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.
Trang 1ỨNG 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
Trang 21 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
p conc
i i
c v
d
a
+
(1)
Trong đó di 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; vconc- vận tốc truyền trong bê tông móng; vp - vận tốc sóng nén của đất
Trang 3Từ 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 [
2 1
2
a d H
v i i
v
v c
v H
t
p
c c
p p
conc
(2) Trong đó vp1 - vận tốc sóng nén tầng đất
trên; vp2 - 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
Trang 4Thiết 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
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
Trang 5vận 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 trong đất Vận tốc 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
Trang 6Hình 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
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
Trang 7chấn 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