Đặc điểm thiết bị thí nghiệm máy siêu âm cọc khoan nhồi

Tần số phát sóng siêu âm cọc khoan nhồi

Tần số phát sóng siêu âm được thiết kế phù hợp với vật liệu kiểm tra và kích thước khuyết tật tối thiểu cần phát hiện. Bước sóng xung tín hiệu λ được xác định theo công thức:

λ = c * T = c / f                                                                                                                                 

Trong đó:

c: vận tốc truyền sóng siêu âm cọc khoan nhồi trong bê tông (lấy bằng 4000 m/s); T: chu kỳ sóng siêu âm (T = 1/f);

f: tần số sóng siêu âm

Bảng 1 biểu diễn các ngưỡng kích thước khuyết tật mà sóng siêu âm ở một tần số nhất định có thể phát  hiện  ra  với  giả  thiết  rằng  khuyết  tật  chỉ  được  phát  hiện  khi  kích  thước  của  nó d > λ.

Bảng 1. Kích thước khuyết tật theo tần số sóng siêu âm

Kết quả cũng cho thấy nếu tần số sóng siêu âm có tần số 80-100 kHz đã trở nên quá nhạy với các hạt cốt liệu có dmax  = 40-50mm dẫn đến sự suy giảm tín hiệu và khó khăn cho việc sử dụng kết quả thí nghiệm.

Có thể kết luận, tần số 50-60kHz là tối ưu cho sóng siêu âm của các thiết bị kiểm tra bê tông.

Ngưỡng sai số đo độ sâu và khoảng cách phát xung theo chiều sâu

Quy định về sai số đo độ sâu ở các tiêu chuẩn có khác biệt khá lớn. JGJ 106-2003 không đề cập đến sai số này. Lý do cho việc không kể đến có thể tham khảo yêu cầu về khoảng cách phát xung của JGJ 106-2003. Hai tiêu chuẩn TCVN 9396: 2012 và NF P 94-160-1 có cùng một yêu cầu quá cao về sai số đo độ sâu là 1/500 chiều sâu siêu âm cọc và 50mm, chọn giá trị lớn hơn trong hai trường hợp. Thí nghiệm thực tế cho thấy rất khó thỏa mãn yêu cầu này và kích thước khuyết tật thông thường cũng lớn hơn ngưỡng này rất nhiều. Các quy định của ASTM D6760-08 có vẻ dễ dàng hơn (1/100L và 250mm chọn giá trị lớn hơn). Tuy nhiên ngưỡng 1/200L và 100mm có thể là phù hợp với thực tế nhất.

Quy định về khoảng cách phát xung theo chiều dọc sắp xếp theo yêu cầu lần lượt là ≤ 1 cm theo NF P 91-160-1, ≤ 50 mm theo ASTM D6760-08, ≤ 250 mm theo JGJ 106-2003. Tiêu chuẩn TCVN

9396: 2012 không có ghi về yêu cầu này.

Các quy định của NF P 94-160-1 về sai số đo độ sâu và khoảng cách phát xung dường như quá cao so với yêu cầu thực tế về kích thước nhỏ nhất của khuyết tật. Ngược lại JGJ 106-2003 dường như phù hợp với các thiết bị của Trung Quốc nên các yêu cầu trên lại quá thoáng dẫn đến tình trạng bỏ sót khuyết tật khi đo thí nghiệm.

Ngưỡng sai số đo thời gian máy siêu âm cọc khoan nhồi

Sai số đo thời gian truyền sóng trong mục này đề cập đến độ phân giải tín hiệu của thiết bị phân biệt với trường hợp sai số do thuật toán lựa chọn thời gian truyền sóng. Theo định lý của Nyquist- Shannon, để dựng lại một tín hiệu qua lấy mẫu thì tần số lấy mẫu tối thiểu phải gấp đôi tần số của tín hiệu (Hình 2).

Hình 2.  

Với nhận định tần số siêu âm bê tông trong khoảng 50-60 kHz là phù hợp với các thiết bị kiểm tra bê tông thì tần số lấy mẫu trên thiết bị lớn hơn 100-120 kHz là đạt yêu cầu. NF P 94-160-1 quy định sai số đo thời gian ≤2% thời gian truyền sóng hoặc 1µs, ASTM quy định tần số lấy mẫu tối thiểu

250.000 kHz tương đương 4µs, TCVN 9396: 2012 quy định sai số về thời gian ≤ 1% thời gian truyền sóng, còn tiêu chuẩn JGJ 106-2003 quy định ≤ 0.5 µs. Thực tế thí nghiệm cho thấy, sai số về thời gian truyền sóng do thay đổi khoảng cách đầu dò khi đo còn lớn hơn rất nhiều lên đến 30 µs thì quy định với những giá trị quá nhỏ này ở các tiêu chuẩn là không cần thiết.

Phân Tích kết quả thí nghiệm siêu âm cọc khoan nhồi

Cách tính thời gian truyền sóng

Cách chọn thời gian truyền sóng trước đây thường do người phân tích lựa chọn khi các thiết bị ban đầu có khối lượng số liệu đo nhỏ. Tuy nhiên sự phát triển của các thiết bị siêu âm với độ phân giải ngày càng cao, số lượng tín hiệu đo rất dày dẫn đến nhu cầu tự động hóa trong xử lý số liệu. Không thuật toán nào có thể đáp ứng tuyệt đối việc tính thời gian truyền sóng chính xác cho một mặt cắt siêu âm. Người xử lý tín hiệu vẫn phải rà soát lại trước khi in kết quả chính thức bởi nhiều sai số ảnh hưởng như nhiễu tín hiệu, lỗi chương trình…

Duy nhất NP F 94-160-1 quy định cách chọn thời gian truyền sóng theo phương pháp ngưỡng cố định. Các tiêu chuẩn còn lại không đề cập gì đến cách chọn này.

Cách tính thời gian truyền sóng nên mặc định cho các nhà cung cấp thiết bị do họ hiểu rõ ưu nhược điểm của thiết bị chế tạo. Và việc đưa tính năng người dùng can thiệp là bắt buộc để loại bỏ những sai số đề cập kể trên.

Cách tính vận tốc truyền sóng

Vận tốc truyền sóng là kết quả gắn liền với thời gian truyền sóng thông qua công thức:

V = D / T                                                                                                                                              

Trong đó:

V: vận tốc truyền sóng;

D: Khoảng cách truyền sóng là khoảng cách giữa các ống siêu âm

T: Thời gian truyền sóng

Khi khoảng cách ống D không thay đổi dọc theo chiều sâu cọc thì giá trị vận tốc truyền sóng là tin cậy. Tuy nhiên thực tế khoảng cách này dao động khá nhiều. Người xử lý số liệu phải chỉ ra được những ảnh hưởng này và không dựa trên những giá trị tuyệt đối của vận tốc truyền sóng để đánh giá chất lượng bê tông cọc.

Tiêu chuẩn TCVN 9396: 2012 đưa ra D là khoảng cách tâm 02 đầu đo rõ ràng là một thiếu sót.

Cách tính năng lượng sóng

Năng lượng sóng hay biên độ sóng là yếu tố không thể thiếu khi đánh giá kết quả thí nghiệm. Năng lượng suy giảm mạnh qua môi trường khuyết tật là tiêu chí để lựa chọn thông số này. NF P 94-160-1 đưa ra công thức tính năng lượng tỉ lệ với tổng biên độ đỉnh của 10 chu kỳ đầu tính từ thời gian truyền sóng, JGJ 106-2003 lập công thức chỉ có biên độ đỉnh sóng đầu tiên. TCVN 9396: 2012 và ASTM D6760-08 không ghi cách xác định năng lượng sóng trong tài liệu tiêu chuẩn

Định nghĩa khuyết tật

ASTM lựa chọn cách không đưa vào tiêu chuẩn định nghĩa này nhưng có đưa ra minh họa. NF P 94-

160-1 đưa ra ngưỡng khuyết tật cọc khoan nhồi là tăng thời gian truyền sóng lên 20% và năng lượng sóng giảm 14dB.

JGJ 106-2003 đưa ra định nghĩa khuyết tật khi vận tốc truyền sóng tại điểm đang xét nhỏ hơn giá trị trung bình một độ lệch chuẩn định trước và năng lượng truyền sóng giảm 6 dB

TCVN 9396: 2012 đưa ra mức giảm vận tốc truyền sóng hoặc tăng thời gian truyền sóng là 20% cùng mức giảm 50% năng lượng tương đối là ngưỡng khuyết tật.

Có thể thấy các tiêu chuẩn nước ngoài rất rõ ràng và thống nhất trong cách định nghĩa khuyết tật. ASTM dành sự lực chọn cho các chuyên gia khi không đề cập cách chọn thời gian truyền sóng, năng lượng sóng và đương nhiên không có định nghĩa khuyết tật trong tài liệu.

NF P 94-160-1 và JGJ 106-2003 cùng đưa ra cách tính các thông số và mức độ khuyết tật theo các thông số đó.

TCVN 9396: 2012 không đưa ra cách xác định 02 thông số trên nhưng lại có định nghĩa khuyết tật rõ ràng rất khó hiểu cho mọi người khi sử dụng tiêu chuẩn.

Kết Luận thí nghiệm máy siêu âm cọc khoan nhồi

Thông qua đánh giá ưu nhược điểm của các tiêu chuẩn, có thể rút ra các kết luận sau:

•   Các ống siêu âm nên bố trí với khoảng cách ≤ 400 mm

•   Ống thép và ống nhựa đều có thể sử dụng cho thí nghiệm siêu âm