MẶT CẮT ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Nhà máy Nhiệt điện Cần Thơ - Trà Nóc- Tp.Cần Th
CHƯƠNG 6 NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CỌC KHOAN NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY
6.1 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THÂN CỌC
6.1.1 Phương pháp biến dạng nho û(PIT)
6.1.1.1) Nguyên lý : dùng lý thuyết truyền sóng ứng suất trong thanh đàn hồi tuyến tính. Khi tạo một xung lực bằng cách gõ búa lên đầu cọc, ứng suất xuất hiện và truyền theo thân cọc xuống dưới. Sóng ứng suất sẽ bị phản xạ tại bất cứ vị trí nào có sự thay đổi trở kháng (thay đổi tiết diện,mật độ,gián đoạn.. ) và thời gian phản xạ tỉ lệ với khoảng cách gặp khuyết tật.
Đo cường độ sóng phản xạ và thời gian phản xạ tại đầu cọc có thể đánh giá được sự thay đổi trở kháng của vật liệu cọc, tức là đánh giá được sự thay đổi tiết diện, chất lượng và vị trí của khuyết tật .
% Sự biến đổi của kháng trở ( Z ) :
Kháng trở Z của cọc tỷ lệ thuận với tiết diện ( A ), môđun đàn hồi ( E ) của cọc và mật độ ( ρ ) của vật liệu cọc theo quan hệ :
. .
Z A E A E
c ρ
= = ( 6.1 )
Trong đó : c : tốc độ truyền sóng ứng suất, với c2 E
= ρ ( 6.2 ) Khi tác động một lực P lên đầu cọc, vận tốc chuyển dịch tại điểm tác
động là : W P
=Z ( 6.3 )
Khi dọc theo thân cọc trở kháng thay đổi từ Z0→ Z1 , tại điểm thay đổi trở kháng sóng tách ra làm hai thành phần, một phần tiếp tục đi xuống, một phần phản xạ lên trên . Phương trình cân bằng lực và sóng là :
d o u
P = −P P ( 6.4 )
d o u
W =W −W ( 6.5 )
Trong đó : Po , Wo : là lực và vận tốc sóng ban đầu . Pd , Wd : là lực và vận tốc đi xuống . Pu , Wu : là lực và vận tốc đi lên .
⇒
1
d o u
o o
P P P
Z =Z −Z ( 6.6 )
Đặt : 1
o
Z
β = Z và u u
o o
P W
P W
α = − = − ( 6.7 )
⇒ 1
1 β α
α
= −
+ ( 6.8 )
Khi α = 0 fi β = 1 : không có sóng phản hồi hay Zo = Z1 không có sự thay đổi trở kháng cơ học, fi tiết diện cọc không thay đổi Ao = A1
Khi α > 0 fiβ < 1 hay Z1 < Zo : tiết diện cọc giảm Ao > A1
Khi α < 0 fiβ > 1 hay Z1 > Zo : tiết diện cọc tăng Ao < A1
Bảng 6.1 : Bảng đánh giá khuyết tật thân cọc dựa vào β : Giá trị ββββ Trạng thái thân cọc 0,9 < β < 1,0
0,8 < β < 0,9 0,6 < β < 0,8 β < 0,6
Cọc tốt Khuyết tật nhỏ
Khuyết tật Cọc hư hỏng hay gãy
Ma sát bên thân cọc là một trong những nguyên gây ra sóng phản hồi, khi đất nền chuyển từ đất lớp có ma sát bên lớn sang lớp đất có ma sát bên nhỏ hơn thì sóng phản hồi có dạng tương tự như trường hợp giảm kháng trở . Vì vậy độ lớn và dạng của sóng phản hồi là các thông số cần thiết để xác định về sức kháng của đất nền và vị trí, mức độ khuyết tật của cọc .
6.1.1.2) Thiết bị và quy trình thí nghiệm :
Trong thí nghiệm biến dạng nhỏ, xung lực do búa tạo ra gia tốc khoảng 10 ÷ 100 lần gia tốc trọng trường, biến dạng đầu cọc khoảng 10-5 mm với tốc
- 127 -
độ 30 mm/s và chuyển vị không quá 0,03 mm. Gia tốc kế gắn trên đầu cọc ghi lại gia tốc của xung lực
Thiết bị : tùy theo từng hãng sản xuất mà thiết bị có thể có cấu trúc, hình dáng cấu tạo khác nhau nhưng đều phải gồm các phần chính sau :
- Các đầu đo gia tốc .
- Bộ phận máy tính phân tích số liệu hiện trường có khả năng tiếp nhận, chuyển và xử lý dữ liệu tính hiệu số.
- Thiết bị tạo va chạm ( có đồng hồ đo lực ) .
- Máy tính với phần mềm chuyên dụng xử lý số liệu tại văn phòng, máy in
Hình 6.1 : Thí nghiệm phương pháp biến dạng nhỏ
Quy trỡnh thớ nghieọm :
* Công tác chuẩn bị : - Lắp đặt thiết bị .
- Kiểm tra sơ bộ chất lượng bêtông đầu cọc .
- Làm vệ sinh đầu cọc, dùng máy mài làm phẳng các vị trí thí nghiệm trên đầu cọc .
- Xác định rõ vị trí mối nối cọc
- Xác định chính xác vị trí các điểm tiến hành làm thí nghiệm, thông thường từ 3 đến 5 vị trí trên mặt cọc .
* Làm thí nghiệm :
- Trong quá trình thu nhận tín hiệu, đầu đo phải đảm bảo ổn định và vuông góc với đầu cọc .
- Số liệu thu thập được tại hiện trường được truyền vào máy tính trong phòng thí nghiệm và được xử lý bằng phần mềm chuyên dụng ( Pitstop ).
4 5 2
3 1
Hình 6.2: Vị trí kiểm tra cọc
Tác động đầu Phản hồi
lần 1 Phản hồi laàn 2
Wi
Wu
Wd
Khuyết tật
Hình 6.3 : Quá trình truyền sóng trong cọc - Nhập các thông số kỹ
thuật của cọc và bộ lưu trữ soỏ lieọu .
- Gắn đầu đo gia tốc vào đầu cọc và nối với máy ghi - Lót tấm đệm bằng vật liệu dẻo đệm giữa đầu đo và mặt cọc .
- Dùng thiết bị tạo va cham tác dung vào đầu coc
- 129 -
- Dựa vào điều kiện địa chất kết hợp với các biểu đồ sóng phản hồi đặc trưng từ những thí nghiệm trên một số cọc tại hiện trường để phán đoán khuyết tật cọc .
- Các vị trí phán đoán là các vị trí có sóng phản hồi khác với biểu đồ đặc trưng .
Ưu điểm của phương pháp PIT :
- Thực hiện nhanh
chóng có thể thử được hơn 100 cọc/ngày với chi phí thaáp
- Có thể làm thí nghiệm cho cọc đứng và cọc nghieân .
- Ít gây ảnh hưởng đến các hoạt động xung quanh
- Thí nghiệm trong điều kiện đơn giản, thiết bị nhỏ gọn . - Kết quả chính xác .
Khuyết điểm : phạm vi áp dụng thí nghiệm bị hạn chế, chỉ xác định được các khuyết tật của cọc trong giới hạn chiều dài nhỏ hơn 30d (d: đường kính cọc) .
6.1.2 Phương pháp siêu âm : 6.1.2.1 Nguyeân lyù :
Phương pháp siêu âm dùng để xác định chất lượng cọc dựa trên đặc điểm của quá trình truyền sóng siêu âm trong vật liệu . Vật liệu càng đặc, chắc thì tốc độ lan truyền của sóng siêu âm trong chúng càng lớn.
Chuù thích :
(a) Chất lượng cọc tốt không bị khuyết tật (b) Cọc bị tăng tiết diện tại độ sâu 35 ft (c) Cọc bị giảm tiết diện tại độ sâu 18 ft (d) Cọc bị gãy tại độ sâu 8 ft kể từ đỉnh cọc
Hình 6.4 : Dạng biểu đồ sóng và chaỏt lửụng coc theo PIT
Đối với bêtông đặc chắc, tốc độ lan truyền của sóng siêu âm khoảng 3000÷5000 mm/s phụ thuộc vào thành phần cấp phối của vật liệu
Dựa vào trị số tốc độ truyền sóng âm, suy đoán chất lượng vật liệu tạo cọc theo bảng sau :
- Đánh giá quan hệ giữa tốc độ xung và chất lượng bêtông theo Whitechurst (1996):
Bảng 6.2 :
Vận tốc (m/s) < 2135 2135÷3050 3050÷3660 3660÷4570 >4570 Chất lượng Rất kém Kém Trung bình Tốt Rất tốt
- Đánh giá quan hệ cường độ bêtông cọc và vận tốc truyền sóng sieâu aâm theo J.C.Tijou (1984):
Bảng 6.3 :
Vận tốc (m/s) 3000÷3250 3250÷3500 3500÷3750 3750÷4000
Cường độ nén (Mpa) 20 25 30 35
Trong thí nghiệm siêu âm, hai đầu dò (đầu phát và đầu thu sóng siêu âm) được thả song song trong các ống dẫn đã được đặt trước khi đổ bêtông, luôn cùng cao độ trong suốt chiều dài cọc.
Các xung điện tạo ra bởi bộ phận gây xung được chuyển thành sóng siêu âm qua đầu phát đến đầu thu lại được chuyển trở lại thành các xung điện rồi được máy xử lý chuyển các tín hiệu này sang dạng số và được lưu trữ lại trong bộ nhớ để in ra hay chuyển sang máy tính .
Cường độ tín hiệu và thời gian trễ được biểu diễn trên trục hoành và chiều sâu thể hiện trên trục tung . Tùy vào độ trễ và cường độ tín hiệu có thể xác định được các khuyết tật của cọc như bêtông bị rỗng, lẫn bùn đất, chất lượng bêtông kém, tiết diện cọc thay đổi .
- 131 -
6.1.2.2 Thiết bị và quy trình thí nghiệm :
* Thiết bị : gồm các phần chính sau :
- Nguồn phát sóng siêu âm và máy dò thu sóng siêu âm .
- Nguồn cung cấp hiệu điện thế sóng siêu âm để kích thích nguồn với hệ thống nút đồng bộ hóa để khởi động hệ thống ghi nhận tín hiệu sóng .
- Một thiết bị thước đo chiều sâu với sai số lớn nhất như sau :
• 1 / 500 khoảng cách giữa các đầu đo và đỉnh ống là 5 cm .
• Sai số về phép đo thời gian là 3% thời gian truyền sóng đo được.
- Bộ lọc tín hiệu sóng tương ứng, bộ khuyếch đại và hệ thống dây cáp.
- Máy tính, máy in có cài phần mềm chuyên dụng để xử lý tín hiệu
* Quy trỡnh thớ nghieọm :
Công tác thí nghiệm đo độ đồng nhất bêtông cọc khoan nhồi bằng sóng siêu âm có thể thực hiện cho từng cọc trong khoảng thời gian từ 7 ÷ 20 ngày sau khi hoàn thành công tác đổ bêtông .
Các ống thí nghiệm siêu âm được bố trí từng đôi một đối xứng qua tâm lồng thép và các ống này được bố trí trong chu vi mặt cắt ngang thân cọc. Các
Hình 6.5 : Sơ đồ kiểm tra cọc theo phương pháp siêu âm
ống đo này làm bằng thép có mặt cắt ngang là hình tròn với bề mặt bên trong phẳng không có bất kỳ một khuyết tật trong chế tạo cũng như không có những chỗ gồ ghề ngay cả trong mối nối .
Các ống dẫn phải được bịt kín hai đầu, được cố định vào khung lồng thép để không bị dịch chuyển khi đổ bêtông. Số lượng ống phụ thuộc vào kích thước của cọc khoan nhồi nhằm để kiểm tra được nhiều nhất khối lượng bêtông trong khi góc quét của chùm tia siêu âm bị hạn chế
Số lượng ống dẫn đặt sẵn phụ thuộc vào kích thước cọc khoan nhồi cần kiểm tra. * Theo TCXD 206 : 1998 số lượng ống cần thiết được quy định :
- Dcọc≤ 60 cm : cần đặt 2 ống . - 60 < Dcọc < 120 cm : cần đặt 3 ống - Dcọc ≥ 120 cm : cần đặt 4 ống
* Theo ASTM : Dcọc≤ 75 cm : cần đặt 2 ống, góc giữa 2 ống là 180o
- 75 < Dcọc≤ 105 cm : cần đặt 3 ống, góc giữa các ống là 120o - 105 < Dcọc≤ 150 cm : cần đặt 4 ống, góc giữa các ống là 90o - 150 < Dcọc≤ 240 cm : cần đặt 6 ống, góc giữa các ống là 60o - Dcọc > 240 cm : cần đặt 8 ống, góc giữa các ống là 45o
-
Hình 6.6 : Sơ đồ bố trí các ống đo trong thân cọc . Cọc barrette
Cọc nhồi φ = 1500÷2100
Cọc nhồi φ = 1000÷1400
Cọc nhồi φ < 1000
- 133 -
Ngoài ra ta nên ống trí thêm 2 ống dẫn so với số lượng ống yêu cầu theo tiêu chuẩn nhằm dự phòng cho các ống dẫn có thể bị hư hỏng trong quá trình thi công không còn đảm bảo đúng yêu cầu .
Các thông tin về đường kính mũi cọc, cao độ đỉnh cọc, chiều dài cọc phải được cập nhật đầy đủ trước khi thực hiện công tác thí nghiệm.Việc thí nghiệm siêu âm phải được thực hiện giữa các cặp ống siêu âm đối xứng nhau Đo siêu âm mặt cắt ngang thân cọc cứ 6 cm theo chiều sâu thân cọc thực hiện đo một lần, việc đo phải được tiến hành từ mũi cọc đến đỉnh cọc.
Các máy phát và dò thu sóng siêu âm phải được thả cùng lúc .
Kiểm tra dây treo máy dò và máy phát nhằm tăng độ chính xác khi đo tránh trường hợp dây bị xoắn, chùng . . . trước khi làm thí nghiệm .
Trong quá trình thực hiện thí nghiệm nếu phát hiện những bất thường thông qua thời gian thu phát sóng dài hơn lúc bình thường thì phải thực hiện việc đo kiểm tra bổ sung theo yêu cầu nhằm để xác định chính xác các thông tin dị thường ngay cả việc xác định phạm vi phần bị dị tật trên .
* Phân tích kết quả đo được :
Từ các kết quả thu được như vận tốc, biên độ, năng lượng và thời gian truyền sóng kết hợp với hình dạng của dải tần sóng âm người ta xác định được cường độ bêtông, chất lượng bêtông cọc và các khuyết tật trên thân cọc
Lưu ý vật liệu bêtông là môi trường không đồng nhất và đẳng hướng, chất lượng của nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nên các đặc trưng âm học đo được của nó cũng chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố,với các nhân tố chủ yeáu sau :
- Độ ẩm và tỷ lệ nước–ximăng.Nhiệt độ và tuổi của bêtông lúc kiểm tra - Chiều dài đường truyền. Hình dạng và kích thước mẫu .
- Cốt thép trong bêtông, bố trí song song hay vuông góc với phương truyền âm .Độ lớn, thành phần khoáng, tỷ lệ phối chế của vật liệu ...
* Nhận xét :
Phương pháp siêu âm đánh giá tổng thể chất lượng bêtông cọc trong phạm vi sóng truyền qua do đó chỉ kiểm tra được bộ phận lõi của thân cọc nằm giữa hai ống dẫn mà không kiểm tra được mặt ngoài, lớp bêtông bảo vệ của cọc và không xác định được kích thước và bản chất của khuyết tật .
Dữ liệu cơ sở để đánh giá chất lượng bêtông là biểu đồ phổ, bêtông chất lượng càng tốt thì các vạch trên biểu đồ phổ càng đen và chất lượng bêtông đồng đều thì vạch càng thẳng, ổn định . Các giá trị tuyệt đối của thời gian truyền sóng, tốc độ truyền sóng chỉ có ý nghĩa tham khảo vì nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai ống siêu âm được coi là như nhau trong suốt chiều dài thân cọc .
Cọc nghi ngờ có khuyết tật khi : tín hiệu bị mất hoàn toàn, độ đen của vạch quang phổ thứ nhất giảm mạn, thời gian truyền sóng tăng đột ngột tương ứng với sự giảm đột ngột của tốc độ truyền sóng.
Hình 6.7 : Kết quả siêu âm thu được hư hỏng thân cọc do rút rút ống đổ bêtông lên quá cao gây ra thấu kính bùn trong thân cọc
- 135 -
6.1.3 Phương pháp thử động biến dạng lớn PDA : 6.1.3.1 Nguyeân lyù :
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 kỹ thuật điện tử,tin học hiện đại
Phương trình truyền sóng : giả thiết cọc đàn hồi đồng nhất, đất nền làm việc dẻo lý tưởng, từ các kết quả của lý thuyết phương trình truyền sóng ta có thể xác định được lực kháng tổng cộng của đất khi đóng cọc theo biểu thức :
1 2
1 2
( ) ( )
( ) ( ) . .
2
v t v t
F t F t M C
R L
+ + −
= ( 6.9 )
Trong đó : - R : sức kháng tổng cộng của đất; 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 đến mũi
cọc và phản xạ lại .
6.1.3.2 Thiết bị và quy trình thí nghiệm :
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 gắn trên cọc trong một chu kỳ va chạm. Số liệu thu được nhờ 2 gia tốc kế với tần số cộng hưởng khoảng 7500Hz đặt ở các khoảng cách 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 được truyền qua cáp nối chống nhiễu đến thiết bị ghi và biến đổi số liệu.
Thiết bị biểu thị các đồ thị của lực, tốc độ . . . tất cả các thiết bị này được gắn bên trong một máy tính hiện đại .
Búa đóng : có thể dùng búa hơi, búa Diesel có trọng lượng bằng 1÷2%
sức chịu tải cọc .
Các kết quả đo được :
- Sức chịu tải của cọc : Sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa, từng cao độ của cọc . Ma sát hông, sức kháng của mũi cọc .
- Ứng suất trong cọc :Ứng suất nén lớn nhất, ứng suất kéo nhỏ nhất. Ứng suất nén tại mũi cọc
- Sự hoạt động của búa :
Năng lượng truyền lớn nhất của búa truyền 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 búa trong vòng 1 phút . Chiều cao rơi búa hoặc độ nảy của phần va đập . - Tính nguyên dạng hoặc hư hỏng của cọc :
Xác định mức độ hoặc vị trí hư hỏng * ệu, khuyeỏt ủieồm cuỷa PDA :
- Thời gian thử nhanh hơn thử tĩnh,chi phí thấp,thử được nhiều cọc trong 1 ngày
- Đánh giá tương đối tốt, đầy đủ về sức chịu tải của cọc .
- Có thể xác định được vị trí và mức độ các khuyết tật trong thân cọc . - Tuy nhiên khi dùng phương pháp này đối với cọc khoan nhồi có đường kính lớn thì đòi hỏi phải có búa đóng đủ lớn trọng lượng lên đến hàng chục tấn rơi trên đầu cọc gây nhiều khó khăn cho việc thử nghiệm cọc
- 137 -
- Tiêu chuẩn áp dụng : tiêu chuẩn ASTM – D4945