Thí nghiệm OSTERBERG

Phương pháp OSTERBERG dùng để xác định khả năng chịu tải của cọc barrette/cọc nhồi, mà có khả năng chịu lực lớn khó có thể kiểm tra bằng phương pháp kentledge thông thường.[1]
Phương pháp OSTERBERG là phương pháp thử tải tĩnh, vì thế tải trọng thử sẽ phản ánh trực tiếp trạng thái chịu lực của cọc trong mỗi bước thử. Tải trọng tĩnh dùng để thử được tạo ra bởi hộp tải (The Osterberg Cell) đặt sẵn trong cọc khi thi công. Hộp tải thực chất là một bộ kích thủy lực hoạt động nhờ áp lực của bơm thủy lực đặt trên mặt đất truyền theo ống dẫn vào trong hộp tải. Hộp tải hoạt động theo 2 chiều đối nhau : đẩy phần cọc trên hộp tải lên trên phá sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của phần cọc này; đẩy phần cọc dưới hộp tải xuống dưới phá sức kháng nén của đất nền dưới mũi cọc cùng với sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của phần cọc này (hình 1). Như vậy, đối trọng dùng để thử sức kháng nén của đất nền dưới mũi cọc chính là tự trọng cọc và sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của phần cọc trên hộp tải; còn đối trọng dùng để thử sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của phần cọc trên hộp tải chính là sức kháng nén của đất nền dưới mũi cọc cùng với sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của phần cọc dưới hộp tải[2].
Phương phát thử dùng hộp O-cell đây là phương pháp độc quyền của công ty LOADTEST do giáo sư OSTERBERG phát minh. Còn phía Trung Quốc bảo đây là phương pháp "TỰ CÂN BẰNG" (chắc họ sợ vi phạm bản quyền). GS Osterberg ban đầu bán bản quyền cho 2 công ty là LOADTEST (Tại Việt nam, công ty này tn Osterberg ở cầu Mỹ thuận sau đó năm 2001 tại 27 Láng Hạ - Hà nội), và công ty Soil Dynamics (cty này thí nghiệm Osterberg tại Tòa nhà Vietcombank, Hà nội).
Bản quyền chỉ có thời hạn nhất định (hình như 5 năm), sau đó, chắc cty LOADTEST có nhiều ưu điểm về thí nghiệm hơn, nên GS Osterberg chỉ bản bản quyền tiếp cho LOADTEST. Tuy nhiên, bản quyền độc quyền chỉ có thời hạn nhất định (hình như 10 hay 15 năm gì đó). Sau thời hạn này, các công ty khác có quyền thí nghiệm Osterberg.
Tổng Giám đốc LOADTEST là Jack Hayes, là người Canada, ông này là bạn của GS Fredlund[3] khi Jack Hayes còn ở Canada. Giám đốc Loadtest khu vực châu Á là Thomas Molnit, cũng không phải người Mỹ, mà là Đan mạch, chạy sang Mỹ làm việc.[4]
Các ưu điểm
- Có thể thí nghiệm đến tải trọng rất lớn mà không đòi hỏi phải sử dụng đối trong hoặc neo: Đến nay thí nghiệm cọc đường kính tới 3m và tải trọng nén 27.900 tấn đã được thực hiện bằng phương pháp này tại công trình INCHEON BRIDGE , Hàn Quốc.
- Cho phép xác định riêng rẽ thành phần sức chịu tải ở mũi cọc và ma sát bên. Các quan hệ tải trọng lên mũi cọc - chuyển vị và ma sát bên - chuyển vị được xác định từ kết quả thí nghiệm;
Các nhược điểm
Phương pháp hộp Osterberg cũng có một số nhượng điểm sau:
- Không thu hồi được kích sau khi được hoàn thành thí nghiệm;
- Công tác lắp đặt thiết bị thí nghiệm phức tạp, phải do chuyên gia có kinh nghiệm thực hiện.
- Thời gian lắp đặt thiết bị thí nghiệm khá lâu, do đó có thể ảnh hưởng đến chất lượng thi công cọc khoan nhồi;
- Sau khi kết thúc thí nghiệm, chất lượng bơm phun lấp đầy lòng kích và khoảng trống trong cọc hình thành thí nghiệm sẽ có ảnh hưởng lớn đến thành phẩm sức chịu tải mũi cọc (trường hợp cây cọc được sử dụng cho công trình).
Phương pháp thí nghiệm :
Osterberg cell được lắp trong phần kết cấu phía dưới. O-cell tác động hai chiều; chiều phía trên nghịch với lực ma sát sườn và chiều phía dưới nghịch với lực đáy và ứng suất sườn dưới (nếu có).
Nguyên lý
Lực nén dọc và chuyển vị của mặt bích trên và mặt bích dưới của hộp tải được đo bằng bộ cảm biến có dây dẫn nối lên trên mặt đất và biểu thị trên đồng hồ. Tải được tăng cho đến khi xảy ra một trong ba tình huống :
Sức kháng cắt giới hạn của đất nền quanh thân cọc của phần cọc trên hộp tải đạt tới trước: hoặc Sức kháng nén giới hạn của đất nền dưới mũi cọc cùng với sức kháng cắt giới hạn của đất nền quanh thân cọc của phần cọc dưới hộp tải đạt tới trước; và hoặc Sức kháng giới hạn của hai phần cọc nêu trên đạt tới cùng lúc.
Từ kết quả đo được trong quá trình thử tải có thể vẽ biểu đồ quan hệ giữa lực nén dọc (Q) và chuyển vị của phần cọc phía trên ( s’+ ) và phần cọc phía dưới hộp tải (s’- )-đường cong Q-s :

Quy trình thí nghiệm[1] :
Tiêu chuẩn ASTM D1143/D1143M-07 Tiêu chuẩn kiểm tra cho nền móng sâu dưới tác động của lực thẳng đứng.
Thứ tự các bước thực hiện O-cell:
1.Chuẩn bị công trường
2.Lắp O-cell và thiết bị đo lường trong lồng thép
3.Hoàn thành việc đào hố cho barrette/cọc nhồi
4.Đổ xi măng vào phần đáy hố
5.Đặt lồng thép vào trong hố
6.Đổ bê tông co barrette/cọc nhồi
7.Lắp hệ thống đo chuyển dịch và bơm thủy lực
8.Gia tải theo tiêu chuẩn sau khi bê tông bắt đẩu có độ chịu lực 9.Ghi chú thông số chuyển dịch và áp suất.
Báo cáo kết quả thí nghiệm[1]:
1. Tên, vị trí công trình
2. Chủ đầu tư, tư vấn thiết kế/giám sát, nhà thầu thi công cọc, đơn vị thí nghiệm
3. Chứng chỉ hiệu chuẩn thiết bị
4. Số liệu ghi chép hiện trường về chuyển dịch và áp suất
5. Biểu đồ quan hệ tải trọng và độ lún (phía trên của O-cell)
6. Biểu đồ quan hệ tải trọng và độ lún (phía dưới của O-cell)
7. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún với thời gian (so sánh với phương pháp thông thường)
8. Các nhận xét trong đó có đưa ra tải trọng giới hạn cho cọc thử
Nguyên tắc chọn vị trí đặt hộp tải
Vị trí đặt hộp tải được xác định gần đúng theo nguyên tắc để sao cho đối trọng của phần cọc trên hộp tải và phần cọc dưới hộp tải xấp xỉ bằng nhau, nhờ đó có thể thử được cấp tải trọng tiến gần tới mức giới hạn hơn :
G+ + F + = (F - + F e ) - G- (1)
Trong đó :
- G+ , G- tương ứng là trọng lượng của phần cọc trên và phần cọc dưới hộp tải có xét đến hiệu ứng đẩy nổi khi nằm dưới mức nước ngầm;
- F + , F - tương ứng là tổng sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của phần cọc trên hộp tải và phần cọc dưới hộp tải ;
- F e là sức kháng nén của đất nền dưới mũi cọc.
Do mũi cọc khoan nhồi được hạ trong lớp đất chịu lực tốt có sức kháng mũi cao nên, theo nguyên tắc nêu trong công thức (1), vị trí của hộp tải thường nằm gần mũi cọc.
Ở công trình cầu Cần Giuộc đối với cọc thử d=200 cm hộp tải được đặt cách mũi cọc 4 m; còn đối với cầu Ông Lớn cọc thử d=150 cm - đặt cách mũi cọc 6 m.
Nguyên tắc xác định tải trọng giới hạn của cọc
Do phương pháp OSTERBERG là phương pháp thử tải tĩnh nên, về nguyên tắc, để xác định tải trọng giới hạn của cọc vẫn áp dụng các nguyên tắc của thử tải tĩnh truyền thống. Dưới đây là một số khống chế kỹ thuật đã được áp dụng cho việc thử trên cơ sở tham khảo Quy phạm móng cọc СНиП 2.02.03-85 của CH Liên bang Nga [5] :
1) Cấp tăng tải:
Bằng khoảng 7-10 % sức chịu tải giới hạn theo đất nền dự kiến của cọc.
2) Điều kiện tăng tải :
Tải trọng ở mỗi cấp được giữ cho đến khi chuyển vị cọc dừng lại thì mới được tăng cấp tải tiếp theo.
Chuyển vị cọc được xem là dừng lại nếu tốc độ chuyển vị không vượt quá 0.1 mm trong thời gian 60 phút khi mũi cọc hạ trong lớp cát hoặc sét cứng.
3) Cấp hạ tải :
Cấp hạ tải tối đa bằng 2 lần cấp tăng tải.
4) Điều kiện dừng thử :
a) Khi tổng chuyển vị s ≤ 20 mm :
Tải được tăng theo các điều kiện (1) và (2) nêu trên cho đến khi :
Nếu ứng với cấp tải (Q) nào đó mà chuyển vị chưa dừng lại trong 24 giờ liên tục thì dừng thử và lấy cấp tải đó làm tải trọng giới hạn.
b) Khi tổng chuyển vị 20 cm < s ≤ 40 mm :
Tải được tăng theo các điều kiện (1) và (2) nêu trên cho đến khi :
- Ở một cấp tải (Q) nào đó mà chuyển vị chưa dừng lại trong 24 giờ liên tục thì dừng thử và lấy cấp tải trước đó làm tải trọng giới hạn.
- Đã đạt hết cấp tải dự kiến và chuyển vị dừng lại trong 24 giờ liên tục thì dừng thử và lấy cấp tải đó làm tải trọng giới hạn.
c) Khi tổng chuyển vị s > 40 mm :
Tải được tăng theo các điều kiện (1) và (2) nêu trên cho đến khi :
- Ở một cấp tải (Q) nào đó mà chuyển vị chưa dừng lại trong 24 giờ liên tục hoặc nếu số gia độ chuyển vị ứng với cấp tải đang thử bằng hoặc lớn hơn 5 lần số gia độ chuyển vị ứng với cấp tải trước đó thì dừng thử và lấy cấp tải trước đó làm tải trọng giới hạn.
- Đã đạt hết cấp tải dự kiến và chuyển vị dừng lại trong 24 giờ liên tục đồng thời số gia độ chuyển vị ứng với cấp tải đang thử nhỏ hơn 5 lần số gia độ chuyển vị ứng với cấp tải trước đó thì dừng thử và lấy cấp tải đó làm tải trọng giới hạn.
Ở đây, cần làm rõ khái niệm về cấp tải (Q) và chuyển vị (s) như sau :
• Q là trị số lực nén dọc đọc trên đồng hồ đo biểu thị lưc nén dọc của một hướng tác dụng lực sinh ra từ hộp tải. Như vậy, tổng lực nén dọc tác dụng vào cọc sẽ là 2 x Q. Đây mới chính là cấp tải cần kiểm soát theo điều kiện (4).
• Chuyển vị (s) là chuyển vị riêng rẽ của phần cọc trên hộp tải và phần cọc dưới hộp tải gây ra bởi lực nén dọc (Q). Với cùng một lực nén dọc (Q) nhưng do đặc trưng đất nền và đặc trưng tác dụng lực ở 2 phần cọc khác nhau nên chuyển vị của phần cọc trên ( s’+ ) và của phần cọc dưới ( s’-¬ ), về nguyên lý, có thể khác nhau. Trị số chuyển vị (s) lớn hơn từ một trong hai trị số được dùng để kiểm soát việc dừng thử theo điều kiện (4).
Phân tích kết quả thử tải
Xác định sức chịu tải giới hạn theo đất nền của cọc
Theo ²Quy trình kỹ thuật thử tải cọc bằng phương pháp OSTERBERG : DB32/T291–1999” của Trung Quốc [6], sức chịu tải giới hạn theo đất nền của cọc được tính theo công thức sau :

- Q+ , Q- tương ứng là các giá trị sức chịu tải giới hạn của phần cọc trên và phần cọc dưới chọn được sau khi thử theo các điều kiện (4) của mục 3. Ở đây cần lưu ý rằng chỉ trong trường hợp thử đặc biệt - gây phá hoại sức kháng của nền - như đã trình bày ở mục 4 thì Q+ và Q- mới có giá trị khác nhau, còn trong trường hợp thử không gây phá hoại thì Q+ = Q- .
- G+ là trọng lượng bản thân của phần cọc trên hộp tải có xét đến hiệu ứng đẩy nổi khi phần cọc này nằm dưới mức nước ngầm.
- λ là hệ số phản ánh ảnh hưởng của loại đất ở dưới mũi cọc :
Với đất dính λ = 0.8; với cát λ= 0.7.

Thiết bị đo chuyển vị thẳng đứng ở đỉnh cọc
Cách chuyển đổi tương đương từ kết quả thử theo phương pháp OSTERBERG về kêt quả thử theo phương pháp thử tĩnh truyền thống
Vì sao lại phải thực hiện việc chuyển đổi tương đương ?
Câu hỏi này được đặt ra cho các kỹ sư thực hành, bởi vì với kết quả nhận được như đã trình bày ở các mục từ (1) đến (4) nêu ở trên đã có thể cơ bản đánh giá được sức chịu tải giới hạn của cọc rồi. Theo chúng tôi đây là việc làm cần thiết và hữu ích, bởi vì :
Việc phân tích-đánh giá kết quả thử theo phương pháp OSTERBERG vẫn dựa trên các nguyên tắc của thử tải tĩnh truyền thống, trong đó biểu đồ quan hệ Q-s là một công cụ quan trọng cho phép phân tích có định lượng về sức chịu tải của cọc mà một bài toán cơ học vẫn thường làm. Mục tiêu của việc thử tải trong phần lớn các trường hợp không chỉ dừng ở việc xác định khả năng chịu tải theo đất nền của cọc mà còn muốn có một hình ảnh cụ thể hơn so với lý thuyết chung cũng như so với kết quả tính toán theo lý thuyết đó về tương tác giữa cọc với đất nền xung quanh để từ đó có những ứng xử thích hợp hơn trong thiết kế móng cọc và trong quá trình xử lý thi công sau này.
Cách chuyển đổi tương đương theo [6]

Trong đó :
- Q là sức chịu tải giới hạn theo đất nền của cọc quy đổi về điểm đặt lực ở trên đỉnh cọc theo cách thử tĩnh truyền thống;
- s là chuyển vị thẳng đứng quy đổi của đỉnh cọc do lực Q quy đổi gây ra ;
- s’ là biến dạng đàn hồi quy đổi của đất nền dưới mũi cọc do lực Q quy đổi gây ra;
- Δs là biến dạng đàn hồi dọc trục quy đổi của cọc do lực Q quy đổi gây ra;
- K là hệ số quy đổi;
- L là chiều dài của phần cọc trên hộp tải;
- E là modul đàn hồi của bê tông cọc;
- A là diện tích mặt cắt ngang của cọc.
Nhận biết các công thức (3), (4), (5) :
Trị số s’, một cách chính xác hơn, cần được lấy theo quan hệ với trị số của tổng lực nén ( Q+ + Q- ) bằng cách chọn Q+ và Q- tương ứng với cùng một trị số chuyển vị (s’) thể hiện trên 2 đường cong quan hệ Q-s của hình 3÷4 - theo chỉ dẫn trong [4].
Đại lượng Ds là biến dạng đàn hồi dọc trục của đoạn chiều dài cọc trên hộp tải gây ra bởi lực nén dọc trong khi thử đã được quy đổi cả về giá trị cả về điểm đặt lực chuyển về đỉnh cọc. Ở đây, có bỏ qua đoạn chiều dài cọc dưới hộp tải do đủ ngắn so với tổng chiều dài cọc.
Ds1 là biến dạng đàn hồi dọc trục quy đổi của cọc gây ra bởi ứng suất nén dọc trục gây ra bởi lực Q- tác dụng trên phần cọc dưới hộp tải. Do mũi cọc được đặt trong đất cứng nên có thể quan niệm rằng lực Q- này gây ra biến dạng đàn hồi trên suốt chiều dài cọc khi chuyển tương đương về đỉnh cọc; tuy vậy, trong công thức (4) trị số này cũng chỉ được lấy bằng L- là chiều dài của đoạn cọc trên hộp tải (trị số gần đúng).
Ds2 là biến dạng đàn hồi dọc trục quy đổi của cọc gây ra bởi ứng suất cắt dọc theo thân cọc gây ra bởi lực Q+ tác dụng ở phần cọc trên hộp tải (vì đỉnh cọc không có gối kê). Ứng suất cắt này phát triển theo một quy luật phức tạp, vì vậy trong khuôn khổ của một bài toán ứng dụng, Quy trình thử cọc đã đơn giản hóa bằng một quy luật tuyến tính với xu hướng tắt dần từ nắp hộp tải đến đỉnh cọc (mặt đất) - biểu đồ hình tam giác. Vì vậy, trong công thức (4) có xuất hiện giá trị L/2.
Kết quả chuyển đổi thể hiện trên các hình 6 theo [7]: