Bài viết Đánh giá khuyết tật cọc khoan nhồi theo vận tốc sóng siêu âm trình bày tổng quan cơ sở lý thuyết, yêu cầu và chỉ dẫn kỹ thuật của phương pháp thí nghiệm siêu âm truyền qua hai ống; ngoài ra việc đánh giá khuyết tật, dự đoán cường độ bê tông cọc dựa trên kết quả vận tốc sóng siêu âm thu được theo tiêu chuẩn hiện hành cũng được đưa ra.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 ĐÁNH GIÁ KHUYẾT TẬT CỌC KHOAN NHỒI THEO VẬN TỐC SÓNG SIÊU ÂM Nguyễn Ngọc Thắng Trường Đại học Thủy lợi, email: thangnn@tlu.edu GIỚI THIỆU Trong số phương pháp thí nghiệm sử dụng xung siêu âm truyền qua ống phương pháp siêu âm truyền qua hai ống (CSL) nhờ việc đo vận tốc sóng âm truyền bê tông phương pháp sử dụng phổ biến Thế giới Việt Nam Nguyên lý phương pháp dựa chủ yếu vào vận tốc âm truyền bê tơng nên cho kết thí nghiệm có độ tin cậy đánh giá cao, giá thành thí nghiệm hợp lý; phương pháp thí nghiệm vận hành thiết bị đơn giản [1] Trong báo tác giả trình bày tổng quan sở lý thuyết, yêu cầu dẫn kỹ thuật phương pháp thí nghiệm siêu âm truyền qua hai ống; việc đánh giá khuyết tật, dự đốn cường độ bê tơng cọc dựa kết vận tốc sóng siêu âm thu theo tiêu chuẩn hành đưa PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM SIÊU ÂM CỌC KHOAN NHỒI 2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp Sóng siêu âm truyền bê tơng hai dạng gồm sóng dọc (hay sóng nén, ký hiệu P) sóng ngang (hay sóng cắt, ký hiệu S) Sóng P loại sóng có phương dao động phần tử vật chất trùng với phương truyền sóng sóng S loại sóng có phương dao động vng góc với phương truyền sóng Trong phương pháp siêu âm, sóng S tương đối yếu nên bỏ qua [2] Vận tốc truyền sóng siêu âm xác định cách đo thời gian truyền xung siêu âm hai đầu thu - phát (T) quãng đường truyền sóng (khoảng cách hai ống thăm dò, D) qua biểu thức (1): D VP = (1) T Trong môi trường vật liệu đồng nhất, vận tốc sóng P (Vp) phụ thuộc vào mô đun đàn hồi vật liệu (E), hệ số Poisson (ν) tỷ trọng (ρ) vật liệu theo biểu thức (2) [3]: VP = (1 −ν )E (1 + ν )(1 − 2ν )ρ (2) Như cách xác định vận tốc truyền sóng siêu âm vị trí khác kết luận tính khơng đồng bê tơng cọc; ngun nhân tồn lỗ rỗng chứa khí, nước bê tơng cọc có lẫn tạp chất bentonite, đất Tuy nhiên để đánh giá độ đồng bê tông cọc cần xét đến lượng sóng siêu âm Đặc trưng khả truyền sóng môi trường vật chất định nghĩa trở kháng sóng âm, ký hiệu Z Giá trị Z phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc sóng Vp mơi trường đó, tỷ trọng ρ vật liệu theo biểu thức (3): Z = ρ.VP (3) Olson at al (2002), [5] tiến hành thí nghiệm truyền sóng siêu âm mơi trường vật liệu đồng nhất, từ (3) xác định trở kháng sóng âm tương ứng với mơi trường đó, tổng hợp Bảng 63 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 Bảng Trở kháng sóng âm Vật liệu Bê tơng Khơng khí Nước Đất Đá, Sỏi cứng Thép Trở kháng sóng âm kg/(m2.s) ÷ 10 × 106 0,4 1,5 × 106 0,3 ÷ 0,4 ì 106 15 ữ 19 ì 106 45 ữ 47 × 106 Khi sóng siêu âm truyền qua hai mơi trường khác nhau, phần lượng sóng tới bị phản xạ mặt phân cách hai mơi trường Trong trường hợp này, hệ số phản xạ, ký hiệu R, xác định gần theo công thức (4), [4]: ⎛ Z − Z1 ⎞ ⎟⎟ R = ⎜⎜ ⎝ Z + Z1 ⎠ (4) với Z1, Z2 trở kháng sóng âm mơi trường thứ thứ hai Giá trị R biểu thức (4) ≤ 1, mức độ suy giảm lượng truyền sóng thí nghiệm siêu âm cọc biểu thị qua trị số (1-R) %, sở phát khuyết tật bê tơng cọc, minh họa Hình trước thi công bê tông đổ đầy nước nhằm tăng chất lượng truyền âm Hai đầu dò gồm đầu phát, đầu thu thả vào ống đồng thời cao độ kéo từ đáy lên đỉnh cọc với vận tốc ngang [3] Cơ chế hoạt động thiết bị gồm biến áp điện phát xung điện theo dây dẫn đến đầu phát, đầu phát chuyển xung điện sang dao động học có tần số 20 – 100 kHz truyền qua bê tơng Đầu thu nhận sóng siêu âm chuyển từ dao động học sang xung điện theo dây dẫn truyền máy tính Tín hiệu sóng siêu âm hiển thị hình theo chiều dài thân cọc cho mặt cắt ghi lại thành tệp số liệu phân tích Tiêu chuẩn TCVN 9396: 2012 [3] quy định cách bố trí, thơng số kỹ thuật ống thăm dị sai số đo sâu cho phép, tập hợp Bảng minh họa Hình Bảng Quy định ống thăm dò siêu âm STT Thông số ống Số lượng ống tối thiểu Khoảng cách ống Vật liệu ống Đường kính Sai số đo sâu TCVN 9396: 2012 D ≤ 0,6m 1,0m ≤ D ≤ 0,6m D> 1m 0,3 ÷ 1,5m Thép PVC 50 ÷ 60mm 1/500 50mm Hình Khuyết tật bê tơng cọc làm suy giảm lượng sóng siêu âm 2.2 Yêu cầu thiết bị thời điểm thí nghiệm a) Thiết bị thí nghiệm chế hoạt động (a) D ≤ 0.6m (b) 0,6m ≤ D ≤ 1,0m (c) D > 1,0m Hình Sơ đồ bố trí ống thăm dị siêu âm, (1: ống đo siêu âm; 2: vùng siêu âm) Hình Thí nghiệm siêu âm cọc khoan nhồi Nguyên lý thí nghiệm siêu âm thể Hình Ống thăm dị cọc đặt sẵn b) Thời điểm thí nghiệm Theo TCVN 9396: 2012 [3], thời gian bắt đầu tiến hành thí nghiệm cọc tối thiểu phải sau ngày tính từ kết thúc đổ bê tông cọc Theo dẫn ASTM D676008, tiến hành thí nghiệm cần vào 64 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 đường kính cọc, vật liệu ống siêu âm, sử dụng ống PVC nên thí nghiệm siêu âm vòng từ đến 10 ngày sau đổ bê tơng để hạn chế tượng dính bám; từ đến 45 ngày ống vật liệu thép [4] ĐÁNH GIÁ KHUYẾT TẬT CỌC NHỒI a) Đánh giá khuyết tật theo vận tốc sóng âm TCVN 9396: 2012 [3] dẫn đánh giá sơ kết đo tính đồng bê tơng cọc dựa theo vận tốc sóng dọc thân cọc Khi giảm tăng vận tốc truyền xung ≥ 20% phải thử nghiệm lại cao độ vị trí để khẳng định khuyết tật, xem Bảng Bảng Đánh giá khuyết tật cọc khoan nhồi Dạng Mất bê tơng lớp bảo vệ cốt thép Vị trí Đánh giá Không đánh giá khuyết tật lớp bê tông bảo vệ f c' = Vp4 ρ (5) Từ cơng thức (5) dự đốn mức độ suy giảm cường độ bê tông vùng khuyết tật thông qua mức độ suy giảm vận tốc Nghiên cứu vị trí khuyết tật có độ suy giảm vận tốc 20%, cường độ bê tông vùng bị khuyết tật đạt khoảng 40% cường độ vùng khơng khuyết tật; số 65% cường độ vận tốc sóng suy giảm 10% c) Đánh giá độ suy giảm lượng sóng Trong số trường hợp thí nghiệm, thời gian truyền xung (T) thay đổi nhỏ thuộc giới hạn cho phép lượng nhận đầu thu suy giảm đáng kể Như đánh giá theo vận tốc truyền xung không nhận định đầy đủ khuyết tật cọc Garland L, at al, 2007 [7] đưa tiêu chí đánh giá vận tốc sóng, đạt Vp > 3000m/s kết luận độ đồng bê tông đạt yêu cầu, mức độ suy giảm lượng xác định theo thực nghiệm công thức (6): Thu hẹp đường kính cọc Mất sóng hồn tồn Khuyết tật nhỏ thân cọc Vận tốc sóng giảm thời gian truyền sóng tăng Sóng tốt, vật liệu đồng Với A mức độ suy giảm lượng (dB), E lượng thực tế nhận được, C lượng dự kiến lớn đầu thu nhận [7] Tuy nhiên, kết thu vận tốc truyền sóng âm xác định vị trí khuyết tật bên thân cọc mà không xác định dạng khuyết tật bên ngồi cọc phình hơng, hư hỏng bê tông bảo vệ, đọng bentonite dọc thân cọc TCVN 9396 [3] quy định, vị trí khuyết tật cần kết hợp đặc trưng xung siêu âm như: vận tốc, biên độ, lượng, thời gian truyền xung b) Dự đốn cường độ bê tơng cọc theo vận tốc truyền sóng âm Từ kết thí nghiệm truyền sóng cho chủng loại mẫu bê tông, F Jalinoos at al (2005) [6] đưa biểu thức thực nghiệm phản ánh mối liên hệ cường độ (f’c) với vận tốc truyền sóng âm (Vp) tỷ trọng (ρ) bê tông qua biểu thức (5): Tiêu chuẩn TCVN 9396: 2012 [3] thí nghiệm siêu âm cọc khoan nhồi dừng lại hướng dẫn đánh giá khuyết tật theo mức độ suy giảm vận tốc sóng Để có đủ sở nhận định khuyết tật đánh giá chất lượng bê tông cọc đầy đủ từ kết thí nghiệm siêu âm cần nghiên cứu bổ sung số tiêu đánh giá tiêu cường độ bê tông cọc, suy giảm lượng sóng, cường độ vận tốc sóng âm, dựa kết nghiên cứu thực nghiệm tiêu chuẩn ASTM D6760- 08 [4] hành Khơng có khuyết tật ⎛C⎞ A = 20 * log10 ⎜ ⎟ ⎝E⎠ (6) KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Quang Huy Đánh giá khuyết tật cọc khoan nhồi phương pháp xung siêu âm truyền qua hai ống, (2015) 65 ... TẬT CỌC NHỒI a) Đánh giá khuyết tật theo vận tốc sóng âm TCVN 9396: 2012 [3] dẫn đánh giá sơ kết đo tính đồng bê tơng cọc dựa theo vận tốc sóng dọc thân cọc Khi giảm tăng vận tốc truyền xung... ống thăm dị siêu âm, (1: ống đo siêu âm; 2: vùng siêu âm) Hình Thí nghiệm siêu âm cọc khoan nhồi Nguyên lý thí nghiệm siêu âm thể Hình Ống thăm dị cọc đặt sẵn b) Thời điểm thí nghiệm Theo TCVN... cao độ vị trí để khẳng định khuyết tật, xem Bảng Bảng Đánh giá khuyết tật cọc khoan nhồi Dạng Mất bê tông lớp bảo vệ cốt thép Vị trí Đánh giá Khơng đánh giá khuyết tật lớp bê tông bảo vệ f c'