Xu h−ớng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu, nhiều khi là phương án duy nhất đối với kết cấu móng của những công trình xây dựng đòi hỏi đáp ứng được tải trọng tập trung lớn. Trong đó, trước hết phải kể đến là công trình nhà cao tầng, nhà nhịp lớn, công trình cầu với khẩu độ hàng trăm mét. Ưu điểm cơ bản của loại móng cọc này là cho phép thi công được cọc tiết diện lớn, cắm được vào lớp đất sâu vài chục mét, tựa vào nền đất có cường đô cao hơn hẳn so với các loại cọc đóng hay cọc ép. Với việc áp dụng công nghệ thi công hiện đại, việc áp dụng cọc khoan nhồi còn thích hợp với những công trình thi công ở điều kiện xây chen trong trhành phố
bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học xây dựng KS. Nguyễn thanh quang xác định ảnh hởng của khuyết tật trong bê tông đối với chất lợng cọc khoan nhồi bằng Phơng pháp siêu âm Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp M số : ã Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hớng dẫn khoa học: PGS.TS. hoàng nh tầng LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Hµ Néi - 2006 2 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Lời cảm ơn Xin chân thành cảm ơn thầy: PGS. TS Hoàng Nh Tầng, các Giáo s, Phó Giáo s, Tiến sĩ, các thầy, cô trong khoa Đào tạo sau đại học Trờng Đại học Xây dựng - Hà Nội, Công ty Coninco, các đồng nghiệp, bạn bè và ngời thân đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này ! Hà nội, ngày 10 tháng 3 năm 2006. KS. Nguyễn Thanh Quang 3 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật phần mở đầu 1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu. Xu h ớng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu, nhiều khi là ph ơng án duy nhất đối với kết cấu móng của những công trình xây dựng đòi hỏi đáp ứng đợc tải trọng tập trung lớn. Trong đó, trớc hết phải kể đến là công trình nhà cao tầng, nhà nhịp lớn, công trình cầu với khẩu độ hàng trăm mét. Ưu điểm cơ bản của loại móng cọc này là cho phép thi công đợc cọc tiết diện lớn, cắm đợc vào lớp đất sâu vài chục mét, tựa vào nền đất có cờng đô cao hơn hẳn so với các loại cọc đóng hay cọc ép. Với việc áp dụng công nghệ thi công hiện đại, việc áp dụng cọc khoan nhồi còn thích hợp với những công trình thi công ở điều kiện xây chen trong trhành phố. Mặc dù công nghệ thi công cọc khoan nhồi hiện nay đã đạt đợc những tiến lớn với việc sử dụng máy móc chuyên dùng cùng phơng tiện và thiết bị hiện đại, nhng trong nhiều trờng hợp vẫn không tránh khỏi khuyết tật xảy ra, làm ảnh h- ởng đến chất lợng bêtông, gây giảm yếu khả năng chịu lực của cọc. Thực tế này đòi hỏi ở công tác kiểm tra chất lợng bêtông cọc mỗi ngày một chặt chẽ, với việc cung cấp thông tin về chất lợng cả về mặt định tính và định lợng. Đây chính là nhiệm vụ đặt ra đối với những ngời làm công tác kiểm định chất lợng cọc. Tuỳ theo quy mô và mức độ phức tạp của công trình, nhiều khi đòi hỏi phải kiểm tra với số lợng cọc từ 50 đến 100% tổng số cọc trong công trình. Hiện nay, phụ thuộc vào chỉ định của thiết kế và điều kiện trang thiết bị sẵn có, ngời ta có thể kiểm tra chất lợng cọc bănghf nhiều phơng pháp khác nhau. Có thể nêu tên một số phơng pháp kiểm định chất lợng cọc khoan nhồi hiện đang áp dụng phổ biến ở Việt Nam nh sau : trong tay Môtphơng pháp siêu âm hiện đang đợc áp dụng phổ biến. Qua những thông tin về biểu đồ vận tốc xung siêu âm ( wavespeed ) hoặc biểu đồ thời gian đến (first arrival time), năng lợng (energy) v biểu đồ phổ siêu âm (waterfall) cho phép đánh giá hiện trạng chất lợng của bêtông cọc khảo sát. Tuy nhiên, với 4 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật những kết quả thí nghiệm nhận đợc, việc đánh giá mức độ ảnh hởng của những khuyết tật khác nhau đối chất lợng cọc còn có những vấn đề cha đợc làm rõ. Vì vậy, việc thi công gặp khó khăn và dẫn đến việc xử lý khi cọc có sự cố, kém hiệu quả cùng những tốn kém không cần thiết. Trong quá trình thi công cọc khoan nhồi thờng xảy ra những khuyết tật rất đa dạng. Chúng nằm sâu trong lòng bêtông cọc mà ngời thí nghiệm cần phải nhận dạng, đánh giá mức độ ảnh hởng của nó đối với chất lợng bêtông kiểm tra một cách cụ thể hơn. Cho đến nay, việc giải quyết vấn đề này phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm chủ quan của CBKT kiểm định. Đề tài sẽ nghiên cứu phơng pháp phân biệt một số dạng khuyết tật thờng gặp và định lợng mức độ ảnh hởng của chúng đối với chất lợng bêtông cọc bằng thực nghiệm. Trên cơ sở đó cho phép ngời kỹ s chẩn đoán và đánh giá hiện trạng chất lợng cọc khoan nhồi một cách nhất quán và chuẩn xác hơn. Đây cũng chính là giải pháp nâng cao độ tin cậy của phơng pháp thí nghiệm đánh giá chất lợng bêtông cọc khoan nhồi bằng phơng pháp siêu âm. 02. Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở tổng hợp kết quả kiểm tra chất lợng bêtông cọc khoan nhồi bằng phơng pháp Siêu âm trên hiện trờng và kết quả thực nghiệm trên mô hình, rút ra những dạng khuyết tật thờng gặp và đề xuất phơng pháp xác định mức độ ảnh hởng của chúng đối với sự làm việc của kết cấu cọc. 03. Đối tợng nghiên cứu Chất lợng bê tông của cọc khoan nhồi 04. Nội dung nghiên cứu 5 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Tổng quan về phơng pháp thí nghiệm kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi. Tìm hiểu, so sánh về 1 số phơng pháp thí nghiệm kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi hiện nay áp dụng ở Việt nam. Một số dạng khuyết tật bê tông thờng gặp đối với cọc khoan nhồi và sự biểu hiện tơng ứng của chúng trong kết quả thí nghiệm siêu âm: Nghiên cứu thực nghiệm qua mô hình thí nghiệm với những khuyết tật định trớc bố trí trong cọc. Kiến nghị về phơng pháp nhận dạng khuyết tật qua kết quả kiểm tra siêu âm. 6 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chơng 1 Tổng quan về thí nghiệm cọc Trong quá trình thi công cọc , có rất nhiều yếu tố ảnh hởng tới chất lợng thi công cọc làm cho cọc có thể có khuyết tật trong quá trình thi công. Các khuyết tật này rất ít khi đợc phát hiện trong quá trình thi công nếu không có thiết bị theo dõi liên tục. Nếu phát hiện muộn sẽ dẫn tới giá thành của biện pháp sửa sữa, gia cố cao. Mặt khác, do tính chất phức tạp của đất nền cũng nh cần kiểm tra chất lợng cọc sau khi thi công, ngời ta thờng tiến hành chọn một hoặc một vài biện pháp thí nghiệm cọc tại hiện trờng. Hiện nay có nhiều phơng pháp kiểm tra chất lợng và khả năng làm việc cọc đang đợc dùng tại Việt Nam nh dới đây: 7 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật I. Phơng pháp thí nghiệm tải trong tĩnh Các công trình thờng chịu tải trọng tĩnh nên sức chịu tải thu đợc từ tải trọng tĩnh sẽ phản ánh đúng hơn khả năng làm việc của công trình. Phơng pháp này còn cho ta khả năng chịu nhổ và chịu lực ngang của cọc. I. 1. Phơng pháp nén tĩnh I. 1. 1. Nguyên lý Tác dụng một lực lên đầu cọc. Lực này tăng theo từng cấp theo thời gian cho đến khi đạt tải trọng yêu cầu. I. 1. 2. Dụng cụ Dùng một số cọc đóng xuống hoặc nhồi gần vị trí cọc thử làm hệ thống neo để chẹn kích gia tải thí nghiệm nh hình vẽ 1-1. Cách này có thể dùng khi ma sát của đất xung quanh cọc đủ lớn và có thể chịu đợc lực nhổ. Số cọc neo có thể là 4,6,8 có thể tận dụng luôn các cọc đã hạ xuống trong đài để làm cọc neo. Trong trờng hợp đất yếu, ma sát xung quanh mặt cọc không đủ để neo thì dùng bàn gia tải nh hình vẽ 1-2. I. 1. 3. Quá trình thực hiện Tải trọng đợc ra theo từng cấp bằng 1/10 đến 1/15 tải trọng giới hạn xác định theo tính toán. ứng với mỗi cấp tải trọng, ngời ta đo độ lún của cọc nh sau: Bốn lần ghi số đo đồng hồ đo lún, mỗi lần cách nhau 15 phút, hai lần cách nhau 30 phút, sau đó mỗi giờ lại ghi một lần cho đến khi độ lún của cọc là hoàn toàn ổn định dới cấp tải trọng đó. Cọc đợc coi là lún ổn định dới cấp tải trọng nếu mức chênh độ lún trong hai lần đo kế tiếp nhau 0.01mm. Khi đó tiến hành hạ tải. I. 1. 4. Kết quả thu đợc Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, ngời ta xây dựng đờng quan hệ giữa độ lún và tải trọng tác dụng lên cọc (tơng ứng với sức kháng của đất). 8 5 2 1 4 3 6 6 Hình 1-1_Thử tải trọng tĩnh dùng cọc neo; 1-Cọc thí nghiệm; 2-Bơm dầu; 3- Thiết bị đo biến dạng; 4-Kích thủy lực; 5-Dầm thép; 6-Cọc neo Đối trọng 1 3 2 4 5 6 Hình 1-2_Thử tải trọng tĩnh dùng bàn gia tải; 1-Cọc thí nghiệm; 2-Bơm dầu; 3-Thiết bị đo biến dạng; 4-Kích thủy lực; 5-Dầm thép; 6-Gối đỡ. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật I. 1. 5. Nhận xét Phơng pháp nén tĩnh cho kết quả là sức chịu tải tĩnh theo chuyển vị tơng ứng của cọc thí nghiệm. Ưu điểm của phơng pháp : Phơng pháp này cho kết quả có độ chính xác cao. Thiết bị thí nghiệm đơn giản Tuy vậy phơng pháp có một số hạn chế: Thời gian thí nghiệm với một cọc khá lâu . Yêu cầu về mặt bằng thí nghiệm cao, đặc biệt là với các cọc có sức chịu tải trọng lớn . Trong trờng hợp này , tải trọng sử dụng làm đối trọng hoặc các cọc neo cũng ảnh hởng ít nhiều đến sự làm việc của cọc thử. Rất khó dùng cho các công trình có địa hình chật hẹp hoặc nằm ven hay trên sông, biển Giá thành cao, đặc biệt hiệu quả kinh tế thấp với các công trình nhỏ. I. 2. Phơng pháp thí nghiệm Osterberg I. 1. 1. Nguyên lý Phơng pháp này dùng lực ma sát thành của cọc làm đối trọng để kiểm tra khả năng chịu tải tại mũi cọc. Tác dụng một lực lên mũi cọc. Lực này tăng theo từng cấp theo thời gian cho đến khi đạt tải trọng yêu cầu. I. 1. 2. Dụng cụ Một kích thuỷ lực (hay đợc gọi là hộp Osterberg) đợc đặt tại mũi cọc nh hình vẽ 1-3. Các ống dẫn dầu và ống đo áp lực dầu đợc đặt trớc khi đổ bê tông cọc. I. 1. 3. Quá trình thực hiện Sau khi bê tông cọc đã đủ tuổi, ngời ta tiến hành bơm dầu vào kích. Đồng hồ đo cho biết áp lực của dầu trong kích. Chuyển vị đi xuống của mũi cọc, chuyển vị lên của thân cọc đợc xác định các thanh đo chuyển vị và truyền vào thiết bị đo. Chuyển vị của kích đợc đo cho đến khi ứng suất kéo trong bê tông trong vùng kích hoặc áp lực dầu trong kích đạt tới giá trị tới hạn. Khi đó tiến hành hạ tải. 9 3 1 2 4 8 7 6 5 9 Hình 1-3_PhZơng pháp thử tĩnh bằng hộp Osterberg. 1-Hộp Osterberg; 2-ống dẫn dầu; 3-Cọc thử; 4-ống và thanh truyền chuyển vị; 5- Dầm nồi; 6-Các đầu đo chuyển vị; 7-Dây dẫn; 8-Thiết bị nhận, chuyển đổi và ghi số liệu; 9 - Bơm thuỷ lực có áp kế Luận văn thạc sỹ kỹ thuật I. 1. 4. Kết quả thu đợc Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, ng- ời ta xây dựng đờng quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng của thân cọc và mũi cọc theo thời gian. Đồ thị này dùng làm căn cứ xác định sức chịu tải của cọc. I. 1. 5. Nhận xét Ưu điểm : Tránh đợc ảnh hởng của đổi trọng hay cọc neo tới mối quan hệ giữa đất và cọc thí nghiệm nh trong phơng pháp thử tĩnh. Không cần đối trọng hay cọc neo mà dùng ngay chính lực ma sát ở thân cọc làm đối trọng. Tải trọng dùng thí nghiệm bằng một nửa khả năng làm việc của cọc. Nhợc điểm : Kích và các hệ phụ trợ phải đợc đặt vào trớc khi đặt cốt thép và đổ bê tông. Chỉ thí nghiệm đợc khi bê tông cọc đã đạt cờng độ thiết kế. Chi phí thí nghiệm cho một cọc lớn. ứng suất kéo tại vị trí đặt kích ở mũi cọc có thể gây nứt bê tông ở vùng này. II. Phơng pháp tải trọng động II. 1. Phơng pháp dùng chấn động II. 1. 1. Nguyên lý Phơng pháp này dựa vào quan hệ giữa chuyển vị và sức kháng của cọc sau mỗi nhát búa đóng. II. 1. 2. Dụng cụ . II. 1. 3. Quá trình thực hiện Trong những nhát búa thí nghiệm, chuyển vị tơng ứng của cọc đợc xác định. II. 1. 4. Kết quả thu đợc Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, sức chịu tải của cọc đợc xác định bằng các công thức kinh nghiệm . Mô hình chung, các công thức thử động đơn giản có thể trình bày dới dạng : Thế năng của búa bằng công sinh ra để cọc có một chuyển vị a thì : Qh = Ra (1-1) 10 Hình 1-4_Hộp Osterberg [...]... hoặc thời gian truyền ) và đờng cong biến đổi của biên độ các sóng thu đợc có thể xác định đợc vị trí khuyết tật trong cọc và chất lợng bê tông cọc II 2 5 Nhận xét Ưu điểm Phơng pháp cho phép xác định tính đồng nhất và khuyết tật của bê tông trong phạm vi từ điểm phát đến điểm thu, có thể cho kết quả chính xác về vị trí khuyết tật kể cả ở độ sâu lớn Phơng pháp cho kết quả nhanh Phép thử tiến hành đơn... Các khuyết tật của bê tông cọc khoan nhồi hoặc cấu kiện móng đợc phát hiện bằng phơng pháp này mới chỉ mang tính chất định tính, còn có những vấn đề cha đợc làm rõ Vì vậy, việc thi công gặp khó khăn và dẫn đến việc xử lý khi cọc có sự cố, kém hiệu quả cùng những tốn kém không cần thiết Trong quá trình thi công cọc khoan nhồi thờng xảy ra những khuyết tật rất đa dạng Chúng nằm sâu trong lòng b tông cọc. .. 1-4_Kiểm tra cọc bê tông bằng phương pháp siêu âm 1 -Cọc thí nghiệm; 2-Đầu thu; 3Đầu phát; 4-Cáp điện; 5-Tời; 6Máy đo điện tử; 7-ống chôn sẵn II 2 2 Dụng cụ Dụng cụ phục vụ thí nghiệm nh hình vẽ bên Trong đó, các ống dẫn đợc đặt sẵn trong cọc trớc khi đổ bê tông 11 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật II 2 3 Quá trình thực hiện Một sóng siêu âm đợc sinh ra từ đầu phát đặt trong một ống đặt trớc trong cọc mà ống... khi xác định khuyết tật trong bê tông bị giới hạn bởi bớc sóng Phơng pháp biến dạng nhỏ hoạt đông trên nguyên tắc tạo ra một sóng nén nhỏ tại đầu cọc và sóng này đợc truyền dọc theo thân cọc Trong quá trình truyền dọc theo thân cọc, một phần sóng sẽ 1 bị mất đi do khả năng cản trở tính lan truyền sóng của vật liệu làm cọc Trong trờng hợp cọc có khuyết tật lớn hay vật liệu làm cọc có sự thay 3 đổi về chất. .. ngời II 2 Phơng pháp kiểm tra bằng siêu âm II 2 1 Nguyên lý Phơng pháp này dựa vào sự thay đổi của vận tốc sóng âm thanh khi đi qua các môi trờng tính chất khác nhau để đánh giá chất lợng hay mức đồng nhất của môi trờng truyền sóng Tốc độ sóng âm truyền trong bê tông thông thờng khoảng 3000-4200m/s Trên đờng truyền sóng, gặp bê tông có khuyết tật nh nứt, kẹp bùn, độ đặc chắc kém, sóng âm sẽ giảm dần,... lợng nhỏ, nên thí nghiệm chỉ có hiệu quả đối với những cọc có tỷ số L/D 30 ( L là chiều dài cọc, D là đờng kính cọc) - Việc xác định chính xác loại khuyết tật là rất khó khăn Ví dụ, chỗ thu thiết diện và bê tông kém chất lợng đều tạo ra tính kháng và phân biệt 17 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hai loại khuyết tật này có thể rất phức tạp Vậy với cọc có nhiều khuyết tật có thể không kiểm tra đợc do những tín... và rẻ hơn so với phơng pháp thử tĩnh thông thờng e Nhận xét Ưu điểm: Kiểm tra một cọc nhanh và rẻ hơn nhiều so với phơng pháp nén tĩnh Nâng cao chất lợng công tác giám sát, kiểm tra chất lợng lợng cọc trong quá trình thi công qua những thông số: Hiệu suất búa ứng suất trong cọc Phát hiện khuyết tật trong cọc Nhợc điểm: Sức chịu tải tĩnh của cọc theo phơng pháp này thờng lớn hơn so với sức chịu tải... thuyết của Biot, tồn tại ba dạng sóng và vận tốc của chúng có mối quan hệ với nhau Sóng dọc trong pha nớc có vận tốc lớn nhất và cao hơn trong môi trờng chất lỏng do ảnh hởng của lực đẩy từ pha rắn Trong pha rắn của vật liệu bão hoà nớc, vận tốc của sóng nén nhỏ hơn so với trong pha rắn của vật liệu ở trạng thái khô do có sự cản trở của nớc trong lỗ rỗng b ứng dụng phơng trình sóng trong thí nghiệm cọc. .. tính lan truyền của sóng trong lỗ rỗng của vật liệu bão hoà nớc Sóng dọc và sóng ngang lan truyền trong chất lỏng trong lỗ rỗng theo không gian ba chiều, Biot đã xác định đợc ảnh hởng qua lại của chất lỏng và cấu trúc chất rắn tới tính lan truyền của sóng Kết quả cho thấy , sóng dọc truyền qua mọi thành phần có trong môi trờng là chất lỏng và cấu trúc chất rắn và chịu ảnh hởng qua lại với các thành phần... đợc, biên độ lớn của sóng mặt có thể tạo ra một tín hiệu phản xạ từ mũi cọc hay từ vị trí khuyết tật trên thân cọc Không xác định đợc khuyết tật trong trờng hợp khuyết tật là vết nứt hoặc cọc bị nối II 3 3 Phơng pháp biến dạng lớn (PDA- Pile Dynamic Analyzer) a Nguyên lý Phơng pháp biến dạng lớn cũng dựa trên cơ sở lý thuyết sóng nh phơng pháp biến dạng nhỏ Tuy nhiên, do năng lợng của sự va đập lớn . bê tông. 11 2 1 3 4 5 6 7 Hình 1- 4 _Kiểm tra cọc bê tông bằng phZơng pháp siêu âm 1- Cọc thí nghiệm; 2- ầu thu; 3- Đầu phát; 4-Cáp điện; 5-Tời; 6- Máy đo điện tử; 7- ng chôn sẵn Luận. 5 2 1 4 3 6 6 Hình 1- 1 _Thử tải trọng tĩnh dùng cọc neo; 1- Cọc thí nghiệm; 2-Bơm dầu; 3- Thiết bị đo biến dạng; 4-Kích thủy lực; 5-Dầm thép; 6-Cọc neo Đối trọng 1 3 2 . tải. 9 3 1 2 4 8 7 6 5 9 Hình 1- 3 _PhZơng pháp thử tĩnh bằng hộp Osterberg. 1- Hộp Osterberg; 2- ng dẫn dầu; 3-Cọc thử; 4- ng và thanh truyền chuyển vị; 5- Dầm nồi; 6-Các đầu