Hiện
nay, trên thế giới có nhiều phương pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc khoan nhồi;
mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng. Để hiểu thêm về các ưu và
nhược điểm của từng phương pháp, tác giả phân tích các phương pháp thử tải cho
khu công nghệ và lựa chọn phương pháp kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi sao
cho phù hợp với điều kiêệnxây dựng nhất, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật và đạt mục
tiêu kinh tế.
1. Phương pháp thí nghiệm động biến dạng lớn
PDA
1.1
Cơ sở của phương pháp
Nguyên
lý của phương pháp thử động biến dạng lớn và thiết bị phân tích động cọc PDA dựa
trên nguyên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong bài toán va chạm của cọc, với
đầu vào là các số liệu đo gia tốc và biến dạng thân cọc dưới 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 tính lặp) dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất thanh cứng và liên tục
do va chạm dọc trục tại đầu cọc gây ra.
Cơ
sở của phương pháp này dựa vào:
+
Phương trình truyền sóng trong cọc
+
Phương pháp case
+
Mô hình hệ búa - cọc - đất của Smith
+
Phần mềm CAPWAPC
+
Hệ thống thiết bị phân tích đóng cọc PDA
1.2
Thiết bị
1.2.1
Thiết bị PDA (theo PAL model)
Là
thế hệ mới nhất của PDA thuộc hãng PDI (Mỹ), được thiết kế tối ưu cho công tác
thí nghiệm hiện trường ngay cả ở công trình có địa hình phức tạp như ngoài khơi
hay trên núi. PAL gồm một máy chính, 2 đầu đo gia tốc và 2 đầu đo biến dạng,
dây dẫn và các phụ kiện kèm theo.
1.2.2
Thiết bị PDA (Mỹ)
Có
thể dùng búa hơi, búa Diesel có trọng lượng bằng 1 -2% sức chịu tải cọc, cấu tạo
của thiết bị phân tích búa đập – PDA sử dụng trong phương pháp thử động biến dạng
lớn bao gồm:
-
Đầu đo ứng suất (2 đầu đo)
-
Máy tính điện tử có gắn bộ biến đổi số liệu
 |
| Thiết bị |
1.6
Các kết quả đo được
-
Sức chịu tải của cọc: sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa đập, sức chịu tải
của cọc tại từng cao độ ngập đất của cọc, ma sát thành bên và sức kháng của mũi
cọc.
-
Ứng suất trong cọc: ứng suất nén lớn nhất, ứng suất kéo lớn nhất và ứng suất
nén tại mũi cọc
-
Sự hoạt động của búa: năng lực truyền lớn nhất của búa lên đầu cọc, lực tác dụng
lớn nhất lên đầu cọc, độ lệch tâm giữa búa và cọc, hiệu suất hoạt động của búa,
tổng số nhát búa, số nhát búa trong 1 phút và chiều cao rơi búa hoặc độ nảy của
phần va đập.
-
Tính nguyên dạng hoặc hư hỏng của cọc: xác định mức độ hoặc vị trí hư hỏng của
cọc.
1.3
Phạm vi áp dụng
-
Thời gian nhanh hơn thử tĩnh, chi phí thấp, thử được nhiều cọc trong ngày
-
Lựa chọn được hệ thống đóng cọc hợp lý
-
Tiêu chuẩn áp dụng: theo tiêu chuẩn ASTM –D4945.
1.4
Nhận xét
-
Phương pháp thử động biến dạng lớn nhằm đánh giá sức chịu tải của cọc bằng lý
thuyết truyền sóng PDA chỉ chính xác khi năng lượng va chạm ở đầu cọc đủ lớn để
huy động toàn bộ sức kháng của đất nền và tạo được biến dạng dư từ 3 – 5 mm. Với
cọc khoan nhồi thường sử dụng quả búa nặng từ 9 đến 21 tấn để thử động lực học.
-
So với phương pháp thử tải trọng tĩnh thì phương pháp này thực hiện nhanh hơn,
có thể thực hiện thí nghiệm được nhiều cọc trong cùng một ngày, ít gây ảnh hưởng
đến hoạt động thi công ở công trường nhưng lại gây tiếng ồn và chấn động cho
khu vực lân cận.
-
Phương pháp này có thể kiểm tra được cả mức độ hoàn chỉnh và đánh giá được sức
chịu tải của cọc, nhất là chiều dài, cường độ và độ đồng nhất của bê tông.
-
Phương pháp thử động biến dạng lớn không thay thế hoàn toàn được phương pháp thử
tĩnh. Nhưng các kết quả thử động biến dạng lớn sử dụng thiết bị phân tích đóng
cọc - PDA được phaâ tích chi tiết, so sánh với thử tĩnh và phân tích CAPWAP
tương đương sẽ giúp giảm bớt thử tĩnh.
-
Đối với các công trình dưới nước như móng cảng, cầu...hoặc các dự án nhỏ mà việc
thử tĩnh gặp khó khăn với điều kiện thi công, thời gian chờ đợi làm tăng chi
phí thử tải cọc. Khi đó việc thử động biến dạng lớn bằng thiết bị phân tích
đóng cọc – PDA là rất thích hợp.
-
Sử dụng thiết bị phân tích đóng cọc - PDA giúp ta kiểm soát được chất lượng cọc
trong quá trình thi công. 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 đôộ thi công và giảm được chi phí, rủi ro.
-
Dễ dàng kiểm soát được sự hồi phục hay giãn ra của đất sau khi đóng đi và vỗ lại.
Xác định được sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa, từng cao độ đặt mũi trong
quá trình đóng cọc. Qua đó, lựa chọn được chiều dài cọc phù hợp.
2. Phương pháp thử tĩnh động
2.1
Nguyên lý
Dựa
trên nguyên tắc phản lực của động cơ tên lửa, người ta tạo ra một thiết bị đặt
trên đầu cọc có kèm theo đối trọng vừa đủ, cho nổ gây phản lực trên đầu cọc có
thiết bị ghi chuyển vị của cọc trong quá trình nổ, kết hợp đo các thông số biến
dạng và gia tốc đầu cọc. Sau đó dùng các phương pháp như phương pháp phương
trình truyền sóng hoặc độ cứng động sẽ được tính sức chịu tải của cọc. Trong
phương pháp STATNAMIS người ta đã xác định được gia tốc a của khối phản lực dịch
chuyển lên phía trên gấp 20 lần gia tốc của cọc dịch chuyển xuống phía dưới.
Như vậy trọng lượng của khối phản lực chỉ cần bằng 1/20 đối trọng dự kiến trong
thử tĩnh đã tạo nên được lực lớn gấp 20 lần lực truyền lên đầu cọc. Nhờ đó, việc
thử tải bằng STATNAMIS sẽ giảm rất nhiều về quy mô và chi phí so với thử tĩnh
nhưng kết quả đạt được rất gần với phương pháp thử tĩnh.
2.2
Phạm vi áp dụng
-
Cho tất cả các loại cọc đứng và cọc nghiêng trong mọi điều kiện địa chất
-
Từ năm 1988, STATNAMIS đã thử được tải trọng 0.1 MN và đến năm 1994 đã phát triển
thử được tải trọng đến 30 MN. Nó được áp dụng nhiều ở Canada, Mỹ, Hà Lan, Nhật
Bản, Đức, Hàn Quốc...
2.3
Nhận xét
Việc
ứng dụng thử tải STN đang ngày càng cạnh tranh mạnh mẽ với thử tải biến dạng lớn
PDA do có độ tin cậy cao, giá thành hợp lý và nhiều ưu điểm hơn so với phương
pháp PDA. Đặc biệt có thể thử tải ngang hay với tải trọng rất lớn đến trên
3.000 tấn. Về độ lớn tải trọng thử đạt được cho đến nay nó chỉ kém phương pháp
hộp tải trọng Osterberg.
3. Phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống
Đây
là phương pháp trực tiếp xác định tải của cọc, thực chất là xem xét ứng xử của
cọc (độ lún) trong điều kiện cọc làm việc như thực tế dưới tải trọng công trình
nhằm mục đích chính là xác định độ tin cậy của cọc ở tải trọng thiết kế, xác định
tải trọng giới hạn của cọc, hoặc kiểm tra cường độ vật liệu của cọc với hệ số
an toàn xác định bởi thiết kế.
3.1
Nguyên lý và phạm vi áp dụng
Dùng
hệ thống cọc neo hoặc các vật nặng chất phía trên đỉnh cọc làm đối trọng để gia
tải nén cọc.
Phương
pháp này chỉ thích hợp ở nơi có mặt bằng đủ rộng, nơi không có nước mặt (sông)
và cọc thử có tải trọng nhỏ (< 5000 tấn).
Chi
phí cho việc làm đối trọng sẽ càng lớn khi tải trọng cọc, thử càng lớn và nhất
là nơi sông nước.
3.2
Nhận xét và kết luận
Trong
các phương pháp thử tải trọng cọc khoan nhồi, phương pháp thử tải trọng tĩnh
truyền thống tuy không dùng thiết bị hiện đại nhưng chi phí cũng sẽ rất cao khi
gặp điều kiện khó khăn về mặt bằng. Kết quả thử tải là sức chịu đựng tổng cộng
của cọc (không cho biết riêng: sức chịu tải của mũi cọc và sức chịu tải thân cọc).
Bên cạnh đó đối với các cọc khoan nhồi có sức chịu tải của 10.000 tấn hoặc lớn
hơn thì hệ đối trọng để gia tải theo phương pháp này cũng sẽ gặp khó khăn,
không thực hiện được. Do vậy áp dụng thử tải tĩnh truyền thống chủ yếu sử dụng
để thử tải các cọc có tải trọng dưới 5.000 tấn và cọc bố trí ở mặt rộng rãi và
trên cạn.
Ngoài
ra sử dụng phương pháp này tốn nhiều thời gian, phương tiện kỹ thuật. Tuy nhiên
phương pháp này cho kết quả được xem là chính xác nhất trong các phương pháp hiện
nay, có thể làm cơ sở cho việc kiểm chứng các phương pháp khác.
 |
| Phương pháp kiểm tra sức chịu tải cọc khoan nhồi |
4.1
Nguyên lý
Khi
cọc có đường kính và chiều dài lớn với sức chịu tải hàng ngàn tấn và cọc nằm
trên sông nước, các phương pháp thử tải tĩnh không thực hiện được. Do vậy, phải
sử dụng phương pháp hộp tải trong Osterberg.
-
Dùng một hay nhiều hộp tải trọng Osterberg (hộp thủy lực làm việc như 1 kích
thuỷ lực) đặt ở mũi cọc khoan nhồi hay ở 2 vị trí mũi và thân cọc trước khi đổ
bê tông thân cọc. Sau khi đổ bê tông đã đủ cường độ, tiến hành thử tải bằng
cách bơm dầu thuỷ lực để tạo áp lực trong hộp kích. Đối trọng chính là trọng lượng
cọc và sức chống ma sát hông.
-
Theo nguyên lý phản lực, lực truyền xuống đất mũi cọc bằng lực truyền thân cọc.
Việc thử sẽ đạt tới phá hoại khi một trong hai phá hoại xảy ra ở mũi cọc và
quanh thân cọc. Dựa theo các thiết bị đo chuyển vị và đo lực gắn trong hộp tải
trọng Osterberg sẽ vẽ ra được các biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị
mũi cọc và thân cọc. Tuỳ theo trường hợp phá hoại có thể thu được một trong 2
biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị.
Việc
gia tải và đo đạc, áp dụng theo tiêu chuẩn ASTM D1143-1995 “Trình tự thử tải
nhanh” của Mỹ
-
Cách xác định tải trọng giới hạn: Do có một phá hoại hoặc thân cọc nên phải áp
dụng phương pháp ngoại suy để tìm phá hoại thứ hai, và được tính theo công thức
sau:
Pghcọc
= Pgh mũi + Pgh thân (5)
-
Nếu không tin tưởng ở ngoại suy và thiên về an toàn (lấy trị số bé), ta có thể
lấy
Pghcọc
= 2Pgh thu được (5’)
-
Phương pháp này không phải dùng hệ gia tải bên trên bằng các đối trọng hoặc hệ
neo mà dùng ngay trọng lượng bản thân của cọc và ma sát thành bên làm đối trọng.
Để tạo tải, trong thân cọc bố trí một hộp tải trọng làm việc như một kích thước
thủy lực thông thường và có cấu tạo phù hợp chôn trước trong thân cọc. Sau khi
cọc đủ cường độ tiến hành tạo tải bằng cách bơm dầu vào trong kích đã chôn
trong cọc. Hệ điều khiển và ghi chép từ mặt đất. Sử dụng phương pháp này có thể
thí nghiệm riêng biệt hoặc đồng thời hai chỉ tiêu là sức chịu mũi cọc và lực ma
sát bên của cọc. Tải thí nghiệm có thể đạt đến 18.000 tấn, thời gian tiến hành
thí nghiệm chỉ trong vòng 24 giờ. Sau khi thử xong bơm bê tông xuống lấp đầy hệ
kích cho hệ được liên tục.
-
Gọi tổng các lực ma sát thành bên trên toàn bộ chiều dài cọc Pms và lực chống
mũi là Pm và lực do hộp tải trọng là P0 thì ta có nhận xét sau: khi tạo lực P0
trong hộp Osterberg thì theo nguyên lý cân bằng phản lực, một phản lực P0 truyền
lên thân cọc hướng lên phía trên sẽ cân bằng với lực ma sát thành bên và trọng
lượng thân cọc (G). Còn một lực P0 khác hướng xuống dưới và được chống lại bởi
sức chống của đất nền dưới mũi cọc. Như vậy trong quá trình chất tải tăng P0
thì ta có:
P0
= (G + Pms) < G + Pmsgiới hạn hoặc P0 = (Pm) < Pm giới hạn (6)
-
Cọc thí nghiệm sẽ đạt tới giới hạn phá hoại khi đạt đến cân bằng của một trong
hai biểu thức nêu trên, tức là cọc phá hoại mũi trước (đất dưới mũi cọc đạt đến
phá hoại) hoặc bị phá hoại ở thành bên trước (cọc và đất xung quanh có chuyển dịch
dẻo).
4.2
Phạm vi áp dụng
-
Có thể thấy ngay phương pháp này phù hợp với các cọc có sức chống giới hạn
thành bên và mũi cọc tương đương nhau. Còn trong trường hợp sức chống giới hạn
của mũi nhỏ hơn sức chống thành bên thì có thể đặt hai tầng ở mũi cọc và thân cọc
để thử. Cao trình đặt ở tầng thân phải đảm bảo điều kiện Pghmũi > Pgh đoạn
thân AB. Khi đó trình tự chất tải sẽ phức tạp hơn để có thể xác định được
Pghmũi, Pgh đoạn toàn thân cọc.
-
Phương pháp này áp dụng thử tải cho các cọc khoan nhồi có sức chiu tải lớn, những
nơi khó khăn về mặt bằng thi công hay cọc trên sông nước.
4.3
Biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc
Do
kết quả thu được là hai biểu đồ tải trọng - chuyển vị mũi độc lập nhau nên để dễ
sử dụng và so sánh với thử tải tĩnh truyền thống phải xây dựng biểu đồ tải trọng
- chuyển vị đầu cọc tương đương như trong thử tải tĩnh truyền thống. Muốn vậy
phải dựa vào các giả thiết sau:
-
Đường cong tải trọng - chuyển vị mũi cọc giống như đường cong tải trọng - chuyển
vị trong chất tải truyền thống với tải trọng là dịch chuyển đi xuống của hộp tải
trọng.
-
Đường cong tải trọng - chuyển vị ma sát bên của chuyển dịch đi lên giống như đường
cong tải trọng - chuyển vị đi xuống trong thí nghiệm truyền thống.
-
Bỏ qua dộ nén co của bản thân cọc khi xem nó là vật rắn
-
Với các giả thiết trên, giả sử chuyển vị tại điểm 4 của đường cong dịch chuyển
đi lên ghi lại giá trị tải trọng ứng với chuyển vị đó. Trên đường cong dịch
chuyển đi xuống tìm điểm 4 có chuyển vị giống nhưu chuyển vị tại điểm 4 của đường
cong dịch chuyển dđ lên và ghi lại tải trọng tương đương. Cộng hai tải trọng đó
sẽ cho giá trị tải trọng tổng cộng do ma sát bên và chống mũi tại cùng một vị
trí chuyển vị của điểm 4. Đường cong xây dựng lại sẽ có chuyển vị bằng chuyển vị
điểm 4 của đường cong dịch chuyển đi lên và đi xuống nhưng tải trọng sẽ bằng tổng
tải trọng của hai đường nối trên có cùng chuyển vị tại điểm 4.
Tiến
hành tương tự cho một số điểm khác cho đến khi chuyển vị cực đại của thí nghiệm
hộp tải trọng. Do thí nghiệm này phá hoại xảy ra do ma sát bên nên đường cong sức
chống mũi đi xuống được ngoại suy cho đến khi phá hoại. Quá trình này được tiếp
tục và dùng đường cong đi xuống ngoại suy và đường cong đi lên đo được như điểm
6- 12, cách xây dựng tương tự cho trường hợp khi phá hoại xảy ra tại sức chống
mũi của cọc.
4.4
Nhận xét
Phương
pháp thử tải cọc khoan nhồi bằng hộp tải Osterberg mang lại độ chính xác cao,
có thể kiểm tra được khả năng chịu lực của từng lớp đất cọc đi qua (thông qua
giá trị sức kháng ma sát thành bên và sức kháng mũi của đất nền). Với thiết bị
thí nghiệm gọn nhẹ, loại thí nghiệm dạng hộp tải trọng Osterberg có thể dùng thử
tải cọc chịu tải 4000 – 18000 tấn và có thể lớn hơn. Thử tải bằng hộp tải trọng
Osterberg cell khắc phục được khuyết điểm của phương pháp thử tải tĩnh truyền
thống như: có thể bố trí thử tải cọc ở nơi sông rộng, sâu nước chảy xiết hoặc
nơi mặt bằng chật hẹp...Nhược điểm của thử tải Osterberg là cần có đội ngũ
chuyên gia kỹ thuật cao thực hiện thí nghiệm. Hiện tại tuy chi phí thử tải còn
cao, nhưng tương lai về lâu dài phương pháp thử tải tĩnh bằng hộp tải trọng
Osterberg có thể sẽ có chi phí thấp và có xu hướng sử dụng thay thế hoàn chỉnh
phương pháp thử tải tĩnh truyền thống trong công tác thí nghiệm cọc khoan nhồi
đường kính lớn.
Lê
Văn Nam, Nguyễn Chi Đoàn
(Nguồn
tin: T/C Phát triển Khoa học Công nghệ, tập 8/2005)
Viết và chia sẻ bình luận:
Like để cập nhật các bài viết qua facebook. Cảm ơn bạn đã ghé thăm, ủng hộ!
Blogger Comment
Facebook Comment