Phương pháp thí nghiệm osterberg

Thí nghiệm Osterberg về thực chất là thí nghiệm nén tĩnh cọc. Tuy nhiên, thí nghiệm này không đòi hỏi cọc neo hay các khối vật liệu làm đối trọng cho kích thủy lực như trong thí nghiệm nén tĩnh thông thường. Thí nghiệm này lần đầu tiên được áp dụng tại Mỹ vào năm 1984 bởi giáo sư Jorj Osterberg (đại học Northwestern) Trong phương pháp này, người ta đặt một kích thủy lực (hộp Ocell) được lắp đặt cùng với lồng thép ở đáy hay ở thân cọc cùng với một hệ thống các ống dẫn thủy lực và các thanh đo trước khi đổ bê tông. Với nguyên lý này, đối trọng dùng cho việc thử được tạo ra bởi chính trọng lượng bản thân cọc và sức kháng thành bên của cọc. Khi làm việc, kích thủy lực tạo ra lực đẩy tác dụng vào thân cọc đồng thời tạo ra một lực ép xuống tại mũi cọc. Các chuyển vị lên của thân cọc và chuyển vị xuống của mũi cọc được các đồng hồ ghi lại tương ứng với mỗi thời điểm của quá trình gia tải. Thí nghiệm được coi là kết thúc khi đạt đến sức kháng ma sát bên giới hạn hoặc sức chống mũi giới hạn (cọc bị phá hoại ở thành hoặc mũi). Kết quả thu được là đường cong biểu thị quan hệ chuyển vị tải trọng của đỉnh và mũi cọc. Từ kết quả đó, cùng với việc dựa vào một số giả thiết cơ bản người ta xây dựng được biểu đồ tải trọng – chuyển vị tương đương như trong thử tĩnh tải truyền thống.

PHƯƠNG PHÁP OSTERBERG ĐÁNH GIÁ SỨC

CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI PHẦN I: GIỚI THIỆU

PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ CỌC KHOAN NHỒI

Cọc khoan nhồi (bored pile hoặc driller pile) là cọc bê tông được đổ tại chỗ trong các lỗ khoan hoặc ống thiết bị

So với các loại cọc khác, cọc khoan nhồi ra đời tương đối muộn hơn Bắt đầu manh nhà từ đầu thế kỷ 20 nhưng mãi đến cuối những năm 40 và đầu những năm 50 công nghệ cọc khoan nhồi mới được phổ biến Cọc khoan nhồi được đưa vào Việt Nam đầu thập kỷ 90 Kích thước phổ biến của cọc nhồi ở Việt Nam là đường kính từ 1÷2m, chiều dài từ 40÷70m

Tuy nhiên, những lý thuyết phân tích, thiết kế, các phương pháp dự báo sức chịu tải và độ lún của cọc khoan nhồi lại phát triển chậm hơn so với sự phát triển của các phương pháp thi công cọc Mãi đến những năm 70 nhờ những chương trình nén tĩnh quy mô lớn mới giúp người ta hiểu rõ hơn sự làm việc của cọc nhồi, trong đó có một điểm mà cho đến bây giờ nhiều người vẫn chưa nhận ra đó là cọc nhồi ít khi làm việc như cọc chống (cho dù đất dưới mũi cọc là loài đất rất tốt)

Phần 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI

I Các phương pháp đánh giá dựa trên các tính toán lý thuyết

Bài toán lý thuyết tính toán các thành phần sức chịu tải của cọc là nghiên cứu sự xuyên sâu một mũi nhọn trong mối trường bán vô hạn Điều này đã được rất nhiều tác giả nghiên cứu và đã đi đến những kết luận về khả năng chống tại mũi xuyên chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố là hình dáng và kích thước mũi cọc, độ xuyên sâu, các đặc trưng về sức kháng cắt và sức kháng nén của môi trường nền

Trong tính toán sức chịu tải của cọc, một cách tổng quát người ta phân sức chịu tải của cọc

ra làm hai thành phần là sức kháng mũi và sức kháng bên

Các tính toán được tiến hành ở mức tới hạn thường được gọi là “phá hoại” với công thức:

U S P

Trong đó:

-U

R

: Sức chịu tải tới hạn của cọc,

-S

Q

: Sức chịu tải tới hạn do ma sát bên của cọc,

-P

Q

: Sức chống tới hạn tại mũi cọc

Sức kháng tính toán sẽ được xác định từ sức chịu tải tới hạn chia cho hệ số an toàn

Bài toán tính toán khả năng chịu tải của cọc đi vào cụ thể tính toán giá trị đơn vị của lực chống mũi cọc và ma sát thành bên Các giá trị này được xác định từ các phương pháp thí nghiệm và khảo sát đất nền khác nhau: Thí nghiệm trong phòng; thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT); thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT); thí nghiệm nén ngang thành hố khoan…Cũng chính vì thế, từ các đặc trưng và các phương pháp thí nghiệm khác nhau cũng cho các giá trị sức chịu tải tính theo lý thuyết rất phân tán với mức độ tin cậy cũng rất khác nhau

1 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa vào các kết quả của các thí nghiệm trong phòng

Phương pháp này vấp phải những khó khăn rất lớn do sức kháng đơn vị của lực mũi và ma sát thành bên là những đại lượng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: lực dính, góc nội ma sát, các trạng thái của đất và các hệ số của khả năng chịu tải là hàm số của góc nội ma sát, vật liệu làm cọc, phương pháp hạ cọc…

Ngoài những vấn đề liên quan đến việc lấy mẫu nguyên dạng và việc cung cấp các số liệu thí nghiệm trong phòng, phương pháp này còn vấp phải những khó khăn đặc biệt liên quan đến sức chống tại mũi cọc

Do đó, các kết quả tính toán khả năng chịu tải của cọc chỉ dựa vào các thí nghiệm trong phòng có độ chính xác thấp và không được sử dụng

2 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm kết hợp với các giá trị kinh nghiệm

Dựa vào các kết quả thí nghiệm xác định thành phần hạt và các tính chất cơ lý cùa đất để phân chia các loại đất và đánh giá trạng thái của từng lớp đất Trên cơ sở phân loại đất, trạng thái của đất và độ sâu của từng lớp đất người ta dựa vào kinh nghiệm để ấn định giá trị đơn vị của sức kháng mũi và ma sát thành bên

Phương pháp này chỉ xuất phát từ sự phân loại đất khá đơn giản và các chị số sức kháng

đã được ấn định từ trước nên độ chính xác cũng không cao và hiện nay chỉ còn được sử dụng để dự tính sức chị tải của cọc và lựa chọn chiều dài của cọc trong bước thiết kế cơ sở

3 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh hiện trường (CPT)

Khi ấn một mũi xuyên hình côn vào đất, bằng cách đo lực kháng của đất nền lên mũi xuyên cũng như ma sát giữa đất đối với thành bên của thiết bị ta thu được cường độ phản lực giới hạn của đất lên mũi thiết bị (qc) và cường độ ma sát giới hạn giữa đất với thành bên của thiết bị (fs), gọi chung là cường độ phản lực của đất đối với xuyên Dựa vào sức kháng của đất trên một đơn vị diện tích tiết diện ngang của mũi xuyên để xác định cấu trúc địa tầng và đánh giá phẩm chất của đất

Dự tính sức chịu tải của cọc từ các kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh được đánh giá làm một trong những phương pháp tiện ích Trong nền đất mà ở đó có việc đo lực kháng mũi xuyên

có thể thực hiện thì xuyên tĩnh là dụng cụ tốt cho việc tính toán các móng sâu và trong thực tế phương pháp này đã được sử dụng nhiều năm nay ở Việt Nam

4 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn được thực hiện bằng cách đóng một ống lấy mẫu đã được chuẩn hóa vào đất và đếm số nhát búa (N) cần thiết để làm cho thiết bị xuyên sâu vào đất 30cm Phẩm chất của đất được đánh giá qua giá trị của N

5 Phương pháp thử tải động.

Phương pháp này dựa trên các công thức động lực học đơn giản là phương trình cân bằng năng lượng của búa đóng với công sinh ra để làm cọc thắng lực cản của đất và dịch chuyển vào trong đất

Phương pháp này có nhiều hạn chế, nhất là với những công trình có quy mô lớn, có tính chất quan trọng và trong nhữn điều kiện nền đất phức tạp thì phương pháp này không đáp ứng được những yêu cầu về tính an toàn và kinh tế

6 Phương pháp thử tải tĩnh

Hiện nay đây là phương pháp tin cậy nhất để xác định sức chịu tải của cọc do đã mô phỏng được gần nhất sự làm việc của cọc trong công trình

Trong thí nghiệm này người ta dùng các tải trọng tĩnh ép dọc trục cọc theo một quy trình nhất định sao cho dưới tác dụng của lực ép, cọc chuyển vị (lún) vào đất nền Tải trọng tác dụng lên đầu cọc được thực hiện bằng kích thủy lực với hệ phản lực là dàn chất tải, neo hoặc kết hợp cả hai

Kết thúc thí nghiệm người ta xây dựng được các đường cong biểu thị quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị; biểu đồ chuyển vị - thời gian của các cấp tải; biểu đồ quan hệ tải trọng – thời gian; biểu đồ quan hệ chuyển vị - tải trọng – thời gian

Từ các kết quả thí nghiệm đó người ta xác định được sức chịu tải giới hạn của cọc

Phương pháp này vẫn tồn tại một số nhược điểm lớn đó là chi phí thí nghiệm cao, thời gian chuẩn bị cho thí nghiệm kéo dài, đòi hỏi mặt bằng thí nghiệm tương đối rộng Ngoài

ra phương pháp này chỉ cung cấp được số liệu sức chịu tải tổng cộng, không thể tách riêng

ra sức kháng mũi và sức kháng thành bên

7 Phương pháp thử tải tĩnh động

Trong phương pháp này việc tạo tải trọng động lên đầu cọc được thực hiện bằng một động

cơ nổ phản lực Khi nổ tạo ra lực đẩy phản lực có thời gian đặt tải đủ dài trên 120mili giây Qua đó người ta xây dựng đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị và phân tích sự làm việc của cọc như trong thử tải tĩnh

8 Phương pháp thử tải trọng tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg.

Thí nghiệm Osterberg về thực chất là thí nghiệm nén tĩnh cọc Tuy nhiên, thí nghiệm này không đòi hỏi cọc neo hay các khối vật liệu làm đối trọng cho kích thủy lực như trong thí nghiệm nén tĩnh thông thường Thí nghiệm này lần đầu tiên được áp dụng tại Mỹ vào năm

1984 bởi giáo sư Jorj Osterberg (đại học Northwestern)

Trong phương pháp này, người ta đặt một kích thủy lực (hộp O-cell) được lắp đặt cùng với lồng thép ở đáy hay ở thân cọc cùng với một hệ thống các ống dẫn thủy lực và các thanh đo trước khi đổ bê tông

Với nguyên lý này, đối trọng dùng cho việc thử được tạo ra bởi chính trọng lượng bản thân cọc và sức kháng thành bên của cọc Khi làm việc, kích thủy lực tạo ra lực đẩy tác dụng vào thân cọc đồng thời tạo ra một lực ép xuống tại mũi cọc Các chuyển vị lên của thân cọc và chuyển vị xuống của mũi cọc được các đồng hồ ghi lại tương ứng với mỗi thời điểm của quá trình gia tải Thí nghiệm được coi là kết thúc khi đạt đến sức kháng ma sát bên giới hạn hoặc sức chống mũi giới hạn (cọc bị phá hoại ở thành hoặc mũi)

Kết quả thu được là đường cong biểu thị quan hệ chuyển vị - tải trọng của đỉnh và mũi cọc Từ kết quả đó, cùng với việc dựa vào một số giả thiết cơ bản người ta xây dựng được biểu đồ tải trọng – chuyển vị tương đương như trong thử tĩnh tải truyền thống

Một số ưu điểm của phương pháp thí nghiệm bằng hộp tải trọng Osterberg

Phương pháp này có một số ưu điểm vượt trội so với phương pháp nén tĩnh truyền thống ở một số phương diện sau:

- Tải trọng thử lớn hơn: Có thể thí nghiệm đến 17.000 tấn cho cả một trụ cầu (trong khi phương pháp thử tải bằng phương pháp nén tĩnh truyền thống hầu như không thể thực hiện với tải trọng lớn hơn 3000 tấn)

- Xác định được cả thành phần sức kháng bên và sức kháng mũi Cho phép ta xác định được công nghệ thi công cọc có ảnh hưởng như thế nào đến từng thành phần sức chịu tải

- An toàn lao động tốt hơn

- Giảm thiểu tối đa không gian làm việc;

- Có thể sử dụng thí nghiệm để xác định một số kết quả khác (ứng xử của cọc với đất nền, xác định khả năng chịu kéo của cọc…)

- Thời gian chuẩn bị thí nghiệm và thí nghiệm nhanh hơn và thuận tiện hơn

- Có thể tiến hành trên mặt bằng sông nước hoặc chật hẹp

- Có thể thí nghiệm cho nhiều loại cọc khoan nhồi khác nhau (cọc mở rộng đáy, cọc nghiêng…);

…

Một số nhược điểm

- Yêu cầu lắp đặt thiết bị trước khi đổ bê tông

- Yêu cầu phải cân bằng các thành phần của sức chịu tải Thí nghiệm này dừng lại khi một trong hai thành phần sức kháng của cọc đạt tới hạn Do đó, để sử dụng kích

có hiệu quả trước tiên cần phải tính toán và dự tính vị trí đặt kích sao cho có thể thu được nhiều nhất số liệu của các thành phần sức kháng của cọc;

- Không thu hồi lại được hộp O-cell;

- Giải thích kết quả thí nghiệm dựa trên một số giả thiết gần đúng: Do sơ đồ chất tải của thí nghiệm không giống với sự làm việc thực tế của cọc, nên khi tiến hành giải thích thí nghiệm người ta đã dựa vào một số giả thiết gần đúng để đưa về như kết quả thí nghiệm nén tĩnh truyền thống tương đương

Phần IV: NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP OSTERBERG.

Nguyên lý của thí nghiệm được minh họa như trên hình 1

Hình 1: Nguyên lý thí nghiệm Osterberg

Trên hình 1a, kích thủy lực (hộp Osterberg) được đặt ở mũi cọc, kích gây ra lực nén cả lên trên (do đó cân bằng với ma sát bên huy động Qs) và xuống dưới (do đó cân bằng với sức kháng mũi huy động Qp) Tải trọng cứ thế tăng dần cho đến khi một trong hai thành phần (hoặc sức kháng bên, hoặc sức kháng mũi) đạt giá trị cực hạn (phá hoại) là Q0 Ví dụ, nếu ma sát bên đạt cực hạn trước thì Qs=Q0-w’ (w’ là trọng lượng bản thân cọc, có kể đến

sự đẩy nổi của đoạn cọc dưới mực nước ngầm), còn lúc bấy giờ sức khác mũi chưa đạt giá trị cực hạn và là: Qphd=Q0<Qp

Vị trí hợp lý nhất của kích sẽ được chọn tại vị trí cân bằng giữa lực đẩy lên và lực đẩy xuống Nếu cọc có tổng sức kháng bên nhiều hơn tổng sức kháng mũi thì kích sẽ được đặt phía trên mũi cọc như hình 1b

Sơ đồ và tiến trình lắp đặt cá thiết bị được trình bày trên hình 2

Hình 2: Sơ đồ thí nghiệm Osterberg cho cọc nhồi

Để đo chuyển vị lên đầu cọc (A&B), người ta gắn hai thiết bị đo biến dạng tuyến tính (LVDT – Linear Variable Displacement Tranceducer) vào phần dầm phụ cố định Các LVDT thường có độ chính xác đến 0.025mm và có hành trình cực đại là 100mm Chuyển

vị này sau khi hiệu chỉnh do sự dao động của dầm phụ được ký hiệu là TOS (top of shaft movement)

Bốn thanh truyền (telltale) gắn với tấm thép trên của O-cell cho phép ta đo được biến dạng nén của cọc ở phần trên của O-cell (E&F) Số đọc (so với đầu cọc) được thu trực tiếp bằng

LVDT Các LVDT thường có độ chính xác đến 0.025mm và có hành trình cực đại là 25mm Biến dạng này ký hiệu là COMP (compression)

Để đo chuyển vị nở của O-cell, người ta hàn 4 thanh truyền vào tấm thép ở đáy O-cell Số liệu thu được qua các thanh truyền này là hiệu số giữa chuyển vị nở của O-cell và biến dạng nén của cọc, từ đó cho ta biết được chuyển vị xuống của cọc Số đọc (so với đầu cọc) được thu bằng bốn thiết bị đo biến dạng rung tuyến tính (LVWDT – Linear Vibrating Wire Displacement Tranceducer) Các LVWDT thường có độ chính xác đến 0.01mm và

có hành trình cực đại là 150mm Chuyển vị này ký hiệu là BP (bottom plate)

Sau khi thí nghiệm xong, người ta bơm vữa bịt qua những ống lắp sẵn (thường là các ống siêu âm, khoan lõi) để làm kín tất cả những lỗ hổng trong cọc sau khi thí nghiệm

Các giả thiết sử dụng trong phương pháp thử

Trong thí nghiệm này, sơ đồ chịu tải trọng của cọc khác hoàn toàn so với sơ đồ chịu tải của cọc trong phương pháp thử tải tĩnh truyền thống (hình 3.2 trang 25 sách Osterberg) Trong phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống, tải trọng thử được đặt lên đầu cọc.Khi tăng tải, cọc chuyển dịch xuống phía dưới, lực kháng ma sát của đất xung quanh thân cọc

và lực kháng của đất mũi cọc có cùng chiều hướng lên trên ngan cản chuyển dịch đi xuống của cọc Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị thu được là là quan hệ giữa tải trọng đặt lên đầu cọc và chuyển vị đi xuống của cọc Tải trọng đầu cọc luôn cân bằng với tổng lực kháng ma sát của đất xung quanh cọc và lực kháng của đất ở mũi cọc Sơ đồ này khá tương đương với tình trạng chịu tải thực tế của cọc trong quá trình khai thác

Trong phương pháp Osterberg, tải trọng thử không được đặt trên đầu cọc mà được đặt ở mũi cọc hoặc thân cọc Khi tăng tải, cọc (hoặc đoạn cọc phía trên hộp tải trọng) chuyển dịch lên phía trên Tương ứng với trường hợp trên, lực kháng ma sát của đất xung quanh thân cọc có chiều hướng đi xuống ngăn cản chuyển dịch đi lên của cọc và lực kháng của đất ở mũi cọc có hướng đi lên ngăn cản chuyển dịch đi xuống của mũi cọc Biểu đồ quan

hệ tải trọng - chuyển vị thu được là các quan hệ riêng rẽ giữa tải trọng do hộp tải trọng gây

ra cho cọc và các chuyển vị đi lên hay đi xuống của của cọc hay đoạn cọc tùy theo sơ đồ

bố trí hộp tải trọng

Do kết quả thu được là hai biểu đồ tải trọng – chuyển vị mũi cọc độc lập với nhau, nên để

dễ sử dụng và so sánh với phương pháp thử tĩnh tải truyển thống ta phải xây dựng biểu đồ tải trọng – chuyển vị đầu cọc tương đương như thử tĩnh tải truyền thống Để thực hiện được điều đó cần phải dựa vào một số giả thiết cơ bản sau đây:

- Đưởng cong chuyển vị - tải trọng mũi trong cọc được chất tải theo phương pháp truyền thống giống như đường cong chuyển vị - tải trọng thu được do chuyển dịch

đi xuống của hộp tải trọng đặt tại đáy

- Đường cong chuyển vị - tải trọng ma sát bên của chuyển dịch đi lên trong thí nghiệm dùng hộp tải trọng giống như chuyển dịch đi xuống trong thí nghiệm chất tải truyền thống

- Bỏ qua độ nén trong thân cọc khi xem nó là vật rắn

VÍ DỤ THỰC TẾ

Tên công trình: Công trình toa tháp VietinBank – VietinBank Tower

Sơ đồ cọc và các bố trí hộp tải trọng và SG (báo cáo Loadtest)

Trình tự thực hiện thí nghiệm:

Các dụng cụ thí nghiệm:

- Hộp tải trọng Osterberg: Thực chất là một kích thủy lực hình trụ tròn, chất lỏng dùng để tạo áp lực là nước sạch Trong thí nghiệm này đơn vị thí nghiệm dùng 02 hộp tải trọng có đường kính 610mm và đã được hiệu chỉnh lực là 13.0MN