số hoàn chỉnh b Bảng : Phán đoán mức độ khuyết tật của thân cọc Hệ số b 1,0 0,8 á 1,0 0,6 á 0,8 < 0,6 Mức độ khuyết tật Hoàn chỉnh Tốn thất ít Phá hỏng Nứt gãy Báo cáo kết quả : Báo cáo kết quả thí nghiệm thử động PDA gồm có các nội dung sau : Tên, vị trí công trình. Chủ đầu tư, tư vấn thiết kế/giám sát, nhà thầu thi công cọc, đơn vị thí nghiệm. Số liệu về cọc thí nghiệm như kích thước cọc, ngày đổ bê tông, ngày thí nghiệm. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm. Các biểu đồ quan hệ lực, vận tốc, sức chịu tải, năng lượng... theo thời gian. Biểu đồ quan hệ tải trọng-biến dạng và các bản tính. Kết luận và kiến nghị. Phương pháp thử tải trọng tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg : Để thay thế cho việc sử dụng các kích truyền thống, dầm neo và hệ thống neo người ta đã sử dụng kích và hộp tải trọng đặt sẵn trong cọc trước khi thi công để thực hiện thử tải thẳng đứng cọc. Kích và hộp tải trọng này được gọi là hộp tải trọng Osterberg. Nguyên lý của phương pháp : Về nguyên lý phương pháp này khá đơn giản. Dùng một hay nhiều hộp tải trọng Osterberg (hộp thuỷ lực làmn việc như một kích thuỷ lực) đặt ở mũi cọc hay hay ở hai vị trí mũi và thân cọc trước khi đổ bê tông cọc khoan nhồi. Sau khi bê tông dủ cường độ tiến hành thử tải bằng cách bơm dầu thuỷ lực để tạo áp lực trong hộp kích. Đối trọng chính là trọng lượng cọc và sức chống ma sát hông. Theo nguyên lý phản lực, lực truyền xuống đất mũi cọc bằng lực truyền lên thân cọc. Việc thử tải sẽ đạt tới phá hoại khi một trong hai phá hoại xẩy ra ở mũi cọc