Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết nghiên cứu xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị công tác hạ ống vách thép thi công cọc nhồi bằng phương pháp ép - xoay làm cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế thiết bị lắp trên máy cơ sở có sẵn ở Việt Nam nhằm phát huy hết công suất dẫn động, tăng năng suất của máy, góp phần làm giảm giá thành đầu tư, làm chủ công nghệ thiết bị và khai thác sử dụng một cách hiệu quả loại thiết bị này ở nước ta.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2018 12 (6): 1–7 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ CÔNG TÁC HẠ ỐNG VÁCH THÉP THI CÔNG CỌC NHỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP – XOAY Phạm Văn Minha,∗, Phạm Quang Dũnga a Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 03/09/2018, Sửa xong 20/09/2018, Chấp nhận đăng 26/09/2018 Tóm tắt Thiết bị hạ ống vách thép thi công cọc nhồi đất yếu, địa chất phức tạp ứng dụng rộng rãi giới, Việt Nam loại thiết bị quan tâm đầu tư nghiên cứu ứng dụng Bài báo nghiên cứu xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị công tác hạ ống vách thép thi công cọc nhồi phương pháp ép - xoay làm sở cho trình tính tốn thiết kế thiết bị lắp máy sở có sẵn Việt Nam nhằm phát huy hết cơng suất dẫn động, tăng suất máy; góp phần làm giảm giá thành đầu tư, làm chủ công nghệ thiết bị khai thác sử dụng cách hiệu loại thiết bị nước ta Từ khoá: phương pháp ép - xoay; thiết bị hạ ống vách; máy sở RESEARCH DETERMINING THE REASONABLE WORKING REGIME OF EQUIPMENT CASING BY ROTARY PRESS - IN Abstract Equipment casing in the weak ground, complex geology have been widely applied and used in the world; meanwhile in Vietnam this is a new type of equipment, that has been started to study for research and application This paper research determines the reasonable working regime of equipment casing by rotary Press - in method, as the basis for the calculation process of the equipment installed on the base machine in Vietnam to maximize the transmission capacity, increase the productivity of the machine; it contributes to reducing the cost of investment, mastering the technology of equipment, effectively exploiting and using this type of equipment in our country Keywords: rotary press - in method; equipment casing; base machine https://doi.org/10.31814/stce.nuce2018-12(6)-01 c 2018 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Đặt vấn đề Tổ hợp thiết bị hạ ống vách thép phương pháp ép - xoay để thi cơng cọc nhồi (Hình 1) gồm máy sở 1, thiết bị công tác (TBCT) kết cấu liên kết TBCT gồm hai cấu ép xoay (lấy nguồn dẫn động từ máy sở) để hạ ống vách vào lòng đất theo quỹ đạo hình xoắn ốc Máy sở, việc cung cấp nguồn dẫn động cho TBCT, có chức dẫn động gầu qua dây cáp để moi đất lòng ống lên tạo thành lỗ khoan cọc nhồi góp phần chống xoay TBCT thông qua kết cấu liên kết Đây loại thiết bị có nhu cầu lớn Việt Nam để thi công cọc nhồi cho ∗ Tác giả Địa e-mail: phamkhanhminh@gmail.com (Minh, P V.) Minh, P V cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng cơng trình lớn đất có điều kiện địa chất phức tạp [1] việc nghiên cứu thiết kế chế tạo loại thiết bị điều kiện Việt Nam cần thiết Qua khảo sát thông số kỹ thuật loại thiết bị hãng tiếng chế tạo (Bảng 1) cho thấy hồn tồn sử dụng loại máy khoan cọc nhồi có sẵn Việt Nam làm máy sở cho tổ hợp thiết bị nhằm giảm giá thành đảm bảo chủ động công tác đầu tư - Máy sở; - Ống vách; - Gầu; - TBCT; - Kết cấu liên kết máy sở với TBCT; - Cáp nâng hạ gầu Hình Sơ đồ cấu tạo tổ hợp thiết bị hạ ống vách thép phương pháp ép - xoay Bảng Thông số kỹ thuật thiết bị ép - xoay [2, 3] LIEBHERR- LEFFER Tên máy (hãng) SOILMEC RDM-1500 RDM-2000 RDM-3000 RDM-1500 RDM-2000 RDM-3000 Đường kính, mm 800∼1500 1200∼2000 2000∼3000 800∼1500 1200∼2000 2000∼3000 Mô men Mmax, kN.m 2300 2900 7400 2700 4081 7544 Tốc độ n, v/ph 0∼1,1 0∼1 0∼1,75 0∼1,1 0∼1 0∼0,09 Lực ép Nmax , kN 1890 2400 4560 1890 2400 4560 Loại máy sở HS 833 HD HS 855 HD HS 885 HD R625 R825 R930 Trọng lượng, KN 320 420 800 440 650 1150 TBCT (Hình 2) hạ ống vách thép vào lòng đất theo chu kỳ (độ sâu hạ hành trình xilanh 8) Khi bắt đầu chu kỳ, xilanh trạng thái duỗi hết, điều khiển xilanh qua khung hạ nêm để liên kết vành thiết bị tựa quay (TBTQ) gắn khung với ống vách Co xilanh đồng thời với việc mở máy cấu xoay để vừa ép vừa xoay hạ ống vách xuống thông qua khung 2, TBTQ nêm Khi xilanh co hết hành trình điều khiển xilanh để tách nêm khỏi ống vách duỗi hết xilanh để bắt đầu thực chu kỳ Để đảm bảo ổn định cho TBCT trình làm việc, trọng lượng thân TBCT với trọng lượng đối trọng 14 giữ cho TBCT không bị “đẩy nổi” tác dụng lực nén N; ngàm 13 với lực ma sát TBCT đất, lực ma sát máy sở đất (thông qua liên kết - Hình 1) giữ cho TBCT khơng bị xoay tác dụng mô men xoay M Các tác giả xây dựng phương pháp xác định lực cản công tác hạ ống vách thép [1], bao gồm: Minh, P V cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Lực cản nén ống vách theo phương dọc trục N: n πD2 tan α tan α N = qb + √ πD hi (σhi tan δ si + cci ) + √ πdh p (σhp tan δ sp + c p ); kN (1) + tan α + tan2 α i=1 Mô men cản xoay M: n πqb tan δ sp 3 πd2 h p πD2 M= D −d + √ (σhp tan δ sp +c p ); kNm hi (σhi tan δ si +cci ) + √ 12 1+tan2 α i=1 1+tan2 α (2) qb cường độ sức kháng mũi ống vách, KN/m2 ; d D đường kính ngồi ống vách, m; α góc vận tốc trượt vận tốc dài theo phương ngang, độ; σhi σhp giá trị ứng suất hữu hiệu trung bình lớp đất thứ i lớp đáy ống vách, KN/m2 ; δ si δ sp góc ma sát lớp đất thứ i lớp đáy với thành ống vách, độ; cci c p lực dính đất thứ i lớp đáy với thành ống vách, KN/m2 ; hi h p chiều dày lớp đất thứ i lớp đất phía ống vách, m; n số lớp đất ống vách xuyên qua Với vận tốc ép hạ ống vách theo phương dọc trục vd (m/s) tốc độ xoay ống vách n (v/ph) điểm bề mặt ống vách chuyển động theo đường xoắn ốc với véc tơ vận tốc v hợp thành từ vd vr = πDn/60 (Hình 2); vd vr liên hệ với theo biểu thức: tan α = vd 60vd ; n= ; α = 0◦ ÷ 90◦ vr tan αDπ (3) Như vậy, sở thông số điều kiện địa chất đất yêu cầu với ống vách cần hạ, biểu thức (1), (2) (3) ta xác định N, M, vd , n làm thông số đầu vào để tính tốn thiết kế TBCT hạ ống vách thép phương pháp ép - xoay Tuy nhiên, qua phân tích biểu thức (1), (2) (3), ta thấy thông số N, M, vd , n hàm số phụ thuộc vào α có mối quan hệ ràng buộc lẫn hay nói cách khác ứng với giá trị α j ta có thơng số (N j , M j, vd j , n j ) đặc trưng cho chế độ - Vành TBTQ; - Khung chính; - Nêm; làm việc (CĐLV) TBCT toán xác định Ống vách; - Khung hệ nêm; - Xilanh điều khiển nêm; - TBTQ; - Xilanh ép khung dẫn hướng; CĐLV hợp lý TBCT hạ ống vách thép Cơ cấu xoay ống vách; 10 - Bánh chủ động; 11 phương pháp ép - xoay phù hợp với máy sở có Khung bệ TBCT; 12 - Tai liên kết với máy sở; 13 sẵn chọn phát biểu sau: Ngàm chống xoay; 14 - Đối trọng Trên sở thông số yêu cầu cho trước Hình Sơ đồ nguyên lý TBCT hạ ống vách (điều kiện địa chất đất; ống vách thép; máy thép phương pháp Ép - Xoay sở chọn), tìm giá trị αhl ứng với CĐLV hợp lý (N, M, vd , n)hl TBCT cho phát huy tối đa công suất dẫn động máy sở để đạt suất cao (vd max ), thỏa mãn yêu cầu trình hạ ống vách thép theo biểu thức (1), (2) (3) đảm bảo ổn định TBCT với trọng lượng đối trọng nhỏ Minh, P V cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Xác định CĐLV hợp lý TBCT hạ ống vách thép thi công cọc nhồi phương pháp ép - xoay 2.1 Phân tích quy luật biến thiên mối quan hệ thông số đặc trưng cho CĐLV TBCT Từ biểu thức (1) (2) ta có quy luật biến thiên lực ép N mô men xoay M theo α (Hình 3) Mặt khác vận tốc ép vd tốc độ xoay n lại bị ràng buộc với thông qua biểu thức (3) Như vậy, với giá trị α ta có giá trị N M tương ứng theo đồ thị (Hình 3) song tốc độ ép xoay phải tỷ lệ với theo α biểu thức (3) đảm bảo hạ ống vách vào lòng đất Với máy sở chọn sẵn có cơng suất nguồn để dẫn động cấu ép ống vách Pe cấu xoay ống vách P x mối liên hệ ràng buộc với N, M, vd , n thông qua biểu thức sau: Hình Quy luật biến thiên M, N theo α Nvd ; kW ηe πMn ; kW Px = 30η x Pe = (4) (5) ηe η x hiệu suất truyền động cấu ép xoay ống vách Theo Hình 3, α nhỏ N nhỏ M lớn ngược lại Mục tiêu toán dễ đạt α nhỏ N nhỏ theo (4) vd lớn suất máy cao, mặt khác N nhỏ trọng lượng đối trọng nhỏ Tuy nhiên, N nhỏ mơ men xoay M lớn, đồng thời với vd lớn theo (3) tốc độ xoay n lớn làm cho công suất xoay ống vách lớn, công suất nguồn máy sở khơng đáp ứng Vì vậy, để xác định CĐLV hợp lý TBCT cần phải khảo sát giá trị (N, M, vd , n) theo α = 5◦ ÷ 90◦ tìm chế độ có vd max N nhỏ, thỏa mãn yêu cầu trình hạ ống vách nguồn dẫn động máy sở có cơng suất đủ để dẫn động TBCT CĐLV 2.2 Phương pháp xác định CĐLV hợp lý TBCT a Các thông số yêu cầu Điều kiện địa chất đất hạ ống vách thép: mặt cắt cột địa chất (ni , hi ); tính chất lý lớp đất (qc , qb , σhi , σhp , δ si , δ sp , cci , c p ); Các yêu cầu ống vách cần hạ (D, d, L, h p ); Máy sở: Tham khảo thông số kỹ thuật loại thiết bị hãng chế tạo (Bảng 1), chọn máy sở máy khoan cọc nhồi có sẵn phù hợp với yêu cầu đất ống vách cần hạ nêu (sơ đồ dẫn động, Pe , P x , trọng lượng Gcs , kích thước máy) b Trình tự xác định thơng số đặc trưng cho CĐLV TBCT (N j , M j , vd j , n j ) ứng với giá trị α j Bước Theo α j tính giá trị N j , M j , biểu thức (1) (2); Bước Theo N j Pe xác định vận tốc ép ống vách vd j1 biểu thức (4) (phát huy hết công suất cấu ép ống vách); theo vd j1 xác định tốc độ xoay n j1 biểu thức (3); Minh, P V cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bước Theo M j P x xác định tốc độ xoay n j2 biểu thức (5) (phát huy hết công suất cấu xoay ống vách); theo n j2 xác định vd j2 biểu thức (3); Bước Nếu n j1 ≤ n j2 có nghĩa cơng suất P x đủ để xoay ống vách CĐLV ứng với α j thông số (N j , M j , vd j = vd j1 , n j = n j1 ); Bước Nếu n j1 > n j2 có nghĩa cấu xoay không đủ công suất thông số đặc trưng cho CĐLV ứng với α j (N j , M j , vd j = vd j2 , n j = n j2 ) c Xác định CĐLV hợp lý TBCT Chế độ làm việc hợp lý TBCT CĐLV ứng với góc α hợp lý có vận tốc ép ống vách lớn (vd = vd max ) Vì ta cần phải khảo sát, xác định thông số đặc trưng (N j , M j , vd j , n j ) theo trình tự tính tốn mục b, ứng với α j miền xác định từ 5◦ ÷ 90◦ (α1 = 5◦ , α j = α j−1 + ∆α, αm = 90◦ , số lần lặp m = (90 − 5)/∆α) để tìm CĐLV hợp lý có vmax = max(vd j , với d j = ÷ m) Có thể lập trình máy tính với m lần tính lặp để tìm vd max theo sơ đồ khối Hình d Tính tốn thiết kế TBCT Sau xác định CĐLV hợp lý TBCT dùng thơng số đặc trưng M, N, vd , n làm thơng số đầu vào để tính tốn thiết kế TBCT theo trình tự sau: Tính toán thiết kế cấu ép ống vách theo lực nén N vận tốc ép vd ; Tính tốn thiết kế cấu xoay ống vách theo mơ men xoay M vận tốc xoay n; Tính toán thiết kế cấu điều khiển nêm theo lực nén N mơ men xoay M; Tính tốn thiết kế kết cấu thép, hệ thống khung bệ TBCT, xác định trọng lượng thân TBCT - G0 ; Tính tốn trọng lượng đối trọng Gd đảm bảo điều kiện ổn định chống “đẩy nổi” tác dụng lực nén N: G d = k1 N − G Hình Sơ đồ khối phương pháp xác định CĐLV hợp lý TBCT (6) k1 = 1,1 ÷ 1,2 hệ số an toàn ổn định theo phương dọc; Minh, P V cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Tính tốn diện tích chống xoay F đảm bảo điều kiện ổn định chống xoay TBCT tác dụng mô men xoay M [4, 5]: f (G0 +Gd )A + f Gcs a = k2 M k2 M − f [0,5A(G0 +Gd )+aGcs ] F= 2pA 2pFA + (7) k2 = 1,1 ÷ 1,2 hệ số an toàn ổn định theo phương ngang; f hệ số ma sát khung bệ thiết bị xích máy sở đất; A, a kích thước Hình 2; Gcs trọng lượng máy sở; p ứng suất cho phép đất Ví dụ áp dụng Các thơng số u cầu: Nền đất trụ P6 cầu Mỹ Thuận với mặt cắt địa chất (Hình 5) tính chất lý cho Bảng Bảng Các đặc tính lý đất Thông số h (m) (Bùn sét xám xanh) (Sét xám nâu lẫn cát) (Bùn sét xám nâu) (Sét dẻo mềm) (Cát nhỏ rắn chắc) 10,42 16,76 18,82 15 qc (kN/m2 ) 750 1650 266 2200 7420 g (kN/m3 ) d (độ) c (kN/m2 ) 17,1 18,3 17,2 18,7 20,4 60 90 90 140 340 4,1 11,16 1,4 20,2 Kích thước ống vách: d = 1220 mm, D = 1300 mm, L = 50 m, h p = m Máy sở HS 833 HD hãng Liebherr có đặc tính kỹ thuật sau: Dùng hai động đốt trong: động thứ Model D 924 TI-E có cơng suất 125 kW dẫn động bơm thủy lực có lưu lượng 193 l/min, động thứ hai Model D 926 TI-E có cơng suất 210 kW dẫn động hai bơm thủy lực có lưu lượng 428 l/min Áp suất làm việc hệ thống thủy lực 30 Mpa Đây loại máy sở có sẵn mạch thủy lực với đầu kết nối để dẫn động TBCT hạ ống vách, gồm hai đầu kết nối: Đầu kết nối có công suất 160 kW dẫn động cấu xoay đầu kết nối có cơng suất 40 kW dẫn động cấu ép hạ ống vách; áp suất làm việc hệ thống 30 Mpa, áp suất lớn hệ thống 35 Mpa Áp dụng phương pháp mục với ∆α = 1, m = 85, α1 = 5◦ tính tốn cụ thể cơng bố tài liệu [6–8] kết quả: đồ thị lực cản N, M theo α (Hình 6), thơng số CĐLV hợp lý TBCT (Bảng 3) Bảng Chế độ làm việc hợp lý TBCT Thông số αhl (độ) M (kN.m) N (tấn) n (v/ph) vd (m/ph) PE (kW) P x (kW) Giá trị 27◦ 2690 185 0,48 38,5 160 Kết tính tốn thơng số CĐLV hợp lý nằm miền thông số kỹ thuật máy mẫu hãng tiếng chế tạo Minh, P V cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Mặt cắt cột địa chất Hình Đồ thị lực cản M, N theo α Kết luận Trên sở kiến thức chuyên ngành thành tựu đạt lĩnh vực máy làm đất, nhóm tác giả xây dựng phương pháp xác định CĐLV hợp lý TBCT hạ ống vách thép thi công cọc nhồi đất yếu phương pháp ép - xoay lắp máy sở có sẵn; làm sở phục vụ cho q trình tính tốn thiết kế TBCT hạ ống vách điều kiện Việt Nam đem lại hiệu kinh tế kỹ thuật cao Cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện phương pháp theo hướng xác định CĐLV hợp lý TBCT hạ ống vách thép qua nhiều lớp đất có lực cản khác cho phát huy hết công suất nguồn dẫn động để tăng suất máy Trên sở phát triển xây dựng phần mền tự động hóa tính toán CĐLV hợp lý TBCT hạ ống vách thép để ứng dụng thực tế Tài liệu tham khảo [1] Minh, P V., Nam, N T., Dũng, P Q (2017) Xây dựng phương pháp xác định lực cản công tác thiết bị hạ ống vách thép thi công cọc nhồi phương pháp ép - xoay Tạp chí khoa học công nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, (4):134–138 [2] LIEBHERR (2016) Casing rotator Germany [3] SOILMEC (2016) Hydraulic casing rotator Italy [4] Đỗng, P H., Ngũ, H V., Thuận, L B (2004) Máy làm đất NXB Xây dựng [5] Thành, T Q., Dũng, P Q (1999) Máy thiết bị nâng NXB Khoa học kỹ thuật [6] TCVN 9352:2012 Đất xây dựng - phương pháp thí nghiệm xun tĩnh (CPT) Bộ Khoa học Cơng nghệ [7] TCVN 9351:2012 Đất xây dựng - phương pháp thí nghiệm trường - thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) Bộ Khoa học Công nghệ [8] Dinh, H V (2018) Nghiên cứu xác định chế độ làm việc hợp lý trình hạ ống vách thép thi công cọc nhồi đất yếu phương pháp ép - xoay, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Xây dựng ... máy làm đất, nhóm tác giả xây dựng phương pháp xác định CĐLV hợp lý TBCT hạ ống vách thép thi công cọc nhồi đất yếu phương pháp ép - xoay lắp máy sở có sẵn; làm sở phục vụ cho q trình tính tốn thi t. .. Xây dựng phương pháp xác định lực cản công tác thi t bị hạ ống vách thép thi công cọc nhồi phương pháp ép - xoay Tạp chí khoa học công nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, (4):13 4–1 38 [2]... - phương pháp thí nghiệm trường - thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) Bộ Khoa học Công nghệ [8] Dinh, H V (2018) Nghiên cứu xác định chế độ làm việc hợp lý trình hạ ống vách thép thi công cọc nhồi