Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam trờng đại học xây dựng Độc lập Tự do Hạnh phúc -------------0O0-------------- -------------------0O0----------------- Khoa : Cơ khí Xây dựng Bộ môn : Máy xây dựng nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp số : Họ và tên : Nguyễn Đình Nam MSSV : 6464 - 44 Lớp : 44 KM Ngành : Máy xây dựng 1- Đầu đề thiết kế: Thiết kế máy khoan cọc nhồi lắp trên máy cơ sở là máy xúc thuỷ lực 2- Các số liệu ban đầu để làm thiết kế: + Đờng kính cọc : 1 m + Chiều sâu cọc : 50 m + Tốc độ khoan : 10 V/ phút + Cấp đất làm việc : Cấp IV 3- Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: *Tính toán chung: - Tổng quan về công nghệ thi công cọc khoan nhồi - Thiết lập và lựa chọn phơng án thiết kế. - Tính chung: Tính mômen cản quay, lực dọc trục và công suất khoan. *Thiết kế từng phần: - Thiết kế cụm dẫn động - Hệ khung giá đỡ Tính ổn định khi làm việc *Một số nội dung khác: 1 Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng 4. Các bản vẽ và đồ thị (Ghi rõ các loại bản vẽ và kích thớc bản vẽ). 1. Bản vẽ phơng án (A0). 2. Bản vẽ hình chung (A0). 3. Bản vẽ thi công (A0). 4. Bản vẽ cụm dẫn động trục quay (A0). 5. Sơ đồ kết cấu thép giá treo cần (A1). 6. Bản vẽ hộp giảm tốc hành tinh (A1). 7. Bản vẽ gầu (A1). 8. Bản vẽ puli đổi hớng (A1). 9. Bản vẽ cần hộp. (A1) 5. Cán bộ hớng dẫn : Th.s Phan văn thảo 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế : Ngày 25 tháng 2 năm 2004. 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế : Ngày 9 tháng 6 năm 2004. cán bộ hớng dẫn tốt nghiệp (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lời nói đầu 2 Trởng bộ môn (Ký tên và ghi rõ họ tên) Sinh viên làm thiết kế tốt nghiệp (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng Công tác xây dựng có một vị trí quan trọng trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc. Trong những năm gần đây và trong tơng lai công tác xây dựng đã, đang và sẽ phát triển rất nhanh, có thể nói cả nớc là một đại công trờng. Các công trình xây dựng có quy mô lớn, nhiều nhà cao tầng xây dựng trong các đô thị đông dân c đòi hỏi phải có kỹ thuật xây dựng nền móng thích hợp và hiện đại. Để đáp ứng những yêu cầu đó ngành xây dựng không những cần đến trình độ tay nghề bậc cao của công nhân, trình độ quản lý của các kỹ s mà còn phải đầu t những trang thiết bị máy móc kỹ thuật hiện đại phục vụ cho công việc ngày càng cao này. Vì vậy máy xây dựng là một phần tất yếu cho quá trình phát triển của ngành xây dựng nói riêng và các ngành kỹ thuật khác nói chung. Công tác cải tạo và thiết kế các máy xây dựng một cách hợp lý và khoa học phù hợp với đặc thù công việc, thuận lợi cho công việc tổ chức thi công các công trình xây dựng nhằm phát huy lợi thế thi công là một trong những yếu tố vô cùng quan trọng cấu thành nên sự thành công của một công trình xây dựng. Làm đồ án tốt nghiệp là vấn đề then chốt để sinh viên có thể tổng hợp những kiến thức đã đợc tích lũy sau 5 năm học và bớc đầu làm quen đợc việc đa lý thuyết vào thực tế để có thể xây dựng cho mình những cơ sở căn bản cũng nh cách nhìn nhận một cách hợp lý về công việc sau này. Cũng qua đồ án này em xin đợc bày tỏ lòng biết ơn của mình tới các thầy cô giáo trong khoa Máy Xây Dựng đã hết lòng chỉ bảo, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt 5 năm học qua, đặc biệt là thầy Th.s Phan Văn Thảo đã trực tiếp hớng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Tuy nhiên, do thời gian, trình độ có hạn chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ bảo của các thầy cô để kiến thức khoa học kỹ thuật của em ngày càng hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! 3 Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng Phần I: Tổng Quan về công nghệ thi công khoan cọc nhồi. Chơng I: Giới thiệu các công nghệ khoan, dung dịch Bentonite và phơng pháp thi công cọc khoan nhồi. I. Giới thiệu các công nghệ khoan hiện nay. 1. Công nghệ khoan nhồi đơn giản. I.1. Các đặc điểm thi công. - Phơng pháp này không dùng ống vách mà chỉ sử dụng trong trờng hợp đất nền có đủ độ dính, chặt và nằm trên mực nớc ngầm. Các thành hố khoan không cần có sự bảo vệ nào, trừ đoạn đầu tiên. Phơng pháp này có thể liên quan đến các loại cọc và các baret với tất cả các kích thớc. Do đó việc áp dụng tơng đối hạn chế, vì các loại đất nền làm móng trên cọc thờng ngâm trong nớc ngầm. Do vậy độ sâu của loại cọc này ít vợt quá 20 m - Hố khoan đợc thi công trong đất nền bằng các thiết bị cơ khí nh Guồng xoắn, gàu đào việc chủ yếu là phải giữ đ ợc thành hố khoan. Mỗi công trình phải làm một thí nghiệm khoan thử. Tiết diện hố khoan có thể là hình tròn (cọc) hoặc có thể là hình dạng bất kỳ ( baret ). Trong trờng hợp bị sụt lở, có thể dùng phơng pháp thi công khác, nói chung là khoan trong dung dịch sét (bentonite). I.2. Các quy định về cấu tạo. - Các cọc có thể không cần đặt cốt thép hoặc chỉ một phần (thờng là 1/3 trên đầu cọc) nếu tải trọng của công trình hoặc của đất nền chỉ gây ra áp lực đúng tâm trên trục lý thuyết của cọc. Vấn đề này do ngời thiết kế quyết định. - Khi cọc không bố trí cốt thép thì có thể đặt những thành thép chờ cấy vào bê tông t- ơi. Thông thờng, cọc chịu nén dùng các thép chờ để giữ vị trí của cọc đợc xác định trong nền đất, cho tới khi bê tông đã đủ khả năng chịu lực, các thép chờ này chỉ đợc định vị chính xác khi bê tông đợc san phẳng ít nhất 1 m dới mặt bằng của nơi thao tác. 4 Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng - Các cọc chịu các lực uốn, các cọc xiên và các cọc chịu kéo thì phải đặt cốt thép trên suốt chiều dài cọc. - Các lồng cốt thép của cọc đợc cấu tạo bằng các cốt thép dọc phân bố theo dạng hình trụ, gắn chặt xung quanh với các thép đai vòng hoặc đai xoắn ốc. Chiều dài lồng cốt thép cho phép đủ liên kết chính xác với kết cấu phù hợp với số liệu của việc thiết kế. Số lợng cốt thép dọc của cọc tối thiểu là 5 thanh và đờng kính không nhỏ hơn 12 mm. Tiết diện tổng cộng của cốt thép tối thiểu phải bằng 0.5% tiết diện cọc nếu tiết diện này 0.5 m 2 . 2. Công nghệ thi công khoan cọc nhồi có ống vách. 2.1. Các đặc điểm thi công: Khi dùng dung dịch sét pha bentonite mà vẫn không giữ đợc thành hố khoan khỏi sụt lở hoặc mất dung dịch (có hang cactơ) thì phải dùng toàn bộ ống vách để bảo vệ thành hố. - Việc khoan đợc thực hiện trong đất bằng phơng tiện cơ giới (máy khoan, gầu goạm ) d ới sự bảo vệ của ống vách mà đáy luôn luôn nằm phía dới đáy của lỗ khoan. ống vách có thể đợc cắm tới độ sâu cuối cùng bằng cách rung hoặc ép xuống đồng thời xoay dần theo sự tiến triển của việc khoan. Đờng kính của cọc là đờng kính ngoài của đầu bịt ống vách. - Lỗ khoan đợc chứa một phần hoặc toàn bộ bằng bê tông có độ linh động cao, sau đó ống đợc rút sao cho chân ống vách luôn nằm thấp hơn ít nhất 1m dới mức bê tông trừ ở cốt san phẳng. 2.2. Thi công. - Đáy của ống vách luôn luôn nằm ở dới đáy của lỗ khoan. Trong lúc khoan, việc giữ đất và nớc không vào trong ống vách, có xét tới khả năng hút của mũi khoan phải sao cho đạt đợc một áp suất d ở đáy của ống vách. - Lỗ khoan đợc nạo vét ít hơn 2 giờ trớc lúc bắt đầu đổ bê tông, trừ khi có biện pháp đặc biệt chống sự lắng đọng. - Mức nớc trong hố khoan trong lúc đổ bê tông phải thờng xuyên cao hơn mức tĩnh cao của các lớp có nớc ngầm bên cạnh. 5 Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng - Nếu việc khoan đi qua một lớp đất ở dạng cát bụi ngập trong nớc, ngời ta kiểm tra để không tạo thành các túi rỗng xung quanh ống vách. Liên quan với điều ấy, sát với 3 cọc đầu tiên của công trờng, ngời ta thực hiện khoan thăm dò đờng kính nhỏ đi qua các lớp nguy hiểm (cát bụi). Việc thăm dò này có 2 tác dụng: + Thứ nhất là dò tìm các túi rỗng bằng cách nhận xét sự tự rơi dụng cụ khoan + Thứ hai là cho phép nớc thoát ra không làm phân tầng bê tông. Khi cần thiết thì việc khoan thăm dò đợc thực hiện sau khi khoan và trớc lúc đổ bê tông ở sát gần ngay với ống vách đã đặt. Lu ý: nếu không có các mũi khoan thăm dò thì có thể các hiện tợng sau sẽ xảy ra: khi rút ống vách chứa đầy bê tông, nớc sẽ nhanh chóng chiếm chỗ các túi và gây áp lực lớn, lúc đó ngời ta thấy nớc đẩy ra, trong 1 thời gian nào đó, hoặc ở ngoại vi của bê tông hoặc ngay cả theo các thanh thép dọc bằng cách hình thành các mạch nớc phun nhỏ. Một phần bê tông bị phân tầng. - Thi công đổ bê tông: + Nếu nhận thấy nớc ở đáy hố khoan không có, có thể đổ bê tông hố khoan bằng 1 ống độc lập. + Nếu có nớc ở trong hố khoan, ngời ta phải sử dụng hệ ống đổ bê tông. Hệ ống đổ bê tông là 1 hệ ống kim loại gồm nhiều đoạn ống và bên trên có 1 phễu hoặc máng nghiêng. Các mối nối giữa các đoạn đều kín khít. Đờng kính trong của ống ít nhất là 15 cm. Hệ ống đổ bê tông có chiều dài toàn bộ bằng chiều dài cọc. Trớc lúc đổ bê tông ngời ta hạ nó đến đáy sau đó ngời ta nâng cao lên nhiều nhất là 15 cm. Sau khi mồi (mẻ đổ bê tông đầu tiên vào trong máng nghiêng) cần tránh phân tầng bê tông bằng cách đặt một cái nút ở giữa, chân của ống đổ bê tông không bao giờ đợc nằm dới mặt bê tông tơi trong cọc ít hơn 2m. Lu ý: Khi mồi ống đổ bê tông nên tránh + Đổ trực tiếp bê tông + Sử dụng giấy làm nút + Việc nhấc nút lên (thờng là cái xẻng) trớc khi một vòm đủ đợc hình thành ở trong phễu. 6 Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng + Trong khi đổ bê tông, nếu bê tông đi xuống ống cắm ở dới phễu, phải đổ từ từ để tránh sự hình thành một túi không khí. Việc rút ống lên chỉ đợc làm sau khi đã đo mức cao của bề mặt bê tông và chắc chắn có 1 lớp bảo vệ tối thiểu 2 m. Ngời ta chỉ dùng các ống đổ bê tông hoàn toàn đợc cọ rửa sạch. 3. Công nghệ thi công khoan cọc nhồi trong dung dịch. 3.1. Các đặc điểm thi công: - việc khoan đất đợc thực hiện bở các phơng tiện cơ giới (Máy khoan, gầu goạm ) dới sự bảo vệ của dung dịch khoan, tiết diện khoan hình tròn (cọc) hoặc hình dạng bất kỳ (baret). Đờng kính của cọc (chiều rộng trong các baret) là các kích thớc của dụng cụ khoan. - Lỗ khoan đợc nhồi đầy bê tông có độ linh động cao, bằng cách dùng hệ thống đổ bê tông. Việc đổ bê tông đợc thực hiện với 1 hệ ống kỹ thuật rút ống. 3.2. Công nghệ thi công: - Mức của dung dịch trong lỗ khoan luôn luôn nằm ở ít nhất 1 m trên mức tĩnh cao nhất của nớc ngầm mà mũi khoan đi qua hoặc đi gần sát lúc thi công. Lu ý: các mức của nớc ngầm đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định dới dung dịch. Sự biến động nhanh của mức này có thể sinh ra các khó khăn trong việc giữ ổn định thành bên, chính vì vậy hồ sơ khảo sát phải cho tất cả các điều chỉ dẫn liên quan đến nớc ngầm và sự biến động có thể xảy ra trong lúc đang tiến hành các công việc. - Việc sử dụng các ống vách ở đầu là bắt buộc để ngăn ngừa sự sụt lở của đầu hố khoan. Việc lấy ra ống vách ở đầu sau khi đổ bê tông cần phải đợc làm không có sự biến đổi đột ngột của mức bê tông. Trong trờng hợp các baret, ngời ta phải giới hạn và bảo vệ phần trên của chỗ đào bằng các tờng con dẫn hớng hoặc cơ cấu tơng đơng (ví dụ nh cốp pha bằng kim loại thu hồi đợc) trên một chiều sâu ít nhất là 80 cm. Lu ý: + Chiều cao của các cơ cấu bảo vệ đầu (nắp bịt, các tờng con dẫn h- ớng ) cần phải phù hợp với bản chất của các loại đất. Nói chung chiều cao 80 cm là đủ. 7 Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng + Việc lấy ra đột ngột ống vách ở đầu, nhất là lúc bê tông đã bắt đầu ninh kết, có thể gây ra sự co thắt của cọc. - Thi công đổ bê tông: + Lỗ khoan đợc vét ít hơn 3 giờ trớc lúc bắt đầu đổ bê tông và các đặc tính của dung dịch đã đợc kiểm tra. Nếu việc khoan kéo dài quá, thì việc lấy mẫu dung dịch ở đáy hố khoan phải đợc thực hiện ngay lúc kết thúc khoan. Nếu các đặc tính của dung dịch tốt, thì việc đổ bê tông có thế đợc tiến hành. Nếu không, nguời ta phải tiến hành lu chuyển lại cho tới lúc đạt đợc các đặc tính tốt theo đúng yêu cầu kỹ thuật. Lu ý: Việc nạo vét đáy hố để loại trừ các bùn đất đào nằm ở đáy hố khoan là cần thiết để đạt đợc một sự tiếp xúc tốt của cọc với đất. Đối với các cọc và các baret thi công dới dung dịch sét tĩnh, việc nạo vét này thờng đi liền với sự lu chuyển lại với một dung dịch mới hoặc đã đợc xử lý dới sự lu chuyển cỡng bức bằng cách bơm. Thời hạn 3 giờ cầm nạo vét buổi tối để đổ bê tông vào sáng hôm sau. - Hệ ống đổ bê tông: Việc thi công bê tông đợc làm nhờ hệ ống đổ bê tông, hệ ống đổ này là một hệ ống kim loại tạo bởi nhiều phần tử và đợc lắp ở phía trên một phễu hoặc máng nghiêng. Các mối nối giữa các phần tử rất kín, đờng kính trong của ống ít nhất bằng 4 lần đờng kính của cấp phối bê tông mà nó phục vụ để thi công và không bao giờ nhỏ dới 115 mm. Đờng kính bên ngoài của nó phải nhỏ hơn 1/2 đờn kính danh định của cọc. ống đổ bê tông có chiều dài toàn bộ bằng chiều dài cọc. Trớc lúc đổ bê tông nó chạm đáy, sau đó ngời ta dâng lên nhiều nhất là 15 cm. Việc mỗi lần đổ bê tông đầu tiên phải tránh sự nhiễm bẩn bê tông do dung dịch chứa trong ống, nhờ một nút tạm thời đợc đẩy bởi bê tông. Sau khi mồi, chân của ống đổ bê tông không bao giờ đợc nằm cách ít hơn 3 m dới mức bề mặt của bê tông tơi ở trong cọc. Lu ý: Trong lúc mồi của ống đổ bê tông phải loại trừ: + Việc đổ trực tiếp bê tông + Sử dụng nút giấy - Nhấc vật bịt ra trớc khi thi hành đủ vòm ở phễu. 8 Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng 4. Khoan trục rỗng: Sử dụng các cọc loại này đòi hỏi khảo sát trớc nền đất một cách khá chi tiết để có thể nắm vững các sự thay đổi cao trình của các lớp Thật vậy, rất khó kiểm tra lúc đang thi công, bản chất của các lớp đợc xuyên qua. Các cọc này không đợc sử dụng trong trờng hợp gặp các chớng ngại vật lằm trong đất (đi qua chỗ đất cứng, bê tông, các khối xây dựng lớn ). 4.1. Các đặc điểm thi công: - Một cái khoan có trục rỗng với chiều dài tổng cộng ít nhất bằng chiều sâu của các cọc phải thi công, đợc xoáy vào trong đất mà không đẩy đất ra một cách đáng kể. Lu ý: + Máy khoan thực sự kéo dài ở đáy của nó bởi mũi khoan mà đờng kính ở chỗ đất dính lớn hơn đờng kính của cần khoan. Đờng kính danh định là đờng kính của cánh xoắn chứ không phải là của cần khoan. + Đất ở lại giữa cánh xoắn và cần khoan bị ép lại. + Nếu cánh xoắn ở gần mũi có một đờng kính bị giảm đi do bị mài mòn, ng- ời ta sợ có sự giảm áp lực của đất bao quanh và dẫn đến giảm ma sát bên cạnh so với ma sát đợc ớc tính. - Máy khoan đợc rút ra khỏi đất mà không cần vặn xoắn, trong lúc đó bê tông đợc phun vào qua trục rỗng của cần khoan và thay chỗ cho đất đá bị rút ra. 4.2. Các quy định về cấu tạo: - Cốt thép: Loại cọc này thờng không có cốt thép hoặc chỉ có cốt thép ở phần trên. Nếu các cọc có cốt thép ở phần trên, thực hiện bằng cách đa các lồng cốt thép cứng hoặc các thép hình đa vào trong bê tông tơi, nhà thầu phải đa ra đợc bằng chứng (các dẫn chứng và các thử nghiệm khả thi) là họ đạt đợc chiều sâu mong muốn va không gây biến dạng các lồng thép. - Bê tông: + Thành phần và liều lợng của bê tông đợc xác định theo cờng độ thực tế cần đạt. + Liều lợng tối thiểu là 350 Kg xi măng cho 1 m 3 bê tông. + Việc lựa chọn chất kết dính có kể tới các kết quả phân tích hoá học nớc dới đất. 9 Trờng đại học xây dựng hà nội khoa: máy xây dựng + Bê tông phải có thể đợc bơm một cách dễ đàng, muốn vậy thì bê tông phải có nhiều cát và cỡ hạt của các cấp phối đợc hạn chế. + Độ lu động của bê tông đợc đo bởi một dụng cụ thích hợp. Nếu dùng phễu hình côn, độ sụt đo đợc phải nằm giữa 15 và 22 cm. Độ lu động nh thế có thể đạt đợc bằng cách cho thêm vào các chất hoá dẻo trên công trờng hoặc ở trạm trộn trung tâm khi nó ở gần công trờng. + Khi dùng các thanh thép, nhà thầu phải đa ra đợc bằng chứng là các đặc tính của chúng (sức bền, độ dính bám) và công nghệ đa chúng vào trong bê tông bảo đảm tính đồng nhất của vật liệu và có các đặc tính phù hợp với nhiệm vụ thiết kế. 4.3. Thi công. - Máy khoan rỗng có tối thiểu các phần tử là 1 và tối đa là 3. - Phần mũi của cần khoan đợc trang bị một hệ thống nút hoặc lỗ cửa cho đổ bê tông, phần gắn hệ thống bịt (nút, hệ thống then cài), để tránh không cho đất vào khi vặn xoắn, cấm không đợc đẩy lên quá 10 cm để đẩy nút ra hoặc mở then cài, mà không đổ bê tông, nếu nút không đẩy ra đợc, phải rút cần khoan lên bằng cách vặn lên. Cọc phải đợc làm lại. - Sau khi đẩy nút ra hoặc mở then cài của các cửa lỗ đổ bê tông đối với các máy khoan có trang bị cơ cấu này, việc đổ bê tông vào bên trong cọc phải liên tục trong khi rút cần khoan lên. Để tránh sự co thắt cọc lúc thi công, ngời ta phải ngừng ngay rút cần khoan lên trong trờng hợp việc cấp bê tông bị ngừng trệ. - Không đợc đổ bê tông 2 cọc cạnh nhau mà khoảng cách giữa 2 trục của chúng nhỏ hơn 1,5 lần tổng số 2 đờng kính của 2 cọc đó. Khi có một sự dâng lên của bê tông t- ơi trong cọc bên cạnh thì lập tức phải báo cáo bằng văn bản cho chủ nhiệm đồ án có biện pháp khắc phục phù hợp. - Số lợng bê tông sử dụng cho mỗi cọc đợc ghi vào trong các báo cáo về số liệu thí nghiệm. - áp lực trong bê tông phải đợc giữ cho đến khi đáy cọc của cần khoan còn cha đạt cốt lý thuyết cắt bằng đầu cọc. - Trừ các quy định đặc biệt, việc đổ bê tông các cọc đợc thi công tới cốt sàn làm việc. 10