Ebook Công nghệ mới đánh giá chất lượng cọc- Phần 2

Chưưng 4

PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BlẾN DẠNG NHỞ

1. NGUYÊN LÝ
Phươrm pháp thư độiií: biến dạnu nhỏ dựa trên nguyên lý phản xạ khi gặp trở kháng
ihay đổi của sónu ứniĩ suất, iiây ra bỏi tác độnc của lực xune tại đầu cọc, khi truyền dọc
theo thân cọc.
Nguycii lý làm việc của bộ ihiết bị dùng troim phương pháp này được trình bày trong
hình 4.1 với trình tư Ihực hiện chủ ycu như sau :
-

Dùim húa tay

c ó

4

‘ ắn

dáu

đ o

lự c

nõ

lên

đ ầ u

c ọ c

- Ghi lại h ì n h sónu lực XLinií làm s ố liệu đầu vào

- Lực cán ma sál ứ mặl bèn của cọc dược mõ phỏng theo quy luật tắt dần tuyến tính,
lực cản ở mũi cọc đu’ọ’c mô |ìhỏMg iheo lực lò xo và tát dần.
- Dùnc tluini số tĩiá dịnh của đất dế tínỉi bằng phương pháp lặp và điều chỉnh trở
kháng sao clio hinli sónu tính loáii lirưim dối khớp với liình sóng đo được từ thực tế,
lừ đó plián đoán dưọX' vị In' và (lộ lớn của kluivết tật. IVêii hình 4.2 trình bày sơ đồ
khối quá trình tính loán nhép hình sổne Iroim một tliử độnẹ biến dạng nhỏ theo TNO
- H à Lan.

ìhiẻt bỊ va chạm

ThiẻỊ bị đàu ra
đổ họa

Thiết bị lưu giữ
số liệu lảu dải
(Trong phòng)

H ỉn h 4.1: So'dó n^uyèn íắc hò írí íliiểt hị ỉlìí ìì
133


H ìn h 4.2 : Sơ đồ khối quá írìiiìi 'ịììép lììiili són^ theo T N O - Hù L aii
T rong thử đ ộ n g biến d ạn g n h ỏ c ò n phàn biệt hai ph ư ong pháp thí n g h iệ m sau :

(a) Phương, pháp phản hồi xung (P u lse

e c h o m eth o d - P E M ) :

T rong thí n g h iệ m này c á c s ố liệu đo đạc tốc độ và lực đầu c ọ c (v iệ c đ o lực kliông
nhất thiết bắt b u ộ c ) được đánh g iá nh ư m ột hàm của thời gian.

134


tbi P^hicơìì'^ plìáp ứ/ìíị x ử nlicinli (Transicnt rcspoiisc nielhod - TRM)
Tlií n íih iệ m troiiíi đó tv sô hiến dối tốc đ ộ và biến đối lực (p h ép đ o lực là y ê u cầu bắt

bưóc I đ ược đánh giá nhu’ một hàm của tần số.
Ncu vén lắc sứ dụns các số liệu thu được trong phưoìie pháp phản hồi xung để đánh
2 Ìá độ neuyên vẹn của cọc cũnlớn ( x em Chươntz 3:Phưưim pháp tli ử đ ộ n s biến dạng lớn).
Phưo'ng p h á p LÌTIÍỈ x ử n h a n h tliu đ ư ợ c c h u y ê n d ị c h và lực ớ đầ u c ọ c n h ư m ộ t h à m c ủ a

tliòi giam. Dựa theo các sô liệu dó xây dựng đồ thị quan hệ phó tần số và tỷ số tốc độ và
lực. Nó aọi là dộ ổn định và là imhịch đào của irỏ' khánc, do đó là một chỉ số ihể hiện
phan ứng ciia lốc dộ cọc V((0) đối với lực đặt dầu cọc F((0) :
M(co) = V(( 0 ) / F(( 0 )

(4-1)

Một đinh cua sự ổn định sẽ xẩy ra lại một lần số tương ứng với thời điểm khi sự thay
đối lốc độ gây ra phán xạ từ mũi cọc hoặc tìr chỗ thay đối trỏ' kháng ỏ' giữa thân cọc.
( ’ác đỉnh ổn định xẩy ra tại các klioang đcu nhau và gọi là lần số trội Af. Độ sâu tương
ứng (L; - Lị troiiii hình 4.3). lai đỏ \av ra sư thav đối, được lính theo :

X = c/ 2A f

(4-2)

Khi chia tốc độ cho tần số ta sẽ có chuycn vị. Chia lực cho chuyển vị tại một tần số
đã cho sẽ có dại lirọìm oọi là độ cứnu động :
E,
ớ

(I) . ỉ-(u)) / V(10)

2jif / M((0)

(4-3)

cl.ày (I) và f là l ầ n s ố t ín h

theo raidian/giây và H/. tươim
ứng. Tirong thực tế, các ciá trị
tần số 1hấp được chia cho độ ốn
tlịnh đi kèm và gọi là độ cứng
độim Ej. Giá trị này tăiig theo
sự giảni cùa phản xạ mCli cọc.
Phàn x-ạ mũi cọc thấp thường là
kết quải của sức kháns đất cao.
l'uy nh iên, điều â'y cũns có thế
xẩy ra rdo các đặc trưng của cọc
thay đ(5i lớn hoặc do sức cán
động v;ật liệu cọc và nó chí liên
quan g ián liếp đến sức chịu tải

c ủ a CỌ'C. D o đ ó Ej đượ c tính

Hình 4.3: ôii cíịiiìi của dộ cứiìí> dộiì^

135


toán để cung cấp một kết quả man g tính định hrợng đánh giá chất lượng cọc. Trên hình
4.3 trình bày một ví dụ vể độ ốn dịnh và ở mũi cọc các giá Irị E,| tirong ứng với các lần
số khác nhau.
2. P H Ạ M VI ÚNG DỤNG
Phương pháp thí nghiệm biến dạng nhỏ dùn g đế xác định độ nguyên vẹn cíia các c-ọc
đcfn thẳng đứng hoặc nghiêng. Nó cũng áp dụng cho các bộ phận kết cấu dài có chức
năng tưong lự như các cọc móng, không xél đến phương pháp thi công m iễn là có thể
tiếp nhận được thí nghiệm va c hạm biến dạng nhỏ (có thê liếp cận được đế thực hiện thí
nghiệm).
Do va chạm được tạo ra có năng lưọng nhỏ nên thí naliiệni chỉ có hiệu quả đối với
những cọc có tỷ số L/D < 30, ở đây L là chiều dài cọc; D là đườiis kính của cọc.
Do đặc tính thu nhận các phản xạ của sóng ứng sLiâì khi c ủ a c ọ c , n ế u c ó n h i ề u c h ỗ i h a y đ ố i x ẩ y ra ở CÍÌC vị Irí k l iá c n h a u c h o c ọ c , tín h i ệ u Ihu

nhận được sẽ rấl khó phân tích để có thế tách ra vị trí và mức độ của từng khuyết lậl.
Hơn nữa các vị trí thay đổi trở kháng có Ihể xẩy ra từ từ, nên tín hiệu phản xạ sẽ phức
tạp hofn rất nhiều, khó phân tích một cách rõ ràng về khuyết tật. Vì vậy, trong thực lê'
phương pháp thí nghịệm biến dạng nhỏ thường cho kết quả iưoìig dối chính xác vé vỊ trí
và mức độ cúa khuyết tậi đầu tiên kế từ đầu cọc. Nó cũng ihuờng được dùng đê’ xác
định sơ bộ chất lượiig cọc, nếu có nghi ngờ thì dùng các phưo'ng pháp khác có độ tin
cậy cao hơn đổ kiổm tra lại. Ví dụ như dùng phưưng pliáp ihử độiig biến dạng lỏu, hay
có thể dùng phuơng pháp khoan lấy lõi. Trong nhiều trường liợp cùng có thể tiến hành
kiếm tra lại hồ sơ thi công các cọc có nglii ngờ để xác định rõ nguyên nhân của các

khuyết tật.
3. THIẾT BỊ
Hiện nay, trên th ế giới có một số hãng sản xuất các bộ thiết bị thí nghiệm biến dạng
nhỏ như Pile Dynamic Inc. (PDI) - Mỹ, T N O - Hà Lan... NliLiTig bộ thiết bị được sử
dụng rộng rãi nhất và đã được đưa v ào trong tiêu chuẩn M ỹ A S T M D 5 8 8 2 - 9 6 : “ Tiêu

chuẩn phương pháp thử : Thí nghiệm biến dạng nhỏ cho c ọ c ” là bộ thiết bị

Pile

Intergrity Tester - PIT của H ãng PDI C le v ela n d O h io M ỹ.
T h e o A S T M D 5 8 8 2 - 9 6 yêu cẩu m ột b ộ ihiết bị thí n g h iệ m biên dạng n h ỏ c ó c á c đặc
tính kỹ thuật như sau :

(a) Thiết hi tạo lực va chạm
Thiết bị phải tạo ra một xung lực va chạm có độ dài nhó hơn 1 ms và kh ông gây ra
bất cứ hư hỏng cục bộ nào của cọc trong khi va chạm. Thường dù ng búa có đầu là chất
dẻo rất cứng. Trọng lượng búa được dùng tuỳ theo chiều dài và kích thước hình học của
cọc. Va chạm phải được đặt dọc theo trục cọc.

136


(h) Tlììểt hị tìm ììliận sô'liệit
-

Đo tốc độ ; Dùna mỏl hoặc nliiểu hơn các 2Ìa lốc kế đế thu nhận số liệu tốc độ, các

tín hiệu g i a tốc nhận đư ợ c sau đ ó lích phân thành tốc đ ộ Irong c á c thiết bị x ử lý s ố liệu.

Các gia tốc kế dirợc đậl tại (hoặc gần) đầu cọc và có trục cảm ứng song song với trục
coc. Các eia tốc kế cần luyến línỉi lì nhất đến 2ƠOu. Có thế cỉùng cả hai loại A/C hoặc
D/C. Nếu dùim loại A/C,
ửng xừ mũi
Va cham
hàng số ihời ciaii ít nhất là
30.000 Hz. Nếu dùng loại
D/C chúng cán có ciái tần số
ch o đến 5 0 0 0 Hz với độ SU}'

eiám nhò hơn - 3dFl Có ihê
chọn dùng các đầu do tốc độ
hoặc chiiycn vị dê thu nhận
tốc dộ, chúng iưưnR iư nhau
đế tạo thành các sia lốc kế
chuyên dụng. Hiẹu chinli
dầu đo nàv có clộ cliính xác
5% của dái do. Nếu Ironíi
khi sử dụng xíiv ra hư hỏ n<4
thì phải hiệu chíiili lại hoặc
ihiiy thê gia lốc kc.

8.0
Mũi
lOOOOm

0 in h

3800 m/s

Hình 4.4: D ồ thị rổc d ộ liên hiểit lạo h ài thiết hi
tlìii n h ậ n các sâ liệu (Ỉộìiíỉ.

- Đo lực (tuỳ t h e o ycu cáu). ']’hiốt bị va cliạm có thc do được lực va chạm như một
hàm của thời gian. Búa có một hộp lái Irọne đo lực nằm giĩra đầu và thân búa, cũng có
thể búa có một gia lốc kế ỵắiì vào và gia tốc đo đưọc chuyến thành lực khi tính đến khối
lượnc búa. Miệu chinh lực cần nằm trong phạm vị 5%. Biìa này cần phái hồi trở lại sao
cho sự biến dối 1'ourier của lực đo đưực sẽ có phổ trơn không có các đính cục bộ.
- Gắn các đầu do - sensor chuyổn vị đưọ'c aắn gán đầu cọc b ằ n g cách dùng vật liệu
bám dính thích hợp hoặc tạm ihời (như !à sáp. vaclơlin...) sao cho đảm bíío nó đo được
chính xác sự chuycn dịch dọc trục của cọc (trục cảm ứne của đầu đo Ihẳng hàng với
trục cọc). Nói chuns sensor chuyên vị được íắii gần tâm cọc. Cần cân nhắc các vị trí bổ
sung đối với các cọc có đườne kính ló'n hơn 500 mm. Vị trí va đập biến dạng nhỏ được
đặt vào đẩu cọc trong vòiiíi khoáiiíĩ 300 mm kể từ sensor chuyển vị. Nếu như không tiếp
cận được với đấu cọc, do nó đã íỉắn với kết cấu, thì các sensor có thế gắn vào bề mặt
của thân cọc.
(c) Triíycn tín hiện
Các tín hiệu lừ các sensor sẽ được chuyển đốn các thiết bị chi, biến đối và chuyển
ihành số I'iệu( xem imic d), bởi mót đuừiiíi cáp bọc ít nliiễu hoặc iương đương.

137


(cl) Thiết hị íịIi ì , x ử ì ý và ỉrìiìh diễu sốìiệii
- T ổng quát :
Các tín hiệu từ các sensor chuyển vị và lực (luỳ theo yêu cầu) , sẽ được chuyển đến
một thiết bị ghi, biến đổi và trình diễn sỏ' liệu theo dạng mộl hàm của thòi gian. Thiết bị
này sẽ bao gổin một m àn hình đồ thị tốc độ và lực (tuỳ theo yêu cầu) và khả năng lim
giữ số liệu để Ihu nhận các ghi chép dùns: cho phân tích sau này. l l i i ế t bị có khả nàng
tính trung bình số liệu của nhiều nhát búa và khuếch đại t h ô n s tin, sao chép lại các ành

hưởng của đấl và cọc đổng thời giảm các ảnh hưởnẹ nhiễu ngẫu nhiên. Có khả năng
tăng cường độ khuyếch đại tín hiệu chuyến vị với ihời gian sau va chạm để nâng cao
tính giải thích của các chuyên vị đo được mà chúng dã bị bicìi đổi do sức cán động của
đất và vật liệu cọc. Thiết bị này phái có khá n ăn c lọc đối với các giới hạn lần số khác
nhau để loại các thành phần tín hiệu tần số cao hay tần số thấp hoặc cả hai. Thiết bị có
khả năng truyền toàn bộ số liệu đến môi trường lưu giữ cố định. Tliiết bị có khả nàng
xuất số liệu dưới dạnỉĩ đồ ihị làu dài. Nguyên lắc bô' trí cúa ihiếl bị được thê’ hiện trong
hình 4.1.
- Thiết bị ghi :
Các tín hiệu tương tự lừ các sensor chuyển vị được số hoá Irực tiếp bằng bộ biến đổi
từ tương tự sang số với độ phân giải ít nhất là 12 bit sao cho các thành phần tín hiệu có
tần số thấp hơn 15000 Hz (-3dB) sẽ được giũ' lại. Khi số hoá tần số các mẫu, -sensor
chuyển vị mỗi cái ít nhất 30.000 Hz, và búa gắn ihiết bị theo yêu cầu sẽ được sử dụng.
Sự đồn g nhất và độ chính xác của lần số lấy mẫu dược số hoá là rất quan trọng; độ nhậy
của đổng hồ (độ chính xác tần sô' lấy m ẫu) cần trong khoảng 0,01%. Hệ thống thu nhận
số liệu tươiig lự được bảo vệ đặc biệt. Gắn vào bất cứ bộ số hoá nào có thể xác định
được tên và các m ô tả thông tin những ihông số khuếch đại khi xử lý tín hiệu, dấu hiệu
ng ày và thời gian.
- Thiết bị để xử lý số liệu - Thiết bị để xử lý tín hiệu từ các đầu đo là một m áy tính số
hoặc bộ phận vi xử lý có ít nhất các chức năng sau ;
- Số liệu tốc độ - Nếu dùnỉỊ gia tốc k ế (xem mục b) thiết bị sẽ chuẩn hoá và hiệu
chỉnh tín hiệu và tích phân gia tốc để nhận đirợc tốc độ. Thiết bị này sẽ cân bằng tín
hiệu tốc độ về không giữa các lần va chạm.
- Đo lực - Thiết bị sẽ tiến hành chuẩn hoá, khuếch đại tín hiệu và hiệu chỉnh phép đo
lực. Số liệu lực ra được cân bằng về không giũa các lần va chạm.
- Chuẩn tín hiệu - Chuẩn hoá lín hiệu lực và lốc độ sẽ có được các đường c on g ứng
xử tần số nh ư nhau để tránh sự lệch pha lương đối và sự khác biệt biên độ.
- Thiết bị trình diển đảm bảo cho các tín hiệu từ các đầu đo như đã quy định trong
m ụ c (b), được trình diễn trên một thiết bị như m àn hiển ihị đồ thị L C D m à trên đó tốc
độ và lực (tuỳ theo yêu cầu) có ihể quan sát điiợc như một hàm của thời gian c h o từng

138


nhát búa. lliiết bị luìy có llic nhận đirực các tín hiệu sau khi chúng đã được xử lý bằng
một ihiêì bị biên đôí số liệu. Nó sc trình diễn các số liệu đã số hoá của hiện tượng va
c h ạ m h o ặ c do nuuời sử d ụ n c g ọ i lại từ lưu gÌLÌ. H i ệ u c h í n h thiết bị n à y đ ể t ạo lại m ộ t tín

hiổLi c ó dai nằm iroim khoaim từ 2 dến 3 0 nis. Đ á m bảo thiết bị c ó thế trình d iễn tín

hiộu đf3 lừ uìns nhát búa được lựa chọn trong mộl chu kỳ tối ihiểu 30s.

4. TRÌNH TựTHỤt: HIỆN THÍ NGHIỆM
4.1. Tổng quát
Ghi các thông tin dự án có llic vào ihiết bị uhi thích họp (xein mục 5 dưới đây). Gắn
scnsor chuyên vị thích hợp (xem 4.3 (b)) lên đầu cọc và ^hi số liệu từ các nhát đập. Lấy
trirn" bình các sò !iộu lừ nhiều nhái đập và tạo khuếch đại cán thiết đối với số liệu trung
bình. Các số liệu lừ các nhái dập riêng rẽ hoặc đã lấy trung bình, hoặc cả hai, khi đó cần
được lưLi giữ’ (xcni 4.3(d)). Số liệu ítã lấy trunu bình, đã được khuếch đại đó sẽ dùng để
đáiiĩi giá độ nỵuỵcn vẹn của cọc.

4.2. Chuán bị
Đối với các cọc bê tỏim cõi thép dổ tại chỗ hoặc cọc ống nhồi bê tông, tiến hành thí
n g h iệ m

đ ộ

n g u y ê n

vẹn

k h ô n g

SÓHÌ

h ư n

7

n c à y

sau

kh i

đ ổ ,

h o ặ c

sa u

k h i

c ư ờ n g

đ ộ

b ê

tông đạl ít nhất 15% ihict kế. Đáni biío rủim bổ mặi đầu cọc có thê tiếp cận được, bên

trên mặt nu'ó’c. sạch khônu có mảnh vụn bé tỏns, đất hoặc các vật liệu khác do thi công
gây ra. Nếu dầu cọc bị hu' liỏim, bó đi mộl đoạn cọc ihích hợp đê đạt đến chỗ bê tống
lôì. Klú cần llúíl, chuấn bị các diẻn tích nliỏ bàng dục tay lạo ra bề mặt nhắn để gắn
scnsor chuyên vị và đạp búa. Gán chặi scnsor chuyôn vị bằng vật liệu thích hợp tại các
vị trí được lựa chọn tránh xa gờ ngoài đầu cọc. Đối vói các cọc có đường kính lớn hơn
500 inni, gắn íĩia lôc kế ít nhâì tại 3 vị trí, sao cho mỗi đánh giá độ nguyên vẹn gần đầu
cọc có ihế làm cho lừng doạn cíia cọc. Đặt thiết bị lạo lực va chạm sao cho va chạm đó
đặt dọc trục cọc và có khoáiiỉ: cách không lớn hơn 300 nim kc từ gia tốc kế. Bố trí các
thiêì bị ghi, biến đổi và Irìnỉi diễn số liệu sao CÌK) dễ thao tác và các tín hiệu lực, tốc độ
ớ trị số không.
4.3. Các ghi chép hiện trư ờ n g
Gổm những thông tin sau đây trong số liệu chi tiết, cho lừns: cọc được thí nghiệm:
- Số hiệu cọc, chiều dài và đưòìm kính đầu cọc theo quy định và thực tế.
- Ngày và phirons pháp đổ bê tône
' Các hình vẽ thê hiện khối lưọng bô tông tống cộng, đưòng kính quy định và thực tế
theo chiều sâu, ống vách để lại hay lạm thời, cốt Ihép ...
- Cột địa lầng
' Bất cứ một quan sát đặc biệt nào liên quan đến cọc thử mà có ảnh hưởng đến thi
công, đào, dộ nguyên vẹn của cọc ...

139


- VỊ trí củíi các đầu đo tại đỉnh cọc và pliép đo tương ihií;
- Ngày thử cọc

4.4. Tiến hành đo
Tạo một số va chạm và shi lại lừnỉỉ va chạm riêns lẻ hoặc lấy trung bình, nếu có yêu
cầu, hoặc cả hai. Nếu chi ahi các va chạm riêng Ic, cần dám báo rằng thiết bị ghi, biến
đổi và trình diễn số liệu có khả năng lấy trung bình đến 10 số liệu riêng lẻ. Ghi lại số

liệu của các va chạm đối với niộl số liệu trung bình được chí định. Tiến hành ghi và
trình diễn một loạt các số liệu tốc độ và lực (tLiỳ theo yêu cầu).

4.5. Kiểm tra chất luựng sò liệu
Để khẳng định chất lưọng số liệu, người đo sẽ kiểm tra lại tốc độ và lực (tuỳ theo yêu
cầu), từ nhiều va chạm, về tính nhất quán. Đảm bảo Ihiết bị ghi, biến đổi và trình diễn
số liệu có khả năng xác định được ngưỡng quá tải ihiết bị đo. Không dùng những sô'
liệu lẩn va chạm mà nó gây cho thiết bị đo bị quá tải. Các số liệu nhất quán là kết quả
của các va chạm đồng nhất Irên bê tông lôì, hệ thống đầu đo hoạt động đúng, các sensor
chuyển dịch được gắn chặt, thiết bị ghi, biến đổi và trình diễn số liệu hoạt động đúng.
Nếu các số liệu không lặp lại được thì không dùng các số liệu đó. Nếu nguyên nhân của
số liệu tồi không phải là vấn đề gắn sensor chuyển dịch, mà là đầu đo hoạt động kém
thì cần sửa chữa hoặc hiệu chỉnh lại chúng trước khi dùng liếp.
Cần lưu ý là mọi bộ phận cử-a'thiết bị thu nhận các số liệu độn g và các thiết 16ị ghi
biến đổi, trình diễn số liệu phải hiệu chính nếu bất cứ dríu hiệu nào cho thấy hê thống
hoạt động kém.

4.6. Phân tích sô liệu
- Trong phương pháp phản hòi x u n g (P E M ), tốc độ đầu c ọ c đ o sẽ được phân tích như

một hàm của thời gian. Tliường Ihưòfng phương pháp này cho thông tin đầy đủ để đánh
giá độ nguyên vẹn. Tuỳ theo yêu cầu, lực đầu cọc cũng có thê’ được đo. Tổ hợp lực và
tốc độ có thể cho các thông tin bổ sung đê xem xét độ nguyên vẹn của cọc tại gần đầu
cọc. Phương pháp ứng xử nhanh (TRM) đòi hỏi đo cả hai tốc độ và lực đầu cọc. Đối với
cả hai phương pháp, số liệu được đánh giá trong hai phạm vi thời gian và tần số.
- Thu nhận tốc độ và lực (tuỳ theo yêu cầu) từ bộ phận đọc củ a thiết bị biến đổi sô'
liệu (x e m 4 .3 ) h oặc từ thiết bị trình diễn (x e m 4 .3). Trong phân tích th e o phạm vi thời

gian (PEM) việc đánh giá độ n ga yên vẹn của cọc dựa trên sự tăng hay giảm tưoíig đối
của tốc độ sau xung va chạm ban đầu (hình 4.5)

Sô' liệu trình diễn sẽ bao gồm các số liệu tốc độ và lực (tuỳ theo yêu cầu) theo thời
gian, một chỉ dẫn về chiều dài cọc và tốc độ sóng vật liệu giả định, thể hiện hình dạng
và biên độ của hàm khuếch đại đã được sử dụng.Khi va chạm đầu cọc thường có chuyển
vị. N ó i ch u n g sử dụn^ độ khuế( h đại đ ể phản ứng m ũi c ọ c c ó biên đ ộ tươĩig tự. Các

phản xạ xuất hiện trước khi có ứr.g xử mũi cọc của chính tín hiệu đầu vào là do sự giảm

140


tương đối của Irỏ' kháim.
Phản /\ạ của tín hiệu ngược

5 -PPC’ :

lại là l o sự tăn" trò' kháng.

ĩốc dò
16

20

So s á m c á c kêì quá lừ nhiều
cọ c

h:ện

ir ư ò ìis

được

ihi

17

cổiiíi 'ươim lự sc dùnc dô
đánh '4Ìá ứnẹ xử điến hình
với cù n g hệ s ố k h uếch đại
được áp d ụ n s c h o lâì cá các

60.0

c ọ c có cìiim c h iề u dài. Sự ihc

29,0ũm

Mùi
Đ ;ỉìh

c

4150 m s

hiện bằng hình ánh c ó chát

Ịương tốt và kha ihl dối vói
các

cọc

dược

ihí

ngliiệni

lliiili 4 . 5 '.ai : So liệìi !óc cỉộ cíiéiì hình

khác, siúp cho sư dánh giá

i h(i I.iíiv ỈIKÌI ( Ọi Iiliiii (iiiiiii’ là iiiỊiiyêỉi vẹn

kỹ tllLlâl đ íin s dắn.

(111) /v

Iiiiy (tieii kiẹii (lất tliíiv dôi từ từ }

- SỐ liệu ízhi dược có ihể dùna đc phàn lích licỊ') ihco tioiiii máy lính đế định lượng tốt
hon phạm vi của m ột khuyết tật xuất hiện.Cac kci C|ua cua phán lích này c ó thể b a o g ồ m
một đánh t;iá định luựno vé dộ nuLiyèn vẹn cua c o c .V iẹ c giai thích và sử d ụ ng chi tiết
hơn sô liệu dó là c ô iiẹ việc dòi hói c ó kinh Iiiiliiọu! và phán đoán c h u y ê n m ôn.
-

Các kỹ su' c ó kiiih im hiệni ch iiy cn niỏn Iioiii:

Liiá cuối

linh vực nà) sc thực hiện việc đánh

cLÌim ctỏ nm iyêii ven.Sử ciiiim\'ièc chínlittỏ imuvén ven của thí níỉh iêm biến

dạnu nho cùnu với các lliỏim liii khác uổni liìiili lự ilii CÓII^ c ọ c và các quan sát, cá c

ihông tin \'C d;ít,các yêu cầu chịu tai... dê’ ntiliiộni ihu cọc.Việc đánh giá độ nguyên vẹn
biêìi dạng

Iiliỏkliôni; d ùna nỈHi' một yếu tỏ dii_\ Iiliáì

c ó niộl k ế hoítch bổ sung clio phép

(Ic xác địíih việc loại b ỏ c ọ c . Cần

nguừi kỹ MIcó Ihc

IìCmi hàiih cá c thí n g h iệ m khác

hoãc ra lệnh sửa chữa, hoặc
lliav ihế trước khi thí nghiệm
3X

dộ nuiiycn vẹn ,trong trường
Bièn dỏ trung binh lố c đò

họp xác định dược các hư
hóng n g h iêm trọng.

- Trong

thí nehiệm độ

imuyên vẹn biến dạng n h ỏ c ó

Khuyết ĩảt

các hạn chế nhất định mang
tính cò hữu. Cán phải hiểu rõ
các hạn chế này và cân nhắc
càn ihận khi đánh giá cuối

^

o ìn h

cùng d ộ n g u y ê n vẹn.
Hình 4.5 (b) - Sôlieu ĩôr íhav ctới lớỉi vé írỡkliáììi' (lilỉiừn hư liò/r^ I !i(ỉ ỉììoi (

/í/ nửíi

V iệ c

giá đ ộ n gu yôn vẹn củ a
pllân đoạn c ọ c phía dưới m ột

141


vết nứt cắt hoàn toàn qua diện tich tiết diện ngaim của cọc hoặc mộl mối nối cơ khí khi
ch ế tạo là không thể được do sóng va chạm sẽ phản hồi hoàn toàn lại chỗ không liên

tục. Cọc có các tiết diện ngang thay đổi nhiều hoặc có nhiều mối nối có thể eạp khó
khăn khi đánh giá. Trong một số trường hợp có thể gặp khó khăn khi phân biệt ímg xử
của đất từ ứng x ử của cọc. Phươno pháp này nói chung không ihích hợp đổ thí imhiệm
các cọc bản, chữ H hoặc cọc ống không nhồi. Nếu phản xạ mũi cọc k h ông thấy rõ trong
số liệu, việc đánh oiá độ nguyên vẹn có thể không thuyết phục và bị hạn chế đến một
độ sâu nhất định. Hạn chế này có thể xẩy ra với các cọc dài hay thay đổi nhiều hoặc các
cọc trong đất có m a sát cao. Cọc nối cứng với móng hoặc các kết cấu bên Irên đôi khi
thí nghiệm thành công mặc dù việc đánh giá đó thường khó khăn hơn và không man g
tính thuyết phục.Mộl số trường liợp có liên kết với các kết cấu bên trên, cần dùng các
đầu đo chuyển vị gắn vào hai vị Irí khác nhau dọc iheo thân cọc.
- Thí nghiệm độ nguyên vẹn không thế xác định được lất cả các khuyết tật, nhưng nó
là một công cụ có ích trong việc xác định các hư hỏng chính trong phạm vi chiều dài có
hiệu quả. 'Plií nghiệm này cũng còn xác định được các biến đối trở kháng nhỏ không
ảnh hưỏfng đến sức chịu tái cúa cọc. Đối với nhữim cọc có biến đối nhỏ về trở kháng,
người kỹ sư sẽ phán đoán khả nãng chấp nhận các cọc này khi xem xét các yếu tố khác
như sự phân bố lại tải trọng đến các cọc bên cạnh, sự truyền tải trọng lên đất bên trên
chỗ khuyết tật, áp dụng các hệ số an loàn, và các yêu cầu chịu tái cúa kết cấu.
5. NỘI D U N G BÁ O C Á O THÍ N G H I Ệ M BIÊN D Ạ N G NH Ó
Các mô tả và thông lin giúp cho việc đánh giá chất lượng cọc bao g ồm :
- Tổng quái
. Tên địa điểm dự án
. Địa tầng bên cạnh hoặc thí nghiệm khoan đất tiêu biểu
- Thiết bị thi công cọc
Mô tả thiết bị thi công cọc đã được dùng hoặc cho cọc đóng, cọc khoan nếu có liên
quan đến việc khảo sát độ nguyên vẹn, bao gồm kích thiróc, loại, mức thực hiện thao tác
hay áp suất, kích thước bơm, và bất cứ ihiết bị thi công chuyên dụng nào mô tả chúng
như các loại để khoan trước hay phun vữa.
- Cọc thí nghiệm
. Số hiệu (tên và ký hiệu) của các cọc thử
. Loại và kích thước của cọc, bao gồm chiều dài, đường kính yêu cầu

. Ngày thử cọc, đổ bê tỏng cọc hoặc đóng, gia cường trụ bê tông hoặc cá hai.
. M ô tả cốt thép trong và ngoài đã dùng c h o c ọ c thử (kích thước, c h iề u dài và b ố trí

của các cốt dọc, kích thước và chiều dài của ống vách hoặc vỏ).

142


. Mô tả và vị trí, các mối nối
. Các quan sát cọc bao uổni các cliỗ bị vỡ, vcì nứt và tình trạng bề mặt đầu cọc
- Thi công cọc
. Ngàv thi công
. Đối voi cọc khoan nhồi bao cồm kích thước gầu khoan, khối lượng bê tông hoặc
vCva dùng cho cọc (khối lượno; iheo chiều sâu, nếu có ihể), áp lực vữa đã dùng và mô tả
các trình tự Ihi côim đặc biệt đã dùna như đặi hoặc rút ốns vách hoặc cả hai.
. Đối vói cọc đóna (khi quá trình đóim bị 2Ìán đoạn do hư hòng) bao gồm thông tin
đệm búa, đệm cọc; các ehi chép đóiií; cọc íiồm số nhát búa và độ nẩy của búa hoặc mức
hoạt đónỵ đối vói đơn vị chicLi dài xuvên cuối cùng.
. Nguyèn nhàn và thò'i uian imừim ihi cổng cọc, nếu có thể và có liên quan đến việc
khảo sát.
. Ghi chú về bãì cứ đieu gì bâì thưòng xáv ra trong quá trình thi công và đào đất,
hoặc cá hai, mà có thể liên quan đến việc khảo sát độ nguyên vẹn.
- Thí imhiộm độ niiuvên vẹn
. Mỏ ta các thièì bị ihu Iihận C í k ' do đạc độna và thiết bị ghi, biến đổi, trình diễn số
liệu, trìnli tự Ihí nghiệm bao gồm việc mô ta và vị trí của việc gắn các scnsor chuyển vị.
. Neày thí nghiệm
. Sỗ liiệu cọc lliừ
. Các trình diễn đổ thị các số liệu chuyến vị và lực (iLiỳ theo yẽu cầu) theo thời gian
gồm cá sự khucch đại số liệu đã đirực dùng Ironíi việc đánh giá; việc trình diễn theo tần
số là tuỳ chọn đối vói dáiili giá llico PEM và bắt buộc khi đánh eiá theo TRM.

. Tốc dộ sóng của cọc ihừ, cách xác định hoặc ước tính;
. Chiều dài cọc dóng cũng như đố lại chỗ,chôn trong đất hoặc bên dưới thiết bị thu
nhận các số liệu đo độníí.
. Phương pháp đã dùng dể đánh uiá số liệu;
. Bình luận về độ nguyên \ẹn cua cọc. bao gồm về điều kiện đất hoặc phương pháp
thi còng hoặc cả hai, có ảnh hưỏng như thê nào đến thân cọc đã thi công, như đã xác
định qua các số liệu.
6, M ỘT SỐ KẾT QUẢ THỤC TẾ

(a) Các kết quả thực tếCỉia Viện KHCN Xây dựng
- Trên hình 4.6 trình bày biêu đồ đo sóng và kết quả dự tính hình dạng của cọc khoan
nhối đường kính Im, sâu 43 m ký hiệu G-6B cLÌa một nhà cao tầng ở Hà Nội. Theo phân
lícli hằng phần mềm CAPVVAP cho thấy trở kháng của tiết diện cọc giảm tới 35% ở độ

143


sâu 3 ^ 5in rồi tăng nhanh trong phạm vi 7 -í- lOm. Nmiyèn nhân cùa khuyết lậl này có
thể do vách lỗ cọc bị sập trong quá irình đố bê tỏiis. Tra cứu theo nhậl ký thi công cọc
cho thấy Iưọìig bê tông của nó nhiều hon cọc bình ihuừnc khoảna, 159f.

4 0 0 0 ra 's

42 4m

Hình 4,6: Kc! (/lui do và phân /icli ( l ì o i Ọ(
-

G -Ổ B

Đã tiến hành thử PIT cho cọc
0 9 : 3 5 ; '18

khoan nhồi đường kính Im, dìii
44m dùng cho một nhà cône,
nghiệp ở đồng bằng sông Qiii
Long. Trên các hình 4.7 và ị.'ỏ là
các biểu đồ truyền sóng của hai
cọc ký hiệu XAl và XB17. Sóng
phản xạ từ các khuyết tật thay dổi
rất mạnh cho phép dễ dàng xác

- 0 8 ■ 97

. 1 . .

1_
10

450m

định mức độ và vị trí khuyết lật

20
2 ,Om

30

40

L
■

1

5C

4000 m/s

Hỉnh 4 J : Biỏii dồ són\ị của cọc XAI

của cọc. Kết quả phân tích b^iig

phần mềm CAPWAP cho thấy trỏf
kháng cọc X A l giảm yếu 30% tại
độ sâu 12 13m, còn đối vói cọc
XB17 giảm yếu 28% ở độ sàu
5,5m. Để kiểm chứng đã tiến hành
đào cọc XB17 và thấy ở độ SÍ’L1
5m, đất nền lẫn nliiều vào trong oe
tông ửiân cọc, sau đó đã cho phép

0 9 : 3 5 :4 8

20
45.0m

2.0m

4000 m/s

gia cưòng ửiân cọc này mà khôiT
phải làm cọc khác thay thế.

144

H ỉnh 4.8: Biểu d ồ sóỉì^ của cọ c XB17

, ,

2 2 - 0 8 •• 97

1


ịb) C ô n g trình cầu tà u sở 3 c ấ n g Tiên Sơ - Đ à N ẩ n g

Dưới đâv là các kết quá kicin tra 4 cọc khoan nhồi đưòng kính 55 cm. Đã sử dụng
phần mém PITVVAP đế phàn tích sự thay đối trứ kháng và đánh giá mức độ, phạm vi
của các khuyết tật. Trong hình 4.9a,b,c,d là căc biếu đồ sóng và các phân tích hình dạng
trở kháim cho các cọc H88, 138, H92 và 186. Trên cơ sở phân tích đã đưa ra các nhận
xét và kết luân như Irong báng sau.
Thứ
tư

Chiều dài
kiếm tra

Sô hiệu cọc

H88

1

1

13X

19.66

Phán đầu cọc chất lượn" ííiám
Thản cọc có một số sự thay đổi về tiết diện
Mũi cọc lốt
Độ nguyên dụng toàn bộ cọc đạt yêu cầu

12.S5

Plián đẩu cọc chất lượng giám
j Thfm cọc có mộl số sự thay đổi về tiết diện
Mũi coc bi tỉui nhó
Độ imuyêii dạim toàn bộ cọc đạl yêu cầu

18.35

Thân cọc có mộl sô ihay đổi vể tiết diện
Mũi cọc lớt
Độ nguyên dạiiíí toàn bộ cọc đạt yêu cầu

20.07

'Ịlìán cọc có nìột số thay đối vé tiết diện
Mũi cọc đạt ycu cấu
Độ ngu}'cn dạng loàn bộ cọc đat yêu cầu

!
H92

3

1
186

4

cắu 3- Càng Tièn Sa,

CỒC

Kết luận

H86

■ C áng Tién Sa, CỌC138

Cắu3

ngay 16-06-98

N g ày 16-06-98

U(I

n$d

l*fl

It-đ

IVI

Cpt

lyi

'>t

Fy

(

L/c
-?.50

“
Hin

ĩ

fr t( ị

ỉd flsd

ĩọ t

Jl

;

p iilli!
96 2 Ì

-

i

12.9

«

ì.^ỉ

Ed M

nnm
ìì S5fl448e mmi
lí

MỆSG22

M

Tĩ mwỉ r9;i;

5Í 1N1525Ỉ0023Ĩ21

Tĩ

lESí^íS

V l«3?E95 IS3MW

M ■r

n wmì

sn

17

h - Cọc 138

145


Cầu 3- Cảng Tièn Sa, cọc H186
ngáy 16-06-98

cầu 3- Cảng Tièn Sa, cọc H92
ngày 16-06-98

Í4tiĩ4

n

fffO

m i t ỵ Ỉ Ì ỈI M Ỉ

39

vsm

Ỉ8

3GW255IB6?5ĨÍỈ

78

4ĨÍ8916 IW Ỉ6 8 Ĩ

V

595705

< 1:

/

/

c - Cọc H92

146

m m

n

5e?E!33 5?s< iỉìl

Ỉ8

SllSiTỈ K ỉ r . ỉ l l

?5?:ĩíi9

?8 iI S 5 l ? « l H ĩ m 3 ỉ

!W

d - Cọc 186

H ìn h 4.9 : Kết Í/Iid phân tích PÌTWAP

Í 4 't p t

19

líM

Hí

Chương 5

PHƯƠNG PHÁP THỬ TĨNH ĐỘNG STATNAMIC

1. MỞ Đ Ầ U
Như đã trình bày trong chương 3, phương pháp thử động biến dạng lớn bên cạnh các
ưu điểm cũng có nhĩrng nhược điểm hay đúng hơn là những khó khăn do sự hiểu biết về
ứng xử động của hệ cọc - đất còn có nhiều hạn chế. Do vậy đã nẩy sinh ra nhu cầu đi
tìm m ộ t phương pháp đánh giá sức chịu tải mới của cọc không quá tốn kém như thử tĩnh
mà lại khắc phục được các hạn c h ế của thử đ ộn g biến dạng lớn.

N ãm 1988, nhũng thí nghiệm đầu tiên được tiến hành thành công và phương pháp

STATNAMIC

hay gọi là phương pháp thử tĩnh động đã ra đời và bắt đầu được ứng dụng

trong thực tế nãm 1989 ớ Canada, Hà Lan và Nhật Bản. Năm 1995, Hội nghị quốc tế
lần thứ nhất về S J A T N A M I C họp từ 27 -ỉ- 30/9/1995 ở Vancouver - Canada đã tập hợp
gần 200 nhà khoa học trên thế giới. Trong Hội nghị này đã thông báo các nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm được tiến hành trên nhiều nước, là dịp trao đổi để hoàn thiện hofn
phương pháp này. Năm 1999, Hội nghị quốc tế lần thứ 2 về S T A T NAMIC họp ở Tokio Nhật Bản, liếp lục thông báo các kết quả ngliiên cứu ứng dụng

SĨỈKĨN AM IC

trong

nhiều loại hình cọc ở một số nước trên thế giới và chuẩn bị để tiến tới dự thảo tiêu
chuẩn q u ố c tế về phương pháp này.

Để viết chương này, tác giả dựa chủ yếu vắo các bài báo, các sách tham khảo đã
công b ố trong hai Hội nghị trên, cũng như Hội nghị về áp dụng sóng ứng suất ở
Orlando - Mỹ, 1996 và của Hãng TNO, một Hãng nghiên cứu kỹ thuật xây dựng của Hà
Lan đang đi đẩu trong việc nghiên cứu và ứng dụng ST A T N A M IC .
2. C Á C C ơ SỞ VẬT LÝ VÀ GIẢ THIẾT
Tliiết bị

STATNAMIC

(STN ) được đặt trực tiếp lên đỉnh cọ c thử. N h iên liệu rắn được

đốt cháy trong buồng áp lực tạo ra một áp lực lớn đẩy khối phản lực lên trên. Một lực
cân bằng và ngược hướng đẩy đầu c ọ c xuố n g phía dưới.

Nếu một khối phản lực 30T được gia tốc ban đầu lên phía trên là 20g(g là gia tốc
trọng trường) thì sẽ tạo ra m ộ t lực 6 0 0 T tác đ ộn g lên m ó n g x u ố n g phía dưới. K hối phàn

lực này bằng 1/20 (30T/600T = 1/20) hay 5% của khối STN tương đương. Tải trọng
S T N được đặt theo cách tăng tuyến tính và việc dỡ tải từ từ được đảm bảo bởi sự khống
c h ế áp suất tạo ra. Thời lượng của lực được đặt trong 120 mili giây.

147


Gia tốc Ig của cọc là nhỏ hơn 100-1000 lần so
với thí nghiệm tải trọng đ ộ n a truyền Ihống. Đồng
thời thời lượng đặt lực lóTi lìoiì lơ đến 20 lần so với
một nhát búa rơi truyền thống. Như vậy ứng xử của
cọc không bị khống ch ế bởi sự iruyền sóng ứng

suất. Thí nghiệm tải trọng động là một tải trọng va
đập trong khi thí nghiệm tải trọng ST N có thế so
với một cú đẩy tạo ra một lực nén cao trên suốt cá
chiều dài của cọc.
Có thể mô tả STN bằng cách sử dụng một trone
3 định luật chuyển động của Newton như sau;
Đ ị n h luật I : (Định luậl quán lính)
Một vật rắn sẽ tiếp lục ở trong Irạng ihái ũnh
hoặc chuyển động đểu trừ khi có một ngoại lực làm
thay đổi trạng thái đó.
I F = {)

Hình 5.1: Cơ sà vịit lý
STATNAMỈC

Trong một thí nghiệm tái irọníí có hai neoại lực lác động lên trên cọc - lực tái trọng
sẽ tạo cho cọc chuyển dộng và sức kháiiu của cọc chốníi lại chuyến động ấy. Sức kliáng
c ủ a c ọ c là m ộ l h à m s ố c ú a ihê' n ă n g kliQÌ lirợiiíỊ vứi đ ộ cứiiíĩ c ọ c và đ ộ c ứ n g

đất d ọ c

theo thân cọc và tại mũi cọc. Bănu cách do cliuyôn vị của cọc khi ihử tái, đo sức khá nf
của cọc và có thế đo được mối quan hệ cọc/đát.
Đ ị n h l u ậ t 2 : ( Đ ị n h luội vổ íiia lố c )

Khi chịu tác độníi niộl ncoại lực. vậi rắiì sẽ đirợc ízia tốc theo phưons cùa ngoại lực
đó và tý lệ với biên độ của lực dó.
F = 111a
Trọng thử tái tĩnh, STN và dộntheo các cách khác nhau.

So sánh cho niột Irưừns hợp iươnc đối tiêu biếu như sau :
Tĩnh

F = M . g = Mg

SĨATN AM IC

F = M / 20 . 20g = Mu

Động
ở đây :

:

F = M / 500 . 500g = Mg

M là lổníỉ khối lượns cua ihử lái lĩnh
M /20 là khối lượnu phán lực của STN
M / 500 là khối lưọ'ng của búa rơi
g là gia lốc trọim Irirờng

148


20c là uia lốc cúa khối phan lực STN
500 ỈZ là cia lố c của búa rơi
Địn h luật 3 : (Tác động và phản lực)
Đối với mỏi lác dộna sẽ có mộl phán lực bằiiíi và nguực hirớim.
F , : = -F,.:
Tronu tlur tai STN buổnu áp lực lạo ra inộl lực đáy lên irôn các khối phản lực đổng

thời một lưc cán băim và nsưọc hưóiig tác độiiíí lên cọc iheo hướng xuống dưới. Hcfn
nữa do phirưim cua lực là dọc ihco irục cùa xilanh nên tái Irọng được đặt hoàn toàn
đ iìn e táni.

Hình 5.2: Kỉiòi ĩài lĩiili plìid saii rờ khỏi tời S T N !ifơniỊ (ỉươHíỊ

3. C ơ SỚ LÝ TH UYẾT STN
3.1. Thời lượng tải trọ n g
-

Tải trọng tĩnh

Do tốc độ và gia lốc gần bằng không Iroim mội thí nghiệm tải trọng tĩnh nên các ảnh
hưởng sức cản động và thế năng là không đáng kể. Tuy nhiên khi thời lượng tải trọng
giảm đối với thí nghiệm tái trọng tĩnh nhanh, các kết quá có thế khác với thí nghiêm tải
trọng tĩnh truyền thống do mức độ ứng suất phụ thuộc vào bản chất của đất. Đất ít thấm
(bùn xốp hoặc đất sét) là nhậy cảm nhất với múc độ châì tải nhanh.

149


500

1000

1500

Thời gian (ms)

Thời gian (ms)

H ì n h 5.3: Thứ tải tĩnh, ihửtài S T N , thử rải (IỘIIỊJ

- Chất tải độììíị mức độ chậm

(STN)

Thời lượng chất tai là 120 mili giây. Thời lượng này, trong thử tải ũnh khôrg được
đặt ra, là tương đối dài so với thử tải trọng động mức độ cao, ánh hưởng mức cộ động
chỉ có đối với đất ít thấm, đất dính và có thế đo được chính xác khi dùng các n ô hình
cọc/đất hiện có.
- Chất tài động mức độ cao (Thử tài cíộiìg)
Tliời lượiig chất tải cọc là 4 mili giây.Thời lượng chất tải ngắn lạo ra sóng iTig suất
trong cọc và sẽ rất ảnh hưởng đến quan hệ cọc/đất. Sức cản động và ih ế năng sẽ c ó ảnh
hưcmg mạnh mẽ đến kết quả thí nghiệm và rất khó định lượng.
Middendorp,1995, đã đưa ra khái niệm chí số sóng hay còn gọi là sô sóng N„, được
xác định như sau:

c T

(5-1)

Trong đó : c - Tốc độ truyền sóng ứng suất tronc vạt liệu cọc
T - 7’hời lưọìig đạt tải thí nghiệm
L - Chiều dài cọc
Nếu

<6

Ihí nghiệm được coi là động

N , , > 1000

thí nghiệm được coi là tĩnh

N,, = (12-f 15)

thí nehiệm STN

=

12)

thí nghiệm được gọi là giả STN vì tồn tại v ấ n đề
sóng ứng suất. Để giải quyết dùng phương 5h;áp dở
tải và các công cụ phân tích truyền sóng

m g suất

như irong phươnc pháp thử động biến d i n g

lớn.

Phần mềm chuyên dụng giái quyết trong t;rường
hựp này của h ã n s T N O có tên là T N O W A \ E . .

150


3.2. Cơ học sóng ứng suất

T r o i m c h ấ t tái ũ n h i ru y én t h ố n s c ọ c đư ợ c né n troiiíỉ sLiốt q u á trình c h ấ t tải và c ó thể

được nchiên cứu như một vậi rắn. Khi ihời lượng chất tải giảm sẽ xẩy ra sóng ứng suất
trong c ọ t ảnh hướng đến quan hệ cọc/đất. Sóng ứng suất truyền dọc theo cọc với tốc độ
âm thanh trong cọc
c = (E/p)'^-

Trong đó : c - Tốc độ sóníỉ ứna suất
E - Mó đun hệ thốne cọc/đấl
p - Mật độ hệ thống cọc/đất
c vào khoáim 3500 đến 4000 ni/s đối vói các cọc bỗ tông cốt thép và 5000 m/s đối
với cọc thép. Đối với các cọc tương đối dài
30 in) ứng sLiất ban đầu ở đỉnh cọc sẽ
tới mũi cọc trong khoáng 6 mili giây, tưoiig ứng với chu kỳ tự nhiên của cọc
(30/5000 = 0.006).
Châì tải STN dược đặt trong thời gian 120 mili giây, dài hon chu kỳ tự nhiên của
ngay cá cọc cứng nhất. Do ảnh hưòng của sóng ứng suất đã được giảm thiểu, cọc được
n g h iê n CIÌII n h ư một vật rắn và áp dụ ng các phương pháp giải tích tĩnh truyền thống.

Mậc dầu các kết quá STN cho ihấy rằne các ánh hưởng này có thể bỏ qua đối với các
cọc trong đất rất cứng và cọc chông trên đá, các ánh hưởng đối với những cọc trong đất
mồm tương đối lóii và có
ảnh hưởng đána kế dến
quan hệ tai trọng chuyến
vị. Mô hình điểm dỡ tái,
như trình bầy dưới đây là
một phương pháp đơn
giản đế phân tích xác định
sức chịu tải tĩnh trong một
thí nghiệm STN. Đồng

thời các ảnh hướng có
trong một thí nghiệm
ST N có thế định lưọng
được bằng mô hình điếm
T ả itro n a ÍM N )
dỡ tái.
Hình 5.4 : Đồ ĩììị cỊuan hệ F„ịt) - liịĩ)

3.3. Kỹ thuật nổ
Đ ể tạo tải trọng STN đặc trung (quan hộ lực theo thời gian như trình bày ở trên),
b u ồ n g áp lực được m ở rộng do việc tăng áp lực khi đốt cháy nhiên liệu : X i lanh ST N

nằm ở đỉnh buồng nén được gia lốc lên trên theo mức tỷ lệ với việc tăng áp lực. Lực
hưófng lèn trèn (và do đó chất tải STN hướng xuống dưới) bằng tích số của gia tốc và
khối lượng phản lực tổno cộng. Do đó

151


(5-2)

F = nia

Trong đó .

a = C|.t
C| là hệ sò' thực nghiệm

Thể tích đã lã n s của b u ồ n c nén bằng tích số chuyển vị của xi lanh (cl) và diện tích
b u ồng nén (A ). D o đó :

ở đây
Cị;

a

v = A , d = AÍÍa. dt

(5 -3 )

V = A (C, .l' + ạ . r + c , . i )

(5 -4 )

là lích phân kép irong phương trình (5 -3 )

đe xác định d.

C ì là các hệ s ố ihực nghiệm .

M ức tăng trong sán phẩm khí nén do đó là thế lích đặc irưng của nhiên liệu
propellant rắn.

5,0

Thời gian (ms)

Hình 5.5:

Cluư

lái S r / \ TTslAMIC

Hìiili 5.6: Nliicii Hựii STAThiAMìC

N hiên liệu S T N bao g ồ m các viên rán Iihỏ có dục lỗ và nuic cháy phụ thuộc vào
nhiều thông số :
Thành phần hoá học
Hình học viên nhiên liệu
N h iệl độ
•

Á p suất

Tliành pliần hoá liọc được chọn uì các thí n s h iệ m dốt ch á y ironơ xưởim. Các viên
hình Irụ có đục lỗ đirợc ira dùng ho'n các viên đặc hoặc dẹt vì ch ú n g làm lãnu bề mặt đốt
cháy yêu cầu c h o S T N . Hưn mìa khi sử dụnụ nhicu \'iên. thay c h o m ột khối lớn sẽ tạc
ra sự đôì ch á y tôì hơn và khắc phục các khiếm khuyêì Ironc m ộl viên đơn. T h e o dự tính.

152


mức cháy nổ tự nhiên làm tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng nén. Trong điều kiện
hoạt động bình thường, sự cháy nổ không bắt đầu cho dến khi nhiệt độ đạt đến 1000°c.
Chất propellant STN có thể vận chuyển an toàn và không bắt lửa khi chịu tia lửa
điện, cọ xát hay kích động. Khi bắt lửa trong điều kiện khí quyển, sự cháy nổ chậm và
dễ kiểm soát. Nhiên liệu này có thể bị dập tắt bằng nước. Propellant được vận chuyển
rất đơn giản và bảo quán trong thời gian dài không phải lo lắng gì.
Theo các thí nghiệm do Hiệp hội vạn tải hàng hoá U.N. loại nhiên liệu này được
phân loại cấp 1.4 U.N.

3.4. T h u n h ậ n sỏ liệu
Các số liệu tải irọng và chuyển vị đo tại đinh cọc bằng một hộp tải trọng và đầu đo
laze đã kiểm định được phân tích bới một hệ thống thu nhận và xử lý số liệu tự
động,trong hệ thốim thiết bị thí nghiệm S T A T N A M I C của Công ty Nghiên cứu xây
dựng TNO Hà Lan có tên là FPDS (Poundation Pile Diagnostic System). Các số liệu tải
trọng có độ chính xác 0,1% và số liệu chuyên vị độ chính xác đến 0,1 mm. Tổng cộng
có 2000 điểm số liệu dược ghi lại với mức lấy mẫu 150 niicro giây và thời gian tổng
cộng là 0,3 giây đủ để uhi lại toàn bộ sự kiện. Thời gian lấy mẫu và thời gian đo đạc
toàn bộ có thể thay đối bằng cách thay đổi trẽn FPDS. Điểm gây nổ cũng được khống
chế trên FPDS.
Hộp tủi trọììg
Tải trọng STN được đo bằng hộp lái trọng chu irình kín, gắn giữa pislon và đỉnh cọc.
Một số các đầu đo biến dạiiỉí gán quanh chu vi hộp tái trọng nhằm làm giảm ảnh hưởng
của bất cứ sự chất tái không đúng lâm nào. Các tín hiệu tải trọng từ từng đầu đo sẽ được
trung bình hoá và khuếch đại trong hộp tái trọng để làin giảm sai sót và được khuếch
đại một lần nữa trèn FPDS.
Đầu đo laze
Các chuyển vị cọc được đo bằng đầu đo Iazc kiểu ánh điện thế (gắn trên tâm của đáy
piston) và một nguồn laze điều khiến lừ xa. Trong quá trình thử STN sự thay đội vị trí
của đầu đo laze được đo tưoiig đối so với nguồn laze đặt cố định. Bất cứ sự dịch chuyển
của đất nào do thử tải chí xẩy ra sau khi thử và không ảnh hưởng đến nguồn laze đo
được đặt cách 20m.
Khi thứ tải các tín hiệu tái trọng và chuyến vị được số hoá và ghi vào một File số liệu
thế hiệu thô. Sau khi thử các thế hiệu lín hiệu thô này được biến đổi thành các giá trị
chuyển vị và tải trọng bằng cách dùng các giá trị kiểm định của nhà máy. Các đồ thị tải
trọng - chuyển vị được frình diễn ngay lập tức lại hiện trường.
Các đồ thị bổ trợ gồm các đồ thị về tốc độ và gia tốc cũng có thể được tạo thành
bằng các lệnh điều khiển đơn gián Irên FPDS. Tâì cả mọi số liệu được lưu giữ cho phân
tích và tham khảo sau này.

153


4. K Ế T QU Á THÍ N G H I Ệ M VÀ P H Â N T ÍC H K Ế T

quả thu được

4.1. Kết quả thí nghiệm
Từ thí n g h iệm c ó thế thu được các biểu đ ồ quan h ệ sau;

Tải trọng (MN)

Hình 5.7: Cth kếí

(Ịỉiú

ílìii c1ỉi'ợc

(ííỉì hiện tlìứSVATNAMỈC và quan l ì ệ T d i trọìì^-Cliìtvên

vị)

4.2. Phân tích kết quả thu được
M ột s ố phưcmg pháp hiện đang d ù n g để giải thích tín hiệu của S T N c h o trong bảng
5 -1, c ọ c và đát khi thử S T N được m ô hình hoá như khối c ọ c đon được g iữ b ằn g m ộ t lò
x o và m ột tụ so n g so n g nhau (hình 5 .8 ). C ọ c được m ô hình hoá như m ột khối c ứ n g có
khối lưọfng M. L ò x o thể hiện sự biến dạng của đất c ũ n g như của c ọ c. C h u y ển vị đầu
c ọ c đo được sẽ coi là biến dạng của lò xo. Lực hình thành trong lò x o thể hiện sức
kháng tĩnh F„.

thể hiện sức kháng đất, F, = c . v

phụ thuộc v ào m ức đ ộ x u y ê n V của

c ọ c . M ô hình c ọ c - đất này đáu tiên được d ù n g như m ột phương pháp giải thích, g ọ i là
“ phương pháp độ c ứ n g ban đ ầu ” do M iddend orp và những người khác ( 1 9 9 3 ) k iến nghị.

154


Các phương pháp khác cũng sử dụng nió hình tương tự cúa cọc và đất này với các cách
tính giá trị lò xo K và giá trị sức cán độníi c khác nhau.

Hình 5.8: Mô hình
hoá cọc và dát khi
thử lả i S T N

Bảng 5.1. Các phương pháp giai thích tín hiệu STN
dựa trén cư sư một hệ thúng khối lượng đưn
Phương pháp

Năm

Các tác giá

Lò xo

Tụ

Middendorp và những

Iiiiười khác

Tuyến tính/
phi tuyến

Tuyến tính/
phi tuyến

1995

Matsumotí) và nhữim
ngirời kiiác

Phi tuyến

Phi tuyến

Phương pháp khối
thay thế

1995

Uno và những người kliác

Tuyến tính
kép

Tuyến tính

Phương pháp điếm

cân bằng

1993

Phi tuyến

Tuyến tính

Phi tuyến

Tuyến tính

Phưoìig pháp độ cứng
ban đầu
Phưcmg pháp độ cứng baii
đầu có sửa đối

Phương pháp điểm dỡ tải
(Bản nhóm nghiên cứu
của Kusakabe)

1993
1994

Horvath và những
người kiiiic
11ị
Nhóm ĩìũhién cứu các phương
1994
pháp ihừ tai Iihanh của

Kiisakabe

Mọi phương pháp đều sử dụng phương trình cân bằng lực sau :
Fs,n = Pciái +

= F, + F, + p, = F„ + F, + M a

(5-5)

ở đây

là lực đặt vào đầu cọc khi thử tải S Ĩ A Ĩ N A M I C
là sức kháng tổng cộng
của đất và là tổng của F^, và F,„ F, là lực ban đììu của cọc lấy bằng F, = M .a; a là gia tốc
của khối cọc.
•

Phương pháp độ cứng han cỉíhi (Middendorp và những người khác, 1993)

Trong phưofng pháp này, biểu đổ F„„-u đo được sẽ chia thành năm vùng. Trong giai
đoạn đầu của thử tải S T A T N A M I C khi sức kháng đất là đàn hồi, lò xo được giả thiết
tuyến tính. Lò xo này trở nên phi tuyến sau khi chuyến vị cọc vượt quá giới hạn đàn

155


hồi. Sức cản động c là tuyến tính (bằng số) trong từng khu vực nhưng thay đổi tuỳ theo
sự thay đổi trong khu vực.
Độ cứng lò xo ban đầu Kj được tính theo :
. K, =

ở đây

(5 -6 )

- trọng lượng của khối phản lực S T N và

là chuyển vị cọc tưomg ứiig.

Giá trị của K, được dùng để tính giá trị K và c trong các khu vực tiếp theo. Tuy vậy,
việc tính c trong một vài khu vực (3 và 5) không được trình bày rõ ràng trong bài báo
của Middendorp và những người khác (1993). Đưòfng cong tải trọng tĩnh - chuyển vị
nhận được từ phương pháp độ cứng ban đầu rất nhạy c ảm đối với độ chính xác của việc
tính K|. Thực tế rất khó tính K, chính xác vì u,,,, thường rất nhỏ.
•

Phương p h á p độ cứng han đầu có sửa đổi (M a tsu m o to và những người khác
1 9 9 4 ,1 9 9 5 )

Phương pháp này là m ộ t biến thể của phương pháp độ cứng ban đầu. Trong phương
pháp này lò xo và tụ được giả thiết là phụ thuộc phi tuyến vào chuyển vị cọc. Giả thiết
này thường được dùng để thể hiện sự ứng xử của đất. Cả hai giá trị K và c tính được
ngay từ giá trị xuãì phát K,. D o đó phưoíng p háp này ngắn gọn hơn so với phương pháp
độ cứng ban đầu.
•

Phương p h áp khối thưy t h ể ( \ ] n o và những người khác, 1995)

Lò xo được giả tliiốt là tuyến tính kép. Phương pháp này giá trị sức

cản động tuyến

tính c được tính từ nhánh trễ của quan hệ
và u. Giả thiết lò xo tuyến tính kép là quá
đơn giản hoá, trong khi phần lớn các cọc thể hiện ứng xử phi tuyến trong thử tải tĩnh.
•

Phươrtíị p há p cĩiểm cân bâng (Horvath và những người khác, 1993)

Phương pháp này, sức cản động được giả thiết tuyến tính, trong khi lò xo giả thiết là
phi tuyến. Sức kháng tĩnh, Fj, (Fs,,„ trong bài củ a H orvath và những ngư ời khác 1993)

được tính theo cách sau :

F„(t) =

(t) - c. V(t) - M.a (t)

(5-7)

Điểm chuyển vị cực đại trên đường cong pịin - u gọi là “điểm cân b ằ n g ” và tại điểm
đó sử dụng mối quan hệ sau:
Fu(t) = F„,,(t)

tại

Cơ sở của phương trình (5-7) và

(điểm cân bằng)

= 0 vì V = 0 tại điểm cân bằng, do đó

(5-8)
= F^,a, tại

điểm cân bằng này (điều ấy có thể không đúng n hư sẽ nói sau đây).
Hệ số sức cản động c được xác định như sau (điểu này cũng có thể lại không đúng):
^

p

s ln (m a x )

p

• ^ S ln ( v = 0 )

v(t)

156

\/ĩ fỴ

g


Phương trình (5-7) là không ctúng, nếu không thì lực quán tính
không hoặc F, rất nhỏ. Do đó phươni: trình (5-8) cũng không đúng.
•

luôn luôn bằng

Phương pháp âiểnì dỡ tài (nhóm nghiên cứu các phương pháp thử tải nhanh do
GS. Kusakabe đúng dầu)

Trong phương pháp này, sức cán tk-nc được giá thiết tuyến tính trong khi lò xo giả
thiết là phi tuyến như tronu phương pháp điểm cân bằng. Phương trình (5-6) cũng được
dùng trong phương pháp này.
T ron g ph ư ong pháp đ iếm d ỡ lái. F,„ JầLi tiên dược lính iheo cách sau :

Faà.(i) = Fs,n(t) - M.a(i)

(5-10)

Đ i ế m ch u y ển vị cực đại irên đuừng F,,„ - LI dược gọi là "đicm d ỡ tải” và tại đ iểm dỡ

tải sử dụng mối quan hệ sau đây dế lliay thếphưo'ng trình (5-8)

= PdaiO

Fci.,i(v=0) (đicm dữtái)

(5-11)

Giá trị cúa F„ tương ứim vói điểni dữ tái dưọ'c gọi là ■‘tái irọng điểm dỡ tải” F„(max),
nó xem là sức kháng lĩnh cực đại ihu dược khi thử lái S J A Ĩ N A M I C .
Hệ số sức cản động c được tính beVi
^ ^ F ^ a x )-^ a x )

ờ đ â y F,Ị.„(ma\ì la cưc dai CIUI F ị ,, và V * là lóc ílò co c tai F ,. ị( m a x) .

Với hệ số sức cán độiii: c dã bict, tái irọng tình F„|(1) lại bất cứ thời điểm nào có thể
tính được khi dùng pliuong trình (5 6).
Phương pháp dicm dỡ tai cua Kiisakabe là Uiưng ihích với mô hình Cọc - Đất nêu
trong hình 5.8. Phươim pháp điểm dờ lai dã điiợc clùiií; có hiệu quả để giải thích các thí
nghiệm STN trong chươnu Irình tlií imhiệni Shonaii.
Trong Ihực tế, sức cản dộng dâ( là kliòng luỵcn tính (hàne số), nhưng có thể phụ
thuộc vào chuyển vị cọc (hoặc mức bicn dạng cua dàì xưng quanh) và hình học cuà cọc.
Vì vậy hệ số cản dộnii c lừ plurơne trình (5-11) chỉ là cấn đúng.
Phương pháp đicm dỡ lái đơn gián nhưng dẻ áp dụim clio thực tế. Việc ứng dụng của
ohưoTig pháp đ i ể in d ỡ tải đã đ ư ợ c thao luận

troim nhiều c ô n g trình n g h i ê n c ứu k h á c ở

Nhật Bản, Hà Lan và Canada.
Việc giải thích tíỉi hiệu STN cũn<: dã được luLi ỷ klii dùng cách tiếp cận khác như áp
dụng lý thuyết sóns ứng suất (Naiiỵar và Ncnak, 1992; Nishimura và Matsumoto,
và phương pháp pỉiđn tử hữu hạn (Tsubakiỉiara và những người khác, 1993,
Yamashita và nhũns người khác, 1994). Tuy vậy, các imhicn cứu theo hưóng hoàn thiện
và cách tiếp cận hệ ihống khối lượnc dơn là phù liợp với sử dụng thực tế.

157