Một số tiêu chuẩn siêu âm cọc khoan nhồi hiện nay

Phương pháp sử dụng thiết bị siêu âm cọc khoan nhồi có hiệu quả trong việc đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi đã thi công. Trong những dự án xây dựng sử dụng hệ thống quản lý chất lượng khác nhau trong đó có tiêu chuẩn thí nghiệm siêu âm cọc khoan nhồi được đưa ra nghiêm ngặt.

Dưới đây bài viết nêu một số đánh giá các ưu nhược điểm của một số tiêu chuẩn trong siêu âm cọc khoan nhồi, góp phần cho quá trình làm mới tiêu chuẩn thiết bị siêu âm cọc khoan nhồi hiệu quả hơn.

Phương pháp sử dụng xung siêu âm đánh giá chất lượng bê tông trước đây chỉ áp dụng cho các kết cấu bên trên như dầm, cột… đã được cải tiến để tiến hành kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi sau khi thi công. Các tiêu chuẩn kỹ thuật cũng được xuất bản không chỉ hướng dẫn thực hiện thí nghiệm mà còn định hướng cho các nhà sản xuất chế tạo các thiết bị tiên tiến hơn, thực tế hơn. Hiện có nhiều dự án xây dựng đang thực hiện trong nước với hệ thống quản lý chất lượng khác nhau tùy thuộc quy định của Chủ đầu tư, nhà Tư vấn. Tiêu chuẩn thí nghiệm siêu âm là một phần của hệ thống này, tuy nhiên việc áp dụng tiêu chuẩn một cách máy móc và không phù hợp tiêu chuẩn thi công vẫn còn phổ biến.
Báo cáo này dựa trên xem xét các tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9396: 2012, Mỹ ASTM D6760-08, Trung Quốc JGJ 106-2003 và Pháp NF P 94-160-1 để đưa ra các so sánh và đánh giá, nhận xét riêng, giúp người đọc có cái nhìn tổng quan và hiểu thấu hơn về các tiêu chuẩn kỹ thuật cho thí nghiệm siêu âm. Điều này cũng là phù hợp với xu hướng hội nhập quốc tế trong xây dựng và nhu cầu thống nhất sử dụng một tiêu chuẩn quốc tế trong tương lai.

Báo cáo sẽ đánh giá theo các mục Chuẩn bị thí nghiệm, Thiết bị thí nghiệm và Phân tích kết quả thí nghiệm thiết bị siêu âm cọc khoan nhồi

Vật liệu chế tạo ống siêu âm cọc khoan nhồi thường bằng thép hoặc nhựa. Vật liệu khác với bê tông ảnh hưởng đến thời gian truyền sóng tuy nhiên ảnh hưởng này là nhỏ hơn so với ảnh hưởng của mức độ bám dính của 02 vật liệu này với bê tông. Chỉ có ASTM D6760 đề cập đến vật liệu chế tạo ống siêu âm được làm bằng thép hoặc nhựa.

Tiêu chuẩn Pháp NF P 94-160-1 quy định đặt 02 ống cho cọc có đường kính D ≤ 600 mm, 03 ống cho cọc có đường kính 60 < D ≤ 1200 mm, và hơn 04 ống cho cọc có đường kính D > 1200 mm. Tuy nhiên quy định về khoảng cách giữa các ống siêu âm là trùng hợp TCVN 9396 từ 0,3 đến 1,5m.

Tiêu chuẩn Trung Quốc JGJ 106-2003 quy định đặt 02 ống cho cọc có đường kính D ≤ 800 mm, 03 ống cho cọc có đường kính 800 < D ≤ 2000 mm, và hơn 04 ống cho cọc có đường kính D > 2000 mm.

Tiêu chuẩn Mỹ ASTM D6760-08 quy định đặt các ống sao cho khoảng cách ống từ 0,25 đến 0,30m.

Như vậy có thể thấy tiêu chuẩn Trung Quốc cho phép bố trí số ống ít nhất trong khi tiêu chuẩn Mỹ bố trí số ống nhiều nhất trên cùng một tiết diện cọc. Quy định nào là hợp lý hơn? Thông thường khả năng phát sóng của các đầu phát hiện nay tới 2 đến 3m. Điều này không đồng nghĩa với khả năng phát hiện khuyết tật trong phạm vi này. Ống siêu âm phải bố trí đủ để không bỏ qua các khuyết tật trong thân cọc. Bằng thực nghiệm có thể thấy các khuyết tật gần ống siêu âm có mức độ phát hiện lớn hơn các khuyết tật cùng kích thước nằm xa ống. Một nghiên cứu của Garland Likins [1] chỉ ra rằng một khuyết tật (khi thời gian tryền sóng FAT tăng 20% và năng lượng sóng giảm 12 dB) nằm giữa 02 ống siêu âm chỉ được phát hiện khi kích thước khuyết tật lớn hơn 40% khoảng cách giữa
các ống .

Qua kết quả thiết bị siêu âm cọc khoan nhồi ở trên có thể thấy việc bố trí 03 ống cho cọc đường kính 1500mm hay 04 ống cho cọc đường kính 2000mm như tiêu chuẩn JGJ 106-2003 là không đủ. Các quy định về khoảng cách giữa các ống của TCVN 9396: 2012 hay NF P 94-160-1 từ 0,5 đến 1,3m có thể dẫn đến bỏ sót khuyết tật khi thí nghiệm.

Đường kính ống siêu âm được quy định theo các tiêu chuẩn như sau: TCVN 9396: 2012 là từ 50-
60mm, ASTM D6760-08 là 38-50mm, JGJ 106-2003 là 50-60mm, NF P 94-160-1 là hơn 40mm. Đường kính ống được thiết kế sao cho đầu đo có thể lọt qua dễ dàng và không làm ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị trong phép đo thời gian truyền sóng FAT. Như vậy giá trị 50-60mm là hợp lý và đường kính 40mm dường như là quá nhỏ. Việc tận dụng các ống khoan lõi đường kính

>100mm đáy ống cao hơn đáy cọc ~1m là hoàn toàn có thể áp dụng, chú ý sử dụng thêm bộ định tâm đầu đo kèm theo để đầu đo luôn di chuyển dọc tâm ống siêu âm không làm sai số thêm phép đo thời gian truyền sóng. Các tiêu chuẩn ASTM D6760-08, TCVN 9396: 2012, NF P 94-160-1 đều cho phép sử dụng ống siêu âm đường kính >100 mm trong trường hợp cần thiết. Tuy nhiên khoan lõi xong mới được tiến hành thí nghiệm siêu âm trong TCVN 9396: 2012 là không hợp lý vì ống sau khi khoan lõi thường bị mất nước và ống khoan lõi vẫn không đủ chiều sâu do vật liệu dưới đáy cọc đùn lên.

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
(1) Trong đó:
c: vận tốc truyền sóng siêu âm 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 thiết bị siêu âm cọc khoan nhồi

Tần số phát (kHz)	20	30	50	80	100
Bước sóng (mm)	200	133	80	50	40
Ngưỡng phát hiện khuyết tật (mm)	> 200	> 133	> 80	> 50	> 40

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.

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.

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).

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.

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.

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

V = D / T

(2) 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.

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

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 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.

Thông qua đánh giá ưu nhược điểm của các tiêu chuẩn thiết bị siêu âm cọc khoan nhồi , 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

• Thời gian thí nghiệm siêu âm từ 5 ngày 7 ngày sau khi đổ bê tông, không nên quá 10 ngày.

• Tần số sóng thiết bị siêu âm nên lựa chọn từ 50-60 kHz

• Tần số lấy mẫu thiết bị ≥ 250,000 kHz là đạt yêu cầu

• Khoảng cách phát xung nên ≤ 50 mm

• Nên đưa các biểu đồ thời gian truyền sóng, năng lượng sóng và bản đồ tín hiệu vào trong báo cáo kết quả thí nghiệm.

• Với các thiết bị khác nhau, phần mềm xử lý khác nhau thì việc định nghĩa khuyết tật là không thống nhất được. Quy mô tiêu chuẩn không nên định nghĩa khuyết tật mà chỉ đưa vào ở phạm vi tiêu chuẩn dự án để phù hợp với các thiết bị rất cụ thể được sử dụng tại đây.