Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA) và kết quả nén tĩnh

TÓM TẮT LUẬN VĂN: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN PDA VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH Kiểm tra sức chịu tải của cọc tại hiện trường là công tác quan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

NGUYỄN HUY CƯỜNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA) VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số ngành : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HUY CƯỜNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 27 /12 /1978 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA) VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Tổng hợp cơ sở lý thuyết thí nghiệm kiểm tra sức chịu tải của cọc theo phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA), thực nghiệm tại hiện trường và thu thập số liệu Phân tích kết quả sức chịu tải của cọc theo phương pháp PDA nhằm đánh giá các mô hình tính toán, các thông số đầu vào và độ tin cậy của phương pháp thí nghiệm trên cơ sở so sánh với kết quả nén tĩnh trong điều kiện địa chất khu vực

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS BÙI TRƯỜNG SƠN PSG TS VÕ PHÁN

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành không những từ nỗ lực của bản thân học viên mà còn nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình, giúp đỡ của quý thầy cô, đồng nghiệp cùng bạn bè thân hữu

Trước tiên, xin cảm chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Địa cơ Nền

móng đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu và quan tâm, tạo mọi điều

kiện thuận lợi giúp đỡ học viên hoàn thành Luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn thầy Tiến sĩ Nguyễn Việt Tuấn – Phân Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng Miền Nam, Kỹ sư Nguyễn Hoàng Hà – Viện Công

Nghệ Cầu Đường Phía Nam đã giúp đỡ học viên trong suốt quá trình thực nghiệm

và thu thập số liệu thí nghiệm cũng như tài liệu tham khảo phục vụ Luận văn

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Bùi Trường Sơn,

người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và luôn quan tâm, động viên tinh thần trong thời gian học viên thực hiện Luận văn Thầy đã truyền đạt cho học viên hiểu được phương thức tiếp cận và giải quyết một vấn đề khoa học, đây là hành trang quí giá

mà học viên sẽ gìn giữ cho quá trình học tập và làm việc tiếp theo của mình

Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, Cơ quan và bạn bè thân hữu đã động viên, giúp đỡ học viên trong thời gian học tập và thực hiện Luận văn

Học viên

TÓM TẮT LUẬN VĂN: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA)

VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH

Kiểm tra sức chịu tải của cọc tại hiện trường là công tác quan trọng và cần thiết sau khi thi công cọc nhằm xác định chính xác sức chịu tải của cọc theo điều kiện địa chất thực tế xây dựng công trình Thí nghiệm thử động biến dạng lớn cho kết quả sức chịu tải của cọc có độ tin cậy cao so với kết quả nén tĩnh và có thể rút ngắn tiến độ thi công, tiết kiệm chi phí Ngoài ra, thí nghiệm thử động biến dạng lớn

có thể thực hiện được trong những trường hợp thí nghiệm nén tĩnh gặp khó khăn về địa hình xây dựng công trình, tải trọng thí nghiệm quá lớn Nội dung chính của luận văn là thực nghiệm phương pháp thử động biến dạng lớn nhằm phân tích đánh giá các mô hình tính toán, các thông số đầu vào và độ tin cậy của phương pháp thí nghiệm trong điều kiện địa chất khu vực

THE SUMMARY: ANALYZING AND EVALUATING THE LOAD CAPACITY OF PILES BY PILE DYNAMIC ANALYSYS (PDA) AND RESULT OF THE PILE LOAD TEST

Testing the load capacity of piles in the field is important and necessary task after pile construction in order to determine exactly bearing capacity of piles under actual geological conditions of construction site The PDA gives the highly reliable result in load capacity of piles in comparison with result of the load test and can shorten the construction schedule, also save cost In addition, the PDA can be able

to carry out in cases that the load test has difficulty in terrain of construction, or tested load is oversize The main content of this thesis is experiment PDA in order

to analyze and evaluate mathematical models, input parameters and reliability of the PDA method in geological conditions of construction area

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Ở HIỆN TRƯỜNG 1.1 Các phương pháp thí nghiệm tĩnh 6

1.1.1 Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục 6 1.1.2 Thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg 7 1.1.3 Thí nghiệm cọc có gắn thiết bị 9 1.2 Các phương pháp thí nghiệm động 11

1.2.1 Thí nghiệm động và sử dụng các công thức động 11

1.2.2 Thí nghiệm biến dạng lớn 14

1.2.3 Thí nghiệm rung trở kháng cơ học 17

1.3 Thí nghiệm tĩnh động Statnamic 19

1.4 Nhận xét chương và phương hướng của đề tài 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP

THÍ NGHIỆM THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN

2.1 Mô hình Smith 22

2.2 Mô hình Case 29

2.3 Mô hình CAPWAP 35

2.4 Nhận xét chương 45

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA) VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH 3.1 Xác định sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA) và phương pháp nén tĩnh tại một số công trình trong khu vực Tp HCM 47

3.1.1 Thực nghiệm tại công trình Intel Project - Quận 9 - Tp HCM 47

3.1.2 Thực nghiệm tại công trình Chung cư Phú Lợi-Quận 8-Tp HCM 68

3.1.3 Thực nghiệm tại công trình Cầu Phú Mỹ-Quận 7-Tp HCM 72

3.1.4 Thực nghiệm tại công trình Cao ốc The Vista-Quận 2-Tp HCM 74

3.1.5 Thực nghiệm tại công trình Cao ốc An Thịnh Phát – Quận 2 – Tp HCM 76

3.2 Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử động biến dạng lớn dựa (PDA) trên cơ sở so sánh kết quả nén tĩnh 84

3.2.1 Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc theo mô hình Case 84

3.2.2 Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc theo mô hình CAPWAP 88

3.3 Phân tích sự phân bố khả năng chịu tải của cọc theo phương pháp thử động biến dạng lớn 97

3.4 Kết luận chương 109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 115

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài:

Do cấu tạo địa chất có các lớp đất yếu trên bề mặt nên các công trình có tải trọng vừa và lớn thường được thiết kế với biện pháp móng cọc Tải trọng công trình thông qua cọc truyền xuống các lớp đất tốt bên dưới qua sức chịu tải đầu mũi và ma sát bên giữa cọc và đất Số liệu tính toán thiết kế móng cọc thường là các đặc trưng

cơ lý được xác định từ thí nghiệm trong phòng hoặc các kết quả thí nghiệm hiện trường và giá trị tải trọng phần bên trên công trình truyền xuống Tuy nhiên, tính chính xác của kết quả tính toán thiết kế không chỉ phụ thuộc vào các thông số đất nền được cung cấp mà còn phụ thuộc vào công tác thi công cũng như các ứng xử phức tạp của đất nền

Để đánh giá chính xác khả năng chịu tải của cọc, sau khi thi công, các thí nghiệm hiện trường được thực hiện kiểm tra Các phương pháp này nhằm kiểm tra

độ chính xác của các giá trị thiết kế và chất lượng toàn bộ quá trình thi công tại hiện trường Hiện nay, phổ biến có ba nhóm phương pháp được nghiên cứu và ứng dụng, bao gồm thí nghiệm tĩnh, thí nghiệm động và thí nghiệm tĩnh động

Tại Việt Nam, trong nhóm thí nghiệm tĩnh, phương pháp nén tĩnh là giải pháp truyền thống được tin cậy và sử dụng rộng rãi nhất Nhóm thí nghiệm động, phương pháp thử động biến dạng lớn đang được sử dụng để kiểm tra đối chứng hay thay thế phương pháp nén tĩnh Phương pháp thử động biến dạng lớn đã khắc phục được một số nhược điểm của phương pháp nén tĩnh và đặc biệt là sự tiện dụng khi

có sự hỗ trợ của kỹ thuật hiện đại Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp thử động biến dạng lớn phụ thuộc vào trình độ chuyên môn của người sử dụng vì sự phức tạp của lý thuyết các mô hình tính toán cũng như việc xác định các thông số

đầu vào Đề tài “Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA) và kết quả nén tĩnh” được lựa chọn cho luận văn nhằm

hệ thống cơ sở lý thuyết của phương pháp thử động biến dạng lớn, lựa chọn mô hình tính toán hợp lý cho điều kiện địa chất khu vực Tp HCM và phương pháp đánh giá kiểm tra sức chịu tải của cọc hiệu quả

Giá trị thực tiễn của đề tài:

Thí nghiệm kiểm tra sức chịu tải của cọc được thực hiện ở hiện trường nhằm kiểm chứng kết quả khảo sát thiết kế và chất lượng thi công cọc của công trình Đây

là công tác trực tiếp quyết định chất lượng của móng cọc nói riêng và của toàn bộ công trình nói chung Vì vậy cần lựa chọn có phân tích một phương pháp kiểm tra hiệu quả nhất

Hiện nay phương pháp thử động biến dạng lớn được áp dụng rộng rãi ở Việt nam do đó yêu cầu cần phải nghiên cứu có hệ thống về phương pháp này Việc nghiên cứu phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn, hệ thống các mô hình

xử lý, khắc phục các nhược điểm của việc xử lý kết quả, nhằm xây dựng một phương pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc ở hiện trường có độ tin cậy Đồng thời, việc so sánh với kết quả nén tĩnh cọc nhằm đánh giá lại tính chính xác cũng như độ tin cậy của phương pháp thí nghiệm động biến dạng lớn là giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Đề tài được thực hiện với các mục đích chính như sau:

 Ứng dụng phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn và phương pháp nén tĩnh xác định sức chịu tải của cọc tại một số công trình trong khu vực Tp

Hồ Chí Minh

 Tính toán và đánh giá kết quả xác định sức chịu tải của phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn theo từng mô hình trên cơ sở so sánh với kết quả xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả nén tĩnh

 Phân tích các nguyên lý, các thông số trong từng mô hình của phương pháp thử động biến dạng lớn

 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp thử động biến dạng lớn ứng với điều kiện địa chất khu vực Tp Hồ Chí Minh

Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

 Nghiên cứu tổng quan các phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc ở hiện trường

 Nghiên cứu lý thuyết phương pháp thử động biến dạng lớn, bao gồm nguyên lý truyền sóng trong thanh một chiều, các mô hình, chương trình tính toán

tự động Pile Driving Analyser và CAPWAP

 Tham gia công tác thí nghiệm và thu thập số liệu hiện trường xác định sức chịu tải của cọc bằng hai phương pháp thử động biến dạng lớn và nén tĩnh ở một số công trình trong khu vực Tp Hồ Chí Minh

 Sử dụng các phần mềm xử lý kết quả tính toán sức chịu tải của cọc theo từng mô hình của phương pháp thử động biến dạng lớn và phương pháp nén tĩnh

 Sử dụng các lý thuyết thống kê và toán học, tiến hành phân tích và đề nghị các thông số đầu vào hợp lý cho mô hình Case của phương pháp thử động biến dạng lớn ứng với điều kiện địa chất khu vực Tp Hồ Chí Minh

Kết quả dự kiến của đề tài:

 Đánh giá việc sử dụng các mô hình tính toán xác định sức chịu tải của cọc trong phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn

 Đề nghị các khoảng giá trị của hệ số sức kháng động Jc trong mô hình Case ứng với điều kiện địa chất khu vực Tp HCM

 Các phương pháp hiệu chỉnh trên chương trình CAPWAP nhằm nâng cao

độ chính xác kết quả sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử động biến dạng lớn

 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp thử động biến dạng lớn trong điều kiện địa chất khu vực Tp HCM

Phạm vi nghiên cứu của Luận văn:

Tiến hành nghiên cứu lý thuyết phương pháp thử động biến dạng lớn và việc

áp dụng phương pháp thử động biến dạng lớn trong điều kiện địa chất khu vực Tp HCM

Luận văn nghiên cứu phương pháp xác định sức chịu tải nén dọc trục của cọc dựa trên kết quả thí nghiệm thử động biến dạng lớn Việc sử dụng các kết quả thí nghiệm thử động biến dạng lớn để xác định khuyết tật trong cọc chưa được đề cập trong nội dung luận văn.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Ở HIỆN TRƯỜNG

Năm 1995, Middendorp công bố kết quả nghiên cứu chỉ số sóng ứng suất Nw:

L

T C

Với: T- Thời gian tác dụng của tải trọng (giây)

L- Chiều dài cọc (m)

C- Vận tốc truyền sóng (m/giây)

Middendorp đề nghị phân loại các thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc tại

hiện trường dựa trên chỉ số Nw như sau:

Nw < 6: Thí nghiệm được xem là thí nghiệm động

Nw > 1000: Thí nghiệm được xem là thí nghiệm tĩnh

Nw > (1215): Thí nghiệm được xem là thí nghiệm tĩnh – động

Nw > (612): Thí nghiệm được xem là thí nghiệm giả tĩnh –

động Trường hợp này phải dùng các phương pháp phân tích sóng ứng suất để xác định cụ thể

Dựa trên kết quả nghiên cứu của Middendorp, thí nghiệm xác định sức chịu tải

của cọc tại hiện trường được phân chia thành ba nhóm như sau:

 Nhóm thí nghiệm tĩnh: Nén tĩnh, Hộp tải trọng Osterberg, Thí nghiệm cọc

có gắn thiết bị

 Nhóm thí nghiệm động: Thử động và sử dụng các công thức động như

Gherxevanop, Hilay , Thử động biến dạng lớn, Thử rung trở kháng cơ học

 Thí nghiệm tĩnh động Statnamic

Thí nghiệm động là dạng chịu tải trọng động của cọc, cọc dịch chuyển trong

đất nền với một gia tốc và sinh ra sóng ứng suất trong cọc, hình dạng của các sóng

ứng suất sẽ phản ánh ứng xử của cọc và đất nền Thí nghiệm tĩnh có đặc điểm khác

biệt: với quá trình tăng tải chậm, không phát sinh gia tốc và sóng ứng suất trong

cọc, hệ cọc-đất nền ứng xử ở trạng thái cân bằng tĩnh Tuy nhiên, để có thể đánh giá

tính hiệu quả của các phương pháp, cần thiết xem xét và phân tích các ưu và khuyết điểm cũng như nguyên lý vận hành của từng phương pháp thí nghiệm

1.1 Các phương pháp thí nghiệm tĩnh

1.1.1 Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục

Mục đích thí nghiệm nhằm kiểm tra giá trị sức chịu tải của cọc theo kết quả khảo sát thiết kế hoặc thăm dò sức chịu tải cực hạn của cọc thông qua các giá trị kết quả về cường độ, biến dạng, quan hệ giữa tải trọng - chuyển vị - thời gian thu được sau quá trình thí nghiệm

Nguyên lý thí nghiệm là mô phỏng theo tỷ lệ 1:1 sự làm việc của cả hệ thống

cọc - đất nền và tải trọng tĩnh của công trình bên trên truyền xuống Dùng hệ thống dàn chất tải, hệ thống cọc neo hoặc kết hợp cả hai đặt trực tiếp trên đỉnh cọc hoặc thông qua hệ thống kích thủy lực để gia tải hoặc giảm tải nén cọc sau khi đã thi công ổn định tại công trình Quan trắc chuyển vị của cọc tương ứng từng cấp tải, thiết lập các quan hệ giữa tải trọng, chuyển vị và thời gian làm cơ sở để xác định sức chịu tải của cọc

Hình 1.1 Hệ thống đối trọng là cọc neo

Hình 1.2 Hệ thống đối trọng là dàn chất tải

Tùy thuộc vào mục đích chính của thí nghiệm mà thí nghiệm nén tĩnh có những phương pháp tiến hành khác nhau:

 Thử tải duy trì chậm cho cọc hoặc nhóm cọc (Thí nghiệm SM): Dùng thăm

dò, khảo sát sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc

 Thử tải duy trì nhanh cho cọc đơn (Thí nghiệm QM): Dùng xác định sức chịu tải tức thời của cọc đơn và chuyển vị tức thời (không thoát nước)

 Thử tải với tốc độ xuyên không đổi cho cọc đơn (Thí nghiệm CRP): Dùng xác định sức chịu tải của cọc ma sát (cọc có sức chịu tải chủ yếu là ma sát bên), không dùng cho cọc chống mà sức chịu tải chủ yếu là sức kháng mũi

 Thử tải theo chu kỳ của Thụy Điển (Thí nghiệm SC): Dùng xác định sức chịu tải của cọc ở những công trình có tải trọng thay đổi theo chu kỳ

 Thử tải với số gia chuyển vị không đổi cho cọc đơn

 Thử tải thời gian không đổi cho cọc đơn

Phương pháp và trình tự tiến hành được trình bày trong nhiều tài liệu chuyên ngành và tiêu chuẩn [1, 2, 6, 7, 8, 10, 12, 13, 14, 15, 17]

Thí nghiệm nén tĩnh cho kết quả đáng tin cậy vì mô phỏng được chính xác ứng xử của hệ thống cọc – đất – tải tĩnh của công trình Có thể áp dụng trên mọi loại cọc và đồng thời không đòi hỏi cao ở điều kiện trình độ, thiết bị và công nghệ thi công

Thí nghiệm nén tĩnh sử dụng hệ đối trọng cồng kềnh, cần mặt bằng đủ rộng

để thực hiện Đối với cọc có sức chịu tải lớn, chiều dài cọc lớn hoặc cọc xiên thì phương pháp nén tĩnh rất khó thực hiện và kết quả có thể không chính xác Kết quả sức chịu tải thí nghiệm là sức chịu tải tổng, không tách biệt được ma sát bên và sức kháng mũi của cọc Thời gian thí nghiệm kéo dài sẽ làm ảnh hưởng đến tiến độ thi công công trình Ngoài ra, kinh phí thực hiện thí nghiệm nén tĩnh là khá cao

1.1.2 Thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg

Thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg thường được sử dụng để kiểm tra sức chịu tải của cọc căn cứ theo kết quả thiết kế ban đầu thông qua các giá trị kết quả về

cường độ, biến dạng, quan hệ giữa tải trọng - chuyển vị (gồm chuyển vị lên và chuyển vị xuống) thu được sau quá trình thí nghiệm

Hộp tải trọng Osterberg hay còn gọi là hộp O-Cell có cấu tạo như một kích thủy lực Hộp được lắp đặt đồng thời với lồng thép ở đáy hay ở thân cọc cùng hệ thống các ống dẫn thủy lực và các thanh đo trước khi đổ bêtông Sau khi bêtông cọc đạt cường độ thiết kế, tiến hành gia tải thí nghiệm bằng cách bơm chất lỏng để tạo

áp lực Kích tạo ra hai áp lực: lực đẩy thân cọc hướng lên và lực ép xuống tại mũi cọc Trọng lượng thân cọc và thành phần ma sát bên giữa cọc và đất nền đóng vai trò đối trọng cho thí nghiệm Thí nghiệm kết thúc khi đạt đến sức kháng ma sát bên giới hạn hoặc sức kháng mũi giới hạn (cọc bị phá hoại ở thành hoặc ở mũi) Từ kết quả đo chuyển vị và lực, vẽ các biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị mũi

và thân cọc, phân tích các biểu đồ để xác định sức chịu tải của cọc

Hình 1.3 Nguyên lý hộp tải trọng Osterberg

Thí nghiệm Osterberg được trình bày trong các tài liệu chuyên ngành [3, 4,

5, 6, 8, 14]

Kết quả thí nghiệm có thể tách riêng các thành phần sức kháng bên và sức kháng mũi giúp xác định được sự ảnh hưởng của công nghệ thi công cọc đến sức

chịu tải của cọc, dự báo và đánh giá sự xáo động ở đáy cọc Năng lượng cho thí nghiệm được chôn sâu và không có đối trọng từ bên ngoài nên thí nghiệm an toàn

và không yêu cầu về mặt bằng Thí nghiệm cho phép nghiên cứu tương đối chính xác ứng xử của cọc và đất nền, đặc biệt với khả năng chịu kéo của cọc thông qua việc bố trí số lượng và vị trí các hộp Osterberg Chu kỳ tải trọng và thời gian duy trì cho từng cấp tải có thể thực hiện dễ dàng qua đó có thể xác định các thông số từ biến Ngoài những ưu điểm trên, thí nghiệm còn có những ưu điểm vượt trội khác: Quá trình thí nghiệm đơn giản, nhanh chóng Số liệu thí nghiệm được ghi nhận tự động thuận lợi cho việc xem xét và phân tích kết quả Có thể thực hiện ở những điều kiện khó khăn về địa hình, mặt bằng Thí nghiệm có thể thực hiện với cọc mở rộng đáy, cọc xiên, cọc có đỉnh dưới mặt đất tự nhiên So với thí nghiệm nén tĩnh, ứng suất gây ra trong cọc thí nghiệm chỉ bằng 50%, đồng thời thí nghiệm có thể thực hiện với những tải trọng lớn (hơn 3000 tấn) mà thí nghiệm nén tĩnh không thể thực hiện

Yêu cầu phải lắp đặt hộp tải trọng Osterberg trước khi đổ bêtông cọc và không thu hồi lại được hộp tải trọng Osterberg sau khi thí nghiệm Nguyên lý của thí nghiệm là cân bằng các thành phần của sức chịu tải, khi đạt tới tải trọng tới hạn của một trong hai thành phần sức chịu tải của cọc phải dừng thí nghiệm Vì vậy cần phân tích, dự kiến các thành phần sức kháng để xác định vị trí bố trí hộp tải trọng hoặc bố trí nhiều hộp tải trọng Kết quả thí nghiệm được phân tích dựa trên một số giả thiết gần đúng, nên kết quả thí nghiệm cần kiểm chứng và chỉ phù hợp với cọc khoan nhồi

Để thí nghiệm cần thiết bố trí các thiết bị đo biến dạng, chuyển vị dọc trong thân cọc tại các vị trí định trước, thiết bị được gắn trực tiếp trên lồng thép hoặc trên các thanh dẫn

Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm cọc có gắn thiết bị

Chất tải thử cọc, ứng với từng cấp tải trọng, các giá trị biến dạng và chuyển

vị của bêtông và cốt thép trên bộ xử lý (là chương trình tự động tích hợp trên máy vi tính) Sự phân bố ma sát bên thành cọc và sức kháng mũi được xác định bằng nguyên tắc cân bằng lực (Lực trong thân cọc, đầu cọc và ma sát bên hoặc sức kháng mũi)

Khi đầu cọc chịu tải tác dụng Q, thông qua các thiết bị đo xác định được các thông số lực Qi, chuyển vị Δi ở các độ sâu Li khác nhau của cọc và có liên hệ sau:

Q L

i AE Q

i

Với: A, E - diện tích tiết diện cọc và module đàn hồi của cọc

Δi - chuyển vị tương ứng ở các độ sâu Li

Q - cấp tải tác dụng đầu cọc

Thí nghiệm này cho phép xác định sức chịu tải của cọc theo hai thành phần riêng biệt; là biện pháp xác định tương đối chính xác ứng suất trong cọc và đồng thời có thể xác định được ứng suất do các cọc trong nhóm gây ra

Yêu cầu lắp đặt các thiết bị trên thân cọc trước khi thi công nên cần những biện pháp bảo vệ các thiết bị này; cần tính toán xác định số lượng cọc làm thí nghiệm trước khi tiến hành

Trong đó: W - Trong lượng búa

H - Chiều cao rơi của búa đóng cọc

Lực cản của đất, sức chịu tải cho phép của cọc đơn được xác định bằng các biểu thức:

)1(

;

e k

WH k

R Q e c

Trong đó: c - Hệ số tổn thất năng lượng, bao gồm tiêu hao năng lượng phi đàn hồi của đất, tổn thất năng lượng đóng búa lệch tâm, nén đàn hồi của cọc và va đập bán đàn hồi giữa búa và cọc

Hệ số tổn thất năng lượng rất khó dự tính chính xác, do đó đã có nhiều công thức kinh nghiệm khác nhằm xác định sức chịu tải thực tế và theo từng vùng [12]

 Công thức đóng cọc động lực Hiley [1, 9, 13, 17]

Xác định sức chịu tải cực hạn của cọc Qu (kN):

P r

P r

r u

W W

W n W c e

H W Q

/



(1.5) Trong đó: Wr, Wp – Trọng lượng búa và trọng lượng cọc (kN)

e - Độ xuyên của cọc (cm/1 nhát búa)

 , n – Hiệu suất búa và hệ số hồi phục

Các hệ số  , nxác định bằng bảng tra

c = c1+c2+c3 – Giá trị biến dạng đàn hồi của hệ thống cọc-đất Các hệ số c1, c2, c3 xác định bằng bảng tra

 Công thức đóng cọc động lực Hiley cải tiến [1, 12, 16]

Các tham số  , n, c khó xác định trong sử dụng thực tế, nếu dùng thiết bị phân tích đóng cọc có thể đo được năng lượng xung kích lớn nhất trên đầu cọc Emax

hoặc đo được tín hiệu lực và tốc độ chuyển vị đầu cọc

Sử dụng công thức tính năng lượng xung kích có thể tránh được hệ số hiệu quả búa đóng cọc  , hệ số hồi phục n và giá trị biến dạng đàn hồi mũ cọc c

dt V F

E t t t)

0 )max

0



Với to - thời điểm mà V(t) = 0

Sức chịu tải cực hạn của cọc:

2

max

c e

cd c n

f p u

W W W

W W n W e kA

E nFM

) ( 8 1 2

W W

W c

e

c e E c

e

c e

Trong đó :

k - hệ số, lấy bằng 150T/m2 cho cọc bêtông có mũ cọc

Ap - diện tích tiết diện mũi cọc, m2

c - độ chối đàn hồi của cọc, xác định bằng máy đo độ chối, m

W - trọng lượng phần rơi của búa, T

Wn - trọng lượng của búa hoặc máy rung, T

Wc - trọng lượng của cọc và mũ cọc, T

Wcd - trọng lượng của cọc dẫn, bằng 0 khi hạ bằng búa rung

n – hệ số phục hồi gia đập

n2=0.2 - hạ cọc bằng búa có đệm gỗ, n2=0 – hạ bằng rung

M - hệ số, hạ búa đóng M=1 ; hạ búa rung xác định bằng bảng tra

E - năng lượng tính toán, xác định bằng bảng tra

 - hệ số, xác định theo công thức :

) ( 2 4

1

h H g W W

W A

n A

n

c s

As - Diện tích của mặt bên cọc

n0, nh - Chuyển từ sức chống cắt động sang sức chống cắt tĩnh của đất

ở mũi cọc n0 = 0,0025s.m/T và đất xung quanh cọc nh = 0,25s./T

h – Chiều cao nẩy đầu tiên của búa, bằng 0,5m cho búa diezen; bằng 0 cho búa khác

H – Chiều cao rơi của búa, m

Đối với khu vực đã thông hiểu địa chất, cọc không dài và có độ cứng lớn thì phương pháp thử động là biện pháp đơn giản và hiệu quả nhất để kiểm tra và khống chế tải trọng cọc

Độ chính xác của phương pháp thí nghiệm này rất thấp do thiếu biện pháp xác định năng lượng của búa đóng cọc và năng lượng tổn thất đệm cọc, đệm búa Ngoài ra, đối với cọc dài hoặc độ cứng của cọc thấp, năng lượng búa đóng cọc sẽ tiêu hao do biến dạng đàn hồi của cọc hoặc bật nẩy của búa thì mô hình va đập đàn

hồi của phương pháp hiệu quả không cao

1.2.2 Thí nghiệm thử động biến dạng lớn [3, 5, 6, 7, 8, 14, 16, 17]

Thí nghiệm thử động biến dạng lớn thực hiện nhằm đánh giá sức chịu tải của cọc tại các thời điểm vừa thi công hạ cọc vào đất nền và sau khi cọc nghỉ một thời gian Xác định sức chịu tải của cọc theo những chiều dài khác nhau của cọc Xác định sự phân bố sức kháng bên và sức kháng mũi cũng như các hệ số cản động (damping) và hệ số ngưỡng đàn hồi của đất (quake)

Đánh giá ứng suất phát sinh trong cọc và sự toàn vẹn của cọc Dự báo ứng suất kéo và nén phát sinh trong cọc khi đóng cọc, từ đó dự báo khả năng bị phá hỏng của cọc Xác định các khuyết tật của cọc sau khi thi công nhằm có biện pháp

xử lý chính xác

Đánh giá sự làm việc của búa đóng cọc đối với cọc được hạ vào đất nền bằng búa đóng: Xác định phần trăm năng lượng hiệu quả của búa, đánh giá sự ảnh hưởng của đệm búa và đệm cọc đến số nhát búa

Phương pháp thử động biến dạng lớn (Pile Dynamic Analysis) dựa trên nguyên lý truyền sóng ứng suất trong thanh một chiều Thí nghiệm gồm ba mô hình nghiên cứu kế thừa nhau: Mô hình Smith, Mô hình Case và Mô hình CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program) Hiện nay phương pháp thử động biến dạng lớn được sử dụng dựa trên nhóm thiết bị PDA (Pile Driving Analyser) và phần mềm phân tích CAPWAP Các thiết bị cụ thể của phương pháp PDA như sau:

Thiết bị tạo lực va chạm: Thường là quả búa nặng có thể gây chuyển dịch cọc

Thiết bị đo: Gồm thiết bị đo lực, gia tốc, chuyển vị

Thiết bị ghi, biến đổi và phân tích số liệu

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm thử động biến dạng lớn

5 Thiết bị phân tích (Máy vi tính và phần mềm) 6 Máy in kết quả

Sau khi chuẩn bị thiết bị và cọc thí nghiệm, liên kết hai đầu đo gia tốc và biến dạng vào thân cọc đối xứng nhau qua tim cọc, thường là liên kết bulông Vị trí liên kết cách đỉnh cọc tối thiểu hai lần đường kính cọc Kiểm tra sự làm việc toàn bộ

hệ thống thiết bị Cho búa đóng lên cọc 5 nhát, kiểm tra tín hiệu của từng nhát búa, nếu tín hiệu không tốt thì cho đóng lại

Các thông số thu được ghi nhận trên máy vi tính bao gồm năng lượng lớn nhất của búa, ứng suất kéo lớn nhất của cọc, hệ số độ toàn vẹn của cọc và một số dữ liệu khác Các số liệu này được phân tích tiếp theo bằng mô hình Case hay mô hình CAPWAP để xác định sức chịu tải của cọc cả về sức kháng bên và sức kháng mũi Ngoài ra, còn có thể phân tích về công nghệ đóng cọc và dự báo về chất lượng cọc

Hình 1.6 Giao diện kết quả thí nghiệm phân tích trên phần mềm CAWAP

Các kết quả thu nhận được từ phần mềm như sau: Sức chịu tải của cọc đơn, Sức chịu tải của cọc theo từng nhát búa, ứng với mỗi độ ngập đất của cọc; Ma sát thành bên và sức kháng mũi của cọc; Ứng suất trong thân cọc; Giá trị ứng suất kéo

và ứng suất nén lớn nhất; Ứng suất nén tại mũi cọc; Sự làm việc của búa đóng cọc Năng lượng lớn nhất của búa truyền lên đầu cọc; Lực tác dụng lớn nhất lên đầu cọc

và độ lệch giữa búa và cọc; Tổng số nhát búa và số nhát búa trong một phút Chiều cao búa rơi và độ nảy của phần va đập; Hệ số hoàn chỉnh β của mặt cắt ngang thân cọc

Thời gian thí nghiệm rất nhanh nên có thể góp phần rút ngắn tiến độ thi công công trình Phương pháp này không những cho phép xác định được sức chịu tải của cọc mà còn kiểm tra được chất lượng cọc trong suốt quá trình thi công cọc, nhất là chiều dài, cường độ và độ đồng nhất của bêtông cọc Dễ dàng kiểm soát được sự hồi phục hay giãn ra của đất sau khi hạ cọc và tiến hành thí nghiệm sau đó Xác định được sức chịu tải của cọc theo từng nhát búa, từng cao độ đặt mũi trong quá trình đóng cọc, qua đó có thể lựa chọn được chiều dài cọc phù hợp Thông qua thiết bị

phân tích đóng cọc, có thể lựa chọn được hệ thống đóng cọc hợp lý và theo dõi những vấn đề có thể xảy ra đối với búa, cọc, đất sẽ sớm phát hiện được các sự cố để

xử lý kịp thời những vấn đề ảnh hưởng đến tiến độ thi công và giảm được chi phí, rủi ro Đặc biệt đối với các công trình dưới nước như móng cảng, cầu hoặc các công trình có mặt bằng chật hẹp mà việc thử tĩnh gặp khó khăn với điều kiện thi công, thời gian chờ đợi làm tăng chi phí thử tải cọc thì thí nghiệm PDA là giải pháp lựa chọn hữu hiệu

Phương pháp thử động biến dạng lớn cần một năng lượng va chạm ở đầu cọc

đủ lớn để làm dịch chuyển cọc và huy động toàn bộ sức kháng của đất nền va chạm

nay có thể gây ra tiếng ồn và chấn động ảnh hưởng các công trình lân cận

1.2.3 Thí nghiệm rung trở kháng cơ học [3, 5]

Xác định vị trí, mức độ khuyết tật trong thân cọc dựa trên quan hệ giữa trở kháng cơ học của cọc và tần số dao động Xác định sức chịu tải cho phép của cọc thông qua giá trị độ cứng động của cọc có được trên quan hệ giữa trở kháng cơ học của cọc và tần số dao động

Lắp đầu đo gia tốc và động cơ điện gây dao động vào đầu cọc, tất cả được liên kết với bộ xử lý tự động Vận hành thiết bị ta thu được quan hệ giữa trở kháng

cơ học của cọc và tần số dao động Các biểu thức liên hệ của kết quả thí nghiệm như sau:

Vận tốc truyền sóng và chiều dài cọc :

f L

F V

f E

f1=c/2L (1.15) Sức chịu tải cho phép của cọc:

a D a s

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm rung trở kháng cơ học

Đánh giá chi tiết tình trạnh chất lượng cọc, gồm tính đồng nhất và liên tục của bêtông cọc, vết nứt, sự thay đổi tiết diện cọc, mức độ phân tầng và tính cặn lắng

của bêtông cọc khoan nhồi Xác định sức chịu tải cho phép của cọc một cách đơn giản, nhanh chóng

Kết quả thí nghiệm phụ thuộc vào trình độ hiểu biết về sóng ứng suất của người thực hiện thí nghiệm Với quan điểm dùng độ cứng động để xác định độ cứng tĩnh của cọc và dùng kết quả độ lún cho phép từ kết quả thí nghiệm khác để tính toán xác định sức chịu tải cho phép của cọc là không tin cậy

1.3 Thí nghiệm tĩnh động Statnamic [3, 5, 6, 7, 8, 14]

Mục đích thí nghiệm nhằm xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả biểu đồ quan hệ giữa tải trọng, độ lún và thời gian của thí nghiệm Kiểm tra ứng xử của hệ

cọc – đất dưới tải trọng tĩnh và tải trọng động

Thiết bị thí nghiệm gồm hai bộ phận chính: Búa hơi áp lực (gồm xilanh, pistông, lực kế, đối trọng) và máy đo Pistông được đặt lên đầu cọc, phía trên pistông đặt đối trọng và bên dưới pistông là một khối nhiên liệu rắn và một hộp tải trọng Đốt cháy khối nhiên liệu tạo ra một lực đẩy đẩy xilanh và đối trọng lên phía trên và đồng thời đầu cọc nhận được một phản lực bằng trọng lượng tĩnh tải nhân với gia tốc ban đầu gây ra do nhiên liệu bị đốt cháy Phản lực đầu cọc tăng dần trong thời gian từ 1 đến 120‰ giây làm cho cọc lún xuống Khi nhiên liệu đốt hết, phản lực đầu cọc giảm nhanh chóng, cọc sẽ phục hồi vị trí cũ Độ lún của cọc được

đo bằng tia laze nhờ một gương đặt trên đầu cọc, từ đây có thể vẽ được biểu đồ quan hệ giữa tải trọng, độ lún và thời gian

Phản lực đầu cọc có thể khống chế thông qua việc khống chế các yếu tố gồm nhiên liệu, xilanh, buồng đốt, đối trọng Trong quá trình thí nghiệm, cọc chịu tác động của hai ngoại lực gồm tải trọng thử gây chuyển dịch cọc và sức kháng của cọc cản trở chuyển dịch ấy Sức kháng của cọc là một hàm của khối lượng bản thân cọc,

độ cứng của cọc, đất xung quanh dọc theo thân cọc và tại mũi cọc Thông qua giá trị chuyển vị của cọc, xác định sức kháng của cọc đồng thời kiểm soát được sự làm việc của cọc và đất nền

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm tĩnh động Statnamic

Đối với thí nghiệm nén tĩnh, thời lượng tải trọng lớn nên vận tốc và gia tốc trong cọc được xem như bằng không Thí nghiệm thử động nói chung, thời gian tác dụng tải trọng khoảng 4‰ giây gây nên sóng ứng suất trong cọc và phát sinh sức cản động, sức cản nhớt cũng như thế năng trong hệ cọc – đất Từ công thức xác định sóng ứng suất (m/s): c (E/)1 / 2 với E là module đàn hồi hệ cọc-đất, ρ là tỷ trọng

hệ cọc-đất Đối với cọc bêtông cốt thép thì c=3000-4000 m/s và với cọc có chiều dài lớn thì thời gian truyền sóng ứng suất ban đầu từ đỉnh cọc đến mũi cọc là 6mili giây Từ đây có thể kết luận với thời gian tác dụng của tải trọng là 120‰ giây của phương pháp thử tĩnh động đủ dài để không gây ra sóng ứng suất trong hệ cọc đất

và có thể phân tích kết quả của thí nghiệm như phương pháp nén tĩnh truyền thống

Ưu điểm của phương pháp là không yêu cầu hệ thống đối trọng lớn, thường khoảng 5-10% sức chịu tải của cọc Cho kết quả thí nghiệm trực tiếp tại hiện trường gồm kết quả tải trọng, biến dạng và biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị Có thể thực hiện thí nghiệm ở những điều kiện khó khăn về địa hình, cho những cọc đặc biệt như cọc mở rộng đáy hay cọc có sức chịu tải lớn đến 3000 tấn Điểm nổi bật là thí nghiệm có thể tiến hành trên nhóm cọc lẫn kiểm tra sức chịu tải của cọc chịu tải trọng ngang

Nhược điểm lớn nhất của phương pháp là tính chất động của phương pháp

và cần đánh giá thuyết phục hơn về tác dụng động trong quá trình thử tải

1.4 Nhận xét chương và phương hướng đề tài

Sức chịu tải của cọc sau khi thi công cần phải được kiểm tra lại bằng các thí nghiệm hiện trường Thí nghiệm thử động biến dạng lớn là một trong các phương pháp hiện đại cho phép thu nhận được kết quả về khả năng chịu tải của cọc cũng như các khuyết tật của cọc trong quá trình thi công Thời gian và mặt bằng thí nghiệm cho thấy ưu thế của phương pháp so với kết quả nén tĩnh truyền thống đặc biệt với các cọc có sức chịu tải lớn

Để nâng cao độ chính xác của phương pháp này trong điều kiện thực tế theo cấu tạo địa chất khu vực, cần thiết tiến hành phân tích nhằm lựa chọn mô hình cọc – đất phù hợp Từ việc kết hợp phân tích và so sánh với kết quả nén tĩnh truyền thống

có thể đánh giá khả năng ứng dụng của từng mô hình cọc – đất trong phương pháp thử động biến dạng lớn Đây cũng là phương hướng chính của đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP

cơ học vật lý chặt chẽ với các tính toán số học

Các thành phần trong hệ thống đóng cọc theo Smith bao gồm:

4 Đệm cọc 5 Cọc 6 Đất nền

Hình 2.1 Mô hình cọc vả mô hình búa

Búa, đệm búa, mũ cọc, đệm cọc và cọc được mô hình rời rạc hóa thành các phần tử, mổi phần tử được mô hình bằng một khối lượng tập trung và một lò xo không khối lượng Đất nền gồm sức kháng ma sát thành cọc và sức kháng mũi cọc

được mô hình bằng lò xo và cản nhớt Vì vậy, phân tích quá trình đóng cọc đã chuyển thành phân tích hoạt động của hệ thống búa-cọc-đất dưới tác động của từng nhát búa

cushion K

1)

2(

1)

2(

Mô hình đất của Smith bao gồm lò xo ngoài và cản nhớt Lò xo ngoài thể

hiện cho khả năng chịu tải trọng tĩnh Rs (Hình 2.3) Lộ trình O, A, B, C, D, E, F, G thể hiện ma sát thành cọc khi chất tải và dỡ tải Xét tại một điểm chỉ chịu nén, khi chất tải và dỡ tải lộ trình biến dạng là O, A, B, C, F (Hình 2.3)

Với: Q (m) - khả năng biến dạng đàn hồi lớn nhất của đất tại phần tử m, khái quát được hiểu là “quake” – vượt quá giá trị này thì đất không còn ở trạng thái đàn hồi mà chuyển qua trạng thái dẻo

Ru(m) - sức kháng tĩnh cực hạn của đất

Độ cứng ks(m) của lò xo ngoài tại phần tử m khi biến dạng đàn hồi được xác định theo công thức:

) (

) ( ) (

m Q

m R m

Hình 2.3 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng của đất

Khi đóng cọc, tải trọng động tác dụng sẽ làm phát sinh sức kháng của đất Biến dạng của đất khi chịu tải trọng động được giả định như ở hình 2.3 Ứng xử động của đất được đặt trưng bởi một thông số damping, J – được gọi là hằng số giảm chấn hay hệ số cản nhớt của đất Cản nhớt bố trí trong mô hình thể khả năng chịu tải trọng động của đất và cản nhớt tỷ lệ với vận tốc của tải trọng động

 Hệ phương trình sai phân cơ bản

Bằng phương pháp sai phân hữu hạn, Smith biến đổi phương trình truyền sóng ứng suất thành hệ các phương trình cơ bản với giả thiết: Chia thời gian tác động của một nhát búa thành những khoảng thời gian vô cùng bé Δt Các giá trị Δt nhỏ đến mức sao cho trong khoảng thời gian này sóng ứng suất trong phần tử chưa truyền đến hay gây ảnh hưởng đến phần tử liền kề Vì vậy, Smith quan niệm chuyển

vị trong các phần tử khi có lực tác dụng là chuyển động đều

Phương trình cân bằng của phần tử m bất kỳ tại thời điểm t:

0 ]

[ ] [ ( 1, ) ( , ) ( , ) ( 1, ) ( ,))

1 ( 2

m

m

K u

u K u

u K t

u

g

W

(2.2) Khi phân tử chuyển động tạo ra gia tốc và gia tốc này làm thay đổi vận tốc của phần tử sau khoảng thời gian Δt:

2

) 2 , ( ) , ( ) , ( 2

) , ( 2

]2

[

t

u u

u t

Thay (2.3) vào phương trình (2.2), giải phương trình này tìm được các nghiệm:

(2.7)

 Sức kháng của đất tác động lên phần tử m:

R(m,t)= [u(m,t)- u’(m,t)]ks(m) + [1+J(m).v(m,t-Δt)] (2.8) Trong đó:

u’(m,t) - chuyển vị đàn hồi của lò xo ngoài ở thành bên u’(p,t) - chuyển vị đàn hồi của lò xo ngoài tại mũi cọc

g - gia tốc trọng trường J(m) - hệ số cản nhớt của đất K(m) - độ cứng của lò xo trong

ks(m) - độ cứng của lò xo ngoài W(m) - trọng lượng bản thân phần tử m Đối với phần tử đệm búa và đệm cọc, lực tác động lên các phần tử này được xác định theo công thức:

max 2

2 ) (

) , ( ).

( ).

1 )]

( [

1 ( ) , ( )]

( [ ) ,

m e t m C m e

K t m

Với: e(m) - hệ số hồi phục của lò xo trong

max

),(m t

C - giá trị tức thời lớn nhất của c(m,t)

Trong khoảng thời gian Δt đầu tiên, u(m,t)-u’(m,t)=0 hay u(m,t) chính là giá trị Q(m) - hệ số quake của đất cho phần tử m Smith đề nghị phương trình thay thế cho phương trình (2.8) dưới dạng:

R(m,t)= [u(m,t)- u’(m,t)]ks(m) + J(m).Ru(m).v(m,t-Δt)] (2.10) Với: Ru(m) - sức chịu tải tĩnh tới hạn của đất ứng phần tử m

 Giải thuật tính toán

Giải thuật tính toán của Smith thực hiện theo trình tự sau:

1 Giả sử các giá trị: Ru, tỷ lệ phân phối sức kháng bên và sức kháng mũi, hình thức phân bố sức kháng bên (phân bố dạng hình chữ nhật, hình thang hoặc tam giác), hệ số quake của đất Tính toán giá trị ks(m)

2 Tính toán vận tốc ban đầu của búa v0

3 Tính toán chuyển vị, biến dạng, vận tốc của từng phần tử theo thứ tự từ trên xuống dưới

4 Tính toán lặp lại chuyển vị, biến dạng, vận tốc của từng phần tử sau khoảng thời gian Δt

5 Giả thiết lại Ru Tính toán lặp lại các bước từ 1 đến 4 Vẽ đường cong quan

hệ giữa chuyển vị và Ru

 Xác định các thông số đầu vào

1 Gia số thời gian Δt:

c

L E

L t

Với: ΔL - chiều dài của phần tử cọc

E - module đàn hồi của vật liệu cọc

ρp - mật độ khối lượng của vật liệu cọc

c - vận tốc của sóng ứng suất truyền trong cọc

Theo Smith: Với cọc thép: Δt=1/4000s và cọc bêtông Δt=1/3000s

2 Vận tốc ban đầu của búa v0:

h h

W E E

Với: Er - năng lượng của búa

Eh - năng lượng hiệu quả của búa

Wh - trọng lượng của búa

h - chiều cao búa rơi

3 Độ cứng của lò xo trong K(m) (lò xo mô hình cọc-búa):

L

AE m K



 )

Với: ΔL - chiều dài của phần tử m

E - module đàn hồi của phần tử m

A - diện tích tiết diện ngang của phần tử m

4 Độ cứng của lò xo ngoài ks(m) (lò xo mô hình đất):

Ở mũi cọc:

p

u Q

R p

 )

) 1 ( ) (

m

u nQ

R s

Với: Q(m) - hệ số quake của đất ứng phần tử m

n - tổng số phần tử dọc theo thân cọc

5 Các thông số tĩnh và động của đất nền được Smith đề nghị như sau:

Bảng 2.1 Bảng giá trị thông số đất nền của Smith

(mm)

J(p) (s/m)

Tỷ lệ sức kháng bên (%Ru)

Cát lẫn sỏi cuội 2.5 0.46 75-100

Cát và sét, á sét,

> 50% cọc trong cát 5.0 0.66 25

Lưu ý: Hệ số quake là hệ số tăng theo độ sâu của đất nền

Hệ số giảm chấn của đất tại phần tử m : J(m) = J(p)/3

 Kết quả tính toán

 Xác định sức chịu tải của cọc

 Xác định sức chịu tải của cọc ngay sau khi đóng cọc

Dựa vào kết quả đường cong quan hệ giữa chuyển vị và Ru, vẽ đường cong quan hệ số nhát búa và Ru Sức chịu tải của cọc được xác định căn cứ vào giá trị chuyển vị cuối cùng hoặc số nhát búa cuối cùng, tra đường cong quan hệ để xác định Ru Sau đó xem xét tiếp các yếu tố: Sự tiêu tán áp lực nước, độ cố kết, khả năng hồi phục của đất để xác định chính xác khả năng chịu tải của cọc

 Xác định sức chịu tải của cọc khi thử động

Sức chịu tải của cọc xác định sau một thời gian cọc nghỉ cũng được thực hiện như ngay sau khi đóng cọc

 Xác định ứng suất trong cọc trong quá trình đóng cọc

Ứng suất trên suốt chiều dài cọc được tính toán như sau:

)(

)(

m A

m F



Với: F(m) - lực tác dụng lên phần tử m trong quá trình đóng cọc

A(m) - diện tích tiết diện ngang của phần tử m

 Phân tích khả năng đóng cọc (lựa chọn thiết bị đóng cọc)

Căn cứ vào thông số đất, thông số cọc và chuyển vị cuối cùng (độ chối thiết kế) để tính toán tìm ẩn số là các thông số búa và các lớp đệm

2.2 Mô hình Case [3, 5, 7, 8, 16, 17, 18, 19]

 Lý thuyết mô hình Case

Case sử dụng nguyên lý truyền sóng ứng suất trong thanh một chiều, kết quả

đo sóng lực và sóng vận tốc hạt tại đầu cọc, phân tích đồ thị sóng để xác định sức chịu tải của cọc Từ phương trình truyền sóng ứng suất trong cọc, Case đưa ra các giả thiết xây dựng mô hình Case:

 Trở kháng cơ học của cọc là hằng số: Tiết diện cọc không thay đổi, vật liệu cọc đồng nhất và không có khuyết tật

 Sức kháng động của đất chủ yếu là ở mũi cọc, bỏ qua sức kháng động ở thành bên cọc

 Quá trình truyền sóng ứng suất trong thân cọc, sóng không bị mất năng lượng và tín hiệu sóng không bị méo mó

Công thức xác định sức kháng tổng của đất lần đầu Case thành lập với quan điểm xem cọc là tuyệt đối cứng:

R = F(t)-M.a(t)

mà

t

V V

Trong đó: F(t) - lực tác động lên đầu cọc

a(t) - gia tốc đo tại đầu cọc

M,L - khối lượng, chiều dài của cọc

c - vận tốc truyền sóng ứng suất trong cọc

Công thức xác định sức kháng tổng của đất được hiệu chỉnh lại sau quá trình thực nghiệm:

] [

2 ] [

2

1

) 2 ( ) )

2 ( ) m t L c m t m t L c t

L

Mc F

F

Công thức (2.18) cho thấy, sức kháng tổng của đất bằng tổng bình quân sức kháng của đất trong khoảng thời gian t=2L/c và lực quán tính

Khi chịu tác động của tải trọng động, để có thể xuyên vào đất nền cọc sẽ phải

có năng lượng lớn hơn lực ma sát giữa đất và cọc, lực dính của đất và sức kháng động của đất Vì vậy, sức kháng của đất theo Case gồm hai thành phần:

Với Rs - sức kháng tĩnh của đất

RD - sức kháng động của đất

Giá trị Rs chính là ẩn số đi tìm trong mô hình Case và Rs trong mô hình Case

là hàm của chuyển vị được đơn giản hóa khi chỉ xem đất làm việc trong trạng thái đàn hồi dẻo lý tưởng Giá trị RD là giá trị tính toán được từ giả thuyết của Case xem sức kháng động như lực dính nhớt và lực dính nhớt này tỷ lệ với vận tốc hạt của sóng ứng suất Đồng thời giá trị RD chỉ xuất hiện trong quá trình chịu tải trọng động (quá trình đóng cọc)

Trong đó: Z - trở kháng cơ học của cọc

Vtoe - vận tốc hạt của sóng ứng suất tại mũi cọc

J - hệ số cản nhớt của đất ở mũi cọc, tùy thuộc vào loại đất

Jc - hệ số cản nhớt của Case Đây là hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc và J và Z Vì vậy Jc là hệ số kinh nghiệm và hệ số này được xác định

thông qua kết quả so sánh các thí nghiệm tĩnh và thí nghiệm động của cọc Case đề nghị hệ số Jc như bảng 2.2

Bảng 2.2 Giá trị hệ số cản nhớt J c

Đất ở mũi cọc Đề nghị

( Năm 1975)

Đề nghị ( Năm 1996)

1

R ZV F

Kết hợp (2.18), (2.23) cùng nguyên tắc nhận tín hiệu sóng, Case đề xuất công thức xác định sức chịu tải cực hạn của cọc:

) 2 ) 1 ( 2 ) 1

J ZV

F J

Trong đó: F1, V1 - Sóng lực và sóng vận tốc hạt tại thời điểm t1

F2, V2 - Sóng lực và sóng vận tốc hạt tại thời điểm t2=t1+2L/c

Lý thuyết truyền sóng ứng suất trong cọc cho phép dự báo các khuyết tật trong cọc, Case đã xây dựng phương pháp xác định như sau:

Xét sự thay đổi của sóng lực và sóng vận tốc hạt trong khoảng thời gian t=2L/c (thời gian để sóng lực và sóng vận tốc hạt đi từ đầu cọc đến mũi cọc và phản

xạ ngược trở về đầu đo) Gọi ΔR là độ chênh lệch giữa sóng lực và sóng vận tốc do sức kháng bên của đất (Sóng lực tăng, sóng vận tốc hạt giảm), Δu là độ chênh lệch giữa sóng lực và sóng vận tốc hạt do sự thay đổi tiết diện của cọc (Sóng lực giảm,

sĩng vận tốc hạt tăng) và β là tỷ lệ của trở kháng cơ học của tiết diện cọc thay đổi

và tiết diện cọc ban đầu,

2 1

z z V

V

mà V1 = Vmax-ΔR ; VR = Δu/2 và đặt

)(

1

(2.25) Căn cứ vào hệ β, cĩ thể dự báo được mức độ khuyết tật trong thân cọc Case

đề nghị bảng giá trị hệ số β như bảng 2.3

Bảng 2.3 Phán đốn mức độ khuyết tật trong thân cọc

Hệ số  1,0 0,8  1,0 0,6  0,8 < 0,6

Mức độ khuyết tật Hồn chỉnh Tổn thất ít Phá hoại Nứt gãy

Đồng thời, vị trí của tiết diện cọc bị khuyết tật sẽ xác định : L c.t x

2

1'  với tx

là thời gian truyền sĩng từ đỉnh cọc đến khuyết tật và phản xạ ngược về đỉnh cọc

 Thực nghiệm mơ hình Case

Bộ thiết bị thực nghiệm cho mơ hình Case gồm búa đĩng cọc và máy đo Búa đĩng cọc theo nguyên tắc chung của phương pháp động, dùng thiết bị đĩng cọc sao cho cọc chuyển vị tương đối trong đất nền

Máy đo gồm bộ cảm biến, thiết bị thu nhận tín hiệu, thiết bị ghi nhận và xử

lý tín hiệu

Bộ cảm biến là những thiết bị chuyển đổi có khả năng độc lập đo biến dạng và gia tốc theo thời gian tại các vị trí đặc biệt dọc thân cọc trong quá trình thí nghiệm (2 thiết bị nhỏ đặt đối xứng, đảm bảo gắn chặt vào trong cọc) Bộ cảm biến lực hoặc biến dạng: Bộ cảm biến biến dạng là những bộ chuyển đổi có một đầu ra thẳng qua toàn bộ phạm vi biến dạng Khi được gắn vào cọc, tần số tự nhiên của nó khoảng 2000Hz Giá trị biến dạng được chuyển đổi thành lực tác

dụng ở tiết diện cọc và module đàn hồi động lực ở vị trí đo E = ρc2 Giá trị lực cũng có thể cho bởi các bộ cảm biến lực đặt giữa đầu cọc và búa truyền động Những bộ cảm biến này sẽ có trở kháng 50%-200% trở kháng của cọc Tín hiệu

ra phải tỷ lệ tuyến tính với lực dọc trục, thậm chí với tải trọng lệch tâm

Bộ cảm biến gia tốc, vận tốc hoặc chuyển vị: Dữ liệu vận tốc thu được do những máy đo gia tốc là tín hiệu có khả năng được xử lý bởi sự hợp nhất trong thiết bị để giảm dữ liệu Hai máy đo gia tốc với tần số cộng hưởng trên 2500Hz sẽ đặt tại những vị trí xuyên tâm bằng nhau trên những cạnh đối diện của cọc Thiết bị thu thập tín hiệu: Tín hiệu từ các bộ cảm biến sẽ được truyền tới thiết bị ghi nhận, xử lý và xuất dữ liệu thông qua các cáp Tín hiệu đến thiết bị sẽ tỷ lệ tuyến tính với với những phép đo ở cọc qua dải tần số của thiết bị

Thiết bị ghi nhận, xử lý, xuất dữ liệu (máy tính): Tín hiệu từ bộ cảm biến trong thời gian va đập sẽ được truyền tới thiết bị ghi nhận, xử lý và xuất dữ liệu, cho phép xác định lực và vận tốc theo thời gian Nó cũng có thể xác định gia tốc và chuyển vị của đầu cọc, năng lượng truyền cho cọc