PDA

View Full Version : Phương pháp kiểm tra sức chịu tải cọc khoan nhồi


Phoenix
04-21-2009, 10:13 PM
Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc khoan nhồi; mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng. Để hiểu thêm về các ưu và nhược điểm của từng phương pháp, tác giả phân tích các phương pháp thử tải cho khu công nghệ và lựa chọn phương pháp kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi sao cho phù hợp với điều kiêệnxây dựng nhất, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật và đạt mục tiêu kinh tế.

1. Phương pháp thí nghiệm động biến dạng lớn PDA

1.1 Cơ sở của phương pháp
Nguyên lý của phương pháp thử động biến dạng lớn và thiết bị phân tích động cọc PDA dựa trên nguyên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong bài toán va chạm của cọc, với đầu vào là các số liệu đo gia tốc và biến dạng thân cọc dưới tác dụng của quả búa. Các đặc trưng động theo Smith là đo sóng của lực và sóng vận tốc (tích phân gia tốc) rồi tiến hành phân tích thời gian thực đối với hình sống (bằng các phép tính lặp) dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất thanh cứng và liên tục do va chạm dọc trục tại đầu cọc gây ra.
Cơ sở của phương pháp này dựa vào:
+ Phương trình truyền sóng trong cọc
+ Phương pháp case
+ Mô hình hệ búa - cọc - đất của Smith
+ Phần mềm CAPWAPC
+ Hệ thống thiết bị phân tích đóng cọc PDA

1.2 Phương pháp truyền sóng
Với giả thiết cọc đàn hồi đồng nhất, đất nền làm việc dẻo ý tưởng, ta có thể xác định được lực kháng tổng cộng của đất khí đóng cọc theo biểu thức sau:

V(t1) - V(t2) MC
R = F(t1) + F (t2) + L (1)
2

Trong đó:
R - Sức kháng tổng cộng của đất
F, V - Lực và vận tốc đo được tại đầu cọc
M, L - Khối lượng và chiều dài cọc
t1 - Thời điểm va chạm toàn phần (lực va chạm cực đại)
t2­ - Thời điểm sóng ứng suất đi hết 1 chu lỳ từ đầu đến mũi cọc và phản xạ lại.

1.3 Phương pháp case

Xét theo bản chất vật lý: R = Rs + Rd (2)
Trong đó:
R - sức kháng tổng cộng của đất;
Rs - Sức chịu tải tĩnh, phụ thuộc vào chuyển vị;
Rd - Sức chịu tải động, do việc búa đập, sức cản động, phụ thuộc vào tốc độ sóng biển. Trong đó:
J - Hệ số sức cản động;
Z- Trở kháng của cọc, có thể xác định theo

Z = AE hoặc Z = MC (3)
C L

Với: A - Tiết diện ngang của cọc; C - Tốc độ sóng
E - Mô đun đàn hồi của cọc; M - Khối lượng cọc
L - Chiều dài cọc.
Vmũi cọc - Tốc độ tại mũi cọc, có thể tính được từ tốc độ đo được tại thời điểm t­1 ở đầu cọc:
Vmũi cọc = 2 v(t1) – R/Z; sau một số biến đổi ta có:

R = (1-J). {F (t1) + Zv (t1)} + (1 + J) . {F (t2) – Zv (t2)} (4)
2

1.4 Phần mềm
1.4.1 Phần mềm CAPWAP
CAPWAP là một chương trình phân tích dựa trên các số liệu đo của lực và vận tốc rồi mô hình hoá cọc như là một chuỗi các đoạn nhỏ để tính toán sức kháng của đất nền xung quanh dọc theo thân cọc và tại mũi cọc. CAP WAP cũng cho phép tính chính xác hệ số giảm chấn jc giúp cho việc hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm PDA theo CASE. Ngoài ra chương trình còn cho phép xây dựng biểu đồ tương quan Lực - Biến dạng giống như biểu đồ nén tĩnh.
Phần mềm này, dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán búa - cọc - đất, cọc được chia làm nhiều phân đoạn, sức cản đất sử dụng mô hình của Smith.
1.4.2 Phần mềm PDAPC
PDAPC là phần mềm giúp chuyển số liệu từ máy tính chính sang máy tính, cho phép xử lý, tính toán và in kết quả theo nhiều yêu cầu khác nhau.

1.5 Thiết bị
1.5.1 Thiết bị PDA (theo PAL model)
Là thế hệ mới nhất của PDA thuộc hãng PDI (Mỹ), được thiết kế tối ưu cho công tác thí nghiệm hiện trường ngay cả ở công trình có địa hình phức tạp như ngoài khơi hay trên núi. PAL gồm một máy chính, 2 đầu đo gia tốc và 2 đầu đo biến dạng, dây dẫn và các phụ kiện kèm theo.
1.5.2 Thiết bị PDA (Mỹ)
Có thể dùng búa hơi, búa Diesel có trọng lượng bằng 1 -2% sức chịu tải cọc, cấu tạo của thiết bị phân tích búa đập – PDA sử dụng trong phương pháp thử động biến dạng lớn bao gồm:
- Đầu đo ứng suất (2 đầu đo)
- Máy tính điện tử có gắn bộ biến đổi số liệu

1.6 Các kết quả đo được
- Sức chịu tải của cọc: sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa đập, sức chịu tải của cọc tại từng cao độ ngập đất của cọc, ma sát thành bên và sức kháng của mũi cọc.
- Ứng suất trong cọc: ứng suất nén lớn nhất, ứng suất kéo lớn nhất và ứng 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 và 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 của cọc.

1.7 Phạm vi áp dụng
- Thời gian nhanh hơn thử tĩnh, chi phí thấp, thử được nhiều cọc trong ngày
- Lựa chọn được hệ thống đóng cọc hợp lý
- Tiêu chuẩn áp dụng: theo tiêu chuẩn ASTM –D4945.

1.8 Nhận xét
- Phương pháp thử động biến dạng lớn nhằm đánh giá sức chịu tải của cọc bằng lý thuyết truyền sóng PDA chỉ chính xác khi năng lượng va chạm ở đầu cọc đủ lớn để huy động toàn bộ sức kháng của đất nền và tạo được biến dạng dư từ 3 – 5 mm. Với cọc khoan nhồi thường sử dụng quả búa nặng từ 9 đến 21 tấn để thử động lực học.
- So với phương pháp thử tải trọng tĩnh thì phương pháp này thực hiện nhanh hơn, có thể thực hiện thí nghiệm được nhiều cọc trong cùng một ngày, ít gây ảnh hưởng đến hoạt động thi công ở công trường nhưng lại gây tiếng ồn và chấn động cho khu vực lân cận.
- Phương pháp này có thể kiểm tra được cả mức độ hoàn chỉnh và đánh giá được sức chịu tải của cọc, nhất là chiều dài, cường độ và độ đồng nhất của bê tông.
- Phương pháp thử động biến dạng lớn không thay thế hoàn toàn được phương pháp thử tĩnh. Nhưng các kết quả thử động biến dạng lớn sử dụng thiết bị phân tích đóng cọc - PDA được phaâ tích chi tiết, so sánh với thử tĩnh và phân tích CAPWAP tương đương sẽ giúp giảm bớt thử tĩnh.
- Đối với các công trình dưới nước như móng cảng, cầu...hoặc các dự án nhỏ mà việc thử tĩnh gặp khó khăn với điều kiện 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 được chất lượng cọc trong quá trình thi công. Theo dõi những vấn đề có thể xảy ra đối với búa, cọc, đất sẽ sớm phát hiện được các sự cố để xử lý kịp thời những vấn đề ảnh hưởng đến tiến đôộ thi công và giảm được chi phí, rủi ro.
- Dễ dàng kiểm soát được sự hồi phục hay giãn ra của đất sau khi đóng đi và vỗ lại. Xác định được sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa, từng cao độ đặt mũi trong quá trình đóng cọc. Qua đó, lựa chọn được chiều dài cọc phù hợp.

2. Phương pháp thử tĩnh động

2.1 Nguyên lý
Dựa trên nguyên tắc phản lực của động cơ tên lửa, người ta tạo ra một thiết bị đặt trên đầu cọc có kèm theo đối trọng vừa đủ, cho nổ gây phản lực trên đầu cọc có thiết bị ghi chuyển vị của cọc trong quá trình nổ, kết hợp đo các thông số biến dạng và gia tốc đầu cọc. Sau đó dùng các phương pháp như phương pháp phương trình truyền sóng hoặc độ cứng động sẽ được tính sức chịu tải của cọc. Trong phương pháp STATNAMIS người ta đã xác định được gia tốc a của khối phản lực dịch chuyển lên phía trên gấp 20 lần gia tốc của cọc dịch chuyển xuống phía dưới. Như vậy trọng lượng của khối phản lực chỉ cần bằng 1/20 đối trọng dự kiến trong thử tĩnh đã tạo nên được lực lớn gấp 20 lần lực truyền lên đầu cọc. Nhờ đó, việc thử tải bằng STATNAMIS sẽ giảm rất nhiều về quy mô và chi phí so với thử tĩnh nhưng kết quả đạt được rất gần với phương pháp thử tĩnh.

2.2 Phạm vi áp dụng
- Cho tất cả các loại cọc đứng và cọc nghiêng trong mọi điều kiện địa chất
- Từ năm 1988, STATNAMIS đã thử được tải trọng 0.1 MN và đến năm 1994 đã phát triển thử được tải trọng đến 30 MN. Nó được áp dụng nhiều ở Canada, Mỹ, Hà Lan, Nhật Bản, Đức, Hàn Quốc...

2.3 Nhận xét
Việc ứng dụng thử tải STN đang ngày càng cạnh tranh mạnh mẽ với thử tải biến dạng lớn PDA do có độ tin cậy cao, giá thành hợp lý và nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp PDA. Đặc biệt có thể thử tải ngang hay với tải trọng rất lớn đến trên 3.000 tấn. Về độ lớn tải trọng thử đạt được cho đến nay nó chỉ kém phương pháp hộp tải trọng Osterberg.

3. Phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống

Đây là phương pháp trực tiếp xác định tải của cọc, thực chất là xem xét ứng xử của cọc (độ lún) trong điều kiện cọc làm việc như thực tế dưới tải trọng công trình nhằm mục đích chính là xác định độ tin cậy của cọc ở tải trọng thiết kế, xác định tải trọng giới hạn của cọc, hoặc kiểm tra cường độ vật liệu của cọc với hệ số an toàn xác định bởi thiết kế.
3.1 Nguyên lý và phạm vi áp dụng
Dùng hệ thống cọc neo hoặc các vật nặng chất phía trên đỉnh cọc làm đối trọng để gia tải nén cọc.
Phương pháp này chỉ thích hợp ở nơi có mặt bằng đủ rộng, nơi không có nước mặt (sông) và cọc thử có tải trọng nhỏ (< 5000 tấn).
Chi phí cho việc làm đối trọng sẽ càng lớn khi tải trọng cọc, thử càng lớn và nhất là nơi sông nước.

3.2 Nhận xét và kết luận
Trong các phương pháp thử tải trọng cọc khoan nhồi, phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống tuy không dùng thiết bị hiện đại nhưng chi phí cũng sẽ rất cao khi gặp điều kiện khó khăn về mặt bằng. Kết quả thử tải là sức chịu đựng tổng cộng của cọc (không cho biết riêng: sức chịu tải của mũi cọc và sức chịu tải thân cọc). Bên cạnh đó đối với các cọc khoan nhồi có sức chịu tải của 10.000 tấn hoặc lớn hơn thì hệ đối trọng để gia tải theo phương pháp này cũng sẽ gặp khó khăn, không thực hiện được. Do vậy áp dụng thử tải tĩnh truyền thống chủ yếu sử dụng để thử tải các cọc có tải trọng dưới 5.000 tấn và cọc bố trí ở mặt rộng rãi và trên cạn.
Ngoài ra sử dụng phương pháp này tốn nhiều thời gian, phương tiện kỹ thuật. Tuy nhiên phương pháp này cho kết quả được xem là chính xác nhất trong các phương pháp hiện nay, có thể làm cơ sở cho việc kiểm chứng các phương pháp khác.

4. Phương pháp thử tải tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg

4.1 Nguyên lý
Khi cọc có đường kính và chiều dài lớn với sức chịu tải hàng ngàn tấn và cọc nằm trên sông nước, các phương pháp thử tải tĩnh không thực hiện được. Do vậy, phải sử dụng phương pháp hộp tải trong Osterberg.
- Dùng một hay nhiều hộp tải trọng Osterberg (hộp thủy lực làm việc như 1 kích thuỷ lực) đặt ở mũi cọc khoan nhồi hay ở 2 vị trí mũi và thân cọc trước khi đổ bê tông thân cọc. Sau khi đổ bê tông đã đủ cường độ, tiến hành thử tải bằng cách bơm dầu thuỷ lực để tạo áp lực trong hộp kích. Đối trọng chính là trọng lượng cọc và sức chống ma sát hông.
- Theo nguyên lý phản lực, lực truyền xuống đất mũi cọc bằng lực truyền thân cọc. Việc thử sẽ đạt tới phá hoại khi một trong hai phá hoại xảy ra ở mũi cọc và quanh thân cọc. Dựa theo các thiết bị đo chuyển vị và đo lực gắn trong hộp tải trọng Osterberg sẽ vẽ ra được các biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị mũi cọc và thân cọc. Tuỳ theo trường hợp phá hoại có thể thu được một trong 2 biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị.

Việc gia tải và đo đạc, áp dụng theo tiêu chuẩn ASTM D1143-1995 “Trình tự thử tải nhanh” của Mỹ

- Cách xác định tải trọng giới hạn: Do có một phá hoại hoặc thân cọc nên phải áp dụng phương pháp ngoại suy để tìm phá hoại thứ hai, và được tính theo công thức sau:


Pghcọc = Pgh mũi + Pgh thân (5)


- Nếu không tin tưởng ở ngoại suy và thiên về an toàn (lấy trị số bé), ta có thể lấy:


Pghcọc = 2Pgh thu được (5’)


- Phương pháp này không phải dùng hệ gia tải bên trên bằng các đối trọng hoặc hệ neo mà dùng ngay trọng lượng bản thân của cọc và ma sát thành bên làm đối trọng. Để tạo tải, trong thân cọc bố trí một hộp tải trọng làm việc như một kích thước thủy lực thông thường và có cấu tạo phù hợp chôn trước trong thân cọc. Sau khi cọc đủ cường độ tiến hành tạo tải bằng cách bơm dầu vào trong kích đã chôn trong cọc. Hệ điều khiển và ghi chép từ mặt đất. Sử dụng phương pháp này có thể thí nghiệm riêng biệt hoặc đồng thời hai chỉ tiêu là sức chịu mũi cọc và lực ma sát bên của cọc. Tải thí nghiệm có thể đạt đến 18.000 tấn, thời gian tiến hành thí nghiệm chỉ trong vòng 24 giờ. Sau khi thử xong bơm bê tông xuống lấp đầy hệ kích cho hệ được liên tục.
- Gọi tổng các lực ma sát thành bên trên toàn bộ chiều dài cọc Pms và lực chống mũi là Pm và lực do hộp tải trọng là P0 thì ta có nhận xét sau: khi tạo lực P0 trong hộp Osterberg thì theo nguyên lý cân bằng phản lực, một phản lực P0 truyền lên thân cọc hướng lên phía trên sẽ cân bằng với lực ma sát thành bên và trọng lượng thân cọc (G). Còn một lực P0 khác hướng xuống dưới và được chống lại bởi sức chống của đất nền dưới mũi cọc. Như vậy trong quá trình chất tải tăng P0 thì ta có:


P0 = (G + Pms) < G + Pmsgiới hạn hoặc P0 = (Pm) < Pm giới hạn (6)


- Cọc thí nghiệm sẽ đạt tới giới hạn phá hoại khi đạt đến cân bằng của một trong hai biểu thức nêu trên, tức là cọc phá hoại mũi trước (đất dưới mũi cọc đạt đến phá hoại) hoặc bị phá hoại ở thành bên trước (cọc và đất xung quanh có chuyển dịch dẻo).

4.2 Phạm vi áp dụng
- Có thể thấy ngay phương pháp này phù hợp với các cọc có sức chống giới hạn thành bên và mũi cọc tương đương nhau. Còn trong trường hợp sức chống giới hạn của mũi nhỏ hơn sức chống thành bên thì có thể đặt hai tầng ở mũi cọc và thân cọc để thử. Cao trình đặt ở tầng thân phải đảm bảo điều kiện Pghmũi > Pgh đoạn thân AB. Khi đó trình tự chất tải sẽ phức tạp hơn để có thể xác định được Pghmũi, Pgh đoạn toàn thân cọc.
- Phương pháp này áp dụng thử tải cho các cọc khoan nhồi có sức chiu tải lớn, những nơi khó khăn về mặt bằng thi công hay cọc trên sông nước.

4.3 Biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc
Do kết quả thu được là hai biểu đồ tải trọng - chuyển vị mũi độc lập nhau nên để dễ sử dụng và so sánh với thử tải tĩnh truyền thống phải xây dựng biểu đồ tải trọng - chuyển vị đầu cọc tương đương như trong thử tải tĩnh truyền thống. Muốn vậy phải dựa vào các giả thiết sau:
- Đường cong tải trọng - chuyển vị mũi cọc giống như đường cong tải trọng - chuyển vị trong chất tải truyền thống với tải trọng là dịch chuyển đi xuống của hộp tải trọng.
- Đường cong tải trọng - chuyển vị ma sát bên của chuyển dịch đi lên giống như đường cong tải trọng - chuyển vị đi xuống trong thí nghiệm truyền thống.
- Bỏ qua dộ nén co của bản thân cọc khi xem nó là vật rắn
- Với các giả thiết trên, giả sử chuyển vị tại điểm 4 của đường cong dịch chuyển đi lên ghi lại giá trị tải trọng ứng với chuyển vị đó. Trên đường cong dịch chuyển đi xuống tìm điểm 4 có chuyển vị giống nhưu chuyển vị tại điểm 4 của đường cong dịch chuyển dđ lên và ghi lại tải trọng tương đương. Cộng hai tải trọng đó sẽ cho giá trị tải trọng tổng cộng do ma sát bên và chống mũi tại cùng một vị trí chuyển vị của điểm 4. Đường cong xây dựng lại sẽ có chuyển vị bằng chuyển vị điểm 4 của đường cong dịch chuyển đi lên và đi xuống nhưng tải trọng sẽ bằng tổng tải trọng của hai đường nối trên có cùng chuyển vị tại điểm 4.
Tiến hành tương tự cho một số điểm khác cho đến khi chuyển vị cực đại của thí nghiệm hộp tải trọng. Do thí nghiệm này phá hoại xảy ra do ma sát bên nên đường cong sức chống mũi đi xuống được ngoại suy cho đến khi phá hoại. Quá trình này được tiếp tục và dùng đường cong đi xuống ngoại suy và đường cong đi lên đo được như điểm 6- 12, cách xây dựng tương tự cho trường hợp khi phá hoại xảy ra tại sức chống mũi của cọc.

4.4 Nhận xét
Phương pháp thử tải cọc khoan nhồi bằng hộp tải Osterberg mang lại độ chính xác cao, có thể kiểm tra được 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 4000 – 18000 tấn và có thể lớn hơn. Thử tải bằng hộp tải trọng Osterberg cell khắc phục được khuyết điểm của phương pháp thử tải tĩnh truyền thống như: có thể bố trí thử tải cọc ở nơi sông rộng, sâu nước chảy xiết hoặc nơi mặt bằng chật hẹp...Nhược điểm của thử tải Osterberg là cần có đội ngũ chuyên gia kỹ thuật cao thực hiện thí nghiệm. Hiện tại tuy chi phí thử tải còn cao, nhưng tương lai về lâu dài phương pháp thử tải tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg có thể sẽ có chi phí thấp và có xu hướng sử dụng thay thế hoàn chỉnh phương pháp thử tải tĩnh truyền thống trong công tác thí nghiệm cọc khoan nhồi đường kính lớn.

Lê Văn Nam, Nguyễn Chi Đoàn
(Nguồn tin: T/C Phát triển Khoa học Công nghệ, tập 8/2005)

qlam
07-24-2009, 01:49 PM
Cam on ban ve bai viet nay

thuha_ms
09-25-2009, 10:47 AM
Cho Hà hỏi, nếu như trong quá trình khoan, có sự cố xảy ra như hộp số bị vỡ... thì hiện tượng gì sẽ xảy ra, phương pháp khắc phục và thay thế như thế nào?:phone2: