Đối với cọc khoan nhồi, do đúc cọc tại chỗ trong lỗ khoan nên vấn đề chất l- ợng bê tông thân và khả năng làm việc thực tế của cọc luôn luôn cha đợc xác định rõ ràng. Do vậy, cần phải có phơng pháp kiểm tra đánh giá chất lợng khả năng chịu lực thực tế của cọc khoan nhồi so với tính toán thiết kế để xem xét có thể chấp nhận cọc hay không. Có thể kiểm tra bằng phơng pháp truyền thống: khoan lấy mẫu, nén tĩnh hoặc sử dụng một số phơng pháp mới nh phơng pháp thứ tải trọng tĩnh bằng hộp tải trọng OSTER BERG phơng pháp tĩnh động STATNAMIC và phơng pháp biến dạng lớn PDA.
II.1. Phơng pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống
Nguyên lý:
Dùng hệ thống cọc neo hoặc dùng các vật nặng chất phía trên đỉnh cọc làm đối trọng để gia tải nén cọc.
Phơng pháp này chỉ áp dụng vói những nơi mặt bằng đủ rộng, nơi không có nớc mặt và cọc thử có tải trọng nhỏ (<2000 tấn). Chi phí cho việc làm đối trọng càng lớn khi tải trọng cọc thử càng lớn.
Tải trọng thờng đợc đúc bằng bê tông có trọng lợng mỗi khối đúc 5 ữ7 tấn. Sau đó đợc chất lên bệ dầm làm đối trọng, kích đợc đặt trên đầu cọc thông qua một tấm thép bản có chiều dày đủ để phân bố đều tải trọng lên đầu cọ và không bị phá hoại.
Tuỳ theo kích thớc của cọc và tải trọng mà có thể bố trí 2 ữ4 đồng hồ đo biến dạng.
Tải trọng chất lên đầu cọc bằng cách bơm dầu vào kích gia tải theo từng cấp: 0,25,50,75,100,125,150,175, 200% tải trọng thiết kế, mỗi cấp giảm tải bằng 2 lần cấp gia tải.
Dựa vào quan hệ giữa độ lún và thời gian, tải trọng độ lún – tải trọng – thời gian ngời ta đa ra kết quả thử tải.
II.2. Phơng pháp thủ tải tĩnh bằng hợp tải trọng OSTER BERG
Nguyên lý:
Đặc điểm khác biệt cơ bản của phơng pháp thử tải Osterberg so với phơng pháp thử tĩnh truyền thống là không đặt tải trên đầu cọc mà sử dụng tự trọng bản thân và ma sát thành bên của cọc làm tải trọng thử. Vị trị của hộp Osterberg th- ờng đợc đặt ở ngay mũi cọc hoặc ở một vài vị trí thích hợp của thân cọc. Sơ đồ đồ nguyên lý của phơng pháp chất tải bằng hộp Osterberg nh hình vẽ.
a)Trớckhi thử - b)Chất tải bằng hộp Osterberg
Sơ đồ bố trí thiết bị và chất tải theo phơng pháp thử tĩnh bằng hộp Osterberg.
Dùng một hay nhiều hợp tải trọng OSTERBER6 đặt ở mũi cọc khoan nhồi, hay ở 2 vị trí mũi và thâu cọc trớc khi đổ bê tông thân cọc. Sau khi bê tông đã đủ cờng độ tiến hành thử tải bằng bơm dầu thuỷ lực để tạo áp lực tăng hộp kích. Đối tợng chính là trọng lợng cọc và sức chống ma sát hông.
Theo nguyên lý phản lực, lực truyền xuống đất mũi cọc bằng lực truyền lên thân cọc việc thử tải sẽ đạt đến phá hoại khi một trong 2 phá hoại xảy ra ở mũi cọc và quanh thân cọc. Dựa theo các thiết bị đo chuyển vị và đo lực gắn sẵn trong hộp tải trộng OSTERBERG sẽ vẽ ra đợc biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị mũi cọc và thân cọc. Tuỳ theo trờng hợp phá hoại có thể theo đợc một trong hai biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị.
Cách xác định tải trọng giới hạn: Do có một phá hoại ở mũi hoặc thân cọc nên phải xác định phơng pháp ngoại suy để tìm phá hoại thứ hai và đợc tính theo công thức sau:
Pgh cọc = Pgh mui + Pgh thân.
Nếu không tin tởng ở ngoại suy và thiên về an toàn, có thể lấy Pgh cọc = Pgh thu đợc.
Phạm vi áp dụng:
Phơng pháp này chỉ phù hợp các cọc có sức chống giới hạn thành bên và mũi cọc tơng đơng nhau. Còn trong trờng hợp sức chống giới hạn của mũi nhỏ hơn sức chống thành bên thì có thể đặt 2 tầng ở mũi cọc để thử. Cọc trình đặt ở tầng thân phải đẩm bảo điêu kiện.
Pgh mũi ≥ Pgh đoạn thân
II.3. Phơng pháp thử tĩnh động STATNAMIC
Dựa trên nguyên tắc của động cơ tên lửa, ngời ta tạo ra một thiết bị đặt trên đầu cọc có thiết bị ghi chuyển vị trí của cọc trong quá trình nổ. Kết hợp đo các thông số biến dạng và gia tốc đầu cọc. Sau đó dùng các phơng pháp nh phơng pháp phơng trình truyền sóng hoặc độ cứng động sẽ tính đợc sức chịu tải của cọc phạm vi áp dụng.
Phơng pháp này có thể dùng cho tất cả các loại cọc đứng và nghiêng trong mọi điêu kiện địa chất.
II.4. Phơng pháp thử động biến dạng lớn PDA
II.4.1. Các cơ sở của phơng pháp
Về cơ sở khoa học, nguyên lý của phơng 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 trng động theo Smith và dựa vào các thành tựu của kỹ thuật điện tử và tin học hiện đại…
II.4.2. Phơng trình truyền sóng.
Giả thuyết cọc đàn hồi đồng nhất; đất nền làm việc dẻo lý tởng.
Từ các kết quả của lý thuyết phơng trình truyền sóng ta có thể xác định đợc
lực kháng tổng cộng của đất khi đóng cọc theo biểu thức sau:
2 . . ) ( ) ( ) ( ) ( 1 2 2 1 MC L t v t v t F t F R − + + = Trong đó: R: Sức kháng tổng cộng của đất. F: Lực đo đợc tại đầu cọc
v: Vận tốc đo đợc tại đầu cọc. M: Trọng lợng cọc.
L: Chiều dài cọc.
c: Tốc độ truyền sóng ứng suất trong cọc. t1: thời điểm va chạm toàn phần.
t2: Thời điểm sóng ứng suất đi hết 1 chu kỳ từ đầu đến mũi cọc và phản xạ lại.
II.4.3. Phơng pháp case.
Xét theo bản chất vật lý.
R = Rs + Rd. Trong đó:
R: Sức kháng tổng cộng của đất.
Rs: Sức chịu tải tĩnh, là giá trị ngời thiết kế quan tâm và thu đợc khi thử tải tĩnh phụ thuộc vào chuyến vị.
Rd: Sức chịu tải động do việc đóng cọc, sức cảm động, phụ thuộc vào tốc độ. Để có thể loại bỏ sức cảm động khi tính Rs, Rd đợc định nghĩa nh sau:
Rd = J.Z.Vmũi cọc Trong đó:
J: hệ số sức cản động.
Z: trở kháng của cọc: MC/L.
Vmũi cọc: tốc độ tại mũi cọc, theo lý thuyết truyền sóng có thể tính đợc từ tốc độ đo đợc tại thời điểm t1 ở đầu cọc.
Sau một số biến đổi ta có:
( ) ( )( )
2 ) ( ( 1 ) ( ) ( ( 1 J F t1 Zv t1 J F t2 Zv t2 R= − + + + −Để tính hệ số cản động J, Smith dùng phơng pháp so sánh với kết quả thử tĩnh và gắn với kích thớc hạt đất, theo bảng sau:
Loại đất Hệ số J Loại đất Hệ số J
Cát sạch 0,1 ữ 0,15 Bùn sét 0,4 ữ 0,7 Cát bùn 0,15 ữ 0,25 sét 0,7 ữ 1,00
Bùn 0,25 ữ 0,4 Cấu tạo thiết bị PDA (Mỹ):
* Búa đóng: có thể dùng búa hơi, búa Diesel có trọng lợng bằng 1-2 % sức chịu tải cọc.
* Cấu tạo của thiết bị phân tích đóng cọc – PDA sử dụng trong phơng pháp thử động biến dạng lớn bao gồm:
+ Đầu đo ứng suất ( 2 đầu đo):
* Các đầu đo này có khả năng đo độc lập ứng suất (biến dạng ) theo thời gian tại vị trí gần trên cọc trong một chu kỳ va chạm. Các số liệu thu đợc nhờ 2 gia tốc kể với tần số cộng hởng khoảng 7500 Hz đặt ở các khoảng xuyên tâm đều nhau ở 2 mặt đối diện.
+ Máy tính điện tử có gắn bộ biến đổi số liệu:
* Các tín hiệu từ các đầu đo sẽ đợc truyền qua cáp nối chống nhiễu đến thiết bị ghi và biến đổi số liệu. Thiết bị này còn có osciloscope để giao tiếp với ngời sử dụng và trình diễn các đồ thị: lực, tốc độ.Tất cả các thiết bị này đợc gắn bên trong 1 máy tính hiện đại.
** Các kết quả đo đợc:
Thiết bị phân tích cọc – PDA có thể đa ra kết quả sau: + Sức chịu tải của cọc:
Sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa, từng cao độ ngập đất của cọc. Ma sát thành bên
Sức kháng của mũi cọc.
+ Ưng suất trong cọc:
Ưng suất nén lớn nhất; ứng suất kéo lớn nhât; Ưng 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. Chiều cao rơi búa hoặc độ nảy của phần va đập. + Tính nguyên dạng hoặc h hỏng của cọc: Xác đinh mức độ hoặc vị trí h hỏng của cọc. ** Phạm vi áp dụng:
+ Thời gian thử nhanh hơn thử tĩnh, chi phí thấp, thử đợc nhiều cọc trong ngày.
+ Lựa chọn đợc hệ thống đóng cọc hợp lý.
+ Tiêu chuẩn áp dụng: theo tiêu chuẩn ASTM – D4945. Nhận xét:
Qua các phơng pháp kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi đã trình bày ở trên có nhận xét – kết luận nh sau:
Khâu kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi là khâu rất quan trọng không thể thiếu đợc. Vì vậy, cần phải lựa chon phơng pháp kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi sao cho vẫn đảm bảo yêu cầu mà chi phí lại thấp nhất.
Trong các phơng pháp kiểm tra chất lợng bê tông cọc khoan nhồi thì phơng pháp khoan lấy lõi cho kết quả chĩnh xác nhất, nhng chi phí cao và thời gian kiểm tra lâu nhất. Kể đến, 2 phơng pháp tia gama và siêu âm truyền qua lỗ cũng cho kết quả đáng tin cậy, thời gian kiểm tra nhanh và giá thành không cao, còn phơng pháp biến dạng thì cho kết quả với mức tin cậy không cao nhng thời gian thử lại rất nhanh và chi phí rất rẻ. Do vậy, tuỳ theo mức độ quan trọng của công trình mà ta sẽ lựa chọn phơng pháp nào cho thích hợp.
Trong các phơng pháp thử tải trọng cọc khoan nhồi: Phơng pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống tuy không dùng thiết bị hiện đại nhng chi phí cũng sẽ rất cao khi gặp điêù kiện khó khăn về mặt bằng. Kết quả thử tải là sức chịu tải tổng cộng của cọc (không cho biết riêng, sức chịu tải mũi cọc và sức chịu tải thân cọc). Đối với vị trí các cọc khoan nhồi nằm ở nơi sông rộng, nớc sâu hoặc ở địa hình chật hựp thì việc chất tải bằng các đối trọng để thử tải tĩnh truyền thống gặp khó khăn gây tốn kém, đôi khi không thực hiện đợc. Bên cạnh đó đối với các cọc khoan nhồi có sức chịu tải từ 4 - 10000 tấn hoặc lớn hơn thì hệ đối trọng để gia tải theo phơng pháp này cũng sẽ gặp khó khăn, không thực hiện đợc. Do vậy, phạm vi áp dụng thử tải tĩnh truyền thống chủ yếu sử dụng đẻ thử các tải các cọc có tải trọng dới 4000 tấn và cọc bố trí ở mặt bằng rộng rãi và trên cạn.
Phơng pháp thử động biến dạng lớn không thay thế hoàn toàn đợc phơng pháp thử tĩnh nhng các kết qủa thử động biến dạng lớn sử dụng thiết bị phân tích đóng cọc – PDA đợc phân tích chi tiết, so sánh với thử tĩnh và phân tích CAPWAP tơng đơng sẽ giúp giảm bớt thử tĩnh;
Đối với các công trình dới nớc nh móng, cảng, cầu,... hoặc các dự án nhỏ mà việc thử tải tĩnh gặp khó khăn về điều kiên 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 đợc chất lợng cọc trong quá trình thi công. Theo dõi những vấn đề có thể xảy ra đối với búa , cọc, đất sẽ sớm phát hiện đợc các sự cố để xử lý kịp thời những vấn đề ảnh hởng đến tiến độ thi công và giảm đợc chi phí rủi ro.
Dễ dàng kiểm soát đợc sự hồi phục của đất sau khi đóng đi và vỗ lại. Xác định đợc sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa, từng cao độ đặt muĩ cọc trong quá trình đóng cọc. Qua đó lựa chọn đợc chiều dài cọc phù hợp.
Phơng pháp thử tải cọc khoan nhồi bằng hộp tải trọng Osterberg mang lại độ chính xác cao, có thể kiểm tra đợc 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 4 – 10000 tấn và có thể lớn hơn. Thử tải bằng hộp tải trọng Osterberg khắc phục đợc khuyết điểm của phơng pháp thử tải tĩh truyền thống nh: có thể bố trí thử tải cọc ở nói sông rộng, nớc sầu chảy xiết hoặc nơi mặt bằng chật hẹp v v....Nhợc điểm của thử tải Osterberg là cần có đội ngũ chuyên gia kỹ thuật cao thực hiện thí nghiệm (hiện nay Công ty Load Test Inc của Mỹ là đơn vị chuyên trách về thí nghiệm này). Hiện tại tuy chi phí thử tải còn cao, nhng tơng lai về lâu dài phơng pháp thử tải tĩnh bằng hộp tải trọng Osterbetg có thể sẽ có chi phí thấp và có xu hớng sử dụng thay thế hoàn
chỉnh phơng pháp thử tải tĩnh truyền thoóng trong công tác thí nghiệm cọc khoan nhồi đờng kính lớn.
II. 5 Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc khoan nhồi theo công thức lý thuyết (theo kết quả thí nghiệm trong phòng):
Các công thức lý thuyết đều đợc thiết lập trên 2 loại đất tiêu biểu, đó là đất sét và đất cát.
Sức chịu tải cực hạn Qu của cọc bao gồm 2 thành phần: lực ma sát mặt bên và sức kháng chống ở chân cọc:
Qu = Qs + Qp
Hay Qu = As*fs + Ap*qp
u
Q Q
Q= FS= FS ss
Trong đó:
Qs : sức chịu tải cực hạn do ma sát mặt bên. Qp : sức chịu tải cực hạn do sức chống ở chân. Qa : sức chịu tải cho phép của cọc.
fs : ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất. qp : cờng độ chịu tải của đất ở chân cọc. As : diện tích mặt bên cọc.
Ap : diện tích ở chân cọc.
FS, FSs, FSp : hệ số an toàn. Giá trị đợc chọn tuỳ theo phơng pháp tính FS =2.5-3.0 ; FSs =2-2.5 ; FSp = 2-3.0
Ma sát trên đơn vị diện tích mặt bên của cọc, fs tính theo công thức: Đối với các loại đất: fs = ca + σ’v Ks tanϕa
Đối với đất dính: fs = α cu <1 kG/m2 Đối với đất rời: fs = σ’v Ks tanϕa
(Nếu độ sâu ở chân cọc Z > Zc ( độ sâu tới hạn) thì fs đợc tính ở độ sâu Z = Zc đối với đất rời)
Trong đó:
ca : lực dính giữa cọc và đất.
cu : sức chống cắt không thoát nớc của đất nền, xác định theo kết quả thí nghiệm trong phòng hoặc thí nghiệm cắt cánh hiện trờng.
σ’v : ứng suất hữu hiệu theo phơng thẳng đứng do tải trọng cột đất tại độ sâu tính toán ma sát bên.
Ks : hệ số áp lực ngang trong đất.
ϕa : góc ma sát giữa đất nền và mặt bên cọc.
α : hệ số không thứ nguyên, lấy = 0.3 – 0.45 cho sét dẻo cứng = 0.6 – 0.8 cho sét dẻo mềm
Zc : độ sâu tới hạn xác định theo góc ma sát trong ϕ của đất nền.
Ghi chú:Góc nội ma sát ϕ đợc lấy ϕ = ϕt – 30 , với ϕt là góc ma sát trong của đất nền trớc khi thi công.
Cờng độ chịu tải của đất ở chân cọc qp :
Đối với các loại đất: qp = c = Nc + σvp Nq + γ d Nγ
Đối với đất dính: qp = cu Nc Đối với đất rời: qp = σ’vp Nq
Trong đó:
cu : sức chống cắt không thoát nớc của đất nền, xác định theo kết quả thí nghiệm trong phòng hoặc thí nghiệm cắt cánh hiện trờng.
