Thí nghiệm PDA Cọc đóng BTCT

Đặc điểm công trình

Hạng mục: Cọc đóng BTCT.
Kết cấu: Kết cấu móng bao gồm các cọc BTCT tiết diện 400x400mm², L=21.5m. Tải trọng thí nghiệm yêu cầu hồ sơ thiết kế là 45 tấn.


Nguyên lý thí nghiệm

Phương pháp biến dạng lớn dựa trên nguyên lý thuyết 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.
Cường độ và vận tốc của sóng ứng suất phụ thuộc vào năng lượng búa và đặc tính cơ học của vật liệu cọc. Quá trình truyền sóng ảnh hưởng bởi cường độ đất xung quanh cọc và đặc tính của vật liệu cọc. Bằng cách đo và phân tích quá trình này, phân bố cường độ đất tại các độ sâu được xác định.
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 modun đàn hồi cọc E và tỷ trọng ρ, c2=(E/ρ)∧½. Thời gian cần thiết cho sóng ứng suất truyền tới mũi cọc và phản hồi trở lại đỉnh cọc tỷ lệ với khoảng cách tới nguồn gây sóng phản    hồi t = 2L/C (Xem hình 1).



Khi sóng ứng suất truyền gặp sự thay đổi kháng trở cơ học từ Z1=ρ1.A1.C tới Z2 =ρ2.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 thỏa mãn:

Wd = Wi [2Z2 / (Z2 + Z1)]

Wu = Wi [(Z2 – Z1) / (Z2 + Z1)]

Tại đầu mũi cọc 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. 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 phân bố sức kháng của đất của đất dọc theo thân cọc (sức chịu tải của cọc).
Công thức xác định năng lượng va đập (Trích dẫn trang 42 trong sách MÓNG CỌC PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ của tác giả GS. TS Vũ Công Ngữ):

r.E = 3Pu(e+2,54)
Trong đó:

Pu: / Sức kháng cực hạn của đất lên cọc ở độ sâu thiết kế.

e: Độ chối

E = r.E = r(Q.H)

Q – trọng lượng búa

H – chiều cao búa rơi
+ Chiều cao rơi búa rơi H = 0.5m kiểm tra thiết bị

+ Chiều cao rơi búa rơi H = 2.2m

+ Chiều cao rơi búa rơi H (theo yêu cầu thực tế ngoài hiện trường khi đủ giá trị lực thì dừng).

Cơ sở của phương pháp này dựa vào:

Phương trình truyền sóng trong cọc
Phương pháp case
Mô hình hệ búa – cọc – đất của Smith
Phần mềm CAPWAPC
Hệ thống thiết bị phân tích đóng cọcPDA


Tiêu chuẩn áp dụng: ASTM D4945-08 “Standard Test Method for High-Strain Dynamic Testing of Piles” – Phương pháp tiêu chuẩn để thí nghiệm động biến dạng lớn cho cọc.

Thiết bị thí nghiệm

Máy phân tích đóng cọc (PDA), kiểu PAK của hãng Pile Dynamics, Mỹ được sử dụng để thí nghiệm cọc các bộ phận sau:

02 đầu đo biến dạng
02 đầu đo gia tốc
Bộ cảm biến về tính biến dạng đã hiệu chuẩn
Bộ dây cáp nối với cảm biến & bộ dây cáp nối với thiết bị
Máy tính chủ


Búa: Sử dụng búa đóng cọc tại công trường để thử tải
Chức năng chính của máy chủ là nhận và lưu giữ số liệu thí nghiệm (các tín hiệu đo) cũng như chi tiết cọc thí nghiệm và mô hình làm việc chung.

Quả búa được làm bằng thép đúc dùng để tác động lực xung lên đầu cọc. Trọng lượng của búa phụ thuộc vào sức chịu tải và trọng lượng của cọc.
Phần mềm CAPWAP :

CAPWAP là một chương trình phân tích dựa trên các số liệu đo của lực và vận tốc rồi mô hình hoá 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


Bộ dụng cụ thử PDA model PAX và Cáp nối máy PAX của hãng PDI-USA

   
Quy trình thí nghiệm

Công tác chuẩn bị:

Vị trí và kết cấu Cọc thí nghiệm tải trọng động đã được TVGS chấp thuận. Việc thí nghiệm được thực hiện sau khi tuổi Bê tông cọc đủ 28 ngày. Để phục vụ công tác thí nghiệm PDA nhà thầu sẽ tiến hành các bước sau:




Vệ sinh và tạo phẳng đầu cọc.
Đào đất xung quanh vị trí cọc thí nghiệm với chiều sâu đủ để lắp đặt đầu đo gia tốc và biến dạng.
Lắp các đầu đo gia tốc và biến dạng và vận tốc đối xứng từng đôi một vào thân cọc (xem Hình 2).
Vận chuyển búa đến hiện trường.
Lắp đặt thiết bị thí nghiệm (Búa, thanh dẫn hướng…)





Thí nghiệm tại hiện trường để đo sóng ứng suất. Thí nghiệm được thực hiện sau thời gian ” nghỉ” của cọc đảm bảo cường độ đất xung quanh cọc được khôi phục hoàn toàn. Việc đo sóng ứng suất được thực hiện như sau:

Nối các đầu đo với thiết bị PDA;
Nhập các thông tin như chi tiết cọc thí nghiệm, búa đóng, điều kiện đất nền….


Chỉnh lý và phân tích số liệu – Interprecting and Analyzing Measured Data
Các số liệu thu được tại hiện trường được truyền vào máy tính để phân tích, xử lý bằng phương pháp CASE và phần mềm CAPWAP. Bằng phần mềm CAPWAP, cọc thí nghiệm và đất nền được mô hình hóa để phân tích. Đối với mỗi mô hình, sóng vận tốc đo được (Pm) được sử dụng để tính sóng biến dạng (Pc) và sức chịu tải được xác định dựa trên mô hình thỏa mãn các điều kiện yêu cầu.

Một số hình ảnh thực hiện:

Gắn các đầu cảm biến gia tốc và cảm biến lực

   

Dùng cẩu lắp dựng thanh dẫn và búa lên đầu cọc

   

Lắp cáp nối từ cảm biến về máy PDA



Sơ đồ nâng búa và biểu đồ phân tích kết trên phần mềm CAPWAP