Khả năng chịu tải của cọc từ kết quả thử động biến dạng lớn (PDA) và nén tĩnh

Bài viết tiến hành đánh giá các mô hình trong thử động biến dạng lớn, phân tích các thông số đầu vào và độ tin cậy của phương pháp thí nghiệm trong điều kiện địa chất khu vực.

KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC TỪ KẾT QUẢ THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA) VÀ NÉN TĨNH TS Bùi Trường Sơn Trường đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ThS Phạm Cao Hun Trường Đại học Thủy lợi Tóm t¾t: Đánh giá khả chịu tải cọc trường công tác quan trọng cần thiết sau thi cơng cọc nhằm kết luận xác sức chịu tải cọc theo điều kiện thực tế Thí nghiệm thử động biến dạng lớn (PDA) cho phép đánh giá khả chịu tải cọc với độ tin cậy cần thiết thời gian ngắn Ngồi ra, thí nghiệm thử động biến dạng lớn thực nhằm hạn chế bất lợi thí nghiệm nén tĩnh điều kiện mặt chật hẹp, tải trọng thí nghiệm q lớn hay kết thử tĩnh khơng đạt đến giá trị tới hạn Nội dung viết đánh giá mơ hình thử động biến dạng lớn, phân tích thơng số đầu vào độ tin cậy phương pháp thí nghiệm điều kiện địa chất khu vực ĐẶT VẤN ĐỀ Các thí nghiệm trường đánh giá khả chịu tải cọc thực nhằm kiểm tra khẳng định độ xác giá trị thiết kế chất lượng tồn q trình thi cơng Phổ biến có ba nhóm phương pháp ứng dụng rộng rãi, bao gồm: thí nghiệm tĩnh, thí nghiệm động thí nghiệm tĩnh động Trong nhóm thí nghiệm tĩnh, phương pháp nén tĩnh giải pháp truyền thống tin cậy sử dụng rộng rãi Kết nén tĩnh cọc trường cho phép đánh giá khả chịu tải cọc đơn theo quan hệ tải trọng tác dụng chuyển vị cọc mà thực chất chuyển vị đo đầu cọc Trong nhóm thí nghiệm động, phương pháp thử động biến dạng lớn sử dụng để kiểm tra đối chứng hay thay phương pháp nén tĩnh Phương pháp thử động biến dạng lớn khắc phục số nhược điểm phương pháp nén tĩnh đặc biệt tiện dụng có hỗ trợ kỹ thuật đại Hiện phương pháp thử động biến dạng lớn áp dụng rộng rãi Việt nam cần có nghiên cứu có hệ thống phương pháp tổng kết đánh giá mức độ tin cậy số liệu Để thực điều này, việc hệ thống mơ hình xử lý, khắc phục nhược điểm việc xử lý kết so sánh với kết nén tĩnh cọc nhằm xây dựng phương pháp kiểm tra sức chịu tải cọc trường có độ tin cậy hiệu CÁC MƠ HÌNH CƠ BẢN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN Phổ biến có ba mơ hình bản: mơ hình Smith, mơ hình Case mơ hình CAPWAP Smith sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để tìm lời giải cho phương trình sóng ứng suất với tải trọng tới hạn Smith biến đổi phương trình truyền sóng ứng suất thành hệ phương trình sai phân phần tử rời rạc hệ thống búa-cọc-đất Giải thuật tính tốn Smith thực theo trình tự: Giả sử giá trị Ru, tỷ lệ phân phối sức kháng bên sức kháng mũi, hình thức phân bố sức kháng bên (dạng hình chữ nhật, hình thang tam giác), hệ số quake đất, từ tính tốn giá trị ks(m); Tính tốn vận tốc ban đầu búa vo; Tính tốn chuyển vị, biến dạng, vận tốc phần tử theo thứ tự từ xuống dưới; Tính tốn lặp lại chuyển vị, biến dạng, vận tốc phần tử sau khoảng thời gian Δt; Giả thiết lại Ru, tính tốn lặp lại bước Vẽ đường cong quan hệ chuyển vị Ru Dựa vào kết đường cong quan hệ chuyển vị Ru, vẽ đường cong quan hệ số nhát búa Ru Sức chịu tải cọc xác định vào giá trị chuyển vị cuối số nhát búa cuối cùng, tra đường cong quan hệ để xác định Ru 45 Case sử dụng nguyên lý truyền sóng ứng suất chiều, kết đo sóng lực sóng vận tốc hạt đầu cọc, phân tích đồ thị sóng để xác định sức chịu tải cọc Từ phương trình truyền sóng ứng suất cọc, Case đưa giả thiết xây dựng mơ hình Case hệ số cản nhớt xác định theo đề nghị bảng Bảng Giá trị hệ số cản nhớt Jc Đề nghị (Năm 1975) Đề nghị (Năm 1996) Cát Cát lẫn bụi, bụi chứa cát 0,05-0,20 0,10-0,15 0,15-0,30 0,15-0,25 Bụi 0,20-0,45 0,25-0,40 Sét lẫn bụi, bụi lẫn sét 0,40-0,70 0,40-0,70 Sét 0,60-1,00 >0,7 Đất mũi cọc Từ kết đồ thị sóng lực sóng vận tốc hạt, xác định vận tốc truyền sóng cọc, vị trí phản xạ sóng, chọn hệ số Jc phù hợp ứng dụng cơng thức để tính tốn sức chịu tải cọc Mơ hình CAPWAP (Case Pile Wave Analyses Program) cịn gọi phương pháp tín hiệu phù hợp Mơ hình CAPWAP kế thừa, kết hợp mơ hình Smith mơ hình Case sở chung nguyên lý truyền sóng ứng suất ứng dụng phương trình truyền sóng ứng suất Trên sở này, mơ hình CAPWAP xây dựng mơ hình cọc mơ hình đất Việc tính tốn mơ hình CAPWAP thực theo trình tự sau: đo sóng lực sóng vận tốc đầu cọc tải trọng tác dụng; rời rạc hóa mơ hình cọc mơ hình đất thành phần tử xác định; giả định giá trị thông số cho phần tử đất nền: khả chịu tải Ru, sức kháng động Q, hệ số sức cản động J thơng số khác mơ hình; tính tốn giá trị sóng phản xạ theo liệu giả định; đo sóng phản xạ đầu cọc; so sánh tín hiệu sóng tính tốn sóng thực đo Nếu tín hiệu phù hợp xuất kết chưa phù hợp giả định lại thơng số đất nền, thực vịng lặp đến có phù hợp tín hiệu; Từ việc tìm hiểu ngun tắc ba mơ hình, rút nhận định sau: - Mơ hình Case cho phép tính tốn sức chịu tải sau kết thúc thí nghiệm, phương pháp tính tốn khơng dựa phù hợp tín hiệu sóng tính tốn giả định sóng thực đo, khác biệt so với hai mơ hình cịn lại - Mơ hình CAPWAP mơ hình phát triển hồn thiện mơ hình Smith Mơ hình xem xét đến ứng xử khác hệ cọc - đất mà mô hình Smith chưa đề cập đến lan truyền sức cản động, trình dỡ tải tái chất tải, sức kháng động vật liệu cọc, ứng xử mũi cọc đất cứng hay đá đặc biệt tiếp cận đến ứng xử đàn hồi – dẻo – nhớt đất ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM PDA VÀ NÉN TĨNH Khả chịu tải cọc tính tốn mơ hình Case với hệ số Jc chọn theo giá trị trung bình tương ứng theo loại đất bảng 1; sức kháng động theo CAPWAP lựa chọn theo Smith hay Case tùy thuộc vào trường hợp cụ thể điều kiện địa tầng Giá trị Jc theo Case theo kết hiệu chỉnh trình bày bảng Bảng Khả chịu tải cọc theo mơ hình Case CAPWAP với giá trị Jc khác Tên cọc G055 G158 G282 G455 G561 46 Lớp đất mũi cọc Sét (cơng trình Intel Project - Quận - Tp HCM: cọc BTCT tiết diện 350x350mm, dài 24m) Jc theo Case Jc theo CAPWAP CAPWAP Nén tĩnh Jc Ru (Tấn) Jc Ru (Tấn) Ru (Tấn) Ru (Tấn) 0,70 278,33 0,74 172,86 173,20 150 0,70 85,23 0,39 227,93 227,82 150 0,70 93,26 0,47 252,14 261,97 150 0,70 114,26 0,67 205,78 206,15 150 0,70 113,16 0,65 229,41 228,88 150 Thiết kế R (Tấn) 60 60 60 60 60 Tên cọc P908 P925 P952 Lớp đất mũi cọc Sét pha cát (cơng trình Chung cư Phú Lợi – Quận –Tp HCM: cọc BTCT tiết diện 350x350mm, dài 24m) Jc theo Case Jc theo CAPWAP CAPWAP Nén tĩnh Jc Jc Ru (Tấn) Ru (Tấn) Ru (Tấn) Ru (Tấn) (Tấn) 0,60 81,09 0,64 157,60 157,99 128 0,60 163,79 0,53 146,35 146,47 128 0,60 53,66 0,52 128,56 128,72 128 Để thuận tiện cho việc phân tích đánh giá khả chịu tải cọc theo mơ hình CAPWAP, biểu diễn quan hệ tải trọng chuyển vị đầu cọc theo kết nghiệm nén tĩnh thử động biến dạng lớn theo mơ hình CAPWAP biểu đồ với cọc có thơng số đường kính, chiều dài Hình Tương quan độ lún tải trọng cọc G158 từ PDA nén tĩnh Thiết kế R (Tấn) 64 64 64 khu vực thí nghiệm Đặc biệt, vị trí cọc TP02, 04 thí nghiệm thử động biến dạng lớn thí nghiệm nén tĩnh thực cọc với tải trọng đạt giá trị tới hạn cho phép phân tích, đánh giá kết phương pháp thí nghiệm xác Kết thể hình 1, bảng Hình Tương quan độ lún tải trọng cọc TP2 từ PDA nén tĩnh Bảng Khả chịu tải cọc theo mơ hình Case, CAPWAP nén tĩnh Loại cọc Cọc BTCT đúc sẵn Cọc khoan nhồi (đường kính 11,2m, sâu 53-70m quận 2) Tên cọc G055 G158 G282 G455 G561 P908 P925 P952 P25 TP02 TN01 TN02 P3 04 Khả chịu tải cọc (tấn) theo Case theo CAPWAP 172,86 173,20 227,93 227,82 252,14 251,87 205,78 206,15 229,41 228,88 157,60 157,99 146,35 146,47 128,56 128,72 239,37 240,24 1650,41 1653,84 744,57 1099,28 812,72 961,42 868,44 1014,59 826,41 1141,4 Nén tĩnh 150 150 150 150 150 128 128 128 180 1698 1102 1102 1102 1193 Thiết kế 60 60 60 60 60 64 64 64 90 750 380 380 380 530 47 Bảng Độ chênh lệch khả chịu tải cọc theo kết PDA nén tĩnh Loại cọc Cọc khoan nhồi Tên cọc TP02 TN01 TN02 P3 04 Ru theo CAPWAP (Tấn) 1653,84 1099,28 961,42 1014,59 1141,4 Từ bảng thấy cọc hạ phương pháp đóng hay ép, khả chịu tải từ phương pháp nén tĩnh có giá trị nhỏ đáng kể so với kết thu nhận từ PDA Tải trọng thí nghiệm nén tĩnh khống chế theo số liệu dự báo hồ sơ thiết kế đa số trường hợp chưa đạt đến giá trị cực hạn Trong đó, tải trọng thí nghiệm thử động biến dạng lớn đạt đến giá trị cực hạn Đối với cọc thi công phương pháp khoan nhồi, theo yêu cầu nén đến giá trị cực hạn Trong trường hợp này, khả chịu tải xác định theo hai phương pháp có giá trị tương đồng Từ nhận thấy khả chịu tải theo PDA có độ tin cậy cao, phù hợp với kết nén tĩnh Kết nén tĩnh cọc trường hầu Nén tĩnh (Tấn) 1698 1102 1102 1102 1193 Tỷ lệ chênh lệch (%) 2,60 0,25 12,76 7,93 4,33 hết trường hợp cho cọc đóng, ép nêu bảng sở khả chịu tải thiết kế có giá trị nhỏ đáng kể so với kết thử PDA Thực vậy, đường cong quan hệ lực nén – chuyển vị cho thấy đất làm việc giai đoạn đàn hồi nên chưa đạt đến giá trị sức chịu tải cực hạn Thí nghiệm PDA sử dụng lực đóng búa đủ lớn nhằm huy động toàn sức kháng đất khơng bị khống chế thí nghiệm nén tĩnh cọc trường Bảng cho thấy độ chênh lệch giá trị khả chịu tải cực hạn theo PDA nén tĩnh có giá trị trung bình 5,57% Sự chênh lệch không đáng kể cho phép đánh giá khả chịu tải theo PDA có độ tin cậy cao hoàn toàn phù hợp với kết nén tĩnh thực với tải trọng cực hạn Địa tầng: Lớp 1: sét, dẻo mềm, dày 1m Địa tầng: Lớp 2: bùn sét, chảy, dày 13m Lớp 1: sét pha, cứng, dày 1m Lớp 3: cát sét, nửa cứng, dày 3,3m Lớp 2: cát pha, chặt vừa, dày 7,4m Lớp 4: sét, dẻo cứng, dày 7,7m Lớp 3: cát nhỏ, chặt vừa, dày 8,1m Lớp 5: cát nhỏ, chặt vừa, dày 7,4m Lớp 4: sét, cứng, dày 7m Lớp 6: sét pha, dẻo cứng, dày 1,5m Lớp 7: cát trung, chặt, dày >20m Hình Phân bố ma sát đơn vị theo độ sâu cọc G158 Từ biểu đồ biểu diễn sức kháng đơn vị đất ứng với phần tử cọc mơ hình CAPWAP phân tích sức kháng bên cọc theo hai nhóm khác gồm cọc bêtông cốt thép đúc sẵn cọc khoan nhồi Ở nhóm cọc bêtơng cốt thép đúc sẵn, nhận thấy phân bố ma sát đơn vị theo độ sâu cọc nhóm cho kết tương 48 Hình Phân bố ma sát đơn vị theo độ sâu cọc TN01 đồng Trong nhóm cọc khoan nhồi có tiết diện, chiều dài lẫn cấu tạo địa chất, phân bố sức kháng bên cọc có kết tương đồng phân bố sức kháng bên đơn vị cọc đất theo phần tử cọc phức tạp, không tuân theo qui luật sai khác tiết diện cọc tẩm ướt đất q trình thi cơng Loại cọc Cọc BTCT đúc sẵn Cọc khoan nhồi Bảng Tỷ lệ phần trăm sức kháng thành phần cọc theo PDA Tên cọc Ru Rs Tỷ lệ % sức Rb Tỷ lệ % sức (Tấn) (Tấn) (Tấn) kháng bên kháng mũi (%) (%) G055 173,20 101,99 58,89 71,20 41,11 G158 227,82 112,84 49,53 114,98 50,47 G282 251,87 171,04 67,91 80,93 32,09 G455 206,15 146,73 71,18 59,42 28,82 G561 228,88 171,18 74,79 57,70 25,21 P908 157,99 130,47 82,58 27,52 17,42 P925 146,47 88,02 60,09 58,46 39,91 P952 128,72 101,05 78,05 27,67 21,95 P25 240,24 172,11 71,64 68,13 28,36 TP02 1653,84 1254,22 75,84 399,62 24,16 TN01 1099,28 940,91 85,59 158,37 14,41 TN02 961,42 788,90 82,06 172,53 17,94 P3 1014,59 810,43 79,88 204,16 20,12 04 1141,4 911,21 79,83 230,19 20,17 Giá trị sức kháng tổng sức kháng thành phần tỷ lệ sức kháng thành phần cọc thể bảng Trong trường hợp, khả huy động sức kháng ma sát chiếm tỷ lệ đáng kể tổng khả chịu tải cọc dao động phạm vi từ 50 – 82% cọc đúc sẵn hạ cọc phương pháp đóng hay ép, chiếm 75 – 85% cọc bêtơng đổ chỗ thi công cọc phương pháp khoan nhồi KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ việc tổng hợp, phân tích so sánh kết xác định khả chịu tải cọc phương pháp thử động biến dạng lớn nén tĩnh phân tích yếu tố ảnh hưởng việc chọn lựa mơ hình rút kết luận sau: - Khả chịu tải cọc theo phương pháp thử động biến dạng lớn sở mô hình CAPWAP tương đồng với kết nén tĩnh cọc trường thực đến tải trọng cực hạn - Khả chịu tải cọc từ đa số kết nén tĩnh cọc đúc sẵn chưa đạt đến giá trị cực hạn không cho phép đánh giá xác sức chịu tải cọc cho thấy việc dự đoán khả chịu tải cọc theo hồ sơ thiết kế thường dư - Theo điều kiện địa chất khu vực, hệ số Jc mô hình Case có giá trị khác biệt thường nhỏ giá trị trung bình theo đề nghị bảng - Sự phân bố ma sát đơn vị đất cọc theo độ sâu thu nhận từ kết thử động biến dạng lớn hợp lý với điều kiện địa tầng cọc bêtông cốt thép đúc sẵn hạ phương pháp đóng hay ép không tuân theo qui luật qua lớp đất cọc bêtông cốt thép đổ chỗ thi công cọc phương pháp khoan nhồi - Khả chịu tải cọc ma sát chiếm tỷ lệ đáng kể từ 50 – 82% cọc đúc sẵn hạ phương pháp đóng hay ép, chiếm 75 – 85% cọc bêtông đổ chỗ thi công cọc phương pháp khoan nhồi tổng sức chịu tải cọc Kiến nghị Khi đánh giá khả chịu tải cọc theo mơ hình Case nhanh trường, lựa chọn hệ số sức kháng động Jc khoảng giá trị từ 0,47 đến 0,65 cho cọc có lớp đất mũi sét cứng khoảng lân cận giá trị 0,53 cho loại đất mũi cọc sét pha cát 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Đẩu Công nghệ đánh giá chất lượng cọc, Nhà xuất Xây dựng, 2000 Nguyễn Huy Cường Phân tích đánh giá khả chịu tải cọc phương pháp thử động biến dạng lớn PDA kết nén tĩnh Luận văn Thạc sĩ Đại học Bách Khoa, ĐHQGTPHCM 2010 Cung Nhất Minh, Diệp Vạn Linh, Lưu Hưng Lục Thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc, Nhà xuất Xây dựng, 1999 Bùi Trường Sơn, Nguyễn Thanh Đạt Sức chịu tải cọc theo thời gian sét bão hịa nước sau thi cơng Tập 13, Tuyển tập kết khoa học công nghệ 2010, NXB Nông nghiệp Trang 377-385 Shamsher Prakash, Hari D.Sharma, Móng cọc thực tế xây dựng (bản dịch), Nhà xuất Xây dựng, 1999 TCXD 269:2002 Cọc – Phương pháp thí nghiệm tải trọng ép dọc trục ASTM D1143-1981 Method of Testing Pile under Static Axial Compressive Load ASTM D4595-89 Standard Test Method for High Strain Dynamic Test of Pile Braja M.Das, Principle of Soil Dynamics, PWS-KENT Publishing Company, 1993 10 Bengt H Felleninus, Application of Stress-Wave theory on piles, Bitech Publishers, Canada, 1998 11 Pile Dynamics, Inc, User’s Manual Pile Driving Analyzer model PAX, 11/2008 12 Nguyễn Trường Tiến, Dynamic and static behaviour of driven piles, Chalmers University of Technology, Sweden, 1987 Abstract PILE CAPACITY FROM PILE DYNAMIC ANALYSIS (PDA) AND RESULT OF TESTING PILE UNDER STATIC COMPRESSIVE LOAD Evaluation of pile capacity in-situ is an important and necessary work after pile installation in order to conclude the exactly pile bearing capacity in actual conditions Pile dynamic analysis (PDA) allows determining pile capacity more reliable in short term In addition, PDA can be able to carry out in cases sort of building site and so large of testing load or when the tested load is underestimating The main content of the paper is evaluation of PDA models in order to heighten reliability, to analyze input parameters and reliability of PDA in geological conditions of the area 50 ... rút kết luận sau: - Khả chịu tải cọc theo phương pháp thử động biến dạng lớn sở mơ hình CAPWAP tương đồng với kết nén tĩnh cọc trường thực đến tải trọng cực hạn - Khả chịu tải cọc từ đa số kết nén. .. – 85% cọc bêtông đổ chỗ thi công cọc phương pháp khoan nhồi KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ việc tổng hợp, phân tích so sánh kết xác định khả chịu tải cọc phương pháp thử động biến dạng lớn nén tĩnh. .. GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM PDA VÀ NÉN TĨNH Khả chịu tải cọc tính tốn mơ hình Case với hệ số Jc chọn theo giá trị trung bình tương ứng theo loại đất bảng 1; sức kháng động