Chương 4 một số PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM cọc

Thí nghiệm nén tĩnh áp dụng cho cọc đơn thẳng đứng, cọc đơn xiên, không phụ thuộc vào kích thước và phương phápthi công đóng, ép, khoan thả, khoan dẫn, khoan nhồi… trong các công trình x

Chương 4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CỌC

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

4.1.1 Khái niệm về thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc

Trong xây dựng công trình công tác thi công cọc để đảm bảo độ nguyên vẹn kết cấu và sứckháng của cọc là vấn đề rất khó khăn và phức tạp Vì vậy công tác kiểm tra, đánh giá chất lượngcủa cọc là rất quan trọng, từ đó có những điều chỉnh về thiết kế, tổ chức thi công cho phù hợp,đảm bảo các yêu cầu về kĩ thuật và kinh tế Thí nghiệm kiểm tra chất lượng của cọc đơn gồm hainội dung chính là:

 Sức chịu tải của cọc đơn;

Các thí nghiệm thường dùng hiện nay như thí nghiệm siêu âm, thí nghiệm biến dạng nhỏPIT

4.1.2 Khái niệm chung về sóng âm

Song âm là sự lan chuyền các dao động âm trong các môi trường rắn, lỏng và khí

Tai con người chỉ có thể cảm nhận (nghe được) các âm có tần số từ 16Hz đến 20000Hz, cácsong âm có tần số nhỏ hơn 16Hz được gọi là hạ âm, các sóng âm có tần số lớn hơn 20000Hzđược gọi là sóng siêu âm Tốc độ truyền âm giảm trong các môi trường theo thứ tự; rắn, lỏng,khí Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất môi trường, nhiệt độ của môi trường và khốilượng riêng của môi trường Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ truyền âm cũng tăng

4.2 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

Hình 4.1 Kết quả thí nghiệm nén tĩnh

Thí nghiệm nén tĩnh có thể thực hiện ở giai đoạn thăm dò thiết kế và kiểm tra chất lượng côngtrình Thí nghiệm ở giai đoạn thăm dò thiết kế được tiến hành trước khi thi công cọc đại trà nhằmxác định các số liệu cần thiết về cường độ, biến dạng và mối quan hệ tải trọng – chuyển vị củacọc làm xơ sở cho thiết kế hoặc điều chỉnh đồ án thiết kế, chọn thiết bị và thi công cho phù hợp.Cọc thí nghiệm thăm dò thường được thi công riêng biệt ngoài phạm vi móng công trình Thínghiệm nén tĩnh ở giai đoạn kiểm tra chất lượng công trình, được tiến hành trong thời gian thicông hoặc sau khi thi công xong cọc nhằm kiểm tra sức chịu tải của cọc theo thiết kế và chấtlượng thi công cọc Cọc thí nghiệm kiểm tra được chọn trong số các cọc móng công trình Sốlượng cọc thí nghiệm do thiết kế quy định tùy theo mức độ quan trọng của công trình, mức độphức tạp của điều kiện địa chất đất nền, kinh nghiệm thiết kế, chủng loại cọc sử dụng và chấtlượng thi công cọc ở hiện trường thông thường lấy bằng 1% tổng số lượng cọc của công trìnhnhưng trong mọi trường hợp không ít hơn 2 cọc Trong thực tế nhiều công trình người ta có thểtiến hành thử tĩnh một cọc, còn các cọc còn lại có thể thí nghiệm bằng phương pháp thử độngbiến dạng lớn PDA

b Phạm vi áp dụng của thí nghiệm

Thí nghiệm nén tĩnh được tiến hành theo tiêu chuẩn TCXDVN 269 - 2002 Thí nghiệm nén tĩnh

áp dụng cho cọc đơn thẳng đứng, cọc đơn xiên, không phụ thuộc vào kích thước và phương phápthi công (đóng, ép, khoan thả, khoan dẫn, khoan nhồi…) trong các công trình xây dựng Không

áp dụng thí nghiệm nén tĩnh cho cọc tre, cọc cát và trụ vật liệu rời

c) Ưu nhược điểm của thí nghiệm nén tĩnh

Thí nghiệm phản ánh được tương đối chính xác sự làm việc của cọc trong nền Kết quả đáng tincậy

Thời gian chuẩn bị và thời gian tiến hành thí nghiệm kéo dài, thiết bị thí nghiệm cồng kềnh, tốn

kém Đồng thời SCT xác định được là tổng SCT của cọc mà không thể phân biệt được phần nào

do ma sát thành bên, phần nào do sức chống mũi cọc Do chi phí lớn, đặc biệt khi vị trí cọc ởdưới sông khó có thể tiến hành thí nghiệm, nên chỉ thí nghiệm được một số ít cọc, do đó cọc thínghiệm phần nào cũng chưa phản ánh được một cách tổng quan cho các cọc trong móng và chođịa chất cả khu vực xây dựng công trình

4.2.1.2 Thiết bị thí nghiệm:

Thiết bị thí nghiệm bao gồm các bộ phận sau đây (hình 2):

 Hệ gia tải ( kích, bơm và hệ thống thủy lực): Đây là bộ phận dùng để gia tải trực tiếp lênđầu cọc, phải đảm bảo thiết bị không bị rò rỉ, hoạt động an toàn dưới áp lực không nhỏhơn 150% áp lực làm việc

Sử dụng kích thủy lực (số 4, hình 2, hình 3) để gia tải vào đầu cọc Kích thủy lực phải đảmbảo các yêu cầu sau: Có sức nâng đáp ứng tải trọng lớn nhất theo dự kiến; có khả năng gia tải,giảm tải với cấp tải trọng phù hợp với đề cương thí nghiệm; có khả năng giữ tải ổn định không íthơn 24 giờ; có hành trình đủ để đáp ứng chuyển vị đầu cọc lớn nhất theo dự kiến cộng với biếndạng của hệ phản lực; khi sử dụng nhiều kích, các kích nhất thiết phải cùng chủng loại, cùng đặctính kỹ thuật và phải được vận hành trên cùng một máy bơm

Ở Việt Nam, thường tăng lực vào kích qua một bơm dầu (số 2) Để làm đối trọng cho kích thủylực, ta có các cách sau:

Sử dụng cọc neo, thường là 4, 6 hoặc 8 cọc (hình 2).Như vậy, nếu ta thí nghiệm nén cọc, thìcác cọc neo này sẽ chịu nhổ, vì vậy, ta phải kiểm tra xem sức chịu tải kéo của các cọc này cóthỏa mãn không Theo ASTM, khoảng cách giữa cọc thí nghiệm và cọc neo phải lớn hơn 5d (d làđường kính cọc); điều kiện này đặt ra nhằm giảm ảnh hưởng do tương tác giữa các cọc;

Sử dụng nhiều khối vật liệu (thường là cục bêtông lớn, mỗi cục từ một đến vài tấn) Vì cáckhối vật liệu này rất đồ sộ, nên việc di chuyển rất tốn kém và nguy hiểm (hình 4 và 5)

 Hệ phản lực (bao gồm hệ thống dầm đỡ tải bao gồm dầm chính và dầm phụ): Đóng vai trònhư đối trọng cho hệ gia tải Hệ phản lực phải được thiết kế để chịu được lực không nhỏhơn 120% tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến

 Hệ quan trắc (bằng các đồng hồ đo có độ chính xác đến 0,01mm, có hành trình dịchchuyển ít nhất là 50 mm hoặc đủ để đo được chuyển vị lớn nhất theo dự kiến, máy thủychuẩn, dầm chuẩn và dụng cụ kẹp đầu cọc): đồng hồ đo chuyển vị đầu cọc nhằm xác địnhchính xác chuyển vị của đầu cọc so với đất nền, từ đó xác định chuyển vị của cọc Máythủy chuẩn dùng để đo kiểm tra dịch chuyển, chuyển vị của gối kê dàn chất tải, hệ thốngneo, dầm chuẩn gá lắp chuyển vị kế, độ vồng của dầm chính… và chuyển vị đầu cọc.Quy trình nén tĩnh cọc đã được trình bày chi tiết trong nhiều giáo trình và tiêu chuẩn ởViệt Nam Do đó chúng tôi chỉ trình bày vắn tắt ở đây

Hình 4.2- 1- Cọc thí nghiệm; 2- Bơm dầu;

3-Đồng hồ đo biến dạng; 4- Kích thủy lực;

5-Dầm thép; 6- Cọc neo

Hình 4.3 Hình ảnh chụp quá trình thí nghiệm

nén tĩnh cọc bằng cách sử dụng cọc neo

Thí nghiệm nén tĩnh sử dụng cọc neo

Hình 4.4 1- Cọc thí nghiệm; 2- Bơm dầu;

3-Đồng hồ đo biến dạng; 4- Kích thủy lực;

5- Dầm thép; 6- Gối đỡ

Hình 4.5 Hình ảnh chụp quá trình thí nghiệm nén tĩnh

cọc bằng cách sử dụng khối vật liệu lớn

Thí nghiệm nén tĩnh sử dụng khối vật liệu lớn

4.2.1.3 Các bước tiến hành thí nghiệm

Đối với cọc đúc sẵn hạ cọc đến cao độ thiết kế, cho cọc nghỉ 3 – 5 ngày đối với đất cát, 10 –

30 ngày đối với đất sét Đối với cọc khoan nhồi thời gian nghỉ từ khi kết thúc thi công đến khi thínghiệm là tối thiểu 21 ngày

Theo quy phạm Việt Nam (269-2000), quy trình tăng tải trọng như sau:

 Dự tính tải nén tối đa là Pmax , là tải trọng mà cọc sẽ lún khoảng 40 mm Có thể thấy Pmax

là sức chịu tải cực hạn Pmax dự báo theo các phương pháp khác (ví dụ như thống kê, xuyêntĩnh – Schmertmann hay LCPC,…) Cũng có thể thấy Pmax = 1,5÷2,0[P] với [P] là tảitrọng dự báo mà cọc sẽ làm việc trong giai đoạn sử dụng sử dụng công trình;

 Mỗi cấp tải sẽ là (1/15 ÷1/10) Pmax (như vậy sẽ có 10 15 cấp tải) Ghi lại độ lún tai cácthời điểm 0’, 15’, 30’, 45’,1h,1, 5h, 2h, 3h, 4h…;

 Chỉ tăng tải đến cấp tiếp theo nếu độ lún của cọc đã ổn định (độ lún của cọc bằng hoặcnhỏ hơn 0.1 mm trong vòng 30 phút với cát, 60 phút với sét);

 Kết quả tải trọng - độ lún (ở cuối từng cấp) được vẽ lên đồ thị như đường liền nét trênhình 8

Bảng 4.1: Bảng quy định thời gian theo dõi lún và ghi chép số liệu

Cấp tải trọng Thời gian theo dõi và đọc số liệu

Cấp gia tải Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu tiên

Không quá 15 phút một lần cho 30 phút sau đóKhông quá 1 giờ một lần cho 10 giờ tiếp theoKhông quá 2 giờ một lần cho > 12 giờ sau cùngCấp gia tải lại và cấp giảm tải Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu

Không quá 15 phút một lần cho 30 phút sau đóKhông quá 1 giờ một lần cho thời gian > 1 giờ

Sau khi kết thúc gia tải, nếu cọc không bị phá hoại thì tiến hành giảm về 0, mỗi cấp giảm tảibằng hai lần cấp gia tải và thời gian giữ tải mỗi cấp là 30 phút, riêng cấp tải 0 có thể giữ lâu hơnnhưng không quá 6 giờ

4.2.1.4 Kết quả thí nghiệm

Kết quả thu được của thí nghiệm nén tĩnh bao gồm các biểu đồ sau đây:

Hình 4.6 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị lún của cọc

Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ giữa thời gian và chuyển vị lún của cọc

Hình 4.8 Biểu đồ quan hệ giữa thời gian và chuyển vị lún, tải trọng của cọc

Từ biểu đồ tải trọng – độ lún (tại số đọc cuối cùng) của thí nghiệm nén tĩnh cọc, có rất nhiều

phương pháp diễn dịch kết quả khác nhau để dự báo sức chịu tải giới hạn của cọc

Theo TCXDVN 269 – 2002

*Theo chuyển vị giới hạn quy ước

Từ đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn Pgh là tải trọng quy ước ứngvới chuyển vị giới hạn quy ước Sgh =10%D với D là đường kính cọc hoặc chiều rộng tiết diệncọc

* Theo phương pháp đồ thị

Sức chịu tải giới hạn dựa trên hình dạng đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị S = f(P), tùythuộc vào hình dạng đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn được xácđịnh theo một trong hai trường hợp sau:

- Đường cong có điểm uốn rõ ràng: sức chịu tải được xác định trực tiếp trên đường cong, là tảitrọng ứng với điểm đường cong bắt đầu thay đổi độ dốc đột ngột hoặc đường cong gần như song song với trục chuyển vị

- Đường cong thay đổi chậm, rất khó hoặc không thể xác định chính xác điểm uốn, sức chịu tảigiới hạn được xác định theo phương pháp sau:

+ Phương pháp De Beer

Hình 9 minh họa phương pháp De Beer: Ta vẽ kết quả nén tĩnh trên đồ thị log(S)– log(P).

Nếu trên đồ thị có hai đoạn gần thẳng rõ ràng như hình vẽ, thì giao của hai đoạn tương đương vớisức chịu tải huy động Phđ

Trong ví dụ trên hình 10 Phđ = 190 tấn, tại đó Δ ≈ 8.5mm

Phương pháp De Beer có nhược điểm là: không phải bao giờ ta cũng có có hai đoạn thẳng rõ ràng như hình 10 , do đó khó xác định Phđ

Hình 4.9 Phương pháp De Beer + Phương pháp Davisson

Các bước xác định Phđ như sau:

 Vẽ kết quả nén tĩnh trên đồ thị thường;

 Đường “đàn hồi” là đường có phương trình sau: P =(EA/L)Δ;

trong đó:

Ac : tiết diện cọc

E : mô đun đàn hồi của cọc

L, Δ : chiều dài cọc và chuyển vị của cọc (cùng đơn vị)

Hình 4.10 Phương pháp Davisson

 Đường Davisson là đường song song với đường “đàn hồi”, khoảng cách giữa hai đường là:3,8 + B/120 (mm) nếu đường kính cọc B ≤ 600; B/30(mm) nếu B>600 (Kyfor và cộng sựkiến nghị bổ sung)

 Giao điểm của đường Davisson với đường kết quả nén tĩnh là sức chịu tải huy động Phđ Trên hình 10 có Phđ ≈ 23 mm

Phương pháp Davisson dễ dùng Phù hợp với cả quy trình nén tĩnh nhanh và chậm Một hạnchế nhỏ của phương pháp này là nó không phù hợp với cọc chống (cọc có ma sát bên nhỏ).Trong cả hai phương pháp trên, sức chịu tải cho phép là:

[P] = 0.5 P hđ (4.1)

Sức chịu tải cho phép thường được xác định bằng sức chịu tải giới hạn hoặc tải trọng phá hoạichia cho hệ số an toàn Thông thường hệ số an toàn Fs =2 Việc áp dụng hệ số an toàn cao haythấp do thiết kế quyết định tùy thuộc vào mức độ quan trọng của công trình, điều kiện đất nềnđặc điểm cọc và phương pháp thí nghiệm cọc Hệ số an toàn Fs > 2 được áp dụng cho các trườnghợp sau: khi xác định Pgh từ đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị phát triển chậm, khó xácđịnh điểm uốn; đối với cọc ma sát trong đất dính từ dẻo mềm đến dẻo chảy; đối với cọc xiên màsức chịu tải xác định theo kết quả thí nghiệm cọc thẳng đứng; số lượng cọc thí nghiệm hạn chếtrong điều kiện đất nền phức tạp, địa tầng thay đổi mạnh; đối với công trình quan trọng đòi hỏiyêu cầu cao về độ lún Fs 2 được áp dụng trong các trường hợp sau: Khi Pgh được xác định từđiểm uốn rõ ràng trên đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị; đối cới cọc kiểm tra trong điềukiện thuận lợi phù hợp với điều kiện thiết kế; đối với cọc thí nghiệm có kết quả gần phù hợp vớicác phương pháp khác; trong cùng một hiện trường có điều kiện đất nền đồng nhất, kết quả thí

nghiệm của các cọc sai lệch không đáng kể; khi có kết quả đo chính xác chuyển vị mũi cọc vàthân cọc

4.2.2 Phương pháp thử động biến dạng lớn PDA (Pile driving analyser)

4.2.2.1 Nguyên lý, phạm vi áp dụng và ưu nhược điểm của thí nghiệm PDA

Nguyên lý của phương pháp thử động biến dạng lớn PDA dựa trên nguyên lý truyền sóng ứngsuất trong bài toán va chạm của cọc, với đầu vào là các số liệu đo gia tốc và biến dạng thân cọcdưới tác dụng của quả búa Các đặc trưng động theo Smith là đo sóng của lực và sóng vận tốc(tích phân gia tốc) rồi tiến hành phân tích thời gian thực đối với hình sống (bằng các phép tínhlặp) dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất thanh cứng và liên tục do va chạm dọc trục tại đầucọc gây ra

Phương pháp thử động biến dạng lớn có các ứng dụng chính như sau:

* Đánh giá sức chịu tải của cọc

Hình 4.11 Thí nghiệm thử động biến dạng lớn (PDA) a) Nguyên lý của phương pháp PDA

Đánh giá được sức chịu tải của cọc tại thời điểm thí nghiệm PDA Nếu làm thí nghiệm PDAlúc cọc vừa hạ xong và sau một thời gian cọc nghỉ, ta sẽ đánh giá được sự tăng hay giảm sứcchịu tải theo thời gian.

Với cọc đóng thí nghiệm PDA tại các độ sâu nhất định khi đóng cọc, ta sẽ đánh giá được sứcchịu tải của cọc ở những chiều dài khác nhau Từ đó, giúp điều chỉnh chiều dài cọc thiết kế theothực tế đất nền

Sử dụng CAPWAP có thể đánh giá sự phân bố sức kháng (bên và mũi cọc) đánh giá hệ sốquake và cản nhớt (damping) của đất bằng việc tính lặp

* Đánh giá sự làm việc của búa đóng cọc

Đánh giá phần trăm năng lượng hiệu quả của búa Đánh giá ảnh hưởng của đệm búa, đệm cọcđến số nhát búa

Xác định sự cố của búa, ví dụ như đánh lửa quá sớm (búa diesel), hoặc cửa rò rỉ hơi (búahơi)

Nếu số nhát búa thực đóng khác với số nhát búa dự đoán, xác định được nguyên nhân là dođiều kiện địa chất hay do sự làm việc của búa

* Đánh giá ứng suất phát sinh trong cọc và sự toàn vẹn của cọc

Dự báo ứng suất kéo và ứng suất nén phát sinh trong toàn bộ cọc khi đóng, từ đó kiểm tra khảnăng cọc bị phá hỏng

Khi đóng cọc xong rồi, có thể dùng PDA kiểm tra sự toàn vẹn của cọc, nếu cọc hư hỏng ta sẽkịp thời đề nghị biện pháp để thêm cọc hoặc giảm tải

b) Ưu nhược điểm của thí nghiệm PDA

PDA có thể dùng cho bất cứ cọc nào Ưu điểm của phương pháp này (nhanh, đánh gíahết sức chịu tải cọc (bearing capacity), địa điểm hẹp có chỗ không chất tải tĩnh được, ví dụ: cọc

đã ép xong hết rồi, đã đào móng có tầng hầm rồi, hoặc dùng cọc nhồi tiết diện nhỏ bổ sung chobãi cọc đã thi công xong, hoặc công trình đã thi công xong, cần số liệu bổ sung Chi phí thấp hơn

so với nén tĩnh

Đối với cọc ép thì đoạn cọc ép thường ngắn, vì vậy 1 cây cọc cần nhiều mối nối Sóng truyềnqua mối nối có thể không đảm bảo Khi ép, trong cọc chỉ có ứng suất nén Còn khi đóng cọc,trong cọc có cả ứng suất nén và kéo Điều nguy hiểm là khi cọc đã ép xong (mối nối, mặc dùkém, nhưng vẫn tốt vì khi ép nó không bị ứng suất kéo), nhưng sau đó thí nghiệm PDA đóngthêm mấy nhát búa (để thí nghiệm sức chịu tải), làm đứt mất mối nối (hoặc đứt mối hàn) Nếu bịmất chối (chỉ còn khoảng 10 hay 15 nhát 1 mét) thì rất nguy hiểm Thực tế khi ép cọc, lực ép chủyếu là tĩnh, có thể thì biết ngay sức chịu tải của cọc khi ép xong bằng cách đọc đồng hồ đo lực épnên không cần thử PDA hoặc tĩnh nữa

Công tác đo và xử lý số liệu thí nghiệm phức tạp, độ tin cậy của thí nghiệm thấp hơn so với thínghiệm nén tĩnh.

c) Phạm vi áp dụng của thí nghiệm PDA

Thí nghiệm PDA có thể áp dụng cho cọc đóng, cọc đổ tại chỗ, cọc baret… không áp dụng chocọc tre, gỗ, cọc cát, cọc xi măng đất, tiêu chuẩn áp dụng ASTM – D4945

4.2.2.2 Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị gồm hệ thống búa, búa hơi hoặc búa Diesel có trọng lượng bằng 1- 2% sức chịu tảicọc; hai đầu đo gia tốc, hai đầu đo biến dạng, dây dẫn, máy tính điện tử có gắn bộ biến đổi sốliệu (hình 12)

a) Đầu đo gia tốc b) Đầu đo biến dạng c) Bộ xử lý PDA

Hình 4.12 Thiết bị thí nghiệm PDA

4.2.2.3 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 lạiđầu đo nếu cần thiế 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 tốt cho đóng lại Tắt máy chuyển sang cọc khác

Đối với cọc khoan nhồi/cọc barette bổ xung thêm các bước:

Đổ bê tông nối đầu cọc có casing  (nếu cọc chưa có casing) Dùng búa chế tạo riêng nặng 1.5-2%tải trọng dự kiến thí nghiệm, rơi tự do ở độ cao 2-3m

Thiết bị PDA trên hình (.11) sẽ chuyển đổi các tín hiệu biến dạng và gia tốc đo được sang lực

và vận tốc (tại thời điểm t) như sau:

F(t) = EAε(t) (theo định luật Hook)

(4.2)

(4.3)

trong đó:

F(t): lực tác động vào phân tố cọc (đặt tại vị trí đầu đo) tại thời điểm t;

V(t) : vận tốc chuyển động của phân tố cọc (vị trí đặt đầu đo) tại thời điểm t;

E : môdun đàn hồi của vật liệu làm cọc ;

A : tiết diện ngang cọc ;

ε(t) : biến dạng đo được tại thời điểm t ;

a(t) : gia tốc chuyển động của phân tố cọc đo được tại thời điểm t

Khi đóng một nhát búa xuống đầu cọc, đầu cọc chịu một lực nén là F (do đó, ứng suất nén là

σ = F/A), đồng thời đầu cọc chuyển động xuống dưới với vận tốc V Tuy nhiên, ở thời điểm t = 0thì mũi cọc vẫn chưa chịu lực, cũng chưa chuyển động xuống Sau một thời gian t = L/c (L làchiều dài cọc, c là vận tốc lan truyền sóng lực F và sóng vận tốc V), thì tác động đầu cọc mới lantruyền và ảnh hưởng tới mũi cọc

Cần lưu ý rằng c là một hằng số chỉ phụ thuộc vào bản chất vật liệu, trong khi V là đại lượngthay đổi phụ thuộc vào độ lớn của nhát búa đóng cọc và phụ thuộc vào sức kháng của đất nền, cthường gấp vài nghìn lần V

Từ các giá trị của F và V tại các thời điểm khác nhau, ta sẽ dự báo được sức chịu tải của cọc.Trước tiên, ta phải xem xét hai trường hợp lý tưởng hóa: cọc không có sức kháng của đất tácdụng và cọc ngàm chống Sau khi hiểu rõ hai mô hình này, ta sẽ xem xét một cọc trong thực tế.Trong phần này ta cần biết một tham số trung gian quan trọng là trở kháng của cọc Z, bởi vì đồthị thường thể hiện F và ZV, chứ không thể hiện F và V (vì F, ZV có cùng thứ nguyên)

Z = EA/c = Mc/L (4.3)

trong đó:

E : môđun đàn hồi của cọc;

A, L : diện tích tiết diện ngang và chiều dài cọc;

M : khối lượng cọc;

C : vận tốc truyền sóng

Ví dụ cọc bê tông tiết diện 0.4x0.4 m2; Vận tốc truyền sóng trong bê tông là c=3464 m/s

⇒ Z = EA/c= 30000000(kPa)x0.16 (m2)/3464(m/s) = 1385.7 kN s/m; hoặc

Z =Mc/L = (2.5x0.16(t/m) x 3464 (m/s)= 1385.7 t/s = 1385.7 kN s/m

b) Cọc không có sức kháng

Ta xét một mô hình cọc không có sức kháng bên cũng như sức kháng mũi trên hình 13a.Trên hình này, để tiện thể hiện các đồ thị sau này, cọc được vẽ theo phương ngang, đầu cọc ởbên trái, mũi cọc ở bên phải Khi búa đóng vào cọc sẽ tạo ra sóng lực (nén) và sóng vận tốc hạt.Hai sóng này truyền với vận tốc là c Có nghĩa là, nếu tại thời điểm t1=0, sóng bắt đầu từ cọc, thìtại t₂ = L/c sóng truyền được tới mũi cọc (hình 13a, với L là chiều dài cọc)

Tại t1=0, F1 > 0; tại t₂ = L/c, vì mũi cọc không có sức kháng mũi, nên ta cân bằng lực sẽ được F₂

= 0, F₂ = 0 là do có một sóng ứng suất kéo (dấu âm) truyền ngược từ mũi cọc lên (hình 13b).Như vậy, cọc không có sức kháng (hoặc sức kháng nhỏ-tức là đất yếu) thì dễ bị phá hoại do ứngsuất kéo Sóng ứng suất kéo truyền ngược lên sẽ làm vân tốc V₂ được gấp đôi lên (hình 13b).Tuy nhiên, ở mũi cọc ta không gắn các đầu đo biến dạng và vận tốc, mà ta chỉ gắn các đầu đo ở

gần đầu cọc, hình 13c thể hiện kết quả đo được ở các đầu đo này L là khoảng cách từ vị trí đầu

đo đến mũi cọc (xấp xỉ bằng chiều dài cọc, vì các đầu đo chỉ đặt cách đầu cọc một đoạn 2d-3d).Trên hình này, ta có :

 Điểm A là điểm bắt đầu xuất hiện các sóng tại các đầu đo Tuy nhiên, ta không quan tâmnhiều đến điểm này;

 Điểm B là điểm xuất hiện sóng cực trị Tại đây, F1 ≈ 2050 kN và V1 ≈ 2050/1385.7 ≈ 1.48m/s (giả sử trở kháng Z = 1385.7 kNs/m);

 Tại thời điểm t = L/c, các sóng mới truyền đến mũi cọc, tuy nhiên chưa đi ngược lại đến vịtrí các đầu đo Các sóng này cần một thời gian là L/c nữa để đi ngược đến các đầu đo;

 Điểm C là điểm đầu đo bắt đầu nhận được các sóng phản hồi (thời gian ứng với đoạn ACbằng 2L/c Bắt đầu từ điểm C, lực giảm đần đi, trong khi vận tốc V tăng dần lên Từ A tới

C, đồ thị lực F và đồ thị ZV trùng nhau, sau điểm C, hai đồ thị này tách xa dần ra;

 Điểm D là điểm cách điểm B một đoạn thời gian 2L/c Tại đây, lực F₂ = 0 còn V₂ = 2V₁ =1.48 x2 ≈ 2.96 m/s;

 Sau điểm D, có rất nhiều sóng lên và xuống lẫn lộn nhau, do đó rất khó phân tích Người

ta thường không xem xét đồ thị sau điểm D

Hình 4.13 kết quả đo được từ PDA với cọc không sức kháng c) Mũi cọc ngàm cứng

Ta xét một mô hình cọc không có sức kháng bên nhưng có sức kháng mũi là vô cùng lớn trênhình 4.14a (xem như mũi cọc chống lên đá)

Tại t =L/c, mũi cọc được ngàm nên không có chuyển động, vì vậy V₂ = 0 (hình 4.14b) ĐểV₂ = 0 thì cần có một sóng ứng suất nén phản hồi lại, và sóng nén này làm cho ứng suất ở mũicọc gấp đôi lên (F₂= 2F₁, hình 4.14b) Như vậy, cọc chống thì dễ bị phá hoại ở mũi cọc (vỡ doứng suất nén quá lớn) Xét hình 4.14c ghi lại kết quả ở các đầu đo

Tại điểm C, các đầu đo bắt đầu nhận được sóng phản hồi từ mũi cọc, do đó hai đồ thị bắt đầutách ra xa nhau;

Tại điểm D (t₂ = 2L/c so với điểm B), V₂ = 0, F₂ = 2F₁

Hình 4.14 kết quả đo được từ PDA với cọc ngàm tại mũi d) Cọc thực tế

Từ các phần trên, ta có nhận xét :

 Nếu cọc tiết diện đều, khi gặp sức kháng của đất thì lực F tăng lên, còn vận tốc V giảm

đi (hình 14a);

 Ngược lại, nếu tiết diện bị thu nhỏ lại (ví dụ, cọc hư hỏng hoặc hết chiều dài cọc) thì lực

F giảm đi, còn vận tốc V tăng lên (hình 14c);

Ta xét một ví dụ đơn giản để minh họa cho nhận xét này: trên hình 15, cọc chỉ tiếp xúc vớiđất ở điểm A (cách đầu cọc một đoạn là A) và B (cách đầu cọc một đoạn là B)

Tại thời điểm L/c, sóng đi đến điểm A, bị phản hồi lại;

 Tại thời điểm t = 2A/c sóng phản hồi lại các đầu đo, do đó lực F sẽ tăng lên chút ít, trongkhi vận tốc V sẽ giảm đi chút ít Hai đồ thị bắt đầu tách ra và đi song song một đoạn;

 Tương tự, tại thời điểm t = 2B/c, sóng phản hồi do sức kháng của đất ở điểm B cũng gặpcác đầu đo, do đó hai đồ thị tiếp tục tách ra xa hơn và đi song song một đoạn đến điểmC;

 Điểm C là diểm cách điểm bắt đầu đồ thị một đoạn là 2L/c Sau điểm C, lực F giảm đi vàvận tốc V tăng lên do gặp sóng kéo phản hồi từ mũi cọc (tiết diện cọc bị thu nhỏ bằng 0tại mũi cọc)

Hình 4.15 kết quả đo được từ PDA với cọc có sức kháng tại A và B

Ta xét tiếp ba ví dụ khác như sau:

Trên Hình 16 ta thấy, trong khoảng thời gian 2L/c ban đầu, hai đồ thị này tách dần nhau ra

nhưng rất ít, như vậy sức kháng bên là nhỏ Tại gần điểm 2L/c, lực F lại giảm, và vận tốc V tăng(do xuất hiện sóng ứng suất kéo), như vậy sức kháng mũi cũng gần như không có (tương tự hình

.13) Tóm lại, cọc này nằm trong đất yếu;

Trên hình 17, sức kháng bên là nhỏ Tuy nhiên, sức kháng mũi là lớn ví tại lân cận điểm2L/c, lực F tăng mạnh và vận tốc V giảm mạnh (tương tự hình 14);

Trên hình 18, hai đồ thị tách ra rất nhanh, chứng tỏ sức kháng bên là lớn Tuy nhiên, cọc này

có sức kháng mũi rất nhỏ

Hình 4.16 kết quả đo được từ PDA với cọc có sức kháng bên và mũi nhỏ

Hình 4.17 kết quả đo được từ PDA với cọc có sức kháng mũi lớn

Hình 4.18 kết quả đo được từ PDA với cọc có sức kháng bên lớn

e) Xác định hư hỏng trong cọc

Cọc được đặt trong đất, vì vậy cọc luôn có sức kháng bên dọc suốt thân cọc Theo như phân

tích ở phần Cọc thực tế, nếu cọc không thay đổi tiết diện, thì hai đồ thị luôn luôn phải tách dần

nhau ra (trong đoạn 2L/c đầu tiên)

Nếu cọc bị hư, tiết diện cọc bị thu hẹp lại, thì hai đồ thị (F và VZ) sẽ gần nhau lại Mức độgần nhau của đồ thị này gọi là BTA (hay β) Theo Rauche và Goble, có thể đánh giá mức độ hư

hỏng của cọc dựa trên giá trị của BTA như trong bảng 2 Khi thí nghiệm PDA mức độ hư hỏng(BTA) của cọc sẽ được hiện lên thiết bị PDA luôn.

Bảng 4.2: Hệ số đánh giá mức độ hư hỏng của cọc

F2,V2 : lực và vận tốc đo được tại các đầu đo ở thời điểm t2; t2 = t1 + 2L/c

Jc : hệ số cản nhớt (hay cản động) CASE, lưu ý rằng hệ số Jc này là không thứ nguyên vàkhác với hệ số J của Smith Hệ số Jc ban đầu được Goble kiến nghị như ở cột 2 trong bảng 3.9tuy nhiên năm 1996 các tác giả đã cập nhật và kiến nghị lại như ở cột 3 trong bảng này

Hình 19 trình bày một ví dụ dự báo Pu theo phương pháp CASE chuẩn Ý nghĩa của phươngpháp CASE chuẩn như sau: sức chịu tải của cọc càng lớn khi (i) điểm F1 càng cao; (ii) điểm F2

càng xa điểm V2 (hai sóng càng tách xa nhau tại t2) Tuy nhiên, với cọc chống hoặc cọc nén chặtđất nhiều thì ta nên sử dụng phương pháp CASE max khác phương pháp CASE chuẩn ở haiđiểm:

 Ta phải tìm thời điểm t1 để sao cho sức chịu tải Pu là lớn nhất hình 4.20 trình bày một ví

dụ dự báo Pu theo phương pháp CASE max

 Hế số Jc phải có giá trị tối thiểu là 0.4 (với sỏi,cuội thì tối thiểu lá 0,3) và thường lớn hơn

hệ số Jc của phương pháp CASE chuẩn từ 0,2 đến 0,3 (cột 4,bảng 3)

 Ngoài hai phương pháp CASE trên, còn có hai phương pháp nữa là phương pháp CASE

tự động RAU và RA2.Tuy nhiên,hai phương pháp này ít dùng hơn

Bảng 4.3 Hệ số J c

Đất ở mũi cọc Kiến nghị cũ (1975) Kiến nghị mới

(1996)

J c cho trường hợp max

Cát sạch 0.05 – 0.20 0.10 – 0.15 0.40 – 0.50 Cát lẫn bụi, bụi chứa cát 0.15 – 0.30 0.15 – 0.25

Hình 4.20 Phương pháp CASE max 4.2.2.4 Đọc và diễn dịch kết quả

Trình bày kết quả từ bộ xử lý PDA (Pile Driving Anlyser)sẽ hiển thị ngay lập tức nhiều thôngtin hữu ích, ví dụ như trong các hình 21 đến hình 22 trong những hình này, các ký hiệu là:

 Nhóm ‘Đầu vào’

LE : chiều dài cọc tính từ đầu đo đến mũi cọc;

AR : diện tích tiết diện cọc;

EM : môdun đàn hồi của cọc;

SP : trọng lượng riêng của vật liệu cọc;

Hình 4.21 Cọc bê tông đúc sẵn ứng suất trước 35x35cm 2

Hình 4.22 Cọc ống thép d=406mm, dày 13mm, bịt kín mũi

Trên hình 22, nếu cọc bị hư hỏng thì còn có một đường đứt nét ở giữa (đường D).Khi đó,trên màn hình sẽ xuất hiện một cửa sổ nhỏ,trong đó ghi giá trị BTA Trên hình.22, tại vị trí đường D-D ta thấy hai đồ thị F va ZV xích lại gần nhau chứng tỏ cọc có hư

D-hỏng Trong hình này, BTA=89%, tức là cọc bị hư hỏng nhẹ, vị trí hư hỏng trong hìnhnày là LTD = 14.9 m tính từ vị trí đầu đo

 Nhóm ‘kết quả’

CSX và TSX (MPa) : ứng suất nén và ứng suất kéo tại vị trí đầu đo;

CSB (MPa) : ứng suất nén dự báo tương đối ở mũi cọc;

Trên hình 21 (cọc bêtông), CSX =20MPa Như vậy, nếu cường độ chịu nén củabêtông của cọc thấp thì cọc có khả năng bị phá hoại do nén Trên hình 22 (cọc thép),CSX = 211.5 MPa < Rad 220MPa của thép làm cọc ống và cọc thép hình chữ H

4.3 THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CỌC (ĐỘ NGUYÊN VẸN KẾT CẤU)

4.3.1 Thí nghiệm siêu âm cọc

4.3.1.1 Nguyên lý, phạm vi áp dụng, ưu nhược điểm của thí nghiệm

a) Nguyên lý thí nghiệm

Khi sóng siêu âm truyền qua môi trường vật liệu bê tông được tạo thành từ nhiều vật liệuthành phần như đá, sỏi, cát, xi măng… Các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, khuyếch tánxảy ra đồng thời và được đặc trưng bằng sự khuyếch tán của năng lượng và tốc độ truyền sóngtrong trường hợp này phụ thuộc chủ yếu vào độ đồng nhất, mật độ … của vật liệu bê tông haycòn gọi chung là chất lượng của vật liệu bê tông Vì vậy khi tiến hành thu nhận sóng siêu âm củavật liệu bê tông trong phạm vi nghiên cứu có thể đánh giá được chất lượng của vật liệu bê tôngtrong phạm vi truyền sóng siêu âm đó (hình 23)

Hình 4.23 Sơ đồ cấu tạo

nguyên tắc thiết bị siêu âm

truyền qua

b) Phạm vi áp dụng

Thí nghiệm siêu âm áp dụng cho việc kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi bằng phương phápxung siêu âm truyền qua ống Ngoài ra còn được áp dụng cho các cấu kiện móng bê tông khácnhau có đặt sẵn các ống đo siêu âm như: giếng chìm, tường trong đất, cọc ba - ret và các móngkhối bê tông chôn trong đất Thí nghiệm siêu âm được tiến hành theo TCVN 9396:2012.

c) Ưu nhược điểm của thí nghiệm siêu âm

Kiểm tra chất lượng cọc bằng phương pháp xung siêu âm là phương pháp kiểm tra không pháhuỷ cho phép xác định tính đồng nhất và khuyết tật của bê tông trong phạm vi từ điểm phát đếnđiểm thu Diễn tả kết quả trực tiếp, số liệu được ghi liên tục trên toàn bộ chiều dài cọc

Phương pháp xung siêu âm không thể hiện chất lượng tiếp xúc mũi cọc, các thăm dò dừng lạicách mũi cọc 10cm trong trường hợp tốt

Một hệ thông ghi nhận và biến đổi tín hiệu thành những đại lượng vật lý đo được;

Cơ cấu tâm cho 2 đầu đo khi đường kính đầu đo nhỏ hơn ít nhất 10mm so với đường kínhcủa ống đo

Sai số về số liệu đo của thiết bị: theo tiêu chuẩn nước ngoài (NF P94-160-1 của Pháp

và ASTM C579-83 của Mỹ) thì sai số về đo chiều sâu của đầu đo là giá trị lớn nhất trong

2 trị số sau: (1/500 khoảng cách giữa đầu đo và đỉnh ống, 5 cm, Sai số về phép đo thờigian là 3% thời gian chuyển động của sóng thu được)

Hình 4.24 Thiết bị thí nghiệm siêu âm