Cỏc thớ nghiệm kiểm tra chất lƣợng cọc IV.1 Thớ nghiệm biến dạng nhỏ (PIT)

- Thổi rửa đạt yờu cầu và chuyển cụng việc tiếp theo

Cỏc thớ nghiệm kiểm tra chất lƣợng cọc IV.1 Thớ nghiệm biến dạng nhỏ (PIT)

IV.1 Thớ nghiệm biến dạng nhỏ (PIT)

IV.1.1 Vấn đề chung

IV.1.1.1 Nguyờn lý của phương phỏp thớ nghiệm

Thớ nghiệm động biến dạng nhỏ phỏt hiện khuyết tật của cọc bằng cỏch đo và phõn tớch phản ứng của cọc đối với xung lực do bỳa thớ nghiệm loại nhỏ tạo ra. Súng ứng suất cú tần số cao, gia tốc lớn nhƣng ứng suất gõy ra trong cọc rất nhỏ (xem bảng IV.1). Súng lan truyền trong cọc với vận tốc phụ thuộc vào cỏc đặc trƣng của vật liệu. Trong quỏ trỡnh lan truyền, nếu trờn thõn cọc cú những biến động của độ cứng (vớ dụ do khuyết tật) thỡ một phần súng phản hồi trở lại đầu cọc (hỡnh IV.1). Dạng, biờn độ và thời gian trở lại của súng phản hồi cho phộp đỏnh giỏ về dạng, mức độ và độ sõu cú biến động của độ cứng của cọc.

Thớ nghiệm gia tải cọc đƣợc thực hiện nhằm mục tiờu duy nhất là phỏt hiện khuyết tật trong cọc. Kết quả thớ nghiệm biến dạng nhỏ cung cấp thụng tin về vị trớ của khuyết tật và dự bỏo mức độ khuyết tật. Thớ nghiệm này khụng đỏnh giỏ đƣợc khả năng chịu tải của cọc và nền đất.

Hỡnh IV.1 Nguyờn lý thớ nghiệm PIT

Bảng IV.1 Một số thụng số của thớ nghiệm PIT

Tham số Giỏ trị

Biến dạng lớn nhất 210x10-6

Vận tốc lớn nhất (mm/s) 1030

Lực lớn nhất (kN) 2-20

29

Gia tốc của cọc (g) 50

Chuyển dịch của cọc (m) 2

Bƣớc súng (m) 2-8

IV.1.1.2 Ưu điểm và hạn chế của phương phỏp a) Ưu điểm của phương phỏp

Phƣơng phỏp PIT cú nhiều ƣu điểm, nhƣ:

- Thực hiện nhanh với chi phớ thấp, mỗi thiết bị cú thể thực hiện hàng chục thớ nghiệm trong 1 ngày;

- Độ tin cậy khỏ cao khi đƣợc sử dụng để phỏt hiện khuyết tật ở độ sõu dƣới 30 lần bề rộng tiết diện cọc;

- Cú thể kiểm tra cỏc cọc dƣới múng cụng trỡnh hiện hữu;

- Khụng đũi hỏi khắt khe về chuẩn bị mặt bằng, cú thể thực hiện cho tất cả cỏc cọc của cụng trỡnh;

- Thiết bị gọn nhẹ, dễ vận hành.

b) Hạn chế của phương phỏp

Phƣơng phỏp PIT cũng cú nhiều hạn chế, nhƣ:

- Độ tin cậy thấp khi định lƣợng mức độ khuyết tật;

- Khụng phõn biệt đƣợc khuyết tật là do giảm tiết diện hay giảm chất lƣợng bờ tụng;

- Cú thể nhầm lẫn khuyết tật với mũi cọc, khi khuyết tật nằm khụng xa mũi cọc;

- Khi cọc cú khuyết tật nằm ở nhiều độ sõu hoặc khi cọc cú nhiều mối nối thỡ rất khú đỏnh giỏ tỡnh trạng phần cọc nằm dƣới khuyết tật hay mối nối thứ nhất hoặc thứ 2;

- Khú phỏt hiện khuyết tật nằm ngay gần đầu cọc;

- Độ sõu thăm dũ hạn chế khi cọc nằm trong đất tốt cú sức khỏng cao; - Độ sõu thăm dũ thƣờng chỉ giới hạn trong khoảng 30d;

- Chỉ phỏt hiện cỏc thay đổi đột ngột của khỏng trở; - Khụng đỏnh giỏ đƣợc khả năng chịu tải của cọc.

IV.1.2 Cỏc tiờu chuẩn thớ nghiệm

Tiờu chuẩn về thớ nghiệm PIT đó đƣợc ban hành ở nhiều nƣớc trờn thế giới, trong đú cú Việt Nam. Một số tiờu chuẩn đỏng chỳ ý là:

30

- Việt Nam: TCVN 9397:2012 “Cọc - Kiểm tra khuyết tật bằng phƣơng phỏp động biến dạng nhỏ” (TCXDVN 359:2005 trƣớc kia)

- Mỹ: ASTM D 5882-00

- Trung Quốc: JGJ 93-95 - Australia: AS 2159-1995

- Phỏp: NFP 94-160-2, NFP 94-160-4

- Anh: Specification for Piling, Institution of Civil Engineers

IV.1.3 Thiết bị thớ nghiệm

Thiết bị thớ nghiệm PIT gồm bộ phận tạo xung lực, cỏc đầu đo, bộ thu nhận và xử lý sơ bộ và mỏy tớnh cựng phần mềm xử lý số liệu. Trờn hỡnh IV.2 là thiết bị thớ nghiệm PIT do hóng Pile Dynamics (Mỹ) sản xuất.

1. Thiết bị thu nhận và xử

lý số liệu sơ bộ 2. Bỳa cầm tay

3 Đầu đo gia tốc

Hỡnh IV.2 Thiết bị thớ nghiệm PIT

IV.1.3.1 Thiết bị tạo xung lực

Trong thớ nghiệm PIT xung lực đƣợc tạo bằng bỳa cầm tay cú trọng lƣợng 0,5-5 kg. Cần lƣu ý gừ bỳa theo phƣơng dọc trục cọc. Bỳa thƣờng cú lừi bằng kim loại và đầu bỳa cú lớp đệm bằng chất dẻo tổng hợp. Với cấu tạo nhƣ vậy bỳa cú thể tạo đƣợc xung lực đủ ngắn (khoảng 1 ms) để cú thể phỏt hiện những khuyết tật hẹp nhƣng khụng làm vỡ bờ tụng dẫn đến tớn hiệu chất lƣợng thấp.

Thụng thƣờng xung lực đƣợc tạo bằng cỏc đập bỳa lờn bề mặt đầu cọc. Tuy vậy trong thớ nghiệm kiểm tra cỏc cọc trong cỏc múng hiện hữu thỡ xung lực cú thể đƣợc tạo bằng cỏch đập bỳa vào mẩu kim loại gắn chặt vào thành cọc.

IV.1.3.2 Thiết bị đo súng

Ở mức tối thiểu cần sử dụng 1 cặp đầu đo gia tốc để thực hiện thớ nghiệm PIT. Trong trƣờng hợp này chỉ cú thể tiến hành phõn tớch tỡnh trạng cõy cọc trờn cơ sở quan sỏt biểu đồ quan hệ vận tốc – thời gian.

31

Một số thiết bị thớ nghiệm đƣợc trang bị cảm biến đo lực, cho phộp xỏc định biểu đồ xung lực tỏc dụng lờn đầu cọc. Số liệu đo bằng thiết bị thớ nghiệm loại này cho phộp thực hiện cỏc phõn tớch theo tần số và phõn tớch theo phƣơng phỏp tớn hiệu phự hợp nhằm dự bỏo mức độ khuyết tật của cọc.

Cú thể tham khảo cỏc yờu cầu kỹ thuật đối với cỏc đầu đo trong cỏc tiờu chuẩn về thớ nghiệm PIT.

32

IV.1.3.3 Thiết bị thu nhận và xử lý số liệu sơ bộ

Thiết bị kết nối với cỏc đầu đo bằng dõy dẫn tớn hiệu, thu nhận và hiển thị cỏc tớn hiệu trờn màn hỡnh. Một số xử lý ban đầu cũng đƣợc thực hiện, nhƣ thực hiện tớch phõn số liệu đo gia tốc để thu đƣợc vận tốc.

IV.1.3.4 Mỏy tớnh cựng phần mềm xử lý số liệu

Ở trong phũng, tớn hiệu từ thiết bị thu nhận và xử lý số liệu sơ bộ đƣợc chuyển sang mỏy tớnh để thực hiện cỏc phõn tớch về độ toàn vẹn của cọc, đỏnh giỏ mức độ khuyết tật (nếu cú) và lập bỏo cỏo kết quả thớ nghiệm.

Cỏc thớ nghiệm PDA và PIT đều tạo súng ứng ứng suất trong cọc và phõn tớch truyền súng trong cọc để đỏnh giỏ chất lƣợng cọc. Sự khỏc nhau cơ bản là trong thớ nghiệm PDA xung lực của bỳa đúng cọc gõy biến dạng lớn (chuyển vị khụng phục hồi 3 mm) trong khi bỳa cầm tay của thớ nghiệm PIT chỉ gõy biến dạng rất nhỏ và khụng gõy chuyển vị khụng phục hồi của cọc. Cơ chế truyền súng trong cọc, tốc độ truyền súng, cỏc quan hệ giữa lực và vận tốc, IV.IV., trong thớ nghiệm PIT đều tuõn theo cỏc qui luật đƣợc trỡnh bày trong mục về thớ nghiệm PDA.

IV.1.4 Phõn tớch kết quả đo súng và đỏnh giỏ mức độ khuyết tật

Hiện nay việc phõn tớch và diễn giải kết quả đo súng đƣợc thực hiện theo 3 phƣơng phỏp chớnh:

1. Phõn tớch theo tần số dao động;

2. Phõn tớch theo thời gian (cũn gọi là phƣơng phỏp phản hồi xung – Pulse echo method);

3. Phõn tớch bằng phƣơng phỏp tớn hiệu phự hợp (signal matching).

Trong 3 phƣơng phỏp phõn tớch nờu trờn, hai phƣơng phỏp đầu chỉ xỏc định đƣợc độ sõu gặp khuyết tật và khụng xỏc định đƣợc mức độ thay đổi của khỏng trở. Phƣơng phỏp thứ ba (tớn hiệu phự hợp) cho phộp xỏc định vị trớ và định lƣợng khuyết tật của cọc.

IV.1.4.1 Phõn tớch theo tần số dao động

Phƣơng phỏp phõn tớch này đũi hỏi bỳa thớ nghiệm phải đƣợc trang bị bộ phận đo lực. Bằng cỏch biến đổi Fourier cỏc súng vận tốc và xung lực tỏc dụng lờn cọc sẽ xỏc định đƣợc phổ của vận tốc và phổ của lực. Đƣờng cong tỷ số dẫn nạp là tỷ số V/F (biờn độ vận tốc/biờn độ lực) ứng với mỗi tần số. Nguyờn tắc của phƣơng phỏp này tƣơng tự nhƣ cỏch phõn tớch của phƣơng phỏp thớ nghiệm rung thƣờng đƣợc sử dụng ở Phỏp.

33

Hỡnh IV.3. Dẫn nạp của một cõy cọc cú khuyết tật

Hỡnh IV.3 là kết quả phõn tớch theo tần số của một cõy cọc dài 10.4 m, trong đú trục tung của biểu đồ là tỷ số V/F và trục hoành là tần số dao động (Biểu đồ súng vận tốc của cõy cọc này đƣợc thể hiện trờn hỡnh IV.7 cựng với kết quả phõn tớch bằng phần mềm PITWAP). Cỏc đỉnh của biểu đồ dẫn nạp quan sỏt đƣợc rất rừ ở cỏc tần số f1 200 Hz và f2 810 Hz. Với vận tốc truyền súng c4000 m/s, độ sõu của khuyết tật là 2(f2 f1)

c z

 

 3.3 m .

Ƣu điểm lớn nhất của phƣơng phỏp này là nú cho phộp xỏc định khuyết tật ở gần đầu cọc. Nhƣợc điểm của nú là khụng xỏc định một cỏch định lƣợng mức độ khuyết tật trong cọc.

IV.1.4.2. Phõn tớch theo thời gian

Phõn tớch theo thời gian cũn đƣợc gọi là phƣơng phỏp phản hồi xung (pulse echo method - PEM). Cỏc bƣớc thực hiện phõn tớch gồm:

- Xỏc định biểu đồ súng đặc trƣng trờn cơ sở thớ nghiệm một số lƣợng cọc đủ lớn. Thụng thƣờng đõy là đƣờng trung bỡnh của cỏc biểu đồ súng của nhiều cõy cọc thớ nghiệm đƣợc xem là khụng cú khuyết tật;

- Phỏt hiện cõy cọc cú biểu đồ súng khỏc với biểu đồ đặc trƣng, trong đú quan tõm chủ yếu tới dạng và biờn độ của súng phản hồi;

- Nghiờn cứu cỏc thụng tin về điều kiện đất nền, cụng nghệ thi cụng, hồ sơ giỏm sỏt thi cụng, IV.IV., từ đú đỏnh giỏ nguyờn nhõn gõy súng phản hồi và mức độ khuyết tật (nếu cú).

Hỡnh IV.4 thể hiện đỏp ứng của 3 cõy cọc thuộc múng một cụng trỡnh cụng nghiệp ở Bà Rịa - Vũng Tàu. Kết quả thớ nghiệm do Viện KHCN Xõy dựng thực hiện chứng tỏ cỏc cọc DC-180 và DC-323 khụng cú khuyết tật và dạng đỏp ứng của chỳng tƣơng tự nhƣ nhau. Cọc DC-337 cú dạng đỏp ứng khỏc với dạng súng

34

đặc trƣng, với súng phản hồi quan sỏt đƣợc rất rừ ở độ sõu 3.3 m. Nguyờn nhõn gõy súng phản hồi là do hƣ hỏng ở mối nối cọc, điều đó đƣợc kiểm chứng bằng cỏch quan sỏt trực tiếp trong hố đào.

Để trợ giỳp cho việc phõn tớch kết quả thớ nghiệm, cỏc hóng sản xuất thiết bị thớ nghiệm lập một số dạng biểu đồ mẫu của dạng đỏp ứng tƣơng ứng với một số dạng khuyết tật trong điều kiện ma sỏt bờn với đất nền khỏc nhau. Hỡnh IV.5 là một số biểu đồ trong catalog do hóng GRL (Hoa kỳ) cung cấp, trong đú thể hiện biểu đồ súng khi diện tớch tiết diện A của cọc bị giảm ở 3 mức độ khỏc nhau (A cao, trung bỡnh và thấp) ứng với 3 mức độ của sức khỏng của đất nền R (R cao, trung bỡnh và thấp). Cú thể thấy với cựng một mức độ khuyết tật, biờn độ của súng phản hồi phụ thuộc vào sức khỏng của đất nền: khi R cao thỡ biờn độ súng phản hồi thấp, và ngƣợc lại khi R thấp thỡ biờn độ của súng phản hồi cao hơn.

Để thu thập tớn hiệu phục vụ phõn tớch theo phƣơng phỏp xung phản hồi (PEM) khụng cần sử dụng mỏy đo trang bị bỳa cú đầu đo lực. Do đơn giản và dễ tiếp cận, phƣơng phỏp này đƣợc ỏp dụng rộng rói để nhận biết dấu hiệu và độ sõu của khuyết tật. Nhƣợc điểm của phƣơng phỏp này là khụng phỏt hiện chớnh xỏc được khuyết tật ở gần đầu cọc và khụng đỏnh giỏ định lượng mức độ khuyết tật.

Hỡnh IV.4. Biểu đồ súng vận tốc của 3 cõy cọc tại Bà Rịa - Vũng Tàu

DC-323DC-180 DC-180 DC-337 Độ sõu (m) Độ sõu (m) Độ sõu (m)

35

Hỡnh IV.5. Catalog dạng súng của GRL

IV.1.4.3. Phõn tớch theo phương phỏp tớn hiệu phự hợp (signal matching)

Phƣơng phỏp “tớn hiệu phự hợp” đó đƣợc sử dụng trong thớ nghiệm xỏc định sức chịu tải của cọc bằng thớ nghiệm biến dạng lớn (thƣờng đƣợc gọi là PDA) từ cuối những năm 1960. Từ những năm 1980, khi những thiết bị đo súng cú độ nhạy cao bắt đầu đƣợc chế tạo phục vụ thớ nghiệm biến dạng nhỏ, phƣơng phỏp này cũng đƣợc sử dụng để đỏnh giỏ mức độ khuyết tật của cọc. Cỏc phần mềm tiờu biểu nhất sử dụng cho mục đớch này là TNOWAVE và PITWAP.

Phƣơng phỏp tớn hiệu phự hợp thực hiện giải bài toỏn ngƣợc, trong đú ẩn số cần tỡm là sự thay đổi của khỏng trở Z theo độ sõu. Số liệu đo vận tốc (hoặc lực) cựng với mụ hỡnh cọc và nền đƣợc sử dụng để tớnh toỏn lực (hoặc vận tốc) tại đầu cọc. Mụ hỡnh của cõy cọc cú thể cú dạng rời rạc (mụ hỡnh cọc của Smith, phần tử hữu hạn, …) hoặc liờn tục. Đối với đất nền, để xỏc định cỏc thụng số cản kz và z

cú thể sử dụng cỏc phƣơng phỏp lý thuyết hoặc thực nghiệm. Hiện nay trong TNOWAVE và PITWAP tớnh toỏn đƣợc bắt đầu với cỏc thụng số giả định của mụ hỡnh nền, sau đú cỏc thụng số này đƣợc điều chỉnh dần qua cỏc lần tớnh lặp sao cho vận tốc (hoặc lực) tớnh toỏn trờn mụ hỡnh trựng hợp với lực (hoặc vận tốc) đo đƣợc khi thớ nghiệm.

Theo Middendorp, cỏc bƣớc thực hiện để phõn tớch theo phƣơng phỏp tớn hiệu phự hợp là:

Bƣớc 1: Xỏc định biểu đồ súng của cõy cọc đặc trƣng: Biểu đồ súng đặc trƣng tƣơng ứng với cõy cọc chuẩn đại diện cho mỗi hiện trƣờng đƣợc xỏc định

36

bằng cỏch lấy trung bỡnh biểu đồ súng vận tốc của một số lƣợng cọc thớ nghiệm đủ lớn. Cõy cọc chuẩn đƣợc coi là cú tiết diện khụng đổi, khụng cú khuyết tật.

Bƣớc 2: Xỏc định xung lực (theo số liệu đo)

Bƣớc 3: Lập mụ hỡnh cõy cọc chuẩn với giả thiết nú cú tiết diện đồng đều. Cỏc thụng số của mụ hỡnh cọc chuẩn sẽ khụng thay đổi trong quỏ trỡnh phõn tớch. Bƣớc 4: Xỏc định cỏc thụng số của mụ hỡnh nền: Bằng cỏch phõn tớch đỏp ứng đặc trƣng theo thuật toỏn tớn hiệu phự hợp, ngƣời ta xỏc định đƣợc cỏc thụng số cản của đất nền đại diện cho điều kiện cụ thể của mỗi cụng trỡnh.

Bƣớc 5: Nhận biết cỏc cõy cọc cú thể cú khuyết tật: Những cõy cọc cú đỏp ứng khỏc với đỏp ứng đặc trƣng đƣợc coi là cú thể cú khuyết tật và cú thể đƣợc phõn tớch theo phƣơng phỏp “tớn hiệu phự hợp” để đỏnh giỏ mức độ khuyết tật qua cỏc bƣớc tiếp theo.

Bƣớc 6: Xỏc định xung lực cho cõy cọc nghi ngờ cú khuyết tật.

Bƣớc 7: Lập mụ hỡnh cõy cọc cú khuyết tật: Khuyết tật gõy ra súng phản hồi cú thể do thay đổi tiết diện (rỗ bờ tụng, nứt, thắt hoặc phỡnh tiết diện, …) hoặc do chất lƣợng bờ tụng kộm nờn mụ đun đàn hồi bị giảm. Trong cỏc phần mềm hiện nay sự thay đổi của khỏng trở đƣợc giả thiết là do thay đổi đƣờng kớnh cọc. Vị trớ của cỏc khuyết tật đƣợc xỏc định trờn cơ sở độ sõu phỏt sinh dị biến của biểu đồ súng so với súng của cõy cọc đặc trƣng.

Bƣớc 8: Tớnh toỏn mức độ khuyết tật: Cỏc thụng số của mụ hỡnh nền xỏc định từ biểu đồ súng của cõy cọc chuẩn đƣợc sử dụng trong tớnh toỏn ở bƣớc này và khụng thay đổi trong suốt quỏ trỡnh tớnh toỏn. Mụ hỡnh cọc đƣợc điều chỉnh dần bằng cỏch thay đổi diện tớch tiết diện cọc ở cỏc độ sõu thớch hợp cho tới khi súng tớnh toỏn phự hợp với súng đo đƣợc.

Bƣớc 9: Xỏc định mức độ khuyết tật: Mụ hỡnh cọc thoả món điều kiện phự hợp giữa súng tớnh toỏn và súng đo tại hiện trƣờng đƣợc sử dụng để xỏc định phõn bố trở khỏng của cọc theo độ sõu.

Giản đồ của quỏ trỡnh phõn tớch kết quả thớ nghiệm đƣợc Middendorp trỡnh bày trờn hỡnh IV.6.

Cú thể thấy thuật toỏn tớn hiệu phự hợp đƣợc chia làm 2 giai đoạn chớnh:

 Giai đoạn 1: Phõn tớch cõy cọc chuẩn (bƣớc 1-4). Trong giai đoạn này giả thiết là đó biết phõn bố khỏng trở cọc (tiết diện cọc đồng đều), từ đú xỏc định cỏc thụng số của mụ hỡnh nền bằng phƣơng phỏp tớnh lặp.

 Giai đoạn 2: Phõn tớch cõy cọc nghi ngờ cú khuyết tật (bƣớc 5-9). Trong giai đoạn này giả thiết là đó biết cỏc thụng số cản của đất nền (xỏc định ở giai đoạn 1), do đú cỏc tớnh toỏn tập trung vào việc xỏc định sự thay đổi của khỏng trở.

Cú thể nhận thấy cú một số tồn tại của phƣơng phỏp này là: