Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
56
SÓNG CODA (CODA WAVE) – MỘT PHƯƠNG PHÁP MỚI
TRONG KIỂM ĐỊNH VÀ QUAN TRẮC CÁC KẾT CẤU BÊ TÔNG
Lương Minh Chính
Đại học Thuỷ lợi, email: chinhlm@tlu.edu.vn
1. SÓNG CODA LÀ GÌ?
Khi xảy ra động đất thì các biểu đồ thu
thập được từ các thiết bị seismograph hiển thị
cùng một lúc nhiều loại sóng khác nhau. Một
trong những sóng đầu tiên mà thiết bị thu
thập được là sóng P-wave và S-wave (eng. P
– primary, S - secondary), và sau đó là sóng
bề mặt (surface wave) với tần số cao. Các
sóng P, S và sóng bề mặt được thiết bị thu
thập đầu tiên – „first arrival” (hình 1).
Hình 1. Các loại sóng P, S và sóng bề mặt thu
thập được từ thiết bị seismograph [1].
Nhưng không phải tất cả các sóng đến
được trực tiếp thiết bị thu đo, một phần các
sóng đó sẽ bị bật lại bởi sự không đồng nhất
của môi trường và các bề mặt, bằng cách này
các sóng có thể chạy nhiều lần trong môi
trường – những sóng mất dần này được gọi là
sóng CODA (hình 2).
Hình 2. Ví dụ sóng CODA trên biểu đồ [2].
Các sóng CODA di chuyển trong môi
trường theo các tuyến phức tạp lại có ý nghĩa
rất lớn trong công tác kiểm định và quan trắc
công trình [1].
1.1. Các tính năng của sóng coda
Các sóng CODA có năng lượng lớn nhưng
lại có tần số rất thấp so với tần số kích thích
ban đầu [2]. Thông thường các sóng này bị
bỏ qua vì chiều dài của sóng rất ngắn và khả
năng bị nhiễu cao, nhưng các sóng CODA có
tính lặp lại rất cao [1]. Tính lặp lại của sóng
CODA được đảm bảo với các điều kiện sau:
Vị trí của thiết bị thu và phát tín hiệu
không thay đổi.
Các tín hiệu kích thích từ nguồn phát
không thay đổi.
Không có sự thay đổi ứng suất bên trong
môi trường mà sóng di chuyển.
Không có sự thay đổi của cấu trúc bên
trong môi trường mà sóng di chuyển.
Hình 3. Các tuyến lan truyền của các loại sóng
khác nhau trong môi trường.
Các sóng CODA lan truyền trong môi
trường sẽ bị bật đi bật lại nhiều lần bởi sự
không đồng nhất của môi trường vật liệu cũng
như bởi các góc cạnh của bề mặt nên sẽ đến
được thiết bị thu chậm hơn nhiều so với sóng
trực tiếp. Vì thế mọi sự biến đổi về cấu trúc
bên trong môi trường vật liệu sẽ được phát
hiện và thể hiện trên biểu đồ. Đây là một tính
chất đặc biệt của sóng CODA mà sóng trực
tiếp không có (hình 3).
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
57
1.2. Các khả năng ứng dụng của sóng
coda trong đo đạc và quan trắc.
Các sóng CODA có tính lặp lại cao và
mang theo nhiều thông tin về cấu trúc bên
trong của vật liệu. Nếu không có sự thay đổi
nào bên trong cấu trúc của vật liệu thì biểu đồ
của sóng không thay đổi, nhưng nếu điều đó
xảy ra thì các biểu đồ sẽ dịch chuyển với
nhau theo thời gian. Đây chính là nền tảng để
ứng dụng sóng CODA trong kiểm định và
quan trắc các sự biến đổi cấu trúc bên trong
của vật liệu. Phương pháp này gần đây đã bắt
đầu xuất hiện trong quan trắc các công trình
hầm mỏ, đê đập và giao thông [3]. Ứng dụng
sóng CODA trong kiểm định và quan trắc sẽ
dẫn đến việc so sánh các trạng thái của vật
liệu với trạng thái ban đầu.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ÁP DỤNG SÓNG
CODA
2.1. Thuyết âm hưởng – đàn hồi
(Acusto-elastic theory)
Thuyết âm hưởng – đàn hồi giải thích hiện
tượng thay đổi phân kỳ thời gian lan truyền
của sóng trong vật liệu tuỳ thuộc vào các biến
dạng đàn hồi của vật liệu, hay còn được gọi
là hiện tượng truyền âm. Theo thuyết đàn hồi
tuyến tính cổ điển thì giá trị của mô đun đàn
hồi sẽ là hằng số đối với bất kỳ tải trọng nào.
Nhưng đối với vật liệu phi tuyến tính như bê
tông thì biểu đồ ứng suất – biến dạng sẽ
không phải là tuyến tính. Mô đun đàn hồi của
bê tông phụ thuộc vào ứng suất. Với vật liệu
đẳng hướng thì tốc độ lan truyền của sóng
truyền của sóng Vij phụ thuộc vào ứng suất
được thể hiện theo công thức (1) [4]:
Vij = vij0 (1+ij.) (1)
với vij0 – tốc độ lan truyền ban đầu, ij – hệ
số âm hưởng – đàn hồi, i,j - hướng lan truyền
2.2. Hiện tượng Kaiser
Bê tông là vật liệu không đồng nhất, bên
trong xuất hiện nhiều vết nứt siêu nhỏ. Cùng
với việc ứng suất trong bê tông tăng, các vết
nứt cũng tăng lên và phát triển thêm. Chỉ
bằng những phương pháp không phá huỷ
(NDT) mới có thể theo dõi các diễn biến tạo
nên các khuyết tật bên trong bê tông và một
trong số đó là CWI. Quá trình tăng trưởng
các khuyết tật bên trong bê tông sẽ làm giảm
tốc độ lan truyền của sóng [5].
Sự xuất hiện các khuyết tật mới bên trong
cấu trúc của vật liệu được gọi là hiện tượng
Kaiser [Joseph Kaiser - 1950] (hình 4). Trong
hiện tượng này các vết nứt siêu nhỏ sẽ hình
thành khi tải trọng tác động vượt quá tải trọng
tối đa đã tác động trước đó, hay nói cách khác:
nếu có sự thay đổi tải trọng bất thường nào
(lớn) vượt quá tải trọng tối đa trước đó lên cấu
trúc của vật liệu thì tốc độ lan truyền của sóng
trong vật liệu sẽ thay đổi và sau khi dỡ tải thì
tốc độ lan truyền của sóng sẽ không trở lại
trạng thái ban đầu [5] [9].
Hình 4. Biểu đồ AE [Acoustic Emossion]
(đường đen đậm) thể hiện việc gia tải đều đặn
(đường sắc màu) lên mẫu bê tông và sự xuất
hiện của hiện tượng Kaiser (đường ngắt quãng
màu đỏ) [M. Jarczynski].
3. TOF – THỜI GIAN DI CHUYỂN
TOF – Time Of Light là phương pháp áp
dụng các sóng siêu âm trong nghiên cứu về
môi trường vật liệu. Phương pháp này dựa
trên cơ sở các sóng trực tiếp (first arrival).
TOF là phương pháp được áp dụng phổ biến
hiện nay trong địa kỹ thuật, nhưng lượng
thông tin truyền tải bởi các sóng trực tiếp là
không nhiều so với phương pháp CWI. Bằng
phương pháp TOF ta có thể xác định được
vận tốc của sóng lưu truyền trong môi trường
vật liệu, nhưng độ chính xác của phương
pháp này bị hạn chế bởi khả năng xác nhận
thời gian truyền tới của sóng bởi thiết bị đo
đạc. Nếu như sự thay đổi của vận tốc giữa hai
trạng thái khác nhau của môi trường vật liệu
là kết quả cần tìm thì ta có thể tính toán các
sự tương quan chéo [6] [7]. Phương pháp này
sẽ đo sự lệ thuộc tuyến tính giữa 2 phép đo
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
58
đối với mỗi cặp điểm (xi, yi). Các giá trị xác
định được sẽ nằm trong khoảng (-1, 1) theo
công thức (2). Phương pháp này cho phép
xác định tỷ lệ thay đổi của môi trường nhưng
không xác định được vị trí có sự thay đổi
trong môi trường.
(2)
Trong đó:
(3) (4)
4. CWI – CODA WAVE INTERFEROMETRY
CWI là phương pháp cơ bản trong việc áp
dụng sóng CODA. Bằng interferometer (giao
thoa kế - thiết bị phổ biến rất nhạy cảm) ta có
thể đo được sự cộng hưởng của ít nhất 2 sóng
quang học hoặc sóng âm thanh [3]. Các
phương pháp tính toán cho phép chỉ ra sự
thay đổi trong môi trường giữa hai trạng thái
khác nhau đồng thời xác định sự thay đổi đó
diễn ra như thế nào qua phân tích chu kỳ và
độ dài của sóng CODA.
4.1. Phổ sóng CODA
CWI dựa trên cơ sở tính toán tổng các
tuyến P mà sóng CODA đã lưu truyền trong
môi trường và phổ sóng u(t) là tổng của tất cả
các sóng Sp(t) đã lưu truyền theo tất cả các
tuyến P có thể và được tính bằng công thức:
(5)
Nếu bên trong môi trường có sự thay đổi
thì biểu đồ sóng cũng thay đổi. Mọi sự thay
đổi với chiều dài tuyến lưu truyền hay tốc độ
lưu truyền của sóng ta sẽ đo được thời gian
tới đích của sóng so với trạng thái trước khi
có sự biến đổi. Công thức dưới (6) chỉ đúng
với các sóng được phát ra lúc đầu với mỗi
trạng thái là không đổi:
(6)
4.2. Hệ số tương quan của dịch chuyển
trong thời gian
Hệ số tương quan tính theo công thức (7)
cho phép ta so sánh hai phổ sóng bất kỳ,
trong đó ts là sự dịch chuyển của thời gian.
Giá trị này có thể tính được cho mọi khung
thời gian, mà ở đó: t là tâm thời gian và 2T là
độ rộng của quãng thời gian. Để bắt được
phần biểu đồ có các sóng CODA ta nên chọn
các quãng thời gian muộn hơn. Trong thực tế
ta sẽ tính toán cho nhiều quãng thời gian
khác nhau:
(7)
Bằng các công thức (8) và (9) ta có thể
tính được độ phân tán của thời gian lan
truyền của sóng 2.
(8)
Trong đó, tốc độ góc trung bình bằng:
(9)
5. KẾT LUẬN
Bê tông là một vật liệu không đồng nhất,
nên trong công tác quan trắc hay kiểm tra
chất lượng bê tông gặp nhiều khó khăn, điều
này đã loại trừ nhiều phương pháp đo đạc.
Nhưng nhược điểm này lại mang lại cơ hội
cho phương pháp kiểm định và quan trắc kết
cấu bê tông bằng sóng CODA. Chính vì
những hư hại bên trong kết cấu bê tông mà
sóng này di chuyển trong môi trường vật liệu
lâu hơn, thu thập các thông tin về môi trường
vật liệu bên trong kết cấu theo mọi hướng.
Qua đó cho thấy việc áp dụng sóng CODA
trong quan trắc các kết cấu bê tông là hoàn
toàn có thể [3], [4], [5] giúp mở ra những
hướng mới hiệu quả và chất lượng hơn nhiều
trong quan trắc các loại kết cấu bê tông cốt
thép, đồng thời cần có các nghiên cứu sâu
hơn nữa trong lĩnh vực này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Gret A. „Time - Lapse Monitoring with Coda
Wave Interferometry”, Center for Wave
Phenomea Colorado School of Mines CWP-
461 May 2003.
[2] Niederleithinger E. Wunderlich C., Influence
of small temperature variations on the
ultrasonic velocity in concret”, BAM Federal
Institute for Materials Research and Testing,
Berlin, Germany.