Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Tự động hóa trong quá trình đo áp lực nước lỗ rỗng phục vụ xây dựng công trình trên nền đất yếu

Tự động hóa trong quá trình đo áp lực nước lỗ rỗng phục vụ xây dựng công trình trên nền đất yếu

Tóm tắt - Bài báo phân tích vai trò, đặc điểm của công tác đo áp lực nước lỗ rỗng (ALNLR) trong xây dựng các công trình giao thông, thủy lợi, thủy điện… Thông qua đó, giới thiệu một hệ thống thiết bị đo ALNLR tự động, phù hợp môi trường và yêu cầu sử dụng trong thi công các công trình xây dựng trên nền đất yếu ở Việt Nam,được thiết kế, chế tạo hoàn toàn trong nước, do nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học và Công nghệ- GTVT thực hiện.

Hình 1. Bố trí các cảm biến đo ALNLR tại hiện trường

Từ khóa: Áp lực nước lỗ rỗng, Piezometer, Readout.

1. Đặt vấn đề

Áp lực nước lỗ rỗng (ALNLR) là áp lực của nước ngầm tồn tại trong các lỗ rỗng hay các kẽ hở của các hạt của đất hoặc đá.. ALNLR làm giảm sức kháng cắt của mặt đất, thậm chí có thể hóa lỏng, gây nên phá hoại nền đất và các công trình trên nó. Trong quá trình thi công xử lý nền móng công trình, việc xác định ALNLR có tác dụng giúp cho đơn vị thi công có thể tính toán để điều chỉnh tốc độ đắp nền, khối lượng đắp nền. Sau khi đắp đủ tải theo thiết kế, lúc này việc xác định ALNLR nhằm mục đích đánh giá chất lượng của nền đất sau khi thi công. Do vậy, việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị đo, các hệ thống quan trắc là hết sức cần thiết.

ALNLR thường được xác định bằng cách sử dụng các đầu đo (piezometer) được đặt tại những độ sâu nhất định để theo dõi như trên hình 1. Các dây tín hiệu của các cảm biến đo ALNLR được đưa về hộp nối. Đến thời điểm đo theo định kỳ, các máy đo chuyên dụng sẽ được sử dụng để thực hiện công việc đo đạc.

Như vậy, có thể rút ra một số nhận xét về công tác đo ALNLR ở Việt Nam hiện nay như sau:

- Việc đo ALNLR chưa được thực hiện liên tục, việc đo đạc các giá trị ALNLR tại hiện trường vẫn được thực hiện theo cách thủ công;

- Các thiết bị đọc số liệu không chỉ thị trực tiếp giá trị ALNLR mà chỉ đưa ra giá trị tần số rung, từ giá trị này, các kỹ thuật viên phải tính toán qui đổi ra giá trị áp lực;

- Các hệ thống thiết bị đo được sử dụng hoàn toàn được nhập khẩu từ nước ngoài, với những hãng tên tuổi như GEOKON, SLOPE (Mỹ), ROCKTEST (Canada), GeoMil (Hà Lan)…Các hệ thống đo này thường đắt tiền và đôi khi chưa phù hợp với yêu cầu và điều kiện thực tế sử dụng ở Việt Nam.

Từ các phân tích trên có thể thấy, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống quan trắc ALNLR phục vụ xử lý nền tại các công trình xây dựng trên nền đất yếu có ý nghĩa thực tế rất lớn. Bài báo sẽ trình bày một hệ thống thiết bị quan trắc ALNLR do Viện KH và CN Giao thông Vận tải nghiên cứu, thiết kế và chế tạo. Ngoài các chức năng cơ bản đáp ứng độ chính xác yêu cầu, hệ thống này có nhiều tính năng mở rộng mà các thiết bị đo cầm tay nhập ngoại hiện chưa cung cấp, cho phép thực hiện công tác tự động hóa đo, ghi dữ liệu ALNLR một cách liên tục, có khả năng mở rộng quản lý, hiệu chỉnh từ xa, tạo điều kiện cung cấp dữ liệu đo thời gian thực cho bộ phận kỹ thuật ra các quyết định kịp thời, chính xác, đẩy nhanh tiến độ thi công an toàn, nhằm nâng cao hiệu quả, hiệu suất thi công công trình.

2. Nguyên lý đo ALNLR
2.1. Phương pháp đo

Theo TCVN 8869-2011 “Quy trình đo áp lực nước lỗ rỗng trong đất”, hiện nay có 2 cách đo ALNLR là sử dụng phương pháp đo ALNLR loại hở và loại kín.
a. Phương pháp đo hở

Đối với hệ thống đo ALNLR loại hở, các lỗ khoan được khoan sâu đến các vị trí địa tầng cần quan trắc, sau đó đặt đầu đọc tại cao độ thiết kế (Hình 2). Nguyên lý đo của phương pháp này dựa theo nguyên lý nước có áp trong ống giếng sẽ giảm dần theo thời gian, từ đó tính được sự biến đổi của ALNLR, theo công thức qui đổi phù hợp với mỗi loại cảm biến được nhà sản xuất xác định trước và được cung cấp kèm hồ sơ thiết bị, phương pháp này tuy dễ thực hiện, đơn giản nhưng thường xuyên phải hiệu chỉnh theo áp suất khí quyển.

Hình 2. Phương pháp đo ALNLR kiểu hở Hình 3. Phương pháp đo ALNLR kiểu kín.

b. Phương pháp đo kín    
Phương pháp thứ hai là đo theo kiểu kín, cách này đặt cảm biến trong lòng ống được bịt kín một đầu, nguyên lý đo của cách này dựa vào cảm biến áp lực nước hoặc chất lỏng đặt vào màng của cảm biến, từ đó xác định giá trị áp lực thực của nước trong đất (Hình 3). Phương pháp này có ưu điểm ổn định đầu đo, dễ tính toán, hiệu chỉnh, cho độ chính xác cao, ít bị ảnh hưởng bởi áp suất khí quyển thay đổi và cho kết quả đo liên tục, lâu dài. Từ những ưu điểm trên, nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn phương pháp đo ALNLR loại kín, đồng thời phù hợp với phương pháp đo ALNLR được sử dụng rộng rãi trong thực tế thi công công trình tại Việt Nam.

Trên thực tế hiện nay, các đơn vị thi công thường sử dụng phương pháp đo ALNLR loại kín, sử dụng cảm biến điện kiểu dây rung trong quá trình thi công, gia tải để xử lý nền đất công trình. Do vậy, nhóm nghiên cứu cũng lựa chọn phương pháp và cảm biến đo này để đảm bảo phù hợp với điều kiện Việt Nam.

2.2. Cảm biến đo
Nguyên lý chung của các loại cảm biến đo ALNLR kiểu dây rung được sử dụng rộng rãi, phổ cập trên thế giới và trong nước có thể mô tả như sau.

Hình 4. Cảm biến dây rung

Đây là một dụng cụ sử dụng một màng chắn thép không gỉ nhạy cảm kết nối với dây rung (Hình 4). Khi sử dụng, sự thay đổi áp suất trên màng chắn là nguyên nhân làm thay đổi độ căng dây dẫn đến thay đổi tần số cộng hưởng của dây rung được gắn với màng chắn và cố định đầu còn lại. Bình phương của tần số rung tỉ lệ thuận với áp lực tác động lên màng chắn. Có hai cuộn dây, một cuộn có nam châm, cuộn kia có tác dụng như đối cực, được bố trí sát dây rung. Khi sử dụng, một dãy xung (xung quét) được cấp vào cuộn dây làm dây dao động theo hình sin với tần số đúng bằng tần số cộng hưởng riêng của nó. Khi kết thúc kích thích, dây tiếp tục rung và một tín hiệu xoay chiều hình sin (AC) được duy trì, tại tần số cộng hưởng. Tín hiệu này được cảm ứng trong các cuộn dây và chuyển tới các hộp đọc đầu ra, tại đây tín hiệu được hiệu chỉnh và hiển thị dưới dạng tham số theo yêu cầu, có thể hình dung một cách hình tượng, nguyên tắc làm việc của cảm biến dây rung tương tự như nguyên lý hoạt động của cây đàn bầu điện tử.

2.3. Tính toán giá trị đo
Khi dòng thấm tồn tại tronglỗ rỗng sẽ tạo ra 1 áp lực tác dụng lên màng cảm biến áp lực làm thay đổi tần số cộng hưởng dây rung của cảm biến. Từ sự thay đổi của tần số cảm biến, ta có thể xác định được ALNLR theo công thức:
P = A x R2 + B x R + C’            (1)
Hoặc:
P = G x (Rt- R0)                (2)
Trong đó:
- P là giá trị áp suất tính bằng kiloPascal
- A, B, C, G là các hệ số trong phiếu hiệu chuẩn kèm theo sensor
- Rt là số đọc tuyến tính
- R0 là giá trị tuyến tính ban đầu
- C’ là hằng số tính bằng đơn vị kiloPascal

Hình 5. Sơ đồ khối tổng thể hệ thống quan trắc

3. Thiết bị đo quan trắc ALNLR
3.1. Sơ đồ khối tổng thể hệ thống

Dựa trên nguyên lý hệ thống đo ALNLR được dùng phổ biến trong các công trình xây dựng tại Việt Nam như các phân tích ở phần trên và phân tích chức năng của các thiết bị đọc số liệu đo cầm tay hiện nay, nhóm nghiên cứu đã xây dựng sơ đồ khối tổng thể hệ thống quan trắc áp lực nước lỗ rỗng bổ sung chức năng tự động tính toán, cho phép chỉ thị trực tiếp giá trị ALNLR, ghi nhớ liên tục số liệu đo và có thể tập trung xử lý dữ liệu từ xa được thể hiện như trên hình 5.
Trong đó:
- Màn hình hiển thị: kết nối với máy tính và hiển thị các giao diện chương trình trên máy tính;
- Thiết bị ngoại vi: bao gồm chuột, bàn phím để thực hiện các thao tác trên các giao diện chương trình trên máy tính;
- Cảm biến: theo thiết kế, số lượng cảm biến của thiết bị quan trắc ALNLR này có thể lên đến 08 cảm biến. Các cảm biến này được đặt tại các vị trí cần quan trắc ALNLR, tín hiệu từ các cảm biến này sẽ được đưa về thiết bị thu nhận dữ liệu để xử lý, lưu trữ và gửi về máy tính;
- Thiết bị thu nhận dữ liệu: thiết bị này thường được đặt tại công trình, làm nhiệm vụ điều khiển đọc dữ liệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu, lưu trữ dữ liệu, truyền nhận dữ liệu với máy tính;
- Máy tính: hiển thị giá trị đo áp lực nước trên giao diện chương trình quan trắc, lưu trữ dữ liệu, báo cáo số liệu, truyền nhận dữ liệu với máy tính,…;
- Nguồn: cung cấp nguồn điện hoạt động cho toàn bộ thiết bị.
Ngoài ra, các module phần mềm tính toán, điều khiển được xây dựng để thực hiện các phép tính qui đổi theo công thức (1); (2) và giao tiếp, trao đổi giữa người và hệ thống đo.

3.2. Thiết bị thu nhận dữ liệu
Để giải quyết các nhiệm vụ thu thập dữ liệu của 8 kênh đo; xác định tần số cộng hưởng; tính toán quy đổi từ tần số sang áp suất có bù nhiệt; lưu trữ quá trình ghi nhận giá trị và trao đổi với máy tính.. Thiết bị thu nhận dữ liệu (hình 6)  bao gồm các khối cơ bản như: khối xử lý trung tâm, khối điều hòa tín hiệu từ các cảm biến đo, màn hiển thị kết quả đo, khối giao diện với thiết bị ngoài như máy tính, bộ nhớ lưu trữ dữ liệu, các phím thao tác, đèn LED thông báo tình trạng hoạt động của hệ thống, khối nguồn cung cấp.

Hình 6. Sơ đồ khối tổng thểthiết bị thu nhận dữ liệu

Thiết bị thu nhận dữ liệu cho phép nối tối đa 8 đầu đo áp lực nước từ S1 đến S8. Các mạch điều hòa tín hiệu sẽ phụ thuộc và chủng loại đầu đo được chọn.
Chip vi điều khiển được sử dụng trong thiết bị tập trung dữ liệu là Pic24FJ256GB106 của MicroChip do có các đặc điểm phù hợp như:

Cấu trúc mềm dẻo, tài nguyên phong phú, đáp ứng được nhu cầu của đa số bài toán. PIC là hệ khả trình trên một Chip. Các Chip chế tạo theo công nghệ PIC cho phép thay đổi được cấu hình đơn giản bằng cách gán chức năng cho các khối tài nguyên có sẵn trên Chip. Hơn nữa nó còn có thể kết nối tương đối mềm dẻo các khối chức năng với nhau hoặc giữa các khối chức năng với các cổng vào ra. Thành phần của Chip PIC bao gồm các khối ngoại vi số và tương tự có thể cấu hình được, một bộ vi xử lý 16 bit, bộ nhớ chương trình EEROM có thể lập trình được với bộ nhớ RAM khá lớn, khả năng đặt cấu hình mạnh, phù hợp với những thiết bị điều khiển và đo lường. Chip PIC này có kích thước nhỏ gọn và có thể thay thế được các thiết bị dựa trên vi xử lý hoặc vi điều khiển đã có.

3.3. Các thông số kỹ thuật của hệ thống    
Thiết bị đo sau khi chế tạo đã được nhóm nghiên cứu tiến hành các bước hiệu chuẩn tại Viện Đo lường Việt Nam và đạt được độ chính xác, ổn định tương đương các thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài.

Các thông số kỹ thuật của hệ thống:
- Số vị trí đo áp lực nước: Tối đa 8 vị trí;
- Thang đo áp lực nước: 0 ÷ 400 kPa;
- Chu kỳ đo: Thay đổi được;
- Dung lượng bộ nhớ: 512 MB;
- Màn hiển thị: LCD, máy tính;
- Nguồn cung cấp: AC/DC;
- Có khả năng cung cấp, lưu trữ dữ liệu liên tục trong thời gian dài;
- Có khả năng mở rộng chức năng linh hoạt nhờ sử dụng chíp vi xử lý hiện đại;
- Có khả năng kết nối với máy tính và các thiết bị truyền dẫn.

4. Kết luận
Qua nghiên cứu nguyên lý, các đặc trưng của hệ thống đo ALNLR, nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành việc chế tạo một thiết bị tự động đo ALNLR với các tính năng hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đề ra, đã được cấp chứng nhận hợp chuẩn của cơ quan kiểm định.

Thiết bị đo do nhóm thực hiện đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo có một số tính năng mở rộng mà các thiết bị đo cầm tay nước ngoài không có. Đó là bổ sung bộ nhớ có dung lượng lớn, có thể thực hiện đo liên tục, cung cấp dữ liệu theo thời gian thực, lưu trữ dữ liệu trong thời gian dài, cho phép lập ngân hàng dữ liệu ALNLR ứng dụng với các công trình khác nhau trong từng khu vực; có khả năng tính toán đưa ra kết quả cuối cùng theo áp suất (kPa) trực tiếp, giảm thời gian xử lý dữ liệu, do đó, tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí thi công công trình. Ngoài ra, thiết bị đo còn có khả năng trực tiếp hoặc gián tiếp kết nối với máy tính qua các thiết bị truyền dẫn theo các phương thức GPRS, 3G, Wifi, Internet... Với những điểm nổi trội trên cùng việc chủ động sản xuất được thiết bị đo cho hệ thống đo ALNLR và có giá thành chắc chắn thấp hơn nhiều so với thiết bị đặt mua từ nước ngoài, thì việc đưa thiết bị này vào thực tế phục vụ xây dựng công trình GTVT có ý nghĩa lớn và hoàn toàn khả thi.q

Tài liệu tham khảo
[1]    TCVN 8869-2011 “Quy trình đo áp lực nước lỗ rỗng trong đất” do Viện Khoa học và Công nghệ GTVT biên soạn;
[2]    Báo cáo giới thiệu sản phẩm “Hệ thống đo áp lực nước lỗ rỗng cho các công trình trên nền đất yếu” của Viện Khoa học và Công nghệ- GTVT 12/2014.


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 






 


 

Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết