Bài giảng công nghệ cọc (GS.TS Vũ Công Ngữ TS. Trịnh Việt Cường)

Cung cấp cho sinh viên những hiểu biết cụ thể hơn, chi tiết hơn về cách thi công ,thực hiện các loại cọc trên thực tế ;những sai sót thường nảy sinh trong quá trình này và ảnh hưởng của chúng tới sự làm việc của cọcchất lượng cọc .Đồng thời cũng trình bày ,chỉ dẫn cho sinh viên cách thức tiến hành các thí nghiệm trên cọc để kiểm tra chất lượng cọcvà kiểm tra sức chịu tải của cọc đặc biệt là hiểu cách diễn dịch các kết quả thí nghiệm .Tất cả những điều trên ,cụ thể ,chi tiết ,mang tính thực hành cao đã không thể trình bày khi học về móng cọc trong chương trình Nền móng tổng quát

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT MÔN HỌC

- Bài tập trên lớp, thảo luận: 30%

- Tự học: Thời lượng mỗi phần khoảng 12-15 tiết Nếu có thời gian bố trí nhiều hơn sẽ dùng cho sinh viên viết một chuyên đề ngắn theo hướng dẫn và yêu cầu của thày

5 Mục tiêu của môn học: Cung cấp cho sinh viên những hiểu biết cụ thể

hơn, chi tiết hơn về cách thi công ,thực hiện các loại cọc trên thực tế ;những sai sót thường nảy sinh trong quá trình này và ảnh hưởng của chúng tới sự làm việc của cọc-chất lượng cọc Đồng thời cũng trình bày ,chỉ dẫn cho sinh viên cách thức tiến hành các thí nghiệm trên cọc để kiểm tra chất lượng cọc

và kiểm tra sức chịu tải của cọc đặc biệt là hiểu cách diễn dịch các kết quả thí nghiệm Tất cả những điều trên ,cụ thể ,chi tiết ,mang tính thực hành cao

đã không thể trình bày khi học về móng cọc trong chương trình Nền móng

tổng quát

6 Nội dung chi tiết môn học:

CHƯƠNG I TỔNG QUÁT VỀ CỌC

I.1 Khái quát về móng cọc

I.2 Phân loại cọc

I.2.1 Phân loại theo vật liêu

I.2.2 Phân loại theo qui trình chế tạo

I.2.3 Phân loại theo tương tác đất – cọc

CHƯƠNG II CỌC CHẾ TẠO SẴN

II.1 Các loại cọc chế tạo sẵn

II.1.1 Cọc thép

II.1.2 Cọc BTCT thường

II.1.3 Cọc ống hạ bằng phương pháp rung

II.1.4 Cọc bê tông ứng suất trước

II.2 Giải pháp thi công cọc đúc sẵn

II.2.1 Cọc hạ bằng búa

II.2.1.1 Búa rung

II.2.1.2 Búa hơi đơn động

II.2.1.3 Búa diezen đơn động và song động

II.2.2 Chọn sơ bộ búa đóng cọc

II.2.3 Cọc hạ bằng máy ép

II.2.4 Những vấn đề nảy sinh khi hạ cọc

II.2.5 Khoan dẫn

CHƯƠNG III CỌC ĐỔ TẠI CHỖ

III.1 Giới thiệu chung

III.2 Các phương pháp khoan tạo lỗ, khả năng và phạm vi áp dụng

III.2.1 Khoan guồng xoắn (auger)

III.2.2 Khoan thổi rửa (washing boring)

III.2.2.1 Khoan tuần hoàn thuận

III.2.2.2 Khoan tuần hoàn nghịch

III.2.3 Khoan thùng quay (rotary bucket drill)

III.2.4 Khoan gầu đào (ben)

III.2.5 Đào lỗ thủ công

III.3 Chế tạo lồng cốt thép và hạ lồng cốt thép trong lỗ đã tạo trước

III.4 Chế tạo bê tông và đổ bê tông vào lỗ tạo sẵn

III.5 Sự cố và phương pháp xử lý

CHƯƠNG IV THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CỌC

IV.1 Thí nghiệm biến dạng nhỏ (PIT)

IV.1.1 Vấn đề chung

IV.1.1.1 Nguyên lý của phương pháp thí nghiệm

IV.1.1.2 Ưu điểm và hạn chế của phương pháp

IV.1.2 Các tiêu chuẩn thí nghiệm

IV.1.3 Thiết bị thí nghiệm

IV.1.3.1 Thiết bị tạo xung lực

IV.1.3.2 Thiết bị đo sóng

IV.1.3.3 Thiết bị thu nhận và xử lý số liệu sơ bộ

IV.1.3.4 Máy tính và phần mềm xử lý số liệu

IV.1.4 Phân tích kết quả đo sóng và đánh giá mức độ khuyết tật

IV.1.4.1 Phân tích theo tần số dao động

IV.1.4.2 Phân tích theo thời gian

IV.1.4.3 Phân tích theo phương pháp tín hiệu phù hợp

IV.1.5 Một số sai sót có thể gặp trong thí nghiệm PIT

IV.2 Thí nghiệm siêu âm

IV.2.1 Vấn đề chung

IV.2.1.1 Nguyên lý của phương pháp

IV.2.1.2 Ưu điểm của phương pháp

IV.2.1.3 Các hạn chế của phương pháp

IV.2.2 Các tiêu chuẩn thí nghiệm

IV.2.3 Thiết bị thí nghiệm

IV.2.3.1 Đầu phát và thu siêu âm

IV.2.3.2 Bộ phận đo chiều dài

IV.2.3.3 Bộ thu nhận tín hiệu và xử lý sơ bộ

IV.2.3.4 Máy tính và phần mềm xử lý số liệu

IV.2.4 Diễn giải kết quả thí nghiệm

IV.2.4.1 Đánh giá định tính

IV.2.4.2 Đánh giá định lượng

IV.2.5 Một số sai sót có thể gặp khi thí nghiệm

CHƯƠNG 5 THÍ NGHIỆM SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

V.1 Đánh giá khả năng chịu tải của cọc bằng công thức động

V.1.1 Vấn đề chung

V.1.2 Một số công thức động phổ biến

V.1.2.1 Công thức động trong tiêu chuẩn Việt nam

V.1.2.2 Công thức động phổ biến ở nước ngoài

V.1.3 Xác định độ chối khi đóng cọc

V.1.4 Kinh nghiệm áp dụng công thức động ở ngoài nước

V.2 Thí nghiệm gia tải động biến dạng lớn (PDA)

V.2.3.3.4 Trường hợp cọc chịu ma sát bên và sức kháng mũi – Phương pháp CASE

V.2.3.4 Đánh giá khả năng chịu tải của cọc bằng phương pháp

CAPWAP

V.2.3.4.1 Mô hình cọc và nền của Smith

V.2.3.4.2 Kết quả phân tích CAPWAP

V.2.5 Một số sai sót có thể gặp trong thí nghiệm PDA

V.3 Thí nghiệm gia tải tĩnh

V.3.5.3 Ảnh hưởng do cọc neo đối với kết quả đo

V.3.6 Diễn giải kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc

V.3.6.1 Xác định Qu theo chuyển vị giới hạn qui ước

V.3.6.2 Xác định Qu theo độ lún dư (không phục hồi)

V.3.6.3 Xác định Qu theo độ lún/tải trọng

V.3.6.4 Xác định Qu bằng phương pháp đồ thị

V.3.6.5 Một số nhận xét

CHƯƠNG I TỔNG QUÁT VỀ CỌC

I.1 Khái quát về móng cọc

Móng cọc là loại móng được dùng rộng rãi nhất.Từ những năm 60 của thập

kỷ trước đã có những thống kê nói rằng móng cọc chiếm trên 70% móng các công trình xây dựng Ở Việt nam , hiện nay, chưa có thống kê nào nhưng một ước lượng như vậy ( móng cọc chiếm phân lượng trên 70% ) chắc không phải là quá Ở nhưng chỗ trước kia dùng các loại móng sâu khác (giếng chìm, giếng chìm hơi ép) thì nay cũng dùng móng cọc

Thường xuyên xảy ra tình trạng chất lượng cọc , móng cọc và do đó sự làm việc của móng cọc trong thực tế khác xa những phân tích dự báo của nhà tư vấn Việc chế tạo cọc cũng như hạ cọc vào trong đất là một quá trình gồm nhiều công đoạn , chất lượng cọc, chất lượng móng cọc phụ thuộc vào mọi công đoạn Vì vậy, người xây dựng và sử dụng móng cọc một mặt biết phân tích dự báo, đồng thời cũng cần hiểu sâu, tỷ mỷ tất cả các quá trình tạo và

hạ cọc trong đất để có thể chủ động đảm bảo cho những yêu cầu mà ta muốn

có được thực hiện trên thực tế

I.2 Phân loại cọc

I.2.1 Phân loại cọc theo vật liệu: ta phân ra làm cọc gỗ, cọc bê tông cốt thép, cọc thép

Cọc gỗ :dùng trong CT nhỏ hoặc tạm thời

Ưu điểm: cọc gỗ nhẹ vận chuyển dễ dàng, chế tạo đơn giản, không cần

thiết bị đóng lớn, nếu cọc gỗ luôn nằm dưới mực nước ngầm thì thời gian sử dụng rất lâu

Nhược: Sức chịu tải nhỏ, hạn chế về chiều dài

Dễ bị xâm thực & dễ bị phá hoại khi đóng - cần ngâm tẩm Creozot ở áp lực cao)

Khi dùng cọc gỗ y/c chú ý những điểm sau:

- Đ/k thường chọn d = 20 † 30 cm, L= 5 † 8m, gỗ dùng cọc nên chọn loại

gỗ cứng thẳng, độ cong không nên quá 1/100 so với chiều dài

- Đỉnh cọc được bảo vệ bằng đai thép dày 8mm rộng 7†10cm, mũi vát nhọn, bịt thép để dễ đóng, không bị dập nát

- Do gỗ hiếm nên  hiện nay ít dùng

Cọc thép có rất nhiều lợi thế : nhẹ , dễ hạ, dễ nối nên thi công nhanh , độ bền cao và do đó khả năng chịu lực cao Nhược điểm chủ yếu của cọc thép

là giá thành cao nên thường những nước giàu ( Mỹ,Nhật ) dùng nhiều Những nước nghèo như nước ta thì chỉ dùng cọc thép khi bắt buộc phải dùng

Cọc bêt tông cốt thép là loại cọc phổ dụng nhất Xuất hiện từ cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 trải qua hơn một trăm năm , vật liệu bê tông ngày càng phát triển trong mọi loại kết cấu công trình do những ưu điểm của nó : thuận lợi khi chế tạo, có độ bền cao, tuổi thọ cao Trong móng cọc cũng vậy, có lẽ trong vài thập kỷ tới ở Việt nam ta vẫn sẽ dùng cọc bê tông cốt thép là chủ yếu

I.2.2 Phân loại cọc theo quá trình chế tạo

Cọc chế sẵn là cọc đã được chế tạo thành cọc rồi sau đó mới hạ vào trong đất Vì việc chế tạo cọc được thực hiện trong xưởng, trong nhà máy nên quá trình chế tạo được theo dõi kiểm tra thuận lợi do đó chất lượng cọc có

độ tin cậy cao

Nhưng sau khi có cọc thì phải vận chuyển cọc đến vị trí công trình, rồi hạ cọc vào trong đất ( bằng ép, đóng, rung ) mà những công cụ vận chuyển và

hạ cọc chỉ có công suất giới hạn nên thực tế là không thể nào làm những cọc tiết diện lớn quá khả năng, dài quá khả năng , cũng không làm được khi nền đất phức tạp không đóng, ép được; vì vậy việc sử dụng cọc chế sẵn vẫn bị giới hạn

Tuy vậy ta có thể nói nguyên tắc nên theo là : trong mọi trường hợp, nếu có thể thì dùng cọc chế sẵn sẽ tốt hơn

Cọc đổ tại chỗ là khi người ta khoan đào tạo sẵn trong đất các lỗ rồi tiếp theo đổ bê tông vào những lỗ có sẵn đó để tạo thành cọc Người ta có thể khoan, đào những lỗ tiết diện lớn, chiều sâu lớn nên có thể tạo ra những cọc

đổ tại chỗ có sức chịu tải rất lớn Hơn nữa, có những công nghệ khoan cho phép khoan trong những điều kiện đất đá xen kẹp phức tạp Đấy là ưu điểm lớn của cọc đổ tại chỗ khiến cho nhiều trường hợp người ta bắt buộc phải chọn dùng cọc đổ tại chỗ Nhưng công nghệ tạo nên cọc đổ tại chỗ, gồm nhiều công đoạn quá phức tạp mà bất kỳ công đoạn nào cũng ảnh hưởng đến chất lượng của cọc , các thí nghiệm, kiểm tra cho đến nay cũng không soi xét hết được do đó nhược điểm lớn nhất của cọc đổ tại chỗ là những lo ngại

về độ tin cậy

I.2.3 Phân loại theo tương tác đất-cọc

Cọc có ép đất và cọc không ép đất ( displacement pile & non-displacement pile ) là cách phân loại ( gọi tên ) cọc căn cứ vào tương tác đất-cọc mà châu

Âu dùng trong hơn một thập kỷ gần đây Cọc chế sẵn rồi đóng , ép vào đất thông thường là cọc có ép đất Nhưng cọc đổ tại chỗ cũng có thể là cọc ép đất nếu người ta tạo lỗ bằng cách đóng, ép trước một ống thép sao đó đổ bê tông vào trong ống thép , ống này có thể rút lên cũng có thể để lại luôn Ngược lại cọc chế sẵn cũng có thể là cọc không ép đất nếu cọc chế sẵn đó

hạ vào một lỗ đã khoan, đào trước Như vậy việc phân loại cọc theo cách

này vẫn có tính tổng quát

Ưu điểm: - Điều kiện áp dụng rộng rãi hơn , tiết diện, chiều dài có thể

theo ý muốn, cường độ vật liệu cọc tương đối lớn, chất lượng cọc cao, thi công thuận lợi

Nhược điểm: - Trong môi trường xâm thực có thể bị ăn mòn , tuổi thọ

bị giảm, giá thành cao

II.1.2 Cọc BTCT thường

Cọc BTCT thường là loại cọc phổ biến nhất hiện được sử dụng, được cấu tạo từ một hay một vài đoạn tùy theo yêu cầu cụ thể, khả năng vận chuyển

và thi công đóng cọc

Tiết diện: vuông (phổ biến), tròn, tam giác, I, T, rỗng

Với cọc BTCT thông thường có cấu tạo như sau:

L = 4†25m có khi tới 100m, các đoạn thường 6†8 m nối lại với nhau trong khi hạ

Đỉnh cọc tăng cường bằng lưới thép a = 50mm để chịu lực thi công;

Mũi tăng cường thêm thép dọc để khắc phục dị vật cứng trong đất;

Thép đai CT3, có thể dùng đai xoắn, đai thép đai ở hai đầu dày hơn a= 5÷10cm thép 6÷8mm

Thép dọc 4-8 thanh CT5

Có móc để treo cọc và vận chuyển

Lớp bê tông bảo vệ: a  3cm

Thông thường người ta bố trí cốt thép như sau: Cọc 20  20dùng 414; Cọc 25

25  dùng 4 16; Cọc 30  30dùng 4 18;

Mối nối cần đạt được khả năng chịu tải ít nhất là tương tự như các tiết diện khác của cọc, tốt nhất là dùng liên kết bu lông chịu tốt tải trọng động khi thi công

Bê tông cọc M  250  ( thường dùng 300  )

Nói chung, cọc BTCT đúc sẵn cần khối lượng thép lớn cho vận chuyển, cẩu lắp Sự cố thường gặp trong thi công cọc là bị nứt khi vận chuyển, cẩu lắp ( khắc phục bằng cách dùng BTCT ứng suất trước), khi đóng (khắc phục bằng các lưới cốt thép đầu cọc, bằng chọn búa thích hợp )

Lưu ý: Với cọc có yêu cầu kỹ thuật cao( địa chất phức tạp, tải lớn, điều kiện

thi công khó khăn ) cần chế tạo cọc có lỗ rỗng với đ/kính không < 30mm

để kiểm tra độ thẳng đứng của cọc sau khi thi công

*Tóm lại: Loại cọc chế tạo trước đưa đến vị trí rồi hạ cọc bằng phương

pháp đóng

Ưu điểm: Chất lượng bản thân cọc có thể kiểm soát được và dễ dàng loại

bỏ khi phát hiện thấy không đảm bảo, tốc độ thi công nhanh và thuận lợi

Nhược điểm: Với cọc đóng là tiếng ồn và rung động

II.1.3 Cọc ống (hạ cọc bằng phương pháp rung)

Cấu tạo:

Cọc ống là kết cấu vỏ mỏng bằng thép hoặc BTCT có dạng hình ống

Cách hạ: Do tác dụng rung của máy chấn động

Ưu điểm: Có thể công nghiệp hoá, dùng hiệu quả trong loại đất

rời Tốn ít vật liệu, tận dụng cao khả năng làm việc của vật liệu móng

Có thể đưa móng xuống sâu mà không cần đến móng giếng chìm (là loại

móng có hại cho sức khoẻ)

Có thể thi công quanh năm và toàn bộ công tác trên mặt nước do đó cải thiện đ/kiện lao động

Việt nam: cọc cầu Hàm rồng đ/k = 1,55m

Nước ngoài: đ/k đến 6m

II.1.4 Cọc chế sẵn bê tông ứng suất trước

Cọc ống ly tâm ứng lực trước có thể cắm sâu hơn nhiều so với cọc bê

tông cốt thép thường nên tận dụng được khả năng chịu tải của đất nền do đó

số lượng cọc trong một đài ít, việc bố trí và thi công cũng dễ dàng, tiết kiệm chi phí xây dựng đài móng Do sử dụng bê tông và thép cường độ cao nên giảm tiết diện cốt thép dẫn đến giảm trọng lượng thuận tiện cho việc vận chuyển, thi công → Kinh tế hơn

Một ưu điểm khác của cọc bê tông ly tâm ứng lực trước là sức chịu tải ngang lớn do bê tông trong cọc được ứng lực trước nên tăng khả năng chịu kéo của bê tông vì thế tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn

II.2 GIẢI PHÁP THI CÔNG CỌC ĐÚC SẴN

Cọc đúc sẵn các loại có thể được đưa vào vị trí thiết kế bằng một trong các phương thức sau đây:

Cọc hạ bằng búa (búa diezen, búa treo, búa hơi)

II 2.1.1 Búa rung

Búa rung là loại búa khá đa năng Búa rung có nguyên lý làm việc và các thành phần thiết bị khác hẳn với búa hơi Giữa búa và cọc không có mũ cọc, thay vào vị trí đó là kẹp Búa rung thường có tần số rung lớn nhất trong khoảng 15† 30 Hz (900† 1800 vòng/phút) moment lệch tâm trong khoảng

0,25†1,13 kNm, năng lượng trong khoảng 50†120 kW Thiết bị này thường chỉ phù hợp với cọc thép (dạng bản)

II 2.1.2 Búa hơi đơn động

Búa này được đẩy lên bằng năng lượng hơi, chiều cao rơi búa H là cố định

II 2.1.3 Búa diezen đơn động và song động

Búa này được đẩy lên bằng năng lượng do diezen cháy, chiều cao rơi búa H

là thay đổi phụ thuộc vào sức kháng của đất nhược điểm của búa này là: Tiếng nổ lớn (do diezen phát cháy), khí do diezen cháy gây ô nhiễm môi trường

II 2.2 Chọn sơ bộ búa đóng cọc

Với búa đóng cọc ta cần chọn búa phù hợp để sao cho dễ đóng mà lại không gây hư hại cho cọc Búa nhẹ nhất có trọng lượng khoảng 0,9 kN và năng lượng biểu kiến là 1,4kN Búa nặng nhất có trọng lượng tới 1500kN và năng lượng biểu kiến tới 3000kN Cách chọn búa sơ bộ: Tại độ sâu thiết kế mũi cọc, độ chối hợp lý là e = 3,8† 8 mm Suy ra số nhát đập để cọc đi được 250

mm là N250 = 250/e = 31† 66 nhát Số nhát đập để cọc đi được 1m là N1000 = 125÷ 260 nhát

Năng lượng hữu hiệu của búa nên chọn là: REbúa = 3 x Pu(e + 2,54) (mm) Trong đó:

Pu – sức kháng cực hạn của đất lên cọc ở độ sâu thiết kế

Năng lượng (biểu kiến) của búa là: Ebúa = (REbúa)/r

r – phần trăm năng lượng hữu ích mà đầu cọc nhận được tạm lấy r = 75%

Búa diesel

II 2.3 Cọc hạ bằng máy ép

Nguyên lý của công tác ép cọc tương tự như thí nghiệm xuyên tĩnh hay thí nghiệm nén tĩnh trong đó người ta dùng kích để ép cọc đi xuống với một tốc

độ nào đó Đối trọng trong công tác ép cọc thường là những khối bê tông

Để ép được cọc xuống độ sâu thiết kế, lực ép (là lực bán tĩnh) phải thắng được sức kháng cực hạn của đất lên cọc có nghĩa là: Pépcọc ≥ Pu (Pu là sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền)

Với cọc trong đất dính, Pépcọc có thể nhỏ hơn vì quá trình ép làm xáo trộn và giảm sức chịu tải của đất sét Tuy nhiên, sau một khoảng thời gian nào đó cọc sẽ lấy lại được sức chịu tải Ngược lại với cọc trong đất cát, Pépcọc có thể lớn hơn nhiều so với giá trị Pu dự báo

Máy ép cọc

II.2.4 Những vấn đề nảy sinh khi hạ cọc

2.4.1 Cọc không hạ được đến độ sâu thiết kế có thể do sự thay đổi điều kiện địa chất công trình, đặc biệt là cấu trúc địa tầng Việc khắc phục tùy thuộc vào các yêu cầu kỹ thuật thi công đã được thỏa mãn đến mức độ nào Đối với cọc đóng, nếu độ chối đã thỏa mãn (e < etk) thì cần phải xem xét lại sự thay đổi của cấu trúc địa tầng và hiệu chỉnh lại thiết kế theo sự phát hiện mới Trương hợp tương tự đối với cọc ép đã thỏa mãn yêu cầu lực ép tối thiểu

2.4.2 Cọc không hạ được đến độ sâu thiết kế do dị vật-lớp sét cứng,cát chặt xuất hiện ở độ sâu trung gian Trong trường hợp này cần phải xem xét lại thiết kế kết cấu của cọc để thay đổi loại búa/lực ép nhằm khắc phục khó khăn tạm thời này Khó khăn này cũng có thể vượt qua bằng biện pháp khoan dẫn (xem mục 2.5 bên dưới)

2.4.3 Cọc bị tổn thương khi đóng chủ yếu do lựa chọn búa không hợp lý 2.4.4 Đóng cọc tạo nên nguồn chấn động lan truyền trong đất nền gây ra sự

cố cho các công trình lân cận Hiện tượng này phụ thuộc phần lớn vào điều kiện địa chât khu vực thi công cũng như sự nhạy cảm của các công trình hiện có Để hạn chế tác hại không mong muốn do chấn động khi đóng cọc

gây ra, việc thay đổi loại búa là một phương án cần xem xét Việc cách li công trình lân cận cũng là một giải pháp có thể áp dụng Cuối cùng có thể thay thế giải pháp đóng cọc bằng phương pháp tĩnh khác (chẳng hạn, ép)

II.2.5 Khoan dẫn

Khoan dẫn là một biện pháp kỹ thuật được áp dụng nhằm khắc phục khó khăn về mặt địa tầng trong quá trình thi công cọc đúc sẵn Trong thi công cọc có khoan dẫn, một lỗ khoan được thực hiện tại ví trí cọc đến độ sâu nhất định vượt qua lớp đất cứng nhưng chưa đến độ sâu hạ cọc thiết kế sau đó cọc được dẫn theo lỗ khoan và đóng/ép tiếp đến độ sâu thiết kế

Tùy theo tương quan giữa đường kính lỗ khoan và kích thước tiết diện cọc,

có ba cách thực hiện lỗ khoan như sau:

a/ khi R(khoan dẫn ) <<< d ( cọc ): Lỗ khoan dẫn trong trường hợp này chủ yếu để khắc phục lớp đất cứng ở mũi cọc mà không làm giảm sức chịu tải của đất nền Thi công đóng cọc trong trường hợp này không khác mấy so với không có khoan dẫn, ngoại trừ việc đi qua lớp đất cứng trung gian Khoan với đường kính nhỏ cũng được áp dụng trong trường hợp hạ cọc ống chiều dài lớn ngay cả khi không có lớp đất cứng trung gian

b/ khi R >>> d : Áp dụng đối với cọc chống có chiều dài không lớn lắm mà các lớp đất bên trên thường là kém ổn định và có thành phần hạt phức tạp

c/ khi d < R < 1,4 d: Đây là loại khoan dẫn phổ biến hơn cả trong thực hành đóng cọc cho phép khắc phục được những trở ngại khi thi công do

cả ma sát bên lẫn phản lực mũi của những lớp đất trung gian Để thuận lợi cho thi công, có thể phải sử dụng cọc rỗng nhằm giải phóng dung dịch khoan trong lỗ khoan khi hạ cọc

(thể hiện trên mặt cắt ) hình 5

CHƯƠNG III CỌC ĐỔ TẠI CHỖ

III.3.1 Giới thiệu chung

Cọc khoan nhồi là một trong những giải pháp móng được áp dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng ở trên thế giới và ở Việt Nam Chúng thường được thiết kế để mang tải lớn nên chất lượng của cọc luôn luôn là vấn đề được quan tâm nhất Khâu quan trọng nhất để quyết định chất lượng của cọc

là khâu thi công, nó bao gồm cả kỹ thuật, thiết bị, năng lực của đơn vị thi công, sự nghiêm túc thực hiên qui trình công nghệ chặt chẽ, kinh nghiệm xử

lý khi gặp các trường hợp cụ thể Ở phần này chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết quá trình thi công cọc khoan nhồi và một số kinh nghiệm với mục đích cung cấp cho các kỹ sư thi công một số kiến thức và kinh nghiệm ban đầu của công nghệ này

Cọc nhồi có tiết diện và độ sâu mũi cọc lớn hơn nhiều so với cọc đúc sẵn, nên mặc dù sức kháng đơn vị nhỏ đi, nhưng sức chịu tải vẫn lớn, do đó số lượng cọc trong 7 một đài cọc ít, việc bố trí đài cọc trong các công trình ngầm cũng dễ dàng hơn vì vậy khi tải trong công trình rất lớn khoảng 15 tầng thì ta nên dùng cọc khoan nhồi Ưu điểm của cọc khoan nhồi là cọc có thể đặt vào những lớp đất rất cứng thậm chí tới đá mà cọc đóng không thể tới được Một ưu điểm khác của cọc nhồi là sức chịu tải ngang rất lớn việc thi công cọc nhồi có chấn rung nhỏ hơn nhiều so với thi công cọc đóng, thi công cọc nhồi không gây trồi đất xung quanh không đẩy các cọc sẵn có xung quanh sang ngang

Nguyên tắc công nghệ: Tạo lỗ cọc, có ống vách hoặc không ống vách, chế

tạo và đặt thép vào lỗ, đổ bê tông có độ sụt cao qua ống dẫn vào lỗ cọc (đổ tại chỗ - nhồi)

Hình dạng tiết diện: có thể tròn hoặc chữ nhật (Cọc Barrette, tường vây)

Cầu Mỹ thuận: cọc đ/k = 2,5m; L  100m

C/trình 27 Láng hạ: cọc Barét = 1m  2,8m đến 1,5m  2,8m

Ưu điểm: Sức chịu tải lớn

Không phải vận chuyển nên lượng cốt thép trong cọc ít hơn so với cọc đóng

Thi công êm thuận nên ít gây chấn động cho CT lân cận như phương pháp đóng

III.3.2 Các phương pháp khoan tạo lỗ, khả năng và phạm vi ứng dụng III.3.2.1 Khoan guồng xoắn (auger)

Phương pháp khoan guồng xoắn có những đặc thù

riêng, như tống thoát đất đá bị phá hủy thực hiện

không phải bằng dung dịch khoan (hoặc chất lỏng

ngậm khí) mà là do guồng xoắn - một bộ truyền vít

thẳng đứng Truyền đất đá lên cánh của guồng xoắn

nhờ có choòng dưới áp lực của lớp đất đá ở đáy phá

hủy Khoan bằng guồng xoắn đạt hiệu quả cao khi

khoan trong đất mềm (cấp I-III) và cứng trung bình

(IV-VI) ở chiều sâu không lớn; do đó bảo đảm tốc độ

khoan cơ học cao, không cần phảỉ bơm rửa lỗ khoan

Khả năng chuyển đẩy đất đá của guồng xoắn phải lớn

hơn hoặc bằng khả năng phá của mũi khoan Khoan

guồng xoắn dùng để khoan lỗ khoan sâu không quá 70 m trong đất đá tương đối khô, mềm, không chặt và không quánh, không chứa những tảng và hòn lớn

Năng suất khoan guồng xoắn phụ thuộc vào thành phần đất đá và chiều sâu

lỗ khoan thay đổi trong phạm vi 300 - 500 đến 1500 - 5000 m/máy-tháng Tần số quay của guồng, bán kính và góc dốc của đường xoắn quyết định quá trình công nghệ khoan guồng xoắn Khả năng chuyển đẩy đất đá của guồng xoắn phải lớn hơn hoặc bằng khả năng phá của mũi khoan

III.3.2.2 Khoan thổi rửa (washing boring)

Xuất hiện đã lâu và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc Tại Việt Nam một số đơn vị xây dựng liên doanh với Trung Quốc vẫn sử dụng trong công nghệ khoan này Máy đào sử dụng guồng xoắn để phá đất, dung dịch bentonite được bơm xuống để giữ vách hố đào Mùn khoan và dung dịch được máy bơm và máy nén khí đẩy từ đáy hố khoan lên đưa vào bể lắng Lọc tách dung dịch bentonite cho quay lại và mùn khoan ướt được bơm vào xe téc và vận chuyển ra khỏi công trường Công việc đặt cốt thép

và đổ bê tông tiến hành bình thường

- Ưu điểm: giá thiết bị rẻ, thi công đơn giản, giá thành hạ

- Nhược điểm: Khoan chậm chất lượng và độ tin cậy chưa cao

Máy khoan quay tạo lỗ bằng cách lợi dụng sức quay cắt vào đất và khoan xuống, đồng thời với việc khoan đẩy đất ra, tiếp tục khoan để tạo lỗ Máy khoan quay hiện nay căn cứ vào sự khác nhau về trình tự tuần hoàn dịch sét

để chia làm 2 loại là tuần hoàn thuận và tuần hoàn nghịch

III.3.2.2.1 Khoan tuần hoàn thuận

Đồng thời với việc khoan vào, dùng máy bơm hút đẩy dịch sét vào vòi dẫn rồi qua ruột cần khoan phun vào trong lỗ Dịch sét lẫn đất khoan sẽ dâng lên theo lỗ khoan cho tới lỗ cửa ở trên đỉnh rồi chảy vào bể lắng

III 3.2.2.2 Khoan tuần hoàn nghịch

Ngược với tuần toàn thuận là dùng bơm để đẩy dịch sét vào trong lỗ, sau đó hút vào trong đầu khoan ở bên dưới của cần khoan, bùn đất thông qua cần khoan và bơm cát đá để vào bể lắng, sau khi lắng xuống lại đưa vào sử dụng tuần hoàn Có hai kiểu hút dích sét là bơm tuần hoàn nghịch và không khí đẩy dịch sét lên Bơm tuần hoàn nghịch khi đầu trên của ống khoan có ống mềm nối với bơm li tâm, lúc hút thì đầu tiên dùng bơm chân không hút không khí từ trong ống mềm và ống bơm ra, rồi cho máy bơm li tâm hút dịch sét Không khí đẩy dịch sét lên tức là thổi không khí nén vào chỗ gần đầu đáy của ống khoan, tạo ra một hỗn hợp không khí và dịch sét với mật độ tương đối nhỏ, tạo thành một chênh lệch mật độ giữa trong và ngoài ống, từ

đó, tạo ra một luồng chảy từ dưới lên ở trong ống

a) Sơ đồ tuần hoàn thuận b) Sơ đồ tuần hoàn nghịch

III.3.2.3 Khoan thùng quay ( rotary auger drill )

Trong công nghệ khoan này gầu khoan thường ở dạng thùng xoay cắt đất và đưa ra ngoài, cần gầu khoan có dạng ăng ten thường là 3 đoạn truyền được chuyển động xoay từ máy cái xuống gầu đào nhờ hệ thống rãnh Vách hố khoan được giữ ổn định bằng dung dịch betonite Quá trình tạo lỗ được thực hiện trong dung dịch sét bentonite

Dung dịch bentonite được thu hồi lọc và tái sử dụng vừa đảm bảo vệ sinh và giảm khối lượng chuyên chở Trong quá trình khoan có thể thay các đầu đào khác nhau để phù hợp với nền đất và có thể vượt qua các dị vật trong lòng đất Việc đặt cốt thép và đổ bê tông được tiến hành trong dung dịch bentonite Các thiết bị đào thông dụng ở Việt Nam là Bauer (Đức), Soil-Mec (Italia) và Hitachi (Nhật Bản)

- Ưu điểm: thi công nhanh, việc kiểm tra chất lượng thuận tiện rõ ràng, bảo đảm vệ sinh môi trường Ít ảnh hưởng đến công trình xung quanh

- Nhược điểm: thiết bị chuyên dụng, giá đắt, giá thành cọc cao, quy trình công nghệ phải tuân thủ chặt chẽ, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và công nhân phải lành nghề và có ý thức công nghiệp và kỷ luật cao

Do phương pháp này khoan nhanh hơn và chất lượng đảm bảo hơn nên ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp khoan này

Dung dịch sét dùng để giữ thành hố có thể làm từ đất sét tại chỗ, hoặc từ sản phẩm Bentonite điều chế sẵn… Dung dịch vữa sét bentonite bao gồm nước, đất sét (bột sét) và hoá phẩm khác, có các tác dụng sau:

- Cân bằng áp lực ngang vói áp lực đất và nước quanh thành hố

- Tạo ra lớp màng mỏng (áo sét) trên thành hố đề phòng bị sập lở

- Làm chậm tốc độ lắng xuống của các hạt cát trong đất, giữ trạng thái huyền phù nhằm hạn chế cặn lắng

- Làm bêtông lưu động tốt trong quá trình đổ

Chỉ tiêu tính năng ban đầu của dung dịch sét nên tuân thủ theo

TCXD206-1998, trong đó đặc biệt chú ý kiểm soát trọng lượng riêng và độ nhớt trước khi bơm vào hố khoan Tại công trường có hệ thống thu hồi dung dịch sét, lọc sàng các hạt cát, sạn, bổ sung phụ gia (nếu cần), làm giàu dung dịch này

để tái sử dụng

Sau khi tạo lỗ đến độ sâu thiết kế, phải dọn lỗ kiểm tra lại độ sâu lỗ, độ thẳng đứng của lỗ và mật độ của dung dịch sét, xác nhận là phù hợp yêu cầu mới được tiếp tục thi công bước tiếp theo

Công tác dọn lỗ thường phải làm 2 lần, lần đầu tiến hành ngay sau khi hoàn thành việc tạo lỗ, để lắng khoảng 1h – 1.5h, lần sau tiến hành sau khi đặt thép, để lắng khoảng 30 – 45 phút bằng cách thổi rửa tuần hoàn thuận nghịch (tương tự nguyên lý khoan ở phần trước)

III.3.2.4 Khoan gàu đào ( ben )

Gàu đào là thiết bị tạo lỗ hình chữ nhật áp dụng trong việc thi công cọc barette và tường trong đất Thông thường có hai kiểu cơ cấu ngoạm: dùng thủy lực và dùng trọng lượng bản thân Lỗ cọc được đào từng đoạn, chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào điều kiện địa chất và kích thước gàu: Bề rộng gàu ngoạm thường dùng là 2,2m – 3,0m (gàu ngoạm áp lực thủy lực) 2,5m – 2,8m (gàu ngoạm kiểu trọng lực) Thành hố đào được giữ ổn định nhờ dung dịch khoan tương tự các phương pháp đào khác

hình 8 Hình của máy gàu đào ( barett )

III.3.2.5 Tạo lỗ bằng thủ công (đào tay)

Lỗ cọc cũng có thể được thực hiện thủ công trong những điều kiện địa chất thích hợp và độ sâu cọc không quá lớn Những kiểu tạo lỗ thủ công đã được

sử dụng ở Việt nam vào giữa những năm 80 nhưng do khó khăn về đảm bảo chất lượng nên không còn được sử dụng nữa Một biến thể của cọc nhồi đào thủ công là kiểu cọc shinso (của Nhật bản) có đường kính lớn thực hiện những nơi có lớp đất tốt (lớp đặt mũi cọc) tương đối nông Cọc shinso áp dụng lần đầu tại Việt nam cho trụ cầu Bãi cháy có đường kính 4m

III.3.3 Chế tạo lồng cốt thép và hạ lồng cốt thép trong lỗ đã tạo trước

- Chế tạo lồng cốt thép cọc khoan nhồi tại công trường hay nhà máy phải đảm bảo độ cứng tổng thể, độ cao hữu hiệu của cần trục Đường kính cốt thép chủ:  12   25mm, có thể  32,  40 Khoảng cách tĩnh giữa các cốt chủ  10cm

- Lồng cốt thép chế tạo từng đoạn, đoạn dài nhất, lớn nhất ở phía dưới, nối với nhau bằng hàn, bằng cách dập ép ống nối và có thể nối buộc trong trường hợp cọc có đường kính D < 1.2m & chiều dài L  25m Lồng cốt thép trong cọc barrette, tường là lồng 2 lớp cốt thép   12mm đai hình chữ

IV Cốt thép đai có đường kính thường dùng  6   12, cách nhau  55cm Đường kính danh định của vòng cốt đai nhỏ hơn đường kính cọc 10cm (đối với cọc thi công không ống vách) và 6cm (thi công có ông vách)

- Trên lồng thép có các thiết bị định tâm, ống siêu âm, ống chờ khoan lõi

bê tông, các thiết bị thí nghiệm thử tải hoặc bộ phận tăng cường độ cứng lồng thép (nếu cần)

- Dựng và đặt lồng thép vào hố khoan và giằng chống thấm cho tường: Vận chuyển lồng thép phải giữ tại nhiều điểm (>2) để hạn chế biến dạng Trước kia hạ lồng thép vào vị trí phải kiểm tra độ cao tại 4 điểm xung quanh

& 1 điểm giữa đáy hố khoan Cao độ đáy hố sai lệch  10cm Các thao tác dựng, đặt cốt thép phải khẩn trương, không quá 1h sau khi dọn lỗ Khi hạ phải “êm”, thẳng đến độ sâu thiết kế phải treo lồng thép cách đáy hố 10cm

III.3.4 Chế tạo bê tông và đổ bê tông vào lỗ tạo sẵn

Yêu cầu về bê tông dùng cho cọc khoan nhồi phải theo tiêu chuẩn

kỹ thuật thiết kế tỷ lệ cấp phối của bêtông phổ thông Trước khi chính thức

trộn bê tông, phải trộn thử, cường độ bê tông trộn thử phải cao hơn 15% 25% so với thiết kế, độ sụt 15-20cm, hàm lượng cát 40% - 45%, lượng xi măng không dưới 380kg/m3

& không quá 500kg/m3, phải có tính dẻo, tính lưu động tốt vì vậy thường yêu cầu có phụ gia hoá dẻo

Đổ bê tông dưới nước là công đoạn then chốt trong việc đảm bảo chất lượng cọc Bê tông phải đổ liên tục qua ống dẫn Ống dẫn bê tông có  = 20- 30cm, nối từng đoạn đến đáy hố, luôn ngập trong bê tông một đoạn > 2m Lượng bê tông đầu tiên phải chôn được ống dẫn một khoảng  1.3m Hệ

số đầy chặt khi đổ bê tông (Vbt/ Vhố) là 1  1.3

Quy trình chung đổ bê tông cọc khoan nhồi:

+ Cho phương tiện vào vị trí, kiểm tra độ sụt và lấy mẫu

+ Chỉ dẫn phương tiện vào vị trí thi công và ổn định phương tiện + Thực hiện việc bơm vữa vào ống đổ

+ Điều chỉnh và khống chế việc nâng hạ ống đảm bảo ống đổ bê tông luôn ngập trong vữa 1.5 – 2m

+ Kiểm soát việc bơm, rót vữa bê tông đảm bảo vữa xuống đều, không bị tràn ra ngoài

+ Các công việc trên phải được thực hiện đều đặn, liên tục, tránh các va chạm mạnh dẫn đến việc sụt lở, sập vách trong quá trình

đổ bê tông

III.3.5 Sự cố và phương pháp xử lý

Trong quá trình thi công, các rủi ro hay sự cố có thể xảy ra, chúng tôi đề

ra các biện pháp tức thời nhằm ứng phó với các sự cố Các hành động kịp thời nhằm đảm bảo rằng việc giải quyết sự cố ngay lập tức Các hành động tiếp theo để kiểm chứng về chất lượng, giải quyết hậu quả sẽ phải có các biện pháp riêng và sẽ có các đệ trình độc lập sau này cho các trường hợp cụ thể về phòng ngừa, hành động khắc phục

 Thành vách bị sập trong quá trình khoan

- Rút gàu lên nếu như rút được

- Bơm nước áp lực, bơm nén khí để giảm thiểu áp lực các đất cát lấp

phía trên gầu (dùng như thổi rửa đáy cọc), dùng dụng cụ dạng mỏ

neo treo bởi cẩu khác thả xuống để câu móc vào các kết cấu chịu lực của gàu để và cẩu kéo gàu lên

- Kiểm tra lại dung dịch giữ thành, thay dung dịch mới và tiến hành đào tiếp

- Nếu gặp phải túi bùn hay khu vực mà có địa chất quá yếu không thể tiến hành khoan được, tiến hành đổ đầy hố khoan bằng vữa mác thấp chờ thời gian ổn định sau đó thi công bình thường

 Gầu khoan bị rơi trong quá trình khoan

- Khi rơi gầu, phải dùng cẩu thả ngay móc neo xuống để móc và kéo gầu đào lên trước khi thành vách sạt lở Dùng dụng cụ dạng mỏ neo treo cần cẩu dự phòng, thả và móc để kéo gàu lên nếu như móc được vào bộ phận chịu lực của gàu

- Sử dụng máy nén khi dùng biện pháp sục khí để tránh lắng lấp trong quá trình cứu gàu

 Rơi lồng thép

- Dùng cần Kelly có gắn chốt treo gầu của máy khoan cọc để móc lồng thép lên

- Dùng cẩu treo dụng cụ dạng mỏ neo để lấy lồng

- Dùng gầu đào phá hỏng lồng thép và lấy lồng lên

 Sập thành vách sau khi hạ lồng thép:

- Tiến hành kéo lồng thép lên nếu như kéo được và dùng gầu khoan

để khoan đủ độ sâu Hạ lại lồng thép như ban đầu

- Nếu lồng thép không rút được lên, tiến hành đưa gầu khoan xuống

để phá hỏng lồng sau đó lấy lồng thép lên

 Dung dịch khoan rò vào trong ống đổ

- Để tránh việc rò rỉ bentonite vào trong ống đổ trong quá trình đổ bê tông Nhà thầu phải đảm bảo ống đổ phải khít bằng cách kiểm soát trong quá trình lắp ống đổ như Bôi mỡ cẩn thận trong quá trình lắp, dùng gioăng cao su, dùng dây đay quấn quanh ren để tạo độ kín trong quá trình siết nối giữa các đoạn ống

- Nếu bị dò trong quá trình đổ, sẽ tiến hành đổ nếu như sự dò này ít Còn nếu như quá nhiều sẽ tiến hành làm như các bước phía dưới

 Ống đổ bị rơi trong quá trình đổ

- Nếu như ống đổ bị rơi trong khi đổ bê tông, các đoạn rơi sẽ chôn trong bê tông còn các đoạn còn lại sẽ được kéo lên bằng dây dạng thòng lọng

- Lắp lại ống đổ và làm các công việc như ứng cứu ống đổ bị tắc và thi công từ đầu

 Ống đổ bị tắc trong quá trình đổ bê tông

- Trong quá trình đổ bê tông ống đổ bị tắc, phải tiến hành rút ống đổ lên để thông ống, sau đó hạ tiếp ống đổ, dùng bơm hút hết bentonite trong ống đổ,sau đó bịt đầu dưới ống đổ rồi đưa ống đổ xuống, tiến hành đổ tiếp bê tông

- Do phụ thuộc vào đường kính của ống đổ (D=273 mm) và lượng nước trong ống (thường < 3 m3) ta có thể dung Bơm hút là các bơm hỏa tiễn có đường kính D=10cm, công suất 30 m3/h để đảm bảo quá trình xử lý được nhanh chóng và không ảnh hưởng chất lượng cọc sau này

 Lắng quá nhiều sau khi hạ lồng

- Thổi rửa đạt yêu cầu và chuyển công việc tiếp theo

- Phương pháp cuối cùng nếu thổi rửa không đạt là tiến hành kéo lồng thép lên và dùng gầu khoan lại đủ độ sâu

 Trong trường hợp gàu đào, ống đổ… Do sự cố đứt cáp hay, vô ý bất cẩn trong thi công bị rơi xuống hố đào Việc câu móc để kéo các thiết

bị này lên không được thì sẽ dung tới thợ lặn để dò tìm đầu cáp hay móc cáp dể các vật bị rơi sau đó kéo lên bằng cẩu Nhà thầu sẽ có biện pháp đảm bảo an toàn cho người khi có sự cố xảy ra Nhà thầu sẽ tiến hành ký hợp đồng nguyên tắc với đơn vị có chức năng thực thi công việc này để có thể sử dụng được ngay

Chương IV

Các thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc

IV.1 Thí nghiệm biến dạng nhỏ (PIT)

IV.1.1 Vấn đề chung

IV.1.1.1 Nguyên lý của phương pháp thí nghiệm

Thí nghiệm động biến dạng nhỏ phát hiện khuyết tật của cọc bằng cách đo và phân tích phản ứng của cọc đối với xung lực do búa thí nghiệm loại nhỏ tạo ra Sóng ứng suất có tần số cao, gia tốc lớn nhưng ứng suất gây ra trong cọc rất nhỏ (xem bảng IV.1) Sóng lan truyền trong cọc với vận tốc phụ thuộc vào các đặc trưng của vật liệu Trong quá trình lan truyền, nếu trên thân cọc có những biến động của độ cứng (ví dụ do khuyết tật) thì một phần sóng phản hồi trở lại đầu cọc (hình IV.1) Dạng, biên độ và thời gian trở lại của sóng phản hồi cho phép đánh giá về dạng, mức độ và độ sâu có biến động của độ cứng của cọc

Thí nghiệm gia tải cọc được thực hiện nhằm mục tiêu duy nhất là phát hiện khuyết tật trong cọc Kết quả thí nghiệm biến dạng nhỏ cung cấp thông tin về vị trí của khuyết tật và dự báo mức độ khuyết tật Thí nghiệm này không đánh giá được khả năng chịu tải của cọc và nền đất

Hình IV.1 Nguyên lý thí nghiệm PIT

Bảng IV.1 Một số thông số của thí nghiệm PIT

Gia tốc của cọc (g) 50

Chuyển dịch của cọc (m) 2

IV.1.1.2 Ưu điểm và hạn chế của phương pháp

a) Ưu điểm của phương pháp

Phương pháp PIT có nhiều ưu điểm, như:

- Thực hiện nhanh với chi phí thấp, mỗi thiết bị có thể thực hiện hàng chục thí nghiệm trong 1 ngày;

- Độ tin cậy khá cao khi được sử dụng để phát hiện khuyết tật ở độ sâu dưới

30 lần bề rộng tiết diện cọc;

- Có thể kiểm tra các cọc dưới móng công trình hiện hữu;

- Không đòi hỏi khắt khe về chuẩn bị mặt bằng, có thể thực hiện cho tất cả các cọc của công trình;

- Thiết bị gọn nhẹ, dễ vận hành

b) Hạn chế của phương pháp

Phương pháp PIT cũng có nhiều hạn chế, như:

- Độ tin cậy thấp khi định lượng mức độ khuyết tật;

- Không phân biệt được khuyết tật là do giảm tiết diện hay giảm chất lượng

- Khó phát hiện khuyết tật nằm ngay gần đầu cọc;

- Độ sâu thăm dò hạn chế khi cọc nằm trong đất tốt có sức kháng cao;

- Độ sâu thăm dò thường chỉ giới hạn trong khoảng 30d;

- Chỉ phát hiện các thay đổi đột ngột của kháng trở;

- Không đánh giá được khả năng chịu tải của cọc

IV.1.2 Các tiêu chuẩn thí nghiệm

Tiêu chuẩn về thí nghiệm PIT đã được ban hành ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam Một số tiêu chuẩn đáng chú ý là:

- Việt Nam: TCVN 9397:2012 “Cọc - Kiểm tra khuyết tật bằng phương pháp động biến dạng nhỏ” (TCXDVN 359:2005 trước kia)

- Mỹ: ASTM D 5882-00

- Trung Quốc: JGJ 93-95

- Australia: AS 2159-1995

- Pháp: NFP 94-160-2, NFP 94-160-4

- Anh: Specification for Piling, Institution of Civil Engineers

IV.1.3 Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm PIT gồm bộ phận tạo xung lực, các đầu đo, bộ thu nhận và xử

lý sơ bộ và máy tính cùng phần mềm xử lý số liệu Trên hình IV.2 là thiết bị thí nghiệm PIT do hãng Pile Dynamics (Mỹ) sản xuất

1 Thiết bị thu nhận và xử

lý số liệu sơ bộ

2 Búa cầm tay

3 Đầu đo gia tốc

Hình IV.2 Thiết bị thí nghiệm PIT

IV.1.3.1 Thiết bị tạo xung lực

Trong thí nghiệm PIT xung lực được tạo bằng búa cầm tay có trọng lượng 0,5-5 kg Cần lưu ý gõ búa theo phương dọc trục cọc Búa thường có lõi bằng kim loại và đầu búa có lớp đệm bằng chất dẻo tổng hợp Với cấu tạo như vậy búa có thể tạo được xung lực đủ ngắn (khoảng 1 ms) để có thể phát hiện những khuyết tật hẹp nhưng không làm vỡ bê tông dẫn đến tín hiệu chất lượng thấp

Thông thường xung lực được tạo bằng các đập búa lên bề mặt đầu cọc Tuy vậy trong thí nghiệm kiểm tra các cọc trong các móng hiện hữu thì xung lực có thể được tạo bằng cách đập búa vào mẩu kim loại gắn chặt vào thành cọc

IV.1.3.2 Thiết bị đo sóng

Ở mức tối thiểu cần sử dụng 1 cặp đầu đo gia tốc để thực hiện thí nghiệm PIT Trong trường hợp này chỉ có thể tiến hành phân tích tình trạng cây cọc trên

cơ sở quan sát biểu đồ quan hệ vận tốc – thời gian

Một số thiết bị thí nghiệm được trang bị cảm biến đo lực, cho phép xác định biểu đồ xung lực tác dụng lên đầu cọc Số liệu đo bằng thiết bị thí nghiệm loại này cho phép thực hiện các phân tích theo tần số và phân tích theo phương pháp tín hiệu phù hợp nhằm dự báo mức độ khuyết tật của cọc

Có thể tham khảo các yêu cầu kỹ thuật đối với các đầu đo trong các tiêu chuẩn về thí nghiệm PIT

IV.1.3.3 Thiết bị thu nhận và xử lý số liệu sơ bộ

Thiết bị kết nối với các đầu đo bằng dây dẫn tín hiệu, thu nhận và hiển thị các tín hiệu trên màn hình Một số xử lý ban đầu cũng được thực hiện, như thực hiện tích phân số liệu đo gia tốc để thu được vận tốc

IV.1.3.4 Máy tính cùng phần mềm xử lý số liệu

Ở trong phòng, tín hiệu từ thiết bị thu nhận và xử lý số liệu sơ bộ được chuyển sang máy tính để thực hiện các phân tích về độ toàn vẹn của cọc, đánh giá mức độ khuyết tật (nếu có) và lập báo cáo kết quả thí nghiệm

Các thí nghiệm PDA và PIT đều tạo sóng ứng ứng suất trong cọc và phân tích truyền sóng trong cọc để đánh giá chất lượng cọc Sự khác nhau cơ bản là trong thí nghiệm PDA xung lực của búa đóng cọc gây biến dạng lớn (chuyển vị không phục hồi 3 mm) trong khi búa cầm tay của thí nghiệm PIT chỉ gây biến dạng rất nhỏ và không gây chuyển vị không phục hồi của cọc Cơ chế truyền sóng trong cọc, tốc độ truyền sóng, các quan hệ giữa lực và vận tốc, IV.IV., trong thí nghiệm PIT đều tuân theo các qui luật được trình bày trong mục về thí nghiệm PDA

IV.1.4 Phân tích kết quả đo sóng và đánh giá mức độ khuyết tật

Hiện nay việc phân tích và diễn giải kết quả đo sóng được thực hiện theo 3 phương pháp chính:

1 Phân tích theo tần số dao động;

2 Phân tích theo thời gian (còn gọi là phương pháp phản hồi xung – Pulse echo method);

3 Phân tích bằng phương pháp tín hiệu phù hợp (signal matching)

Trong 3 phương pháp phân tích nêu trên, hai phương pháp đầu chỉ xác định được độ sâu gặp khuyết tật và không xác định được mức độ thay đổi của kháng trở Phương pháp thứ ba (tín hiệu phù hợp) cho phép xác định vị trí và định lượng khuyết tật của cọc

IV.1.4.1 Phân tích theo tần số dao động

Phương pháp phân tích này đòi hỏi búa thí nghiệm phải được trang bị bộ phận

đo lực Bằng cách biến đổi Fourier các sóng vận tốc và xung lực tác dụng lên cọc

sẽ xác định được phổ của vận tốc và phổ của lực Đường cong tỷ số dẫn nạp là tỷ

số V/F (biên độ vận tốc/biên độ lực) ứng với mỗi tần số Nguyên tắc của phương pháp này tương tự như cách phân tích của phương pháp thí nghiệm rung thường được sử dụng ở Pháp

Hình IV.3 Dẫn nạp của một cây cọc có khuyết tật

Hình IV.3 là kết quả phân tích theo tần số của một cây cọc dài 10.4 m, trong

đó trục tung của biểu đồ là tỷ số V/F và trục hoành là tần số dao động (Biểu đồ sóng vận tốc của cây cọc này được thể hiện trên hình IV.7 cùng với kết quả phân tích bằng phần mềm PITWAP) Các đỉnh của biểu đồ dẫn nạp quan sát được rất rõ

ở các tần số f1 200 Hz và f2 810 Hz Với vận tốc truyền sóng c4000 m/s, độ sâu của khuyết tật là 2(f2 f1)

c z

IV.1.4.2 Phân tích theo thời gian

Phân tích theo thời gian còn được gọi là phương pháp phản hồi xung (pulse echo method - PEM) Các bước thực hiện phân tích gồm:

- Xác định biểu đồ sóng đặc trưng trên cơ sở thí nghiệm một số lượng cọc đủ lớn Thông thường đây là đường trung bình của các biểu đồ sóng của nhiều cây cọc thí nghiệm được xem là không có khuyết tật;

- Phát hiện cây cọc có biểu đồ sóng khác với biểu đồ đặc trưng, trong đó quan tâm chủ yếu tới dạng và biên độ của sóng phản hồi;

- Nghiên cứu các thông tin về điều kiện đất nền, công nghệ thi công, hồ sơ giám sát thi công, IV.IV., từ đó đánh giá nguyên nhân gây sóng phản hồi và mức độ khuyết tật (nếu có)

Hình IV.4 thể hiện đáp ứng của 3 cây cọc thuộc móng một công trình công nghiệp ở Bà Rịa - Vũng Tàu Kết quả thí nghiệm do Viện KHCN Xây dựng thực hiện chứng tỏ các cọc DC-180 và DC-323 không có khuyết tật và dạng đáp ứng của chúng tương tự như nhau Cọc DC-337 có dạng đáp ứng khác với dạng sóng

đặc trưng, với sóng phản hồi quan sát được rất rõ ở độ sâu 3.3 m Nguyên nhân gây sóng phản hồi là do hư hỏng ở mối nối cọc, điều đã được kiểm chứng bằng cách quan sát trực tiếp trong hố đào

Để trợ giúp cho việc phân tích kết quả thí nghiệm, các hãng sản xuất thiết bị thí nghiệm lập một số dạng biểu đồ mẫu của dạng đáp ứng tương ứng với một số dạng khuyết tật trong điều kiện ma sát bên với đất nền khác nhau Hình IV.5 là một số biểu đồ trong catalog do hãng GRL (Hoa kỳ) cung cấp, trong đó thể hiện biểu đồ sóng khi diện tích tiết diện A của cọc bị giảm ở 3 mức độ khác nhau (A cao, trung bình và thấp) ứng với 3 mức độ của sức kháng của đất nền R (R cao, trung bình và thấp) Có thể thấy với cùng một mức độ khuyết tật, biên độ của sóng phản hồi phụ thuộc vào sức kháng của đất nền: khi R cao thì biên độ sóng phản hồi thấp, và ngược lại khi R thấp thì biên độ của sóng phản hồi cao hơn

Để thu thập tín hiệu phục vụ phân tích theo phương pháp xung phản hồi (PEM) không cần sử dụng máy đo trang bị búa có đầu đo lực Do đơn giản và dễ tiếp cận, phương pháp này được áp dụng rộng rãi để nhận biết dấu hiệu và độ sâu

của khuyết tật Nhược điểm của phương pháp này là không phát hiện chính xác

được khuyết tật ở gần đầu cọc và không đánh giá định lượng mức độ khuyết tật

Hình IV.4 Biểu đồ sóng vận tốc của 3 cây cọc tại Bà Rịa - Vũng Tàu

DC-323 DC-180

DC-337

Độ sâu (m)

Độ sâu (m)

Độ sâu (m)

Hình IV.5 Catalog dạng sóng của GRL

IV.1.4.3 Phân tích theo phương pháp tín hiệu phù hợp (signal matching)

Phương pháp “tín hiệu phù hợp” đã được sử dụng trong thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc bằng thí nghiệm biến dạng lớn (thường được gọi là PDA) từ cuối những năm 1960 Từ những năm 1980, khi những thiết bị đo sóng có độ nhạy cao bắt đầu được chế tạo phục vụ thí nghiệm biến dạng nhỏ, phương pháp này cũng được sử dụng để đánh giá mức độ khuyết tật của cọc Các phần mềm tiêu biểu nhất sử dụng cho mục đích này là TNOWAVE và PITWAP

Phương pháp tín hiệu phù hợp thực hiện giải bài toán ngược, trong đó ẩn số cần tìm là sự thay đổi của kháng trở Z theo độ sâu Số liệu đo vận tốc (hoặc lực) cùng với mô hình cọc và nền được sử dụng để tính toán lực (hoặc vận tốc) tại đầu cọc Mô hình của cây cọc có thể có dạng rời rạc (mô hình cọc của Smith, phần tử hữu hạn, …) hoặc liên tục Đối với đất nền, để xác định các thông số cản k z và z

có thể sử dụng các phương pháp lý thuyết hoặc thực nghiệm Hiện nay trong TNOWAVE và PITWAP tính toán được bắt đầu với các thông số giả định của mô hình nền, sau đó các thông số này được điều chỉnh dần qua các lần tính lặp sao cho vận tốc (hoặc lực) tính toán trên mô hình trùng hợp với lực (hoặc vận tốc) đo được khi thí nghiệm

Theo Middendorp, các bước thực hiện để phân tích theo phương pháp tín hiệu phù hợp là:

Bước 1: Xác định biểu đồ sóng của cây cọc đặc trưng: Biểu đồ sóng đặc trưng tương ứng với cây cọc chuẩn đại diện cho mỗi hiện trường được xác định

bằng cách lấy trung bình biểu đồ sóng vận tốc của một số lượng cọc thí nghiệm đủ lớn Cây cọc chuẩn được coi là có tiết diện không đổi, không có khuyết tật

Bước 2: Xác định xung lực (theo số liệu đo)

Bước 3: Lập mô hình cây cọc chuẩn với giả thiết nó có tiết diện đồng đều Các thông số của mô hình cọc chuẩn sẽ không thay đổi trong quá trình phân tích

Bước 4: Xác định các thông số của mô hình nền: Bằng cách phân tích đáp ứng đặc trưng theo thuật toán tín hiệu phù hợp, người ta xác định được các thông

số cản của đất nền đại diện cho điều kiện cụ thể của mỗi công trình

Bước 5: Nhận biết các cây cọc có thể có khuyết tật: Những cây cọc có đáp ứng khác với đáp ứng đặc trưng được coi là có thể có khuyết tật và có thể được phân tích theo phương pháp “tín hiệu phù hợp” để đánh giá mức độ khuyết tật qua các bước tiếp theo

Bước 6: Xác định xung lực cho cây cọc nghi ngờ có khuyết tật

Bước 7: Lập mô hình cây cọc có khuyết tật: Khuyết tật gây ra sóng phản hồi

có thể do thay đổi tiết diện (rỗ bê tông, nứt, thắt hoặc phình tiết diện, …) hoặc do chất lượng bê tông kém nên mô đun đàn hồi bị giảm Trong các phần mềm hiện nay sự thay đổi của kháng trở được giả thiết là do thay đổi đường kính cọc Vị trí của các khuyết tật được xác định trên cơ sở độ sâu phát sinh dị biến của biểu đồ sóng so với sóng của cây cọc đặc trưng

Bước 8: Tính toán mức độ khuyết tật: Các thông số của mô hình nền xác định từ biểu đồ sóng của cây cọc chuẩn được sử dụng trong tính toán ở bước này

và không thay đổi trong suốt quá trình tính toán Mô hình cọc được điều chỉnh dần bằng cách thay đổi diện tích tiết diện cọc ở các độ sâu thích hợp cho tới khi sóng tính toán phù hợp với sóng đo được

Bước 9: Xác định mức độ khuyết tật: Mô hình cọc thoả mãn điều kiện phù hợp giữa sóng tính toán và sóng đo tại hiện trường được sử dụng để xác định phân

bố trở kháng của cọc theo độ sâu

Giản đồ của quá trình phân tích kết quả thí nghiệm được Middendorp trình bày trên hình IV.6

Có thể thấy thuật toán tín hiệu phù hợp được chia làm 2 giai đoạn chính:

 Giai đoạn 1: Phân tích cây cọc chuẩn (bước 1-4) Trong giai đoạn này giả thiết là đã biết phân bố kháng trở cọc (tiết diện cọc đồng đều), từ đó xác định các thông số của mô hình nền bằng phương pháp tính lặp

 Giai đoạn 2: Phân tích cây cọc nghi ngờ có khuyết tật (bước 5-9) Trong giai đoạn này giả thiết là đã biết các thông số cản của đất nền (xác định ở giai đoạn 1), do đó các tính toán tập trung vào việc xác định

sự thay đổi của kháng trở

Có thể nhận thấy có một số tồn tại của phương pháp này là:

 Ở giai đoạn 1, các thông số của mô hình nền được xác định bằng thuật toán tính lặp mà hầu như không xét đến điều kiện đất nền Đối với phần mềm, yếu tố quyết định là kết quả tính toán trên mô hình phải thoả mãn yêu cầu về sự phù hợp giữa sóng tính toán và sóng đo được thay vì phải phù hợp với các tính chất cơ lý của đất và cấu tạo địa tầng Với phương

pháp xác định hệ số nền như mô tả ở trên có thể thu được kết quả vô lý,

ví dụ lớp đất rất yếu lại có hệ số cản rất cao và trong khi lớp đất cứng lại có hệ số cản rất thấp

 Ma sát bên của cọc cũng như sự thay đổi của kháng trở đều làm cho sóng phản hồi trở lại đầu cọc Như vậy nếu vì một nguyên nhân nào đó (ví dụ do công nghệ thi công) kháng trở của hầu hết các cây cọc ở cùng một hiện trường đều bị thay đổi ở cùng một khoảng độ sâu thì phân tích

ở giai đoạn 1 sẽ coi sóng phản hồi là do phản lực của nền mà không phải là do thay đổi tiết diện Mô hình nền xác định không chính xác ở giai đoạn này sẽ làm sai lệch kết quả đánh giá độ toàn vẹn của cọc ở giai đoạn 2

Hình IV.7 trình bày ví dụ áp dụng phương pháp phân tích “tín hiệu phù hợp” cho một cây cọc dài 10.4 m thực hiện tại Mỹ Trên biểu đồ sóng vận tốc phát hiện được phản hồi do giảm kháng trở tại độ sâu khoảng 3.3 m Phân tích bằng PITWAP cho kết quả:

- Kháng trở tăng mạnh tại độ sâu khoảng 1 m;

- Kháng trở giảm mạnh tại độ sâu khoảng 3.3 m, tương đương độ sâu dự báo có khuyết tật khi phân tích theo tần số (hình IV.3) Cọc được kết luận là mất 50% tiết diện

Đặc điểm rất dễ nhận thấy của kết quả phân tích trình bày ở trên cũng như rất nhiều phân tích đã thực hiện ở Việt Nam là kháng trở ở độ sâu 1-2 m trên cùng tăng mạnh trong khi trên thực tế điều này rất ít khi xảy ra vì chất lượng bê tông ở phần trên của cọc thường thấp hơn phần dưới sâu - điều đã được kiểm chứng bằng thí nghiệm siêu âm Mặt khác nếu kháng trở ở độ sâu phía trên tăng mạnh thì hầu như không có khả năng quan sát được khuyết tật ở phía dưới vì phương pháp biến dạng nhỏ chỉ cho phép nhận biết chính xác sự tăng hoặc giảm của kháng trở đầu tiên kể từ trên xuống

Có thể giải thích nguyên nhân của hiện tượng trên là đầu đo được đặt quá gần

vị trí búa gõ vào đầu cọc, do đó phần vận tốc “âm” chỉ là cục bộ Trong tính toán,

sự tồn tại của đoạn cọc có kháng trở “tăng” lên này sẽ gây ra sóng phản hồi trở lại đầu cọc và hậu quả là không đánh giá chính xác khuyết tật nằm ở phía dưới Nếu đầu đo được đặt xa hơn thì sẽ thu được một biểu đồ vận tốc khác, với vận tốc

“âm” nhỏ hơn, từ đó khi phân tích bằng PITWAP sẽ không dự báo tăng tiết diện ở ngay phía dưới đầu cọc

Mặc dù có một số tồn tại như nêu trên, phương pháp tín hiệu phù hợp được coi

là một công cụ mạnh để đánh giá định lượng mức độ khuyết tật của cọc và được

áp dụng ngày càng rộng rãi

Cọc đặc trưng Xung lực

Mô hình cọc

Mô hình nền Tính toán

Có Không

Đánh giá khuyết tật

Hình IV.6 Giản đồ của phương pháp tín hiệu phù hợp (theo Middendorp)

Hình IV.7 Kết quả phân tích khuyết tật bằng PITWAP

IV.1.5 Một số sai sót có thể gặp trong thí nghiệm PIT

Hiệu quả áp dụng phương pháp PIT có thể bị hạn chế do một số sai sót được trình bày sau đây

IV.1.5.1 Tín hiệu thu được khi thí nghiệm ở hiện trường không chuẩn xác:

Các sai sót thường gặp là việc chuẩn bị bề mặt cọc thí nghiệm không tốt, không phát hiện được các vết nứt ngầm của bê tông ngay dưới bề mặt cọc, vị trí tạo xung và thu tín hiệu không tốt (hình IV.8) Chất lượng tín hiệu thấp là một trong những nguyên nhân chủ yếu hạn chế hiệu quả của thí nghiệm PIT

IV.1.5.2 Sai sót trong phân tích tín hiệu:

Số liệu thí nghiệm PIT có thể được phân tích theo tần số, theo thời gian hoặc bằng phương pháp “tín hiệu phù hợp” (xem TCVN 9397:2012) Các phân tích theo phương pháp “tín hiệu phù hợp” thường được thực hiện hoàn toàn tự động,

do đó nếu chỉ dựa trên kết quả tính toán của phần mềm để đánh giá tình trạng của cây cọc mà bỏ qua các thông tin như điều kiện địa chất công trình, hồ sơ thi công cọc, IV.IV., thì có thể đưa ra những kết luận thiếu chính xác

Khi phân tích số liệu theo thời gian cần khuếch đại tín hiệu để có thể quan sát được sóng phản xạ từ phần dưới cọc Trong nhiều trường hợp tín hiệu không khuyếch đại (hình IV.9) nên không thể quan sát được sóng phản xạ mang thông tin về tình trạng thân cọc ở dưới sâu Cũng cùng tín hiệu đó khi được khuếch đại như được khuyến cáo trong tiêu chuẩn sẽ cho phép phát hiện phản xạ từ những khuyết tật nhỏ ở độ sâu z>10 m như thể hiện trên hình IV.8b

Hình IV.8 Biểu đồ vận tốc khi bề mặt cọc

a) Khi không bị nứt (a) b) Khi bị nứt