Nền và móng - Về thí nghiệm quan trắc sự phân bố ứng suất trong cọc khoan nhồi

Hội nghị Khoa học kỷ niệm 50 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng VỀ THÍ NGHIỆM QUAN TRẮC SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG CỌC KHOAN NHỒI Nguyễn Anh Dũng*, Nguyễn Trung Nghĩa TÓM TẮT: Trong lĩnh vực xây dựng thiết bị quan trắc ngày được áp dụng rộng rãi, trong đó có việc sử dụng để xác định sự phân bố ứng suất theo chiều dài cọc khoan nhồi kết hợp trong thí nghiệm thử tải tĩnh. Kết quả thí nghiệm cho phép người thiết kế có thêm hiểu biết bề sự làm việc tương tác giữa đất và cọc, điều này cũng góp phần xác định chính xác hơn sức chịu tải của cọc và cũng định hướng cho những nghiên cứu sâu hơn về mặt lý thuyết. Dựa trên việc xem xét kết quả thực hiện thí nghiệm này của chính các tác giả và các đơn vị khác, một số nhận xét được đưa ra với mong muốn đấy là những ý kiến trao đổi kinh nghiệm với các nhà Địa kỹ thuật trong việc đánh giá kết quả thí nghiệm từ loại hình thí nghiệm này. TỪ KHÓA: Thí nghiệm nén tĩnh cọc, phân bố ứng suất. 1 MỞ ĐẦU Thí nghiệm nén tĩnh là loại thí nghiệm tin cậy dùng để kiểm tra sức chịu tải của cọc, phục vụ cho việc thiết kế cũng như đánh giá chất lượng công trình. Việc áp dụng kết hợp đo sự phân bố ứng suất trong thân cọc, cũng như ma sát bên của cọc góp phần làm hiễu rõ thêm đối xử của cọc trong đất, mà trước kia khi nói về cọc, J.B. Rico [4] bình luận “Hệ số an toàn của cọc bao giờ cũng lớn, do sự hiểu biết về cọc còn hạn chế”. Với kết quả thí nghiệm này mà chiều dài cảu cọc cũng như hệ số an toàn sẽ được xem xét hợp lý hơn đem lại hiệu quả kinh tế cho công trình đồng thời nó cũng góp phần làm sang tỏ lý thuyết xác định sức chịu tải của cọc. Tuy nhiên kết quả thí nghiệm cũng có thể đưa ra nhưungc hình nahr bất bình thường cần xem xét. Thông qua việc xem xét những kết quả thí nghiệm, tác giả báo cáo này mạnh dạn đưa ra một số ý kiến trao đổi. 2 NGUYÊN LÝ Sự phân bố ứng suất trong thân cọc được dựa trên phương trình cân bằng của một phần tử cọc trong đất dưới tác dụng của tải trọng đầu cọc (hình 1). Phương trình phân bố ứng suất trong thân cọc được viết. Theo phương trình này, ứng suất thẳng đứng trong thân cọc sẽ giảm theo độ sâu và phụ thuộc vào độ lớn của giá trị tải trọng tác dụng ở đầu cọc, cũng như ma sát bên giữa đất và cọc. Với phương trình này có thể xác định ứng suất tại độ sâu bất kỳ. Giá trị ma sát bên của thân cọc Phân bố ứng suất trong thân cọc dựa trên những giả thiết sau đây: • Biến dạng tại một mặt cắt là như nhau và diện tích mặt cắt cọc là hằng số. • Ma sát bên giữa cọc và đất là không đổi giữa hai mặt cắt lắp đặt thiết bị liền nhau. • Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tuân theo định luật Hook. *Nguyễn Anh Dũng, C&E Consultants, dzungcec@yahoo.com, +84 903402326, Nguyễn Trung Nghĩa, C&E Consultants, nghia147@yahoo.com, +84 903473663 • Tại bất cứ chiều dài nào của cọc, lực tác dụng và nội lực được tuân theo phương trình cân bằng tĩnh theo trục cọc (hình 1): n P + ∑ f s * u * Li + σ Z * A = 0 1  (1) Trong đó: P là ngoại lực tác dụng ở đỉnh cọc; fs là lực ma sát tác dụng trong khoảng chiều dài Li; u là chu vi cọc; Li chiều dài cọc giữa hai mặt cắt liền nhua lắp thiết bị quan trắc; n là số mặt cắt nằm trên mặt cắt phân tích; σZ là giá trị ứng suất ở mặt cắt xem xét. Hình 1. Sơ đồ phân bố lực trên một đoạn cọc. 3 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ. 3.1 Phương pháp thí nghiêm. σ = εE (2) Trong đó: ε là giá trị biến dạng đo được; E là modul đần hồi của vật liệu cọc. Cho đến nay người ta sử dụng hai loại cảm biến để phục vụ cho loại thí nghiệm này: - Cảm biến lắp trong bê tông và Cảm biến lắp ở cốt thép (ảnh 1). Để các định ứng suất trong thân cọc, người ta sử dụng các cảm biến đo biến dạng, bố trí trên nhiều mặt cắt theo chiều dài cọc. Giá trị ứng suất được xác định dựa trên định luật Hook [5]: Ảnh 1. Cảm biến đo biến dạng trong bê tông, thép và lắp đặt thiết bị đo trong lồng thép. Tuy lắp 2 loại khác nhau, nhưng giá trị biến dạng phải là như nhau (theo giả thiết khi chịu nén, bê tông và thép có cùng biến dạng). Thông thường giá trị modul đàn hồi sử dụng là của bê tông hay giá trị tương đương của thép + bê tông. Tuy nhiên lượng cốt thép là rất nhỏ so với diện tích phần bê tông nên người ta thường sử dụng giá trị modul đàn hồi của bê tông. 3.2 Phân tích kết quả. Để xác định giá trị ứng suất trong thân cọc người ta áp dụng biểu thức (2), giá trị biến dạng đã có, vấn đề là sử dụng giá trị modul như thế nào. Có hai cách xác định modul biến dạng đi kèm với các giả thiết như sau: a. Cách 1: Modul đàn hồi từ thí nghiệm ép mẫu trong phòng, mẫu tương ứng với loại bê tông sử dụng cho thi công cọc. Như vậy cọc được thiết kế với một mác bê tông, thì cọc chỉ có một giá trị modul đàn hồi duy nhất. Mặt cắt của cọc được coi là như nhau theo suốt chiều dài. Với cách này, lực tác dụng đầu cọc (tại mặt cắt quy ước) là không cân bằng với kết quả xác định từ biến dạng đo được với diện tích mặt cắt cọc và modul đàn hồi từ phòng thí nghiệm. Ftest ≠ εEA (3) Trong đó Ftest là giá trị lực tác dụng trong quá trình thí nghiệm; A là diện tích mặt cắt cọc; E là modul đàn hồi của bê tông lấy từ kết quả thí nghiệm trong phòng; ε là giá trị biến dạng đo được. b. Cách 2: Modul đàn hồi được xác định dựa trên điều kiện cân bằng ở mặt cắt trên cùng có bố trí thiết bị. Với gỉa thiết coi toàn bộ lực ngoài tác dụng không bị tổn thất theo chiều sâu từ mặt trên cọc đến vị trí lắp đặt. Như vậy phương trình cân bằng được viết: F = A σ = εEA (4) Trong đó: F là giá trị tải trọng thí nghiệm (ở một cấp tải). Từ ( 4 ), E = F/( εA) (5) Trong cách này, giá trị modul đàn hồi của cọc sẽ thay đổi theo cấp tải trọng thí nghiệm. Mặt cắt cọc cũng được coi là không đổi theo chiều dài cọc. Giá trị modul dàn hồi trong hai cách trên được coi là hằng số cho suốt chiều dài cọc. 3.3 Kết quả thí nghiệm Kết quả thí nghiệm có thể xảy ra hai trường hợp: - Biến dạng giảm đều theo độ sâu (hình 2). - Biến dạng có điểm đột biến (hình 3). Hình 2. Biến dạng giảm dần theo độ sâu Hình 3. Biến dạng có điểm đột biến Đối với trường hợp biến dạng giảm dần theo độ sâu người ta sẽ có một hình ảnh đẹp về kết quả, tuy nhiên đối với trường hợp có điểm đột biến với giá trị biến dạng tăng so với điểm phía trên, điều này sẽ có nghĩa ứng suất tăng và dẫn tới trường hợp giá trị ma sát thân cọc là âm. 4 NHẬN XÉT. Từ những giả thiết và kết quả thí nghiệm có thể nhận thấy những vấn đề cần xem xét sau: a) Giá trị Modul biến dạng của bê tông. - Việc lấy giá trị modul biến dạng theo kết quả thí nghiệm trong phòng không cho được sự cân bằng ngoại lực và nội lực tại tiết diện đầu cọc. Đây là điều vô lý. - Nếu lấy giá trị biến dạng theo điều kiện cân bằng tại lớp lắp thiết bị đầu tiên sẽ thỏa mãn điều kiện cân bằng ngoại lực và nội lực, tuy nhiên giá trị modul biến dạng của bê tông cọc không phải là giá trị duy nhất mà thay đổi theo cấp tải trọng thí nghiệm. Đây là điều vô lý. - Cả hai trường hợp trên đều có thể sử dụng và có một điều cần lưu ý đó là giá trị modul đàn hồi xác định từ phương trình cân bằng phải là xấp xỉ với giá trị xác định trong phòng thí nghiệm. Nếu sai số lớn, điều đó khẳng định là kết quả thí nghiệm sai. Đây sẽ là một chỉ số có thể dùng để kiểm tra kết quả thí nghiệm. b) Về sự bất bình thường của giá trị biến dạng. Như trên đã trình bày, trong nhiều thí nghiệm giá trị biến dạng ở các mặt cắt đo không giảm theo độ sâu mà có giá trị đột biến. Điều này có thể giải thích bằng ba cách: - Thiết bị có vấn đề. - Bê tông tại mặt cắt đột biến có chất lượng thấp hơn. - Diện tích mắt cắt cọc tại vị trí đo bị giảm. Hai nguyên nhân dưới có thể được giải thích biến dạng đo được phụ thuộc vào lực tác dụng và diện tích tại mắt cắt đấy. Trong tính toán người ta dựa vào giả thiết, chất lượng bê tông cọc không đổi (cọc có cùng một giá trị modul đần hồi) và măt cắt của cọc là không đổi theo suốt chiều dài. Hai giả thiết này đều không mang tính tuyệt đối. Như vậy nếu cùng một giá trị lực tác dụng, nếu bê tông cọc có chất lượng thấp hơn (modul đàn hồi nhỏ đi), hoặc tiết diện cọc bị giảm đi như vậy giá trị biến dạng đo được sẽ lớn, từ đó nếu coi giá trị modul đàn hồi ở vị trí này là tương tự với toàn bộ thân cọc thì giá trị ứng suất sẽ lớn dẫn đến sự bất bình thường 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Trên cơ sở những nhận xét trên, tác giả mạnh dạn đưa ra một số kết luận sau: - Trong việc phân tích kết quả thí nghiệm, giá trị modul biến dạng dù được tính toán bằng phương pháp nào cũng phải tương đương với giá trị thí nghiệm đã được tổng kết. - Thí nghiệm đo ứng suất trong cọc không chỉ coi để xác định phân bố ứng suất theo chiều dài cọc (ứng suất thẳng đứng và ma sát bên giữa cọc và đất) mà còn có thể xem xét đánh giá chất lượng thi công cọc, bao gồm độ đồng nhất của bê tông hay tiết diện cọc TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Báo cáo kết quả thí nghiệm tại công trình Golden Square – Quận Hải Châu – Đà Nẵng. Công ty TNHH Tư vấn Xây dựng và Môi trường. 3 – 2008. 2. Báo cáo kết quả thí nghiệm tại công trình Emerald Tower, Quận 6 – TP. Hồ Chí Minh. Công ty TNHH Tư vấn Xây dựng và Môi trường. 4 – 2008. 3. Báo cáo kết quả thí nghiệm đo ma sát thân cọc khoan nhồi Từ Liêm – Hà nội. Công ty Tư vấn Đại học Xây dựng. 2009. 4. E. J. Badillo, A. R. Rodriguez. MECANICA DE SUELOS tomo 2. Edicion Revolucionaria. Instituto del Libro, 1967. 5. S. Timoshenko and J. N. Goodier. THEORY OF ELASTICITY. McGraw - Hill Book Company Inc., 1951.