Kiểm tra sức chịu tải cọc khoan nhồi Hiện nay, giới có nhiều phương pháp kiểm tra sức chịu tải cọc khoan nhồi; phương pháp có ưu nhược điểm riêng Để hiểu thêm ưu nhược điểm phương pháp, tác giả phân tích phương pháp thử tải cho khu công nghệ lựa chọn phương pháp kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi cho phù hợp với điều kiệnxây dựng nhất, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật đạt mục tiêu kinh tế Phương pháp thí nghiệm động biến dạng lớn PDA 1.1 Cơ sở phương pháp Nguyên lý phương pháp thử động biến dạng lớn thiết bị phân tích động cọc PDA dựa nguyên lý thuyết truyền sóng ứng suất toán va chạm cọc, với đầu vào số liệu đo gia tốc biến dạng thân cọc tác dụng búa Các đặc trưng động theo Smith đo sóng lực sóng vận tốc (tích phân gia tốc) tiến hành phân tích thời gian thực hình sống (bằng phép tính lặp) dựa lý thuyết truyền sóng ứng suất cứng liên tục va chạm dọc trục đầu cọc gây Cơ sở phương pháp dựa vào: + Phương trình truyền sóng cọc + Phương pháp case + Mơ hình hệ búa - cọc - đất Smith + Phần mềm CAPWAPC + Hệ thống thiết bị phân tích đóng cọc PDA 1.2 Phương pháp truyền sóng Với giả thiết cọc đàn hồi đồng nhất, đất làm việc dẻo ý tưởng, ta xác định lực kháng tổng cộng đất khí đóng cọc theo biểu thức sau: R = F(t1) + F (t2) + V(t1) - V(t2) MC L (1) Trong đó: R - Sức kháng tổng cộng đất F, V - Lực vận tốc đo đầu cọc M, L - Khối lượng chiều dài cọc t1 - Thời điểm va chạm toàn phần (lực va chạm cực đại) t2 - Thời điểm sóng ứng suất hết chu lỳ từ đầu đến mũi cọc phản xạ lại 1.3 Phương pháp case Xét theo chất vật lý: R = Rs + Rd (2) Trong đó: R - sức kháng tổng cộng đất; Rs - Sức chịu tải tĩnh, phụ thuộc vào chuyển vị; Rd - Sức chịu tải động, việc búa đập, sức cản động, phụ thuộc vào tốc độ sóng biển Trong đó: J - Hệ số sức cản động; Z- Trở kháng cọc, xác định theo Z = AE Z = MC C L (3) Với: A - Tiết diện ngang cọc; C - Tốc độ sóng E - Mô đun đàn hồi cọc; M - Khối lượng cọc L - Chiều dài cọc Vmũi cọc - Tốc độ mũi cọc, tính từ tốc độ đo thời điểm t1 đầu cọc: Vmũi cọc = v(t1) – R/Z; sau số biến đổi ta có: R = (1-J) {F (t1) + Zv (t1)} + (1 + J) {F (t2) – Zv (t2)} (4) 1.4 Phần mềm 1.4.1 Phần mềm CAPWAP CAPWAP chương trình phân tích dựa số liệu đo lực vận tốc mơ hình hố cọc chuỗi đoạn nhỏ để tính tốn sức kháng đất xung quanh dọc theo thân cọc mũi cọc CAP WAP cho phép tính xác hệ số giảm chấn jc giúp cho việc hiệu chỉnh kết thí nghiệm PDA theo CASE Ngồi chương trình cịn cho phép xây dựng biểu đồ tương quan Lực - Biến dạng giống biểu đồ nén tĩnh Phần mềm này, dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải toán búa - cọc đất, cọc chia làm nhiều phân đoạn, sức cản đất sử dụng mơ hình Smith 1.4.2 Phần mềm PDAPC PDAPC phần mềm giúp chuyển số liệu từ máy tính sang máy tính, cho phép xử lý, tính tốn in kết theo nhiều yêu cầu khác 1.5 Thiết bị 1.5.1 Thiết bị PDA (theo PAL model) Là hệ PDA thuộc hãng PDI (Mỹ), thiết kế tối ưu cho cơng tác thí nghiệm trường cơng trình có địa hình phức tạp ngồi khơi hay núi PAL gồm máy chính, đầu đo gia tốc đầu đo biến dạng, dây dẫn phụ kiện kèm theo 1.5.2 Thiết bị PDA (Mỹ) Có thể dùng búa hơi, búa Diesel có trọng lượng -2% sức chịu tải cọc, cấu tạo thiết bị phân tích búa đập – PDA sử dụng phương pháp thử động biến dạng lớn bao gồm: - Đầu đo ứng suất (2 đầu đo) - Máy tính điện tử có gắn biến đổi số liệu 1.6 Các kết đo - Sức chịu tải cọc: sức chịu tải cọc nhát búa đập, sức chịu tải cọc cao độ ngập đất cọc, ma sát thành bên sức kháng mũi cọc - Ứng suất cọc: ứng suất nén lớn nhất, ứng suất kéo lớn ứng suất nén mũi cọc - Sự hoạt động búa: lực truyền lớn búa lên đầu cọc, lực tác dụng lớn lên đầu cọc, độ lệch tâm búa cọc, hiệu suất hoạt động búa, tổng số nhát búa, số nhát búa phút chiều cao rơi búa độ nảy phần va đập - Tính nguyên dạng hư hỏng cọc: xác định mức độ vị trí hư hỏng cọc 1.7 Phạm vi áp dụng - Thời gian nhanh thử tĩnh, chi phí thấp, thử nhiều cọc ngày - Lựa chọn hệ thống đóng cọc hợp lý - Tiêu chuẩn áp dụng: theo tiêu chuẩn ASTM –D4945 1.8 Nhận xét - Phương pháp thử động biến dạng lớn nhằm đánh giá sức chịu tải cọc lý thuyết truyền sóng PDA xác lượng va chạm đầu cọc đủ lớn để huy động toàn sức kháng đất tạo biến dạng dư từ – mm Với cọc khoan nhồi thường sử dụng búa nặng từ đến 21 để thử động lực học - So với phương pháp thử tải trọng tĩnh phương pháp thực nhanh hơn, thực thí nghiệm nhiều cọc ngày, gây ảnh hưởng đến hoạt động thi công công trường lại gây tiếng ồn chấn động cho khu vực lân cận - Phương pháp kiểm tra mức độ hoàn chỉnh đánh giá sức chịu tải cọc, chiều dài, cường độ độ đồng bê tông - Phương pháp thử động biến dạng lớn không thay hoàn toàn phương pháp thử tĩnh Nhưng kết thử động biến dạng lớn sử dụng thiết bị phân tích đóng cọc - PDA phâ tích chi tiết, so sánh với thử tĩnh phân tích CAPWAP tương đương giúp giảm bớt thử tĩnh - Đối với cơng trình nước móng cảng, cầu dự án nhỏ mà việc thử tĩnh gặp khó khăn với điều kiện thi cơng, thời gian chờ đợi làm tăng chi phí thử tải cọc Khi việc thử động biến dạng lớn thiết bị phân tích đóng cọc – PDA thích hợp - Sử dụng thiết bị phân tích đóng cọc - PDA giúp ta kiểm soát chất lượng cọc q trình thi cơng Theo dõi vấn đề xảy búa, cọc, đất sớm phát cố để xử lý kịp thời vấn đề ảnh hưởng đến tiến đôộ thi cơng giảm chi phí, rủi ro - Dễ dàng kiểm soát hồi phục hay giãn đất sau đóng vỗ lại Xác định sức chịu tải cọc nhát búa, cao độ đặt mũi trình đóng cọc Qua đó, lựa chọn chiều dài cọc phù hợp Phương pháp thử tĩnh động 2.1 Nguyên lý Dựa nguyên tắc phản lực động tên lửa, người ta tạo thiết bị đặt đầu cọc có kèm theo đối trọng vừa đủ, cho nổ gây phản lực đầu cọc có thiết bị ghi chuyển vị cọc trình nổ, kết hợp đo thông số biến dạng gia tốc đầu cọc Sau dùng phương pháp phương pháp phương trình truyền sóng độ cứng động tính sức chịu tải cọc Trong phương pháp STATNAMIS người ta xác định gia tốc a khối phản lực dịch chuyển lên phía gấp 20 lần gia tốc cọc dịch chuyển xuống phía Như trọng lượng khối phản lực cần 1/20 đối trọng dự kiến thử tĩnh tạo nên lực lớn gấp 20 lần lực truyền lên đầu cọc Nhờ đó, việc thử tải STATNAMIS giảm nhiều quy mô chi phí so với thử tĩnh kết đạt gần với phương pháp thử tĩnh 2.2 Phạm vi áp dụng - Cho tất loại cọc đứng cọc nghiêng điều kiện địa chất - Từ năm 1988, STATNAMIS thử tải trọng 0.1 MN đến năm 1994 phát triển thử tải trọng đến 30 MN Nó áp dụng nhiều Canada, Mỹ, Hà Lan, Nhật Bản, Đức, Hàn Quốc 2.3 Nhận xét Việc ứng dụng thử tải STN ngày cạnh tranh mạnh mẽ với thử tải biến dạng lớn PDA có độ tin cậy cao, giá thành hợp lý nhiều ưu điểm so với phương pháp PDA Đặc biệt thử tải ngang hay với tải trọng lớn đến 3.000 Về độ lớn tải trọng thử đạt phương pháp hộp tải trọng Osterberg Phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống Đây phương pháp trực tiếp xác định tải cọc, thực chất xem xét ứng xử cọc (độ lún) điều kiện cọc làm việc thực tế tải trọng cơng trình nhằm mục đích xác định độ tin cậy cọc tải trọng thiết kế, xác định tải trọng giới hạn cọc, kiểm tra cường độ vật liệu cọc với hệ số an toàn xác định thiết kế 3.1 Nguyên lý phạm vi áp dụng Dùng hệ thống cọc neo vật nặng chất phía đỉnh cọc làm đối trọng để gia tải nén cọc Phương pháp thích hợp nơi có mặt đủ rộng, nơi khơng có nước mặt (sơng) cọc thử có tải trọng nhỏ (< 5000 tấn) Chi phí cho việc làm đối trọng lớn tải trọng cọc, thử lớn nơi sông nước 3.2 Nhận xét kết luận Trong phương pháp thử tải trọng cọc khoan nhồi, phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống không dùng thiết bị đại chi phí cao gặp điều kiện khó khăn mặt Kết thử tải sức chịu đựng tổng cộng cọc (không cho biết riêng: sức chịu tải mũi cọc sức chịu tải thân cọc) Bên cạnh cọc khoan nhồi có sức chịu tải 10.000 lớn hệ đối trọng để gia tải theo phương pháp gặp khó khăn, khơng thực Do áp dụng thử tải tĩnh truyền thống chủ yếu sử dụng để thử tải cọc có tải trọng 5.000 cọc bố trí mặt rộng rãi cạn Ngoài sử dụng phương pháp tốn nhiều thời gian, phương tiện kỹ thuật Tuy nhiên phương pháp cho kết xem xác phương pháp nay, làm sở cho việc kiểm chứng phương pháp khác Phương pháp thử tải tĩnh hộp tải trọng Osterberg 4.1 Ngun lý Khi cọc có đường kính chiều dài lớn với sức chịu tải hàng ngàn cọc nằm sông nước, phương pháp thử tải tĩnh không thực Do vậy, phải sử dụng phương pháp hộp tải Osterberg - Dùng hay nhiều hộp tải trọng Osterberg (hộp thủy lực làm việc kích thuỷ lực) đặt mũi cọc khoan nhồi hay vị trí mũi thân cọc trước đổ bê tông thân cọc Sau đổ bê tông đủ cường độ, tiến hành thử tải cách bơm dầu thuỷ lực để tạo áp lực hộp kích Đối trọng trọng lượng cọc sức chống ma sát hông - Theo nguyên lý phản lực, lực truyền xuống đất mũi cọc lực truyền thân cọc Việc thử đạt tới phá hoại hai phá hoại xảy mũi cọc quanh thân cọc Dựa theo thiết bị đo chuyển vị đo lực gắn hộp tải trọng Osterberg vẽ biểu đồ quan hệ lực tác dụng chuyển vị mũi cọc thân cọc Tuỳ theo trường hợp phá hoại thu biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị Việc gia tải đo đạc, áp dụng theo tiêu chuẩn ASTM D1143-1995 “Trình tự thử tải nhanh” Mỹ - Cách xác định tải trọng giới hạn: Do có phá hoại thân cọc nên phải áp dụng phương pháp ngoại suy để tìm phá hoại thứ hai, tính theo công thức sau: Pghcọc = Pgh mũi + Pgh thân (5) - Nếu không tin tưởng ngoại suy thiên an tồn (lấy trị số bé), ta lấy: Pghcọc = 2Pgh thu (5’) - Phương pháp dùng hệ gia tải bên đối trọng hệ neo mà dùng trọng lượng thân cọc ma sát thành bên làm đối trọng Để tạo tải, thân cọc bố trí hộp tải trọng làm việc kích thước thủy lực thơng thường có cấu tạo phù hợp chôn trước thân cọc Sau cọc đủ cường độ tiến hành tạo tải cách bơm dầu vào kích chơn cọc Hệ điều khiển ghi chép từ mặt đất Sử dụng phương pháp thí nghiệm riêng biệt đồng thời hai tiêu sức chịu mũi cọc lực ma sát bên cọc Tải thí nghiệm đạt đến 18.000 tấn, thời gian tiến hành thí nghiệm vòng 24 Sau thử xong bơm bê tơng xuống lấp đầy hệ kích cho hệ liên tục - Gọi tổng lực ma sát thành bên toàn chiều dài cọc P ms lực chống mũi Pm lực hộp tải trọng P0 ta có nhận xét sau: tạo lực P hộp Osterberg theo nguyên lý cân phản lực, phản lực P truyền lên thân cọc hướng lên phía cân với lực ma sát thành bên trọng lượng thân cọc (G) Còn lực P0 khác hướng xuống chống lại sức chống đất mũi cọc Như trình chất tải tăng P0 ta có: P0 = (G + Pms) < G + Pmsgiới hạn P0 = (Pm) < Pm giới hạn (6) - Cọc thí nghiệm đạt tới giới hạn phá hoại đạt đến cân hai biểu thức nêu trên, tức cọc phá hoại mũi trước (đất mũi cọc đạt đến phá hoại) bị phá hoại thành bên trước (cọc đất xung quanh có chuyển dịch dẻo) 4.2 Phạm vi áp dụng - Có thể thấy phương pháp phù hợp với cọc có sức chống giới hạn thành bên mũi cọc tương đương Còn trường hợp sức chống giới hạn mũi nhỏ sức chống thành bên đặt hai tầng mũi cọc thân cọc để thử Cao trình đặt tầng thân phải đảm bảo điều kiện Pghmũi > Pgh đoạn thân AB Khi trình tự chất tải phức tạp để xác định Pghmũi, Pgh đoạn tồn thân cọc - Phương pháp áp dụng thử tải cho cọc khoan nhồi có sức chiu tải lớn, nơi khó khăn mặt thi cơng hay cọc sông nước 4.3 Biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc Do kết thu hai biểu đồ tải trọng - chuyển vị mũi độc lập nên để dễ sử dụng so sánh với thử tải tĩnh truyền thống phải xây dựng biểu đồ tải trọng chuyển vị đầu cọc tương đương thử tải tĩnh truyền thống Muốn phải dựa vào giả thiết sau: - Đường cong tải trọng - chuyển vị mũi cọc giống đường cong tải trọng chuyển vị chất tải truyền thống với tải trọng dịch chuyển xuống hộp tải trọng - Đường cong tải trọng - chuyển vị ma sát bên chuyển dịch lên giống đường cong tải trọng - chuyển vị xuống thí nghiệm truyền thống - Bỏ qua dộ nén co thân cọc xem vật rắn - Với giả thiết trên, giả sử chuyển vị điểm đường cong dịch chuyển lên ghi lại giá trị tải trọng ứng với chuyển vị Trên đường cong dịch chuyển xuống tìm điểm có chuyển vị giống nhưu chuyển vị điểm đường cong dịch chuyển dđ lên ghi lại tải trọng tương đương Cộng hai tải trọng cho giá trị tải trọng tổng cộng ma sát bên chống mũi vị trí chuyển vị điểm Đường cong xây dựng lại có chuyển vị chuyển vị điểm đường cong dịch chuyển lên xuống tải trọng tổng tải trọng hai đường nối có chuyển vị điểm Tiến hành tương tự cho số điểm khác chuyển vị cực đại thí nghiệm hộp tải trọng Do thí nghiệm phá hoại xảy ma sát bên nên đường cong sức chống mũi xuống ngoại suy phá hoại Quá trình tiếp tục dùng đường cong xuống ngoại suy đường cong lên đo điểm 6- 12, cách xây dựng tương tự cho trường hợp phá hoại xảy sức chống mũi cọc 4.4 Nhận xét Phương pháp thử tải cọc khoan nhồi hộp tải Osterberg mang lại độ xác cao, kiểm tra khả chịu lực lớp đất cọc qua (thông qua giá trị sức kháng ma sát thành bên sức kháng mũi đất nền) Với thiết bị thí nghiệm gọn nhẹ, loại thí nghiệm dạng hộp tải trọng Osterberg dùng thử tải cọc chịu tải 4000 – 18000 lớn Thử tải hộp tải trọng Osterberg cell khắc phục khuyết điểm phương pháp thử tải tĩnh truyền thống như: bố trí thử tải cọc nơi sơng rộng, sâu nước chảy xiết nơi mặt chật hẹp Nhược điểm thử tải Osterberg cần có đội ngũ chuyên gia kỹ thuật cao thực thí nghiệm Hiện chi phí thử tải cịn cao, tương lai lâu dài phương pháp thử tải tĩnh hộp tải trọng Osterberg có chi phí thấp có xu hướng sử dụng thay hoàn chỉnh phương pháp thử tải tĩnh truyền thống cơng 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)