Siêu âm cọc khoan nhồi là gì ? Nguyên nhân gây khuyết tật cọc khoan nhồi.

Tại sao phải siêu âm cọc khoan nhồi ?

Siêu âm cọc khoan nhồi trong xây dựng cầu đường, tòa nhà, thủy điện, công trình kết cấu betong…. trong khâu đổ betong móng công trình, tường chắn đất hoặc cọc khoan nhồi, cần kiểm tra chất lượng của cấu kiện betong.

Mục đích là để phát hiện sớm các khuyết tật, rò rỉ, nứt vỡ…đảm bảo các cấu kiện hoàn toàn ổn định và an toàn kỹ thuật cho các quy trình tiếp theo của xây dựng

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9396:2012 đã có hướng dẫn về loại thí nghiệm này

>>>xem chi tiết tiêu chuẩn TCVN 9396:2012 tại đây

Nguyên nhân gây khuyết tật cọc khoan nhồi ?

Những nguyên nhân và các dạng khuyết tật trong cọc khoan nhồi. Khuyết tật trong cọc có thể chia làm 02 dạng gồm: khuyết tật do địa tầng xung quanh và do bản thân cọc

1.Khuyết tật do địa tầng

Nguyên nhân có thể do cả lỗi của thiết kế và thi công, kết quả làm cho địa chất xung quanh cọc bị thay đổi các tính chất cơ lý, làm mất hoặc giảm khả năng chịu tải của cọc, hoặc làm tăng đường kính cọc cục bộ chỗ đất yếu.

2.Khuyết tật trong kết cấu cọc khoan nhồi

Nguyên nhân chủ yếu là do kỹ thuật thi công cọc khoan nhồi, thường xảy ra trong quá trình đổ bê tông và rút ống vách sai qui định, kết quả cho ra cọc có kích thước sai lệch, cường độ bê tông nhỏ hơn yêu cầu thiết kế xảy ra ở toàn cọc hoặc cục bộ dọc thân cọc.

Theo Tiêu chuẩn TCVN 9396:2012, qui định khuyết tật của bê tông là khi biểu đồ vận tốc truyền xung siêu âm có sự thay đổi theo chiều giảm ≥ 20% hoặc tăng thời gian truyền xung (FAT) >= 20%.

Thực tế trên thế giới, việc đánh giá khuyết tật được phân loại chi tiết hơn, cụ thể tham khảo tài liệu của Cục Đường bộ Liên bang Mỹ tổng hợp

Có bao nhiêu phương pháp siêu âm cọc khoan nhồi ?

Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp xác định sự đồng nhất của bê tông cọc khoan nhồi theo phương thức không phá huỷ kết cấu như:

1.Phương pháp hồi âm (sonic echo/Impulse Response – SE/IR)  hay còn gọi là phương pháp biến dạng nhỏ (PIT/PET)

2.Phương pháp kiểm tra đồng nhất bằng nhiệt (Thermal Integrity Test – TIP/TIT)

3.Phương pháp tán xạ gamma truyền qua ống (Gamma-Gamma Logging – GGL)

4.Phương pháp xung siêu âm truyền qua ống (Sonic Logging Test – SLT).

Ngoại trừ phương pháp SE/IR, các phương pháp còn lại đều phải đặt ống thăm dò trước khi đổ bê tông.

Phương pháp siêu âm cọc khoan nhồi nào phổ biết tại Việt Nam ?

Trong các phương pháp trên, phương pháp xung siêu âm truyền qua ống (SLT) với kỹ thuật siêu âm truyền qua hai ống (Cross Hole Sonic Logging – CSL) hiện đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam và đang cho thấy tính hiệu quả trong việc đánh giá chất lượng bê tông cọc khoan nhồi bởi:

  • Kết quả thí nghiệm có độ chính xác tương đối cao
  • Giá thành hợp lý
  • Phương pháp thí nghiệm cũng như vận hành thiết bị đơn giản.

Kỹ thuật thí nghiệm sử dụng xung siêu âm cọc khoan nhồi truyền qua ống

Có 04 kỹ thuật phổ biến gồm

1.Kỹ thuật siêu âm truyền qua hai ống (Cross Hole Sonic Logging – CSL)

  • Đối với phương pháp CSL, cần đặt sẵn tối thiểu 02 ống thăm dò (bằng thép hoặc PVC) trong cọc trước khi thi công chế tạo cọc.
  • Thí nghiệm cần đổ đầy nước sạch để tăng chất lượng truyền âm. Hai đầu dò gồm một đầu phát và một đầu thu được thả vào ống đồng thời ở cùng cao độ. Khi đầu dò đến đáy ống sẽ bắt đầu kéo đầu dò lên và tiến hành thu thập số liệu sóng dọc thân cọc.
  • Cơ chế hoạt động của thiết bị gồm một bộ biến áp điện phát xung điện theo dây dẫn đến đầu phát, đầu phát chuyển xung điện sang dao động cơ học có tần số 20 – 100 kHz (thông thường 30-50 kHz và truyền qua bê tông.
  • Đầu thu nhận sóng siêu âm và chuyển từ dao động cơ học sang xung điện rồi theo dây dẫn truyền về máy tính xử lý.
  • Cả đầu thu và đầu phát cùng được kéo từ đáy lên đỉnh cọc với một vận tốc tính trước phù hợp với chiều dài cọc và khả năng của thiết bị.
  • Tín hiệu sóng siêu âm được hiển thị trên màn hình theo chiều dài cọc cho mỗi mặt cắt thí nghiệm và được ghi lại thành tệp số liệu.

2.Kỹ thuật siêu âm trong một ống (Single Hole Sonic Logging – SSL)

  • Phương pháp này đặt cả đầu phát và đầu thu vào cùng một ống thăm dò và giữ cố định khoảng cách giữa hai đầu thu phát.
  • Phương pháp này hiệu quả khi nhận dạng khuyết tật trong bán kính 3 inches (7.62 cm) xung quanh ống thăm dò.
  • Kết quả siêu âm theo phương pháp này chịu ảnh hưởng bởi đường kính ống thăm dò, khoảng cách giữa các ống và phải sử dụng ống PVC. Phương pháp này thích hợp với cọc khoan nhồi đường kính nhỏ, vi cọc (micropile), hay cọc khoan nhồi khoan bằng cần ruột gà liên tục (auger-cast pile).

3.Kỹ thuật siêu âm thành cọc (Perimeter Sonic Logging – PSL)

  • phương pháp này áp dụng cách thí nghiệm của phương pháp CSL nhưng đặt ống thăm dò bên ngoài lồng thép. Mục đích là để đánh giá tính nguyên vẹn của lớp bê tông bảo vệ cốt thép.
  • Tuy nhiên, phương pháp này bị nhiễu hơn so với CSL(do vướng cốt thép) và thực tế gặp khó khăn khi lắp đặt vì không được lồng thép bảo vệ.

4.Kỹ thuật quét xung siêu âm nhận dạng khuyết tật (Crosshole Tomography – CT)

  • Phương pháp này dựa trên nguyên tắc giống như phương pháp CSL và sử dụng cùng một thiết bị cũng như ống thăm dò của phương pháp CSL để thực hiện.
  • Điểm khác biệt giữa hai phương pháp là ở cách đo và xử lý dữ liệu. Không giống như phương pháp CSL, chỉ có dữ liệu theo phương ngang được thu thập, phương pháp CT thu thập dữ liệu ở các góc độ khác nhau (theo phương dọc và phương ngang).
  • Từ đó, kết quả cung cấp thông tin chi tiết về hình dạng và kích thước khuyết tật trong phạm vi thí nghiệm. Kết quả của phương pháp CT được xử lý bằng phần mềm chuyên dụng và được thể hiện dưới dạng hai chiều hoặc ba chiều.
  • Đối với các cọc có khuyết tật ở tất cả các mặt cắt siêu âm thì không cần sử dụng kỹ thuật này mà phải tiến hành sửa chữa hoặc loại bỏ.

Những yếu tố ảnh hưởng tới kết quả siêu âm cọc khoan nhồi

Có 4 yếu tố ảnh hưởng đến kết quả siêu âm:

1.Số lượng và cách bố trí ống thăm dò

  • Ống đặt sẵn trong bê tông để siêu âm (gọi là ống thăm dò) phải bố trí đều trên mặt cắt ngang.
  • Theo hướng dẫn của ASTM, trong một cọc tối thiểu phải có 3 ống thăm dò.
  • Theo tiêu chuẩn Việt Nam tối thiểu là 2 ống đối với cọc có đường kính ≤ 0.6m.

Cách bố trí ống theo mặt cắt ngang theo hướng dẫn của TCVN 9396:2012 :

2.Vật liệu và kích thước ống thăm dò

Có 2 loại vật liệu phổ biến để làm ống thăm dò là PVC và ống thép

Ống PVC Ống thép
Ưu điểm Ưu điểm của ống PVC là có trở kháng sóng âm thấp hơn nhiều so với ống thép nên năng lượng truyền sóng trong ống PVC cao hơn ống thép.

Ngoài ra, ống PVC cũng sẽ dễ khoan phá khi phụt vữa sửa chữa cọc .

 

Đối với ống thép, nên sử dụng thép cacbon thấp, thường dùng ống màu đen, mặt ngoài của ống thép cũng phải đảm bảo không dính các tạp chất như dầu mỡ, gỉ, bụi bẩn, hay vảy thép để tạo độ dính bám với bê tông xung quanh
Nhược điểm Gặp rủi ro gẫy vỡ ống lúc gia công lắp đặt, đặc biệt là đối với các cọc có chiều dài lớn.

Việc mất dính bám “debonding” giữa mặt ngoài ống PVC với bê tông rất dễ xảy ra, kết quả sẽ làm cản trở quá trình truyền dẫn sóng âm.

(Theo yêu cầu của ASTM D 6760-08, mặt ngoài ống PVC phải được làm nhám toàn bộ trước khi lắp đặt vào lồng thép để tăng độ dính bám với bê tông)

 

Nhược điểm của ống thép là không phù hợp với kỹ thuật siêu âm SSL và thí nghiệm tán xạ gamma (GGL), trong khi đó ống PVC vẫn đảm bảo cho các thí nghiệm CSL, SSL và GGL

 

Thời gian thí nghiệm siêu âm Sau 2-10 ngày sau khi đổ betong Sau 2-45 ngày sau khi đổ betong
Đường kính ống 50mm-60mm (theo TCVN 9396:2012)

38mm-50mm (theo ASTM D6760:08)

50mm-60mm (theo TCVN 9396:2012)

38mm-50mm (theo ASTM D6760:08)

>>>tham khảo các loại ống thép giành cho siêu âm cọc nhồi tại đây

Chi tiết về kích thước yêu cầu của ống thăm dò.

3.Nước và chất lượng nước trong ống thăm dò

  • Nước sạch là môi trường trung gian để sóng có thể truyền từ đầu phát vào môi trường nước – thành ống – bêtông và tiếp tục từ thành ống qua nước rồi đến đầu thu.
  • Nước cần phải được đổ vào ống thăm dò trước hoặc ngay khi kết thúc quá trình đổ bê tông để hạn chế mất dính bám giữa thành ngoài ống với bê tông khi bê tông ninh kết.
  • Chỗ không dính bám làm kết quả siêu âm phản ánh không đúng bản chất thực của bê tông (cho kết quả xấu hơn so với chất lượng thực của cọc hoặc đôi khi mất sóng).

4.Thời điểm thực hiện thí nghiệm siêu âm cọc khoan nhồi

  • Theo qui định tại điều 3.3.4 tiêu chuẩn TCVN 9396:2012, thời gian bắt đầu tiến hành thí nghiệm trên cọc tối thiểu phải sau 7 ngày tính từ khi kết thúc đổ bê tông ở cọc.
  • Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn ASTM D6760:08 qui định thí nghiệm không sớm hơn từ 3 đến 7 ngày sau khi đổ bê tông, điều này phụ thuộc vào cường độ bê tông và đường kính cọc (đường kính càng lớn thì thời gian càng gần 7 ngày) và tiêu chuẩn trao quyền quyết định thí nghiệm cho kỹ thuật hiện trường.
  • Theo một số nghiên cứu, công trình cọc khoan nhồi thi công giữ thành bằng vữa mà có sử dụng ống thăm dò siêu âm bằng PVC thì nên tiến hành thí nghiệm CSL trong vòng 10 ngày để tránh hiện tượng mất dính bám.
  • Vậy khi áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam, để có kết quả thí nghiệm tốt thì “thời điểm vàng” để thí nghiệm đối với cọc khoan nhồi sử dụng ống PVC chỉ có 3 ngày. Điều này gây khó khăn với thực tế công trường.

Đánh giá khả năng làm việc của cọc khoan nhồi khi phát hiện khuyết tật

Khi phát hiện khuyết tật, việc quyết định tiếp tục sử dụng hay loại bỏ cọc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như :

  • Khả năng và điều kiện chịu lực của cọc
  • Phạm vi vùng nghi có khuyết tật (cả theo chiều dài cọc và trên toàn bộ tiết diện ngang của cọc)
  • Vai trò của cọc
  • Khả năng sửa chữa cọc.

Một số trường hợp thực tế có khả năng xảy ra:

Trường hợp 1:

khi phát hiện thấy khuyết tật ở vùng mũi cọc, nhưng cọc được thiết kế để chịu tải trọng ngang, nghĩa là moment và lực cắt ở mũi cọc gần như bằng 0, vậy có nên loại bỏ cọc này không?

Ngược lại, nếu cọc được thiết kế chịu tải trọng dọc trục và phần lớn sức chịu tải cọc tập trung ở mũi, chắc chắn phải được điều tra thêm bằng các biện pháp khác nhau để tiến hành sửa chữa. Nếu không sửa chữa được có thể phải loại bỏ cọc.

Trường hợp 2:

khi cọc chỉ có khuyết tật nhỏ ở một mặt cắt, trong khi đó sức chịu tải tính toán của cọc lớn hơn nhiều so với tải trọng ngoài và bản thân cọc phải chịu thì cần có kiểm toán lại khả năng làm việc của cọc bị lỗi để quyết định tiếp tục sử dụng, sửa chữa hay loại bỏ.

Đánh giá kết quả siêu âm cọc khoan nhồi và kết luận

  • Việc đánh giá kết quả siêu âm phụ thuộc nhiều vào đơn vị thí nghiệm, còn quyết định tiếp tục sử dụng, sửa chữa hay loại bỏ cọc là do đề xuất của Tư vấn giám sát hiện trường.
  • Bởi vậy, nếu kết quả đánh giá tốt hơn so với thực tế sẽ gây ra rủi ro mất an toàn cho công trình.
  • Ngược lại, nếu việc đánh giá quá thiên về an toàn sẽ gây lãng phí khi bỏ ra chi phí lớn để sửa chữa những lỗi không cần thiết.
  • Trong trường hợp này, quyết định nghiệm thu cọc rõ ràng là một bài toán kinh tế – kỹ thuật.
  • Việc đánh giá kết quả và ra quyết định cần một đội ngũ có kiến thức và kinh nghiệm trong thi công cọc khoan nhồi để hạn chế tối thiểu sai sót khi đánh giá kết quả thí nghiệm.

Lời kết:

Siêu âm cọc khoan nhồi là một phương pháp kiểm tra không phá hủy được sử dụng để đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi sau khi thi công.

Kỹ thuật này giúp xác định các khuyết tật bên trong cọc như các lỗ hổng, vùng bê tông không đồng đều hoặc không đạt yêu cầu, hoặc các khuyết tật như sự phân tầng và tách nước trong quá trình đổ bê tông.

Các loại khuyết tật có thể phát hiện bằng siêu âm:

Lỗ hổng (Void):

Là những khoảng trống bên trong cọc do bê tông không điền đầy đủ trong quá trình thi công.

Phân tầng bê tông (Segregation):

Tình trạng này xảy ra khi cốt liệu bê tông bị tách lớp, làm cho chất lượng bê tông không đồng nhất.

Tách nước bê tông (Bleeding):

Hiện tượng nước dư thừa trong bê tông làm giảm chất lượng cọc.

Bong bóng khí:

Các bong bóng khí trong bê tông có thể làm giảm độ bền và khả năng chịu lực của cọc.

Ưu điểm của phương pháp siêu âm cọc khoan nhồi:

Không phá hủy:

Phương pháp này không ảnh hưởng đến cọc đã được thi công và không gây ra thiệt hại nào cho công trình.

Kiểm tra toàn bộ cọc:

Siêu âm có thể kiểm tra toàn bộ chiều dài cọc và phát hiện các khuyết tật ở mọi vị trí bên trong cọc.

Độ chính xác cao:

Phương pháp này cung cấp thông tin chính xác về vị trí và kích thước của các khuyết tật.

Phát hiện sớm các vấn đề chất lượng

Cho phép phát hiện các vấn đề liên quan đến chất lượng bê tông và kết cấu cọc ngay sau khi thi công, từ đó có thể đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

Nhược điểm của phương pháp siêu âm cọc khoan nhồi:

Chi phí cao:

Quá trình siêu âm yêu cầu trang thiết bị hiện đại và đội ngũ kỹ thuật có tay nghề, do đó chi phí thực hiện thường cao hơn so với các phương pháp kiểm tra khác.

Yêu cầu chuẩn bị trước:

Các ống siêu âm phải được lắp đặt trước khi đổ bê tông, vì vậy nếu không chuẩn bị từ đầu, không thể thực hiện siêu âm.

Khả năng đánh giá phụ thuộc vào điều kiện thi công:

Nếu các ống siêu âm bị hỏng hoặc bê tông quá không đồng nhất, kết quả kiểm tra có thể không chính xác.

Tóm lại:
  • Phương pháp siêu âm cọc khoan nhồi là một kỹ thuật kiểm tra hiệu quả và chính xác để đánh giá chất lượng của cọc khoan nhồi sau khi thi công.
  • Với khả năng phát hiện các khuyết tật bên trong cọc, siêu âm giúp đảm bảo an toàn và chất lượng cho các công trình xây dựng, đặc biệt là các dự án quy mô lớn như cầu đường, tòa nhà cao tầng, và các kết cấu hạ tầng khác.
  • Việc siêu âm cọc khoan nhồi có chất lượng và kết quả chính xác hay không phụ thuộc vào đơn vị thi công có đầy đủ kiến thức, kinh nghiệm, thiết bị hiện đại lẫn
  • Hùng Phát là nhà cung cấp vật tư siêu âm cọc nhồi như: ống thép siêu âm D114 D60 D49, măng sông, nắp bịt, cử định vị, khớp nối coupler, cóc nối thép M16 M14 M12, gia công ống lốc vách….
  • Chuyên nghiệp, kinh nghiệm, tận tâm, chính xác và trách nhiệm là phương châm của công ty chúng tôi.