Giáo trình đào tạo thí nghiệm Chuyên ngành xây dựng giao thông potx

Mức độ chính xác và tin cậy của phép đo lường trạng thái ứng suất - biến dạngthường chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó có: a/ Kích thước và số lượng mẫu thử: Khi khảo sát trên nhữ

GIÁO TRÌNH ĐÀO TẠO

THÍ NGHIỆMChuyên ngành xây dựng giao thông

M c l cục lục ục lục

CHƯƠNG I : QUY ĐỊNH VỀ PHềNG THÍ NGHIỆM ĐƯỢC CễNG NHẬN 2

1 NHỮNG QUY ĐỊNH CHUNG : 2

2 ĐIỀU KIỆN ĐỂ PHềNG THÍ NGHIỆM ĐƯỢC CễNG NHẬN VÀ CẤP MÃ SỐ : 2

CHƯƠNG II : NGUYấN Lí CƠ BẢN CễNG TÁC THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU VÀ THÍ NGHIỆM CễNG TRèNH 4

1 KHÁI NIỆM CHUNG 4

2 THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG 9

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỦ YẾU TRONG THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU VÀ THÍ NGHIỆM CễNG TRèNH 30

CHƯƠNG III : THÍ NGHIỆM cụng nhận phũng thớ nghiệm chuyờn ngành xõy dựng

giao thụng thỡ Bộ Giao thụng vận tải trực tiếp tiến hành việc tổ chức kiểm tra CÁC CHỈ

TIấU CƠ Lí CỦA ĐẤT 35

1 SỰ HèNH THÀNH VÀ BẢN CHẤT CỦA ĐẤT 35

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIấU CƠ Lí CỦA ĐẤT 37

CHƯƠNG IV : THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIấU CƠ Lí CỦA VẬT LIỆU ĐÁ, CÁT .65

I.CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CƠ Lí CỦA VẬT LIỆU ĐÁ 65

2 MỘT SỐ YấU CẦU ĐỐI VỚI VẬT LIỆU LIấN QUAN ĐẾN VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG 66

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHỈ TIấU CƠ Lí CỦA VẬT LIỆU ĐÁ 70

CHƯƠNG I : QUY ĐỊNH VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐƯỢC CÔNG NHẬN

1 NHỮNG QUY ĐỊNH CHUNG :

Theo Quyết định số 2496/QĐ-KHKT ngày 24/9/1997 của Bộ trưởng Bộ Giao thôngvận tải ban hành quy định về việc công nhận phòng thí nghiệm chuyên ngành xây dựnggiao thông thì Bộ Giao thông vận tải trực tiếp tiến hành việc tổ chức kiểm tra, đánh giá và

ra quyết định công nhận khả năng hoạt động theo thoả thuận của Bộ Xây dựng Cũng theobản quy định này thì các phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc các tổ chức, cá nhân, baogồm cả tổ chức ca nhân nước ngoài đầu tư tại Việt Nam hoạt động xây dựng giao thôngtrên các lĩnh vực nghiên cứu thiết kế, khảo sát thi công xây dựng và sản xuất vật liệu xâydựng được Bộ Giao thông vận tải ra quyết định công nhận khả năng hoạt động, cấp mã sốphòng thí nghiệm ( LAS - XD ) mới có giá trị pháp lý để cung cấp các số liệu kiểm tra,phân tích thử nghiệm phục vụ công tác nghiên cứu, khảo sát, thiết kế, thi công, nghiệm thuđánh giá chất lượng vật liệu xây dựng và chất lượng công trình xây dựng

2 ĐIỀU KIỆN ĐỂ PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐƯỢC CÔNG NHẬN VÀ CẤP MÃ SỐ :

Để được công nhận và cấp mã số LAS - XD, phòng thí nghiệm phải đảm bảo yêucầu về đội ngũ chuyên môn làm thí nghiệm, trang thiết bị thí nghiệm, tài liệu kỹ thuật củaphòng thí nghiệm, điều kiện môi trường, mặt bằng làm việc và các tiện nghi khác để tiếnhành thí nghiệm Các yêu cầu này phải phù hợp với việc thực hiện các phép thử, các chỉtiêu thí nghiệm mà phòng thí nghiệm xin đăng ký công nhận và triển khai hoạt động

a Về tổ chức : Phòng thí nghiệm phải được quyết định thành lập bởi cơ quan cóthẩm quyền với cơ cấu tổ chức :

- Người phụ trách phòng thí nghiệm ( trưởng phòng thí nghiệm ) phải có đủ nănglực, thẩm quyền và trình độ chuyên môn nghiệp vụ để điều hành hoạt động của phòng thínghiệm Khi người phụ trách vắng mặt thì phải chỉ định người thay thế và phải được cơquan công nhận phòng thí nghiệm chấp nhận Chỉ có người phụ trách ( hoặc người thaythế) mới là người được uỷ quyền ký vào biên bản và phiếu kết quả thí nghiệm

- Đội ngũ chuyên môn làm công tác thí nghiệm phỉa có cơ cấu hợp lý giữa cán bộ

có trình độ đại học và nhân viên thí nghiệm; giữa cán bộ và thí nghiệm viên có kinhnghiệm và mới vào nghề Các cán bộ và thí nghiệm viên phải được đào tạo để có trình độchuyên môn, nghiệp vụ phù hợp với công việc thử nghiệm được giao Có đầy đủ hồ sơ vềquá trình đào tạo và trình độ chuyên môn nghiệp vụ của cán bộ, nhân viên trong phòng

- Phòng thí nghiệm phải có quy định nhiệm vụ và trách nhiệm cụ thể đối với từngcán bộ, nhân viên; có những biện pháp về tổ chức và quản lý đối với cán bộ nhân viênnhằm đảm bảo chất lượng, tính khách quan trung thực trong hoạt động thí nghiệm

- Phòng thí nghiệm phải có cán bộ quản lý kỹ thuật chịu trách nhiệm về quản lý kỹthuật thử nghiệm, cán bộ quản lý chất lượng chịu trách nhiệm về hệ thống đảm bảo chấtlượng thí nghiệm và người được chỉ định thay thế khi những cán bộ này vắng mặt Tuỳ quy

mô của phòng thí nghiệm , hai chức năng quản lý này có thể là một người hoặc người phụtrách kiêm nhiệm một hay cả hai chức danh này

b Về cơ sở vật chất :

- Các trang thiết bị thí nghiệm phải phù hợp với chỉ tiêu và tiêu chuẩn thí nghiệmtương ứng và phải được kiểm định, hiệu chuẩn thường xuyên theo quy định quản lý và sửdụng các dụng cụ đo lường của Nhà nước

- Phòng thí nghiệm phải có đủ các tài liệu pháp quy, tiêu chuẩn, quy trình quyphạm, sổ tay hướng dẫn, biểu mẫu phù hợp phục vụ công tác thí nghiệm

- Phòng thí nghiệm phải có quy định cần thiết về an toàn, về giữ bí mật và quyền sởhữu của khách hàng đối với các kết quả thí nghiệm

c Về trách nhiệm và quyền hạn của phòng thí nghiệm được công nhận :

Phòng thí nghiệm được công nhận có quyền sử dụng con dấu đặc trưng “ Phòng thínghiệm được công nhận “ theo quy định của Bộ Giao thông vận tải, Bộ Xây dựng và củaTổng cục Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng; được ưu tiên chỉ định tham gia các hoạt độnggiám sát chất lượng xây dựng giao thông; được ưu tiên xem xét để uỷ quyền tham gia cáchoạt động quốc tế về thử nghiệm hoặc hiệu chuẩn chuyên ngành xây dựng giao thông;được ưu tiên trong việc trang bị các phương tiện đo lường và thử nghiệm, cung cấp thôngtin và tham gia đào tạo cán bộ trong phạm vi quyền hạn và chức năng của Bộ Giao thôngvận tải; được thu phí thử nghiệm và hiệu chuẩn theo quy định

Phòng thí nghiệm được công nhận có nhiệm vụ thực hiện nghiêm chỉnh các quyđịnh của Nhà nước, của ngành về “ Phòng thí nghiệm được công nhận “ ; tiến hành cácphép thử hoặc hiệu chuẩn theo yêu cầu khách hàng; chịu trách nhiệm trước khách hàng,trước pháp luật về kết quả thử nghiệm hoặc hiệu chuẩn do mình công bố; tham gia việc sosánh phép thử giữa các phòng thí nghiệm theo yêu cầu của cơ quan có thẩm quyền; định kỳhàng năm báo cáo với Bộ Giao thông vận tải về tình hình hoạt động của phòng thí nghiệm

và chịu thanh tra của Bộ khi cần thiết

CHƯƠNG II : NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CÔNG TÁC THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU VÀ THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH

1 KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Vai trò của công tác thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm công trình

Trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học công nghệ, vai trò của thí nghiệm vậtliệu và thí nghiệm công trình đã được khẳng định nhằm mục đích:

- Giải quyết các vấn đề của công nghệ và của thực tế sản xuất đòi hỏi như đánh giáchất lượng của vật liệu, của công trình làm cơ sở cho việc nghiệm thu, bàn giao, khai thácv.v

- Giải quyết và hoàn thiện những bài toán mà các phương pháp lý thuyết chưa vàkhông giải quyết được đầy đủ hoặc đang còn nằm trong ý tưởng cần thăm dò

Đối tượng của công tác thí nghiệm là vật liệu và kết cấu công trình Bằng phươngpháp cảm thụ trực tiếp, có được những số liệu đo đạc và trạng thái thực tế qua quá trìnhtiến hành khảo sát đối tượng, xử lý các số liệu có thể đưa đến những kết luận mang đầy đủtính quy luật cũng như tính tiêu biêủ đối với các tham số khảo sát cả về chất lượng lẫn sốlượng

Những quy luật và giá trị về sự phân bố ứng suất - biến dạng, trạng thái làm việc vàhình thức phá hoại của đối tượng nghiên cứu, không chỉ hỗ trợ cho các quá trình thiết kế,tính toán thi công, nghiệm thu, khai thác mà còn thay thế được lời giải của các bài toán đặcthù, phức tạp mà việc giải quyết chúng bằng đường lối lý thuyết mất quá nhiều công sứchoặc chưa có biện pháp giải quyết

Thí nghiệm vật liệu và công trình do vậy, có thể thực hiện được các nhiệm vụ cơbản sau đây trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và cơ học công trình:

a/ Xác định, đánh giá khả năng làm việc và tuổi thọ của vật liệu và kết cấu công trình

Đây là nhiệm vụ thường được tiến hành đối với các vật liệu xây dựng và kết cấucông trình trước khi đưa vào sử dụng và khai thác

- Khả năng làm việc thực tế của một kết cấu công trình mới được xây dựng xong sẽđược phản ánh trong công việc đánh giá chất lượng chúng qua kết quả thí nghiệm kiểm trađược thực hiện trong quá trình xây dựng và kết quả kiểm định trực tiếp trên công trình Kếtquả này là một tài liệu quan trọng trong hồ sơ nghiệm thu bàn giao công trình

- Công tác xác định và đánh giá khả năng chịu lực cũng được tiến hành đối vớinhững kết cấu công trình đã được khai thác quá lâu năm, hết niên hạn sử dụng và chấtlượng đã bị giảm yếu, đối với các kết cấu công trình có yêu cầu sửa chữa cải tạo, cũng nhưcác công trình khi đưa vào khai thác với tải trọng sử dụng lớn hơn hay không phù hợp vơínhiệm vụ thiết kế xây dựng ban đầu

- Đặc biệt quan trọng và không thể thiếu được công việc xác định, đánh giá trạngthái làm việc và khả năng chịu lực còn lại của các kết cấu công trình bị những sự cố tácđộng như: thiên tai (gió bão, động đất ), chiến tranh tàn phá, hoả hoạn và sai sót trongquá trình thi công gây nên những khuyết tật kỹ thuật tồn tại trong kết cấu công trình Mụcđích của công việc kiểm định khả năng chịu lực của kết cấu công trình có sự cố về chất

lượng là phát hiện và đánh giá mức độ hư hỏng và độ bền vững theo thời gian của chúng để

từ đó có thể nêu được những nhận xét khẳng định khả năng tồn tại, huỷ bỏ từng bộ phậncủa kết cấu hay toàn bộ công trình; đồng thời để nghiên cứu thiết kế tìm các biện pháp giacường, sửa chữa và phục hồi công trình

b/ Nghiên cứu đề xuất và nghiên cứu ứng dụng các hình thức kết cấu mới, kết cấu đặc biệt vào việc thiết kế xây dựng công trình

Một trong những biện pháp để tiến hành tìm kiếm một loại kết cấu mới, phù hợp làdùng phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm, vì nó cho phép xác định nhanh được mộthình thức kết cấu phù hợp, có ngay được những số liệu cần thiết và tin cậy về tham số phục

vụ trực tiếp cho việc thiết kế và tính toán công trình Kết quả trong những trường hợp chọnmột dạng kết cấu có sẵn lý thuyết tính toán, nhưng khi đưa vào ứng dụng cho một côngtrình cụ thể, tuỳ thuộc vào tầm quan trọng của công trình và mức độ chặt chẽ của phươngpháp tính, cũng cần phải triển khai thực nghiệm từng phần hay toàn bộ kết cấu để kiểmchứng sự đúng đắn của phương pháp tính toán lý thuyết và tính khả thi của công trình

c/ Nghiên cứu và phát hiện các vật liệu mới, đánh giá chất lượng các loại vật liệu xây dựng đang sử dụng và tái sử dụng, các loại vật liệu địa phương Qúa trìnhnghiên cứu để hình thành một loại vật liệu mới thực chất là một quá trình tiến hành thựcnghiệm Một vật liệu được công nhận để đưa vào sử dụng trong xây dựng công trình cầnphải có đầy đủ các chỉ tiêu đặc trưng về cường độ, biến dạng, khối lượng riêng; độ ổn địnhcủa các tính năng chuyên dùng như nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh … và các tính chất hoá - lýkhác Việc xác định số lượng và chất lượng của những đặc trưng đó chỉ có được qua quátrình tiến hành thực nghiệm

d/ Nghiên cứu phát minh những vấn đề mới trong khoa học kỹ thuật chuyên ngành,

trong cơ học vật rắn biến dạng, cơ học công trình mà nghiên cứu lý thuyết hoàn toànchưa được giải quyết hoặc chưa giải quyết đầy đủ tận gốc hoặc đòi hỏi phải có kết quảnghiên cứu thực nghiệm để làm cơ sở cho việc đánh giá sự phù hợp của các giả thiết đưa ra

và xác nhận sự đúng đắn của kết quả nhận được từ nghiên cứu lý thuyết

1.2 Ý nghĩa của trạng thái ứng suất - biến dạng Công tác thí nghiệm vật liệu và thí

nghiệm công trình ngoài việc xác định một số chỉ tiêu cơ lý thì vấn đề chủ yếu là khảo sát

sự biến động của trạng thái ứng suất biến dạng của chúng Trên cơ sở trạng thái ứng suất biến dạng nhận được mới có thể xác định giá trị và tính chất làm việc của vật liệu trongcông trình

-Kết quả nhận được từ quá trình khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng của vật liệutrong công trình cho phép giải quyết những vấn đề cơ bản sau:

- Gía trị và hình ảnh phân bố nội lực trên kết cấu công trình, từ đó có thể bố trí vậtliệu và cấu tạo kết cấu thích hợp

- Đánh giá được khả năng và mức độ làm việc thực tế của vật liệu và công trình,cho phép rút ra được những tiêu chuẩn phục vụ cho việc kiểm tra độ bền, độ cứng và độ ổnđịnh của công trình

- Dự đoán được đời sông và tuổi thọ của công trình khi trong quá trình thực nghiệm

có tiến hành khảo sát và đo đạc sự biến động và tốc độ phát triển của ứng suất - biến dạngcũng như sự hình thành và phát triển của khuyết tật ( các hư hỏng và nứt nẻ ) xuất hiệntrong quá trình làm việc của công trình Trạng thái ứng suất - biến dạng có được trongquá trình thực nghiệm không chỉ phản ánh khả năng làm việc thực tế của công trình, mà

trong nhiều trường hợp còn là chuẩn mực cho việc đánh giá sự đúng đắn của lý thuyết tínhtoán, thiết kế công trình Chẳng hạn, khi giải quyết bài toán về cường độ và biến dạngcho một kết cấu công trình, quá trình tính toán dựa trên cơ sở các đặc trưng của vật liệulàm việc trong miền đàn hồi; nhưng trong thực té khi phần lớn các kết cấu của công trìnhlàm việc trong phạm vi đàn hồi của vật liệu thì có không ít các bộ phận khác của công trình

sẽ tồn tại những vùng trong đó vật liệu làm việc ngoài miền biến dạng đàn hồi hoặc làmviệc ở trạng thái dẻo, trạng thái phá huỷ vật liệu mà những trạng thái làm việc đó luônluôn là nguồn gốc của sự giảm tuổi thọ hoặc gây phá hoại kết cấu công trình

Mức độ chính xác và tin cậy của phép đo lường trạng thái ứng suất - biến dạngthường chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó có:

a/ Kích thước và số lượng mẫu thử:

Khi khảo sát trên những mẫu thử có kích thước bằng thực hoặc là kết cấu nguyênhình thì kết quả trạng thái ứng suất - biến dạng nhận được là kết quả trực tiếp và thực,không cần qua quá trình tính toán chuyển đổi trung gian, nhưng số liệu đo đối với mộttham số của bài toán thường bị hạn chế do số lượng đối tượng thí nghiệm không nhiều(thường chỉ có một hoặc hai) Ngược lại, khi khảo sát bài toán trên những mẫu thử là môhình tương tự thì kết quả trạng thái ứng suất - biến dạng của mẫu thử thực chỉ nhận đượcsau một quá trình tính toán chuyển đổi tương tự qua các hệ số tỉ lệ của các tham số đo; vìthế, nếu có một sai số nhỏ trong quá trình đo sẽ dẫn đến sự lệch lạc của kết quả, song vì sốthí nghiệm tiến hành trên mô hình tương tự thường là nhiều cho nên sau khi tổng hợp sốliệu của nhiều mô hình thí nghiệm, vẫn có được các kết quả tin cậy Với thí nghiệm vậtliệu, kích thước và số lượng mẫu thử phải tuân theo các quy định của tiêu chuẩn thửnghiệm

b/ Hình dạng và cấu tạo liên kết các phần tử của mẫu thử

Việc xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của các mẫu thử có hình dạng đơngiản thường được tiến hành không mẫu khó khăn vì ở đây ứng suất - biến dạng thườngphân bố tương đối đồng đều trong kết cấu, trị số của chúng cũng không lớn, thường chỉgiao động trong miền biến dạng đàn hồi của vật liệu Vì vậy phương pháp và số đo trongnhững trường hợp này thường không dẫn đến sai số đáng kể cho kết quả nghiên cứu Đốivới những trường hợp kết cấu có hình dạng phức tạp hoặc ghép từ nhiều phần tử với nhauthì việc khảo sát và xác định trạng thái ứng suất - biến dạng sẽ gặp nhiều khó khăn vì ở đây

sự phân bố ứng suất - biến dạng thường thay đổi lớn, trị số đo của hai điểm hoặc hai vùnglân cận có thể khác nhau rất nhiều (ở điểm này có thể vật liệu đang làm việc trong giaiđoạn đàn hồi, nhưng ở điểm bên cạnh đã xuất hiện biến dạng dẻo

c/ Cấu tạo vật liệu của mẫu thử

Mẫu thử dù ở dạng nguyên hình hoặc ở dạng mô hình đều được cấu tạo từ nhữngvật liệu thực có các đặc trưng khác nhau và thông thường các đặc trừng đó được thể hiệnqua mối quan hệ thực nghiệm giưã ứng suất và biến dạng khi vật liệu chịu kéo hoặc chịunén một trục Trong thực tế sản xuất, tồn tại nhiều loại vật liệu có mối quan hệ giữa ứngsuất - biến dạng khác nhau:

Tuyến tính; Hoàn toàn phi tuyến; Không đồng nhất trong suốt quá trình chịu tải;Tuyến tính ở giai đoạn vật liệu chịu tải còn thấp nhưng khi qua một giá trị đặc trưngxác định tuỳ thuộc bản chât của vật liệu thì lại không còn tuyến tính nữa Việc xác địnhchính xác mối quan hệ này của vật liệu giữ một vai trò quan trọng trong quá trình khảo sáttrạng thái ứng suất - biến dạng của đối tượng nghiên cứu

d/ Công nghệ chế tạo mẫu thử:

Các kết cấu công trình trong sản suất cũng như các mẫu thử dùng để tiến hànhnghiên cứu thực nghiệm được thiết kế và chế tạo theo nhiều biện pháp công nghệ khácnhau Dù bằng biện pháp chế tạo nào thì cuối cùng trong đối tượng nghiên cứu đều tồn tạimột trạng thái ứng suất ban đầu hoặc ứng suất trước Việc xác định giá trị và quy luật phân

bố của chúng để loại trừ trong quá trình khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng của đốitượng thường rất khó thực hiện

e/ Tính chất tác dụng của tải trọng ngoài

Giá trị và tính chất phân bố ứng suất - biến dạng trong mẫu thử thường chịu ảnhhưởng trực tiếp của đại lượng và quy luật tác động của tải trọng ngoài Kết quả đo lườngcác tham số khảo sát một đối tượng chịu tải trọng tác dụng tĩnh sẽ nhận được khá dễ dàng,đảm bảo được độ chính xác và rõ ràng vì ở trường hợp này các dụng cụ và phương pháp đothường không quá phức tạp, đặc biệt là việc đo lường được tiến hành trong điều kiện yêntĩnh, số đo không phụ thuộc vào thời gian Nhưng khi đối tượng chịu tải trọng ngoài tácdụng động như lực xung, lực rung động thì công việc đo lường trở nên phức tạp, vì ở đâyquá trình đo thực hiện trong môi trường dao động và số đo của các tham số khảo sát phụcthuộc vào yếu tố thời gian Điều này có thể làm ảnh hưởng mức độ chính xác của các phép

đo và các số liệu thu nhận được

g/ Môi trường tiến hành thí nghiệm

Trong kỹ thuật đo lường các đại lượng, để đảm bảo độ chính xác các phép đothường phải được thực hiện trong những môi trường xác định hoặc môi trường chuẩn vềnhiệt độ, độ ẩm và các tác nhân ăn mòn khác theo quy định của các tiêu chuẩn tương ứng.Trong phép đo giá trị biến dạng tương đối của vật liệu và kết cấu công trình cũng vậy, ảnhhưởng của môi trường xung quanh đặc biệt là nhiệt độ và độ ẩm thường làm cho số đo bịnhiễu loạn Khi thực hiện phép đo, nếu nhiệt độ của môi trường thay đổi sẽ làm cho vật liệu

bị biến dạng theo và ngay bản thân thiết bị đo cũng bị co giãn làm sai lệch giá trị số đo

1.3 Biến dạng của kết cấu công trình và phép đo biến dạng tương đối Cho đến nay,

vấn đề đo trực tiếp giá trị của tham số ứng suất trong vật liệu và kết cấu công trình vẫnchưa được giải quyết Bởi vậy, khi cần khảo sát trạng thái ứng suất của một đối tượng cụthể đều phải thông qua các số đo của tham số biến dạng tương đối Điều này được thựchiện khá dễ dàng khi khảo sát các vật liệu đàn hồi tuyến tính hoặc các đối tượng làm việctrong giai đoạn biến dạng đàn hồi vì ở đây quy luật biến động của ứng suất và biến dạng làhoàn toàn đồng nhất, các đại lượng này luôn luôn tỉ lệ với nhau qua các hằng số đặc trưngtính đàn hồi của vật liệu; đó là trị số môđun đàn hồi của vật liệu khi đối tượng chịu trạngthái ứng suất một trục, hệ số Poisson trong trường hợp đối tượng làm việc ở trạng thái ứngsuất phẳng Vì vậy, sự khảo sát sự biến động của ứng suất - biến dạng của đối tượng ở giaiđoạn đàn hồi hoàn toàn có thể tiến hành trên quy luật biến đổi cuả trạng thái biến dạngnhận được Tuy nhiên, khi khảo sát các vật liệu và kết cấu công trình có quan hệ giữa ứngsuất và biến dạng không tuân thủ định luật Hooke hoặc trạng thái biến dạng ngoài giới hạnđàn hồi, thì quá trình khảo sát sự biến động của trạng thái ứng suất biến dạng chỉ tiến hànhqua trạng thái biến dạng như ở trường hợp vật liệu đàn hồi tuyến tính là chưa đầy đủ màcòn phải khảo sát quy luật phân bố của ứng suất, bởi vì quan hệ giữa ứng suất và biến dạngkhông còn là tuyến tính Đối với trường hợp này, để có thể nhận được giá trị ứng suất của

đối tượng khảo sát trên cơ sở của các số đo biến dạng, cần thiết phải dựa vào biểu đồ quan

hệ thực nghiệm giữa ứng suất - biến dạng khi kéo hoặc nén phá hoại mẫu vật liệu

Quá trình thực hiện các phép đo biến dạng tương đối cần phải tiến hành với sốlượng dụng cụ đo tối thiểu và thời gian đo ngắn nhất; nhưng trên thực tế cần phải căn cứvào điều kiện và hoàn cảnh cụ thể để lựa chọn cho phù hợp

a/ Đo biến dạng trong điềukiện công trình chịu các loại tải trọng có tính chất khác nhau

Tuỳ theo tính chất tác dụng của tải trọng cũng như các tác nhân khác bên ngoài,trong đối tượng khảo sát thường xảy ra hai trạng thái làm việc sau:

+ Trạng thái tĩnh hoặc phát triển dần đều

Điều này xảy ra khi có tác dụng của tải trọng tĩnh, nhiệt độ hoặc các yếu tố cơ họckhác Kết quả là xác định được các giá trị và quy luật phân bố của biến dạng

Khi thí nghiệm đối với các kết cấu công trình thực hoặc có kích thước bằng thực,thường phải dùng phương pháp đo ở một số điểm rời rạc, nhưng tại một vùng khảo sát nào

đó thì số lượng điểm đo phải đủ lớn và phân bố đủ mau để có thể xác định được giá trị vàtính chất phân bố biến dạng Vấn đề phức tạp ở đây là làm thế nào qua quá trình đo và đọc

số đo với số lượng lớn mà ngăn ngừa được khả năng phân bố lại biến dạng trong đối tượngkhảo sát hoặc đại lượng biến dạng nhận được tại các điểm đo không tương ứng cùng mộttrị số ngoại lực vì giữ lực trong thời gian dài Để khắc phục một phần ảnh hưởng đó, cầnchọn phương pháp và thiết bị đo nhanh, ổn định

+ Trạng thái động hoặc biến thiên nhanh:

Điều này xảy ra trong các đối tượng nghiên cứu khi chịu tác dụng của tải trọngđộng, tải trọng di chuyển, va chạm, nổ … Đo biến dạng trong trường hợp này thường rấtphức tạp vì giá trị của nó thay đổi nhanh theo thời gian; đặc biệt trường hợp đối tượng chịutác dụng của tải trọng va chạm, ngoài việc ứng suất thay đổi rất nhanh theo thời gian (trongkhoảng khắc <10-4s) còn có cả tập trung ứng suất quanh vùng gần điểm tác dụng lực Trongthực tế để đo nhanh giá trị biến dạng thay đổi theo thời gian thường dùng phương pháptenzo cảm biến điện trở với số lượng điểm đo có thể thực hiện được trên mỗi máy đo hiệnnay chỉ được từ 5 - 20 điểm Để quan sát được quá trình dao động của đối tượng thườngphải dùng các thiết bị tự ghi đồng thời như Testograph, băng từ tính, máy vi tính Cácthiết bị tự ghi đó thường có thể nhận được các biến dạng động trong dải tần số (10-5000)Hz

b/ Đo biến dạng trong điều kiện vật liệu làm việc ở các trạng thái khác nhau

Quá trình làm việc của vật liệu từ giai đoạn đàn hồi sang giai đoạn dẻo thường rấtngắn; trong nhiều trường hợp quá độ này chỉ là một điểm hay một giá trị giả định nào đó(chẳng hạn 0,2%) trên biểu đồ đặc trưng của vật liệu Trong những trường hợp này giá trịtương đối của biến dạng dẻo còn rất nhỏ (thường chỉ khoảng từ 2000.10-6 đối với thép; từ3000.10-6 đến 8000.10-6 đối với hợp kim nhôm); nhưng vượt khỏi giai đoạn quá độ này thìgiá trị của biến dạng dẻo tăng rất nhanh

Điều kiện biến dạng đàn hồi trong những kết cấu có hình dáng đơn giản thườngđược đặc trưng bởi sự phân bố đều đặn các giá trị biến dạng và mối tương quan giữa cácthành phần biến dạng đối với các trường hợp biến dạng phẳng hoặc biến dạng khối hầu nhưkhông thay đổi Trong trường hợp này, phần lớn các loại vật liệu đều tuân theo định luậtHoocke không những về mặt đính tính mà cả về mặt định lượng và phương pháp đo biếndạng ở đây có thể dùng các loại tenzomet đơn giản

Tuy nhiên trong thực tế phần lớn các kết cấu công trình xây dựng có cấu tạo hìnhdạng phức tạp, do đó quan hệ giữa biến dạng theo các phương sẽ rất phức tạp và điều đólàm thay đổi rất nhanh sự phân bố ứng suất trong các vùng khảo sát Khi đó, vật liệu tạinhững vùng này sẽ chuyển rất nhanh sang làm việc ở giai đoạn đàn - dẻo hay dẻo.

Việc đo đạc biến dạng khi vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi thường chịu ảnhhưởng do sự xuất hiện thành phần biến dạng theo phương ngang lớn và sự biến dạng khôngđồng đều trong phạm vi chuẩn đo Lượng biến dạng tương đối ngoài đàn hồi trong vật liệuxây dựng có thể đạt đến giá trị (10.000 - 100.000).10-6, có trường hợp còn lớn hơn Trongnhững trường hợp này, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng vô cùng phức tạp; vì thếkết quả đo biến dạng trong điều kiện vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi thường khóđảm bảo được chính xác Để khắc phục phần nào các yếu tố ảnh hưởng nêu trên, khi đobiến dạng tại những vùng có gradien biến dạng lớn hoặc những vùng phát triển biến dạngdẻo cần sử dụng phương pháp đo bằng các tenzo cảm biến điện trở với chiều dài chuẩn đocàng nhỏ càng tốt, thông thường từ 1 đến 5mm; đặc biệt trong những vùng có tập trung ứngsuất cao thì chỉ nên dùng chuẩn đo nhỏ hơn 1mm, vì nhiệm vụ chính của việc đo đạc trongnhững vùng này là phải nắm bắt được trị số biến dạng lớn nhất tồn tại trong đó nhằm mụcđích xác định chính xác hệ số tập trung ứng suất Ngoài ra, khi khảo sát trạng thái ứng suấtbiến dạng cục bộ còn xó thể sử dụng những phương pháp chuyên dùng khác để đo giá trị

và hình ảnh phân bố tổng thể của biến dạng như phương pháp quang đàn hồi, phương phápsơn phủ dòn

c/ Đo biến dạng trong điều kiện đối tượng làm việc với các trạng thái ứng suất khác nhau

Qua thực tế khảo sát các đối tượng cho thấy: tuỳ thuộc vào hình dạng cấu tạo cũngnhư tính chất của tải trọng ngoài tác dụng, trong đối tượng sẽ tồn tại một trong những trạngthái nội lực sau:

- Trạng thái ứng suất theo một trục và phân bố đều đặn dọc trên suốt chiều dài củaphần tử như trong kết cấu thanh, kết cấu chịu lực dọc đúng trục ; đối với trường hợp này,trong kết cấu chỉ tồn tại thành phần ứng suất dọc trục thành, việc đo đạc biến dạng hoàntoàn đơn giản, chỉ cần dùng một hoặc hai dụng cụ đo biến dạng như các tenzomet cơ họclắp trên một tiết diện ngang của thành là đủ để có các thông tin và số liệu chính xác phục

vụ cho việc khảo sát đối tượng

- Trạng thái ứng suất hai trục, các đặc trưng biến dạng của vật liệu ở trạng thái này

đã được nghiên cứu bằng lý thuyết rất đầy đủ Khi trạng thái ứng suất phẳng, nói chung tạimột điểm trong vật thể tồn tại ba ẩn số, đó là giá trị của hai ứng suất chính và góc hợp giữahướng ứng suất chính với một trục nào đó nằm trong mặt phẳng của ứng suất chính Để xácđịnh ba ẩn số này cần tiến hành tại điểm đó của vật thể không ít hơn ba phép đo giá trị biếndạng (tốt nhất là bốn phép đo, trong đó có một phép đo dùng để kiểm tra mức độ chínhxác) với những yêu cầu đó, phương pháp ưu việt nhất vẫn là dùng các tenzomet điện trở,

vì có khả năng dán nhiều phần tử cảm biến điện trở chồng lên nhau tại một điểm để đo biếndạng theo nhiều phương khác nhau

- Trạng thái ứng suất ba trục, việc đo đạc biến dạng trở nên vô cùng khó khăn vàcho đến nay các phương pháp đo vẫn chưa thông dụng

2 THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG

2.1 Chức năng và yêu cầu đối với thiết bị đo

Trạng thái làm việc của các đối tượng thí nghiệm trong thực tế được đặc trưng bởi

sự biến động của các tham số Các tham số đó cần được làm sáng tỏ bằng những số liệu đohoặc những đồ thị ghi nhận được trực tiếp hay gián tiếp từ các thiết bị đo lường tương ứng

Với mỗi tham số khảo sát sẽ có những phương pháp và thiết bị đo phù hợp, thoảmãn được các yêu cầu về độ nhạy cảm và độ chính xác

Các thiết bị và dụng cụ đo dùng trong công tác thí nghiệm vật liệu và kết cấu côngtrình, tuỳ thuộc vào tính chất và mục đích làm việc, được tập hợp thành năm nhóm cơ bảnsau :

1 Đo lực và áp suất: thông dụng là các loại lực kết lò xo, lực kế cảm biến hoặc các

loại đồng hồ đo áp lực chất lỏng , chất khí

2 Đo độ dịch chuyển (chuyển vị): thường dùng các thước đo độ dài như thước cặp,

panme, đồng hồ đo chuyển vị, đồng hồ đo độ võng, các đầu đo dịch chuyển cảm biến…

3 Đo độ dãn dài, biến dạng tương đối của các thớ vật liệu: phổ biến là các loại

tenzomet cơ học, quan học, điện cảm, điện trở

4 Đo xoay, biến dạng góc

5 Đo trượt và biến dạng trượt tương đối giữa các thớ vật liệu, các phần tử kết cấu

ghép

Trong các nhóm thiết bị đo nói trên, ngoài nhóm thiết bị đo lực và áp suất nhằm xácđịnh giá trị của tải trọng tác dụng khi tiến hành thí nghiệm; còn các nhóm khác đều phục vụcho mục đích chủ yếu trong vấn đề nghiên cứu công trình là xác định trạng thái ứng suất -biến dạng Trong mỗi nhóm thiết bị có thể có nhiều chủng loại được thiết kế và chế tạotheo những cơ sở vật lý và sơ đồ cấu tạo khác nhau, có mức độ chính xác khác nhau Trong

kỹ thuật đo, cần căn cứ vào các đặc trưng của đối tượng nghiên cứu, tính chất của tham sốtiến hành khảo sát và yêu cầu về độ chính xác của số đo để chọn những thiết bị đo thíchứng

Trong thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm công trình, để nhận được những kết quả đoứng suất - biến dạng có độ tin cậy cao, cần chọn được một phương pháp đo đúng, nhữngthiết bị đo phù hợp, có độ chính xác cao Khi chọn lựa, cần căn cứ vào các đặc trưng củatừng đối tượng khảo sát cụ thể và căn cứ vào các tiêu chuẩn phù hợp để tiến hành thínghiệm

2.2 Các thiết bị và phương pháp đo ứng suất - biến dạng theo cách đo điểm rời rạc

Thiết bị và phương pháp đo điểm rời rạc được dùng rất phổ biến khi khảo sát trạngthái ứng suất - biến dạng của vật liệu hay kết cấu công trình; đặc biệt khi cần quan sát giátrị biến dạng của những điểm đặc trưng

Những thiết bị và phương pháp đo theo cách đo điểm rời rạc được hình thành vàcấu tạo theo những nguyên lý khác nhau Chẳng hạn, tenzomet cơ học được cấu tạo theonguyên lý khuyếch đại đòn bẩy hoặc hệ chuyền bánh răng khía; tenzomet quang học đượcthực hiện theo nguyên lý khuyếch đại tín hiệu bằng tia sáng; tenzomet âm học lại xuất phát

từ nguyên lý rung động của sợi dây căng

Tuy nhiên, dù được cấu tạo theo nguyên lý nào, khi dùng để khảo sát trạng thái biếndạng trên kết cấu công trình cần thoả mãn các yêu cầu sau:

- Cấu tạo đơn giản, số chi tiết dùng trong thiết bị ít nhất, kích thước gọn và trọnglượng nhẹ

- Tháo và lắp nhanh, dễ dàng, đảm bảo được ổn định và an toàn trong suốt quá trìnhthí nghiệm

- Độ nhạy cảm và độ chính xác cao, luôn có thể đáp ứng được yêu cầu đúng đắncủa số đo.

- Có khả năng đo các giá trị nằm trong khoảng đo rộng mà độ chính xác của số đọc

và kết quả đo không bị ảnh hưởng

- Chiều dài chuẩn đo thay đổi được liên tục

- Giá trị của đại lượng cần đo được chỉ thị trực tiếp ngay trên thiết bị, không đòi hỏiphải qua tính toán chuyển đổi

- Nhạy cảm với các ảnh hưởng của môi trường bé

2.2.1 Đồng hồ đo các chuyển vị lớn và phương pháp đo độ võng của kết cấu công trình

a/ Nguyên lý cấu tạo và chuyển động (h.2.1)

Hình 2.1 Cấu tạo đồng hồ đo chuyển vị lớn

a/ Cấu tạo hệ chuyển động b/ Cấu tạo mặt đồng hồ đo

Đồng hồ đo chuyển vị lớn kiểu đĩa quay được cấu tạo gồm ròng rọc (1) dùng đểtiếp nhận sự dịch chuyển hoặc độ võng của kết cấu nhờ một sợi dây thép nhỏ (6) vòng qua

nó Dây (6) là một sợi dây thép nhỏ có đường kính thiết kế 0,25 0,40mm; một đầu dây tự

do dùng để buộc vào điểm đo chuyển vị trên kết cấu và đầu dưới dây treo vào một qủanặng có trọng lượng từ 1 đến 3kG Cấu tạo chuyển động này sẽ biến chuyển vị thẳng trênkết cấu thành chuyển vị quay trên ròng rọc của đồng hồ đo Đĩa quay (2) được gắn cùngtrục với ròng rọc (1) Trên thành chu vi đĩa quay (2) được chia 100 khoảng đều nhau, giá trịmỗi khoảng chia tương ứng với 1mm chuyển vị thực tế Đĩa quay (2) sẽ truyền chuyểnđộng quay của ròng rọc (1) qua trục răng khía (3) bằng hệ chuyền răng khía có tỉ số chuyềnđộng 1/10; tức là khi ròng rọc (1) hoặc đĩa (2) quay một vòng thì trục (3) sẽ quay 10 vòng.Trục quay (3) được đặt thẳng góc với thành đĩa (2) và đầu mút của nó được gắn vào kim(4) Kim (4) quay trên mặt đồng hồ (5) có chia 100 vạch; giá trị mỗi vạch chia tương ứngvới 0,1mm

b/ Phương pháp lắp đặt đồng hồ đo

Hình 2.2 Sơ đồ đo độ võng

a/ Khi đo tại điểm cố định nằm ngoài kết cấu ; b/ Khi đo tại điểm chuyển vị trên kết cấu

Trên thực tế, khi đo chuyển vị hay độ võng của kết cấu công trình thường dùng haicách lắp đặt đồng hồ đo:

Cách 1(h 2.2a): đồng hồ đặt tại một vị trí cố định nằm trên phương chuyển vị của

kết cấu Đầu tự do của dây dọi (6) buộc chặt vào điểm chuyển vị trên kết cấu, sau đó vòngdây qua ròng rọc (1) và được kéo căng nhờ quả dọi (7) Cách đo này được dùng khi đochuyển vị của những kết cấu lớn đặt ở vị trí rất cao so với mặt bằng hoạt động như đo độvõng của kết cấu mái, đo sự dao động đầu đỉnh các tháp, trụ

Cách 2 (h 2.2b): đồng hồ đặt tại điểm đo chuyển vị trên kết cấu Đầu tự do của dây

dọi (6) gắn vào một điểm cố định ngoài kết cấu, sau đó vòng qua ròng rọc (1) của đồng hồ

đo và được kéo căng nhờ quả dọi (7) Cách đo này được dùng cho những kết cấu có nhịplớn, mặt bằng hoạt động ở ngay trên kết cấu như đo độ võng của các nhịp cầu

c/ Các đặc trưng cơ bản:

- Đồng hồ đo chuyển vị kiểu đĩa quay không hạn chế khoảng đo, cho nên có thể đo

độ võng của kết cấu nhịp lớn, độ lún của cọc móng

- Giá trị của vạch đo trên mặt đồng hồ là 0,1mm

- Có độ nhạy cảm và độ chính xác cao

2.2.2 Đồng hồ đo chuyển vị bé và phương pháp đo biến dạng tương đối

a/ Nguyên lý cấu tạo và chuyển động (h 2.3)

Thanh chuyển động (1) xuyên qua trục đồng hồ, trên một phần thanh có khía răngcưa; những răng khía đó khớp vào với bánh răng khía nhỏ (2) Bộ cấu tạo này nhằm mụcđích biến các chuyển vị thẳng của thanh chuyền động (1) thành các chuyển vị xoay trênbánh răng khía (2) Cùng quay trên một trục với bánh răng nhỏ (2) có bánh răng lớn (3);bánh răng lớn này dùng để chuyền và khuyếch đại chuyển vị xoay của bánh răng (2) đếntrục răng khía (4) nằm ở chính giữa đồng hồ; trên đầu trục (4) mang kim chỉ thị dài (5)

quay trên mặt đồng hồ chia độ có 100 vạch, giá trị mỗi vạch chia tương ứng với 0,01mmhoặc 0,001mm (còn gọi là bách phân kế hay thiên phân kế) Theo trình tự chuyển động,trục răng khía (4) quay kéo chạy bánh răng (6) và làm quay kim ngắn (7) gắn trên đầu trụccủa nó Kim ngắn chạy trên một vòng chia độ gồm 10 vạch và giá trị mỗi vạch tương ứngvới 1mm chuyển vị thẳng Ngoài ra trong đồng hồ còn có các lò xo để đưa các bộ phậnchuyển động của đồng hồ về vị trí ban đầu khi phép đo kết thúc.

Hình 2.3 Cấu tạo đồng hồ đo chuyển vị bé

a/ Hình dạng đồng hồ đo b/ Cấu tạo hệ thống chuyển động b/ Các đặc trưng cơ bản

Tuỳ theo yêu cầu về mức độ chính xác của đồng hồ đo, có thể chế tạo các bánhrăng khía theo những tỉ số chuyền động khác nhau để cho mỗi vạch đo trên đồng hồ có cácgiá trị tương ứng Với một hệ thống bánh răng khía chuyền động xác định sẽ cho đồng hồ

đo chuyển vị một cấp chính xác Hiện nay, những đồng hồ đo thông dụng có các giá trịvạch đo là 0,01 ; 0,02 ; 0,001 và 0,002mm

Khoảng chuyển vị lớn nhất đo được của đồng hồ thường bị khống chế bởi giá trịcủa vạch đo Cụ thể:

- Với loại đồng hồ 0,01 và 0,02 có khoảng đo từ 10 đến 50mm

- Với loại đồng hồ 0,001 và 0,002 có khoảng đo từ 5 đến 10mm

c/ Phương pháp lắp đồng hồ đo

Trên hình 2.4 giới thiệu bộ giá lắp đồng hồ đo chuyển vị bé Giá gồm một đế nặng(1), trên đó có trục đứng (3) có thể dịch chuyển vị trí dọc đế; trên trục đứng có bộ khớpquay (5) mang thanh (4) Nhờ khớp quay (5) nên thanh (4) có thể quay quanh trục của nó

và xoay quanh trục (3), đồng thời có thể dịch chuyển lên xuống và qua lại Đầu thanh (4)được nối với đồng hồ đo (6) bằng thanh (7) có khớp ở hai đầu Với cấu tạo bộ gá như trêncho phép có thể lắp đặt đồng hồ đo theo mọi phương cần thiết để đo chuyển vị của mộtđiểm bất kỳ trên đối tượng khảo sát

Hình 2.4 Giá lắp đồng hồ định hướng

d/ Các ứng dụng để đo biến dạng tương đối của vật liệu

d.1 Đo biến dạng tương đối trong những kết cấu có kích thước lớn, có cấu tạo vậtliệu không đồng nhất, có giá trị biến dạng lớn, có trường phân bố không biến dạng đều đặn

Khi khảo sát trạng thái làm việc của các kết cấu bê tông, các khối xây gạch đá ,thường dùng phương pháp đo biến dạng tương đối bằng đồng hồ đo chuyển vị thẳng với bộchi tiết cấu tạo kéo dài chuẩn đo (h 2.5) Tại vùng cần đo biến dạng trên kết cấu, xác định

một khoảng dài AB có kích thước L = 100 - 1000mm (chuẩn đo), trên 2 điểm A và B chôn hai chi tiết bằng kim loại làm hai gối cố định Đồng hồ đo chuyển vị được lắp trên gối A Dùng một thanh kim loại thẳng, nhẹ và cứng, có chiều dài tươn ứng với khoảng AB, chống một đầu vào mút thanh chuyển động của đồng hồ đo còn đầu kia vào gối tựa B Khi kết cấu biến dạng, vật liệu bị co giãn theo, đồng hồ đo sẽ chỉ thị giá trị độ co hoặc giãn dài l của phần vật liệu trong khoảng đo L Từ đó có thể xác định trị số biến dạng tương đối của vùng

Hình 2.5 Biện pháp đo biến dạng tương đối bằng đồng hồ đo chuyển vị bé

a/ Cấu tạo cơ học b/ Hình dạng tổng thể

d.2 Đo biến dạng trong những bản mỏng, thép hình, thép thanh có đường kính nhỏ,các loại dây kim loại, dây cáp có thể dùng thiết bị đo biến dạng bằng cách ghép một cặp

đồng hồ chuyển bị trên bộ giá kéo dài chuẩn đo Tiêu biểu cho loại này là thiết bị tenzometMK-3 (h.2.6)

Hình 2.6 Cấu tạo dụng cụ đo biến dạng đồng thời trên hai thớ vật liệu đối xứng.

Thiết bị được cấu tạo thành một bộ kẹp, hai má kẹp là hai phần tử đo biến dạngkiểu đồng hồ chuyển vị có chuẩn đo thay đổi được từ 3 đến 120mm Mỗi phần tử đo trên

má kẹp gồm: thân gá (1), trên thân có gắn hai lưỡi dao: một lưỡi cố định (2) và một lưỡi di

động (3) Lưỡi dao di động có hai phần đối xứng quanh quanh tâm quay O Đầu tự do của

lưỡi dao di động (3) tựa vào mút thanh chuyền động (5) của đồng hồ đo chuyển vị (4) Khi

kết cấu khảo sát bị biến dạng, kéo lưỡi dao (3) xoay một lượng bằng độ co hoặc giãn dài l của phần vật liệu nằm trong chuẩn đo L Vì dao (3) xoay quanh điểm O, nên đầu tự do của

dao sẽ quay một lượng tương ứng và đượcthanh chuyền động (5) tiếp nhận chỉ thị lên đồng

hồ chuyển vị (4) Đồng hồ chuyển vị được dùng trong dụng cụ MK-3 là loại có độ chínhxác 0,01mm Từ trị số chỉ thị trên đồng hồ xác định được giá trị biến dạng dài tương đốicủa vật liệu tại vùng đo của kết cấu

Bộ thiết bị gồm hai phần tử đối xứng, nên cùng một lúc sẽ cho hai giá trị biến dạngtrên hai thớ vật liệu đối xứng của đối tượng khảo sát hai số đo này cùng dấu nếu hai thớvật liệu đối xứng trên đối tượng đo cùng chịu kéo hoặc chịu nén và cùng một trị số biếndạng như nhau nếu trường phân bố ứng suất tại vùng đo đều đặn Điều này thường gặptrong các đối tượng chịu kéo hoặc chịu nén đúng tâm ngược lại, hai số đo nhận được sẽkhác dấu nhau trong trường hợp các đối tượng khảo sát làm việc chịu uốn

d.3 Đo biến dạng trên các đối tượng chịu nhiệt độ hoặc biến dạng thay đổi chậm rảitheo thời gian, biến dạng từ biến , thường dùng loại thiết bị không lắp cố định tại chỗ đogọi là comparator Thiết bị này chỉ lắp vào lúc cần lấy số liệu đo, sau đó được giải phóng

để thiết bị không bị ảnh hưởng nhiệt độ của môi trường cũng như không khai thác thiết bịtrong một thời gian quá dài

Loại thiết bị đo biến dạng kiểu không lắp cố định được thiết kế theo nguyên tắcdùng đồng hồ đo chuyển vị gắn vào bộ giá kéo dài chuẩn đo và được chế tạo theo các sơ đồsau:

- Sơ đồ đơn giản: Thiết bị cấu tạo theo sơ đồ đơn giản trình bày trên hình 2.7 Loại

thiết bị này được chế tạo giống hết như một phần tử đo trong một má của tenzomet kẹpnhưng ở đây đối tượng đo có thể có biến dạng nhỏ nên chiều dài chuẩn đo thường được kéodài từ 250 đến 500mm và đồng hồ đo chuyển vị có độ nhạy 0,001mm

Hình 2.7 Comparator cấu tạo theo sơ đồ đơn giản

Hình 2.8 Comparator cấu tạo theo sơ đồ phức tạp

- Sơ đồ phức tạp: Đây là loại thiết bị chuyên dùng có độ chính xác cao, để đo biến

dạng tương đối diễn biến trong thời gian dài trong kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

Cấu tạo của comparator gồm ống vỏ (1) được khoan nhiều lỗ trên thành ống để làmgiảm trọng lượng của thiết bị và cân bằng nhiệt thanh Trong ống đặt thanh (2), hai đầuthanh liên kết với hai lò xo lá (3) và (4) có chuyển vị dọc trục nhỏ Thiết bị tiếp xúc với bềmặt của kết cấu đo qua hai dao gối hình côn: dao (5) được gắn cố định trên ống vỏ và dao

(6) gắn trên thanh (2) và chìa ra ngoài vỏ máy qua lỗ khoét A Trên thanh (2) có đính thanh

côngxon (7) cũng chìa ra khỏi máy qua lỗ khoét B Trên thành ống vỏ thiết bị gắn cố địnhmột đồng hồ đo chuyển vị (8) với độ nhạy 0,001mm và để cho mút của thanh chuyển độngcủa đồng hồ đo tiếp xúc với thanh côngxon (7) Ngoài ra trên thiết bị còn có hai tay cầm(9) liên kết vào hai đầu vỏ máy (h.2.8)

Comparator chế tạo theo sơ đồ phức tạp này thường có hai loại với hai chiều dàichuẩn đo khác nhau là 250 và 500mm; với loại có chuẩn đo L=250mm cho giá trị mỗi vạch

đo trên đồng hồ là 4.10- 6 và với loại L=500mm là 2.10-6

- Cách đo với comparator Khi đo biến dạng tương đối trên kết cấu công trình bằngthiết bị này cần tiến hành những bước công việc sau:

+ Với các chiều dài chuẩn đo xác định trên dầm hiệu chỉnh gọi là “chiều dài chuẩn”

và trên kết cấu “chiều dài đo”, tiến hành dán từng cặp mốc đo biến dạng có khoảng cáchtương ứng giữa hai dao tiếp xúc của thiết bị đo Mốc đo là các mảnh kim loại không rỉ,hình tròn đường kính 8-10mm, chính giữa tâm có vết lõm hình chóp nón, đây là điểm tiễpxúc của các dao trên thiết bị với bề mặt kết cấu đo (h.2.7)

- Dùng comparator để đo khoảng cách giữa hai mốc trên dầm hiệu chỉnh sẽ đượckích thước “chiều dài chuẩn” L1;

- Sau đó, cũng thiết bị đó tiến hành đo khoảng cách giữa hai mốc trên kết cấu sẽ

được kích thước “chiều dài đo” L 2 Nếu khoảng cách các mốc dán trên dầm hiệu chỉnh và

trên kết cấu bằng nhau thì L 1 =L 2 , nhưng nếu khác nhau thì ta có độ lệch L 1 =L 2 -L 1 ;

- Khi kết cấu chịu tác dụng của tải trọng, vật liệu bị biến dạng; tiến hành phép đokhoảng cách giữa hai mốc trên kết cấu sau khi biến dạng sẽ nhận được giá trị chiều dài đo

mới L ’

2 ; so sánh chiều dài đo L ’

2 với chiều dài chuẩn L 1 ta có độ giãn quy ước L 2 =L ’

2 -L 1 ; Hiệu số giữa L 2 vàL 1 sẽ cho độ co giãn của vật liệu trên kết cấu do tải trọng tácdụng gây ra:

Từ đó cho thấy, đo biến dạng bằng comparator không cần thiết phải xác định chiềudài chuẩn và chiều dài đo của kết cấu Chỉ cần xác định hiệu số chiều dài đo trên kết cấu

với chiều dài chuẩn ban đầu trước lúc gia tải (L 1 ) và sau lúc gia tải (L 2 ) sẽ xác định được

độ giãn dài L của vật liệu trong vùng khảo sát Để loại trừ ảnh hưởng nhiệt độ của môi

trường đến kết quả đo, phép đo các chiều dài chuẩn và chiều dài đo cần tiến hành trong mộtchế độ như nhau

2.2.3 Tenzomet cơ học

Tenzomet cơ học là loại dụng cụ đo biến dạng từng điểm rời rạc được dùng phổbiến khi khảo sát trạng thái biến dạng tĩnh của kết cấu công trình; vì chúng có cấu tạo đơngiản, độ chính xác cao và ổn định trong quá trình đo Trong đó, đặc trưng nhất là loạitenzomet đòn bẩy

a/ Nguyên lý cấu tạo và chuyển động của tenzomet đòn bẩy

Tenzomet là một hệ thống các đòn bẩy cơ học được lắp ghép trên mọt thân đứng (1)nhằm mục đích khuếch đại nhiều lần lượng đo Tenzomet đòn làm việc trên bề mặt kết cấuqua hai gối dao; gối dao cố định (2) và gối dao di độg (30 Gối dao (3) là cánh tay đòn ngắncủa đòn bẩy (4) Chuyển động của gối dao (3) được chuyền đến đầu mút đòn (4) và dịchchuyển này sẽ chuyền đến kim chỉ thị (6) qua thanh chuyền (5) Kim (6) xoay quanh điểm

cố định O trên thân đứng; đầu mút kim chạy trên mặt chia độ (7) gắn trên thên của dụng cụ

đo (h 2.9)

Hình 2.9 Cấu tạo tenzomet đòn bẩy

a/ Hình dạng tổng thể; b/ Sơ đồ hệ chuyển động và khuếch đại

Dưới tác dụng của tải trọng, các thớ vật liệu của kết cấu có chiều dài bằng chuẩn đo

L của tenzomet bị co giãn một đoạn L và kéo đỉnh dao di động (3) chuyển dịch theo; đoạn

co giãn L này được phóng đại lần thứ nhất thành  tại đầu mút của đòn bẩy (4) Độ phóng

đại phụ thuộc tỉ lệ cấu tạo giữa chiều cao m của gối dao di động (3) với chiều dài n của đònbẩy (4) Ta có:

(2.2)

m

n L







Đoạn dịch chuyển  được chuyền đến điểm C trên kim (6) nhờ thanh (5).

Lúc này đoạn  lại được phóng đại một lần nữa trên đầu mút kim (6) Hệ số khuếch đại

lần thứ hai bằng tỉ số giữa chiều dài S của kim (6) và khoảng cách r từ điểm C trên kim đến tâm quay O

(2.3)

Đặt K là hệ số khuếch đại của tenzomet, ta có:

(2.4)

Hệ số K phụ thuộc vào kích thước cấu tạo của hệ thống đòn bẩy cơ học của

tenzomet và thông thường bằng 1000-1200 Bảng chia độ (7) trên dụng cụ có 50 vạch, giátrị mỗi vạch đo tương ứng với độ gian 1micron Temzomet đòn có cấu tạo chuẩn đo cốđịnh 20mm; khi cần thay đổi chuẩn đo, lắp thêm bộ phận kéo dài chuẩn đo đến 100 và200mm

b/ Các đặc trưng cơ bản và ưu nhược điểm

- Giá trị một vạch đo trên dụng cụ: 1.10-3

Tenzomet đòn bẩy có cấu tạo đơn giản, trọng lượng không lớn, độ chính xác cao.Tuy nhiên, xét từ cấu tạo còn tồn tại những nhược điểm như:

- Vật liệu đòn, các chi tiết dễ hỏng

- Liên kết các bộ phận chuyển động là liên kết bản lề không hoàn toàn, dễ bị xộcxệch khi tháo lắp;

- Không đo được biến dạng động

- Không sử dụng được ngoài trời mưa nắng

2.2.4 Tenzomet quang học

Tenzomet quang là loại dung cụ đo biến dạng tương đối của vật liệu dựa trênnguyên tắc khuếch đại tín hiệu bằng hệ thống quang học Các dụng cụ đo này rất dễ dạngđạt được độ nhạy cảm cao khi đo biến dạng tĩnh

Loại dụng cụ đo biến dạng này có hệ thống kính quang học là các tenzomet phảnchiếu gương phẳng

a/ Sơ đồ cấu tạo và chuyển động của tenzomet phản chiếu gương phẳng

Tenzomet gồm ống vỏ (1), trên thành ống, ở đấy có một gối dao cố định (2) Trong

ống vỏ đặt mọt vật kính (3) có tiêu cự f; tại tiêu điểm của vật kính đặt mọt tấm kính mờ (6);

trên đó có các vạch chia độ và để rọi sáng các vạch chia này cần có lăng kính (7) Vỏ ốngđược tựa lên gối dao di động (5); có chiều cao là m một gương phẳng (4) được gắn chặt vàcùng xoay với gối dao di động (5) Ngoài ra, đầu trên của ống vỏ (1) còn được lồng vàomột ống khác, trong đó mang thị kính (8); thị kính dùng để đọc độ lệch của ảnh vạch chianằm trên màn ảnh kính mờ (6)

r

S m

n L r

K 

Hình 2.10 Tenzomet quang học

a, b / Cấu tạo Tenzomet quang học c/ Bảng chỉ thị số đo trong Tenzomet

Với hệ thống kính quang học nayg, ánh sáng bên ngoài sẽ qua lăng kính (7) rọi sángcác vạch chia độ (vật) trên tấm kính mờ (6), rồi chuyền qua vật kính (3) và đến gươngphẳng (4); tia sáng đến gương được phản chiếu trở lại để tạo ảnh của các vạch chia lên kính

mờ (6) ảnh của các vạch chia bị lệch một khoảng X do gương phẳng bị quay nghiêng.

Gương quay do đỉnh gối dao di động (5) dịch chuyển khi vật liệu trên kết cấu khảo sát bị

biến dạng Đọc giá trị độ lệch X của vạch chia trên kính mờ nhờ một vạch mốc cố định trên

Cuối cùng ta có:

(2.7)

Gọi K là hệ số khuếch đại của tenzomet:

(2.8)Trong đó: f: tiêu cự của vật kính

m: chiều cao của gối dao di động

L: độ giãn dài của vật liệu b/ Các đặc trưng cơ bản

X  2 

m f

K 2

- Chiều cao toàn bộ của tenzomet: 145mm;

- Số vạch chia trên thang đo: 160 vạch với vạch 0 ở chính giữa;

- Khoảng cách của vạch chia: 1,25mm biểu thị một lượng biến dạng vật liệu là1micron

- Hệ số khuếch đại: K = 1250.

2.2.5 Tenzomet dây rung:

Dụng cụ đo biến dạng kiểu dây rung dựa trên cơ sở quan hệ giữa tần số dao độngriêng của sợi dây với lực kéo căng trong dây

Tần số dao động riêng f của sợi dây căng phụ thuộc vào chiều dài l của dây, độ chặt

p của vật liệu làm dây, ứng suất căng  trong dây được xác định theo công thức:

(2.9)

Khi dây được căng và giữ chặt trên bề mặt của kết cấu thì khi kết cấu bị biến dạng

do tải trọng ngoài tác dụng, dây sẽ bị kéo căng thêm và do đó tần số dao động ngang củadây cũng thay đổi theo Dựa vào sự thay đổi tần số dao động trước và sau lúc kết cấu bịbiến dạng, có thể xác định được trị số ứng suất trong dây và từ đó xác định được:

(2.10)trong đó: E - mođun biến dạng của vậ liệu dây căng;

f 1 và f 2 - tần số dao động ngang của dây căng trước và sau lúc kết cấu bị biến dạngTenzomet dây rung được chế tạo theo nguyên lý trên (h 2.11a)

a/ Sơ đồ cấu tạo và chuyển động của các loại tenzomet dây rung

- Loại dùng để đo biến dạng trên bề mặt kết cấu có: giá hình chữ L (1), mút dưới

của giá có dạng gối dao cố định (2), mút trên của giá dựa vào gối dao di động (3) Nối liềnchân cố định (2) và chân di động (3) bằng một sợi dây thép căng (4) Trên dây căng ở chínhgiữa đặt một nam châm điện nhỏ (5) nhằm tạo nên những xung điện làm rung dây căng, khicần xác định tần số riêng của dây Tần số riêng của dây rung được xác định nhờ bộ đếm tần

dạng, khoảng cách L giữa hai đĩa cứng thay đổi và sẽ làm thay đổi lực căng trong dây Đo

tần số dao động riêng của dây lúc trước và sau khi thay đổi vị trí các đĩa cứng, có thể tínhbiến dạng tương đối của vật liệu theo công thức (2.10)

p l

2

2 2

2

f f E

pl





Hình 2.11 Tenzomet dây rung

a/ Sơ đồ nguyên lý ; b/ Cấu tạo kiểu đo mặt ngoài ; c/ Cấu tạo kiểu đo sâu

2.2.6 Tenzomet cảm biến điện trở

a/ Khái niệm chung

Tenzomet cảm biến điện trở (còn được gọi là các tấm đát-trích) là một công cụ đođược sử dụng rộng rãi, cho độ chính xác cao khi tiến hành khảo sát tham số biến dạng dàitương đối của nhiều loại vật liệu khác nhau

Tenzomet cảm biến điện trở giữ một vai trò quan trọng khi xác định trạng thái ứngsuất - biến dạng và khảo sát quá trình làm việc của vật liệu và kết cấu do có các tính chấtsau đây:

- Đo được những biến dạng nhỏ 10 -5 - 10-6 đến các biến dạng rất lớn của vật liệukhi làm việc ngoài trạng thái đàn hồi

- Đo biến dạng tĩnh, động, xung kích, biến dạng trong những vùng có tập trung ứngsuất cao

Đo biến dạng trong những môi trường và chế độ khắc nghiệt (nhiệt độ cao 75

-1075oK ; áp lực cao 80 - 1000 Mpa ; môi trường xâm thực, phóng xạ, nổ )

- Đo được biến dạng phân tán theo nhiều phương

- Có nhiều loại kích thước chuẩn đo thích hợp, từ rất nhỏ 0,25mm đến rất lớn 1200mm

1000 Có độ cứng riêng và trọng lượng bản thân bé

- Có thể tiến hành với số lượng lớn điểm đo trên một kết cấu trong khoảng thời gianngắn

- Đảm bảo độ chính xác cao cho kết quả đo

- ứng dụng để đo được nhiều tham số cơ học khác như trọng lượng, lực, chuyển vị Tenzomet cảm biến điện trở được tạo thành từ hai bộ phận cơ bản:

- Các phần tử cảm biến điện trở được dán chặt trên bề mặt của vật liệu để cảm thụtrực tiếp các biến đổi của đối tượng.

- Hệ thống máy đo tín hiệu, khuếch đại và chỉ thị Bộ phận chỉ thị kim đo tĩnh cóthể là đồng hồ, đèn số; khi đo biến dạng động có thể ghi được nhờ các dao động ký, băng

từ, máy tính (h 2.12)

Tấm cảm biến điện trở Hệ thống máy đo, khuếch đại và chỉ thị

Hình 2.12 Sơ đồ cấu tạo tenzomet cảm biến điện trở

- Cảm biến dây tiết diện dẹt được thiết kế và chế tạo bằng phương pháp thăng hoa.Dùng những tờ giấy bằng vật liệu constantan hoặc nicronm có giá trị điện trở suất cao vàchiều dày không quá 4 - 6micron; trên mặt tờ giấy phủ một lớp keo mỏng, sau khi lớp keophủ khô, tiến hành áp sát bề mặt không phủ keo của tờ giấy vào tấm kính phim thu âm bản

đã thu nhỏ đúng kích thước yêu cầu hình ảnh của các tấm cảm biến Rọi ánh sáng trắng quabản phim chụp để in hình các tấm cảm biến lên tờ giấy hợp kim; sau đó cho tờ giấy điện trởvào một dung dịch hoá chất ăn mòn để làm hoà tan phần vật liệu do tấm phim che khôngcho ánh sáng lọt qua và giữ lại trên lớp keo những phần vật liệu có ánh sáng lọt vào Kếtquả ta có được một phần tử cảm biến điện trở dây dẹt trên nền keo (h 2.13)

Nhờ phương pháp chế tạo này nên các tấm cảm biến điện trở dây dẹt có nhiều ưuđiểm hơn loại dây tiết diện tròn:

+ Chế tạo được các phần tử có kích thước dây chính xác và khoảng cách phân bốđều đặn

+ Có nhiều loại hình dạng cấu tạo theo đòi hỏi của kỹ thuật đo

+ Độ nhạy cảm theo phương ngang của phần tử đo rất nhỏ, nên không làm ảnhhưởng đến kết quả đo

+ Tiết diện dẹt (hình chữ nhật) nên bề mặt tiếp xúc và dính kết lớn hơn với côngtrình

c/ Nguyên lý làm việc và hệ số nhạy cảm của các tấm cảm biến điện trở

Phương pháp đo biến dạng tương đối bằng các tấm cảm biến điện trở dựa trên mốiquan hệ giữa sự thay đổi trị số điện trở với độ giãn dài của dây dẫn

Điện trở của một dây dẫn phụ thuộc vào chiều dài l và tiết diện S của dây cũng như điện trở suất p của vật liệu dây dẫn theo quan hệ sau:

(2.11)

Khi kết cấu bị biến dạng, đoạn dây điện trở biến dạng theo trên chiều dài l với độ dãn dài tương đối là dl/1; diện tích tiết diện ngang của dây cũng bị thay đổi theo một lượng tương đối là dS/S; đồng thời điện trở suất của vật liệu dây p cũng biến thiên một giá trị tương đối dp/p Sự thay đổi tương đối về diện tích tiết diện ngang dS/S của dây có liên quan đến độ giãn dài dl/l Do diện tích tiết diện ngang của dây là S = r 2 và vi phân của S theo r bằng dS= 2r dr nên:

(2.12)

trong đó: dr/r - biến dạng tương đối theo phương vuông góc với chiều dài dây dẫn

gọi là biến dạng ngang tương đối

Giữa biến dạng ngang tương đối dr/r và biến dạng tương đối dl/l theo phương dọc

trục của dây dẫn có sự liên hệ thông qua hệ số Poison ; vì thế ta có:

(2.13)

Sự thay đổi tương đối về kích thước chiều dài dl/l, về tiết diện ngang dS/S của dây dẫn và về điện trở suất của vật liệu dây dp/p sẽ làm thay đổi giá trị tương đối về điện trở của dây dR/R.

S

l p

R 

r

dr r

rdr S

dr S

Đại lượng dR/R được xác định bằng phép tính vi phân toàn phần của liên hệ (2.11):

hay

(2.14)

Từ liên hệ (2.14) suy ra:

(2.15)Gọi d là hệ số nhạy cảm của dây điện trở:

(2.16)Theo (2.15) , ta có:

(2.17)

trong đó = d//l

Hệ số nhạy cảm  d của một đoạn dây điện trở thẳng là tỉ số giữa sự thay đổi điện trở dR/R và độ giãn tương đối của chiều dài dl/l.

Giá trị của hệ số nhạy cảm d sẽ nhận được bằng phương pháp hiệu chỉnh

thực nghiệm trên một dầm chuẩn chịu uốn

Như vậy, số gia của điện trở R trong quá trình dây bị biến dạng được xác

định bằng liên hệ sau:

(2.18)Một tấm cảm biến điện trở hoàn chỉnh sẽ gồm những phần dây căng theophương dọc (I) và những phần dây nămg theo phương ngang (II) cho nên số gia điện trởcủa một tenzo cảm biến điện trở sẽ là:

(2.19)đặt:

(2.20)

ta có:

l

dl p

dp l

dl S

dS p

dp l

dl R dR

dS S

pl dp S

l dl S

p dR

 2

l dl p

dp l

dl R

) / (

l dl p

dp l

dl

R dR

(2.21)Thông thường d / n = 0,012 0,02 khi cảm biến điện trở có chuẩn đo l >10mm.

Trị số n có thể giảm nếu như các phần dây ngang có diện tích tiết diện lớn hơn cácphần dây dọc Điều này đã được thực hiện trong quá trình chế tạo các tấm cảm biến điệntrở dây dẹt

Hệ số nhạy T của các tấm cảm biến điện trở còn chịu ảnh hưởng của thành phần

biến dạng ngang, tính chất của vật liệu lớp nền và keo dán Vì thế, để kể đến các yếu tốtrên, giá trị của hệ số nhạy T sẽ được xác định qua kết quả hiệu chỉnh bằng thực nghiệmtrên dầm chuẩn khi biết trước chính xác giá trị biến dạng tương đối phát triển trong dầm

Hệ số T còn thay đổi khi chiều dài chuẩn đo l của các tấm cảm biến có giá trị khác nhau.

d/ Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến độ chính xác của phép đo

Khi nhiệt độ của môi trường đo thay đổi sẽ làm ảnh hưởng đến tính chất vật liệucủa dây cảm biến, đặc biệt làm thay đổi trị số điện trở suất của vật liệu, kích thước hìnhhọc của dây; đồng thời sẽ ảnh hưởng đến tính chất của lớp keo dán và cuối cùng làm thayđổi điện trở của tấm cảm biến Tất cả những yếu tố đó dẫn đến sự sai lệch trị số điện trởtrong các tám cảm biến và phép đo sẽ cho những kết quả đo không phản ánh đúng giá trịbiến dạng thực tế cần khảo sát vì trong số đo nhận được có cả giá trị biến dạng do sự thayđổi nhiệt độ của môi trường

Tính toán và đo đạc thực tế cho thấy, với các tấm cảm biến điện trở bằng dây

constantan dán vào một chi tiết bằng thép, khi nhiệt độ của môi trường tăng lên t = 1oC

sẽ làm thay đổi trị số điện trở R của dây một lượng là R tương đương với giá trị ứng suất

cơ học 7,5kG/cm2 Giá trị ứng suất này là đáng kể, cho nên trong quá trình tiến hành đo cácbiến dạng cơ học bằng các tenzomet cảm biến cần thiết phảo tìm biện pháp loại trừ ảnhhưởng nhiệt độ của môi trường đến phép đo

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tấm cảm biến chủ yếu thông qua hai đại lượng sau:

- Do sự thay đổi điện trở suất p của vật liệu dây

(2.22)

Sự thay đổi đại lượng này của vật liệu sẽ làm thay đổi trị số điện trở trongtấm cảm biến Ta có:

(2.23)trong đó: ’ - hệ số biến đổi điện trở của vật liệu do nhiệt độ

- Do sự thay đổi chiều dài l của dây điện trở

Độ giãn dài cơ học l do nhiệt độ môi trường phụ thuộc vào sự chênh lệch hệ số

giãn nở nhiệt 2 của vật liệu dây cảm biến và 1 của vật liệu đối tượng khảo sát Sự phụthuộc đó được biểu diẫn như sau:

p  

 '

t R

Rp  

t l

 (1 2)

t R

 1  (1 2)

Cuối cùng, giá trị điện trở trong dây cảm biến sẽ thay đổi trong quá trình chịu ảnhhưởng nhiệt độ của môi trường được tính toán như sau:

(2.36)ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến kết quả phép đo được khắc phục bằng biệnpháp dùng trong hệ thống đo một hoặc nhiều tấm cảm biến bù nhiệt

e/ Xác định giá trị biến dạng tương đối của tấm cảm biến điên trở

Từ liên hệ (2.21) có thể biểu diễn độ nhạy cảm của tấm cảm biến bằng:

(2.37)

Từ đó, giá trị biến dạng của tấm cảm biến sẽ là: (2.38)

Để tìm được giá trị biến dạng tương đối, ngoài hệ số nhạy cảm T được xác định

bằng phương pháp hiệu chỉnh thực nghiệm, còn cần phảo đo trị số biến thiên điện trở R hay R/R xảy ra trong tấm cảm biến.

Trị số của R/R trong thực tế lớn nhất chỉ đạt đến 1,5%, cho nên để xác định lượng biến thiên R/R trong kỹ thuật đo lường các đại lượng điện thường dùng cầu đo

Wheatstone

e.1 Nguyên tắc đo của cầu Wheatstone

Hình 2.1.4 thể hiện sơ đồ cầu đo gồm bốn điện trở R 1 , R 2 , R 3 và R 4 nối với nhauthành bốn nhánh cầu 1-2, 2-3, 3-4, 4-1 Các điểm 1-3 nối với nguồn cung cấp; trên đườngchéo 2-4 đặt một đồng hồ đo dòng hay đo điện thế Khi thực hiện được trên cầu đo điềukiện:

R 1 R 3 = R 2 R 4

(2.29)thì sẽ nhận được cầu cân bằng và khi đó, trên đường chéo 2-4 sẽ không có dòng

điện I g chạy qua

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý cầu đo Hình 2.15 Sơ đồ đo cầu lệch

Trường hợp ngược lại, không thực hiện được điều kiện cân bằng trên thì trong

đường chéo 2-4 sẽ xuất hiện dòng điện I và có giá trị bằng:

R R R

Nguyên tắc này được dùng để chế tạo các thiết bị đo giá trị biến thiên điện trở R/R

trong các tấm cảm biến khi đo biến dạng

e.2 Phép đo sự biến thiên điện trở R/R bằng phương pháp lệch cầu (h 2.15) Trên cầu đo dùng hai điện trở không đổi R 1 , R 2 có cùng một trị số điện trở và có độ

chính xác cao tạo thành nửa cầu trong, đặt cố định trong máy đo Thay hai điện trở R 3 và R 4

bằng hai phần tử tenzo cảm biến R a và R c ban đầu có cùng trị số điện trở như nhau

R a - tenzo cảm biến dùng để đo biến dạng trên kết cấu khảo sát

R c - tenzo cảm biến dùng để khử ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường trong quá trìnhđo

Hai tenzo cảm biến R a và R c tạo thành bán cầu ngoài và có thể thay đổi tuỳ ý

Trước khi tiến hành đo, thực hiện trên cầu điều kiện cân bằng ban đầu:

(2.31)

Khi vật liệu của kết cấu bị biến dạng, điện trở R a của phần tử cảm biến dán trên kết

cấu thay đổi một lượng R a; lúc đó sự cân bằng ban đầu của cầu đo bị phá hoại và lập tức

trong đường chéo OB của cầu xuất hiện dòng điện I g bằng

(2.32)với

Khai triển biểu thức (2.32), có chú ý xét đến điều kiện cân bằng ban đầu R 2 R a =

R 1 R c và bỏ lượng vô cùng bé Ra ở mẫu số, ta có:

)(

)(

))(

(

)(

2 1 4 3 4 3 2 1 4 3 2 1

4 2 3 1

R R R R R R R R R R R R R

R R R R U I

g g

()

(

)(

2 1

* 2 1

* 2 1

2 1

R R R R R R R R R R R R

R R R R R U

I

a a c g

a a c

R

R*    

) (

) (

) )(

2

R R R R R R R R R R R R R

R R U I

c a c a c

a g

a g

a a g a a

a

R f R

R R R R R R

U I

12

tuyến tính đó có thể bỏ qua và có thể xem sự thay đổi của dòng I g phụ thuộc tuyến tính vào

sự thay đổi của điện trở trong nhánh cầu R a

Đo sự biến thiên R a /R a qua dòng điện I g trên đường cheo OB gọi là phương pháp

đo trực tiếp hay phương pháp đo lệch cầu

Phương pháp đo lệch cầu tồn tại một nhược điểm là cường độ dòng điện I g trongđường chéo của cầu không những chỉ phụ thuộc vào sự biến thiên điện trở của tenzo cảm

biến R a mà còn phụ thuộc vào giá trị điện áp U trên đường chéo AC, vì thế, độ chính xác

của phép đo còn phụ thuộc trực tiếp vào sự ổn định của nguồn cung cấp cho cầu đo Ngoài

ra, để đảm bảo độ chính xác của phép đo, đồng hồ đo cường độ dòng I g thường phải dùngthang đo hẹp Vì thế, phương pháp lệch cầu không cho khả năng đo các biến dạng lớn Đểkhắc phục những nhược điểm đó, trong thực tế thường dùng phương pháp đo cân bằng cầu

e.3 Phép đo sự biến thiên điện trở R a /R a bằng phương pháp cầu cân bằng

Sơ đồ cầu đo theo phương pháp cầu cân bằng về cơ bản vẫn như trường hợp đo cầu

lệch; nhưng ở đây cần tách điểm B ra và nối vào đó một biến trở có trị số điện trở 2R r Với

sơ đồ cấu tạo cầu đo như vậy, khi mở cầu, trạng thái cân bằng cầu sẽ tương ứng với vị trícon chạy trên biến trở nằm chính giữa để chia biến trở thành hai phần có trị số điện trở

bằng nhau là R r (h.2.16) Lúc này điều kiện cân bằng ban đầu của cầu đo có thể viết:

(2.35)

Nếu lúc đó, giá trị điện trở trên tenzo cảm biến R a biến thiên một lượng R a do kết

cấu bị biến dạng thì trạng thái cân bằng ban đầu của cầu đo bị phá; muốn thành lập điềukiện cân bằng mới tương ứng, cần phải dịch chuyển con chạy trên biến trở để thay đổi điện

trở trên hai nhánh cầu trong AB và BC Giả sử dịch chuyển con chạy trên biến trở đi một lượng R r thì thành lập được trạng thái cân bằng mới tương ứng của cầu Từ đây ta có thểviết điều kiện cân bằng mới như sau:

(2.36)Khai triển biểu thức (3.26), có kể đến điều kiện cân bằng ban đầu, ta có:

(2.37)

Từ đó ta có:

(2.38)

Thông thường R a rất nhỏ so với tổng số điện trở của hai tenzo cảm biến (R a + R c),

nên lượng biến thiên điện trở R r trên biến trở sẽ tỉ lệ thuận với trị số điện trở biến thiên

của tenzo cảm biến R a

Phương pháp đo cầu cân bằng cho độ chính xác cao, vì lúc cầu cân bằng dòng điện

Ig trên đường chéo OB bằng không, và lúc đó sự thay đổi điện áp nguồn cung cấp không

) (

) )(

(R a  R a R2R r  R r R c R1R r  R r

) (

a r r

R R R

R R R R

r

R R

R R

ảnh hưởng đến kết quả của phép đo Ngoài ra, giá trị đo không bị hạn chế bởi khoảng đonhỏ của đồng hồ đo.

Hình 2.16 Sơ đồ đo cầu cân bằng Hình 2.17 Sơ đồ đo thực tế của tenzomet điện trở

g/ Sơ đồ các máy đo thực tế với nhiều điểm đo biến dạng tương đối

Hình 2.17 trình bày sơ đồ cấu tạo thực tế của cầu đo theo nguyên tắc cầu cân bằng.Khi dùng các tenzo cảm biến điện trở đo biến dạng, người làm thí nghiệm chỉ cần chuẩn bịcác tenzo cảm biến của hai nhánh cầu ngoài gồm:

- Các tenzo cảm biến điện trở R a nối song song với nhau trên nhánh cấu OA, dùng

để đo biến dạng tại các điểm khảo sát Chỉ số điện trở của các tenzo cảm biến R a cần chọnxấp xỉ như nhau, thường chỉ cho phép chênh trong khoảng 0,25 Ohm

- Các tenzo cảm biến điện trở R c cũng được nối song song với nhau trên nhánh cầu

OC và dùng làm các điện trở bù nhiệt (có tác dụng khử ảnh hưởng nhiệt độ của môi trường trong phép đo) Các điện trở bù nhiệt R c cần được dán trên vật liệu của kết cấu và nằmtrong môi trường làm việc của kết cấu; cho nên sẽ phải dán trên những vùng kết cấu khônglàm việc hoặc trên các miếng vật liệu của kết cấu, rồi đặt trong môi trường thí nghiệm Chỉ

số điện trở của mỗi tenzo cảm biến bù nhiệt cần chọn bằng chỉ số điện trở của từng chiếc

tenzo R a hoặc từng nhóm tenzo R a có cùng điện trở như nhau Trường hợp đơn giản nhất là

chọn tất cả các tenzo cảm biến đo R a dán trên kết cấu khảo sát có cùng một trị số điện trởbằng nhau thì trong phép đo chỉ cần một tenzo cảm biến bù nhiệt Rc là đủ

h/ Phương pháp hiệu chỉnh thực nghiệm tenzo cảm biến điện trở và xác định hệ số nhạy cảm  r

Việc hiệu chỉnh thực nghiệm các tenzo cảm biến điện trở xác định hệ số nhạy cảm

r được tiến hành trên dầm chuẩn bằng thép có trị số biến dạng dài tương đối ở mặt ngoài

không đổi o khi có tải trọng tác dụng Các tenzo cảm biến điện trở cần xác định hệ số nhạycảm r được dán chặt lên bề mặt dầm, tại vùng có trị số biến dạng dài không đổi o và đượcxác định chính xác theo các đặc trưng hình học và độ võng của dầm chuẩn

i/ Nguyên tắc cơ bản để chọn các tenzo cảm biến điện trở

Việc chọn lựa tenzo cảm biến điện trở cần phải xuất phát từ nhiệm vụ của phép đo

và cần đặc biệt quan tâm đến cấu tạo hình dạng hình học và cấu trúc của vật liệu cần đo

Khi đo biến dạng tương đối bằng tenzo cảm biến điện trở thì độ chính xác của phép

đo chịu ảnh hưởng trực tiếp ngay từ các tấm cảm biến Vì thế, việc chọn lựa các tấm cảm

biến điện trở phù hợp để đo biến dạng là rất cần thiết và có thể tiến hành trên những cơ sởsau:

1 Tại những vùng kết cấu có trạng thái ứng suất phức tạp, nên dùng các loại tấmcảm biến có độ cứng theo phương ngang lớn, nhằm mục đích giảm độ nhạy cảm của tenzocảm biến với thành phấn biến dạng ngang, vì tại vùng này các thành phần biến dạng theomọi hướng có thể không khác nhau đáng kể

2 Khi khảo sát quy luật phân bố ứng suất biến dạng trong những vùng chật hẹp củakết cấu, cần dùng loại tenzo cảm biến nhiều phần tử và chuẩn đo nhỏ Trong trường hợpnày, tốt nhất sử dụng các tenzo cảm biến chuyên dùng loại dây dẹt có ba hoặc bốn phần tửghép

3 Đối với các loại vật liệu có bề mặt nhám, gồ ghề như vật liệu gạch đá, vữa, bêtông hoặc kim loại rót nên dùng loại phần tử cảm biến có lớp nền bằng giấy hoặc keodày từ 100 đến 150micron Ngược lại, với những bề mặt vật liệu nhẵn, sạch nên dùng loạitenzo cảm biến có lớp nền càng mỏng càng tốt, thường là loại nền keo có chiều dày từ 40đến 60 micron

4 Khi đo biến dạng trên những vật liệu hỗn hợp nhiều thành phàn, độ đồng nhấtthấp, cần dùng các phần tử cảm biến có chiều dài chuẩn đo lớn; nhưng đối với các vật liệu

có cấu tạo tinh thể, có độ đồng nhất cao thì có thể dùng loại có chiều dài chuẩn đo càngnhỏ càng thích hợp

5 Đo biến dạng của các loại vật liệu có trị số môđun biến dạng thấp và nhỏ hơn10.000kG/cm2 nhất thiết phải dùng các tenzo cảm biến có số dây ít và dây mảnh

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỦ YẾU TRONG THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU VÀ THÍNGHIỆM CÔNG TRÌNH

3.1 Đặt vấn đề

Yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đầu tiên đến chất lượng, khả năng làm việc và tuổi thọcủa công trình là chất lượng của vật liệu sử dụng Chất lượng đó được thể hiện qua giá trịcủa các loại cường độ giới hạn, biến dạng giới hạn, môđun đàn hồi, tính chất và số lượngcác khuyết tật đã tồn tại hoặc xuất hện mới trên công trình trong quá trình thi công và khaithác

Các đặc trưng về cường độ biến dạng cũng như các khuyết tất của vật liệu là những

số liệu và thông tin cần thiết cho cả quá trình thiết kế, chế tạo thi công và khai thác sử dụngcông trình Để có khả năng thấu hiểu sự làm việc của công trình, trước tiên phải tiến hànhxác định và đánh giá chất lượng của vật liệu

Hiện nay trong kỹ thuật xây dựng, việc khảo sát và xác định các đặc trưng cơ bảncủa vật liệu bằng thí nghiệm thường được thực hiện theo hai phương pháp cơ bản làphương pháp phá hoại mẫu và phương pháp thí nghiệm không phá hoại

3.2 Phương pháp phá hoại mẫu

Vật liệu khảo sát đã có sẵn hoặc lấy ra từ công trình được chế tạo thành các mẫuthử Hình dạng và kích thước của mẫu thử được xác định tuỳ theo:

- Cấu tạo vật liệu

- Mục đích thí nghiệm

- Các quy định trong tiêu chuẩn

Các mẫu vật liệu được đưa vào máy thí nghiệm tương ứng với trạng thái làm việccủa vật liệu (kéo, nén, uốn, xoắn), cho chịu tác dụng của lực ngoài có giá trị tăng dần theotừng cấp cho đến lúc mẫu bị phá hoại hoàn toàn Dưới tác dụng của lực ngoài, vật liệu

trong mẫu thử sẽ bị biến dạng tương ứng với trị số của ứng suất do các cấp lực tác dụnggây ra trong mẫu Tương ứng với mỗi giá trị của ứng suất, dùng các dụng cụ đo để đo trị sốbiến dạng tương đối trong vật liệu của mẫu thử Các cặp trị số của ứng suất và biến dạngtương đối nhận được trong quá trình thí nghiệm phá hoại mẫu cho phép xây dựng mộtđường cong biểu diễn quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu khảo sát và được gọi

là biểu đồ đặc trưng của vật liệu, bởi vì qua đồ thị này có thể xác định được các đặc trưng

cơ - lý của vật liệu khảo sát

Biểu đồ vật liệu ( - ) nhận được qua quá trình thí nghiệm phá hoại mẫu thử

thường là biểu diễn quan hệ giữa ứng suất kép hoặc nén với biến dạng tương đối theo mộttrục dưới tác dụng của tải trọg có tốc độ chậm rải, ở môi trường nhiệt độ phòng thí nghiệm.Với điều kiện thí nghiệm đó sẽ tạo ra trong mẫu sự kéo hoặc nén tự do dưới ảnh hưởng củatrường ứng suất không đổi trên suốt chiều dài làm việc của mẫu thử Tuy nhiên, sự làmviệc thực tế của vật liệu trên kết cấu công trình thường chịu các trạng thái ứng suất phứctạp hơn, không giống hoàn toàn sự làm việc của vật liệu trong các mẫu thử

Để có được một biểu đồ vật liệu phản ánh đúng đắn trạng thái làm việc thực tế củavật liệu trong mẫu là rất phức tạp trong các khâu: phương pháp thí nghiệm, kỹ thuật đo vàbiện pháp xử lý kết quả Chẳng hạn, khi thí nghiệm và xử lý kết quả thí nghiệm kéo pháhoại mẫu thử để xác định quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu sẽ xảy ra batrường hợp sau:

a/ Biểu đồ xây dựng trên quan hệ  = f() chịu kéo với giá trị tính toán về ứng suất

 và biến dạng tương đối  xuất phát từ tiết diện ban đầu Fo và chiều dài chuẩn đo ban đầu

L o của mẫu thử

Xây dựng biểu đồ ( - ) theo phương pháp này thường rất đơn giản cho việc thí

nghiệm, nhưng thực ra chưa phải là biểu đồ phản ánh đúng đắn sự làm việc của vật liệu(đường a trên hình 2.18)

b/ Biểu đồ ( - ) xây dựng với giá trị tính toán ứng suất  xuất phát từ tiết diện bị

thu hẹp của mẫu thử

Thực ra trong quá trình chịu kéo, tiết diện của mẫu sẽ không còn giữ nguyên hìnhdạng ban đầu mà đã bị thu hẹp lại theo sự phát triển của tải trọng (đặc biệt trong vùng có eochảy) Nếu tính toán giá trị của ứng suất theo tiết diện co thắt ở eo thì sẽ nhận được đường

quan hệ ( - ) khác với đường (a)

Đường quan hệ ( - ) được xây dựng với  = P/F eo và  = l/L o sẽ cho dạng gầnđúng với sự làm việc của vật liệu hơn (đường b trên hình 2.18)

Hình 2.18 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

c/ Biểu đồ ( - ) xây dựng với giá trị tính toán ứng suất  và biến dạng tương đối

 xuất phát từ tiết diện bị thu hẹp và chiều dài cuối cùng của mẫu thử

Đường biểu diễn quan hệ ( - ) ở trường hợp (b) cũng chưa phản ánh đầy đủ mối

quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mẫu chịu kéo Thật vậy, khi giá trị ứng suất trong

mẫu tăng ( = P/F eo ) thì độ giãn dài l của mẫu cúng sẽ tăng nhanh nhưng không rải đầu trên toàn bộ chiều dài L o ban đầu, mà chỉ tăng nhanh tại vùng xuất hiện eo chảy

Nếu xây dựng quan hệ ( - ) với ứng suất  = P/F eo và biến dạng tương đối

=l eo /L eo thì sẽ nhận được đường c trên hình 2.1 Đường biểu diễn này thể hiện đúng đắn

mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu khảo sát

Qua quá trình nghiên cứu các vật liệu xây dựng cho thấy, biểu đồ đặc trưng vật liệu

( - ) nhận được bằng phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp

các yếu tố sau:

a/ Tốc độ gia tải Để nhận được quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sát với thực tế

làm việc của vật liệu, khi tiến hành thí nghiệm kéo phá hoại mẫu bình thường, cần khốngchế tốc độ gia tải lên mẫu quanh giới hạn 100kG/cm2/s Khi tốc độ gia tải vượt quá giới hạn

đó, biểu đồ biến dạng của vật liệu nhận được sẽ cho giá trị giới hạn chảy cao hơn Ngượclại, khi thí nghiệm với tốc độ thấp hơn 100kG/cm2/s, sẽ được biểu đồ có giá trị giới hạnchảy thấp hơn bình thường Tuy nhiên giá trị mô đun biến dạng của vật liệu vẫn giữnguyên trị số, không chịu ảnh hưởng của tốc độ gia tải thí nghiệm (h.2.19) Bởi vậy, tươngứng với các tốc độ gia tải ta sẽ được một họ đường cong biến dạng nằm trong một vùngxác định

Hình 2.19 Biểu đồ biến dạng của vật liệu khi tốc độ gia tải thay đổi và khi

nhiệt độ của môi trường khác nhau.

b/ Nhiệt độ môi trường Thực tế khảo sát cho thấy, khi tiến hành thí nghiệm kéo phá

hoại mẫu trong môi trường nhiệt độ khác nhau thì các biểu đồ vật liệu nhận được sẽ khácnhau Ngoài việc tăng hoặc giảm giá trị giới hạn chảy, khi tiến hành thí nghiệm trong môitrường nhiệt độ khác với nhiệt độ bình thường thì giá trị của môđun biến dạng của vật liệucũng thay đổi theo: mô đun biến dạng của vật liệu sẽ giảm khi nhiệt độ môi trường tăng vàngược lại (h.2.19)

c/ Trạng thái ứng suất tác dụng Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sẽ

không giống nhau khi các mẫu vật liệu chịu tác dụng của trường ứng suất theo hai trục và

theo ba trục Trên hình 2.20 trình bày sự thay đổi của quan hệ ( - ) khi các nhân tố của

vật liệu chịu trạng thái ứng suất phẳng với sự tương quan 1 và  2 =  1

Hình 2.20 Biểu đồ biến dạng vật liệu trong trạng thái ứng suất hai trục

F - ứng suất kéo một trục F - biến dạng kéo một trục (khi =0))

Hình 2.21 Biểu đồ biến dạng vật liệu trong trạng thái ứng suất ba trục

F - ứng suất kéo một trục F - biến dạng kéo một trục (khi =0))

Trên hình 2.21 trình bày sự thay đổi của các đồ thị biểu diễn quan hệ ( - ) khi

phân tố vật liệu trong mẫu chịu tác dụng của trạng thái ứng suất theo ba trục với các tươngquan 1 và 2 =  3 =  1

Phương pháp phá hoại mẫu vật liệu thường được tiến hành trong các phòng thínghiệm, ở đây các điều kiện thử nghiệm như: thiết bị máy móc, môi trường và thời gianđều được khống chế chuẩn; các số liệu nhận được của phương pháp thí nghiệm này thường

ít chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác, vì vậy kết quả nhận được sẽ phản ánh tốt tính chấtvốn có của vật liệu

Khi vật liệu làm việc trên kết cấu công trình thực tế sẽ chịu nhiều yếu tố ảnh hưởngkhác làm thay đổi khả năng chịu lực so với các điều kiện chuẩn Các phương pháp phá hoạimẫu thử thường ít có khả năng xét đến sự thay đổi đó.

Trên thực tế, để có thể kể đến tất cả những yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc củavật liệu trên công trình thường dùng các phương pháp nghiên cứu bằng cách khảo sát giántiếp, không phá hoại vật liệu

3.3 Phương pháp không phá hoại và lập biểu đồ chuyển đổi chuẩn của vật liệu.

Phương pháp thí nghiệm không phá hoại có ưu điển là trong quá trình nghiên cứuvật liệu không bị hư hỏng và không đòi hỏi phải giải phóng vật liệu khỏi trạng thái làmviệc thực tế Ngoài ra, một số các phương pháp thí nghiệm không phá hoại còn có khả năngđánh giá chất lượng và phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong vật liệu và kết cấu côngtrình Vì vậy các phương pháp khảo sát vật liệu không phá hoại được sử dụng rộng rãi vàoviệc đánh giá chất lượng ngay trên kết cấu công trình thực tế

Phương pháp không phá hoại thường giải quyết hai nhiệm vụ cơ bản sau:

- Nhiệm vụ thứ nhất, xác định cường độ tại nhiều vị trí khác nhau, qua đó đánh giáđược mức độ đồng nhất của vật liệu Trong phương pháp không phá hoại, các tham số đođược thực hiện bằng những dụng cụ đo thường là:

+ Các đại lượng liên quan đến độ cứng H của vật liệu như kích thước của vết hằntrên bề mặt vật liệu, độ nẩy đàn hồi của một vật thể có khối lượng xác định khi va chạmvới mặt ngoài của vật liệu khảo sát

+ Các đại lượng liên quan đến độ đặc chắc của vật liệu như thời gian truyền sóngsiêu âm, tốc độ truyền các sóng dao động đàn hồi cũng như các sóng dao động điện từ …xuyên qua môi trường vật liệu nghiên cứu

Để xác định độ cứng mặt ngoài của vật liệu, thường dùng các dụng cụ cơ học nhưbúa bi, búa có thanh chuẩn, súng bi nhằm mục đích tạo nên những vết lõm trên về mặtvật liệu mà kích thước của nó đặc trưng cho độ cứng của vật liệu; hoặc các thiết bị bật nẩyđàn hồi mà trị số của khoảng nẩy đàn hồi đó phản ánh độ cứng của bề mặt vật liệu

Để xác định độ đặc chắc của môi trường vật liệu thường dùng các loại máy thửbằng âm thanh, siêu âm, các máy rọi tia rơngen, gamma để truyền các sóng dao động đànhồi, các sóng dao động điện từ xuyên qua môi trường vật liệu để xác định thời gian truyềnsóng (hay tốc độ truyền sóng), giá trị của các tham số này phụ thuộc vào độ đặc chắc cũngnhư cường độ của vật liệu

Trong phương pháp thí nghiệm không phá hoại, để xác định được cường độ của vậtliệu cần phải dùng nguyên lý so sánh chuẩn, tức là từ các số đo nhận được khi thử vật liệutrên kết cấu công trình đưa vào đồ thị chuyển đổi chuẩn để suy ra giá trị của cường độ vậtliệu thực Chuẩn ở đây là mối quan hệ giữa cường độ vật liệu với tham số đo trên dụng cụ

đo được tiến hành thử trực tiếp trên mẫu vật liệu trong các điều kiện tiêu chuẩn Vì thếtrong phương pháp nghiên cứu này, đồ thị chuyển đổi chuẩn của mỗi máy đo giữ một vaitrò quan trọng trong việc xác định chính xác giá trị cường độ vật liệu khảo sát Khi có đồthị chuyển đổi đúng thì mức độ sai lệch của thiết bị đo sẽ giảm và độ chính xác của kết quả

đo sẽ tăng

Việc xây dựng biểu đồ chuyển đổi chuẩn cho mỗi một thiết bị đo là không thể thiếuđược và thường mất rất nhiều công sức Liên quan đến việc xây dựng biểu đồ chuẩn nàycần phải chế tọc một số lượng lớn các mẫu thử vật liệu; chẳng hạn, để có được mác của bêtông thì chỉ cần có kết quả nén phá hoại của 3 đến 9 mẫu thử, nhưng để nhận được mộtđiểm trung bình đặc trưng cho cường độ của bê tông trên đồ thị chuẩn cần phải tiến hành từ

70 đến 100 thí nghiệm Vì vậy, để xây dựng một biểu đồ chuẩn cho súng bi hay súng bậtnẩy thì cần phải tiến hành thử từ 700 đến 1000 thí nghiệm phá hoại mẫu.

+ Nhiệm vụ thứ hai và cũng là nhiệm vụ chủ chốt của phương pháp thí nghiệmkhông phá hoại vật liệu là phát hiện các khuyết tật tồn tại bên trong môi trường vật liệu doquá trình chế tạo, do ảnh hưởng của các tác động khác bên ngoài hoặc tải trọng tác dụng.Các khuyết tật đó thường là lỗ rỗng, bọt khí, vết nứt, sứt mẻ, lớp vật liệu bên ngoài bị biếnchất Các khuyết tật này có thể là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến làm giảm tuổi thọ hoặcphá hoại kết cấu công trình Cho nên, việc thăm dò, phát hiện và đo đạc xác định kíchthước các khuyết tật tồn tại trong môi trường vật liệu là vấn đề quan trọng trong việc đánhgiá chất lượng của kết cấu công trình Từ nhu cầu đó của thực tế sản xuất, trong lĩnh vực đolường đã hình thành một hệ thống máy móc thiết bị thăm dò và phát hiện hoàn chỉnh cáckhuyết tất trong vật liệu, đặc biệt là trong kết cấu kim loại và đường hàn Các loại thiết bịthăm dò khuyết tật này được nghiên cứu và chế tạo theo nhiều cơ sở vật lý khác nhau như

kỹ thuật vô tuyến điện tử, kỹ thuật điện từ, âm thanh, từ trường và các tia vật lý phóng

xạ

Hiện nay trong sản suất, khi khảo sát các đặc trưng cơ - lý của vật liệu xây dựngthường được tiến hành đồng thời cùng một lúc cả hai phương pháp thí nghiệm phá hoại vàthí nghiệm không phá hoại vật liệu Kết quả nhận được từ hai phương pháp này sẽ bồi bổcho nhau để có được những kết luận đánh giá chất lượng của vật liệu trên công trình với độtin cậy và chính xác cao

CHƯƠNG III : THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA ĐẤT

1 SỰ HÌNH THÀNH VÀ BẢN CHẤT CỦA ĐẤT

1.1 Sự hình thành :

Đất là sản phẩm của quá trình phong hoá các đá gốc, bao gồm phong hoá vật lý vàphong hoá hoá học Quá trình phong hoá diễn ra trong thời gian rất lâu Các sản phẩmphong hoá có thể nằm nguyên tại chỗ hoặc chịu tác động của dòng nước làm sụt trượt theosườn dốc, hoặc bị dòng nước xói mòn cuốn trôi rồi lắng đọng lại tạo thành các bãi bồi Tùythuộc vào vị trí so với nơi tạo thành, đất có những tên gọi sau :

- Đất tàn tích : Là sản phẩm phong hoá còn nằm nguyên tại chỗ bao gồm nhiềumảnh vụn thô, các hạt có cạnh sắc, phần keo sét chưa bị rửa trôi, đất có tính dẻo cao

- Đất sườn tích : Sản phẩm phong hoá trượt theo sườn dốc và đọng lại, có nhữngđặc điểm như đất tàn tích, nhưng một phần hạt nhỏ mịn và keo sét bị cuốn trôi

- Đất trầm tích lòng sông suối : Sản phẩm phong hoá bị dòng nước cuốn trôi đitương đối xa rồi đọng lại, phần lớn là các hạt cuội sỏi tròn cạnh, cát sạn rời rạc, không cótính dẻo

- Đất bồi tích : Sản phẩm phong hoá do nước cuốn trôi mang đi rất xa và lắng đọnglại ở đồng bằng châu thổ có kích thước hạt rất nhỏ mịn, có tính dẻo và độ chứa nước rấtcao

1.2 Bản chất của đất

Đất là hệ phân tán rời, vụn, xốp, lỗ rỗng trong đất chứa đầy khí và nước

Trong đất thường có 3 pha :

- Pha rắn : là các hạt khoáng chất và hữu cơ

Pha rắn đóng vai trò quyết định trong việc chịu lực của đất

- Pha lỏng : trong đất chủ yếu là nước, tồn tại dưới các dạng nước hút ẩm, nước liênkết, nước tự do Pha lỏng có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực của đất làm cho tínhchất cơ lý của đất thay đổi

- Pha khí : trong đất là không khí hoặc các hợp chất khí hữu cơ Nếu thông thươngvới bên ngoài, khí dễ dàng thoát ra nên pha khí không có ảnh hưởng đến tính chất của đất,nhưng nếu bị giam hãm kín trong đất thì có ảnh hưởng đến tính thấm nước và khả năngchịu lực của đất

Pha rắn ít thay đổi theo thời gian Khi nước bay hơi hết chỉ còn lại 2 pha rắn và khí,pha khí lúc này chiếm toàn bộ phần rỗng Khi toàn bộ phần rỗng chứa đầy nước : đất chỉ có

2 pha lỏng và rắn, lúc này gọi là bão hoà hoàn toàn

1.3 Phân loại đất :

Đất là một thể phân tán tập hợp các hạt khoáng có kích thước khác nhau bao gồm :

- Hạt cuội có kích thước lớn hơn 200mm

Việc phân loại đất ( cho mục đích xây dựng ) được căn cứ vào các yếu tố sau :

- Thành phần hạt

- Tính dẻo của thành phần hạt mịn

Bảng phân loại đất của Mas - lốp ( Liên xô cũ )

-Không quy định

nt > 40

< 20

20  50

> 50

> 50

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA ĐẤT

2.1 Độ ẩm

2.1.1 Định nghĩa

Độ ẩm của đất là hàm lượng nước có chứa trong đất được biểu thị bằng tỷ số giữakhối lượng nước và khối lượng đất khô và tính bằng phần trăm

Nước trong đất nói ở đây bao gồm hơi nước, nước hút ẩm, nước liên kết, nước tự

do Lượng nước này sẽ bay hơi hết ở nhiệt độ 105oC

Chỉ tiêu độ ẩm được dùng để đánh giá mức độ ẩm ướt của đất

2.1.2 Nội dung của phương pháp :

Xuất phát từ định nghĩa, độ ẩm của đất được xác định theo công thức :

W = -x 100 (%)

Pk

Pu - Pkhoặc W = - x 100 (%)

Pk

W : Độ ẩm của đất tính bằng %

Pn : Khối lượng nước chứa trong đất (g)

Pk : Khối lượng đất khô (g)

Pu : Khối lượng nước và đất (g)

Như vậy, để xác định được độ ẩm phải xác định được khối lượng nước và khốilượng đất khô Có nhiều cách khác nhau để xác định độ ẩm Các phương pháp có khácnhau về cách làm nhưng đều dựa theo định nghĩa và công thức tính toán cơ bản đã nêu ởtrên

2.1.3 Phương pháp tiến hành

a Phương pháp cân, sấy :

Theo phương pháp này dụng cụ chủ yếu cần có :

- Cân lấy một khối lượng đất ẩm Khối lượng mẫu cân tuỳ thuộc vào kích thước vậtliệu Hạt to nhiều : khối lượng lớn, hạt mịn thì khối lượng ít.

Khối lượng mẫu từ vài chục đến vài trăm gam

- Đem sấy khô mẫu đất ở nhiệt độ 105oC  2oC đối với đất loại sét và đất loại cát;nhiệt độ 80oC  2oC đối với đất có chứa thạch cao và đất có chứa lượng hữu cơ lớn hơn5%

( so với lượng đất khô ) trong tủ sấy có bộ phận khống chế nhiệt cho tới khi khối lượngkhông đổi ( nghĩa là nước đã bay hơi hết ở nhiệt độ này )

- Lấy mẫu khỏi tủ sấy để trong bình giữa khô cho tới khi bằng nhiệt độ trongphòng

- Cân xác định khối lượng mẫu sau khi sấy khô

Độ ẩm được xác định theo công thức sau :

Pu - Pk

W = - x 100 (%)

Pk

Pk : Khối lượng đất khô (g)

Pu : Khối lượng nước và đất (g)

Cách tiến hành như sau :

- Cân mẫu đất lấy ở hiện trường với khối lượng phù hợp theo quy định

- Cho mẫu vào trong hộp kim loại Đổ cồn vào mẫu đất với lượng vừa phải vừa đủlàm ướt bề mặt mẫu

- Châm lửa đốt cháy cồn Trong quá trình đốt cháy cồn có thể dùng que kim loạikhoắng qua lại để hơi nước chóng thoát ra Khi ngọn lửa tắt, đổ thêm cồn và đốt tiếp

Cứ như vậy, cho đến khi khối lượng mẫu không đổi ( nước đã bay hơi hết )

Thông thường thì đốt từ 3 đến 4 lần là được

- Đậy nắp kín, để nguội rồi đem cân để xác định khối lượng khô và tính độ ẩm nhưtrên

Chú ý ngọn lửa cồn có mầu xanh nên khó nhìn rõ Phải cẩn thận tránh hoả hoạn vàtai nạn

c Phương pháp thể tích :

Theo phương pháp này ta không phải sấy khô mẫu đất mà chỉ cần xác định đượcthể tích của phần rắn và lỏng là đủ Phương pháp này chỉ thích hợp với loại đất rời vụn nhưcát, sạn

- Cân bình không, có được P1

- Đổ nước cất đến vạch chuẩn, đem cân có được P2

- Lấy một lượng đất cần thí nghiệm xác định khối lượng Pw

- Cho mẫu đất này vào bình định mức ( bình không có nước ) cân xác định khốilượng bình và đất : P3

- Cho nước vào bình, dùng que khuấy để làm phân tán các hạt, đuổi hết bọt khí ra

Đổ thêm nước đến vạch chuẩn, cân xác định khối lượng P4

Độ ẩm của đất W xác định theo công thức sau đây :

Pw : Khối lượng của đất ẩm

r : Khối lượng riêng của đất ( vào khoảng 2,65 - 2,70g/cm3 )

n : Khối lượng riêng của nước ( g/cm3 ), thay đổi theo nhiệt độ Có thể lấy n =1g/cm3

V1 : Thể tích mẫu đất ( gồm phần rắn và lỏng )

( P2 - P1 ) ( P4 - P3 )

V1 = - - - ( cm3 )

n n

P1 : Khối lượng bình không (g)

P2 : Khối lượng bình + nước (g)

P3 : Khối lượng bình + đất (g)

P4 : Khối lượng bình + đất + nước (g)

d Phương pháp cân trong nước

Để xác định được độ ẩm theo phương pháp này, chỉ cần xác định khối lượng bằngphương pháp cân ở trong không khí và sau đó cân ở trong nước

Dụng cụ cần thiết cho phương pháp này là cân thuỷ tĩnh

Phương pháp này áp dụng cho loại đất dễ tan rã, phân tán trong nước

Công việc gồm các bước :

Cân mẫu đất ẩm trong không khí Pw

Cân mẫu đất ẩm trong nước P2

Độ ẩm xác định theo công thức sau :