Bài giảng Máy và thiết bị gia cố nền móng

MÁY VÀ THIẾT BỊ GIA CỐ NỀN MÓNG HỌC PHẦN Yêu cầu chung Hiểu được mục đích, ý nghĩa của việc gia cố nền móng Nắm được công dụng, cấu tạo, nguyên lý làm việc của một số loại máy và thiết bị gia cố nền m[.]

Trang 1

MÁY VÀ THIẾT BỊ GIA CỐ NỀN MÓNG

HỌC PHẦN

Yêu cầu chung:

- Hiểu được mục đích, ý nghĩa của việc gia cố nền móng.

- Nắm được công dụng, cấu tạo, nguyên lý làm việc của

một số loại máy và thiết bị gia cố nền móng thông dụng.

- Nắm được phương pháp xác định một số thông số cơ bản

của các loại máy gia cố nền móng đã học.

Số tín chỉ: 02

Trang 2

Trang 3

HỌC PHẦN

Chương trình: 30 tiết = 15 buổi

- 1 buổi kiểm tra quá trình

- 1 buổi ôn tập

- 26 tiết giảng dạy.

- Giáo trình: Máy thi công chuyên dùng, PGS.TS Nguyễn

Bính, NXB Giao thông vận tải, Hà nội, 2005

Số tín chỉ: 02

Trang 4

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

1.1 Mục đích, ý nghĩa của việc gia cố nền móng

- Hầu hết các công trình xây dựng nhân tạo đều truyền tải trọng bản thân và hoạt tải qua nền móng xuống đất Như vậy, nền móng là phần

đỡ và truyền toàn bộ tải trọng của công trình xuống lòng đất.

Trang 5

- Tùy theo tính chất công trình, tải trọng truyền xuống nền có thể

lớn hay nhỏ dưới các trạng thái lực phân bố đa dạng khác nhau Nếu nền đất tự nhiên có thể thỏa mãn được các điều kiện chịu lực của công trình xây dựng trên nó theo các thông số đánh giá như tính kháng nén (lún), tính kháng cắt (trượt) v.v ứng với các điều kiện địa chất, thủy văn biến động khác nhau, thì đương nhiên, công việc gia cố nền sẽ không cần đặt ra.

- Tuy nhiên trong đa số trường hợp, nền công trình đều phải gia cố,

một mặt, do tải trọng công trình trên nó truyền xuống bao giờ cũng lớn và càng ngày càng lớn, (qui mô công trình ngày càng lớn), mặt khác, nền đất mà trên đó là các công trình nhân tạo tập

Trang 6

Tầng đất nền yếu cần gia cố này phổ biến có độ dày từ 2 đến 40m, cá biệt 200m với thành phần chủ đạo là á cát, á sét lẫn trầm tính hữu cơ gần như bão hòa nước.

Trang 7

- Như vậy, việc gia cố nền để tạo móng công trình là việc tất yếu Chi

phí cho việc gia cố nền trong giá thành công trình chiếm một tỷ lệ đáng kể, thấp nhất cũng 15−30%, có khi lên đến 40 − 50% giá thành công trình.

Trang 8

- Ở đây có thể phát sinh khái niệm: nền yếu và nền tốt Nền yếu thì

phải gia cố, nền tốt thì không; tuy nhiên điều này không phải lúc nào cũng đúng Thuật ngữ “nền yếu” và “nền tốt” có định tính hết sức tương đối, còn định lượng cũng thuộc phạm trù định nghĩa rằng ranh giới của chúng là:

Trang 9

- Điều chúng ta muốn nói là, tất cả đều tùy thuộc vào tĩnh tải và hoạt tải của công trình nhân tạo truyền xuống nền Nếu nền yếu mà vẫn chịu đựng được thì không cần gia cố, ngược lại, nếu nền tốt mà vẫn không thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đặt ra thì vẫn cần gia cố Trong đa số trường hợp, độ ngậm nước của nền ở cả 3 trạng thái nói chung: hơi, lỏng, rắn là một yếu tố quyết định đến cơ tính của đất nền.

Trang 10

1.2 Các phương pháp gia cố nền móng chủ yếu

1.2.1 Phương pháp cải tạo sự phân bố ứng suất trên nền

Trang 11

1.2.3 Phương pháp gia cố nền bằng cọc cứng

- Móng cọc là một kết cấu quen thuộc trong xây dựng, làm nhiệm vụ truyền tải công trình xuống sâu trong nền đất có lớp (tầng) chịu lực tốt, khắc phục được biến dạng lún không đồng đều, chịu được tải trọng ngang, giảm khối lượng đào đắp, rút ngắn thời gian thi công do công nghiệp hóa chế tạo cọc và thiết bị thi công.

Trang 12

- Cọc và thiết bị đóng (hạ, đúc tại chỗ) rất đa dạng: cọc tre, gỗ, bê tông đặc, ống rỗng, thép, ván thép cọc nhồi các kiểu, trụ thẳng, nở hông (Franki), nở đáy cọc xoắn.

- Tuy nhiên không phải lúc nào gia cố nền bằng cọc cứng cũng có hiệu quả tốt nếu nền phía trên tốt mà ở dưới mũi cọc lại xấu; trường hợp đó phải dùng biện pháp khác.

- Nói chung, các loại cọc đều chịu tải của công trình xuống dưới nền theo hai dạng: cọc chống − chịu tải cơ bản ở mũi cọc, cọc treo − chịu tải

cơ bản theo ma sát hông ở thân cọc.

- Trường hợp cọc chịu tải hỗn hợp cả chống và treo đều phát huy tác dụng đương nhiên là rất tốt.

Trang 13

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1.3 Phân loại thiết bị thi công cọc cứng

Trang 14

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1.3 Đặc điểm sử dụng các loại búa đóng cọc

Trang 15

Trang 16

Trang 17

1.4 Khái niệm hạ cọc

- Cọc các loại có thể được đóng (bằng búa), hạ (bằng búa rung, vòi xói), đúc tại chỗ (khoan nhồi, vòi xói), vặn (cọc xoắn) hoặc kết hợp đóng, đầm (hạ) cọc ống rồi đổ bê tông Vì vậy, thuật ngữ "hạ cọc" ở đây có nghĩa rộng bao quát.

1.4.1 Đóng cọc

- Phương tiện đóng cọc phổ biến là búa hơi (hơi nước, hơi ép) và búa diezel Lực xung kích tác dụng lên đầu cọc là tác nhân cơ bản để hạ cọc Người ta chỉ có thể đóng cọc khi tương quan giữa búa và cọc gồm năng lượng xung kích của búa, trọng lượng búa, trọng lượng cọc và độ chối của cọc thỏa mãn các điều kiện sau:

Trang 18

Trang 19

trong đó [Rc] − sức chịu tải giới hạn cho phép của cọc.

+ Về hệ số hiệu dụng của búa:

KB = (Q + q)/W Trong đó: Q, q − Trọng lượng búa và cọc.

Trang 20

W = (Q V )/(2g) − năng lượng xung kích.

với: V − Tốc độ rơi búa (m/s)

Trang 21

Q = (1,5 − 2)q

Trang 22

1.4.2 Hạ cọc bằng rung động

- Những trường hợp không thể dùng búa xung kích để đóng cọc như: trọng lượng cọc quá lớn so với búa, hoặc nền cát v.v người ta có thể

hạ cọc bằng búa rung các loại (rung nối cứng, nối mềm, va rung).

- Búa rung tác động nhờ lực ly tâm tạo ra bằng khối lệch tâm quay Lực

ly tâm ở đây còn được gọi là lực kích động P tính theo biểu thức:

Trong đó: M − Mô men lệch tâm

ω − Tốc độ góc

− Gia tốc trọng trường

Trang 24

1.4.3 Đúc cọc tại chỗ bằng khoan nhồi

- Khoan nhồi các kiểu có mục đích tạo cọc (đúc cọc) tại chỗ Công nghệ khoan nhồi gồm 2 bước cơ bản: tạo lỗ khoan bằng máy khoan chuyên dụng và đúc cọc bê tông sau khi tạo lỗ.

- Công nghệ khoan nhồi (cọc) ra đời từ năm 1950 và ngày càng phát triển mạnh mẽ Nó cho phép tạo ra các móng cọc chịu lực rất lớn xây dựng các công trình cầu, các tòa nhà cao tầng, các công trình thủy lợi và thủy điện.

Trang 25

Trang 26

Để tạo ra lỗ khoan, người ta áp dụng các loại hình công nghệ:

− Công nghệ đúc khô

− Công nghệ dùng ống vách

− Công nghệ dùng dung dịch khoan.

Việc áp dụng loại hình công nghệ nào cho hợp lý là rất quan trọng, nó phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm địa chất, thiết bị khoan và trình độ vận hành thiết bị.

Thiết bị (khoan) tạo lỗ có nhiều dạng khác nhau Việc đúc cọc bê tông được tiến hành sau khi làm sạch lỗ khoan và đặt cốt thép Cọc đúc xong phải tiến hành kiểm tra chất lượng nhờ các thiết bị kiểm tra hiện đại.

Trang 27

Trang 28

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LOẠI MÁY ĐÓNG VÀ HẠ CỌC

2.1 Máy búa cơ khí

- Máy búa cơ khí gồm các bộ phận chính: Máy cơ sở 1, thanh giằng

ngang 2, bộ phận dẫn hướng 3 và bộ phận va đập 4.

a) Cấu tạo chung; b) Nối búa trực tiếp; c) Nối búa gián tiếp; d) Nối búa tự động (Hình vẽ cấu tạo)

Trang 29

1.Máy cơ sở; 2.Thanh giằng ngang; 3 Giádẫn hướng; 4 Búa; 5 Pu ly treo búa;

6 Cáp; 7 Đòn điều khiển; 8 Cầu nối;

9 Dây dật; 10 Cầu nối; 11 Đối trọng;

12 Móc tự động, 13 CữCHƯƠNG 2: MỘT SỐ LOẠI MÁY ĐÓNG VÀ HẠ CỌC

Trang 30

- Có ba cách nối búa:

+ Nối trực tiếp: cáp gắn chặt vào búa Cách nối này có nhược điểm là gây tải trọng động cho cáp khi búa rơi xuống, gây rối cáp và chóng hỏng cáp, Hình b.

+ Nối gián tiếp, Hình c: cáp nối với búa qua bộ phận trung gian là cầu nối 8 và móc cáp treo Khi búa đã được nâng tới độ cao thích hợp, kéo dây điều khiển, búa được nhả khỏi móc rồi rơi tự do đập vào cọc Sau đó cầu nối 8 cùng với móc được hạ xuống (do trọng lượng bản thân) tự động móc vào tai búa.

Trang 31

+ Cách nối tự động, Hình d: cách này khác với cách nối gián tiếp ở chỗ có thêm đối trọng 11 và cữ tự động nhả búa 13 Khi tới độ cao thích hợp, cần điều khiển 12 tỳ vào cữ 13, búa được tự động nhả rơi xuống (không cần dây điều khiển) Cách này an toàn và năng suất cao hơn.

Tang cuốn cáp để nâng búa được dẫn động bằng động cơ Giá dẫn hướng được liên kết với máy cơ sở để dẫn hướng búa Giá này có thể thay đổi phương nghiêng để thay đổi hướng đóng cọc Bộ phận va đập là quả búa có khối lượng đủ lớn để truyền động năng rơi vào đầu cọc Khi tang cuốn cáp nâng búa đến độ cao xác định, búa sẽ được rơi xuống trượt theo rãnh dẫn hướng, đập vào đầu cọc thực hiện việc

Trang 32

2.2 Máy búa hơi song động tự động phối khí

- Búa hơi song động tự động (Hình) có áp lực hơi tác động hai chiều: nâng búa và hạ búa Búa có van tự động phối khí nên tần số va đập cao: 200 - 300 lần/phút, điều khiển nhẹ nhàng, điều chỉnh được lực đóng, búa làm việc không cần giá đóng vì có thể đặt trực tiếp lên đầu cọc.

- Nhược điểm của loại máy này là trọng lượng chết lớn (80 -90% trọng lượng toàn bộ) vì áp lực trong xi lanh có xu hướng đẩy búa lên khỏi đầu cọc do vậy cần trọng lượng máy lớn để giữ.

Trang 33

Nguyên lí búa hơi song động:

1- Vỏ, 2-Pitông, 3- Búa, 4- Cọc

Trang 34

- Cơ cấu gồm có vỏ van, ruột van các lỗ xả và rãnh dẫn khí Ruột van có thể di trượt tự động trong hộp van do sự thay đổi áp lực khí nén Nguyên

lý hoạt động của van như sau: khi đặt máy lên đầu cọc, chưa có áp lực khí trong van, ruột van và búa ở vị trí thấp nhất do trọng lượng bản thân Không khí nén đi vào cửa A, ra cửa B nâng đầu búa 3 lên, sau đó đầu búa rơi tự do xuống Loại tác động hai chiều này thì áp suất chất khí hoặc lỏng vừa nâng đầu búa lên vừa tạo lực ấn đầu búa xuống búa 3 lên xuống để đóng cọc Việc phân phối khí này hoàn toàn tự động nhờ có cơ cấu phối khí Các loại búa đóng cọc dẫn động một chiều có tần số va đập thường khoảng 60 lần/phút, còn loại tác động 2 chiều tần số va đập lên đến 120 lần/phút.

Trang 35

2.3 Máy búa đóng cọc diezel

2.3.1 Công dụng, phân loại búa diezel

- Công dụng: Búa diezel dùng để đóng các cọc bê tông cốt thép, ống thép, cọc gỗ và thường chỉ đóng trên nền thông thường (không phải nền yếu hoặc nền cứng) Búa loại này dùng dầu diezel và hoạt động như một động cơ diezel, gây ồn lớn và chấn động mạnh nên chỉ thích hợp với việc xây dựng các công trình xa nơi dân cư, xa các công trình xây dựng

đã có.

Riêng các loại búa nhỏ có thể đóng cọc tre, cọc gỗ để kè bờ Ở đây, thuật ngữ "búa điezel" được hiểu là cỗ máy đóng cọc sử dụng quả búa dùng dầu diezel; ngoài quả búa ra còn có giá búa, khung sàn với các thiết bị cần thiết hoặc máy cơ sở là máy kéo, cần trục.

Trang 36

- Phân loại búa diezel

+ Theo nguyên tắc cấu tạo quả búa, có:

 búa diezel cọc dẫn (xi lanh rơi)

 búa diezel ống dẫn (pittông rơi)

+ Theo trọng lượng quả búa Q:

Trang 37

Cấu tạo máy:

- Các bộ phận cơ bản của máy đóng cọc minh hoạ

ở Hình bên bao gồm cần, các tấm nối, giá dẫn

hướng, thanh ngang, đầu búa, mũ cọc và cáp kéo

Các tấm nối liên kết giá dẫn hướng với đầu cần

Giá dẫn hướng sử dụng để dẫn hướng đầu búa

đập vào mũ cọc Phần chân giá dẫn hướng liên

kết với cần bằng thanh ngang Để giảm tổn thất

năng lượng, đầu búa thường làm thành hai phần:

phần tĩnh và phần động Phần tĩnh liên kết với

móc nâng và buộc chặt vào phần động Phần tĩnh

sẽ tự động tách rời phần động khi nâng đầu búa

đến chiều cao lựa chọn Mũ cọc sử dụng để bảo

vệ đầu cọc không bị vỡ trong quá trình đóng cọc

Trang 38

Trang 39

Trang 40

Trang 41

-Nguyên lý:

Các máy búa diêzel đều có nguyên lý làm việc tương tự của động cơ diezel Lợi dụng sự rơi tự do của búa để nén không khí trong xi lanh lại tới áp suất và nhiệt độ cao, nhiên liệu được phun vào gặp nhiệt độ

và áp suất cao tự bốc cháy, tạo áp lực khí lớn đột ngột đẩy búa lên cao và bắt đầu một chu trình mới loại máy này có cấu tạo gọn nhẹ,

dễ vận chuyển.

Nhược điểm: khởi động máy khó, đặc biệt là khi gặp đất mềm, công đóng cọc nhỏ vì phải tốn công để nén khí, tốc độ đóng chậm, thường đạt từ 50 - 80 lần/phút, nhiên liệu đắt tiền Lực đóng cọc lớn nên đầu cọc dễ vỡ, ảnh hưởng đến công trình xung quanh.

Trang 42

2.3.2 Máy búa diezel loại hai cọc dẫn

Cấu tạo (Hình): gồm bốn bộ phận chính: bộ phận

treo móc, búa, bộ phận dẫn hướng (hai cọc dẫn) và bệ máy.

Khi thả cáp 8, búa rơi xuống dọc theo hai cọc dẫn 4,

móc 6 tự động móc vào chốt 5, sau đó nâng cả xà

ngang và xi lanh đến vị trí trên cùng Giật đòn 9, chốt 5

trượt khỏi móc 6, xi lanh 10 rơi tự do theo hai cọc dẫn

chụp vào píttông 12 để đóng cọc và nén khí, làm áp

suất và nhiệt độ không khí trong buồng xi lanh tăng

lên, đồng thời chốt 11 đánh vào đòn 14, dầu được phun

vào không khí nén có áp suất và nhiệt độ cao trong

buồng xi lanh dưới dạng sương mù và tự bốc cháy, sinh

áp lực lớn, đẩy xi lanh tung lên Khi hết đà, xi lanh và

Trang 43

2.3.3 Máy búa diezel loại ống dẫn

-Phần va đập là píttông - đầu búa 22 trượt trong xi lanh dẫn hướng

21 Bệ 17 nằm trong xi lanh có lỗ lõm bán cầu Phía trên píttông

22 có bộ phận bôi trơn tự động, phía dưới có phần lồi ra tương ứng

với chỗ lõm bán cầu ở bệ 17 Cọc 16 liên kết với bệ 17 Bắt đầu,

cáp 8 kéo móc 20 đưa búa lên cao rồi thả pít tông 22 rơi tự do theo

xi lanh, ép vào đòn 23, mở bơm 24 làm dầu từ bình dầu 19 được

bơm vào xi lanh rồi đi vào phần lõm của bệ 17 Khi píttông che

kín lỗ 18, không khí trong xi lanh bị nén, làm áp suất và nhiệt độ

tăng lên Khi phần lồi của đầu búa, đập vào phần lõm của bệ 17

thực hiện việc đóng cọc, dầu bắn tung toé dưới dạng sương mù,

gặp không khí có áp suất và nhiệt độ cao sẽ tự bốc cháy, giãn nở,

đẩy píttông đi lên Khí cháy trong xi lanh thoát ra ngoài qua lỗ 18.

Khi hết đà, píttông tự rơi xuống và lặp lại một chu kì làm việc

Trang 44

2.3.4 Ảnh hưởng của khí cháy đến quá trình hạ cọc

- Ta đã biết rằng: trong quá trình búa diezel đóng cọc luôn có 2 thành phần lực tác dụng lên đầu cọc làm cọc chìm xuống nền, đó là:

− Lực va đập của quả búa qua đế búa xuống cọc.

− Lực do khí cháy sinh ra truyền xuống cọc.

Sau đây ta xét ảnh hưởng của khí cháy đến quá trình hạ cọc.

Xét trong 1 chu kỳ làm việc của búa: khi quả búa đi xuống tới vị trí che kín cửa

xả thì quá trình nén bắt đầu được thể hiện bằng điểm a trên đồ thị p (t).

Áp lực khí nén trong buồng đốt quả búa tăng dần từ a đến c và t1, tạo ra một lực F tác dụng lên đầu cọc, ví dụ ở điểm c, ta có: Fc = Pc A, với A là tiết diện ngang của quả búa, Pc − áp lực khí cháy tại thời điểm c.

Dưới tác dụng của lực khí cháy cọc chìm sâu vào nền và tăng đến giá trị lớn nhất

Hp khi khí cháy đạt áp lực lớn nhất Pz ứng với điểm z trên đồ thị Mặt khác dưới

dụng đàn hồi của nền, cọc sẽ bị đẩy lên một đoạn Hn, do đó chiều sâu dìm cọc

Trang 45

- Kết quả nghiên cứu cho thấy áp lực khí cháy tác dụng dìm cọc thực sự xuất hiện ở cuốiquá trình nén Khi hỗn hợp bị đốt cháy, áp suất trong buồng đốt tăng vọt và giai đoạncháy mãnh liệt nhất xảy ra trong khoảng thời gian τ = t2 − t1, khí cháy đạt áp lực Pz =(10 − 13) MPa tác dụng làm cọc chìm xuống nền Thường ở giai đoạn đầu cọc chìm tới

20 cm/1 lần búa rơi xuống, sau đó giảm dần độ sâu, vì càng về cuối lực cản cọc của nềncàng tăng

Hình Ảnh hưởng của khí cháy đến quá trình hạ

cọc.

1 đồ thị biểu diễn sự thay đổi

áp lực khí cháy P trong buồng đốt búa diezel ống dẫn − theo thời gian t.

2 đồ thị biểu diễn độ chìm của cọc vào nền tương ứng với quá

cọc do khí cháy.

Tiêu đề	Máy và thiết bị gia cố nền móng
Tác giả	PGS.TS Nguyễn Bính
Trường học	ĐH Thủy Lợi
Chuyên ngành	Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2005
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	230
Dung lượng	5,79 MB

Bài giảng Máy và thiết bị gia cố nền móng

MÁY VÀ THIẾT BỊ KHOAN CỌC NHỒI

BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC