ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

NGUYỄN HUY CƯỜNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI
CỦA CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG
BIẾN DẠNG LỚN (PDA) VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số ngành

: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2010



TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

NGUYỄN HUY CƯỜNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh :

27 /12 /1978

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành:

ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MSHV:

00907537

1. TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG

PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA) VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Tổng hợp cơ sở lý thuyết thí nghiệm kiểm tra sức chịu tải của cọc theo phương
pháp thử động biến dạng lớn (PDA), thực nghiệm tại hiện trường và thu thập số liệu. Phân
tích kết quả sức chịu tải của cọc theo phương pháp PDA nhằm đánh giá các mơ hình tính
tốn, các thơng số đầu vào và độ tin cậy của phương pháp thí nghiệm trên cơ sở so sánh
với kết quả nén tĩnh trong điều kiện địa chất khu vực.

3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

ngày……tháng .......năm 2010

4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

ngày……tháng .......năm 2010

5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

PSG. TS. VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành không những từ nỗ lực của bản thân
học viên mà cịn nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình, giúp đỡ của quý thầy cô, đồng nghiệp
cùng bạn bè thân hữu.

Trước tiên, xin cảm chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ mơn Địa cơ Nền
móng đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu và quan tâm, tạo mọi điều
kiện thuận lợi giúp đỡ học viên hoàn thành Luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn thầy Tiến sĩ Nguyễn Việt Tuấn – Phân Viện Khoa
Học Công Nghệ Xây Dựng Miền Nam, Kỹ sư Nguyễn Hồng Hà – Viện Cơng
Nghệ Cầu Đường Phía Nam đã giúp đỡ học viên trong suốt q trình thực nghiệm
và thu thập số liệu thí nghiệm cũng như tài liệu tham khảo phục vụ Luận văn.
Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Bùi Trường Sơn,
người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và ln quan tâm, động viên tinh thần trong thời
gian học viên thực hiện Luận văn. Thầy đã truyền đạt cho học viên hiểu được
phương thức tiếp cận và giải quyết một vấn đề khoa học, đây là hành trang q giá
mà học viên sẽ gìn giữ cho quá trình học tập và làm việc tiếp theo của mình.
Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, Cơ quan và bạn bè thân hữu đã động viên,
giúp đỡ học viên trong thời gian học tập và thực hiện Luận văn.
Học viên

Nguyễn Huy Cường


TĨM TẮT LUẬN VĂN: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA
CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA)
VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH
Kiểm tra sức chịu tải của cọc tại hiện trường là công tác quan trọng và cần
thiết sau khi thi cơng cọc nhằm xác định chính xác sức chịu tải của cọc theo điều
kiện địa chất thực tế xây dựng cơng trình. Thí nghiệm thử động biến dạng lớn cho
kết quả sức chịu tải của cọc có độ tin cậy cao so với kết quả nén tĩnh và có thể rút
ngắn tiến độ thi cơng, tiết kiệm chi phí. Ngồi ra, thí nghiệm thử động biến dạng lớn
có thể thực hiện được trong những trường hợp thí nghiệm nén tĩnh gặp khó khăn về
địa hình xây dựng cơng trình, tải trọng thí nghiệm q lớn. Nội dung chính của luận
văn là thực nghiệm phương pháp thử động biến dạng lớn nhằm phân tích đánh giá

các mơ hình tính tốn, các thơng số đầu vào và độ tin cậy của phương pháp thí
nghiệm trong điều kiện địa chất khu vực.

THE SUMMARY: ANALYZING AND EVALUATING THE LOAD
CAPACITY OF PILES BY PILE DYNAMIC ANALYSYS (PDA) AND
RESULT OF THE PILE LOAD TEST
Testing the load capacity of piles in the field is important and necessary task
after pile construction in order to determine exactly bearing capacity of piles under
actual geological conditions of construction site. The PDA gives the highly reliable
result in load capacity of piles in comparison with result of the load test and can
shorten the construction schedule, also save cost. In addition, the PDA can be able
to carry out in cases that the load test has difficulty in terrain of construction, or
tested load is oversize. The main content of this thesis is experiment PDA in order
to analyze and evaluate mathematical models, input parameters and reliability of the
PDA method in geological conditions of construction area.


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

1

2. Giá trị thực tiễn của đề tài

2

3. Mục đích nghiên cứu của đề tài


2

4. Phương pháp nghiên cứu

3

5. Kết quả dự kiến của đề tài

3

6. Phạm vi nghiên cứu của Luận văn

3

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Ở HIỆN TRƯỜNG

1.1. Các phương pháp thí nghiệm tĩnh

6

1.1.1. Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục

6

1.1.2. Thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg

7


1.1.3. Thí nghiệm cọc có gắn thiết bị

9

1.2. Các phương pháp thí nghiệm động

11

1.2.1. Thí nghiệm động và sử dụng các cơng thức động

11

1.2.2. Thí nghiệm biến dạng lớn

14

1.2.3. Thí nghiệm rung trở kháng cơ học

17

1.3. Thí nghiệm tĩnh động Statnamic

19

1.4. Nhận xét chương và phương hướng của đề tài

21



CHƯƠNG 2.
2.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
THÍ NGHIỆM THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN
Mơ hình Smith

22

2.2.

Mơ hình Case

29

2.3.

Mơ hình CAPWAP

35

2.4.

Nhận xét chương

45

CHƯƠNG 3.
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA)

VÀ KẾT QUẢ NÉN TĨNH
3.1. Xác định sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA)
và phương pháp nén tĩnh tại một số cơng trình trong khu vực Tp. HCM

47

3.1.1. Thực nghiệm tại cơng trình Intel Project - Quận 9 - Tp. HCM

47

3.1.2. Thực nghiệm tại công trình Chung cư Phú Lợi-Quận 8-Tp. HCM

68

3.1.3. Thực nghiệm tại cơng trình Cầu Phú Mỹ-Quận 7-Tp. HCM

72

3.1.4. Thực nghiệm tại cơng trình Cao ốc The Vista-Quận 2-Tp. HCM

74

3.1.5. Thực nghiệm tại cơng trình Cao ốc An Thịnh Phát – Quận 2 – Tp.
HCM

76

3.2. Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử động biến dạng
lớn dựa (PDA) trên cơ sở so sánh kết quả nén tĩnh


84

3.2.1 Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc theo mơ hình Case

84

3.2.2 Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc theo mơ hình CAPWAP

88

3.3. Phân tích sự phân bố khả năng chịu tải của cọc theo phương pháp thử động biến
dạng lớn

97

3.4. Kết luận chương

109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

111

TÀI LIỆU THAM KHẢO

113

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

115


PHỤ LỤC HÌNH ẢNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM


-1-

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Do cấu tạo địa chất có các lớp đất yếu trên bề mặt nên các cơng trình có tải
trọng vừa và lớn thường được thiết kế với biện pháp móng cọc. Tải trọng cơng trình
thơng qua cọc truyền xuống các lớp đất tốt bên dưới qua sức chịu tải đầu mũi và ma
sát bên giữa cọc và đất. Số liệu tính tốn thiết kế móng cọc thường là các đặc trưng
cơ lý được xác định từ thí nghiệm trong phịng hoặc các kết quả thí nghiệm hiện
trường và giá trị tải trọng phần bên trên cơng trình truyền xuống. Tuy nhiên, tính
chính xác của kết quả tính tốn thiết kế khơng chỉ phụ thuộc vào các thơng số đất
nền được cung cấp mà cịn phụ thuộc vào công tác thi công cũng như các ứng xử
phức tạp của đất nền.
Để đánh giá chính xác khả năng chịu tải của cọc, sau khi thi công, các thí
nghiệm hiện trường được thực hiện kiểm tra. Các phương pháp này nhằm kiểm tra
độ chính xác của các giá trị thiết kế và chất lượng toàn bộ quá trình thi cơng tại hiện
trường. Hiện nay, phổ biến có ba nhóm phương pháp được nghiên cứu và ứng dụng,
bao gồm thí nghiệm tĩnh, thí nghiệm động và thí nghiệm tĩnh động.
Tại Việt Nam, trong nhóm thí nghiệm tĩnh, phương pháp nén tĩnh là giải
pháp truyền thống được tin cậy và sử dụng rộng rãi nhất. Nhóm thí nghiệm động,
phương pháp thử động biến dạng lớn đang được sử dụng để kiểm tra đối chứng hay
thay thế phương pháp nén tĩnh. Phương pháp thử động biến dạng lớn đã khắc phục
được một số nhược điểm của phương pháp nén tĩnh và đặc biệt là sự tiện dụng khi
có sự hỗ trợ của kỹ thuật hiện đại. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp thử
động biến dạng lớn phụ thuộc vào trình độ chun mơn của người sử dụng vì sự
phức tạp của lý thuyết các mơ hình tính tốn cũng như việc xác định các thông số

đầu vào. Đề tài “Phân tích đánh giá sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử
động biến dạng lớn (PDA) và kết quả nén tĩnh” được lựa chọn cho luận văn nhằm
hệ thống cơ sở lý thuyết của phương pháp thử động biến dạng lớn, lựa chọn mơ
hình tính tốn hợp lý cho điều kiện địa chất khu vực Tp. HCM và phương pháp
đánh giá kiểm tra sức chịu tải của cọc hiệu quả.


-2-

Giá trị thực tiễn của đề tài:
Thí nghiệm kiểm tra sức chịu tải của cọc được thực hiện ở hiện trường nhằm
kiểm chứng kết quả khảo sát thiết kế và chất lượng thi cơng cọc của cơng trình. Đây
là cơng tác trực tiếp quyết định chất lượng của móng cọc nói riêng và của tồn bộ
cơng trình nói chung. Vì vậy cần lựa chọn có phân tích một phương pháp kiểm tra
hiệu quả nhất.
Hiện nay phương pháp thử động biến dạng lớn được áp dụng rộng rãi ở Việt
nam do đó yêu cầu cần phải nghiên cứu có hệ thống về phương pháp này. Việc
nghiên cứu phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn, hệ thống các mơ hình
xử lý, khắc phục các nhược điểm của việc xử lý kết quả, nhằm xây dựng một
phương pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc ở hiện trường có độ tin cậy. Đồng thời,
việc so sánh với kết quả nén tĩnh cọc nhằm đánh giá lại tính chính xác cũng như độ
tin cậy của phương pháp thí nghiệm động biến dạng lớn là giá trị thực tiễn của đề tài
nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu của đề tài:
Đề tài được thực hiện với các mục đích chính như sau:
 Ứng dụng phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn và phương
pháp nén tĩnh xác định sức chịu tải của cọc tại một số cơng trình trong khu vực Tp.
Hồ Chí Minh.
 Tính tốn và đánh giá kết quả xác định sức chịu tải của phương pháp thí
nghiệm thử động biến dạng lớn theo từng mơ hình trên cơ sở so sánh với kết quả

xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả nén tĩnh.
 Phân tích các nguyên lý, các thơng số trong từng mơ hình của phương pháp
thử động biến dạng lớn.
 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp thử động biến dạng lớn ứng với điều
kiện địa chất khu vực Tp. Hồ Chí Minh.


-3-

Phương pháp nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
 Nghiên cứu tổng quan các phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải
của cọc ở hiện trường.
 Nghiên cứu lý thuyết phương pháp thử động biến dạng lớn, bao gồm
nguyên lý truyền sóng trong thanh một chiều, các mơ hình, chương trình tính tốn
tự động Pile Driving Analyser và CAPWAP.
 Tham gia công tác thí nghiệm và thu thập số liệu hiện trường xác định sức
chịu tải của cọc bằng hai phương pháp thử động biến dạng lớn và nén tĩnh ở một số
công trình trong khu vực Tp. Hồ Chí Minh.
 Sử dụng các phần mềm xử lý kết quả tính tốn sức chịu tải của cọc theo
từng mơ hình của phương pháp thử động biến dạng lớn và phương pháp nén tĩnh.
 Sử dụng các lý thuyết thống kê và toán học, tiến hành phân tích và đề nghị
các thơng số đầu vào hợp lý cho mơ hình Case của phương pháp thử động biến dạng
lớn ứng với điều kiện địa chất khu vực Tp. Hồ Chí Minh.
Kết quả dự kiến của đề tài:
 Đánh giá việc sử dụng các mơ hình tính tốn xác định sức chịu tải của cọc
trong phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn.
 Đề nghị các khoảng giá trị của hệ số sức kháng động Jc trong mơ hình Case
ứng với điều kiện địa chất khu vực Tp. HCM.
 Các phương pháp hiệu chỉnh trên chương trình CAPWAP nhằm nâng cao

độ chính xác kết quả sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thử động biến dạng
lớn.
 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp thử động biến dạng lớn trong điều
kiện địa chất khu vực Tp. HCM.
Phạm vi nghiên cứu của Luận văn:
Tiến hành nghiên cứu lý thuyết phương pháp thử động biến dạng lớn và việc
áp dụng phương pháp thử động biến dạng lớn trong điều kiện địa chất khu vực Tp.
HCM.


-4-

Luận văn nghiên cứu phương pháp xác định sức chịu tải nén dọc trục của cọc
dựa trên kết quả thí nghiệm thử động biến dạng lớn. Việc sử dụng các kết quả thí
nghiệm thử động biến dạng lớn để xác định khuyết tật trong cọc chưa được đề cập
trong nội dung luận văn.


-5-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Ở HIỆN TRƯỜNG
Năm 1995, Middendorp cơng bố kết quả nghiên cứu chỉ số sóng ứng suất Nw:
Nw 

Với:

C .T
L


(1.1)

T- Thời gian tác dụng của tải trọng (giây).
L- Chiều dài cọc (m)
C- Vận tốc truyền sóng (m/giây).

Middendorp đề nghị phân loại các thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc tại
hiện trường dựa trên chỉ số Nw như sau:
Nw < 6:

Thí nghiệm được xem là thí nghiệm động.

Nw > 1000:

Thí nghiệm được xem là thí nghiệm tĩnh.

Nw > (1215):

Thí nghiệm được xem là thí nghiệm tĩnh – động.

Nw > (612):

Thí nghiệm được xem là thí nghiệm giả tĩnh –
động. Trường hợp này phải dùng các phương
pháp phân tích sóng ứng suất để xác định cụ thể.

Dựa trên kết quả nghiên cứu của Middendorp, thí nghiệm xác định sức chịu tải
của cọc tại hiện trường được phân chia thành ba nhóm như sau:
 Nhóm thí nghiệm tĩnh: Nén tĩnh, Hộp tải trọng Osterberg, Thí nghiệm cọc
có gắn thiết bị.

 Nhóm thí nghiệm động: Thử động và sử dụng các công thức động như
Gherxevanop, Hilay.., Thử động biến dạng lớn, Thử rung trở kháng cơ học.
 Thí nghiệm tĩnh động Statnamic.
Thí nghiệm động là dạng chịu tải trọng động của cọc, cọc dịch chuyển trong
đất nền với một gia tốc và sinh ra sóng ứng suất trong cọc, hình dạng của các sóng
ứng suất sẽ phản ánh ứng xử của cọc và đất nền. Thí nghiệm tĩnh có đặc điểm khác
biệt: với q trình tăng tải chậm, khơng phát sinh gia tốc và sóng ứng suất trong
cọc, hệ cọc-đất nền ứng xử ở trạng thái cân bằng tĩnh. Tuy nhiên, để có thể đánh giá


-6-

tính hiệu quả của các phương pháp, cần thiết xem xét và phân tích các ưu và khuyết
điểm cũng như nguyên lý vận hành của từng phương pháp thí nghiệm.
1.1.

Các phương pháp thí nghiệm tĩnh

1.1.1. Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục
Mục đích thí nghiệm nhằm kiểm tra giá trị sức chịu tải của cọc theo kết quả
khảo sát thiết kế hoặc thăm dò sức chịu tải cực hạn của cọc thông qua các giá trị kết
quả về cường độ, biến dạng, quan hệ giữa tải trọng - chuyển vị - thời gian thu được
sau q trình thí nghiệm.
Ngun lý thí nghiệm là mô phỏng theo tỷ lệ 1:1 sự làm việc của cả hệ thống
cọc - đất nền và tải trọng tĩnh của cơng trình bên trên truyền xuống. Dùng hệ thống
dàn chất tải, hệ thống cọc neo hoặc kết hợp cả hai đặt trực tiếp trên đỉnh cọc hoặc
thông qua hệ thống kích thủy lực để gia tải hoặc giảm tải nén cọc sau khi đã thi
công ổn định tại cơng trình. Quan trắc chuyển vị của cọc tương ứng từng cấp tải,
thiết lập các quan hệ giữa tải trọng, chuyển vị và thời gian làm cơ sở để xác định
sức chịu tải của cọc.


Hình 1.1

Hệ thống đối trọng là cọc neo

Hình 1.2

Hệ thống đối trọng là dàn chất tải


-7-

Tùy thuộc vào mục đích chính của thí nghiệm mà thí nghiệm nén tĩnh có
những phương pháp tiến hành khác nhau:
 Thử tải duy trì chậm cho cọc hoặc nhóm cọc (Thí nghiệm SM): Dùng thăm
dị, khảo sát sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc.
 Thử tải duy trì nhanh cho cọc đơn (Thí nghiệm QM): Dùng xác định sức
chịu tải tức thời của cọc đơn và chuyển vị tức thời (khơng thốt nước).
 Thử tải với tốc độ xun khơng đổi cho cọc đơn (Thí nghiệm CRP): Dùng
xác định sức chịu tải của cọc ma sát (cọc có sức chịu tải chủ yếu là ma sát bên),
khơng dùng cho cọc chống mà sức chịu tải chủ yếu là sức kháng mũi.
 Thử tải theo chu kỳ của Thụy Điển (Thí nghiệm SC): Dùng xác định sức
chịu tải của cọc ở những cơng trình có tải trọng thay đổi theo chu kỳ.
 Thử tải với số gia chuyển vị không đổi cho cọc đơn.
 Thử tải thời gian khơng đổi cho cọc đơn.
Phương pháp và trình tự tiến hành được trình bày trong nhiều tài liệu chuyên
ngành và tiêu chuẩn [1, 2, 6, 7, 8, 10, 12, 13, 14, 15, 17].
Thí nghiệm nén tĩnh cho kết quả đáng tin cậy vì mơ phỏng được chính xác
ứng xử của hệ thống cọc – đất – tải tĩnh của công trình. Có thể áp dụng trên mọi loại
cọc và đồng thời khơng địi hỏi cao ở điều kiện trình độ, thiết bị và cơng nghệ thi

cơng.
Thí nghiệm nén tĩnh sử dụng hệ đối trọng cồng kềnh, cần mặt bằng đủ rộng
để thực hiện. Đối với cọc có sức chịu tải lớn, chiều dài cọc lớn hoặc cọc xiên thì
phương pháp nén tĩnh rất khó thực hiện và kết quả có thể khơng chính xác. Kết quả
sức chịu tải thí nghiệm là sức chịu tải tổng, không tách biệt được ma sát bên và sức
kháng mũi của cọc. Thời gian thí nghiệm kéo dài sẽ làm ảnh hưởng đến tiến độ thi
cơng cơng trình. Ngồi ra, kinh phí thực hiện thí nghiệm nén tĩnh là khá cao.
1.1.2. Thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg
Thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg thường được sử dụng để kiểm tra sức
chịu tải của cọc căn cứ theo kết quả thiết kế ban đầu thông qua các giá trị kết quả về


-8-

cường độ, biến dạng, quan hệ giữa tải trọng - chuyển vị (gồm chuyển vị lên và
chuyển vị xuống) thu được sau q trình thí nghiệm.
Hộp tải trọng Osterberg hay cịn gọi là hộp O-Cell có cấu tạo như một kích
thủy lực. Hộp được lắp đặt đồng thời với lồng thép ở đáy hay ở thân cọc cùng hệ
thống các ống dẫn thủy lực và các thanh đo trước khi đổ bêtông. Sau khi bêtông cọc
đạt cường độ thiết kế, tiến hành gia tải thí nghiệm bằng cách bơm chất lỏng để tạo
áp lực. Kích tạo ra hai áp lực: lực đẩy thân cọc hướng lên và lực ép xuống tại mũi
cọc. Trọng lượng thân cọc và thành phần ma sát bên giữa cọc và đất nền đóng vai
trị đối trọng cho thí nghiệm. Thí nghiệm kết thúc khi đạt đến sức kháng ma sát bên
giới hạn hoặc sức kháng mũi giới hạn (cọc bị phá hoại ở thành hoặc ở mũi). Từ kết
quả đo chuyển vị và lực, vẽ các biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị mũi
và thân cọc, phân tích các biểu đồ để xác định sức chịu tải của cọc.

Hình 1.3

Nguyên lý hộp tải trọng Osterberg


Thí nghiệm Osterberg được trình bày trong các tài liệu chuyên ngành [3, 4,
5, 6, 8, 14]
Kết quả thí nghiệm có thể tách riêng các thành phần sức kháng bên và sức
kháng mũi giúp xác định được sự ảnh hưởng của công nghệ thi công cọc đến sức


-9-

chịu tải của cọc, dự báo và đánh giá sự xáo động ở đáy cọc. Năng lượng cho thí
nghiệm được chơn sâu và khơng có đối trọng từ bên ngồi nên thí nghiệm an tồn
và khơng u cầu về mặt bằng. Thí nghiệm cho phép nghiên cứu tương đối chính
xác ứng xử của cọc và đất nền, đặc biệt với khả năng chịu kéo của cọc thơng qua
việc bố trí số lượng và vị trí các hộp Osterberg. Chu kỳ tải trọng và thời gian duy trì
cho từng cấp tải có thể thực hiện dễ dàng qua đó có thể xác định các thơng số từ
biến. Ngồi những ưu điểm trên, thí nghiệm cịn có những ưu điểm vượt trội khác:
Q trình thí nghiệm đơn giản, nhanh chóng. Số liệu thí nghiệm được ghi nhận tự
động thuận lợi cho việc xem xét và phân tích kết quả. Có thể thực hiện ở những
điều kiện khó khăn về địa hình, mặt bằng. Thí nghiệm có thể thực hiện với cọc mở
rộng đáy, cọc xiên, cọc có đỉnh dưới mặt đất tự nhiên. So với thí nghiệm nén tĩnh,
ứng suất gây ra trong cọc thí nghiệm chỉ bằng 50%, đồng thời thí nghiệm có thể
thực hiện với những tải trọng lớn (hơn 3000 tấn) mà thí nghiệm nén tĩnh khơng thể
thực hiện
u cầu phải lắp đặt hộp tải trọng Osterberg trước khi đổ bêtông cọc và
không thu hồi lại được hộp tải trọng Osterberg sau khi thí nghiệm. Nguyên lý của
thí nghiệm là cân bằng các thành phần của sức chịu tải, khi đạt tới tải trọng tới hạn
của một trong hai thành phần sức chịu tải của cọc phải dừng thí nghiệm. Vì vậy cần
phân tích, dự kiến các thành phần sức kháng để xác định vị trí bố trí hộp tải trọng
hoặc bố trí nhiều hộp tải trọng. Kết quả thí nghiệm được phân tích dựa trên một số
giả thiết gần đúng, nên kết quả thí nghiệm cần kiểm chứng và chỉ phù hợp với cọc

khoan nhồi.
1.1.3. Thí nghiệm cọc có gắn thiết bị
Ngun lý và phương pháp thí nghiệm cọc có gắn thiết bị được trình bày
trong nhiều tài liệu [3, 5, 6, 10].
Mục đích thí nghiệm là xác định biến dạng, chuyển vị của bêtông và cốt thép
trong thân cọc. Xác định sức chịu tải của cọc thông qua giá trị thành phần ma sát
bên và sức kháng mũi.


-10-

Để thí nghiệm cần thiết bố trí các thiết bị đo biến dạng, chuyển vị dọc trong
thân cọc tại các vị trí định trước, thiết bị được gắn trực tiếp trên lồng thép hoặc trên
các thanh dẫn.

Hình 1.4

Sơ đồ thí nghiệm cọc có gắn thiết bị

Chất tải thử cọc, ứng với từng cấp tải trọng, các giá trị biến dạng và chuyển
vị của bêtông và cốt thép trên bộ xử lý (là chương trình tự động tích hợp trên máy vi
tính). Sự phân bố ma sát bên thành cọc và sức kháng mũi được xác định bằng
nguyên tắc cân bằng lực (Lực trong thân cọc, đầu cọc và ma sát bên hoặc sức kháng
mũi).
Khi đầu cọc chịu tải tác dụng Q, thông qua các thiết bị đo xác định được các
thông số lực Qi, chuyển vị Δi ở các độ sâu Li khác nhau của cọc và có liên hệ sau:


-11-


Qi 

2 AEi
Q
Li

(1.2)

Với: A, E - diện tích tiết diện cọc và module đàn hồi của cọc.
Δi - chuyển vị tương ứng ở các độ sâu Li.
Q - cấp tải tác dụng đầu cọc.
Thí nghiệm này cho phép xác định sức chịu tải của cọc theo hai thành phần
riêng biệt; là biện pháp xác định tương đối chính xác ứng suất trong cọc và đồng
thời có thể xác định được ứng suất do các cọc trong nhóm gây ra.
Yêu cầu lắp đặt các thiết bị trên thân cọc trước khi thi công nên cần những
biện pháp bảo vệ các thiết bị này; cần tính tốn xác định số lượng cọc làm thí
nghiệm trước khi tiến hành.
1.2.

Các phương pháp thí nghiệm động

1.2.1. Thí nghiệm thử động và sử dụng các cơng thức động
Thí nghiệm thử động thường được sử dụng để xác định sức chịu tải của cọc
đơn thông qua sức kháng chủ yếu ở đầu mũi.
Nguyên lý thí nghiệm dựa trên cơ sở ứng dụng định luật Newton với giả thiết
cọc là vật cứng, lực cản của đất tập trung ở mũi cọc. Sau thời gian ổn định sau khi
thi cơng, dùng thiết bị đóng cọc tác động lên đầu cọc, năng lượng đóng búa bằng
tổng năng lượng cọc chống lực cản của đất R sinh ra độ xuyên e và tổn thất năng
lượng đóng cọc:
W.H = Rc+Re

Trong đó:

(1.3)

W - Trong lượng búa.
H - Chiều cao rơi của búa đóng cọc.

Lực cản của đất, sức chịu tải cho phép của cọc đơn được xác định bằng các
biểu thức:
R

WH
R
WH
; Qa  
ce
k k (1  e)

(1.4)


-12-

Trong đó:

c - Hệ số tổn thất năng lượng, bao gồm tiêu hao năng lượng phi

đàn hồi của đất, tổn thất năng lượng đóng búa lệch tâm, nén đàn hồi của cọc và va
đập bán đàn hồi giữa búa và cọc.
Hệ số tổn thất năng lượng rất khó dự tính chính xác, do đó đã có nhiều cơng

thức kinh nghiệm khác nhằm xác định sức chịu tải thực tế và theo từng vùng [12].
 Cơng thức đóng cọc động lực Hiley [1, 9, 13, 17]
Xác định sức chịu tải cực hạn của cọc Qu (kN):
Qu 

Trong đó:

Wr H Wr  n 2WP
e  c / 2 Wr  W P

(1.5)

Wr, Wp – Trọng lượng búa và trọng lượng cọc (kN)
e - Độ xuyên của cọc (cm/1 nhát búa)

 , n – Hiệu suất búa và hệ số hồi phục.
Các hệ số  , n xác định bằng bảng tra.
c = c1+c2+c3 – Giá trị biến dạng đàn hồi của hệ thống cọc-đất.
Các hệ số c1, c2, c3 xác định bằng bảng tra.
 Cơng thức đóng cọc động lực Hiley cải tiến [1, 12, 16]

Các tham số  , n, c khó xác định trong sử dụng thực tế, nếu dùng thiết bị
phân tích đóng cọc có thể đo được năng lượng xung kích lớn nhất trên đầu cọc Emax
hoặc đo được tín hiệu lực và tốc độ chuyển vị đầu cọc.
Sử dụng cơng thức tính năng lượng xung kích có thể tránh được hệ số hiệu
quả búa đóng cọc  , hệ số hồi phục n và giá trị biến dạng đàn hồi mũ cọc c.
t0

E max   F(t )V(t ) dt
0


(1.6)

Với to - thời điểm mà V(t) = 0.
Sức chịu tải cực hạn của cọc:
Qu 

E max
c
e
2

với c = c1 + c2 - có thể đo được lúc đóng cọc

(1.7)


-13-

 Cơng thức đóng cọc động lực Gersevanov [1, 9, 13, 17]
Độ chối thực tế ef ≥ 2mm:
nFM
2

Qu 


4 E Wn  n 2 (Wc  Wcd ) 
 1
 1

kAp e f Wn  Wc  Wcd



(1.8)

Độ chối thực tế ef < 2mm:
Qu 


1 2 e f  c  1  8 E (e f  c ) W


1


2 e f  c  ( 2e f  c) 2 Wn  Wc


(1.9)

Trong đó :
k - hệ số, lấy bằng 150T/m2 cho cọc bêtơng có mũ cọc.
Ap - diện tích tiết diện mũi cọc, m2
c - độ chối đàn hồi của cọc, xác định bằng máy đo độ chối, m.
W - trọng lượng phần rơi của búa, T.
Wn - trọng lượng của búa hoặc máy rung, T.
Wc - trọng lượng của cọc và mũ cọc, T.
Wcd - trọng lượng của cọc dẫn, bằng 0 khi hạ bằng búa rung.
n – hệ số phục hồi gia đập.

n 2=0.2 - hạ cọc bằng búa có đệm gỗ, n2=0 – hạ bằng rung.
M - hệ số, hạ búa đóng M=1 ; hạ búa rung xác định bằng bảng tra.
E - năng lượng tính tốn, xác định bằng bảng tra.
 - hệ số, xác định theo công thức :
n  W
1 n
   o  h 
4  AP As  W  Wc

2 g ( H  h)

(1.10)

As - Diện tích của mặt bên cọc.
n 0, nh - Chuyển từ sức chống cắt động sang sức chống cắt tĩnh của đất
ở mũi cọc n0 = 0,0025s.m/T và đất xung quanh cọc nh = 0,25s./T.
h – Chiều cao nẩy đầu tiên của búa, bằng 0,5m cho búa diezen; bằng 0
cho búa khác.


-14-

H – Chiều cao rơi của búa, m.
Đối với khu vực đã thông hiểu địa chất, cọc không dài và có độ cứng lớn thì
phương pháp thử động là biện pháp đơn giản và hiệu quả nhất để kiểm tra và khống
chế tải trọng cọc.
Độ chính xác của phương pháp thí nghiệm này rất thấp do thiếu biện pháp
xác định năng lượng của búa đóng cọc và năng lượng tổn thất đệm cọc, đệm búa.
Ngoài ra, đối với cọc dài hoặc độ cứng của cọc thấp, năng lượng búa đóng cọc sẽ
tiêu hao do biến dạng đàn hồi của cọc hoặc bật nẩy của búa thì mơ hình va đập đàn

hồi của phương pháp hiệu quả khơng cao.
1.2.2. Thí nghiệm thử động biến dạng lớn [3, 5, 6, 7, 8, 14, 16, 17]
Thí nghiệm thử động biến dạng lớn thực hiện nhằm đánh giá sức chịu tải của
cọc tại các thời điểm vừa thi công hạ cọc vào đất nền và sau khi cọc nghỉ một thời
gian. Xác định sức chịu tải của cọc theo những chiều dài khác nhau của cọc. Xác
định sự phân bố sức kháng bên và sức kháng mũi cũng như các hệ số cản động
(damping) và hệ số ngưỡng đàn hồi của đất (quake).
Đánh giá ứng suất phát sinh trong cọc và sự toàn vẹn của cọc. Dự báo ứng
suất kéo và nén phát sinh trong cọc khi đóng cọc, từ đó dự báo khả năng bị phá
hỏng của cọc. Xác định các khuyết tật của cọc sau khi thi cơng nhằm có biện pháp
xử lý chính xác.
Đánh giá sự làm việc của búa đóng cọc đối với cọc được hạ vào đất nền bằng
búa đóng: Xác định phần trăm năng lượng hiệu quả của búa, đánh giá sự ảnh hưởng
của đệm búa và đệm cọc đến số nhát búa
Phương pháp thử động biến dạng lớn (Pile Dynamic Analysis) dựa trên
nguyên lý truyền sóng ứng suất trong thanh một chiều. Thí nghiệm gồm ba mơ hình
nghiên cứu kế thừa nhau: Mơ hình Smith, Mơ hình Case và Mơ hình CAPWAP
(Case Pile Wave Analysis Program). Hiện nay phương pháp thử động biến dạng lớn
được sử dụng dựa trên nhóm thiết bị PDA (Pile Driving Analyser) và phần mềm
phân tích CAPWAP. Các thiết bị cụ thể của phương pháp PDA như sau:


-15-

Thiết bị tạo lực va chạm: Thường là quả búa nặng có thể gây chuyển dịch
cọc.
Thiết bị đo: Gồm thiết bị đo lực, gia tốc, chuyển vị.
Thiết bị ghi, biến đổi và phân tích số liệu.

Hình 1.5

1. Búa

Sơ đồ ngun lý thí nghiệm thử động biến dạng lớn
2. Cọc

4. Đầu đo ứng suất

3. Đầu đo gia tốc

3A. Máy đo gia tốc

4A. Máy đo ứng suất

5. Thiết bị phân tích (Máy vi tính và phần mềm) 6. Máy in kết quả
Sau khi chuẩn bị thiết bị và cọc thí nghiệm, liên kết hai đầu đo gia tốc và
biến dạng vào thân cọc đối xứng nhau qua tim cọc, thường là liên kết bulơng. Vị trí
liên kết cách đỉnh cọc tối thiểu hai lần đường kính cọc. Kiểm tra sự làm việc tồn bộ
hệ thống thiết bị. Cho búa đóng lên cọc 5 nhát, kiểm tra tín hiệu của từng nhát búa,
nếu tín hiệu khơng tốt thì cho đóng lại.
Các thơng số thu được ghi nhận trên máy vi tính bao gồm năng lượng lớn
nhất của búa, ứng suất kéo lớn nhất của cọc, hệ số độ toàn vẹn của cọc và một số dữ
liệu khác. Các số liệu này được phân tích tiếp theo bằng mơ hình Case hay mơ hình
CAPWAP để xác định sức chịu tải của cọc cả về sức kháng bên và sức kháng mũi.
Ngồi ra, cịn có thể phân tích về cơng nghệ đóng cọc và dự báo về chất lượng cọc.


-16-

Hình 1.6 Giao diện kết quả thí nghiệm phân tích trên phần mềm CAWAP
Các kết quả thu nhận được từ phần mềm như sau: Sức chịu tải của cọc đơn,

Sức chịu tải của cọc theo từng nhát búa, ứng với mỗi độ ngập đất của cọc; Ma sát
thành bên và sức kháng mũi của cọc; Ứng suất trong thân cọc; Giá trị ứng suất kéo
và ứng suất nén lớn nhất; Ứng suất nén tại mũi cọc; Sự làm việc của búa đóng cọc.
Năng lượng lớn nhất của búa truyền lên đầu cọc; Lực tác dụng lớn nhất lên đầu cọc
và độ lệch giữa búa và cọc; Tổng số nhát búa và số nhát búa trong một phút. Chiều
cao búa rơi và độ nảy của phần va đập; Hệ số hoàn chỉnh β của mặt cắt ngang thân
cọc.
Thời gian thí nghiệm rất nhanh nên có thể góp phần rút ngắn tiến độ thi cơng
cơng trình. Phương pháp này khơng những cho phép xác định được sức chịu tải của
cọc mà còn kiểm tra được chất lượng cọc trong suốt quá trình thi công cọc, nhất là
chiều dài, cường độ và độ đồng nhất của bêtơng cọc. Dễ dàng kiểm sốt được sự hồi
phục hay giãn ra của đất sau khi hạ cọc và tiến hành thí nghiệm sau đó. Xác định
được sức chịu tải của cọc theo từng nhát búa, từng cao độ đặt mũi trong q trình
đóng cọc, qua đó có thể lựa chọn được chiều dài cọc phù hợp. Thông qua thiết bị


-17-

phân tích đóng cọc, có thể lựa chọn được hệ thống đóng cọc hợp lý và theo dõi
những vấn đề có thể xảy ra đối với búa, cọc, đất sẽ sớm phát hiện được các sự cố để
xử lý kịp thời những vấn đề ảnh hưởng đến tiến độ thi cơng và giảm được chi phí,
rủi ro. Đặc biệt đối với các cơng trình dưới nước như móng cảng, cầu hoặc các cơng
trình có mặt bằng chật hẹp mà việc thử tĩnh gặp khó khăn với điều kiện thi cơng,
thời gian chờ đợi làm tăng chi phí thử tải cọc thì thí nghiệm PDA là giải pháp lựa
chọn hữu hiệu.
Phương pháp thử động biến dạng lớn cần một năng lượng va chạm ở đầu cọc
đủ lớn để làm dịch chuyển cọc và huy động toàn bộ sức kháng của đất nền va chạm
nay có thể gây ra tiếng ồn và chấn động ảnh hưởng các cơng trình lân cận.
1.2.3. Thí nghiệm rung trở kháng cơ học [3, 5]
Xác định vị trí, mức độ khuyết tật trong thân cọc dựa trên quan hệ giữa trở

kháng cơ học của cọc và tần số dao động. Xác định sức chịu tải cho phép của cọc
thông qua giá trị độ cứng động của cọc có được trên quan hệ giữa trở kháng cơ học
của cọc và tần số dao động.
Lắp đầu đo gia tốc và động cơ điện gây dao động vào đầu cọc, tất cả được
liên kết với bộ xử lý tự động. Vận hành thiết bị ta thu được quan hệ giữa trở kháng
cơ học của cọc và tần số dao động. Các biểu thức liên hệ của kết quả thí nghiệm
như sau:
Vận tốc truyền sóng và chiều dài cọc :
(1.11)

c  2 L f

Trở kháng tính tốn:
Nc=1/ρAc

(1.12)

Trở kháng thực đo:
(1.13)

N m  PQ

Độ cứng động của cọc:
ED 

2 f m
V /F

(1.14)
m


Tần số của dao động cơ bản:


-18-

f1=c/2L

(1.15)

Sức chịu tải cho phép của cọc:
Qa  Es .S a 

ED
Sa


(1.16)

Trong đó:
c - vận tốc truyền sóng
L - chiều dài cọc
Δf - độ chênh giữa hai cấp tần số
ρ – tỷ trọng khối lượng cọc-đất
A – diện tích mặt cắt ngang cọc
P,Q – giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của tần số dao động cộng hưởng
fm – tần số dao động
|V/F|m – vận tốc dao động
Es - độ cứng tĩnh của cọc.
ED - độ cứng động của cọc.

Sa - chuyển vị cho phép của cọc.
η - Hệ số so sánh độ cứng tĩnh-động
Thông qua xác định các tham số trên tiến hành đánh giá chất lượng cọc và
xác định sức chịu tải cho phép của cọc.

Hình 1.7

Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm rung trở kháng cơ học

Đánh giá chi tiết tình trạnh chất lượng cọc, gồm tính đồng nhất và liên tục
của bêtông cọc, vết nứt, sự thay đổi tiết diện cọc, mức độ phân tầng và tính cặn lắng