Tự động hóa thí nghiệm nén cố kết trong xây dựng

Những giải pháp phần cứng và phần mềm do TS. Bùi Đức Vinh và cộng sự ở trường Đại học Bách khoa TP.HCM phát triển đã góp phần giảm bớt gánh nặng trong quá trình thực hiện thí nghiệm nén cố kết - công đoạn gần như bắt buộc khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu.

Nhân viên phòng thí nghiệm Công ty Tư vấn xây dựng BR đang thử nghiệm các giải pháp về thí nghiệm nén cố kết của TS. Bùi Đức Vinh. Nguồn: NVCC

Trên nhiều con đường mới xây dựng tại Việt Nam, không khó để bắt gặp những biển báo “đường chờ lún” hay “đường đang theo dõi lún”. Thời gian chờ lún của những con đường này có thể kéo dài trong nhiều năm, dẫn đến không ít thắc mắc tại sao đường đã làm xong mà vẫn cứ lún hoài lún mãi, gây bất tiện cho người tham gia giao thông. Thực chất, câu chuyện đường chờ lún liên quan đến bài toán xây dựng các công trình trên nền đất yếu: “Ở phía Bắc có khu vực ven biển Hải Phòng, Quảng Ninh có nền đất đất tương đối yếu, ở phía Nam thì hầu hết vùng đồng bằng sông Cửu Long có nền đất yếu. Do vậy, khi xây dựng công trình ở trên đó, người ta phải biến đất yếu thành đất cứng, hoặc chờ nó lún từ từ”, TS. Bùi Đức Vinh ở trường Đại học Bách khoa TP.HCM giải thích.

Đất yếu là các loại đất là sức chống cắt nhỏ, tính biến dạng (ép lún) lớn. Tiêu biểu là đất nền ở vùng đồng bằng sông Cửu Long gồm các lớp trầm tích mềm yếu, có độ ẩm cao, hàm lượng hữu cơ lớn. Nếu không có biện pháp cải thiện các tính chất cơ lý của đất, chẳng hạn như sử dụng móng cọc hay gia tải trước, việc xây dựng và khai thác các công trình trên nền đất yếu sẽ trở thành nhiệm vụ bất khả thi.

Muốn tìm ra biện pháp xử lý phù hợp, các kỹ sư phải tiến hành các thí nghiệm để xác định được tính cố kết của đất. Đó là quá trình đất bị nén chặt, và một lượng nước và khí thoát ra ngoài. “Hiểu nôm na giống như khi mình vắt một cục bột để loại bớt nước, khiến nó chắc lại. Hiện tượng cố kết cũng xảy ra trên các con đường chờ lún, xe cộ qua lại, khiến đất dần bị nén xuống”, TS. Bùi Đức Vinh giải thích. “Với các dự án trên nền đất yếu, các kỹ sư thiết kế phải khảo sát tính chất của từng lớp đất bên dưới để đưa ra giải pháp hợp lý. Việc thực hiện thí nghiệm nén cố kết để xác định khả năng nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng công trình gần như là điều bắt buộc, và phải thực hiện với số lượng mẫu lớn, độ chính xác cao để đảm bảo an toàn khi khai thác công trình”.

Những thí nghiệm này thường được thực hiện bởi các viện nghiên cứu, trường đại học hoặc các công ty xây dựng. Theo đó, các kỹ thuật viên sẽ đặt tải tạo lực ép cho mẫu đất cho mỗi chu kỳ 24 giờ, sau đó đo độ lún của mẫu đất bằng đồng hồ chuyển vị kế. Người thực hiện thí nghiệm sẽ phải đọc số liệu đo độ lún của mẫu đất với bước thời gian ngắn nhất từ 6 giây cho đến dài nhất là 60 phút, và quá trình đọc số lặp lại cho mỗi cấp tải. Vướng mắc lớn nhất nằm ở quy trình đọc số liệu rồi nhập vào máy tính, hiện nay chủ yếu được thực hiện theo cách thủ công, vừa tốn nhiều thời gian, công sức, lại khó đảm bảo chất lượng đo đếm số liệu.

Vốn là dân vật liệu xây dựng, bài toán của ngành địa kỹ thuật như thí nghiệm nén cố kết không phải là sở trường của TS. Bùi Đức Vinh. Tuy nhiên, quá trình phát triển các thiết bị cho nghiên cứu vật liệu lại giúp anh nhìn thấy điểm chung giữa hai lĩnh vực, cũng như cơ hội để giải quyết bài toán này: “Chỉ cần sửa một chút xíu các thiết bị cho bê tông xi măng là có thể áp dụng trong lĩnh vực cơ học đất”, anh nhận xét.

Từ nền tảng sẵn có, TS. Bùi Đức Vinh cùng các cộng sự ở trường Đại học Bách khoa TP.HCM và Công ty Hoàng Vinh TRCC đã phát triển một giải pháp phần cứng và phần mềm hoàn chỉnh có tên gọi SMARTLOG. Giải pháp này giúp tự động hóa quá trình ghi dữ liệu, xử lý dữ liệu thô và lập thí nghiệm với nhân công và thời gian tối thiểu. “Mục tiêu của chúng tôi là mang lại giải pháp hiệu quả, dễ sử dụng, giá thành phải chăng, có độ ổn định và tin cậy cao, có thể tận dụng được tất cả hạ tầng và thiết bị sẵn có, phù hợp với điều kiện của Việt Nam”, anh nói.

Nội địa hóa các giải pháp

Để tìm mua các thiết bị phục vụ thí nghiệm nén cố kết trên thị trường không khó. Người ta dễ dàng tìm thấy đa dạng chủng loại, nhà cung cấp, giá thành, và tất nhiên, cũng phải đối mặt với vòng luẩn quẩn muôn thuở: giá rẻ thì chỉ có thiết bị thủ công, các thiết bị tự động hoặc bán tự động tốt hơn lại có giá đắt, chưa thực sự phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Chẳng hạn như thiết bị tự động hoàn toàn giúp tiết kiệm thời gian và công sức song lại có chi phí đầu tư và vận hành quá cao. Với thiết bị bán tự động, công đoạn gia tải vẫn phải thực hiện bằng tay, công đoạn đọc số sẽ tự động, đồng hồ đo độ lún được thay thế bởi cảm biến chuyển vị, tín hiệu cảm biến được nối với bộ ghi số liệu tự động (datalogger) bằng dây cáp, các bộ này nối với máy tính, số liệu thí nghiệm của từng cảm biến phần mềm ghi lại và và xử lý trong giai đoạn lập báo cáo. “Phương án này cho giá thành rẻ hơn nhiều [so với thiết bị tự động hoàn toàn], nhưng với giá của mỗi cảm biến từ 300-500 USD và chi phi phí thiết bị ghi số liệu và phần mềm cho mỗi kênh (cảm biến) đo lên đến 250 USD, mỗi mẫu máy thí nghiệm sẽ cần đầu tư trung bình 500-600 USD. Với công nghệ nối dây cáp, các thiết bị tạo thành mạng dây cáp (tương tự như mạng máy tính) trong phòng trông rất rối. Do đó, các bộ datalogger phải được kết nối với máy tính bằng mạng wifi”, TS. Bùi Đức Vinh phân tích.

Việc tận dụng nguồn lực sẵn có để tạo ra những giải pháp “đo ni đóng giày” cho Việt Nam là một trong những “lối thoát” khỏi những tình thế bế tắc như vậy. Tất cả các sản phẩm phần cứng và phần mềm do TS. Bùi Đức Vinh và các cộng sự phát triển - bao gồm cảm biến đo chuyển vị, bộ ghi số liệu sáu kênh, firmware cài đặt bên trong chip vi xử lý của bộ ghi số liệu, cho đến phần mềm cấu hình quản lý thiết bị, phần mềm thu thập và quản lý số liệu, phần mềm tách lọc số liệu và lập báo cáo, phần mềm theo dõi số liệu trên thiết bị di động - đều bám sát theo hướng tiếp cận này. Đơn cử như cảm biến đo chuyển vị được nhóm nghiên cứu chế tạo từ năm 2015, ban đầu dùng để gắn trên các máy thí nghiệm nén mẫu xi măng đất. Về lý thuyết, việc nhập khẩu linh kiện để gia công chế tạo cảm biến không khó, song làm thế nào để cảm biến có độ chính xác cao mới là điều phức tạp, bởi quá trình chế tạo các chi tiết cơ khí có nhiều bí quyết về công nghệ. Sau khi tham khảo các sản phẩm tương tự trên thế giới với nhiều cải tiến kỹ thuật, đến nay, sản phẩm cảm biến gần như hoàn thiện có chất lượng đạt đến 95-97% so với sản phẩm cùng loại của Anh và Mỹ, trong khi giá thành chỉ bằng 30%.

Nếu so sánh hàng nội địa với ngoại nhập, người ta thường nghĩ hàng nội giá rẻ hơn song chất lượng cũng sẽ kém hơn hàng nhập khẩu. Với những giải pháp cho thí nghiệm nén cố kết của TS. Bùi Đức Vinh, điều này chỉ đúng ở vế trước. Anh nhận thấy một số thiết bị của châu Âu, chẳng hạn như bộ ghi số liệu của một hãng ở Ý vẫn tồn tại các nhược điểm như kết nối dây phức tạp, chưa có phần mềm xử lý dữ liệu tự động… “Mình phải cố gắng khắc phục những điểm này, để thiết bị của mình thực sự đi vào thực tế”, TS. Bùi Đức Vinh chia sẻ. Từ suy nghĩ này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế bộ ghi số liệu có sáu kênh, giúp thiết bị nhỏ gọn và kết nối dây dẫn với cảm biến không quá nhiều. “Với sáu kênh đo mỗi thiết bị ghi sẽ kết nối với hai máy thí nghiệm, các kết nối dây dẫn từ cảm biến đến bộ ghi ở khoảng cách gần không quá 2m, đảm bảo chất lượng tín hiệu tốt nhất, không bị ảnh hưởng bởi dây dẫn”, anh giải thích. “Thiết kế này khác với các sản phẩm trên thị trường có bộ ghi tập trung quá nhiều kênh đặt một vị trí cố định gần máy tính, dây dẫn từ cảm biến nối đến bộ ghi rất nhiều, tạo ra ma trận dây cáp, rất khó bảo trì thiết bị. Đặc biệt dây dẫn dài có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu của cảm biến và giảm độ chính xác của phép đo”.

Thông thường, để tạo ra những sản phẩm vừa tốt, rẻ và dễ sử dụng, các nhà nghiên cứu đã “nhận phần khó về mình”. Tương tự, đằng sau mỗi sản phẩm phục vụ thí nghiệm nén cố kết của TS. Bùi Đức Vinh cũng là vô số quá trình mày mò thử nghiệm ròng rã, thậm chí “ném bỏ không biết bao nhiêu cái”. “Tất nhiên, ban đầu sản phẩm chưa thể trơn tru như mình kỳ vọng. Sau quá trình cải tiến, đặc biệt là học hỏi từ góp ý của khách hàng - những người rất giàu kinh nghiệm trong lĩnh vực này, chúng tôi mới dần cải thiện”, TS. Bùi Đức Vinh chia sẻ. Thực tiễn và lý thuyết luôn có những khoảng cách mà không phải lúc nào người ta cũng nhìn ra ngay từ đầu. Chẳng hạn khi thiết kế hệ thống bảo vệ dữ liệu phòng trường hợp mất điện, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu bảo vệ trong 48 giờ mất điện. “Do đặt mục tiêu quá dài, hệ thống bảo vệ này quá phức tạp và hay gặp lỗi. Khi đó khách hàng mới bảo không cần để dài như vậy. Bây giờ nguồn điện chỉ hư hỏng trong 4 giờ là người ta sẽ sửa, không bao giờ mất điện quá 4 giờ. Sau đó chúng tôi mới sửa đổi lại cho phù hợp hơn”, anh kể lại.

Sự phản hồi của những đối tác chấp nhận làm “chuột bạch”, dùng thử trong giai đoạn đầu là tiền đề giúp TS. Bùi Đức Vinh và các cộng sự nghiên cứu hoàn thiện các giải pháp. Hiện nay, các giải pháp này đã được ứng dụng ở nhiều đơn vị xây dựng trên cả nước, mang đến một “làn gió mới” trong các thí nghiệm nén cố kết: công đoạn đặt tải chỉ cần một người duy nhất, còn đọc số hoàn toàn do máy đảm nhận, có thể dọc đồng thời hàng trăm mẫu, bất kể ngày đêm. Đặc biệt, nhờ phần mềm tách lọc số liệu và lập báo cáo, chỉ cần ít nhân sự cũng có thể đảm bảo độ tin cậy của kết quả thí nghiệm. Thời gian hoàn thành báo cáo thí nghiệm rút ngắn khoảng 50%, trong khi chi phí đọc số liệu, làm báo cáo giảm đến 70%.

Với nhóm nghiên cứu, yếu tố chất lượng luôn là kim chỉ nam trên hành trình phát triển và thương mại hóa sản phẩm. “Chúng tôi có các chương trình dùng thử, nếu khách hàng còn phân vân, chúng tôi sẽ đến lắp đặt cho họ dùng thử cả tháng, với đầy đủ chức năng sản phẩm. Khách hàng sẽ có cơ hội đánh giá một cách chân thực nhất về hiệu quả sản phẩm. Họ có thể quyết định mua hoặc nếu điều kiện tài chính chưa cho phép, họ có thể để lại đó, khi nào thích hợp thì quay lại. Có nhiều khách hàng đã đến với chúng tôi theo cách như vậy”, TS. Bùi Đức Vinh nói.

Khoahocphattrien