1. GIỚI THIỆU

Trong lĩnh vực địa kỹ thuật, việc xác định chính xác ứng suất đất đóng vai trò quan trọng trong thiết kế, thi công và đánh giá độ an toàn của các công trình xây dựng. Một trong những phương pháp phổ biến để đo ứng suất đất là sử dụng cảm biến áp lực đất, cho phép ghi nhận trực tiếp giá trị ứng suất tại vị trí lắp đặt trong khối đất hoặc tại giao diện đất – kết cấu.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, các giá trị đo được từ cảm biến áp lực đất chịu ảnh hưởng mạnh bởi đặc tính của cảm biến, điều kiện lắp đặt, môi trường đo và phương pháp hiệu chuẩn. Nếu cảm biến không được hiệu chuẩn phù hợp, kết quả đo có thể sai lệch đáng kể so với giá trị thực, gây ảnh hưởng đến quá trình phân tích và đánh giá công trình. Vì vậy, việc nghiên cứu và xây dựng quy trình hiệu chuẩn cảm biến áp lực đất trong điều kiện phòng thí nghiệm là cần thiết nhằm đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu đo.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, bài báo này tập trung nghiên cứu hiệu chuẩn cảm biến áp lực đất EPC dạng màng ngăn trong hai môi trường khác nhau, qua đó đánh giá ảnh hưởng của môi trường hiệu chuẩn đến độ nhạy và đặc tính đo của cảm biến.

2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã tập trung vào việc ứng dụng cảm biến áp lực đất trong đo đạc ứng suất và áp lực đất. Các nghiên cứu cho thấy rằng kết quả đo từ cảm biến phụ thuộc không chỉ vào tải tác dụng mà còn vào điều kiện tiếp xúc giữa cảm biến và môi trường xung quanh.

Một số công trình đã chỉ ra rằng việc hiệu chuẩn cảm biến trong môi trường chất lỏng thường cho kết quả ổn định và có độ lặp lại cao do áp suất tác dụng phân bố đều trên bề mặt cảm biến. Trong khi đó, hiệu chuẩn trong môi trường đất lại phản ánh sát hơn điều kiện làm việc thực tế của cảm biến, nhưng kết quả đo có thể bị ảnh hưởng bởi sự không đồng nhất của đất, ma sát hạt và chiều dày lớp đất bao quanh cảm biến.

Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu so sánh trực tiếp đặc tính hiệu chuẩn của cảm biến áp lực đất trong các môi trường khác nhau vẫn còn hạn chế. Do đó, việc tiến hành nghiên cứu hiệu chuẩn cảm biến EPC trong cả môi trường chất lỏng và môi trường đất cát bão hòa là cần thiết để làm rõ sự khác biệt về độ nhạy và độ tin cậy của cảm biến.

3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. Cảm biến áp lực đất sử dụng trong nghiên cứu

Cảm biến được sử dụng trong nghiên cứu là cảm biến áp lực đất dạng màng ngăn (earth pressure cell – EPC) của hãng Kyowa, có đường kính màng cảm biến là 30 mm. Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng của màng ngăn khi chịu tác dụng của áp suất, từ đó tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với giá trị áp lực tác dụng.

Cảm biến EPC được lựa chọn do có kích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao và được sử dụng phổ biến trong các thí nghiệm địa kỹ thuật.

3.2. Phương pháp hiệu chuẩn trong môi trường chất lỏng

Hiệu chuẩn cảm biến trong môi trường chất lỏng được thực hiện bằng cách đặt cảm biến vào hệ thống tạo áp suất thủy tĩnh. Áp suất được tăng dần theo các mức xác định trước, tương ứng với các giá trị áp lực tác dụng lên bề mặt cảm biến.

Tại mỗi mức áp suất, tín hiệu đầu ra của cảm biến được ghi nhận và xử lý nhằm xây dựng mối quan hệ giữa áp suất tác dụng và tín hiệu đo. Phương trình hiệu chuẩn được xác định thông qua phương pháp hồi quy tuyến tính.

3.3. Phương pháp hiệu chuẩn trong môi trường đất cát bão hòa

Đối với môi trường đất, cảm biến được chôn trong lớp đất cát bão hòa có chiều dày bằng 6,5 lần đường kính cảm biến nhằm giảm ảnh hưởng của biên và đảm bảo điều kiện làm việc gần với thực tế. Tải trọng được tác dụng lên bề mặt mẫu đất theo từng cấp, tạo ra áp lực truyền xuống cảm biến.

Tương tự như trong môi trường chất lỏng, tín hiệu đầu ra của cảm biến được ghi nhận tại mỗi mức tải và sử dụng để xây dựng phương trình hiệu chuẩn.

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Kết quả hiệu chuẩn cho thấy mối quan hệ giữa áp lực tác dụng và tín hiệu đo của cảm biến trong cả hai môi trường đều có dạng tuyến tính. Trong môi trường chất lỏng, cảm biến thể hiện độ nhạy cao với hệ số hiệu chuẩn đạt 0,99996 và hệ số hồi quy hiệu chỉnh R² bằng 1,0, cho thấy độ tin cậy rất cao của kết quả hiệu chuẩn.

Trong môi trường đất cát bão hòa, độ nhạy của cảm biến giảm đáng kể so với môi trường chất lỏng. Hệ số hiệu chuẩn đạt 0,40411 và hệ số R² hiệu chỉnh đạt 0,99609. Sự suy giảm độ nhạy này có thể được lý giải bởi ảnh hưởng của ma sát giữa các hạt đất, sự phân bố không đồng đều của ứng suất và điều kiện tiếp xúc giữa cảm biến và đất.

Kết quả so sánh cho thấy môi trường hiệu chuẩn có ảnh hưởng lớn đến đặc tính đo của cảm biến áp lực đất. Việc sử dụng hệ số hiệu chuẩn không phù hợp với điều kiện làm việc thực tế có thể dẫn đến sai số đáng kể trong quá trình đo đạc ứng suất đất.

5. KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày quá trình hiệu chuẩn cảm biến áp lực đất EPC dạng màng ngăn trong điều kiện phòng thí nghiệm với hai môi trường khác nhau là chất lỏng và đất cát bão hòa. Kết quả nghiên cứu cho thấy cảm biến có độ nhạy cao hơn khi hiệu chuẩn trong môi trường chất lỏng, trong khi hiệu chuẩn trong môi trường đất phản ánh sát hơn điều kiện làm việc thực tế nhưng có độ nhạy thấp hơn.

Các phương trình hiệu chuẩn thu được đều có tính tuyến tính cao và hệ số tương quan lớn, chứng tỏ độ tin cậy của quá trình hiệu chuẩn. Kết quả nghiên cứu là cơ sở quan trọng cho việc lựa chọn phương pháp hiệu chuẩn phù hợp và ứng dụng cảm biến áp lực đất trong đo đạc ứng suất đất phục vụ thiết kế và thi công công trình địa kỹ thuật.