CHƯƠNG I: NỘI DUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG LỚN (PDA).1- Khái quát chung về Phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc bằng phương pháp biến dạng lớn (PDA): 1.1 Nguyên lý thí nghiệm Thí nghiệm biến dạng lớn được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D 4945 – 00 “ Standard Test Method for High-Strain Dynamic Testing of Piles” 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 phân tích đóng cọc PDA Phương pháp biến dạng lớn dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất một chiều trong thanh đàn hồi gây ra bởi tác động của lực xung va chạm để gây biến dạng đủ lớn nhằm phát huy sức kháng lớn nhất của hệ cọc đất. Khi tác dụng lực tại đỉnh cọc, sóng ứng suất sẽ truyền xuống theo thân cọc với vận tốc sóng (C) không đổi, đó là một hàm của modul đàn hồi cọc (E) và tỷ trọng (), C2 = E/. Thời gian cần thiết cho sóng ứng suất truyền tới mũi cọc và phản hồi trở lại đỉnh cọc tỉ lệ với khoảng cách tới nguồn gây sóng phản hồi t = 2L/C (Hình 1). Khi sóng ứng suất (Wi) gặp sự thay đổi kháng trở cơ học từ Z1 = 1.C, thì một phần sóng phản hồi đi lên (Wu) và phần còn lại truyền xuống dưới (Wd) để cả hai điều kiện tương thích và cân bằng sau được thỏa mãn: Wd = Wi[ 2 Z2 / (Z2 + Z1)] Wu = Wi[ ( Z2 - Z1) / (Z2 + Z1)] Tại đầu mũi tự do (Z2 = 0), sóng nén được phản hồi toàn bộ nhưng ngược dấu, còn đối với cọc đồng đều (Z1 = Z2) thì sóng nén lan truyền với biên độ không đổi.
Bằng cách bố trí các thiết bị đo xác định các giá trị vận tốc và lực ở đầu cọc tại các thời điểm khác nhau (bao gốm các đầu đo gia tốc và đầu đo biến dạng) có thể phán SVTH: Nguyễn Thành Phong Cầu đường bộ 1 – K52 6 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN đoán được tình trạng khuyết tật và sự phân bố sức kháng cảu đất dọc theo thân cọc (sức chịu tải của cọc) §iÓm va ch¹m t1+2x/c t1+2L/c t1 chiÒu Rd dµi x cäc Ru Rx Hình 1. Sơ đồ các sóng gây ra bởi lực kháng tại độ sâu x 1.2 Thiết bị thí nghiệm a. ThiÕt bÞ ®o Sö dông thiÕt bÞ chuyªn dông PDA do h·ng Pile Dynamics, Inc.(PDI) USA s¶n xuÊt, m¸y gåm c¸c bé phËn sau: - 02 ®Çu ®o gia tèc - 02 ®Çu ®o lùc - Bé ®iÒu khiÓn : Pile Driving Analyzer, Model PAK. ThiÕt bÞ t¹o xung Thiết bị tạo xung: Dùng búa diesel để đóng (đối với cọc đường kính nhỏ <60cm), dùng cục tải (đối với cọc đường kính lớn >60cm) SVTH: Nguyễn Thành Phong Cầu đường bộ 1 – K52 7 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 1.3 Quy trình thí nghiệm Công tác thí nghiệm được thực hiện khi: - Bê tông cọc đã đảm bảo cường độ thiết kế.
- Cọc đủ thời gian nghỉ quy ước để sức kháng của nền đất xung quanh cọc được phục hồi đầy đủ. - Thí nghiệm được tiến hành theo các bước sau: - Lập đề cương thí nghiệm - Thí nghiệm tại hiện trường - Phân tích số liệu, lập báo cáo thí nghiệm 1.1Công tác chuẩn bị - Chuẩn bị đầu cọc: Đầu cọc phải được làm phẳng và phải được gia cố tốt đảm bảo chịu được lực phát sinh khi va chạm. Trường hợp đầu cọc có chất lượng xấu thì nhất thiết phải có biện pháp gia cường trước khi thí nghiệm. - Khoan và gắn các đầu đo biến dạng và đầu đo gia tốc vào thân cọc.
Khoảng cách từ vị trí gắn đầu đo đến đầu cọc không nhỏ hơn 1.5D, trong đó D là bề rộng tiết diện cọc. Các cặp đầu đo được bố trí ở cùng cao độ và mặt đối xứng qua tâm cọc (xem hình vẽ). Các vị trí lắp đầu đo phải đảm bảo tiếp xúc tốt giữa đầu đo và vật liệu cọc. - Nối các đầu đo với thiết bị IMS-PDA chống nhiễu điện từ.
Đưa vào máy và lưu các thông tin về hiện trường, các đặc điểm của cọc, búa … - Dùng búa tạo xung va chạm tại đầu cọc để kiểm tra tình trạng hoạt động của các thiết bị thí nghiệm. SVTH: Nguyễn Thành Phong Cầu đường bộ 1 – K52 8 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN D §Çu ®o biÕn d¹ng 1 §Çu ®o gia tèc 1 1.5D §Çu ®o biÕn d¹ng 2 §Çu ®o §Çu ®o §Çu ®o biÕn d¹ng gia tèc gia tèc 2 1 S¬ ®å bè trÝ ®Çu ®o trªn cäc Th©n cäc 76mm2mm 64mm12mm Vị trí lỗ bulông lắp đặt đầu đo SVTH: Nguyễn Thành Phong Cầu đường bộ 1 – K52 9 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Hình 1. Cọc vuông Hình 2. Cọc khoan nhồi SVTH: Nguyễn Thành Phong Cầu đường bộ 1 – K52 10 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Hình 3.2 Tiến hành thí nghiệm Dùng búa tạo xung va chạm để lấy số liệu.
Trong quá tình va chạm thiết bị tự động ghi lại sóng gia tốc và sóng biến dạng của cọc dưới mỗi lần va chạm và đánh giá sơ bộ sức chịu tải của cọc.3 Xử lý kết quả thí nghiệm Tín hiệu thu được trong quá trình đo tại hiện trường được chuyển qua máy tính để phân tích bằng phần mềm chuyên dụng (CAPWAP) dựa trên quá trình phù hợp các giá trị đầu cọc tính toán và các giá trị tương đương đo được của chúng. Cọc và đất nền sẽ được mô hình hóa để phân tích. Với mỗi mô hình cọc – nền, sóng vận tốc thu được trong thí nghiệm, Vm, được sử dụng để tính toán sóng biến dạng Pc. So sánh Pc với sóng biến dạng đo được, Pm, cho phép đánh giá mô hình nền đã sử dụng trong tính toán có phù hợp với thực tế hay không.
Mô hình nền được điều chỉnh dần cho tới khi hai sóng Pc và Pm trung hợp. Tính toán sức chịu tải của cọc và biểu đồ nén tĩnh cọc được xác định trên cơ sở mô hình nền thỏa mãn điều kiện trên. SVTH: Nguyễn Thành Phong Cầu đường bộ 1 – K52 11 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 1. Các phương pháp phân tích 1.
Phương pháp CASE Ngay tại hiện trường, bộ “phân tích đóng cọc” (“pile driving analyser”) sử dụng phương pháp CASE đã có thể dự báo sức chịu tải của cọc, dự báo ứng suất trong cọc. phương pháp CASE chuẩn (standard CASE method – RSP) được Goble và cộng sự kiến nghị vào năm 1975 để dự báo sức chịu tải cực hạn của cọc như sau: F1 ZV1 F ZV2 Pu 1 J C 1 J C 2 2 2 Trong đó: Z – trở kháng của cọc EA Mc Z c L E – Mô đun đàn hồi của cọc. A, L – Diện tích tiết diện ngang và chiều dài cọc. M – Khối lượng cọc.
c – Vận tốc truyền sóng. F1 và V1 – Lực và vận tốc đo được tại các đầu đo ở thời điểm t1. t1 là thời điểm mà hai sóng đạt cực trị đầu tiên. F2 và V2 – Lực và vận tốc đo được tại các đầu đo ở thời điểm t2.
JC – Hệ số cản nhớt (hay cản động) CASE.1: Giá trị JC sử dụng trong biến dạng lớn PDA. Kiến nghị cũ Kiến nghị mới JC cho CASE Đất ở mũi cọc (1975) (1996) max Cát sạch 0.50 Cát lẫn bụi, bụi chứa cát 0.70 Sét lẫn bụi, bụi lẫn sét 0.00 SVTH: Nguyễn Thành Phong Cầu đường bộ 1 – K52 12 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Ý nghía của phương pháp CASE chuẩn như sau: Sức chịu tải của cọc càng lớn khi điểm F1 càng cao, điểm F2 càng xa điểm V2 (2 sóng càng tách xa nhau tại t2). Tuy nhiên, với cọc chống hoặc cọc nén chặt đất nhiều thì ta nên sử dụng phương pháp CASE max (Maximum CASE method. Phương pháp CASE max khác phương pháp CASE chuẩn ở hai điểm: Ta phải tìm thời điểm t1 để sao cho sức chịu tải Pu là lớn nhất.
Hệ số JC phải có giá trị tối thiểu là 0.4 (với sỏi, cuội thì tối thiểu là 0.3) và thường lớn hơn hệ số JC của phương pháp CASE chuẩn từ 0. Phương pháp phân tích CAPWAP Phần mềm CAPWAP vẫn sử dụng các kết quả đo được trong thí nghiệm PDA. Tuy nhiên, quá trình phân tích của CAPWAP chặt chẽ hơn, chính xác hơn và đưa lại nhiều kết quả hơn so với phương pháp CASE ở trên. Thuật toán bên trong CAPWAP: Đo a(t), ε(t) => Fm (t) = EAε(t) Vm (t) = ∫ 𝑎(𝑡 )𝑑𝑡, Giả sử qi, ji, Qs, Qp CAPWAP dự báo Fc dựa trên Vm, Qs, Qp S Fc=Fm Đ Xuất kết quả Qs, Qp SVTH: Nguyễn Thành Phong Cầu đường bộ 1 – K52 13 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Trong CAPWAP các hệ số quake q và damping J sẽ đựoc tính lặp như trên hình.Đối với cọc, từ các đầu đo chúng ta đo được gia tốc và biến dạng, do đó tính được vận tốc và lực tương ứng tại các vị trí điểm đo.
Đối với đất, ban đầu ta giả sử các giá trị quake qi và damping Ji và phân bố ứng sức kháng bên Qsi và sức kháng mũi Qp. Dựa vào các thông số này CAPWAP tính toán giá trị lực tại đầu cọc Fc. So sánh Fc và Fm , thông thường thì ở những vòng lặp đầu, hai giá trị này thường khá xa nhau, do đó ta phải chọn lại các giá trị đầu vào và lặp đến khi Fc gần bằng Fm. Trong CAPWAP việc so sánh Fc và Fm thực ra thông qua việc xem xét chỉ số MQ.
Nếu MQ càng nhỏ thì Fc càng gần với Fm.2- Tình hình áp dụng Phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc bằng phương pháp biến dạng lớn (PDA) hiện nay trong xây dựng tại Việt Nam. Khái quát chung Đất nước Việt Nam, với chính sách mở cửa hợp tác với các nước trong khu vực và trên toàn thế giới đã và đang làm cho các ngành kinh tế - kỹ thuật nói chung và ngành Xây dựng nói riêng có những thay đổi, phát triển không ngừng cả về chất và lượng. Ở nhiều nơi trên đất nước, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh, số lượng nhà cao tầng, các công trình cầu vượt sông, cảng, đường sắt đoâ thị Metro… ngày một tăng cao.