Lời
nói đầu
TCXDVN 358 : 2005 "Cọc
khoan nhồi - Phương pháp xung siêu âm xác định tính đồng nhất của bê
tông" được Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết định số: 43/2005 ngày30 tháng11năm
2005
TIÊU CHUẨN XÂY DỰNG VIỆT NAM TCXDVN
358:2005
Xuất bản lần 1
CỌC KHOAN NHỒI - PHƯƠNG
PHÁP XUNG SIÊU ÂM
XÁC ĐỊNH TÍNH ĐỒNG NHẤT
CỦA BÊ TÔNG
Bored Pile - Sonic pulse method for determination of
homogeneity of concrete
1. Phạm vi áp dụng
1.1 Tiêu chuẩn này
áp dụng cho việc kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi bằng phương pháp xung siêu
âm. Ngoài ra tiêu chuẩn còn được áp dụng cho các cấu kiện móng bê tông khác có
đặt sẵn các ống đo siêu âm như: giếng chìm, tường trong đất, cọc ba - ret và
các móng khối bê tông chôn trong đất.
1.2 Kiểm tra chất
lượng cọc khoan nhồi bằng phương pháp xung siêu âm là thực hiện phương pháp
kiểm tra không phá huỷ cho phép xác định tính đồng nhất và khuyết tật của bê
tông trong phạm vi từ điểm phát đến điểm thu.
1.3 Trong mọi trường
hợp khuyết tật của bê tông cọc khoan nhồi hoặc cấu kiện móng được phát hiện
bằng phương pháp xung siêu âm cần được hiểu đây là sự cảnh báo hoặc sự xác định
gián tiếp về tồn tại khuyết tật trong bê tông. Để khẳng định và đánh giá đặc
điểm khuyết tật cần kết hợp thực hiện thêm các phương pháp khác như: khoan lấy
mẫu ở lõi bê tông, thí nghiệm nén mẫu bê tông vv..
2. Quy
định chung
2.1 Thí nghiệm kiểm
tra chất lượng cọc khoan nhồi bằng phương pháp xung siêu âm có thể được thực
hiện ở hai giai đoạn: thi công cọc thử, thi công cọc đại trà.
2.1.1 Thí nghiệm
kiểm tra bằng phương pháp xung siêu âm ở giai đoạn thi công cọc thử được tiến
hành trước khi thi công cọc đại trà. Kết quả thí nghiệm là một trong những cơ
sở để lựa chọn thiết bị và công nghệ thi công cọc.
2.1.2 Thí nghiệm
kiểm tra bằng phương pháp xung siêu âm ở giai đoạn thi công cọc đại trà được
tiến hành trong thời gian thi công công trình hoặc sau khi thi công xong cọc.
Kết quả thí nghiệm là một trong những cơ sở cần thiết để đánh giá tổng thể về
chất lượng thi công cọc.
2.1.3 Số lượng cọc
cần tiến hành kiểm tra bằng phương pháp xung siêu âm được lựa chọn tuỳ theo
từng giai đoạn. Trong giai đoạn thi công cọc thử số lượng cọc được kiểm tra là
tất cả các cọc có thực hiện các phương pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc bằng
tải trọng tĩnh hoặc tải trọng động. Trong giai đoạn thi công cọc đại trà số
lượng cọc có đặt ống siêu âm được qui định tối thiểu bằng 50% tổng số lượng cọc
có trong công trình, trong đó số lượng cọc cần tiến hành kiểm tra được xác định
một cách ngẫu nhiên và lấy ít nhất bằng 25% tổng số lượng cọc có trong công
trình.
2.2 Thời gian bắt
đầu tiến hành thí nghiệm phương pháp xung siêu âm trên một cọc khoan nhồi hoặc
một cấu kiện móng chỉ có thể thực hiện được tối thiểu sau 7 ngày tính từ khi
kết thúc đổ bê tông ở cọc hoặc cấu kiện móng đó.
2.3 Thiết bị thí
nghiệm phải được kiểm tra và hiệu chuẩn định kỳ theo qui định của cơ quan có
thẩm quyền cấp phép.
2.4 Người thực hiện
thí nghiệm phải được đào tạo về phương pháp thí nghiệm và được cơ quan có thẩm
quyền cấp chứng chỉ xác nhận.
3.
Thuật ngữ
3.1 Tính đồng
nhất của bê tông: Là đặc tính của vùng bê tông đặc chắc có chất lượng đồng
đều. Trong phương pháp xung siêu âm tính đồng nhất của bê tông thể hiện ở sự ổn
định và đồng đều của vận tốc truyền xung qua bê tông được kiểm tra theo phương
dọc trục và phương ngang trục.
3.2 Khuyết tật
của bê tông: Là vùng bê tông không đặc chắc hoặc có chất lượng thay đổi lớn
theo chiều giảm.Trong phương pháp xung siêu âm khuyết tật của bê tông thể hiện
ở vùng vận tốc truyền xung qua bê tông bị giảm đột ngột (thường giảm hơn 20%).
3.3 Mặt cắt thí
nghiệm: Là tập hợp các giá trị đo được về thời gian, biên độ và tần số của
xung siêu âm truyền qua bê tông giữa một điểm phát và một điểm thu tại các độ
sâu khác nhau dọc theo chiều dài thân cọc.
4. Thiết bị thí
nghiệm
4.1. Đầu đo
4.1.1 Đầu phát có
khả năng biến đổi những dao động điện thành các dao động cơ học với tần số cao.
4.1.2 Đầu thu có
chức năng biến đổi những dao động cơ học do đầu phát phát ra thành những tín
hiệu điện.
4.1.3 Cả đầu phát
và đầu thu thường có yêu cầu như nhau về kích thước (đường kính của đầu đo từ
25 mm đến 30 mm),về khả năng chống thấm và tần số dao động.Thông thường tần số
xung của đầu đo nằm trong phạm vi từ 20 kHz đến 100 kHz.
4.2. Bộ phận đo
chiều dài
4.2.1 Bánh xe đo
tốc độ kéo có chức năng đo chiều dài của mỗi mặt cắt thí nghiệm theo nguyên lý
cảm ứng từ hoặc hiệu ứng quang điện. Khi thí nghiệm tốc độ kéo của đầu đo được
qui định phù hợp theo khả năng của mỗi loại máy khác nhau. Sai số cho phép của
phép đo độ sâu được chọn lấy giá trị nào lớn hơn trong hai giá trị sau : 1/500
chiều sâu ống đo hoặc 5cm.
4.2.2 Hai cuộn dây
cáp tín hiệu nối với đầu phát và đầu thu để truyền tín hiệu từ đầu đo lên khối
máy chính trên suốt chiều dài mặt cắt thí nghiệm. Các cuộn dây cáp điện và cáp
tín hiệu còn lại nối bộ phận đo tốc độ kéo với khối máy chính.
4.3. Bộ phận lưu trữ
và hiển thị số liệu
4.3.1 Khối máy chính
là một máy tính gồm có: màn hình hiển thị số liệu, các đĩa cứng chứa chương
trình điều khiển và lưu trữ số liệu thí nghiệm, các nút điều khiển và bàn phím
thao tác.
4.3.2 Yêu cầu về
dung lượng và bộ nhớ của máy phải đủ lớn, số liệu thí nghiệm phải được tự động
cập nhật và truyền tải qua máy tính để xử lý và lưu trữ lâu dài. Các thông tin
thu được ngay trong quá trình thí nghiệm phải được hiển thị dưới dạng biểu bảng
hoặc đồ thị.
5. Yêu cầu
về lắp đặt ống siêu âm
5.1 Ống đo siêu âm để thả
đầu đo được làm bằng thép hoặc nhựa có đường kính phù hợp với kích thước của
đầu đo, ống được chôn sẵn trong bê tông. Đường kính trong của mỗi
ống thí nghiệm được chọn nằm trong phạm vi từ 50 mm đến 60 mm, chiều dày của
thành ống chọn từ 2mm đến 6mm và phải tính toán đảm bảo khả năng chịu áp lực(cả
áp lực thẳng đứng và áp lực ngang). Đầu dưới của ống được bịt kín, đầu trên có
nắp đậy.
5.2 Các đoạn ống đo
siêu âm có thể hàn hoặc buộc chặt vào phía trong của lồng cốt thép, khoảng cách
giữa các mối hàn hoặc buộc phải đảm bảo sự ổn định của ống không bị xê dịch
trong quá trình đổ bê tông. Các ống này được đặt song song với nhau dọc theo
suốt chiều dài thân cọc, đáy của các ống đo được đặt ở cùng một cao độ và sát
đáy hố khoan.Việc liên kết giữa các đoạn ống phải đảm bảo kín khít không cho
nước bẩn hoặc các tạp chất lọt vào trong ống.
5.3 Phía
trong các ống đo siêu âm phải được kiểm tra thông suốt và đổ đầy nước sạch
trước khi tiến hành đổ bê tông.
5.4 Số
lượng các ống đo được qui định tuỳ thuộc vào kích thước cấu kiện móng cần thí
nghiệm . Đối với mọi cấu kiện móng khoảng cách giữa tâm hai ống kế tiếp nhau để
thả đầu đo nên bố trí trong khoảng từ 0.3 m đến 1.5 m.
5.5 Đối
với cọc khoan nhồi có đường kính cọc là (F) thì số lượng ống đo
dự tính cho một cọc như sau:
a) 2 ống,
khi F £ 60 cm (góc giữa các ống là
180o);
b) 3 ống,
khi 60 <F £ 100 cm (góc giữa các ống là
120o);
c) ³ 4 ống,
khi F>100 cm (góc giữa các ống là £ 90o).
5.6 Có
thể tham khảo các sơ đồ bố trí ống đo siêu âm đối với các cấu kiện móng khác
nhau trong phụ lục A.
6. Thí
nghiệm tại hiện trường
6.1 Công
tác chuẩn bị thí nghiệm
6.1.1 Trước khi
tiến hành thí nghiệm cần thu thập các thông tin liên quan đến cọc hoặc cấu kiện
móng thí nghiệm như sau:
a) Tên công trình,
hạng mục;
b) Vị trí của cọc
hoặc cấu kiện móng trên bản vẽ thi công;
c) Cao độ đáy và đỉnh
cọc hoặc cấu kiện móng;
d) Diện tích mặt cắt
ngang của cọc hoặc cấu kiện móng;
e) Ngày đổ bê tông;
f) Số lượng ống đo
siêu âm được đặt trong một cọc hoặc cấu kiện móng;
g) Các sự cố trong
quá trình đổ bê tông (nếu có).
6.1.2 Ống
đo được cắt hở ra, đầu ống phía trên phải cao hơn mặt bê tông ít nhất là 0.2 m.
Cần kiểm tra độ thông suốt của các ống đo trước khi tiến hành thí nghiệm. Xác
định cao độ mép trên của các ống và khoảng cách giữa tâm các ống theo tổ hợp
các mặt cắt cần tiến hành thí nghiệm. Trong trường hợp không thể đo được
trực tiếp khoảng cách giữa tâm các ống thì cho phép xác định theo bản vẽ thiết
kế .Vị trí của các ống phải được thể hiện trên bản vẽ có đánh số thứ tự theo
chiều kim đồng hồ và hướng bắc nam.
Ghi chú: Đối với cọc
có đặt ống khoan lấy mẫu ở lõi đáy cọc, do đáy của ống khoan lấy mẫu thường
được đặt cách đáy cọc từ 1.0 m đến 2.0 m vì vậy chỉ sử dụng ống khoan lấy mẫu
làm ống đo siêu âm sau khi cọc này đã thực hiện xong công tác khoan lấy mẫu ở
lõi đáy cọc.
6.2 Tiến
hành thí nghiệm
6.2.1 Lắp
đặt và kết nối thiết bị chuẩn bị cho thí nghiệm. Sau khi việc kết nối hoàn
thành, kiểm tra nguồn điện và khởi động máy.
6.2.2 Hiệu
chỉnh tín hiệu thu phát khi bắt đầu thí nghiệm được đảm bảo theo hai điều kiện
sau:
a) Đầu thu
và đầu phát được thả vào trong lòng ống đo, tại một độ sâu dự định để điều
chỉnh tín hiệu các đầu đo này phải luôn đặt cùng một cao độ;
b) Tín
hiệu được điều chỉnh sao cho thời gian truyền xung siêu âm từ điểm phát đến
điểm thu là tối thiểu và biên độ thu được của tín hiệu xung là lớn nhất.
Hình 1 - Thí
nghiệm siêu âm cọc khoan nhồi
6.2.3 Trong quá
trình thí nghiệm đầu đo dịch chuyển từ đáy lên đỉnh cọc (hình 1).Cả đầu thu và
đầu phát cùng được kéo lên với một vận tốc tính trước phù hợp với chiều dài cọc
và khả năng của thiết bị, các ống đo phải đảm bảo luôn đầy nước, tín hiệu xung
siêu âm được hiển thị trên màn hình theo chiều dài của mỗi mặt cắt thí nghiệm
và được ghi lại thành tệp số liệu. Kết quả thí nghiệm thu được thông thường bao
gồm các số liệu cơ bản sau:
a) Thời
gian truyền xung, tần số và biên độ xung tại các độ sâu thí nghiệm từ điểm phát
đến điểm thu;
b) Chiều
dài của mỗi mặt cắt thí nghiệm.
7.
Đánh giá kết quả thí nghiệm
7.1. Trên cơ sở các kết quả đo khoảng cách
giữa tâm hai đầu đo (khoảng cách giữa tâm hai ống đo cùng một mặt cắt thí
nghiệm) và thời gian truyền xung giữa hai đầu đo đó, vận tốc truyền xung siêu
âm trong bê tông tại một độ sâu thí nghiệm được tính theo công thức:
Trong đó:
V- Vận tốc truyền xung siêu âm,
m/s;
L - Khoảng cách giữa tâm hai đầu
đo, m;
T - Thời gian truyền xung siêu âm
qua chiều dài L, s.
Ghi chú : Trong trường hợp khoảng
cách giữa tâm hai đầu đo ≤ 30 cm , cần chú ý đến giá trị vận tốc truyền xung trong
bê tông có thể bị ảnh hưởng đáng kể do sai số khi xung siêu âm phải truyền qua
môi trường nước và vật liệu làm ống siêu âm.
7.2 Sai số cho phép về thời gian truyền
xung thu được theo các độ sâu khác nhau sau khi đã hiệu chỉnh không vượt quá
1%, sai số biên độ xung không vượt quá 5%. Phần mềm để xử lý kết quả phải có
khả năng xử lý hoặc loại bỏ nhiễu trong kết quả thí nghiệm (phụ lục C).
7.3 Tại
hiện trường có thể sơ bộ đánh giá kết quả đo về tính đồng nhất của bê tông cọc
dựa theo biểu đồ tín hiệu thời gian hoặc vận tốc truyền xung siêu âm thu được
theo suốt chiều dài mặt
cắt thí nghiệm.
Khi thấy có sự giảm vận tốc truyền xung (giảm ≥ 20%) hoặc tăng thời gian truyền xung
(tăng
≥
20%), thì phải thí nghiệm lại ở cao độ của vị trí đó để khẳng định khuyết tật.
Ghi chú : Khi xác định tính đồng
nhất của bê tông bằng phương pháp xung siêu âm cần đánh giá kết hợp với kết quả
thí nghiệm nén mẫu bê tông và chỉ xét cho phần mẫu bê tông đạt yêu cầu về cường
độ theo thiết kế.
7.4 Để đánh giá
tính đồng nhất và vị trí khuyết tật của bê tông cọc khoan nhồi hoặc cấu kiện
móng thí nghiệm nên kết hợp các đặc trưng của xung siêu âm ghi nhận được như :
vận tốc, biên độ, năng lượng, thời gian truyền xung siêu âm. Phương pháp đánh
giá được tham khảo trong phụ lục C.
8. Báo cáo kết quả
thí nghiệm
8.1
Báo cáo kết quả thí nghiệm cần nêu được các nội dung chính sau đây:
8.1.1 Mở đầu (giới
thiệu tên công trình, địa điểm, hạng mục thí nghiệm, ngày bắt đầu thí nghiệm
vv…);
8.1.2 Phương pháp
thí nghiệm;
8.1.3 Thiết bị thí
nghiệm (tính năng thiết bị, phạm vi hoạt động, hãng chế tạo, thời hạn kiểm định
hiệu chuẩn cho phép sử dụng);
8.1.4 Đánh giá kết
quả thí nghiệm (tính đồng nhất của bê tông dọc theo chiều dài cọc, phạm vi nghi
ngờ khuyết tật nếu có vv..);
8.1.5 Kết luận và
kiến nghị;
8.1.6 Phụ lục (các
biểu đồ vận tốc truyền xung siêu âm theo các mặt cắt thí nghiệm đo được, xem
phụ lục B).
Phụ
lục A
(Tham khảo)
SƠ
ĐỒ BỐ TRÍ ỐNG ĐO SIÊU ÂM
ĐỐI VỚI CÁC CẤU KIỆN MÓNG KHÁC NHAU
A1 - Khi đường kính
cọc : F £ 60 cm (2 ống, góc
giữa các ống là 180o);
A2 - Khi đường kính cọc
: 60 < F £ 100 cm (3 ống, góc
giữa các ống là 120o);
A3 - Khi đường kính cọc :
F > 100 cm (³ 4 ống, góc giữa các
ống là £ 90o);
A4 - Đối với tường trong đất;
A5 - Đối với cọc Ba - ret.
Hình A – Sơ đồ bố trí
ống đo siêu âm.
Phụ
lục B
(Qui định)
BIỂU
ĐỒ VẬN TỐC TRUYỀN XUNG SIÊU ÂM
1.Tên
công trình:
2.
Hạng mục:
3.
Đơn vị thí nghiệm:
3.
Số hiệu cọc thí nghiệm:
4.
Tên mặt cắt thí nghiệm:
5.
Ngày thí nghiệm:
: 
Hình B – Biểu đồ vận
tốc truyền xung siêu âm.
Phụ
lục C
(Tham khảo)
C.1 Xác định tính đồng
nhất và khuyết tật của bê tông theo các đặc trưng của xung siêu âm
C.1.1 Tính đồng nhất
của bê tông cọc được hiểu là sự đồng đều về chất lượng bê tông theo chiều dài
thân cọc và mặt cắt tiết diện cọc. Trong phương pháp xung siêu âm vùng bê tông
có tính đồng nhất thể hiện ở sự ổn định và đồng đều của vận tốc truyền xung.
Khi biểu đồ vận tốc truyền xung siêu âm có sự thay đổi theo chiều giảm lớn hơn
20% thì xuất hiện khuyết tật. Vùng bê tông không có khuyết tật xung có biên độ
biến đổi bình thường, vùng xuất hiện khuyết tật biên độ xung suy giảm rõ rệt.
Các biểu đồ biểu diễn sự thay đổi về thời gian, biên độ xung và vận tốc truyền
xung được thể hiện ở các hình C1, C2 và C3, trong đó trục tung của biểu đồ là
biên độ xung hoặc độ sâu thí nghiệm trục hoành là thời gian hoặc vận tốc
truyền xung.
Hình C1 – Biểu đồ xung
siêu âm truyền qua vùng bê tông không có khuyết tật.
Hình C2 – Biểu đồ xung
siêu âm đi qua vùng bê tông có khuyết tật,
biên độ giảm thời gian
truyền xung tăng mạnh.
Hình C3 – Sự suy giảm
của vận tốc truyền xung siêu âm trong vùng bê tông có khuyết tật.
C.1.2 Khi mức độ suy
giảm vận tốc truyền xung lớn hơn 20%, cần xem thêm các nguyên nhân khác như khả
năng và điều kiện chịu lực của cọc, phạm vi vùng nghi có khuyết tật của cọc cả
theo chiều đứng cũng như trên toàn bộ tiết diện ngang của cọc, vai trò của cọc
có khuyết tật và của cả móng cọc đó, khả năng sửa chữa …Để kiến nghị cần hay
không cần xử lý và phương pháp xử lý hoặc xét đến sự giảm yếu của cọc trong
tính toán.
C.1.3 Trong quá
trình xử lý kết quả thí nghiệm cần phân biệt để xử lý hoặc loại bỏ các xung bị
ảnh hưởng do nhiễu (hình C4).
Hình C4 – Biểu đồ xung
siêu âm bị ảnh hưởng do nhiễu.
C.1.4 Kết hợp giữa
năng lượng và vận tốc truyền xung sẽ cho phép người thí nghiệm đánh giá một
cách có hiệu quả về khả năng xuất hiện khuyết tật trên thân cọc khoan nhồi cũng
như các cấu kiện móng bê tông khác.
C.1.5 Năng lượng
truyền xung siêu âm là một giá trị đo sự vận động của môi trường mà xung truyền
qua. Năng
lượng truyền xung được
tính bằng tích phân các số liệu thu được trong một khoảng sử dụng mà nó được
chỉ ra trong bộ đếm dữ liệu. Năng lượng được đo bằng Volt - giây, nhưng trong
thực tế giá trị thực bị bỏ qua. Năng lượng thực tế được truyền và nhận bởi phần
cứng của thiết bị rất khó để đánh giá một cách định lượng, vì vậy nó chỉ được
đánh giá một cách định tính hoặc tương đối. Thông thường giá trị năng lượng
được biểu thị theo biểu đồ logarit.
C.1.6 Từ biểu đồ
biến thiên năng lượng truyền xung siêu âm tại các độ sâu thí nghiệm (hình C5),
sự xuất hiện khuyết tật trong bê tông được đánh giá tương ứng với độ giảm 50%
năng lượng.
Hình C5 – Biểu đồ vận
tốc và năng lượng truyền xung siêu âm.
C.2 Xác định vị trí
và hình dạng của khuyết tật.
Sau khi xác định cọc bị
khuyết tật, nếu như cần xác định hình dạng của khuyết tật dùng phương pháp quét
xung siêu âm cả hai phía (hình C6). Nguyên lý của phương pháp này là cố định
một đầu đo tại vị trí có khuyết tật, đầu kia di chuyển theo phương đứng để nhận
tia quét. Tại từng vị trí đo phải tính được khoảng cách truyền xung siêu âm
(khoảng cách giữa hai đầu đo theo đường chéo), kết hợp nhiều mặt cắt và căn cứ
vào vận tốc và năng lượng truyền xung để xác định hình dạng khuyết tật.
Hình C6 – Sơ đồ bố trí
đầu thu, phát xung siêu âm
để xác định vị trí và hình dạng khuyết tật.