bộ giáo dục và đào tạo
Trờng Đại học xây dựng

KS. Nguyễn thanh quang
xác định ảnh hởng của khuyết tật trong bê tông đối
với chất lợng cọc khoan nhồi
bằng Phơng pháp siêu âm
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
M số : ã
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
hớng dẫn khoa học: PGS.TS. hoàng nh tầng
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Hµ Néi - 2006
2
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Lời cảm ơn
Xin chân thành cảm ơn thầy: PGS. TS Hoàng Nh Tầng, các Giáo s, Phó Giáo s,
Tiến sĩ, các thầy, cô trong khoa Đào tạo sau đại học Trờng Đại học Xây dựng -
Hà Nội, Công ty Coninco, các đồng nghiệp, bạn bè và ngời thân đã tận tình
giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này !
Hà nội, ngày 10 tháng 3 năm 2006.
KS. Nguyễn Thanh Quang
3
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
phần mở đầu
1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu.
Xu h ớng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu, nhiều khi là ph ơng án duy
nhất đối với kết cấu móng của những công trình xây dựng đòi hỏi đáp ứng đợc
tải trọng tập trung lớn. Trong đó, trớc hết phải kể đến là công trình nhà cao
tầng, nhà nhịp lớn, công trình cầu với khẩu độ hàng trăm mét. Ưu điểm cơ bản
của loại móng cọc này là cho phép thi công đợc cọc tiết diện lớn, cắm đợc vào

nay, việc giải quyết vấn đề này phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm chủ quan
của CBKT kiểm định.
Đề tài sẽ nghiên cứu phơng pháp phân biệt một số dạng khuyết tật thờng
gặp và định lợng mức độ ảnh hởng của chúng đối với chất lợng bêtông cọc
bằng thực nghiệm. Trên cơ sở đó cho phép ngời kỹ s chẩn đoán và đánh giá
hiện trạng chất lợng cọc khoan nhồi một cách nhất quán và chuẩn xác hơn.
Đây cũng chính là giải pháp nâng cao độ tin cậy của phơng pháp thí
nghiệm đánh giá chất lợng bêtông cọc khoan nhồi bằng phơng pháp siêu
âm.
02. Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở tổng hợp kết quả kiểm tra chất lợng bêtông cọc khoan nhồi
bằng phơng pháp Siêu âm trên hiện trờng và kết quả thực nghiệm trên mô
hình, rút ra những dạng khuyết tật thờng gặp và đề xuất phơng pháp xác
định mức độ ảnh hởng của chúng đối với sự làm việc của kết cấu cọc.
03. Đối tợng nghiên cứu
Chất lợng bê tông của cọc khoan nhồi
04. Nội dung nghiên cứu
5
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Tổng quan về phơng pháp thí nghiệm kiểm tra chất lợng cọc khoan nhồi.
Tìm hiểu, so sánh về 1 số phơng pháp thí nghiệm kiểm tra chất lợng cọc
khoan nhồi hiện nay áp dụng ở Việt nam.
Một số dạng khuyết tật bê tông thờng gặp đối với cọc khoan nhồi và sự
biểu hiện tơng ứng của chúng trong kết quả thí nghiệm siêu âm:
Nghiên cứu thực nghiệm qua mô hình thí nghiệm với những khuyết tật
định trớc bố trí trong cọc.
Kiến nghị về phơng pháp nhận dạng khuyết tật qua kết quả kiểm tra siêu
âm.
6
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

luôn các cọc đã hạ xuống trong đài để làm
cọc neo.
Trong trờng hợp đất yếu, ma sát xung
quanh mặt cọc không đủ để neo thì dùng
bàn gia tải nh hình vẽ 1-2.
I. 1. 3. Quá trình thực hiện
Tải trọng đợc ra theo từng cấp bằng 1/10
đến 1/15 tải trọng giới hạn xác định theo
tính toán. ứng với mỗi cấp tải trọng, ngời ta
đo độ lún của cọc nh sau: Bốn lần ghi số đo
đồng hồ đo lún, mỗi lần cách nhau 15 phút,
hai lần cách nhau 30 phút, sau đó mỗi giờ lại
ghi một lần cho đến khi độ lún của cọc là
hoàn toàn ổn định dới cấp tải trọng đó. Cọc
đợc coi là lún ổn định dới cấp tải trọng nếu
mức chênh độ lún trong hai lần đo kế tiếp
nhau 0.01mm. Khi đó tiến hành hạ tải.
I. 1. 4. Kết quả thu đợc
Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, ngời ta
xây dựng đờng quan hệ giữa độ lún và tải
trọng tác dụng lên cọc (tơng ứng với sức
kháng của đất).
8

5

2

1


lực; 5-Dầm thép; 6-Gối đỡ.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
I. 1. 5. Nhận xét
Phơng pháp nén tĩnh cho kết quả là sức chịu tải tĩnh theo chuyển vị tơng ứng
của cọc thí nghiệm. Ưu điểm của phơng pháp :
Phơng pháp này cho kết quả có độ chính xác cao.
Thiết bị thí nghiệm đơn giản
Tuy vậy phơng pháp có một số hạn chế:
Thời gian thí nghiệm với một cọc khá lâu .
Yêu cầu về mặt bằng thí nghiệm cao, đặc biệt là với các cọc có sức chịu
tải trọng lớn . Trong trờng hợp này , tải trọng sử dụng làm đối trọng
hoặc các cọc neo cũng ảnh hởng ít nhiều đến sự làm việc của cọc thử.
Rất khó dùng cho các công trình có địa hình chật hẹp hoặc nằm ven
hay trên sông, biển
Giá thành cao, đặc biệt hiệu quả kinh tế thấp với các công trình nhỏ.
I. 2. Phơng pháp thí nghiệm Osterberg
I. 1. 1. Nguyên lý
Phơng pháp này dùng lực ma sát
thành của cọc làm đối trọng để kiểm
tra khả năng chịu tải tại mũi cọc. Tác
dụng một lực lên mũi cọc. Lực này
tăng theo từng cấp theo thời gian cho
đến khi đạt tải trọng yêu cầu.
I. 1. 2. Dụng cụ
Một kích thuỷ lực (hay đợc gọi là
hộp Osterberg) đợc đặt tại mũi cọc nh
hình vẽ 1-3. Các ống dẫn dầu và ống
đo áp lực dầu đợc đặt trớc khi đổ bê
tông cọc.
I. 1. 3. Quá trình thực hiện


Hình 1-3_PhZơng pháp thử tĩnh bằng hộp
Osterberg.
1-Hộp Osterberg; 2-ống dẫn dầu; 3-Cọc
thử; 4-ống và thanh truyền chuyển vị; 5-
Dầm nồi; 6-Các đầu đo chuyển vị; 7-Dây
dẫn; 8-Thiết bị nhận, chuyển đổi và ghi số
liệu; 9 - Bơm thuỷ lực có áp kế
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
I. 1. 4. Kết quả thu đợc
Từ số liệu theo dõi tại hiện trờng, ng-
ời ta xây dựng đờng quan hệ giữa
chuyển vị và tải trọng của thân cọc và
mũi cọc theo thời gian. Đồ thị này dùng
làm căn cứ xác định sức chịu tải của
cọc.
I. 1. 5. Nhận xét
Ưu điểm :
Tránh đợc ảnh hởng của đổi trọng hay cọc neo tới mối quan hệ giữa đất
và cọc thí nghiệm nh trong phơng pháp thử tĩnh.
Không cần đối trọng hay cọc neo mà dùng ngay chính lực ma sát ở thân
cọc làm đối trọng.
Tải trọng dùng thí nghiệm bằng một nửa khả năng làm việc của cọc.
Nhợc điểm :
Kích và các hệ phụ trợ phải đợc đặt vào trớc khi đặt cốt thép và đổ bê
tông.
Chỉ thí nghiệm đợc khi bê tông cọc đã đạt cờng độ thiết kế.
Chi phí thí nghiệm cho một cọc lớn.
ứng suất kéo tại vị trí đặt kích ở mũi cọc có thể gây nứt bê tông ở vùng
này.

yếu tố con ngời.
II. 2. Phơng pháp kiểm tra bằng siêu âm
II. 2. 1. Nguyên lý
Phơng pháp này dựa vào sự thay đổi của
vận tốc sóng âm thanh khi đi qua các môi
trờng tính chất khác nhau để đánh giá chất
lợng hay mức đồng nhất của môi trờng
truyền sóng.
Tốc độ sóng âm truyền trong bê tông thông
thờng khoảng 3000-4200m/s. Trên đờng
truyền sóng, gặp bê tông có khuyết tật nh
nứt, kẹp bùn, độ đặc chắc kém, sóng âm sẽ
giảm dần, một phần sóng âm vòng qua
khuyết tật tiếp tục đi, xảy ra hiện tợng mạn
xạ. Gặp mặt giới hạn không khí của lỗ
hổng sẽ sinh ra phản xạ hoặc tán xạ, làm
cho biên độ của sóng nhỏ đi. Khuyết tật
phá hoại tính liên tục của bê tông, làm cho
đờng truyền sóng phức tạp hoá, khiến cho
hình sóng bị méo mó. Vì vậy khi sóng âm
truyền trong bê tông có khuyết tật, biên độ
nhỏ đi, tốc độ sóng thấp, hình sóng méo
mó.
II. 2. 2. Dụng cụ
Dụng cụ phục vụ thí nghiệm nh hình vẽ bên. Trong đó, các ống dẫn đợc đặt
sẵn trong cọc trớc khi đổ bê tông.
11

2


b) Tín hiệu đợc điều chỉnh sao cho thời gian truyền xung siêu âm từ điểm
phát đến điểm thu là tối thiểu và biên độ thu đợc của tín hiệu xung là lớn
nhất.
- Trong quá trình thí nghiệm đầu đo dịch chuyển từ đáy lên đỉnh cọc (hình vẽ).
Cả đầu thu và đầu phát cùng đợc kéo lên với một vận tốc tính trớc phù hợp với
chiều dài cọc và khả năng của thiết bị, các ống đo phải đảm bảo luôn đầy nớc,
tín hiệu xung siêu âm đợc hiển thị trên màn hình theo chiều dài của mỗi mặt cắt
thí nghiệm và đợc ghi lại thành tệp số liệu. Kết quả thí nghiệm thu đợc thông
thờng bao gồm các số liệu cơ bản sau:
a) Thời gian truyền xung, tần số và biên độ xung tại các độ sâu thí nghiệm từ
điểm phát đến điểm thu;
b) Chiều dài của mỗi mặt cắt thí nghiệm.
II. 2. 4. Kết quả thu đợc
Từ đờng cong vận tốc truyền ( hoặc thời gian truyền ) và đờng cong biến đổi
của biên độ các sóng thu đợc có thể xác định đợc vị trí khuyết tật trong cọc và
chất lợng bê tông cọc.
II. 2. 5. Nhận xét
Ưu điểm
Phơng pháp cho phép xác định tính đồng nhất và khuyết tật của bê tông
trong phạm vi từ điểm phát đến điểm thu, có thể cho kết quả chính xác
về vị trí khuyết tật kể cả ở độ sâu lớn
Phơng pháp cho kết quả nhanh.
Phép thử tiến hành đơn giản
Nhợc điểm
12
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Các khuyết tật của bê tông cọc khoan nhồi hoặc cấu kiện móng đợc
phát hiện bằng phơng pháp này mới chỉ mang tính chất định tính, còn
có những vấn đề cha đợc làm rõ. Vì vậy, việc thi công gặp khó khăn và
dẫn đến việc xử lý khi cọc có sự cố, kém hiệu quả cùng những tốn kém

x - phơng truyền của sóng
Có thể sử dụng phơng trình này để miêu tả quá trình truyền chấn động dọc
theo trục của thanh căng, thanh thẳng hoặc truyền áp lực gây xoắn và truyền áp
lực gây nén trong chất lỏng lý tởng dọc theo trục của vật chứa. Rất nhiều nhà
khoa học đã phát triển từ phơng trình cơ bản này thành các phơng trình hoàn
chỉnh cho nhiều đối tợng nghiên cứu khác nhau nh Timoshenko và Goodier
(1951), Richart và những nhà khoa học khác (1970) và Graff (1975).
Các phơng pháp thí nghiệm không phá huỷ áp dụng lý thuyết sóng ứng suất
có thể đánh giá tính nguyên vẹn của nhiều loại kết cấu khác nhau. Thông thờng,
có ba dạng sóng ứng suất đợc sinh ra khi cho hai vật rắn va chạm với nhau.
Những sóng này đợc truyền theo tất cả mọi phơng từ nguồn sóng đợc chia ra
làm sóng dọc , sóng ngang và sóng mặt. Theo công thức (1-2), sóng dọc truyền
nhờ sự thay đổi thể tích của môi trờng. Sóng đợc truyền đi theo mọi phơng từ
nguồn sóng. sóng ngang lại truyền theo phơng vuông góc với sóng dọc.Sóng
dọc có thể truyền qua bất cứ môi trờng trung gian nào trong khi sóng ngang chỉ
truyền qua đợc những môi trờng có tính chịu cắt. Sóng mặt đợc truyền trên bề
mặt của vật làm cho các điểm trên bề mặt dao động dạng elip và ngợc với ph-
ơng truyền sóng. Biên độ của sóng mặt giảm theo luật hàm số mũ từ nguồn
sóng.
Vận tốc truyền sóng dọc gây nén trong môi trờng đàn hồi có dạng :
13
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
v
p
=
)21)(1(
)1(E
+

(1-3)

trong một thanh thẳng đàn hồi. Trong thanh thẳng do ảnh hởng của hiệu ứng
biên dạng trụ nên chuyển vị trên biên có thể xảy ra, trong khi trong môi trờng
đàn hồi, sóng không chịu ảnh hởng này. Với hệ số Poisson = 0.2 ữ 0.3 ( thông
thờng với bê tông ) vận tốc sóng truyền trong thanh thẳng thờng thấp hơn từ 5 ữ
15% so với vận tốc sóng truyền trong môi trờng vô hạn. Với bê tông vận tốc
sóng nằm trong khoảng 3500 ữ4500m/s.
Do tính không đồng nhất, đất có tính chất lan truyền sóng khác biệt so với vật
liệu đàn hồi lý tởng. Đất thông thờng gồm ba pha : pha rắn, pha lỏng và pha khí.
Vận tốc lan truyền của sóng trong đất phụ thuộc vào vật liệu( nớc, không khí
hay dung dịch ) trong lỗ rỗng của đất. Với đất dính bão hoà nớc, theo Richart,
phơng pháp chấn động rất ít khi xác định đợc thời điểm sóng đến lần đầu tiên
trên cấu trúc các hạt rắn của đất mà thông thờng đợc xác định thông qua nớc
trong đất. Sóng nén lan truyền trong nớc có vận tốc vào khoảng 1480m/s, vì vậy
nớc trong lỗ rỗng của đất có thể xem nh vật liệu rắn dới tác dụng của sóng khi
so sánh với trạng thái tự nhiên trong đất. Richart,Biot và một số nhà khoa học
đã tiến hành nghiên cứu đặc tính lan truyền của sóng trong lỗ rỗng của vật liệu
bão hoà nớc. Sóng dọc và sóng ngang lan truyền trong chất lỏng trong lỗ rỗng
theo không gian ba chiều, Biot đã xác định đợc ảnh hởng qua lại của chất lỏng
và cấu trúc chất rắn tới tính lan truyền của sóng. Kết quả cho thấy , sóng dọc
truyền qua mọi thành phần có trong môi trờng là chất lỏng và cấu trúc chất rắn
và chịu ảnh hởng qua lại với các thành phần này. Ngợc lại, không có thành phần
nào truyền sóng ngang do chất lỏng trong lỗ rỗng không có tính chịu cắt. Vì
vậy, phép đo sóng ngang trong đất bão hoà nớc có thể dùng để xác định vận tốc
14
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
sóng ngang trong cấu trúc hạt đất. Năm 1961, Richart, Hardin và một số nhà
khoa học đã áp dụng lý thuyết của Biot cho cát thô ở trạng thái bão hoà nớc.
Kết quả cho thấy có sự biến đổi của vận tốc sóng dọc và sóng ngang với áp lực
của nớc trong lỗ rỗng. Theo lý thuyết của Biot, tồn tại ba dạng sóng và vận tốc
của chúng có mối quan hệ với nhau. Sóng dọc trong pha nớc có vận tốc lớn nhất

và pha khác nhau (theo Sansalone và Carino,1986). Từ đó xác định đợc miền
của tần số hay miền của sóng với bớc sóng khác nhau đợc truyền vào cọc kiểm
tra. Hàm lực tức thời đợc biểu diễn dới dạng :
F=F
max
sin
c
t
t
0 t t
c
(1-5)
15
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Trong đó : F
max
- Giá trị lực lớn nhất
t
c
- Thời gian của quá trình va chạm.
Cả F
max
và t
c
đợc ghi lại theo biểu đồ quan hệ lực và thời gian và đợc sử dụng
để phân tích kết quả kiểm tra trong thí nghiệm biến dạng nhỏ. Khả năng xác
định khuyết tật của phơng pháp biến dạng nhỏ phụ thuộc vào tần số ( bớc sóng )
của sóng lan truyền và phụ thuộc vào độ lớn của khuyết tật. Thông thờng, sóng
ứng suất sẽ phản xạ khi gặp khuyết tật nếu kích thớc khuyết tật xấp xỉ hoặc lớn
hơn bớc sóng. Mối quan hệ giữa vận tốc v, tần số f, và bớc sóng đợc biểu thị

cầm tay tạo xung lực ban đầu và một đầu đo nh hình vẽ.
c. Quá trình thực hiện
16
Hình 1-5_Kiểm tra cọc bằng phZơng pháp
biến dạng bé. 1-Đầu đo; 2-Búa cầm tay; 3-
Máy đo; 4-Cọc thí nghiệm.
2
3
1
4
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Sau khi gắn các thiết bị đo lên cọc, nhập các số liệu ban đầu về cọc, dùng búa
cầm tay tác dụng một lực nhỏ tại đầu cọc. Máy ghi tín hiệu sẽ ghi lại sự biến
thiên của vận tốc.
d. Kết quả thu đợc
Kết quả thu đợc hiển thị biểu đồ
vận tốc và biến thiên vận tốc theo
thời gian. Trong trờng hợp cọc có
khuyết tật, thiết bị ghi sẽ báo vị trí t-
ơng ứng của khuyết tật trên cọc.
e. Nhận xét
Hiện nay, có rất nhiêu công ty sử
dụng phơng pháp thí nghiệm biến
dạng nhỏ để chế tạo thiết bị thí
nghiệm tính nguyên vẹn của cọc tại
hiện trờng. Do vậy phơng pháp này
có nhiều tên gọi khác nhau nh ph-
ơng pháp TNO (Hà lan), PIT ( Hãng
Dynamics Inc. - Mỹ), The Impact-
Echo test ( CEBTP - Pháp ). Với

chặt , tín hiệu phả xạ cũng đợc sinh ra do cũng tơng tự nh tăng trở
kháng của cọc, nguyên nhân do việc thêm vào các phần tử không rõ
ràng trong phân tích tính nguyên vẹn của cọc. Trong trờng hợp vị trí
kiểm tra nằm trong điều kiện không vào gần đợc, biên độ lớn của sóng
mặt có thể tạo ra một tín hiệu phản xạ từ mũi cọc hay từ vị trí khuyết tật
trên thân cọc. Không xác định đợc khuyết tật trong trờng hợp khuyết tật
là vết nứt hoặc cọc bị nối.
II. 3. 3. Phơng pháp biến dạng lớn (PDA- Pile Dynamic Analyzer)
a. Nguyên lý
Phơng pháp biến dạng lớn cũng dựa trên cơ sở lý thuyết sóng nh phơng pháp
biến dạng nhỏ. Tuy nhiên, do năng lợng của sự va đập lớn hơn so nên cờng độ
của sóng lan truyền lớn hơn nhiều so với phơng pháp biến dạng nhỏ. Do vậy,
các tín hiệu phản xạ do sức kháng của đất, khuyết tật trên cọc, vị trí thay đổi
thiết diện, tại mũi cọc rất rõ ràng.
b. Dụng cụ
Thiết bị thí nghiệm gồm một máy nhận và lu trữ tín hiệu đo tại hiện trờng.
Một búa tạo xung lực ban đầu. Búa này phải đảm bảo có khối lợng đủ lớn để tạo
ra một xung lực đủ làm cọc chuyển dịch. Trọng lợng búa tối thiểu bằng khoảng
0.2 sức chịu tải của cọc. Tuy vậy cũng không cần tạo xung lực lớn quá làm vỡ
bê tông đầu cọc. Hai đầu đo gia tốc và hai đầu đo lực dùng để ghi nhận giá trị
biến đổi của lực và vận tốc tại đỉnh cọc.
c. Quá trình thực hiện
Sau khi gắn các thiết bị đo lên cọc, nhập các số liệu ban đầu về cọc, dùng búa
tác dụng lực vào đầu cọc. Máy ghi tín hiệu sẽ ghi lại sự biến thiên của vận tốc
và lực,
d. Kết quả thu đợc
Phơng pháp thí nghiệm cọc động với các thiết bị đo lờng điện cho phép hiển
thị và phần tích hệ thống búa - cọc - đất một cách chính xác trong suốt quá trình
đóng. Kết quả đo đợc hiện thị sau mỗi nhát đóng của búa nhằm mục đích nâng
cao hiệu quả quản lý chất lợng trong quá trình thi công. Các kết quả thu nhận đ-