phương pháp đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi

TÓM TẮT Bài đồ án khái quát được tình hình sử dụng cọc nhồi cùng với phương pháp kiểm tra chất lượng cọc ở Việt Nam và trên thế giới, trình bày một số phương pháp thí nghiệm kiểm tra chấ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……….1

1 Tính cấp thiết của đồ án tốt nghiệp 1

2 Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp 1

3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN……… …….……… 3

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CỌC KHOAN NHỒI PHỔ BIẾN 3

1.2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 3

1.3 ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 8

2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC TRONG KHI THI CÔNG 8

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC SAU KHI THI CÔNG 12

2.2.1 Phương pháp khoan và lấy mẫu (Drilling and Coring) 12

2.2.2 Phương pháp siêu âm qua ống thép (Crosshole Acoustic Tests) 14

2.2.3 Phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống 19

2.2.4 Phương pháp thử động biến dạng lớn PDA : 22

2.2.5 Phương pháp thử động biến dạng nhỏ (PIT) 27

2.3 MỘT SỐ KHUYẾT TẬT ĐIỂN HÌNH ĐƯỢC PHÁT HIỆN KHI KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CỌC NHỒI 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ……… 36

3.1 KẾT QUẢ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC TRONG THI CÔNG 36

3.2 KẾT QUẢ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC SAU THI CÔNG 39

3.2.1 Kết quả phương pháp siêu âm 39

3.2.2 Kết quả phương pháp nén tĩnh 40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 44 PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH

HÌNH 1.1 Bản đồ quận Phú Nhuận 5

HÌNH 1.2 Mặt cắt địa chất phường 9 quận Phú Nhuận 6

HÌNH 2.1 Máy KODEN và cách bố trí 9

HÌNH 2.2 Ví dụ kết quả thí nghiệm KODEN 11

HÌNH 2.3 Thí nghiệm đo độ sụt 12

HÌNH 2.4 Lõi khoan có khuyết tật 13

HÌNH 2.5 Thiết bị, bố trí máy siêu âm 15

HÌNH 2.6 Hạ đầu d 17

HÌNH 2.7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử tải tĩnh 20

HÌNH 2.8 Biểu diễn vật lý của công thức động cơ bản 22

HÌNH 2.9 Sơ đồ nguyên lý thử động PDA 25

HÌNH 2.10 Kết quả phân tích bằng phần mềm CAPWAP 26

HÌNH 2.11 Mô hình phương pháp phản hồi âm thanh 28

HÌNH 2.12 Đầu ra lý tưởng của phương pháp ứng xử nhanh 30

HÌNH 2.13 Thiết bị chủ yếu của phương pháp PIT 31

HÌNH 2.14 Tín hiệu vận tốc âm thanh và mặt cắt dọc cọc 32

HÌNH 2.15 Kích thước thân cọc bị biến dạng thu hẹp do áp lực nước ngầm cao 33 HÌNH 2.16 Tình trạng bê tông thân cọc bị lồi lõm 33

HÌNH 2.17 Phương pháp siêu âm phát hiện thân cọc có khuyết tật 34

HÌNH 2.18 Khuyết tật đáy cọc do sập vách cốt thép không bêtông bám dính 34

HÌNH 2.19 Thân cọc nhồi đứt đoạn trơ cốt thép do rút ống sai qui trình 35

HÌNH 2.20 Bê tông không chảy đến biên làm cọc trơ cốt thép 35

HÌNH 3.1 Lắp đặt máy Koden 36

HÌNH 3.2 Thiết bị ghi nhận, xử lí, xuất dữ liệu thí nghiệm 37

HÌNH 3.4 Lắp đặt thí nghiệm nén tĩnh 41

DANH MỤC BẢNG

BẢNG 2.1 Bảng đánh giá chất lƣợng lỗ cọc 9

BẢNG 2.2 Đánh giá chất lƣợng bê tông thân cọc theo đặc trƣng sóng âm 18

BẢNG 3.1 Bảng kết quả thí nghiệm KODEN 38

BẢNG 3.2 Bảng kết quả thí nghiệm siêu âm cọc thử 49

BẢNG 3.3 Kế hoạch tăng tải trọng PT01 42

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ASTM: American Society for Testing and Materials, tổ chức tiêu chuẩn quốc tế CSL: Crosshole sonic logging, phương pháp siêu âm qua ống thép

PDA: Phương pháp thử động biến dạng lớn

PIT: Phương pháp thử động biến dạng nhỏ

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TÓM TẮT

Bài đồ án khái quát được tình hình sử dụng cọc nhồi cùng với phương pháp kiểm tra chất lượng cọc ở Việt Nam và trên thế giới, trình bày một số phương pháp thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi như: Koden, siêu âm, PIT, PDA, khoan lấy mẫu, nén tĩnh

Kết quả thu được từ những thí nghiệm trên được đánh giá đạt chất lượng, cọc sẵn sàng cho việc thi công phần công trình bên trên Các thí nghiệm siêu âm bê tông thân cọc, KODEN hay nén tĩnh được thực hiện chặc chẽ, đảm bảo chất lượng thí nghiệm

Bài báo cáo c n trình bày được những nguyên nhân gây tình trạng khuyết tật ở cọc nhồi để lưu ý trong quá trình thi công nhằm tránh sai sót đáng tiếc với công trình Qua bài đồ án giúp sinh viên tiếp cận được công việc giám sát, đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi, phục vụ hữu ích cho công việc tương lai

Kết luận: Bài đồ án thực hiện được các mục tiêu của đề tài, và đánh giá được chất lượng cọc khoan nhồi qua kết quả các thí nghiệm hiện trường

là vô cùng thiết yếu để đảm bảo an toàn cho công trình sau này, bài đồ án đi sâu vào nghiên cứu các phương pháp đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi, và ứng dụng kiểm tra chất lượng cọc thực tế, phát hiện sai xót để khắc phục kịp thời

2 Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu các phương pháp đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi, ứng dụng vào việc kiểm tra, đánh giá chất lượng

3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập và tham khảo tài liệu:

+ Tìm hiểu phương pháp thi công cọc khoan nhồi từ TCVN 9395:2012

+ Tìm hiểu phương pháp siêu âm cọc khoan nhồi từ TCVN 9396:2012

+ Tìm hiểu phương pháp thử tải tỉnh cọc khoan nhồi từ TCVN 9393:2012…

- Phương pháp thí nghiệm thực tế:

+ Tiến hành tham gia thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi

- Phương pháp phân tích số liệu:

+ Phân tích kết quả thí nghiệm để xác định chất lượng cọc nhồi

+ Phân tích kết quả thí nghiệm để xác định khuyết tật cọc khi thi công

- Phương pháp chuyên gia:

+ Trao đổi và tiếp thu ý kiến về lĩnh vực chất lượng cọc khoan nhồi và khuyết tật của chúng từ các anh kĩ sư, các thầy cô có chuyên môn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CỌC KHOAN NHỒI PHỔ BIẾN

- Chất lượng cọc sau khi thi công thường thể hiện bằng những chỉ tiêu chất lượng sau :

+ Độ nguyên vẹn (tính toàn khối của cọc);

+ Sự tiếp xúc giữa đáy cọc và đất nền;

+ Sự tiếp xúc giữa thân cọc và đất đá xung quanh

- Hiện nay, có rất nhiều phương pháp kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi Các phương pháp phổ biến như phương pháp thử động biến dạng nhỏ (PIT), phương pháp siêu âm truyền qua,phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA), sẽ được giới thiệu qua bài đồ án này

- Ngoài ra, tại các nước tiên tiến khác như Mỹ, Anh, Pháp, người ta còn thực hiện các phương pháp khác như: chấn động song song, phương pháp tia gamma, phương pháp hộp tải trọng osterberg, phương pháp nội soi bê tông Vì tính cần thiết cũng như điều kiện kinh tế, kĩ thuật thì hiện nay nước ta chưa có điều kiện phổ biến những phương pháp nêu trên

1.2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước

* Nguyễn Minh Hùng- Nghiên cứu mô hình kiểm soát chất lượng cọc khoan nhồi cho công trình dân dụng, nghiên cứu này giúp ta hiểu được quá trình thi công cọc

khoan nhồi và các bước kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi trước, trong và sau khi thi công

* GS TS Nguyễn Văn Quảng- Chỉ dẫn kĩ thuật thi công và kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi, nghiên cứu này khái quát cụ thể về các phương pháp kiểm tra chất

lượng cọc được sử dụng phổ biến ở nước ta và trên thế giới

* PGS TS Đoàn Thế Tường- Vấn đề sử dụng hiệu quả cọc khoan nhồi, nghiên

cứu này sử dụng những kết quả thí nghiệm cọc khoan nhồi gần đây để đưa ra cách sử dụng hiệu quả cọc khoan nhồi

1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước

* Ruwan Rajapakse- Bored piles, nghiên cứu này trình bày cụ thể cách thiết kế,

xây dựng và kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi

* D A Brown, J P Turner, and R J Castelli- Drilled Shafts: Construction Procedures and LRFD Design Methods, nghiên cứu trình bày qui trình thiết kế xây dựng tường trong đất

* ASTM International- ASTM D6760 Standard Test Method for Integrity Testing of Concrete Deep Foundations by Ultrasonic Crosshole Testing," ed West

Conshohocken, PA: ASTM, 2008, nghiên cứu này trình bày tiêu chuẩn trong đánh giá chất lượng toàn vẹn bê tông qua phương pháp siêu âm

*ACI- ACI 228.2R-98, Nondestructive Test Methods for Evaluation of Concrete

in Structures, ed, 1998, phương pháp thử nghiệm sức chịu tải không phá hủy của cọc

* G Mullins and A K Ashmawy- Factors Affecting Anomaly Formation in Drilled Shafts, Florida Department of Transportation (FDOT),March 2005, phương

pháp này nghiên cứu các yếu tố tạo nên khuyết tật cọc khi thi công cọc khoan nhồi

* J M Amir- Pile Intergrity Testing, April 2009, nghiên cứu về kiểm tra cọc

khoan nhồi

* M W O'Neil and L C Reese- Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methods, FHWA,August 1999, nghiên cứu này trình bày phương pháp thiết kế

và qui trình xây dựng cọc khoan nhồi

* Olson Engineering- Crosshole Tomography Method & Crosshole Sonic Logging Method, phương pháp siêu âm thân cọc

* J K Alter- Hollow Threaded Rebar for Cross Hole Sonic Logging Access Tubes Combined with Longitudinal Concrete Reinforcing in Drilled Shafts, DFI

Journal, vol 5, pp 16-22, 2011 Phương pháp siêu âm và khắc phục khuyết tật cọc

* F Jalinoos, N Mekic, R E Grimm, and K Hanna- Defects in Drilled Shaft Foundations: Identification, Imaging, and Characterization, March 2005, xác định khuyết tật thân cọc

* Garland Likins, Frank Rausche, Karen Webster, and Anna Klesney, Defect Analysis for CSL Testing, GSP 158 Contemporary Issues in Deep Foundations, 2007

* PileTest- Chum User Manual of Cross Hole Ultrasonic Monitor, ed, hướng

dẫn sử dụng máy siêu âm

1.3 ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.3.1 Vị trí địa lý Quận Phú Nhuận

Quận Phú Nhuận là một quận nội thành của Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam,quận nằm về hướng Tây Bắc, cách trung tâm thành phố 4,7 km theo đường chim bay, có tọa độ địa lý 10°48′6″B, 106°40′39″Đ, với diện tích khoảng 5 km²

- Phía đông giáp với quận Bình Thạnh, phía tây giáp với quận Tân Bình

- Phía nam giáp với quận 1, quận 3, phía bắc giáp với quận Gò Vấp

Hình 1.1 Bản đồ quận Phú Nhuận

Chú thích:

:Vị trí công trình OFFICETEL

1.3.2 Đặc điểm địa chất

Địa chất phường 9, nơi công trình OFFICETEL đang xây dựng

Hình 1.2 Mặt cắt địa chất phường 9 quận Phú Nhuận

Lớp 4: Cát pha màu nâu vàng- xám trắng

Lớp 5: Sét màu xám xanh- xám đen- xám vàng- xám trắng, trạng thái dẻo

cứng- dẻo mềm

Lớp 6a: Sét pha nặng, màu nâu hồng- xám trắng, trạng thái dẻo cứng

Lớp 6: Cát pha, màu xám vàng- nâu hồng- xám trắng

Lớp 7: Sét, màu nâu hồng, trạng thái cứng- nửa cứng

Lớp 8: Sét- sét pha, màu xám xanh- xanh đen, trạng thái dẻo cứng

Lớp 9a: Sét, màu xám trắng- xám xanh, trạng thái nửa cứng

Lớp 9: Cát pha, màu xám xanh- xám tro- nâu vàng- xám trắng- xám đen

1.3.2 Đặc điểm địa hình

Quận Phú Nhuận có cao độ trung bình từ 2m đến 6m, địa hình có sự thay đổi từ cao đến thấp thay đổi theo hướng Đông Bắc-Tây Nam

1.3.4 Đặc điểm thủy văn

Hệ thống kênh rạch ở quận Phú Nhuận đơn giản, được giới hạn với quận Tân Bình và quận 1 bởi kênh Nhiêu Lộc ở phía Nam và Tây Nam

Hệ thống cống thoát nước hoạt động tốt với địa hình cao trung bình giúp nơi đây tránh được hiện tượng ngập ở thành phố Hồ Chí Minh

1.3.5 Tổng quan về công trình

Những nghiên cứu về đề tài của đồ án được thực hiện tại công trình OFFICETEL nằm tại 202B Hoàng Văn Thụ phường 9, quận Phú Nhuận

Chủ đầu tư: Công ty cổ phần Đầu Tư Tân Sơn Nhất

Tiến độ thi công 114 ngày, khối lượng công việc:

- 04 cọc thử D1000 sâu 66m, 01 cọc thử D800 sâu 55m

- 76 cọc đai trà D800 sâu 55m, 311 cọc đai trà D1000 sâu 66m

- 506m tường vây dày 600, sâu 38m, 124 cọc biện pháp D800 sâu 16m

Trong công trình thực hiện các thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc trong khi thi công bằng thí nghiệm Koden, và các thí nghiệm kiểm tra chất lược cọc sau khi thi công bằng các phương pháp như: siêu âm, PDA, PIT, khoan lấy mẫu, nén tĩnh

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC TRONG KHI THI CÔNG

Đo đạc so với mốc và tuyến chuẩn

So sánh khối lượng đất lấy lên với thể tích hình học của cọc

Theo lượng dùng dung dịch giữ thành vách Theo chiều dài tời khoan

Máy đo độ nghiêng, phương pháp siêu âm Kích thước

Bộ phận chủ yếu của máy phát sóng âm là thiết bị rung Điện mạch xung có tần

số nhất định mà máy rung sinh ra sau khi được phóng đại chuyển thành sóng âm nhờ đầu dò phát Tần số rung của thiết bị có thể điều chỉnh, thu được sóng âm của các loại tần số để đáp ứng các yêu cầu kiểm tra khác nhau

Bố trí thiết bị DM-68 trên miệng lỗ khoan

Bộ phận khuếch đại, phóng đại, chỉnh hình và hiển thị tín hiệu điện do đầu dò thu truyền đến, hiển thị thời gian bằng trục thời gian hoặc hiển thị bằng số Người ta

có thể dựa vào độ dài của đoạn sáng giữa điểm đàu tiên của sóng và tín hiệu đầu tiên

để xác định thời gian truyền sóng trong vật chất của môi trường

Các thiết bị dò gồm có 2 cặp tế bào đầu dò cảm ứng, mỗi cặp dùng cho một trục

đo Những trục này gọi là A-A’ và B-B’ định hướng trực giao cho mỗi cặp và sẽ được thực hiện tương đẳng với 4 điểm Compa đã đánh dấu Thiết bị KODEN DM-684 được định tâm trên miệng hố khoan sao cho tâm của thiết bị trùng với tâm của hố khoan bằng cách dùng thước đo đến hai trục sau đó đánh dấu sơn lên sàn công tác quy định trục hướng đo

Ghi nhận số liệu :

Cùng một thời gian đo, chỉ có thể đọc cho một cặp tế bào đầu dò cảm biến thể hiện cho một trục Trong quá trình hạ đầu dò xuống hố khoan, các tế bào cảm ứng sẽ phát ra tín hiệu sóng siêu âm một cách định kỳ Các sóng siêu âm khi gặp thành vách phản hồi lại sẽ được đo bởi một tế bào cảm ứng tương tự Ngay khi đó các tín hiệu phản hồi sẽ được chuyển trực tiếp đến máy và được in ra giấy Bản tín hiệu in ra giấy

là giá trị thu được dọc theo chiều sâu hố khoan Tỷ lệ theo phương đứng trên bản in sẽ cho biết được chính xác vị trí nào trong hố khoan (theo chiều sâu) có khuyết tật hay thành vách bị lệch hay nhô ra hoặc mở rộng, thu hẹp Thiết bị KODEN DM-684 có thể đo được hố khoan đường kính đến 4 m, chiều sâu đến 110 m

Hình 2.2 Một ví dụ về kết quả thu nhận được Kết quả độ nghiêng của lỗ khoan bao gồm : độ nghiêng của thành vách lỗ khoan;

Độ nghiêng của thành hố khoan được đánh giá dựa trên TCVN 9395:2012 – Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu cọc khoan nhồi

2.1.2 Đánh giá chất lượng lồng thép

Lồng thép được gia công và lắp đặt theo bản vẽ thiết kế, phù hợp và tuân theo TCVN 9395-2012, được hạ vào hố khoan phải thẳng đứng, xác định độ thẳng đứng và

vị trí của lồng thép bằng máy ngắm cao độ

2.1.3 Đánh giá chất lượng và khối lượng bê tông đổ vào hố cọc

Theo TCVN 9395-2012 về thi công cọc khoan nhồi:

-Khối lượng bê tông đổ vào cọc phải tương đương với thể tích hình

Hình 2.3 Thí nghiệm đo độ sụt

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC SAU KHI THI CÔNG

Chất lượng cọc sau khi thi công thường thể hiện bằng những chỉ tiêu chất lượng sau :

-Độ nguyên vẹn (tính toàn khối của cọc);

-Sự tiếp xúc giữa đáy cọc và đất nền;

-Sự tiếp xúc giữa thân cọc và đất đá xung quanh

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi Dưới đây trình bày một số phương pháp kiểm tra chất lượng cọc sau thi công đã được sử dụng trên thế giới và ở Việt Nam Các phương pháp phổ biến như phương pháp thử động biến dạng nhỏ, phương pháp siêu âm truyền qua sẽ được giới thiệu kỹ Một số phương pháp khác ít phổ biến hơn sẽ chỉ trình bày về nguyên lý và cách thức kiểm tra chứ không đi sâu về các quy trình kiểm tra cụ thể Đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi dựa theo TCVN 9395:2012 – Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu Cọc khoan nhồi

2.2.1 Phương pháp khoan và lấy mẫu (Drilling and Coring)

Một phương pháp nữa được dùng để kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi là phương pháp khoan và lấy mẫu Các phương pháp này đưa ra được tương đối xác thực

các đặc điểm của bê tông trong một thể tích tương đối nhỏ của cọc, tuy nhiên nó lại mất nhiều thời gian và tốn kém và đôi khi cũng có thể nhầm lẫn

Một vấn đề của phương pháp này là việc điều chỉnh hướng mũi khoan Lỗ khoan đôi khi đi trệch ra ngoài thành cọc hoặc gặp phải hoặc nhiều thanh cốt thép Để thực hiện phương pháp một cách chính xác này cần phải có những người có kinh nghiệm và các thiết bị phù hợp

Phương pháp khoan nhanh hơn so với phương pháp lấy mẫu nhưng các thông tin thu được lại ít hơn Chất lượng bê tông được khoan đôi khi có thể suy luận ra từ mức độ khoan Nếu khi khoan mà khoan bị tụt đột ngột xuống một quãng lớn chứng tỏ tại vị trí đó có khuyết tật Sau khi khoan xong, người ta sử dụng một thiết bị để kiểm tra đường kính và lỗ khoan được quan sát nhờ một camera được hạ xuống lỗ

Hình2.4 Lõi khoan có khuyết tật

Phương pháp lấy mẫu lâu hơn phương pháp khoan, nhưng lại thu được nhiều thông tin hơn Bằng phương pháp này có thể phân tích được sự tiếp xúc giữa đáy cọc

và đất nền, kiểm tra được thành phần đất và dung dịch vữa xâm nhập trong bê tông Ngoài ra nếu cần có thể ép mẫu để xác định cường độ của bê tông Lỗ lấy mẫu cũng như lỗ khoan có thể được kiểm tra bằng các thiết bị camera nhỏ đặt trong ống Phương pháp này có lẽ là phương pháp tốt nhất trong các phương pháp kiểm tra độ nguyên vẹn của cọc để kiểm tra chất lượng bê tông đáy cọc cũng như sư tiếp xúc giữa đáy cọc và đất nền

Phương pháp khoan và lấy mẫu đối với cọc khoan nhồi là phương pháp tốt nhất

để phát hiện các khuyết tật có kích thước lớn Trong trường hợp vách lỗ khoan bị sụp

Lõi khoan có khuyết tật

xuống lúc đổ bê tông và nếu bê tông bị thiếu hụt trong mặt cắt thì phương pháp này luôn có thể được xác định một cách chắc chắn

2.2.2 Phương pháp siêu âm qua ống thép (Crosshole Sonic Tests)

-Nguyên lý cơ bản :

+Siêu âm là dao động cơ học đàn hồi truyền đi trong môi trường vật chất với tần số dao đọng từ 20 KHz trở lên Khi siêu âm truyền qua môi trường vật liệu bê tông được tạo thành từ nhiều thành phần như đá, sỏi, cát, xi măng các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, khuyếch tán xẩy ra đồng thời và được đặc trưng bằng sự khuyếch tán của năng lượng và vận tốc truyền sóng phụ thuộc vào độ đồng nhất, mật độ của vật liệu hay còn gọi chung là chất lượng của vật liệu bê tông Vì vậy khi tiến hành thu nhận sóng siêu âm sau khi đã truyền qua một phạm vi nghiên cứu có thể đánh giá được chất lượng vật liệu bê tông trong phạm vi truyền sóng siêu âm đó

+Sóng siêu âm truyền trong bê tông dưới hai dạng gồm sóng P (còn gọi là sóng dọc) và sóng S (hay sóng ngang) Sóng P là loại sóng có phương dao động của các phần tử vật chất trùng với phương truyền sóng trong khi sóng S là loại sóng có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng Trong phương pháp CSL, sóng S tương đối yếu nên được bỏ qua Trong môi trường bê tông đồng nhất, vận tốc sóng P (Vp) phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của bê tông (E), hệ số Poisson () và tỷ trọng bê tông (), được xác định theo công thức của Krautkrämer J và Krautkrämer H., 1990 :

Vp = √

Trong bê tông cọc khoan nhồi, sự khác biệt về tỷ trọng và module đàn hồi có thể xảy ra do các lỗ rỗng chứa khí, nước hoặc bê tông cọc có lẫn bentonite, đất Như vậy, bằng cách xác định vận tốc truyền sóng tại các vị trí khác nhau dọc theo thân cọc,

ta có thể suy luận về tính đồng nhất của bê tông

Vận tốc truyền sóng siêu âm trong quá trình thí nghiệm được xác định bằng cách đo thời gian truyền xung siêu âm giữa hai đầu thu - phát và quãng đường truyền sóng (khoảng cách giữa hai ống thăm d , D)

Cụ thể:

Để đánh giá độ đồng nhất của bê tông cọc khoan nhồi, bên cạnh thông số về vận tốc truyền sóng ta cần xét đến năng lượng của sóng siêu âm Khi sóng siêu âm truyền đi trong bê tông cọc, năng lượng của sóng siêu âm bị suy giảm trên quãng đường truyền sóng

Các nguyên nhân gây ra sự suy giảm năng lượng của sóng siêu âm đó là sự hấp thụ (năng lượng sóng siêu âm chuyển thành nhiệt năng), tán xạ (sóng siêu âm bị đổi hướng khi truyền trong môi trường không đồng nhất) và phản xạ của môi trường Khi sóng siêu âm truyền qua hai môi trường khác nhau, một phần năng lượng sóng tới sẽ bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường Biên độ của sóng phản xạ là một hàm của góc tới và đạt tối đa khi góc này bằng 90o (sóng tới vuông góc với mặt phân cách)

Ngoài ra dựa vào vận tốc sóng âm đo được trong thí nghiệm siêu âm, người ta

c n ước lượng được cường độ chịu nén của bê tông và thiết lập mối quan hệ cường độ nén- vận tốc sóng âm, nhưng kết quả nghiên cứu này còn phân tán nên giá trị tương quan giữa chúng chỉ mang tính tham khảo

-Cấu tạo thiết bị và quy trình thực hiện:

*Bố trí thí nghiệm:

Hình 2.5 Thiết bị, bố trí máy siêu âm

*Cấu tạo thiết bị:

+Sơ đồ bố trí của phương pháp như trên hình dưới Các thiết bị cần thiết trong phương pháp siêu âm truyền qua bao gồm:

+Một đầu d phát sóng dao động đàn hồi (xung siêu âm);

+Một đầu đo thu sóng có cáp dẫn;

+Một thiết bị điều khiển các cáp được nối với các đầu đo cho phép tự động đo

chiều sâu hạ đầu đo;

+Một thiết bị điện tử ghi nhận và điều chỉnh tín hiệu thu được;

+Một hệ thống hiển thị tín hiệu;

+Một hệ thống ghi nhận và biến đổi tín hiệu thành những đại lượng vật lý đo

được

*Quy trình thực hiện:

+ Các ống dẫn phải được đặt sẵn trước khi đổ bê tông cọc;

+ Hạ đầu phát và đầu thu xuống hai ống chứa đầy nước sao cho chúng luôn ở

cùng độ sâu;

+ Phát xung siêu âm từ đầu phát và nhận tín hiệu từ đầu thu;

+ Đo thời gian truyền sóng giữa hai đầu đo trên suốt chiều cao của ống đặt sẵn + Đồng thời thiết bị sẽ tự động ghi lại độ sâu của các đầu đo

+ Ghi lại biến thiên của tín hiệu thu được

-Bố trí ống đo:

+ Các ống thép hoặc nhựa được đặt dọc trong cọc nhờ việc gắn chúng với cốt

thép dọc trước khi đổ bê tông Trong phương pháp này nên đặt nhiều hơn 2 ống tuy

nhiên không nên quá nhiều vì điều đó sẽ ngăn cản bê tông chảy xuống phía dưới trong

quá trình thi công Các hãng có kinh nghiệm thi công cho rằng nên đặt các ống đều

đặn xung quanh lồng cốt thép, buộc vào phía trong lồng, cứ 0,3 m của đường kính cọc

thì sử dụng một ống dò thẳng đứng Theo các Tiêu chuẩn của Việt Nam cũng như các

nước thì số lượng ống chủ yếu phụ thuộc vào đường kính cọc

Theo TCVN 9395:2012 thì số lượng ống siêu âm cho 1 cọc thường quy định

như sau:

+ Với cọc có đường kính 60cm thì dùng 2 ống

+ Với cọc có đường kính từ 60cm đến 100cm thì dùng 3 ống

+ Với cọc có đường kính từ 100cm trở lên thì dùng 4 ống

Ống phải có đường kính phù hợp để cho phép đặt các đầu dò vào trong nó (từ

25 đến 52 mm, phụ thuộc vào kích thước của đầu d ), và thường được kéo hết chiều

dài của cọc và được bịt phía dưới để ngăn không cho bê tông chui vào Các ống thép

thường được dùng nhiều hơn ống nhựa bởi vì bê tông có xu hướng tách ra nhanh hơn đối với ống nhựa Trước khi kiểm tra các ống phải được đổ đầy nước để cho năng lượng có thể truyền từ thành ống đến các bộ d và ngược lại Nước trong ống cũng giúp giữ ổn định nhiệt độ trong ống để tránh sự bong bê tông ra khỏi ống Trên hình dưới là ảnh chụp của lồng cốt thép có gắn các ống nhựa để thực hiện phương pháp kiểm tra này

Hình 2.6: Hạ đầu d

+Hạ các đầu dò xuống lỗ khoan

+Tỷ lệ cọc cần kiểm tra:

Khi thi công cọc thử, tất cả các cọc đặt ống siêu âm,

Khi thi công cọc đại trà, số lượng cọc đặt ống siêu âm 50%,

Báo cáo kết quả đo :

-Báo cáo kết quả đo phải bao gồm tối thiểu các thông tin sau:

+Tiêu chuẩn sử dụng;

+Tên cơ quan và người chịu trách nhiệm thực hiện đo;

+Mặt bằng công trình và vị trí, ký hiệu móng và cọc thí nghiệm;

Đặc điểm của cọc thí nghiệm:

+Ngày đổ bê tống và sự cố (nếu có) đã xảy ra;

+Cao độ mặt bằng và cao độ đáy cọc đã đưa về hệ cao độ quy ước;

+Kích thước tiết diện cọc kèm theo các biên bản thi công và nghiệm thu trên hiện trường;

+Xác định vị trí các ống đo đã được đánh số trên bản vẽ, có ghi cao độ chính xác và gắn theo hướng Bắc chuẩn hoặc hướng thượng lưu-hạ lưu sông;

+Các số liệu quy về cao độ quy ước của các đầu đo trên của các ống đo;

+Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa thời gian truyền tín hiệu và đầu thu và chiều sâu đo;

+Nhận xét có liên quan đến kết quả thí nghiệm đặc biệt là sự giảm của biên độ tín hiệu thu được; các sự cố và các thao tác trong quy định không lường được trước và

có khả năng ảnh hưởng đến kết quả đo;

+Hồ sơ kiểm định (so với chuẩn) của thiết bị đo

-Phân tích kết quả đo:

+Từ kết quả đo kiểm tra theo phương pháp này có thể đánh giá được độ đồng nhất thân cọc cũng như phạm vi khuyết tật

-Đánh giá độ đồng nhất thân cọc:

+Sự đồng nhất thân cọc được hiểu là đồng đều về mặt chất lượng bê tông thân cọc dọc theo chiều dài cũng như trên toàn tiết diện ngang của cọc Để đánh giá sự đồng nhất người ta dựa vào các đặc trưng âm ghi nhận được như: vận tốc, biên độ, năng lượng và thời gian truyền hoặc dựa vào hình dáng của sóng âm thu nhận được Trong Bảng trình bày cách đánh giá chất lượng bê tông theo một số đặc trưng sóng

âm

Bảng 2.2 Đánh giá chất lượng bê tông thân cọc theo đặc trưng sóng âm

Chất lượng Thời gian truyền Biên độ Hình dạng sóng

Tốt Đều đặn, không đột

biến

Không bị suy giảm

Nứt gãy Tăng đột biến Suy giảm rõ rệt Biến đổi lạ

Theo các Tiêu chuẩn của Mỹ, nếu biểu đồ vận tốc (thời gian) truyền sóng âm biến đổi cục bộ lớn hơn 20% thì có thể là có khuyết tật lớn Tuy nhiên các Tiêu chuẩn này cũng có lưu ý là khi kiểm tra thấy hiện tượng này thì phải tiến hành kiểm tra lại một cách kỹ lưỡng với bước kiểm tra ngắn hơn Ngoài ra có thể do sai sót khi lắp đặt ống, ống không thẳng dọc theo chiều dài cọc do đó với mức độ biến đổi khoảng 20% thì vẫn còn có thể chấp nhận được

+ Các kết quả có thể diễn tả được một cách trên màn hình;

+ Số liệu được đo theo suốt chiều sâu thân cọc

+ Sử dụng các ống này còn có thuận lợi là nó có thể được dùng như là một ống dẫn để lấy mẫu ở đáy cọc để kiểm tra tiếp xúc đáy cọc và đất nền, và chúng cũng có thể được sử dụng để bơm vữa đáy cọc nếu cần thiết Phương pháp siêu âm truyền qua hay bất kỳ một phương pháp nào khác sử dụng các ống này đều không đắt và có thể thực hiện nhanh chóng

Nếu sử dụng nhiều hơn hai ống thì bằng việc thu nhận và phân tích các dữ liệu

âm thanh giữa từng cặp ống với nhau thì có thể xác định được kích thước cũng như hướng của khuyết tật so với tim cọc Đây chính là ưu điểm vượt trội của phương pháp này so với phương pháp phản hồi âm thanh đã trình bày ở trên

-Nhược điểm:

Phương pháp này không thể hiện chất lượng tiếp xúc mũi cọc với đất nền; Cần phải đặt sẵn các ống d vào trước khi đổ bê tông làm khó khăn cho công tác đổ bê tông và tăng giá thành xây dựng;

Khó có thể xác định được các khuyết tật nằm ở ngoài lồng cốt thép, cũng như các khuyết tật nằm ở xa đường thẳng giữa các đầu đo

Ngoài ra phương pháp này chỉ có thể xác định được các khuyết tật lớn còn các khuyết tật nhỏ thì phương pháp này khó phát hiện

2.2.3 Phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống

-Giới thiệu chung:

Phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống là phương pháp trực tiếp xác định sức chịu 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 Phương pháp này sử dụng hệ thống cọc

neo hoặc dùng các vật nặng chất phía trên đỉnh cọc là đối trọng để gia tải nén cọc Trong thí nghiệm này, cọc được gia tải theo từng cấp đến tải trọng thường bằng 1,5-2,0 tải trọng thiết kế Cấp tải sau được tác dụng khi độ lún ở cấp tải trước đã ổn định Dựa trên quan hệ tải trọng-độ lún, sức chịu tải của cọc được xác định với một hệ số an toàn xác định bởi thiết kế

Cho đến nay thì phương pháp này vẫn được coi là phương pháp có độ chính xác cao nhất ở Việt Nam phương pháp này đã trở nên quen thuộc và được sử dụng khá phổ biến

Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử tải tĩnh được thể hiện như trên hình dưới Tải trọng thí nghiệm được cung cấp bởi các kích thuỷ lực Các kích thuỷ lực này được bố trí trên cọc thí nghiệm và ở dưới dầm ngang Khi kích hoạt động truyền tải trọng nén xuống cọc thử đồng thời truyền tải trọng lên dầm ngang tạo một lực nhổ lên các cọc phản lực

Khi thực hiện thí nghiệm ứng suất được truyền từ cọc phản lực xuống đất đá, các ứng suất này có thể gây ảnh hưởng đến sự làm việc của cọc thí nghiệm Vì thế cọc phản lực nên đặt đủ xa cọc thử để giảm thiểu ảnh hưởng này Theo Tiêu chuẩn Mỹ ASTM D-1143 thì khoảng cách tối thiểu giữa cọc phản lực và cọc thử là khoảng 5 lần đường kính cọc thử Khi đó yêu cầu dầm ngang phải đủ dài và khoẻ để chịu được phản lực thí nghiệm

Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử tải tĩnh

Một phương pháp khác để tạo phản lực lên cọc thí nghiệm là dùng hệ neo cường độ cao (high-strength anchors) Góc nghiêng và chiều dài của neo phải được tính toán sao cho vùng truyền lực của các neo là đủ xa cọc thí nghiệm

-Trình tự thực hiện :

+Gia công đầu cọc và đặt hệ kích

+Cắt tẩy đầu cọc đến phần bê tông đặc chắc, tạo phẳng bề mặt

+Gia tải theo phương pháp và ghi chép số liệu hiện trường

-Báo cáo kết quả thí nghiệm:

+Tên, vị trí công trình

+Chủ đầu tư, tư vấn thiết kế/giám sát, nhà thầu thi công, đơn vị thí nghiệm +Hồ sơ cọc thí nghiệm

+Biểu đồ quan hệ tải trọng-độ lún

+Biểu đồ quan hệ tải trọng-độ lún và thời gian

+Các nhận xét trong đó có đưa ra tải trọng giới hạn

Chi phí cho thí nghiệm lớn, đặc biệt đối với các cọc không phải ở trên mặt đất

tự nhiên;

Tốn thời gian cho công tác chuẩn bị và thí nghiệm nên ảnh hưởng đến thời gian xây dựng;

Khả năng tạo tải trọng thử thấp, tối đa là khoảng 1000 T;

Các công trình phụ trợ như dầm và neo phản lực là những kết cấu lớn, không phù hợp với các công trình có mặt bằng thi công chật hẹp

Ngoài ra, kết quả từ phương pháp thử tải tĩnh truyền thống có hạn chế là không thể hiện rõ được thành phần sức kháng thành bên và sức kháng mũi cọc mà chỉ có giá trị tổng cộng của hai thành phần đó

Do đó, đối với các cọc có tải trọng nhỏ và mặt bằng đủ rộng, nơi không có nước mặt thì phương pháp này tỏ ra thích hợp Còn trong các trường hợp khác để thử tải cọc khoan nhồi phải sử dụng các phương pháp trình bày ở các phần sau

2.2.4 Phương pháp thử động biến dạng lớn PDA :

Giới thiệu chung :

Phương pháp thử biến dạng lớn là phương pháp thử tải trọng động xác định sức chịu tải của cọc dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong thanh đàn hồi Năng lượng tạo xung phải đủ lớn để gây dịch chuyển của cọc dưới mỗi nhát búa không nhỏ hơn 3 mm, đủ để huy động toàn bộ sức kháng của đất nền

Hình 2.8 Biểu diễn vật lý của công thức động cơ bản

Trước đây, để xác định sức chịu tải thực tế của hệ cọc-đất, ngoài phương pháp thử tải tĩnh người ta còn hay sử dụng phương pháp thử động đơn giản và cho biết ngay

kết quả tại hiện trường Mô hình chung cho tất cả các công thức động đơn giản như trên hình

R - sức kháng không đổi của đất

Đây một công thức quá đơn giản dựa trên một mô hình không xét đến các hệ số

về điều kiện búa, đệm, vật liệu cọc và đất nền khác nhau Người ta đã cố gắng đưa ra các công thức thực nghiệm có đưa các hệ số nói trên vào để phù hợp với thực tế hơn Tuy nhiên đối với các công trình quy mô lớn và có điều kiện đất nền phức tạp thì phương pháp thử động truyền thống này không đáp ứng được các yêu cầu về an toàn

và kinh tế

Giữa những năm 60, Viện công nghệ Case đã phát triển và xây dựng phần mềm CAPWAP với mô hình búa cọc đất liên tục và được áp dụng khá rộng rãi gọi là

“Phương pháp thử động biến dạng lớn”

Nguyên lý của phương pháp :

Về cơ sở khoa học, nguyên lý của phương pháp thử động biến dạng lớn và thiết

bị phân tích động cọc PDA dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong bài toán va chạm của cọc, các đặc trưng động theo Smith và dựa vào các thành tựu của kỹ thuật điện tử và tin học hiện đại, vv





F - lực đo được tại đầu cọc;

v - vận tốc đo được tại đầu cọc;

M - trọng lượng cọc;

L - chiều dài cọc;

C -tốc độ truyền sóng ứng suất trong cọc;

t1 - thời điểm va chạm toàn phần (lực va chạm cực đại);

t2 - thời điểm sóng ứng suất đi hết 1 chu kỳ từ đầu cọc đến mũi cọc và phản xạ trở lại

Thiết bị tạo lực va chạm (búa nặng gây được dịch chuyển cọc);

Thiết bị đo (lực, gia tốc, chuyển vị);

Thiết bị ghi, biến đổi và trình diễn số liệu

Sơ đồ nguyên lý thử tải theo phương pháp PDA được thể hiện trên hình