XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA KHUYẾT TẬT TRONG BÊ TÔNG ĐỐI VỚI CHẤT LƯỢNG CỌC KHOAN NHỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

Xu h−ớng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu, nhiều khi là phương án duy nhất đối với kết cấu móng của những công trình xây dựng đòi hỏi đáp ứng được tải trọng tập trung lớn. Trong đó, trước hết phải kể đến là công trình nhà cao tầng, nhà nhịp lớn, công trình cầu với khẩu độ hàng trăm mét. Ưu điểm cơ bản của loại móng cọc này là cho phép thi công được cọc tiết diện lớn, cắm được vào lớp đất sâu vài chục mét, tựa vào nền đất có cường đô cao hơn hẳn so với các loại cọc đóng hay cọc ép. Với việc áp dụng công nghệ thi công hiện đại, việc áp dụng cọc khoan nhồi còn thích hợp với những công trình thi công ở điều kiện xây chen trong trhành phố

-KS Nguyễn thanh quang

xác định ảnh hởng của khuyết tật trong bê tông đối

với chất lợng cọc khoan nhồi bằng Phơng pháp siêu âm

Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

M số : ã số :

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hớng dẫn khoa học: PGS.TS hoàng nh tầng

Hà Nội - 2006

Lời cảm ơn Xin chân thành cảm ơn thầy: PGS TS Hoàng Nh Tầng, các Giáo s, Phó Giáo s, Tiến sĩ, các thầy, cô trong khoa Đào tạo sau đại học Trờng Đại học Xây dựng

-Hà Nội, Công ty Coninco, các đồng nghiệp, bạn bè và ngời thân đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này !

Hà nội, ngày 10 tháng 3 năm 2006.

KS Nguyễn Thanh Quang

phần mở đầu

1 Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu.

Xu h ớng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu, nhiều khi là phướng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu, nhiều khi là ph ơng án duy nhất đối với kết cấu móng của những công trình xây dựng đòi hỏi đáp ứng đợc tải trọng tập trung lớn Trong đó, trớc hết phải kể đến là công trình nhà cao tầng, nhà nhịp lớn, công trình cầu với khẩu độ hàng trăm mét Ưu điểm cơ bản của loại móng cọc này là cho phép thi công đợc cọc tiết diện lớn, cắm đợc vào lớp đất sâu vài chục mét, tựa vào nền đất có cờng đô cao hơn hẳn so với các loại cọc đóng hay cọc ép Với việc áp dụng công nghệ thi công hiện đại, việc áp dụng cọc khoan nhồi còn thích hợp với những công trình thi công ở điều kiện xây chen trong trhành phố

Mặc dù công nghệ thi công cọc khoan nhồi hiện nay đã đạt đợc những tiến lớn với việc sử dụng máy móc chuyên dùng cùng phơng tiện và thiết bị hiện đại, nhng trong nhiều trờng hợp vẫn không tránh khỏi khuyết tật xảy ra, làm ảnh h-ởng đến chất lợng bêtông, gây giảm yếu khả năng chịu lực của cọc Thực tế này

đòi hỏi ở công tác kiểm tra chất lợng bêtông cọc mỗi ngày một chặt chẽ, với việc cung cấp thông tin về chất lợng cả về mặt định tính và định lợng Đây chính là nhiệm vụ đặt ra đối với những ngời làm công tác kiểm định chất lợng cọc Tuỳ theo quy mô và mức độ phức tạp của công trình, nhiều khi đòi hỏi phải kiểm tra với số lợng cọc từ 50 đến 100% tổng số cọc trong công trình

Hiện nay, phụ thuộc vào chỉ định của thiết kế và điều kiện trang thiết bị sẵn

có, ngời ta có thể kiểm tra chất lợng cọc bănghf nhiều phơng pháp khác nhau

Có thể nêu tên một số phơng pháp kiểm định chất lợng cọc khoan nhồi hiện

đang áp dụng phổ biến ở Việt Nam nh sau :

trong tay Môtphơng pháp siêu âm hiện đang đợc áp dụng phổ biến Qua những thông tin về biểu đồ vận tốc xung siêu âm ( wavespeed ) hoặc biểu đồ thời gian

đến (first arrival time), năng lợng (energy) v biểu đồ phổ siêu âm (waterfall)à biểu đồ phổ siêu âm (waterfall) cho phép đánh giá hiện trạng chất lợng của bêtông cọc khảo sát Tuy nhiên, với những kết quả thí nghiệm nhận đợc, việc đánh giá mức độ ảnh hởng của những khuyết tật khác nhau đối chất lợng cọc còn có những vấn đề cha đợc làm rõ Vì vậy, việc thi công gặp khó khăn và dẫn đến việc xử lý khi cọc có sự cố, kém hiệu quả cùng những tốn kém không cần thiết Trong quá trình thi công cọc khoan nhồi thờng xảy ra những khuyết tật rất đa dạng Chúng nằm sâu trong lòng bêtông cọc mà ngời thí nghiệm cần phải nhận dạng, đánh giá mức độ ảnh

hởng của nó đối với chất lợng bêtông kiểm tra một cách cụ thể hơn Cho đến nay, việc giải quyết vấn đề này phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm chủ quan của CBKT kiểm định

 Đề tài sẽ nghiên cứu phơng pháp phân biệt một số dạng khuyết tật thờng gặp và định lợng mức độ ảnh hởng của chúng đối với chất lợng bêtông cọc bằng thực nghiệm Trên cơ sở đó cho phép ngời kỹ s chẩn đoán và đánh giá hiện trạng chất lợng cọc khoan nhồi một cách nhất quán và chuẩn xác hơn

Đây cũng chính là giải pháp nâng cao độ tin cậy của phơng pháp thí nghiệm đánh giá chất lợng bêtông cọc khoan nhồi bằng phơng pháp siêu

âm

02 Mục đích nghiên cứu

 Trên cơ sở tổng hợp kết quả kiểm tra chất lợng bêtông cọc khoan nhồi bằng phơng pháp Siêu âm trên hiện trờng và kết quả thực nghiệm trên mô hình, rút ra những dạng khuyết tật thờng gặp và đề xuất phơng pháp xác

định mức độ ảnh hởng của chúng đối với sự làm việc của kết cấu cọc

03 Đối tợng nghiên cứu

 Chất lợng bê tông của cọc khoan nhồi

04 Nội dung nghiên cứu

 Tổng quan về phơng pháp thí nghiệm kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi Tìm hiểu, so sánh về 1 số phơng pháp thí nghiệm kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi hiện nay áp dụng ở Việt nam

 Một số dạng khuyết tật bê tông thờng gặp đối với cọc khoan nhồi và sự biểu hiện tơng ứng của chúng trong kết quả thí nghiệm siêu âm:

 Nghiên cứu thực nghiệm qua mô hình thí nghiệm với những khuyết tật

định trớc bố trí trong cọc

 Kiến nghị về phơng pháp nhận dạng khuyết tật qua kết quả kiểm tra siêu

âm

Chơng 1

Tổng quan về thí nghiệm cọc

Trong quá trình thi công cọc , có rất nhiều yếu tố ảnh hởng tới chất lợng thi công cọc làm cho cọc có thể có khuyết tật trong quá trình thi công Các khuyết tật này rất ít khi đợc phát hiện trong quá trình thi công nếu không có thiết bị theo dõi liên tục Nếu phát hiện muộn sẽ dẫn tới giá thành của biện pháp sửa sữa, gia cố cao Mặt khác, do tính chất phức tạp của đất nền cũng nh cần kiểm tra chất lợng cọc sau khi thi công, ngời ta thờng tiến hành chọn một hoặc một vài biện pháp thí nghiệm cọc tại hiện trờng Hiện nay có nhiều phơng pháp kiểm tra chất lợng và khả năng làm việc cọc đang đợc dùng tại Việt Nam nh dới

đây:

I Phơng pháp thí nghiệm tải trong tĩnh

Các công trình thờng chịu tải trọng tĩnh nên sức chịu tải thu đợc từ tải trọng tĩnh sẽ phản ánh đúng hơn khả năng làm việc của công trình Phơng pháp này còn cho ta khả năng chịu nhổ và chịu lực ngang của cọc

I 1 Phơng pháp nén tĩnh

I 1 1 Nguyên lý

Tác dụng một lực lên đầu cọc Lực này

tăng theo từng cấp theo thời gian cho đến

khi đạt tải trọng yêu cầu

I 1 2 Dụng cụ

Dùng một số cọc đóng xuống hoặc nhồi

gần vị trí cọc thử làm hệ thống neo để chẹn

kích gia tải thí nghiệm nh hình vẽ 1-1 Cách

này có thể dùng khi ma sát của đất xung

quanh cọc đủ lớn và có thể chịu đợc lực nhổ

Số cọc neo có thể là 4,6,8 có thể tận dụng

luôn các cọc đã hạ xuống trong đài để làm

cọc neo

Trong trờng hợp đất yếu, ma sát xung

quanh mặt cọc không đủ để neo thì dùng

bàn gia tải nh hình vẽ 1-2.

I 1 3 Quá trình thực hiện

Tải trọng đợc ra theo từng cấp bằng 1/10

đến 1/15 tải trọng giới hạn xác định theo

tính toán ứng với mỗi cấp tải trọng, ngời ta

đo độ lún của cọc nh sau: Bốn lần ghi số đo

đồng hồ đo lún, mỗi lần cách nhau 15 phút,

hai lần cách nhau 30 phút, sau đó mỗi giờ lại

ghi một lần cho đến khi độ lún của cọc là

hoàn toàn ổn định dới cấp tải trọng đó Cọc

đợc coi là lún ổn định dới cấp tải trọng nếu

mức chênh độ lún trong hai lần đo kế tiếp

nhau  0.01mm Khi đó tiến hành hạ tải

I 1 4 Kết quả thu đợc

Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, ngời ta

xây dựng đờng quan hệ giữa độ lún và tải

trọng tác dụng lên cọc (tơng ứng với sức

kháng của đất).

5

2

1

Hình 1-1_Thử tải trọng tĩnh dùng cọc neo; 1-Cọc thí nghiệm; 2-Bơm dầu; 3-Thiết bị đo biến dạng; 4-Kích thủy lực; 5-Dầm thép; 6-Cọc neo

Đối trọng

1

3

5

6

Hình 1-2_Thử tải trọng tĩnh dùng bàn gia tải; 1-Cọc thí nghiệm; 2-Bơm dầu; 3-Thiết bị đo biến dạng; 4-Kích thủy lực; 5-Dầm thép; 6-Gối đỡ.

I 1 5 Nhận xét

Phơng pháp nén tĩnh cho kết quả là sức chịu tải tĩnh theo chuyển vị tơng ứng của cọc thí nghiệm Ưu điểm của phơng pháp :

 Phơng pháp này cho kết quả có độ chính xác cao

 Thiết bị thí nghiệm đơn giản

Tuy vậy phơng pháp có một số hạn chế:

 Thời gian thí nghiệm với một cọc khá lâu

 Yêu cầu về mặt bằng thí nghiệm cao, đặc biệt là với các cọc có sức chịu tải trọng lớn Trong trờng hợp này , tải trọng sử dụng làm đối trọng hoặc các cọc neo cũng ảnh hởng ít nhiều đến sự làm việc của cọc thử Rất khó dùng cho các công trình có địa hình chật hẹp hoặc nằm ven hay trên sông, biển…

 Giá thành cao, đặc biệt hiệu quả kinh tế thấp với các công trình nhỏ

I 2 Phơng pháp thí nghiệm Osterberg

I 1 1 Nguyên lý

Phơng pháp này dùng lực ma sát

thành của cọc làm đối trọng để kiểm

tra khả năng chịu tải tại mũi cọc Tác

dụng một lực lên mũi cọc Lực này

tăng theo từng cấp theo thời gian cho

đến khi đạt tải trọng yêu cầu

I 1 2 Dụng cụ

Một kích thuỷ lực (hay đợc gọi là

hộp Osterberg) đợc đặt tại mũi cọc nh

hình vẽ 1-3 Các ống dẫn dầu và ống

đo áp lực dầu đợc đặt trớc khi đổ bê

tông cọc

I 1 3 Quá trình thực hiện

Sau khi bê tông cọc đã đủ tuổi, ngời

ta tiến hành bơm dầu vào kích Đồng

hồ đo cho biết áp lực của dầu trong

kích Chuyển vị đi xuống của mũi cọc,

chuyển vị lên của thân cọc đợc xác

định các thanh đo chuyển vị và truyền

vào thiết bị đo Chuyển vị của kích đợc

đo cho đến khi ứng suất kéo trong bê

tông trong vùng kích hoặc áp lực dầu

trong kích đạt tới giá trị tới hạn Khi

đó tiến hành hạ tải

3

1 2 4

8 7

6 5

9

Hình 1-3_Ph ơng pháp thử tĩnh bằng hộp

Osterberg

1-Hộp Osterberg; 2-ống dẫn dầu; 3-Cọc thử; 4-ống và thanh truyền chuyển vị; 5-Dầm nồi; 6-Các đầu đo chuyển vị; 7-Dây dẫn; 8-Thiết bị nhận, chuyển đổi và ghi số liệu; 9 - Bơm thuỷ lực có áp kế

I 1 4 Kết quả thu đợc

Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng,

ng-ời ta xây dựng đờng quan hệ giữa

chuyển vị và tải trọng của thân cọc và

mũi cọc theo thời gian Đồ thị này dùng

làm căn cứ xác định sức chịu tải của

cọc

I 1 5 Nhận xét

Ưu điểm :

 Tránh đợc ảnh hởng của đổi trọng hay cọc neo tới mối quan hệ giữa đất

và cọc thí nghiệm nh trong phơng pháp thử tĩnh

 Không cần đối trọng hay cọc neo mà dùng ngay chính lực ma sát ở thân cọc làm đối trọng

 Tải trọng dùng thí nghiệm bằng một nửa khả năng làm việc của cọc

Nhợc điểm :

 Kích và các hệ phụ trợ phải đợc đặt vào trớc khi đặt cốt thép và đổ bê tông

 Chỉ thí nghiệm đợc khi bê tông cọc đã đạt cờng độ thiết kế

 Chi phí thí nghiệm cho một cọc lớn

 ứng suất kéo tại vị trí đặt kích ở mũi cọc có thể gây nứt bê tông ở vùng này

II Phơng pháp tải trọng động

II 1 Phơng pháp dùng chấn động

II 1 1 Nguyên lý

Phơng pháp này dựa vào quan hệ giữa chuyển vị và sức kháng của cọc sau mỗi nhát búa đóng

II 1 2 Dụng cụ

II 1 3 Quá trình thực hiện

Trong những nhát búa thí nghiệm, chuyển vị tơng ứng của cọc đợc xác định

II 1 4 Kết quả thu đợc

Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, sức chịu tải của cọc đợc xác định bằng các công thức kinh nghiệm Mô hình chung, các công thức thử động đơn giản có thể trình bày dới dạng : Thế năng của búa bằng công sinh ra để cọc có một chuyển vị a thì :

Hình 1-4_Hộp Osterberg

Trong đó : Q - Trọng lợng búa

h - Chiều cao rơi búa

R - Sức kháng của đất

Có nhiều công thức khác đợc xây dựng trong đó có kể đến các hệ số thực nghiệm nhằm kể đến các điều kiện của buá , đệm đầu cọc , cọc và đất nền khác nhau nhằm làm cho kết quả thí nghiệm sát với kết quả nén tĩnh hơn

II 1 5 Nhận xét

Ưu điểm :

 Phơng pháp là cho kết quả nhanh

 Phép thử tiến hành đơn giản

Nhợc điểm :

 Phơng pháp có độ tin cậy thấp, sai số khá lớn và phụ thuộc nhiều vào yếu tố con ngời

II 2 Phơng pháp kiểm tra bằng siêu âm

II 2 1 Nguyên lý

Phơng pháp này dựa vào sự thay đổi của

vận tốc sóng âm thanh khi đi qua các môi

trờng tính chất khác nhau để đánh giá chất

lợng hay mức đồng nhất của môi trờng

truyền sóng

Tốc độ sóng âm truyền trong bê tông thông

thờng khoảng 3000-4200m/s Trên đờng

truyền sóng, gặp bê tông có khuyết tật nh

nứt, kẹp bùn, độ đặc chắc kém, sóng âm sẽ

giảm dần, một phần sóng âm vòng qua

khuyết tật tiếp tục đi, xảy ra hiện tợng mạn

xạ Gặp mặt giới hạn không khí của lỗ

hổng sẽ sinh ra phản xạ hoặc tán xạ, làm

cho biên độ của sóng nhỏ đi Khuyết tật

phá hoại tính liên tục của bê tông, làm cho

đờng truyền sóng phức tạp hoá, khiến cho

hình sóng bị méo mó Vì vậy khi sóng âm

truyền trong bê tông có khuyết tật, biên độ

nhỏ đi, tốc độ sóng thấp, hình sóng méo

mó

II 2 2 Dụng cụ

Dụng cụ phục vụ thí nghiệm nh hình vẽ bên Trong đó, các ống dẫn đợc đặt sẵn trong cọc trớc khi đổ bê tông

2 1 3

7

Hình 1-4_Kiểm tra cọc bê tông bằng ph ơng pháp siêu âm 1-Cọc thí nghiệm; 2-Đầu thu;

3-Đầu phát; 4-Cáp điện; 5-Tời; 6-Máy đo điện tử; 7-ống chôn sẵn

II 2 3 Quá trình thực hiện

Một sóng siêu âm đợc sinh ra từ đầu phát đặt trong một ống đặt trớc trong cọc

mà ống này đựng đầy nớc Sóng siêu âm đợc thu nhận lại bởi đầu thu đặt cùng cao độ với đầu phát và cũng đợc đặt trong ống để sẵn trong thân cọc cũng đầy nớc Phép đo đợc tiến hành trên các điểm có khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ để

có thể coi số liệu thu đợc là liên tục theo chiều sâu hạ cọc

- Lắp đặt và kết nối thiết bị chuẩn bị cho thí nghiệm Sau khi việc kết nối hoàn thành, kiểm tra nguồn điện và khởi động máy

- Hiệu chỉnh tín hiệu thu phát khi bắt đầu thí nghiệm đợc đảm bảo theo hai điều kiện sau:

a) Đầu thu và đầu phát đợc thả vào trong lòng ống đo, tại một độ sâu dự

định để điều chỉnh tín hiệu các đầu đo này phải luôn đặt cùng một cao độ; b) Tín hiệu đợc điều chỉnh sao cho thời gian truyền xung siêu âm từ điểm phát đến điểm thu là tối thiểu và biên độ thu đợc của tín hiệu xung là lớn nhất

- Trong quá trình thí nghiệm đầu đo dịch chuyển từ đáy lên đỉnh cọc (hình vẽ) Cả đầu thu và đầu phát cùng đợc kéo lên với một vận tốc tính trớc phù hợp với chiều dài cọc và khả năng của thiết bị, các ống đo phải đảm bảo luôn đầy nớc, tín hiệu xung siêu âm đợc hiển thị trên màn hình theo chiều dài của mỗi mặt cắt thí nghiệm và đợc ghi lại thành tệp số liệu Kết quả thí nghiệm thu đợc thông thờng bao gồm các số liệu cơ bản sau:

a) Thời gian truyền xung, tần số và biên độ xung tại các độ sâu thí nghiệm từ

điểm phát đến điểm thu;

b) Chiều dài của mỗi mặt cắt thí nghiệm

II 2 4 Kết quả thu đợc

Từ đờng cong vận tốc truyền ( hoặc thời gian truyền ) và đờng cong biến đổi của biên độ các sóng thu đợc có thể xác định đợc vị trí khuyết tật trong cọc và chất lợng bê tông cọc

II 2 5 Nhận xét

Ưu điểm

 Phơng pháp cho phép xác định tính đồng nhất và khuyết tật của bê tông trong phạm vi từ điểm phát đến điểm thu, có thể cho kết quả chính xác

về vị trí khuyết tật kể cả ở độ sâu lớn

 Phơng pháp cho kết quả nhanh

 Phép thử tiến hành đơn giản

Nhợc điểm

 Các khuyết tật của bê tông cọc khoan nhồi hoặc cấu kiện móng đợc phát hiện bằng phơng pháp này mới chỉ mang tính chất định tính, còn

có những vấn đề cha đợc làm rõ Vì vậy, việc thi công gặp khó khăn và

dẫn đến việc xử lý khi cọc có sự cố, kém hiệu quả cùng những tốn kém không cần thiết Trong quá trình thi công cọc khoan nhồi thờng xảy ra những khuyết tật rất đa dạng Chúng nằm sâu trong lòng bêtông cọc mà ngời thí nghiệm cần phải nhận dạng, đánh giá mức độ ảnh hởng của nó

đối với chất lợng bêtông kiểm tra một cách cụ thể hơn Cho đến nay, việc giải quyết vấn đề này phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm chủ quan của CBKT kiểm định

II 3 Phơng pháp thí nghiệm cọc dựa trên lý thuyết

ph-ơng trình sóng

II 3 1 Nguyên lý chung

a Phơng trình sóng

Phơng trình sóng cơ học truyền theo một phơng cơ bản có dạng :

2

2 2 2 2

x

u v t

u









Trong đó : v - Vận tốc truyền sóng

u - Chuyển vị của điểm

t - Thời gian

x - phơng truyền của sóng

Có thể sử dụng phơng trình này để miêu tả quá trình truyền chấn động dọc theo trục của thanh căng, thanh thẳng hoặc truyền áp lực gây xoắn và truyền áp lực gây nén trong chất lỏng lý tởng dọc theo trục của vật chứa Rất nhiều nhà khoa học đã phát triển từ phơng trình cơ bản này thành các phơng trình hoàn chỉnh cho nhiều đối tợng nghiên cứu khác nhau nh Timoshenko và Goodier (1951), Richart và những nhà khoa học khác (1970) và Graff (1975)

Các phơng pháp thí nghiệm không phá huỷ áp dụng lý thuyết sóng ứng suất

có thể đánh giá tính nguyên vẹn của nhiều loại kết cấu khác nhau Thông thờng,

có ba dạng sóng ứng suất đợc sinh ra khi cho hai vật rắn va chạm với nhau Những sóng này đợc truyền theo tất cả mọi phơng từ nguồn sóng đợc chia ra làm sóng dọc , sóng ngang và sóng mặt Theo công thức (1-2), sóng dọc truyền nhờ sự thay đổi thể tích của môi trờng Sóng đợc truyền đi theo mọi phơng từ nguồn sóng sóng ngang lại truyền theo phơng vuông góc với sóng dọc.Sóng dọc có thể truyền qua bất cứ môi trờng trung gian nào trong khi sóng ngang chỉ truyền qua đợc những môi trờng có tính chịu cắt Sóng mặt đợc truyền trên bề mặt của vật làm cho các điểm trên bề mặt dao động dạng elip và ngợc với

ph-ơng truyền sóng Biên độ của sóng mặt giảm theo luật hàm số mũ từ nguồn sóng

Vận tốc truyền sóng dọc gây nén trong môi trờng đàn hồi có dạng :

vp =

) 2 1 )(

1 (

) 1 ( E















(1-3)