Chương 4 một số PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM cọc

Chương 4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CỌC

1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
4.1.1. Khái niệm về thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc
Trong xây dựng công trình công tác thi công cọc để đảm bảo độ nguyên vẹn kết cấu và sức
kháng của cọc là vấn đề rất khó khăn và phức tạp. Vì vậy công tác kiểm tra, đánh giá chất lượng
của cọc là rất quan trọng, từ đó có những điều chỉnh về thiết kế, tổ chức thi công cho phù hợp,
đảm bảo các yêu cầu về kĩ thuật và kinh tế. Thí nghiệm kiểm tra chất lượng của cọc đơn gồm hai
nội dung chính là:


Sức chịu tải của cọc đơn;



Độ nguyên vẹn kết cấu.

4.1.1.1. Sức kháng của cọc đơn
Đây là thông số quan trọng đối với cọc đơn sau khi thi công xong. Nếu yếu tố độ đồng nhất là
đảm bảo cho cọc làm việc như một kết cấu nguyên vẹn để truyền lực từ công trình xuống nền đất
và đảm bảo tuổi thọ của cọc trong môi trường đất- nước- nước ngầm, thì sức chịu tải chính là
mức truyền tải mà cọc đó đảm bảo được.
Các thí nghiệm thường dùng hiện nay như thí nghiệm nén tĩnh cọc, thí nghiệm PDA, thí
nghiệm hộp tải trọng Osterberg.
4.1.1.2. Độ nguyên vẹn kết cấu
Độ nguyên vẹn của kết cấu là yêu cầu để cọc đảm bảo khả năng làm việc như một bộ phận
kết cấu theo đúng yêu cầu thiết kế. Cụ thể là cọc đủ tiết diện, vật liêu làm thân cọc có độ bền
theo thiết kế, không đứt gãy hay có các khuyết tật ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của
cọc. Để định lượng các yêu cầu trên, trong thực tế thường dùng các khái niệm sau: độ đồng nhất
đối với cọc bê tông cốt thép, trở kháng cơ học với các cọc bằng các loại vật liệu khác như bê
tông, thép… Những thông số này ta sẽ được tìm hiểu cụ thể ở các thí nghiệm dưới đây.

Các thí nghiệm thường dùng hiện nay như thí nghiệm siêu âm, thí nghiệm biến dạng nhỏ
PIT
4.1.2. Khái niệm chung về sóng âm
Song âm là sự lan chuyền các dao động âm trong các môi trường rắn, lỏng và khí.
Tai con người chỉ có thể cảm nhận (nghe được) các âm có tần số từ 16Hz đến 20000Hz, các
song âm có tần số nhỏ hơn 16Hz được gọi là hạ âm, các sóng âm có tần số lớn hơn 20000Hz
được gọi là sóng siêu âm. Tốc độ truyền âm giảm trong các môi trường theo thứ tự; rắn, lỏng,


khí. Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất môi trường, nhiệt độ của môi trường và khối
lượng riêng của môi trường. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ truyền âm cũng tăng.
1.2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
1.2.1. Thí nghiệm nén tĩnh cọc
4.1.1.1 Nguyên lý, phạm vi áp dụng, ưu nhược điểm của thí nghiệm
a) Nguyên lý
Thí nghiệm nén tĩnh cọc nhằm xác định, kiểm tra, đánh giá sức chịu tải của cọc bằng cách gia
tải lên đầu cọc một cách dần dần từng cấp. Với mỗi cấp tải trọng thực hiện một chu trình tăng tải
trong, sau đó giảm tải và xác định tải trọng, thời gian, độ lún tương ứng. Từ biều đồ quan hệ giữa
tải trong - độ lún (biểu đồ P - S) xác định sức chịu tải của cọc hình .1.

Hình 4.1. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh

Thí nghiệm nén tĩnh có thể thực hiện ở giai đoạn thăm dò thiết kế và kiểm tra chất lượng công
trình. Thí nghiệm ở giai đoạn thăm dò thiết kế được tiến hành trước khi thi công cọc đại trà nhằm
xác định các số liệu cần thiết về cường độ, biến dạng và mối quan hệ tải trọng – chuyển vị của
cọc làm xơ sở cho thiết kế hoặc điều chỉnh đồ án thiết kế, chọn thiết bị và thi công cho phù hợp.
Cọc thí nghiệm thăm dò thường được thi công riêng biệt ngoài phạm vi móng công trình. Thí
nghiệm nén tĩnh ở giai đoạn kiểm tra chất lượng công trình, được tiến hành trong thời gian thi
công hoặc sau khi thi công xong cọc nhằm kiểm tra sức chịu tải của cọc theo thiết kế và chất
lượng thi công cọc. Cọc thí nghiệm kiểm tra được chọn trong số các cọc móng công trình. Số

lượng cọc thí nghiệm do thiết kế quy định tùy theo mức độ quan trọng của công trình, mức độ
phức tạp của điều kiện địa chất đất nền, kinh nghiệm thiết kế, chủng loại cọc sử dụng và chất
lượng thi công cọc ở hiện trường thông thường lấy bằng 1% tổng số lượng cọc của công trình
nhưng trong mọi trường hợp không ít hơn 2 cọc. Trong thực tế nhiều công trình người ta có thể


tiến hành thử tĩnh một cọc, còn các cọc còn lại có thể thí nghiệm bằng phương pháp thử động
biến dạng lớn PDA.
b. Phạm vi áp dụng của thí nghiệm
Thí nghiệm nén tĩnh được tiến hành theo tiêu chuẩn TCXDVN 269 - 2002. Thí nghiệm nén tĩnh
áp dụng cho cọc đơn thẳng đứng, cọc đơn xiên, không phụ thuộc vào kích thước và phương pháp
thi công (đóng, ép, khoan thả, khoan dẫn, khoan nhồi…) trong các công trình xây dựng. Không
áp dụng thí nghiệm nén tĩnh cho cọc tre, cọc cát và trụ vật liệu rời.
c) Ưu nhược điểm của thí nghiệm nén tĩnh
Thí nghiệm phản ánh được tương đối chính xác sự làm việc của cọc trong nền. Kết quả đáng tin
cậy.
Thời gian chuẩn bị và thời gian tiến hành thí nghiệm kéo dài, thiết bị thí nghiệm cồng kềnh, tốn
kém. Đồng thời SCT xác định được là tổng SCT của cọc mà không thể phân biệt được phần nào
do ma sát thành bên, phần nào do sức chống mũi cọc. Do chi phí lớn, đặc biệt khi vị trí cọc ở
dưới sông khó có thể tiến hành thí nghiệm, nên chỉ thí nghiệm được một số ít cọc, do đó cọc thí
nghiệm phần nào cũng chưa phản ánh được một cách tổng quan cho các cọc trong móng và cho
địa chất cả khu vực xây dựng công trình.
4.2.1.2. Thiết bị thí nghiệm:
Thiết bị thí nghiệm bao gồm các bộ phận sau đây (hình .2):


Hệ gia tải ( kích, bơm và hệ thống thủy lực): Đây là bộ phận dùng để gia tải trực tiếp lên
đầu cọc, phải đảm bảo thiết bị không bị rò rỉ, hoạt động an toàn dưới áp lực không nhỏ
hơn 150% áp lực làm việc

Sử dụng kích thủy lực (số 4, hình .2, hình .3) để gia tải vào đầu cọc. Kích thủy lực phải đảm
bảo các yêu cầu sau: Có sức nâng đáp ứng tải trọng lớn nhất theo dự kiến; có khả năng gia tải,
giảm tải với cấp tải trọng phù hợp với đề cương thí nghiệm; có khả năng giữ tải ổn định không ít
hơn 24 giờ; có hành trình đủ để đáp ứng chuyển vị đầu cọc lớn nhất theo dự kiến cộng với biến
dạng của hệ phản lực; khi sử dụng nhiều kích, các kích nhất thiết phải cùng chủng loại, cùng đặc
tính kỹ thuật và phải được vận hành trên cùng một máy bơm.
Ở Việt Nam, thường tăng lực vào kích qua một bơm dầu (số 2). Để làm đối trọng cho kích thủy
lực, ta có các cách sau:
Sử dụng cọc neo, thường là 4, 6 hoặc 8 cọc (hình .2).Như vậy, nếu ta thí nghiệm nén cọc, thì
các cọc neo này sẽ chịu nhổ, vì vậy, ta phải kiểm tra xem sức chịu tải kéo của các cọc này có
thỏa mãn không. Theo ASTM, khoảng cách giữa cọc thí nghiệm và cọc neo phải lớn hơn 5d (d là
đường kính cọc); điều kiện này đặt ra nhằm giảm ảnh hưởng do tương tác giữa các cọc;


Sử dụng nhiều khối vật liệu (thường là cục bêtông lớn, mỗi cục từ một đến vài tấn). Vì các
khối vật liệu này rất đồ sộ, nên việc di chuyển rất tốn kém và nguy hiểm (hình .4 và .5).
 Hệ phản lực (bao gồm hệ thống dầm đỡ tải bao gồm dầm chính và dầm phụ): Đóng vai trò
như đối trọng cho hệ gia tải. Hệ phản lực phải được thiết kế để chịu được lực không nhỏ
hơn 120% tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến.


Hệ quan trắc (bằng các đồng hồ đo có độ chính xác đến 0,01mm, có hành trình dịch
chuyển ít nhất là 50 mm hoặc đủ để đo được chuyển vị lớn nhất theo dự kiến, máy thủy
chuẩn, dầm chuẩn và dụng cụ kẹp đầu cọc): đồng hồ đo chuyển vị đầu cọc nhằm xác định
chính xác chuyển vị của đầu cọc so với đất nền, từ đó xác định chuyển vị của cọc. 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.

Quy trình nén tĩnh cọc đã được trình bày chi tiết trong nhiều giáo trình và tiêu chuẩn ở
Việt Nam. Do đó chúng tôi chỉ trình bày vắn tắt ở đây.

Hình 4.2- 1- Cọc thí nghiệm; 2- Bơm dầu; 3Đồng hồ đo biến dạng; 4- Kích thủy lực; 5Dầm thép; 6- Cọc neo

Hình 4.3. Hình ảnh chụp quá trình thí nghiệm
nén tĩnh cọc bằng cách sử dụng cọc neo

Thí nghiệm nén tĩnh sử dụng cọc neo


Hình 4.4. 1- Cọc thí nghiệm; 2- Bơm dầu;
3-Đồng hồ đo biến dạng; 4- Kích thủy lực;
5- Dầm thép; 6- Gối đỡ

Hình 4.5. Hình ảnh chụp quá trình thí nghiệm nén tĩnh
cọc bằng cách sử dụng khối vật liệu lớn

Thí nghiệm nén tĩnh sử dụng khối vật liệu lớn
4.2.1.3. Các bước tiến hành thí nghiệm
Đối với cọc đúc sẵn hạ cọc đến cao độ thiết kế, cho cọc nghỉ 3 – 5 ngày đối với đất cát, 10 –
30 ngày đối với đất sét. Đối với cọc khoan nhồi thời gian nghỉ từ khi kết thúc thi công đến khi thí
nghiệm là tối thiểu 21 ngày.
Theo quy phạm Việt Nam (269-2000), quy trình tăng tải trọng như sau:
 Dự tính tải nén tối đa là P max , là tải trọng mà cọc sẽ lún khoảng 40 mm. Có thể thấy P max
là sức chịu tải cực hạn Pmax dự báo theo các phương pháp khác (ví dụ như thống kê, xuyên
tĩnh – Schmertmann hay LCPC,…). Cũng có thể thấy Pmax = 1,5÷2,0[P] với [P] là tải
trọng dự báo mà cọc sẽ làm việc trong giai đoạn sử dụng sử dụng công trình;


Mỗi cấp tải sẽ là (1/15 ÷1/10) Pmax (như vậy sẽ có 10

15 cấp tải). Ghi lại độ lún tai các

thời điểm 0’, 15’, 30’, 45’,1h,1, 5h, 2h, 3h, 4h…;


Chỉ tăng tải đến cấp tiếp theo nếu độ lún của cọc đã ổn định (độ lún của cọc bằng hoặc
nhỏ hơn 0.1 mm trong vòng 30 phút với cát, 60 phút với sét);



Kết quả tải trọng - độ lún (ở cuối từng cấp) được vẽ lên đồ thị như đường liền nét trên
hình .8


Bảng 4.1: Bảng quy định thời gian theo dõi lún và ghi chép số liệu

Cấp tải trọng

Thời gian theo dõi và đọc số liệu

Cấp gia tải

Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu tiên
Không quá 15 phút một lần cho 30 phút sau đó
Không quá 1 giờ một lần cho 10 giờ tiếp theo
Không quá 2 giờ một lần cho > 12 giờ sau cùng

Cấp gia tải lại và cấp giảm tải

Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu

Không quá 15 phút một lần cho 30 phút sau đó
Không quá 1 giờ một lần cho thời gian > 1 giờ

Sau khi kết thúc gia tải, nếu cọc không bị phá hoại thì tiến hành giảm 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 giữ lâu hơn
nhưng không quá 6 giờ.
4.2.1.4. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thu được của thí nghiệm nén tĩnh bao gồm các biểu đồ sau đây:

Hình 4.6. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị lún của cọc


Hình 4.7. Biểu đồ quan hệ giữa thời gian và chuyển vị lún của cọc

Hình 4.8. Biểu đồ quan hệ giữa thời gian và chuyển vị lún, tải trọng của cọc

Từ biểu đồ tải trọng – độ lún (tại số đọc cuối cùng) của thí nghiệm nén tĩnh cọc, có rất nhiều
phương pháp diễn dịch kết quả khác nhau để dự báo sức chịu tải giới hạn của cọc.
Theo TCXDVN 269 – 2002
*Theo chuyển vị giới hạn quy ước
Từ đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn P gh là tải trọng quy ước ứng
với chuyển vị giới hạn quy ước Sgh =10%D với D là đường kính cọc hoặc chiều rộng tiết diện
cọc
* Theo phương pháp đồ thị
Sức chịu tải giới hạn dựa trên hình dạng đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị S = f(P), tùy
thuộc vào hình dạng đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn được xác
định theo một trong hai trường hợp sau:
- Đường cong có điểm uốn rõ ràng: sức chịu tải được xác định trực tiếp trên đường cong, là tải
trọng ứng với điểm đường cong bắt đầu thay đổi độ dốc đột ngột hoặc đường cong gần như

song song với trục chuyển vị.


- Đường cong thay đổi chậm, rất khó hoặc không thể xác định chính xác điểm uốn, sức chịu tải
giới hạn được xác định theo phương pháp sau:
+ Phương pháp De Beer
Hình .9 minh họa phương pháp De Beer: Ta vẽ kết quả nén tĩnh trên đồ thị log(S)– log(P).
Nếu trên đồ thị có hai đoạn gần thẳng rõ ràng như hình vẽ, thì giao của hai đoạn tương đương với
sức chịu tải huy động Phđ
Trong ví dụ trên hình .10 Phđ = 190 tấn, tại đó Δ ≈ 8.5mm
Phương pháp De Beer có nhược điểm là: không phải bao giờ ta cũng có có hai đoạn thẳng rõ ràng như hình .10 , do đó khó xác định P

Hình 4.9. Phương pháp De Beer

+ Phương pháp Davisson
Các bước xác định Phđ như sau:
 Vẽ kết quả nén tĩnh trên đồ thị thường;


Đường “đàn hồi” là đường có phương trình sau: P =(EA/L)Δ;

trong đó:
Ac

: tiết diện cọc

E : mô đun đàn hồi của cọc
L, Δ

: chiều dài cọc và chuyển vị của cọc (cùng đơn vị).

hđ


Hình 4.10. Phương pháp Davisson



Đường Davisson là đường song song với đường “đàn hồi”, khoảng cách giữa hai đường là:



3,8 + B/120 (mm) nếu đường kính cọc B ≤ 600; B/30(mm) nếu B>600 (Kyfor và cộng sự
kiến nghị bổ sung).
Giao điểm của đường Davisson với đường kết quả nén tĩnh là sức chịu tải huy động Phđ.
Trên hình .10 có Phđ ≈ 23 mm.

Phương pháp Davisson dễ dùng. Phù hợp với cả quy trình nén tĩnh nhanh và chậm. Một hạn
chế nhỏ của phương pháp này là nó không phù hợp với cọc chống (cọc có ma sát bên nhỏ).
Trong cả hai phương pháp trên, sức chịu tải cho phép là:
[P] = 0.5 Phđ

(4.1)

Sức chịu tải cho phép thường được xác định bằng sức chịu tải giới hạn hoặc tải trọng phá hoại
chia cho hệ số an toàn. Thông thường hệ số an toàn F s =2. Việc áp dụng hệ số an toàn cao hay
thấp do thiết kế quyết định tùy thuộc vào mức độ quan trọng của công trình, điều kiện đất nền
đặc điểm cọc và phương pháp thí nghiệm cọc. Hệ số an toàn F s > 2 được áp dụng cho các trường
hợp sau: khi xác định Pgh từ đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị phát triển chậm, khó xác
định điểm uốn; đối với cọc ma sát trong đất dính từ dẻo mềm đến dẻo chảy; đối với cọc xiên mà

sức chịu tải xác định theo kết quả thí nghiệm cọc thẳng đứng; số lượng cọc thí nghiệm hạn chế
trong điều kiện đất nền phức tạp, địa tầng thay đổi mạnh; đối với công trình quan trọng đòi hỏi
yêu cầu cao về độ lún F s  2 được áp dụng trong các trường hợp sau: Khi P gh được xác định từ
điểm uốn rõ ràng trên đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị; đối cới cọc kiểm tra trong điều
kiện thuận lợi phù hợp với điều kiện thiết kế; đối với cọc thí nghiệm có kết quả gần phù hợp với
các phương pháp khác; trong cùng một hiện trường có điều kiện đất nền đồng nhất, kết quả thí


nghiệm của các cọc sai lệch không đáng kể; khi có kết quả đo chính xác chuyển vị mũi cọc và
thân cọc.
1.2.2. Phương pháp thử động biến dạng lớn PDA (Pile driving analyser)
4.1.1.2 . Nguyên lý, phạm vi áp dụng và ưu nhược điểm của thí nghiệm PDA

Hình 4.11. Thí nghiệm thử động biến dạng lớn (PDA)
a) Nguyên lý của phương pháp PDA

Nguyên lý của phương pháp thử động biến dạng lớn PDA dựa trên nguyên lý 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.
Phương pháp thử động biến dạng lớn có các ứng dụng chính như sau:
* Đánh giá sức chịu tải của cọc
Đánh giá được sức chịu tải của cọc tại thời điểm thí nghiệm PDA. Nếu làm thí nghiệm PDA
lúc cọc vừa hạ xong và sau một thời gian cọc nghỉ, ta sẽ đánh giá được sự tăng hay giảm sức
chịu tải theo thời gian.


Với cọc đóng thí nghiệm PDA tại các độ sâu nhất định khi đóng cọc, ta sẽ đánh giá được sức

chịu tải của cọc ở những chiều dài khác nhau. Từ đó, giúp điều chỉnh chiều dài cọc thiết kế theo
thực tế đất nền
Sử dụng CAPWAP có thể đánh giá sự phân bố sức kháng (bên và mũi cọc) đánh giá hệ số
quake và cản nhớt (damping) của đất bằng việc tính lặp.
* Đánh giá sự làm việc của búa đóng cọc
Đánh giá phần trăm năng lượng hiệu quả của búa. Đánh giá ảnh hưởng của đệm búa, đệm cọc
đến số nhát búa
Xác định sự cố của búa, ví dụ như đánh lửa quá sớm (búa diesel), hoặc cửa rò rỉ hơi (búa
hơi).
Nếu số nhát búa thực đóng khác với số nhát búa dự đoán, xác định được nguyên nhân là do
điều kiện địa chất hay do sự làm việc của búa.
* Đánh giá ứng suất phát sinh trong cọc và sự toàn vẹn của cọc
Dự báo ứng suất kéo và ứng suất nén phát sinh trong toàn bộ cọc khi đóng, từ đó kiểm tra khả
năng cọc bị phá hỏng.
Khi đóng cọc xong rồi, có thể dùng PDA kiểm tra sự toàn vẹn của cọc, nếu cọc hư hỏng ta sẽ
kịp thời đề nghị biện pháp để thêm cọc hoặc giảm tải.
b) Ưu nhược điểm của thí nghiệm PDA
PDA có thể dùng cho bất cứ cọc nào. Ưu điểm của phương pháp này (nhanh, đánh gía
hết sức chịu tải cọc (bearing capacity), địa điểm hẹp có chỗ không chất tải tĩnh được, ví dụ: cọc
đã ép xong hết rồi, đã đào móng có tầng hầm rồi, hoặc dùng cọc nhồi tiết diện nhỏ bổ sung cho
bãi cọc đã thi công xong, hoặc công trình đã thi công xong, cần số liệu bổ sung. Chi phí thấp hơn
so với nén tĩnh...
Đối với cọc ép thì đoạn cọc ép thường ngắn, vì vậy 1 cây cọc cần nhiều mối nối. Sóng truyền
qua mối nối có thể không đảm bảo. Khi ép, trong cọc chỉ có ứng suất nén. Còn khi đóng cọc,
trong cọc có cả ứng suất nén và kéo. Điều nguy hiểm là khi cọc đã ép xong (mối nối, mặc dù
kém, nhưng vẫn tốt vì khi ép nó không bị ứng suất kéo), nhưng sau đó thí nghiệm PDA đóng
thêm mấy nhát búa (để thí nghiệm sức chịu tải), làm đứt mất mối nối (hoặc đứt mối hàn). Nếu bị
mất chối (chỉ còn khoảng 10 hay 15 nhát 1 mét) thì rất nguy hiểm. Thực tế khi ép cọc, lực ép chủ
yếu là tĩnh, có thể thì biết ngay sức chịu tải của cọc khi ép xong bằng cách đọc đồng hồ đo lực ép
nên không cần thử PDA hoặc tĩnh nữa.

Công tác đo và xử lý số liệu thí nghiệm phức tạp, độ tin cậy của thí nghiệm thấp hơn so với thí
nghiệm nén tĩnh.
c) Phạm vi áp dụng của thí nghiệm PDA


Thí nghiệm PDA có thể áp dụng cho cọc đóng, cọc đổ tại chỗ, cọc baret… không áp dụng cho
cọc tre, gỗ, cọc cát, cọc xi măng đất, tiêu chuẩn áp dụng ASTM – D4945.
4.1.1.3 Thiết bị thí nghiệm
Thiết bị gồm hệ thống búa, búa hơi hoặc búa Diesel có trọng lượng bằng 1- 2% sức chịu tải
cọc; hai đầu đo gia tốc, hai đầu đo biến dạng, dây dẫn, máy tính điện tử có gắn bộ biến đổi số
liệu (hình .12)

a) Đầu đo gia tốc

b) Đầu đo biến dạng

c) Bộ xử lý PDA

Hình 4.12 Thiết bị thí nghiệm PDA

4.2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm
Bắt chặt 2 cặp đầu đo gia tốc và biến dạng vào thân cọc đối xứng qua tim cọc, cách đỉnh
cọc tối thiểu 2 lần đường kính cọc Vào máy các thông số, kiểm tra tín hiệu các đầu đo. Bắt lại
đầu đo nếu cần thiế Dùng búa đóng cọc đóng lên đầu cọc 5 nhát
Kiểm tra chất lượng tín hiệu ghi được của từng nhát búa, nếu tín hiệu không tốt cho đóng lại
Tắt máy chuyển sang cọc khác
Đối với cọc khoan nhồi/cọc barette bổ xung thêm các bước:
Đổ bê tông nối đầu cọc có casing (nếu cọc chưa có casing). Dùng búa chế tạo riêng nặng 1.5-2%
tải trọng dự kiến thí nghiệm, rơi tự do ở độ cao 2-3m
Thiết bị PDA trên hình (.11) sẽ chuyển đổi các tín hiệu biến dạng và gia tốc đo được sang lực

và vận tốc (tại thời điểm t) như sau:
F(t) = EAε(t) (theo định luật Hook)
(4.2)


V(t)= ∫a(t)dt
(4.3)
trong đó:
F(t): lực tác động vào phân tố cọc (đặt tại vị trí đầu đo) tại thời điểm t;
V(t)

: vận tốc chuyển động của phân tố cọc (vị trí đặt đầu đo) tại thời điểm t;

E : môdun đàn hồi của vật liệu làm cọc ;
A : tiết diện ngang cọc ;
ε(t) : biến dạng đo được tại thời điểm t ;
a(t) : gia tốc chuyển động của phân tố cọc đo được tại thời điểm t.
Khi đóng một nhát búa xuống đầu cọc, đầu cọc chịu một lực nén là F (do đó, ứng suất nén là
σ = F/A), đồng thời đầu cọc chuyển động xuống dưới với vận tốc V. Tuy nhiên, ở thời điểm t = 0
thì mũi cọc vẫn chưa chịu lực, cũng chưa chuyển động xuống. Sau một thời gian t = L/c (L là
chiều dài cọc, c là vận tốc lan truyền sóng lực F và sóng vận tốc V), thì tác động đầu cọc mới lan
truyền và ảnh hưởng tới mũi cọc.
Cần lưu ý rằng c là một hằng số chỉ phụ thuộc vào bản chất vật liệu, trong khi V là đại lượng
thay đổi phụ thuộc vào độ lớn của nhát búa đóng cọc và phụ thuộc vào sức kháng của đất nền, c
thường gấp vài nghìn lần V.
Từ các giá trị của F và V tại các thời điểm khác nhau, ta sẽ dự báo được sức chịu tải của cọc.
Trước tiên, ta phải xem xét hai trường hợp lý tưởng hóa: cọc không có sức kháng của đất tác
dụng và cọc ngàm chống. Sau khi hiểu rõ hai mô hình này, ta sẽ xem xét một cọc trong thực tế.
Trong phần này ta cần biết một tham số trung gian quan trọng là trở kháng của cọc Z, bởi vì đồ
thị thường thể hiện F và ZV, chứ không thể hiện F và V (vì F, ZV có cùng thứ nguyên)

Z = EA/c = Mc/L

(4.3)

trong đó:
E : môđun đàn hồi của cọc;
A, L

: diện tích tiết diện ngang và chiều dài cọc;

M : khối lượng cọc;
C : vận tốc truyền sóng.
Ví dụ cọc bê tông tiết diện 0.4x0.4 m2; Vận tốc truyền sóng trong bê tông là c=3464 m/s.
⇒ Z = EA/c= 30000000(kPa)x0.16 (m2)/3464(m/s) = 1385.7 kN s/m; hoặc
Z =Mc/L = (2.5x0.16(t/m) x 3464 (m/s)= 1385.7 t/s = 1385.7 kN s/m.
b) Cọc không có sức kháng


Ta xét một mô hình cọc không có sức kháng bên cũng như sức kháng mũi trên hình .13a.
Trên hình này, để tiện thể hiện các đồ thị sau này, cọc được vẽ theo phương ngang, đầu cọc ở bên
trái, mũi cọc ở bên phải. Khi búa đóng vào cọc sẽ tạo ra sóng lực (nén) và sóng vận tốc hạt. Hai
sóng này truyền với vận tốc là c. Có nghĩa là, nếu tại thời điểm t 1=0, sóng bắt đầu từ cọc, thì tại
t₂ = L/c sóng truyền được tới mũi cọc (hình .13a, với L là chiều dài cọc).
Tại t1=0, F1 > 0; tại t₂ = L/c, vì mũi cọc không có sức kháng mũi, nên ta cân bằng lực sẽ được F₂
= 0, F₂ = 0 là do có một sóng ứng suất kéo (dấu âm) truyền ngược từ mũi cọc lên (hình .13b).
Như vậy, cọc không có sức kháng (hoặc sức kháng nhỏ-tức là đất yếu) thì dễ bị phá hoại do ứng
suất kéo. Sóng ứng suất kéo truyền ngược lên sẽ làm vân tốc V₂ được gấp đôi lên (hình .13b).
Tuy nhiên, ở mũi cọc ta không gắn các đầu đo biến dạng và vận tốc, mà ta chỉ gắn các đầu đo ở
gần đầu cọc, hình .13c thể hiện kết quả đo được ở các đầu đo này. L là khoảng cách từ vị trí đầu
đo đến mũi cọc (xấp xỉ bằng chiều dài cọc, vì các đầu đo chỉ đặt cách đầu cọc một đoạn 2d-3d).

Trên hình này, ta có :


Điểm A là điểm bắt đầu xuất hiện các sóng tại các đầu đo. Tuy nhiên, ta không quan tâm



nhiều đến điểm này;
Điểm B là điểm xuất hiện sóng cực trị. Tại đây, F 1 ≈ 2050 kN và V1 ≈ 2050/1385.7 ≈ 1.48



m/s (giả sử trở kháng Z = 1385.7 kNs/m);
Tại thời điểm t = L/c, các sóng mới truyền đến mũi cọc, tuy nhiên chưa đi ngược lại đến vị



trí các đầu đo. Các sóng này cần một thời gian là L/c nữa để đi ngược đến các đầu đo;
Điểm C là điểm đầu đo bắt đầu nhận được các sóng phản hồi (thời gian ứng với đoạn AC
bằng 2L/c. Bắt đầu từ điểm C, lực giảm đần đi, trong khi vận tốc V tăng dần lên. Từ A tới



C, đồ thị lực F và đồ thị ZV trùng nhau, sau điểm C, hai đồ thị này tách xa dần ra;
Điểm D là điểm cách điểm B một đoạn thời gian 2L/c. Tại đây, lực F₂ = 0 còn V₂ = 2V₁ =



1.48 x2 ≈ 2.96 m/s;
Sau điểm D, có rất nhiều sóng lên và xuống lẫn lộn nhau, do đó rất khó phân tích. Người

ta thường không xem xét đồ thị sau điểm D.


Hình 4.13. kết quả đo được từ PDA với cọc không sức kháng

c) Mũi cọc ngàm cứng
Ta xét một mô hình cọc không có sức kháng bên nhưng có sức kháng mũi là vô cùng lớn trên
hình 4.14a (xem như mũi cọc chống lên đá).
Tại t =L/c, mũi cọc được ngàm nên không có chuyển động, vì vậy V₂ = 0 (hình 4.14b). Để V₂
= 0 thì cần có một sóng ứng suất nén phản hồi lại, và sóng nén này làm cho ứng suất ở mũi cọc
gấp đôi lên (F₂= 2F₁, hình 4.14b). Như vậy, cọc chống thì dễ bị phá hoại ở mũi cọc (vỡ do ứng
suất nén quá lớn). Xét hình 4.14c ghi lại kết quả ở các đầu đo.
Tại điểm C, các đầu đo bắt đầu nhận được sóng phản hồi từ mũi cọc, do đó hai đồ thị bắt đầu
tách ra xa nhau;
Tại điểm D (t₂ = 2L/c so với điểm B), V₂ = 0, F₂ = 2F₁.


Hình 4.14. kết quả đo được từ PDA với cọc ngàm tại mũi

d) Cọc thực tế
Từ các phần trên, ta có nhận xét :



Nếu cọc tiết diện đều, khi gặp sức kháng của đất thì lực F tăng lên, còn vận tốc V giảm
đi (hình .14a);
Ngược lại, nếu tiết diện bị thu nhỏ lại (ví dụ, cọc hư hỏng hoặc hết chiều dài cọc) thì lực
F giảm đi, còn vận tốc V tăng lên (hình .14c);

Ta xét một ví dụ đơn giản để minh họa cho nhận xét này: trên hình .15, cọc chỉ tiếp xúc với

đất ở điểm A (cách đầu cọc một đoạn là A) và B (cách đầu cọc một đoạn là B).
Tại thời điểm L/c, sóng đi đến điểm A, bị phản hồi lại;


Tại thời điểm t = 2A/c sóng phản hồi lại các đầu đo, do đó lực F sẽ tăng lên chút ít, trong
khi vận tốc V sẽ giảm đi chút ít. Hai đồ thị bắt đầu tách ra và đi song song một đoạn;






Tương tự, tại thời điểm t = 2B/c, sóng phản hồi do sức kháng của đất ở điểm B cũng gặp
các đầu đo, do đó hai đồ thị tiếp tục tách ra xa hơn và đi song song một đoạn đến điểm
C;
Điểm C là diểm cách điểm bắt đầu đồ thị một đoạn là 2L/c. Sau điểm C, lực F giảm đi và
vận tốc V tăng lên do gặp sóng kéo phản hồi từ mũi cọc (tiết diện cọc bị thu nhỏ bằng 0
tại mũi cọc).

Hình 4.15. kết quả đo được từ PDA với cọc có sức kháng tại A và B

Ta xét tiếp ba ví dụ khác như sau:
Trên Hình .16 ta thấy, trong khoảng thời gian 2L/c ban đầu, hai đồ thị này tách dần nhau ra
nhưng rất ít, như vậy sức kháng bên là nhỏ. Tại gần điểm 2L/c, lực F lại giảm, và vận tốc V tăng
(do xuất hiện sóng ứng suất kéo), như vậy sức kháng mũi cũng gần như không có (tương tự hình
.13). Tóm lại, cọc này nằm trong đất yếu;
Trên hình .17, sức kháng bên là nhỏ. Tuy nhiên, sức kháng mũi là lớn ví tại lân cận điểm
2L/c, lực F tăng mạnh và vận tốc V giảm mạnh (tương tự hình .14);
Trên hình .18, hai đồ thị tách ra rất nhanh, chứng tỏ sức kháng bên là lớn. Tuy nhiên, cọc này
có sức kháng mũi rất nhỏ.

Hình 4.16 kết quả đo được từ PDA với cọc có sức kháng bên và mũi nhỏ

Hình 4.17. kết quả đo được từ PDA với cọc có sức kháng mũi lớn

Hình 4.18. kết quả đo được từ PDA với cọc có sức kháng bên lớn

e) Xác định hư hỏng trong cọc
Cọc được đặt trong đất, vì vậy cọc luôn có sức kháng bên dọc suốt thân cọc. Theo như phân
tích ở phần Cọc thực tế, nếu cọc không thay đổi tiết diện, thì hai đồ thị luôn luôn phải tách dần
nhau ra (trong đoạn 2L/c đầu tiên).
Nếu cọc bị hư, tiết diện cọc bị thu hẹp lại, thì hai đồ thị (F và VZ) sẽ gần nhau lại. Mức độ
gần nhau của đồ thị này gọi là BTA (hay β). Theo Rauche và Goble, có thể đánh giá mức độ hư


hỏng của cọc dựa trên giá trị của BTA như trong bảng .2. Khi thí nghiệm PDA mức độ hư hỏng
(BTA) của cọc sẽ được hiện lên thiết bị PDA luôn.
Bảng 4.2: Hệ số đánh giá mức độ hư hỏng của cọc
BTA

1.0

0.8÷1.0

0.6÷0.8

< 0.6

Mức độ hư hỏng

Khôg

Nhẹ

Vừa

Gãy nặng

4.1.1.4 Phương pháp CASE
Ngay tại hiện trường, bộ ‘Phân tích đóng cọc’(‘Pile Driving Anlyser’) 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:
Pu   1  J c 

F1  ZV1
F  ZV2
  1 Jc  2
2
2

(4.4)

trong đó:
Z : trở kháng của cọc
F1,V1
: lực và vận tốc đo được tại các đầu đo ở thời điểm t1; t1 là thời điểm mà hai sóng
này đạt cực trị đầu tiên ;
F2,V2

: lực và vận tốc đo được tại các đầu đo ở thời điểm t2; t2 = t1 + 2L/c
Jc : hệ số cản nhớt (hay cản động) CASE, lưu ý rằng hệ số Jc này là không thứ nguyên và
khác với hệ số J của Smith. Hệ số J c ban đầu được Goble kiến nghị như ở cột 2 trong bảng 3.9
tuy nhiên năm 1996 các tác giả đã cập nhật và kiến nghị lại như ở cột 3 trong bảng này.
Hình .19 trình bày một ví dụ dự báo P u theo phương pháp CASE chuẩn. Ý nghĩa của phương
pháp CASE chuẩn như sau: sức chịu tải của cọc càng lớn khi (i) điểm F 1 càng cao; (ii) điểm F2
càng xa điểm V2 (hai 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 khác phương pháp CASE chuẩn ở hai
điểm:


Ta phải tìm thời điểm t1 để sao cho sức chịu tải P u là lớn nhất hình 4.20 trình bày một ví



dụ dự báo Pu theo phương pháp CASE max.
Hế số Jc phải có giá trị tối thiểu là 0.4 (với sỏi,cuội thì tối thiểu lá 0,3) và thường lớn hơn
hệ số Jc của phương pháp CASE chuẩn từ 0,2 đến 0,3 (cột 4,bảng .3)



Ngoài hai phương pháp CASE trên, còn có hai phương pháp nữa là phương pháp CASE
tự động RAU và RA2.Tuy nhiên,hai phương pháp này ít dùng hơn.
Bảng 4.3. Hệ số Jc
Đất ở mũi cọc

Kiến nghị cũ (1975)

Kiến nghị mới
(1996)

Jc cho trường hợp
max

Cát sạch

0.05 – 0.20

0.10 – 0.15

0.40 – 0.50


Cát lẫn bụi, bụi chứa cát

0.15 – 0.30

0.15 – 0.25

Bụi

0.20 – 0.45

0.25 – 0.40

Sét lẫn bụi, bụi lẫn sét

0.40 – 0.70

0.40 – 0.70

Sét

0.60 – 1.00

≥ 0.70

0.50 – 0.70
0.70 – 1.0

Hình 4.19. Phương pháp CASE chuẩn

Trở kháng của cọc:Z=380.5 kNs/m
Đất ở mũi cọc là bụi có lẫn một ít sét và hệ số damping là:Jc=0.4
F1=1487kN;V1=3.91m/s
F2=819kN;V2=1.07m/s
Pu   1  J c 

F1  ZV1
F  ZV2
1487  1487
819  407
  1 Jc  2
 0.6
 1.4
 1181kN
2
2
2
2

Jc=0,7
F1=819kN;V1=1.92m/s
F2=1487kN;V2=0 m/s
Pu   1  J c 

F1  ZV1
F  ZV2
819  730.5
1487  0
  1 Jc  2
 0.3
 1.7
 1496kN
2
2
2
2


Hình 4.20. Phương pháp CASE max

4.1.1.5 Đọc và diễn dịch kết quả
Trình bày kết quả từ bộ xử lý PDA (Pile Driving Anlyser)sẽ hiển thị ngay lập tức nhiều thông
tin hữu ích, ví dụ như trong các hình .21 đến hình .22 trong những hình này, các ký hiệu là:


Nhóm ‘Đầu vào’
LE
: chiều dài cọc tính từ đầu đo đến mũi cọc;

AR
: diện tích tiết diện cọc;
EM
: môdun đàn hồi của cọc;
SP
: trọng lượng riêng của vật liệu cọc;
WS : vận tốc sóng truyền trong cọc;
JC
: giá trị damping (lấy theo bảng .3).
 Nhóm ‘ Thứ nguyên’
Lưu ý rằng, thứ nguyên thường là kNx10, hay chính là tấn. Có nghĩa là sức chịu
tải sẽ tính bằng tấn, còn năng lượng sẽ là tấn.m
 Nhóm ‘Đồ thị kết quả’
Đường thẳng đứng thứ nhất:thời điểm t1 là lúc hai sóng đạt cực trị đầu tiên. Đường
thẳng đứng thứ hai:thời điểm t2=t1+2L/c


Hình 4.21. Cọc bê tông đúc sẵn ứng suất trước 35x35cm2

Hình 4.22. Cọc ống thép d=406mm, dày 13mm, bịt kín mũi

Trên hình .22, nếu cọc bị hư hỏng thì còn có một đường đứt nét ở giữa (đường DD).Khi đó,trên màn hình sẽ xuất hiện một cửa sổ nhỏ,trong đó ghi giá trị BTA. Trên hình
.22, tại vị trí đường D-D ta thấy hai đồ thị F va ZV xích lại gần nhau chứng tỏ cọc có hư


hỏng. Trong hình này, BTA=89%, tức là cọc bị hư hỏng nhẹ, vị trí hư hỏng trong hình
này là LTD = 14.9 m tính từ vị trí đầu đo
 Nhóm ‘kết quả’
.
CSX và TSX (MPa)

: ứng suất nén và ứng suất kéo tại vị trí đầu đo;
CSB (MPa)
: ứng suất nén dự báo tương đối ở mũi cọc;
Trên hình .21 (cọc bêtông), CSX =20MPa. Như vậy, nếu cường độ chịu nén của
bêtông của cọc thấp thì cọc có khả năng bị phá hoại do nén. Trên hình .22 (cọc thép),
CSX = 211.5 MPa < Rad 220MPa của thép làm cọc ống và cọc thép hình chữ H.
4.3. THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CỌC (ĐỘ NGUYÊN VẸN KẾT CẤU)
1.2.3. Thí nghiệm siêu âm cọc
4.3.1.1 Nguyên lý, phạm vi áp dụng, ưu nhược điểm của thí nghiệm
a) Nguyên lý thí nghiệm
Khi sóng siêu âm truyền qua môi trường vật liệu bê tông được tạo thành từ nhiều vật liệu
thành phần như đá, sỏi, cát, xi măng…. Các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, khuyếch tán
xảy ra đồng thời và được đặc trưng bằng sự khuyếch tán của năng lượng và tốc độ truyền sóng
trong trường hợp này phụ thuộc chủ yếu vào độ đồng nhất, mật độ … của vật liệu bê tông hay
còn gọi chung là chất lượng của vật liệu bê tông. Vì vậy khi tiến hành thu nhận sóng siêu âm của
vật liệu bê tông trong phạm vi nghiên cứu có thể đánh giá được chất lượng của vật liệu bê tông
trong phạm vi truyền sóng siêu âm đó (hình .23).

Hình 4.23. Sơ đồ cấu tạo
nguyên tắc thiết bị siêu âm
truyền qua

b) Phạm vi áp dụng


Thí nghiệm siêu âm áp dụng cho việc kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi bằng phương pháp
xung siêu âm truyền qua ống. Ngoài ra còn được áp dụng cho các cấu kiện móng bê tông khác
nhau có đặt sẵn các ống đo siêu âm như: giếng chìm, tường trong đất, cọc ba - ret và các móng
khối bê tông chôn trong đất. Thí nghiệm siêu âm được tiến hành theo TCVN 9396:2012.
c) Ưu nhược điểm của thí nghiệm siêu âm

Kiểm tra chất lượng cọc bằng phương pháp xung siêu âm là phương pháp kiểm tra không phá
huỷ cho phép xác định tính đồng nhất và khuyết tật của bê tông trong phạm vi từ điểm phát đến
điểm thu. Diễn tả kết quả trực tiếp, số liệu được ghi liên tục trên toàn bộ chiều dài cọc.
Phương pháp xung siêu âm không thể hiện chất lượng tiếp xúc mũi cọc, các thăm dò dừng lại
cách mũi cọc 10cm trong trường hợp tốt.
4.3.1.2. Thiết bị thí nghiệm (hình .24)
Thiết bị kiểm tra lượng vật liệu bê tông thân cọc khoan nhồi hay các cấu kiện móng theo
phương pháp siêu âm truyền qua sơ đồ cấu tạo nguyên tắc sau:
Một đầu do phát sóng dao động đàn hồi (xung siêu âm) với cáp dẫn và một bộ phân xung có
tần số sóng trong phạm vi 20 ÷ 100 kHz
Một đầu do thu sóng có cáp dẫn;
Một thiết bị điều khiển các cáp được nối với các đầu đo cho phép tự động đo chiều sâu hạ
đầu đo;
Một bộ phận thiết bị hạ điện tử ghi nhận và điều chỉnh tín hiệu thu được;
Một hệ thống hiển thị tín hiệu;
Một hệ thông ghi nhận và biến đổi tín hiệu thành những đại lượng vật lý đo được;
Cơ cấu tâm cho 2 đầu đo khi đường kính đầu đo nhỏ hơn ít nhất 10mm so với đường kính
của ống đo.

Sai số về số liệu đo của thiết bị: theo tiêu chuẩn nước ngoài (NF P94-160-1 của Pháp
và ASTM C579-83 của Mỹ) thì sai số về đo chiều sâu của đầu đo là giá trị lớn nhất trong
2 trị số sau: (1/500 khoảng cách giữa đầu đo và đỉnh ống, 5 cm, Sai số về phép đo thời
gian là 3% thời gian chuyển động của sóng thu được).

Hình 4.24. Thiết bị thí nghiệm siêu âm


4.3.1.3. Phương pháp kiểm tra
Thăm do bằng siêu âm truyền qua một cấu kiện móng công trình bằng bê tông có đặt trước ít
nhất hai ống song song nhau theo phương thẳng đứng bao gồm các bước sau:



Phát xung siêu âm từ một đầu đo đặt trong ống chứa đầy nước sạch và truyền qua bê tông
của các cấu kiện móng công trình.



Thu sóng siêu âm bằng đầu đo thứ hai đặt trong 1 ống khác cũng chứa đầy nước sạch, ở
cùng mức cao độ với đầu phát.



Đo cùng thời gian truyền sóng giữa 2 đầu đo trên suốt chiều cao của ống



Ghi sự biến thiên biên độ của tín hiệu thu được

Số lượng ống đo chôn sẵn phụ thuộc vào kích thước cọc khoan hoặc cấu kiện móng nhằm
kiểm tra được nhiều nhất khối lượng bê tông trong khi góc quét của chùm tia siêu âm bị hạn chế

Hình 4.25. Bố trí các ống đo

Theo TCXD 206:1998, điều 5.6 quy định:


D ≤ 60 cm: Đặt 2 ống ( hoặc 1 ống ở giữa cọc khi đầu phát và thu nằm trên cùng một
trục);



60< D < 120 cm: 3 ống;



D > 120 cm: 4 ống.

Cũng có thể gặp trường hợp nghi ngờ chất lượng bê tông của móng đã làm xong hoặc cần
kiểm tra móng cũ để tìm biện pháp gia cố, ta phải tạo lỗ bằng cách khoan và thả một đầu phát với
2 đầu thu đặt ở 2 bên (hình .26 a) khi phần móng nằm trên mặt đất, hoặc tạo lỗ cho 2 đầu phát và
thu (hình .26 b) khi phần móng mằm phía dưới mặt đất (bị khuất), yêu cầu các lỗ khoan phải để
cự ly giữa hai đầu phát và thu không đổi...
Khi dao động sóng âm đạt giá trị lớn nhất và sau đó ổn định (hình .26 b) ta sẽ xác định độ

sâu của khuyết tật (ví dụ là vết nứt).