Thí nghiệm Biến dạng lớn PDA

Phương pháp thí nghiệm PDA được sử dụng phổ biến để kiểm tra sức chịu tải của cọc khoan nhồi. Phương pháp này có thể thực hiện nhanh chóng, thí nghiệm được nhiều cọc trong một ngày và ít gây ảnh hưởng đến các hoạt động thi công khác trên công trường. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết hơn về thí nghiệm PDA ngay sau đây.

Phương pháp kiểm tra PDA là gì?

Phương pháp kiểm tra PDA (Pile Driving Analyzer) hay còn gọi là phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn được phát triển bởi công ty PDI, Hoa Kỳ vào đầu những năm 70,  sau đó được ứng dụng rộng rãi cho tất cả các công trình có sử dụng cọc khoan nhồi. Thí nghiệm PDA có thể đánh giá được sức chịu tải của cọc, kiểm tra được cả mức độ hoàn chỉnh về chiều dài, cường độ và độ đồng nhất của bê tông.

Việc giám sát và đo đạc cọc sẽ được thực hiện bằng hệ thống PDA / CAPWAP theo tiêu chuẩn ASTM D4945-12. Hệ thống này cần đến sự hỗ trợ của Máy phân tích dẫn động cọc (PDA), được sản xuất bởi PDI Hoa Kỳ. Đây là những thiết bị và phần mềm cần thiết để thực hiện thí nghiệm PDA cọc khoan nhồi, cụ thể:

• PDA the PAL model: Là thiết bị thuộc thế hệ mới nhất của PDA thuộc hãng PDI Hoa Kỳ, được thiết kế tối ưu cho công tác thí nghiệm hiện trường, phù hợp sử dụng ở cả những địa hình phức tạp như ngoài khơi hay trên núi. Máy chính của PAL là máy vi xử lý có màn hình tinh thể, dùng để thu nhận, tính toán xử lý số liệu và cho phép lưu giữ tới gần 1000 thí nghiệm với 13 kết quả tính toán cho từng thí nghiệm. Ngoài máy chính, còn có 2 đầu đo gia tốc, 2 đo biến dạng, dây dẫn và các phụ kiện kèm theo.

• PDA-W Program: PDA-W là phần mềm máy tính, cho phép xử lý, tính toán và xuất file dữ liệu phục vụ cho việc phân tích CAPWAP.

• CAPWAP Program (Case Pile Wave Analysis Program.): CAPWAP là một chương trình phân tích dựa trên các số liệu đo của  lực và vận tốc rồi mô hình hóa cọc như là một chuỗi các đoạn nhỏ để tính toán sức kháng của đất nền xung quanh dọc theo thân cọc và tại mũi cọc. CAPWAP cũng cho phép tính chính xác hệ số giảm chấn (Jc-damping factor) giúp cho việc hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm PDA theo CASE. Ngoài ra chương trình còn cho phép xây dựng biểu đồ tương quan Lực – Biến dạng giống như biểu đồ nén tĩnh.

Để tiến hành thử nghiệm PDA, các đầu dò biến dạng và gia tốc, được gắn cố định gần đầu cọc cần thử nghiệm (cách đỉnh cọc ít nhất 1,5 đường kính). Các tín hiệu thu nhận được từ đầu đo trong một chu kỳ va chạm sẽ được truyền đến một thiết bị ghi, xử lý số liệu cho phép xác định lực và vận tốc theo thời gian. 

Các phép đo tín hiệu lực và vận tốc được thu thập bằng có thể cho phán đoán được tình trạng khuyết tật cũng như sự phân bố sức kháng của đất dọc theo thân cọc (sức chịu tải của cọc).

Kết quả có thể thu được trong báo cáo như sau:

• Năng lực tĩnh của cọc (nén hoặc căng).
• Mô phỏng đường cong lún tải trọng dưới tải trọng tĩnh.
• Tính toàn vẹn của cọc (mọi khuyết tật, vết nứt, rạn nứt hoặc bất kỳ bất thường nào trên trục cọc).

Tiêu chuẩn thí nghiệm PDA

Tiêu chuẩn quốc gia: 

• TCVN 11321:2016 “Cọc – Phương pháp thử động biến dạng lớn”.

Tiêu chuẩn quốc tế:

• ASTM “Tiêu chuẩn về vật liệu thử nghiệm của Mỹ” D4945-12.
• Thông số kỹ thuật đóng cọc ICE (Anh)
• BS8004 (mã Tổ chức Tiêu chuẩn Anh – 7.5.2)
• Sổ tay Kỹ thuật Nền móng Canada (1992 – Hiệp hội Địa kỹ thuật Canada).

Lợi ích của việc thí nghiệm PDA cọc khoan nhồi

PDA giúp theo dõi các ứng suất truyền động, giúp giảm nguy cơ hư hỏng cọc và cung cấp khả năng chịu lực của cọc trong thời gian thực. Nếu ứng suất cho thấy có nhiều khả năng làm hỏng cọc, thì việc đóng cọc có thể bị dừng lại và các kỹ sư có thể xác định các quy trình lắp đặt thay thế để đảm bảo móng và kết cấu đang được thiết kế an toàn. 

Thử nghiệm PDA được lựa chọn như một giải pháp thay thế nhanh chóng và tiết kiệm cho phương pháp thử tải trọng tĩnh đối với những công trình có nhiều hạng mục và các hạng mục thì không tập trung. Việc chờ đợi kết quả thử tĩnh có thể làm chậm tiến độ công trình cũng như tốn kém nhiều chi phí. Khi đó thí nghiệm PDA có thể thực hiện nhiều thử nghiệm cọc hơn trong thời gian ngắn hơn mà các cọc được giám sát trong thời gian thực, do đó có thể cung cấp kết quả ngay lập tức.

Thí nghiệm PDA cũng được xem là giải pháp thích hợp đối với các công trình dưới nước như móng cảng, cầu… hoặc các dự án nhỏ mà việc thử tĩnh gặp nhiều khó khăn.

Thí nghiệm PDA cũng có thể được sử dụng để theo dõi năng lượng hoặc hiệu suất của búa trong quá trình điều khiển.

Thí nghiệm PDA cọc khoan nhồi cho phép đánh giá năng lực, sức chịu tải của cọc nhanh chóng, tiết kiệm được cả thời gian và tiền bạc. So với phương pháp thử tĩnh thì phương pháp này thực hiện nhanh hơn, có thể thử nghiệm được nhiều cọc trong cùng một ngày tuy nhiên nên cân nhắc sử dụng ở khu vực đông dân cư vì có thể gây tiếng ồn khu vực lân cận.

MỤC TIÊU CỦA THÍ NGHIỆM

• Xác định khả năng chịu tải của cọc theo điều kiện đất nền, bao gồm sức chịu tải tổng cộng và các thành phần sức kháng ở mũi và ma sát bên.
• Đánh giá độ toàn vẹn của cọc trong quá trình thí nghiệm.

1. CÁC TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG

• Tiêu chuẩn thử động cọc bằng phương pháp biến dạng lớn ASTM D4945.
• TCVN 11321-2016: Cọc – Phương pháp thử động biến dạng lớn.
• Chỉ dẫn kỹ thuật và yêu cầu của dự án
• TCVN 10304-2014: Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế.
• TCVN 9394-2012: Đóng và ép - Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu.

III. NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:

            Khi tác dụng lực tại đỉnh cọc, sóng ứng suất sẽ truyền xuống theo thân cọc với vận tốc sóng (C) không đổi, đó là một hàm của modul đàn hồi cọc (E) và tỷ trọng (r), C²= E/r. Thời gian cần thiết cho sóng ứng suất truyền tới mũi cọc và phản hồi trở lại đỉnh cọc tỉ lệ với khoảng cách tới nguồn gây sóng phản hồi t = 2L/C (hình 1).

            Khi sóng ứng suất (Wi) gặp sự thay đổi kháng trở cơ học từ Z₁ = r₁.A₁.C tới Z₂=r₂.A₂.C, thì một phần sóng phản hồi đi lên (Wu) và phần còn lại truyền xuống dưới (Wd) để cả hai điều kiện tương thích và cân bằng sau được thoả mãn:

Wd = Wi [2 Z₂ / (Z₂ + Z₁)]

Wu = Wi [(Z₂ - Z₁) / (Z₂ + Z₁)]

Tại đầu mũi tự do (Z₂= 0), sóng nén được phản hồi toàn bộ nhưng ngược dấu, còn đối với cọc đồng đều (Z₁ = Z₂) thì sóng nén lan truyền với biên độ không đổi. Tương tự với các thành phần lực kháng (bao gồm lực kháng bên và lực kháng mũi).

            Bằng cách bố trí các thiết bị đo xác định các giá trị vận tốc và lực ở đầu cọc tại các thời điểm khác nhau (bao gồm các đầu đo gia tốc và đầu đo biến dạng) có thể cho phán đoán được tình trạng khuyết tật và sự phân bố sức kháng của đất dọc theo thân cọc (sức chịu tải của cọc)

1. NỘI DUNG CỦA THÍ NGHIỆM

4.1. Thời gian cho phép thực hiện thí nghiệm:

• Cọc sẽ tiến hành thí nghiệm cần được kiểm tra chất lượng theo các tiêu chuẩn hiện hành về thi công và nghiệm thu cọc.
• Việc thí nghiệm chỉ được tiến hành khi vật liệu cọc đã đạt cường độ thiết kế và cọc đã được “nghỉ” theo thời gian quy định: tối thiểu 7 ngày đối với cọc đóng hoặc ép.

4.3 Thiết bị thí nghiệm:

Thiết bị PDA (Pile Driving Analyzer) do hãng PDI Inc. (Mỹ) sản xuất bao gồm:

• 2 đầu đo gia tốc và 2 đầu đo lực.
• Dây dẫn và các phụ kiện kèm theo.
• Bộ phận đo và xử lý sơ bộ.
• Máy tính và phần mềm xử lý số liệu chuyên dụng (CAPWAP);

Ngoài thiết bị PDA để đo sóng, còn sử dụng một số thiết bị thí nghiệm khác như:

• Búa: Trọng lượng của búa được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D4945 nằm trong khoảng 1%-2% tải trọng thí nghiệm. Dự kiến dùng búa 2.2 - 3 tấn cho công trình này.
• Thiết bị quan trắc độ chối (của nhà thầu): được sử dụng để đo độ chối của cọc trong quá trình thí nghiệm.
• Bộ cắt chuyên dụng để thả búa rơi tự do.

Hình 3: Thiết bị thu nhận số liệu (PDA 8G)  và phần mềm phân tích cọc bằng phương pháp PDA (CAPWAP 2014-v3)

4.4 Công tác chuẩn bị thí nghiệm của nhà thầu thi công:

• Chuẩn bị cọc thí nghiệm như sau: Đào đất xung quanh cọc, cách mép cọc tối thiểu 0.6m, cách đầu cọc khoảng 0.5m. Có biện pháp bơm nước trong hố đào. Đối với cọc thí nghiệm, đầu cọc sẽ được gia cố để không bị phá hoại khi thí nghiệm. Biện pháp gia cố như sau: để lại ống vách với chiều sâu tối thiểu bằng 1.0m, mặt trên xử lý phẳng bằng vữa rót Sika 214-11.
• Có kế hoạch để đơn vị thí nghiệm có thể thao tác tháo, lắp đầu đo trong khi tiến hành thí nghiệm.
• Gởi thư mời đến chủ đầu tư, tư vấn giám sát, tư vấn thiết kế và ký biên bản thí nghiệm hiện trường.
  • Tính toán khoảng chiều cao búa rơi dự kiến:Ghi chú: Kết quả tính toán trên là theo phương pháp gần đúng, tùy theo ghi nhận tại hiện trường và số liệu máy thu được khi thí nghiệm, người thí nghiệm có thể kết thúc thí nghiệm khi:

1. Lực tác dụng lên đầu cọc lớn nhất (FMX) > Sức chịu tải theo vật liệu cọc (Pvl).
2. Sức kháng tạm tính theo phương pháp CASE tại hiện trường (RMX) > P thử.
3. Chiều cao búa tăng mà FMX và RMX không tăng.

4.6 Thực hiện thí nghiệm:

• Lắp dựng khung dẫn hướng và hệ búa đóng cọc để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị thí nghiệm.
• Gắn đầu đo lên cọc: Gắn từng cặp đầu đo (ứng suất và gia tốc) lên bề mặt cây cọc thí nghiệm. Khoảng cách từ bề mặt cọc đến vị trí đặt các đầu đo >5D (D: đường kính cọc). Các cặp đầu đo được bố trí ở cùng cao độ và đặt đối xứng qua tâm cọc (Hình 4). Các đầu đo được nối với máy chính bằng dây cáp chuyên dụng.
• Lắp đặt lớp đệm đầu cọc: Sử dụng vật liệu đệm bằng gỗ tấm hoặc cát. Bề dày lớp đệm tối thiểu bằng 20 mm, nên đệm thêm lớp gỗ dày ở phía trên búa tối thiểu 10mm.
• Tiến hành đóng cọc bằng búa thả rơi tự do 2.2 Tấn. Qui trình đóng như sau:
• Đóng 1 đến 2 nhát để kiểm tra độ an toàn của hệ búa và sự làm việc của thiết bị đo. Chiều cao rơi búa 0.5m
• Sau khi đã kiểm tra các điều kiện cần thiết để thực hiện thí nghiệm, đóng từ 1 đến 2 nhát búa, chiều cao rơi búa tăng dần lên 1.0m và tối đa là 1.4m để chính thức lấy số liệu thí nghiệm.
• Tuỳ theo kết quả đo thực tế, người thí nghiệm có thể yêu cầu điều chỉnh số lượng nhát búa để đảm bảo thu được số liệu để đánh giá sức chịu tải của cọc và đảm bảo an toàn cho người, thiết bị và cọc.
• Trong quá trình đóng thiết bị tự động ghi lại sóng gia tốc và sóng biến dạng của cọc dưới mỗi nhát búa.Thực hiện phân phân tích bằng phần mềm chuyên dụng CAPWAP-2014 V3 sau khi hoàn thành thí nghiệm ở hiện trường.

• Kết quả phân tích theo phương pháp CAPWAP gồm có :
  • Sức chịu tải :
• Sức chịu tải tổng cộng.
• Ma sát bên.
• Sức kháng mũi.
  • Độ toàn vẹn của cọc.

Kết quả quan trọng nhất đạt được từ thí nghiệm PDA là biểu đồ mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cây cọc, trong đó thể hiện quan hệ tải trọng - độ lún của cọc.

1. LẬP BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:

Kết quả thí nghiệm được trình bày trong báo cáo, với các nội dung chính:

1. Thông tin dự án (tên, vị trí, địa chất...).
2. Cọc thí nghiệm (kí hiệu, kích thước cọc, tình trạng qua quan sát ...).
3. Thi công cọc (ngày ép, các sự cố xảy ra khi thi công ...).
4. Sức chịu tải:

• Sức chịu tải tổng cộng.
• Ma sát bên.
• Sức kháng mũi.

5. Độ toàn vẹn của cọc.
6. Các đồ thị: Biểu đồ quan hệ lực, vận tốc, sức chịu tải, biểu đồ quan hệ tải trọng-biến dạng.

Thiết bị thí nghiệm: Hồ sơ kiểm định thiết bị của nhà sản xuất.