CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI GIỚI HẠN CỦA CỌC TỪ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH THEO TCVN 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 1.1 Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh Thí nghiệm được tiến hành bằng phương pháp dùng tải trọng tĩnh ép dọc trục cọc sao cho dưới tác dụng của lực ép, cọc lún sâu thêm vào đất nền. Tải trọng tác dụng lên đầu cọc được thực hiện bằng kích thủy lực với hệ phản lực và giàn chất tải, hệ cọc neo hoặc kết hợp dàn chất tải và hệ cọc neo tùy tình hình địa chất khu vực. Các số liệu về tải trọng, chuyển vị và biến dạng có được trong quá trình thí nghiệm là cơ sở để phân tích, đánh giá sức chịu tải và mối quan hệ tải trọng – chuyển vị của cọc trong đất nền.1 Thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm bao gồm hệ gia tải phản lực và hệ đo đạc quan trắc. Hệ gia tải gồm kích, bơm và hệ thống thủy lực phải bảo đảm không bị rò rỉ, hoạt động an toàn dưới áp lực không nhỏ hơn 150% áp lực làm việc.
Hệ đo đạc quan trắc bao gồm thiết bị, dụng cụ đo tải trọng tác dụng lên đầu cọc, đo chuyển vị của cọc, máy thủy chuẩn, dầm chuẩn và dụng cụ kẹp đầu cọc. Tải trọng tác dụng lên đầu cọc được đo bằng đồng hồ đo áp lực lắp sẵn trong hệ thống thủy lực. Đồng hồ áp lực nên được hiệu chỉnh đồng bộ cùng với kích và hệ thống thủy lực với độ chính xác đến 5%. Chuyển vị đầu cọc được đo bằng 2 đến 4 chuyển vị kế có độ chính xác đến 0,01 mm.
Máy thủy chuẩn dùng để đo kiểm tra dịch chuyển, chuyển vị của gối kê, dàn chất tải, hệ thống neo, dầm chuẩn gá lắp chuyển vị kế, độ vồng của dầm chính và chuyển vị đầu cọc. Các bộ phận dùng để gá lắp thiết bị đo chuyển vị gồm dầm chuẩn bằng gỗ hoặc bằng thép và dụng cụ kẹp đầu cọc bằng thép bản phải đảm bảo ít bị biến dạng do thời tiết. 4 Hệ phản lực được thiết kế để chịu được phản lực không nhỏ hơn 120% tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến. Tùy thuộc điều kiện thí nghiệm, có thể chọn một trong ba dạng kết cấu sau đây để làm bệ phản lực: dầm chính kết hợp với dàn chất tải, dầm chính kết hợp với hệ dầm chịu lực liên kết với hệ cọc neo, hoặc phối hợp cả 2 dạng trên.1 Trường hợp sử dụng cọc neo làm hệ phản lực Hình 1.2 Trường hợp sử dụng dàn chất tải và đối trọng làm hệ phản lực 5 Hình 1.3 Trường hợp sử dụng dàn chất tải và đối trọng kết hợp cọc neo làm hệ phản lực 1.2 Chuẩn bị thí nghiệm Thời gian nghỉ từ khi kết thúc thi công cọc đến khi thực hiện thí nghiệm được quy định tối thiểu 21 ngày đối với cọc nhồi và 7 ngày đối với cọc đóng hoặc ép.
Đầu cọc thí nghiệm có thể được cắt bớt hoặc nối thêm nhưng phải đảm bảo độ phẳng, vuông góc với trục cọc và khoảng cách từ đầu cọc đến dầm chính đủ để lắp đặt kích, thiết bị đo Kích phải đặt trực tiếp trên tấm đệm đầu cọc, chính tâm so với tim cọc. Khi dùng nhiều kích thì phải bố trí các kích sao cho tải trọng được truyền dọc trục, chính tâm lên đầu cọc. Hệ phản lực phải lắp đặt theo nguyên tắc cân bằng, đối xứng qua trục dọc, bảo đảm truyền tải trọng dọc trục, chính tâm lên đầu cọc. Khi lắp dựng xong, đầu cọc không bị nén trước khi thí nghiệm.
Dụng cụ kẹp đầu cọc được bắt chặt vào thân cọc, cách đầu cọc khoảng 0,5 lần đường kính hoặc chiều rộng của tiết diện cọc. Các dầm chuẩn được đặt song song hai bên cọc thí nghiệm, các trụ đỡ dầm chuẩn được chôn chặt xuống đất. Chuyển vị kế được lắp đối xứng hai bên đầu cọc và được gắn ổn định lên các dầm chuẩn. Khoảng cách lắp dựng các thiết bị được quy định như sau: 6 o Từ tâm cọc thí nghiệm đến tâm cọc neo hoặc neo đất: ≥ 3D nhưng trong mọi trường hợp không nhỏ hơn 2 m.
o Từ cọc thí nghiệm đến điểm gần nhất của các gối kê: ≥ 3D nhưng trong mọi trường hợp không nhỏ hơn 1,5 m. o Từ cọc thí nghiệm đến các gối đỡ dầm chuẩn: ≥ 1,5 m. o Từ mốc chuẩn đến cọc thí nghiệm, neo và gối kê dàn chất tải: ≥ 5D nhưng trong mọi trường hợp không nhỏ hơn 2,5 m.3 Quy trình gia tải Trước khi thí nghiệm chính thức, tiến hành gia tải trước nhằm kiểm tra hoạt động của thiết bị thí nghiệm và tạo tiếp xúc tốt giữa thiết bị và đầu cọc. Gia tải trước được tiến hành bằng cách tác dụng lên đầu cọc khoảng 5% tải trọng thiết kế sau đó giảm tải về 0, theo dõi hoạt động của thiết bị thí nghiệm.
Thời gian gia tải và thời gian giữ tải ở cấp 0 khoảng 10 phút. Thí nghiệm được thực hiện theo quy trình gia tải và giảm tải từng cấp, tính bằng phần trăm (%) của tải trọng thiết kế. Cấp tải mới chỉ được tăng hoặc giảm khi chuyển vị hoặc độ phục hồi đầu cọc đạt ổn định quy ước hoặc đủ thời gian quy định. Tải trọng thí nghiệm lớn nhất do thiết kế quy định, thường được lấy bằng 250% đến 300% tải trọng thiết kế đối với cọc thăm dò và bằng 150% đến 200% tải trọng thiết kế đối với cọc thí nghiệm kiểm tra.
Quy trình gia tải tiêu chuẩn được thực hiện như sau: o Gia tải từng cấp đến tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến, mỗi cấp gia tải không lớn hơn 25% tải trọng thiết kế. Cấp tải mới chỉ được tăng khi tốc chuyển vị đầu cọc đạt ổn định (không quá 0,25 mm/giờ đối với cọc chống vào đất hòn lớn, đất cát, đất sét từ dẻo đến cứng; không quá 0,1 mm/giờ đối với cọc ma sát trong đất sét dẻo mềm đến dẻo chảy) nhưng không quá 2 giờ. o Sau khi kết thúc gia tải, nếu cọc không bị phá hoại thì tiến hành giảm tải về 0, mỗi cấp giảm tải bằng hai lần cấp gia tải và thời gian giữ tải mỗi cấp là 30 phút, riêng cấp tải 0 có thể lâu hơn nhưng không quá 6 giờ. Các giá trị thời gian, tải trọng và chuyển vị đầu cọc cần phải đo đạc và ghi chép ngay sau khi tăng hoặc giảm tải và theo khoảng thời gian như quy định ở Bảng 1.1 Thời gian theo dõi chuyển vị và ghi chép số liệu Cấp tải trọng Thời gian theo dõi và đọc số liệu Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu; Không quá 15 phút cho một lần 30 phút sau đó; Cấp gia tải Không quá 1 giờ một lần cho 10 giờ tiếp theo; Không quá 2 giờ một lần cho các giờ tiếp theo.
Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu; Cấp gia tải lại và cấp Không quá 15 phút một lần cho 30 phút sau đó; giảm tải Không quá 1 giờ một lần cho các giờ tiếp theo. Theo dõi và xử lý một số trường hợp có thể xảy ra trong quá trình gia tải: o Trị số cấp gia tải có thể được gia tăng ở các cấp đầu nếu xét thấy cọc chuyển vị không đáng kể hoặc được giảm khi gia tải gần đến tải trọng phá hoại để xác định chính xác tải trọng phá hoại. o Trường hợp cọc có dấu hiệu bị phá hoại dưới cấp tải trọng lớn nhất theo dự kiến thì có thể giảm về cấp tải trọng trước đó và giữ tải như quy định. o Trường hợp ở cấp tải trọng lớn nhất theo dự kiến mà cọc chưa bị phá hoại, nếu thiết kế yêu cầu xác định tải trọng phá hoại và điều kiện gia tải cho phép thì có thể tiếp tục gia tải, mỗi cấp tải nên lấy bằng 10% tải trọng thiết kế và thời gian gia tải giữa các cấp là 5 phút để xác định tải trọng phá hoại.
Tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị và chuyển vị – thời gian của từng cấp tải để theo dõi diễn biến quá trình thí nghiệm.4 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị 8 Hình 1.5 Biểu đồ quan hệ chuyển vị – thời gian 1.2 Phương pháp thí nghiệm Osterberg Thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg thường được sử dụng để kiểm tra sức chịu tải của cọc căn cứ theo kết quả thiết kế ban đầu thông qua các giá trị kết quả về cường độ, biến dạng, quan hệ giữa tải trọng - chuyển vị (gồm chuyển vị lên và chuyển vị xuống) thu được sau quá trình thí nghiệm.6 Mô hình thí nghiệm theo phương pháp Osterberg 9 Hình 1.7 Loại một O-cell Hình 1.8 Loại nhiều O-cell Hộp tải trọng Osterberg hay còn gọi là hộp O-Cell có cấu tạo như một kích thủy lực. Hộp được lắp đặt đồng thời với lồng thép ở đáy hay ở thân cọc cùng hệ thống các ống dẫn thủy lực và các thanh đo trước khi đổ bêtông. Sau khi bêtông cọc đạt cường độ thiết kế, tiến hành gia tải thí nghiệm bằng cách bơm chất lỏng để tạo áp lực. Kích tạo ra hai áp lực: lực đẩy thân cọc hướng lên và lực ép xuống tại mũi cọc.
Trọng lượng thân cọc và thành phần ma sát bên giữa cọc và đất nền đóng vai trò đối trọng cho thí nghiệm. Thí nghiệm kết thúc khi sức kháng ma sát bên đạt đến giới hạn hoặc sức kháng mũi giới hạn. Từ kết quả đo chuyển vị và lực, vẽ các biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị mũi và thân cọc, phân tích các biểu đồ để xác định sức chịu tải của cọc. Kết quả thí nghiệm có thể tách riêng các thành phần sức kháng bên và sức kháng mũi giúp xác định được sự ảnh hưởng của công nghệ thi công cọc đến sức chịu tải của cọc, dự báo và đánh giá sự xáo động ở đáy cọc.
Năng lượng cho thí nghiệm được chôn sâu và không có đối trọng từ bên ngoài nên thí nghiệm an toàn và không yêu cầu về mặt bằng. Thí nghiệm cho phép nghiên cứu tương đối chính xác ứng xử của cọc và đất nền, đặc biệt với khả năng chịu kéo của cọc thông qua việc bố trí số lượng và vị trí các hộp Osterberg. Quá trình thí nghiệm đơn giản, nhanh chóng. Số liệu thí nghiệm được ghi nhận tự động thuận lợi cho việc xem xét và phân tích kết quả.
Có thể thực hiện ở những điều kiện khó khăn về địa hình, mặt bằng. Thí nghiệm có thể thực hiện với cọc mở rộng đáy, cọc xiên, cọc có đỉnh dưới mặt đất tự nhiên.
