C- Vận tốc của xung trong bêtông, m/giây
R d sức chịu tải động, do việc đóng cọc, sức cản động phụ thuộc vào tốc độ;
phụ thuộc vào tốc độ;
III.3.3.5. Quy trình thí nghiệm :
Phơng pháp thử động biến dạng lớn đợc thực hiện theo quy trình ASTM D4945-00 [12]hoặc theo các Tiêu chuẩn riêng do T vấn thiết kế quy định.
III.3.3.6. Thực hiện thử tải và phân tích kết quả :
Các thiết bị :
• Thiết bị tạo lực va chạm (búa nặng gây đợc 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 động PDA
1. Búa; 2. Cọc; 3. Đầu đo gia tốc; 3A. Máy đo gia tốc; 4. Đầu đo ứng suất; 4A. Máy đo ứng suất; 5. Thiết bị phân tích (máy tính+phần mềm); 6. Máy in kết quả.
Các bớc tiến hành thí nghiệm :
• Bắt chặt 2 cặp đầu đo gia tốc và biến dạng vào thân cọc đối xứng qua tim cọc, cách đỉnh cọc tối thiểu 2 lần đờng kính cọc.
• Vào máy các thông số, kiểm tra tín hiệu các đầu đo. Bắt lại đầu đo nếu cần thiết.
• Dùng búa đóng cọc đóng lên đầu cọc 5 nhát.
• Kiểm tra chất lợng tín hiệu ghi đợc của từng nhát búa, nếu tín hiệu không đợc tốt cho đóng lại.
• Tắt máy chuyển sang cọc khác.
Các đầu đo gia tốc và ứng suất đợc gắn chặt vào cọc, các tín hiệu từ đầu đo đợc truyền từ cọc nh năng lợng lớn nhất của búa, ứng suất kéo lớn nhất của cọc, sức chịu tải Case-Goble, hệ số độ nguyên vẹn... đợc quan sát trong quá trình thí nghiệm trên máy tính phân tích và hiển thị.
Các số liệu hiện trờng đợc phân tích bằng chơng trình CAPWAP (hoặc Case) nhằm xác định sức chịu tải tổng cộng của cọc, sức chống ma sát của đất ở mặt bên và ở mũi cọc cùng một số thông tin khác về công nghệ đóng và chất lợng cọc.
Kết quả phân tích bằng phần mềm CAPWAP
Nhờ phần mềm CAPWAP có thể in hoặc biểu thị ra đợc các kết quả dới đây :
• Sức chịu tải của cọc đơn :
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;
• ứng suất trong cọc :
ứng suất nén lớn nhất, ứng suất kéo lớn nhất; ứng suất nén tại mũi cọc;
• Sự hoạt động của búa :
Năng lợng truyền lớn nhất của búa lên đầu cọc (hiệu quả đóng cọc); Lực tác dụng lớn nhất lên đầu cọc; độ lệch giữa búa và cọc;
Tổng số nhát búa; số nhát búa trong một phút; Chiều cao rơi búa hoặc độ nảy của phần va đập;
• Hệ số hoàn chỉnh β của mặt cắt thân cọc.
Báo cáo kết quả thí nghiệm thử động PDA gồm có các nội dung sau :
• Tên, vị trí công trình.
• Chủ đầu t, t vấn thiết kế/giám sát, nhà thầu thi công cọc, đơn vị thí nghiệm.
• Số liệu về cọc thí nghiệm nh kích thớc cọc, ngày đổ bê tông, ngày thí nghiệm.
• Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm.
• Các biểu đồ quan hệ lực, vận tốc, sức chịu tải, năng lợng... theo thời gian.
• Biểu đồ quan hệ tải trọng-biến dạng và các bản tính.
• Kết luận và kiến nghị.
III.3.4. Phơng pháp thử tải trọng tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg :
Để thay thế cho việc sử dụng các kích truyền thống, dầm neo và hệ thống neo ngời ta đã sử dụng kích và hộp tải trọng đặt sẵn trong cọc trớc khi thi công để thực hiện thử tải thẳng đứng cọc. Kích và hộp tải trọng này đợc gọi là hộp tải trọng Osterberg.
III.3.4.1. Nguyên lý của phơng pháp :
Về nguyên lý phơng pháp này khá đơn giản. Dùng một hay nhiều hộp tải trọng Osterberg (hộp thuỷ lực làmn việc nh một kích thuỷ lực) đặt ở mũi cọc hay hay ở hai vị trí mũi và thân cọc trớc khi đổ bê tông cọc khoan nhồi. Sau khi bê tông dủ cờng độ tiến hành thử tải bằng cách bơm dầu thuỷ lực để tạo áp lực trong
hộp kích. Đối trọng 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 tới phá hoại khi một trong hai phá hoại xẩy ra ở mũi cọc và quanh thân cọc. Dựa theo các thiết bị đo chuyển vị và lực gắn trong hộp tải trọng Osterberg sẽ vẽ ra đợc các biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị mũi cọc và thân cọc. Từ các biểu đồ này tiến hành phân tích để xác định đợc sức chịu tải của cọc.
Cọc thử Chuyển vị mũi cọc Chuyển vị đầu cọc Chuyển vị hộp Hộp tải trọng Chuyển vị mũi cọc Chuyển vị đầu cọc Hộp tải trọng Chuyển vị hộp Cọc thử áp lực áp lực
Bố trí hộp tải trọng ở đáy lỗ khoan
III.3.4.2. Thiết bị kiểm tra :
Hộp tải trọng :
Hộp tải trọng Osterberg là thiết bị quan trọng nhất trong phơng pháp này. Một hộp tải trọng Osterberg gồm hai pít tông, giữa chúng có một khoang có thể chứa chất lỏng (thờng là dầu). Hai pit tông của hộp tải trọng đợc hàn vào các tấm thép dày đến 50 mm và có đờng kính xấp xỉ đờng kính cọc kiểm tra. Hộp tải trọng sẽ đợc tăng áp lực bằng việc bơm dầu thuỷ lực bằng một bơm ở trên mặt đất. Vì diện tích mặt cắt ngang của hộp bé hơn rất nhiều so với tấm thép nên sẽ tạo ra đợc một áp lực rất lớn lên cọc kiểm tra.
Hình ảnh hộp tải trọng Osterberg
Bảng: Các thông số kỹ thuật của hộp tải trọng Osterberg
Khả năng chịu tải (T) Đờng kính (inch) Chiều cao (inch) Hành trình (inch) Tự trọng (kg) 40 75 200 400 1000 3000 4 5-1/4 9 13 21-1/4 34-1/4 5-3/16 5-3/16 10-3/4 11-5/8 11-5/8 12-1/8 3 3 6 6 6 6 9 14,5 86 135 360 495 Hiện nay, công ty LOADTEST đang giữ độc quyền về công nghệ này. Dới đây giới thiệu một số thông số kỹ thuật chính của hộp tải trọng Osterberg do công ty này sản xuất.
Bơm áp lực và thiết bị đo lực :
áp lực thử đợc truyền xuống hộp tải trọng nhờ bơm thuỷ lực đặt trên mặt đất. Tải trọng này đợc điều chỉnh bằng việc đo áp suất chất lỏng trong bơm. Do đó hộp tải trọng Osterberg cần phải đợc kiểm định bằng một máy thí nghiệm trớc khi lắp đặt để tìm đợc mối liên hệ giữa áp suất đo đợc và tải trọng cung cấp bởi hộp tải trọng. Thông thờng thì việc kiểm định đợc thực hiện bởi nhà cung cấp. Chú ý rằng khi thực hiện thí nghiệm thì áp lực dầu đợc đo trên mặt đất, còn hộp
tải trọng thì đợc đặt dới sâu. Do đó áp lực thực tế ở hộp tải trọng là áp lực đo đ- ợc cộng với áp lực cột chất lỏng từ thiết bị đo xuống đến tâm hộp tải trọng. Việc hiệu chỉnh này cần phải đợc thực hiện trớc khi vẽ đồ thị quan hệ tải trọng- chuyển vị.
Thiết bị đo chuyển vị :
Chuyển vị có thể đợc đo tại đỉnh hộp qua các đồng hồ đo đợc điều khiển bởi các cảm biến chuyển vị đợc treo trên các thanh dầm ổn định trên mặt đất. Tơng tự nh vậy, chuyển vị cũng có thể đợc đo ở đầu cọc thí nghiệm bằng các cảm biến chuyển vị đợc treo ở các dầm chuẩn, và chuyển vị của đáy tấm bản có thể đợc đo bằng việc đo chuyển vị của đầu hộp tải trọng Osterberg và đo chuyển vị tơng đối giữa hai mặt của hộp bằng các cảm biến chuyển vị bằng điện gắn giữa đỉnh và đáy của tấm.
Các thiết bị khác :
• Hệ thống ống dẫn phục vụ cho hộp tải trọng;
• Máy bơm vữa áp lực cao và hệ thống ống dẫn vữa, các ống có măng sét để chôn sẵn trong cọc;
• Thiết bị ghi nhận và xử lý tại chỗ;
• Máy tính với phần mềm xử lý kết quả;
III.3.4.3. Trình tự tiến hành :
Bớc 1 : Lắp sẵn các hộp Osterberg, các đờng dẫn áp lực và các thiết bị khác đợc gắn vào các khung thép của cọc khoan nhồi. Bản gia cờng của hộp tải trọng đợc hàn chặt vào khung cốt thép đảm bảo trùng với truục của khung trớc khi hạ cốt thép vào trong hố cọc. Trong trờng hợp có tầng hộp đặt ở giữa khung thì phải tiến hành cắt hết các cốt thép chủ tại cao trình đặt hộp sao cho hai đoạn cọc cho thể dịch chuyển ngợc chiều nhau.
Bớc 2 : Khi thi công xong hố cọc, tiến hành đổ một lớp bê tông hay vữa thích hợp xuống đáy hố. Khi bê tông hay vữa còn tơi tiến hành đặt khung cốt thép đã gắn đầy đủ thiết bị xuống.
Bớc 3 : Đổ bê tông thân cọc.
hớng từ trên xuống). Do đó sức kháng thành bên và sức kháng đáy cọc là tơng đơng. Với việc bố trí nh vậy sẽ xác định đợc quan hệ giữa sức kháng thành bên với chuyển vị thành bên và giữa sức kháng đầu cọc và chuyển vị đầu cọc cho đến khi thành bên hoặc đáy cọc bị phá vỡ nh trên hình dới đây.
Theo sơ đồ chất tải này thì nếu gọi tổng các lực ma sát thành bên trên toàn bộ chiều dài cọc là Pms và lực chống ở đầu cọc là Pd, lực do hộp tải trọng Osterberg gây ra là P0 ta có nhận xét nh sau :
Khi tạo lực P0 trong hộp tải trọng Osterberg, theo nguyên lý cân bằng phản lực một lực P0 truyền lên thân cọc và hớng lên trên sẽ đợc cân bằng bởi lực ma sát thành bên và tải trọng bản thân cọc G. Phần phản lực P0 hớng xuống phía dới và đợc cân bằng với sức chống của đất nền dới đầu cọc. Nh vậy trong quá trình chất tải (tăng dần P0) ta luôn có :
P0 = (G + Pms) < G + Pmsgh
hoặc : P0 = Pd < Pdgh
Cọc thí nghiệm sẽ đạt đến phá hoại khi đạt đến cân bằng của một trong hai biểu thức nêu trên, tức là khi bị phá hoại đầu cọc trớc (đất dới đầu cọc đạt đến trạng thái phá hoại) hoặc bị phá hoại ở thành bên trớc (cọc và đất bao quanh có chuyển dịch dẻo).
C hu yể n vị ( in ) Tải trọng (T) Bản trên hộp Bản dưới hộp
Đờng cong tải trọng - chuyển vị khi tải trọng giới hạn xuất hiện ở mũi cọc
Cách xác định tải trọng giới hạn của cọc :
Do kết quả thu đợc là hai biểu đồ tải trọng-chuyển vị mũi cọc và đầu cọc độc lập nhau nên để sử dụng và so sánh với với thử tải truyền thống phải dựng đợc biểu đồ tải trọng chuyển vị tơng đơng nh trong thử tải tĩnh truyền thống. Để thực hiện đợc điều đó phải dựa vào các giả thiết cơ bản sau đây:
1. Đờng cong tải trọng-chuyển vị mũi trong cọc đợc chất tải tĩnh truyền thống giống nh đờng cong tải trọng chuyển vị đợc xây dựng với dịch chuyển đi xuống của hộp tải trọng.
2. Đờng cong tải trọng-chuyển vị ma sát bên của dịch chuyển đi lên trong this nghiệm hộp tải trọng đợc giống nh dịch chuyển đi xuống trong thí nghiệm truyền thống.
3. Bỏ qua độ nén trong thân cọc khi coi nó là vật rắn.
Sau khi lập đợc biểu đồ tải trọng-chuyển vị đầu cọc tơng đơng, do chỉ xác định đợc một tải trọng giới hạn nên phải ngoại suy tìm giá trị tải trọng giới hạn thứ hai. Khi đó tải trọng giới hạn của cọc sẽ là :
Pcọcgh = Pmũigh + Pthângh
Hộp tải trọng Đoạn cọc kiểm tra Đoạn cọc phản lực C hi ều s âu ( ft ) Đường kính (ft) Bố trí hộp tải trọng để chỉ xác định sức chịu tải thành bên
Điều đặc biệt là cả sức kháng tới hạn của thành bên và đáy cọc đều có thể xác định đợc theo cách bố trí này. Nếu chỉ cần xác định sức kháng thành bên thì có thể bố trí hộp tải trọng nh hình trên. Theo cách bố trí này thì hộp tải trọng không bố trí ở đáy cọc mà đợc đặt trên đỉnh của một đoạn đầu cọc. Đoạn cọc ở phía dới hộp tải trọng để tăng phản lực ở dới hộp và để chắc chắn nếu thiết kế hợp lý thì sự phá hoại sẽ xuất hiện ở phần cọc thí nghiệm phía trên hộp chứ không phải là phá hoại trong tổ hợp giữa sức kháng đầu cọc và thành bên ở đoạn cọc phản lực ở dới hộp.
Bớc 1 Bớc 2
Bớc 3 Bớc 4
Trình tự chất tải khi sử dụng hai hộp tải trọng
Cũng có thể có nhiều cách bố trí khác nhau để thực hiện thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg. Trên hình trên cho phép đo đợc đầy đủ sức kháng thành cọc và sức kháng đáy cọc. Phải có hai hộp tải trọng đợc đặt ở hai độ sâu khác nhau. Với việc bố trí nh thế thì có thể tạo đợc tải trọng thí nghiệm rất lớn. Cao trình đặt ở tầng thân phải đảm bảo điều kiện Pmũigh ≥ PA-Bgh. Tuy nhiên trình tự trong trờng hợp này sẽ phức tạp hơn. ở cầu Mỹ Thuận ngời ta đã tiến hành thử tải trọng cọc khoan nhồi theo phơng pháp này.
Một điều quan trọng cần lu ý khi sử dụng kết quả của tải trọng thử bằng phơng pháp Osterberg là lực thử tác dụng lên cọc là lực nén nhờ việc đẩy cọc hớng lên phía trên (trừ đoạn cọc nằm dới hộp tải trọng). Đây là loại tải trọng khác so với tải trọng trong giai đoạn sử dụng và do đó một số hiệu ứng vật lý nhất là hệ số Possion của đất đá xung quanh sẽ rất khác so với giai đoạn sử dụng. Do đó
Đóng Hoạt động Đóng Hoạt động Phá hoại Thành bên Phá hoại mũi cọc Mở Hoạt động Mở Hoạt động Phá hoại thành bên (chiều ngược lại) Phá hoại thành bên A B A B A A B B
Tiết kiệm đợc thời gian;
Không chiếm dụng mặt bằng trên đầu cọc, có thể thực hiện đợc đối với các cọc trên sông nớc;
Có thể thử tải đối với cả cọc xiên;
Có khả năng tạo đợc tải trọng thử lớn;
Xác định đợc một cách riêng rẽ thành phần kháng lực thành bên và sức kháng mũi cọc.
Bên cạnh các u điểm nổi bật trên, phơng pháp thử tải trọng Osterberg cũng có những nhợc điểm cần lu ý sau :
Cách xây dựng các chuẩn phá hoại của hai thành phần sức kháng thành bên và sức kháng mũi cọc khá khó khăn.
Khi cọc bị kéo lên, một vài hiệu ứng vật lý có thể khác so với tải trọng tác dụng thực tế của cọc.
III.3.5. Phơng pháp thử tải tĩnh động Statnamic :
Phơng pháp đợc tiến hành lần đầu tiên vào năm 1988 ở Canada với tải trọng thử là 10 T. Đến năm 1989 thì phơng pháp này đã đợc áp dụng trên thực tế ở một số nớc nh Canada, Hà Lan, Mỹ, Nhật Bản,...Từ đó đến nay đã có các kết quả nghiên cứu ứng dụng phơng pháp Statnamic (STN) trong nhiều loại hình cọc ở các nớc trên thế giới.
Phơng pháp STN đợc thực hiện không cần đến các thiết bị chất tải tốn kém. Ưu điểm của phơng pháp STN so với phơng pháp hộp tải trọng Osterberg là không cần thiết bị tải trọng đặt sẵn trong cọc. Có nghĩa là phơng pháp thử tải tĩnh
động STN có thể thực hiện đối với các cọc không có kế hoạch thử tải trớc khi thi công.
III.3.5.1. Nguyên lý của phơng pháp :
Phơng pháp này đợc trình bày trên hình. Cũng giống nh phơng pháp Osterberg, phơng pháp này khá đơn giản. Tải trọng tĩnh đợc đặt lên trên đầu cọc. Dới tĩnh tải đặt một khối nhiên liệu rắn và một hộp tải trọng. Khối nhiên liệu này đợc đốt cháy tạo ra một lực lớn đẩy khối tính tải phía trên. Khi đó đầu cọc sẽ nhận một phản lực bằng trọng lợng tĩnh tải nhân với gia tốc ban đầu gây ra bởi nhiên liệu bị đốt cháy. Lực này tăng dần trong thời gian từ 1 đến 120 mili giây, làm