XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA KHUYẾT TẬT TRONG BÊ TÔNG ĐỐI VỚI CHẤT LƯỢNG CỌC KHOAN NHỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

bộ giáo dục và đào tạo
Trờng Đại học xây dựng

KS. Nguyễn thanh quang
xác định ảnh hởng của khuyết tật trong bê tông đối
với chất lợng cọc khoan nhồi
bằng Phơng pháp siêu âm
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
M số : ã
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
hớng dẫn khoa học: PGS.TS. hoàng nh tầng
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Hµ Néi - 2006
2
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Lời cảm ơn
Xin chân thành cảm ơn thầy: PGS. TS Hoàng Nh Tầng, các Giáo s, Phó Giáo s,
Tiến sĩ, các thầy, cô trong khoa Đào tạo sau đại học Trờng Đại học Xây dựng -
Hà Nội, Công ty Coninco, các đồng nghiệp, bạn bè và ngời thân đã tận tình
giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này !
Hà nội, ngày 10 tháng 3 năm 2006.
KS. Nguyễn Thanh Quang
3
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
phần mở đầu
1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu.
Xu h ớng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu, nhiều khi là ph ơng án duy
nhất đối với kết cấu móng của những công trình xây dựng đòi hỏi đáp ứng đợc
tải trọng tập trung lớn. Trong đó, trớc hết phải kể đến là công trình nhà cao
tầng, nhà nhịp lớn, công trình cầu với khẩu độ hàng trăm mét. Ưu điểm cơ bản
của loại móng cọc này là cho phép thi công đợc cọc tiết diện lớn, cắm đợc vào

lớp đất sâu vài chục mét, tựa vào nền đất có cờng đô cao hơn hẳn so với các loại
cọc đóng hay cọc ép. Với việc áp dụng công nghệ thi công hiện đại, việc áp
dụng cọc khoan nhồi còn thích hợp với những công trình thi công ở điều kiện
xây chen trong trhành phố.
Mặc dù công nghệ thi công cọc khoan nhồi hiện nay đã đạt đợc những tiến
lớn với việc sử dụng máy móc chuyên dùng cùng phơng tiện và thiết bị hiện đại,
nhng trong nhiều trờng hợp vẫn không tránh khỏi khuyết tật xảy ra, làm ảnh h-
ởng đến chất lợng bêtông, gây giảm yếu khả năng chịu lực của cọc. Thực tế này
đòi hỏi ở công tác kiểm tra chất lợng bêtông cọc mỗi ngày một chặt chẽ, với
việc cung cấp thông tin về chất lợng cả về mặt định tính và định lợng. Đây
chính là nhiệm vụ đặt ra đối với những ngời làm công tác kiểm định chất lợng
cọc. Tuỳ theo quy mô và mức độ phức tạp của công trình, nhiều khi đòi hỏi phải
kiểm tra với số lợng cọc từ 50 đến 100% tổng số cọc trong công trình.
Hiện nay, phụ thuộc vào chỉ định của thiết kế và điều kiện trang thiết bị sẵn
có, ngời ta có thể kiểm tra chất lợng cọc bănghf nhiều phơng pháp khác nhau.
Có thể nêu tên một số phơng pháp kiểm định chất lợng cọc khoan nhồi hiện
đang áp dụng phổ biến ở Việt Nam nh sau :
trong tay Môtphơng pháp siêu âm hiện đang đợc áp dụng phổ biến. Qua những
thông tin về biểu đồ vận tốc xung siêu âm ( wavespeed ) hoặc biểu đồ thời gian
đến (first arrival time), năng lợng (energy) v biểu đồ phổ siêu âm (waterfall)
cho phép đánh giá hiện trạng chất lợng của bêtông cọc khảo sát. Tuy nhiên, với
4
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
những kết quả thí nghiệm nhận đợc, việc đánh giá mức độ ảnh hởng của những
khuyết tật khác nhau đối chất lợng cọc còn có những vấn đề cha đợc làm rõ. Vì
vậy, việc thi công gặp khó khăn và dẫn đến việc xử lý khi cọc có sự cố, kém
hiệu quả cùng những tốn kém không cần thiết. Trong quá trình thi công cọc
khoan nhồi thờng xảy ra những khuyết tật rất đa dạng. Chúng nằm sâu trong
lòng bêtông cọc mà ngời thí nghiệm cần phải nhận dạng, đánh giá mức độ ảnh
hởng của nó đối với chất lợng bêtông kiểm tra một cách cụ thể hơn. Cho đến

nay, việc giải quyết vấn đề này phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm chủ quan
của CBKT kiểm định.
Đề tài sẽ nghiên cứu phơng pháp phân biệt một số dạng khuyết tật thờng
gặp và định lợng mức độ ảnh hởng của chúng đối với chất lợng bêtông cọc
bằng thực nghiệm. Trên cơ sở đó cho phép ngời kỹ s chẩn đoán và đánh giá
hiện trạng chất lợng cọc khoan nhồi một cách nhất quán và chuẩn xác hơn.
Đây cũng chính là giải pháp nâng cao độ tin cậy của phơng pháp thí
nghiệm đánh giá chất lợng bêtông cọc khoan nhồi bằng phơng pháp siêu
âm.
02. Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở tổng hợp kết quả kiểm tra chất lợng bêtông cọc khoan nhồi
bằng phơng pháp Siêu âm trên hiện trờng và kết quả thực nghiệm trên mô
hình, rút ra những dạng khuyết tật thờng gặp và đề xuất phơng pháp xác
định mức độ ảnh hởng của chúng đối với sự làm việc của kết cấu cọc.
03. Đối tợng nghiên cứu
Chất lợng bê tông của cọc khoan nhồi
04. Nội dung nghiên cứu
5
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Tổng quan về phơng pháp thí nghiệm kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi.
Tìm hiểu, so sánh về 1 số phơng pháp thí nghiệm kiểm tra chất lợng cọc
khoan nhồi hiện nay áp dụng ở Việt nam.
Một số dạng khuyết tật bê tông thờng gặp đối với cọc khoan nhồi và sự
biểu hiện tơng ứng của chúng trong kết quả thí nghiệm siêu âm:
Nghiên cứu thực nghiệm qua mô hình thí nghiệm với những khuyết tật
định trớc bố trí trong cọc.
Kiến nghị về phơng pháp nhận dạng khuyết tật qua kết quả kiểm tra siêu
âm.
6
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chơng 1

Tổng quan về thí nghiệm cọc
Trong quá trình thi công cọc , có rất nhiều yếu tố ảnh hởng tới chất lợng thi
công cọc làm cho cọc có thể có khuyết tật trong quá trình thi công. Các khuyết
tật này rất ít khi đợc phát hiện trong quá trình thi công nếu không có thiết bị
theo dõi liên tục. Nếu phát hiện muộn sẽ dẫn tới giá thành của biện pháp sửa
sữa, gia cố cao. Mặt khác, do tính chất phức tạp của đất nền cũng nh cần kiểm
tra chất lợng cọc sau khi thi công, ngời ta thờng tiến hành chọn một hoặc một
vài biện pháp thí nghiệm cọc tại hiện trờng. Hiện nay có nhiều phơng pháp
kiểm tra chất lợng và khả năng làm việc cọc đang đợc dùng tại Việt Nam nh dới
đây:
7
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
I. Phơng pháp thí nghiệm tải trong tĩnh
Các công trình thờng chịu tải trọng tĩnh nên sức chịu tải thu đợc từ tải trọng
tĩnh sẽ phản ánh đúng hơn khả năng làm việc của công trình. Phơng pháp này
còn cho ta khả năng chịu nhổ và chịu lực ngang của cọc.
I. 1. Phơng pháp nén tĩnh
I. 1. 1. Nguyên lý
Tác dụng một lực lên đầu cọc. Lực này
tăng theo từng cấp theo thời gian cho đến
khi đạt tải trọng yêu cầu.
I. 1. 2. Dụng cụ
Dùng một số cọc đóng xuống hoặc nhồi
gần vị trí cọc thử làm hệ thống neo để chẹn
kích gia tải thí nghiệm nh hình vẽ 1-1. Cách
này có thể dùng khi ma sát của đất xung
quanh cọc đủ lớn và có thể chịu đợc lực nhổ.
Số cọc neo có thể là 4,6,8 có thể tận dụng

luôn các cọc đã hạ xuống trong đài để làm
cọc neo.
Trong trờng hợp đất yếu, ma sát xung
quanh mặt cọc không đủ để neo thì dùng
bàn gia tải nh hình vẽ 1-2.
I. 1. 3. Quá trình thực hiện
Tải trọng đợc ra theo từng cấp bằng 1/10
đến 1/15 tải trọng giới hạn xác định theo
tính toán. ứng với mỗi cấp tải trọng, ngời ta
đo độ lún của cọc nh sau: Bốn lần ghi số đo
đồng hồ đo lún, mỗi lần cách nhau 15 phút,
hai lần cách nhau 30 phút, sau đó mỗi giờ lại
ghi một lần cho đến khi độ lún của cọc là
hoàn toàn ổn định dới cấp tải trọng đó. Cọc
đợc coi là lún ổn định dới cấp tải trọng nếu
mức chênh độ lún trong hai lần đo kế tiếp
nhau 0.01mm. Khi đó tiến hành hạ tải.
I. 1. 4. Kết quả thu đợc
Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, ngời ta
xây dựng đờng quan hệ giữa độ lún và tải
trọng tác dụng lên cọc (tơng ứng với sức
kháng của đất).
8

5

2

1

4

3

6

6

Hình 1-1_Thử tải trọng tĩnh dùng cọc
neo; 1-Cọc thí nghiệm; 2-Bơm dầu; 3-
Thiết bị đo biến dạng; 4-Kích thủy
lực; 5-Dầm thép; 6-Cọc neo

Đối trọng

1

3

2

4

5

6

Hình 1-2_Thử tải trọng tĩnh dùng bàn
gia tải; 1-Cọc thí nghiệm; 2-Bơm dầu;
3-Thiết bị đo biến dạng; 4-Kích thủy

lực; 5-Dầm thép; 6-Gối đỡ.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
I. 1. 5. Nhận xét
Phơng pháp nén tĩnh cho kết quả là sức chịu tải tĩnh theo chuyển vị tơng ứng
của cọc thí nghiệm. Ưu điểm của phơng pháp :
Phơng pháp này cho kết quả có độ chính xác cao.
Thiết bị thí nghiệm đơn giản
Tuy vậy phơng pháp có một số hạn chế:
Thời gian thí nghiệm với một cọc khá lâu .
Yêu cầu về mặt bằng thí nghiệm cao, đặc biệt là với các cọc có sức chịu
tải trọng lớn . Trong trờng hợp này , tải trọng sử dụng làm đối trọng
hoặc các cọc neo cũng ảnh hởng ít nhiều đến sự làm việc của cọc thử.
Rất khó dùng cho các công trình có địa hình chật hẹp hoặc nằm ven
hay trên sông, biển
Giá thành cao, đặc biệt hiệu quả kinh tế thấp với các công trình nhỏ.
I. 2. Phơng pháp thí nghiệm Osterberg
I. 1. 1. Nguyên lý
Phơng pháp này dùng lực ma sát
thành của cọc làm đối trọng để kiểm
tra khả năng chịu tải tại mũi cọc. Tác
dụng một lực lên mũi cọc. Lực này
tăng theo từng cấp theo thời gian cho
đến khi đạt tải trọng yêu cầu.
I. 1. 2. Dụng cụ
Một kích thuỷ lực (hay đợc gọi là
hộp Osterberg) đợc đặt tại mũi cọc nh
hình vẽ 1-3. Các ống dẫn dầu và ống
đo áp lực dầu đợc đặt trớc khi đổ bê
tông cọc.
I. 1. 3. Quá trình thực hiện

Sau khi bê tông cọc đã đủ tuổi, ngời
ta tiến hành bơm dầu vào kích. Đồng
hồ đo cho biết áp lực của dầu trong
kích. Chuyển vị đi xuống của mũi cọc,
chuyển vị lên của thân cọc đợc xác
định các thanh đo chuyển vị và truyền
vào thiết bị đo. Chuyển vị của kích đợc
đo cho đến khi ứng suất kéo trong bê
tông trong vùng kích hoặc áp lực dầu
trong kích đạt tới giá trị tới hạn. Khi
đó tiến hành hạ tải.
9

3

1

2

4

8

7

6

5

9

Hình 1-3_PhZơng pháp thử tĩnh bằng hộp
Osterberg.
1-Hộp Osterberg; 2-ống dẫn dầu; 3-Cọc
thử; 4-ống và thanh truyền chuyển vị; 5-
Dầm nồi; 6-Các đầu đo chuyển vị; 7-Dây
dẫn; 8-Thiết bị nhận, chuyển đổi và ghi số
liệu; 9 - Bơm thuỷ lực có áp kế
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
I. 1. 4. Kết quả thu đợc
Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, ng-
ời ta xây dựng đờng quan hệ giữa
chuyển vị và tải trọng của thân cọc và
mũi cọc theo thời gian. Đồ thị này dùng
làm căn cứ xác định sức chịu tải của
cọc.
I. 1. 5. Nhận xét
Ưu điểm :
Tránh đợc ảnh hởng của đổi trọng hay cọc neo tới mối quan hệ giữa đất
và cọc thí nghiệm nh trong phơng pháp thử tĩnh.
Không cần đối trọng hay cọc neo mà dùng ngay chính lực ma sát ở thân
cọc làm đối trọng.
Tải trọng dùng thí nghiệm bằng một nửa khả năng làm việc của cọc.
Nhợc điểm :
Kích và các hệ phụ trợ phải đợc đặt vào trớc khi đặt cốt thép và đổ bê
tông.
Chỉ thí nghiệm đợc khi bê tông cọc đã đạt cờng độ thiết kế.
Chi phí thí nghiệm cho một cọc lớn.
ứng suất kéo tại vị trí đặt kích ở mũi cọc có thể gây nứt bê tông ở vùng
này.

II. Phơng pháp tải trọng động
II. 1. Phơng pháp dùng chấn động
II. 1. 1. Nguyên lý
Phơng pháp này dựa vào quan hệ giữa chuyển vị và sức kháng của cọc sau
mỗi nhát búa đóng.
II. 1. 2. Dụng cụ
.
II. 1. 3. Quá trình thực hiện
Trong những nhát búa thí nghiệm, chuyển vị tơng ứng của cọc đợc xác định.
II. 1. 4. Kết quả thu đợc
Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, sức chịu tải của cọc đợc xác định bằng các công
thức kinh nghiệm . Mô hình chung, các công thức thử động đơn giản có thể trình
bày dới dạng : Thế năng của búa bằng công sinh ra để cọc có một chuyển vị a
thì :
Qh = Ra (1-1)
10
Hình 1-4_Hộp Osterberg
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Trong đó : Q - Trọng lợng búa
h - Chiều cao rơi búa
R - Sức kháng của đất
Có nhiều công thức khác đợc xây dựng trong đó có kể đến các hệ số thực
nghiệm nhằm kể đến các điều kiện của buá , đệm đầu cọc , cọc và đất nền khác
nhau nhằm làm cho kết quả thí nghiệm sát với kết quả nén tĩnh hơn.
II. 1. 5. Nhận xét
Ưu điểm :
Phơng pháp là cho kết quả nhanh.
Phép thử tiến hành đơn giản
Nhợc điểm :
Phơng pháp có độ tin cậy thấp, sai số khá lớn và phụ thuộc nhiều vào

yếu tố con ngời.
II. 2. Phơng pháp kiểm tra bằng siêu âm
II. 2. 1. Nguyên lý
Phơng pháp này dựa vào sự thay đổi của
vận tốc sóng âm thanh khi đi qua các môi
trờng tính chất khác nhau để đánh giá chất
lợng hay mức đồng nhất của môi trờng
truyền sóng.
Tốc độ sóng âm truyền trong bê tông thông
thờng khoảng 3000-4200m/s. Trên đờng
truyền sóng, gặp bê tông có khuyết tật nh
nứt, kẹp bùn, độ đặc chắc kém, sóng âm sẽ
giảm dần, một phần sóng âm vòng qua
khuyết tật tiếp tục đi, xảy ra hiện tợng mạn
xạ. Gặp mặt giới hạn không khí của lỗ
hổng sẽ sinh ra phản xạ hoặc tán xạ, làm
cho biên độ của sóng nhỏ đi. Khuyết tật
phá hoại tính liên tục của bê tông, làm cho
đờng truyền sóng phức tạp hoá, khiến cho
hình sóng bị méo mó. Vì vậy khi sóng âm
truyền trong bê tông có khuyết tật, biên độ
nhỏ đi, tốc độ sóng thấp, hình sóng méo
mó.
II. 2. 2. Dụng cụ
Dụng cụ phục vụ thí nghiệm nh hình vẽ bên. Trong đó, các ống dẫn đợc đặt
sẵn trong cọc trớc khi đổ bê tông.
11

2

1

3

4

5

6

7

Hình 1-4_Kiểm tra cọc bê tông
bằng phZơng pháp siêu âm
1-Cọc thí nghiệm; 2-Đầu thu; 3-
Đầu phát; 4-Cáp điện; 5-Tời; 6-
Máy đo điện tử; 7-ống chôn sẵn
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
II. 2. 3. Quá trình thực hiện
Một sóng siêu âm đợc sinh ra từ đầu phát đặt trong một ống đặt trớc trong cọc
mà ống này đựng đầy nớc. Sóng siêu âm đợc thu nhận lại bởi đầu thu đặt cùng
cao độ với đầu phát và cũng đợc đặt trong ống để sẵn trong thân cọc cũng đầy
nớc. Phép đo đợc tiến hành trên các điểm có khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ để
có thể coi số liệu thu đợc là liên tục theo chiều sâu hạ cọc.
- Lắp đặt và kết nối thiết bị chuẩn bị cho thí nghiệm. Sau khi việc kết nối hoàn
thành, kiểm tra nguồn điện và khởi động máy.
- Hiệu chỉnh tín hiệu thu phát khi bắt đầu thí nghiệm đợc đảm bảo theo hai điều
kiện sau:
a) Đầu thu và đầu phát đợc thả vào trong lòng ống đo, tại một độ sâu dự
định để điều chỉnh tín hiệu các đầu đo này phải luôn đặt cùng một cao độ;

b) Tín hiệu đợc điều chỉnh sao cho thời gian truyền xung siêu âm từ điểm
phát đến điểm thu là tối thiểu và biên độ thu đợc của tín hiệu xung là lớn
nhất.
- Trong quá trình thí nghiệm đầu đo dịch chuyển từ đáy lên đỉnh cọc (hình vẽ).
Cả đầu thu và đầu phát cùng đợc kéo lên với một vận tốc tính trớc phù hợp với
chiều dài cọc và khả năng của thiết bị, các ống đo phải đảm bảo luôn đầy nớc,
tín hiệu xung siêu âm đợc hiển thị trên màn hình theo chiều dài của mỗi mặt cắt
thí nghiệm và đợc ghi lại thành tệp số liệu. Kết quả thí nghiệm thu đợc thông
thờng bao gồm các số liệu cơ bản sau:
a) Thời gian truyền xung, tần số và biên độ xung tại các độ sâu thí nghiệm từ
điểm phát đến điểm thu;
b) Chiều dài của mỗi mặt cắt thí nghiệm.
II. 2. 4. Kết quả thu đợc
Từ đờng cong vận tốc truyền ( hoặc thời gian truyền ) và đờng cong biến đổi
của biên độ các sóng thu đợc có thể xác định đợc vị trí khuyết tật trong cọc và
chất lợng bê tông cọc.
II. 2. 5. Nhận xét
Ưu điểm
Phơng pháp cho phép xác định tính đồng nhất và khuyết tật của bê tông
trong phạm vi từ điểm phát đến điểm thu, có thể cho kết quả chính xác
về vị trí khuyết tật kể cả ở độ sâu lớn
Phơng pháp cho kết quả nhanh.
Phép thử tiến hành đơn giản
Nhợc điểm
12
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Các khuyết tật của bê tông cọc khoan nhồi hoặc cấu kiện móng đợc
phát hiện bằng phơng pháp này mới chỉ mang tính chất định tính, còn
có những vấn đề cha đợc làm rõ. Vì vậy, việc thi công gặp khó khăn và
dẫn đến việc xử lý khi cọc có sự cố, kém hiệu quả cùng những tốn kém

không cần thiết. Trong quá trình thi công cọc khoan nhồi thờng xảy ra
những khuyết tật rất đa dạng. Chúng nằm sâu trong lòng bêtông cọc mà
ngời thí nghiệm cần phải nhận dạng, đánh giá mức độ ảnh hởng của nó
đối với chất lợng bêtông kiểm tra một cách cụ thể hơn. Cho đến nay,
việc giải quyết vấn đề này phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm chủ
quan của CBKT kiểm định
II. 3. Phơng pháp thí nghiệm cọc dựa trên lý thuyết ph-
ơng trình sóng
II. 3. 1. Nguyên lý chung
a. Phơng trình sóng
Phơng trình sóng cơ học truyền theo một phơng cơ bản có dạng :
2
2
2
2
2
x
u
v
t
u


=


(1-2)
Trong đó : v - Vận tốc truyền sóng.
u - Chuyển vị của điểm.
t - Thời gian.

x - phơng truyền của sóng
Có thể sử dụng phơng trình này để miêu tả quá trình truyền chấn động dọc
theo trục của thanh căng, thanh thẳng hoặc truyền áp lực gây xoắn và truyền áp
lực gây nén trong chất lỏng lý tởng dọc theo trục của vật chứa. Rất nhiều nhà
khoa học đã phát triển từ phơng trình cơ bản này thành các phơng trình hoàn
chỉnh cho nhiều đối tợng nghiên cứu khác nhau nh Timoshenko và Goodier
(1951), Richart và những nhà khoa học khác (1970) và Graff (1975).
Các phơng pháp thí nghiệm không phá huỷ áp dụng lý thuyết sóng ứng suất
có thể đánh giá tính nguyên vẹn của nhiều loại kết cấu khác nhau. Thông thờng,
có ba dạng sóng ứng suất đợc sinh ra khi cho hai vật rắn va chạm với nhau.
Những sóng này đợc truyền theo tất cả mọi phơng từ nguồn sóng đợc chia ra
làm sóng dọc , sóng ngang và sóng mặt. Theo công thức (1-2), sóng dọc truyền
nhờ sự thay đổi thể tích của môi trờng. Sóng đợc truyền đi theo mọi phơng từ
nguồn sóng. sóng ngang lại truyền theo phơng vuông góc với sóng dọc.Sóng
dọc có thể truyền qua bất cứ môi trờng trung gian nào trong khi sóng ngang chỉ
truyền qua đợc những môi trờng có tính chịu cắt. Sóng mặt đợc truyền trên bề
mặt của vật làm cho các điểm trên bề mặt dao động dạng elip và ngợc với ph-
ơng truyền sóng. Biên độ của sóng mặt giảm theo luật hàm số mũ từ nguồn
sóng.
Vận tốc truyền sóng dọc gây nén trong môi trờng đàn hồi có dạng :
13
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
v
p
=
)21)(1(
)1(E
+

(1-3)

Trong đó : E - Mô đun đàn hồi của vật liệu
- Hệ số Poisson
- Khối lợng riêng của vật liệu.
Trong trờng hợp sóng truyền theo một phơng dọc trong một thanh thẳng, ví dụ
truyền dọc theo thân cọc, phơng trình tính vận tốc truyền của sóng sẽ đơn giản
hơn. Với thanh thẳng, theo Timoshenko và Goodier vận tốc của sóng chỉ phụ
thuộc vào hệ số Poisson nếu đờng kính của thanh nhỏ hơn bớc sóng vì trong tr-
ờng hợp đó, thành phần sóng ngang dọc theo trục thanh là không đáng kể. Khi
đó công thức tính vận tốc sóng truyền có thể rút gọn dới dạng :
v
p
=

E
(1-4)
So sánh hai công thức (1-3) và (1-4), vì
1
21
1
)21)(1(
1
2
>


=
+


nên sóng ứng suất nén truyền trong môi trờng đàn hồi có vận tốc nhanh hơn

trong một thanh thẳng đàn hồi. Trong thanh thẳng do ảnh hởng của hiệu ứng
biên dạng trụ nên chuyển vị trên biên có thể xảy ra, trong khi trong môi trờng
đàn hồi, sóng không chịu ảnh hởng này. Với hệ số Poisson = 0.2 ữ 0.3 ( thông
thờng với bê tông ) vận tốc sóng truyền trong thanh thẳng thờng thấp hơn từ 5 ữ
15% so với vận tốc sóng truyền trong môi trờng vô hạn. Với bê tông vận tốc
sóng nằm trong khoảng 3500 ữ4500m/s.
Do tính không đồng nhất, đất có tính chất lan truyền sóng khác biệt so với vật
liệu đàn hồi lý tởng. Đất thông thờng gồm ba pha : pha rắn, pha lỏng và pha khí.
Vận tốc lan truyền của sóng trong đất phụ thuộc vào vật liệu( nớc, không khí
hay dung dịch ) trong lỗ rỗng của đất. Với đất dính bão hoà nớc, theo Richart,
phơng pháp chấn động rất ít khi xác định đợc thời điểm sóng đến lần đầu tiên
trên cấu trúc các hạt rắn của đất mà thông thờng đợc xác định thông qua nớc
trong đất. Sóng nén lan truyền trong nớc có vận tốc vào khoảng 1480m/s, vì vậy
nớc trong lỗ rỗng của đất có thể xem nh vật liệu rắn dới tác dụng của sóng khi
so sánh với trạng thái tự nhiên trong đất. Richart,Biot và một số nhà khoa học
đã tiến hành nghiên cứu đặc tính lan truyền của sóng trong lỗ rỗng của vật liệu
bão hoà nớc. Sóng dọc và sóng ngang lan truyền trong chất lỏng trong lỗ rỗng
theo không gian ba chiều, Biot đã xác định đợc ảnh hởng qua lại của chất lỏng
và cấu trúc chất rắn tới tính lan truyền của sóng. Kết quả cho thấy , sóng dọc
truyền qua mọi thành phần có trong môi trờng là chất lỏng và cấu trúc chất rắn
và chịu ảnh hởng qua lại với các thành phần này. Ngợc lại, không có thành phần
nào truyền sóng ngang do chất lỏng trong lỗ rỗng không có tính chịu cắt. Vì
vậy, phép đo sóng ngang trong đất bão hoà nớc có thể dùng để xác định vận tốc
14
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
sóng ngang trong cấu trúc hạt đất. Năm 1961, Richart, Hardin và một số nhà
khoa học đã áp dụng lý thuyết của Biot cho cát thô ở trạng thái bão hoà nớc.
Kết quả cho thấy có sự biến đổi của vận tốc sóng dọc và sóng ngang với áp lực
của nớc trong lỗ rỗng. Theo lý thuyết của Biot, tồn tại ba dạng sóng và vận tốc
của chúng có mối quan hệ với nhau. Sóng dọc trong pha nớc có vận tốc lớn nhất

và cao hơn trong môi trờng chất lỏng do ảnh hởng của lực đẩy từ pha rắn.
Trong pha rắn của vật liệu bão hoà nớc, vận tốc của sóng nén nhỏ hơn so với
trong pha rắn của vật liệu ở trạng thái khô do có sự cản trở của nớc trong lỗ
rỗng.
b. ứng dụng phơng trình sóng trong thí nghiệm cọc
Từ năm 1960 , giải pháp phân tích cọc dựa trên phơng trình sóng do Smith
E.A. nghiên cứu và phát triển đợc chấp nhận rộng rãi trên thế giới. Do đặc tính
lan truyền , phản xạ và tiêu hao năng lợng của sóng , lý thuyết sóng ứng suất đã
đợc áp dụng để thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc tại hiện trờng. Khi đó,
việc mô phỏng hệ thống búa - cọc - đất còn nhiều khó khăn do số phơng trình
cũng nh việc xác định các điều kiện biên lớn nên các kết quả đạt đợc theo ph-
ơng pháp giải tích còn nhiều hạn chế. Với sự phát triển của kỹ thuật số và máy
tính điện tử ngày nay đã cho phép mô phỏng chính xác toàn bộ hệ thống búa -
cọc - đất và nâng cao khả năng ứng dụng của phơng pháp này.
Đây là một phơng pháp tiên tiến đã đợc áp dụng trên nhiều nớc trên thế giới
do đã khắc phục đợc những nhợc điểm của phơng pháp thí nghiệm nén tĩnh và
có nhiều tính năng u việt khác. áp dụng lý thuyết sóng ứng suất vào thí nghiệm
cọc tại hiện trờng đợc chia làm hai loại khác nhau : phơng pháp biến dạng lớn
và phơng pháp biến dạng nhỏ. Cả hai phơng pháp đều tiến hành theo phơng
pháp tạo ra một sóng ứng suất ban đầu tại đầu cọc. Sóng này lan truyền dọc
theo cọc, phản xạ lại đầu cọc nơi đặt thiết bị đo nhận. Từ đó xác định đợc sự
chênh lệch giữa sóng phát ra ban đầu và sóng thu lại sau khi đã truyền theo thân
cọc. Dựa vào phơng trình sóng ứng suất , ta có thể xác định đợc những thông số
cần thiết về cọc.
II. 3. 2. Phơng pháp biến dạng nhỏ
a. Nguyên lý
Với sự va đập của búa, sóng ứng suất và sóng mặt đợc tạo ra. Tần số của sóng
sinh ra trong quá trình va đập là một hàm phụ thuộc vào thời gian và biên độ
của sự va chạm. Khai triển Fourier hàm lực tức thời của sự va chạm đàn hồi
bằng tổng của các hàm lực tức thời biểu diễn theo hàm sin với tần số , biên độ

và pha khác nhau (theo Sansalone và Carino,1986). Từ đó xác định đợc miền
của tần số hay miền của sóng với bớc sóng khác nhau đợc truyền vào cọc kiểm
tra. Hàm lực tức thời đợc biểu diễn dới dạng :
F=F
max
sin
c
t
t
0 t t
c
(1-5)
15
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Trong đó : F
max
- Giá trị lực lớn nhất
t
c
- Thời gian của quá trình va chạm.
Cả F
max
và t
c
đợc ghi lại theo biểu đồ quan hệ lực và thời gian và đợc sử dụng
để phân tích kết quả kiểm tra trong thí nghiệm biến dạng nhỏ. Khả năng xác
định khuyết tật của phơng pháp biến dạng nhỏ phụ thuộc vào tần số ( bớc sóng )
của sóng lan truyền và phụ thuộc vào độ lớn của khuyết tật. Thông thờng, sóng
ứng suất sẽ phản xạ khi gặp khuyết tật nếu kích thớc khuyết tật xấp xỉ hoặc lớn
hơn bớc sóng. Mối quan hệ giữa vận tốc v, tần số f, và bớc sóng đợc biểu thị

bằng quan hệ :
v = f (1-6)
Nh vậy, khi vận tốc truyền sóng v = 4000m/s với tần số nằm trong khoảng 0
ữ2000 Hz, bớc sóng ngắn đợc sinh ra do sự va đập tại đầu cọc năm trong
khoảng từ 0 đến 2m. Tần số sóng đủ thấp dùng để đánh giá chất lợng bê tông
cần bảo đảm có bớc sóng lớn hơn kích thớc của cốt liệu. Ví dụ, tần số cao nhất
có thể dùng với bê tông có kích thớc cốt liệu 76mm là 50000Hz . Tuy nhiên,
việc sử dụng những tần số thấp đã làm giảm khẳ năng nhạy cảm để phát hiện
những khuyết tật nhỏ; vì vậy, tồn tại một giới hạn khi xác định khuyết tật trong
bê tông bị giới hạn bởi bớc sóng.
Phơng pháp biến dạng nhỏ hoạt đông trên nguyên tắc tạo ra một sóng nén nhỏ
tại đầu cọc và sóng này đợc truyền dọc theo thân cọc. Trong quá trình truyền
dọc theo thân cọc, một phần sóng sẽ
bị mất đi do khả năng cản trở tính
lan truyền sóng của vật liệu làm cọc.
Trong trờng hợp cọc có khuyết tật
lớn hay vật liệu làm cọc có sự thay
đổi về chất lợng sẽ làm cho sóng
này bị chia làm hai phần. Một phần
sóng sẽ phản xạ lại đầu cọc, phần
còn lại tiếp tục truyền cho tới mũi
cọc. Một đầu đo đợc gắn ở đầu cọc
sẽ ghi lại toàn bộ tín hiệu phát ra và
phản xạ trở lại sau mỗi một nhát
búa. Vị trí xuất hiện khuyết tật đợc
tính toán từ vận tốc sóng truyền
trong cọc. Độ lớn của khuyêt tật có
thể đánh giá căn cứ trên độ lớn của biên độ tín hiệu phản xạ.
b. Dụng cụ
Thiết bị thí nghiệm gồm một máy nhận và lu trữ tín hiệu đo cầm tay. Một búa

cầm tay tạo xung lực ban đầu và một đầu đo nh hình vẽ.
c. Quá trình thực hiện
16
Hình 1-5_Kiểm tra cọc bằng phZơng pháp
biến dạng bé. 1-Đầu đo; 2-Búa cầm tay; 3-
Máy đo; 4-Cọc thí nghiệm.
2
3
1
4
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Sau khi gắn các thiết bị đo lên cọc, nhập các số liệu ban đầu về cọc, dùng búa
cầm tay tác dụng một lực nhỏ tại đầu cọc. Máy ghi tín hiệu sẽ ghi lại sự biến
thiên của vận tốc.
d. Kết quả thu đợc
Kết quả thu đợc hiển thị biểu đồ
vận tốc và biến thiên vận tốc theo
thời gian. Trong trờng hợp cọc có
khuyết tật, thiết bị ghi sẽ báo vị trí t-
ơng ứng của khuyết tật trên cọc.
e. Nhận xét
Hiện nay, có rất nhiêu công ty sử
dụng phơng pháp thí nghiệm biến
dạng nhỏ để chế tạo thiết bị thí
nghiệm tính nguyên vẹn của cọc tại
hiện trờng. Do vậy phơng pháp này
có nhiều tên gọi khác nhau nh ph-
ơng pháp TNO (Hà lan), PIT ( Hãng
Dynamics Inc. - Mỹ), The Impact-
Echo test ( CEBTP - Pháp ). Với

những tính năng gọn nhẹ, phép thử
tiến hành nhanh với yêu cầu mặt
bằng thí nghiệm thấp, giá thành rẻ,
phơng pháp này đã đợc sử dụng
trong rất nhiều công trình tại Việt
nam.
Để thống nhất cũng nh đảm bảo tính sát thực của kết quả thí nghiệm, ủy ban
ASTM đa ra tiêu chuẩn ASTM D5882 áp dụng cho các thiết bị thí nghiệm cọc
theo phơng pháp biến dạng nhỏ.
Ưu điểm :
- Phơng pháp này có thời gian kiểm tra một cọc ngắn
- Yêu cầu về chuẩn bị mặt bằng thí nghiệm đơn giản, rẻ tiền với số ngời
tham gia thí nghiệm ít (01 ngời) . Với u điểm đó , có thể tiến hành thí
nghiệm rất nhiều cọc trong một ngày.
Nhợc điểm
- Do va chạm đợc tạo ra có năng lợng nhỏ, nên thí nghiệm chỉ có hiệu
quả đối với những cọc có tỷ số L/D 30 ( L là chiều dài cọc, D là đờng
kính cọc)
- Việc xác định chính xác loại khuyết tật là rất khó khăn. Ví dụ, chỗ thu
thiết diện và bê tông kém chất lợng đều tạo ra tính kháng và phân biệt
17
Hình 1-6_Vận tốc đo đZợc trên cọc dài
6.1m với trọng lZợng búa tZơng ứng 0.9 ,
0.45 và 0.22kg
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
hai loại khuyết tật này có thể rất phức tạp. Vậy với cọc có nhiều khuyết
tật có thể không kiểm tra đợc do những tín hiệu phản xạ riêng biệt có
thể không sinh ra. Mặt khác, nếu cọc bị phình thì vẫn sinh ra tín hiệu
phản xạ do tại vị trí này, trở khảng của cọc đã tăng lên trong khi thực tế
những chố bị phình không làm giảm tính nguyên vẹn của cọc. Với đất

chặt , tín hiệu phả xạ cũng đợc sinh ra do cũng tơng tự nh tăng trở
kháng của cọc, nguyên nhân do việc thêm vào các phần tử không rõ
ràng trong phân tích tính nguyên vẹn của cọc. Trong trờng hợp vị trí
kiểm tra nằm trong điều kiện không vào gần đợc, biên độ lớn của sóng
mặt có thể tạo ra một tín hiệu phản xạ từ mũi cọc hay từ vị trí khuyết tật
trên thân cọc. Không xác định đợc khuyết tật trong trờng hợp khuyết tật
là vết nứt hoặc cọc bị nối.
II. 3. 3. Phơng pháp biến dạng lớn (PDA- Pile Dynamic Analyzer)
a. Nguyên lý
Phơng pháp biến dạng lớn cũng dựa trên cơ sở lý thuyết sóng nh phơng pháp
biến dạng nhỏ. Tuy nhiên, do năng lợng của sự va đập lớn hơn so nên cờng độ
của sóng lan truyền lớn hơn nhiều so với phơng pháp biến dạng nhỏ. Do vậy,
các tín hiệu phản xạ do sức kháng của đất, khuyết tật trên cọc, vị trí thay đổi
thiết diện, tại mũi cọc rất rõ ràng.
b. Dụng cụ
Thiết bị thí nghiệm gồm một máy nhận và lu trữ tín hiệu đo tại hiện trờng.
Một búa tạo xung lực ban đầu. Búa này phải đảm bảo có khối lợng đủ lớn để tạo
ra một xung lực đủ làm cọc chuyển dịch. Trọng lợng búa tối thiểu bằng khoảng
0.2 sức chịu tải của cọc. Tuy vậy cũng không cần tạo xung lực lớn quá làm vỡ
bê tông đầu cọc. Hai đầu đo gia tốc và hai đầu đo lực dùng để ghi nhận giá trị
biến đổi của lực và vận tốc tại đỉnh cọc.
c. Quá trình thực hiện
Sau khi gắn các thiết bị đo lên cọc, nhập các số liệu ban đầu về cọc, dùng búa
tác dụng lực vào đầu cọc. Máy ghi tín hiệu sẽ ghi lại sự biến thiên của vận tốc
và lực,
d. Kết quả thu đợc
Phơng pháp thí nghiệm cọc động với các thiết bị đo lờng điện cho phép hiển
thị và phần tích hệ thống búa - cọc - đất một cách chính xác trong suốt quá trình
đóng. Kết quả đo đợc hiện thị sau mỗi nhát đóng của búa nhằm mục đích nâng
cao hiệu quả quản lý chất lợng trong quá trình thi công. Các kết quả thu nhận đ-

ợc từ phơng pháp thí nghiệm động :
Hiệu suất của búa và hệ thống đóng cho nhà sản xuất và công tác quản
lý chất lợng
18
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Xác định ứng suất xuất hiện trên cọc trong suốt quá trình đóng . Để
giảm năng lợng đóng của búa nếu có khả năng xảy ra h hỏng cọc, ứng
suất phải đợc giữ trong miền an toàn.
Kiểm tra đợc tính nguyên vẹn của cọc trong suốt quá trình đóng.
Xác định sức chịu tải tĩnh tại thời điểm kiểm tra .
Phơng pháp thí nghiệm động đợc thực hiện với mỗi nhát búa khi đóng hay
đóng lại, nh vậy phép đo này cho kết quả nhanh hơn và rẻ hơn so với phơng
pháp thử tĩnh thông thờng.
e. Nhận xét
Ưu điểm:
Kiểm tra một cọc nhanh và rẻ hơn nhiều so với phơng pháp nén tĩnh.
Nâng cao chất lợng công tác giám sát, kiểm tra chất lợng lợng cọc
trong quá trình thi công qua những thông số:
Hiệu suất búa
ứng suất trong cọc
Phát hiện khuyết tật trong cọc
Nhợc điểm:
Sức chịu tải tĩnh của cọc theo phơng pháp này thờng lớn hơn so với sức
chịu tải tĩnh thật. Do vậy để có kết quả chính xác đòi hỏi ngời phân tích
có trình độ và thông thạo trong lĩnh vực cơ đất.
Yêu cầu về khâu chuẩn bị mặt bằng cao hơn so với phơng pháp biến
dạng bé.

19