Phương pháp nén tĩnh cọc hai chiều (Bidirectional load test – BLT) và ứng dụng thí nghiệm cọc khoan nhồi tại Miền Trung

2

Bidirectional load test – Applications on bored piles in Central Vietnam

Giới thiệu chung

Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh hai chiều (Bidirectional Load Test – BLT) trên cơ sở nguyên lý sử dụng sức kháng trên và dưới của hộp tải trọng để làm đối trọng thay thế cho đối trọng và dàn chất tải thông thường, hoặc cọc neo. Thí nghiệm nén tĩnh cọc hai chiều dựa trên nền tảng của phương pháp của giáo sư Jorj Osterberg đề xuất, hệ thống hóa và ứng dụng cho công trình đầu tiên từ năm 1984. Tiêu chuẩn sử dụng hiện nay là “ASTM D1143/D1143M Test Methods for Deep Foundations Under Static Axi-al Compressive” và gần đây nhất là “ASTM: D8169/D8169M – 18: Standard Test Methods for Deep Foundations Under Bi-Directional Static Axial Compressive Load”.
Hiện nay các khu đô thị ngày càng sầm uất, diện tích các khu đất chật hẹp, lưu lượng và mật độ xe cộ đi lại nhiều, giải pháp thí nghiệm nén tĩnh bằng dàn chất tải và dùng đối trọng bê tông gặp nhiều khó khăn. Việc vận chuyển một lượng lớn đối trọng bê tông trong khu vực đô thị sẽ mất nhiều thời gian làm chậm tiến độ thi công của dự án, đồng thời ảnh hưởng nhiều đến giao thông đô thị, hư hỏng đường sá và ảnh hưởng đến an toàn lao động, việc xử lý nền đất yếu để làm gối chất tải cũng là một vấn đề để đảm bảo an toàn cho giải pháp dàn chất tải. Giải pháp thí nghiệm nén tĩnh hai chiều BLT là giải pháp hữu hiệu để khắc phục những hạn chế của phương pháp nén tĩnh truyền thống nêu trên, giải pháp thí nghiệm BLT cũng hợp lý cho thí nghiệm cọc trên sông của các công trình cầu, các dàn khoan hoặc các công trình trên sườn núi.

Giải pháp thực hiện

Việc thực hiện thí nghiệm dựa trên nguyên lý sử dụng tĩnh tải nén tĩnh thông qua cụm kích thủy lực (hộp tải trọng), đối trọng sẽ là sức kháng ma sát của đất nền ở phía trên hộp tải trọng và trọng lượng cọc; sức kháng ma sát của nền đất bên dưới hộp tải trọng và kháng mũi của nền đất ở mũi cọc. Sơ đồ của thí nghiệm được mô tả trong hình 1.
Thiết bị thí nghiệm: Bao gồm các thiết bị chính:
Cụm kích (hộp tải trọng) bao gồm các kích thủy lực với năng lực hai chiều của hộp thông thường đạt lớn hơn 110% tải trọng thí nghiệm lớn nhất dự kiến thí nghiệm. Cụm kích được đặt trong các mặt bích có khoét lỗ để lắp đặt ống Tremi và lỗ thoát bê tông trong quá trình đổ bê tông cọc, sau khi lắp đặt vào được xem là hộp tải trọng. Cụm kích được liên kết với các dây Tio để dẫn dầu thủy lực phục vụ công tác gia tải thông qua bơm dầu thủy lực hoặc nước.
Hệ đo chuyển vị: bao gồm các thanh Taltell đặt trong ống dẫn đến mặt bích dưới và mặt bích trên của hộp tải trọng, được kéo dài đến cao trình mặt đất để phục vụ đo chuyển vị lên và chuyển vị xuống của thân cọc tại hộp tải trọng. Đồng thời đo chuyển vị tại cao trình đỉnh cọc, có thể ngang cao trình mặt đất tự nhiên. Một số trường hợp sẽ kết hợp để đo chuyển vị của mũi cọc hoặc tại một số vị trí trên thân cọc.
Hệ đo biến dạng: Gồm các Strain gages để đo biến dạng dọc trục cọc, các strain gages (loại 4200 hoặc 4911) sẽ được đặt từ 2-4 strain gages/mặt cắt và lấy giá trị trung bình để phân tích truyền tải trong cọc và trên cơ sở đó phân tích ma sát thành bên của cọc. Việc đo chuyển vị của cọc có thể sử dụng các đồng hồ so hoặc các compession transducer, đồng thời có thể dùng datatloger để thu thập cả chuyển vị của cọc và biến dạng của strain gages.
Vị trí đặt hộp tải trọng: Vị trí đặt hộp được tính toán dựa trên nguyên lý sức kháng bên trên và bên dưới hộp cân bằng nhau. Hình 2 biểu diễn một số vị trí đặt hộp tải trọng.

Hình. 1 Sơ đồ thiết bị đo tải hai chiều [2]
Hình 2. Một số hình ảnh vị trí đặt hộp tải trọng

Quy trình gia tải: Theo ASTM: D8169/D8169M – 18.
Quy trình A: Thử nghiệm nhanh — Mỗi cấp tải trọng bằng 5% tải trọng thí nghiệm lớn nhất hoặc 10% tải trọng thiết kế, số đọc thử nghiệm được thực hiện ở 1, 2 và 4 phút và mỗi lần tăng gấp đôi liên tiếp khoảng thời gian đã trôi qua trong vài phút sau khi áp dụng mỗi lần tăng hoặc giảm tải.
Quy trình B: Thử nghiệm mở rộng (tùy chọn) — Mỗi cấp tải trọng bằng 5% tải trọng thí nghiệm lớn nhất hoặc 10% tải trọng thiết kế, số đọc thử nghiệm được thực hiện ở 1, 2, 5 và 10 phút, và mỗi 10 phút liên tiếp, sau khi áp dụng mỗi lần tăng hoặc giảm tải, lên đến thời gian của khoảng thời gian giữ tải.

Phân tích kết quả

Kết quả chuyển vị: sẽ được ghi nhận và phân tích chuyển vị trên và dưới của hộp tải trọng và vẽ biểu đồ chuyển vị nén tĩnh tương đương.
Phân tích ma sát thành bên: Số liệu đọc được từ các strain gages ở các cao trình được ghi chép và phân tích sự truyền tải trong cọc thông qua các cấp tải trọng. Tải trọng ở cấp thứ i – Pi trong cọc sẽ được xác định theo công thức:

Pi = Δεi.E.A

Trong đó: Δεi = (ε0 – εi) – Biến dạng trong cọc khi tải trọng tăng từ cấp Po lên cấp Pi (μm); εi – biến dạng trung bình của 2 strain gages đối xứng nhau tại một mặt cắt; εi = (ε1j – ε2j)/2 (trường hợp nhiều strain gages trên 1 mặt cắt thì lấy trung bình tương ứng); E – mô đun đàn hồi tương đương của bê tông và cốt thép: , E = (Ec.Ac + Es.As) với Ec và Es là mô đun đàn hồi của bê tông cọc và thép (MPa), Ac và As là diện tích tiết diện ngang của cọc và cốt thép cọc trong cọc (MPa), A – diện tích tiết diện ngang của thân cọc thí nghiệm.

Biểu diễn kết quả

Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị:

Hình 3. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị và Biểu đồ nén tĩnh tương đương

Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của hộp:

Hình 4. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị tại hộp tải trọng

Biểu đồ truyền tải trọng trong cọc:

Hình 5. Biểu đồ truyền tải trong cọc

Biểu đồ phân tích ma sát thành bên của cọc:

Hình 6. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị tại hộp tải trọng

Ứng dụng tại một số dự án khu vực Miền Trung

Trên cơ sở phương pháp nén tĩnh hai chiều Bidirectional Load Test, Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và tư vấn kỹ thuật nền móng công trình – Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng kết hợp với các chuyên gia đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị để triển khai ứng dụng thí nghiệm thử tải cọc khoan nhồi cho một số dự án ở khu vực Miền Trung – Việt Nam. Một số dự án tiêu biểu Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và tư vấn kỹ thuật nền móng công trình – Trường Đại học Bách Khoa, ĐH Đà Nẵng đã thực hiện có thể kể đến như sau:

1. Dự án Ngân hàng Seabank Đà Nẵng năm 2012: Thí nghiệm 01 cọc đường kính D800mm: Tải thí nghiệm 760 tấn, 01 cọc đường kính D1000mm: Tải thí nghiệm 960 tấn. Lô đất kích thước 9 * 20m, không thể thực hiện thí nghiệm nén tĩnh dàn chất tải. Giải pháp đặt ra là thí nghiệm nén tĩnh BLT cho 02 cọc và đã thực hiện thành công, khắc phục được hạn chế mặt bằng chật hẹp và tăng tiến độ cho hạng mục thi công cọc cho dự án. Một số hình ảnh lắp đặt, thí nghiệm và kết quả trong hình 7 đến hình 9.

Hình 7. Lắp đặt thiết bị
Hình 8. Gia tải thí nghiệm
Hình 9. Biểu đồ kết quả

2. Dự án Katsatoshi Grand House năm 2017: Dự án nằm trong khu đất hạn chế về mặt bằng và giao thông taik số 02 Nguyễn Thị Minh Khai, quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng, việc thí nghiệm thử tải nén tĩnh đến 2000 tấn cho cọc D1200 là rất khó khăn và mất nhiều thời gian. Giải pháp thí nghiệm nén tĩnh hai chiều BLT được đề xuất áp dụng và thực hiện thành công. Một số hình ảnh thể hiện trong hình 10.

Hình 10. Một số hình ảnh thí nghiệm cho dự án Katsatoshi Grand House

3. Dự án Cầu Cửa Đại Quảng Ngãi: Dự án cầu Cửa Đại qua Sông Trà Khúc – tỉnh Quảng Ngãi, với đặc điểm các cọc khoan nhồi cần thử tải nằm ở giữa sông, cần thí nghiệm thử tải cọc đường kính D1200 và cọc đường kính D1500. Một số hình ảnh trong hình 11-13.

Hình 11. Hình ảnh lắp đặt thiết bị
Hình 12. Công trường gia tải thí nghiệm
Hình 13. Hình ảnh cầu gia đoạn thi công

4. Dự án Đà Nẵng Time Square: Dự án hiện tại là tòa nhà 52 tầng tại đường Phạm Văn Đồng, thành phố Đà Nẵng, là tòa nhà cao tầng nhất thành phố Đà Nẵng đến thời điểm hiện tại. Cọc khoan nhồi được thiết kế là cọc D1500, tải trọng yêu cầu thí nghiệm đến 4400 tấn. Một số hình ảnh lắp đặt và thí nghiệm cọc cho dự án:

Hình 14. Một số hình ảnh thí nghiệm Bidirectional Load Test dự án Đà Nẵng Time Square

Ngoài ra, Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và tư vấn kỹ thuật nền móng công trình – Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng còn thực hiện cho nhiều dự án khác ở khu vực Miền Trung.

Kết luận

Phương pháp nén tĩnh hai chiều Bidirectional Load Test trên nền tảng nguyên lý của Giáo sư J. Osterberg là giải pháp thí nghiệm hiện đại, kết hợp với thiết bị đo tiên tiến phù hợp với công nghệ 4.0. Giải pháp khắc phục được những nhược điểm của thí nghiệm dàn chất tải truyền thống, đặc biệt là trong điều kiện đô thị hiện đại với mặt bằng chật hẹp và giao thông phức tạp. Việc nghiên cứu nội địa hóa chế tạo thiết bị để giảm được giá thành là một vấn đề được giải quyết để đáp ứng cho nhu cầu xây dựng các dự án trong nước và góp phần phục vụ cộng đồng.

Đỗ Hữu Đạo

Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng.

E-mail: huudaod1203@gmail.com

Nguyễn Minh Hải

Geotech Engineering and Testing, Houston, Texas, USA.

E-mail: haitdmu@gmail.com

Tài liệu tham khảo:

[1] ASTM D1143/D1143M Test Methods for Deep Foundations Under Static Axial Compressive.
[2] ASTM: D8169/D8169M – 18: Standard Test Methods for Deep Foundations Under Bi-Directional Stat-ic Axial Compressive Load.