Ứng dụng kỹ thuật kiểm tra không phá hủy mới đánh giá độ sâu cọc móng công trình hiện hữu

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 1Số 54 - Tháng 03/2018 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY MỚI ĐÁNH GIÁ ĐỘ SÂU CỌC MÓNG CÔNG TRÌNH HIỆN HỮU Đo địa chấn song song (PSM) là kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT) hiệu quả đánh giá độ sâu móng công trình hiện hữu, hiện nay vẫn còn rất mới ở Việt Nam. Một số kết quả nghiên cứu và triển khai áp dụng kỹ thuật trên một số công trình thực tế được trình bày. Kết quả thu được cho thấy khả năng nhận diện loại vật liệu, chất lượng cọc móng. Độ chính xác chiều dài cọc móng đánh giá khoảng ± 0,5 m. Kỹ thuật tin cậy cao khi các cọc móng nằm trong môi trường đất đồng nhất và khoảng cách đặt ống đo với móng trong phạm vi 1,5 m. Một kết hợp kỹ thuật đo địa chấn với các kỹ thuật hạt nhân đo địa tầng trong lỗ khoan (γ- γ) hoặc (γ - tự nhiên) có thể nâng cao độ tin cậy đánh giá độ sâu móng trong trường hợp địa tầng đất phức tạp. Nghiên cứu có giá trị triển khai áp dụng tin cậy PSM - một kỹ thuật kiểm tra NDT mới cho điều tra khảo sát khôi phục, nâng cấp các công trình đang hiện hữu. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 2 Số 54 - Tháng 03/2018 1. MỞ ĐẦU Các kỹ thuật đánh giá không phá hủy (NDE) đã được sử dụng để kiểm tra chất lượng thi công nền móng trong các công trình xây dựng, giao thông. Gần đây, nhu cầu đánh giá hiện trạng chất lượng móng các công trình hiện hữu (cũ) tăng lên do nhu cầu sửa chữa, khôi phục và nâng cấp cũng như kiểm định các công trình đang sử dụng. Trong một số trường hợp, nhu cầu nhận diện độ sâu, loại vật liệu, chất lượng móng được đặt ra do hồ sơ các công trình cũ đã bị thất lạc. Các kỹ thuật đánh giá cọc móng công trình hiện hữu khác biệt với các phương pháp NDE thông thường do có sự hiện diện của các công trình nằm phía trên móng (không thể tiếp cận đầu móng). Kỹ thuật đo địa chấn song song (Parallel Seismic Test Method) có thể sử dụng phù hợp tốt cho các công trình không thể tiếp cận đầu móng. Một chương trình thực nghiệm đã được tiến hành để phân tích các khả năng của phương pháp NDE đo địa chấn song song cho đánh giá móng sâu trong điều kiện không để tiếp cận đầu móng cọc. Báo cáo trình bày một số kết quả thực nghiệm đánh giá khả năng kỹ thuật với hệ thiết bị đo địa chấn SPL-97 trong xác định chiều dài các cọc móng, nhận diện loại vật liệu kết cấu móng, lựa chọn khoảng cách sóng địa chấn truyền qua đất đến đầu thu và vận tốc sóng nén ở các tầng đất lân cận móng cọc kiểm tra. 2. NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT KIỂM TRA Nguyên lý kỹ thuật của phương pháp đo địa chấn song song được mô tả trong hình 1. Để thực hiện kiểm tra, một lỗ khoan lân cận móng và sâu hơn một chút được chuẩn bị. Phần công trình liên kết với móng được tác động gõ búa để phát sóng địa chấn, sóng sẽ truyền xuống cọc móng qua đất đến đầu thu địa chấn đặt trong ống đo (lỗ khoan) đầy nước ghi nhận. Thời gian truyền sóng được đo từ điểm tác động đến đầu thu. Đầu đo đầu tiên được đặt ở đầu trên ống đo và hạ xuống từ từ theo bước dịch chuyển xác định sau mỗi lần gõ phát sóng cho đến khi toàn bộ độ sâu ống đo được kiểm tra. Thực tế, sự biến thiên của vận tốc sóng nén trong các lớp đất và đường sóng truyền từ điểm phát đến đầu thu trong kiểm tra địa chấn song song rất phức tạp, phụ thuộc vào địa tầng và tính chất của các lớp đất khác nhau. Để làm rõ nguyên lý của kiểm tra địa chấn song song, các ảnh hưởng của đường truyền sóng ứng suất đến đầu tiên có thể được đơn giản hóa ở 02 trường hợp. Thứ nhất, khi cọc nằm trong địa tầng đất đồng nhất có cùng vận tốc sóng nén không đổi thì thời gian truyền song địa chấn trong cọc trực tiếp đến đầu thu được mô tả trong hình 1 và có thể được biểu diễn theo phương trình (1): Hình 1. Đường truyền sóng trực tiếp pconc i i d v c v da t + + = ∑ (1) Trong đó d i là bước dịch chuyển của đầu thu; i - số bước dịch chuyển; a - khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa điểm phát và thu sóng; c - khoảng cách giữa móng và ống đo; v conc - vận tốc truyền trong bê tông móng; v p - vận tốc sóng nén của đất. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 3Số 54 - Tháng 03/2018 Từ phương trình (1), đường biểu diễn thời gian sóng đầu tiên đến theo độ sâu cọc liên tục trong môi trường đất đồng nhất sẽ là đường tăng tuyến tính theo độ sâu. Nếu gặp khuyết tật hay chân cọc, thời gian sóng đến sẽ tăng tương ứng, biểu thị khuyết tật hay độ sâu cọc. Trường hợp thứ 2, xảy ra do sóng bị khúc xạ như biểu diễn ở hình 2. Khi địa tầng đất phía trên có vận tốc sóng nén nhỏ hơn ở tầng đất nằm bên dưới, khi ấy thời gian sóng đến đầu tiên có thể do sóng truyền từ cọc móng qua tầng đất bên dưới và đi ngược lên tới đầu thu. Sóng bị khúc xạ tạo bởi sóng dọc tới ở góc tới hạn sẽ truyền dọc theo mặt phân cách trong môi trường bên dưới. Sóng khúc xạ do nhiễu xạ dọc theo mặt phân cách sẽ tạo một sóng hướng vào môi trường phía trên. Sóng này được gọi là sóng đầu và truyền với một vận tốc theo hướng nghiêng một góc (900 - i c ) so với mặt phân cách, trong đó i c là góc tới hạn của sóng tới. Thời gian truyền t h của sóng khúc xạ được xác định bởi phương trình (2). Hình 2. Đường truyền sóng khúc xạ )](tan cos 1[ 212 adH v i ivv c v H t p c cppconc h −−−++= (2) Trong đó v p1 - vận tốc sóng nén tầng đất trên; v p2 - vận tốc sóng nén tầng đất dưới. Phương trình 1 và 2 cho thấy, một tầng đất cứng hơn ở gần mũi cọc thì một sóng có thời gian truyền ngắn nhất từ cọc tới đầu thu sẽ phụ thuộc vào vận tốc tương đối giữa các tầng đất và khoảng cách giữa cọc vào ống đo. Khả năng truyền sóng trực tiếp càng lớn nếu ống đo càng gần với móng. Giải đoán thay đổi độ dốc trong biểu đồ đo khi có một lớp đất cứng gần đáy cọc cần phải được phân tích, thảo luận. Hiện trường và quy trình thực nghiệm Một hiện trường thực nghiệm được lựa chọn phù hợp là các hệ cọc móng bê tông của một công trình dự án chung cư cao ốc. Ba nhóm cọc ép D, E, N có chiều dài cọc đóng kiểm soát để tiến hành các thí nghiệm đo địa chấn song song. Ba lỗ khoan thí nghiệm có đường kính ~ 60 mm được đặt ống nhựa đường kính 60 mm. Độ sâu khoan với nhóm cọc D là 18 m, nhóm E là 28 m và nhóm N là 50 m. Khoảng cách giữa các cọc với ống đo trong mỗi nhóm nằm trong khoảng từ 0,4 m đến 3,0 m (hình 3). Hình 3. Sơ đồ hiện trường thí nghiệm THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 4 Số 54 - Tháng 03/2018 Thiết bị đo địa chấn SPL-97-CEBTP- FRANCE được sử dụng cho các thí nghiệm đo địa chấn song song. Mỗi cọc trong từng nhóm cọc được khảo sát. Trong mỗi thí nghiệm đầu thu được đặt ở đầu trên ống đo và hạ xuống từ từ với bước dịch là 0,5 m sau mỗi lần gõ phát sóng cho đến khi toàn bộ độ sâu đo được kiểm tra để tạo được biểu đồ tín hiệu thu nhận. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Độ sâu móng Thực hiện ghi nhận thời gian sóng đến đầu tiên từ mỗi lần gõ phát sóng và biểu diễn thành biểu đồ theo độ sâu cho tất cả các cọc. Nhận diện chân cọc là độ sâu trên biểu đồ nơi có sự thay đổi độ dốc của đường biểu diễn thời gian sóng đến đầu tiên. Các kết quả thí nghiệm đo địa chấn song song cho mỗi cọc của nhóm N được đưa ra trong bảng 1. Sai khác trong các độ sâu móng đánh giá nằm trong khoảng ± 0,5 m. Bảng 1. Các kết quả thí nghiệm đo địa chấn song song nhóm cọc N Cọc N1 N2 N3 N4 N5 Chiều dài thực của cọc (m) 19,50 9,50 11,00 21.00 10,50 Chiều dài đánh giá theo PSM (m) 19,64 9,53 10,78 20,72 10,59 Sai khác (m) 0,14 0,03 0,22 0,28 0,09 Khoảng cách của các ống đo Để xác định khoảng cách sóng nén truyền qua đất lân cận cọc có thể thu nhận trước khi tín hiệu bị suy giảm và biểu diễn rõ ràng khuynh hướng của dữ liệu đo, các đường biểu diễn biên độ suy giảm theo độ sâu của các cọc trong một nhóm được vẽ trên cùng một biểu đồ (hình 4). Hình 4. Suy giảm biên độ tín hiệu nhận được từ nhóm cọc D và E Trên cơ sở tín hiệu suy giảm vượt khỏi khả năng có thể ghi nhận tin cậy, biến thiên của vận tốc sóng nén theo độ sâu và đường truyền sóng không ổn định, khoảng cách giữa ống đo và móng nên được lựa chọn trong phạm vi 1,5 m. Ở khoảng cách ống đo lớn hơn, giải đoán biểu đồ thời gian đến đầu tiên trở nên khó khăn đặc biệt khi tình trạng đất bề mặt phức tạp. Vận tốc truyền sóng trong cọc và đất Như một cách để nhận diện loại vật liệu móng kết cấu, vận tốc sóng truyền trong cọc móng có thể được đánh giá theo độ dốc của biểu đồ biểu diễn thời gian dóng đến đầu tiên theo độ sâu trong đất lân cận cọc. Các vận tốc truyền sóng được tính toán từ các kết quả của thí nghiệm đo địa chấn song song được mô tả trong bảng 2. Kết quả bảng 2 cho thấy các vận tốc sóng nén trong đất phù hợp với các số liệu tra cứu về vận tốc của lớp đất bề mặt [1]. Vận tốc sóng truyền trong các nhóm cọc cũng phù hợp với dải THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 5Số 54 - Tháng 03/2018 vận tốc đặc trưng cho bê tông là 3,0 Km/s – 4,0 Km/s. Bảng 2. Các vận tốc tính toán từ kết quả thí nghiệm đo dịa chấn song song Vận tốc trong cọc Vận tốc trong đất Độ sâu cọc Nhóm N N1 2,331 Km/s 0,700 Km/s 19,64 m N2 3,700 Km/s 0,811 Km/s 9,53 m N3 2,325 Km/s 0,721 Km/s 10,78 m N4 2,272 Km/s 0,675 Km/s 20,72 m N5 3,807 Km/s 0,810 Km/s 10,59 m Nhóm E E1 3,491 Km/s 0,439 Km/s 18,49 m E2 3,360 Km/s 0,424 Km/s 15,86 m E3 3,362 Km/s 0,578 Km/s 17,46 m E4 3,284 Km/s 0,452 Km/s 16,32 m 4. BÀN LUẬN Các kết quả từ chương trình thực nghiệm cho phép đánh giá khả năng ứng dụng của kỹ thuật địa chấn song song trong đánh giá chiều dài cọc, nhận diện chất lượng cọc. Các thực nghiệm cho thấy thực tế sự biến thiên của vận tốc sóng nén trong các lớp đất và đường sóng truyền từ điểm phát đến đầu thu trong kiểm tra địa chấn song song rất phức tạp, phụ thuộc vào địa tầng và tính chất của các lớp đất khác nhau. Một tầng đất cứng hơn ở gần mũi cọc có thể dẫn đến sóng qua tầng đất này có thời gian truyền ngắn hơn từ cọc tới đầu thu so với đường truyền trực tiếp phụ thuộc vào vận tốc tương đối giữa các tầng đất và khoảng cách giữa cọc vào ống đo. Khả năng truyền sóng trực tiếp càng lớn nếu ống đo càng gần với móng và thay đổi độ dốc trong biểu đồ đo phụ thuộc lớp đất cứng nằm gần đáy cọc. Kết hợp kỹ thuật đo địa chấn song song và kỹ thuật đo gamma địa tầng Do sự thay đổi vận tốc sóng nén trong các lớp đất, đường truyền sóng địa chấn từ điểm phát tới đầu thu trong thí nghiệm đo địa chấn song song có thể phức tạp gây khó khăn giải đoán. Tình trạng đất bề mặt và tính chất của các lớp đất xung quang móng cọc khác nhau là nguyên nhân chính đáy móng có thể bị nhận diện nhầm lẫn do thay đổi vận tốc sóng nén ở các biên giới giữa các tầng đất. Các kỹ thuật đo gamma địa tầng có thể cung cấp nhanh chóng một số tính chất của các lớp đất và thông tin về địa tầng để cải thiện độ tin cậy trong giải đoán ở nơi địa tầng đất phức tạp. Ảnh hưởng của lớp đất lên thời gian sóng truyền đến đầu tiên được xác nhận bằng đo gamma địa tầng được mô tả ở hình 5. Hình 5. Kết hợp kỹ thuật đo địa chấn và đo gamma địa tầng trong giải đoán độ sâu móng 5. THỬ NGHIỆM ÁP DỤNG THỰC TẾ Từ các kết quả nghiên cứu làm chủ kỹ thuật và công nghệ, kỹ thuật địa chấn song song đã được chấp nhận sử dụng thử nghiệm cho đánh giá độ sâu và hiện trạng chất lượng móng trong các điều tra khảo sát nâng cấp một số công trình bị thất lạc không còn hồ sơ lưu trữ. Công trình sửa chữa và gia cường cầu Nhị Thiên Đường 1 Hai trụ T3.1 và T3.2 được lựa chọn thí nghiệm địa chấn song song. Kết quả thí nghiệm mô tả trong bảng 3 và trên hình 6. Bảng 3. Số liệu thí nghiệm các cọc móng T3.1 T3.2 Khoảng cách ống đo (mm) 560 1200 Chiều dài cọc xác định (m) 9,20 9,16 Vận tốc sóng trong cọc (m/s) 4002 3583 Kiểu cọc Bê tông 40x40 cm Bê tông 40x40 cm THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 6 Số 54 - Tháng 03/2018 Hình 6. Kết quả biểu đồ đo địa chấn song song trụ T3.1 và T3.2 Cầu Nhị Thiên Đường 1. Công trình sửa chữa và nâng cấp Cầu cảng Tân Cảng 05 cọc móng V2, V5, V7, V9, V10 được lựa chọn thí nghiệm địa chấn song song. Kết quả thí nghiệm mô tả trong bảng 4 và hình 7. Bảng 4. Số liệu cọc móng cầu cảng Tân Cảng V10 V9 V7 V5 V2 Khoảng cách ống đo (mm) 800 450 400 500 1100 Chiều dài cọc xác định (m) 24,55 30,98 29,54 22,40 31,66 Vận tốc sóng trong cọc (m/s) 4745 4711 4783 4707 4270 Kiểu cọc Thép ống D600 Thép hình I 350 Thép ống D600 Thép ống D350 Thép hình I 350 Hình 7. Kết quả biểu đồ đo địa chấn song song trụ V2 và V5 - Cầu cảng Tân Cảng Công trình mở rộng Cầu chữ Y 02 cọc móng trụ cầu 6B và 7C được lựa chọn thí nghiệm địa chấn song song. Kết quả thí nghiệm mô tả trong bảng 5 và trên hình 8. Bảng 5. Số liệu thí nghiệm cọc móng cầu chữ Y 6B 7C Khoảng cách ống đo (mm) 800 600 Chiều dài cọc xác định (m) 25,04 25,83 Vận tốc sóng trong cọc (m/s) 3590 3967 Kiểu cọc Bê tông 40x40 cm Bê tông 40x40 cm Hình 8. Kết quả biểu đồ đo địa chấn song song trụ 6B và 7C - Cầu chữ Y 6. KẾT LUẬN Từ các kết quả thực nghiệm kỹ thuật đo địa chấn song song tại hiện trường thí nghiệm và trên công trình, một số kết luận có thể rút ra: • Xác định đáy móng theo biểu đồ thời gian sóng đến đầu tiên là khá rõ ràng khi môi trường đất xung quanh móng có độ cứng đồng nhất cho phép đánh giá tin cậy chiều dài cọc, nhận diện chất lượng cọc. • Sử dụng các lỗ đo trong phạm vi khoảng 1,5 m so với móng, đáy các cọc móng có thể nhận diện từ biểu đồ thời gian sóng đến đầu tiên theo độ sâu và ở độ sâu nơi biên độ sóng đến suy giảm đáng kể. • Đáy cọc móng thể bị giải đoán lầm lẫn do sự thay đổi vận tốc sóng nén ở biên giới giữa các tầng đất. Một đề nghị kết hợp kỹ thuật đo địa THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 7Số 54 - Tháng 03/2018 chấn song song và kỹ thuật đo gamma địa tầng có thể cải thiện độ tin cậy về các độ sâu móng giải đoán ở nơi địa tầng đất phức tạp. • Vận tốc sóng biểu kiến của các cọc móng được xác định theo độ dốc trong biểu đồ biểu diễn thời gian sóng đến đầu tiên theo độ sâu có thể sử dụng để nhận diện loại vật liệu và chất lượng móng kết cấu. Các kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ khả năng của kỹ thuật đo địa chấn song song có thể áp dụng cho các điều kiện hiện trường phức tạp. Các khả năng và kết quả thu nhận được có giá trị để áp dụng tin cậy một kỹ thuật NDT mới cho công tác điều tra khảo sát khôi phục, nâng cấp các công trình hiện hữu. Nguyễn Lê Sơn, Nguyễn Văn Thái Bình, Phạm Thị Lan Anh Trung tâm NDE (TP. HCM) __________________________________ TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Obrutsky L. et al. (2010), Eddy Current Richard J. Finno, Peter W. Osborn, Final Reports of project: “Non-destructive Evaluation of a Deep Foundation Test”, Infrastructure Technology Institute (ITI) at the Northwestern University National Geotechnical Experimentation Site, June 1997. 2. M F Aouad. L. D. Olson, Olson Engineering, “Applications of NDT Methods for the Determination of Unknown Bridge Foundation Depths”, The Fourth International Conference on Non-Destructive Testing in Civil Engineering, NDT-CE ‘97”, Liverpool- UK, 8-11 APRIL 1997. 3. Lanbo Liu and Guo Tieshuan, “Seismic Non-Destructive Tests on Reinforced Concrete Column of the Longtan Highway Bridge, Guangxi, China”, Proceedings of Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental of Problems, 67-74. 1999. 4. Nguyen Le Son et al, “Nghiên cứu ứng dụng một số kỹ thuật sóng âm kiểm tra không phá hủy đánh giá chất lượng và độ sâu móng, kết cấu các công trình xây dựng, giao thông”, Báo cáo tổng kết đề tài, mã số: VNLNTVN/CS/03-02-05, tháng 2/2004.