Thiết bị thí nghiệm O-Cell: Cấu tạo kích Osterberg, cảm biến và hệ đo lường

Trong một thí nghiệm Osterberg, độ tin cậy của kết quả không chỉ phụ thuộc vào quy trình gia tải mà còn phụ thuộc rất lớn vào chất lượng của thiết bị thí nghiệm O-Cell. Một hệ thống hoàn chỉnh gồm kích Osterberg đặt trong thân cọc, hệ cấp dầu thủy lực, các cảm biến chuyển vị và biến dạng cùng hệ thu thập số liệu. Chỉ cần một khâu gặp sự cố — dầu rò rỉ, cảm biến mất tín hiệu hay đồng hồ áp lực sai lệch — toàn bộ số liệu có thể bị nghi ngờ, thậm chí phải làm lại.

Bài viết trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách kiểm tra từng nhóm thiết bị thí nghiệm O-Cell. Để nắm tổng thể phương pháp này, xem thêm bài Thí Nghiệm O-Cell Cọc Là Gì?

Tổng quan về hệ thống thiết bị thí nghiệm O-Cell

Hệ thống thiết bị thí nghiệm O-Cell đầy đủ là sự kết hợp của nhiều nhóm thiết bị làm việc đồng bộ, mỗi nhóm đảm nhận một nhiệm vụ riêng.

Các bộ phận chính của một hệ thống O-Cell

Hệ thống gồm năm nhóm chính: kích Osterberg đặt sẵn trong thân cọc; hệ cấp dầu thủy lực gồm bơm, ống dẫn, van và đồng hồ áp lực; hệ cảm biến chuyển vị đo độ dịch chuyển hai đầu cell; hệ cảm biến biến dạng gắn dọc thân cọc; và hệ thu thập số liệu gồm data logger và phần mềm hiển thị.

Vai trò của từng nhóm thiết bị trong quá trình thí nghiệm

Trong quá trình thí nghiệm, bơm tạo áp lực dầu, kích giãn ra hai hướng và tác dụng lực lên thân cọc, cảm biến ghi chuyển vị và biến dạng, data logger thu thập toàn bộ tín hiệu theo từng cấp tải. Vì vậy, kiểm tra đồng bộ toàn bộ thiết bị thí nghiệm O-Cell trước khi thí nghiệm là yêu cầu bắt buộc.

Kích Osterberg (O-Cell) — trái tim của hệ thống

Kích Osterberg là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống, một kích thủy lực hai chiều đặt chìm trong thân cọc.

Cấu tạo của cell Osterberg

Một cell Osterberg điển hình gồm vỏ thép hình trụ, một hoặc nhiều piston thủy lực, khoang chứa dầu, gioăng làm kín và các đầu nối cho ống dẫn dầu cùng cáp cảm biến. Hai bản thép dày ở mặt trên và mặt dưới truyền lực từ piston sang bê tông cọc.

Nguyên lý hoạt động của kích thủy lực hai chiều

Khi dầu được bơm vào khoang giữa hai piston, áp lực dầu tác dụng lên cả hai piston ngược chiều nhau. Piston trên đẩy bản thép trên đi lên, tác dụng lực lên phần cọc phía trên; piston dưới đẩy bản thép dưới đi xuống, tác dụng lực lên phần cọc phía dưới. Nhờ đó, lực phía trên được cân bằng bởi sức kháng ma sát hông của đoạn cọc phía trên, còn lực phía dưới được cân bằng bởi sức kháng ma sát hông đoạn dưới cộng với sức kháng mũi cọc.

Nhờ nguyên lý này, thiết bị thí nghiệm O-Cell ngày càng được lựa chọn cho các cọc khoan nhồi đường kính lớn, như phân tích trong bài Thí Nghiệm Ocell Cọc Khoan Nhồi Là Gì?

Phân loại cell theo tải trọng

Cell Osterberg được phân loại theo tải trọng làm việc lớn nhất, thường từ vài nghìn kN đến hàng chục nghìn kN. Cọc nhỏ dùng cell tải trọng vừa phải; cọc đường kính lớn cần cell tải trọng cao hơn hoặc nhiều cell đặt song song. Lựa chọn dựa trên tải trọng thí nghiệm lớn nhất dự kiến, thường bằng hai lần tải trọng thiết kế của cọc. Cell đặt chìm nên không thể thay thế sau khi đổ bê tông.

Hệ thống cấp dầu thủy lực

Hệ thống cấp dầu thủy lực là nguồn tạo lực của toàn bộ thiết bị thí nghiệm O-Cell.

Bơm thủy lực và ống dẫn dầu

Bơm thủy lực tạo ra áp lực dầu đủ lớn để vận hành kích Osterberg. Trên công trường, người ta thường dùng bơm thủy lực chạy điện, có khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp lực một cách ổn định, phù hợp với quy trình gia tải theo từng cấp. Ống dẫn dầu là đường truyền áp lực từ bơm xuống cell, phải chịu được áp lực làm việc cao. Ống được luồn qua lồng thép và đi dọc thân cọc.

Van điều khiển và đồng hồ áp lực

Van điều khiển có nhiệm vụ điều tiết dòng dầu vào và ra khỏi cell. Van cấp dầu đưa dầu vào khoang cell khi gia tải, van xả cho dầu thoát ra khi dỡ tải hoặc giảm áp khẩn cấp. Một van bị rò rỉ sẽ khiến áp lực dầu tụt dần trong thời gian giữ tải, làm cho tải trọng thực tế nhỏ hơn tải trọng tính toán, gây sai lệch kết quả. Đồng hồ đo áp lực dầu, lắp trên đường ống gần bơm, là thiết bị đo chính để xác định tải trọng thí nghiệm.

Cách tính tải trọng từ áp lực dầu

Tải trọng do kích Osterberg tạo ra được tính từ áp lực dầu theo một quan hệ đơn giản về mặt nguyên lý: tải trọng bằng áp lực dầu nhân với diện tích hữu hiệu của piston. Diện tích hữu hiệu là diện tích làm việc thực tế, được xác định qua hiệu chuẩn cell trong phòng thí nghiệm. Cần lưu ý ma sát gioăng làm kín và sai số đồng hồ áp lực, vì sai số này truyền trực tiếp vào tải trọng tính toán.

Cảm biến chuyển vị — đo độ lún hai đầu cell

Cảm biến chuyển vị là nhóm thiết bị đo quan trọng nhất trong thiết bị thí nghiệm O-Cell, vì chuyển vị hai đầu cell là số liệu cốt lõi để vẽ đường cong tải trọng và chuyển vị.

Cảm biến LVDT

Cảm biến LVDT là loại cảm biến được sử dụng phổ biến trong thí nghiệm O-Cell. LVDT hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi điện cảm: khi lõi từ bên trong cảm biến dịch chuyển, điện áp đầu ra thay đổi theo một quan hệ tuyến tính với độ dịch chuyển. Nhờ đó, LVDT có độ chính xác cao và đo được những chuyển vị rất nhỏ. Các cảm biến LVDT thường được gắn tại bản đế trên và bản đế dưới của cell, đo chuyển vị tương đối của hai bản thép.

Hệ thống telltale

Hệ thống telltale là phương pháp đo chuyển vị cơ học truyền thống, vẫn được dùng rộng rãi nhờ độ tin cậy cao. Telltale là một thanh thép dài, một đầu gắn cố định vào điểm cần đo chuyển vị trong cọc, thường là bản đế trên hoặc bản đế dưới của cell, đầu còn lại nhô lên mặt đất tại đầu cọc. Thanh thép này được đặt trong một ống bảo vệ để trượt tự do mà không bị bê tông giữ chặt.

Độ dịch chuyển của thanh được đo tại đầu cọc bằng đồng hồ so hoặc cảm biến chuyển vị.

Bố trí đo chuyển vị đầu trên và đầu dưới của cell

Việc bố trí cảm biến chuyển vị trong thí nghiệm O-Cell phải tuân thủ nguyên tắc đo riêng biệt hai đầu của cell. Nếu chỉ đo chuyển vị tổng mà không tách riêng hai đầu, kỹ sư sẽ mất đi ưu điểm lớn nhất của phương pháp Osterberg. Tại mỗi đầu cell thường bố trí ít nhất hai điểm đo độc lập để kiểm tra tính đồng đều của chuyển vị. Cáp cảm biến phải được cố định và bảo vệ cẩn thận dọc thân cọc.

Cảm biến biến dạng và phân bố lực dọc thân cọc

Cảm biến biến dạng, thường gọi là strain gauge, là nhóm thiết bị đo bổ sung giúp kỹ sư hiểu sâu hơn về cách lực truyền dọc thân cọc.

Strain gauge gắn dọc thân cọc

Strain gauge là cảm biến đo biến dạng, gắn lên lồng thép hoặc bề mặt bê tông tại nhiều cao độ dọc thân cọc. Khi cọc chịu lực, thân cọc biến dạng dọc trục, và strain gauge sẽ ghi lại độ biến dạng này. Từ độ biến dạng đo được, kỹ sư suy ra lực dọc trục tại từng mặt cắt có gắn cảm biến.

Ý nghĩa của số liệu biến dạng trong phân tích kết quả

Từ lực dọc trục tại các cao độ khác nhau, kỹ sư có thể tính được lực ma sát hông trung bình giữa hai mặt cắt liên tiếp, qua đó vẽ được biểu đồ phân bố sức kháng hông theo chiều sâu.

Biểu đồ này cho thấy lớp đất nào đóng góp nhiều sức kháng nhất, lớp đất nào đóng góp ít, và sức kháng mũi cọc chiếm bao nhiêu phần trong tổng sức chịu tải. Đây cũng là lý do thiết bị thí nghiệm O-Cell được đánh giá cao hơn thí nghiệm nén tĩnh truyền thống trong nhiều trường hợp, như đã so sánh trong bài Khác Biệt Giữa Thí Nghiệm Nén Tĩnh và Thí Nghiệm Osterberg

Hệ thống thu thập và ghi số liệu

Hệ thống thu thập và ghi số liệu là bộ não của thiết bị thí nghiệm O-Cell. Toàn bộ tín hiệu từ các cảm biến được đưa về hệ thống này, chuyển đổi thành số liệu và ghi lại theo thời gian.

Data logger và bộ chuyển đổi tín hiệu

Data logger là thiết bị trung tâm thu thập tín hiệu từ tất cả các cảm biến. Tín hiệu analog từ cảm biến được đưa vào data logger, chuyển đổi thành tín hiệu số và ghi lại theo chu kỳ đã cài đặt. Data logger phải có đủ số kênh đầu vào để tiếp nhận toàn bộ cảm biến. Data logger cũng cần ổn định và chống nhiễu tốt.

Phần mềm hiển thị và giám sát thời gian thực

Phần mềm đi kèm data logger hiển thị số liệu theo thời gian thực dưới dạng bảng số liệu và đồ thị. Trong quá trình thí nghiệm, kỹ sư theo dõi trực tiếp đồ thị quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của đầu trên và đầu dưới cell, đồ thị tải trọng theo thời gian và đồ thị biến dạng dọc thân cọc.

Việc này giúp kỹ sư phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường. Phần mềm cần có chức năng cảnh báo, lưu trữ tự động và xuất số liệu để phân tích sau thí nghiệm.

Hiệu chuẩn thiết bị và kiểm tra trước khi thí nghiệm

Hiệu chuẩn thiết bị thí nghiệm O-Cell và kiểm tra trước khi thí nghiệm là bước không thể bỏ qua trong bất kỳ thí nghiệm O-Cell nào.

Hiệu chuẩn kích và cảm biến áp lực

Kích Osterberg và cảm biến áp lực phải được hiệu chuẩn trong phòng thí nghiệm trước khi ra công trường. Hiệu chuẩn bằng cách tác dụng lên cell một lực đã biết, đo áp lực dầu tương ứng và lập đường quan hệ giữa áp lực dầu và tải trọng. Đường quan hệ này dùng để quy đổi áp lực dầu trên công trường thành tải trọng thực tế. Hiệu chuẩn cần thực hiện định kỳ và hiệu chuẩn lại sau mỗi lần sửa chữa lớn.

Thử áp, kiểm tra kín và kiểm tra tín hiệu cảm biến

Trước khi lắp cell vào lồng thép, toàn bộ hệ thống cấp dầu phải được thử áp. Người ta bơm dầu vào cell đến áp lực thử nghiệm, giữ áp một thời gian và quan sát áp lực có bị tụt hay không. Nếu áp lực tụt dần, chứng tỏ có rò rỉ tại gioăng, mối nối hoặc ống dẫn, cần xác định vị trí rò rỉ và khắc phục trước khi lắp đặt.

Toàn bộ cảm biến cũng phải được kiểm tra tín hiệu trên data logger, đảm bảo tín hiệu phản hồi đúng, không bị nhiễu và không bị mất kênh. Toàn bộ quá trình kiểm tra phải được ghi thành biên bản.

Bảo quản, vận chuyển và xử lý sự cố thiết bị

Thiết bị thí nghiệm O-Cell có giá trị lớn và độ chính xác cao, vì vậy công tác bảo quản, vận chuyển và xử lý sự cố cần được thực hiện theo đúng quy trình.

Bảo quản và vận chuyển thiết bị

Sau mỗi lần thí nghiệm, thiết bị phải được vệ sinh sạch sẽ. Các bề mặt thép cần được làm sạch, lau khô và phủ một lớp dầu bảo vệ chống gỉ. Khi vận chuyển, thiết bị phải đặt trong thùng chuyên dụng có lớp đệm chống sốc, cố định chắc chắn. Cell có trọng lượng lớn, cần nâng hạ bằng thiết bị phù hợp, tuyệt đối không kéo lê hoặc làm rơi.

Dấu hiệu thiết bị hỏng và cách xử lý

Kỹ sư cần nhận biết sớm các dấu hiệu thiết bị hỏng để xử lý kịp thời. Dấu hiệu thường gặp nhất là áp lực dầu không tăng dù bơm vẫn hoạt động, do rò rỉ dầu tại mối nối, van cấp dầu bị kẹt hoặc ống dẫn bị tắc. Khi gặp tình trạng này, cần dừng gia tải, kiểm tra toàn bộ đường ống từ bơm xuống cell, siết chặt các mối nối và thay thế đoạn ống hoặc van bị hỏng nếu cần thiết.

Một dấu hiệu khác là cảm biến đột ngột mất tín hiệu hoặc số liệu nhảy bất thường, nguyên nhân có thể là đứt cáp, đầu nối bị ẩm, nhiễu điện từ hoặc bản thân cảm biến đã hỏng. Cách xử lý là kiểm tra đầu nối, làm khô các tiếp điểm và kiểm tra lại nguồn cấp cho cảm biến. Không nên tiếp tục thí nghiệm khi thiết bị thí nghiệm O-Cell đã hỏng ở bộ phận đo chính, vì số liệu sẽ không đủ tin cậy.

Kết luận

Thiết bị thí nghiệm O-Cell là một hệ thống phức tạp, bao gồm kích Osterberg, hệ cấp dầu thủy lực, cảm biến chuyển vị, cảm biến biến dạng và hệ thu thập số liệu. Một thí nghiệm đạt chất lượng cao bắt đầu từ lựa chọn thiết bị phù hợp, hiệu chuẩn đầy đủ và vận hành đúng quy trình. ACAO luôn đầu tư vào hệ thống thiết bị O-Cell đồng bộ, được hiệu chuẩn định kỳ và vận hành bởi đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm.

Nếu quý khách cần tư vấn về thiết bị thí nghiệm O-Cell cho công trình của mình, vui lòng liên hệ Công ty Cổ phần ACAO qua hotline 0348 288 333, website acao.vn, địa chỉ 82 đường Phương Trạch, Vĩnh Thanh, Hà Nội. Đội ngũ kỹ sư ACAO sẵn sàng tư vấn phương án thí nghiệm phù hợp nhất cho từng công trình.